CN110573927B - 透射率可变装置 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种透射率可变装置及其用途。本申请的透射率可变装置可以在透明状态与黑色状态之间切换，可以表现出透明状态下的高透射率和黑色状态下的高遮蔽率，并且甚至在倾角下也可以表现出高对比度。本申请的这样的透射率可变装置可以应用于各种应用，包括需要调节透射率的各种建筑或汽车材料；或眼部佩戴物，例如用于增强现实体验或运动的护目镜、太阳镜、或头盔。

Description

透射率可变装置
技术领域
本申请要求基于2017年4月28日提交的韩国专利申请第10-2017-0055171号的优先权的权益，其公开内容通过引用整体并入本文。
本申请涉及一种透射率可变装置。
背景技术
应用使用了主要为液晶化合物的主体材料与二色性染料客体的混合物的所谓的GH单元(guest host cell，宾主单元)的透射率可变装置是已知的(例如专利文献1)。
这样的透射率可变装置被应用于各种应用，包括诸如太阳镜的眼部佩戴物、建筑物外墙、车辆天窗等。最近，还研究了透射率可变元件在用于所谓的增强现实(augmentedreality，AR)体验的眼部佩戴物上的应用。
在观察者在倾斜方向观察透射率可变装置的情况下，这样的透射率可变装置根据应用通过调节GH单元中的二色性染料客体的取向来调节透射率。观察者在倾斜方向上观察透射率可变装置的情况通常是该装置安装在弯曲的玻璃或眼部佩戴物(诸如太阳镜或增强现实体验装置)上的情况。
然而，在迄今已知的透射率可变装置的情况下，存在这样的问题：当如上所述在倾斜方向观察透射率可变装置时，他们的对比度(contrast ratios，CR)劣化。
<现有技术文献>
(专利文献1)欧洲未审查专利公开第0022311号
发明内容
技术问题
本申请涉及一种透射率可变装置及其用途，并且在一个实例中，目的是提供一种即使在倾斜方向观察该透射率可变装置时也能够实现高对比度的透射率可变装置。
技术方案
本申请涉及一种透射率可变装置。术语透射率可变装置可以意指被设计成能够在高透射率的状态与低透射率的状态之间切换的装置。如下所述，在包括至少两个客体-主体单元的结构(在下文中，GH单元)中，可以通过调节每个GH单元中的二色性染料的取向来实现状态之间的切换。
在本申请中，高透射率的状态可以被称为透明状态，而低透射率的状态可以被称为黑色状态。例如，透明状态可以意指装置对垂直光的线性透光率为40％或更大的状态，而黑色状态可以意指装置对垂直光的线性透光率为10％或更小的状态。在此，在透射率可变装置呈膜或片的形式的情况下，垂直光是在平行于膜或片表面的法线方向的方向上入射的光，垂直光的线性透光率是在入射到膜或片表面的垂直光中的也以平行于法线方向的方向透射的光的百分比。
在另一个实例中，透明状态下的垂直光的线性透光率可以为约100％或更小、约95％或更小、90％或更小、85％或更小、80％或更小、75％或更小、70％或更小、65％或更小、60％或更小、55％或更小、或者50％或更小。在另一个实例中，黑色状态下的垂直光的线性透光率可以为约8％或更小、7％或者6％或更小，并且也可以为0％或更大、1％或更大、2％或更大、3％或更大、或者4％或更大。
本申请的透射率可变装置即使在倾斜方向观察时也可以实现在透明状态下的高透射率和在黑色状态下的低透射率，并因此，可以实现高对比度，即在透明状态下的透射率(Tc)与在黑色状态下的透射率(Tb)的高比率(Tc/Tb)。
例如，本申请的透射率可变装置在透明状态下的斜射光的线性透光率可以为40％或更大或者45％或更大。在另一个实例中，斜射光的线性透光率可以为约100％或更小、约95％或更小、90％或更小、85％或更小、80％或更小、75％或更小、70％或更小、65％或更小、60％或更小、55％或更小、或者50％或更小。
透射率可变装置在黑色状态下的线性光透射率可以为10％或更小、约9％或更小、约8％或更小、7％或更小、或者6％或更小，以及其还可以为0％或更大、1％或更大、2％或更大、3％或更大、或者4％或更大。
另外，透射率可变装置的在透明状态下的斜射光的线性光透射率(Tc)与在黑色状态下的斜射光的线性光透射率(Tb)的比率(Tc/Tb)优选为7.5或更大、8或更大、8.5或更大、9或更大、9.5或更大、或者10或更大。在另一个实例中，比率(Tc/Tb)可以为20或更小、18或更小、16或更小、14或更小、或者12或更小。
在此，在透射率可变装置呈膜或片的形式的情况下，斜射光是在与膜或片表面的法线方向形成约20度的方向上入射的光，该斜射光的线性透光率是入射光中的在与法线方向形成约20度的方向上透射的光的百分比。
如上所述的垂直光和斜射光的透射率可以是可见光的波长区域内(即400nm至700nm的波长范围)的任何波长的光的数值、或者全部波长的光的数值的平均值。
此外，上述各透明状态下的线性透光率是透射率可变装置的相关透射率最高的状态下的透射率，黑色状态下的线性透射率是透射率可变装置的透射率最低状态下的透射率。
示例性透射率可变装置可以包括第一GH单元和第二GH单元。在本申请中，术语GH单元是包括含有主体材料和二色性染料客体材料的混合物的位点的单元，这意指通过控制混合物的二色性染料客体的取向能够调节透光率的单元。在此，作为主体材料，通常应用液晶化合物。在下文中，在本说明书中，为液晶化合物的主体材料可以被称为液晶主体。另外，本文中的包含主体材料和二色性染料客体材料的混合物的位点可以被称为GH层。因此，第一GH单元和第二GH单元可以分别包括第一GH层和第二GH层。
在本申请中，第一GH层和第二GH层以叠合在彼此上的状态包括在装置中。因此，透射过第一GH层的光可以入射到第二GH层，反之，透射过第二GH层的光也可以入射到第一GH层。
图1是示意性地示出如上所述的第一GH层10和第二GH层20叠置在彼此上的状态的图。本文中的这样的结构可以被称为双单元结构。如图1所示，在第一GH层10和第二GH层20之间可以存在下面将描述的相位差元件30。
在本申请中，第一GH层和第二GH层各自可以至少包含液晶化合物。液晶化合物可以作为主体材料包含在内。作为液晶化合物，可以根据应用选择适当的种类而没有任何特别限制。在一个实例中，可以使用向列型液晶化合物作为液晶化合物。液晶化合物可以为非反应性液晶化合物。非反应性液晶化合物可以意指不具有可聚合基团的液晶化合物。在此，可聚合基团可以例示为丙烯酰基、丙烯酰氧基、甲基丙烯酰基、甲基丙烯酰氧基、羧基、羟基、乙烯基或环氧基等，但不限于此，并且可以包括被认为是可聚合基团的已知官能团。
GH层中包含的液晶化合物可以具有正介电常数各向异性或负介电常数各向异性。在本申请中，术语“介电常数各向异性”可以意指液晶分子的非寻常介电常数(extraordinary dielectric constant，εe)与寻常介电常数(ordinary dielectricconstant，εo)之差。液晶化合物的介电常数各向异性可以例如在±40内、±30内、±10内、±7内、±5内或±3内的范围内。当液晶化合物的介电常数各向异性被控制在上述范围内时，就液晶元件的驱动效率而言可以是有利的。
考虑到目标物理特性，例如透射率可变装置的透射特性、对比度等，可以适当地选择存在于GH层中的液晶化合物的折射率各向异性。术语“折射率各向异性”可以意指液晶化合物的非寻常折射率与寻常折射率之差。液晶化合物的折射率各向异性可以在例如0.1或更大、0.12或更大或者0.15或更大至0.23或更小或者0.25或更小或者0.3或更小的范围内。
GH层还可以包含二色性染料。染料可以作为客体材料包含在内。二色性染料可以用于例如根据主体材料的取向来控制装置的透射率。在本申请中，术语“染料”可以意指能够强烈地吸收可见光区域内的范围中的至少一部分或全部(例如400nm至700nm的波长范围内)的光和/或使所述光变形的材料，术语“二色性染料”可以意指能够各向异性吸收可见光区域范围中的至少一部分或全部的光的材料。
作为二色性染料，例如，可以选择并使用已知具有可以通过所谓的主宾效应根据液晶化合物的配向状态而取向的特性的已知染料。这样的二色性染料的实例包括所谓的偶氮染料、蒽醌染料、次甲基染料、偶氮甲碱染料、部花青染料、萘醌染料、四嗪染料、亚苯基染料、夸特锐烯(quaterrylene)染料、苯并噻二唑染料、二酮吡咯并吡咯染料、方酸染料或焦亚甲基(pyromethene)染料等，但是可适用于本申请的染料不限于此。作为二色性染料，例如，可以使用黑色染料。这样的染料已知为例如偶氮染料或蒽醌染料等，但不限于此。
作为二色性染料，可以使用二色性比为5或更大、6或更大、或者7或更大的染料，二色性比是通过与二色性染料的长轴方向平行的偏振光的吸收除以与垂直于长轴方向的方向平行的偏振光的吸收而获得的值。染料可以在可见光区域的波长范围内例如在约380nm至700nm或约400nm至700nm的波长范围内的至少一部分波长或任一波长中满足二色性比。二色性比的上限可以例如为20或更小、18或更小、16或更小、或者14或更小左右。
GH层中的二色性染料的比例可以根据目标物理特性例如透射率可变特性适当地选择。例如，二色性染料可以以0.01重量％或更大、0.1重量％或更大、0.2重量％或更大、0.3重量％或更大、0.4重量％或更大、0.5重量％或更大、0.6重量％或更大、0.7重量％或更大、0.8重量％或更大、0.9重量％或更大、或者1.0重量％或更大的比率存在于GH层中。GH层中的二色性染料的比率的上限可以例如为2重量％或更小、1.9重量％或更小、1.8重量％或更小、1.7重量％或更小、1.6重量％或更小、1.5重量％或更小、1.4重量％或更小、1.3重量％或更小、1.2重量％或更小、或者1.1重量％或更小。
除了所述组分之外，根据需要，GH层还可以包含用于形成已知GH层的任选的添加材料。
双单元中的GH层可以各自同时具有约0.5或更大的各向异性度(R)。
根据以下方程式由平行于液晶主体的配向方向偏振的光束的吸光度(E(p))和垂直于液晶主体的配向方向偏振的光束的吸光度(E(s))测量各向异性度(R)。
<各向异性的测量>
各向异性度(R)＝[E(p)-E(s)]/[E(p)+2*E(s)]。
以上使用的参照是在GH层中不包含染料的另一相同装置。
具体地，各向异性度(R)可以由其中染料分子水平取向的GH单元的吸光度值(E(p))和其中染料分子垂直取向的同一GH单元的吸光度值(E(s))来测量。与其根本不包含任何染料但其余的具有相同配置的GH单元相比来测量吸光度。可以使用在一个振动平面的情况下沿平行于配向方向的方向振动的偏振光束(E(p))和在随后的测量中沿垂直于配向方向的方向振动的偏振光束(E(s))进行该测量。在测量期间不切换或旋转GH单元，并因此可以通过使偏振入射光的振动平面旋转来进行E(p)和E(s)的测量。
详细工序的一个实例如下面所述。使用Perkin-Elmer Lambda 1050UV光谱仪记录E(p)和E(s)的测量光谱。光谱仪配备有用于测量光束和参照光束二者中250nm至2500nm的波长范围的Glan-Thompson偏振器。两个偏振器由步进马达控制，并且沿相同的方向取向。偏振器的偏振器方向的变化，例如0度至90度的转换，总是同步地且在相对于测量光束和参照光束的相同方向上进行。可以使用T.Karstens 1973年在维尔茨堡大学(University ofWurzburg)的论文中描述的方法来测量各个偏振器的取向。
在该方法中，使偏振器相对于取向的二色性样品逐步旋转5度，并且优选在最大吸收区域中的固定波长处记录吸光度。对每个偏振器位置执行新的零线。对于两个二色性光谱E(p)和E(s)的测量，涂覆有来自JSR的聚酰亚胺AL-1054的反平行摩擦测试单元位于测量光束和参照光束二者中。可以选择具有相同层厚度的两个测试单元。将包含纯主体(液晶)的测试单元放置在参照光束中。将包含染料在液晶中的溶液的测试单元放置在测量光束中。用于测量光束和参照光束的两个测试单元沿相同的配向方向安装在光程中。为了确保光谱仪的最大可能精确度，E(p)可以处于其最大吸收波长范围内，例如0.5至1.5的波长范围内。这对应于30％至5％的透射率。这通过相应地调节层厚度和/或染料浓度来设定。
各向异性度(R)可以根据以上方程式由E(p)和E(s)的测量值计算，如参考文献[参见:“Polarized Light in Optics and Spectroscopy,”D.S.Kliger等,Academic Press,1990]所示。
在另一个实例中，各向异性度(R)可以为约0.55或更大、0.6或更大、或者0.65或更大。各向异性度(R)可以例如为约0.9或更小、约0.85或更小、约0.8或更小、约0.75或更小、或者约0.7或更小。
这样的各向异性度(R)可以通过控制GH单元的种类(例如液晶化合物(主体)的种类、各向异性染料的种类和比率)或者GH单元的厚度等来获得。
可以通过以下方式来提供具有高对比度的膜：在以上述范围内的各向异性度(R)使用较低的能量的同时增加透明状态与黑色状态之间的透射率的差。
包括各个GH层的第一GH单元和第二GH单元可以叠置在彼此上以包括在透射率可变装置中。GH层中的液晶主体可以以取向状态存在。根据这样的液晶主体的取向，二色性染料客体也可以取向。例如，GH单元各自可以具有光轴。在此，光轴意指例如液晶主体材料的指向矢的平均配向方向。在此，指向矢的配向方向在诸如向列型液晶化合物的棒状液晶化合物的情况下可以意指其长轴方向，以及在诸如盘状液晶的盘状化合物的情况下可以意指相关盘平面的法线方向。GH单元中的光轴的含义和确定相关光轴的方式是已知的，并且如上所述的已知内容可以应用于本申请。
例如，光轴通常根据配向膜的配向方向来确定，并且其对于GH单元可以以下面的方式来测量。例如，可以通过在GH单元水平取向的状态下将线性偏振器设置在GH单元的一侧上，并且在将偏振器旋转360度的同时测量透射率来确定光轴。即，在该状态下向GH单元或线性偏振器侧辐射光的同时，可以通过测量另一侧的亮度(透射率)来确定光轴的方向。例如，当在使偏振器旋转360度的过程中使透射率减小到最小时，可以将与偏振器的吸收轴垂直(perpendicular)或垂直(vertical)的角度定义为光轴的方向。
在一个实例中，透射率可变装置中的第一GH单元和第二GH单元的光轴在施加电压的状态下或在不施加电压的状态下可以垂直或平行于各个GH单元。即，GH单元中的GH层的液晶主体可以在施加电压或不施加电压的状态下垂直取向或水平取向。当两个GH层的液晶主体都水平取向时，第一GH层和第二GH层的液晶主体的光轴可以彼此水平。例如，在本说明书中，术语垂直、正交、水平或平行意指基本上垂直、正交、水平或平行，例如，垂直或正交的含义包括距离90度存在±10度以内、±9度以内、±8度以内、±7度以内、±6度以内、±5度以内、±4度以内、±3度以内、±2度以内、±1度以内或±0.5度以内的偏差的情况，水平或平行的含义包括距离180度存在±10度以内、±9度以内、±8度以内、±7度以内、±6度以内、±5度以内、±4度以内、±3度以内、±2度以内、±1度以内或±0.5度以内的偏差的情况。光轴垂直于GH单元的事实可以是由GH单元的表面和光轴形成的角度是垂直或正交的情况，光轴水平于GH单元的事实可以意指GH单元的表面和光轴彼此水平或平行。
例如，当在不施加电压的状态下GH单元的光轴与GH单元正交时，可以通过电压施加使光轴平行于GH单元取向，反之，当在不施加电压的状态下GH单元的光轴与GH单元平行时，可以通过电压施加使光轴取向以与GH单元正交。在如上所述液晶主体在不施加电压时垂直取向的情况下，实现了所谓的常透明模式(normally transparent mode)的元件，在液晶主体在不施加电压时水平取向的情况下，实现了常黑模式(normally black mode)的元件。可以根据所使用的液晶主体的类型、配向膜和/或电极层的位置来确定透射率可变装置是设计为常透明模式还是常黑模式。
在一个实例中，当GH层的液晶主体垂直取向时，液晶主体可以被设计成具有预定范围内的预倾斜角。
在光轴垂直于每个GH单元的状态下，即在GH单元中的液晶主体垂直取向的状态下，单元的光轴可以被设计成以便具有预定范围内的预倾斜角和预倾斜方向。
液晶主体的预倾斜角可以意指由上述液晶主体的指向矢的方向与GH层的平面形成的角度。
当第一GH单元和第二GH单元的液晶主体均具有小于90度的预倾斜角时，第一GH单元的预倾斜方向和第二GH单元的预倾斜方向可以彼此近似平行。
预倾斜方向可以意指在预倾斜的液晶主体投射在GH层平面上的状态下的方向。
如上所述的控制GH单元中的液晶主体的预倾斜角和方向的方法没有特别限制，其中其可以使用例如配向膜来控制。
在一个实例中，第一GH单元和第二GH单元还可以分别包括设置在第一GH层和第二GH层的两侧上的两个配向膜。在一个实例中，第一GH单元可以顺序地包括第一垂直配向膜、第一GH层和第二垂直配向膜，第二GH单元可以顺序地包括第三垂直配向膜、第二GH层和第四垂直配向膜。
预倾斜角和预倾斜方向可以通过控制本申请的透射率可变装置中的配向膜的配向方向来调节。
预倾斜角可以意指液晶分子的指向矢相对于与配向膜、GH层或GH单元(在下文中，配向膜等)的表面水平的平面形成的角度；或者与配向膜的表面法线方向形成的角度；等等。
在本说明书中，配向膜的预倾斜角可以以与液晶主体的预倾斜角相同的含义来使用，配向膜的预倾斜方向可以以与液晶主体的预倾斜方向相同的含义来使用。
在一个实例中，第一垂直配向膜至第四垂直配向膜的预倾斜角可以在70度至90度、或者70度或更大但小于90度的范围内。当预倾斜角在上述范围内时，可以提供具有优异的初始透射率的透射率可变装置。在一个实例中，预倾斜角可以为约71度或更大、约72度或更大、约73度或更大、约74度或更大、约75度或更大、约76度或更大、约77度或更大、约78度或更大、约79度或更大、约80度或更大、约81度或更大、约82度或更大、约83度或更大、约84度或更大、约85度或更大、约86度或更大、或者约87度或更大，并且可以为约88.5度或更小、或者约88度或更小。
在一个实例中，第一垂直配向膜的预倾斜角可以为基于配向膜等的水平面在顺时针或逆时针方向上测量的角度，第二垂直配向膜的预倾斜角可以为在相反的方向(即当第一垂直配向膜的预倾斜角在顺时针方向上测量时的逆时针方向或当第一垂直配向膜的预倾斜角在逆时针方向上测量时的顺时针方向)上测量的角度，或者可以为在相同方向上测量的角度。
此外，第三垂直配向膜的预倾斜角可以为基于配向膜等的水平面在顺时针或逆时针方向上测量的角度，第四垂直配向膜的预倾斜角可以为在相反的方向(即当第三垂直配向膜的预倾斜角在顺时针方向上测量时的逆时针方向或当第三垂直配向膜的预倾斜角在逆时针方向上测量时的顺时针方向)上测量的角度，或者可以为在相同方向上测量的角度。
预倾斜方向可以意指液晶分子的指向矢在配向膜的水平面上投射的方向。
第一垂直配向膜和第二垂直配向膜的预倾斜方向以及第三垂直配向膜和第四垂直配向膜的预倾斜方向可以彼此水平。
在一个实例中，如上所述的预倾斜角和方向可以为在每个GH单元的GH层处于垂直取向状态的情况下在每个GH层中测量的预倾斜角和方向。
第一垂直配向膜至第四垂直配向膜可以为摩擦配向膜或光配向膜。在摩擦配向膜的情况下，配向方向由摩擦方向确定，在光配向膜的情况下，其由照射光的偏振方向确定。垂直配向膜的预倾斜角和预倾斜方向可以通过适当地调节取向条件来实现，例如摩擦取向时的摩擦条件或压力条件；或者光取向条件，例如光的偏振态、光的照射角度、光的照射强度；等等。
例如，当垂直配向膜为摩擦配向膜时，预倾斜角可以通过控制摩擦配向膜等的摩擦强度来实现，预倾斜方向可以通过控制摩擦配向膜的摩擦方向来实现，其中该实现方法为已知方法。此外，在光配向膜的情况下，其可以通过配向膜材料、应用于取向的偏振光的方向、状态或强度来实现。
在使用摩擦配向膜的情况下，第一垂直配向膜和第二垂直配向膜的摩擦方向可以彼此相同或相反，第三垂直配向膜和第四垂直配向膜的摩擦方向可以彼此相同或相反。
摩擦方向可以通过测量预倾斜角来确定，其中由于液晶通常保持沿摩擦方向并产生预倾斜角，因此可以通过测量预倾斜角来测量摩擦方向。
如上所述的预倾斜角和方向的设置可以有利于实现透明状态下的较高透射率和黑色状态下的较低透射率。
当将如上所述的GH单元的光轴取向和下面将描述的相位差元件组合时，可以提供其中倾斜方向上的对比度大大改善的透射率可变装置。
在本申请的透射率可变装置中，每个GH单元的具体配置没有特别限制，只要GH层被包括在这样的配置中即可。
本申请的透射率可变装置包括如上所述的至少两个GH单元，并且还包括设置在这两个GH单元之间的相位差元件。因此，在透明模式下，光可以顺序地穿过第一GH单元、相位差元件和第二GH单元，或者可以顺序地穿过第二GH单元、相位差元件和第一GH单元。
可以应用于本申请的相位差元件的具体种类没有特别限制。在一个实例中，作为相位差元件，可以使用具有λ/2相位延迟特性的相位差元件。在此，具有λ/2相位延迟特性的相位差元件是这样的元件：如果入射线性偏振光，则入射光可以被转换成与入射光近似正交或正交的线性偏振光并发射。相位差元件对约550nm波长的光可以具有例如在200nm至350nm范围内或在220nm至320nm范围内的平面相位差。在此，相位差元件的平面相位差是通过相位差元件中的慢轴方向的折射率(nx)与快轴方向的折射率(ny)之差(nx-ny)乘以厚度(d)所获得的值(d×(nx-ny))。
相位差元件可以被设置成使得当GH单元的光轴相对于GH单元水平时，慢轴方向在与光轴成在约35度至约55度的范围内、在约40度至约50度的范围内或约45度。可以提供能够根据如上所述的相位差元件的慢轴与GH单元的光轴之间的关系改变透射率，并且特别是即使当在倾斜方向观察时也能确保高对比度的透射率可变装置。
在本申请中，相位差元件的具体种类没有特别限制，只要其具有如上所述的平面相位差，即λ/2相位延迟特性即可，其可以为单个层或者具有两个或更多个层的层合结构。例如，具有λ/2相位延迟特性的元件也可以通过将两片具有λ/4相位延迟特性的元件层合来实现。当相位差元件表现出λ/2相位延迟特性同时具有两个或更多个层的层合结构时，层合结构中的各个层的慢轴方向可以彼此平行或不平行，但是其可以被设置成其中整体上穿过第一GH层或第二GH层的线性偏振光的偏振方向可以旋转90度并穿过的方向。
在一个实例中，相位差元件可以为非液晶聚合物膜或液晶聚合物膜。在此，液晶聚合物膜是通过使称为RM(reactive mesogen，反应性液晶元)的反应性液晶化合物取向并聚合而制备的膜，非液晶聚合物膜是除液晶聚合物膜之外的具有光学各向异性的聚合物膜，这可以意指通过诸如单轴或双轴拉伸的过程表现出光学各向异性的聚合物膜。这样的非液晶聚合物膜可以例示为TAC(三乙酰纤维素)膜；诸如降冰片烯衍生物的COP(环烯烃共聚物)膜；诸如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的丙烯酸类膜；聚酯膜，例如PC(聚碳酸酯)膜或PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)膜；诸如PE(聚乙烯)或PP(聚丙烯)的烯烃膜；PVA(聚乙烯醇)膜；DAC(二乙酰纤维素)膜；Pac(聚丙烯酸酯)膜；PES(聚醚砜)膜；PEEK(聚醚醚酮)膜；PPS(聚苯砜)膜；PEI(聚醚酰亚胺)膜；PEN(聚萘二甲酸乙二醇酯)膜；PI(聚酰亚胺)膜；PSF(聚砜)膜；或PAR(聚芳酯)膜等，但不限于此。
本申请的透射率可变装置可以以各种结构实现，只要其包括相位差元件和包括第一GH层和第二GH层的GH单元即可，如上所述。
在一个实例中，透射率可变装置可以包括设置成面向彼此的第一基底和第二基底以及设置成面向彼此的第三基底和第四基底。这样的情况示于图2中。如图2中，在如上所述的包括第一基底至第四基底101、102、103、104的透射率可变装置中，第一GH层10可以存在于第一基底101与第二基底102之间，第二GH层20可以存在于第三基底103与第四基底104之间。在上述结构中，第二基底102和第三基底103可以被布置成面向彼此。如图3所示，在图2的结构中，上述相位差元件可以存在于第二基底102与第三基底103之间。在另一个实例中，在图2所示的结构中，第二基底102和第三基底103一起也可以构成相位差元件，而没有任何单独的相位差元件。在如图3中的结构中，第二基底102和第三基底103可以为各向同性基底。在这种情况下，第二基底102和第三基底103各自为表现出λ/4波长相位延迟特性的基底，其中这样的两个基底可以层合在彼此上以形成表现出λ/2相位延迟特性的层。
在图2和图3所示的结构中，存在于第一GH层10与第二GH层20之间的第二基底102和第三基底103的平面相位差之和或者第二基底102和第三基底103和相位差元件30的平面相位差之和可以在能够表现出上述λ/2相位延迟特性的范围内，即，第二基底和第三基底对波长为550nm的光的平面相位差之和或者第二基底、相位差元件和第三基底对波长为550nm的光的平面相位差之和可以在200nm至350nm的范围内。在此，平面相位差之和意指光学上的和。
在另一个实例中，透射率可变装置包括如图4所示顺序地布置的第一基底101、第二基底102和第三基底103，其中第一GH层10可以存在于第一基底101与第二基底102之间，以及第二GH层20可以存在于第二基底102与第三基底103之间。如图4所示，这种情况是两个GH单元共用一个基底(第二基底102)的结构。在这种结构的情况下，共用的第二基底可以表现出上述的λ/2相位延迟特性，即，第二基底对波长为550nm的光的平面相位差可以在200nm至350nm的范围内。
如果可能的话，透射率可变装置可以由除上述示例性结构之外的各种结构组成，只要如上所述的相位差元件可以存在于两个叠合的GH层之间即可。
在上述结构中，可以使用已知材料作为基底，而没有任何特别限制。例如，作为基底，可以使用玻璃膜、结晶或无定形硅膜、诸如石英或ITO(铟锡氧化物)膜的无机膜、或者塑料膜等。
作为塑料基底，可以使用TAC(三乙酰纤维素)基底；COP(环烯烃共聚物)基底，例如降冰片烯衍生物基底；PMMA(聚(甲基丙烯酸甲酯))基底；PC(聚碳酸酯)基底；PE(聚乙烯)基底；PP(聚丙烯)基底；PVA(聚乙烯醇)基底；DAC(二乙酰纤维素)基底；Pac(聚芳酯)基底；PES(聚醚砜)基底；PEEK(聚醚醚酮)基底；PPS(聚醚砜)、PEI(聚醚酰亚胺)基底；PEN(聚萘二甲酸乙二醇酯)基底；PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)基底；PI(聚酰亚胺)基底；PSF(聚砜)基底；PAR(聚芳酯)基底或包括无定形氟树脂的基底等，但不限于此。这样的基底的厚度没有特别限制，其可以在适当的范围内选择。
电极层可以存在于基底上。例如，电极层可以存在于透射率可变装置所包括的基底的表面中的面向GH层的表面的至少一个表面上，例如，图2和图3的结构中第一基底至第四基底的四个内表面的至少一个表面上，或者图4的结构中第一基底101和第三基底103的内表面以及第二基底102的两个侧表面的任一表面上。在本申请中，术语基底的内表面意指基底的两个表面中靠近GH层的表面。
在一个实例中，电极层可以存在于图2和图3的结构中第一基底101的内表面和第二基底102的内表面的至少任一表面以及第三基底103的内表面和第四基底104的内表面的至少任一表面上，并且如果需要，电极层可以存在于第一至第四基底的所有内表面上使得垂直电场可以施加至每个GH单元。此外，在图4的结构中，电极层可以存在于第一基底101的内表面和第二基底102的面向第一GH层10的表面中的至少任一表面上以及第三基底103的内表面和第二基底102的面向第二GH层20的表面中的至少任一表面上，并且如果需要，电极层可以存在于第一和第三基底的所有内表面以及第二基底的两个侧表面上使得垂直电场可以施加至每个GH单元。
可以使用已知的材料形成电极层，并且例如，电极层可以包含导电聚合物、导电金属、导电纳米线或诸如ITO(氧化铟锡)的金属氧化物等。可以形成具有透明性的电极层。在该领域中，能够形成透明电极层的各种材料和形成方法是已知的，并且所有的这些方法都可以使用。如果需要，也可以使形成在基底的表面上的电极层适当地图案化。
液晶取向层可以存在于基底上。液晶取向层也可以形成在基底的内表面，即面向GH层的表面上。当上述电极层存在于基底上时，液晶取向层也可以形成在电极层的表面上或电极层与基底之间。例如，液晶取向层可以存在于透射率可变装置所包括的基底的内表面的至少一个表面上，例如，图2和图3的结构中第一至第四基底的四个内表面的至少一个表面上，或者图4的结构中第一和第三基底101、103的内表面以及第二基底102的两个侧表面的任一表面上。
在一个实例中，液晶取向层可以存在于图2和图3的结构中第一基底101的内表面和第二基底102的内表面的至少任一表面以及第三基底103的内表面和第四基底104的内表面的至少任一表面上，并且如果需要，液晶取向层可以存在于第一至第四基底的所有内表面上。此外，在图4的结构中，液晶取向层可以存在于第一基底101的内表面和第二基底102的面向第一GH层10的表面中的至少任一表面上以及第三基底103的内表面和第二基底102的面向第二GH层20的表面中的至少任一表面上，并且如果需要，液晶取向层也可以存在于第一和第三基底的所有内表面以及第二基底的两个侧表面上。
作为取向层，可以没有特别限制地应用本领域中已知的各种水平取向层或垂直取向层。
透射率可变装置除了如上所述的GH单元和相位差元件以外还可以包括其他必要的元件。这样的元件可以例示为抗反射层或硬涂层等，但不限于此。
如上的透射率可变装置可以应用于各种应用。可以应用透射率可变装置的应用可以例示为包括建筑物、容器或车辆等的封闭空间中的开口，例如窗户或天窗或眼部佩戴物等。在此，在眼部佩戴物的范围内，可以包括所有形成为使得观察者可以通过镜片观看外部的眼部佩戴物，例如普通的眼镜、太阳镜、运动护目镜或头盔，或者用于体验增强现实的仪器。
可以应用本申请的透射率可变装置的典型应用是眼部佩戴物。近来，作为具有安装有镜片使得相对于观察者的正视倾斜的形式的眼部佩戴物的太阳镜、运动护目镜、增强现实体验装置等可以在市场上获得。如上所述，在本申请的透射率可变装置的情况下，即使在倾斜角下也可以确保高对比度，因此可以有效地应用于具有上述结构的眼部佩戴物。
当将本申请的透射率可变装置应用于眼部佩戴物时，眼部佩戴物的结构没有特别限制。也就是说，透射率可变装置可以安装并应用于具有已知眼部佩戴物结构的左眼和/或右眼的镜片中。
例如，眼部佩戴物可以包括左眼镜片和右眼镜片；以及支撑左眼镜片和右眼镜片的框架。
图5是眼部佩戴物的示例性示意图，其是包括框架12和左右眼镜片14的眼部佩戴物的示意图，本发明的透射率可变装置可以应用的眼部佩戴物结构不限于图5。
在眼部佩戴物中，左眼镜片和右眼镜片可以各自包括透射率可变装置。这样的镜片可以仅包括透射率可变装置，或者还可以包括其他构造。
眼部佩戴物可以具有不同的设计，例如，框架可以形成为倾斜，使得当观察者佩戴眼部佩戴物时，由观察者的正视方向和透射率可变装置的表面的法线形成的角在15度至40度的范围内。这样的眼部佩戴物可以例示为运动护目镜或增强现实体验装置等。
有益效果
本申请的透射率可变装置可以在透明状态和黑色状态之间切换，在透明状态下可以表现出高透射率以及在黑色状态下可以表现出高遮蔽率，并且即使在倾斜角下也可以表现出高对比度。本申请的这种透射率可变装置可以应用于各种应用，包括需要调节透射率的各种建筑或汽车材料，或者眼部佩戴物，例如用于增强现实体验或运动的护目镜、太阳镜或头盔。
附图简述
图1至图4是本申请的示例性透射率可变装置的示意图。
图5是应用了本申请的透射率可变装置的眼部佩戴物的示意图。
图6和图7是用于说明预倾斜角的测量方法的图。
发明实施方式
在下文中，将通过实施例和比较例详细描述本申请的透射率可变装置，但是本申请的范围不受以下透射率可变装置限制。
用于测量预倾斜角的方法
GH单元的预倾斜角可以按照以下方式测量。在测量GH单元的预倾斜角时，存在对一个GH单元进行测量的方法和在将两个GH单元叠置的双单元中进行测量的方法，下面分别进行描述。在此，对于第一至第四垂直配向膜具有全部相似的预倾斜角的情况，在双单元中对其进行测量的方法的情况是有用的。另一方面，可以通过在每个GH单元水平取向的状态下在GH单元的一侧上设置吸收性线性偏振器并在使偏振器旋转360度的同时测量透射率来确认预倾斜方向。例如，当在使偏振器旋转360度的过程中在透射率最小时，可以将与偏振器的吸收轴垂直(perpendicular)或垂直(vertical)的角定义为预倾斜方向。
1.单GH单元的预倾斜角的测量
首先，如图6所示，将GH单元布置在光源与透射率测量传感器(例如，LCMS-200)之间。在这种状态下，将以最短距离连接测量传感器与光源的方向限定为Y轴，并将正交于Y轴的方向限定为X轴，如图中以虚线所示的。然后，如图6所示，在使GH单元旋转并用来自光源的光照射的同时，通过测量传感器评估透射率。在该过程中，可以将GH单元的取向状态保持在垂直取向状态。当通过上述过程测量透射率时，通过由透射率变为最大的点处GH单元的表面法线(由图中实线表示)与Y轴形成的角度来测量预倾斜角。例如，如果Y轴和表面法线形成图6中A度时，实现最高透射率，则可以将预倾斜角限定为通过从90度减去A度获得的值。在此，A度是在顺时针或逆时针方向上测量的正数。
2.双单元的预倾斜角的测量
即使在双单元的情况下，也可以以与如上相同的方式测量预倾斜角。首先，如图7所示，将双单元设置在光源与透射率测量传感器(例如，LCMS-200)之间。也就是说，在图7中，将光源设置在第一GH单元10的前面(图中的出去方向)或后面(图中的进入方向)的任一侧上，将测量传感器设置在另一侧上，在使双单元沿图的旋转方向旋转的同时，在透射率变为最大时测量Y轴(以最短距离连接光源和测量传感器的轴)与双单元的表面法线形成的角度(A度)，然后，可以将通过从90度减去该角度的绝对值获得的值限定为预倾斜角。即使在这种情况下，也可以将GH单元10、20的取向保持在垂直取向。
实施例1
通过在两个COP(环烯烃聚合物)膜之间形成GH层来制造第一GH单元，在所述COP膜中ITO(氧化铟锡)电极层和垂直配向膜顺序地形成在表面上。在此，将GH单元的单元间隙设定为约12μm。在此，作为垂直配向膜，使用预倾斜角为约89度的配向膜。通过棒涂在ITO电极层上涂覆基于聚酰亚胺的垂直配向膜，将配向膜形成为约200nm的厚度，将该膜在130℃下保持约30分钟，并用摩擦布摩擦该膜，并且将两个COP膜层合以使摩擦方向彼此相同。此外，通过施加GH混合物形成GH层，在所述GH混合物中，作为液晶化合物的介电常数各向异性为约-4.9且折射率各向异性为约0.132的向列型液晶和作为二色性染料的二色性比为约6.5至8的黑色染料以98.7:1.3(向列型液晶:二色性染料)的重量比混合。将以与上述相同的方式制备的第二GH单元和第一GH单元如图3叠置，并且在它们之间放置对于550nm的波长平面相位差约275nm的COP(环烯烃聚合物)膜以制造透射率可变的元件。装置是这样的类型，其中第一GH单元和第二GH单元的液晶主体在不施加电压时处于垂直取向状态，并且液晶主体在施加电压时水平取向。进行第一GH层和第二GH层的层合以使各个GH层中的液晶主体的光轴在水平取向时彼此水平，并且COP膜的慢轴与水平取向液晶主体的光轴的方向为约45度。
实施例2
以与实施例1中相同的方式制备第一GH单元和第二GH单元，不同之处在于在制造GH单元时，施加以下膜作为基底：表面上顺序地形成有ITO(氧化铟锡)电极层和垂直配向膜的各向同性(聚(对苯二甲酸乙二酯))膜、以及表面上顺序地形成有ITO电极层和垂直配向膜且对550nm波长的光的平面相位差为约137.5nm的COP(环烯烃聚合物)膜，单元间隙为约11μm。在制造GH单元时，当GH单元的液晶主体水平取向时，COP膜的慢轴与光轴成45度。随后，通过附接第一GH单元和第二GH单元的COP膜使得各个膜的慢轴水平来制造透射率可变装置。装置是这样的类型，其中第一GH单元和第二GH单元的液晶主体在不施加电压时处于垂直取向状态，并且液晶主体在施加电压时水平取向。进行第一GH层和第二GH层的层合使得各个GH层中的液晶主体的光轴在水平取向时彼此水平。
比较例1
以与实施例1中相同的方式制造透射率可变装置，不同之处在于未施加作为相位差元件的COP膜，并且层合GH单元使得当第一GH单元和第二GH单元二者水平取向时，各液晶主体的光轴彼此垂直。
测试例1.
用DC65光源的光照射实施例和比较例中制造的透射率可变装置以评估线性透光率。在将右水平方向设定为0度以及左水平方向设定为180度时，从透射率可变装置的中心起，分别测量中心方向(前方)、0度方向、90度方向、180度方向和270度方向上的透射率以测量所有前、左、右、上和下方向的透射率。实施例和比较例的所有装置均处于正常透明模式，在不施加电压的状态下表现出高透射率，随着施加电压，透射率降低，并且在施加约28V的电压时表现出最小透射率。下表总结了根据所施加电压的各个装置的透射率和对比度。下表1示出实施例1的测量结果，表2示出实施例2的测量结果。对比度(CR)是最大透射率(Tc)与最小透射率(T)的比(Tc/T)，当在改变电压的施加量的同时测量透射率时确认。
[表1]
Figure GDA0003143281910000181
[表2]
Figure GDA0003143281910000182
从以上结果可以确认，本申请的透射率可变装置在所有前、左、右、上、下均表现出适当的透射率可变特性，并且确认了施加电压时取决于视角(例如270度)的透射率先上升后下降的部分，从而其可以应用于各种应用。
测试例2.
用DC65光源的光照射实施例和比较例中制造的透射率可变装置以评估线性透光率。照射入射光以与透射率可变装置的表面法线形成约20度的角度。实施例和比较例的所有装置均处于正常透明模式，在不施加电压的状态下表现出高透射率，随着施加电压，透射率降低，并且在施加约28V的电压时表现出最小透射率。下表3中总结了根据所施加电压的各个装置的透射率和对比度。对比度是如测试例1中的最小透射率和最大透射率的比(Tc/T)。
[表3]
Figure GDA0003143281910000191
从表3所示的结果可以确认，即使对于倾斜光，根据本申请的透射率可变装置也可以实现在透明状态下的高透射率和在黑色状态下的低透射率。
[附图标记说明]
10：第一GH层
20：第二GH层
30：相位差元件
101、102、103、104：基底
14：左眼镜片或右眼镜片
12：框架

Claims (13)

1.一种透射率可变装置，包括设置成叠置在彼此上的第一宾主层和第二宾主层，
其中，所述第一宾主层和所述第二宾主层各自包含液晶主体和二色性染料客体，并且所述第一宾主层和所述第二宾主层中的所述液晶主体水平取向使得其光轴彼此水平；以及
相位差元件设置在所述第一宾主层与所述第二宾主层之间，所述相位差元件具有λ/2相位延迟特性，
其中所述透射率可变装置还包括顺序地设置的第一基底、第二基底和第三基底，其中所述第一宾主层存在于所述第一基底与所述第二基底之间，所述第二宾主层存在于所述第二基底与所述第三基底之间，以及所述第二基底对于波长为550nm的光的平面相位差在200nm至350nm的范围内。
2.根据权利要求1所述的透射率可变装置，其中所述装置能够根据电压施加在透明状态与黑色状态之间切换。
3.根据权利要求2所述的透射率可变装置，其中在所述透明状态下与宾主层的表面的法线形成20度的角度的入射光的透射率Tc与在所述黑色状态下所述入射光的透射率Tb的比率Tc/Tb为7.5或更大。
4.根据权利要求1所述的透射率可变装置，其中所述液晶主体包括向列型液晶化合物。
5.根据权利要求1所述的透射率可变装置，其中所述二色性染料为偶氮染料、蒽醌染料、次甲基染料、偶氮甲碱染料、部花青染料、萘醌染料、四嗪染料、亚苯基染料、夸特锐烯染料、苯并噻二唑染料、二酮吡咯并吡咯染料、方酸染料或焦亚甲基染料。
6.根据权利要求1所述的透射率可变装置，其中当所述第一宾主层和所述第二宾主层中的所述液晶主体在不施加电压的状态下水平取向时，所述第一宾主层和所述第二宾主层中的所述液晶主体通过电压施加转变为垂直取向状态，而当所述第一宾主层和所述第二宾主层中的所述液晶主体在施加电压的状态下水平取向时，所述第一宾主层和所述第二宾主层中的所述液晶主体在不施加电压的状态下转变为垂直取向状态。
7.根据权利要求6所述的透射率可变装置，其中在所述垂直取向状态下的所述液晶主体的预倾斜角在70度或更大且小于90度的范围内。
8.根据权利要求7所述的透射率可变装置，其中所述第一宾主层的预倾斜方向和所述第二宾主层的预倾斜方向彼此平行。
9.根据权利要求1所述的透射率可变装置，其中所述相位差元件对波长为550nm的光的平面相位差在200nm至350nm的范围内。
10.根据权利要求1所述的透射率可变装置，其中在水平取向时由所述相位差元件的慢轴与所述宾主层中的所述液晶主体的光轴形成的角度在35度至55度的范围内。
11.根据权利要求1所述的透射率可变装置，其中所述相位差元件为非液晶聚合物膜或液晶聚合物膜。
12.一种眼部佩戴物，包括：左眼镜片和右眼镜片；以及用于支撑所述左眼镜片和所述右眼镜片的框架，
其中所述左眼镜片和所述右眼镜片各自包括根据权利要求1所述的透射率可变装置，以及
所述框架形成为使得由观察者在佩戴时的正视方向与所述透射率可变装置的表面的法线形成的角度在15度至40度的范围内。
13.根据权利要求12所述的眼部佩戴物，其中所述眼部佩戴物为增强现实体验装置。
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