CN117795407A - 用于窗元件的切换层 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及包括两个切换层的窗元件,其中切换层各自包含含有一种或多种二色性染料的液晶介质,并且其中在光学状态之一下,两个切换层都具有扭曲或超扭曲向列的构型,其中所述两个切换层中之一的扭曲的旋向性或螺旋性在方向上相对于另一个切换层相反。本发明进一步涉及用于窗元件的组合物以及窗元件应用在节能和改进舒适性的建筑物和车辆中的用途。

Description

用于窗元件的切换层
本发明涉及包括两个切换层的窗元件,其中切换层各自包括含有一种或多种二色性染料的液晶介质,并且其中在光学状态之一下,切换层二者均具有扭曲或超扭曲向列构型,其中两个切换层中之一的扭曲的旋向性(handedness)或螺旋性(helicity)在方向上相对于另一个切换层是相反的。本发明进一步涉及用于窗元件的组合物以及窗元件应用在具有节能和改进舒适性的建筑物和车辆中的用途。
虽然用于控制或调制光透射率的器件通常用于显示器应用中,但它们也可以用于例如所谓的智能窗应用中。R.Baetens等人在“Properties,requirements andpossibilities of smart windows for dynamic daylight and solar energy controlin buildings:A state-of-the-art review”Solar Energy Materials&Solar Cells,94(2010),第87-105页中综述了不同的动态智能窗。如本文所述,智能窗可以利用多种技术来调制光的透光率,例如基于电致变色(electrochromism)的器件、液晶器件和电泳或悬浮颗粒器件。
光闸和光强度调制器,特别是基于液晶的光调制器,可以用于建筑、汽车、铁路、航空电子和航海应用的可切换窗。
在这种器件中,光的透射率可以可逆地改变,其中入射光的强度可以被减弱、变暗或染色。因此,这些器件可以在亮状态和暗状态下操作并在其之间切换,即相对较高光透射率的状态与相对较低光透射率状态之间,然而,优选地,在不同的操作状态下表现出很少的散射或雾度(haze)或没有。
虽然基于液晶的器件在不同光学状态之间的切换也可以是热控制的,但是在许多情况下,所述器件有利并且合适优选地使用电切换采用不同光学状态,其中施加电压来控制切换。这种基于液晶的器件原则上通过施加导致透过率变化的电场对两个导电电极之间的液晶(LC)分子的取向造成改变。
原则上,可以采用几种模式或构型以提供这种可逆的透射率变化。对于扭曲向列型(TN)、超扭曲向列(STN)和垂直取向(VA)液晶盒而言,通常使用偏振器来控制光透射。也可以使用基于掺杂有二色性染料分子的液晶主体的客体-主体液晶盒。这些客体-主体体系可以在没有任何偏振器的情况下使用以更改透射率。然而,在一些实施方案和应用中,客体-主体液晶盒也与至少一个偏振器组合使用。
WO 2017/118465 A1描述了用于调节进入房间的光的器件,其包含这样的可切换层,所述可切换层含有二色性染料-掺杂的液晶介质,并且其中切换状态之一具有扭曲构型。
WO 2014/180525A1描述了用于调节光的通过的器件,其中所述器件包括两个切换层,特别是在所谓的双盒布置中提供,并且其中两个切换层各自包含含有一种或多种二色性染料的液晶介质。在实施方案之一中,切换层可以具有扭曲布置。
在本领域中仍然需要用于调节光的通过的多功能和适应性的器件,特别是给出有效和高效的切换性能的可切换窗。
因此,本发明的目的是提供多层布置和窗元件,特别是用于建筑、汽车、航空电子和航海应用的可切换或智能窗,其可以对环境光提供良好控制并且在操作期间具有有利的性能,并且特别是可以在电-光特性方面给出益处。进一步的目的是提供在这些器件中有利可用的组合物。通过以下详细描述,本发明的进一步目的对于本领域技术人员来说是显而易见的。
该目的通过在独立权利要求中所定义的主题解决,而优选实施方案分别在从属权利要求中陈述并在下文中进一步描述。
本发明特别提供以下项目,包括主要方面、优选实施方案和特别特征,它们分别独自地和组合地有助于解决以上目的并最终提供额外优点。
本发明的第一方面提供了窗元件,其包括用于调节光的通过并且可在亮状态和暗状态下操作和在其之间可电切换的多层布置,其中所述多层布置包括各自含有液晶介质的第一可切换层和第二可切换层,所述液晶介质包含一种或多种二色性染料和任选的一种或多种手性化合物,其中在所述状态之一下第一可切换层和第二可切换层具有扭曲向列或超扭曲向列构型,并且其中第一和第二可切换层之一的扭曲方向是顺时针的并且另一可切换层的扭曲方向是逆时针的。
根据本发明,配置了包括两个切换层的有利多层组件,其中这些组件可以良好地用于建筑、汽车、航空电子和航海应用的可切换窗。当期望时多层布置在以下方面是特别有用和有效的:供给亮状态和暗状态之间的可切换性,特别是电可切换性提供光透射率的变化。
在本发明中认识到,在窗元件的层布置中提供两个切换层的组合在原理上可以给出良好的高透射率范围,特别是在光学亮状态和光学暗状态之间的合适的大透射率差。此外,认识到通过在切换状态之一,优选地在暗状态中提供扭曲或超扭曲构型,可以进一步良好地影响切换性能。
进一步认识到,多层布置的每一层可影响或作用于窗元件的光学性能,例如考虑到通过不希望的反射或不希望的吸收的光学损耗,因此期望维持或甚至增强器件的有效性和效率。
已经惊奇地发现,具有有效和高效的光学性能特别是电-光性能的包含多层布置的窗元件可以通过包括具有相反手性或旋向性的扭曲或超扭曲构型的两个切换层获得,即在光学状态之一下,优选在暗状态下,切换层之一表现出右旋或相应顺时针扭曲,而另一切换层则表现出左旋或相应的逆时针扭曲。
与具有相同旋向性的两个切换层的情况相比,即具有均顺时针扭曲的两个层或相应地具有逆时针扭曲的两个层的情况,已经惊奇地发现,通过提供组合了具有相反扭曲方向的切换层的根据本发明的窗元件可以获得多种益处。
特别是,根据本发明的窗元件可以在光学亮状态和光学暗状态之间实现更大的透射率差,其中尤其是在维持优异的亮状态的同时有利地获得具有仍更低透射率的更有效的暗态。这对于期望或甚至要求在所述状态之一下仅允许最小的光透射率的应用尤其有用,例如,以给出强烈的暗或黑色外观。此外,这种提供因此可以良好地在亮状态和暗状态之间给出改进的对比度。另外,根据本发明的窗元件可以在视角依赖性方面均给出相对于期望对比度和色彩外观的好处,其中可以最小化或甚至避免与视角相关的对比度或色彩伪影的不希望的角度依赖性。这使得能够更容易地一致设置对比度和色度坐标(chromaticitycoordinate)并给出设计选项,例如也用于曲线层和基板。另外,当根据本发明的窗元件通过扭曲的起始方向配向时,可以在白天的定向太阳能光管理方面提供好处。
在不希望受理论约束的情况下,相信当具有相同手性或旋向性的两个切换层被串联提供并且入射到多层布置上的光因此连续地穿过两个切换层时,光的期望或设想的光学特性被影响和受到作用,例如,因为光的线性偏振分量被非故意地转换为椭圆或仅部分偏振分量,其可能削弱最终离开窗元件的光的光学特性,因此作用于光学性能,例如在透射率性质、可获得的对比度和视角依赖性方面。进一步相信的是,当光一个接一个地通过根据本发明提供的具有相反手性或旋向性的两个切换层时,可以最小化或甚至避免光学品质或特性的不希望的或意外的损失,其中通过有利地提供相反的旋向性,第二切换层可以补偿由第一切换层和由可能另外的在前的其它层引起的不希望的光学效应或伪影。这种方式有利于可获得的光学性能,包括在相对于亮状态透射率具有大透射率范围的同时具有降低的光透射率的优异暗状态。
考虑到配置和组装的容易性,根据本发明的窗元件可由简单且稳健的方法提供。
根据本发明的窗元件还可以提供进一步的好处,例如合适的可靠性、耐久性和稳定性,例如在电击穿和光稳定性方面,特别是UV光稳定性,以及良好的低切换电压和低能量消耗。在这方面,根据本发明,可以良好地和有利地使用具有改进的化学、物理和电-光性质的液晶介质,其中所述介质特别是可以具有宽的液晶相,其具有合适的高清亮点、良好高电压保持比(VHR),具有优良的低温稳定性和合适的储存稳定性。
此外,该器件还可以在大的器件面积上显示出快速、高效和均匀的切换,这对于较大的窗是期望的。
根据本发明的窗元件可用于调节或调制光的通过,特别是用于控制阳光的通过。窗元件能够经历可逆的光学转变,其中这种切换是快速的,通常在小于一秒的数量级上。优选地,通过施加电压器件可以方便地在状态之间切换。
另外,窗元件可以以最小的空间要求安装,这可以提供显著的优点,例如与传统的遮阳篷或百叶窗相比。根据本发明的窗元件可以有利地用于建筑物外立面的窗户中,但它也可以用于汽车、商用车、火车、飞机、船舶等。
因此,本发明的另一方面涉及根据本发明的窗元件在建筑物或车辆的窗户中的用途。
所述窗元件可用于建筑物和车辆中可持续的出色应用,特别是通过对照明、冷却和/或加热方面节能,以及通过对生命周期(例如在维护方面)产生积极影响,此外提供改进的热舒适性和视觉舒适性。
在本发明的其他方面中,提供了一系列的组合物,其包含
-第一液晶介质,其具有至少80℃的清亮点并且包含一种或多种二色性染料和手性掺杂剂的立体异构体,优选R-异构体,和
-第二液晶介质,其具有至少80℃的清亮点并且包含一种或多种的二色性染料和所述手性掺杂剂的另一个立体异构体,优选S-异构体。
包括两种单独组合物的这些系列或体系可以有利地以容易的方式提供或供应分别用作窗元件的两个切换层中的材料。
在不限制本发明的情况下,在下文中,通过对方面、实施方案和特别特征的详细描述来说明本发明,并且更详细地描述特别实施方案。
本文中的术语“液晶”(LC)优选地涉及在一些温度范围具有液晶中间相(热致LC)的材料或介质。它们含有介晶化合物。
术语“介晶化合物”和“液晶化合物”意为包含一个或多个棒状(杆状或板状/板条状)或盘状(圆盘状)介晶基团的化合物,即具有诱导液晶相或中间相行为的能力的基团。
LC化合物或材料和包含介晶基团的介晶化合物或材料本身不必表现出液晶相。它们也有可能仅在与其他化合物的混合物中显示出液晶相行为。这包括低分子量非反应性液晶化合物、反应性或可聚合液晶化合物,和液晶聚合物。
棒状介晶化合物通常包含介晶核,其由一个或多个彼此直接或经由连接基团连接的芳香族或非芳香族环状基团组成,任选地包含连接到介晶核末端的端基,和任选地包含一个或更多个连接到介晶核长侧的侧基,其中这些端基和侧基通常选自例如二价碳基或烃基、极性基团如卤素、硝基、羟基等或可聚合基团。
为了简单起见,术语“液晶”或“LC”材料或介质用于液晶材料或介质和介晶材料或介质二者,且反之亦然,并且术语“介晶”用于材料的介晶基团。
术语“非介晶化合物或材料”意为不含有上述介晶基团的化合物或材料。
术语“手性”通常用于描述不可叠加在其镜像上的物体。相比之下,“非手性”(无手性)物体是与其镜像相同的物体。根据本发明优选使用的介质表现出手性。这可以通过提供胆甾液晶来实现,胆甾液晶也称为手性向列液晶。除非另有明确说明,术语手性向列和胆甾在本文中是同义的。
在本文中,1,4-亚环己基环和1,4-亚苯基环描述如下:
亚环己基环是反式-1,4-亚环己基环。
在本文中,除非另有明确说明,所有浓度均以重量百分比表示,并与各自的总体混合物有关。
所有温度以摄氏度(摄氏,℃)给出,并且所有温度差以摄氏度给出。除非另有明确说明,所有物理性质和物理化学或电-光参数都是在20℃的温度下测定和给出的。
为了本发明的目的,术语能量被认为是UV-A、VIS和NIR区域中通过电磁辐射产生的能量。特别是,它被认为是未被通常用于窗户的材料(例如玻璃)吸收或仅在可忽略的程度上被吸收的辐射所产生的能量。在本文中,UV-A区域被认为是320至380nm范围的波长,VIS区域被认为是380nm至780nm范围的波长,NIR区域被认为是780nm至2500nm范围的波长。
术语“光”特别被认为是波长从380nm至780nm的电磁辐射。光的透射和散射因此优选地是指在380nm至780nm的光谱范围的电磁辐射的透射和散射。
在本文中,二色性染料认为是吸光化合物,其中该吸收性质取决于化合物相对于光的偏振方向的取向。根据本发明的二色性染料化合物通常具有细长的形状,即该化合物在一个空间方向(即沿纵轴)上比在其他两个空间方向上显著更长。通常,为了吸收光,将二色性染料溶解在主体液晶中,其中染料分子与液晶配向,并且可以在施加电场时与液晶分子取向。优选地,本文所用的二色性染料在可见波长范围具有最大吸收。二色性染料是本领域技术人员已知的,并且在文献中有很好的描述,例如在Birenda Bahadur编辑的《LiquidCrystals:Applications and Uses》,第1-3卷,World Scientific,1992年。第11章:Dichroic Liquid Crystal Displays中。
术语“膜”和“层”包括具有或多或少的明显机械稳定性的刚性或柔性、自支撑或独立式的膜或层,以及支撑基板上或两个基板之间的涂层或层。
窗元件优选且适当地用作窗的组件,并且与例如其他配件和框架一起可以用于提供窗,例如用于建筑物或车辆中的开放口以及用作外墙或用在内部隔板中。
可切换层可以布置在基板上或两个基板之间。可切换层通常含有活性材料,即可以可逆地经历影响穿过该层的光的光学行为(特别是透射行为)的变化的材料,并且可在不同的光学状态下操作,并且特别是可电切换的。
根据本发明的切换特别意为电切换。电切换通常可以通过提供具有电极的基板(例如玻璃基板或塑料基板)实现。在实施方案中,在基板上提供导电层,其中导电层包含透明导电材料或由其形成,例如透明导电氧化物,优选氧化铟锡(ITO)或SnO2:F,特别是ITO,或导电聚合物,或薄透明金属和/或金属氧化物的层,例如银。电导电层优选地配备电连接。电压优选由电池、可充电电池、超级电容器或外部电流源供应,更优选由外部电流源供应。
根据本发明提供了窗元件,其包括多层布置,特别是堆叠的多层,使得从接收入射光的第一层的表面开始,该光依次穿过所有层。
窗元件可在亮状态和暗状态下操作并且可在其之间电切换,其中在所述状态之一下,第一可切换层和第二可切换层具有扭曲向列或超扭曲向列构型。优选可切换层在暗状态下表现出扭曲向列或超扭曲向列构型。在这种情况下,在两个切换层的液晶介质中所含有的二色性化合物被扭曲和取向,使得它们可以在很大程度上吸收光,并因此有效地减弱通过器件的光透射率。
根据本发明所提供的扭曲向列或超扭曲向列配置可以包括所谓的扭曲向列(TN)模式、所谓的超扭曲向列(STN)模式以及如垂直配向超扭曲向列(VA-STN)模式的反向模式。
窗元件的切换优选地是指二元状态之间的切换。
根据本发明,包括可切换层的窗元件可在光学亮状态和光学暗状态之间切换。在这方面,与暗状态相比,亮状态具有更大程度的光透射率。亮状态和暗状态两者优选是非散射的或基本上不散射的。
在亮状态下,包括根据本发明的可切换层的窗元件优选具有根据DIN EN410测定的至少30%的可见光透射率,更优选至少40%,甚至更优选至少45%。
在暗状态下,包括根据本发明的可切换层的窗元件优选具有根据DIN EN410确定的小于10%的可见光透射率,更优选小于5%,甚至更优选小于3%。在优选实施方案中,在暗状态下,包括可切换层的窗元件具有根据DIN EN410确定的可见光透射率,其在1%至15%的范围,更优选在2%至8%的范围。
然而,可切换层、多层布置和窗元件也可能具有其他的切换状态,特别是中间状态。
除了良好的光学各向异性之外,根据本发明的可切换层中所包含的液晶介质可以有利地表现出良好的高电压保持比(VHR)以及优良的光稳定性和适当高的清亮点。
优选地,第一可切换层中所含有的液晶介质和第二可切换层中所含有的液晶介质各自具有80℃或更高的清亮点,更优选90℃或更高,甚至更优选100℃或更高,特别是115℃或更高的清亮点。优选的是,每种介质具有在80℃至170℃的范围的清亮点,更优选100℃至150℃。
所有物理性质和物理化学或电-光参数都是通过通常已知的方法,特别是根据“Merck Liquid Crystals,Physical Properties of Liquid Crystals”,1997年11月,Merck KGaA,Germany测定的。
清亮点,特别是在向列相或手性向列相或胆甾相与各向同性相之间分别的相转变温度,可以通过一般已知的方法测量和测定,例如使用Mettler烘箱或在偏振显微镜下的热台。根据本发明,优选使用Mettler烘箱测定清亮点。
所定义的高清亮点在可在多层布置和包括多层布置的器件的性能和可靠性方面是有益的。特别是,介质可以在适当宽的温度范围以及在升高的温度下维持其功能性质。这对于调节阳光通过的窗元件的用途可以是特别有利的,尤其当窗元件暴露于阳光的直接或长时间照射时。高的清亮点也可以有助于液晶主体分子的良好高度有序,并因此有助于二色性染料客体分子在典型工作温度下可以增加切换状态之间可获得的对比度。
优选地,第一可切换层的节距的量值与第二可切换层的节距的量值相差25%或更少,并且更优选10%或更少。特别优选第一可切换层的节距的量值与第二可切换层的节距的量值相同或基本相同。
提供相似或相同量值的节距可以良好地有助于有效地补偿层中不希望的光学伪影,并因此以获得可切换窗元件的有利电-光特性。
本文中的节距是指胆甾螺旋的节距p,其中节距p是手性或胆甾LC的取向轴(指向矢)经历2π旋转的距离。
选定反射最大值λmax的波长的节距优选通过NIR光谱测量测定,特别是在20℃下。节距p由λmax的测量值使用方程λmax=n(λmax)*p确定,其中n(λmax)是在λmax处的折射率。
也可使用本领域已知的楔形盒方法以测量(特别是在20℃下)螺旋扭转功率HTP,并以确认所测定的节距。
目前所提供的胆甾或手性向列介质优选地具有相对长的节距,特别是给出了大于780nm的布拉格型(Bragg-type)反射的间距,即良好地避免或排除了胆甾介质对可见光的反射。
螺旋的旋转方向,即扭曲方向,可以是顺时针方向,即右旋方向,或者是逆时针方向,也就是左旋方向。
相对于入射光穿过串联的两个可切换层的路径,存在相应的旋向性和螺旋扭曲或螺状转向。
根据本发明,第一可切换层的手性或胆甾螺旋表现出相对于第二可切换层胆甾螺旋相反的旋向性。
优选的是,第一可切换层中所含有的液晶介质和第二可切换层中所含有的液晶介质的介电各向异性的绝对值各自为2.5或更高,更优选3.0或更高。
以上及以下,Δε表示介电各向异性,其中Δε=ε||。介电各向异性Δε在20℃和1kHz下测定。
在优选实施方案中,根据本发明的第一和第二可切换层中所包含的液晶介质具有正介电各向异性。在这种情况下,液晶混合物的介电各向异性Δε优选在3至45的范围,更优选5至30的范围。
然而,在可替代的实施方案中,也可以提供具有负介电各向异性的LC介质。在这种情况下,优选具有-6至-3的范围的介电各向异性Δε的液晶混合物。
根据本发明,第一和第二可切换层中所含有的液晶介质各自含有一种或多种多色性染料,特别是一种或多种二色染料。
任选用于液晶介质中的一种或多种二色性染料的吸收最大值没有特别限制,但优选在黄色区域(Y)、品红色区域(M)或青色区域(C)中具有吸收最大值。优选用于本发明的液晶介质中的二色性染料可以是单独化合物或多种染料的组合。当多种染料混合时,优选使用分别在Y、M和C区域具有吸收最大值的二色性染料的混合物。二色性染料是本领域技术人员已知的,并且在例如Cowling,Stephen J.,Liquid Crystal dyes,in:Handbook ofLiquid Crystals,Wiley VCH Verlag GmbH&Co.KGaA(2014)中进行了综述。在“ColourChemistry”(Sumio Tokita所著,Maruzen Company,Limited,1982)中具体描述了通过混合黄色染料、品红色染料和青色染料来显示全色的方法。黄色区域是430至490nm的范围,品红色区域是500至580nm的范围并且青色区域是600至700nm的范围。
用于二色性染料中的发色团没有特别限制,但优选使用偶氮染料、薁染料、蒽醌染料、苯醌染料、萘醌(napthoquinone)染料、苯并噻唑染料、苯并噻二唑染料、噻二唑并喹喔啉染料、二硫代苯醌、苝染料、部花青染料、偶氮次甲基染料、酞苝染料、靛蓝染料、薁染料、二噁嗪染料、四嗪染料、聚噻吩染料、萘并咪唑-4,9-二酮染料和吩噁嗪染料。
液晶介质各自优选包含一种、两种、三种、四种、五种、六种、七种、八种、九种或十种不同的二色性染料,特别优选两种或三种二色性染料。
根据本发明的优选染料是偶氮染料、苝染料、蒽醌染料、苯并噻唑染料和苯并噻二唑染料,更优选偶氮染料和苯并噻二唑染料,并且特别是苯并噻二唑染料。
偶氮染料可以含有任意数量的偶氮基团,例如单偶氮染料、双偶氮染料、三偶氮染料、四偶氮染料和五偶氮染料,并且优选单偶氮染料,双偶氮染料和三偶氮染料。
偶氮染料中所含有的环状结构优选为芳基和/或杂芳基。
优选的芳基来源于例如母结构苯、联苯、三联苯、萘、蒽、菲、芘、二氢芘、苝、芴、茚等。
优选的杂芳基是,例如,5元环,如吡咯、吡唑、咪唑、1,2,3-三唑、1,2,4-三唑、呋喃、噻吩、噁唑、异噁唑、1,2-噻唑、1,3-噻唑、1,2,3-噁二唑、1,2,4-噁二唑、1,2,5-噁二唑、1,3,4-噁二唑、1,2,3-噻二唑、1,2,4-噻二唑、1,2,5-噻二唑、1,3,4-噻二唑,6元环,如吡啶、哒嗪、嘧啶、吡嗪、1,3,5-三嗪、1,2,4-三嗪、1,2,3-三嗪、1,2,4,5-四嗪、1,2,3,4-四嗪、1,2,3,5-四嗪,或稠基团,如吲哚、苯并咪唑、苯并三唑、嘌呤、萘并咪唑、菲并咪唑、吡啶咪唑、吡嗪咪唑、喹喔啉咪唑、苯并噁唑、萘并噁唑、蒽并噁唑、菲并噁唑、异噁唑、苯并噻唑、苯并噻二唑、苯并呋喃、异苯并呋喃、二苯并呋喃、喹啉、异喹啉、苯并-5,6-喹啉、苯并-6,7-喹啉、苯并-7,8-喹啉、苯并异喹啉、吖啶、吩噻嗪、吩噁嗪、苯并哒嗪、苯并嘧啶、喹喔啉、吩嗪、萘啶、氮杂咔唑、苯并咔啉、菲啶、菲咯啉、噻吩并[2,3b]噻吩、噻吩并[3,2b]噻吩、二噻吩并噻吩、二氢噻吩并[3,4-b]-1,4-二噁英、异苯并噻吩、二苯并噻吩、苯并噻二唑噻吩,或这些基团的组合。
芳基和杂芳基也可以被烷基、环烷基、烷氧基、硫代烷基、烷基氨基、二烷基氨基、氟、氟烷基或其它芳基或杂芳基取代。
在优选实施方案中,液晶介质包含一种或多种二色性染料,其选自式Dye-1、Dye-2和Dye-3的化合物:
此外或替代性地,也可以优选使用已知具有与上述染料等效的效果的其他类型的染料。
基于全部介质的总重量,一种或多种二色性染料各自优选以液晶介质0.005重量%至12.5重量%的比例存在于相应液晶介质中,更优选0.01重量%至10重量%,甚至更优选0.025重量%至7.5重量%,还甚至更优选0.05重量%至5重量%,仍甚至更优选0.1重量%至2.5重量%并且特别优选0.25重量%至1重量%。
优选地,所述一种或多种二色性染料总共以0.01重量%至30重量%的总浓度存在于相应的液晶介质中,更优选0.025重量%至25重量%、甚至更优选0.05重量%至15重量%,甚至更优选0.1重量%至10重量%并且特别优选0.5重量%至5重量%。
优选选择染料(一种或多种)的浓度,使得确保所获得的调制材料的适当性能,特别是在期望的色彩和/或调光效应方面。
在实施方案中,任选地包含在介质中或包含在可切换层中的二色性染料的吸收光谱优选地以使得眼睛产生黑色的印象的方式彼此补足。优选在液晶介质中使用两种或更多种、更优选三种或更多种二色性染料,以优选覆盖可见光谱的大部分。可以制备在眼睛看来是黑色或灰色的染料混合物的精确方式是本领域已知的,并且描述在例如M.Richter,Einführung in die Farbmetrik[Introduction to Colorimetry],第2版,1981,ISBN 3 11-008209-8,Walter de Gruyter&Co中。
在另一个实施方案中,进行不同色彩的设置,例如红色、绿色或蓝色。
在色度学领域中描述了染料混合物的色彩定位设置。为此,考虑Lambert-Beer定律来计算单个染料的光谱,以给出总体光谱,并根据色度学规则,在相关的照明下(例如对于日光的光源D65)将其转换为相应的色彩定位和亮度值。白点的位置由相应的光源确定,例如D65,并且在表格中引用,例如在上面的参考文献中。可以通过改变各种染料的比例设置不同的色彩位置。
优选地,二色性化合物以溶液存在于液晶介质中。
二色性化合物优选表现出高的二色性比、良好的色彩纯度和大消光系数,特别是在光的VIS和/或NIR区域,并且此外还表现出合适的耐光性和在液晶介质中的合适的溶解度。
在优选实施方案中,LC介质中的二色性化合物具有总共覆盖全部可见光谱的吸收。通过这种方式,可以获得色彩中性或黑色的外观。这种色彩中性的外观在应该最小化或避免色彩伪影或残余色彩的应用中可能是良好的,例如在一定智能窗应用中。
进一步发现的是,在组合物中包括有一种或多种近红外染料是有利的。这种提供可以良好地有助于最小化甚至避免可见光谱中的残余荧光,使得不希望的色彩伪影,例如红辉光(glow)可以被避免或至少大幅减少。
在特别优选的实施方案中,窗元件的LC介质包含至少一种紫色染料、至少一种蓝色染料、至少一种黄色染料、至少一种红色染料和至少一种近红外染料。
二色性化合物优选为正二色性染料,即具有正各向异性度R的染料。
包含染料的LC混合物的各向异性度R由分子相对于光的偏振方向的平行和垂直排列的消光系数的值测定。
根据本发明,各向异性程度R优选大于0.4,更优选大于0.6,甚至更优选大于0.7,并且特别是大于0.8。
当光的偏振方向平行于二色性化合物的最长分子延伸方向时,吸收优选达到最大值,并且当光的偏振方向垂直于二向性化合物的最短分子延伸方向时,吸收优选达到最小值。
在实施方案中,二色性染料优选选自B.Bahadur,Liquid Crystals-Applicationsand Uses,Vol.3,1992,World Scientific Publishing,Section 11.2.1中所述的染料类别,并且特别优选选自其中表格中给出的明确化合物。
在特别优选的实施方案中,二色性染料选自偶氮染料、蒽醌、次甲基化合物、偶氮次甲基化合物、部花青化合物、萘醌、四嗪、吡咯亚甲基染料、丙二腈染料、萘嵌苯特别是二萘嵌苯和三萘嵌苯,噻二唑染料、噻吩并噻二唑染料、苯并噻二唑、噻二唑并喹喔啉、吡咯亚甲基和二酮吡咯并吡咯。特别优选偶氮化合物、蒽醌、苯并噻二唑,特别是如WO 2014/187529中所描述,二酮吡咯并吡咯,特别是如WO 2015/090497中所描述,萘嵌苯,特别是如WO 2014/090373中所描述,和噻二唑并喹喔啉衍生物,特别是如WO 2016/177449中所描述。特别优选二色性染料选自偶氮染料、苯并噻二唑和/或噻二唑并喹喔啉。
可存在于LC介质中的特别优选的二色性染料的实例如下所示:
/>
/>
特别优选的是,根据本发明的第一可切换层和第二可切换层中所包含的液晶介质基于介质的总含量含有至少15重量%的一种或多种式I的介晶化合物
其中
R1和R2彼此独立地表示选自以下的基团:F、Cl、CF3、OCF3,和具有1至15个碳原子的直链或支链的烷基或烷氧基,或具有2至15个碳原子的直链或支链的烯基,其未被取代、被CN或CF3单取代或被卤素单取代或多取代,并且其中一个或多个CH2基团在各个情况下彼此独立地可被-O-、-S-、-CO-、-COO-、-OCO-、-OCOO-、-C≡C-、以使得氧原子不直接彼此连接的方式替代,
A11表示
n表示0或1,和
A21、A31和A41彼此独立地表示
其中L在每次出现时相同或不同地为选自F、Cl和Br的卤素,或甲基。
在实施方案中,液晶介质各自以基于介质的总含量为至少20重量%的量含有一种或多种如以上和以下所述的式I的化合物,优选至少25重量%,更优选至少30重量%,特别是至少35重量%。
在实施方案中,所述一种或多种式I化合物以基于介质的总含量的15重量%至75重量%的范围的量被包含在相应的介质中,更优选20重量%至65重量%,甚至更优选20重量%至55重量%,特别是25重量%至50重量%的量。
因此,第一和第二可切换层中的介质优选各自包含至少一种式I的化合物。然而,在许多情况下,在各自的介质中包含两种、三种或更多种式I的化合物可以是有益的和优选的。
优选地,如式I中所定义的基团A11表示
在另一个实施方案中,如式I中所定义的n表示0。
在优选实施方案中,一种或多种式I的化合物选自式Ia、Ib和Ic的化合物,更优选选自式Ia和Ib的化合物
其中
R1和R2彼此独立地表示选自以下的基团:F、Cl、CF3、OCF3,和具有1至15个碳原子的直链或支链的烷基或烷氧基,或具有2至15个碳原子的直链或支链的烯基,其未被取代、被CN或CF3单取代或被卤素单取代或多取代,并且其中一个或多个CH2基团在各个情况下彼此独立地可被-O-、-S-、-CO-、-COO-、-OCO-、-OCOO-或-C≡C-以使得氧原子不直接彼此连接的方式替代,优选选自F、CF3、OCF3,具有1至9个碳原子的直链烷基或烷氧基或具有2至9个碳原子的烯基,和
L在每次出现时相同或不同地为H或选自F、Cl和Br的卤素,优选选自F和Cl,更优选每次出现时相同或不同地为H或F。
特别优选的是,在式I的化合物的亚苯基环被取代的情况下,取代基是F,此外,端基R1和R2不含有Cl。
在优选实施方案中,基于介质的总含量,介质中所包含的含Cl化合物的量是有限的,优选限制为55重量%或更少,更优选40重量%或更少,甚至更优选25重量%或更少。在特别优选的实施方案中,液晶介质不含有含Cl化合物。
因此,还优选将由如以上和以下所述的式I的化合物所组成的LC介质的组分中的含Cl化合物的量限制为基于介质中所含式I的化合物的总含量的55重量%或更少,更优选为40重量%或更少,甚至更优选为25重量%或更少。在特别优选的实施方案中,一种或多种式I的化合物选自不含Cl的化合物。
另外特别优选的是,根据式I的环A21、A31和A41中的至少一个具有至少一个F取代基。另外特别优选的是,根据式I的环A21、A31和A41共同具有至少两个F取代基。
在实施方案中,优选限制在介质中使用含CN的化合物,优选限制至75重量%或以下,更优选50重量%或以下,甚至更优选25重量%或以下,特别优选15重量%或以下,并且在特别实施方案中完全避免。
除了一种或多种式I的化合物之外,第一切换层中的液晶介质优选包含一种或多种其他介晶化合物。考虑到有助于或维持介质的良好性质,例如优良的VHR和良好的稳定性,优选也加入这些额外的化合物。
优选地,根据本发明的第一和第二可切换层中所包含的液晶介质包括,优选地除了一种或多种式I的化合物之外,包含一种或更多种选自式II和III的化合物的介晶化合物
其中
R3、R4、R5和R6彼此独立地表示选自以下的基团:F、CF3、OCF3、CN,和具有1至15个碳原子的直链或支链的烷基或烷氧基,或具有2至15个碳原子的直链或支链的烯基,其未被取代、被CN或CF3单取代或被卤素单取代或多取代,并且其中一个或多个CH2基团在各个情况下彼此独立地可被-O-、-S-、-CO-、-COO-、-OCO-、-OCOO-、-C≡C-、以使得氧原子不直接彼此连接的方式替代,
L1、L2、L3、L4和L5彼此独立地表示H或F,和
L6和L7彼此独立地表示H或甲基。
在实施方案中,液晶介质各自包含一种或多种式II的介晶化合物。
在另一个实施方案中,液晶介质各自包含一种或多种式III的介晶化合物。
优选的是,基于介质的总含量,相应的介质含有至少15重量%的一种或多种式I的介晶化合物和一种或多种选自式II和III的化合物的介晶化合物。
特别优选的是,相应的介质包含一种或多种如上所述的式I的化合物、一种或多种式II的化合物和一种或多种式III的化合物。
优选地,第一和第二可切换层中的液晶介质还包括一种或多种式IV的化合物
其中
R7表示具有1至15个碳原子的直链或支链的烷基或烷氧基,优选1至7个碳原子,或具有2至15个碳原子的直链或支链的烯基,其未被取代、被CN或CF3单取代或被卤素单取代或多取代,并且其中一个或多个CH2基团在各个情况下彼此独立地可被-O-、-S-、-CO-、-COO-、-OCO-、-OCOO-或-C≡C-以使得氧原子不直接彼此连接的方式替代,
i为0、1或2,
L6和L7彼此独立地为H或F,和
X1表示F、CF3、OCF3或CN。
式II的化合物优选以1重量%至45重量%的总浓度用于相应的介质中,更优选5重量%至25重量%。
式III的化合物优选以1重量%至45重量%的总浓度用于相应的介质中,更优选5重量%至25重量%。
式IV的化合物优选以1重量%至45重量%的总浓度用于相应的介质中,更优选5重量%至25重量%。
特别优选的是,所述介质包含一种或多种如以上和以下所述的式I的化合物、一种或多种式II的化合物、一种或多种式III的化合物和一种或多种式IV的化合物。
在特别优选的实施方案中,一种或多种式I化合物中的一种或多种选自式I-1和式I-2的化合物
其中
R1和R2如以上式Ia所定义,和
L在每次出现时相同或不同地为H或F。
任选地,该介质可以包含其他液晶化合物以调节物理性质。这种化合物是本领域已知的。这些任选进一步所包含的液晶化合物在介质中的浓度优选0重量%至30重量%,更优选0.1重量%至20重量%,最优选1重量%至15重量%。
在实施方案中,根据本发明所使用的相应液晶介质优选包含一种或多种选自式CY、PY和AC化合物的化合物
其中
a表示1或2,
b表示0或1,
c表示0、1或2,
d表示0或1,
表示/>
表示
/>
表示
R1、R2、RAC1和RAC2各自彼此独立地表示和具有1至12个C原子的烷基,其中此外,一个或两个CH2基团在各个情况下彼此独立地可被 -O-、-CH=CH-、-CO-、-OCO-或-COO-以使得氧原子彼此不直接连接的方式替代,优选具有1至6个C原子的烷基或烷氧基,
Zx、Zy和ZAC各自彼此独立地表示-CH2CH2-、-CH=CH-、-CF2O-、-OCF2-、-CH2O-、-OCH2-、-CO-O-、-O-CO-、-C2F4-、-CF=CF-、-CH=CH-CH2O-或单键,优选单键,和
L1-4各自彼此独立地表示F、Cl、CN、OCF3、CF3、CH3、CH2F或CHF2,优选F。
优选地,L1和L2均表示F,或L1和L2中之一表示F,另一个表示Cl,以及L3和L4均表示F,或L3和L4中之一表示F,而另一个表示Cl。
特别优选的是,根据本发明所使用的液晶介质以基于介质的总含量为至少20重量%的量含有一种或多种选自式CY、PY和AC的化合物,更优选至少25重量%,甚至更优选至少30重量%,仍更优选至少35重量%,还更优选至少40重量%,特别优选至少50重量%。
式AC的化合物优选选自下式的化合物:
其中R3和R4具有如上所述的RAC1和RAC2的含义。
根据本发明所使用的液晶介质可以含有一般浓度的其他添加剂。基于总混合物,这些进一步成分的总浓度在0%至10%的范围,优选0.1%至6%。所使用的各个单独化合物的浓度各自优选在0.1%至3%的范围。在液晶介质的化合物和液晶组分的浓度值和范围中,不考虑这些和类似添加剂的浓度。除非另有明确说明,这也适用于混合物中任选使用的二色性染料的浓度,其在当分别指定了主体混合物的组分的化合物的浓度时不被计算。相应添加剂的浓度总是相对于最终所掺杂的混合物给出的。
在本文中,除非另有明确说明,否则所有浓度均以重量百分比表示。
根据本发明所使用的液晶介质由多种化合物组成,优选3至30种,更优选4至20种,并且最优选4至16种。这些化合物以常规方式混合。一般来说,以较小量使用的所要求量的化合物溶解在以较大量使用的化合物中。在温度高于在较高浓度中使用的化合物的清亮点的情况下,特别容易观察到溶解过程的完成。然而,通过其他常规方式制备介质也是可能的,例如使用所谓的预混合物,其可以是例如化合物的同源或共熔混合物,或者使用所谓的多瓶系统,其成分本身是现成的混合物。
以上和以下描述的许多介晶化合物或其混合物是市售的。这些化合物是已知的,或者可以通过本身已知的方法在已知的和适合于所述反应的反应条件下制备,确切地说,如文献中所述(例如在标准著作中,如Houben-Weyl,Methoden der Organischen Chemie[Methods of Organic Chemistry],Georg-Thieme-Verlag,Stuttgart)。此处也可以使用本身已知的变体,但这里没有更详细地提及。根据本发明的介质是以常规的方式制备的。通常,组分相互溶解,优选在升高的温度下溶解。可以添加合适的添加剂或物质以调整介电各向异性、粘度和/或液晶相的配向。
介质可以进一步包含常规的添加剂,如稳定剂、抗氧化剂、自由基清除剂、链转移剂(例如硫醚)和/或增塑剂。
根据本发明的术语“烷基”优选包括具有1至7个碳原子的直链和支链烷基,特别是直链基团甲基、乙基、丙基、丁基、戊基、己基和庚基。通常优选具有2至5个碳原子的基团。
烷氧基可以是直链或支链的,并且它优选是直链的并且具有1、2、3、4、5、6或7个碳原子,因此优选是甲氧基、乙氧基、丙氧基、丁氧基、戊氧基、己氧基或庚氧基。
根据本发明的术语“烯基”优选包括具有2个7个碳原子的直链和支链烯基,特别是直链基团。特别优选的烯基为C2-C7-1E-烯基、C4-C7-3E-烯基、C5-C7-4E-烯基,C6-C7-5E-烯基和C7-6E-烯基,特别是C2-C7-1E-烯基、C4-C7-3E-烯基和C5-C7-4E-烯基。优选烯基的实例为乙烯基、1E-丙烯基、1E-丁烯基、1E-戊烯基、1E-己烯基、1E-庚烯基、3-丁烯基、3E-戊烯基、3E-己烯基、3E-庚烯基、4-戊烯基、4Z-己烯基、4E-己烯基、4Z-庚烯基、5-己烯基和6-庚烯基。通常优选具有至多5个碳原子的基团。
氟化烷基或烷氧基优选包括CF3、OCF3、CFH2、OCFH2、CF2H、OCF2H、C2F5、OC2F5、CFHCF3、CFHCF2H、CFHCFH2、CH2CF3、CH2CF2H、CH2CFH2、CF2CF2H、CF2CFH2、OCFHCF3、OCFHCF2H、OCFHCFH2、OCH2CF3、OCH2CF2H、OCH2CFH2、OCF2CF2H、OCF2CFH2、C3F7或OC3F7,特别是CF3、OCF3、CF2H、OCF2H、C2F5、OC2F5、CFHCF3、CFHCF2H、CFHCFH2、CF2CF2H、CF2CFH2、OCFHCF3、OCFHCF2H、OCFHCFH2、OCF2CF2H、OCF2CFH2、C3F7或OC3F7,特别优选OCF3或OCF2H。在优选实施方案中,氟烷基包括具有末端氟的直链基团,即氟甲基、2-氟乙基、3-氟丙基、4-氟丁基、5-氟戊基、6-氟己基和7-氟庚基。然而,不排除氟的其他位置。
氧杂烷基优选包括式CnH2n+1-O-(CH2)m的直链基团,其中n和m各自彼此独立地为1至6。优选地,n=1并且m为1至6。
氧杂烷基优选为直链2-氧杂丙基(=甲氧基甲基)、2-(=乙氧基甲基)或3-氧杂丁基(=2甲氧基乙基)、2-、3-或4-氧杂戊基、2-、3-、4-或5-氧杂己基、2-、3-、4-、5-或6-氧杂庚基,2-、3-、4-、5-、6-或7-氧杂辛基,2-、3-、4-、5-、6-、7-或8-氧杂壬基,或2-、3-、4-、5-、6-、7-、8-或-9氧杂癸基。
卤素优选为F或Cl,特别是F。
如果上述基团之一是其中一个CH2基团已被-CH=CH-替代的烷基,其可以是直链或支链的。它优选是直链的并且具有2至10个碳原子。因此,它特别是乙烯基,丙-1-或丙-2-烯基,丁-1-、-2-或-3-烯基,戊-1-、-2-、-3-或-4-烯基,己-1-、-2-、-3-、-4-或-5-烯基,庚-1-、-2-,-3-、-4-、-5-或-6-烯基,辛-1-、-2-、-3-、-4-、-5-、-6-或辛-7-烯基,壬-1-、-2-、-3-、-4-、-5-、-6-、-7-或壬-8-烯基,癸-1-、-2-、-3-、-4-、-5-、-6-、-7-、-8-或癸-9-烯基。
如果上述基团中之一是其中一个CH2基团已被-O-替代且一个CH2基团已被-CO-替代的烷基,这些优选相邻。因此,其含有酰氧基-CO-O-或氧羰基-O-CO-。这些优选是直链的并且具有2至6个碳原子。
因此,它们特别是乙酰氧基、丙酰氧基、丁酰氧基、戊酰氧基,己酰氧基、乙酰氧基甲基、丙酰氧基甲基、丁酰氧基甲基、戊酰氧基甲基、2-乙酰氧基乙基,2-丙酰氧基乙基、2-丁酰氧基乙基、3-乙酰氧基丙基、3-丙酰氧基丙基、4-乙酰氧基丁基、甲氧羰基、乙氧羰基、丙氧羰基、丁氧羰基、戊氧羰基、甲氧羰基甲基、乙氧羰基甲基、丙氧羰基甲基、丁氧羰基甲基、2-(甲氧羰基)乙基、2-(乙氧羰基)乙基、2-(丙氧羰基)乙基、3-(甲氧羰基)丙基、3-(乙氧羰基)丙基或4-(甲氧羰基)丁基。
如果上述基团之一是烷基,其中一个CH2基团已被未取代或取代的-CH=CH-替代,并且相邻的CH2基团已经被CO、CO-O或O-CO替代,其可以是直链或支链的。它优选是直链的并且具有4至13个碳原子。因此,它特别是丙烯酰氧基甲基、2-丙烯酰氧基乙基、3-丙烯酰氧基丙基、4-丙烯酰氧基丁基、5-丙烯酰氧基戊基、6-丙烯酰氧基己基、7-丙烯酰氧基庚基、8-丙烯酰氧基辛基、9-丙烯酰氧基壬基、10-丙烯酰氧基癸基、甲丙烯酰氧基甲基、2-甲丙烯酰氧基乙基、3-甲丙烯酰氧基丙基、4-甲丙烯酰氧基丁基、5-甲丙烯酰氧基戊基、6-甲丙烯酰氧基己基、7-甲丙烯酰氧基庚基、8-甲丙烯酰氧基辛基或9-甲丙烯酰氧基壬基。
如果上述基团之一是被CN或CF3单取代的烷基或烯基,该基团优选为直链。CN或CF3的取代在任何位置。
如果上述基团之一是至少被卤素单取代的烷基或烯基,该基团优选为直链,并且卤素优选为F或Cl,更优选F。在多取代的情况下,卤素优选为F。所得到的基团也包括全氟基团。在单取代的情况下,氟或氯取代基可以在任何期望的位置,但优选在ω-位置
因为在一些常规液晶基材中更好的溶解性,含有支链基团的化合物有时可能是重要的。然而,如果它们是光学活性的,则特别适合作为手性掺杂剂。
这种类型的支链基团通常含有不多于一个支链。优选的支链基团是异丙基、2-丁基(=1-甲基丙基)、异丁基(=2-甲基丙基)、2-甲基丁基、异戊基(=3-甲基丁基)、2-甲基戊基、3-甲基戊基,2-乙基己基、2-丙基戊基、异丙氧基、2-甲基丙氧基,2-甲基丁氧基、3-甲基丁氧基,2-甲基戊氧基、3-甲基戊氧基、2-乙基己氧基、1-甲基己氧基或1-甲基庚氧基。
如果上述基团之一是其中两个或更多个CH2基团已被-O-和/或-CO-O-替代的烷基,其可以是直链或支链的。它优选是支链的并且具有3至12个碳原子。因此,它特别是双羧甲基、2,2-双羧乙基、3,3-双羧丙基、4,4-双羧丁基、5,5-双羧戊基、6,6-双羧己基、7,7-双羧庚基、8,8-双羧辛基、9,9-双羧壬基、10,10-双羧癸基、双(甲氧羰基)甲基、2,2-双(甲氧羰基)乙基、3,3-双(甲氧羰基)丙基、4,4-双(甲氧羰基)丁基、5,5-双(甲氧羰基)戊基、6,6-双(甲氧羰基)己基、7,7-双(甲氧羰基)庚基、8,8-双(甲氧羰基)辛基、双(乙氧羰基)甲基、2,2-双-(乙氧羰基)乙基、3,3-双(乙氧羰基)丙基、4,4-双(乙氧羰基)丁基或5,5-双(乙氧羰基)戊基。
优选的是,第一可切换层和第二可切换层各自具有20μm或以下,优选15μm或以下,并且特别是10μm或以下的层厚度。令人惊奇地,在层厚度相对小的情况下,尤其也可以获得良好的光学性能,特别是在暗状态下给出有效的调光。特别优选的是,第一可切换层和第二可切换层具有相同的厚度,甚至更优选的是将相同的层厚度与相同的节距量值组合设置。这种提供可以良好地有助于实现光学伪影的有效补偿。
在一个实施方案中,根据本发明的可切换层优选地具有在1μm至30μm的范围的厚度(在本文中也表示为d),更优选2μm至25μm,甚至更优选3μm至18μm并且特别是4μm至12μm。
为了维持可切换层的适当厚度,可以在可切换层中的盒间隙内包括间隔物。通常,间隔物具有球形形状,其直径在盒间隙的范围。例如,可以使用由聚合物或玻璃制成的具有预定直径的球形的非导电间隔物。在一些实施方案中,提供粘性间隔物也可能是有用的,即具有一些固有粘附特性以更好地粘附到表面的间隔物。使用黑色间隔物也可能是有用的,例如以避免或最小化不期望的光泄漏。在一些实施方案中,使用黑色且粘性的间隔物可以是特别有益的。替代性地,可以通过其他合适的方式来设置或保持盒厚度,例如通过使用柱状间隔物。也可以形成柱状间隔物以给出隔室,从而任选地允许自由切割结构。在一些实施方案中,切换层因此可以包括自含有液晶介质的被分隔的隔室,例如使用矩形或蜂窝结构。
在第一和第二可切换层中的液晶介质可以优选地表现出合适的光学各向异性Δn,这也被称为双折射率。在优选实施方案中,在第一和第二可切换层中所包含的液晶介质表现出在20℃和589nm下测定的0.03至0.30的范围的光学各向异性Δn,更优选0.04至0.20并且甚至更优选0.05至0.13。
以上及以下,Δn表示光学各向异性,其中Δn=ne-no,并且光学各向异性Δn是在20℃和589.3nm波长下测定的。
特别优选的是,对于第一和第二可切换层各自适用以下关系
d*Δn<3.0μm
其中d是可切换层各自的相应厚度并且Δn是可切换层各自分别所含有的液晶介质的光学各向异性,其特别是在589.3nm和20℃下测定。
令人惊讶地发现,对所定义的层厚度和光学各向异性的乘积设置上限可以良好地有助于获得优异的暗状态,同时此外,提供大的切换范围。
甚至更优选的是,对于第一和第二可切换层各自
d*Δn<2.0μm,并且特别是d*Δn<1.5μm。
在进一步的实施方案中,提供第一和第二可切换层,使得对于这两个层d*Δn分别为3.0μm或更大,例如在3.0μm至7.0μm的范围。已经发现的是,对于更大的层厚度,也可以获得进一步的性能益处,例如通过补偿或减轻器件的变化或偏差,例如在不希望的盒厚度或间隙变化或盒基板缺陷或不规则性方面,如玻璃不平度(waviness)。
提供包括两个基于液晶的切换层(特别是所谓的染料掺杂或客体-主体液晶切换层)的窗元件,以在期望或要求时产生光强度的总体降低,即,以给出对光衰减或光调光的切换能力,同时将雾度保持在最低或甚至避免雾度。
因此,可切换窗元件具有包括至少两个可切换层的层结构,其中第一和第二可切换层各自包含一种或多种二色性染料,优选地含有相同的染料(一种或多种)。窗元件可以以不同的方式布置和配置,特别是在电极构型、配向层及其类型的光学提供以及液晶材料方面,然而其中提供了窗元件,使得其给出了用于在多层布置中光调光的切换能力和透过率的整体变化。
特别是,第一可切换层和第二可切换层可以分别地或单独地提供在所谓的盒中,然后将其组合并配置为所谓的双盒,特别是通过使用例如层压或粘结剂的粘合。在这种情况下,每个盒包括两个基板。替代性地,第一和第二可切换层可以堆叠提供,其中可切换层二者共用布置在可切换层之间的公共基板。
因此,在实施方案中,窗元件的多层布置包括按以下顺序的
-第一透明基板,
-第一电极层,
-第一配向层,
-所述第一可切换层,
-第二配向层,
-第二电极层,
-第二透明基板,
-任选的粘合层、粘附层或层压层,
-第三透明基板,
-第三电极层,
-第三配向层,
-所述第二可切换层,
-第四配向层,
-第四电极层,和
-第四透明基板。
在这个实施方案中,组合两个可切换光学盒以形成所谓的双盒,其中双盒具有表现出相反扭曲方向的扭曲或超扭曲切换层。
优选提供粘合层、粘附层或层压层,给出改进的机械稳定性并通过适当匹配折射率降低可能的光学损耗。电极层优选且有利地布置为透明导电层。
在这种情况下,第一切换层和第二切换层各自被夹进两个透明基板之间,每个透明基板分别支撑优选被布置为透明导电层的电极,其中优选透明导电层分别嵌入两个透明介电层之间,诸如氧化硅或氮化硅层,并且其中进一步提供与切换层直接接触的配向层。
在替代性的实施方案中,窗元件的多层布置包括按以下顺序的
-第一透明基板,
-第一电极层,
-第一配向层,
-所述第一可切换层,
-第二配向层,
-第二电极层,
-第二透明基板,
-第三电极层,
-第三配向层,
-所述第二可切换层,
-第四配向层,
-第四电极层,和
-第三透明基板,
其中所述第二配向层和所述第二电极层安排或布置在所述第二透明基板的第一表面上,并且其中所述第三电极层和所述第三配向层设置在所述第二透明基板的第二表面上。
如上所述的可切换光学盒是可电切换的,其中分别在存在或不存在电场的情况下,可切换层具有扭曲构型或超扭曲构型,其中特别是在暗状态下,可切换层材料分别表现出扭曲向列相或超扭曲向列相。
优选的是,在基板上提供例如由聚酰亚胺(PI)制成的配向或取向层。特别优选的是,将电学导电层和配向层共同提供在基板上。在这种情况下,将取向层或配向层提供在导电层的顶部上,使得配向层接触LC介质。配向层,优选聚酰亚胺层,可以被布置为使得它们特别是在界面处提供液晶介质的分子的沿面的或平面取向或替代性的垂面取向。
在实施方案中,在具有方向差异的两个基板上使用经摩擦的聚酰亚胺,特别是90°或大约90°的方向差异,如在所谓的扭曲向列(TN)几何形状中所使用的。在一些实施方案中,可以根据期望设置和获得所谓的预倾斜角。在TN构型中,扭曲角通常为90°或大约90°。替代性地,可以将构型设置为超扭曲向列(STN)构型,其中扭曲角超过90°,通常在90°至270°范围。然而,目前的STN构型也可以表现出超过270°的扭曲角。对于这种STN构型,特别优选扭曲角为180°或大约180°。
第一和第二可切换层的优选构型是TN构型、STN构型、垂直配向扭曲向列(VA-TN)构型和垂直配向超扭曲向列(VA-STN)构型。在这方面,对于TN和VA-TN,扭曲角可以在大于0°至包括90°的范围,对于STN和VA-STN,扭曲角超过90°。
优选地,第一、第二、第三和第四配向层包含聚酰亚胺,优选地由经摩擦的聚酰亚胺制成。
特别优选的是,尤其对于TN构型,第二配向层和第三配向层的摩擦方向彼此正交。这种提供可以良好地有助于整体优化或至少增加效率,以减弱光的平行和垂直偏振分量两者。
然而,替代性地,第二配向层和第三配向层的摩擦方向之间的角度也可以不同于90°,例如更接近0°并且特别是0°。
也可以在基板上提供钝化层或阻隔层,替代性地,除配向层外,也例如包括氧化硅或氮化硅的钝化层,优选地由氧化硅或氮氧化硅组成。在钝化层和配向层都提供在基板上的情况下,它们被布置为使得配向层在最上面,即接触LC介质。
优选的是,包含在第一可切换层和第二可切换层中的液晶介质各自包含一种或多种手性化合物。因此,液晶介质优选为胆甾或手性向列介质。
除了提供配向层之外,手性化合物可以有助于在可切换层中可靠地设定期望的扭曲以及期望的扭曲方向。
特别优选的是,第一可切换层中所含有的液晶介质和第二可切换层中所含有的液晶介质各自包含手性掺杂剂,优选地是具有相对高的螺旋扭曲力(HTP)的手性掺杂剂,例如中至高HTP。这种提供允许将手性化合物以低浓度添加到介质中。
优选的是,第一和第二可切换层中所含有的液晶介质各自以0.01重量%至5重量%的浓度包含手性掺杂剂,更优选0.03重量%至2.50重量%,甚至更优选0.05重量%至1.00重量%。
根据本发明,第一和第二可切换层中的扭曲方向彼此相反。因此选择手性化合物,使得其中一层中的扭曲被设定为顺时针,而另一层的扭曲被设定为逆时针。
在优选实施方案中,在两个可切换层中使用的相应手性掺杂剂是彼此的立体异构体,特别是对映异构体。在特别优选的实施方案中,两个可切换层分别含有手性掺杂剂的R-异构体和/或S-异构体。使用合适的或相应的非对映异构体也是可能的。特别优选的是,介质中分别使用的每种异构体的掺杂浓度相同。这种条件可以促进两种液晶介质的制备,因为除了手性掺杂剂的手性外,它们可以是相同的,即异构体形式或对映体形式。以相同浓度使用相应的异构体或对映异构体也可以有助于实现对不希望的光学伪影的有效补偿。
在这方面,特别优选的是,两个可切换层具有相同的厚度,并且两种介质优选以相同浓度含有相同的二色性染料,并且优选以相同浓度含有相同的手性掺杂剂的对映异构体。
例如,可以通过使用具有高扭曲能力的手性掺杂剂掺杂向列LC介质制备手性或胆甾介质。那么诱导胆甾螺旋的节距p由手性掺杂剂的浓度c和螺旋扭曲力HTP根据等式(1)给出:
p=(HTP c)-1 (1)。
也可以使用两种或更多种掺杂剂,例如为了补偿单独掺杂剂的HTP的温度依赖性,并且因此实现小的螺旋节距温度依赖。对于总HTP(HTP),则近似等式(2)成立:
HTP = ∑i ci HTPi (2)
其中ci是每个单独掺杂剂的浓度,HTPi是每个单独掺杂剂的螺旋扭曲力。
第一和第二可切换层中的液晶介质优选含有一种或多种手性化合物,特别是手性掺杂剂。手性掺杂剂优选具有高HTP绝对值,并且通常可以以相对低的浓度添加到介晶基础混合物以及染料掺杂混合物中,并且在非手性组分中具有优良的溶解性。如果应用两种或更多种手性化合物,则它们可以具有相同或相反的旋转方向以及相同或相反的扭曲温度依赖性。
优选地,第一可切换层和第二可切换层中所包含的液晶介质中分别所含有的一种或多种手性化合物的螺旋扭曲力的绝对值为5μm-1或更高,更优选为10μm-1或更高,甚至更优选为15μm-1或更高,优选在来自Merck KGaA的商业液晶混合物MLC-6828中。特别优选具有20μm-1或更高的螺旋扭曲力(HTP)的绝对值的手性化合物,更优选40μm-1或更高,甚至更优选60μm-1或更高,最优选80μm-1或更高至260μm-1更低,优选在来自Merck KGaA的商业液晶混合物MLC-6828中。
在实施方案中,液晶介质以基于介质的总含量为2重量%或更低的含量含有一种或多种手性化合物,更优选1重量%或更低。
在本发明的优选实施方案中,手性组分由两种或更多种手性化合物组成,它们都具有相同的HTP符号。各个化合物的HTP的温度依赖性可以是高的或低的。介质的节距的温度依赖性可以通过以相应比例混合具有不同HTP温度依赖性的化合物来补偿。
合适的手性掺杂剂是本领域已知的,其中一些是市售的,例如胆固醇壬酸酯、R/S-811、R/S-1011、R/S-2011、R/S-3011、R/S-4011、R/S-5011、B(OC)2C*H-C-3或CB15(均为Merck KGaA,Darmstadt,Germany)。
特别合适的手性掺杂剂是含有一个或多个手性基团和一个或多个介晶基团的化合物,或者一个或多个芳香族或脂环族基团,其与手性基团形成介晶基团。
合适的手性基团是,例如,手性支链烃基、手性乙二醇、联萘酚或二氧戊环,此外,一价或多价手性自由基选自糖衍生物、糖醇、糖酸、乳酸、手性取代的二醇、类固醇衍生物、萜衍生物、氨基酸或若干(优选1-5个)氨基酸的序列。
优选的手性基团是糖衍生物,如葡萄糖、甘露糖、半乳糖、果糖、阿拉伯糖和右旋糖;糖醇,例如山梨醇、甘露醇、艾杜醇、半乳糖醇或其脱水衍生物,特别是二脱水己糖醇,如二脱水山梨醇酐(1,4:3,6-二脱水-D-山梨糖醇酐、异山梨糖醇酐)、二脱水甘露醇(异山梨醇)或二脱水艾杜醇(异艾杜醇);糖酸,例如葡萄糖酸、古洛糖酸和酮古洛糖酸;手性取代的二醇基,例如单或低聚乙二醇或丙二醇,其中一个或多个CH2基团被烷基或烷氧基取代;氨基酸,例如丙氨酸、缬氨酸、苯基甘氨酸或苯丙氨酸,或这些氨基酸的2-5个序列;类固醇衍生物,例如胆固醇或胆酸基;萜衍生物,例如,薄荷基、新薄荷基、樟脑烯基(campheyl)、蒎烯基(pineyl)、萜品烯基(terpineyl)、异长叶基(isolongifolyl)、葑基、甲叉二氯基(carreyl)、桃金娘烯基(myrthenyl)、诺卜基(nopyl)、香叶基(geraniyl)、芳樟基、橙花基、香茅基或二氢香茅基。
合适的手性自由基和介晶手性化合物描述于,例如DE 34 25 503、DE 35 34 777、DE 35 34 778、DE 35 34 779and DE 35 34 780、DE 43 42 280、EP 01 038 941和DE 19541 820中。
根据本发明使用的优选手性化合物选自以下化合物组。
在实施方案中,优选掺杂剂选自下式A-I至A-III的化合物:
其中
Ra11和Ra12彼此独立地是具有2至9个碳原子的烷基、氧杂烷基或烯基,优选至多7个碳原子,并且Ra11替代性地是甲基或具有1至9个碳原子的烷氧基,优选两者均是烷基,优选n-烷基,
Ra21和Ra22彼此独立地是具有1至9个碳原子的烷基或烷氧基,优选至多7个碳原子,具有2至9个碳原子的氧杂烷基、烯基或烯基氧基,优选至多7个碳原子,优选两者均是烷基,优选n-烷基,
Ra31和Ra32彼此独立地是具有2至9个碳原子的烷基、氧杂烷基或烯基,优选至多7个碳原子,并且Ra11替代性地是甲基或具有1至9个碳原子的烷氧基,优选两者均是烷基,优选n-烷基,
特别优选选自下式的化合物的手性掺杂剂:
进一步优选的掺杂剂是下式A-IV的异山梨糖醇酐、异甘露醇或异艾杜醇的衍生物
其中基团
·(二脱水山梨醇),/>
·(二脱水甘露醇),或
·(二脱水艾杜醇),
优选二脱水山梨醇,
和手性乙二醇,例如二苯基乙二醇(氢化苯偶姻(benzoin)),特别是下式A-V的介晶氢化苯偶姻衍生物
包括未示出的(R,S)、(S,R)、(R,R)和(S,S)对映异构体,
其中
各自彼此独立地为1,4-亚苯基,其也可以被L或单取代、二取代或三取代,或1,4-亚环己基,
L是H、F、Cl、CN或任选的具有1-7个碳原子的卤代烷基、烷氧基、烷基羰基、烷氧羰基或烷氧羰基氧基,
c是0或1,
Z0是-COO-、-OCO-、-CH2CH2-或单键,和
R0是具有1-12个碳原子的烷基、烷氧基、烷基羰基、烷氧羰基或烷基羰基氧基。
式A-IV的化合物描述于WO 98/00428中。式A-V的化合物描述于GB-A-2328207中。
在另一个实施方案中,特别优选的手性掺杂剂是如WO 02/94805中所描述的手性联萘衍生物、如WO 02/34739中所描述的手性联萘酚缩醛衍生物、如WO02/06265中所描述的手性TADDOL衍生物、以及如WO 02/06196和WO 02/06195中所描述的具有至少一个氟化桥接基团和末端或中心手性基团的手性掺杂物。
特别优选式A-VI的手性化合物
其中
X1,X2,Y1和Y2各自彼此独立地为F、Cl、Br、I、CN、SCN、SF5,具有1至25个碳原子的直链或支链的烷基,其可被F、Cl、Br、I或CN单取代或多取代,并且其中,此外,一个或多个不相邻的CH2基团可以各自独立地被-O-、-S-、-NH-、NR0-、-CO-、-COO-、-OCO-、-OCOO-、-S-CO-、-CO-S-、-CH=CH-或-C≡C-以使得O和/或S原子彼此不直接键合的方式替代,可聚合基团或具有至多20个碳原子的芳基或环烷基,其可以任选地被卤素、优选F或可聚合基团单取代或多取代,
x1和x2各自彼此独立地为0、1或2,
y1和y2各自彼此独立地为0、1、2、3或4,
B1和B2各自彼此独立地为芳香族或部分或完全饱和的脂族六元环,其中一个或多个CH基团可以被N原子替代,并且一个或多个不相邻的CH2基团可以被O和/或S替代,
W1和W2各自彼此独立地为-Z1-A1-(Z2-A2)m-R,且两者中之一替代性地为R1或A3,但两者不同时为H,或
为/>
U1和U2各自彼此独立地为CH2、O、S、CO或CS,
V1和V2各自彼此独立地为(CH2)n,其中n为0、1、2、3、4或5,并且其中一个或多个不相邻的CH2基团可以被O和/或S替代,并且V1和V2中之一为单键,并且在的情况下,二者均为单键,
Z1和Z2各自彼此独立地为-O-、-S-、-CO-、-COO-、-OCO-、-O-COO-、-CO-NR0-、-NR0-CO-、-O-CH2-、-CH2-O-、-S-CH2-、-CH2-S-、-CF2-O-、-O-CF2-、-CF2-S-、-S-CF2-、-CH2-CH2-、-CF2-CH2-、-CH2-CF2-、-CF2-CF2-、-CH=N-、-N=CH-、-N=N-、-CH=CH-、-CF=CH-、-CH=CF-、-CF=CF-、-C≡C-、这些基团中的两个的组合,其中没有两个O和/或S和/或N原子彼此直接键合,优选-CH=CH-COO-或-COO-CH=CH-,或单键,
A1、A2和A3各自彼此独立地为1,4-亚苯基,其中一个或两个不相邻的CH基团可被N取代,1,4-亚环己基,其中一或两个不相邻的CH2基团可被O和/或S替代,1,3-二氧戊环-4,5-二基,1,4-亚环己烯基,1,4-双环[2.2.2]亚辛基,哌啶-1,4-二基,萘-2,6-二基、十氢萘-2,6-二基或1,2,3,4-四氢萘-2,6-二基,其中这些基团中的每个可被L单取代或多取代,并且此外A1为单键,
L是卤素原子,优选F、CN、NO2,具有1-7个碳原子的烷基、烷氧基、烷基羰基、烷氧羰基或烷氧羰基氧基,其中一个或多个H原子可以被F或Cl替代,
m在每种情况下独立地为0、1、2、或3,和
R和R1各自彼此独立地为H、F、Cl、Br、I、CN、SCN、SF5,分别具有1或3至25个碳原子的直链或支链烷基,其可任选地被F、Cl、Br、I或CN单取代或多取代,其中一个或多个不相邻的CH2基团可被-O-、-S-、-NH-、-NR0-、-CO-、-COO-、-OCO-、-O-COO-、-S-CO-、-CO-S-、-CH=CH-或-C≡C-替代,其中没有两个O和/或S原子彼此直接键合,或可聚合基团。
特别优选式A-VI-1的手性联萘衍生物
特别是选自下式A-VI-1a至A-VI-1c的那些:
其中B和Z0如式A-IV所定义,并且Z0更优选为-OCO-或单键,R0为如式A-IV所定义或H或具有1至4个碳原子的烷基,和b为0、1或2。
另外特别优选式A-VI-2的手性联萘衍生物
特别是选自下式A-VI-2a至A-VI-2f的那些:
/>
其中R0如对式A-VI所定义,并且X是H、F、Cl、CN或R0,优选F。
在特别优选的实施方案中,第一和第二可切换层之一中所含有的液晶介质包含化合物R-5011,并且另一可切换层中所含有的液晶介质包含化合物S-5011,两者都示于下表F中。特别优选的是,R-5011和S-5011分别是介质中所含有的唯一手性化合物。
在另一个特别优选的实施方案中,第一和第二可切换层之一中所含有的液晶介质包含化合物S-811,并且另一可切换层中所含有的液晶介质包含化合物R-811,两者都示于下表F中。特别优选的是,S-811和R-811分别是介质中所含有的唯一手性化合物。
在实施方案中,优选的是,第一和第二可切换层各自适用以下关系:
p*Δn<20.0μm
其中p是每个切换层的相应节距,Δn是每个切换层中分别所含有的液晶介质的光学各向异性,特别是在589.3nm和20℃下所测定的。甚至更优选的是,对于第一和第二可切换层中每个,p*Δn<15.0μm,还更优选p*Δn<10.0μm,特别是p*Δn<5.0μm。
切换层中所含有的LC介质优选且良好地表现出高可靠性和高电阻率。LC介质也优选且良好地表现出高电压保持比(VHR),参见S.Matsumoto等人,Liquid Crystals 51320(1989);K.Niwa等人,Proc.SID Conference,San Francisco,June 1984,p.304(1984);T.Jacob和U.Finkenzeller“Merck Liquid Crystals-Physical Properties of LiquidCrystals”,1997。根据本发明的LC介质的VHR优选为≥85%,更优选≥90%,甚至更优选≥95%,特别优选≥98%。除非另有说明,VHR的测量如T.Jacob,U.Finkenzeller在“MerckLiquid Crystals-Physical Properties of Liquid Crystals”,1997中所描述进行。
在优选实施方案中,窗元件不包括偏振器。已经发现,特别是通过提供两个切换层和染料掺杂的LC材料,即使不使用任何偏振器,也具有良好的电-光性能,例如在切换对比度和透射率衰减方面,且所述染料特别是目前定义的一种或多种二色性染料。
在第一可切换层和第二可切换层中使用的用于客体-主体混合物,特别是向列主体混合物的LC主体介质可以是相同或不同的。然而,优选的是,考虑到这简化了材料提供,用于第一可切换层和第二可切换层中使用的客体-主体混合物的LC主体介质是相同的。同样,优选使用相同的二色性染料,优选以相同的浓度。
原理上,在切换元件中使用的合适的主体混合物是适合在常规VA、TN、STN、VA-STN、IPS或FFS显示器中使用的任何负介电或正介电LC混合物。
合适的LC混合物是本领域已知的并且在文献中进行了描述。在例如EP 1 378 557A1中描述了用于具有负介电各向异性的VA显示器的LC介质。
例如,从JP 07-181 439(A)、EP 0 667 555、EP 0 673 986、DE 195 09 410、DE195 28 106、DE 195 28 107、WO 96/23 851、WO 96/28 521和WO2012/079676中已知适合于LCD尤其是IPS显示器的具有正介电各向异性的合适的LC混合物。
根据本发明的具有负或正介电各向异性的液晶介质的优选实施方案如下所示。
在本发明的优选实施方案中,在窗元件的切换层中使用的LC介质包含具有正介电各向异性的LC主体混合物。因此,在进一步优选的实施方案中,根据本发明的介晶介质包含选自以下a)项和b)项的组分:
a)介晶介质,其包含一种或多种选自如下所述的式IIA-VIII的化合物,特别是式IIA和IIIA的化合物
其中
R20各自相同或不同地表示具有1至15个C原子的卤代或未取代的烷基或烷氧基,其中此外,这些基团中的一个或多个CH2基团各自彼此独立地可被-C≡C-、-CF2O-、-CH=CH-、-O-、-CO-O-或-O-CO-以使得氧原子不直接彼此连接的方式替代,
X20各自相同或不同地表示F、Cl、CN、SF5、SCN、NCS、卤代烷基、卤代烯基、卤代烷氧基或卤代烯基氧基,各自具有最多6个C原子,和
Y20-24各自相同或不同地表示H或F;
各自彼此独立地表示/>
式IIA的化合物优选选自下式:
其中R20和X20具有以上所指示的含义。
R20优选表示具有1至6个C原子的烷基。X20优选表示F。特别优选式IIAa和IIAb的化合物,特别是其中X20表示F的式IIAa或IIAb的化合物。
式IIIA的化合物优选选自下式:
其中R20和X20具有以上所指示的含义。
R20优选表示具有1至6个C原子的烷基。X20优选表示F。特别优选式IIIAa和IIIAe的化合物,特别是式IIIAa的化合物。
在进一步的实施方案中,液晶介质包含一种或多种选自式IIIA-1-b至IIIA-1-h化合物的化合物
其中R2具有式IIIA中给出的R20的含义。
b)介晶介质替代性地或额外地包含一种或多种选自下式的化合物:
其中
R20、X20和Y20-23以上所指示的含义,和
Z20表示-C2H4-、-(CH2)4-、-CH=CH-、-CF=CF-、-C2F4-、-CH2CF2-、-CF2CH2-、-CH2O-、-OCH2-、-COO-或-OCF2-,在式V和VI中也是单键,在式V和VIII中也是-CF2O-,
r表示0或1,和
s表示0或1;
-式IVA的化合物优选选自下式:
其中R20和X20具有以上所指示的含义。
R20优选表示具有1至6个C原子的烷基。X20优选表示F、CN或OCF3,另外OCF=CF2或Cl。
-式V的化合物优选选自下式:
/>
其中R20和X20具有以上所指示的含义。
R20优选表示具有1至6个C原子的烷基。X20优选表示F和OCF3,另外OCHF2、CF3、OCF=CF2和OCH=CF2
-式VI的化合物优选选自下式:
/>
其中R20和X20具有以上所指示的含义。
R20优选表示具有1至6个C原子的烷基。X20优选表示F,另外OCF3、CF3、CF=CF2、OCHF2和OCH=CF2
-式VII的化合物优选选自下式:
其中R20和X20具有以上所指示的含义。
R20优选表示具有1至6个C原子的烷基。X20优选表示F,还有OCF3、OCHF2和OCH=CF2
液晶介质可以额外包含合适的添加剂和辅助材料,例如稳定剂和猝灭剂(quencher)。
优选的是,在第一和第二可切换层中所使用的液晶介质不含有可聚合化合物,特别是不含有可聚合的介晶化合物。
根据本发明的LC介质是以本身常规的方式制备的。通常,组分相互溶解,优选在升高的温度下溶解。优选在惰性气体下进行混合,例如在氮气或氩气下。随后加入任选的染料,优选在升高的温度下,更优选40℃以上并且特别优选50℃以上。通常,以较小量使用的期望量的组分溶解在装配主要成分的组分中。组分的溶液还可以在有机溶剂中混合,例如在丙酮、甲苯、氯仿或甲醇中,并在混合后再次去除溶剂,例如通过蒸馏。
窗元件优选地具有大于0.5m2的尺寸,更优选大于1m2,甚至更优选大于3m2。在实施方案中,窗元件的面积在0.10m2至10m2的范围,更优选在0.5m2至10m2的范围。
根据本发明的窗元件允许光穿过。它可以被良好地用于并包括在窗、上釉单元(包括绝缘上釉单元)、立面元件、房间分隔物、分离墙等,并且它可以在其中用作根据需要提供不同切换状态的元件,从而根据期望提供防眩(anti-glare)控制。
作为可切换器件的窗元件可用于调节或调制光从外部空间进入内部空间的通过,例如进入建筑物的内部如住宅建筑物、办公建筑物或用于商业目的建筑物,或车辆。窗元件还可以用于调节或调制光从内部空间进入另一内部空间的通过,特别是在分离不同功能区域或房间的结构元件中。
窗元件以及包括窗元件的作为一个整体的窗优选地不包括任何光源。因此,任何透过窗户的光都来自外部光源,例如太阳或家庭照明设备,特别是太阳。
根据本发明,使用通过电极施加的电场来控制可切换层和窗元件的状态。电极优选为透明电极,其以涂层的形式布置在基板上。涂层通常被施加到面向切换层的表面或基板侧。
优选地,为使得它们是连续的,电极不被图案化和/或结构化。因此,通过施加电场同时寻址和切换整个可切换区域。在可替代的实施方案中,电极可以被图案化以形成可单独寻址的区域,该区域可以通过施加电场而独立于其他区域进行切换。在这种情况下,电极优选地被图案化,使得存在2至500个独立可寻址区域。这样的图案例如可以用于生成跨越器件区域的透射率梯度。
优选地,为了便于电驱动,可以匹配用于切换第一和第二可切换层的切换电压。良好地,相对低的切换电压可以是有用和有效的,其中优选地使用48V或更低的切换电压。
在窗元件中,优选地在包括控制和调节光通过的窗元件的窗中,可切换层和任选的另外的层可以适当地布置和结合,例如通过层压或使用粘结剂,但是也可以通过使用例如一个或多个处在中间的基板或片材、窗格或板来分离,其中可选地窗格可以通过真空或充气间隔进一步分离。
在实施方案中,多层布置被组装在绝缘上釉单元中,其中的层尤其通过真空或充气空间分离,并且其中可选地,一个或多个基板或承载窗格,特别是一个或更多个上釉片材,具有低发射率(low-e)涂层。层压或粘结材料可包括例如离子塑料(ionoplast)、乙烯乙酸乙烯酯(EVA)、聚乙烯醇缩丁醛(PVB)或聚氨酯,例如热塑性聚氨酯(TPU)或光学透明粘结剂。
根据本发明的可切换层可以布置在基板之间,特别是透明基板之间。基板可以包含玻璃或聚合物,优选由玻璃或聚合物组成。
合适的玻璃材料包括,例如,浮法玻璃或下拉玻璃(downdraw glass)。玻璃也可能经受预处理步骤,如回火、韧化和/或涂覆或溅镀(sputtering)。玻璃可以是例如钠钙玻璃、硼硅酸盐玻璃或铝硅酸盐玻璃。在实施方案中,使用无碱玻璃或化学强化玻璃。合适的无碱玻璃包括硼硅酸盐玻璃或铝硅酸盐玻璃,其在玻璃配方中具有低碱含量或甚至没有碱含量。例如,这种玻璃可以以商品名Eagle 2000glass或Eagle XG slim glass从Corning获得,和以商品名AF32或BOROFLOAT从Schott获得。合适的化学强化玻璃例如可以以商品名Gorilla从Corning和以商品名Dragontrail从Asahi glass Corporation(AGC)获得。
合适的聚合物材料包括,例如,聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚乙烯醇缩丁醛(PVB)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)、聚酰亚胺(PI)、COP(环烯烃聚合物)或TAC(三乙酰纤维素)。
在特别优选的实施方案中,使用玻璃基板。在替代性的实施方案中,使用塑料基板。
优选在根据本发明的器件中使用配向层,其中配向层可以是本领域技术人员为此目的已知的任何期望的层。优选聚酰亚胺层,特别优选包含经摩擦的聚酰亚胺的层。在实施方案中,提供了平面配向,其中更优选地可以设置轻微的预倾斜角。在可替代的实施方案中,提供了垂面配向,其中更优选地设置高预倾斜角。
在优选实施方案中,根据本发明的器件是窗的组成部分,更优选地是包括至少一个玻璃表面的窗组件,特别优选具有绝缘上釉单元的组件。
窗元件可以适当地集成到窗中,例如通过层压或粘结,例如使用光学透明粘结剂,优选层压到窗格或上釉单元上。
在实施方案中,窗元件,尤其是窗,仅包括第一和第二可切换层作为可切换层。
在替代性的实施方案中,除了第一和第二可切换层之外,多层布置还可以包括一个或多个其他可切换层。在特别实施方案中,多层布置含有第三可切换层,其中第三可切换层在光学透明状态和散射状态之间是可切换的。在这种情况下优选的是,散射型的可切换层含有具有所谓的聚合物稳定的胆甾织构(PSCT)的液晶介质。
此处的窗特别被认为是建筑物、轿车、商务车、船、火车、飞机等中的结构,其包括框架和由该框架包围的至少一个基板或嵌板,例如塑料基板或玻璃嵌板。在优选实施方案中,特别是对于建筑应用,窗优选地包括热绝缘框架和两个或更多个玻璃嵌板,即多嵌板绝缘玻璃。
根据优选实施方案,根据本发明的器件直接应用于窗的玻璃表面,例如通过层压,特别优选应用于多嵌板绝缘玻璃的两个嵌板玻璃之间的空隙中。
根据本发明的窗元件或窗元件可以集成在其中的窗,例如布置为可切换的上釉单元,特别是绝缘上釉单元,优选地包括阻挡UV光的一个或多个层。特别地,窗元件优选包括一个或多个层,其不允许或仅允许非常小比例的波长小于350nm的光通过,优选延伸到小于360nm,特别优选甚至延伸到小于380nm。此外,低发射率(low-e)涂层可以优选地应用于一个或多个片材。
窗,特别是窗元件还可以包括一个或多个抗反射层或涂层。
在存在层压层的情况下,优选使用阻挡UV的层压层,其中优选层压层面向光源。
窗可以是建筑物、集装箱、车辆或另一个基本封闭的空间的一部分。特别优选将窗元件用于经受来自外部的强烈日照和/或强烈变化的日照的内部空间。
在本发明中,尤其是在以下实施例中,介晶化合物的结构通过缩写(也称为缩略)指示。在这些缩略中,化学式使用以下表A至C缩写如下。所有基团CnH2n+1,CmH2m+1和ClH2l+1或CnH2n-1、CmH2m-1和ClH2l-1表示直链烷基或烯基,优选1-E-烯基,各自分别具有n、m和l个C原子。表A列出了用于化合物核心结构的环元素的代码,而表B显示了连接基团。表C给出了左侧或右侧端基团代码的含义。缩写由带有任选连接基团的环元素的代码构成,后面是第一个连字符和左端基团的代码,以及第二个连字符,和右端基团的代码。表D显示了化合物的说明性结构及其各自的缩写。
表A:环元素
/>
表B:连接基团
表C:端基团
/>
其中n和m各自表示整数,三个点“…”是该表中其他缩写的占位符。
下表显示了说明性结构及其相应缩写。显示这些是为了说明缩写规则的含义。此外,它们代表可以优选使用的化合物。
表D:说明性结构
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
其中n、m和l优选彼此独立地表示1至9,更优选1至7。
下表显示了可在根据本发明的介质中用作稳定剂的说明性化合物。
表E
表E显示了可以添加到根据本发明的LC介质中的可能的稳定剂,其中n表示1-12的整数,优选1、2、3、4、5、6、7或8。
/>
/>
/>
/>
/>
LC介质优选包含0至10重量%的稳定剂,特别是1重量ppm至5重量%,特别优选1重量ppm至1重量%。
下表F显示了根据本发明,可以优选用作介晶介质中手性掺杂剂的说明性化合物。
表F
/>
/>
在本发明的优选实施方案中,介晶介质包含一种或多种选自表F所示化合物的化合物。
根据本发明的介晶介质优选包含两种或更多种选自上表D至F中所示化合物的化合物,优选四种或更多种。
在实施方案中,根据本发明的LC介质优选包括表D中所示的三种或更多种化合物,更优选五种或更多种。
根据本发明的液晶介质优选包含四种或更多种选自表D化合物的化合物,更优选六种或更多种,甚至更优选七种或更多种,特别优选八种或更多种,优选三种或更多种选自表D的式的不同式的化合物。特别优选的是,介质额外含有一种、两种或更多种选自表E的式的化合物。
以下实施例对本发明仅是说明性的,它们不应被认为以任何方式限制本发明的范围。本公开的实施例和修改或其它等效物对于本领域技术人员将是显而易见的。
然而,以下所示的物理性质和组成说明了可以实现哪些性质以及可以在哪些范围进行改性。特别是因此很好地定义可以优选实现的各种性质的组合。
实施例
在实施例中,
Vo表示阈值电压,20℃下的电容[V],
ne表示在20℃和589nm下的非寻常折射率,
no表示在20℃和589nm下的寻常折射率,
Δn表示在20℃和589nm下的光学各向异性,
ε表示20℃和1kHz下平行于指向矢的介电常数,
ε表示20℃和1kHz下垂直于指向矢的介电常数,
Δε表示示20℃和1kHz下的介电各向异性,
cl.p.,T(N,I)表示清亮点[℃],
γ1表示在20℃下测量的旋转粘度[mPa·s],通过磁场中的旋转方法确定,
K1表示表示在20℃下的弹性常数,“展曲”变形[pN]
K2表示表示在20℃下的弹性常数,“扭曲”变形[pN],
K3表示表示在20℃下的弹性常数,“弯曲”变形[pN].
本发明的术语“阈值电压”涉及电容阈值(V0),除非另有明确指示。在实施例中,如通常的那样,光学阈值也可以指示为10%的相对对比度(V10)。
液晶混合物和复合材料体系的组成和性能如下所示。研究了它们的性质和光学性能。
参照实施例1
制备液晶基础混合物B-1,并对其一般物理性质进行表征,其具有如下表所示的组成和性质。
参照实施例2
制备液晶基混合物B-2,并对其一般物理性质进行表征,其具有如下表所示的组成和性质。
通过将99.97%的混合物B-2与0.03%的式的化合物(在下文中称为ST-1)混合来制备主体混合物H-2。
比较实施例1
通过将以下混合来制备混合物M-1:95.935%的参照实施例1中所述的混合物B-1与0.050%的以上参照实施例2中所示的化合物ST-1、0.070%的可得自Merck KGaA,Darmstadt,Germany并在上述表F中所示的手性掺杂剂S-811、0.408%的式DD-1的化合物
0.837%的式DD-2的化合物
0.707%的式DD-3的化合物
0.589%的式DD-4的化合物
和1.404%的式DD-5的化合物
将混合物M-1填充到两个TN盒中,每个TN盒具有两个玻璃基板(无碱玻璃,0.7mm厚),具有ITO电极(片电阻100欧姆/方块)以及聚酰亚胺配向层(来自Japan SyntheticRubber的AL-1054,平面,TN,90°扭曲),其中盒间隙为7.8μm,并且填充端口被密封。通过焊接将电线施加到盒上。
TN盒二者均具有逆时针扭曲。
使用光学透明粘结剂将两个染料掺杂的TN盒串联布置成双盒。
所获得的具有两个可切换层的双盒表现出具有6.5%透射率的暗状态和具有45.5%透射率的亮状态。
实施例1
根据比较实施例1中所述的混合物M-1制备混合物M-2,其中使用0.070%的手性掺杂剂R-811(可得自Merck KGaA,Darmstadt,Germany并且如上表F中所示)代替S-811。
将比较实施例1中描述的混合物M-1填充到根据比较实施例1的TN盒1中。
TN盒1具有逆时针扭曲。
将混合物M-2填充到具有两个无碱玻璃基板(0.7mm厚)的TN盒2中,其具有ITO电极(片电阻100欧姆/方块)以及聚酰亚胺配向层(来自Japan Synthetic Rubber的AL-1054,平面,顺时针TN),其中盒间隙为7.8μm。
TN盒2具有顺时针扭曲。
使用光学透明粘结剂将两个染料掺杂的TN盒1和2串联布置成双盒。
所获得的具有两个可切换层的双盒表现出具有5.4%透射率的暗状态和具有45.5%透射率的亮状态。
与除了第二可切换层的扭曲方向以外相同的比较实施例1中的双盒相比,具有两个相反扭曲方向的光学盒的双盒表现出改进的暗状态。
双盒在宽范围的视角内也表现出在对比度和色度坐标方面的优异行为。
比较实施例2
通过将以下混合来制备混合物M-3:96.005%的参照实施例1中所述的混合物B-1与0.050%的如以上参照实施例2中所示的化合物ST-1、0.537%的手性掺杂剂S-811、0.408%的如比较实施例1所示的式DD-1的化合物、0.837%的如比较实施例1所述的式DD-2的化合物、0.707%的如比较实施例1所示的式DD-3的化合物、0.589%的如比较实施例1所述的式DD-4的化合物和1.404%的如比较实施例1所示式DD-5的化合物。
将混合物M-3填充到两个STN盒(180°扭曲)中,每个STN盒具有两个带有ITO电极和聚酰亚胺配向层的玻璃基板,其中盒间隙为7.7μm。
STN盒二者均具有逆时针扭曲。
使用光学透明粘结剂将两个染料掺杂的STN盒串联布置成双盒。
所获得的具有两个可切换层的双盒表现出具有8.3%透射率的暗状态和具有47.1%透射率的亮状态。
实施例2
根据比较实施例2中所述的混合物M-3制备混合物M-4,其中使用0.537%的手性掺杂剂R-811代替S-811。
将比较实施例2中描述的混合物M-3填充到STN盒1中(180°扭曲,盒间隙7.7μm)。
STN盒1具有逆时针扭曲。
将混合物M-4填充到STN盒2中(180°扭曲,盒间隙7.7μm)。
STN盒2具有顺时针扭曲。
使用光学透明粘结剂将两个染料掺杂的STN盒1和2串联布置成双盒。
所获得的具有两个可切换层的双盒表现出具有5.4%透射率的暗状态和具有47.1%透射率的亮状态。
与除了第二可切换层的扭曲方向之外相同的比较实施例2中的双盒相比,具有两个具有相反扭曲方向的光学盒的双盒表现出改进的暗状态。
双盒在宽范围的视角内也表现出在对比度和色度坐标方面的优异行为。
实施例3
通过将以下混合来制备混合物M-5:90.128%参照实施例2中所述的混合物H-2与1.160%式DD-1的化合物、1.919%式DD-2的化合物、1.800%式DD-3的化合物、0.853%式DD-4的化合物、0.730%式DD-5的化合物、1.300%式DD-6的化合物
和2.110%的式DD-7的化合物
通过将99.236%的混合物M-5与0.764%的手性掺杂剂S-811混合来制备混合物M-5-1。
通过将99.236%的混合物M-5与0.764%的手性掺杂剂R-811混合来制备混合物M-5-2。
混合物M-5-1被填充到VA-STN双盒的第一可切换层中并且混合物M-5-2被填充到VA-STN双盒的第二可切换层中。双盒表现出优异的暗状态、良好的透射率范围和优异的视角性能。
实施例4
通过将以下混合来制备混合物M-6-1:98.877%的参照实施例1中所述的混合物B-1与0.470%的手性掺杂剂R-5011(可得自Merck KGaA,Darmstadt,Germany并且如上表F中所示)、0.129%的式DD-8的化合物
0.244%的式DD-9的化合物
和0.280%的式DD-10的化合物
根据混合物M-6-1制备混合物M-6-2,其中使用可得自Merck KGaA,Darmstadt,Germany的手性掺杂剂S-5011代替R-5011,如上表F所示。
混合物M-6-1和M-6-2用于窗元件,其包括包含两个光学盒的层布置,其中M-6-1用于第一盒的可切换层,M-6-2用于第二盒的可切换层。

Claims (17)

1.窗元件,其包括用于调节光通过的多层布置并且其在亮状态和暗状态中可操作和在亮状态和暗状态之间可电切换,其中所述多层布置包括均含有液晶介质的第一可切换层和第二可切换层,所述液晶介质包含一种或多种二色性染料和任选的一种或多种手性化合物,其中在所述状态的一个中所述第一可切换层和所述第二可切换层具有扭曲向列或超扭曲向列的构型,并且其中所述第一可切换层和第二可切换层的一个的扭曲方向是顺时针的而所述可切换层的另一个的扭曲方向是逆时针的。
2.根据权利要求1所述的窗元件,其中所述第一可切换层中所含有的液晶介质和所述第二可切换层中所含有的液晶介质各自包含手性掺杂剂,优选以0.01重量%至5重量%的浓度,其中优选相应的手性掺杂剂是彼此的立体异构体,特别是对映异构体。
3.根据权利要求1或2所述的窗元件,其中所述第一可切换层和第二可切换层各自适用以下关系
d*Δn<3.0μm
其中d是各个可切换层的相应厚度并且Δn是可切换层各自分别所含有的液晶介质的光学各向异性,其中优选d*Δn<2.0μm,并且更优选d*Δn<1.5μm。
4.根据权利要求1至3中的一项或多项所述的窗元件,其中所述第一可切换层的节距的量值与所述第二可切换层的节距的量值相差25%或更少,优选10%或更少,并且其中最优选所述第一可切换层的节距的量值与所述第二可切换层的节距的量值相同。
5.根据权利要求1至4中的一项或多项所述的窗元件,其中所述多层布置包括按以下顺序的
-第一透明基板,
-第一电极层,
-第一配向层,
-所述第一可切换层,
-第二配向层,
-第二电极层,
-第二透明基板,
-任选的粘合层、粘附层或层压层,
-第三透明基板,
-第三电极层,
-第三配向层,
-所述第二可切换层,
-第四配向层,
-第四电极层,和
-第四透明基板。
6.根据权利要求1至4中的一项或多项所述的窗元件,其中所述多层布置包括按以下顺序的
-第一透明基板,
-第一电极层,
-第一配向层,
-所述第一可切换层,
-第二配向层,
-第二电极层,
-第二透明基板,
-第三电极层,
-第三配向层,
-所述第二可切换层,
-第四配向层,
-第四电极层,和
-第三透明基板,
其中所述第二配向层和所述第二电极层设置在所述第二透明基板的第一表面上,并且其中所述第三电极层和所述第三配向层设置在所述第二透明基板的第二表面上。
7.根据权利要求5或6所述的窗元件,其中所述第一、第二、第三和第四配向层包含聚酰亚胺,优选由经摩擦的聚酰亚胺制成,并且其中更优选所述第二配向层和所述第三配向层的摩擦方向彼此正交。
8.根据权利要求1至7中的一项或多项所述的窗元件,其中所述第一可切换层中所含有的液晶介质和所述第二可切换层中所含有的液晶介质各自具有至少80℃的清亮点。
9.根据权利要求1至8中的一项或多项所述的窗元件,其中所述第一可切换层中所含有的液晶介质和所述第二可切换层中所含有的液晶介质的介电各向异性的绝对值各自为2.5或更高。
10.根据权利要求1至9中的一项或多项所述的窗元件,其中所述第一可切换层中所含有的液晶介质和所述第二可切换层中所含有的液晶介质各自含有基于所述介质总含量的以重量计至少15%的一种或多种式I的介晶化合物
其中
R1和R2彼此独立地表示选自以下的基团:F、Cl、CF3、OCF3,和具有1至15个碳原子的直链或支链的烷基或烷氧基,或具有2至15个碳原子的直链或支链的烯基,其未被取代、被CN或CF3单取代或被卤素单取代或多取代,并且其中一个或多个CH2基团在各个情况下彼此独立地可被-O-、-S-、-CO-、-COO-、-OCO-、-OCOO-、-C≡C-、以使得氧原子不直接彼此连接的方式替代,
A11表示
n表示0或1,和
A21、A31和A41彼此独立地表示
其中L在每次出现时相同或不同地为选自F、Cl和Br的卤素或甲基。
11.根据权利要求1至10中的一项或多项所述的窗元件,其中所述第一可切换层中所含有的液晶介质和所述第二可切换层中所含有的液晶介质各自还包含一种或多种选自式II和III化合物的介晶化合物
其中
R3、R4、R5和R6彼此独立地表示选自以下的基团:F、CF3、OCF3、CN,和具有1至15个碳原子的直链或支链的烷基或烷氧基,或具有2至15个碳原子的直链或支链的烯基,其未被取代、被CN或CF3单取代或被卤素单取代或多取代,并且其中一个或多个CH2基团在各个情况下彼此独立地可被-O-、-S-、-CO-、-COO-、-OCO-、-OCOO-、-C≡C-、以使得氧原子不直接彼此连接的方式替代,
L1、L2、L3、L4和L5彼此独立地表示H或F,和
L6和L7彼此独立地表示H或甲基。
12.根据权利要求1至11中的一项或多项所述的窗元件,其中所述第一可切换层和所述第二可切换层的厚度各自为20μm或更少,优选为15μm或更少以及特别是10μm或更少。
13.根据权利要求1至12中的一项或多项所述的窗元件,其中所述一种或多种二色性染料选自偶氮染料、蒽醌、次甲基化合物、偶氮次甲基化合物、部花青化合物、萘醌、四嗪、吡咯亚甲基染料、丙二腈染料、萘嵌苯特别是二萘嵌苯和三萘嵌苯、噻二唑染料、噻吩并噻二唑染料、苯并噻二唑、噻二唑并喹喔啉、吡咯亚甲基和二酮吡咯并吡咯,优选选自偶氮染料、蒽醌、苯并噻二唑、二酮吡咯并吡咯、萘嵌苯和噻二唑并喹喔啉,并且更优选选自偶氮染料、苯并噻二唑和噻二唑并喹喔啉。
14.根据权利要求1至13中的一项或多项所述的窗元件,其中所述窗元件不包括偏振器。
15.根据权利要求1至14中的一项或多项所述的窗元件,其中所述窗元件在暗状态下具有根据DIN EN410测定的小于10%、优选小于5%、更优选小于3%的可见光透射率。
16.根据权利要求1至15中的一项或多项所述的窗元件在建筑物或车辆的窗中的用途。
17.组合物,其包含
-第一液晶介质,其具有至少80℃的清亮点并且包含一种或多种二色性染料和手性掺杂剂的立体异构体,优选R-异构体,和
-第二液晶介质,其具有至少80℃的清亮点并且包含一种或多种的二色性染料和所述手性掺杂剂的另一种立体异构体,优选S-异构体。
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