CN102460238A - 结合有宾主型结构的热切换滤光器 - Google Patents

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Abstract

热致滤光器(200)使用吸收性、反射性或荧光性染料、分子、聚合物、颗粒、棒、或其他具有其受载体材料(202)影响的取向、有序度或指向矢的取决于取向的着色剂(201)来构造，载体材料本身受温度影响。这些影响有序度的载体材料(202)包含热致液晶，热致液晶在更低温度下向处于液晶状态中的宾主型系统中的染料和聚合物提供取向，但在更高温度下在各向同性状态中不提供这种有序度。可利用吸收性、反射性或荧光性颗粒在两种状态中与光相互作用的改变程度来得到许多不同的热致变色滤光器。通过选择性反射、透射、吸收和/或重新发射，热致变色滤光器可控制光和辐射热的流量。这些滤光器在被动式或主动式光调节和温度调节膜、材料和装置中具有特定应用，并特别用作建筑材料以及建筑物和车辆表面。

Description

结合有宾主型结构的热切换滤光器
发明人
理查德·M·鲍尔斯，科罗拉多州雷克伍德市
威尔·麦卡锡，科罗拉多州雷克伍德市
相关申请的交叉引用
根据美国法典第35章119条第(e)项，本申请要求以下专利申请的优先权的权益：2009年4月10日提交的题为“大行程热反射和热吸收滤光器(large throw thermoreflective and thermoabsorptive filter)”的美国临时专利申请No.61/168,513；2009年11月17日提交的题为“热切换滤光器(Thermally switched optical filter)”的美国临时专利申请No.61/262,024；2010年1月19日提交的题为“结合有宾主型结构的热切换滤光器(Thermally switched optical filter incorporating a guest-host architecture)”的美国临时专利申请No.61/296,127；以及2010年1月29日提交的题为“结合有宾主型结构的热切换滤光器(Thermally switched optical filterincorporating a guest-host architecture)”的美国临时专利申请No.61/299,505，根据PCT细则20.6，将上述专利申请的内容整体通过引证结合于此。
另外，本申请涉及以下专利申请：2008年7月11日提交的题为“热切换反射光闸(Thermally switched reflective optical shutter)”的美国专利申请No.12/172,156；2008年12月19日提交的题为“热切换吸收百叶窗(Thermally switched absorptive window shutter)”的美国专利申请No.12/340,552；以及2008年1月24日提交的题为“热切换下变频滤光器(Thermally switched optical downconverting filter)”的美国专利申请No.12/019,602；2008年9月19日提交的题为“结合有纳米级线栅的低发射率窗贴膜和涂层(Low emissivity window films and coatings incorporatingnanoscale wire grids)”的美国专利申请No.12/234,383；2009年4月23日提交的题为“反射和热反射表面的眩光管理(Glare management ofreflectiveand thermo reflective surfaces)”的美国专利申请No.12/429,092，2009年7月2日提交的题为“作为装运容器的绝热玻璃单元(Insulating glass unit asshipping container)”的美国专利申请No.12/497,365；2009年8月20提交的题为“制造热致变色滤光器的方法(Methods for fabricatingthermochromic filters)”的美国专利申请No.12/545,051；以及2009年6月19日提交的题为“光学元偏光器装置(Optical metapolarizer device)”的美国专利申请No.12/488,515；并且将每篇专利申请的内容整体通过引证结合于此。
背景技术
1.技术领域
本技术涉及一种用于通过光的选择性吸收或反射来控制光和辐射热的流量的装置。本技术特别地但非唯一地应用于被动式(passive)或主动式(active)光调节及温度调节膜、材料及装置，尤其是作为建筑材料。
2.相关技术的描述
存在基于可逆的金属氢化物和金属锂化物(lithide)化学的可开关镜，例如在属于Richardson的美国专利No.7,042,615中所描述的。这些与可再充电电池以化学方法相关的可开关镜可依靠离子在电场的影响下越过势垒的物理迁移，且由此具有有限的开关速度和循环使用寿命。另外，例如，在属于Bruzzone等人的美国专利No.6,486,997中描述了将液晶与一个或多个反射偏光器相结合的用电操作的“光阀”。在这些装置中，液晶典型地作为电致消偏光器(electrotropic depolarizer)，即，一种在电场的影响下不定地改变或旋转通过液晶的光的极性的装置。这些装置中的一些可被认为是可开关镜，尽管很少这样描述它们，因为它们的主要应用是在视频显示器、视频投影仪、以及高级光学装置中。
还存在不需要偏光器但作为扩散前向散射器或扩散反射器的可开关电光阀。这是因为液晶本身可作为在这些应用中具有不同反射带、具有反射、扩散或前向散射模式以及更透射模式的反射器(包括但不限于分布式布拉格反射器或DBR)。这些可开关电光阀包括高分子分散型液晶(PDLC)显示器、胆甾型液晶显示器(Ch-LCD)、海尔迈耶显示器、以及宾主型显示器。PDLC是一种电致变色装置，其中，用电改变嵌在另一材料中的液晶滴的折射率，导致光在一种模式中比在另一种模式中散射得更多。Ch-LCD具有两个稳态，反射平面结构和反射焦点圆锥结构。如果满足布拉格反射条件且由此作为用于一种圆偏振光的布拉格反射器，则反射平面结构反射光，而反射焦点圆锥结构透射更多的光。
被称为宾主型显示器的光学结构通常利用分散在液晶中的染料，所述液晶在一种取向上比在另一种取向上吸收更多的光。染料的取向取决于液晶的取向，所述液晶的取向使用由电压(典型地经由透明导电层(诸如铟锡氧化物)来施加)产生的电场来确定。这种装置还可利用一个或多个偏光器。这些偏光器是正负二向色性(多向色性和负二向色性)染料，其中，所述正负二向色性染料分别沿分子的不同轴线吸收光。
当混合预聚物和液晶并使预聚物聚合时，产生聚合物稳定的液晶，以尤其建立或加强液晶的取向。已在文献中描述了混合有以各种方式和浓度固化的预聚物的液晶，尤其是例如聚合物稳定的、聚合物网络连接的、聚合物增强的、以及聚合物分散的。在现有技术中很好地描述了这种技术，例如，在属于Satyendra等人的美国专利No.7,355,668中描述了这种技术，该专利公开了聚合物增强的液晶装置，尤其是用电操作的显示装置，其用包含聚合物“柱”的刚性或柔性基板构建，所述聚合物“柱”由于聚合物(例如，Norland公司的NOA77或78光学粘合剂)和液晶(例如，Merck公司的E7、E48或E31)在温度变化的影响下的相位分离而形成在基板膜之间。在LC的清亮点温度(clearing point temperature)以上，混合预聚物和液晶，且然后，在清亮点以下冷却，以在液晶材料内分离、聚合并固化聚合物网络。
更近一些，在属于Powers等人的美国专利申请No.12/172,156中，已描述了热致液晶开关，其中，将热致液晶设置在两个交叉偏光器之间，从而，在一种温度状态中，液晶形成扭曲向列波块(waveblock)，其使入射光的极性旋转，允许单个偏光器的光传输、吸收和反射特性，而在另一种温度状态中，液晶处于各向同性状态中，使得其不会影响入射光的偏振状态。该装置具有两个交叉偏光器的光学特性，允许入射光的更少的透射和更多的吸收或反射。包含在本说明书的此背景技术部分中的信息(包括任何这里所引用的参考文献及其任何描述或论述)仅出于技术参考的目的而包含，而不应被视为是限定本发明的范围的主题。
发明内容
为了在外部天气状况、内部温度或这两者的任何组合的基础上调节进入到结构(例如，窗户、建筑物或车辆)中的热的流量，在使得其对于这些目的来说有用的温度范围上做出响应，这里公开的技术针对关于辐射能(例如，可见光、紫外光和红外光)的对透射率、反射率或吸收率的基于温度的控制，包括直至太阳光谱的整个范围。此技术是这样的一种装置，即，其具有光能的由温度引发的热致载体材料(例如，热致液晶)的结构、相态或有序度(order)的变化所引起的温度响应的透射、吸收或反射，热致载体材料向一个或多个所包含的与光相互作用的部件(例如，反射性或吸收性染料、聚合物或无机标记)提供取决于温度的有序度(或引发取决于温度的有序度)，为了本文献，所述部件应被称为“取决于取向的着色剂”(ODC)。与通常在液晶装置中的用法相似，热致载体材料在给定温度状态下的特定局部空间取向特性应被称为“指向矢(director)”。应理解，当用作这里描述的一个实施方式的部件时，特定的热致载体材料(例如，热致液晶)在不同的温度状态下可呈现两个或更多个分离的指向矢、或指向矢的类似范围。
例如，在一个温度下，热致载体材料可在一个或多个所包含的悬浮或溶解在热致载体材料内的ODC(可能包括吸收性、反射性或荧光性分子、染料、颗粒、棒(rod)、聚合物链、或其任何组合)中引发显著的有序度，而在第二温度下，可向这些ODC提供不太优选的或不优选的指向矢。如果与第一温度相关联的指向矢选择成使得所包含的部件在第一温度下比在第二温度下与光相互作用得更少，那么这两个温度下的光学特性(例如，透射性、吸收性和荧光性)将是不同的。如同可以是取决于频率的效率，吸收、反射或透射的效率可通过对所包含的ODC材料的选择来改变。对ODC材料的选择可用来影响阈值温度以上和以下的、或所选温度范围(其是出于美观、能量管理或其他原因所期望的)之上的反射、吸收和传输的百分比和波长范围。
另外，如果所包含的ODC材料是反射性的，那么该装置由于所包含的材料的取向分布而可能是扩散反射的。此技术具有特定的但并非唯一的应用，例如建筑物表面的眩光减小方法。在热致载体材料的影响下，反射的效率、空间分布、带宽和中心波长可随着ODC的取向变化而改变。反射性ODC材料的实例包括薄片、线、棒、颗粒或细丝。这些可由金属构成；由白色的或其他具有反射性颜色的聚合物或无机陶瓷类型的材料构成；由透明的但是具有明显与热致载体材料的折射率不匹配的折射率的聚合物或无机陶瓷类型的材料构成；由具有由于导电性质所带来的固有反射率的聚合物链(例如，聚乙炔)构成；或者由相关材料或其任何组合构成。
此技术还可用作在功能上与和一个或多个偏振滤光片一起工作以调节光能的通过的温度响应的光学消偏振镜(例如，热致液晶)相似地工作的装置的一部分。在所包含的材料中提供或引发的有序度可在一个温度下极化(在透射或反射时)，并在另一个温度下更少地极化或甚至不极化。因此，通过此装置的入射能量将取决于所使用的ODC和偏光器的反射和吸收效率。例如，当在一个温度下引发ODC成为在功能上有效的偏光器并与传输此相同极化的光的第二有效偏光器配对时，则一半的入射辐射能通过该装置。然而，如果温度变化降低ODC的有序度，使得ODC将阻止两个极化的光透射，那么通过该装置传输的光的量由此也可改变。可选择更低效率的偏光器或具有取决于频率的效率的ODC和偏光器，以影响阈值温度以上和以下的、或所选温度范围(其是出于美观、能量管理或其他原因所期望的)之上的反射、吸收和透射的百分比。此效果可使得该装置在其热态或冷态中是更少透射的，或者扩展到使得该装置的透射率在透明状态中更高。还可存在取决于角度的光学效果。
热致载体材料还可在不同的温度下在一个或多个所包含的悬浮或溶解在载体材料内的ODC(无论是吸收性、反射性或荧光性分子、染料、颗粒、棒、聚合物链还是其任何组合)中引发不同量的有序度。例如，热致载体材料以及任何相关联的配向层或结构可选择成使得所提供的有序度的量可能随着增加的温度而减小。如果与ODC相关联的指向矢选择成使得当温度增加时所包含的部件与光相互作用得更多，那么光学特性(例如，透射性、吸收性和荧光性)因此将随着温度增加而改变。可替代地，在其他可能性中，指向矢可选择成使得所包含的ODC在更低的温度下比在更高的温度下与光相互作用得更多，或者所提供的有序度可随着增加的温度而增加。例如，在Alexander V.Ivashenko的“用于液晶显示器的二向色性染料(Dichroic Dyes for Liquid Crystal Displays)”和S.Chandrasekhar的“液晶(Liquid Crystals)”(第二版)中描述了这种装置，其内容通过引证结合于此。还可将这些效果与其他效果(例如先前所描述的那些，其中，在第一温度下存在有序度，而在第二温度下不存在有序度，或者其中，有序度在给定温度下或在一定的温度范围上急剧变化)相结合，或者与其他效果(例如，在温度历史的基础上对于给定温度具有不同的有序度(例如，过冷和滞后效果))相结合。如同可改变取决于波长的效率，响应于不同指向矢的吸收、反射或透射的效率可通过对ODC材料的选择来改变。对材料的选择可用来影响阈值温度以上和以下的、或所选温度范围(其是出于美观、能量管理或其他原因所期望的)之上的反射、吸收和透射的百分比和波长。
此技术可使用如上所述的镜面反射和扩散光学效果，以产生呈现透明和不透明隐私类型模式的窗户或窗户滤光器，并以不同的方式防止紫外波段、可见波段或红外波段中的反射太阳能的集中。此技术还可用来在不同的温度下以不同的方式扩散地或镜面反射地吸收、反射或传输光的各种极化和波长范围，以实现特定的美观特性、隐私特性、眩光特性或日照得热量特性。
从以下对本发明的各种实施方式(如在附图中进一步示出的和在所附权利要求中定义的)的更具体的书面描述中，本发明的其他特征、细节、效用和优点可以是显而易见的。
附图说明
图1是具有悬浮或溶解在热致载体材料(例如，具有垂直于基板配向的分子的热致液晶)中的ODC材料的热致滤光器的一示例性实现方式的示意图，所述热致载体材料在更低的温度下向ODC材料提供或引发有序度，并且在更高的温度下不向ODC材料提供或引发有序度。
图2是与偏光器结合使用的热致滤光器的一示例性实施方式的示意图。热致滤光器具有悬浮或溶解在热致载体材料(例如，具有平行于基板配向的分子的热致液晶)中的ODC材料，所述热致载体材料在更低的温度下向ODC材料提供或引发有序度，并且在更高的温度下不向ODC材料提供或引发有序度。
图3是具有悬浮或溶解在热致载体材料(例如，垂直配向的热致液晶)中的ODC材料的热致滤光器的另一示例性实现方式的示意图，所述热致载体材料在更低的温度下在ODC材料中提供或引发的有序度比其在更高的温度下提供的有序度大。
图4是具有悬浮或溶解在热致载体材料(例如，垂直配向的热致液晶)中的ODC材料的热致滤光器的再一示例性实现方式的示意图，其中，使用一个或多个热致偏光器层的定向极化特性在所传输的光的方向的基础上改变滤光器的透射特性(包括极化效果)。
具体实施方式
为了本说明书的目的，术语“热致反射”应涉及任何具有根据温度而改变的反射率的物体、装置或材料。类似地，“热致吸收”和“热致荧光”应涉及任何分别具有根据温度而改变的吸收率或荧光性的物体、装置或材料。由于光传输是光的反射、吸收和再辐射的函数，所以，也可能用更一般的术语，“热致变色”，来适当地描述任何这些目的、装置或材料。
图1是热致变色滤光器装置100的一示例性形式的示意性横截面图。滤光器装置100可由包含在透射的、热致的、提供有序度的载体材料102内的“取决于方向的着色剂”或ODC材料101组成。在更低的温度下，假设ODC分子与垂直于其长轴的入射光更强烈地相互作用，大部分的入射光由于提供有序度的载体材料102以及所包含的ODC材料101相对于入射光的有序方向而从它们中通过。和处于“打开”状态中的百叶窗或软百叶窗一样，ODC材料与入射光基本上平行，并由此基本上不吸收或反射入射光。在更高的温度下，由于所包含的ODC材料的无序取向而阻止大部分入射光，ODC材料的大部分不再与入射光平行，因此能够吸收、反射或以其他方式与其相互作用。值得注意的是，当所包含的ODC材料处于有序状态时，滤光器装置100能够使从除了图中所示的方向以外的方向进入滤光器装置100的光极化，因此为了一些目的而可能将其认为是“热致偏光器”。
还可能增加额外的偏光器或其他光学元件，以产生不同的光学效果，不影响本质性质的热致变色滤光器装置100。
为了在热致变色滤光器装置100内使用，热致载体材料102可能采用许多不同的形式。许多对至少一些波长的光透明的材料随着温度变化也经历了其分子的有序度的量而产生的变化(或其指向矢或多个指向矢的变化)。特别地，许多热致液晶在液晶状态(即，向列状态)中是具有高(几乎晶体状)有序度的光学透明的，同时，在各向同性状态中是具有低有序度(例如，随机取向状态或半随机取向状态)的光学透明的。
通过使用配向层(alignment layer)，可影响表面附近的液晶状态(例如向列状态或近晶状态)中的液晶分子的指向矢。垂直(垂面配向)和平行(沿面配向)配向是普通的，其中，液体的指向矢分别具有垂直或平行于表面的指向矢。表面能量和表面的化学性质会影响指向矢。通常，高表面能促进平行配向，低表面能促进垂直配向。在现有技术中，例如，聚二甲基硅氧烷通常用来促进垂直配向，并且，例如，摩擦聚酰亚胺用来促进平行配向。用于促进各种配向和预倾斜角度、其中间物、混合物、组合以及当将液晶分子放在一个、两个或多个表面附近时产生的有用结构的方法，通常是已知的，已经在现有技术中很好地描述了，并且，对于本领域的技术人员来说将是熟悉的。还存在更复杂的取向状态，并也已对其进行了描述。例如，在液晶“蓝色相态”中，液晶分子的指向矢以螺旋状方式围绕任何垂直于线路的轴线旋转。
如果热致载体材料是液晶(LC)材料，那么，可能需要符合与将在其中使用装置的环境一致的环境耐受性规格。例如，在一示例性的热致变色窗户应用场合中，LC可能需要20℃和35℃之间的清亮点，低于-40℃的凝固点，高于90℃的沸点，以及足够的紫外光抵抗力，以能够经受得住30年每天暴露于阳光中(阳光可能被玻璃、偏光器、紫外光阻止粘合剂，以及其他热致变色窗户结构所固有的材料削弱)。还可能存在其他需求，例如，足以在特定单元间隙上产生期望的延迟的双折射。特别地，可能期望该装置具有小单元间隙，以使所需液晶的量最小化。然后，这将意味着，对于LC混合物来说最小的双折射，以实现期望的光学效果。
通常，对于LC混合物来说，诸如双折射和清亮点的特性接近各个部件的加权平均值，而例如紫外光抵抗力或耐化学性的特性可能被抗性最差的成分的抗性限制，或更强烈地取决于该抗性。另外，诸如凝固点的特性取决于各个分子的相互作用，当分子变得彼此更不相似时，此相互作用变得对于结晶化来说更不利。因此，当将两个LC成分混合在一起时，产生的混合物可能表现出明显低于任一成分本身的凝固点。而且，虽然不同的LC成分的溶解性根据其分子结构而明显不同，但是，当在混合物中存在不同成分时，可能提高溶解性，即，第三成分中的两种混合成分的溶解性可能分别大于任一成分的溶解性。
例如，虽然7CB液晶具有大约30℃的凝固点和大约41℃的清亮点，但是，当其以相等的比例与具有大约23℃的凝固点和大约34℃的清亮点的5CB液晶混合时，所产生的LC混合物具有大约37℃的清亮点和充分低于-70℃的凝固点。然而，此混合物可能不比其任一种成分更是紫外光稳定的，并且，两种成分的化学敏感度仍存在于混合物中，因为两种分子都能够用作有机溶剂，特别是在高温下，并由此可能攻击某些有机基质材料。
被组合以产生特定热特性、物理特性、化学特性和光学特性的分类的LC成分的混合物(包括“低共熔的”混合物)通常是已知的。可能最众所周知的商品化的LC混合物是E7，其通常用在视频显示器中，并且，是5种不同的LC成分的混合物。主要成分是5CB(其具有低清亮点、良好的溶解性和较小的双折射)，但是，该混合物还包含大量的7CB、8OCB、5OCB和5CT(其具有高清亮点、较差的溶解性和较大的双折射)。将该混合物设计为具有较宽的向列范围、高清亮点和低凝固点，并且，5CB的高溶解性有助于克服5CT的低溶解性。在现有技术中已经很好地描述了例如这些的LC混合物的原理和设计规则。
在现有技术中，有时已将染料分子包含在电致变色装置中的液晶中，例如，如在Alexander V.Ivashchenko的“用于液晶显示器的二向色性染料”中描述的。这种系统通常被称为宾主型系统，并且，该装置被称为二向色性装置。通过适当地选择客体成分(即ODC)和主体成分(即电致载体材料)，染料分子(大约)表现为液晶分子的指向矢。吸收以及其他相关光学效果通常沿着ODC分子的指向矢“附近”的角度而出现，并可在指向矢和最大吸收角之间具有微小的差异(例如，5至10度)。存在正(多向色性)和负二向色性染料，它们分别沿着不同的分子轴吸收光。因此，可能将这里公开的一些实施方式理解为类似电致变色宾主型系统，除了已将载体材料设计为使得其是热致的(例如，如在属于Powers等人的题为“热切换反射光闸”的美国专利申请No.12/172,156中描述的)而不是电致的以外。
取决于取向的着色剂(ODC)材料也可能采用许多形式。例如，多向色性染料系统通常比负二向色性染料系统具有更高的二向色性比和有序参数。可能将实施方式构造为，利用正或负二向色性染料或它们的组合，在温度范围上影响不同的传输特性(例如，改变彩色平衡或色调)。染料和系统的性能会被系统内的染料的紫外光(UV)稳定性、溶解性和有序参数所影响。系统的性能还会被液晶主体参数、粘性、有序参数、物理状态的温度范围、稳定性和双折射所影响。注意，用于液晶和二向色染料的宾主型系统通常是这样的，使得，一类的多种染料在变成溶剂化物时更好，即，相似染料的混合物可能具有比任何成分染料将可能具有的更大的总浓度。染料的化学“平台”也会增加其溶解性(例如，用化学方法使液晶分子附着于染料分子)。
这些不同的特性可用来设计具有期望的传输特性的装置。例如，如果一种特定染料具有其他期望的特性(例如，高紫外光稳定性)，但是在期望的主体中低溶解性低，那么，可增加宾主型系统的厚度以增加所传输的光的衰减。还应理解，许多不适合于电致变色宾主型装置的染料(例如，织物染料)可能适合于热致装置，因为装置操作不依赖于电场。
还可能对宾主型系统增加手性(掺杂剂)分子，以改变或改进客体的吸收或反射。例如，可用这种分子构造具有多个扭曲的向列相液晶系统，以影响对比度或其他光学特性。光学有源分子也可用作宾主型系统中的客体，并可用来构造与光的圆形偏振(例如，反射地)相互作用的系统。
半导电材料也可能用作客体，以提供红外吸收和反射宾主型系统。
当在电致变色宾主型装置中使用时，侧链液晶、聚合物向列相液晶、向列侧链聚合物，以及其他这种主体系统可能具有更慢的电致变色响应时间(或没有电致变色响应)，但是，它们可能特别适合于热致系统。具有液晶的染料共聚物可能用来改进有效溶解性。具有嵌入染料或共聚物染料的晶体状聚合物液晶可能用来提供有序度的转变，没有向列或其他这种状态。这种装置将不会电致变色地起作用，但是可能被热致载体激活。掺杂的聚乙炔共聚物和/或具有液晶的侧链也是这里公开的系统的替代实施方式。
主体系统的有序度(或有序参数)通常随着温度而改变(例如，如在S.Chandrasekar的“液晶(第二版)”中描述的)，并且，客体或ODC的有序度(或有序参数)随着主体系统的有序度而改变。通常，对于液晶主体化学性质或混合物的类别，当清亮点增加时，特定客体的有序参数也增加。而且，通常，当接近产生的系统的清亮点时，有序参数降低。根据系统和温度范围，有序度(或有序参数)的这些变化可以是连续的或离散的，或是二者兼有。例如，在宾主型向列相液晶系统中，可能通过温度的增加而减小主体材料的有序参数，直到清亮点(液晶在那时变成各向同性)为止，随后宾主型的有序度可能被有效地消除。
应理解，可用适当的配向材料和技术来确定这种系统中的有序度的指向矢。此外，对于给定客体材料(即，所包含的ODC材料)的有序度(有序参数)的量是所选择的主体材料以及温度的函数，并且，通过有技巧的材料选择和系统设计，可能实现温度和有序度的许多不同的关系。温度关系中的一种期望的特性是，使客体的有序参数在装置的温度设计范围上随着温度而单调改变。另一种期望的特性是，将滞后作用包含在温度关系中。例如，在利用从向列相状态到各向同性状态的转变的向列相热致液晶宾主型装置中，可能为了美观而期望，当装置从向列相转变成各向同性时的“转变”温度比当从各向同性转变成向列相时的“转变”温度高几度，因为这将减小当接近转变温度时装置将快速来回改变透射特性的可能性。
聚乙炔是这样一种聚合物，即，可用化学方法对其进行改进，以变得高度导电。该高度导电的聚合物和其他高度导电的聚合物可反射地与光强烈相互作用，和在线栅偏光器中一样，并且，此相互作用可取决于分子的取向。导电聚合物也可吸收地与光相互作用，此相互作用也取决于分子的取向。可将聚合物和染料分子集成在聚合物稳定扭曲向列相(PSTN)结构以及其他聚合物/液晶系统中。通过适当地选择所掺杂的聚乙炔的有序参数，将可能选择使用导电聚乙炔以及用其他相似的ODC客体制成的装置的前后漫射比。聚乙炔分子也可具有附着于其上的化学“平台”分子以增加聚乙炔分子的溶解性。
可通过用聚乙炔聚合物作为具有聚合物液晶的客体而将聚乙炔聚合物作为主体制造成反射偏光器，然后冷却系统，直到将聚合物固定在适当地位置中为止。还可在例如那些用来制造PVA-碘偏光器的过程中，将聚乙炔制造成反射偏光器。
人眼响应几个可见光范围的相关量。因此，对于人眼来说，许多不同的光谱分布可能看起来是相同的。位变异构是物体的表观颜色与不同的光谱功率分布的匹配，并且，这样匹配的颜色叫做位变异构体。由分子(例如，染料分子)对光的吸收、传输、荧光和反射对其具有光谱(频率)成分。通过适当地选择成分(例如，染料的组合)，可能选择传输或反射的可察觉到的色调，或选择特定光谱、或所传输或反射的能量的量，包括紫外光、可见光或红外光。
超过那些讨论的或这里列举的热致载体(“主体”)和取决于方向的着色剂(“客体”)材料的许多其他组合是可能的，并且，在不背离本实施方式的实质的前提下，可能使用这些组合。
图2是热致变色滤光器装置200的另一示例性实施方式的示意性横截面图。和图1的在先实施方式中一样，所包含的ODC材料201在提供有序度的热致载体材料202内。将偏光膜203放在入射光和包含所包含的ODC材料201的热致载体材料202之间。然而，假设ODC分子沿着其长轴与光更强烈地相互作用，所提供的有序度现在是这样的，使得所包含的材料201优选地与光的一个极性相互作用。偏光器203还与光的此相同极性相互作用。因此，在更低温度的状态中，如果由所包含的材料201的有序状态产生的“热致偏光器”和偏光器203一起有效地使光偏转，那么，装置传输大约50％的光。在更高温度的状态中，由所包含的材料201的有序状态产生的“热致偏光器”不再存在。偏光器203仍与光的一个极性相互作用，但是，现在所包含的材料与光的两个极性相互作用，将所传输的光的量减小至低于50％。
此布置对于增加宾主型系统的对比度，或对于产生难以只用客体(ODC)和主体(载体)材料实现的其他期望的光学效果(例如，特定波长下的吸收和反射的特定组合)，可能是有利的。在不明显影响装置的功能的前提下，层的精确布置可能会偏离图2中的描述。从光学上来说，光子是否通过偏光器然后通过宾主型系统(或者反过来)没有因果关系。可使用各种类型的偏光器，包括吸收性的、反射性的、扩散性的和衍射性的偏光器。另外，可能使用不止一个偏光器，并且，在不背离本实施方式的实质的前提下，可能以任何组合增加各种可选部件(例如，基板、粘合剂、密封剂、助溶剂、带阻滤波器、长通滤波器、短通滤波器和固定色彩)。
然而，应指出，如果使用阻滞剂、波阻或双折射补偿膜或层，那么层的排序是有关系的。例如，直线偏光膜的偏振轴线典型地平行于薄膜的牵引方向。然而，如果光通过偏光器然后通过波阻层，那么，产生的偏振光可以是“经旋转的”，使得，其偏振轴线出现在与牵引方向成45度(或一些其他期望的角度)的地方。这在的一些情况中可能是有用的，其有用之处在于，45度的偏振轴线允许更简单的制造过程，如在属于Powers等人的美国专利申请No.12/545,051中描述的。替代地，补偿稍微大于或小于45度的一些角度可能帮助通过有效地使偏光器不重合而“打开”滤光器的光传输，使得，减小装置的对比度并增加阻止状态光传输，例如，如在属于Powers等人的美国专利申请No.2009/0015902中描述的。
在一些情况中，可能希望将波阻放在双偏光器装置中的两个偏光器上，或放在多偏光器装置中的所有偏光器上。在其他情况中，还可能希望将这种光学薄膜仅放在一个偏光器上。例如，分别“旋转”45度的两个偏光器可与“旋转”90度的一个偏光器和完全不旋转的一个偏光器相比。减小波阻的数量可能在保持相同功能的同时降低最终产品的成本。因此，可能认识到，在此技术的各种实现方式中，可能以许多种方式组合波阻、阻滞剂、双折射补偿薄膜、特定厚度的双折射材料，或其他相关极性旋转材料或装置。
由阻滞剂/波阻或双折射补偿薄膜或涂层提供的极性旋转的量与波阻材料的双折射和厚度成正比。因此，设计薄膜或涂层实现非常精确的极性旋转的量是直接的做法，并且，这样做的方法在这里不需要进一步精心制作，除了注意以下内容以外：无色波片通常将比非无色波片引入更少的彩色异常。此实现方式还包含这样的版本，其中，标准偏光器和热致偏光器具有垂直的或其他非平行的偏振轴线，具有平行配向的负二向色性，具有和没有普通的(非热致的)偏光器，并包含这样的版本，其中，当变热时，装置变得更具反射性、更具吸收性或更具荧光性。
图3是热致滤光器装置300的另一示例性实施方式的示意性横截面图。和图1与图2的在先实施方式一样，所包含的ODC材料301在提供有序度的热致载体材料302内。在更低的温度下，给定百分比的入射光由于其相对于入射光的有序取向，而通过提供有序度的材料302以及所包含的材料301。在更高的温度下，所包含的材料的有序度减小(但是，有序参数不是零)，从而，由于所包含的材料的无序取向而吸收或反射更多的入射光。因此，对于此装置，所传输的光的减少可能比对于图1的实施方式是更渐进的。注意，在更低和更高的温度下，此装置可以使来自除了图中所示的方向以外的方向的光偏振，因为所包含的ODC材料在两种温度下都在有序方向上，因此处于某种目的而可能将其认为是“热致偏光器”。
应理解，图3所示的结构和方向可能作为装置的仅可能的状态或作为中间状态而存在。例如，不背离实施方式或本公开整体上的实质的前提下，ODC材料和热致载体材料的特定布置可能在极端温度下产生图1的取向并在更适度的温度下产生图3的方向。
图4是热致滤光器装置400的额外的示例性实施方式的示意性横截面图。和图1、图2与图3的在先实施方式中一样，所包含的ODC材料401在提供有序度的热致载体材料402内。然而，在更低的温度下，给定百分比的入射光由于其相对于入射光的有序取向，而通过提供有序度的材料402以及所包含的ODC材料401。此外，在更高的温度下，所包含的ODC材料401的有序度减小(但是，有序参数不是零)，从而，由于所包含的ODC材料401的无序取向而吸收或反射更多的入射光。因此，对于此热致滤光器装置400，所传输的光的减少可能比对于图1的实施方式是更渐进的。而且，在更低和更高的温度下，此热致滤光器装置400使来自除了图4中所示的方向以外的方向的光偏振。然而，根据热致滤光器装置400与在入射方向上变化的光(例如，与太阳能，其由于行星的旋转以及由于季节的原因而在入射方向上变化)的期望的相互作用来选择所包含的ODC材料401的指向矢(由系统确定)。
图4所示的结构和方向可能作为装置的仅可能的状态或作为中间状态而存在。例如，在不背离实施方式或本公开整体上的实质的前提下，ODC材料和热致载体材料的特定布置可能在极端温度下产生图1的方向并在更适度的温度下产生图4的方向。
所包含的ODC材料可能是任意数量的包含染料、棒、颗粒或热致(例如，向列)液晶载体材料中的聚合物的材料。在液晶处于向列状态(或其他液晶状态，例如近晶的)的同时，适当选择的ODC客体材料将采用液晶的有序度和指向矢，并且，在液晶处于各向同性状态中的同时，稍微或完全损失其有序度。然后，如果液晶处于液晶状态(例如，向列)并在两个透明平行表面之间垂直地配向，那么，通过垂直于表面的装置传播的光将不会明显地与所包含的ODC材料(例如，正二向色性染料)相互作用。然而，当温度增加时(即，高于各向同性温度)，热致液晶将没有配向的有序度。因此，液晶将更随机地定向并将不会对所包含的材料传递有序度，所述材料也将随机地定向并由此明显地更与通过垂直于表面的装置传播的光相互作用。这里再次注意，客体材料不需要是液晶。
在此实施方式的另一实现方式中，所包含的ODC材料可能是导电聚合物。为了本质上电的原因而不进行此选择，但是对典型地是导电材料的期望的光学特性(吸收和反射)进行此选择。因此，可能将与光的相互作用选择为是反射性的或吸收性的，或是其任何组合。在随机定向的状态中，反射可能不是镜面反射的，而是扩散地反射的，其在许多应用场合中是希望的。
在此实施方式的一些实现方式中，所包含的ODC材料可能在热致载体材料(例如，热致液晶)内，其提供平行于表面(即，平行地配向)的指向矢，因此，通过垂直于表面的装置传播的光将与作为偏光器的所包含的ODC材料(例如，正二向色性染料)相互作用。可能这样定向一个或多个偏光器(其是装置的一部分)，使得，其与通过由所包含的材料形成的偏光器传播的光不相互作用。然而，当温度增加时(即，上升至高于各向同性温度)，材料(例如，热致液晶)将没有配向的有序度，但是将更随机地定向，因此将不会对所包含的材料传递有序度。因此，所包含的材料也将随机地定向，明显地更与由偏光器传播的偏振的光相互作用，如果有的话，并且，改变传播多少光。
在其他实现方式中，所包含的ODC材料与光相互作用，使得，与当其指向矢平行于表面(即，负二向色性)时相比，当其指向矢垂直于表面时，所包含的材料与光更强烈地相互作用(例如，吸收、反射光或使光发荧光)。
虽然在这里图示并描述了几个示例性实施方式，但是，应理解，本发明不限于这些特定结构。例如，在结构中使用的偏光器(如果有的话)可能是直线的或圆形的、吸收性或反射性的、扩散性的或镜面反射的、和/或本质上是固定的或热致的。在装置中使用的一个或多个偏光器可能是光谱选择性的或可能被选择为具有高的或低的偏振效率。提供有序度的材料可以是热致液晶、冰/水、相变材料、晶体状结构，或任何许多形式的可对所包含的ODC材料提供有序度的物质。偏光器(包括热致偏光器)可能彼此存在任何的关系。可能将装置构造为随着温度的增加而变得更透射。也可能组合负和正二向色性ODC。
另外，应理解，在一些情况中，有序度和指向矢可能由ODC材料本身(例如，晶体状材料)提供，使得，将“客体”和“主体”功能组合在单个仔细选择的或构造的材料中。例如，聚乙炔的分子链可用作电“线”，并可能是非常好的候选ODC“客体”材料。然而，聚乙炔链也表现出液晶特性，因此，也可能将其认为是“主体”候选物，或是主体的一部分。
可替代地或额外地，可能使所包含的ODC“客体”材料和/或热致载体或“主体”材料附着于聚合物或聚合物网络(其是基板材料的一部分)或受聚合物或聚合物网络限制，或可能附着于一个或多个基板表面。
在以上实施方式的另一变型中，也可能通过电“超驰控制装置(override)”改变主体材料的有序度，并由此改变所包含的ODC材料的有序度。对于提供有序度的材料，可能存在电“超驰控制装置”，例如，通过使用扭矩电场来改变向列相液晶的有序度和指向矢。可替代地，客体材料可能是电“超驰控制装置”的位置(例如，和在悬浮颗粒装置中一样)。在ODC“客体”或热致“主体”由如上所述的导电聚合物组成或包含导电聚合物的情况中，这可能是特别有效的。
可能选择所包含的材料，以提供期望的传输、反射、荧光和吸收特性、光谱、色调或美感，或提供期望的能量传输、吸收和反射特性。另外，可能将多个相同类型或不同类型的热致变色装置组合，以产生不同的美感、光学、热、隐私、视觉对比、或日照得热量特性。有序度的量可能随着温度局部地或整体地增加，而不是减小，或者，可能将该装置构造为使得光传输随着增加的温度而增加。客体混合物可能是单色的或黑色的、彩色的、荧光的、和/或位变异构的。
在另一可能的实现方式中，该装置可能另外是热致聚合物分散的液晶装置。为此目的，可能为了聚合物中的低溶解性而选择宾主型系统，或者，可能将低双折射主体(例如，液晶)与聚合物的光学指数匹配，以改进装置性能和光学透明度。
还应理解，任何或所有上述实施方式和变型可能与许多可选部件配对，不改变其本质性质或功能。这些可能包括但不限于，基板、固定色彩、粘合剂、密封剂、波片、反射器、部分反射器、横穿反射器、低发射率材料、紫外吸收或反射材料、和/或红外吸收或反射材料。
另外，可能存在在更高温度下提供更多有序度、或在不同温度下提供不同量的有序度的材料，例如，出现在具有向列和近晶状态的热致液晶中的有序度和指向矢随着温度变化而产生的变化。因此，装置可能以指向矢或有序度随着温度的变化为基础，而不是简单地以有序度随着温度变化的损失为基础。另外，所包含的ODC材料实际上可能简单地在提供有序度的载体材料的附近，而不是整体地溶解或悬浮于其内部，或者，可能导致提供有序度的材料在各种温度下提供的有序度的量的变化。
可能增加可选部件(例如，涂层、膜、垫片、填料、或支撑结构)，以满足特定应用场合或特定制造方法的需求，并且，可通过删除或代替某些部件来制造一些实施方式的退化形式。各种层的精确布置可与这里图示的不同，取决于所选择的材料和波长，在不改变本发明的本质结构和功能的前提下，可将不同的层组合为单个层、物体、装置或材料。
虽然以上描述包含许多特征，并参考一个或多个单独的实施方式，但是，不应将这些解释为限制本发明的范围，而不是将其解释为仅提供本发明的某些示例性实施方式的图示。在不同结构中存在各种实现不同材料的可能性，并且，在不背离本发明的实质或范围的前提下，本领域的技术人员可对所公开的实施方式进行许多改变。
另外，虽然上面已经以一定的特殊度描述了本发明的各种实施方式，但是，所有方向参考(例如，内部、最近的、远端的、上、下、内、外、向上、向下、左、右、横向、前、后、顶部、底部、上方、下方、垂直、水平、顺时针、逆时针、左圆形和右圆形)仅用于识别的目的，以帮助读者理解本发明，并且，不产生限制，特别是对本发明的位置、方向或使用产生限制。将宽泛地解释连接参考(例如，附接、接合、连接和联接)，并且，其可能包括一组元件之间的中间件以及元件之间的相对运动，除非另外指出。同样地，连接参考并非必须意味着，两个元件直接连接并相对于彼此固定。在本文本中列举的具体值，例如，转变温度，清亮点，反射、传输或吸收的百分比，是说明性的，而不应是限制性的。更一般地，目的是，应将所有包含在以上描述中或在附图中示出的内容解释为仅是说明性的而不是限制性的。在不背离如在以下权利要求中定义的本发明的基本元件的前提下，可能对细节或结构进行改变。

Claims (33)

1.一种热致变色滤光器装置，包含：
提供有序度的热致载体材料，用于定义指向矢取向；以及
取决于取向的着色剂材料，包含在所述热致载体材料内，以响应于所述指向矢取向；其中
所述热致载体材料的指向矢取向响应于温度引发的所述热致载体材料的变化；
所述取决于取向的着色剂材料随着所述指向矢取向而改变取向，从而所述装置的光透射特性因此随着温度而改变。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述取决于取向的着色剂材料具有反射性。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述取决于取向的着色剂材料的反射性是部分或完全扩散的。
4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述热致变色滤光器装置既镜面反射地传输光又部分或完全扩散地反射光。
5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述取决于取向的着色剂材料具有吸收性。
6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述取决于取向的着色剂材料具有荧光性。
7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述取决于取向的着色剂材料是染料。
8.根据权利要求1所述的装置，其中，所述取决于取向的着色剂材料具有导电性。
9.根据权利要求8所述的装置，其中，所述取决于取向的着色剂材料是导电聚合物。
10.根据权利要求8所述的装置，进一步包括作用在所述取决于取向的着色剂材料上的电超驰控制装置。
11.根据权利要求1所述的装置，进一步包括作用在所述提供有序度的载体材料上的电超驰控制系统。
12.根据权利要求1所述的装置，进一步包含聚合物或聚合物网络，并且，其中
所述取决于取向的着色剂材料附着于所述聚合物或所述聚合物网络或受所述聚合物或所述聚合物网络限制，或者所述指向矢取向受所述聚合物或所述聚合物网络影响。
13.根据权利要求1所述的装置，其中，所述提供有序度的载体材料是热致液晶。
14.根据权利要求1所述的装置，其中，基板或者所述基板的表面上的化学物、材料或特征影响所述提供有序度的热致载体材料的指向矢取向。
15.根据权利要求14所述的装置，其中，所述提供有序度的载体材料是热致液晶。
16.根据权利要求14所述的装置，其中，所述基板是聚合物。
17.根据权利要求1所述的装置，其中，所述提供有序度的热致载体材料包含在柔性基板中或附着于所述柔性基板。
18.根据权利要求17所述的装置，其中，所述柔性基板是聚合物。
19.根据权利要求1所述的装置，其中，所述取决于取向的着色剂材料是反射性材料、吸收性材料和/或荧光性材料的组合。
20.根据权利要求1所述的装置，其中，所述取决于取向的着色剂材料选择成在一个或多个温度下具有所期望的美感的透射特性或反射特性，包括色调和亮度。
21.根据权利要求1所述的装置，其中，所述取决于取向的着色剂材料选择成在一个或多个温度下与特定波长或带宽的光相互作用。
22.根据权利要求1所述的装置，进一步包括偏光器。
23.根据权利要求22所述的装置，其中，所述偏光器是极性旋转偏光器。
24.根据权利要求1所述的装置，其中，所述取决于取向的着色剂材料的取向使入射光偏转。
25.根据权利要求24所述的装置，其中，所述取决于取向的着色剂材料选择成具有随着在所述装置处接收的光的方向而改变的偏光特性。
26.根据权利要求24所述的装置，其中，从有序(偏光或更加偏光)状态到不太有序(非偏光或不太偏光)状态的转变温度出现在建筑物、车辆或其他结构中的窗户、墙壁或相关部件的正常工作温度范围之上、之中或之下。
27.根据权利要求1所述的装置，其中，从有序(透射)状态到不太有序(阻断)状态的转变温度出现在建筑物、车辆或其他结构中的窗户、墙壁或相关部件的正常工作温度范围之上、之中或之下。
28.根据权利要求1所述的装置，所述取决于取向的着色剂材料在可见波长、红外波长或紫外波长中的一个或多个中工作。
29.根据权利要求28所述的装置，其中，所述取决于取向的着色剂材料的可见、紫外和红外透射特性、反射特性和吸收特性选择成具有动态的日照得热量控制。
30.根据权利要求1所述的装置，其中，所述取决于取向的着色剂材料在紫外波长、可见波长和/或红外波长的组合中工作。
31.根据权利要求1所述的装置，其中，所述提供有序度的热致载体材料和所述取决于取向的材料选择成导致所述提供有序度的热致载体材料和所述取决于取向的材料之间的光学指数上的差异，从而影响所述装置的光透射特性。
32.根据权利要求1所述的装置，其中，所述热致载体材料选择成具有用来影响所述装置的光透射特性的双折射特性。
33.一种热致变色滤光器装置，包含：
提供有序度的热致主体材料；以及
取决于取向的着色剂客体材料，包含在所述热致主体材料内，以响应于所述主体材料的取向；其中
所述热致主体材料的取向响应于温度引发的所述热致主体材料的变化；
所述取决于取向的着色剂材料随着所述热致主体材料的取向而改变取向，从而所述装置的光透射特性因此随着温度而改变。
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