CN111149048B - 透射率可变装置 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及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，并且甚至在倾斜角度下也可以表现出高对比度，并且在所有方向上表现出优异的视角对称性。本申请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；或护目镜，例如用于增强现实体验或运动的风镜、太阳镜、或头盔。

Description

透射率可变装置
相关申请的交叉引用
本申请要求基于2017年10月31日提交的韩国专利申请第10-2017-0143741号的优先权的权益，其公开内容通过引用其整体并入本文中。
技术领域
本申请涉及透射率可变装置。
背景技术
使用所谓的GH单元(guest host cell，宾主单元)的透射率可变装置是已知的，所谓的GH单元应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(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，包括诸如太阳镜的护目镜、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)体验的护目镜上的应用。
这样的透射率可变装置通过调节GH单元中的二色性染料客体的定向来调节透射率。
这样的透射率可变装置具有的问题是视角特性差。例如，如果通过将两个GH单元交叠、然后使各个GH单元的光轴交叉来实现黑色状态，则存在如下问题：即使当在水平方向上的视角特性对称时，在垂直方向上的视角特性转移到一侧。
<现有技术文献>
<专利文献>
(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
本申请涉及透射率可变装置及其用途，并且在一个实例中，一个目的是提供在全向视角中确保对称性的透射率可变装置。
技术方案
本申请涉及透射率可变装置。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，在包括至少两个宾-主单元(在下文中，GH单元)的结构中，可以通过调节每个GH单元中的二色性染料的定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、或者60％或更小，或者可以为45％或更大、50％或更大、或者55％或更大。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％或更小、6％或更小、或者约5.5％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全向视角中也可以确保对称性以及这样的透射率特性。
透射率可以是对可见光的波长区域(即400nm至700nm的波长范围)内的任何波长的光的数值、或者对全部波长的光的数值的平均值。
上述透明状态下的线性透光率是在透射率可变装置的相关透射率最高的状态下的透射率，而黑色状态下的线性透射率是在透射率可变装置的透射率最低的状态下的透射率。
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，这意指能够通过控制混合物的二色性染料客体的定向调节透光率的单元。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，作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层以彼此叠置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层上，反之，透射过第二GH层的光也可以入射到第一GH层上。
图1是示意性地示出如上的第一GH层10和第二GH层20彼此叠置的状态的图。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。可以包含液晶化合物作为主体材料。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以内、±30以内、±10以内、±7以内、±5以内或±3以内的范围内。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。
除非另有说明，否则本文中的术语折射率是基于波长为约550nm的光的折射率。
此外，在本说明书中提及的物理特性中，当测量温度和/或压力影响它们的物理特性值时，除非另有说明，否则相关物理特性意指在常温和/或常压下测量的物理特性。
在本申请中，术语常温是在没有升温或冷却的情况下的自然温度，其可以意指例如约10℃至30℃的范围内的任一温度或者约25℃或23℃左右的温度。
在本申请中，术语常压是在没有特别降低或增加时的压力，其通常可以是一个大气压左右，例如大气压。
GH层还可以包含二色性染料。可以包含染料作为客体材料。二色性染料可以用于例如根据主体材料的定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和/或改变可见光区域内(例如400nm至700nm的波长范围内)的范围中的至少一部分或全部的光的材料，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取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、四萘嵌三苯染料、苯并噻二唑染料、二酮吡咯并吡咯染料、方酸菁染料或吡咯甲川染料等，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(即，通过将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)为5或更大、6或更大、或者7或更大的染料。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率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)。
各向异性度(R)是由平行于液晶主体的取向方向偏振的光束的吸光度(E(p))和垂直于液晶主体的取向方向偏振的光束的吸光度(E(s))获得的值，其可以以文献PolarizedLight in Optics and Spectroscopy,DS Kliger等,Academic Press,1990中所述的方式测量。
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单元的厚度等来实现。
可以通过以下方式来提供具有高对比度的膜：在通过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。
各自包括GH层的第一GH单元和第二GH单元可以彼此叠置以包括在透射率可变装置中。GH层中的液晶主体可以以定向状态存在。根据这样的液晶主体的定向，二色性染料客体也可以定向。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取向方向。在此，指向矢的取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，光轴通常根据取向膜的取向方向来确定，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单元水平定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或竖直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定向或水平定向。
在一个实例中，当两个GH层的所有液晶主体都水平定向时，可以实现上述黑色模式。在本说明书中，术语竖直、正交、水平或平行意指基本上竖直、正交、水平或平行，例如，竖直或正交的含义包括与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，而水平或平行的含义包括与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单元的表面与光轴形成的角度是垂直或正交的情况，而光轴水平于GH单元的事实可以意指GH单元的表面与光轴彼此水平或平行。
在一个实例中，在两个GH层的所有液晶主体都水平定向的黑色模式下，当在GH层平面的法线方向观察时，第一GH层和第二GH层的液晶主体的光轴可以彼此平行。此外，当在垂直于该法线方向的方向观察时(即，当从侧面观察时)，在黑色模式下水平定向的液晶主体的倾斜方向可以彼此交叉。即，第一GH层的液晶主体的倾斜方向和第二GH层的液晶主体的倾斜方向彼此交叉。在侧面观察时，还可以在多个方向上观察透射率可变装置，其中在这些方向中的至少一个方向上横向观察时可以确定交叉的倾斜方向。
在此，在GH层平面的法线方向上观察意指例如在膜或片状GH层的情况下在厚度方向上(即在连接主表面和主表面的最短距离的方向上)观察的情况。
图2示出了当在厚度方向上观察时第一GH层的光轴(虚线)和第二GH层的光轴(实线)的布置，并且如图所示，二者大致平行。
在此，在垂直于GH层平面的法线方向的方向上观察意指例如在膜或片状GH层的情况下在垂直于厚度方向的方向上(即从侧面)观察的情况。
图3是从侧面观察彼此叠置的第一GH单元10和第二GH单元20的情况，并且在这种情况下，第一GH单元10的液晶主体的倾斜方向(实线)与第二GH单元20的倾斜方向(虚线)彼此交叉，如图3所示。
在图3中，还一起示出了上述相位差元件30和取向膜41、42、43、44。
通过以上定向，可以实现确保在所有方向上的视角对称性的装置。
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，可以通过电压施加在使光轴平行于GH单元定向的同时实现这样的定向状态，并且反之，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定向，使得光轴与GH单元正交，同时保持定向状态。在如上所述液晶主体在不施加电压时垂直定向的情况下，实现了所谓的常透明模式(normally transparent mode)的元件，而在液晶主体在不施加电压时水平定向的情况下，实现了常黑模式(normally black mode)的元件。可以根据待使用的液晶主体的类型、取向膜和/或电极层的位置来确定透射率可变装置是设计呈常透明模式还是常黑模式。
如图3所示，由第一GH层和第二GH层的倾斜方向彼此交叉而形成的角度中的小角度可以在0.5度至10度的范围内。在另一个实例中，该角度可以为1度或更大、2度或更大、3度或更大、4度或更大、或者5度或更大，或者可以为9度或更小、8度或更小、7度或更小、或者6.5度或更小左右。
在此，由交叉的倾斜方向形成的角度中的小角度意指由彼此交叉的两个倾斜方向形成的角度中的小角度(A)，例如，如图4所示。在本说明书中，测量角度(A)的方式没有特别限制。例如，在确定液晶主体相对于各个GH层或GH单元水平定向时的倾斜角之后，可以通过对GH层或GH单元二者确定的值获得该角度。此时，确定相对于各个GH层或GH单元的倾斜角的方法是已知的，其中，例如，可以应用诸如晶体旋转法的方法，并且在另一个实例中，如下方法也是可以的：通过沿取向膜的取向方向(摩擦方向等)转换极角方向上的相位差或透射率来确定倾斜角。
在本申请中，实现如上定向状态的方法没有特别限制，并且例如，可以通过利用已知在液晶主体水平定向时给予倾斜角的已知方法来实现定向状态。
例如，如图3所示，第一GH单元和第二GH单元可以包括设置在第一GH层10和第二GH层20的两侧上的两个取向膜41、42、43、44，并且在这种情况下，可以通过调节取向膜的状态来实现该布置。
例如，当各取向膜41、42、43、44为摩擦取向膜时，在如下情况下可以实现如上定向状态：使用以彼此相同的方向摩擦的取向膜作为存在于第一GH层10与第二GH层20之间的取向膜42、43；并且使用以与存在于第一GH层10与第二GH层20之间的取向膜42、43的取向方向相反的方向摩擦的取向膜，作为基于第一GH层10存在于与第二GH层20相反的方向上的取向膜41和基于第二GH层20存在于与第一GH层10相反的方向上的取向膜44。在图3中，各个取向膜41、42、43、44的这种摩擦方向由各个取向膜中的箭头指示。
在下文中，为了方便起见，各个取向膜41、42、43、44可以被称为第一取向膜41、第二取向膜42、第三取向膜43和第四取向膜44。
例如，当各取向膜41、42、43、44为光取向膜时，作为光取向膜，使用经斜向照射的光取向膜，但是在如下情况下可以实现如上定向状态：使用以彼此相同的方向斜向照射的取向膜作为存在于第一GH层10与第二GH层20之间的取向膜42、43；并且使用以与存在于第一GH层10与第二GH层20之间的取向膜42、43的斜向照射方向相反的方向斜向照射的取向膜，作为基于第一GH层10存在于与第二GH层20相反的方向上的取向膜41和基于第二GH层20存在于与第一GH层10相反的方向上的取向膜44。在通过经斜向照射的光取向膜水平定向时赋予倾斜角的方法是已知的，并且所有这些方法都可以应用于本发明。
在这样的方法中，可以通过控制摩擦强度或斜向照射时的倾斜角度和/或照射量来实现上述布置结构。
另一方面，在一个实例中，当GH层的液晶主体垂直定向时，液晶主体可以被设计成具有在预定范围内的预倾斜角。
即，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定向的状态下，单元的光轴可以被设计成具有在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。
在一个实例中，预倾斜角可以在约70度至90度的范围内。在此，当预倾斜角为90度时，其可以意指液晶主体基本上完全垂直定向的状态。
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大致平行。
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上述取向膜来控制。
即，在一个实例中，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取向膜的取向方向来调节。
预倾斜角可以意指由液晶分子的指向矢相对于与取向膜、GH层或GH单元(在下文中，取向膜等)的表面水平的平面形成的角度；或者与取向膜的表面法线方向形成的角度；等等。
在本说明书中，取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，取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，第一取向膜至第四取向膜的预倾斜角可以在70度至90度的范围内、或者70度或更大但小于90度。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、约76度、约77度、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，第一取向膜的预倾斜角可以为基于取向膜等的水平面在顺时针或逆时针方向上测量的角度，第二取向膜的预倾斜角可以为在相反的方向(即，当第一取向膜的预倾斜角在顺时针方向上测量时，其为逆时针方向，或当第一取向膜的预倾斜角在逆时针方向上测量时，其为顺时针方向)上测量的角度，或者可以为在相同方向上测量的角度。
此外，第三取向膜的预倾斜角可以为基于取向膜等的水平面在顺时针或逆时针方向上测量的角度，第四取向膜的预倾斜角可以为在相反的方向(即，当第三取向膜的预倾斜角在顺时针方向上测量时，其为逆时针方向，或当第三取向膜的预倾斜角在逆时针方向上测量时，其为顺时针方向)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取向膜的水平面上投射的方向。
第一取向膜和第二取向膜的预倾斜方向以及第三取向膜和第四取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层处于垂直定向状态的情况下在每个GH层中测量的预倾斜角和方向。
在如上所述的描述中，各个取向膜41、42、43、44可以为摩擦取向膜或光取向膜。在摩擦取向膜的情况下，取向方向由摩擦方向确定，在光取向膜的情况下，其由照射光的偏振方向确定。取向膜的预倾斜角和预倾斜方向可以通过适当地调节定向条件例如摩擦定向时的摩擦条件或压力条件；或者光定向条件例如光的偏振态、光的照射角度、光的照射强度等等来实现。
例如，当取向膜为摩擦取向膜时，预倾斜角可以通过控制摩擦取向膜等的摩擦强度来实现，预倾斜方向可以通过控制摩擦取向膜的摩擦方向来实现，其中该实现方法为已知方法。此外，在光取向膜的情况下，其可以通过取向膜材料，应用于定向的偏振光的方向、状态或强度来实现。
如上所述，在使用摩擦取向膜的情况下，第一取向膜和第二取向膜的摩擦方向可以彼此相反，并且第三取向膜和第四取向膜的摩擦方向也可以彼此相反。
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排列并产生预倾斜角，因此可以通过测量预倾斜角来测量摩擦方向。
通过如上设置预倾斜角和方向，可以实现如下装置：在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的同时，在所有方向上都具有对称视角特性。
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至少两个如上的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。
可以应用于本申请中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大致正交或正交的线性偏振光并发射。相位差元件对波长为约550nm的光的平面相位差可以例如在200nm至350nm范围内或在220nm至320nm范围内。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)而获得的值(d×(nx-ny))。
另一方面，相位差元件对波长为550nm的光的厚度方向相位差可以在-300nm至300nm的范围内。相位差元件的厚度方向相位差是通过相位差元件中厚度方向的折射率(nz)与快轴方向的折射率(ny)之差(nz-ny)乘以相位差元件的厚度(d)而获得的值(d×(nz-ny))。在另一个实例中，厚度方向相位差可以为-280nm或更大、-260nm或更大、-240nm或更大、-220nm或更大、-200nm或更大、-180nm或更大、-160nm或更大、-140nm或更大、-120nm或更大、-100nm或更大、-80nm或更大、-60nm或更大、-40nm或更大、-20nm或更大、-10nm或更大、-5nm或更大、0nm或更大、20nm或更大、40nm或更大、60nm或更大、80nm或更大、或者90nm或更大，或者可以为280nm或更小、260nm或更小、240nm或更小、220nm或更小、200nm或更小、180nm或更小、160nm或更小、140nm或更小、120nm或更小、100nm或更小、80nm或更小、60nm或更小、40nm或更小、20nm或更小、10nm或更小、或者5nm或更小左右。
相位差元件可以具有单层结构或者两个或更多个层的层合结构，只要其具有以上相位差范围即可。
此外，相位差元件的波长色散特性还可以具有正常波长色散特性、平的波长色散特性或反向波长色散特性。
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，慢轴方向相对于光轴在约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。可以提供这样的透射率可变装置：其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斜向方向上观察时也能确保高对比度。
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定向并聚合而制备的膜，非液晶聚合物膜是不同于液晶聚合物膜的具有光学各向异性的聚合物膜，其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(polyethylenenaphthatate，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以及包括第一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板和第二基板以及设置成面向彼此的第三基板和第四基板。这样的情况示于图5中。如图5中，在如上的包括第一基板至第四基板101、102、103、104的透射率可变装置中，第一GH层10可以存在于第一基板101与第二基板102之间，第二GH层20可以存在于第三基板103与第四基板104之间。在上述结构中，第二基板102和第三基板103可以被布置成面向彼此。如图6所示，在图5的结构中，上述相位差元件可以存在于第二基板102与第三基板103之间。在另一个实例中，在图5所示的结构中，第二基板102和第三基板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。在这种情况下，第二基板102和第三基板103各自为表现出λ/4波长相位延迟特性的基板，其中这样的两个基板可以层合在彼此上以形成表现出λ/2相位延迟特性的层。在如图6所示的结构中，第二基板102和第三基板103可以为各向同性基板。
在图5和图6所示的结构中，存在于第一GH层10与第二GH层20之间的第二基板102和第三基板103的平面相位差之和、或者第二基板102和第三基板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。在此，平面相位差之和意指光学和。
在另一个实例中，透射率可变装置包括如图7所示顺序地布置的第一基板101、第二基板102和第三基板103，其中第一GH层10可以存在于第一基板101与第二基板102之间，第二GH层20可以存在于第二基板102与第三基板103之间。如图7所示，这种情况是两个GH单元共用一个基板(第二基板102)的结构。在这种结构的情况下，共用的第二基板可以表现出上述的λ/2相位延迟特性。
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置的GH层之间即可。
在上述结构中，可以使用已知材料作为基板，而没有任何特别限制。例如，作为基板，可以使用玻璃膜、结晶或无定形硅膜、诸如石英或ITO(氧化铟锡)膜的无机膜、或者塑料膜等。
作为塑料基板，可以使用TAC(三乙酰纤维素)基板；COP(环烯烃共聚物)基板，例如降冰片烯衍生物基板；PMMA(聚(甲基丙烯酸甲酯))基板；PC(聚碳酸酯)基板；PE(聚乙烯)基板；PP(聚丙烯)基板；PVA(聚乙烯醇)基板；DAC(二乙酰纤维素)基板；Pac(聚丙烯酸酯)基板；PES(聚醚砜)基板；PEEK(聚醚醚酮)基板；PPS(聚醚砜)、PEI(聚醚酰亚胺)基板；PEN(polyethylenenaphthatate，聚萘二甲酸乙二醇酯)基板；PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)基板；PI(聚酰亚胺)基板；PSF(聚砜)基板；PAR(聚芳酯)基板或包含无定形氟树脂的基板等，但不限于此。这样的基板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板上。例如，电极层可以存在于透射率可变装置中所包括的基板的表面中面向GH层的表面中的至少一个表面上，例如，图5和图6的结构中第一至第四基板的四个内表面中的至少一个表面上，或者图7的结构中第一基板101和第三基板103的内表面以及第二基板102的两侧表面中的任一表面上。在本申请中，术语基板的内表面意指基板的两个表面中靠近GH层的表面。
在一个实例中，电极层可以存在于图5和图6的结构中第一基板101的内表面和第二基板102的内表面中的至少任一表面上以及第三基板103的内表面和第四基板104的内表面中的至少任一表面上，并且根据需要，电极层可以存在于第一至第四基板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7的结构中，电极层可以存在于第一基板101的内表面和第二基板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板103的内表面和第二基板102的面向第二GH层20的表面中的至少任一表面上，并且根据需要，电极层可以存在于第一和第三基板的所有内表面以及第二基板的两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。根据需要，也可以使形成在基板的表面上的电极层适当地图案化。
液晶取向层(其为上述取向层)可以存在于基板上。液晶取向层也可以形成在基板的内表面，即面向GH层的表面上。当上述电极层存在于基板上时，液晶取向层也可以形成在电极层的表面上或电极层与基板之间。例如，液晶取向层可以存在于透射率可变装置中所包括的基板的内表面中的至少一个表面上，例如，图5和图6的结构中第一至第四基板的四个内表面中的至少一个表面上，或者图7的结构中第一基板101和第三基板103的内表面以及第二基板102的两侧表面中的任一表面上。
在一个实例中，液晶取向层可以存在于图5和图6的结构中第一基板101的内表面和第二基板102的内表面中的至少任一表面上以及第三基板103的内表面和第四基板104的内表面中的至少任一表面上，并且根据需要，液晶取向层可以存在于第一至第四基板的所有内表面上。此外，在图7的结构中，液晶取向层可以存在于第一基板101的内表面和第二基板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板103的内表面和第二基板102的面向第二GH层20的表面中的至少任一表面上，并且根据需要，液晶取向层也可以存在于第一和第三基板的所有内表面以及第二基板的两侧表面上。
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，如上所述。
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，例如窗户或天窗或护目镜等。在此，在护目镜的范围内，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护目镜，例如普通的眼镜、太阳镜、运动风镜或头盔，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护目镜。近来，作为安装有镜片使得相对于观察者的正视线倾斜的形式的护目镜，太阳镜、运动风镜、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，即使在倾斜角度下也可以确保高对比度，因此其可以有效地应用于具有上述结构的护目镜。
当将本申请的透射率可变装置应用于护目镜时，护目镜的结构没有特别限制。即，透射率可变装置可以安装并应用于具有已知护目镜结构的左眼和/或右眼的镜片中。
例如，护目镜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8是护目镜的示例性示意图，其是包括框架12以及左眼和右眼镜片14的护目镜的示意图，可以应用本申请的透射率可变装置的护目镜结构不限于图8。
在护目镜中，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配置。
护目镜可以具有不同的设计，例如，框架可以形成为倾斜，使得当观察者佩戴护目镜时，由观察者的正视线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。这样的护目镜可以例示为运动风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，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，并且甚至在倾斜角度下也可以表现出高对比度以及在所有方向上表现出对称视角特性。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，或者护目镜，例如用于增强现实体验或运动的风镜、太阳镜或头盔。
附图说明
图1至图7是本申请的示例性透射率可变装置的示意图。
图8是应用了本申请的透射率可变装置的护目镜的示意图。
图9是示出本申请的实施例1的电压相对于透射率特性的图。
图10和11分别是示出本申请的比较例1和2的电压相对于透射率特性的图。
图12是确定本申请的实施例1的特性的结果。
图13和14分别是确定本申请的实施例2和3的特性的结果。
[附图标记说明]
10：第一GH层
20：第二GH层
30：相位差元件
41、42、43、44：取向膜，取向层
101、102、103、104：基板
14：左眼镜片或右眼镜片
12：框架
具体实施方式
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的限制。
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)电极层和垂直取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，作为垂直取向膜，使用预倾斜角为约89度的取向膜。通过棒涂在ITO电极层上涂覆基于聚酰亚胺的垂直取向膜，将取向膜形成为约200nm的厚度，将该膜在130℃下保持约30分钟，然后用摩擦布摩擦该膜。此时，将两个COP膜层合以使取向膜在膜上的摩擦方向彼此相反。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550nm的波长的平面相位差为约275nm的COP(环烯烃聚合物)膜以制造透射率可变元件。此时，作为COP(环烯烃聚合物)膜，应用具有反向波长特性并且对波长为450nm的光的平面相位差(Re(450))与对波长为550nm的光的平面相位差(Re(550))之比((Re(450)/Re(550))为约0.8左右的膜。如图3所示，将存在于第一GH层10与第二GH层20之间的取向膜42、43层合使得它们的摩擦方向彼此相同。该装置是这样的类型，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定向状态，并且液晶主体在施加电压时水平定向。此外，如图3所示，当从侧面观察时，处于水平定向的第一GH层10和第二GH层20的各液晶主体的倾斜方向彼此交叉，并且此时，图4中示出的角度(A)为约6度左右。在此，通过确定相对于单个GH层的倾斜角，然后对在两个GH层中确定的倾斜角进行求和来确定彼此交叉的倾斜方向的角度。确定相对于单个GH层的倾斜角的方法是已知的，并且在该实施例中根据已知的晶体旋转法来确定。此外，COP膜的慢轴与水平取向的液晶主体的光轴成约45度。
实施例2
以与实施例1中相同的方式制造透射率可变元件，不同之处在于作为在第一GH单元与第二GH单元之间引入的相位差元件(图3中的30)，放置COP(环烯烃聚合物)膜和具有在约180nm至200nm的范围内的厚度方向相位差(Rth＝dx(nz-ny))的垂直取向液晶层的层合膜，所述COP膜对550nm的波长的平面相位差为约275nm并且具有平的波长特性和约1.2的Nz(＝(nx-nz)/(nx-ny)，其中nx为慢轴方向上的折射率，ny为快轴方向上的折射率，以及nz为厚度方向上的折射率)。
实施例3
以与实施例1中相同的方式制造透射率可变元件，不同之处在于作为在第一GH单元与第二GH单元之间引入的相位差元件(图3中的30)，放置COP(环烯烃聚合物)膜和具有约100nm左右的厚度方向相位差(Rth＝dx(nz-ny))的垂直取向液晶层的层合膜，所述COP膜来自Zeon，对550nm的波长的平面相位差为约275nm并且具有反向波长特性，并且对波长为450nm的光的平面相位差(Re(450))与对波长为550nm的光的平面相位差(Re(550))之比((Re(450)/Re(550))为约0.8左右。
比较例1
以与实施例1中相同的方式制造元件，不同之处在于当在将GH单元结合在一起使第一GH层和第二GH层的光轴水平定向时，将它们结合在一起使得彼此以约90度交叉，并且在GH单元之间不放置平面相位差为约275nm的COP(环烯烃聚合物)膜。
比较例2
以与实施例1中相同的方式制造透射率可变装置，不同之处在于不施加作为相位差元件的COP膜并且将GH单元层合使得当第一GH单元和第二GH单元二者都水平定向时，各液晶主体的光轴彼此垂直。作为在这样的元件水平定向时确定第一GH单元和第二GH单元的光轴的结果，二者在彼此相同的方向上倾斜而不交叉。
测试例1.
用D65光源的光照射实施例1以及比较例1和2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度并且将左水平方向设定为180度时，从透射率可变装置的中心起，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和左、右、上和下方向的透射率。此时，在测量前方透射率时将极角设定为0度，并且在测量其他透射率时将极角设定为23度。
实施例和比较例的所有装置均处于常透明模式，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。下表汇总了根据所施加电压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和3分别示出比较例1和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。
图9至11分别是示出实施例1以及比较例1和2的电压相对于透射率特性的图。
[表1]
施加的电压 前方透射率 0度透射率 180度透射率 90度透射率 270度透射率
0V 57％ 47.4％ 47.0％ 47.5％ 47.4％
28V 4.9％ 4.7％ 4.7％ 5.0％ 5.0％
CR 11.6 10.1 10 9.5 9.5
[表2]
施加的电压 前方透射率 0度透射率 180度透射率 90度透射率 270度透射率
0V 52.8％ 43.8％ 43.5％ 41.8％ 45.4％
28V 2.9％ 2.8％ 2.8％ 3.1％ 3.5％
CR 18.2 15.6 15.5 13.5 13
[表3]
施加的电压 前方透射率 0度透射率 180度透射率 90度透射率 270度透射率
0V 48.7％ 40.2％ 40％ 37.4％ 42.8％
28V 3.9％ 5％ 3％ 3.7％ 4.1％
CR 12.5 8 13.3 10.1 10.4
由以上结果和图9至11的结果可以看出，在该实施例中，在倾斜角度下表现出在左、右、上和下的透射率特性的等同水平，电压相对于透射率的图也示出处于相同的水平，并且没有发生灰度反转。
另一方面，在比较例1的情况下，在倾斜角度下的左和右透射率以及电压相对于透射率的图是相同水平，但是上和下透射率特性以及电压相对于透射率的图是不同的，并且在较低的视角下发生灰度反转。
此外，在比较例2的情况下，在倾斜角度下的左、右、上和下透射率以及电压相对于透射率的图都是不同的，并且在较低的视角下发生灰度反转。
另一方面，图12是示出评估实施例1的视角特性的结果的图，并且由此可以确定，在实施例1的情况下，在垂直方向和水平方向上稳定地确保对称性。
测试例2.
图13和14分别是示出评估实施例2和3的视角特性的结果的图，并且由此可以确定，通过引入另外的补偿结构(垂直取向液晶层)可以实现更加对称的视角特性。

Claims (15)

1.一种透射率可变装置，包括设置成彼此叠置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，
其中所述装置能够在透明模式与黑色模式之间切换，
其中在所述黑色模式下，所述第一宾主层和所述第二宾主层的所述液晶主体各自水平定向，
其中在所述黑色模式下，在所述第一宾主层和所述第二宾主层平面的法线方向观察时，所述第一宾主层和所述第二宾主层的所述液晶主体的光轴彼此平行，以及在垂直于所述法线方向的方向观察到的所述第一宾主层和所述第二宾主层的所述液晶主体的倾斜方向彼此交叉，并且其中由彼此交叉的所述倾斜方向形成的角度中的最小角度在0.5度至10度的范围内。
2.根据权利要求1所述的透射率可变装置，其中在所述黑色模式下，在垂直于所述第一宾主层和所述第二宾主层的法线方向的方向观察时，由彼此交叉的所述倾斜方向形成的角度中的最小角度在1度至10度的范围内。
3.根据权利要求1所述的透射率可变装置，其中在所述透明模式下，所述第一宾主层和所述第二宾主层的所述液晶主体的所述光轴处于具有70度至90度范围内的预倾斜角的垂直定向状态。
4.根据权利要求1所述的透射率可变装置，还包括存在于所述第一宾主层和所述第二宾主层的每一者的两侧上的取向膜。
5.根据权利要求4所述的透射率可变装置，其中所述取向膜为摩擦取向膜，并且存在于所述第一宾主层与所述第二宾主层之间的所述取向膜为以彼此相同的方向摩擦的取向膜，以及
所述第一宾主层的存在于与朝向所述第二宾主层的方向相反的方向上的所述取向膜和所述第二宾主层的存在于与朝向所述第一宾主层的方向相反的方向上的所述取向膜为以与存在于所述第一宾主层与所述第二宾主层之间的所述取向膜的取向方向相反的方向摩擦的取向膜。
6.根据权利要求4所述的透射率可变装置，其中所述取向膜为经斜向照射的光取向膜，
存在于所述第一宾主层与所述第二宾主层之间的所述取向膜为以彼此相同的方向斜向照射的取向膜，以及
所述第一宾主层的存在于与朝向所述第二宾主层的方向相反的方向上的所述取向膜和所述第二宾主层的存在于与朝向所述第一宾主层的方向相反的方向上的所述取向膜为以与存在于所述第一宾主层与所述第二宾主层之间的所述取向膜的斜向照射方向相反的方向斜向照射的取向膜。
7.根据权利要求1所述的透射率可变装置，还包括在所述第一宾主层与所述第二宾主层之间的相位差元件。
8.根据权利要求7所述的透射率可变装置，其中所述相位差元件对波长为550nm的光具有200nm至350nm范围内的平面相位差和-300nm至300nm范围内的厚度方向相位差。
9.根据权利要求7所述的透射率可变装置，其中在水平定向时由所述相位差元件的慢轴与所述第一宾主层和所述第二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。
10.根据权利要求7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。
11.根据权利要求1所述的透射率可变装置，还包括：设置成面向彼此的第一基板和第二基板以及设置成面向彼此的第三基板和第四基板，其中所述第一宾主层位于所述第一基板与所述第二基板之间，所述第二宾主层存在于所述第三基板与所述第四基板之间，所述第二基板和所述第三基板设置成面向彼此，以及所述第二基板和所述第三基板对波长为550nm的光的平面相位差之和在200nm至350nm的范围内。
12.根据权利要求1所述的透射率可变装置，还包括：设置成面向彼此的第一基板和第二基板以及设置成面向彼此的第三基板和第四基板，其中所述第一宾主层位于所述第一基板与所述第二基板之间，所述第二宾主层存在于所述第三基板与所述第四基板之间，所述第二基板和所述第三基板设置成面向彼此，以及在所述第二基板与所述第三基板之间存在相位差元件。
13.根据权利要求12所述的透射率可变装置，其中所述第二基板、所述相位差元件和所述第三基板对波长为550nm的光的平面相位差之和在200nm至350nm的范围内。
14.根据权利要求1所述的透射率可变装置，还包括顺序地设置的第一基板、第二基板和第三基板，其中所述第一宾主层存在于所述第一基板与所述第二基板之间，所述第二宾主层存在于所述第二基板与所述第三基板之间，以及所述第二基板对波长为550nm的光的平面相位差在200nm至350nm的范围内。
15.一种护目镜，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。
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