CN108663866A - 一种包含宾主液晶组合物的调光装置 - Google Patents

一种包含宾主液晶组合物的调光装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种包含宾主液晶组合物的调光器件，所述调光器件包含：上基板、下基板、上导电层、下导电层、上取向层、下取向层、夹在所述上取向层和下取向层之间的宾主液晶组合物，其中，所述宾主液晶组合物包含二色性染料和母体液晶。其中，采用宾主液晶组合物进行调光，摒弃了偏光片的使用，成本也得到了极大的降低。

Description

一种包含宾主液晶组合物的调光装置
技术领域
本发明涉及调光装置，具体地说，是涉及包含宾主液晶组合物的调光装置。
背景技术
现有技术中，调光装置市场火爆，调光装置的种类越来越多，广泛应用在汽车玻璃、建筑装饰、户外幕墙等领域。
窗户或玻璃幕墙是建筑物部分，在强烈的太阳辐射下大部分能量通过所述建筑物部分输入建筑物内。在冬季，希望最大量的光和因此传输的能量通过玻璃表面进入建筑物。由此可以节省加热成本和照明成本。另一方面，在暖季希望尽可能少的能量通过玻璃表面输入建筑物内。由此可以实现更为舒适的室内气候或者可以节省空调成本。此外在该情况下可能希望降低入射的光强度，例如减少由于直接的太阳辐射造成的炫目。因此需要控制通过窗户或玻璃表面的透光量而控制能量流的装置。特别地，需要可以使通过玻璃表面的能量流匹配各个时间点的主导条件(热、冷、高太阳辐射、低太阳辐射)的装置。
现有技术中己知原则上适合调节通过窗户表面等的进光量的装置。所述装置包含含有一种或多种二色性染料的液晶组合物作为切换层。例如，WO 2009/141295中公开了一种切换装置，所述切换装置以电控制的方式运转，并且包括切换层，所述切换层包含含有一种或多种二色性染料的液晶组合物。切换层为己知用于显示设备的宾主系统((参见B.Bahadur等人的Mol.Cryst.Liq.Cryst，1991，209，39-61)。
例如，现有技术中，调光装置转换层可用传统的向列态(nematic)液晶制作而成，但是，向列态液晶作为转换层需使用偏光片，一般单层偏光片透过率约为50％，实际器件需使用两层偏光片，透过率在30％以下，所以这种调光装置不能实现高透过率的需求。
又例如，目前市场上出现的一种通过液晶聚合物调光技术(PDLC)制作成的电致调光装置，该液晶聚合物调光技术主要是将向列态液晶与分子聚合物混合后，通过控制向列态液晶的排列态，使内部产生不同的折射系数而呈现出透光与散光之间的宏观状态变换。具体来说，这种技术为：选择适量的向列态液晶与一定量的分子单合物进行混合，将混合后的组合物灌制在两层玻璃(玻璃具有一定厚度)的夹缝中，在两层玻璃相对应的表面上镀有透明电极，通过一定波长和强度的紫外光线进行照射处理，使分子单合物发生化学变化，凝聚在一起而变成分子聚合物，这些分子聚合物是透明的。由于向列态液晶分子是与分子聚合物均匀混合在一起的，在这些分子聚合物形成的过程中，向列态液晶分子被均匀地分割成一个个小的泡状空间(即分子聚合物与向列态液晶分子从融合变成分离，分子聚合物好像网状一样承载了无数的小液晶泡，分子聚合物成为了载体)。在无电压施加情况下，由于向列态液晶分子的排列并没有很强的方向性，总体上是一种相对杂乱的状态，所以散射现象非常明显。在一定电场施加的情况下，向列态液晶分子便有了方向性的排列，其与大面积的分子聚合物载体消除了折射率的差异，呈现出透明态。这种应用了液晶聚合物调光技术的电致调光玻璃与应用传统向列态液晶制作的调光玻璃相比，具有更好的透过率，目前多应用于汽车调光天窗等领域。但是，这种液晶聚合物调光装置存在雾度，且驱动电压高(一般在30V以上)，因此，存在能耗大及安全性问题，且透明度差，并且由于PDLC器件的复杂结构导致该调光器件存在制成复杂、量产成本较高的问题。
另外，对于用于调节透光量的装置来说，由于长期在户外露天环境下使用，长期经受的温度的恶劣变化以及高强度的太阳光辐射，因此调光装置的高低温稳定性、抗UV和高温耐候性以及功耗变化也是目前急需解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种调光装置，所述调光装置不需要偏光片，并且具有良好高低温稳定性、良好抗UV耐候性、较低功耗、高的透明度、无雾度、明暗对比度高、制成简单、量产成本较低的优点。
为了完成上述发明目的，本发明提供了一种包含宾主液晶组合物的调光装置，所述调光装置包含：上基板、下基板、上导电层、下导电层、上取向层、下取向层、夹在所述上取向层和下取向层之间的宾主液晶组合物，所述调光装置的特征在于，所述调光装置不包含偏光片；所述宾主液晶组合物包含二色性染料和母体液晶，其中，所述母体液晶包含：
至少一种通式Ⅰ的化合物
以及
至少一种通式Ⅱ的化合物
其中，
所述R1、R2、R3和R4相同或不同，各自独立地表示-H、-F、具有1-12个碳原子的卤代或未被卤代的烷基或烷氧基、具有2-12个碳原子的卤代或未被卤代的链烯基或链烯氧基；
所述Y1和Y2各自独立地表示-H、-F、-Cl或-CN；
所述Z1和Z2各自独立地表示-CO-、-OC-、-OCO-、-COO-、-CF2O-、-OCF2-、-CH2O-、-OCH2-、-CH2CH2-、-CF2CF2-、-CF2CH2-、-CF＝CF-、-CH＝CH-、-C≡C-、-CH(CH3)CH2-、-CH2CH(CH3)-、-(CH2)3O-、-O(CH2)3-、-COS-、-SCO-、-CH＝CF-、-(CH2)4-、-C4F8-、-OCF2CF2O-、-CF2CF2CF2O-、-CH2CH2CF2O-、-CH2CF2OCH2-、-CH＝CHCF2O-、-CF2OCH＝CH-、-CF2OCF＝CH-、-CF2OCH＝CF-、-CF＝CFCF2O-、-CF2OCF＝CF-、-CH＝CHCH2CH2-、-C2H4OCH2-、-CH2CH＝CHCH2-、-OCH2CH2CH2-、-CF＝CF-CF＝CF-、-C≡C-CF＝CF-、-C≡C-CF＝CF-C≡C-、-CF＝CF-C≡C-CF＝CF-、-C≡C-CF2O-或单键；
所述环环环环各自独立地表示其中，中一个或多个-CH2-可以被-O-或-N–取代，中一个或多个-H可以被-F取代；
所述环B各自独立地表示其中，中一个或多个-CH2-可以被-O-或-N–取代，中一个或多个-H可以被-F取代；
所述a、c、d各自独立地表示0或1；所述b表示0、1或2，其中，a+b≥1，当b为0时，环表示其中，中至少两个-H可以被-F或-CN取代。
在本发明的一些实施方式中，所述通式Ⅰ的化合物选自如下化合物中的一种或多种：
以及
其中，
所述R1和R2相同或不同，各自独立地表示-H、具有1-12个碳原子的卤代或未被卤代的烷基或烷氧基、具有2-12个碳原子的卤代或未被卤代的链烯基或链烯氧基；
所述Z1独立地表示-CO-、-COO-、-CF2O-、-CH2O-、-OCH2-、-CH2CH2-、-CF2CF2-、-CF2CH2-、-C≡C-或单键；
所述Y1和Y2各自独立地表示-H、-F、-Cl或-CN。
在本发明的一些实施方式中，所述通式Ⅰ的化合物优选自如下化合物中的一种或多种：
以及
其中，
所述R1和R2相同或不同，各自独立地表示-H、具有1-12个碳原子的卤代或未被卤代的烷基或烷氧基、具有2-12个碳原子的卤代或未被卤代的链烯基或链烯氧基；
所述Z1独立地表示-CO-、-COO-、-CF2O-、-CH2O-、-OCH2-、-CH2CH2-、-CF2CF2-、-CF2CH2-、-C≡C-或单键；
所述Y1和Y2各自独立地表示-H、-F、-Cl或-CN。
在本发明的一些实施方式中，所述R1和R2相同或不同，各自独立地表示-H、具有1-6个碳原子的卤代或未被卤代的烷基或烷氧基、具有2-6个碳原子的卤代或未被卤代的链烯基或链烯氧基。
在本发明的一些实施方式中，所述Z1独立地表示-CO-、-COO-、-CF2O-、-CH2O-、-CH2CH2-、-C≡C-或单键。
在本发明的一些实施方式中，所述Y1和Y2各自独立地表示-H、-F或-Cl，优选为-H或-F，特别优选为-F。
在本发明的一些实施方式中，所述通式Ⅰ-2的化合物优选自如下化合物中的一种或多种：
以及
在本发明的一些实施方式中，所述通式Ⅰ-3的化合物优选自如下化合物中的一种或多种：
以及
在本发明的一些实施方式中，所述通式Ⅰ-4的化合物优选自如下化合物中的一种或多种：
以及
在本发明的一些实施方式中，所述通式Ⅰ-5的化合物优选自如下化合物中的一种或多种：
以及
在本发明的一些实施方式中，所述通式Ⅰ-6的化合物优选自如下化合物中的一种或多种：
以及
在本发明的一些实施方式中，所述通式Ⅰ-7的化合物优选自如下化合物中的一种或多种：
以及
在本发明的一些实施方式中，所述通式Ⅰ-8的化合物优选自如下化合物中的一种或多种：
以及
在本发明的一些实施方式中，所述通式Ⅱ的化合物选自如下化合物中的一种或多种：
以及
其中，
所述R3和R4相同或不同，各自独立地表示-F、具有1-12个碳原子的卤代或未被卤代的烷基或烷氧基、具有2-12个碳原子的卤代或未被卤代的链烯基或链烯氧基。
在本发明的一些实施方式中，所述通式Ⅰ的化合物占母体液晶的总重量不小于65％。
本发明所述通式Ⅰ的化合物应用于所述宾主液晶组合物中时，可以使得包含所述宾主液晶组合物的调光装置具有较高的清亮点、良好的低温稳定性、良好的抗UV耐候性以及较低的功耗。
在本发明的一些实施方式中，所述通式Ⅱ的化合物占母体液晶的总重量不大于35％。
本发明所述通式Ⅱ的化合物应用于所述宾主液晶组合物中时，以使得包含所述宾主液晶组合物的调光装置具有较高的清亮点、良好的低温稳定性。
在本发明的一些实施方式中，所述上基板和下基板之间的距离为3-30um，优选为5-15um。
在本发明的一些实施方式中，所述上取向层和下取向层均为垂直取向。
在本发明的一些实施方式中，所述宾主液晶组合物的清亮点大于90℃，介电各向异性绝对值大于5。
在本发明的一些实施方式中，所述二色性染料的二色比为2-20，优选地，所述染料的二色相比为5-15。
在本发明的一些实施方式中，所述二色性染料占宾主液晶组合物的重量百分数比为0.01％-5％，优选地二色性染料占宾主液晶组合物的重量百分数比为0.1％-3％，进一步优选地二色性染料占宾主液晶组合物的重量百分数比为0.1％-2％。
在本发明的一些实施方式中，所述宾主液晶组合物中还可以含有重量百分数比为0.001％-5％的手性掺杂剂，更优选地，所述手性掺杂剂占所述液晶组合物总重量的0.001％-2％；作为特别优选方案，所述手性掺杂剂占所述液晶组合物总重量的0.001-1％。
在本发明的一些实施方式中，所述上基板、下基板各自独立地为刚性透明基板或者柔性透明基板。
在本发明的一些实施方案中，所述二色性染料分子选自由偶氮类、蒽醌类、酞菁、菁类、靛族、芳甲烷、硝基和亚硝基中的一种或多种组成的组。
在本发明的一些实施方案中，优选所述二色性染料选自偶氮类、蒽醌类及其组合中的一种或多种。
如下提及可以加入到本发明的母体液晶中的稳定剂。
优选地，所述稳定剂选自如下所示的稳定剂。
在本发明的实施方案中，优选所述稳定剂占所述母体液晶总重量的0-5％；更优选地，所述稳定剂占所述液晶组合物总重量的0-2％；作为特别优选方案，所述稳定剂占所述液晶组合物总重量的0.001-1％。
与现有技术相比，包含本发明所述宾主液晶组合物的调光装置具有良好高低温稳定性，良好抗UV耐候性，明暗对比度高，能耗低，同时具有透明度高、无雾度、制成简单、量产成本较低的优点。
附图说明
图1表示本发明的调光装置的结构示意图。
图2表示本发明的调光装置的工作原理示意图。
不加电的情况下，母体液晶与二色性染料与上下基板呈垂直排列，二色性染料分子不吸光；加电后母体液晶与基板呈平行排列，二色性染料分子也倒下，二色性染料吸收光，透过率下降。
具体实施方式
实施例中各测试项目的简写代号分别表示为：
t-40℃ 低温储存时间(h)
Cp 清亮点(℃，向列-各向同性相转变温度)
Δn 光学各向异性(589nm，20℃)
η 体积粘度(mm2/s，在20℃下)
Δε 介电各向异性(1KHz，25℃)
T 透过率(DMS 505，盒厚6μm)
I 初始电流(μA)
Iuv UV光照后电流(μA)
I高温 高温烘烤后电流(μA)
透过率的测试条件：
利用DMS 505测试调光装置在清亮点±10℃下的透过率，所述调光装置盒厚6μm。
初始电流的测试条件：
利用SY-60A测试调光装置在6V、60Hz下的电流，所述调光装置盒厚6μm。
UV光照后电流的测试条件：
利用波长365nm、照度5mw/cm2的UV光照照射调光装置90s后，利用SY-60A测试调光装置在6V、60Hz下的电流，所述调光装置盒厚6μm。
高温烘烤后电流的测试条件：
将所述调光装置150℃、1h高温烘烤后，利用SY-60A测试调光装置在6V、60Hz下的电流，所述调光装置盒厚6μm。
在本发明调光装置中，宾主液晶组合物中的染料可以由单一的染料配制成组合染料(所述染料均可通过外购途径获得)，并与液晶分子形成液晶组合物，所述的染料为偶氮类或蒽醌类或者二者组合，在一些实施方式中，所述染料选自表1中的一种或几种。所述染料均可通过外购途径获得。
表1染料分子结构及最大吸收波长
根据需要选择其中一种或多种单一染料配制成染料组合物，采取加热、超声波、悬浮等方式与液晶分子按比例混合、溶解，得到宾主液晶组合物。
在下面的实施例中，为便于各液晶化合物的表达，液晶化合物的基团结构用表2所列的代码表示：
表2液晶化合物的基团结构代码
以如下结构式的化合物为例：
该结构式如用表2所列代码表示，则可表达为：3CWO2，代码中的3表示左端烷基的C原子数，即表示该烷基为-C3H7；代码中的C代表环己烷基；代码中的W代表苯加二个侧位的F取代结构，代码中的O代表氧原子；代码中的2表示右端烷基的C原子数，即表示该烷基为-C2H5。
在本发明的液晶组合物中，所述的液晶组合物为向列相液晶组合物，所包含的各种液晶组分均为本领域中已知的化合物，本领域的技术人员能够可以通过常规方法合成。
调光装置的制成
本发明的调光装置如图1所示，包括互相贴合的上基板、上导电层及上取向层和下基板、下导电层及下取向层，上下取向层间灌注一层的宾主液晶组合物。上电极层和下电极层的内表面分别涂布垂直取向的取向层，以实现对宾主液晶组合物取向的控制。
实施例1
按表3中所列的各化合物及重量百分数配制成实施例1的母体液晶1，其填充于液晶显示器两基板之间进行性能测试，测试数据如下表所示：
表3母体液晶的组成及配比
向母体液晶1中，加入0.15％染料13+0.05％染料7+0.4％染料25形成染料液晶组合物A，将所述宾主液晶组合物填充于本发明的调光装置中，调光装置呈黑色，其透过率及电流变化如表4所示：
表4
宾主液晶组合物A
透过率变化(明→暗) 85％→50％
I 0.02μA
Iuv 0.06μA
I高温 0.04μA
实施例2
按表5中所列的各化合物及重量百分数配制成实施例2的母体液晶2，其填充于液晶显示器两基板之间进行性能测试，测试数据如下表所示：
表5母体液晶的组成及配比
向母体液晶2中，加入0.30％染料13+0.10％染料7+0.80％染料25形成宾主液晶组合物B，将所述宾主液晶组合物填充于本发明的调光装置中，调光装置呈黑色，其透过率及电流变化如表6所示：
表6
宾主液晶组合物B
透过率变化(明→暗) 70％→38％
I 0.03μA
Iuv 0.08μA
I高温 0.05μA
实施例3
按表7中所列的各化合物及重量百分数配制成实施例3的母体液晶3，其填充于液晶显示器两基板之间进行性能测试，测试数据如下表所示：
表7母体液晶的组成及配比
向母体液晶3中，加入0.60％染料13+0.20％染料7+1.60％染料25形成宾主液晶组合物C，将所述宾主液晶组合物填充于本发明的调光装置中，调光装置呈黑色，其透过率及电流变化如表8所示：
表8
宾主液晶组合物C
透过率变化(明→暗) 57％→18％
I 0.01μA
Iuv 0.03μA
I高温 0.02μA
实施例4
按表9中所列的各化合物及重量百分数配制成实施例9的母体液晶4，其填充于液晶显示器两基板之间进行性能测试，测试数据如下表所示：
表9母体液晶的组成及配比
向母体液晶4中，加入0.2％染料7+0.8％染料25形成宾主液晶组合物D，将所述宾主液晶组合物填充于本发明的调光装置中，调光装置呈蓝色，其透过率及电流变化如表10所示：
表10
宾主液晶组合物D
透过率变化(明→暗) 75％→42％
I 0.02μA
Iuv 0.06μA
I高温 0.04μA
实施例5
按表11中所列的各化合物及重量百分数配制成实施例5的母体液晶5，其填充于液晶显示器两基板之间进行性能测试，测试数据如下表所示：
表11母体液晶的组成及配比
向母体液晶5中，加入0.8％染料13形成宾主液晶组合物D1，将所述宾主液晶组合物填充于本发明的调光装置中，调光装置呈橙色，其透过率及电流变化如表12所示：
表12
通过实施例1、实施例2、实施例3、实施例4和实施例5可以看出：本发明所述的调光装置具有较低的初始电流，UV及高温后电流变化较小，较高的介电各向异性绝对值、功耗低、良好的高低温稳定性、良好的抗UV耐候性、明暗对比度高，并且可实现各种颜色效果。
本发明所使用的材料均为商用材料，均可从市售途径购得。
以上实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明仅用于帮助和理解本发明的方法及其核心思想；同时，本领域的一般技术人员，依据本发明思想，在其具体方式及其应用范围上均会有改变之处，综上所述，说明书的信息不应理解为对本发明的限制。

Claims (12)

1.一种包含宾主液晶组合物的调光装置，所述调光装置包含：上基板、下基板、上导电层、下导电层、上取向层、下取向层、夹在所述上取向层和下取向层之间的宾主液晶组合物，所述调光装置的特征在于，所述调光装置不包含偏光片；所述宾主液晶组合物包含二色性染料和母体液晶，其中，所述母体液晶包含：
至少一种通式Ⅰ的化合物
至少一种通式Ⅱ的化合物
其中，
所述R1、R2、R3和R4相同或不同，各自独立地表示-H、-F、具有1-12个碳原子的卤代或未被卤代的烷基或烷氧基、具有2-12个碳原子的卤代或未被卤代的链烯基或链烯氧基；
所述Y1和Y2各自独立地表示-H、-F、-Cl或-CN；
所述Z1和Z2各自独立地表示-CO-、-OC-、-OCO-、-COO-、-CF2O-、-OCF2-、-CH2O-、-OCH2-、-CH2CH2-、-CF2CF2-、-CF2CH2-、-CF＝CF-、-CH＝CH-、-C≡C-、-CH(CH3)CH2-、-CH2CH(CH3)-、-(CH2)3O-、-O(CH2)3-、-COS-、-SCO-、-CH＝CF-、-(CH2)4-、-C4F8-、-OCF2CF2O-、-CF2CF2CF2O-、-CH2CH2CF2O-、-CH2CF2OCH2-、-CH＝CHCF2O-、-CF2OCH＝CH-、-CF2OCF＝CH-、-CF2OCH＝CF-、-CF＝CFCF2O-、-CF2OCF＝CF-、-CH＝CHCH2CH2-、-C2H4OCH2-、-CH2CH＝CHCH2-、-OCH2CH2CH2-、-CF＝CF-CF＝CF-、-C≡C-CF＝CF-、-C≡C-CF＝CF-C≡C-、-CF＝CF-C≡C-CF＝CF-、-C≡C-CF2O-或单键；
所述环环环环各自独立地表示其中，中一个或多个-CH2-可以被-O-或-N–取代，中一个或多个-H可以被-F取代；
所述环B各自独立地表示其中，中一个或多个-CH2-可以被-O-或-N–取代，中一个或多个-H可以被-F取代；
所述a、c、d各自独立地表示0或1；所述b表示0、1或2，其中，a+b≥1，当b为0时，环表示其中，中至少两个-H可以被-F或-CN取代。
2.根据权利要求1所述包含宾主液晶组合物的调光装置，其特征在于，所述通式Ⅰ的化合物选自如下化合物中的一种或多种：
其中，
所述R1和R2相同或不同，各自独立地表示-H、-F、具有1-12个碳原子的卤代或未被卤代的烷基或烷氧基、具有2-12个碳原子的卤代或未被卤代的链烯基或链烯氧基；
所述Z1独立地表示-CO-、-COO-、-CF2O-、-CH2O-、-OCH2-、-CH2CH2-、-CF2CF2-、-CF2CH2-、-C≡C-或单键。
3.根据权利要求1所述包含宾主液晶组合物的调光装置，其特征在于，所述通式Ⅱ的化合物选自如下化合物中的一种或多种：
其中，
所述R3和R4相同或不同，各自独立地表示-F、具有1-12个碳原子的卤代或未被卤代的烷基或烷氧基、具有2-12个碳原子的卤代或未被卤代的链烯基或链烯氧基。
4.根据权利要求1所述包含宾主液晶组合物的调光装置，其特征在于，所述通式Ⅰ的化合物占母体液晶的总重量不小于65％。
5.根据权利要求1所述包含宾主液晶组合物的调光装置，其特征在于，所述通式Ⅱ的化合物占母体液晶的总重量不大于35％。
6.根据权利要求1-3中任一项所述包含宾主液晶组合物的调光装置，其特征在于，所述上基板和下基板之间的距离为3-30um。
7.根据权利要求1所述包含宾主液晶组合物的调光装置，其特征在于，所述宾主液晶组合物的清亮点大于90℃，介电各向异性绝对值大于5。
8.根据权利要求1所述包含宾主液晶组合物的调光装置，其特征在于，所述二色性染料选自由偶氮类、蒽醌类、酞菁、菁类、靛族、芳甲烷、硝基和亚硝基中一种或多种组成的组。
9.根据权利要求1所述包含宾主液晶组合物的调光装置，其特征在于，所述二色性染料二色比为2-20。
10.根据权利要求1所述包含宾主液晶组合物的调光装置，其特征在于，所述二色性染料占宾主液晶组合物的重量百分数比为0.1％-5％。
11.根据权利要求1所述包含宾主液晶组合物的调光装置，其特征在于，所述宾主液晶组合物中还可以含有重量百分数比为0.001％-5％的手性掺杂剂。
12.根据权利要求1所述包含宾主液晶组合物的调光装置，其特征在于，所述宾主液晶组合物中还可以含有重量百分数比为0.001％-5％的一种或多种稳定剂。
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