CN110703470A - 一种双响应调光器件及其制备方法、调光方法和光学装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能够同时实现电响应和温度响应的调光器件及其制备方法、调光方法和光学装置。该双响应调光器件包括依次层叠设置的第一透光基板、第一电极层、温度响应型聚合物稳定液晶层、电响应型胆甾相液晶层、第二电极层、第二透光基板，第二电极层包括叉指电极阵列。相较与单独使用聚合物稳定胆甾相液晶层实现温度响应和单独使用胆甾相液晶层实现电响应的技术方案，本发明所提供的双响应调光器件可以实现温度与电响应的双重耦合，以满足人们对节能减排和保护隐私的需要。本发明所提供的双响应调光器件具有多种不同的透光状态，模式丰富，节能环保，在车窗玻璃、家居玻璃窗、玻璃幕墙等领域有着较好的应用前景。

Description

一种双响应调光器件及其制备方法、调光方法和光学装置

技术领域

本发明涉及智能家居技术领域，尤其是涉及一种双响应调光器件及其制备方法、调光方法和光学装置。

背景技术

聚合物稳定液晶材料制备得到的温度响应调光器件一般采用具有近晶相-胆甾相转变的液晶材料，在低温条件下，温度响应调光器件中的近晶相液晶分子在聚合物网络的稳定作用下呈垂直取向的分子排列方式，调光器件为透明状态，不反射红外光；而在高温条件下，近晶相液晶分子会转变为胆甾相液晶，胆甾相液晶具有周期性的螺旋结构，光线入射到温度响应调光器件后，与旋光方向相同的部分偏振光被反射，与旋光方向相反的部分偏振光透射，通过调节胆甾相液晶的螺距，可以使温度响应调光器件反射可见光或红外光。以此为基础的智能窗在炎热夏季时液晶分子排列为胆甾相，反射大部分近红外光，从而降低室内温度，减少空调的使用量；而在温度较低时，液晶分子排列为近晶相，不反射红外光，保证室内的采暖，从而降低建筑能耗。

还存在这样一种电响应调光器件，其可以采用胆甾相液晶制成，众所周知，当在胆甾相液晶两端施加一定强度的电场，其可以从平面态转变为焦锥态，焦锥态是一种多畴结构，液晶分子的指向矢垂直于液晶盒，但每个畴内的螺旋结构却仍然存在，这一变化使得胆甾相液晶对入射的光波产生散射。以此为基础的智能窗可以通过调节电压使液晶获得平面态和焦锥态的相互转换，从而实现透明状态和模糊状态之间的转换，满足人们在保护隐私和采光的需求。

上述两种调光器件的优点显而易见。但是，由于目前所使用的结构的制约，电响应调光器件无法像温度响应调光器件一样进行智能调光；而温度响应调光器件又无法像电响应调光器件一样实现模糊状态和透明状态之间的转换。如果将两者简单组合，其在加压和/或加热条件下又会互相影响，无法同时分别实现电响应和温度响应。同时，形成的器件结构复杂，厚度较大，会导致器件透过率低，所以缺乏实际的可行性。因此，有必要提供一种能够同时实现电响应和温度响应的调光器件。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是如何提供一种能够同时实现电响应和温度响应的调光器件及其制备方法、调光方法和光学装置。

根据本发明的第一个方面，本发明提供一种双响应调光器件，根据本发明的实施例，该双响应调光器件包括依次层叠设置的第一透光基板、第一电极层、温度响应型聚合物稳定液晶层、电响应型胆甾相液晶层、第二电极层、第二透光基板，第二电极层包括叉指电极阵列。

其中，温度响应型聚合物稳定液晶层是指由包括具有温度响应特性的聚合物稳定胆甾相液晶形成的液晶层，其具体包括以聚合物网络形式存在的聚合物以及具有温度响应特性的胆甾相液晶，温度响应特性是具有近晶相-胆甾相转变的温度响应特性，即，在低温条件下为近晶相，温度升高后会转变为胆甾相的特性。电响应型胆甾相液晶层是指利用胆甾相液晶能够在无电压/电场与有电压/电场的情况下，或者是低电压/电场与高电压/电场的情况下实现平面态到焦锥织构态转化的特性制备出的胆甾相液晶层。叉指电极阵列是指包括具有指状或梳状的周期性图案的两组或两组以上的电极组成的电极阵列，每组电极中各个电极为指状或梳状的周期性阵列。

本发明的有益效果是：

将电源组件的正负极分别连接双响应调光器件的叉指电极阵列的电极时：

(1)在低温不加电的情况下，温度响应型聚合物稳定液晶层处于近晶相，电响应型胆甾相液晶层处于平面态胆甾相，此时双响应调光器件为透明不反射状态。

(2)在高温不加电的情况下，温度响应型聚合物稳定液晶层转换为胆甾相，可以反射与胆甾相螺距范围相同的特定波长的特定旋光方向的光，从而保证调光器件另一侧不至于太多光线透射，减少光线的加热作用。而电响应型胆甾相液晶层处于平面态胆甾相，此时双响应调光器件为透明反射状态。

(3)在低温加电的情况下，温度响应型聚合物稳定液晶层依然为近晶相，电响应型胆甾相液晶层在叉指电极阵列的电场的作用下转换为焦锥态排列，此时双响应调光器件为模糊不反射状态。移去电压后，仍保持模糊不反射状态。将电源组件的正负极分别转为连接双响应调光器件的第一电极层和第二电极层时，施加电压可以使双响应调光器件还原至透明不反射状态。

(4)在高温加电的情况下，温度响应型聚合物稳定液晶层转换为胆甾相，可以反射与胆甾相螺距范围相同的特定波长的特定旋光方向的光，从而保证调光器件另一侧不至于太多光线透射，减少光线的加热作用。而电响应型胆甾相液晶层在叉指电极阵列的电场的作用下重新排列形成焦锥态，此时双响应调光器件为模糊反射状态。移去电压后，仍保持模糊反射状态。将电源组件的正负极分别转为连接双响应调光器件的第一电极层和第二电极层时，施加电压可以使双响应调光器件还原至透明反射状态。

综上，相较与单独使用聚合物稳定胆甾相液晶层实现温度响应和单独使用胆甾相液晶层实现电响应的技术方案，本发明所提供的双响应调光器件可以实现温度与电响应的双重耦合，以满足人们对节能减排和保护隐私的需要。一侧基板的电极层采用叉指电极阵列，不同的叉指电极分别连接电源正负极对温度响应型聚合物稳定液晶层和电响应型胆甾相液晶层施加电场，由于叉指电极阵列靠近电响应型胆甾相液晶层，其受电场力作用较强；而温度响应型聚合物稳定液晶层由于距离较远，受到的电场力较弱或不受电场力，在这种情况下，温度响应型聚合物稳定液晶层中的聚合物网络可以使得液晶分子在较弱的电场力作用下排列方式不会改变，这种加电状态下的温度响应型聚合物稳定液晶层也就不会变为焦锥态而使整个双响应调光器件成为单纯的模糊状态。本发明所提供的双响应调光器件具有多种不同的透光状态，模式丰富，节能环保，在车窗玻璃、家居玻璃窗、玻璃幕墙等领域有着较好的应用前景。

根据本发明的实施例，叉指电极阵列为平行叉指电极阵列。

平行叉指电极阵列是指阵列中各组电极的各个叉指之间呈相互交替的平行排列，叉指的形状根据实际需求的不同可以是包括但不仅限于长条形、带有规则突起的长条形等，叉指电极阵列的整体形状根据实际需求的不同可以是包括但不仅限于矩形、圆形等形状。

根据本发明的实施例，叉指电极阵列的叉指的宽度为0.05μm～500μm。

根据本发明的实施例，叉指电极阵列的相邻叉指的间距为0.05μm～500μm。

根据本发明的实施例，温度响应型聚合物稳定液晶层为温度响应型负性聚合物稳定液晶层，电响应型胆甾相液晶层为电响应型负性胆甾相液晶层。

温度响应型聚合物稳定液晶层和电响应型胆甾相液晶层的主体液晶可以分为正性液晶和负性液晶两大类，本发明中使用负性液晶形成温度响应型负性聚合物稳定液晶层和电响应型负性胆甾相液晶层。

根据本发明的实施例，聚合物稳定液晶层由包括非手性可聚合液晶单体、光引发剂、第一手性掺杂剂、可聚合手性液晶单体、第一负性液晶的原料制得。

根据本发明的实施例，聚合物稳定液晶层由包括非手性可聚合液晶单体、光引发剂、第一手性掺杂剂、可聚合手性液晶单体、第一负性液晶的原料经紫外固化制得。

根据本发明的实施例，温度响应型聚合物稳定液晶层由包括非手性可聚合液晶单体、光引发剂、第一手性掺杂剂、可聚合手性液晶单体、阻聚剂、第一负性液晶的原料制得。

根据本发明的实施例，基于温度响应型聚合物稳定液晶层的总重量，温度响应型聚合物稳定液晶层由包括重量百分比分别为2％～10％的非手性可聚合液晶单体、0.1％～2％的光引发剂、1％～15％的第一手性掺杂剂、2％～10％的可聚合手性液晶单体、0.2％～2％的阻聚剂、61％～94.7％的第一负性液晶(经紫外光固化)制得。

根据本发明的实施例，电响应型胆甾相液晶层由包括第二手性掺杂剂和第二负性液晶的原料组成。

根据本发明的实施例，基于电响应型胆甾相液晶层的总重量，电响应型胆甾相液晶层由包括重量百分比分别为8％～20％的第二手性掺杂剂和80％～92％的第二负性液晶的原料组成。

其中，非手性可聚合液晶单体的非限制性实例可以是HCM008、HCM009等；光引发剂的非限制性实例可以是Irgacure-651、Irgacure-819等；第一手性掺杂剂和第二手性掺杂剂的非限制性实例可以是R1011、R811等；可聚合手性液晶单体的非限制性实例可以是CD267等；第一负性液晶和第二负性液晶的非限制性实例可以是HNG30400-200。

根据本发明的实施例，温度响应型负性聚合物稳定液晶层使用的第一负性液晶与电响应型负性胆甾相液晶层使用的第二负性液晶相同。

使用相同的负性液晶能够避免两层结构中的物质由于相互混合而对调光器件的性能造成影响。

根据本发明的实施例，温度响应型负性聚合物稳定液晶层使用的第一手性掺杂剂与电响应型负性胆甾相液晶层使用的第二手性掺杂剂相同。

使用手性相同的掺杂剂能够避免两层结构中的物质由于相互混合产生手性相消而对调光器件的性能造成影响。

根据本发明的第二个方面，本发明提供一种双响应调光器件的制备方法，根据本发明的实施例，该双响应调光器件的制备方法包括以下步骤：

取或制备第一透光基板和第一电极层复合形成的第一复合基板，在第一电极层的表面制备温度响应型聚合物稳定液晶层；

将第一复合基板制备有温度响应型聚合物稳定液晶层的一侧与第二透光基板和第二电极层复合形成的第二复合基板相对设置，制备成液晶盒；

在液晶盒中填充电响应型胆甾相液晶，以形成电响应型胆甾相液晶层。

根据本发明的第三个方面，本发明提供一种调光方法，根据本发明的实施例，该调光方法包括将上述的双响应调光器件的叉指电极阵列的电极分别与电源组件的正负极相连，施加电压将电响应型胆甾相液晶层转变为焦锥态；将第二导电层和第一导电层分别与电源组件的正负极相连，施加电压将电响应型胆甾相液晶层转变为平面态。

其中，叉指电极阵列的电极分别与电源组件的正负极相连是指，每组电极中的各个电极相互并联，不同组电极之间分别与电源组件的正负极相连接。第二导电层和第一导电层分别与电源组件的正负极相连是指，叉指电极阵列的每组电极中的各个电极相互并联，不同组电极之间也相互并联，并与电源组件的一极连接，而第一导电层与电源组件的另一极连接。

根据本发明的第四个方面，本发明提供一种光学装置，根据本发明的实施例，该光学装置包括上述的双响应调光器件。

其中，光学装置的非限制性实例可以是包括上述双响应调光器件的调光装置、智能窗、玻璃幕墙、照明装置、显示设备等。

附图说明

图1是本发明的一个实施例的双响应调光器件的总体示意图。

图2是本发明的一个实施例的双响应调光器件的叉指电极阵列的示意图。

图3是本发明的一个实施例的双响应调光器件的液晶盒在低温不加电状态下的示意图。

图4是本发明的一个实施例的双响应调光器件的液晶盒在低温加电状态下的示意图。

图5是本发明的一个实施例的双响应调光器件的液晶盒在高温不加电状态下的示意图。

图6是本发明的一个实施例的双响应调光器件的液晶盒在高温加电状态下的示意图。

具体实施方式

以下将结合实施例对本发明的构思、具体结构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。

实施例1

图1是本发明的一个实施例的双响应调光器件的总体示意图。如图1所示，该双响应调光器件，包括依次层叠设置的第一透光基板1、第一导电层3(图1中未示出)、温度响应型聚合物稳定液晶层5、电响应型胆甾相液晶层6、平行配向层(图1中未示出)、第二导电层4(图1中未示出)、第二透光基板2，第一透光基板1和第二透光基板2通过掺杂有间隔子7的UV胶封装成液晶盒，并分别与电源电性连接。连接方式一(图1下方虚线框所示)是将第二透光基板2上的第二导电层4的两组电极组(图1中未示出)分别与电源组件的正负极相连，连接方式二(图1右侧虚线框所示)是将第一透光基板1上的第一导电层3(图1中未示出)和第二透光基板2上的第二导电层4(图1中未示出)分别与电源组件的正负极相连。

在本实施例中，第一透光基板1和第一导电层3为ITO导电玻璃(第一复合基板)。第二透光基板2和第二导电层4分别为玻璃基板和铬金叉指电极阵列，为附有图案化电极的透光基板(第二复合基板)。

该双响应调光器件的制备方法如下：

一、液晶混合物的制备

在黄光环境下，取8.5质量份的非手性可聚合液晶单体HCM009、8.48质量份的左旋手性掺杂剂R1011、4.5质量份的可聚合手性液晶单体CD267、0.2质量份的光引发剂Irgacure-651、1质量份的阻聚剂、76.72质量份的负性液晶HNG30400-200置于棕色瓶中，向棕色瓶中加入1mL二氯甲烷后，在常温下搅拌30min，然后在60℃下加热8h，将二氯甲烷完全蒸发，制成混合物一。

取8.9质量份的左旋手性掺杂剂R1011、91.1质量份的负性液晶HNG30400-200置于棕色瓶中，向棕色瓶中加入1mL二氯甲烷后，在常温下搅拌30min，然后在60℃下加热8h，将二氯甲烷完全蒸发，制成混合物二。

二、附有图案化电极的透光基板的制备

取玻璃片清洗、干燥后放入电子束蒸发镀膜机中，抽真空，以此蒸镀

的铬层和

的金层，升温至300℃热处理。旋涂1μm～2μm的光刻胶，利用叉指电极图形的光刻板进行紫外曝光处理光刻，湿法腐蚀，得到附有图案化电极的透光基板。

三、双响应调光器件的制备

(1)取一块ITO导电玻璃，清洗、紫外臭氧照射后待用。在黄光环境下，取混合物一，刮涂棒和透光导电基板加热到45℃，利用刮涂棒在透光导电基板上覆有导电层的一面刮涂混合物一，刮涂的混合物一的厚度为8μm，然后利用200W功率的紫外光光源固化10min形成温度响应型聚合物稳定液晶层。取附有图案化电极的透光基板，经清洗、紫外臭氧照射、旋涂，摩擦后在基板带有图案化电极(叉指电极阵列)的一侧制成平行配向层，利用掺杂有20μm直径间隔子的UV胶与上述带有温度响应型聚合物稳定液晶层的基板封装制成液晶盒，其中聚合物网络稳定胆甾相液晶层在两块基板之间，在90℃的热台上将混合物二填充到上述液晶盒中，自然降温到室温，制得双响应调光器件。

上述化合物中，负性液晶HNG30400-200为混合液晶(购于江苏和成显示科技股份有限公司)，左旋手性掺杂剂R1011(购于北京八亿时空液晶科技股份有限公司)，其化学结构式为：

可聚合手性液晶单体CD267的结构式为：

非手性可聚合液晶单体HCM009(购于江苏和成显示科技股份有限公司)，其化学结构式为：

光引发剂Irgacure-651(购于希恩思)，其化学结构式为：

阻聚剂化学结构式为：

图2是本发明的一个实施例的双响应调光器件的叉指电极阵列的示意图。如图2所示，该叉指电极阵列包括第一电极组41和第二电极组42，第一电极组41包括若干横向平行等距排列的第一叉指411，第二电极组42包括若干横向平行等距排列的第二叉指421，相邻的第一叉指411和第二叉指421之间等间距排列。第一叉指411和第二叉指421的宽度均为300μm，相邻第一叉指411和第二叉指421之间的间距为300μm(即相邻两叉指宽度方向上最邻近的两边之间距离)。第一叉指411的端部与第二电极组42的主体之间的距离413为300μm，第一电极组41的主体下方宽度412和第二电极组42的主体下方宽度422均为0.6cm。最下方的第二叉指421与第一电极组41的主体下方距离423为3mm。叉指电极阵列的整体大小为5cm×4cm。

图3是本发明的一个实施例的双响应调光器件的液晶盒在低温不加电状态下的示意图。图4是本发明的一个实施例的双响应调光器件的液晶盒在低温加电状态下的示意图。图5是本发明的一个实施例的双响应调光器件的液晶盒在高温不加电状态下的示意图。图6是本发明的一个实施例的双响应调光器件的液晶盒在高温加电状态下的示意图。如图3～图6所示，第一导电层3和第二导电4之间封装有温度响应型聚合物稳定液晶层5和电响应型胆甾相液晶层6，温度响应型聚合物稳定液晶层5内有温度响应型液晶51和聚合物网络52，电响应型胆甾相液晶层6内由电响应型胆甾相液晶61。

(1)参见图3，在低温、未接入电压时，温度响应型聚合物稳定液晶层5排列为近晶相，电响应型胆甾相液晶层6排列为胆甾相。此时双响应调光器件为透明不反射状态。

(2)参见图4，在低温、按照连接方式一接入电压时，温度响应型聚合物稳定液晶层5由于聚合物网络52的存在仍然维持近晶相，电响应型胆甾相液晶层6的液晶分子由原来平行于第二透光基板的平面态取向转变为焦锥态取向。此时双响应调光器件为模糊不反射状态。并且在移除外接电压后，该双响应调光器件能够保持在模糊状态。

(3)参见图5，在高温、未接入电压时，温度响应型聚合物稳定液晶层5由近晶相转变为胆甾相，反射近红外波段的光。由于未接入电压，电响应型胆甾相液晶层6的液晶分子仍然维持原来平行于第二透光基板的平面态胆甾相排列。此时双响应调光器件为透明反射状态，可以反射近红外波段的光。

(4)参见图6，在高温，按照连接方式一接入电压时。温度响应型聚合物稳定液晶层5由近晶相转变为胆甾相，反射近红外波段的光。电响应型胆甾相液晶层6的液晶分子由原来平行于第二透光基板的平面态取向转变为焦锥态取向。此时双响应调光器件为模糊反射状态，呈模糊状态并且可以反射近红外波段的光。在移除外接电压后，该双响应调光器件能够保持在模糊状态。

当接入电压的方式由连接方式一变为连接方式二后，该双响应调光器件的模糊状态可以消除，电响应型胆甾相液晶层6重新变为平行于第二透光基板的平面态胆甾相排列。

实施例2

一种双响应调光器件，与实施例1的区别在于，非手性可聚合液晶单体采用HCM008、光引发剂采用Irgacure-2959。

实施例3

一种双响应调光器件，与实施例1的区别在于，光引发剂采用Irgacure-369、手性掺杂剂采用S811。

实施例4

一种智能窗，包括实施例1～实施例3任一种双响应调光器件。

实施例5

一种双响应调光器件，与实施例1的区别在于，叉指电极阵列的叉指的宽度为0.05μm，叉指电极阵列的相邻叉指的间距为0.05μm。

实施例6

一种双响应调光器件，与实施例1的区别在于，叉指电极阵列的叉指的宽度为500μm，叉指电极阵列的相邻叉指的间距为500μm。

以上是对本发明的较佳实施例进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种双响应调光器件，其特征在于，包括依次层叠设置的第一透光基板、第一电极层、温度响应型聚合物稳定液晶层、电响应型胆甾相液晶层、第二电极层、第二透光基板，所述第二电极层包括叉指电极阵列。

2.根据权利要求1所述的双响应调光器件，其特征在于，所述叉指电极阵列为平行叉指电极阵列。

3.根据权利要求2所述的双响应调光器件，其特征在于，所述叉指电极阵列的叉指的宽度为0.05μm～500μm。

4.根据权利要求2所述的双响应调光器件，其特征在于，所述叉指电极阵列的相邻叉指的间距为0.05μm～500μm。

5.根据权利要求1所述的双响应调光器件，其特征在于，所述温度响应型聚合物稳定液晶层为温度响应型负性聚合物稳定液晶层，所述电响应型胆甾相液晶层为电响应型负性胆甾相液晶层。

6.根据权利要求1～5任一项所述的双响应调光器件，其特征在于，基于所述温度响应型聚合物稳定液晶层的总重量，所述温度响应型聚合物稳定液晶层由包括重量百分比分别为2％～10％的非手性可聚合液晶单体、0.1％～2％的光引发剂、1％～15％的第一手性掺杂剂、2％～10％的可聚合手性液晶单体、0.2％～2％的阻聚剂、61％～94.7％的第一负性液晶的原料制得。

7.根据权利要求1～5任一项所述的双响应调光器件，其特征在于，基于所述电响应型胆甾相液晶层的总重量，所述电响应型胆甾相液晶层由包括重量百分比分别为8％～20％的第二手性掺杂剂和80％～92％的第二负性液晶的原料组成。

8.权利要求1～7任一项所述的双响应调光器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

取或制备第一透光基板和第一电极层复合形成的第一复合基板，在所述第一电极层的表面制备温度响应型聚合物稳定液晶层；

将第一复合基板制备有所述温度响应型聚合物稳定液晶层的一侧与第二透光基板和第二电极层复合形成的第二复合基板相对设置，制备成液晶盒；

在所述液晶盒中填充电响应型胆甾相液晶，以形成电响应型胆甾相液晶层。

9.一种调光方法，其特征在于，包括将权利要求1～7任一项所述的双响应调光器件的叉指电极阵列的电极分别与电源组件的正负极相连，施加电压将电响应型胆甾相液晶层转变为焦锥态；将第二导电层和第一导电层分别与电源组件的正负极相连，施加电压将电响应型胆甾相液晶层转变为平面态。

10.一种光学装置，其特征在于，包括权利要求1～7任一项所述的双响应调光器件。

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