CN111936921B - 光学装置及其用途 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及光学装置及其用途。本申请可以提供这样的光学装置，其能够通过消除由于基础材料于在高温与低温之间变化的环境中的形状变形而可能产生的负压并产生正压来抑制外部气泡流入。这样的光学装置可以用作各种各样的透射率可变装置。

Description

光学装置及其用途
技术领域
本申请涉及光学装置及其用途。
本申请要求基于于2018年4月26日提交的韩国专利申请第10-2018-0048684号的优先权的权益，其公开内容通过引用整体并入本文。
背景技术
使用液晶改变透射率的光学装置中使用的基础材料根据产品的制造过程和用途来确定透射率、相位差或玻璃化转变温度(Tg)等。
在专利文献1(韩国特许专利公开第10-2017-0064744号)中，使用三乙酰纤维素(TAC)膜、聚碳酸酯(PC)膜、环烯烃共聚物(COP)膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)膜等作为具有高的光学透射率的基础材料。
当使用柔性基础材料时，基础材料的形状在测试耐久性时改变温度的过程期间变形，使得在光学装置内部形成低于大气压的负压，并因此可能存在引入外部空气并产生气泡的问题。因此，需要能够通过消除在基础材料变形时产生的负压并产生正压来从根本上阻止外部气泡流入的光学装置。
发明内容
技术问题
本申请的目的是提供光学装置，其能够通过消除由于基础材料于在高温与低温之间变化的环境中的形状变形而可能产生的负压并产生正压来抑制外部气泡流入。
技术方案
本申请涉及光学装置。在下文中，将参照附图描述本申请的光学装置，其中附图是说明性的并且本申请的光学装置不受附图限制。
图1说明性地示出了根据本申请的一个实例的光学装置。如图1所示，光学装置可以依次包括第一基础层10、液晶层20和第二基础层30。第一基础层10和第二基础层30中的至少一者可以为可热收缩基础层。在一个实例中，第一基础层和第二基础层各自可以为可热收缩基础层。
在本说明书中，可热收缩基础层可以意指在热处理时具有收缩特性的基础层。由于本申请的光学装置使用可热收缩基础层作为基础层，因此其可以通过于在高温与低温之间变化的环境中使基础层收缩以在光学装置内部产生正压来抑制外部气泡流入。
在一个实例中，可热收缩基础层的以下方程式1中的长度变化率(ΔL)可以为负数。
[方程式1]
Figure GDA0002710717390000021
在以上方程式1中，L0为基础层在25℃下在一个方向上的长度，以及L为基础层在80℃至150℃中的任一温度下热处理1分钟至180分钟中的任一时间之后在一个方向上的长度。
具体地，L为基础层在90℃至140℃、100℃至130℃、110℃至125℃、或115℃至125℃中的任一温度下热处理10分钟至150分钟、20分钟至120分钟、30分钟至90分钟、45分钟至75分钟、或50分钟至70分钟中的任一时间之后在一个方向上的长度。
在一个实例中，所述一个方向可以为MD方向(机器方向)。在本说明书中，MD方向可以意指基础层的长度方向或纵向方向，以及TD方向(横向方向)可以意指基础层的宽度方向或横向方向。此外，在本说明书中，纵向方向可以意指用于形成基础层的机器的行进方向，以及横向方向可以意指与基础层的行进方向垂直的方向。
此外，当可热收缩基础层在MD方向上收缩时，其可以在TD方向上膨胀。在一个实例中，当可热收缩基础层在MD方向上收缩时，其可以以约0.01倍至0.5倍或0.05倍至0.2倍，具体地，0.1倍的MD方向收缩率的膨胀率在TD方向上膨胀。
在本说明书中，当在限定角度时使用诸如垂直、水平、正交或平行的术语时，其意指基本上垂直、水平、正交或平行至不损害期望效果的程度，这包括例如考虑到生产误差或偏差(变化)等的误差。例如，前述的每种情况可以包括约±15度内的误差、约±10度内的误差或约±5度内的误差。
在本说明书中，当基础层的长度变化率值为负时，其可以称为可热收缩基础层，并且当基础层长度的长度变化率值为正时，其可以称为可热膨胀基础层。在本说明书中，可以将可热收缩基础层中的长度变化率的大小，即长度变化率的绝对值称为收缩率，并且可以将可热膨胀基础层中的长度变化率的绝对值，即长度变化率的绝对值称为膨胀率。
在一个实例中，可热收缩基础层的收缩率可以为0.001％或更大、0.002％或更大、0.004％或更大、0.006％或更大、0.008％或更大、或者0.01％或更大。当可热收缩基础层的收缩率在以上范围内时，可以有利于在在高温与低温之间变化的环境中抑制外部气泡流入。
当可热收缩基础层的收缩率过高时，液晶单元内部的容积空间变得太过小于液晶化合物的体积，从而由于密封剂被吹出的问题而可能无法保持液晶单元的形状。此外，在液晶层中包含用于保持单元间隙的间隔物的状态下，当收缩率过高时，可能在单元间隙变得大于间隔物的尺寸的部分中以暗点的形式引起缺陷。可以考虑前述来调节可热收缩基础层的收缩率的上限，其可以为例如5％或更小，并且可以具体地为3％或更小、1％或更小、或者0.7％或更小。
在一个实例中，第一基础层和第二基础层中的任一者可以为可热收缩基础层。此时，作为另一基础层，可以使用已知用于光学装置的基础膜。这样的基础膜可以例示为包含以下的基础膜：TAC(三乙酰纤维素)；COP(环烯烃共聚物)，例如降冰片烯衍生物；PMMA(聚(甲基丙烯酸甲酯))；PC(聚碳酸酯)；PE(聚乙烯)；PP(聚丙烯)；PVA(聚乙烯醇)；DAC(二乙酰纤维素)；Pac(聚丙烯酸酯)；PES(聚醚砜)；PEEK(聚醚醚酮)；PPS(聚苯砜)；PEI(聚醚酰亚胺)；PEN(聚萘二甲酸乙二醇酯)；PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)；PI(聚酰亚胺)；PSF(聚砜)；PAR(聚芳酯)；或无定形氟树脂，但不限于此。
在一个实例中，第一基础层和第二基础层二者均可以为可热收缩基础层。此时，可以在满足以上范围的范围内调节第一基础层和第二基础层的长度变化率。通过这样的结构，可以更有利于抑制在温度变化或保持长时间时可能发生的外部气泡流入。在一个实例中，第一基础层和第二基础层的长度变化率可以彼此相同或不同。
可以适当地选择可热收缩基础层的材料、光学特性等以便满足方程式1的长度变化率。
在一个实例中，可热收缩基础层可以为对波长为550nm的光的面内延迟值为3000nm或更大的延迟膜。这样的延迟膜可以称为超延迟膜。具体地，超延迟膜对波长为550nm的光的面内延迟值可以为5000nm或更大、7000nm或更大、8000nm或更大、10000nm或更大、或者12000nm或更大。此外，超延迟膜对波长为550nm的光的面内延迟值的上限可以为50000nm或更小、40000nm或更小、30000nm或更小、20000nm或更小、18000nm或更小、或者16000nm或更小。当使用满足上述范围内的面内延迟的超延迟膜作为可热收缩基础层时，在抑制由通过与偏振膜一起使用光学装置而产生的相位差所引起的虹现象方面可以是有利的。
在一个实例中，作为可热收缩基础层的种类，可以使用基于聚酯的膜，并且优选地可以使用聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)膜。在这种情况下，可以适当地实现超延迟膜。
在另一个实例中，可以使用基于纤维素的膜作为可热收缩基础层，并且优选地，可以使用三乙酰纤维素(TAC)膜。当使用TAC膜作为可热收缩基础层时，在抑制由通过与偏振膜一起使用光学装置而产生的相位差所引起的虹现象方面可以是有利的。
可以考虑本申请的目的来适当地选择三乙酰纤维素(TAC)膜对波长为550nm的光的面内延迟值，其可以为例如-10nm至10nm。根据本申请的一个实例，可以使用面内延迟值为0nm的三乙酰纤维素(TAC)膜。
这样的可热收缩基础层可以通过本领域中已知的方法来制备。在一个实例中，可热收缩基础层可以为经拉伸的聚合物膜。在一个实例中，可以使用可商购的产品作为可热收缩基础层，并且具体地，可以使用来自Toyobo Co.的SRF(超延迟膜)、或来自FUJI Co.,Ltd.的none TAC膜。
由于该基础层于在高温与低温之间变化的环境中收缩以在光学装置内部产生高于大气压的正压，光学装置可以抑制外部气泡流入。高温可以意指例如在90℃至100℃的范围内的温度，以及低温可以意指例如-30℃至-40℃的温度范围。在本说明书中，光学装置的内部可以意指第一基础层与第二基础层之间的空间，例如液晶层的空间。在本说明书中，术语“正压”意指高于大气压的压力。如图2所示，当在光学装置内部产生正压时，可以抑制外部气泡流入。此外，在本说明书中，术语“负压”意指低于大气压的压力。如图3所示，当在光学装置内部产生负压时，可以将外部气泡引入到内部。
第一基础层和/或第二基础层的厚度可以例如在10μm至500μm，具体地30μm至400μm、50μm至300μm、70μm至200μm或80μm至100μm的范围内。当第一基础层和/或第二基础层的厚度范围在以上范围内时，可以更有利于于在高温与低温之间变化的环境中抑制外部气泡流入。
光学装置还可以包括电极层。在一个实例中，光学装置可以包括形成在第一基础层上的第一电极层(未示出)和形成在第二基础层上的第二电极层(未示出)。第一电极层可以设置在第一基础层与液晶层之间，以及第二电极层可以设置在第二基础层与液晶层之间。
作为第一电极层和/或第二电极层，可以使用透明导电层。例如，作为第一电极层和/或第二电极层，可以使用通过沉积导电聚合物、导电金属、导电纳米线、或金属氧化物例如ITO(氧化铟锡)而形成的层。根据一个实例，作为第一电极层和第二电极层，可以使用氧化铟锡(ITO)。
光学装置还可以包括配向膜。在一个实例中，光学装置可以包括形成在第一电极层上的第一配向膜(未示出)和形成在第二电极层上的第二配向膜(未示出)。第一配向膜可以设置在第一电极层与液晶层之间，以及第二配向膜可以设置在第二电极层与液晶层之间。
作为第一配向膜和第二配向膜，可以应用水平配向膜或垂直配向膜。在一个实例中，第一配向膜和第二配向膜二者均可以为水平配向膜。在另一个实例中，第一配向膜和第二配向膜中的任一者可以为水平配向膜，而另一者可以为垂直配向膜。第一配向膜和第二配向膜可以具有能够控制存在于液晶层20中的液晶化合物和各向异性染料的初始配向状态的取向力。例如，作为第一配向膜和第二配向膜，可以使用接触型配向膜例如摩擦配向膜、或包含已知能够通过非接触法例如照射线性偏振光来表现出取向特性的光配向化合物的配向膜。
液晶层的透射率可以根据是否施加电压而改变。可以根据以下将描述的光学装置的用途适当地选择液晶层中透射率的可变范围。
在一个实例中，当液晶层20中的液晶化合物和各向异性染料的初始配向状态为垂直取向状态时，可以在不施加初始电压的状态下实现透明模式，并且可以在施加电压之后实现黑色模式。在另一个实例中，当液晶层20中的液晶化合物和各向异性染料的初始配向状态为水平取向状态时，可以在不施加初始电压的状态下实现非透明模式，并且可以在施加电压之后实现透明模式。
在一个实例中，液晶层20可以根据电压施加而在透射率为40％或更大的透明模式与透射率小于40％的非透明模式之间转换。在一个具体实例中，当将光学装置应用于以下将描述的天窗时，液晶层可以根据电压施加在透射率为15％或更大的透明模式与透射率为1％或更小的非透明模式之间转换。
液晶层20可以包含液晶化合物。作为液晶化合物，可以使用其取向方向可以通过外部电压施加而改变的液晶化合物而没有任何特别限制。作为液晶，例如，可以使用近晶型液晶、向列型液晶或胆甾型液晶等。此外，液晶可以为例如没有任何可聚合基团或可交联基团的化合物，使得取向方向可以通过外部电压施加而改变。
此外，液晶层20还可以包含各向异性染料。各向异性染料可以通过改善光学装置的遮光率而有助于透射率变化。在本说明书中，术语“染料”可以意指能够强烈吸收和/或改变可见光区域(例如400nm至700nm的波长范围)内的至少一部分或整个范围内的光的物质。此外，在本说明书中，术语“各向异性染料”可以意指能够各向异性地吸收可见光区域的至少一部分或整个范围内的光的物质。作为各向异性染料，例如，可以选择并使用已知具有能够根据液晶的配向状态而配向的特性的已知染料，例如，可以使用黑色染料。这样的黑色染料已知为例如偶氮染料或蒽醌染料，但不限于此。
液晶层20还可以包含在其侧面上的密封剂40。密封剂40可以用于防止液晶从液晶层20中泄露、保持单元间隙为恒定的间隔、以及牢固地结合单元。密封剂40可以与接触液晶层20的两侧的构件相邻存在。接触液晶层20的两侧的构件可以为第一基础层10和第二基础层30，或者可以为第一配向膜和第二配向膜，或者可以为第一电极层和第二电极层。密封剂40可以包含可固化树脂。作为可固化树脂，可以使用可紫外线固化树脂或热固性树脂等。
使用液晶的光学装置的驱动模式没有特别限制，其可以例示为例如DS(dynamicscattering，动态散射)模式、ECB(electrically controllable birefringence，可电控双折射)模式、IPS(in-plane switching，面内转换)模式、FFS(fringe-field switching，边缘场转换)模式、OCB(optically compensated bend，光学补偿弯曲)模式、VA(verticalalignment，垂直配向)模式、MVA(multi-domain vertical alignment，多域垂直配向)模式、PVA(patterned vertical alignment，图案化垂直配向)模式、HAN(hybrid alignednematic，混合排列向列)模式、TN(twisted nematic，扭曲向列)模式、STN(super twistednematic，超扭曲向列)模式等。
光学装置可以通过包括一个液晶层的单液晶单元结构来驱动，或者可以通过包括两个或更多个液晶层的多层液晶单元结构来驱动。此外，光学装置可以与已知的功能层例如吸收型偏振膜、反射型偏振膜、具有镜反射特性的反射层、1/4波片或1/2波片一起使用以调节透射率可变特性。
本申请还涉及光学装置的用途。示例性的光学装置由于基础层于在高温与低温之间变化的环境中收缩以在光学装置内部产生正压而可以抑制外部气泡流入。
这样的光学装置可以用作例如透射率可变装置。透射率可变装置可以例示为例如眼睛佩戴物，如太阳镜、AR(增强现实)或VR(虚拟现实)；用于建筑物外墙的智能窗；或者车辆天窗、前门窗、后门窗、后风挡、前风挡；等等，但不限于此。
在一个具体实例中，光学装置可以用作车辆天窗。例如，汽车可以包括其上形成有一个或更多个开口的车体、和安装至所述开口的光学装置。构成这样的天窗的方式没有特别限制，其中可以应用常规方法，只要使用所述光学装置即可。
有益效果
本申请可以提供这样的光学装置，其能够通过消除由于基础材料于在高温与低温之间变化的环境中的形状变形而可能产生的负压并产生正压来抑制外部气泡流入。这样的光学装置可以用作各种透射率可变装置。
附图说明
图1为说明性地示出根据本申请的一个实例的光学装置的图。
图2为用于说明在本申请的光学装置内部产生正压的情况的示例性图。
图3为用于说明在本申请的光学装置内部产生负压的情况的示例性图。
图4为使用数码相机拍摄热处理之前的实施例1中的光学装置的初始状态的图像。
图5为使用数码相机拍摄重复热处理之后的实施例1中的光学装置的状态的图像。
图6为使用数码相机拍摄热处理之前的比较例1中的光学装置的初始状态的图像。
图7为使用数码相机拍摄重复热处理之后的比较例1中的光学装置的状态的图像。
图8为使用数码相机拍摄热处理之前的比较例2中的光学装置的初始状态的图像。
图9为使用数码相机拍摄重复热处理之后的比较例2中的光学装置的状态的图像。
图10为TMA设备的详细视图。
具体实施方式
在下文中，将通过实施例具体描述本申请，但是本申请的范围不受以下实施例限制。
测量例1.在热处理之后基础层的收缩率测量
对于基础层，通过以下方法测量热收缩率：使用TA instruments制造的商品名为Q400的TMA(thermomechanical analysis，热机械分析)设备测量在25℃至120℃的条件下改变5℃的温度时出现的样品的长度变化。热收缩率基于样品的长度变化，其中在实施例和比较例中，长度变化率意指在120℃下放置1小时之后测量的长度变化率。制备基础层的样品以便具有600mm×300mm的面积和80μm的厚度。
具体地，通过热膨胀系数计(TMA)测量样品的长度变化率。TMA为这样的测量方法，当样品被加热或冷却至给定温度条件时，测量在给定负载下出现的作为温度和时间的参数的样品的变形。如图10所示，将几乎没有根据温度的热变形的样品压在石英台与探针之间的力为0.05N，这是可调节的。在控制温度的同时，通过LVDT的电信号测量通过样品的探针位置变化。
-力施加范围：0.001N至2N
-温度范围：-150℃至1000℃
-分辨率：15nm
-灵敏度：20nm或更小
根据以上方法，根据以下方程式1测量在热处理之后基础层的长度变化率，并且结果示于下表1中。
[方程式1]
Figure GDA0002710717390000091
在以上方程式1中，L0为基础层在25℃下在MD方向上的长度，以及L为基础层在120℃下热处理1小时之后在MD方向上的长度。
实施例1
作为第一基础层和第二基础层中的每一者，准备了在测量例1中长度变化率为-0.62％的可热收缩基础层。可热收缩基础层为对波长为550nm的光的面内延迟值为9000nm且厚度为80μm的PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)膜(SRF(超延迟膜)，由Toyobo制造)。
分别在第一基础层和第二基础层上沉积ITO(氧化铟锡)至200nm的厚度，以形成第一电极层和第二电极层。分别在第一电极层和第二电极层上涂覆水平配向膜(SE-7492，由Nissan Chemical Co.,Ltd.制造)至300μm的厚度并使其固化，以形成第一配向膜和第二配向膜。
通过将密封剂施加至第一配向膜的外周，将液晶(MDA 14-4145，由Merck制造)施加至密封剂的内部区域并向其层合第二配向膜来生产光学装置。生产的装置的面积为600mm×300mm，且单元间隙为12μm。
实施例2
以与实施例1中相同的方式制造光学装置，不同之处在于，分别使用在测量例1中长度变化率为-0.01％且厚度为80μm的TAC膜(None，由FUJI制造)作为第一基础层和第二基础层。
比较例1
以与实施例1中相同的方式制造光学装置，不同之处在于，分别使用在测量例1中长度变化率为+0.15％且厚度为100μm的PC1(聚碳酸酯)膜(由Teigin制造)作为第一基础层和第二基础层。
比较例2
以与实施例1中相同的方式制造光学装置，不同之处在于，分别使用在测量例1中长度变化率为+0.16％且厚度为100μm的PC2(聚碳酸酯)膜(由Keiwa制造)作为第一基础层和第二基础层。
比较例3
以与实施例1中相同的方式制造光学装置，不同之处在于，分别使用在测量例1中长度变化率为+0.11％且厚度为100μm的COP(环烯烃共聚物)膜(ZF14，由Zeon制造)作为第一基础层和第二基础层。
评估例1.高温耐久性的评估
对实施例和比较例的光学装置分别进行从90℃的高温至-40℃的低温的循环测试10次，然后观察光学装置内部的气泡出现，并且结果示于下表1中。光学装置内部产生的气泡也可以用肉眼观察，并且用数码相机拍摄的图像示于图4至9中。
如下表1所示，在使用可热收缩基础层的实施例1和2的情况下，在光学装置内部未产生气泡，但在使用可热膨胀基础层的比较例1至3的情况下，在光学装置内部产生了气泡。
图4和5分别为用数码相机拍摄热处理之前的实施例1的初始状态和10次循环测试之后的实施例1的状态的图像。图6和7分别为用数码相机拍摄热处理之前的比较例1的初始状态和10次循环测试之后的比较例1的状态的图像。图8和9分别为用数码相机拍摄热处理之前的比较例2的初始状态和10次循环测试之后的比较例2的状态的图像。如图4和5所示，在实施例1中，即使在循环测试之后，用肉眼也未观察到气泡，但是如图6至9所示，在比较例1和2中，产生了在循环测试之后用肉眼观察到的气泡。
[表1]
Figure GDA0002710717390000101
<附图标记说明>10：第一基础层 20：液晶层 30：第二基础层 40：密封剂 101：负载 102：LVDT(linear variable differential transformer，线性可变差动变压器) 103：与位置相关的信号 104：热电偶 105：探针 106：样品 107：炉

Claims (15)

1.一种光学装置，依次包括第一基础层、液晶层和第二基础层，
其中所述第一基础层和所述第二基础层中的至少一者为可热收缩基础层，
其中所述可热收缩基础层在MD方向上收缩，并且以0.01倍至0.5倍的MD方向收缩率的膨胀率在TD方向上膨胀。
2.根据权利要求1所述的光学装置，其中所述第一基础层和所述第二基础层各自为所述可热收缩基础层。
3.根据权利要求1所述的光学装置，其中所述可热收缩基础层的以下方程式1中的长度变化率ΔL为负数：
[方程式1]
Figure FDA0004148653720000011
其中，L0为所述可热收缩基础层在25℃下在一个方向上的长度，以及L为所述可热收缩基础层在80℃至150℃中的任一温度下热处理1分钟至180分钟中的任一时间之后在所述一个方向上的长度。
4.根据权利要求3所述的光学装置，其中所述一个方向为MD方向。
5.根据权利要求3所述的光学装置，其中所述可热收缩基础层的长度变化率的绝对值为0.001％或更大。
6.根据权利要求3所述的光学装置，其中所述可热收缩基础层的长度变化率的绝对值为5％或更小。
7.根据权利要求1所述的光学装置，其中所述可热收缩基础层为对波长为550nm的光的面内延迟值为3000nm或更大的延迟膜。
8.根据权利要求1所述的光学装置，其中所述可热收缩基础层为聚对苯二甲酸乙二醇酯膜或三乙酰纤维素膜。
9.根据权利要求1所述的光学装置，其中当在90℃至100℃的高温与-30℃至-40℃的低温之间改变温度时，所述光学装置中具有高于大气压的正压。
10.根据权利要求1所述的光学装置，还包括分别形成在所述第一基础层和所述第二基础层上的第一电极层和第二电极层。
11.根据权利要求10所述的光学装置，还包括分别形成在所述第一电极层和所述第二电极层上的第一配向膜和第二配向膜。
12.根据权利要求1所述的光学装置，其中所述液晶层根据电压施加而在透射率为40％或更大的透明模式与透射率小于40％的非透明模式之间转换。
13.根据权利要求1所述的光学装置，其中所述液晶层包含近晶型液晶化合物、向列型液晶化合物或胆甾型液晶化合物。
14.根据权利要求1所述的光学装置，其中所述液晶层还包含各向异性染料。
15.根据权利要求1所述的光学装置，其中所述液晶层还包含在其侧面上的密封剂。
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