CN116047823A - 一种具有光温双控功能的智能窗 - Google Patents

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CN116047823A CN202211654646.2A CN202211654646A CN116047823A CN 116047823 A CN116047823 A CN 116047823A CN 202211654646 A CN202211654646 A CN 202211654646A CN 116047823 A CN116047823 A CN 116047823A
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胡小文
靳晓宇
苏卓
姜小芳
周国富
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South China Normal University
Shenzhen Guohua Optoelectronics Co Ltd
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Abstract

本发明公开了一种具有光温双控功能的智能窗，其具有平面电极透光导电基板，以及与所述平面电极透光导电基板相对设置的叉指电极，所述平面电极透光导电基板与所述叉指电极之间，设置有聚合物稳定胆甾相液晶层；其中，所述叉指电极包括两个电极，分别为电极1和电极2，所述电极1和电极2彼此平行，且呈间隔交错排布；所述聚合物稳定胆甾相液晶层由液晶混合液固化而成。本方案具有制备工艺及流程简单、制备原料成本低易制得、便于工业化生产的优点。本发明的针对室内光、温双调控的智能窗具有多样化的透光状态，能够满足用户在不同情况下的个性化需求，在车载玻璃、建筑窗口等领域有着巨大的应用前景。

Description

一种具有光温双控功能的智能窗
技术领域
本发明涉及液晶材料和装置领域，特别是涉及一种具有光温双控功能的智能窗。
背景技术
窗户是现代建筑物和车辆的重要组成部分，窗户直接影响光和热的传递。在白天，透明窗户允许太阳光进入为室内提供光亮减少照明系统的能源消耗。当窗户阻挡可见光并从透明变为不透明时，可以营造相对封闭的隐私环境。并且太阳光波是一种能量波，在保障建筑物内部照明的同时也会带来大量热量。当携带有大量热量的红外光被反射出室外而依旧使维持照明的可见光进入室内，能够在一定程度上控制室内温度并避免采光受到影响。这类能够控制不同波段的太阳光线的智能窗能够满足用户在不同情况下的需求。
基于液晶材料，研究人员开发出了电响应驱动液晶实现可见光散射或者红外光反射的智能窗，达到自由调节太阳光线实现隐私保护功能或者控制室内温度的功能。
研究人员通过使用特殊化学材料比如双频液晶、二色性染料或者叠加多层调节区的方法，将上述隐私保护和温度控制两种调控功能集于一体。但是现有的技术手段(如专利CN109917594B、文献“Electrically switchable bistable dual frequencyliquidcrystal light shutter withhyper-reflection innear infrared”)使得这类双调控的智能窗的制备流程复杂化、材料成本大幅增加，不利于实际的工业化生产和推广。
因此有必要提供一种只使用普通的化学材料并且制备流程简单、低成本的智能窗，该智能窗能够在可见光和近红外光谱区域具有高灵敏的响应度，从而高效地实现对室内环境的光温双控。
发明内容
基于此，本发明公开了一种具有光温双控功能的智能窗，其具有平面电极透光导电基板，以及与所述平面电极透光导电基板相对设置的叉指电极透光导电基板，所述平面电极透光导电基板与所述叉指电极透光导电基板之间，设置有聚合物稳定胆甾相液晶层；
其中，所述叉指电极透光导电基板包括叉指电极，所述叉指电极包括两个电极，分别为电极1和电极2，所述电极1和电极2彼此平行，且呈间隔交错排布；
所述聚合物稳定胆甾相液晶层由液晶混合液固化而成。
进一步地，平面电极透光导电基板和叉指电极透光导电基板中，均设置有平面取向层，分别为平面取向层1和平面取向层2。
聚合物稳定胆甾相液晶层主要由聚合物网络和胆甾相液晶组成。
进一步地，所述液晶混合液包括向列型液晶材料、可交联液晶单体、手性掺杂剂和光引发剂。其中，所述聚合物网络由可交联液晶单体与光引发剂作用形成，所述胆甾相液晶为向列型液晶材料和手性掺杂剂形成的螺旋结构。
优选地，所述液晶混合液包括80～90质量份的向列相液晶材料、1～4质量份的可交联的液晶单体、7～14质量份的手性掺杂剂、1～3质量份的光引发剂。
进一步地，所述平面电极透光导电基板与所述叉指电极透光导电基板之间，还设置有厚度控制胶，所述厚度控制胶位于所述聚合物稳定胆甾相液晶层的两侧。
进一步地，所述具有光温双控功能的智能窗外接有交流电源或直流电源的一种或两种。
必要地，所述具有光温双控功能的智能窗还包括电源组件，电源组件包括交流电源、直流电源以及必要的开关和导线。两块透光导电基板的电极分别与电源组件的两极连接。
在未接入电压时，胆甾相液晶层中的胆甾相液晶平行于透光导电基板排列呈平面态，智能窗对可见光的透射率较高、红外光的反射带宽较小，大部分的太阳光都能穿过智能窗进入室内，此时的智能窗为透明非隔热状态；
当接入交流电压时，器件内部形成垂直于基板的电场，正介电各向异性的胆甾相液晶在电场力的作用下会重新排列呈现焦锥态，智能窗对入射太阳光中的可见光进行散射呈现模糊状态，此时的智能窗为视觉阻断的非隔热状态，撤去交流电压后智能窗恢复到初始的透明非隔热状态；
当接入直流电压时，器件内部形成形似抛物线的、从垂直到逐渐平行于基板的叉指电场。胆甾相液晶在平行于基板的电场力的作用下发生解螺旋效应被拉伸，胆甾相液晶在倾斜于基板的电场力的作用下发生偏转被压缩，并且因捕获制备原料中的极性阳离子而带正电的聚合物网络，在电场的作用下发生靠近负极远离正极的移动，这种移动进一步引起胆甾相液晶被拉伸和压缩。在使用叉指电极连接直流电压形成的叉指电场下，智能窗在调控红外光的反射带宽的能力被提高。聚合物稳定胆甾相液晶层的胆甾相液晶重新分布，胆甾相液晶的螺距发生改变形成一定的螺距梯度，其反射带宽增加能够将更多携带有大量热量的红外光反射出室内而实现隔热控温的目的。并且此时整体上聚合物稳定胆甾相液晶层内胆甾相液晶依旧平行于透光导电基板排列呈现平面态，该状态的智能窗为透明的隔热状态，撤去直流电压后智能窗恢复到初始状态；智能窗的不透明程度和反射红外光的宽度均可以通过调节外加电压的大小来控制。
进一步地，所述向列型液晶材料选自E7或gg-331的一种或多种。
进一步地，所述可交联液晶单体选自丙烯酸酯类衍生物。
进一步地，所述手性掺杂剂为左旋或右旋的液晶小分子，优选为选自S1011、R1011、S811或R811中的至少一种。
进一步地，所述光引发剂选自Irgacure-651、Irgacure-819、Irgacure-369或Irgacure-184中的至少一种。
进一步地，所述交流电源一端连接所述平面电极透光导电基板，另一端连接所述叉指电极的电极1和电极2。
进一步地，所述直流电源一端连接所述叉指电极的电极1，另一端连接所述叉指电极的电极2。
进一步地，所述叉指电极的电极宽度为35～115μm，相邻电极间距离为25～40μm；
所述聚合物稳定胆甾相液晶层的厚度为30～50μm。所述厚度由两块所述基板之间设有的厚度控制胶控制。所述厚度控制胶包括3～5质量份的间隔子和95～97质量份的紫外固化胶。
上述具有光温双控功能的智能窗的聚合物稳定胆甾相液晶层的制备方法，包括以下步骤：
取平面电极透光导电基板和叉指电极透光导电基板相对设置，每块所述透光导电基板的相对侧设置平行取向层，再向所述平行取向层间填入液晶混合物，然后使所述液晶混合物固化，形成聚合物稳定胆甾相液晶层。
本发明具有以下有益效果：
本发明提供了一种具有光温双控功能的智能窗。与以往需要使用特殊化学材料或者叠加调节区的制备方式相比，该智能窗由简单易得的制备材料和叉指电极透光导电基板结合而成。其利用叉指电极改变电场的分布，使调节区的聚合物网络和胆甾相液晶发生电场响应，实现可见光散射效应和红外光反射效应，并且叉指电极的使用进一步增宽了红外光的反射带宽。
相较于使用特殊化学材料或者叠加调节区的制备方法来实现隐私保护和温度控制的智能窗，本方案具有制备工艺及流程简单、制备原料成本低易制得、便于工业化生产的优点。本发明的针对室内光、温双调控的智能窗具有多样化的透光状态，能够满足用户在不同情况下的个性化需求，在车载玻璃、建筑窗口等领域有着巨大的应用前景。
附图说明
图1示出了实施例的具有光温双控功能的智能窗的示意图；
图2示出了本发明的实施例1的具有光温双控功能的智能窗的聚合物稳定胆甾相液晶层在未接入电压时的示意图；
图3示出了本发明的实施例1的具有光温双控功能的智能窗的聚合物稳定胆甾相液晶层在接入交流电压的瞬态电场分布示意图；
图4示出了本发明的实施例1的具有光温双控功能的智能窗的聚合物稳定胆甾相液晶层在接入100V交流电压时的示意图；
图5示出了本发明的实施例1的具有光温双控功能的智能窗的聚合物稳定胆甾相液晶层在接入不同交流电压下的波长-透光率曲线关系图；
图6示出了本发明的实施例1的具有光温双控功能的智能窗的聚合物稳定胆甾相液晶层在接入直流电压的瞬态电场分布示意图；
图7示出了本发明的实施例1的具有光温双控功能的智能窗的聚合物稳定胆甾相液晶层在接入69V直流电压时的示意图；
图8示出了本发明的实施例1的具有光温双控功能的智能窗的聚合物稳定胆甾相液晶层在接入不同直流电压下的波长-透光率曲线关系图。
图9示出了对比例的具有光温双控功能的智能窗的聚合物稳定胆甾相液晶层在接入不同直流电压下的波长-透光率曲线关系图。
附图标号：平面电极透光导电基板—1；平板电极—11、平行取向层1—12；叉指电极透光导电基板—2；叉指电极—21；平行取向层2—22；叉指电极的电极1—21-1；叉指电极的电极2—21-2；聚合物稳定胆甾相液晶层—3；聚合物网络—4；胆甾相液晶—5；交流电源组件—6；直流电源组件—7；厚度控制胶—8。
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。实施例中所使用的试验方法如无特殊说明,均为常规方法；所使用的材料、试剂等，均可从商业途径得到的试剂和材料。
实施例1
一种具有光温双控功能的智能窗，其装置从上到下依次设置有：平面电极透光导电基板(1)(1100μm)/聚合物稳定胆甾相液晶层(3)(30μm)/叉指电极透光导电基板(2)(1100μm)；
其中，平面电极透光导电基板(1)由平板电极(11)(25nm)和平行取向层1(12)(50nm)组成；
叉指电极透光导电基板(2)由叉指电极(21)(25nm)和平行取向层2(22)(50nm)组成；
叉指电极(21)由电极1(21-1)(25nm)和电极2(21-2)(25nm)组成，二者彼此平行，且呈间隔交错排布；且电极宽度为115μm，相邻电极间距离为25μm；电极1(21-1)和电极2(21-2)上还有一层平行取向层2(22)(50nm)；
所述平面电极透光导电基板(1)与所述叉指电极透光导电基板(2)之间，还设置有厚度控制胶(8)(其由5质量份的间隔子和95质量份的紫外固化胶组成)，所述厚度控制胶(8)位于所述聚合物稳定胆甾相液晶层(3)的两侧，用来调节聚合物稳定胆甾相液晶层(3)的高度，和支撑作用。
上述具有光温双控功能的智能窗，可以选择性地不接电压、接入交流电压(6)，或者接入直流电压(7)。
交流电源(6)一端连接所述平面电极透光导电基板(1)，另一端连接所述叉指电极(21)的电极1(21-1)；
直流电源(7)一端连接所述叉指电极(21)的电极1(21-1)，另一端连接所述叉指电极(21)的电极2(21-2)。
而上述具有光温双控功能的智能窗的制备方法如下：
在黄光环境下，
S1、取干净的ITO平板电极玻璃和ITO叉指电极玻璃，经紫外臭氧处理后，旋涂聚乙烯醇溶液，然后经加热和摩擦后制成附着有平行取向层1(12)的平板电极(11)和叉指电极(21)；利用间隔子为30μm的厚度控制胶(8)中含有的紫外固化胶粘合制成液晶盒。
S2、取82.2质量份的向列相液晶E7、3质量份的可交联的液晶单体RM257、13.8质量份的右旋的手性掺杂剂S811、1质量份的光引发剂Irgacure-651于棕色瓶中，在60℃下将混合均匀制成液晶混合液。
S3、在35℃的热台下，液晶混合液通过毛细作用填入液晶盒中，在手性掺杂剂的作用下形成含聚合物的胆甾相液晶；静置60min后关闭热台，使其自然冷却至室温，接着将器件置于32mw/cm2的紫外光下固化3min，液晶混合液中的可交联液晶单体与光引发剂在紫外光作用下形成聚合物网络(4)，液晶混合液中的向列型液晶材料和手性掺杂剂形成的螺旋结构的胆甾相液晶(5)，聚合物网络(4)和胆甾相液晶(5)共同组成聚合物稳定胆甾相液晶层(3)，即聚合物稳定胆甾相液晶层(3)制备完成。
其中，可交联的液晶单体RM257的结构式为：
Figure BDA0004012082740000051
手性掺杂剂S811的结构式为：
Figure BDA0004012082740000061
光引发剂Irgacure-651的结构式为：
Figure BDA0004012082740000062
图1示出了上述实施例的具有光温双控功能的智能窗的示意图。
测试例
图2示出了本发明的实施例1的具有光温双控功能的智能窗的聚合物稳定胆甾相液晶层(3)在未接入电压时的示意图。如图2所示，在未接入电压时，在平行取向层1(12)和平行取向层2(22)的控制下，聚合物稳定胆甾相液晶层(3)内的胆甾相液晶(5)平行于平面电极透光导电基板(1)排列呈平面态，此时智能窗允许绝大部分的太阳光线进入室内并反射一小部分红外光，呈透明非隔热状态；
图3示出了本发明的实施例1的具有光温双控功能的智能窗的聚合物稳定胆甾相液晶层(3)在接入交流电压的瞬态电场分布示意图。如图3所示，当接入交流电压时，在调节区形成近似全部垂直于基板的垂直电场；
图4示出了本发明的实施例1的具有光温双控功能的智能窗的聚合物稳定胆甾相液晶层(3)在接入100V交流电压时的示意图。如图3所示，当接入交流电压时，在垂直于基板的电场力作用下，胆甾相液晶层的胆甾相液晶重新排列从平面态变为焦锥态，此时的胆甾相液晶对入射光表现出强烈的散射效应，智能窗呈现模糊不隔热状态；
图5示出了本发明的实施例1的具有光温双控功能的智能窗的聚合物稳定胆甾相液晶层(3)在接入不同交流电压下的波长-透光率曲线关系图。如图5所示，随着接入交流电压的增大，智能窗在可见光波段的透光率不断下降，此时的智能窗呈现模糊状态，能够阻断视线实现隐私保护；
图6示出了本发明的实施例1的具有光温双控功能的智能窗的聚合物稳定胆甾相液晶层(3)在接入直流电压的瞬态电场分布示意图。如图6所示，当接入直流电压时，在调节区形成近似抛物线的、从垂直于基板逐渐平行于基板的叉指电场；
图7示出了本发明的实施例1的具有光温双控功能的智能窗的聚合物稳定胆甾相液晶层(3)在接入69V直流电压时的示意图。如图7所示，当接入直流电压时，器件内部形成从垂直逐渐平行于基板的叉指电场。胆甾相液晶在平行于基板的电场力的作用下发生解螺旋效应被拉伸，胆甾相液晶在倾斜于基板的电场力的作用下发生偏转被压缩，并且因捕获制备原料中的极性阳离子而带正电的聚合物网络，在直流电压形成的电场作用下发生靠近负极远离正极的移动，这种移动进一步引起胆甾相液晶被拉伸和压缩。在使用叉指电极，连接直流电压形成的叉指电场下，智能窗在调控红外光的反射带宽的能力被提高。聚合物稳定胆甾相液晶层的胆甾相液晶重新分布，胆甾相液晶的螺距形成一定的螺距梯度，其反射带宽增加，将更多携带有大量热量的红外光反射出室内而实现隔热控温的目的。并且此时整体上胆甾相液晶层的胆甾相液晶依旧呈现平面态排列，该状态的智能窗为透明的非隔热状态；
图8示出了本发明的实施例1的具有光温双控功能的智能窗的聚合物稳定胆甾相液晶层(3)在接入不同直流电压下的波长-透光率曲线关系图。如图8所示，随着接入直流电压的增大，智能窗的红外反射带宽不断被拓宽，此时的智能窗能够将大量的热量阻隔实现温度控制。
上述实施例中，叉指电极的作用机理是：当接入直流电压时，由于叉指电极的存在器件内部形成从垂直逐渐平行于基板的叉指电场。这种叉指电场能够保证胆甾相液晶在整体上依旧维持在高透明度的平面织构，同时又可以使胆甾相液晶被拉伸和压缩的程度更加剧烈，增加了螺距梯度，因此在红外光能够产生更大的反射带宽，达到反射更多的红外光的效果，同时使胆甾相液晶维持平面织构的稳定性得到提高。
对比例
对比例所示的具有光温双控功能的智能窗，与实施例1的结构相同，不同点仅在于，对比例所设置的上下透光导电基板，均为常规的平板电极。
图9示出了对比例中的具有光温双控功能的智能窗的聚合物稳定胆甾相液晶层在接入不同直流电压下的波长-透光率曲线关系图。
与图9相比可以看出，图8中使用叉指电极作为透光导电基板具有更好的增宽效果，同时可以增加胆甾相液晶维持平面织构的稳定性，使智能窗依旧保持较高的透明度。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种具有光温双控功能的智能窗，其特征在于，所述具有光温双控功能的智能窗具有平面电极透光导电基板，以及与所述平面电极透光导电基板相对设置的叉指电极透光导电基板，所述平面电极透光导电基板与所述叉指电极透光导电基板之间，设置有聚合物稳定胆甾相液晶层；
其中，所述叉指电极透光导电基板包括叉指电极，所述叉指电极包括两个电极，分别为电极1和电极2，所述电极1和电极2彼此平行，且呈间隔交错排布；
所述聚合物稳定胆甾相液晶层由液晶混合液固化而成。
2.根据权利要求1所述具有光温双控功能的智能窗，其特征在于，所述液晶混合液包括向列型液晶材料、可交联液晶单体、手性掺杂剂和光引发剂。
3.根据权利要求1所述具有光温双控功能的智能窗，其特征在于，所述平面电极透光导电基板与所述叉指电极透光导电基板之间，还设置有厚度控制胶，所述厚度控制胶位于所述胆甾相液晶层的两侧。
4.根据权利要求1所述具有光温双控功能的智能窗，其特征在于，所述具有光温双控功能的智能窗外接有交流电源或直流电源的一种或两种。
5.根据权利要求2所述具有光温双控功能的智能窗，其特征在于，所述向列型液晶材料选自E7或gg-331的一种或多种。
6.根据权利要求2所述具有光温双控功能的智能窗，其特征在于，所述可交联液晶单体选自丙烯酸酯类衍生物。
7.根据权利要求2所述具有光温双控功能的智能窗，其特征在于，所述光引发剂选自Irgacure-651、Irgacure-819、Irgacure-369或Irgacure-184中的至少一种。
8.根据权利要求4所述具有光温双控功能的智能窗，其特征在于，所述交流电源一端连接所述平面电极透光导电基板，另一端连接所述叉指电极的电极1和电极2。
9.根据权利要求4所述具有光温双控功能的智能窗，其特征在于，所述直流电源一端连接所述叉指电极的电极1，另一端连接所述叉指电极的电极2。
10.根据权利要求1所述具有光温双控功能的智能窗，其特征在于，所述叉指电极的电极宽度为35～115μm，相邻电极间距离为25～40μm；
所述聚合物稳定胆甾相液晶层的厚度为30～50μm。
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