CN109116650A - 一种电响应调光器件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阈值电压较低的电响应调光器件及其制备方法。一种电响应调光器件，包括相对设置的两块透光导电基板，透光导电基板之间封装形成调节区，调节区内填充有液晶混合物，液晶混合物包括负性液晶、液晶单体和光引发剂，液晶单体包括双酯类液晶单体和单酯类液晶单体。本发明在液晶混合物中添加单酯类液晶单体后，形成的聚合物网络发生软化，聚合物网络中的部分结构也因而无法形成连续的网络，从而降低阈值电压。

Description

一种电响应调光器件及其制备方法

技术领域

本发明涉及建筑家居生活材料领域，尤其是涉及一种电响应调光器件及其制备方法。

背景技术

大部分的调光玻璃都是采用在玻璃表面上镀膜的方法，根据不同的反光和透光的需求，采用不同材质的膜使某种波段的光可以被反射或透射，从而实现透射和反射光照的目的。但多数采用镀膜方式的调光玻璃在结构成型后，其光学性能就无法随着环境变化或个人喜好进行可逆的明暗调节，这样就难以满足民众对于随时改变车内或室内明暗环境的需求。另外，镀膜玻璃采用的反光材料大多是基于金属或金属氧化物掺杂的离子晶体，这类反光材料容易干扰导航和通信系统，这也在一定程度上限制了镀膜玻璃在家居和车辆中的应用。

针对镀膜玻璃上述的种种局限性，目前已经出现了一些新型的调光技术，其中一类是电响应调光玻璃。中国专利CN105158958A公开了一种电响应调光玻璃，它通过通电和断电来控制调节区中液晶的转向，从而改变光线的透射、散射或反射。进一步还有中国专利CN106125358A公开了一种电响应反式调光玻璃，其调节区的液晶混合物中含有可光聚合的液晶单体和负性液晶，液晶单体聚合成聚合物网络，依靠聚合物网络的恢复作用，带动负性液晶转向以提升响应速度。但目前这些技术中，特别是对于具有聚合物网络的调光玻璃而言，其调节区的网络结构使得调光玻璃出现了阈值电压较高的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种阈值电压较低的电响应调光器件及其制备方法。

本发明所采取的技术方案是：

一种电响应调光器件，包括相对设置的两块透光导电基板，透光导电基板之间封装形成调节区，调节区内填充有液晶混合物，液晶混合物包括负性液晶、液晶单体和光引发剂，液晶单体包括双酯类液晶单体和单酯类液晶单体，双酯类液晶单体和所述单酯类液晶单体为不饱和酯。本发明中的双酯类液晶单体为双不饱和酯，表示在该液晶单体结构的主链两端，分别有一个双键，这两个双键可以在光引发剂引发液晶单体形成聚合物网络时打开发生聚合反应，同时发生交联。本发明中的单酯类液晶单体为单不饱和酯，表示该液晶单体结构的主链两端中仅有一端有一个双键，可以发生聚合反应。

优选的，单酯类液晶单体为单丙烯酸酯单体。本发明中的单丙烯酸酯单体表示该液晶单体结构的主链两端中仅有一端为丙烯酸酯基团。

进一步优选的，单丙烯酸酯单体为HCM-021。

优选的，双酯类液晶单体为双丙烯酸酯单体。本发明中的双丙烯酸酯单体表示该液晶单体结构的主链两端均为丙烯酸酯基团。

进一步优选的，双丙烯酸酯单体为HCM-002、HCM-008、HCM-009中的至少一种。

优选的，基于液晶单体的总质量，液晶单体中单酯类液晶单体的含量不超过95wt％。

优选的，基于液晶单体的总质量，液晶单体包括70-90wt％的单酯类液晶单体。

优选的，基于液晶混合物的总质量，液晶混合物包括95-97.8wt％的负性液晶、2-4.9wt％的液晶单体和0.1-0.5wt％的光引发剂。

优选的，两块透光导电基板朝向所述调节区的一侧还设有配向层。

优选的，光引发剂为Irgacure-651、Irgacure-819、Irgacure-2959中的至少一种。

上述电响应调光器件的制备方法，包括以下步骤：

S1：取或制备第一透光导电基板和第二透光导电基板；

S2：将第一透光导电基板和第二透光导电基板制备成液晶盒；

S3：取负性液晶、液晶单体和光引发剂注入液晶盒；

S4：对所述液晶盒进行光照。

本发明的有益效果是：

目前大多数的电响应调光器件的液晶混合物都是主要由负性液晶、双酯类液晶单体和光引发剂构成，发生光照后，光引发剂引发双酯类液晶单体发生聚合，由于双酯类液晶单体在其单体分子结构的两端各有一个双键，容易在紫外光等照射条件下打开，发生交联反应，从而形成聚合物网络，单体“固定”在聚合物网络中，但这样容易造成阈值电压较高的问题。而本发明中添加单酯类液晶单体后，单酯类液晶单体仅发生聚合而无法交联形成连续的网络，进而可以在聚合物网络中摆动，使形成的聚合物网络发生软化，从而降低阈值电压。

附图说明

图1是本发明的一个实施例的电响应调光器件的结构示意图。

图2是本发明的一个实施例的电响应调光器件在未通电状态下的截面图。

图3是本发明的一个实施例的电响应调光器件在通电状态下的截面图。

图4是本发明的一个实施例的电响应调光器件在通电状态下的俯视图。

图5是本发明的另一个实施例的对比实验中调光器件的阈值电压和饱和电压对比图，上方为饱和电压，下方为阈值电压，横轴坐标代表HCM-021在液晶混合物中的含量，即从左到右分别代表方案1-6。

图6是本发明的另一个实施例的对比实验中调光器件的施加电压-透光率图，横坐标代表施加电压，纵坐标代表透光率。

图7是本发明的另一个实施例的对比实验中部分调光器件的响应时间对比图，横坐标代表HCM-021在液晶混合物中的含量，即从左到右分别代表方案1-4。

图8是本发明的再一个实施例的调光器件的阈值电压和饱和电压对比图，上方为饱和电压，下方为阈值电压，横轴坐标代表HCM-020在液晶混合物中的含量。

图9是本发明的再一个实施例的调光器件的透光率对比图，上方曲线为施加电压为0V时的透光率，下方曲线为施加电压为40V时的透光率，横轴坐标代表HCM-020在液晶混合物中的含量。

图10是本发明的再一个实施例中部分调光器件的响应时间对比图，横坐标代表HCM-020在液晶混合物中的含量。

具体实施方式

以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。

以下实施例中液晶单体主要以丙烯酸酯液晶单体为例，实际上，从上述原理中可以推断，其它类型的酯类液晶单体也都可以实现本发明的目的。

实施例1

图1是本发明的一个实施例的电响应调光器件的结构示意图。如图1所示，包括相对设置的第一透光导电基板21、第二透光导电基板22和电源组件1，第一透光导电基板21和第二透光导电基板22分别与电源组件1的两极电性连接。第一透光导电基板21和第二透光导电基板22之间的封装胶框4在两块透光导电基板之间封装形成调节区3，调节区3中填充有液晶混合物。

该电响应调光器件的详细制备步骤如下：

(1)制备两块透光导电基板，两块透光导电基板由玻璃和涂覆在玻璃其中一个表面的ITO电极构成，分别在两块透光导电基板的ITO电极的一侧涂覆垂直配向层；

(2)将两块透光导电基板涂覆有垂直配向层的表面相对设置，制备成液晶盒；

(3)在液晶盒的四边点上UV胶，以便用间隔子控制液晶盒间隙为10μm；

(4)取负性液晶、液晶单体和光引发剂配成的液晶混合物，将其利用毛细管力在60℃热台上注入液晶盒；

(5)将完成注入的液晶盒冷却至室温后，在紫外灯下固化5min；

(6)将两块透光导电基板分别与电源组件的两极电性连接。

在该实施例中，液晶混合物的具体配方和比例为：

96.8wt％负性液晶，选择江苏和成显示科技股份有限公司生产的HNG30400-200；

1wt％单丙烯酸酯液晶单体，选择江苏和成显示科技股份有限公司生产的HCM-021，其结构式具体如下：

2wt％双丙烯酸酯液晶单体，选择选择江苏和成显示科技股份有限公司生产的HCM-009，其结构式具体如下：

0.2wt％光引发剂，选择Irgacure-819(CAS：162881-26-7)，其结构式具体如下：

图2是本发明的一个实施例的电响应调光器件在未通电状态下的截面图。如图2所示，第一透光导电基板21和第二透光导电基板22的内侧分别是透明电极一211和透明电极二221，透明电极一211和透明电极二221朝向调节区的一侧分别涂覆有垂直配向层一51和垂直配向层二52，调节区的液晶混合物中包括负性液晶6、液晶单体及光引发剂，在紫外光和光引发剂作用下，液晶单体聚合生成聚合物网络7。透光导电基板一21和透光导电基板二22之间未施加电压时，负性液晶6在垂直配向层5的作用下，呈垂直于透光导电基板方向的单畴排列，可见光从液晶混合物中透射，调光器件呈透明态。

图3和图4分别是本发明的一个实施例的电响应调光器件在通电状态下的截面图和俯视图。如图3和图4所示，由于负性液晶6的分子长轴方向的介电常数小于短轴方向的介电常数，当透光导电基板一21和透光导电基板二22之间施加电压时，负性液晶6会垂直于电场方向转向。此时，由于聚合物网络7的不规则分布，使得负性液晶6会朝不同方向(如图4)转至呈平行于透光导电基板的多畴排列，使得光散射增强，调光器件从光透射状态转为光散射状态，调光器件呈不透明状态，即雾态(模糊态)。

实施例中加入的单酯类液晶单体HCM-021由于仅有一个可打开的双键，在形成聚合物网络时，无法发生交联，也就无法对聚合物网络结构的连续性产生积极影响，反而会使整个聚合物网络发生软化，从而降低阈值电压，而且响应时间也会大大降低，从而优化调光器件的性能。同时，由于HCM-021在聚合物中不能形成网络，其在网络结构中处于悬浮状态，能够额外增强调光器件本身的散射效果。

实施例2

不同含量单酯类液晶单体对比实验

分别按照以下不同配比的液晶单体制备调光器件，各个方案中的区别仅在于液晶单体内部配比不同，其它组分含量与实施例1一致。具体配方见下表，其中的数值代表各组分占液晶混合物总质量的百分比。制备完成后，对调光器件的阈值电压、饱和电压、透光率、响应时间等参数进行测定。

表1.液晶单体配比表

图5是本发明的另一个实施例的对比实验中调光器件的阈值电压和饱和电压对比图，上方为饱和电压，下方为阈值电压，横轴坐标代表HCM-021占液晶混合物总质量的比例，即从左到右分别代表方案1-6。如图5所示，随着液晶单体的体系中HCM-021含量的增加，阈值电压和饱和电压都随之减小。当HCM-021的含量在2.1-2.7％(即占液晶单体总质量的70-90％)左右时，阈值电压和饱和电压达到最低值，具体表现在方案5的阈值电压和饱和电压在方案1-6中最低；随后当HCM-009的含量越来越低，调节区形成的聚合物网络变得稀疏，阈值电压和饱和电压逐渐上升。其中，调光器件方案5的阈值电压为8V，仅为方案1调光器件的阈值电压(17.5V)的46％，显然，添加HCM-021后，调光器件的阈值电压有了极大的下降。而HCM-009占液晶混合物总质量小于0.15％(即HCM-021占液晶单体总质量大于95％)或超过2.25％(即HCM-021占液晶单体总质量小于25％)时，阈值电压和饱和电压可能与方案1的阈值电压和饱和电压相等或更高。

图6是本发明的另一个实施例的对比实验中调光器件的施加电压-透光率图，横坐标代表施加电压，纵坐标代表透光率。如图6所示，在透光率大于15％时，为了达到相同的透光率，添加有HCM-021的方案只需要施加较低的电压即可达到。因此，可以达到减小能耗的目的。而且，从方案3-5来看，HCM-021的含量越高，需要施加的电压就越低。例如，方案1需要施加电压在26V左右时，才能够使调光器件的透光率下降到20％，而方案4、5仅需要不到20V的电压即可实现，其中，方案5仅需16V的电压就能使透光率下降到20％，施加的电压相比于不添加HCM-021的方案下降了40％。

图7是本发明的另一个实施例的对比实验中部分调光器件的响应时间(响应时间指调光器件从施加电压到变成理想状态的时间)对比图，从左到右分别代表方案1-4。如图7所示，添加HCM-021后调光器件的响应时间大大缩短。方案1的响应时间为12ms，方案4的响应时间已经减小到了2ms，为未添加时的16.7％。

实施例3

一种调光器件，与实施例1的区别在于，液晶混合物的具体配方和比例为：

95.8wt％负性液晶，选择江苏和成显示科技股份有限公司生产的HNG30400-200；

1.9wt％单丙烯酸酯液晶单体，选择江苏和成显示科技股份有限公司生产的HCM-020，其结构式具体如下：

2wt％双丙烯酸酯液晶单体，选择选择江苏和成显示科技股份有限公司生产的HCM-009，其结构式具体如下：

0.3wt％光引发剂，选择Irgacure-651(CAS：24650-42-8)，其结构式具体如下：

本实施例中的HCM-020同样仅有一个可打开的双键，在紫外光照射下与HCM-009之间发生聚合反应但无法交联，也就不能形成连续的网络。无法交联的HCM-020在聚合物网络中使其发生软化，从而降低阈值电压和饱和电压，响应时间也能够获得较大的提升。

实施例4

将实施例2对比实验中的HCM-021换成HCM-020，分别按照HCM-020占液晶混合物的质量百分比为0％、0.6％、1.2％、1.8％、2.1％、2.4％、3.0％进行实验测定阈值电压、饱和电压、透光率、响应时间，部分结果如图8-10所示。

图8是本发明的再一个实施例的调光器件的阈值电压和饱和电压对比图，上方为饱和电压，下方为阈值电压，横轴坐标代表HCM-020在液晶混合物中的含量。如图8所示，HCM-020在液晶混合物中的质量百分比为1.2％、1.8％、2.4％时，阈值电压和饱和电压相比于不添加HCM-020时有了很大的下降。其中，含量在2.4％(即占液晶单体含量的70-90％)时，阈值电压最低。

图9是本发明的再一个实施例的调光器件的透光率对比图，上方曲线为施加电压为0V时的透光率，下方曲线为施加电压为40V时的透光率，横轴坐标代表HCM-020在液晶混合物中的含量。从该图中可以看出，在液晶单体中加入HCM-020后，器件的散射性能有所提升。

图10是本发明的再一个实施例中部分调光器件的响应时间对比图，横坐标代表HCM-020在液晶混合物中的含量。从图中可以看出，HCM-020的添加量在0.6wt％、1.2wt％、2.1wt％时，响应时间相比于未添加时缩短了很多。

实施例5

一种调光器件，与实施例3的区别在于，光引发剂选择Irgacure-2959(CAS：106797-53-9)，其结构式具体如下：

Claims (10)

1.一种电响应调光器件，包括相对设置的两块透光导电基板，所述透光导电基板之间封装形成调节区，所述调节区内填充有液晶混合物，其特征在于，所述液晶混合物包括负性液晶、液晶单体和光引发剂，所述液晶单体包括双酯类液晶单体和单酯类液晶单体，所述双酯类液晶单体为双不饱和酯，所述单酯类液晶单体为单不饱和酯。

2.根据权利要求1所述的电响应调光器件，其特征在于，所述单酯类液晶单体为单丙烯酸酯单体。

3.根据权利要求2所述的电响应调光器件，其特征在于，所述单丙烯酸酯单体为HCM-021。

4.根据权利要求1所述的电响应调光器件，其特征在于，所述双酯类液晶单体为双丙烯酸酯单体。

5.根据权利要求4所述的电响应调光器件，其特征在于，所述双丙烯酸酯单体为HCM-002、HCM-008、HCM-009中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的电响应调光器件，其特征在于，基于所述液晶单体的总质量，所述液晶单体中所述单酯类液晶单体的含量为25-95wt％。

7.根据权利要求6所述的电响应调光器件，其特征在于，基于所述液晶单体的总质量，所述液晶单体包括70-90wt％的所述单酯类液晶单体。

8.根据权利要求1-7任一项所述的电响应调光器件，其特征在于，基于所述液晶混合物的总质量，所述液晶混合物包括95-97.8wt％的所述负性液晶、2-4.9wt％的所述液晶单体和0.1-0.5wt％的所述光引发剂。

9.根据权利要求1-7任一项所述的电响应调光器件，其特征在于，两块所述透光导电基板朝向所述调节区的一侧还设有配向层。

10.权利要求1-9任一项所述的电响应调光器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：取或制备第一透光导电基板和第二透光导电基板；

S2：将所述第一透光导电基板和所述第二透光导电基板制备成液晶盒；

S3：取负性液晶、液晶单体和光引发剂注入液晶盒；

S4：对所述液晶盒进行光照。