CN109387955A - 具有关于可见光的可切换多稳态透射率和/或多稳态散射特性的平面光调制设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种平面光调制设备(1)，包括：第一平面透明基板(2)、第二平面透明或反射式实施的基板(3)以及透明导电涂层(4，5)。光调制元件(9)被安排在导电涂层(4，5)之间的空间中，包括：第一介电材料(10)与分散在其中可预定义浓度的颗粒(11)，使得光调制元件(9)不透射，第一介电材料(10)在大气压下在最高达25℃或更高的第一温度(T1)下是固体或者其粘度大小使得颗粒(11)不能改变它们的当前定向。光调制设备(1)还包括加热装置(12)，将第一介电材料(10)加热到高于第一温度(T1)的第二温度(T2)，第一介电材料(10)在第二温度下具有更低的粘度，颗粒(11)能够改变它们的定向。

Description

具有关于可见光的可切换多稳态透射率和/或多稳态散射特 性的平面光调制设备
技术领域
本发明涉及一种具有关于可见光的可切换多稳态透射率和/或多稳态散射特性的平面光调制设备。此外，本发明涉及一种包括此类平面光调制设备的交通工具。
背景技术
现有技术披露了用于实现所谓的可切换窗(例如可切换玻璃窗、可切换镜子、“智能玻璃”)的各种技术，其中可以通过施加电压来改变窗的关于人类可见光的光透射程度(即，可以穿过窗的光的比例)或光散射程度(即不透明度)。
这些技术的已知代表例如是电致变色窗、“悬浮颗粒装置”(SPD)以及“聚合物分散液晶装置”(PDLC)。
电致变色窗采用所谓的电致变色材料，所述电致变色材料在它们相应地还原和氧化时可逆地改变它们的光学特性(特别是透射特性、色彩)，其中相应的还原和氧化是由所施加的电压和流动的电流引起的。
电致变色窗通常由第一透明平面基板和第二透明或反射式实施的平面基板构成，第二平面基板被安排成基本上平行于第一基板并且与第一基板隔开预定距离，以便在它们之间形成空间。所述两个基板的相互面对侧各自提供有透明导电涂层(例如氧化铟锡或氟掺杂氧化锡)，这些透明导电涂层经由电触点连接到电压源。所述两个导电涂层中的一个导电涂层涂覆有第一电致变色材料，并且所述两个导电涂层中的另一个导电涂层涂覆有所谓的离子储存层或不同于第一电致变色材料的第二电致变色材料。最后提到的这两个涂层通过离子传导电解质相互连接。
通过对透明导电涂层施加电压(例如在3V至5V的范围内)，可以以连续可变的方式改变可见光和近红外范围内的透射，保持透明视野。即使没有施加电压，也可以永久地或在相对较长的时间段内保持相应给定或实现的光透射程度。电致变色窗完全着色或脱色的切换时间通常在2分钟至10分钟的范围内。
关于基板和透明导电涂层，SPD具有与电致变色窗类似的结构，但是由在大气压下在预定温度范围内为液体的介质和分散在所述液体介质中的可预定义浓度的不溶性颗粒构成的悬浮液被安排在所述两个透明导电涂层之间的间隙中。可以提供的是，悬浮液以小液滴的形式嵌入固体的、通常为聚合物的基质中。
在没有施加到导电涂层的AC电压的情况下，悬浮液中的通常为黑色的颗粒在液体介质中具有随机空间取向，其结果是处于此状态的SPD对可见光基本上是不透射的。相比之下，如果将具有合适大小的AC电压施加到导电涂层，则颗粒变得沿着电场线定向，并且SPD变得(更加)透光。在AC电压降低或切断时，SPD再次呈现相应较低的光透射率。因此SPD可以用作“光阀”。SPD的切换时间仅为几秒钟。
在PDLC的情况下，安排在固体的、通常为聚合物基质中的小液晶液滴被安排在两个基板的导电涂层之间的空间中。在没有施加到PDLC的透明导电层的交变电场的情况下，每个液滴中的液晶具有特定的优选方向，这导致照射在液滴上的可见光的相应衍射。然而，由于在对多个液滴观察时液晶的优选方向是随机(混乱)分布的，因此在没有电压的状态下，PDLC导致光散射，即PDLC是不透明的并且因此看起来像“乳白玻璃”。
如果将具有合适大小的AC电压施加到PDLC的导电涂层上，则液滴中的液晶变得沿着电场线定向，并且可见光可以穿过PDLC；因此PDLC变得透明。在AC电压降低或切断时，PDLC的透明度相应地降低，即，当AC电压切断时，PDLC再次呈现其不透明状态。在散射、即不透明状态下，大部分入射光分散地透射，并且只有非常小部分的入射光从液晶液滴反射或漫射回来。PDLC的切换时间通常仅为几毫秒。
目前，基于SPD或PDLC的常规可切换玻璃窗因此仅在“接通状态”下具有高透射率或高透明度并且在“切断状态”下具有低透射率或不透明外观。
常规SPD和PDLC的这些特性是不利的，因为一方面，对于维持透明、即透视状态永久地需要电力，并且另一方面，由于此类装置在所施加的电场失效后在短时间内(即在几秒内)独立地变暗或变得不透明，这导致较低的操作可靠性。
然而，在没有外部施加的电压的情况下允许当前程度的透明度保持在当前状态(以双稳态或多稳态方式)的操作行为对于许多应用将是有利的。尽管表现出这种行为的电致变色窗是已知的，但是电致变色窗需要在几分钟的范围内的切换时间，这对于许多应用、例如对于机动交通工具领域中的应用来说通常太长。
发明内容
在此背景下，本发明的一个目的是提供一种包括光学有源的可切换元件的改进型光调制设备，所述光调制设备的与众不同之处不仅在于较短的切换时间，而且还可以用于实现关于可见光的多稳态透射率和/或多稳态散射特性。本发明的另一个目的是提供一种包括这种光调制设备的交通工具，特别是机动交通工具。
这些目的通过如权利要求1所述的平面光调制设备和如权利要求14所述的交通工具来实现。从属权利要求涉及本发明的有利改进。
根据本发明，指明了一种平面光调制设备，其包括：第一平面基板，所述第一平面基板对于波长在380nm至780nm范围内的光是透明的；第二平面基板，所述第二平面基板是以反射形式实施的或对于波长在380nm至780nm范围内的光是透明的，并且所述第二平面基板被安排成基本上平行(即完全平行或最高成约1°的角度)于所述第一基板并且与所述第一基板隔开预定距离(例如，约5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μm、15μm、20μm、25μm、30μm、60μm、90μm、120μm、140μm)；以及位于所述两个基板的相互面对的侧的相应的透明导电涂层，其中所述透明导电涂层相应地通过至少一个电触点可连接到电压源。
光调制元件(具有例如约5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μm、15μm、20μm、25μm、30μm、60μm、90μm、120μm、140μm的厚度)被安排在所述导电涂层之间的空间中，所述光调制元件包括：第一介电材料，可预定义浓度的颗粒分散在所述第一介电材料中，倘若所述颗粒被随机地安排在所述第一介电材料中，则所述颗粒使得所述光调制元件对于照射在其上的、波长在380nm至780nm的范围内的可预定义比例的光是不透射的(例如，不允许波长在380nm至780nm范围内的80％至100％范围内的比例(即100％、99％、98％、97％、96％、95％、94％、93％、92％、91％、90％、89％、88％、87％、86％、85％、84％、83％，82％、81％或80％)的照射光穿过光调制元件)、或者致使所述光调制元件看起来不透明，其中所述第一介电材料在大气压下在最高达25℃或更高的第一温度下是固体或者其粘度大小使得所述颗粒不能在布朗运动的基础上改变它们在所述第一介电材料中的当前定向。
所述光调制设备另外包括加热装置，通过所述加热装置可以将所述第一介电材料加热到第二温度，所述第二温度高于所述第一温度，并且相比于在所述第一温度下，所述第一介电材料在所述第二温度下具有更低的粘度，其结果是所述颗粒能够在布朗运动的基础上改变它们在所述第一介电材料中的定向。
本发明在此基于以下深入了解：通过使用围绕移动颗粒的第一介电材料，所述第一介电材料在(如果适当限定的话)正常操作的温度下(例如，在机动交通工具的情况下为-20℃至+85℃)是固体或者具有高粘度，在正常操作期间分散在介电材料中的颗粒相对于基板保持给定的定向，并且对应于此状态的光的透射程度或不透明度可以独立于所施加电压以稳定的方式保持更长的时间。如果在正常操作期间存在例如高透射率或低不透明度，则在根据本发明的光调制设备的情况下，与常规PDLC和SPD相比，在正常操作中对应于此状态的光的透射程度或不透明度在任何情况下独立于所施加电压地保持明显更长时间(例如在几分钟到几小时到几天的范围内)。
然而，如果第一介电材料被供暖或加热超过临界温度(即第一温度)(即至少到达第二温度)，在所述临界温度下第一介电材料的粘度降低到使得颗粒在第一介电材料中的定向可以通过施加到光调制设备的电场来控制或在没有所施加电场的情况下颗粒变得在它们的布朗运动的基础上在介质材料中变得混乱地(随机地)安排的程度，则可以改变透射程度或不透明度。
举例来说，如果从第一介电材料中的颗粒的随机安排开始，第一介电材料的温度至少升高到第二温度，并且在此状态下，将足够强度和持续时间的交变电场施加到介电材料上，颗粒变得在电场线的方向上定向，并且光调制设备对于波长在380nm至780nm范围内的光变得(更加)透明或(更加)透视或其不透明度降低。
通过对交变电场的强度和/或持续时间的相应控制，结合相应的温度大小的控制(特别是如果第一介电材料的粘度可以受温度大小的影响)(如果有的话)，关于光调制设备的光透射度或不透明度方面，还可以实现中间阶段。因此，根据本发明的优选改进可提供的控制装置还可以被配置成控制交变电场的强度，和/或同样根据本发明的优选改进可提供的AC电压源能够产生不同强度的交变电场。
如果在达到光调制设备的期望光透射度或不透明度之后，光调制元件的温度降低到低于第一温度，并且如果电路仅在之后断开，则颗粒保持在定向状态，并且所实现的光透射度或不透明度得以保持(稳定状态)。
如果在此状态下，第一介电材料的温度再次升高到第二温度或高于第二温度而电路没有再次闭合，则第一介电材料中的颗粒将变得再次混乱(随机)定向，并且光调制设备将再次呈现其“变暗”或不透明状态。
因此，与已知的SPD和PDLC相比，通过根据本发明的光调制设备，可以用实现关于可见光的稳态(双稳态或多稳态)透射率和/或多稳态散射特性，而保持“亮”的透明状态不必将电压施加到光调制设备和/或为此目的消耗电流。
与已知的SPD和PDLC相比，这还导致操作可靠性提高，因为在电压源失效或与电压源的连接中断时，除了将第一介电材料加热到第二温度或更高温度的时间段(其通常只是短暂的)以外，根据本发明的光调制设备不可能发生突然变暗或不透明度(透射度)增大。
提供的另一个优点是，与已知的SPD和PDLC相比，即使在低环境温度下仍可以快速改变透射度或不透明度。在低温下，常规SPD和PDLC仅非常缓慢地反应或根本不反应，这是由于在低温下颗粒周围介质的粘度增大引起的。
相比之下，根据本发明提供的加热装置使得能够与环境温度无关地将第一介电材料快速加热到第二温度或更高温度，在所述温度下第一介电材料具有快速切换过程所需的低粘度。根据本发明，“快速切换过程”应理解为是指以下切换过程，即：在至少获得第一介电材料的第二温度之后，在技术上可能的范围内，从完全“着色”或完全不透明状态开始光调制元件的完全“脱色”或完全消除不透明状态的过程在最多30秒内、优选在20秒内、特别优选在10秒内实现。通过根据本发明的平面光调制设备可以实现这种类型的快速切换过程。
可以提供的是，相反的过程需要更长的持续时间，例如约40秒、50秒、60秒、2分钟、3分钟、4分钟、5分钟、6分钟、7分钟、8分钟、9分钟、或10分钟。
根据所述光调制设备的一种有利改进，被安排在所述导电涂层之间的空间中的光调制元件包括第二介电材料，所述可预定义浓度的颗粒分散在其中的所述第一介电材料以多种内含物的形式分散的方式存在于所述第二介电材料中，其中所述第二介电材料在大气压下在最高达高于所述第二温度的第三温度下是固体或者具有如此高的粘度，使得所述第一介电材料内含物不能改变它们在所述第二介电材料内的位置。
在第一介电材料的粘度(可以延伸到从固体到液体或从液体到固体的相变)改变时，通常可以在第一介电材料上观察到质量密度、电气特性等的改变。
为了使这个(这些)变化的影响最小化，根据所述光调制设备的第一有利改进方案，提供的是，颗粒分散在其中的第一介电材料被包含在由第二介电材料包围的多个小球体中。在这种情况下，第二介电材料在一直到第二温度并超过第二温度下具有几乎不可变的特性；特别地，一直到所述第二温度并且超过所述第二温度，所述第二介电材料保持固态或者具有如此高的粘度，使得第一介电材料的内含物不能改变它们在第二介电材料内的位置。
在原理上，在SPD和PDLC中已知的是提供分散在固体基质中较小的液体填充的内含物或球体。在此背景下，关于内含物或球体的尺寸(例如在0.25μm至2μm的范围内)、尺寸分布、浓度(质量浓度)等，可以求助于从现有技术中已知的技术教导。此外，从现有技术中已知并且本发明应考虑到的是，基质材料(在此为第二介电材料)的折射率应尽可能地对应于内含物或球体的折射率(在此内含物或球体包括第一介电材料和分散在其中的颗粒)。
根据依据本发明的光调制设备的另一有利改进，所述光调制设备还包括AC电压源，所述AC电压源通过所述电触点连接到所述两个透明导电涂层，其中在所述电触点之一与所述AC电压源之间提供切换装置，通过所述切换装置能够闭合和断开电路。此外，所述光调制设备包括控制装置，所述控制装置连接到所述切换装置和所述加热装置，其中所述控制装置被至少配置成：
--能够接通所述加热装置以将所述第一介电材料加热到所述第二温度或更高温度并且在可预定义时间段内将所述第一介电材料保持在所述第二温度或更高温度；或者
--能够接通所述加热装置以将所述第一介电材料加热到所述第二温度或更高温度并且在可预定义时间段内将所述第一介电材料保持在所述第二温度或更高温度，并且至少在所述可预定义时间段内通过所述切换装置使所述两个透明导电涂层与所述AC电压源之间的电路闭合。
控制装置可以是电气或电子控制装置。此外，控制装置可以以数字计算装置的形式实现，或者以在数字计算装置上可执行的程序代码的形式实现。控制装置可以是分立装置，或者后者可以是还执行另外任务的装置的一部分。
可以提供的是，控制装置进行的控制能够手动、半自动或自动地开始和停止，例如基于提供有光调制设备的交通工具的乘客的愿望而手动或半自动(例如通过开关、旋转式或滑动式控制器、操纵杆，通过语音控制等)，取决于交通工具内部的(可选地可预定义的)亮度值而半自动或自动地进行，取决于交通工具的驻停状态(例如在从外部锁定交通工具的门时和/或在未运行的交通工具内部达到或超过可选的可预定义温度时交通工具的一个或多个光调制设备自动变暗)而半自动或自动地进行，和/或当交通工具启动时(例如，当交通工具启动时设置可能的最高透射度或可能的最低不透明度)而手动、半自动或自动地进行。不言而喻，这些示例不应被理解为穷举。
所述切换装置是其中切换过程可以通过相应的驱动(例如借助于电气、电子、光学、电磁信号等)来执行的切换装置。控制装置被配置成能够将相应的信号传输到切换装置。如果适当的话，切换装置可以生成反馈信号(确认、故障消息、状态消息等)并且将它们发送到控制装置，其中在这种情况下，控制装置被配置成接收并且如果有的话处理这些反馈信号。
根据所述光调制设备的又一有利改进，所述第一温度是在50℃至120℃范围内的某一温度，特别是50℃、55℃、60℃、65℃、70℃、75℃、80℃、85℃、90℃、95℃、100℃、105℃、110℃、115℃或120℃。
此外有利的是，在所述光调制设备的情况下，所述第二温度是在比所述第一温度高1℃至50℃的范围内的某一温度，其中所述第二预定温度优选是比所述第一预定温度高1℃、2℃、5℃、10℃、15℃、20℃、25℃、30℃、35℃、40℃、45℃或50℃。
取决于第一介电材料的类型，所述第一温度与第二温度之间的间隔可以在较大或较小的范围内变化。举例来说，如果第一介电材料例如从固态直接转变为熔体，也就是说具有限定的熔点，则T1与T2之间的差值可以仅为一摄氏度。在这种情况下，第一介电材料的粘度可以在仅一摄氏度内(或仅在几摄氏度内，例如2℃、3℃或4℃)内显著变化。然而，如果第一介电材料具有在其中材料的软化逐渐发生的较宽温度范围，则为了快速切换时间的目的，适宜的是将第一介电材料加热到显著高于针对第一介电材料给定的玻璃化转变温度的温度的某一温度，以便实现第一介电材料的适当低粘度，也就是说在此选择第一温度与第二温度之间的更大间隔。
如果所述光调制设备包括第二介电材料，则有利地，第三温度是在比所述第二温度高5℃至50℃的范围内的某一温度，特别是比所述第二预定温度高5℃、10℃、15℃、20℃、25℃、30℃、35℃、40℃、45℃或50℃的温度。第二温度与第三温度之间的间隔越大，就可以越简单地防止光调制元件被无意地加热到第三温度，这可能导致光调制设备破坏或损坏。
所需的第一温度、第二温度以及第三温度(如果有的话)可以取决于光调制设备的预期用途，即取决于在正常操作期间相应给出的温度状况。通过适当选择第一介电材料和第二介电材料(如果有的话)，可以考虑相应给出的温度要求或预先限定合适的第一温度、第二温度以及第三温度(如果有的话)。
所述光调制设备的加热装置的优选地
-以平面电阻加热系统的形式进行配置，其方式为使得表面电流能够传导穿过所述透明导电涂层中的一个或两个；或者
-以平面电阻加热系统的形式进行配置，其方式为使得体积电流能够通过所述两个透明导电涂层传导穿过所述光调制元件；或者
-被配置成施加与所述第一介电材料协调的AC电压，其中所述AC电压的频率对应于所述第一介电材料的取向极化的共振频率或与所述共振频率仅偏离较小的可预定义值(例如，+/-1％、+/-2％、+/-3％、+/-4％、+/-5％)；或者
-被配置成通过微波辐射、红外辐射或γ辐射来至少加热所述光调制元件，其中相应的辐射从所述光调制元件设备的外部或通过被安排在所述第一基板与所述第二基板之间的至少一个波导而辐射到所述光调制元件上。
在根据本发明的光调制设备的情况下，所述第一介电材料可以例如是：至少一种热塑性塑料，特别是丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚酰胺(PA)、聚乳酸(PLA)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、乙二醇改性聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、聚醚醚酮(PEEK)、聚氯乙烯(PVC)、赛璐珞、丙烯酸树脂、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氨酯、聚己内酯、聚丙交酯、聚偏二氟乙烯、特别是聚乙烯醇缩甲醛或聚乙烯醇缩丁醛的聚乙烯醇缩醛、聚乙烯醇、聚乙二醇，特别是摩尔质量范围为1000至35000的聚乙二醇；聚合全氟乙醚；有机硅；硅氧烷；石蜡；硬脂精；或其中两个或更多个的混合物。
在第一介电材料的情况下，应注意确保在达到相应应用目的所期望或要求或指定的第一温度(对于正常操作)时，所述第一介电材料具有足够的强度或如此高的粘度，使得分散在其中的颗粒不能在布朗运动的基础上改变它们在第一介电材料中的当前定向。通过一些实验，可以针对第一介电材料的每个候选项发现这些要求是否满足的事实。以对应的方式，还可以通过一些实验来确定第二温度。
第二介电材料可以有利地是至少一种热塑性、弹性体或热固性聚合物。取决于所选择的用于光调制设备的生产方法，第二介电材料可能必须与第一介电材料不混溶，如果适当的话也与分散在第一介电材料中的颗粒不混溶。还可以通过一些实验来确定第二介电材料的第三温度。
在所述光调制设备的情况下，分散在第一介电材料中的颗粒可以有利地选自于由以下项组成的组：特别是由多卤化合物构成的有机或无机颗粒，有机或无机颜料，金属颗粒，晶体，微晶和液晶，以及这种类型的至少两种不同颗粒的混合物。
关于分散在第一介电材料中的颗粒的类型，还可以求助于相对于常规SPD和PDLC已知的相应现有技术。
从常规SPD领域已知的是，优选使用最大尺寸为最大1微米的颗粒，优选是最大尺寸为最大0.2微米的颗粒(即最大尺寸对应于蓝光波长的一半)，以避免波长在380nm至780nm范围内的光的过度散射。此外，从PDLC领域已知的是，μm级的颗粒、即最大尺寸大于1微米的颗粒对于充分的光散射是适宜的。在本发明中也可以考虑现有技术中已知的这种技术教导。
所述光调制设备还可以有利地改进为
-所述光调制设备包括用于测量所述光调制元件或所述光调制设备的温度的至少一个温度测量装置，其中所述温度测量装置连接到所述控制装置；并且所述控制装置被配置成监测所述光调制元件或光调制设备的温度、并且只要所述光调制元件或所述光调制设备的温度大于所述第一温度就通过所述切换装置使所述两个透明导电涂层与所述AC电压源之间的电路闭合。
有利地，提供一个或两个透明导电涂层作为温度测量装置，其中温度测量是基于所述透明导电涂层的相应的温度相关的电导率来进行的。不言而喻，还可以提供与其不同的一个或多个温度测量装置。
提供温度测量装置使得可以确保光调制设备保持(相对)透明或非不透明状态，举例而言，即使由于光调制设备或光调制装置中的高环境温度或高辐射暴露(例如通过太阳光线)，达到至少在不久的将来不能排除考虑第一介电材料的粘度降低(从超过第一温度开始就是这种情况)的温度。
在这种情况下，根据所述光调制设备的这种改进，电路被闭合，使得在达到第二温度时不可能发生光调制元件或光调制设备的(不希望的或甚至危险的)变暗(透射率降低)或不透明度增大。
此外，在通过控制装置借助于加热装置将第一介电材料加热到第二温度或更高温度的情况下借助于温度测量装置可以监测在切断加热装置之后光调制装置或光调制装置是否或何时再次达到第一温度或更低温度，并且仅在之后才由控制装置断开电路。
在没有温度测量装置的情况下，可以在加热装置切断之后的可预定义持续时间之后断开电路，其中所述可预定义持续时间被选择成使得光调制设备或光调制元件典型地已经冷却到第一温度或更低温度。
此外，借助于温度测量装置，可以在期望通过控制装置经由加热装置将第一介电材料加热到第二温度或更高温度时监测光调制装置或光调制设备的温度，并且只有在通过温度测量装置检测到光调制设备或光调制元件的温度接近于与第二温度的可预定义间隔、例如已达到第一温度时才能通过控制装置闭合所述电路。
此外，在所述光调制设备的情况下，有利的是：
-所述第一平面基板和/或所述第二平面基板由对于波长在380nm至780nm范围内的光是透明的玻璃或塑料(例如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)或聚碳酸酯(PCA))形成；和/或
-所述透明导电涂层由氧化铟锡或氟掺杂氧化锡形成；和/或
-所述光调制设备包括位于所述第一平面基板和/或所述第二平面基板之间的特别是由聚对苯二甲酸乙二醇酯或乙烯醋酸乙烯酯构成的一个或多个中间层。
此外，光调制设备可以包括另外的元件，例如用于改善抗划伤性、抗UV、用于防止颗粒在第一介电材料的低粘度状态下聚集的元件等。
根据本发明的光调制设备可以用于将常规SPD和PDLC用作或提供为例如各种建筑物的玻璃窗、窗和天窗、各种交通工具(陆地交通工具、飞行器、航天器、船只、铁路车辆、机动交通工具等)的窗，镜子(包括反射式实施的第二基板)、眼镜镜片等的任何地方。
光调制设备可以以所有合适的尺寸、以平面(扁平)或弯曲的形式实施，其中特别是还可以实现例如在交通工具结构中(特别是在机动交通工具中)经常遇到的绕两条轴线的弯曲。
本发明还包括交通工具，特别是机动交通工具，所述交通工具的特征在于它包括根据上述实施例之一的至少一个光调制设备。术语“交通工具”不限于机动交通工具，而是还包括上述所有其他交通工具。
在交通工具的情况下，可以提供的是，所述至少一个光调制设备被提供在挡风玻璃、前侧窗、后侧窗、后窗、地板窗和/或天窗中。
附图说明
以下参照附图来描述本发明的示例性实施例。在这方面，在附图中：
图1以截面示出了根据本发明的光调制设备的构造的第一示例；
图2以截面示出了根据本发明的光调制设备的构造的第二示例；
图3示出了用于操作光调制设备的第一示例；
图4示出了用于操作光调制设备的第二示例；
图5以截面示出了根据本发明的光调制元件的不同示例，在各自情况下具有加热装置。
附图标记清单
1 光调制设备
2 第一基板
3 第二基板
4 导电涂层
5 导电涂层
6 电触点
7 电触点
8 AC电压源
9 光调制元件
10 第一介电材料
11 颗粒
12 加热装置
13 第二介电材料
14 切换装置
15 控制装置
16 温度测量装置
17 中间层
18 中间层
19 波导
具体实施方式
以下所讨论的示例性实施例是本发明的优选实施例。在示例性实施例中，实施例的所描述部件各自表示本发明的单独特征，这些单独特征将被彼此独立地考虑，每一个还彼此独立地改进本发明，并且因此也将单独地或以除了所示组合之外的组合被认为是本发明的部件。此外，所描述的实施例还可以由已经描述的本发明的另外特征进行补充。
在附图中，功能相同的元件各自提供有相同参考标记。这些附图不是按照真实比例。
总体而言，这些附图示出了通过本发明可以如何提供具有关于可见光(并且可选地还关于红外范围内的光)的可切换多稳态透射率和/或多稳态散射特性的平面光调制设备。
图1和图2分别示意性地展示了根据本发明的平面光调制设备1的示例。如图1所示，光调制设备1包括：第一平面基板2，所述第一平面基板对于波长在380nm至780nm范围内的光是透明的；第二平面基板3，所述第二平面基板是以反射形式实施的或对于波长在380nm至780nm范围内的光是透明的，并且所述第二平面基板被安排成基本上平行于第一基板2并且与第一基板2隔开预定距离；以及位于所述两个基板2的相互面对的侧的相应的透明导电涂层4、5，其中透明导电涂层4、5相应地通过至少一个电触点6、7可连接到电压源8。
第一基板2和/或第二基板3可以由对于波长在380nm至780nm范围内的光是透明的玻璃或塑料(例如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)或聚碳酸酯(PCA))形成。如果光调制设备1旨在用作镜子，则基板2、3中的一个基板(即，相对于光入射方向为“后”基板的基板2、3)提供有镜面反射涂层。第一基板2和第二基板3可以具有任何合适的或所需的厚度(例如考虑到在使用光调制设备1期间的尺寸和/或预期的机械负载等)，并且第一基板2和第二基板3可以具有不同的厚度。
在本申请中使用表述“380nm至780nm……透明的”，此表述还可以任选地是指“380nm至780nm或更长”，即，此表述还可以任选地包括对于红外光波长范围内的光(特别是在从780nm开始至约3000nm的波长范围内的近红外光)也是透明的或部分透明的此类基板2、3。然而，本发明还包括例如由于它们的构成或通过相应的添加剂而对于大于780nm的波长范围内的光是不透射的、即穿过它们的热辐射被阻挡的此类基板2、3。
使用玻璃作为第一基板2和/或作为第二基板3是有利的，因为玻璃具有相对低低的热导率，如下面说明的那样，使得通过使用被安排在第一基板2与第二基板3之间的加热装置12，发生低的热损失，并且同时可以避免对面向外的(多个)玻璃表面的高度加热。
透明导电涂层4、5可以是由适合于此目的的任何材料形成，例如由氧化铟锡或氟掺杂氧化锡形成。
透明导电涂层4、5各自具有一般为金属的电触点6、7，涂层4、5通过这些电触点可连接到电压源，所述电压源在所示实施例中是AC电压源8。
光调制元件9被安排在导电涂层4、5之间的空间中。如下面更详细地说明的那样，光调制元件9包括第一介电材料10，可预定义浓度的颗粒11分散在所述第一介电材料中，倘若所述颗粒被随机地安排在第一介电材料10中，则所述颗粒使得光调制元件9对于照射在其上的、波长在380nm至780nm的范围内的可预定义比例的光是不透射的、或者致使光调制元件9看起来不透明，其中第一介电材料10在大气压下在最高达25℃或更高的第一温度T1下是固体或者其粘度大小使得颗粒11不能在布朗运动的基础上改变它们在第一介电材料10中的当前定向。
同样如下面更详细地说明的那样，通过加热装置12可以将第一介电材料10加热到第二温度T2，所述第二温度高于第一温度T1，并且相比于在第一温度T1下，第一介电材料10在所述第二温度下具有更低的粘度，其结果是颗粒11能够在布朗运动的基础上改变它们在第一介电材料10中的定向。
一般地，光调制元件9的厚度在μm级范围内(例如在5μm至140μm的范围内)，这不仅在光调制元件9所需的材料量方面是有利的，而且在能量需求方面并且因此通常也在将光调制元件9加热到第二温度T2所需的持续时间方面是有利的。假定光调制元件9的每单位面积的假定重量约为10g/m2，这导致约0.2Wh的能量需求，以将1m2的光调制元件9加热100℃。如果使用约1kW的电功率进行加热，则可以在小于1秒(例如800ms)的持续时间内将面积为1m2的光调制元件9加热100℃。
光调制元件9可以另外包括第二介电材料13，可预定义浓度的颗粒11分散在其中的第一介电材料10以多种内含物的形式分散的方式存在于所述第二介电材料中，其中第二介电材料13在大气压下在最高达高于第二温度T2的第三温度T3下是固体或者具有如此高的粘度，使得第一介电材料10的内含物不能改变它们在第二介电材料13内的位置。
如图2中示意性地展示出的，光调制设备1还可以包括一个或多个中间层17、18，所述中间层例如由聚对苯二甲酸乙二醇酯或乙烯醋酸乙烯酯形成并且被安排在第一平面基板2和/或第二平面基板3之间。这种类型的中间层17、18在原理上是已知的，并且在根据本发明的光调制设备1的情况下也可以使用已知适用于本发明目的的中间层。
光调制元件9可以以各种方式进行构造。如在图3中示意性地并通过举例的方式展示出的，根据第一实施例的光调制元件9可以包括可预定义浓度的颗粒11分散在其中的第一介电材料10。
颗粒11的在图3b)中所展示的第一介电材料10中(也如图4b中的图示)的“混乱”定向应理解为使得颗粒11在所有空间方向上随机地安排在第一介电材料10中。
颗粒11优选地具有各向异性特性，即例如成形为小棒或针状、成状、盘状，圆柱形、棱柱形等，和/或具有电各向异性或介电各向异性或关于极化性的各向异性。
这提供的优点是，当存在足够强的交变电场时，倘若第一介电材料10的粘度足够低，则颗粒11可以变得特别好且快速地沿着电场线定向。
在图3和图4中，为了清楚起见，仅展示了没有第一基板2和第二基板3的光调制设备1。同样为了清楚起见，图3a)仅展示了具有控制装置15和可选的温度测量装置16的光调制设备1。然而，为了执行图3b)、图3c)、图4a)、图4b)和图4c)中所展示的方法序列，同样在这些图中所展示的光调制设备1的情况下，至少还提供了控制装置15，所述控制装置连接到切换装置14和加热装置12。
切换装置14被安排在电触点6、7之一与AC电压源8之间，由此可以闭合和断开电路。在所示的实施例中，切换装置14被安排在触点7与AC电压源8之间。
控制装置15被配置成：
--能够接通加热装置12以将第一介电材料10加热到第二温度T2或更高温度并且在可预定义时间段内将所述介电材料保持在第二温度T2或更高温度；或者
--能够接通加热装置12以将第一介电材料10加热到所第二温度T2或更高温度并且在可预定义时间段内将第一介电材料10保持在第二温度T2或更高温度，并且至少在所述可预定义时间段内通过切换装置14使所述两个透明导电涂层4、5与AC电压源8之间的电路闭合。
在包括温度测量装置16的实施例中，所述温度测量装置被配置用于测量光调制元件9或光调制设备1的温度并且连接到控制装置15。在这些实施例中，控制装置15可以被配置成监测光调制元件9或光调制设备1的温度、并且只要光调制元件9或光调制设备1的温度大于第一温度T1就通过切换装置14使所述两个透明导电涂层4、5与AC电压源8之间的电路闭合。
在透明导电涂层4、5另外提供有图1至图4中的附图标记12的情况下，这表示它们在任何情况下都是透明导电涂层4、5的事实，然而，它们也可以任选地仅用作加热装置12。在另外的附图标记10、11和13用于图1和图2中的光调制元件9的情况下，这表示光调制元件9总是包括颗粒11分散在其中的第一介电材料10，但是还可以任选地存在第二介电材料13。
在根据本发明的光调制设备1的情况下，可以提供任何合适的加热装置12，通过所述加热装置可以将第一介电材料10加热到第二温度T2或更高温度，在所述温度下第一介电材料10呈现比在第一温度T1下更低的粘度，其方式为使得颗粒11可以在布朗运动的基础上改变它们在第一介电材料10中的定向。
图5中展示了加热装置12的优选示例。图5示出了包括第一介电材料10和第二介电材料13两者的光调制元件9。不言而喻，在仅存在颗粒11分散在其中的第一介电材料10的情况下，如图3中所示，所示的加热装置12也提供或是可用的。
光调制元件9或第一介电材料10的高度局部加热可以例如通过电阻加热系统实现，在电阻加热系统中表面电流在一侧(图5a))或在两侧(图5b))施加到(多个)透明导电涂层4、5，其结果是(多个)透明导电涂层4、5由于电损耗而升温，并且因此光调制元件9或第一介电材料10也被加热。
如图5c)所展示出的，用于实现加热装置12的另一种可能性是允许体积电流借助于透明导电涂层4、5流过光调制元件9。
在图5a)至图5c)中所展示的示例的情况下，直流电和交流电都可以用于升温过程。
如图5d)中示意性地展示出的，光调制元件9或第一介电材料10还可以通过施加与第一介电材料10协调的AC电压来加热，其中所述AC电压尽可能接近第一介电材料10的取向极化的谐振频率。
此外，光调制元件9或第一介电材料10还可以通过外部照射来加热。在这种情况下，辐射可以在外部(参见图5e))或通过波导19(参见图5f))引入到光调制元件9中。取决于辐射的波长，可以利用各种加热效果。在原理上，可想到使用微波辐射、红外辐射、一直到γ辐射，其中当然应当遵守各自适用的法律规定。
在前一段中提到的辐照的扩展中，对于某一(理想的非光学)波长具有高吸收率的介质(材料、化合物)可以结合到待加热的区域中(在这种情况下，在光调制元件9中或在第一介电材料10中)。结果是，可以通过具有此波长的照射以有针对性的方式且局部地加热区域。
此外，还可想到施加到第一基板2和/或第二基板3的窗加热或通过风扇吹送经加热的空气。然而，关于可能的最短切换时间和可能的最低能量需求，优选的是，尽可能局部地加热光调制元件9或第一介电材料10。
图3和图4展示了借助于根据本发明的光调制设备1可以如何实现各种关于可见光(以及可选地，还关于红外范围内的光)的多稳态透射率和多稳态散射特性的示例。
由于根据图3和图4的示例的不同之处仅在于根据图4的光调制元件9中存在第二介电材料13，因此仅参照图3更详细地说明光调制设备1的功能。
图3a)示出了光调制元件9或其中包含的第一介电材料10处于≥T2的某一温度下的状态。在此状态下，由于第一介电材料10的足够低的粘度(设定状态)，包含在第一介电材料10中的颗粒11在原理上可以借助于它们的布朗运动而变得在所有空间方向上随机定向。然而，由于根据图3a)，通过闭合的切换装置14、AC源8和所述两个透明导电涂层4、5，在光调制元件9上施加电场，颗粒11变得沿着电场的场线定向或者沿着电场的场线保持定向。
如果然后中断电路，如图3b)所展示出的，第一介电材料10中的颗粒11变得在所有空间方向上随机定向，并且光调制设备1因此呈现不透光(或几乎不透光)或不透明的状态。
不言而喻，还可以从图3b)所示的状态转到根据图3a)的状态，并且因此实现颗粒11沿着根据图3a)施加的交变电场的场线的定向，其中光调制设备1呈现更加透光或更少不透明、即更加透明的状态。
如果从根据图3a)的状态开始，光调制元件9或第一介电材料10的温度降低到≤T1，则第一介电材料10的粘度上升到这样的值，即使得颗粒11不再能够在布朗运动的基础上改变它们在第一介电材料10中的当前定向，并且可以中断电路，如图3c)所示，颗粒11在第一介电材料10中的定向不能改变(稳定状态)。
此外，从根据图3b)的状态开始，温度可以降低到≤T1，其结果是，根据图3b)的“混乱状态”被“稳定”。
在光调制装置9中的颗粒11处于这种“混乱状态”的情况下，取决于所使用的颗粒11的类型和尺寸，可以因此防止大部分可见光以及可选地另外还有大部分红外范围(特别是近红外范围)内的光透射穿过光调制设备1。例如，由此可以实现的是，提供有光调制设备1的空间的空间温度可以保持明显低于具有相同区域的简单玻璃窗所使用的空间温度。
通过使用根据图4的光调制设备1的配置，与根据图3的配置不同，应仅考虑将光调制元件9或第一介电材料10保持在<T3的温度，以便防止第二介电材料13中的第一介电材料10的内含物的位置发生不希望的改变。
这可以例如通过加热装置12的相应驱动来实现，其中如果有的话，还可以使用从温度测量装置16传输到控制装置15的温度数据，以用于驱动。
第一介电材料10和第二介电材料13例如可以各自由可聚合单体或预聚物制成，所述可聚合单体或预聚物通过相应适合的聚合方法聚合而成。如果提供了第一介电材料10和第二介电材料13，则第二介电材料13可以例如在第一聚合步骤中生产，其中第二介电材料13的特性具有以下效果：由用于颗粒11分散在其中的第一介电材料10的单体或预聚物构成的液滴形成在第二介电材料13中。然后，可以在适合于第一介电材料10的单体或预聚物的第二聚合步骤中形成第一介电材料10。
在第一步骤中，还可想到在基质材料中生产颗粒11分散在其中的第一介电材料10的小球体，然后溶解或去除所述基质材料，以将第一介电材料10的小球体分散在用于第二介电材料13的可聚合单体或预聚物中，并且随后通过聚合步骤形成第二介电材料13b，其结果是第一介电材料10的球体以分散在第二介电材料13中的方式被“包含”。

Claims (15)

1.一种平面光调制设备(1)，包括：第一平面基板(2)，所述第一平面基板对于波长在380nm至780nm范围内的光是透明的；第二平面基板(3)，所述第二平面基板是以反射形式实施的或对于波长在380nm至780nm范围内的光是透明的，并且所述第二平面基板被安排成基本上平行于所述第一基板(2)并且与所述第一基板(2)隔开预定距离；以及位于所述两个基板(2，3)的相互面对侧的相应的透明导电涂层(4，5)，其中所述透明导电涂层(4，5)相应地通过至少一个电触点(6，7)可连接到电压源(8)，
其特征在于，
-光调制元件(9)被安排在所述导电涂层(4，5)之间的空间中，所述光调制元件包括：第一介电材料(10)，可预定义浓度的颗粒(11)分散在所述第一介电材料中，倘若所述颗粒被随机地安排在所述第一介电材料(10)中，则所述颗粒使得所述光调制元件(9)对于照射在其上的、波长在380nm至780nm的范围内的可预定义比例的光是不透射的、或者致使所述光调制元件(9)看起来不透明，其中所述第一介电材料(10)在大气压下在最高达25℃或更高的第一温度(T1)下是固体或者其粘度大小使得所述颗粒(11)不能在布朗运动的基础上改变它们在所述第一介电材料(10)中的当前定向；并且
-所述光调制设备(1)包括加热装置(12)，通过所述加热装置可以将所述第一介电材料(10)加热到第二温度(T2)，所述第二温度高于所述第一温度(T1)，并且相比于在所述第一温度(T1)下，所述第一介电材料(10)在所述第二温度下具有更低的粘度，其结果是所述颗粒(11)能够在布朗运动的基础上改变它们在所述第一介电材料(10)中的定向。
2.如权利要求1所述的光调制设备(1)，
其特征在于，
所述光调制元件(9)包括第二介电材料(13)，所述可预定义浓度的颗粒(11)分散在其中的所述第一介电材料(10)以多种内含物的形式分散的方式存在于所述第二介电材料中，其中所述第二介电材料(13)在大气压下在最高达高于所述第二温度(T2)的第三温度(T3)下是固体或者具有如此高的粘度，使得所述第一介电材料(10)的内含物不能改变它们在所述第二介电材料(13)内的位置。
3.如权利要求1或2所述的光调制设备(1)，
其特征在于，
-所述光调制设备还包括AC电压源(8)，所述AC电压源通过所述电触点(6，7)连接到所述两个透明导电涂层(4，5)，其中在所述电触点(6，7)之一与所述AC电压源(8)之间提供切换装置(14)，通过所述切换装置能够闭合和断开电路；并且
-所述光调制设备(1)还包括控制装置(15)，所述控制装置连接到所述切换装置(14)和所述加热装置(12)，其中所述控制装置(15)被至少配置成：
--能够接通所述加热装置(12)以将所述第一介电材料(10)加热到所述第二温度(T2)或更高温度并且在可预定义时间段内将所述介电材料保持在所述第二温度(T2)或更高温度；或者
--能够接通所述加热装置(12)以将所述第一介电材料(10)加热到所述第二温度(T2)或更高温度并且在可预定义时间段内将所述第一介电材料(10)保持在所述第二温度(T2)或更高温度，并且至少在所述可预定义时间段内通过所述切换装置(14)使所述两个透明导电涂层(4，5)与所述AC电压源(8)之间的电路闭合。
4.如前述权利要求中任一项所述的光调制设备(1)，
其特征在于，
所述第一温度(T1)是在50℃至120℃范围内的某一温度，特别是50℃、55℃、60℃、65℃、70℃、75℃、80℃、85℃、90℃、95℃、100℃、105℃、110℃、115℃或120℃。
5.如前述权利要求中任一项所述的光调制设备(1)，
其特征在于，
所述第二温度(T2)是在比所述第一温度(T1)高1℃至50℃的范围内的某一温度，特别是比所述第一温度(T1)高1℃、2℃、3℃、4℃、5℃、10℃、15℃、20℃、25℃、30℃、35℃、40℃、45℃或50℃。
6.如权利要求2至5中任一项所述的光调制设备(1)，
其特征在于，
所述第三温度(T3)是在比所述第二温度(T2)高5℃至50℃的范围内的某一温度，特别是比所述第二温度(T2)高5℃、10℃、15℃、20℃、25℃、30℃、35℃、40℃、45℃或50℃。
7.如前述权利要求中任一项所述的光调制设备(1)，
其特征在于，
-所述加热装置(12)以平面电阻加热系统的形式进行配置，其方式为使得表面电流能够传导穿过所述透明导电涂层(4，5)中的一个或两个；
-所述加热装置(12)以平面电阻加热系统的形式进行配置，其方式为使得体积电流能够通过所述两个透明导电涂层(4，5)传导穿过所述光调制元件(9)；
-所述加热装置(12)被配置成施加与所述第一介电材料(10)协调的AC电压，其中所述AC电压的频率对应于所述第一介电材料(10)的取向极化的共振频率或与所述共振频率仅偏离较小的可预定义值；或者
-所述加热装置(12)被配置成通过微波辐射、红外辐射或γ辐射来至少加热所述光调制元件(9)，其中相应的辐射从所述光调制元件(1)的外部或通过被安排在所述第一基板(2)与所述第二基板(3)之间的至少一个波导(19)而辐射到所述光调制元件(9)上。
8.如前述权利要求中任一项所述的光调制设备(1)，
其特征在于，
所述第一介电材料(10)选自于：至少一种热塑性塑料，特别是丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚酰胺(PA)、聚乳酸(PLA)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、乙二醇改性聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、聚醚醚酮(PEEK)、聚氯乙烯(PVC)、赛璐珞、丙烯酸树脂、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氨酯、聚己内酯、聚丙交酯、聚偏二氟乙烯、特别是聚乙烯醇缩甲醛或聚乙烯醇缩丁醛的聚乙烯醇缩醛、聚乙烯醇、聚乙二醇，特别是摩尔质量范围为1000至35000的聚乙二醇；聚合全氟乙醚；有机硅；硅氧烷；石蜡；硬脂精；或其中两个或更多个的混合物。
9.如权利要求2至8中任一项所述的光调制设备(1)，
其特征在于，
所述第二介电材料(13)选自于至少一种热塑性、弹性体或热固性聚合物。
10.如前述权利要求中任一项所述的光调制设备(1)，
其特征在于，
分散在所述第一介电材料(10)中的所述颗粒(11)选自于由以下项组成的组：特别是由多卤化合物构成的有机或无机颗粒，有机或无机颜料，金属颗粒，晶体，微晶和液晶，以及这种类型的至少两种不同颗粒的混合物。
11.如权利要求3至10中任一项所述的光调制设备(1)，
其特征在于，
-所述光调制设备(1)包括用于测量所述光调制元件(9)或所述光调制设备(1)的温度的温度测量装置(16)，其中所述温度测量装置(16)连接到所述控制装置(15)；并且所述控制装置(15)被配置成监测所述光调制元件(9)或所述光调制设备(1)的温度、并且只要所述光调制元件(9)或所述光调制设备(1)的温度大于所述第一温度(T1)就通过所述切换装置(14)使所述两个透明导电涂层(4，5)与所述AC电压源(8)之间的电路闭合。
12.如权利要求11所述的光调制设备(1)，
其特征在于，
提供一个或两个透明导电涂层(4，5)作为温度测量装置(16)，其中温度测量是基于所述透明导电涂层的相应的温度相关的电导率来进行的。
13.如前述权利要求中任一项所述的光调制设备(1)，
其特征在于，
-所述第一平面基板(2)和/或所述第二平面基板(3)由对于波长在380nm至780nm范围内的光是透明的玻璃或塑料形成；
-所述透明导电涂层(4，5)由氧化铟锡或氟掺杂氧化锡形成；和/或
-所述光调制设备(1)包括位于所述第一平面基板(2)和/或所述第二平面基板(3)之间的特别是由聚对苯二甲酸乙二醇酯或乙烯醋酸乙烯酯构成的一个或多个中间层(17，18)。
14.一种交通工具，特别是机动交通工具，
其特征在于，
-所述交通工具包括如权利要求1至13中任一项所述的至少一个光调制设备(1)。
15.如权利要求14所述的交通工具，
其特征在于，
所述至少一个光调制设备(1)被提供在挡风玻璃、前侧窗、后侧窗、后窗、地板窗和/或天窗中。
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