Titel: Transmissives elektrooptisches Element und damit versehene Scheibenanordnung
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein stufenlos elektrisch schaltbares transmissives elektrooptisches Element nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und auf eine mit einem derartigen Element ausgestattete Scheibenanordnung für Fenster, Türen, Trennwände, Fassaden und dgl. nach dem Oberbegriff eines der Ansprüche 15 bis 19.
Stufenlos elektrisch schaltbare transmissive optische Elemente sind im Displaybereich in Form von sogenannten TN (Twisted Nematic) -Zellen bzw. STN (Super Twisted Nematic) - Zellen bekannt. Bei diesen, eine Flussigkristallschicht verwendenden Zellen bzw. Elementen ist die Lichtpolarisatorschicht an der Außenseite des jeweiligen Trägersubstrats oder auf eigenen Trägern angeordnet. Zellen mit außen aufgebrachten Polarisatoren weisen den Nachteil auf, dass bei derartigen Zellen bzw. Elementen die Polarisatoren gegen mechanische und physikalische Einflüsse nicht geschützt sind. Werden Lichtpolarisatoren mit eigenen Trägersubstraten verwendet, so verteuert dies die gesamte schaltbare Einheit. Da die Polarisatoren gegen mechanische Einflüsse und auch gegenüber UV-Bestrahlung empfindlich sind und zudem einen wesentlichen Kostenfaktor darstellen, sind die genannten Nachteile nicht hinnehmbar.
Bei Scheibenanordnungen, deren Lichtdurchlässigkeit variabel sein soll, werden derzeit u.a. elektrochrome Gläser verwendet, deren Abschattung auf der Verfärbung von Farbstoffen aufgrund eines elektrischen Stromes beruht . Derartige elektrochrome Gläser verfärben sich jedoch beim
Verdunkeln und führen daher zu einer farbverfälschten Durchsicht. Außerdem benötigen sie zu einer
Abschattungsveränderung erhebliche Zeit. Derzeit erhältliche Systeme lassen sich außerdem nicht stufenlos in ihrer Transmission verändern, sondern sie sind nur in bestimmten Schaltschritten steuerbar. Aufgrund des notwendigen Ladungstransportes für den Schaltvorgang spielt die Leitfähigkeit der transparenten elektrischen Elektroden, die auch bei diesen Elementen notwendig sind, eine große Rolle. Die Temperaturabhängigkeit der Leitfähigkeit kann dabei zu unterschiedlicher Einfärbung des Elementes führen. Dies ist jedoch meist nicht gewünscht.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein stufenlos elektrisch schaltbares transmissives elektrooptisches Element zu schaffen, bei dem die Lichtpolarisatoren gegen äußere Einflüsse geschützt sind und das kostengünstiger herstellbar ist. Des Weiteren soll eine Scheibenanordnung für Fenster, Türen, Trennwände, Fassaden und dgl. geschaffen werden, die unter Einsatz eines stufenlos elektrisch schaltbaren transmissiven elektrooptischen Elementes kostengünstig herstellbar ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe sind bei einem stufenlos elektrisch schaltbaren transmissiven elektrooptischen Element der genannten Art die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale und bei einer damit ausgestatteten Scheibenanordnung für Fenster, Türen, Trennwände, Fassaden und dgl. die im Anspruch 15 oder 16 oder 17 oder 18 oder 19 vorgesehen.
Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen ist ein stufenlos elektrisch schaltbares transmissives elektrooptisches Element geschaffen, bei dem mit der Reduzierung der Systemkomponenten eine Reduktion der Kosten durch eine kompaktere Bauart einhergeht. Die als Beschichtung aufgebrachten Lichtpolarisatoren sind aufgrund der inneren Anordnung gegen
mechanische und physikalische Einflüsse geschützt, wobei die, durch die Trägersubstrate verursachte fast vollständige Absorption des UV-Lichtes der UV-Empfindlichkeit der Polarisatoren Rechnung trägt. Die nach innen gesetzten Lichtpolarisatorschichten können in einem kostengünstigeren Verfahren aufgebracht und in ein schaltbares Element einfacher eingebunden werden. Die Gesamtkosten für eine schaltbare Zelle werden hierdurch erheblich gesenkt. Durch die Fähigkeit der lichtpolarisierenden Beschichtung als Orientierungsschicht für den Flüssigkristall zu fungieren, kann das Aufbringen einer zusätzlichen Orientierungsschicht u.U. entfallen.
Durch den Einsatz von polarisierenden Gläsern als Trägersubstrate kann ebenfalls eine Vereinfachung des Zellenaufbaues erreicht werden, was zu einer Kostenreduktion führt. Diese polarisierenden Gläser sind vollständig UV- unempfindlich. Ihre Funktion beruht auf der spektral und schwingungsrichtungsabhängig unterschiedlichen Absorption im fremdstoffdotierten Glas.
Gegenüber den bisher bekannten Ausführungen eines elektrooptischen Elementes auf Basis einer TN-Zelle oder auch einer STN-Zelle ergeben sich durch den erfindungsgemäß vorgesehenen Einsatz von Flüssigkristall-Polarisation innerhalb oder außerhalb der Zelle oder durch die Verwendung von Glaspolarisatoren enorme Kostenvorteile. Wird die Flüssigkristall-Polarisatorschicht zusätzlich noch als Orientierungsschicht für den in der Zelle eingeschlossenen "Twisted Nematic"-Flüssigkristall oder den "Super-Twisted Nematic"-Flüssigkristall verwendet, kann eine sonst notwendige Orientierungsschicht innerhalb des elektrooptischen Elementes gegebenenfalls auch entfallen. Dies reduziert ebenfalls die Herstellungskosten erheblich.
Bei der Verwendung von Lichtpolarisatoren auf der Basis von
Mischungen aus Farbstoffen mit flüssigkristalliner Eigenschaft kann die spektrale Transmission bzw. die spektrale Absorption durch das Mischungsverhältnis der enthaltenen Farbstoffe gezielt beeinflusst werden. So kann sowohl eine gleichmäßige Absorption bei entsprechender Farbstoffmischung erreicht werden als auch eine spektral sehr unterschiedliche Absorption über den wirksamen Strahlungsbereich eingestellt werden. Bekannt sind derzeit lyotrope Flüssigkristall-Polarisatorsuspensionen, die durch spezielle Beschichtungsverfahren auf Trägersubstrate aufgebracht werden. Diese Polarisatorart ist kostengünstig herstellbar.
Bei einer entsprechenden Scheibenanordnung ist durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen unter Anwendung der Technologie aus dem Displaybereich erreicht, dass die Scheibenanordnung stufenlos abschattbar bzw. verdunkelbar ist und in ihren einzelnen Abschattungsphasen in sehr kurzer Zeit veränderbar bzw. gezielt einstellbar ist. Die Lichtpolarisatorschichten können dabei in geschützter Weise entweder innerhalb des stufenlos elektrisch schaltbaren transmissiven elektrooptischen Elementes angeordnet oder entsprechend den bauphysikalischen Notwendigkeiten jeweils an der Innenseite einer Glasscheibe der Scheibenanordnung vorgesehen sein oder auch in Form von polarisierenden Glasscheiben als Trägersubstrate oder als Abschlussverglasung zur Anwendung kommen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des stufenlos elektrisch schaltbaren transmissiven elektrooptischen Elementes und insoweit einer damit ausgestatteten Scheibenanordnung ergeben sich aus den Merkmalen eines oder mehrerer der Ansprüche 2 bis 14.
Weitere Einzelheiten der Erfindung sind der folgenden Beschreibung zu entnehmen, in der die Erfindung anhand der in
den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben und erläutert ist. Es zeigen:
Figur 1 in perspektivischer abgebrochener Darstellung den Aufbau eines stufenlos elektrisch schaltbaren transmissiven elektrooptischen Elementes gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel vorliegender Erfindung, bspw. in Form einer Twisted-Nematic- Zelle mit innenliegenden Lichtpolarsiatorschichten und zusätzlicher Orientierungsschichten,
Figur 2 eine der Figur 1 entsprechende Darstellung des elektrooptischen Elementes, jedoch gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel vorliegender Erfindung, bspw. in Form einer Twisted-Nematic-Zelle mit innenliegenden Lichtpolarisatorschichten jedoch ohne zusätzliche Orientierungsschichten,
Figur 3 eine der Figur 1 entsprechende Darstellung des elektrooptischen Elementes, jedoch gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel vorliegender Erfindung, bspw. in Form einer Twisted-Nematic-Zelle ohne internem Polarisator jedoch mit Orientierungsschicht,
Figur 4 eine Scheibenanordnung in Form einer
Isolierverglasung für bspw. Fenster mit einem transmissiven elektrooptischen Element nach dem ersten oder zweiten Ausführungsbeispiel der Figur 1 bzw. 2,
Figur 5 eine der Figur 4 entsprechende Darstellung einer Scheibenanordnung, jedoch unter Verwendung eines transmissiven elektrooptischen Elementes gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel vorliegender Erfindung der Figur 3, und
Figur 6 eine der Figur 4 entsprechende Darstellung einer Scheibenanordnung, jedoch unter Verwendung eines transmissiven elektrooptischen Elementes gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel vorliegender Erfindung, wobei die Außenscheibe der Scheibenanordnung gleichzeitig ein Trägersubstrat des elektrooptischen Elementes ist.
Das in Figur 1 dargestellte stufenlos elektrisch schaltbare transmissive elektrooptische Element 10, das in seinem konstruktiven Aufbau schematisch dargestellt ist, besitzt mittig eine Flussigkristallschicht 30 mit nicht im einzelnen dargestellten Abstandhaltern (sog. Spacer) , die von beiden Seiten von einer Orientierungsschicht 29 bzw. 31 überdeckt ist. Über der Orientierungsschicht 29 bzw. 31 befindet sich ein Isolator 28 bzw. 32, der von einer transparenten Elektrode 27 bzw. 33 überdeckt ist. Der Flussigkristallschicht 30 abgewandt ist an beiden transparenten Elektroden 27 bzw. 33 ein Trägersubstrat 26 bzw. 34, entweder in Form eines Glasträgers oder in Form eines Folienträgers angeordnet. Insoweit ist der Aufbau dieses elektrooptischen Elementes 10 etwa gleich einer TN- (Twisted Nematic-) Zelle bzw. STN- (Super Twisted Nematic- ) Zelle. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist jedoch zwischen dem Isolator 28 bzw. 32 und der Orientierungsschicht 29 bzw. 31 eine Lichtpolarisatorschicht 25 bzw. 35 vorgesehen. Diese Lichtpolarisatorschichten 25 und 35 dienen zur Polarisierung des einfallenden Lichtes vor dem Eintritt in die Flussigkristallschicht 30, in der der Lichtvektor um
90° bzw. 270° gedreht wird und durch den jeweils anderen Polarisator 35 bzw. 25 (je nach der Seite des Lichteinfalls) hindurchtreten kann. Die beiden Lichtpolarisatoren sind gegeneinander entsprechend dem Zellentyp in ihren Polarisationsrichtungen um einen bestimmten Winkel verdreht angeordnet. Die beiden transparenten Elektroden 27 und 33
werden über eine elektrische Spannung angesteuert, wodurch sich das Flüssigkristall der Flussigkristallschicht 30 in einem in seinen Eigenschaften sich ändernden elektrischen Feld befindet. Wird ein elektrisches Feld bestimmter Stärke zwischen den beiden transparenten Elektroden 27 und 33 angelegt, verliert der Flüssigkristall die Fähigkeit, den Lichtvektor zu drehen, so dass das Licht nicht durch den ausgangsseitigen Polarisator 25 oder 35 hindurchtreten kann. Auf diese Weise kann das transmissive elektrooptische Element 10 stetig bzw. stufenlos geschaltet und damit abgeschattet werden. Es versteht sich, dass je nach Polarisationsrichtung der beiden Polarisatoren 25 und 35 die Anordnung auch umgekehrt sein kann, d.h., dass erst durch Anlegen eines elektrischen Feldes zwischen den transparenten Elektroden 25 und 35 das transmissive elektrooptische Element 10 transparent wird. Die transparenten Elektroden 25 und 35 sind bspw. aus ITO (Indium-Zinnoxid) und der Isolator 28, 32 beispielsweise aus Si02.
Das transmissive elektrooptische Element 10' gemäß Figur 2 ist vom Grundsatz her ähnlich dem transmissiven elektrooptischen Element 10 der Figur 1 aufgebaut und braucht insoweit nicht im einzelnen nochmals beschrieben werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel besitzt das transmissive elektrooptische Element 10' keine eigenständige Orientierungsschicht 29 und 31, da deren Funktion von der jeweiligen Lichtpolarisatorschicht 25' bzw. 35' übernommen wird.
Sowohl die Lichtpolarisatorschicht 25 bzw. 35 (Fig. 1) als auch die mit den Eigenschaften der Orientierungsschicht versehene Lichtpolarisatorschicht 25' bzw. 35' (Fig. 2) ist durch eine chemische Behandlung für Wasser und die Flüssigkristallfüllung der Flussigkristallschicht 30 unlöslich gemacht.
Wesentlich bei beiden vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen ist die Anordnung der
Lichtpolarisatorschicht 25, 35 bzw. 25', 35' nach innerhalb des transmissiven elektrooptischen Elementes 10 bzw. 10', so dass die an sich UV-empfindliche und gegenüber mechanischen Einwirkungen empflindliche Lichtpolarisatorschicht gegen äußere Einflüsse geschützt ist.
Figur 3 zeigt den üblichen Aufbau einer TN-Zelle als transmissives elektrooptisches Element 10" mit Orientierungsschichten 29 und 31, jedoch ohne internen Polarisator.
Figur 4 zeigt ein Beispiel der Anwendung des stufenlos elektrisch schaltbaren transmissiven elektrooptischen Elementes 10 bzw. 10' nach den Figuren 1 und 2 bei einer Scheibenanordnung in Form einer Isolierverglasung 11 zwischen deren Außenscheibe 12 und deren im Abstand davon mittels eines Abstandhalters 13 vorgesehenen Innenscheibe 14. Die Verbindung zwischen Außenscheibe 12, Abstandhalter 13 und Innenscheibe 14 erfolgt in üblicher diffusionsdichter Weise mit Hilfe eines Dichtelementes 15.
Der Innenraum 16 zwischen Außenscheibe 12 und Innenscheibe 14 ist in hier symmetrischer Weise (oder auch asymmetrischer Weise) mit dem stufenlos elektrisch schaltbaren transmissiven elektrooptischen Element 10 oder 10' bestückt, wobei das Element 10, 10' etwa dieselbe flächige Ausdehnung wie die Scheiben 12 und 14 besitzt und bspw. in einer Nut 18 des Abstandhalters 13 gehalten ist.
Bei dem in Figur 5 dargestellten Ausführungsbeispiel einer Isolierverglasung 11' ist ein stufenlos elektrisch schaltbares transmissives elektrooptisches Element 10" nach Figur 3 mittig oder außermittig gehalten, das sich insoweit von dem Ausführungsbeispiel nach Figur 4 unterscheidet, als
die dort innerhalb des Elementes 10 angeordneten Lichtpolarisatorschichten 25 und 35 nun als Lichtpolarisatorschichten 25" und 35" an der Innenseite 36 der Außenscheibe 12 bzw. auf der nach innen gerichteten Außenseite 37 des elektrooptischen Elementes 10 angeordnet sind. Die Lichtpolarisatorschichten 25" und 35" sind dabei unmittelbar auf die Innenseite 36 der Außenscheibe 12 und unmittelbar auf die nach innen gerichtete Außenseite 37 des elektrooptischen Elementes 10" als flächige Beschichtung oder als Folie aufgebracht. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann das transmissive elektrooptische Element 10" mit oder auch ohne Isolator 28, 32 ausgebildet sein.
Bei dem in Figur 6 dargestellten Ausführungsbeispiel einer Isolierverglasung 11" übernimmt eine Scheibe der Isolierverglasung beispielsweise die Außenscheibe 12 die Aufgabe des einen Trägersubstrates. Der Gesamtaufbau des transmissiven elektrooptischen Elementes 10, 10 ' entspricht dabei prinzipiell Figur 1 oder Figur 2 oder möglicherweise auch Figur 3.
Wenn auch die in den Figuren 4, 5 und 6 dargestellte Scheibenanordnung in Verbindung mit einer Isolierverglasung 11 beschrieben ist, versteht es sich, dass eine derartige Scheibenanordnung auch selbstständig in
Einzelscheibenanordnung oder Mehrscheibenanordnung nicht nur für Fenster sondern auch für Türen, Innentrennwände, Außenfassaden, Kraftfahrzeugscheiben, Displays und dgl. Verwendung finden kann.
Die elektrisch leitfähige transparente Elektrode 27, 33 kann so strukturiert sein, dass einzelne Bildpunkte entstehen, die in ihrer Größe und Form variabel gestaltbar sind. Dabei sind die einzelnen Strukturpunkte mit entsprechenden Farbfiltern versehen und mit passiver Ansteuerung oder mit einer Aktiv- Matrix-Ansteuerung der Strukturelemente (Pixel) versehen.
Die Flussigkristallschicht 30 kann aus einem ne atischen Flüssigkristall oder aus einem cholesterinischen oder aus einem sogenannten Guest-Host-Flüssigkristall oder aus einem bistabilen Flüssigkristall bestehen. In der
Flussigkristallschicht 30 können sich Abstandhalter (spacer) befinden, die einen definierten Abstand zwischen den Trägersubstraten 26, 34 gewährleisten.
Desweiteren kann die Lichtpolarisatorschicht 25, 35 als Folie oder als polarisierendes Glas oder in Form von Flüssigkristall-Polarisatoren ausgeführt sein.
Die Trägersubstrate 26, 34 können am Rand miteinander verbunden sein und die Flussigkristallschicht 30 dicht einschließen. Außerdem kann das Trägersubstrat 26, 34 als polarisierendes Glas ausgeführt sein.