CN116042236B - 一种应用于多响应模式智能窗的液晶材料及应用 - Google Patents

一种应用于多响应模式智能窗的液晶材料及应用 Download PDF

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Abstract

一种应用于多响应模式智能窗的液晶材料及应用，本发明涉及一种液晶材料及应用。解决现有基于动态散射模式的液晶智能窗驱动电压较高的问题。应用于多响应模式智能窗的液晶材料由二色性染料、离子掺杂剂与液晶混合而成；它应用于制备电流体动力学的液晶调光器件，在驱动电压为5V～50V及驱动频率为1Hz～5kHz的交流电压下，切换透明状态、吸光状态和散射状态。

Description

一种应用于多响应模式智能窗的液晶材料及应用
技术领域
本发明涉及一种液晶材料及应用。
背景技术
动态散射模式(Dynamic scattering mode，DSM)，有文献也称为电流体不稳定性(electrohy drodynamic instabilities，EHDI)，已经在20世纪60年代被发现和报道。它最初是应用于制作基于散射的显示器。在足够高的电场强度下，基于离子在电极之间振荡产生的湍流并导致光散射，可以诱导动态散射模式。随着智能窗技术的兴起，光散射模式在实践中要求很高，研究人员通过向主体液晶掺杂离子来提高LC混合物的电导率，以降低阈值电压。
另一方面，通过比较液晶中掺杂的不同种类的离子，离子化合物的有机部分的正电荷是涡流产生的起源，并导致电流体动力学不稳定性的激活(han Y,Lu H,Jin M,etal.Electrohydrodynamic instabilities for smart window applications[J].LiquidCrystals,2020,47(7):977-983.)。然而，到目前为止，事实证明，阳离子表面活性剂——四丁基溴化铵(TBAB)、十二烷基三甲基溴化铵(DTAB)或十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)等作为离子添加剂掺入负性非手性或手性向列型LC或SmALC中，在工业供电频率的条件下，产生动态散射模式的阈值电压仍较高(通常＞50V)。
此外，有研究表明促使LC不稳定性所需的阈值电压受施加的电场频率影响。
发明内容
本发明要解决现有基于动态散射模式的液晶智能窗驱动电压较高的问题，进而提供一种应用于多响应模式智能窗的液晶材料及应用。
一种应用于多响应模式智能窗的液晶材料，应用于多响应模式智能窗的液晶材料由二色性染料、离子掺杂剂与液晶混合而成；
所述的离子掺杂剂为阳离子表面活性剂和阴离子表面活性剂的组合，且阳离子表面活性剂与阴离子表面活性剂的质量比为1:(0.1～10)。
一种应用于多响应模式智能窗的液晶材料的应用，它应用于制备电流体动力学的液晶调光器件，在驱动电压为5V～50V及驱动频率为1Hz～5kHz的交流电压下，切换透明状态、吸光状态和散射状态；所述的电流体动力学的液晶调光器件的液晶盒厚度＞5μm。
本发明的有益效果是：
(1)驱动电压低：现有技术的散射模式驱动电压一般在50V以上，本发明使用切换驱动电场频率的方法实现多模式调控，使得整个调光器件在较低电压下进行(只需要5V～50V)，节省能源。
(2)切换频率可设计：可以通过调整掺杂剂阳离子和阴离子的比例，改变混合物动态介电常数，实现切换频率的设计。
(3)较长的使用寿命：本发明离子始终在调光器的液晶层中来回震荡，不会积聚在电极上，因此可以增加基于DSM器件的使用寿命。
附图说明
图1为本发明液晶调光器件结构及工作原理示意图；
图2为实施例一所述的含有二色性染料的液晶混合物的吸收光谱；
图3为介电谱，a)为对比实验一掺杂阳离子化合物以及染料的DSM器件，b)为对比实验二掺杂阴离子化合物以及染料的DSM器件，c)为对比实验三掺杂阴阳离子化合物的DSM器件，d)为实施例一掺杂阴阳离子化合物以及染料的DSM器件，1为ε’，2为ε”；
图4为实施例一掺杂阴阳离子化合物以及染料的DSM器件交叉偏振下的POM图像，a为在0V下测量，b为在20V及500Hz下测量，c为在20V及50Hz下测量；
图5为实施例一掺杂阴阳离子化合物以及染料的DSM器件实物照片，a为在0V下的透明态，b为在20V及500Hz下的吸光态，c为在20V及50Hz下的散射态，d为20V及50Hz下连续开关10000次后的散射态；
图6为对比实验一掺杂阳离子化合物以及染料的DSM器件交叉偏振下的POM图像，a在0V下测量，b在20V及100Hz下测量，c在60V及50Hz下测量；
图7为对比实验一掺杂阳离子化合物以及染料的DSM器件实物照片，a为在0V下的透明态，b为在20V及100Hz下的吸光态，c为在60V及50Hz下的散射态，d为60V及50Hz下连续开关10000次后的散射态；
图8为对比实验二掺杂阴离子化合物以及染料的DSM器件交叉偏振下的POM图像，a在0V下测量，b在20V及100Hz下测量，c在60V及50Hz下测量；
图9为对比实验二掺杂阴离子化合物以及染料的DSM器件实物照片，a为在0V下的透明态，b为在20V及100Hz下的吸光态；
图10为对比实验三掺杂阴阳离子化合物的DSM器件交叉偏振下的POM图像，a在0V下测量，b在20V及100Hz下测量，c在20V及50Hz下测量；
图11为对比实验三掺杂阴阳离子化合物的DSM器件实物照片，a为在0V下的透明态，b为在20V及100Hz下的透明态，c为在20V及50Hz下的散射态。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式的应用于多响应模式智能窗的液晶材料由二色性染料、离子掺杂剂与液晶混合而成；
所述的离子掺杂剂为阳离子表面活性剂和阴离子表面活性剂的组合，且阳离子表面活性剂与阴离子表面活性剂的质量比为1:(0.1～10)。
本具体实施方式的目的为在具有负介电各向异性的液晶材料中提供二色性染料、离子掺杂剂与液晶混合的配方，混合配方中同时具有阳离子态和阴离子态，提供不同多模式驱动方案。
本具体实施方式提出了一种调整驱动电场频率来实现低电压驱动的多模式切换的方法。创造性地提出同时掺杂阴阳离子表面活性剂的方法，设计离子掺杂剂的最佳驱动频率。同时利用宾主效应(guest-host effect)，将沿长轴方向和短轴方向对可见光吸收不同的二色性染料作为客体，溶于定向排列的液晶主体中，二色性染料将会“客随主变”地与液晶分子同向排列，当作为主体的液晶分子排列在电场作用下发生变化时，二色性染料分子排列方向也将随之而变化，即二色性染料对入射光的吸收也发生变化。因此本具体实施方式是在混合二色性染料的基础上，通过调节掺杂阴阳离子表面活性剂比例，在低频电场中实现低阈值电压切换的智能窗。
根据设计需求，依照下列公式，通过调整阴阳离子比例，改变液晶混合物的介电特性，进而实现最佳驱动频率的调整。
其中ε’为介电常数实部，ε”为介电常数虚部，f为驱动电场频率(Hz)，D为扩散系数(m2/s)，q为阳离子电荷，n为离子密度(m-3)，d为液晶盒间隙(m)，T为绝对温度(k)，ε0为真空介电常数(F/m)，kB为玻尔兹曼常数(J/k)。
可以看出介电常数实部和虚部均是随驱动电场频率变换的函数。当介电常数实部和虚部相等时即为最佳驱动频率。通过调整阴阳离子掺杂比例，可以在不改变阳离子电荷数的条件下，改变整体离子密度，进而调节最佳驱动频率。
本具体实施方式的最佳驱动频率由介电谱测试确定，即通过测试混合物介电参数的实部与虚部随频率的变化，确定交点，该交点即为最佳驱动频率。进一步，通过偏光显微镜，测试不同驱动模式下的液晶相态，进而确定“吸光”、“雾化”模式的驱动策略，最终实现“透明—吸光—雾化”多种模式切换。
基于本具体实施方式液晶材料制备的电流体动力学的液晶调光器件，可在电场下任意切换透明状态、吸光状态和散射状态。此液晶调光器件的驱动电压为5V～50V，且驱动电压为交流电压，驱动频率为1Hz～5kHz，液晶盒的厚度范围＞5μm。
图1为本发明液晶调光器件结构及工作原理示意图；结合图1具体说明基于电流体动力学的液晶调光器件结构及工作原理说明如下：液晶调光器件包括两块透明基板和液晶混合物。液晶调光器件包括由外到内依次设置的透明玻璃基板(下简称基板)、ITO导电层及取向诱导层。两块透光基板的取向层相对设置，在两块透光基板之间形成调节区，调节区内填充有液晶混合物。两个ITO导电层的ITO电极分别连接外加交流电源的两极，当两个电极通电时，透光基板间形成电场，该电场的大小与接入ITO电极的电压有关。在施加电压前，液晶调光器件为透明状态，因为两性离子化合物掺杂剂分散在液晶分子中，而液晶分子在表面取向层的诱导下垂直于基板排列，二色性染料也由于“宾-主”效应垂直于基板，调光器件为透明状态；当施加电压后，液晶分子随电场排布平行于基板，二色性染料也平行于基板，调光器件转变为吸光状态；进一步提高电压，掺杂在体系中的两性离子化合物在两个电极之间来回震荡，进而打乱了液晶分子在液晶盒中的排列，由特定取向的分子排列变为混乱排列，从而散射可见光波段的入射光。
本具体实施方式所提供的这种基于电流体动力学的液晶调光器件是一种在施加电压下，可以在透明状态切换到光散射状态的光学器件。这种基于电流体动力学的液晶调光器件可用于制备智能家居和/或显示设备。具体而言，这种基于电流体动力学的液晶调光器件可以应用于阻止强辐射的光控开关、显示器、电控调光窗、投影屏、隐私保护屏或光存储设备。比如，可应用在出于隐私目的，在散射状态下阻止可见光的产品。
本具体实施方式的有益效果是：
(1)驱动电压低：现有技术的散射模式驱动电压一般在50V以上，本具体实施方式使用切换驱动电场频率的方法实现多模式调控，使得整个调光器件在较低电压下进行(只需要5V～50V)，节省能源。
(2)切换频率可设计：可以通过调整掺杂剂阳离子和阴离子的比例，改变混合物动态介电常数，实现切换频率的设计。
(3)较长的使用寿命：本具体实施方式离子始终在调光器的液晶层中来回震荡，不会积聚在电极上，因此可以增加基于DSM器件的使用寿命。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的阳离子表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵、十六烷基二甲基苄基氯化铵和四丁基溴化铵中的一种或其中几种的混合；所述的阴离子表面活性剂为十二烷基硫酸钠、硬质酸钠和十烷基三甲基氯化铵中的一种或其中几种的混合。其它与具体实施方式一相同。
本具体实施方式所述的十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)的结构式为
本具体实施方式所述的十六烷基二甲基苄基氯化铵的结构式为
本具体实施方式所述的四丁基溴化铵的结构式为
本具体实施方式所述的十二烷基硫酸钠(SDS)的结构式为
本具体实施方式所述的硬质酸钠的结构式为
本具体实施方式所述的十烷基三甲基氯化铵的结构式为
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同的是：所述的二色性染料为非离子类的偶氮染料。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述的非离子类的偶氮染料为苏丹黑B。其它与具体实施方式一至三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述的液晶为负介电各向异性的棒状液晶。其它与具体实施方式一至四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：所述的负介电各向异性的棒状液晶为E7。其它与具体实施方式一至五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：所述的应用于多响应模式智能窗的液晶材料中二色性染料的质量百分数为0.1％～2％。其它与具体实施方式一至六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：所述的应用于多响应模式智能窗的液晶材料中离子掺杂剂的质量百分数为0.001％～5％。其它与具体实施方式一至七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：应用于多响应模式智能窗的液晶材料由二色性染料、离子掺杂剂与液晶在温度为70℃～120℃的条件下混合而成。其它与具体实施方式一至八相同。
具体实施方式十：本实施方式一种应用于多响应模式智能窗的液晶材料的应用，它应用于制备电流体动力学的液晶调光器件，在驱动电压为5V～50V及驱动频率为1Hz～5kHz的交流电压下，切换透明状态、吸光状态和散射状态；所述的电流体动力学的液晶调光器件的液晶盒厚度＞5μm。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：
应用于多响应模式智能窗的液晶材料由含有二色性染料的液晶混合物与离子掺杂剂在温度为100℃的条件下混合而成；
所述的离子掺杂剂为阳离子表面活性剂和阴离子表面活性剂的组合，且阳离子表面活性剂与阴离子表面活性剂的质量比为1:2；
所述的应用于多响应模式智能窗的液晶材料中二色性染料的质量百分数为1％；
所述的应用于多响应模式智能窗的液晶材料中离子掺杂剂的质量百分数为0.03％；
所述的阳离子表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵；
所述的阴离子表面活性剂为十二烷基硫酸钠；
本实施例二色性染料及液晶直接选用了含有二色性染料的液晶混合物，购买自烟台显华，GXD-DYE8002，Δε＝-12.5，TN-I＝95℃；
图2为实施例一所述的含有二色性染料的液晶混合物的吸收光谱；由图可知，其吸收光谱覆盖整个可见光波段，吸光状态下调光器件整体呈现黑色。
对比实验一：本对比实验与实施例一不同的是：未掺杂阴离子表面活性剂。其它与实施例一相同。
对比实验二：本对比实验与实施例一不同的是：未掺杂阳离子表面活性剂。其它与实施例一相同。
对比实验三：本对比实验与实施例一不同的是：未掺杂二色性染料。其它与实施例一相同。
制备液晶调光器件，其包括由外到内依次设置的透明玻璃基板、ITO导电层(氧化锡电极)及取向诱导层(PI诱导层)，两块透明玻璃基板的取向层相对设置，在两块透明玻璃基板之间形成调节区，调节区内填充有液晶混合物。将实施例一制备的应用于多响应模式智能窗的液晶材料、对比实验一至三制备的液晶材料分别通过毛细管抽吸填充在涂覆有氧化锡电极，厚度为10μm的各向同性相液晶盒中，分别制成实施例一的掺杂阴阳离子化合物以及染料的DSM器件、对比实验一的掺杂阳离子化合物以及染料的DSM器件、对比实验二的掺杂阴离子化合物以及染料的DSM器件以及对比实验三的掺杂阴阳离子化合物的DSM器件，待器件慢慢冷却到室温下再进行测试。
图3为介电谱，a)为对比实验一掺杂阳离子化合物以及染料的DSM器件，b)为对比实验二掺杂阴离子化合物以及染料的DSM器件，c)为对比实验三掺杂阴阳离子化合物的DSM器件，d)为实施例一掺杂阴阳离子化合物以及染料的DSM器件，1为ε’，2为ε”；由图可知，对比实验一掺杂阳离子的DSM器件存在介电交点，但最佳驱动频率较高在1kHz附近，在工业供电条件下(50Hz)难以实现低压驱动；对比实验二可以看出，掺杂阴离子的DAM器件不存在交点，无法产生动态散射；比较对比实验三与实施例一可以看出非离子二色性染料基本不影响器件介电性能，因此可推广至其他非离子染料混合配方。且由图可知，实施例一掺杂阴阳离子化合物以及染料的DSM器件最佳驱动方案：透明态(0V)，吸光态(20v，500Hz)，散射态(20v，50Hz)。
对实施例一掺杂阴阳离子化合物以及染料的DSM器件进行光电测试，结果详见表1：
表1
图4为实施例一掺杂阴阳离子化合物以及染料的DSM器件交叉偏振下的POM图像，a为在0V下测量，b为在20V及500Hz下测量，c为在20V及50Hz下测量；由图可知，0V时，液晶分子垂直于基板排列，为透明态；施加20V及500Hz电场下，液晶分子平行于基板排列，呈吸光态；施加20V及50Hz电场下，液晶分子杂乱分布，呈散射态。
图5为实施例一掺杂阴阳离子化合物以及染料的DSM器件实物照片，a为在0V下的透明态，b为在20V及500Hz下的吸光态，c为在20V及50Hz下的散射态，d为20V及50Hz下连续开关10000次后的散射态。图a-c与POM图像相吻合，图d反映出实施例一的DSM器件使用寿命大于10000次。
对对比实验一掺杂阳离子化合物以及染料的DSM器件进行光电测试，结果详见表2：
表2
驱动策略 透过率 雾度
透明态 0V 73％ 0.03％
吸光态 20V，100Hz 51％ 0.05％
散射态 60V，50Hz 7％ 88.07％
10000次开关后 60V，50Hz 19％ 65.33％
图6为对比实验一掺杂阳离子化合物以及染料的DSM器件交叉偏振下的POM图像，a在0V下测量，b在20V及100Hz下测量，c在60V及50Hz下测量；由图可知，0V时，液晶分子垂直于基板排列，为透明态；施加20V及100Hz电场下，液晶分子平行于基板排列，呈吸光态；施加60V及50Hz电场下，液晶分子杂乱分布，呈散射态。
图7为对比实验一掺杂阳离子化合物以及染料的DSM器件实物照片，a为在0V下的透明态，b为在20V及100Hz下的吸光态，c为在60V及50Hz下的散射态，d为60V及50Hz下连续开关10000次后的散射态。图a-c与POM图像相吻合，图d反映出对比实验一的DSM器件使用寿命小于10000次。
对对比实验二掺杂阴离子化合物以及染料的DSM器件进行光电测试，结果详见表3：
表3
图8为对比实验二掺杂阴离子化合物以及染料的DSM器件交叉偏振下的POM图像，a在0V下测量，b在20V及100Hz下测量，c在60V及50Hz下测量；由图可知，0V时，液晶分子垂直于基板排列，为透明态；施加20V及100Hz电场下，液晶分子平行于基板排列，呈吸光态；施加60V及50Hz电场下，液晶分子始终未出现杂乱分布，无散射态。
图9为对比实验二掺杂阴离子化合物以及染料的DSM器件实物照片，a为在0V下的透明态，b为在20V及100Hz下的吸光态；与POM图像相吻合。
对对比实验三掺杂阴阳离子化合物的DSM器件进行光电测试，结果详见表4：
表4
驱动策略 透过率 雾度
透明态 0V 73％ 0.02％
吸光态 - - -
散射态 20V，50Hz 10％ 90.06％
图10为对比实验三掺杂阴阳离子化合物的DSM器件交叉偏振下的POM图像，a在0V下测量，b在20V及100Hz下测量，c在20V及50Hz下测量；由图可知，0V时，液晶分子垂直于基板排列，为透明态；施加20V及100Hz电场下，液晶分子平行于基板排列，由于未加入二色性染料而呈现透明态；施加20V及50Hz电场下，液晶分子杂乱分布，呈散射态。
图11为对比实验三掺杂阴阳离子化合物的DSM器件实物照片，a为在0V下的透明态，b为在20V及100Hz下的透明态，c为在20V及50Hz下的散射态；由图可知，与POM图像相吻合。

Claims (6)

1.一种应用于多响应模式智能窗的液晶材料的应用，其特征在于它应用于制备电流体动力学的液晶调光器件，在驱动电压为5V～50V及驱动频率为1Hz～5kHz的交流电压下，切换透明状态、吸光状态和散射状态；所述的电流体动力学的液晶调光器件的液晶盒厚度＞5μm；
所述的应用于多响应模式智能窗的液晶材料由二色性染料、离子掺杂剂与液晶混合而成；
所述的离子掺杂剂为阳离子表面活性剂和阴离子表面活性剂的组合，且阳离子表面活性剂与阴离子表面活性剂的质量比为1:(2～10)；
所述的阳离子表面活性剂为十六烷基三甲基溴化铵；
所述的阴离子表面活性剂为十二烷基硫酸钠；
所述的二色性染料为非离子类的偶氮染料。
2.根据权利要求1所述的一种应用于多响应模式智能窗的液晶材料的应用，其特征在于所述的非离子类的偶氮染料为苏丹黑B。
3.根据权利要求1所述的一种应用于多响应模式智能窗的液晶材料的应用，其特征在于所述的液晶为负介电各向异性的棒状液晶。
4.根据权利要求1所述的一种应用于多响应模式智能窗的液晶材料的应用，其特征在于所述的应用于多响应模式智能窗的液晶材料中二色性染料的质量百分数为0.1％～2％。
5.根据权利要求1所述的一种应用于多响应模式智能窗的液晶材料的应用，其特征在于所述的应用于多响应模式智能窗的液晶材料中离子掺杂剂的质量百分数为0.001％～5％。
6.根据权利要求1所述的一种应用于多响应模式智能窗的液晶材料的应用，其特征在于应用于多响应模式智能窗的液晶材料由二色性染料、离子掺杂剂与液晶在温度为70℃～120℃的条件下混合而成。
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