CN103025991A - 适应性遮光、显示和颜色控制 - Google Patents

适应性遮光、显示和颜色控制 Download PDF

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Abstract

本发明描述了一种基底，所述基底的表面上具有第二材料或所述基底内嵌入了作为一层的第二材料。所述第二材料具有不同于所述基底的折射率和/或刚度，这样使得所述基底和所述第二材料的拉伸和未拉伸可在与光相互作用的所述第二材料中引起褶皱，从而允许从透明状态到不透明或虹彩状态的可逆变化，反之亦然。本公开可用作遮光系统和/或显示器。

Description

适应性遮光、显示和颜色控制
相关申请的交叉引用
本申请主张2010年6月10日提交的美国专利申请号61/353,505的较早申请日的权益，此专利的全部内容在此以引用方式并入本文。
通过引用方式并入
本文中引用的全部专利、专利申请和公布均在此全部以引用方式并入，以便更全面地描述本领域技术人员所知的截至在此描述的本发明的日期时的现有技术状态。
关于联邦资助研究或开发的声明
本发明是根据美国空军部(Department of the Air Force)授予的FA9550-09-1-0669DOD35CAP部分地由政府支助进行。政府对本发明享有某些权利。
发明领域
本公开涉及基于弹性体材料的适应性遮光、显示和颜色控制。更具体来说，本公开涉及可以适应性地调节透明度的适应性遮光和显示系统。
背景
存在有各种形式的控制光透射的遮光系统。这些遮光系统包括常规的窗户饰物，如窗帘、窗幔、百叶帘、百叶窗等。这些窗户饰物具有以下缺点：窗户附近总有一些不透明外来物，必须将其移开才能使光透过。
为了解决这种缺陷，已经开发出了“智能窗”，如光致变色窗、热致窗、热变色窗、聚合物分散的液晶窗、悬浮颗粒系统窗、电致变色窗以及气致变色窗。这些类型窗户的综述可在美国公布号2009/0296188的发明背景部分中找到。虽然这些智能窗提供了胜过常规的窗户饰物的某些改进，但是它们的成本非常高和/或难以制造或更换。
存在有各种形式的提供所需信息的显示器。这些显示器包括一旦信息被压印就不能改变的静态显示器、基于全息摄影术的动态显示器、需要电功率的动态显示器(例如计算机屏幕)等。然而，这类显示器是受限制的(例如静态的)或操作和/或制造是昂贵的(例如全息摄影术屏幕和/或计算机屏幕)。
发明概述
根据本公开，公开了一种遮光系统，其包括基底；第二材料，所述第二材料具有不同于所述基底的折射率并且形成多个褶皱，所述第二材料在所述基底的一个区域上或嵌入所述基底的一个区域内；以及拉伸装置，所述拉伸装置用于可逆地拉伸所述基底和所述第二材料，并且用于减小所施加的伸长率。在某些实施方案中，所述拉伸装置能够通过随所施加的应变的变化改变所述褶皱的取向来控制光透射的量。此外，当所述褶皱中的一些褶皱是大致上平行于所述拉伸方向来定向并且所述褶皱中的一些褶皱是大致上垂直于所施加的应变方向来定向时，所述遮光系统是透明的。
根据本公开，描述了一种用于制造本公开的遮光系统的方法。所述方法包括提供基底；将第二材料形成在所述基底的一个区域上或嵌入所述基底的一个区域内并且形成多个褶皱，其中所述第二材料具有不同于所述基底的折射率；以及，向拉伸装置可操作地提供所述基底和所述第二材料以便形成遮光系统，这样使得所述拉伸装置能够拉伸所述遮光系统并且所述拉伸装置能够减小所施加的应变，并且所述拉伸装置能够通过随所施加的应变的变化改变所述褶皱的取向来控制光透射的量。在某些实施方案中，当所述褶皱中的一些褶皱是大致上平行于所述拉伸方向来定向并且所述褶皱中的一些褶皱是大致上垂直于所施加的应变方向来定向时，所述遮光系统是透明的。
根据本公开，公开了一种显示器。所述显示器可包括基底；和第一区域，所述第一区域在所述基底上或嵌入所述基底内，所述基底包含第二材料，所述第二材料具有不同于所述基底的折射率并且形成多个褶皱。在某些实施方案中，所述显示器能够通过随所施加的应变的变化改变所述多个褶皱的取向来控制穿过所述第一区域的光透射的量，以便显示所需信息。此外，当所述褶皱中的一些褶皱是大致上平行于所述拉伸方向来定向并且所述褶皱中的一些褶皱是大致上垂直于所施加的应变方向来定向时，所述显示器的所述第一区域是透明的。
根据本公开，描述了一种用于制造本公开的显示器的方法。所述方法包括提供基底；和将第一区域形成在所述基底上或嵌入在所述基底内以形成显示器，所述基底包含第二材料，所述第二材料具有不同于所述基底的折射率或刚度并且具有多个褶皱。在某些实施方案中，所述显示器能够通过随所施加的应变的变化改变所述多个褶皱的取向来控制穿过所述第一区域的光透射的量，以便显示所需信息。此外，当所述褶皱中的一些褶皱是大致上平行于所述拉伸方向来定向并且所述褶皱中的一些褶皱是大致上垂直于所施加的应变方向来定向时，所述显示器的所述第一区域是透明的。
附图简述
在结合附图考虑以下详细描述后，本发明的以上和其它目的和优点将显而易见，附图中的相同参考字符自始至终表示相同的部分并且在附图中：
图1A至图1D是根据某些实施方案的在表面上具有类二氧化硅结构的PDMS(聚二甲基硅氧烷)片材的照片，所述PDMS(聚二甲基硅氧烷)片材被拉伸(图1B和图1D)和松弛(图1A和图1C)以便允许在透明与不透明/有色状态之间的可逆转变；
图2A至图2C示出根据某些实施方案的形成在弹性体材料表面上或嵌入弹性体材料内的第二材料的示意图；
图3A和图3B示出根据某些实施方案的随所施加的应变的变化而从不透明变化到透明的第一区域和从透明变化到不透明的第二区域；
图4A至图4C示出根据某些实施方案的随所施加的应变的变化而从透明变化到不透明再到透明的第一区域和从透明变化到透明再到不透明的第二区域；
图4D示出根据某些实施方案，起初透明的薄膜随所施加的应变的变化而正在变化为含有显示“威斯研究所(WYSS INSTITUTE)”的不透明区域的薄膜；
图5A至图5C示出根据某些实施方案的随所施加的应变的变化而从不透明变化到透明再到不透明的第一区域和从不透明变化到不透明再到透明的第二区域；
图6A和图6B示出根据某些实施方案的随所施加的应变的变化而从不透明变化到透明的描绘为“使用中(In Use)”的第一区域和从透明变化到不透明的描绘为“可用(Available)”的第二区域；
图6C和图6D示出根据某些实施方案的随所施加的应变的变化而从不透明变化到透明的描绘为“拉伸我(STRETCH ME)”的第一区域以及从透明变化到不透明的描绘为“哈佛大学(HARVARD)”的第二区域；
图7示出根据某些实施方案的在弹性体材料上形成具有第二材料的一个或多个区域的示例性方法；
图8A至图8C示出根据某些实施方案的当材料随所施加的应变的变化从不透明转变到透明再到不透明时由第二材料形成的褶皱的示例性微观结构；
图9A是根据某些实施方案的在表面上具有类二氧化硅结构的PDMS片材的示意图，所述PDMS片材被连接到漂浮在水上的重物以便允许在透明与不透明/有色状态之间的可逆转变；
图9B是根据某些实施方案的在表面上具有类二氧化硅结构的PDMS片材的示意图，所述PDMS片材在可弯曲框架上以便允许在透明与不透明/有色状态之间的可逆转变；
图9C是根据某些实施方案的在表面上具有类二氧化硅结构的PDMS片材的马赛克的示意图，所述马赛克可允许在透明与不透明/有色状态之间的可逆转变；
图10示出根据某些实施方案的在表面上具有类二氧化硅结构的不同PDMS片材的透光率光谱，所述PDMS片材是通过在形成所述类二氧化硅结构时随所施加的应变的变化施加0%、10%、20%以及30%预拉伸应变来制备；
图11A至图11E示出根据某些实施方案的光学显微镜图像，这些图像示出了随所施加的应变的变化以10%预拉伸应变制备的第二材料的褶皱的微观结构的演变；
图12A至图12E示出根据某些实施方案的光学显微镜图像，这些图像示出了随所施加的应变的变化以20%预拉伸应变制备的第二材料的褶皱的微观结构的演变；
图13A至图13E示出根据某些实施方案的光学显微镜图像，这些图像示出了随所施加的应变的变化以30%预拉伸应变制备的第二材料的褶皱的微观结构的演变；以及
图14是根据某些实施方案的书桌的示意图，所述书桌具有遮光系统这样使得可保持或消除两个不同的书桌使用者之间的隐私性。
发明详述
本发明描述了一种可在透明状态至较少透明状态(如不透明、有色的、出现虹彩、散射、衍射等)之间可逆变换的设备，如遮光系统或显示招牌。在第一状态，所述设备可以是透明的，并且在第二状态，当施加正的或负的应变时，所述设备可以变得较少透明。在一些其它实施方案中，所述设备可以在第一状态是较少透明的，但是在施加应变后变得更透明。在某些实施方案中，所述设备可以在第一状态是较少透明的，在施加应变后的第二状态变得透明，接着在甚至进一步施加应变后的第三状态再次变得较少透明。无论如何，本公开的机械响应式设备可以在施加或去除应变后在至少两种不同的透明度状态之间可逆变换。
参考图1，示出了一种施加或去除应变时可以在透明状态与较少透明状态(例如不透明和/或出现虹彩)之间可逆变换的设备。如图1A和图1C所示，在所述设备下方的文本清晰可见。当拉伸所述设备时，如图1B和图1D所示，在所述设备下方的文本变得模糊。当去除施加的应变时，如图1A和图1D所示，所述设备恢复透明状态。
如所示，所述设备可以响应于环境变化来适应性地调节透明度和/或虹彩。这种设备可以提供智能建筑的持久性能，这些智能建筑可应对全球日益增长的如能量、气候变化以及人机接口方面的挑战。可以使用这种设备来构建智能显示器，所述智能显示器可通过在给定的所施加应变下降低所需图案化区域中的透射光的量来显示特定的文本。
本公开的设备可以使用顺应性基底材料来制造，所述材料如在弹性体材料表面上具有第二材料的区域的弹性体材料，或在弹性体材料内嵌入具有第二材料的区域的弹性体材料，其中所述第二材料具有不同于所述弹性体材料的折射率、热膨胀系数和/或机械性质。所述设备可以进一步包括合适的拉伸装置以施加或去除应变，从而允许在透明与较少透明状态之间可逆变换。
基底材料
基底材料可以是在伸长或应变的可接受范围内允许可逆变形而不发生塑性变形或断裂的任何合适材料，如弹性体材料。在某些实施方案中，基底材料可以是对可见光波长透明的。在某些实施方案中，基底材料可以是对红外波长透明的。在某些实施方案中，基底材料可以是对紫外波长透明的。一些示例性弹性体材料包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚氨酯橡胶、聚硫橡胶、热塑性弹性体、聚烯烃弹性体、乙烯乙酸乙烯酯等。可施加来改变透明度而不损失弹性体材料的可逆变形特性的应变的可接受范围包括1%至1000%中任何范围的伸长率，如大于约1%、5%、10%、20%、30%、50%、100%或500%的伸长率。例如，对于Dow Sylgard184可能最多100%的伸长率，而对于PMC聚氨酯和Ecoflex硅树脂最多1000%的伸长率。
在某些实施方案中，基底材料可以作为具有染料、色素、热变色颗粒、荧光分子或类似填充剂的复合材料来提供，以便提供所需颜色、荧光、质地和改进的机械性质。合适的染料可以包括溶剂蓝35、溶剂红23等。合适的荧光材料可以包括罗丹明(rhodamine)、荧光素、亮绿(brillant green)、尼罗红(Nile red)等。合适的填充剂可以包括二氧化硅、二氧化钛、钛酸钡、磁性颗粒等。
第二材料
第二材料可以具有不同于基底材料的光学性质，如不同的折射率、不同的吸收性质、不同的颜色等。第二材料还可以具有不同于基底材料的机械性质，如不同的模数、不同的弹性、不同的可塑性、不同的断裂应力或断裂应变、不同的刚度等。第二材料还可以具有不同的热膨胀系数以便在温度改变后诱导不同程度的拉伸(并且因此产生不同的透明度)。
图2A至图2C示出在基底材料上或在基底材料内提供的第二材料的一些示例性构造。例如，图2A示出在基底材料201上的一层第二材料203。图2B示出嵌入基底材料201内的一层第二材料203。图2C示出在基底材料201上提供的具有表面特征的一层第二材料203。
在某些实施方案中，如图2C所示，可以将第二材料图案化在基底材料的某些所需区域上或中。例如，可以将第二材料图案化在基底材料上以便在施加应变后只使一个区域不透明或出现虹彩而未图案化的区域保持透明。
在某些实施方案中，如图3A所示，可以将第二材料图案化在基底材料上或中，这样使得第一图案化区域301起初不透明或出现虹彩，而第二图案化区域303起初透明。如图3B所示，在施加应变后，第一图案化区域301可以变得透明，而第二图案化区域303变得不透明或出现虹彩。
在某些实施方案中，可以将第二材料图案化在基底材料上或中，这样使得第一图案化区域起初透明，而第二图案化区域起初不透明或出现虹彩。在施加应变后，第一图案化区域可以变得不透明或出现虹彩，而第二图案化区域变得透明。
在某些实施方案中，如图4A所示，可以将第二材料图案化在基底材料上或中，这样使得第一图案化区域401和第二图案化区域403起初透明。如图4B所示，在施加应变后时，第一图案化区域401可以变得不透明或出现虹彩，而第二图案化区域403保持透明。随后，如图4C所示，在进一步施加应变后，第一图案化区域401可以再次变得透明，而第二图案化区域403变得不透明或出现虹彩。
在某些实施方案中，如图5A所示，可以将第二材料图案化在基底材料上或中，这样使得第一图案化区域501和第二图案化区域503起初不透明或出现虹彩。如图5B所示，在施加应变后，第一图案化区域501可以变得透明，而第二图案化区域503保持不透明或出现虹彩。随后，如图5C所示，在进一步施加应变后，第一图案化区域501可以再次变得不透明或出现虹彩，而第二图案化区域503变得透明。
在某些实施方案中，可以将第二材料图案化在具有多个不同图案化区域的基底材料上或中。所述多个不同的图案化区域中的每一个起初都可以是透明或不透明或出现虹彩的，在施加应变后的情况下，所述不同的图案化区域中的每一个都可以在某个所施加的应变下从起初透明或不透明或出现虹彩的状态转变为不透明或出现虹彩或透明的状态。上述实施方案的大量不同的实施方案和修改方案将在本领域一般技术人员的技能范围之内。
在某些实施方案中，图案化区域在处于不透明状态时可以形成显示某种信息的文本或图像。因此，取决于所施加的应变，可以显示不同的所需信息。例如，如图6A所示，在初始施加的应变下，可以由不透明或出现虹彩的区域显示信息“使用中(In Use)”601。随后，如图6B所示，在第二次施加的应变(或零应变)下，可以由不透明或出现虹彩的区域显示第二信息“可用(Available)”603。
图6C和图6D示出另一个实施例，在图6C中，在初始施加的应变(或零应变)下，由不透明或出现虹彩的区域显示信息“拉伸我(STRETCH ME)”。随后，如图6D所示，在第二次施加的应变下，由不透明或出现虹彩的区域显示第二信息“哈佛大学(HARVARD)”。
在一些实施方案中，第二材料可以实施为一定厚度的薄层，所述厚度的范围是从数纳米至数微米。在某些实施方案中，第二材料可以包括多个结构，如凸起、凹陷、褶皱等。这些结构可以是周期出现的、随机的或准周期出现的。这些结构可以具有在50纳米至40微米范围内的侧向尺寸，所述侧向尺度可取决于氧化时间、形成的第二材料的厚度以及应变去除速率；和可以在约20-3000纳米范围内的垂直尺寸，所述垂直尺寸可取决于机械应变或温度。
在某些实施方案中，可以使用任何合适的技术来形成第二材料(例如通过转化一部分原始基底材料的表面)，所述技术如物理和/或化学气相沉积、原子层沉积、表面溶胶凝胶法、热氧化、化学氧化、UV-臭氧处理、等离子体处理、电晕放电、溶液沉积等。取决于所使用的技术，第二材料的所得结构可能不同。
在某些实施方案中，可以将第二材料形成在未经受任何应变的基底材料上或中。
在其它实施方案中，可以通过以下方法在基底材料上或中形成第二材料：首先施加预定应变，随后进行合适的技术以便在所需区域形成第二材料。
在一些其它实施方案中，可以通过以下方法在基底材料上或中形成第二材料：首先施加预定应变，进行合适的技术以便在第一图案化区域形成第二材料，施加第二预定应变，进行合适的技术以便在第二图案化区域形成第二材料，等。
图7示出制造具有第二材料的一个或多个区域的示例性方法。在701，提供基底材料，如弹性体材料。在703，提供第一预定应变(例如零或有限的量)。在705，将弹性体材料掩盖以便暴露出所需的第一区域。在707，进行合适的技术(例如UV-臭氧、等离子体处理等)以形成具有第二材料的第一区域。在709，去除掩模。此后，如果希望具有第二材料的其它区域，可以用不同的预定应变和所需的第二区域重复703、705、707以及709以便形成具有第二材料的其它区域。
上述实施方案的大量不同的实施方案和修改方案将在本领域一般技术人员的技能范围之内。
透明度和不透明度或虹彩的最佳化
应注意，虽然多个结构的存在可以提供一些不透明度或虹彩，但是存在特征尺寸的一个最佳窗(optimum window)，其中透射率和不透明度或虹彩由于这样的多个结构而被最佳化。例如，取决于加工条件、材料组合、所施加的应变等，尽管形成多个结构(如凸起、凹陷、褶皱等)，但在施加应变后所述结构仍可以保持透明。然而，通过仔细选择加工条件和材料组合，可以配制出在施加应变后具有足够高的不透明度或虹彩的设备，如本文中所更详细地讨论。
例如，最大透射率可以取决于第二材料在基底材料上或中形成之前所施加的预定应变的量。通常，当使用预定伸长应变来形成第二材料时，在第二材料已经形成之后，在不施加应变时，所述设备通常显示低的透明度。为了增大透光率，可以将设备拉伸回到预定应变值。此外，当所施加的应变超过预定应变时，透光率通常再次降低。然而，对于给定的基底和第二材料组合来说，当所施加的应变接近各自的预拉伸应变(例如分别20%和30%)时，与第二预定应变(例如30%)相比，在第一预定应变(例如20%)下形成的设备的实际透光率可以显示更高的透光率。换句话说，当在操作期间所施加的应变在20%时，在20%预定伸长应变下形成第二材料的设备可以显示100%的透光率。然而，当在操作期间所施加的应变在30%时，在20%预定伸长应变下形成第二材料的设备可以显示80%的透光率。
另举一例，当通过氧化基底将在第二材料形成在基底材料上时，处理时期的延长可以阻碍区域透明度，而处理时间短而不足可以产生不能显示响应性不透明度的区域。同样地，在低功率下处理可能不能在机械应力下显示光学响应，而在高功率下处理可阻止区域透明度。因此，存在最佳的氧等离子体处理时间，其可取决于仪器的功率输出而变化。例如，对PDMS的氧等离子体处理可以进行约例如20秒至5分钟和/或在约100瓦至1kW下进行。
本公开的一个目的是确定使透明度最大化和使不透明度或虹彩最大化的加工条件。本公开的一个目的是确定提供透光率与不透明度或虹彩之间的最大对比的加工条件。
第二材料的类型和厚度也可以在透光率与不透明度或虹彩之间提供最佳的对比。例如，可以调节第二材料的厚度，这样使得形成的褶皱特征得以最佳化以便在所需波长范围(例如可见光波长、红外波长、紫外线波长等)显示最大的透射率和不透明度或虹彩。另举一例，可以选择基底材料和第二材料，这样使得在提供最高透光率的所施加的应变条件下发生最小的吸收和/或散射。类似地，可以选择基底材料和第二材料，这样使得在提供最高不透明度或虹彩的所施加的应变条件下发生最大吸收和/或散射。
本公开的一个目的是确定使透明度最大化和使不透明度或虹彩最大化的材料组合。本公开的一个目的是确定提供透光率与不透明度或虹彩之间的最大对比的材料组合。
本公开的一个目的是确定使透明度最大化和使不透明度或虹彩最大化的加工条件和材料组合。本公开的一个目的是确定提供透光率与不透明度或虹彩之间的最大对比的加工条件和材料组合。
在某些实施方案中，可以在如上所述的最佳化材料组合和加工条件下提供第二材料，这样使得在施加或除去应变后，在对于特定设备显示最大透光率的所施加的应变下实现大于约80%、85%、90%或甚至95%的透光率(对于法线入射来说)。在某些实施方案中，可以在如上所述的最佳化材料组合和加工条件下提供第二材料，这样使得在施加或除去应变时，在显示最大不透明度或虹彩的所施加的应变下实现小于20%、15%、10%或甚至5%的透光率(对于法线入射来说)。
在某些实施方案中，当所施加拉伸的量跨越用于形成第二材料的初始预应变值变化时，在第二材料中形成的褶皱的取向可在单轴拉伸条件下动态地和可逆地变换。当设备不透明或出现虹彩时，褶皱可以大致上在一个方向上定向。此外，褶皱的幅度可大致上是高的，以便促进与入射波长的相互作用，从而促进入射光的进一步散射。然而，当设备透明时，褶皱可以大致上在至少两个方向上定向。此外，褶皱的幅度可大致上是浅的，以便减少与入射波长的相互作用并因此减少入射光的散射。例如，当设备在所施加的0%应变下不透明、在20%应变下透明并且在40%下应变不透明时，图8A至图8C示意性地示出褶皱的取向和幅度。值得注意的是，不希望受理论的约束，本公开提供一种用于获得透明材料的新方法，其中由第二材料的褶皱形成的微观结构处于这样的取向和幅度，所述取向和幅度有效抵消或最小化与光的入射波长相互作用从而允许光通过材料。
在某些实施方案中，褶皱起初可以垂直于拉伸的轴来定向。拉伸后，褶皱的幅度可以逐渐减小而褶皱的间距逐渐增大。当应变增加到接近于初始预应变值时，褶皱可以沿着垂直于和平行于拉伸的轴来定向。进一步拉伸(即过度拉伸)后，垂直于拉伸轴的褶皱可能消失并且褶皱可能变得主要平行于拉伸轴。不希望受理论的约束，平行于拉伸轴的这些新褶皱可能是由于材料较大泊松比而由垂直于拉伸的轴的顺应性基底的有效压缩引起。进一步过度拉伸可能导致平行于拉伸轴的这些新的褶皱具有增加的幅度和缩小的间距。褶皱取向的变换可以是可逆的，并且当应变降低到初始预应变值以下时，可以恢复原始的褶皱。
在某些实施方案中，当用零预应变形成第二材料时，材料可能具有高的透光率。虽然垂直于拉伸轴定向的褶皱可能是由于正在形成第二材料时可能发生的基底自然膨胀而形成，但是褶皱的幅度可以是足够小的，这样使得入射光得以透射。拉伸后，可以形成平行于拉伸轴定向的褶皱并且所述褶皱的幅度可以变得足够大以便衍射/散射入射光，从而使基底不透明。
因此，通过控制形成第二材料时所施加的初始应变，可以制造在所施加的零应变下具有所需透光率的装置。
在某些实施方案中，可以将以下重复若干循环：通过在初始预应变值附近进行拉伸来使褶皱取向的变换。
在某些实施方案中，如图8A至图8C所示，在第二材料上形成的褶皱可以是正弦波形。在初始预应变值附近褶皱幅度的增加可以有效地增加光栅样褶皱图案的衍射效率。因此，当应变从初始预应变值增加或减小时，基底的透光率可能降低。这种特征可以为检测外部机械应力(压缩或拉伸)的褶皱基底提供机械光学灵敏度，并且将这个信号动态和可逆地转换为光学响应。
拉伸装置
可以利用许多不同的拉伸装置。例如，可以使用简单的人工操作的机械拉伸器。在一些实施方案中，所述机械拉伸器可以由传感器或其它类型的智能材料远距离启动或触发。在一些情况下，可以利用所述基底材料(如PDMS)对温度的敏感性来适应性地控制光透射。在一些情况下，可以改变所述基底材料的组成以便含有磁性填充剂，从而利用外部磁场作为拉伸基底材料的方法。在某些实施方案中，可以使用气压致动。例如，可以将具有第二材料的圆形基底安装在圆形框架上以便形成窗体，并且可以对所述窗体施加气压。窗体的膨胀可以提供改变窗体透光率所需要的应变。
本文中使用的“拉伸装置”意图涵盖合适的非人装置，其可以被可操作地连接到具有第二材料的基底材料上，以便在所述基底上施加所需量的伸长，这样使得可以制造和利用遮光系统，如窗帘或区域分隔物。
图9示出一些设计实施例。例如，图9A示出具有第二材料的弹性体材料片材底部连接到漂浮在水上的重物上。通过调节水位(例如泵、温度变化、湿度变化)，重物可以施加或减小对具有第二材料的弹性体材料片材施加的应变，因为反作用于重物的浮力可以分别降低或增加。
在一些其它实施方案中，如图9B所示，可以将具有第二材料的弹性体材料片材覆在柔性窗体上。窗体的机械弯曲可以允许拉伸具有第二材料的弹性体材料片材，从而实现透明度/颜色的变化。
在又一个实施方案中，图9C示出被构建成覆盖大面积的具有第二材料薄层的弹性体材料片材的小面积片材的马赛克。由于依次悬挂的单个片材的重力，色差(color shading)可以形成梯度。梯度可以通过施加外力(如风、温度、湿度等)进一步变化。需要时，可以用计算机处理拉伸马赛克片材的顺序和图案，从而获得图案和复杂颜色的审美学多样性。
在又一些其它实施方案中，拉伸装置可以与计时装置连接，其中所施加的应变随时间而变化。当具有多个第二材料的不同图案化区域的弹性体材料与这种拉伸装置连接时，就可以制造出取决于所施加的应变的多个信息。例如，在第一次施加的应变下，可以显示“30分钟内返回(Be back in30minutes)”的信息。10分钟之后，拉伸装置可以施加第二次施加的应变，施加后可以显示“20分钟内返回(Be backin20minutes)”的信息。20分钟之后，拉伸装置可以施加第三次施加的应变，施加后可以显示“10分钟内返回(Be back in10minutes)”的信息。释放所施加的应变后(例如再过10分钟之后或由使用者手动输入)，可以显示“欢迎(Welcome)”的信息。
在某些实施方案中，拉伸装置可以是使用者。例如，具有第二材料的弹性体材料可被应用在皮带或吊带上，其中所述弹性体材料起初是透明的。当使用者的腰围或体型增加时，可以显示“锻炼!(Exercise!)”的信息。另举一例，具有第二材料的弹性体材料可以起初含有应用于例如问候卡片上的显示“拉伸我(Stretch Me!)”的图案化信息。当使用者拉伸材料时，隐藏的问候卡片信息可以立刻显示在第二图案化区域上，如显示“生日快乐!(Happy Birthday!)”，而起初显示的“拉伸我(Stretch Me!)”区域变成透明的。
适用于本发明的其它拉伸装置对本领域一般技术人员来说将是显而易见的。例如，具有第二材料薄层的弹性体材料片材可被直接卷绕在圆筒上或与卷绕在圆筒上的另一种材料连接，其中片材的一端被附着在窗体的一个边缘并且圆筒提供在窗体的第二边缘处。可以用蜗轮和/或电动机来启动圆筒，所述蜗轮和/或电动机能够旋转圆筒以在具有第二材料薄层的弹性体材料片材上施加或减小应变。随着圆筒转动并且施加或减小应变，具有第二材料薄层的弹性体材料片材可以从不透明变换成透明状态。
在某些实施方案中，所述拉伸装置可以施加相对于初始状态的单轴拉紧或单轴压缩。在一些其它实施方案中，所述拉伸装置可以施加相对于初始状态的二维拉紧或压缩。在一些其它实施方案中，所述拉伸装置可以弯曲或扭曲以便施加更复杂的形式的所施加应变。可以类似地使用的其它形式的所施加应变对本领域一般技术人员来说将是显而易见的。
实施例1：PDMS遮光系统
PDMS是一种可以用于制造本公开的遮光系统的材料。PDMS是一种无毒和透明的弹性体聚合物，其可以被加工成范围从微流体通道至建筑等级大型片材和涂层的各种形状和构造。PDMS片材可以通过混合前体和交联剂(例如DOW SYLGARD182或184试剂盒)的所需组合并且将混合物固化成片材形式来制备。所得的PDMS片材的机械性质可以通过控制前体/交联剂组合的相对量来调节(例如肖氏硬度50A±20。因为所得的PDMS片材是弹性体材料，所以可以可逆地拉伸和压缩所得的PDMS片材。
当PDMS片材的表面被氧化时，在PDMS片材的表面上可以形成类二氧化硅(SiOx)结构。首先，可以使用合适的方法氧化PDMS片材以在PDMS片材表面上形成类二氧化硅层，所述方法如将PDMS片材放入等离子体氧化室、UV-臭氧室中，使用手持电晕放电器或使用化学方法等。在氧化期间，可以提高温度。氧化之后，随着温度降低，PDMS和类二氧化硅层之间不同的热膨胀系数可以在界面区域产生大于临界扭曲应力的机械应力。应力松弛可以诱导表面扭曲，从而在冷却的PDMS片材表面上产生亚微米尺寸结构，如凸起和凹陷或褶皱。
在一些其它实施方案中，氧化之后，可以混合PDMS片材的其它前体和交联剂，沉积在氧化层的顶部并且固化。因此，可以将第二材料嵌入弹性体材料中。这种方法可以允许在遮光系统两个侧面上形成具有PDMS的层状结构(即疏水性表面)。
当含有氧化的第二材料层的PDMS被拉伸时，凸起和凹陷的间距和幅度可被改变，这样使得由于作为光栅的褶皱表面的衍射效率变化而使可见光被或多或少地散射。因此，具有类二氧化硅结构的PDMS可以变得不透明并且出现多种色彩的虹彩。当去除拉伸力时，PDMS片材可以恢复到其原始的(或接近原始的)长度并且可见光的干涉不再发生并且再次变得透明。遮光系统的拉伸和恢复至其原始长度可以是完全可逆的并且可以在PDMS片材的弹性变形范围内被重复无限次。
虽然不希望受理论的约束，但是凸起和凹陷的表面图案可能在拉伸后引起入射光的散射，使遮光系统不透明。散射光与凸起和凹陷之间的干涉可以被人眼感知为各种颜色(即衍射)。此外，可能的是：红外辐射可以被PDMS吸收或在表面上散射。
在另一个实施方案中，PDMS可以在氧化之前被预拉伸。在这种情况下，氧化并且释放拉伸状态后，遮光系统可以是不透明的并且具有有色表面。施加应变后，遮光系统可以变得透明。其它实施方案对本领域一般技术人员来说将是显而易见的。例如，精确控制预拉伸以及控制褶皱图案中的间距(或波长)和幅度可以产生能够选择性地散射紫外辐射同时透射可见光的遮光系统。
本文中描述的遮光系统显示超越常规系统的其它额外的优势。例如，因为所述遮光系统利用弹性体片材，所以可以容易地修补穿孔或划痕。例如，可以用其它弹性体前体填塞孔洞并且允许固化而无需像常规系统那样必须更换全部遮光体。在某些情况下，所述弹性体片材可以“自愈(self-heal)”，其中小的穿孔或划痕可以由于弹性体片材的粘弹性特征而自行愈合。
在某些情况下，所述遮光系统可以被制造成在遮光系统的表面上赋予某些所需性质。例如，可以在所述遮光系统的表面上赋予疏水性质或超疏水性质，以便防止水滴冷凝并且有助于在表面上的自行清洁。
在某些实施方案中，所述遮光系统可被制造为可折叠或便携式的窗户、遮光体等。例如，聚氨酯显示低凹痕敏感性，其中所述片材可被容易地折叠和展开，而不会撕裂或留下不需要的“折痕”痕迹。因此，可以将本公开的遮光系统折叠起来以供压紧存放或运输并且在安装和/或使用之前才展开。
预期本文中描述的遮光系统适用于广泛范围的应用并且不仅仅局限于窗户饰物。例如，所述遮光系统可被用作适应性遮光控制和温度控制，这样可以改变通过的光的量的强度，这不限于可见光波长，而且也适用于红外和/或紫外辐射。
实施例2：透明度和不透明度的最佳化
将双组分硅树脂弹性体(DOW Sylgard184)是以基质比固化剂为10:1的质量比来混合。使用双离心机混合器来产生两种组分的均匀混合物并且对所有样品保持相同的混合条件。一旦充分混合，就将材料在真空室中脱气30分钟的时间，以便从混合物中去除任何夹带的空气气泡。脱气之后，将已知量的混合物倒入平坦、浅的聚苯乙烯皿(30cm×30cm)中以便获得所需厚度，并且放入60℃的烘箱中来固化2小时。一旦固化，就将弹性体片材从器皿中剥离出来。
取决于应用将弹性体片材切成各种形状和大小。对于等离子体处理工艺来说，保持片材厚度在0.5mm至2.5mm的范围内。等离子体处理之前，将弹性体样品夹紧在单轴、螺杆传动的拉伸装置中并且随后拉伸至所需预拉伸状态(比样品静止时的长度长0%、10%、20%和30%)。一旦加载，就将拉伸的样品放入等离子体真空室中。使用低真空泵将真空室抽空(2分钟)。以10sccm的流速向系统中引入氧气1分钟，这时将气体切断并且使真空泵降低系统中的压力(30秒)。使用100W的40kHz电源来电离氧气。弹性体距离电极6cm进行放置。处理时间取决于各种参数，特别是与等离子体电极的距离和所述电极的操作功率。对于高光学对比来说，使用70秒的等离子体产生时间。等离子体处理之后，将真空室通气来达到大气压力并且从样品缓慢释放应变。
氧等离子体处理之后，将75mm×25mm长方形样品背朝拉伸装置进行安装。使用法线入射角下的透射几何学来进行光学表征。通过400μm直径纤维光缆将钨丝灯与光学装置连接。将来自光纤顶端分散的入射光对准成大约2cm直径的圆形光束，将其集中并且聚焦在连接到由定制软件控制的分光计的第二纤维光缆上以便收集并且处理光信号。在对准的光束路径中，使用可调光圈控制在样品上的照明区域。在单轴应变的增值下，在400至900nm的波长范围收集各种样品在25ms积分时间的透光率光谱。不打开光源进行背景光谱收集并且由在光束路径中不放置样品的情况下收集的光谱将所收集的所有光谱标准化。
图10示出各种样品的透光率光谱。可以看出，接近预拉伸应变时，每个样品的透光率最高。然而，当比较每个样品的最高透光率时，在这些样品中，通过20%预拉伸应变制备的样品显示最高的透光率。例如，20%预拉伸样品在20%应变下的最大透光率是约93%，10%预拉伸样品在10%应变下的最大透光率是约69%，并且30%预拉伸样品在30%应变下的最大透光率是约58%。
实施例3：微观结构发展
在光学显微镜下分析了根据实施例2制备的针对10%预拉伸应变的样品，以便分析随应变的变化产生的微观结构。如图11A所示，在所施加的0%应变下(不透明)，褶皱主要垂直于拉伸方向来定向。如图11B所示，在所施加的约10%应变下(透明)，褶皱同时平行于并垂直于拉伸方向来定向。如图11C所示，在约40%应变下(不透明)，褶皱平行于拉伸方向来定向。如图11D所示，当应变松弛回到10%时(再次透明)，褶皱再次同时平行于并垂直于拉伸方向来定向。随后，如图11E所示，当应变松弛回到0%时(再次不透明)，褶皱再次垂直于拉伸方向来定向。
在光学显微镜下分析了根据实施例2制备的针对20%预拉伸应变的样品，以便分析随应变的变化产生的微观结构。如图12A所示，在所施加的0%应变下(不透明)，褶皱主要垂直于拉伸方向来定向。如图12B所示，在所施加的约20%应变下(透明)，褶皱同时平行于并垂直于拉伸方向来定向。如图12C所示，在约40%应变下(不透明)，褶皱平行于拉伸方向来定向。如图12D所示，当应变松弛回到20%时(再次透明)，褶皱再次同时平行于并垂直于拉伸方向来定向。随后，如图12E所示，当应变松弛回到0%时(再次不透明)，褶皱再次同时平行于并垂直于拉伸方向来定向。
在光学显微镜下分析了根据实施例2制备的针对30%预拉伸应变的样品，以便分析随应变的变化产生的微观结构。如图13A所示，在所施加的0%应变下(不透明)，褶皱主要垂直于拉伸方向来定向。如图13B所示，在所施加的约30%应变下(透明)，褶皱同时平行于并垂直于拉伸方向来定向。如图13C所示，在约40%应变下(不透明)，褶皱平行于拉伸方向来定向。如图13D所示，当应变松弛回到30%时(再次透明)，褶皱再次同时平行于并垂直于拉伸方向来定向。随后，如图13E所示，当应变松弛回到0%时(再次不透明)，褶皱再次同时平行于并垂直于拉伸方向来定向。
实施例4：隐私性屏障
本公开还适用于需要隐私性控制的任何区域，如可以快速和可逆地在透明与不透明状态之间转变的空间分隔物或办公桌隐私性屏障。图14示出具有独立可拉伸的屏障32的双侧书桌(double desk)，在需要形成单个书桌时可以将所述屏障去除。这些遮光器、分隔物和隐私性屏障可以就地安装或是模块化的可移动零件，所述零件可被容易地移到所需位置。相比之下，其它现有的空间分隔物或办公桌隐私性屏障需要大量的体力劳动和装配时间来安装和使用。
在一些其它情况下，所述隐私性屏障可被用作情绪调节材料，其中彩色可以在不同观测角度和不同环境条件下变化。
所述隐私性屏障还可以在艺术用显示器中使用，其中通过选择性地拉伸和释放片材的某些区域，不均匀的拉伸方式可以产生复杂的图案。
实施例5：招牌和显示器
在某些实施方案中，本公开还适用于显示所需信息的招牌，如广告招牌、商业招牌、加密或隐藏的信息、问候卡片、商业卡片、取决于所施加的应变显示不同信息的“智能”显示器等。
例如，如图6C所示，显示器起初可以显示“拉伸我(Stretch Me)”，其中显示器只有一端被固定。当使用者拉伸显示器时，可以显示新的信息如“哈佛大学(Harvard)”(如图6D所示)或任何其它所需的信息。可以将这些显示器并入问候卡片中，所述问候卡起初显示“拉伸我(Stretch Me)”并且稍后当读者实际拉伸显示器时显示“生日快乐!(Happy Birthday!)”等。本领域一般技术人员可以预见大量的其它实施方案。
通过回顾本发明的描述和实施方案，本领域技术人员将理解，在实施本发明时可以执行修改方案和等价的替换方案而不脱离本发明的实质。因此，本发明不意图由以上明确描述的实施方案限制，并且仅由随附的权利要求书所限制。

Claims (44)

1.一种遮光系统，其包括：
基底；
第二材料，所述第二材料具有不同于所述基底的折射率并且形成多个褶皱，所述第二材料在所述基底的一个区域上或嵌入所述基底的一个区域内；以及
拉伸装置，所述拉伸装置用于可逆地拉伸所述基底和所述第二材料并且用于减小所施加的伸长率；
其中所述拉伸装置能够通过随所施加的应变的变化改变所述褶皱的取向来控制光透射的量；
其中当所述褶皱中的一些褶皱是大致上平行于所述拉伸方向来定向并且所述褶皱中的一些褶皱是大致上垂直于所施加的应变方向来定向时，所述遮光系统是透明的。
2.如权利要求1所述的遮光系统，其中
增加所施加的应变减少了穿过所述遮光系统的光透射，并且减小所施加的应变增加了穿过所述遮光系统的光透射。
3.如权利要求1所述的遮光系统，其中
增加所施加的应变增加了穿过所述遮光系统的光透射，并且
减小所施加的应变减少了穿过所述遮光系统的光透射。
4.如权利要求1所述的遮光系统，其中所述基底包含聚二甲基硅氧烷或聚氨酯。
5.如权利要求1所述的遮光系统，其中所述第二材料包含所述基底的被氧化区域。
6.如权利要求1所述的遮光系统，其中所述遮光系统通过形成大致上平行于所施加的应变方向来定向的所述褶皱而变得不透明。
7.如权利要求1所述的遮光系统，其中所述基底包含聚二甲基硅氧烷并且所述第二材料包含SiOx。
8.如权利要求1所述的遮光系统，其中所述拉伸装置施加应变并且根据一种或多种环境变化、气压致动、所施加的磁场或所施加的电场来减小所施加的应变。
9.如权利要求8所述的遮光系统，其中所述一种或多种环境变化包括温度、湿度或光强度的变化。
10.一种显示器，其包括：
基底；和
第一区域，所述第一区域在所述基底上或嵌入所述基底内的，所述基底包含具有不同于所述基底的折射率并且形成多个褶皱的第二材料；
其中所述显示器能够通过随所施加的应变的变化改变所述多个褶皱的取向来控制穿过所述第一区域的光透射的量，以便显示所需信息；
其中当所述褶皱中的一些褶皱是大致上平行于所述拉伸方向来定向并且所述褶皱中的一些褶皱是大致上垂直于所施加的应变方向来定向时，所述显示器的所述第一区域是透明的。
11.如权利要求10所述的显示器，其中
增加所施加的应变增加了穿过所述第一区域的光透射，并且
减小所施加的应变减少了穿过所述第一区域的光透射。
12.如权利要求11所述的显示器，其进一步包括：
第二区域，所述第二区域包含具有不同于所述基底的折射率的同种第二材料或不同种第二材料；
其中增加所施加的应变减少了穿过所述第二区域的光透射，并且
减小所施加的应变增加了穿过所述第二区域的光透射。
13.如权利要求10所述的显示器，其中
增加所施加的应变减少了穿过所述第一区域的光透射，并且
减小所施加的应变增加了穿过所述第一区域的光透射。
14.如权利要求13所述的显示器，其进一步包括：
第二区域，所述第二区域包含具有不同于所述基底的折射率的同种第二材料或不同种第二材料；
其中增加所施加的应变增加了穿过所述第二区域的光透射，并且
减小所施加的应变增加了穿过所述第二区域的光透射。
15.如权利要求10所述的显示器，其中所述基底包含聚二甲基硅氧烷或聚氨酯。
16.如权利要求10所述的显示器，其中所述第二材料包含所述基底的被氧化区域。
17.如权利要求10所述的显示器，其中所述第一区域通过形成大致上平行于所施加的应变方向来定向的所述褶皱而变得不透明。
18.如权利要求10所述的显示器，其中所述弹性体材料包含聚二甲基硅氧烷并且所述第二材料包含SiOx。
19.如权利要求1所述的显示器，其进一步包括拉伸装置，所述拉伸装置用于可逆地拉伸所述基底和所述第二材料并且用于减小所施加的伸长率。
20.如权利要求19所述的显示器，其中所述拉伸装置施加应变并且根据一种或多种环境变化、气压致动、所施加的磁场或所施加的电场减小所施加的应变。
21.如权利要求20所述的显示器，其中所述一种或多种环境变化包括温度、湿度或光强度的变化。
22.一种方法，其包括：
提供基底；
将第二材料形成在所述基底的一个区域上或嵌入所述基底的一个区域内并且形成多个褶皱，其中所述第二材料具有不同于所述基底的折射率；以及
向拉伸装置可操作地提供所述基底和所述第二材料以便形成遮光系统，这样使得所述拉伸装置能够拉伸所述遮光系统并且所述拉伸装置能够减小所施加的应变，并且所述拉伸装置能够通过随所施加的应变的变化改变所述褶皱的取向来控制光透射的量；
其中当所述褶皱中的一些褶皱是大致上平行于所述拉伸方向来定向并且所述褶皱中的一些褶皱是大致上垂直于所施加的应变方向来定向时，所述遮光系统是透明的。
23.如权利要求22所述的方法，其进一步包括：
拉伸所述基底和所述第二材料以减少穿过所述遮光系统的光透射。
24.如权利要求23所述的方法，其进一步包括：
减小所施加的应变以增加穿过所述遮光系统的光透射。
25.如权利要求22所述的方法，其进一步包括：
拉伸所述基底和所述第二材料以增加穿过所述遮光系统的光透射。
26.如权利要求25所述的方法，其进一步包括：
减小所施加的应变以减少穿过所述遮光系统的光透射。
27.如权利要求22所述的方法，其中所述基底包含聚二甲基硅氧烷(PDMS)或聚氨酯。
28.如权利要求22所述的方法，其中所述形成第二材料包括氧化所述基底的区域以便获得所述第二材料。
29.如权利要求22所述的方法，其中所述形成第二材料产生片材，所述片材具有大致上垂直于所施加的应变方向来定向的褶皱。
30.如权利要求22所述的方法，其中所述基底包含聚二甲基硅氧烷并且所述第二材料包含SiOx。
31.如权利要求22所述的方法，其中所述拉伸装置被可操作地配置来施加应变并且根据一种或多种环境变化、气压致动、所施加的磁场或所施加的电场来减小所施加的应变。
32.如权利要求31所述的方法，其中所述一种或多种环境变化包括温度、湿度或光强度的变化。
33.一种方法，其包括：
提供基底；和
将第一区域形成在所述基底上或嵌入在所述基底内以形成显示器，所述基底包含第二材料，所述第二材料具有不同于所述基底的折射率并且具有多个褶皱；
其中所述显示器能够通过随所施加的应变的变化改变所述多个褶皱的取向来控制穿过所述第一区域的光透射的量，以便显示所需信息；
其中当所述褶皱中的一些褶皱是大致上平行于所述拉伸方向来定向并且所述褶皱中的一些褶皱是大致上垂直于所施加的应变方向来定向时，所述显示器的所述第一区域是透明的。
34.如权利要求33所述的方法，其中
增加伸长率增加了穿过所述第一区域的光透射，并且
减小所施加的应变减少了穿过所述第一区域的光透射。
35.如权利要求34所述的方法，其进一步包括：
形成第二区域，所述第二区域包含具有不同于所述基底的折射率的同种第二材料或不同种第二材料；
其中增加所施加的应变减少了穿过所述第二区域的光透射，并且
减小所施加的应变增加了穿过所述第二区域的光透射。
36.如权利要求33所述的方法，其中
增加所施加的应变减少了穿过所述第一区域的光透射，并且
减小所施加的应变增加了穿过所述第一区域的光透射。
37.如权利要求36所述的方法，其进一步包括：
形成第二区域，所述第二区域包含具有不同于所述基底的折射率的同种第二材料或不同种第二材料；
其中增加所施加的应变增加了穿过所述第二区域的光透射，并且
减小所施加的应变增加了穿过所述第二区域的光透射。
38.如权利要求33所述的方法，其中所述基底包含聚二甲基硅氧烷或聚氨酯。
39.如权利要求33所述的方法，其中所述第二材料包含所述基底的被氧化区域。
40.如权利要求33所述的方法，其中所述形成第二材料使褶皱大致上垂直于所施加的应变方向来定向。
41.如权利要求33所述的方法，其中所述基底包含聚二甲基硅氧烷并且所述第二材料包含SiOx。
42.如权利要求33所述的方法，其进一步包括：
可操作地提供拉伸装置以便可逆地拉伸所述基底和所述第二材料并且减小所施加的应变。
43.如权利要求42所述的方法，其中所述拉伸装置施加应变并且根据一种或多种环境变化、气压致动、所施加的磁场或所施加的电场来减小所施加的应变。
44.如权利要求43所述的方法，其中所述一种或多种环境变化包括温度、湿度或光强度的变化。
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