CN105676515B - 利用引导自组装光子晶体的智能玻璃 - Google Patents

利用引导自组装光子晶体的智能玻璃 Download PDF

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Abstract

本申请涉及利用引导自组装光子晶体的智能玻璃。所述智能玻璃包括插置在一对导电玻璃板之间的光子晶体层。智能玻璃包括第一材料和第二材料，所述第二材料与第一材料具有不同的折射率，并且包围第一材料。由此，通过强烈地反射入射至光子晶体层的特定波长范围内的光，而在即使不包括染料的情况下，智能玻璃也具有颜色。这是因为第一材料通过引导自组装而规则地形成为具有恒定的距离，而智能玻璃由此可以通过随机地调整第一材料之间的距离而获得目标颜色。

Description

利用引导自组装光子晶体的智能玻璃
技术领域
本发明大体上涉及利用引导自组装光子晶体的智能玻璃，并且更具体地，涉及这样一种光子晶体，其具有插置在一对导电玻璃板之间的光子晶体层。
背景技术
“智能玻璃”涉及这样一种主动控制技术，其能够通过自由地调整从外部流入的光的透射率来降低能量损耗，并且为消费者提供宜人的环境。这被视为能够在各种工业领域普遍使用的基础技术，各种工业领域例如运输、信息显示和建筑。由于智能玻璃可以通过简单操作而引发即时的状态改变，并且提供各种便利，所以智能玻璃预计将活跃地用于各种领域。
已经利用聚合物分散型液晶(polymer dispersed liquid crystal，PDLC)技术来制造智能玻璃。PDLC具有如下结构：微米尺寸的液晶粒子分散在聚合物基体中，并且光透射率通过由外部电压引起的液晶粒子与聚合物之间的折射率差来调整。如图1a中所示，在不施加电压的断开状态下，液晶粒子91不规则地布置，而由于液晶粒子91与聚合物基体93之间的折射率差导致光发生散射。如图1b中所示，在施加电压的导通状态下，由于液晶粒子91定向排列而与聚合物基体93具有相同的折射率，所以光穿透。
PDLC利用了聚合物基体，因此存在的问题在于，在智能玻璃中可能发生出现混浊色的模糊(haze)现象，而在智能玻璃暴露于紫外光时，由于聚合物的硫化或变化而可能发生黄变现象。
另外，在PDLC中，在断开状态下液晶粒子不规则地布置，并且入射光不规则地散射。因而，由于各种波长范围的光全部混合，所以将难以获得特定的颜色。在添加染料以使PDLC变色时，因为染料由于其本性而吸收光，所以光的透射率降低，这引起PDLC本身的效率降低的问题。
公开于背景技术部分的上述信息仅仅旨在增强对本发明背景技术的理解，因此其可以包含的信息并不构成在本国已为本领域技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明致力于解决与现有技术相关的上述问题，并且本发明的目标是为其实际解决方案提供教益。
本发明的目标不限制于上述目标，并且以上未描述的本发明的其它目标也可以从以下描述中得以理解，并且可以从本发明的示例性实施方案中更为清楚可见。另外，本发明的目标可以通过在权利要求及其组合中呈现的方式来实现。
在一个方面中，本发明根据其实施方案提供了具有特定颜色的智能玻璃，所述智能玻璃包括：一对导电玻璃板；以及光子晶体层，其插置在玻璃板之间，其中，光子晶体层包括第一材料和第二材料，所述第一材料通过引导自组装而规则地布置，所述第二材料与第一材料具有不同的折射率，并且包围第一材料，由此光子晶体层仅反射在特定的波长范围的光。
在一个实施方案中，所述第一材料为玻璃珠或者液晶微滴，所述第二材料为液晶或硅钛醇化物。
在另一个实施方案中，提供了通过调整第一材料之间的距离而具有目标颜色的智能玻璃。
在另一个实施方案中，第一材料之间的距离为200nm至400nm，并且光子晶体层的厚度为第一材料之间距离的3倍至5倍。
在另一个实施方案中，第一材料具有密排六方结构(hcp)或者面心立方结构(fcc)。
在另一个方面中，本发明根据其实施方案提供了一种制备智能玻璃的方法，所述方法包括：(a)通过将第一材料和与第一材料具有不同的折射率的第二材料混合来制备混合液体；(b)通过将混合液体插置在一对导电玻璃板之间来形成光子晶体层，使得通过引导自组装而规则地布置第一材料。
在一个实施方案中，第一材料是玻璃珠，第二材料是液晶，并且b)步骤通过将混合液体施加至导电玻璃板的一个表面上，并且对施加的所述混合液体与一对导电玻璃板中的另一个进行按压，而通过引导自组装来规则地布置第一材料。
在另一个实施方案中，第一材料是液晶微滴，第二材料是硅钛醇化物，并且b)步骤通过将混合液体施加在导电玻璃板的一个表面上并且将所得物干燥，而在混合液体中的液晶进行相分离时，形成并规则地布置液晶微滴。
在另一个实施方案中，液晶和硅钛醇化物以1:2至2:1的体积比进行混合。
在另一个实施方案中，混合液体进一步地包括1vol％至5vol％的表面活性剂，并且表面活性剂包括具有金属原子的官能团和亲溶剂官能团。
下面讨论本发明的其它方面和实施方案。
附图说明
将参照由附图显示的本发明的某些示例性实施方案来详细地描述本发明的以上及其它特征，这些示例性实施方案在下文中仅以说明的方式给出，因而对本发明是非限定性的，在这些附图中：
图1为示出了现有的PDLC结构的图；
图2为示出了根据本发明的实施方案利用引导自组装光子晶体的智能玻璃的图；
图3为与等式1相关的参考图；
图4为形成具有恒定距离的液晶微滴的显微照片；
图5为示出了光子晶体的密排六方结构的图。
应当理解的是，附图并非按比例绘制的，而是呈现了对说明本发明的基本原理的各种特征的略微简化的表示。本文所公开的本发明的具体设计特征(包括例如，具体尺寸、方向、位置和外形)将部分地由具体所要应用和使用的环境来确定。
在这些图形中，贯穿附图的多幅图形，附图标记指示本发明的相同或等同的部分。
具体实施方式
下面将详细参考本发明的各种实施方案，这些实施方案的示例示于附图中并且描述如下。尽管将结合示例性实施方案来描述本发明，但是将理解的是，本说明书并非旨在将本发明限制于那些示例性实施方案。相反，本发明旨在不但覆盖这些示例性实施方案，而且覆盖可以包括在由所附权利要求所限定的本发明的精神和范围之内的各种替选方式、修改方式、等同方式以及其它的实施方案。
在参照图2时，根据本发明的实施方案的利用引导自组装光子晶体的智能玻璃包括规则地布置在一对导电玻璃板11之间的光子晶体层13。
导电玻璃板11是通过将例如ITO和FTO的导电透明电极涂覆在玻璃板上或者聚对苯二甲酸乙二醇酯PET薄膜上而获得的，并且具有如下的结构：通过从智能玻璃外部供应电力而在导通状态下在一对导电玻璃板11之间的空间中产生电场。
光子晶体层13包括第一材料13a和第二材料13b，第一材料13a插置在导电玻璃板11之间，并且规则地分布为具有恒定的距离；而第二材料13b包围第一材料13a，并且与第一材料13a具有不同的折射率。第一材料13a可以为玻璃珠或者液晶微滴。
在根据本发明的一个实施方案的智能玻璃中，在光子晶体层13形成为将玻璃珠作为第一材料13a的情况下，可以将液晶用作第二材料13b。在本文中，为第二材料13b的液晶位于为第一材料13a的玻璃珠的周围。在导电玻璃板不产生电场的关断状态下，玻璃珠和液晶具有不同的折射率，并且因此，光在两个组分的界面处散射。
在根据本发明的另一个示例性实施方案的智能玻璃中，光子晶体层13可以形成为将液晶微滴作为第一材料13a。液晶微滴为填充有液晶的微滴，而硅钛醇化物可以用作第二材料13b。因此，硅钛醇化物位于液晶微滴的周围。在导电玻璃板未产生电场的关断状态下，液晶微滴和硅钛醇化物具有不同的折射率，并且因此，光在两个组分的界面处散射。
第一材料13a分布在具有规则距离的光子晶体层中，散射的光彼此产生干涉，并且可能满足布拉格反射定律(Bragg’s reflection law)。
更具体地，参见图3，在穿过第一材料13a的光之中，满足由等式1表示的布拉格反射定律的波长范围内的光被反射，并且由于第一材料13a以相同的周期连续地重复，所以在以上波长范围的光全部被反射而产生带隙。换言之，第一材料13a规则地布置成具有恒定的距离d；因此，满足等式1的波长中的光由于相长干涉而受到很强地反射，而其余的光以随机的角度散射并且消散。因此，智能玻璃显示出反射光的颜色。
[等式1]
2dsinθ＝nλ
其中，
*d:介电物质(第一材料)之间的距离
*θ:光的入射角
*n:整数
*λ:光的波长
在调整第一材料13a之间的距离d的情况下，可以获得具有目标颜色的智能玻璃。例如，为了获得相对于垂直入射的光(sin90°＝1)具有蓝色(λ＝470nm)的智能玻璃，将光子晶体之间的距离调整为235nm。
在导电玻璃板产生电场的导通状态下，i)在一个示例性实施方案中，为第二材料13b的液晶布置为与电场平行，并由此与为第一材料13a的玻璃珠具有相同的折射率，且透过入射光；以及ii)在另一个实施方案中，为第一材料13a的液晶微滴中的液晶布置为与电场平行，并由此与为第二材料13b的硅钛醇化物具有相同的折射率，且透过入射光。结果，获得了透明的智能玻璃。
通过引导自组装，第一材料得以布置，同时在光子晶体层中自发地保持恒定的距离。
自组装是纳米加工技术中自下而上的技术的代表性示例，其通过操控原子和分子来形成目标结构，并且由此自发地形成规则的图案。然而，这种规律在大范围上易于破坏，而混合人为强制条件的自组装的形式(例如，为了解决上述现象而人为地分离重复图案的区域)被称作为引导自组装。
根据本发明的实施方案，通过调整光子晶体层所形成的层的厚度，而使第一材料自发地形成规则的距离。
根据本发明的一个示例性实施方案，将玻璃珠用作第一材料，并且玻璃珠可以通过包括下述方法来自发地形成规则的距离：a)通过将具有200至300nm直径的玻璃珠与液晶混合来制备混合液体，b)将混合液体涂覆在导电玻璃板的一个表面上，然后c)对混合液体的涂覆侧与另一个导电玻璃板进行按压。
当通过导电玻璃板按压时，液晶(其处于液态)被向外推出，而玻璃珠(其处于固态)变得彼此靠近，从而形成密排六方结构(hcp)。
当导电玻璃板之间的距离调整为600nm至1000nm时，玻璃珠可以以3至6层叠层而构成晶格，因此可以形成规则的距离。
根据本发明的另一个示例性实施方案，液晶微滴用作第一材料，并且在通过下述方法将液晶从硅钛醇化物相分离而形成液晶微滴时，液晶微滴可以自发地形成规则的距离，所述方法包括：a)通过以恒定的比例来混合液晶与硅钛醇化物(Si-Ti醇化物)来制备混合液体；b)将表面活性剂添加至混合液体；c)将混合液体涂覆在导电玻璃板的一个表面上；然后d)对所得的产物进行干燥。
通过下述步骤来制备硅钛醇化物：a)通过将0.55M的四乙氧基硅烷(TEOS)、0.3M的甲基三乙氧基硅烷(Me-TES)、0.4M的异丙醇以及0.343M的硝酸混合来制备A溶液；b)通过将1M的乙酰丙酮和1M的钛乙酰丙酮混合来制备B溶液；然后c)将A溶液与B溶液以1:1至5:1混合。
液晶和硅钛醇化物以1:2至2:1的体积比混合。当比例为1:2或者更小时，存在的问题在于，由于液晶量不充足而需要施加高的驱动电压，而当比例为2:1或更大时，存在的问题在于，存在过多的液晶，并且液晶不会形成为液晶微滴，而是流出。
混合液体可以利用例如旋涂、线棒涂覆，刮刀涂覆等方法而涂覆在导电玻璃板的一个表面上。
添加表面活性剂以加强有机-无机界面的稳定性，并且防止液晶微滴之间的结合，而表面活性剂具有包括包含有金属原子的官能团和亲溶剂官能团二者的结构。可以优选地使用烷基膦氧化物、烷基膦酸、烷基磷、脂肪酸、胺类、或者包括氮的芳烃。
表面活性剂在两端包括对有机材料具有亲和性的官能团、以及对无机材料具有亲和性的官能团，因此，在干燥工艺期间，表面活性剂渗入液晶(其为有机材料)与硅钛醇化物(其为无机材料)之间的界面，并覆盖液晶，使得液晶均匀分散在硅钛醇化物之中。
当在现有的PDLC中对聚合物基体与液晶进行相分离，且液晶形成液晶微滴时，会发生如下现象：一些液晶微滴与其它的液晶微滴合并以形成更大的液晶微滴，或者一些液晶微滴分成两个液晶微滴，这阻止了规则的距离的形成。然而，参见图4，根据本发明的实施方案，通过添加表面活性剂，液晶微滴能够保持恒定的形状和距离，并且由此阻止了液晶微滴与另外的相邻液晶微滴合并。
表面活性剂可以采用1vol％至5vol％的容量添加；小于1vol％的容量不足以分散至所有的界面，而大于5vol％的容量具有的问题在于，表面活性剂可能会在液晶与硅钛醇化物溶液的化学反应中充当杂质。
根据本发明的实施方案，第一材料形成为具有200nm至400nm的距离d，并且根据等式1，从蓝色至红色波长范围的光会受到反射。结果，可以获得具有目标颜色的智能玻璃。
然而，为了在光子晶体层13中形成带隙，需要获得第一材料13a叠层为多层的结构。当第一材料13a层的数量增加时，自组装规律弱化，且因此光子晶体层13的厚度t调整为第一材料之间的距离d的3倍至5倍，如图2中所示。
为了调整第一材料13a之间的距离，基于光子晶体具有密排六方结构(hcp,a)或者面心立方结构(fcc,b)的晶格结构的构思来实施本发明的实施方案，如图5中所示。换言之，由于在第一材料13a之间存在排斥力的同时施加了使第一材料13a以具有恒定距离的按压力，所以第一材料13a趋向于保持高密度状态。因此，第一材料自发地形成密排六方结构(hcp)或者面心立方结构(fcc)(其是最密集的结构)的晶格结构。
在此，密排六方结构具有74的填充因子。因此，i)玻璃珠和液晶的混合比或者ii)液晶和硅钛醇化物的混合比最大为74:26。因此，第一材料之间的距离d可以随着以更小的比例混合光子晶体而减小。
根据本发明的实施方案的利用引导自组装光子晶体的智能玻璃将第一材料形成为自发地具有规则的距离，且因此智能玻璃可以无需添加染料而具有颜色。
另外，可以通过调整第一材料之间的距离，由此使得光子晶体层仅反射在特定波长范围内的光，从而获得具有目标颜色的智能玻璃。
由于第一材料形成为规则图案，所以本发明在提供能够不包括染料而具有目标颜色的智能玻璃方面是有效的。
另外，由于不包括染料，所以本发明提供在透明状态下具有高透射率的智能玻璃方面是有效的。
此外，本发明在提供这样的智能玻璃方面是有效的，所述智能玻璃能够通过调整第一材料之间的距离，由此使得光子晶体层仅反射在特定波长范围内的光，从而具有目标颜色。
另外，由于不利用聚合物基体，所以本发明在提供没有模糊现象的清楚和高质量的智能玻璃方面是有效的。
已经参照本发明的示例性实施方案详细地描述了本发明，但是本发明的范围不限制于以上所述的示例性实施方案，并且本领域技术人员利用所附权利要求及其等价形式所限定的本发明的基本构思所进行的各种修改和改进也包括在本发明的范围中。

Claims (10)

1.一种具有特定颜色的智能玻璃，包括：
一对导电玻璃板；
光子晶体层，其插置在玻璃板之间，
其中，光子晶体层包括第一材料和第二材料，所述第一材料通过引导自组装而规则地布置成具有恒定的距离，所述第二材料与第一材料具有不同的折射率，并且包围第一材料，由此所述光子晶体层仅反射在特定的波长范围内的光；
所述第一材料为液晶微滴，所述第二材料为硅钛醇化物。
2.根据权利要求1所述的具有特定颜色的智能玻璃，通过调整第一材料之间的距离来获得目标颜色。
3.根据权利要求1所述的具有特定颜色的智能玻璃，其中，第一材料之间的距离为200nm至400nm。
4.根据权利要求1所述的具有特定颜色的智能玻璃，其中，第一材料具有密排六方结构或者面心立方结构。
5.根据权利要求1所述的具有特定颜色的智能玻璃，其中，光子晶体层的厚度为第一材料之间距离的3倍至5倍。
6.一种制备智能玻璃的方法，包括：
a)通过将第一材料和与第一材料具有不同的折射率的第二材料混合来制备混合液体；
b)通过将混合液体插置在一对导电玻璃板之间来形成光子晶体层，使得第一材料通过引导自组装而规则地布置成具有恒定的距离；
其中，所述第一材料为液晶微滴，所述第二材料为硅钛醇化物。
7.根据权利要求6所述的制备智能玻璃的方法，其中，第一材料是液晶微滴，而第二材料是硅钛醇化物，并且b)步骤通过将混合液体施加在导电玻璃板的一个表面上并且将所得物干燥，而在混合液体中的液晶相分离时，形成并规则地布置液晶微滴。
8.根据权利要求7所述的制备智能玻璃的方法，其中，液晶和硅钛醇化物以1:2至2:1的体积比进行混合。
9.根据权利要求7所述的制备智能玻璃的方法，其中，混合液体进一步地包括1vol％至5vol％的表面活性剂。
10.根据权利要求9所述的制备智能玻璃的方法，其中，所述表面活性剂包括具有金属原子的官能团和亲溶剂官能团。
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