CN112015018A - 一种调光器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种调光器件，包括依次层叠设置的第一透明基板、第一透明电极、液晶层、第二透明电极和第二透明基板，液晶层包括聚合物稳定胆甾相液晶，其由液晶混合物聚合形成，其中液晶混合物包括至少一种双介晶化合物、至少一种正介电各向异性的向列相液晶化合物、至少一种手性化合物、至少一种可聚合单体和至少一种聚合引发剂。本发明还公开了一种制备调光器件的方法。本发明公开的调光器件可降低透过态的雾度，使透过的图像更清晰，且制备工艺简单易操作，成本低。
Description
技术领域
本发明涉及液晶基调光领域，特别涉及一种包含有聚合物稳定胆甾相液晶的调光器件及其制备方法。
背景技术
液晶基调光装置作为一种应用光电效应的装置，主要是由透明基材和液晶材料组成，其通过外加电场的方式，调控液晶分子的排列状态，从而实现全透明与不透明之间的转换。由于此独特的调光特性，液晶基调光器件，如智能玻璃，被广泛应用与建筑、家居、汽车等行业，用于实现调节光透过率、增加隐私性及阻隔紫外线或红外线等功能。其中，由聚合物稳定液晶所形成液晶器件，由于其无需使用偏振片、视角依赖性小、以及响应速度快等特点，具有广阔的应用前景。
在聚合物稳定液晶器件中，溶解在液晶中的可聚合单体通过聚合与液晶产生相分离，从而在液晶中形成各向异性的纤维状聚合物网络，用以稳定液晶器件所形成的状态(透明态或不透明态)，其中液晶可以是向列相液晶或胆甾相液晶。对于聚合物稳定胆甾相液晶(PSCT)，在不施加电压的时候，胆甾相液晶需要保持稳定的平面织构，才能实现透明状态，这就对液晶与聚合物网络之间的界面作用要求非常高。而可聚合单体的结构、UV强度、光引发剂的类型和浓度、以及聚合温度等都会影响聚合物网络的结构和性能，进一步影响液晶与聚合物网络之间的界面作用，导致平面织构的液晶结构不均一，影响透明状态的透光率和清晰度。为了达到高透光率和高清晰度，就需要对工艺条件要求比较严格，从而增加了生产工艺的复杂性和难度，提高了生产成本。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种调光器件，包括依次层叠设置的第一透明基板、第一透明电极、液晶层、第二透明电极和第二透明基板，液晶层包括聚合物稳定胆甾相液晶，聚合物稳定胆甾相液晶由液晶混合物聚合形成，其中液晶混合物包括双介晶化合物、正介电各向异性的向列相液晶化合物、手性化合物、可聚合单体和聚合引发剂。在优选的实施方案中，液晶层的厚度为5～60微米。
在优选的实施方案中，聚合物稳定液晶中的聚合物网络与调光器件的表面基本上平行。
在一些实施方案中，第一透明基板和第二透明基板为玻璃或聚合物材料。
在一些实施方案中，调光器件还包括至少一个配向层，配向层设置在第一透明电极与液晶层之间和/或第二透明电极与液晶层之间。
在优选的实施方案中，可聚合单体为可聚合的液晶化合物。可聚合的液晶化合物包括丙烯酸酯类液晶、甲基丙烯酸酯类液晶、烯丙基类液晶和环氧基类液晶。在优选的实施方案中，可聚合的液晶化合物占液晶混合物的质量百分比为1％～10％。在更优选的实施方案中，可聚合的液晶化合物占液晶混合物的质量百分比为1％～5％。
在优选的实施方案中，手性化合物占液晶混合物的质量百分比不大于30％。
在优选的实施方案中，双介晶化合物占液晶混合物的质量百分比为5％～50％。
本发明还提供了一种制备调光器件的方法，包括：混合双介晶化合物、正介电各向异性的向列相液晶化合物、手性化合物、可聚合单体和聚合引发剂，形成液晶混合物；将液晶混合物填充到液晶盒中；使液晶盒中液晶混合物形成平面织构；聚合可聚合单体，形成调光器件。在优选的实施方案中，聚合的方式为光聚合。
本发明公开的调光器件，通过在PSCT中引入双介晶化合物，调整液晶体系的弹性系数，改善胆甾相液晶分子平面排列的均一性，减少织构缺陷，从而使调光器件在透过态时，保持高透光率的同时，可降低雾度，使透过的图像更清晰。同时制备工艺简单易操作，成本更低。
附图说明
通过参照本发明的实施方案的图示说明可以更好地理解本发明，在附图中：
图1是本发明公开的调光器件的结构示意图；
图2是本发明公开的调光器件的工作原理示意图；
图3是根据本发明实施例制备的调光器件中的聚合物网络的SEM图。
具体实施方式
在以下的描述中，为了达到解释说明的目的以对本发明有一个全面的认识，阐述了大量的具体细节，然而，很明显的，对本领域技术人员而言，无需这些具体细节也可以实现本发明。本发明所列举的说明性的示例实施方案仅为了说明，并不对本发明造成限制。因此，本发明的保护范围并不受具体实施方案所限，仅以所附的权利要求书的范围为准。
首先参照图1，其中示出一种调光器件，其结构包括第一透明基板10、第一透明电极20、第二透明电极40、第二透明基板50以及夹在第一透明电极20和第二透明电极40中间的液晶层30，其中液晶层30的厚度为5～60微米。
第一透明基板10和第二透明基板50可为透明玻璃，也可为透明的聚合物材料，如PET、PEN、PC、PP、PMMA、PBT、PVC、PI、纤维素等。但本发明不限于此，亦可采用透过率符合要求的其他材料。第一透明电极20和第一透明电极40可以如图1所示形成薄膜覆盖透明基板的整个内表面，也可根据需要进一步刻蚀成特定形状，或分割成相应的若干分电极。透明电极按导电材料分可包括碳系导电薄膜、金属纳米线导电薄膜、金属氧化物导电薄膜等。碳系导电材料主要有氧化石墨烯和碳纳米管两大类，金属纳米线导电薄膜通常采用银纳米线或铜纳米线，而金属氧化物导电薄膜的主要材质为氧化铟锡(ITO)、氧化铟、氧化锡、氧化锌以及其他金属氧化物的混合体系。在以下实施例中，第一透明电极和第二透明电极均选用ITO透明电极。
液晶层30含有聚合物稳定胆甾相液晶(PSCT)，如图2所示，PSCT包括纤维状的聚合物网络和分散在这些聚合物网络中的胆甾相液晶分子。PSCT一般是由液晶混合物聚合形成，在本发明实施方案中，液晶混合物包括双介晶化合物、正介电各向异性的向列相液晶化合物、手性化合物、可聚合单体以及聚合引发剂。其中可聚合单体在聚合引发剂的作用下聚合形成PSCT中的聚合物网络，而双介晶化合物、正介电各向异性的向列相液晶化合物和手性化合物则形成分散在聚合物网络中的胆甾相液晶。
双介晶化合物为分子中包含两个介晶基元的液晶化合物，也就是说双介晶化合物分子中包含两个可诱导液晶相能力的基团。在本发明的实施方案中，双介晶化合物占液晶混合物的质量百分比为5％～50％。正介电各向异性的向列相液晶为常用的在一定温度范围内具有向列相且介电各向异性为正值的液晶化合物或液晶混合物，如5CB、2CB或E7等。手性化合物为常用的可诱导向列相液晶形成手性向列相(即胆甾相)液晶的手性添加剂，手性化合物占液晶混合物的质量百分比不大于30％。
为形成聚合物网络，可聚合单体需与液晶化合物互溶，形成均一的混合物。优选地，可聚合单体为可聚合的液晶化合物，如丙烯酸酯类液晶、甲基丙烯酸酯类液晶、烯丙基类液晶、环氧类液晶等。可聚合的液晶化合物不仅可与其他液晶化合物均匀混合，还可与其他液晶化合物形成各向异性的液晶相，使聚合后形成的聚合物网络具有与液晶结构类似的各向异性。可聚合液晶化合物占液晶混合物的质量百分比为1％～10％。优选地，可聚合液晶化合物占液晶混合物的质量百分比为1％～5％。
在本发明的实施方案中，PSCT中的聚合物网络与调光器件的表面基本上平行。这样，如图2(a)所示，在零电场时，液晶层中的胆甾相液晶分子平行于调光器件表面排列，呈现平面织构，在这种状态下，入射光基本上不受影响地保持原入射角度通过调光器件，所以调光器件对可见光是透明的，处于雾度较低的透过态。在施加外部电场时，如图2(b)所示，由于液晶层中的液晶分子具有正的介电各向异性，所以倾向于沿着电场方向(即调光器件的法线方向)排列，但是与调光器件表面平行的聚合物网络倾向于使其周围的液晶分子保持在平面织构，最终造成液晶层中的液晶分子形成多畴的焦锥态织构。此时入射光基本上被散射，形成不透明的状态。其中，双介晶化合物由于其特殊的弹性系数，可改善胆甾相液晶分子平面排列的均一性，减少织构缺陷，从而可降低调光器件在透过态时的雾度。
调光器件还可以包括配向层，用以为液晶分子的取向提供锚定能。一般液晶器件通过摩擦法，即沿一定的方向摩擦与液晶接触的基层表面，以使液晶分子沿着摩擦方向排列。通过增加配向层后再进行摩擦，可以获得更好的取向效果。配向层可以只有一个，设置在第一透明电极20和第二透明电极40中任意一个的内表面(即与液晶层30接触的表面)；也可具有两个，分别位于第一透明电极20和第二透明电极40的内表面，进一步增强取向效果。配向层一般由取向剂固化形成，其中取向剂为有机高分子材料，如PVB、硅氧烷、聚酰亚胺材料等。根据预倾角(即液晶分子在配向层表面有序排列时，分子长轴方向与配向层表面所形成的夹角)不同，配向层分为基本平面取向型配向层，即配向层表面的液晶分子长轴基本上平行于配向层表面，如IPS、TN、STN型；或基本垂直取向型配向层，即液晶分子长轴基本上垂直于配向层表面，如VA型。
在本发明的实施方案中，制备调光器件的方法包括以下步骤。
首先混合双介晶化合物、正介电各向异性的向列相液晶化合物、手性化合物、可聚合单体以及聚合引发剂，形成液晶混合物。具体的，按照以下实施例规定的组分配比，称量相应质量的双介晶化合物、向列相液晶化合物和手性化合物，混合均匀并加热搅拌至混合物完全熔解，形成各向同性的透明溶液。冷却至室温后，加入可聚合单体和聚合引发剂，避光搅拌均匀，形成均一的液晶混合物。
其次，将液晶混合物填充到液晶盒中，填充方法可包括液晶器件常用的填充方式，如先制盒后灌注液晶的方式、先涂布液晶后封装液晶盒的方式、或柔性液晶器件所采用的卷对卷封装液晶的方式。其中液晶盒具有与上述调光器件相同的结构。
接着，使液晶盒中的液晶混合物形成平面织构，其方式可以是通过电场驱动，也可依靠液晶盒的界面取向作用。对于胆甾相液晶，进行加电驱动时，可形成垂直态，即液晶分子都垂直于液晶盒表面排列，且无螺旋结构。但由于垂直态为非稳定状态，断电后会弛豫至稳态的平面织构。
最后，聚合液晶混合物中的可聚合单体，形成包含PSCT的调光器件。根据可聚合单体和聚合引发剂的种类，聚合可采用不同的方式。在本发明的实施方案中，优选光聚合。在以下实施例中，光聚合的条件为：UV波长为365nm，光照能量为2.4J/cm2。
下面将结合具体实施例，对调光器件的结构及光学性能进行详细说明。在以下实施例中，透过态的透光率和雾度通过WGT-S型雾度仪进行测量。调光器件中的聚合物网络的结构可通过常用的扫描电镜进行测量，其测量步骤为：将调光器件放入液氮中冷冻，取出后移除一侧基板，用丙酮清洗去除液晶，干燥去除溶剂后，在移除基板的那面进行SEM测试。
为便于表达，以下各实施例中，液晶组合物的基团结构用表1所列的代码表示。同时所使用的可聚合液晶化合物、手性化合物及的结构和代码也在表2中列出。液晶组合物的比例都采用质量百分比。
表1液晶化合物基团结构代码
其中，若n为“3”，即表示为烷基-C3H7或间隔基-C3H6-。
表2其他化合物的代码和结构
对比例
本对比例中调光器件包括第一和第二透明基板、第一和第二透明电极、两个配向层及液晶层。其中聚合前的液晶混合物未采用双介晶化合物，其具体配方如表3所示。液晶层的厚度为20微米，透明基板均为玻璃，配向层的类型为IPS型。选取合适的电压将调光器件驱动平面织构，UV聚合，形成含PSCT的调光器件。在未加电的情况下，测量其透过态的光学性能：透光率83.4％，雾度18.3％。
表3液晶混合物配方
实施例1
本实施例中调光器件包括第一和第二透明基板、第一和第二透明电极、两个配向层及液晶层。其中聚合前的液晶混合物的具体配方如表4所示。液晶层的厚度为20微米，透明基板均为玻璃，配向层的类型为IPS型。选取合适的电压将调光器件驱动平面织构，UV聚合，形成含PSCT的调光器件。制备的调光器件中的聚合物网络的SEM图如图3所示，从图上可看出，聚合物网络基本上平行于调光器件的表面(观察面)。在未加电的情况下，测量其透过态的光学性能：透光率85.4％，雾度1.9％。
表4液晶混合物配方
实施例2
本实施例中调光器件包括第一和第二透明基板、第一和第二透明电极、两个配向层及液晶层。其中聚合前的液晶混合物的具体配方如表5所示。液晶层的厚度为20微米，透明基板均为玻璃，配向层的类型为IPS型。选取合适的电压将调光器件驱动平面织构，UV聚合，形成含PSCT的调光器件。在未加电的情况下，测量其透过态的光学性能：透光率85.3％，雾度1.8％。
表5液晶混合物配方
实施例3
本实施例中调光器件包括第一和第二透明基板、第一和第二透明电极、两个配向层及液晶层。其中聚合前的液晶混合物的具体配方如表6所示。液晶层的厚度为20微米，透明基板均为玻璃，配向层的类型为IPS型。选取合适的电压将调光器件驱动平面织构，UV聚合，形成含PSCT的调光器件。在未加电的情况下，测量其透过态的光学性能：透光率85.8％，雾度3.1％。
表6液晶混合物配方
实施例4
本实施例中调光器件包括第一和第二透明基板、第一和第二透明电极、两个配向层及液晶层。其中聚合前的液晶混合物的具体配方如表7所示。液晶层的厚度为20微米，透明基板均为玻璃，配向层的类型为VA型。选取合适的电压将调光器件驱动平面织构，UV聚合，形成含PSCT的调光器件。在未加电的情况下，测量其透过态的光学性能：透光率85.0％，雾度2.0％。
表7液晶混合物配方
实施例5
本实施例中调光器件包括第一和第二透明基板、第一和第二透明电极、两个配向层及液晶层。其中聚合前的液晶混合物的具体配方如表8所示。液晶层的厚度为20微米，透明基板均为PET，配向层的类型为IPS型。选取合适的电压将调光器件驱动平面织构，UV聚合，形成含PSCT的调光器件。在未加电的情况下，测量其透过态的光学性能：透光率86.5％，雾度3.1％。
表8液晶混合物配方
实施例6
本实施例中调光器件包括第一和第二透明基板、第一和第二透明电极、两个配向层及液晶层。其中聚合前的液晶混合物的具体配方如表9所示。液晶层的厚度为20微米，透明基板均为玻璃，配向层的类型为IPS型。选取合适的电压将调光器件驱动平面织构，UV聚合，形成含PSCT的调光器件。在未加电的情况下，测量其透过态的光学性能：透光率85.0％，雾度3.5％。
表9液晶混合物配方
实施例7
本实施例中调光器件包括第一和第二透明基板、第一和第二透明电极、两个配向层及液晶层。其中聚合前的液晶混合物的具体配方如表10所示。液晶层的厚度为50微米，透明基板均为玻璃，配向层的类型为IPS型。选取合适的电压将调光器件驱动平面织构，UV聚合，形成含PSCT的调光器件。在未加电的情况下，测量其透过态的光学性能：透光率84.3％，雾度6.5％。
表10液晶混合物配方
实施例8
本实施例中调光器件包括第一和第二透明基板、第一和第二透明电极、两个配向层及液晶层。其中聚合前的液晶混合物的具体配方如表11所示。液晶层的厚度为8微米，透明基板均为玻璃，配向层的类型为IPS型。选取合适的电压将调光器件驱动平面织构，UV聚合，形成含PSCT的调光器件。在未加电的情况下，测量其透过态的光学性能：透光率85.9％，雾度1.5％。
表11液晶混合物配方
实施例9
本实施例中调光器件包括第一和第二透明基板、第一和第二透明电极、两个配向层及液晶层。其中聚合前的液晶混合物的具体配方如表12所示。液晶层的厚度为20微米，透明基板均为玻璃，配向层的类型为IPS型。选取合适的电压将调光器件驱动平面织构，UV聚合，形成含PSCT的调光器件。在未加电的情况下，测量其透过态的光学性能：透光率85.7％，雾度1.2％。
表12液晶混合物配方
实施例10
本实施例中调光器件包括第一和第二透明基板、第一和第二透明电极、两个配向层及液晶层。其中聚合前的液晶混合物的具体配方如表13所示。液晶层的厚度为20微米，透明基板均为玻璃，配向层的类型为IPS型。选取合适的电压将调光器件驱动平面织构，UV聚合，形成含PSCT的调光器件。在未加电的情况下，测量其透过态的光学性能：透光率85.2％，雾度8.9％。
表13液晶混合物配方
实施例11
本实施例中调光器件包括第一和第二透明基板、第一和第二透明电极、两个配向层及液晶层。其中聚合前的液晶混合物的具体配方如表14所示。液晶层的厚度为15微米，透明基板均为玻璃，配向层的类型为IPS型。选取合适的电压将调光器件驱动平面织构，UV聚合，形成含PSCT的调光器件。在未加电的情况下，测量其透过态的光学性能：透光率82.5％，雾度1.8％。
表14液晶混合物配方
实施例12
本实施例中调光器件包括第一和第二透明基板、第一和第二透明电极、两个配向层及液晶层。其中聚合前的液晶混合物的具体配方如表15所示。液晶层的厚度为20微米，透明基板均为玻璃，配向层的类型为IPS型。选取合适的电压将调光器件驱动平面织构，UV聚合，形成含PSCT的调光器件。在未加电的情况下，测量其透过态的光学性能：透光率85.2％，雾度6.7％。
表15液晶混合物配方
实施例13
本实施例中调光器件包括第一和第二透明基板、第一和第二透明电极、一个配向层及液晶层。其中聚合前的液晶混合物的具体配方如表16所示。液晶层的厚度为20微米，透明基板均为玻璃，配向层的类型为IPS型。选取合适的电压将调光器件驱动平面织构，UV聚合，形成含PSCT的调光器件。在未加电的情况下，测量其透过态的光学性能：透光率84.8％，雾度6.2％。
表16液晶混合物配方
实施例14
本实施例中调光器件包括第一和第二透明基板、第一和第二透明电极、两个配向层及液晶层。其中聚合前的液晶混合物的具体配方如表17所示。液晶层的厚度为20微米，透明基板均为玻璃，配向层的类型为IPS型。选取合适的电压将调光器件驱动平面织构，UV聚合，形成含PSCT的调光器件。在未加电的情况下，测量其透过态的光学性能：透光率84.9％，雾度2.3％。
表17液晶混合物配方
通过以上对比例和实施例，可知本发明的调光器件在不影响透过态的透光率的同时，可降低透过态的雾度，使调光器件更清晰。
尽管已经在上面以细节描述了数个示例性实施方案，但是所公开的实施方案仅是示例性而非限制性的，并且本领域技术人员将容易意识到，在示例性实施方案中很多其他修改、改动和/或替换是可能的，而不实质偏离本公开的新颖性教导和优点。因此，所有这些修改、改动和/或替换意图被包括在如所附权利要求书所限定的本公开的范围内。
Claims (11)
1.一种调光器件，所述调光器件包括依次层叠设置的第一透明基板、第一透明电极、液晶层、第二透明电极和第二透明基板，所述液晶层包括聚合物稳定胆甾相液晶，所述聚合物稳定胆甾相液晶由液晶混合物聚合形成，其中所述液晶混合物包括双介晶化合物、正介电各向异性的向列相液晶化合物、手性化合物、可聚合单体和聚合引发剂。
2.如权利要求1所述的调光器件，所述聚合物稳定液晶中的聚合物网络与所述调光器件的表面基本上平行。
3.如权利要求1所述的调光器件，其中所述液晶层的厚度为5~60微米。
4.如权利要求1所述的调光器件，所述第一透明基板和第二透明基板为玻璃或聚合物材料。
5.如权利要求1所述的调光器件，所述调光器件还包括至少一个配向层，所述配向层设置在所述第一透明电极与所述液晶层之间和/或所述第二透明电极及所述液晶层之间。
6.如权利要求1所述的调光器件，其中所述可聚合单体为可聚合的液晶化合物。
7.如权利要求6所述的调光器件，其中所述可聚合的液晶化合物占所述液晶混合物的质量百分比为1%~10%。
8.如权利要求1所述的调光器件，其中所述手性化合物占所述液晶混合物的质量百分比不大于30%。
9.如权利要求1所述的调光器件，其中所述双介晶化合物占所述液晶混合物的质量百分比为5%~50%。
10.一种制备如权利要求1-9任一项所述的调光器件的方法，包括：
1）混合双介晶化合物、正介电各向异性的向列相液晶化合物、手性化合物、可聚合单体和聚合引发剂，形成液晶混合物；
2）将所述液晶混合物填充到液晶盒中；
3）使所述液晶盒中的所述液晶混合物形成平面织构；
4）聚合所述可聚合单体，形成所述调光器件。
11.如权利要求10所述的制备方法，其中所述聚合的方式为光聚合。
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|---|---|---|---|
| CN201910452718.7A CN112015018A (zh) | 2019-05-28 | 2019-05-28 | 一种调光器件及其制备方法 |
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| CN201910452718.7A CN112015018A (zh) | 2019-05-28 | 2019-05-28 | 一种调光器件及其制备方法 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN113002091A (zh) * | 2021-03-18 | 2021-06-22 | 西京学院 | 一种具有电磁识别功能的聚合物分散液晶薄膜及制备方法 |
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2019
- 2019-05-28 CN CN201910452718.7A patent/CN112015018A/zh active Pending
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