阅读说明：本技术 具有非均匀取向层的无雾反向液晶光控膜 (Haze-free inverse liquid crystal light control film with non-uniform alignment layer ) 是由 郑文俊 蒙翠玲 邓树端 郭海成 于 2018-06-01 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种与电动可切换光控器件相关的器件和方法。器件包括两块透明导电基板(10),两个非均匀取向层(20),各自涂覆在各自的透明基板(10)上,在所述两块透明基板(10)之间的间隔垫片(30),在所述两块透明基板(10)之间的液晶层；以及在所述液晶层内部的聚合物网络(40)。该器件可用于智能窗户、触摸屏或隐私窗户。(The present invention provides a device and method relating to an electrically switchable light control device. The device comprises two transparent conductive substrates (10), two non-uniform orientation layers (20) respectively coated on the respective transparent substrates (10), a spacer (30) between the two transparent substrates (10), and a liquid crystal layer between the two transparent substrates (10); and a polymer network (40) inside the liquid crystal layer. The device can be used for smart windows, touch screens or privacy windows.)

具有非均匀取向层的无雾反向液晶光控膜

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年6月6日提交的美国临时申请第62/603,602号的权益，其在此通过引用将包括表格、数据或附图的全部内容并入本文。

技术领域

本发明涉及一种利用光散射的光控器件。

背景技术

市售电动可切换窗户可以分为液晶类和非液晶类。非液晶类包括电致变色(EC)窗和悬浮粒子器件(SPD)窗。但是，由于较长的切换时间和漏光，EC和SPD窗虽然是适合的标准窗户，但是并不适用于隐私窗户。

另一方面，基于液晶的智能窗户，如聚合物分散液晶(PDLC)器件能够在毫秒内从电压接通透明状态切换到电压断开散射(漫射)状态。光波被该器件散射而不是吸收。PDLC器件适用于隐私窗户，但不能阻挡光线进入房间，因此不是标准窗户的首选。

发明内容

本发明的实施方案提供了一种具有电压断开透明状态和电压接通不透明状态的反向光控器件。在本发明的一个实施方案中，聚合物可以被添加到液晶中以形成浸渍有液晶的聚合物网络。这可以称为聚合物网络液晶(PNLC)结构或聚合物稳定液晶(PSLC)器件。可以应用垂直表面取向层使液晶分子在电压断开状态下在垂直方向上取向。

可以采用具有负介电各向异性的负型液晶，使得当它处于垂直电场下时，液晶分子垂直于电场取向。可采用折射率接近液晶折射率的聚合物网络，使得在电压断开状态下所有视角的光散射最小。匹配的折射率不随视角变化，因此可以获得宽的无雾视角。

在另一实施方案中，可以将聚合物结构嵌入液晶取向材料中，以形成非均匀取向层。该非均匀取向层使液晶在电压断开状态下垂直取向，并在电压接通状态下促进液晶排列的随机性。

当施加电压超过阈值电压时，负型液晶分子开始偏离垂直取向的位置。由于非均匀取向表面和聚合物网络的存在，形成许多随机取向的LC域，并进入散射状态。当电压升高时散射增强，并最终达到最高水平。但是，如果施加过大的电压，散射可能开始下降。当切断施加的电压时，液晶恢复到原始垂直取向，器件再次透明。

不使用垂直取向材料的情况下，非均匀取向层、聚合物网络液晶和具有正介电各向异性的水平(平面)取向液晶也可用于产生反向操作。

本发明的实施方案可用于智能窗户、透明显示器、建筑外窗户和室内隐私窗户。这些窗户和显示器可用于建筑物、会议室、酒店房间，并可能用作车窗。

附图说明

图1是反向聚合物网络液晶(PNLC)器件的示意图。

图2显示了非均匀表面取向层的原子力显微镜图像。

图3显示了非均匀层的线轮廓。

图4是显示非均匀取向层附近液晶取向的示意图。

图5是显示电压断开状态下器件的示意图。

图6是显示电压接通状态下器件的示意图。

图7是本发明的透光率电压曲线图。

图8是显示当采用正介电各向异性液晶时电压断开状态下的液晶平面取向的示意图。

图9是显示在电压接通状态下正液晶的取向的示意图。

图10是示出在电压断开状态下结合使用二向色染料的器件的示意图。

图11是示出在电压接通状态下结合使用二向色染料的器件的示意图。

图12示出了图示三种可能的可切换窗户构造的三幅图。

图13示出了图示有图案的可切换窗户的两幅图。

具体实施方式

以下呈现的公开和示例性实施方案使本领域普通技术人员能够根据本发明制造和使用电动可切换光控器件。对实施方案的各种修饰对于本领域技术人员来说是显而易见的，并且本文中的一般原理可以应用于其他实施方案。因此，与电动可切换光控器件相关的器件和方法并不意图受限于所示的实施方案，但其应符合与本文描述的原理和特征一致的最宽范围。

如图1所示，每块基板10连接至各自的非均匀取向层20。两块基板之间的距离由顶部和底部基板10之间的间隔垫片30决定。顶部和底部基板10可以是透明导电电极。在一个实施方案中，顶部和底部基板10包括在玻璃上的铟锡氧化物(ITO)、在聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)膜上的铟锡氧化物或在玻璃或塑料基板上的其他透明导电涂层。两块基板10之间的空间被处于聚合物网络40中的液晶填充。

间隔垫片30可以由分散到液晶聚合物复合材料中的玻璃、塑料棒或小珠制成。间隔垫片30可以是内置式结构，例如透明导电基板上的圆柱体、凸起或壁，并且可以通过光刻、丝网印刷或光聚合来制造。

如果基板由柔性塑料制成，则该器件可以夹在建筑物或隐私窗户的玻璃之间。此外，玻璃基板或外部玻璃(用于塑料基板)可以有其它功能性涂层，例如减反射涂层、防紫外线(UV)涂层或防红外线(IR)涂层。

在一个实施方案中，取向层由添加有反应性介晶的垂直取向材料制成。垂直取向材料的作用是在电压断开状态期间使液晶在垂直方向上取向。添加反应性介晶制造了非均匀的粗糙表面。反应性介晶的聚合在取向层20上形成局部不平整(local inhomogeneity)，如图2所示。图2示出的非均匀表面取向层20剖面深度大约为100纳米，域大小(domainsize)在微米范围内(也请参见图3)。

非均匀表面的作用是给予垂直取向的液晶分子小的极角和随机的方位角。非均匀表面的另一个作用是促进聚合物网络在基板表面形成，从而加强基板之间的粘合。在一个实施方案中，垂直取向层材料可以是来自日产化学工业(Nissan Chemical Industries)的SE-4811垂直取向材料，反应性介晶可以是来自DIC的UCL 017。图4示出了在非均匀取向层20附近的液晶取向50。

在一个实施方案中，所述非均匀取向表面可以是通过在均匀溶液中将取向材料与反应性介晶混合而形成的单层。然后，该溶液可被涂覆在所述顶部和底部基板上，然后反应性介晶可被固化，以在各个基板中的每一个上形成非均匀表面。

在另一个实施方案中，非均匀取向表面由两层形成，首先在每块各自的顶部和底部基板上涂覆垂直取向层，然后在每个各自的垂直取向层上涂覆反应性介晶层。在又一个实施方案中，反应性介晶层可被涂覆在每块各自的顶部和底部基板上，然后在每个各自的反应性介晶层上涂覆垂直取向层。在每个实施方案中，使用的反应性介晶的用量和固化条件直接影响所述非均匀取向层的非均匀性和形貌。

在另一实施方案中，可通过添加单体或小颗粒形成非均匀取向层；或直接将取向层涂覆在粗糙的透明导电层表面上而不使用额外的单体或聚合物。在又一实施方案中，非均匀取向层可以形成随机取向或多方向取向的表面层。

在一个实施方案中，液晶和单体可以被填充在两块透明导电基板之间。液晶与单体的重量比可以小于传统的聚合物分散液晶(PDLC)器件中的比例。在一个实施方案中，单体的重量小于液晶重量的10％。液晶和单体混合物可以在适当的条件下被固化，并且形成聚合物网络，如图5所示。在一个实施方案中，所使用的单体是来自DIC的UCL 017。液晶可以是折射率匹配的负向列相液晶。也可以加入少量的光引发剂来促进单体的聚合。

如图5所示，液晶50垂直取向，在顶部和底部基板10之间形成聚合物网络。每块基板10涂覆有各自的非均匀取向层20。电压源60未接通，器件处于电压断开透明状态，因此允许光波70以最小散射穿过器件。可以选择折射率与液晶的折射率匹配的聚合物。

当通过电压源60施加电压时，产生了电场。当液晶50具有负介电各向异性时，液晶50水平旋转，以垂直电场取向，如图6所示。由于液晶50的旋转，穿过随机取向的液晶域的光波80显示出增强的散射。

未靠近非均匀取向表面或聚合物网络的液晶首先转向水平位置。靠近非均匀取向表面的液晶由于阻碍分子旋转的锚固力而抵抗旋转。此外，随机的表面非均匀性给予液晶分子随机的方位角。聚合物网络也阻碍了液晶分子的旋转。结果，形成具有不同液晶方向的小液晶域。当施加电压时，会发生液晶域散射和液晶-聚合物网络散射。当电压增加超过某一水平时，器件达到扩散状态。图7显示了典型的光透过电压曲线。光以恒定透过率穿过所述器件，直到施加的电压开始接近5V，此时穿过所述器件的光的百分比急剧下降。图7中的曲线还表明，该器件可以在低电压水平下运行。

在另一个实施方案中，没有使用垂直取向材料来取向液晶分子。具有正介电各向异性的液晶90在电压断开透明状态下以水平或平面方式取向，如图8所示。当电压源60产生电压时，产生了垂直电场。液晶旋转以与电场平行。由于表面非均匀性和聚合物网络，形成液晶域，穿过器件的光波100表现出增强的散射，如图9所示。

在另一实施方案中，将二向色染料添加到负介电液晶聚合物网络层中。在一个实施方案中，所使用的二向色染料是来自三井精细化学公司(Mitsui Fine Chemicals)的黑色染料S428。二向色染料分子具有拉长的形状并且遵从相邻液晶分子的取向方向。二向色染料沿着每个染料分子的长轴吸收光，但允许光波沿垂直方向行进以穿过。在电压断开状态下，正常入射光可以穿过器件而没有被显著吸收。

如图10所示，当器件处于电压断开状态时，二向色染料分子110垂直取向并且不吸收穿过所述器件的光。然而，二向色染料110确实吸收了一些以斜角穿过所述器件的光波。光波的完全吸收不是由单个染料分子110实现的，而是由许多染料分子通过多次吸收实现的。如图11所示，当从电压源60产生电压时，具有二向色染料110的随机取向液晶域从所有入射角度吸收光波120，因此设备处于不透明的暗状态。

反向聚合物网络非均匀表面液晶光控器件非常适合于智能玻璃、触摸屏或隐私窗户的应用。如图12所示，智能玻璃或隐私窗户可以处于透明的电压断开状态130、有扩散光穿过的不透明散射状态140和有最少光穿入的不透明吸收状态150。采用二向色染料的器件可用于需要透光控制的窗户。它也非常适用于不要求真正暗状态的透明显示器。

透明导电层可以是有源矩阵薄膜晶体管，以进行逐像素驱动，也可以与有源矩阵器件组合，以变成有源矩阵驱动的智能显示器。在一个实施方案中，该器件可位于两片玻璃之间，每片玻璃涂有低发射率涂层。在另一个实施方案中，如图13所示，可以在基板上形成简单的文本或时钟图案160、170。在右上角，图案区域可以显示漫射图案(电压接通)160和透明背景(电压断开)170。这可以用于取景器显示应用。

如本文所示的发明和图示的具体方面或实施方案或在实施例中使用的材料并不意味着限制，而是可以包括与本发明的原理相关的变化、修饰或调整。如前所述，所有示出的附图均不是按比例绘制的，也不是真实器件的精确临摹。

本文提及或引用的所有专利、专利申请、临时申请和出版物均以引用的方式全部并入，包括所有的图和表，在一定程度上它们与本说明书的明确教导不矛盾。

应当理解，本文所描述的实施例和实施方案仅用于说明性目的，并且根据其进行的各种修饰或改变将给本领域技术人员以启示，并且将被包括在本申请的精神和范围以及所附权利要求的范围内。此外，本文公开的任何元素、任何发明限制或其实施方案可以与本文公开的任何和/或所有其他元素或限制(单独地或以任意组合)或任何其他发明或其实施方案组合，并且所有这些组合都在本发明的范围内，但不限于此。