CN101923243B - 聚合物分散液晶光开关器件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了聚合物分散液晶光开关器件，以及所述开关器件的使用方法。以基本上平行的方式设置第一基板和第二基板。聚合物粘合剂体系介于第一基板和第二基板之间，多种液晶分散在所述聚合物粘合剂体系中。在低驱动电压下，所述液晶开关器件能够在高吸收光线的黑暗状态和低吸收光线的透明状态之间转换，并且反之亦然。所述液晶开关器件包括：具有向列型液晶的液晶混合物成份和聚合物体系，以便提供例如宽视角、低驱动电压、高对比度。

Description

聚合物分散液晶光开关器件
技术领域
本发明总体上涉及液晶显示技术，尤其涉及聚合物分散液晶(PDLC)光开关器件(light shutter device)，其包括具有向列型液晶的液晶混合物成份和聚合物体系，以便提供例如宽视角和低驱动电压。 
背景技术
利用液晶(将其注入到两个基板所限定的空间中)的电光学特性，液晶显示器可以显示图像。当向液晶施加电力时，液晶呈现电光学特性。这种液晶显示器可被归类为以下各种类型之一，包括例如扭曲向列型(TN)、超扭曲向列型(STN)、动态散射模式(DSM)和前述的PDLC。液晶开关可用于涉及通过孔隙透光的各种应用中，其中可以在低透光状态和高透光状态之间转换开关，以响应电感应的变化。 
PDLCs由分散在聚合物粘合剂体系中的低分子量向列型液晶的微米级微滴组成。PDLC材料夹在具有透明导电电极例如氧化铟锡的基板之间，形成开关。一旦给开关的电极施加电压，则从不透明的、高散射状态转换至清澈的透明状态。通过从含有预聚物或聚合物的均相溶液中将低分子量液晶进行相分离，从而形成PDLC材料。液晶微滴的大小、形状和密度取决于所实施的技术。在聚合引发的相分离过程中，影响微滴大小和密度的主要因素是例如材料类型、相对浓度和固化温度。固化温度影响聚合速率、聚合物的粘度、液晶的扩散速率和液晶在PDLC体系中的溶解性。对于现有开关，通过利用高驱动电压满足透光率要求，这反过来也会增加功率消耗要求，并且使得更难以达到严格的环境或绿色认证。因此需要增加透光率而又不需要总是增加驱动电压的解决方案。 
发明内容
本发明公开了液晶开关和其使用方法，其致力于解决现有液晶开关的 局限性。在一个实施方案中，公开了PDLC开关器件和其使用方法。第一基板和第二基板基本上平行设置，并且聚合物粘合剂体系介于第一基板和第二基板之间。多种液晶分散在聚合物粘合剂体系中。在低驱动电压下，液晶开关器件能够在高光散射的黑暗状态和低光散射的透明状态之间转换，并且反之亦然。本文的实施方案提供了PDLC光开关器件，其由含有向列型液晶的液晶混合物成份和聚合物体系组成。 
附图说明
为了更彻底地了解本发明的特征和优点，现参考附图详细介绍本发明，其中，在不同附图中的相应数字指代相应部分，且其中： 
图1是用于提供每个不透明的高散射状态和清澈的透明状态的液晶开关的实施方案的示意图； 
图2是图1所描述的液晶开关在高散射不透明状态下的一个实施方案的示意图； 
图3是图1所描述的液晶开关在低散射透明状态下的一个实施方案的示意图； 
图4和5是图1的液晶开关的实施方案作为电压的函数的透光百分率曲线； 
图6和7是图1的液晶开关的实施方案作为视角的函数的透光率曲线；和 
图8是图1的液晶开关与现有方案相比较、作为视角的函数的透光率曲线。 
具体实施方式
虽然下面将详细地讨论本发明各种实施方案的产生和使用，但应该理解，本发明提供了许多合适的发明构思，其可以表现为多种具体情况。本文讨论的具体实施方案仅仅是获得和使用本发明的具体方式的例子，不限定本发明的范围。 
首先参考图1，在图1中，描述了聚合物分散液晶光开关器件，或更简明地，示例性说明并且一般地以10表示的液晶开关。液晶是呈现介于常规 液体相和固体晶体相之间的物质相的物质。例如，液晶可以象液体一样流动，但在液体中具有以晶体样方式排列和/或取向的分子。在上述聚合物分散液晶或PDLC中，有一种液晶包含分散在聚合物粘合剂体系中的低分子量向列型液晶的微米级微滴。液晶开关10包括PDLC材料，其介于具有透明导电电极的基板之间。在图1中，液晶开关10用作窗口12，在其后面，有一个人14。在通过液晶开关10的电极施加电压的情况下，如箭头16所示，液晶开关10由不透明的高散射状态转换为清澈的透明状态，其中可以看到在窗口12后面的人14。在除去电压的情况下，如箭头18所示，液晶开关10由清澈的透明状态转换为不透明的高散射状态。应该理解，虽然以窗口形式表示液晶开关10，但本文所提供的说明可延伸至任何的孔隙，包括透视孔隙、需要清澈状态和不透明状态的孔隙、调光玻璃(switchableglass)、隐私玻璃(privacy glass)、智能窗(smart window)、智能眼镜(smartglasses)。进一步的，光控晶体开关可以是玻璃、有机玻璃、聚碳酸酯或在下文讨论的其它材料。 
图2描述了液晶开关10的一个实施方案，其中包封的液晶微滴20均匀地分布在可以具有塑料基质形式的聚合物粘合剂体系22中，以便产生PDLC材料，然后将其夹在两个透明基板24、26之间。在一个实施方案中，将基板彼此平行配置，并且包括带有透明导电层的透明体。透明体可以选自例如玻璃和/或塑料的材料。此外，透明体可以包括大约1.51至大约1.52的折射率。聚合物粘合剂体系22也可以具有大约1.51至大约1.52的折射率。应该理解，透明基板24、26和聚合物粘合剂体系22的折射率应该匹配尽可能地相接近，以便提高透明性。透明导电层可以包括例如氧化铟锡导电层或通常合适的导电层。 
图2显示了在没有施加电场情况下的液晶微滴20在聚合物粘合剂体系22中的光散射状态28。在每一液晶微滴20之内，液晶具有切向壁(tangentialwall)排列；然而，比较各种液晶微滴20，存在分子的二维随机取向。就光学特性而言，这与高光散射状态对应。 
也就是说，在没有施加电场 的情况下，液晶微滴的光轴在平面中没有优选指向，使得入射光在基质的折射率np和液晶微滴的平均折射率(～ne)之间不匹配。不匹配的结果是光被散射，并且液晶开关10呈现不透明。 另一方面，如果电场是按照图3所示方式施加的 各种微滴中的分子的取向被完全排列。施加的电场 
Figure GSA00000022044500042
将微滴内的指向矢(director)排列至透明状态。 
参考图2的光散射状态28，微滴的光轴由ne表示。如果液晶的寻常折射率(ordinary refractive index)n0与聚合物粘合剂体系22的寻常折射率np相匹配，那么光根据ne的值和取向分布进行散射。如果ne＞n0并且是二维随机取向的(断开状态(off state))，则光散射强烈。如果ne重新取向至平行于法向入射光的方向，那么在施加电场的情况下，原则上没有光散射(n0～np)。应该理解，可以将液晶微滴加工成球形或椭圆形，并且当组装液晶开关时，由于挤压及其它因素，液晶微滴的形状可以改变形状和大小。 
如上所陈述，在图3中，作为对通过透明基板24、26所施加电场 
Figure GSA00000022044500043
的响应，液晶开关提供光的透射。电场导致液晶微滴20的光轴的排列至与电场平行，并且垂直于透明基板24、26的表面。在这种透光状态30中，入射光在液晶微滴(～n0)和聚合物粘合剂体系22(np)的平均折射率之间没有检测到不匹配，并且光可以进行透射，使得液晶开关10呈现清澈状态。如上所述，通过施加和除去驱动电压，液晶开关10可以在图2的散射状态28和图3的光透射状态30之间交替变化。 
液晶开关尤其是聚合物分散液晶光开关器件，其包含分散在聚合物粘合剂体系中的液晶。在一个实施方案中，液晶包含由以下化合物组成的混合物：至少一种由通式(I)表示的化合物、至少一种由通式(II)表示的化合物、至少一种由通式(III)表示的化合物、至少一种由通式(IV)表示的化合物和至少一种选自通式(V)、(VI)和(VII)表示的化合物；所有这些通式提供于下表(表I)中，其中R1至R7各自分别表示具有2至7个碳原子的直链烷基。 
表I：通式(I)至(VII) 
Figure GSA00000022044500044
Figure GSA00000022044500051
应该理解，根据应用，R1至R7可以不同或相同。此外，在一个实施方案中，液晶进一步包含至少两种由通式(I)所表示的化合物的混合物。 
液晶可以包含：大约10重量％至大约50重量％的通式(I)化合物的液晶；大约10重量％至大约20重量％的通式(II)化合物的液晶；大约10重量％至大约15重量％的通式(III)化合物的液晶；大约5重量％至大约15重量％的通式(IV)化合物的液晶；和大约10重量％至大约15重量％的至少一种选自 通式(V)、(VI)和(VII)所表示的化合物的液晶。 
在一个实施方案中，聚合物粘合剂体系包含环氧树脂和硫醇固化剂。另外，可以使用催化剂。现在参考下面的非限制性工作实施例来说明本发明，其中方法和材料只是那些可以使用的代表，并不是那些合适和可操作的方法和材料的详尽列举。下列实施例和附有的试验方法举例说明了本发明液晶开关的优点。下列术语表列举了下文所提供的实施例和试验方法中所使用的组份。 
Figure GSA00000022044500061
3-800固化剂是硫醇(SH)封端的液体固化剂，其与所选择的胺(得自于Cognis S.A.(Cognis USA Headquarters in Cincinnati，Ohio))组合，可以赋予环氧树脂快速固化的特性。 
40固化剂是预催化的硫醇基环氧固化剂，其在环境温度下可以极其快速地固化，得自于Cognis S.A.(Cognis USA Headquarters inCincinnati，Ohio)。 
Figure GSA00000022044500063
EH-30是2，4，6-三(二甲基氨基甲基)苯酚的商品名，其是C15H27N3O，得自于Cognis S.A.(Cognis USA Headquarters in Cincinnati，Ohio)。 
EPONTM树脂812是嵌入树脂体系中的环氧单体，得自于ShellChemicals(Houston，Texas)；合适的替代物包括例如Embed 812，得自于Electron Microscopy Sciences(Hatfield，Pennsylvania)，和SPI-Pon 812，得自于SPI Supplies/Structure Probe，Inc.(West Chester，Pennsylvania)。 
EPONTM树脂815是低粘度液体双酚A基环氧树脂，其含有商品级的正丁基缩水甘油醚，得自于Hexion Specialty Chemicals，Inc.(Columbus，Ohio)。 
EPONTM树脂828是未稀释的透明双官能的双酚A/表氯醇衍生的液体环氧树脂，得自于Hexion Specialty Chemicals，Inc.(Columbus，Ohio)。 
ERL-4221TM树脂(3，4-环氧环己基甲基-3，4-环氧-环己烷羧酸酯)是环脂族的、二环氧基官能有机化合物，其在制备半硬至硬的固化环氧树脂中是有用的结构单元，得自于Union Carbide Company(Danbury，Connecticut)。 
ERL-4299TM树脂(双(3，4-环氧环己基)己二酸酯)是多官能的环氧化物，其在制备半硬至硬的固化环氧树脂中是有用的结构单元，得自于Union Carbide Company(Danbury，Connecticut)。 
间隔物可以是分散在基板之间的球形间隔物，以提供间隔。 
实施例-聚合物体系I(PS-I). 
通过将表II的组分混合，制备具有折射率1.5177的聚合物体系。 
表II：PS-I的组成 
Figure GSA00000022044500071
实施例-聚合物体系II(PS-II). 
通过将表III的组分混合，制备具有折射率1.517的聚合物体系。 
表III：PS-II的组成 
Figure GSA00000022044500072
实施例-聚合物体系III(PS-III). 
通过将表IV的组分混合，制备具有折射率1.5178的聚合物体系。 
表IV：PS-III的组成 
Figure GSA00000022044500073
实施例-液晶混合物I(LCM-I). 
如下制备液晶混合物：在80℃或更高的温度下，将表V的组分在烧杯中搅拌，直到混合物变成均质的液体。继续搅拌，直到液晶在均质状态良好地混合。然后冷却混合物。如表V所示，还给出了组成化合物的各自的通式类别。 
表V∶LCM-I的组成 
Figure DEST_PATH_GDA0000383530930000011
实施例-液晶混合物II(LCM-II). 
使用表VI所示的组分，基本上按照实施例LCM-I所述的方法制备液晶混合物。 
表VI∶LCM-II的组成 
Figure DEST_PATH_GDA0000383530930000012
实施例-液晶混合物III(LCM-III). 
使用表VII所示的组分，基本上按照实施例LCM-II所述的方法制备液晶混合物。 
表VII∶LCM-III的组成 
Figure DEST_PATH_GDA0000383530930000021
实施例-液晶开关I(LCS-I). 
如下制备液晶开关：在环境条件下，将表VIII的组分在烧杯中搅拌，直到混合物均匀为止。将混合物分别施加到具有氧化铟锡导电层的两个基板上。然后将基板层叠在一起，在65℃固化大约8小时。固化之后，将液晶开关冷却到室温。 
表VIII∶LCS-I的组成 
实施例-液晶开关II(LCS-II). 
使用表IX所示的组分，基本上按照实施例LCS-I所述的方法制备液晶开关。 
表IX∶LCS-II的组成 
Figure DEST_PATH_GDA0000383530930000023
实施例-液晶开关III(LCS-III). 
使用表X所示的组分，基本上按照实施例LCS-I所述的方法制备液晶开关。 
表X：LCS-III的组成 
Figure GSA00000022044500101
实施例-液晶开关IV(LCS-IV). 
使用表XI所示的组分，基本上按照实施例LCS-I所述的方法制备液晶开关。 
表XI：LCS-IV的组成 
Figure GSA00000022044500102
实施例-液晶开关V(LCS-V). 
使用表XII所示的组分，基本上按照实施例LCS-I所述的方法制备液晶开关。 
表XII：LCS-V的组成 
Figure GSA00000022044500103
实施例-液晶开关VI(LCS-VI). 
使用表XIII所示的组分，基本上按照实施例LCS-I所述的方法制备液晶开关。 
表XIII：LCS-VI的组成 
测试方法I. 
参考图4和5和曲线40、42，对于图1的液晶开关显示器的实施方案，测定了作为电压的函数的透光百分率。尤其是，描述了按照实施例LCS-I至LCS-VI的组成。根据图4，LCS-I至LCS-III的驱动电压在大约12V和大约17V之间，饱和透光率(saturated transmission)在大约86％和大约92％之间变化。根据图5，LCS-IV至LCS-VI的驱动电压在大约20V和大约40V之间变化，饱和透光率在大约78％和大约91％之间变化。 
测试方法II. 
参考图6和7和曲线44、46，对于图1的液晶开关显示器的实施方案，尤其是实施例LCS-I至LCS-VI，测定了作为透光百分率的函数的视角。根据图6，视角很宽，从正40度至负40度，并且与饱和透光率相比较，有小于10％的透光率下降。根据图7，视角很宽，从正40度至负40度，并且透光率在大约78％和大约90％之间变化。 
测试方法III. 
将本发明所提供的各种液晶开关与现有液晶开关方案相比较，测定了作为视角的函数的透光百分率。参考图8，现有方案1和2由100V电压驱动。现有方案3由100V电压驱动，现有方案4由70V电压驱动。 
测试方法IV. 
在断开状态测定了UV、可见光和红外光的透光百分率，以将本发明所提供的各种液晶开关与现有液晶开关方案进行比较。结果如表XIV所示。现有方案与试验方法III所述的那些方案相同。 
表XIV.在断开状态的透光百分率 
Figure GSA00000022044500121
如测试方法I-IV所述，本发明所提供的液晶开关可提供宽视角、低驱动电压和断开状态下的低透光百分率。另外，还提供了高对比度和宽的工作温度范围。 
尽管参考示例性的实施方案描述了本发明，但不能以限制性的方式来理解本说明书。在参考本说明书的情况下，本发明的示例性实施方案以及其它实施方案的各种变体和组合对本领域技术人员来说是显而易见的。因此，所附的权利要求包括任何这种变体或实施方案。 

Claims (6)

1.聚合物分散液晶光开关器件，其包含：
基本上平行设置的第一基板和第二基板；
介于所述第一基板和所述第二基板之间的如下组合物a)至f)之一：
a）25g LCM-I、20g PS-III、23g3-800固化剂和0.2g间隔物；
b）25g LCM-II、20g PS-III、23g3-800固化剂和0.2g间隔物；
c）25g LCM-III、20g PS-III、23g
Figure FDA0000383530920000013
3-800固化剂和0.2g间隔物；
d）25g LCM-I、20g PS-I、23g
Figure FDA0000383530920000014
3-800固化剂和0.2g间隔物；
e）25g LCM-II、20g PS-I、23g3-800固化剂和0.2g间隔物；或
f）25g LCM-III、20g PS-I、23g
Figure FDA0000383530920000016
3-800固化剂和0.2g间隔物；
其中，所述LCM-I由11.80g4-氰基-4-乙基联苯、42.70g4-氰基-4-戊基联苯、9.30g4-氰基-4-戊基氧基联苯、15.09g4-苯基-4-氰基联三苯、11.12g4-(反式-4-戊基环己基)联苯腈和10.00g3,4-二氟-1-(4-(反式-4-丁基环己基)环己基)苯组成；
所述LCM-II由11.80g4-氰基-4-乙基联苯、42.70g4-氰基-4-戊基联苯、9.30g4-氰基-4-戊基氧基联苯、15.09g4-苯基-4-氰基联三苯、11.12g4-(反式-4-戊基环己基)联苯腈和10.00g3,4-二氟-1-(反式-4-丙基环己基)苯组成；
所述LCM-III由11.80g4-氰基-4-乙基联苯、42.70g4-氰基-4-戊基联苯、9.30g4-氰基-4-戊基氧基联苯、15.09g4-苯基-4-氰基联三苯、11.12g4-(反式-4-戊基环己基)联苯腈和10.00g3,4-二氟-1-(反式-4-丙基环己基)苄腈组成；
所述PS-I由83g EPONTM树脂828和117g EPONTM树脂812组成；
所述PS-III由36g EPONTM树脂828、53g ERL-4229TM树脂和11gERL-4221TM树脂组成；
所述
Figure FDA0000383530920000021
3-800固化剂是硫醇封端的液体固化剂；
所述EPONTM树脂828是未稀释的透明双官能的双酚A/表氯醇衍生的液体环氧树脂；
所述EPONTM树脂812是嵌入树脂体系中的环氧单体；
所述ERL-4229TM树脂是双(3,4-环氧环己基)己二酸酯树脂；
所述ERL-4221TM树脂是3,4-环氧环己基甲基-3,4-环氧-环己烷羧酸酯树脂。
2.权利要求1所述的聚合物分散液晶光开关器件，其中通过施加和除去电压，液晶光开关器件在高吸收光线的黑暗状态和低吸收光线的透明状态之间转换。
3.权利要求1所述的聚合物分散液晶光开关器件，其中所述第一基板和所述第二基板各自进一步包含具有透明导电层的透明体。
4.权利要求3所述的聚合物分散液晶光开关器件，其中所述透明体的材料选自玻璃和/或塑料。
5.权利要求3所述的聚合物分散液晶光开关器件，其中所述透明体具有从1.51至1.52的折射率。
6.权利要求3所述的聚合物分散液晶光开关器件，其中所述透明导电层包括氧化铟锡导电层。
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