DE102012000065B4

DE102012000065B4 - Vorrichtung enthaltend ein flüssigkristallines Medium, ihre Verwendung, Verfahren zu ihrer Herstellung und Verfahren zur temperaturabhängigen Steuerung der Lichttransmission mit ihr

Info

Publication number: DE102012000065B4
Application number: DE102012000065.0A
Authority: DE
Inventors: Graziano Archetti
Original assignee: Merck Patent GmbH
Current assignee: Merck Patent GmbH
Priority date: 2011-01-27
Filing date: 2012-01-04
Publication date: 2021-10-28
Anticipated expiration: 2032-01-05
Also published as: DE102012000065A1; TW201239458A; WO2012100901A1; TWI600943B

Abstract

Temperatur-reaktive Vorrichtung zur Regulierung der Lichttransmission, wobei sie eine Schicht eines flüssigkristallinen Mediums enthält, wobei das flüssigkristalline Medium- eine oder mehrere flüssigkristalline Verbindungen sowie- eine Komponente (N) enthaltend Nanopartikel und/oder eine oder mehrere Verbindungen (V) mit dreidimensionalem Aufbau sowie einem Molekulargewicht von mehr als 450 Da, wobei die Nanopartikel und/oder die eine oder mehreren Verbindungen (V) mindestens eine Ankergruppe tragen, welche eine nichtkovalente Wechselwirkung mit Oberflächen aus Glas oder Metall eingeht und welche eine organisch-chemische Gruppe darstellt, enthält.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Temperatur-reaktive Vorrichtung zur Regulierung der Lichttransmission, enthaltend ein flüssigkristallines Medium sowie eine Komponente (N), enthaltend Nanopartikel und/oder eine oder mehrere Verbindungen (V) mit dreidimensionalem Aufbau. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur temperaturabhängigen Steuerung der Lichttransmission durch eine Schicht eines flüssigkristallinen Mediums.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter der Bezeichnung flüssigkristallines Medium ein Material verstanden, welches unter bestimmten Bedingungen flüssigkristalline Eigenschaften zeigt. Insbesondere wird unter der Bezeichnung ein Material verstanden, welches unter bestimmten Bedingungen eine nematische flüssigkristalline Phase ausbildet. Ein flüssigkristallines Medium kann eine oder mehrere flüssigkristalline Verbindungen sowie zusätzlich weitere Stoffe umfassen.
Unter dem Begriff flüssigkristalline Verbindung wird eine Verbindung verstanden, welche unter bestimmten Bedingungen flüssigkristalline Eigenschaften zeigt, und insbesondere eine Verbindung, welche unter bestimmten Bedingungen eine nematische flüssigkristalline Phase ausbildet.
Unter einer Temperatur-reaktiven Vorrichtung wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung verstanden, welche abhängig von der Temperatur verschiedene Zustände einnimmt. Ein Beispiel dafür ist eine Vorrichtung, welche abhängig von der Temperatur eine unterschiedlich hohe Lichttransmission zeigt.
Unter dem Begriff Lichttransmission wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung der Durchtritt von elektromagnetischer Strahlung im sichtbaren (VIS), im nah-infraroten (Nah-IR, NIR) sowie im UV-A-Bereich durch die Vorrichtung verstanden. Unter dem Begriff Licht wird in der vorliegenden Erfindung entsprechend ebenfalls elektromagnetische Strahlung im sichtbaren, nah-infraroten und UV-A-Bereich des Spektrums verstanden. Gemäß üblicherweise verwendeten physikalischen Definitionen wird unter UV-A-Licht, sichtbarem Licht und nah-infrarotem Licht zusammengenommen Strahlung einer Wellenlänge von 320 bis 3000 nm verstanden.
Unter dem Begriff Nanopartikel wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Partikel mit einem Durchmesser zwischen 1 nm und 1 µm verstanden.
Unter dem Begriff Verbindung mit dreidimensionalem Aufbau wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Verbindung verstanden, welche nicht vornehmlich linear und in lediglich einer Dimension ausgedehnt ist, wie zum Beispiel ein Polymer oder ein kleines organisches Molekül, wie zum Beispiel Octa-1,7-diin, n-Decan oder p-Quaterphenyl, und welche weiterhin nicht vornehmlich planar und in lediglich zwei Dimensionen ausgedehnt ist, wie zum Beispiel Benzol oder Pyren, sondern welche eine weitgehend gleichmäßige Ausdehnung in allen drei Dimensionen des Raums aufweist.
Beispiele für solche Verbindungen sind Tetraphenylmethan, Cuban, closo-Carbaborane wie zum Beispiel C₂B₁₀H₁₂, Fullerene und Silsesquioxane. Allgemein stellen molekulare Käfigverbindungen, wie in einem folgenden Abschnitt definiert, typischerweise Verbindungen mit dreidimensionalem Aufbau gemäß der obenstehenden Definition dar. Eine Verbindung mit dreidimensionalem Aufbau kann beispielsweise eine annähernd kugelförmige, würfelförmige, tetraedrische oder pyramidale Struktur aufweisen.
Bevorzugt weist eine solche Verbindung eine Längenausdehnung dmax sowie eine weitere Längenausdehnung dmin auf, wobei dmax definiert ist als größte Ausdehnung und dmin definiert ist als kleinste Ausdehnung, und wobei dmin wenigstens 30 % des Werts von dmax aufweist, besonders bevorzugt wenigstens 50 %, nochmals besonders bevorzugt wenigstens 70 % und ganz besonders bevorzugt wenigstens 80 % des Werts von dmax aufweist.
Die Bestimmung der genannten Strukturparameter kann durch dem Fachmann bekannte Simulationsverfahren für die räumliche Struktur von Verbindungen erfolgen. Diese weisen im Allgemeinen eine ausreichende Genauigkeit auf, um dem Fachmann eine Einordnung einer Verbindung als Verbindung mit dreidimensionalem Aufbau gemäß der obenstehenden Definition zu ermöglichen. Weiterhin kann der Fachmann, insbesondere bei neuartigen und/oder weniger bekannten Strukturklassen, auf die Strukturbestimmung mittels Kristallographie oder spektroskopischer Methoden zurückgreifen.
Mit der zunehmenden Bedeutung der Energieeffizienz von Gebäuden besteht ein wachsender Bedarf an Vorrichtungen, welche den Lichtdurchtritt und damit den Energiefluss durch Fenster bzw. Glasflächen kontrollieren. Insbesondere besteht Bedarf an Vorrichtungen, welche den Energiefluss durch Glasflächen an die zum jeweiligen Zeitpunkt vorherrschenden Bedingungen (Hitze, Kälte, hohe Sonneneinstrahlung, niedrige Sonneneinstrahlung) anpassen können. Von besonderem Interesse ist die Bereitstellung solcher Vorrichtungen in gemäßigten Klimazonen, in denen ein jahreszeitlicher Wechsel von warmen Außentemperaturen kombiniert mit hoher Sonneneinstrahlung und kalten Außentemperaturen kombiniert mit niedriger Sonneneinstrahlung auftritt.
Im Folgenden sollen die Effekte vorgestellt werden, die durch Sonneneinstrahlung auf Glasflächen an Gebäuden bewirkt werden. Vergleichbare Effekte können nicht nur bei Gebäuden, sondern auch bei Fahrzeugen oder Transportbehältern, zum Beispiel Containern, auftreten.
In warmen Klimazonen sowie in gemäßigten Klimazonen in der warmen Jahreszeit führen Glasflächen an Gebäuden zu einer unerwünschten Aufheizung der Innenräume, wenn sie von Sonneneinstrahlung getroffen werden. Dies liegt daran, dass Glas für Strahlung im VIS- und Nah-IR-Bereich des elektromagnetischen Spektrums durchlässig ist. Objekte im Innenraum absorbieren die hindurchgelassene Strahlung und werden dadurch erwärmt, was zu einer Erhöhung der Raumtemperatur führt (Glashauseffekt, green house effect). Der genannte Effekt von Glasflächen an Gebäuden ist jedoch nicht generell unerwünscht: Bei niedrigen Außentemperaturen, insbesondere in kalten Klimazonen oder in der kalten Jahreszeit in gemäßigten Klimazonen, kann eine Aufheizung der Innenräume aufgrund von Sonneneinstrahlung im Rahmen dieses Effekts vorteilhaft sein, da dadurch der Energiebedarf für die Raumheizung verringert wird und somit Kosten gespart werden können.
Es stellt sich daher die technische Aufgabe, Vorrichtungen bereitzustellen, welche den Lichtdurchtritt durch Fenster oder sonstige Glasflächen regulieren. Insbesondere stellt sich die Aufgabe, Vorrichtungen bereitzustellen, welche die Regulation des Lichtdurchtritts automatisch an die vorherrschenden Bedingungen, wie oben dargestellt, anpassen (smart windows). Weiterhin stellt sich die Aufgabe, Vorrichtungen bereitzustellen, welche bevorzugt energieeffizient arbeiten, mit möglichst geringem technischen Aufwand installierbar sind, technisch zuverlässig sind und ästhetischen Ansprüchen genügen. Als Beispiele für letzteren Aspekt sind ein möglichst regelmäßiges Schalten der Vorrichtung sowie eine Vermeidung von Farb- oder Mustereffekten zu nennen.
Im Stand der Technik bekannt sind Vorrichtungen, die bei Anlegen einer elektrischen Spannung reversibel von einem transparenten Zustand hin zu einem weniger lichtdurchlässigen, beispielsweise einem trüben (lichtstreuenden) oder einem dunkel-transparenten Zustand geschaltet werden können (z. B. C. M. Lampert et al., Large-area smart glass and integrated photovoltaics, Solar Energy Materials & Solar Cells, 2003, 489-499).
Elektrisch schaltbare Vorrichtungen wie die oben genannten Vorrichtungen weisen jedoch den Nachteil auf, dass sie sich nicht unmittelbar und automatisch an die Umgebungsbedingungen anpassen können. Weiterhin benötigen sie elektrische Anschlüsse, was einen erhöhten Aufwand bei der Installation sowie einen erhöhten Wartungsbedarf mit sich bringt.
US 2010/0045924 A1 beschreibt eine temperatur-reaktive flüssigkristallbasierte Schaltvorrichtung zur Regulierung der Lichttransmission umfassend zwei Polarisatoren, wobei das flüssigkristalline Material polymerstabilisiert sein kann oder ein Polymernetzwerk umfassen kann. US 2006/0172090 A1 beschreibt flüssigkristalline Medien, die unter anderem Fullerene enthalten können.
In US 2009/0015902 A1 und US 2009/0167971 A1 werden temperatur-reaktive Vorrichtungen offenbart, die ein flüssigkristallines Medium in einer Schicht zwischen zwei Polarisatoren enthalten. Dabei wird das Schalten zwischen einem Zustand mit höherer Lichttransmission und einem Zustand mit geringerer Lichttransmission durch einen Phasenübergang des flüssigkristallinen Mediums von einem nematischen Zustand zu einem isotropen Zustand erreicht. Hierbei tritt bedingt durch den Phasenübergang ein abrupter Übergang zwischen dem Zustand mit hoher und dem Zustand mit geringerer Lichttransmission auf. Dabei kann der Fall auftreten, dass über die gesamte Fläche der Vorrichtung betrachtet in einigen Bereichen der Zustand mit hoher Lichttransmission vorliegt, während in anderen, benachbarten Bereichen gleichzeitig der Zustand mit niedriger Lichttransmission vorliegt.
Es kann zusammenfassend festgestellt werden, dass weiterhin Bedarf an temperatur-reaktiven Vorrichtungen zur Regulierung des Lichtdurchtritts durch Fenster oder allgemein lichtdurchlässige Flächen besteht. Insbesondere besteht Bedarf an Vorrichtungen, bei denen der Schaltvorgang auf alternativen Prinzipien beruht. Nochmals insbesondere besteht Bedarf an Vorrichtungen, bei denen der Schaltvorgang nicht abrupt, sondern graduell über Zwischenwerte der Transmission verläuft.
In S.-C. Jeng et, al., Tunable pretilt angles based on nanoparticles-doped planar liquid-crystal cells, Optics Letters 2009, 34, 455-457, wird offenbart, dass sich bestimmte flüssigkristalline Verbindungen in Anwesenheit von polyhedralen oligomeren Silsesquioxanen (Silsesquioxane, PSS) spontan homöotrop (vertikal) ausrichten. Der Grad der vertikalen Ausrichtung kann dabei durch die Konzentration an Silsesquioxanen beeinflusst werden. Weiterhin wird eine Verwendung der Mischungen enthaltend flüssigkristalline Verbindungen und Silsesquioxane in LC-Displays basierend auf der VA-Technologie (VA-Technologie = vertical alignment) offenbart, bei der durch Anlegen eines elektrischen Feldes eine reversible Drehung der flüssigkristallinen Verbindungen aus der vertikalen Anordnung heraus erfolgt. Vergleichbare Anwendungen werden weiterhin in US 2008/0198301 A1 sowie in S.-C. Jeng et al., Nanoparticles-induced vertical alignment in liquid crystal cell Appl. Phys. Lett. 2007, 91, 061112-1 - 061112-3 offenbart.
Die vorliegende Erfindung besteht in der Verwendung eines flüssigkristallinen Mediums enthaltend

- eine oder mehrere flüssigkristalline Verbindungen sowie
- eine wie in Anspruch 1 definierte Komponente (N) enthaltend Nanopartikel und/oder eine oder mehrere Verbindungen (V), welche einen dreidimensionalen Aufbau sowie ein Molekulargewicht von mehr als 450

Da aufweisen,
in einem temperatur-reaktiven Schaltelement.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist somit weiterhin eine Temperatur-reaktive Vorrichtung zur Regulierung der Lichttransmission gemäß Anspruch 1, wobei sie eine Schicht eines flüssigkristallinen Mediums enthält, wobei das flüssigkristalline Medium

- eine oder mehrere flüssigkristalline Verbindungen sowie
- eine Komponente (N) enthaltend Nanopartikel und/oder eine oder mehrere Verbindungen (V) mit dreidimensionalem Aufbau sowie einem Molekulargewicht von mehr als 450 Da

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Schicht des flüssigkristallinen Mediums zwischen zwei Substratschichten angeordnet.
Die Substratschichten können erfindungsgemäß unter anderem aus polymerem Material, aus Metalloxid, beispielsweise ITO, aus Glas oder aus Metall bestehen. Bevorzugt bestehen sie aus Glas oder ITO. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Substrate mit einem Abstand von mindestens 1 µm zueinander angeordnet, wobei sich im Zwischenraum die Schicht des flüssigkristallinen Mediums befindet. Die Substratschichten können beispielsweise durch Abstandshalter (spacer) oder vorspringende Strukturen in der Schicht in einem definierten Abstand zueinander gehalten werden.
Die Vorrichtung kann weiterhin eine oder mehrere Orientierungsschichten aufweisen, welche sich in unmittelbarem Kontakt mit der Schicht des flüssigkristallinen Mediums befinden. Die Orientierungsschichten können auch als Substratschichten dienen, so dass keine Substratschichten in der Vorrichtung erforderlich sind. Wenn zusätzlich Substratschichten vorhanden sind, so sind die Orientierungsschichten jeweils zwischen der Substratschicht und der Schicht des flüssigkristallinen Mediums angeordnet. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bestehen die Orientierungsschichten aus geriebenem Polyimid. Verfahren zum Reiben des Polyimids sind dem Fachmann bekannt, so dass diese hier nicht explizit aufgeführt werden. In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung bestehen die Orientierungsschichten aus nicht geriebenem Polyimid. Geriebenes Polyimid begünstigt gegenüber nicht geriebenem Polyimid eine Vorzugsausrichtung der flüssigkristallinen Verbindungen in Reiberichtung, wenn die Verbindungen planar zur Orientierungsschicht vorliegen.
Es ist gemäß der vorliegenden Erfindung ebenfalls möglich und unter bestimmten Bedingungen vorteilhaft, dass die Vorrichtung keine Orientierungsschichten angrenzend an die Schicht des flüssigkristallinen Mediums enthält.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Vorrichtung zwei oder mehr Polarisatoren auf, von denen einer an der einen Seite der Schicht des flüssigkristallinen Mediums und ein anderer an der gegenüberliegenden Seite der Schicht des flüssigkristallinen Mediums angeordnet ist. Dabei sind die Schicht des flüssigkristallinen Mediums und die Polarisatoren bevorzugt parallel zueinander angeordnet.
Die Polarisatoren können lineare Polarisatoren oder zirkulare Polarisatoren darstellen. Bevorzugt sind genau zwei Polarisatoren in der Vorrichtung vorhanden. In diesem Fall ist es weiterhin bevorzugt, dass die Polarisatoren entweder beide lineare Polarisatoren oder beide circulare Polarisatoren darstellen. Gemäß einer möglichen Ausführungsform der Erfindung kann jedoch auch ein linearer Polarisator zusammen mit einem circularen Polarisator verwendet werden.
Sind zwei lineare Polarisatoren in der Vorrichtung vorhanden, so ist es erfindungsgemäß bevorzugt, dass die Polarisationsrichtungen der beiden Polarisatoren gleich oder lediglich um einen geringen Winkel gegeneinander gedreht sind.
Weiterhin ist es für den Fall, dass zwei circulare Polarisatoren in der Vorrichtung vorhanden sind, bevorzugt, dass diese den gleichen Polarisationssinn aufweisen, das heißt, dass entweder beide rechts circular oder beide links circular polarisiert sind.
Die Polarisatoren können reflektive oder absorptive Polarisatoren darstellen. Ein reflektiver Polarisator im Sinne der vorliegenden Erfindung reflektiert Licht einer Polarisationsrichtung bzw. einer Art von circular polarisiertem Licht, während er für Licht der anderen Polarisationsrichtung bzw. der anderen Art von circular polarisiertem Licht durchlässig ist. Entsprechend absorbiert ein absorptiver Polarisator Licht einer Polarisationsrichtung bzw. einer Art von circular polarisiertem Licht, während er für Licht der anderen Polarisationsrichtung bzw. der anderen Art von circular polarisiertem Licht durchlässig ist. Die Reflektion bzw. Absorption ist üblicherweise nicht quantitativ, so dass keine vollständige Polarisation des Lichts, dass durch den Polarisator durchtritt, erfolgt.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können sowohl absorptive als auch reflektive Polarisatoren eingesetzt werden. Bevorzugt werden Polarisatoren verwendet, die als dünne optische Filme vorliegen. Beispiele für reflektive Polarisatoren, die in der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendet werden können, sind DRPF- (diffusive reflective polariser film, 3M), DBEF- (dual brightness enhanced film, 3M), DBR- (layered-polymer distributed Bragg reflectors, wie in US 7038745 B2 und US 6099758 A beschrieben) und APF-Filme (advanced polariser film, 3M). Weiterhin können Polarisatoren basierend auf Drahtgittern (WGP, wire-grid-polarisers), welche Infrarotlicht reflektieren, eingesetzt werden. Beispiele für absorptive Polarisatoren, welche in den erfindungsgemäßen Vorrichtungen eingesetzt werden können, sind der Itos XP38-Polarisatorfilm und der Nitto Denko GU-1220DUN-Polarisatorfilm. Ein Beispiel für einen circularen Polarisator, welcher erfindungsgemäß verwendet werden kann, ist der Polarisator APNCP37-035-STD (American Polarizers). Ein weiteres Beispiel ist der Polarisator CP42 (ITOS).
In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform stellen die Polarisatoren die Substratschichten dar, zwischen denen das flüssigkristalline Medium angeordnet ist, das heißt, es sind keine zusätzlichen Substratschichten in der Vorrichtung vorhanden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung befindet sich die Schicht des flüssigkristallinen Mediums zwischen flexiblen Schichten, beispielsweise flexiblen Polymerfolien. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch flexibel und biegsam und kann beispielsweise aufgerollt werden. Die flexiblen Schichten können wahlweise Substratschicht, Orientierungsschicht und/oder Polarisatoren darstellen. Weitere Schichten, welche bevorzugt ebenfalls flexibel sind, können zusätzlich vorhanden sein. Für weitergehende Offenbarung zu bevorzugten Ausführungsformen, in denen sich die Schicht des flüssigkristallinen Mediums zwischen flexiblen Schichten befindet, wird auf die Anmeldung US 2010/0045924 A1 Bezug genommen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das flüssigkristalline Medium eine feste oder Gel-artige Konsistenz auf. Dadurch ist die erfindungsgemäße Vorrichtung weniger anfällig gegenüber Beschädigung. Sind weiterhin zusätzlich zu der Schicht des flüssigkristallinen Mediums ausschließlich flexible, bieg- und schneidbare Schichten vorhanden, kann die Vorrichtung nicht nur aufgerollt, sondern es können auch Stücke einer jeweils benötigten Fläche ausgeschnitten werden.
Die Vorrichtung kann weiterhin Filter enthalten, welche Licht bestimmter Wellenlängen blockieren, zum Beispiel UV-Filter. Es können erfindungsgemäß noch weitere Funktionsschichten vorhanden sein, wie beispielsweise Schutzfolien, Wärmeisolationsfolien oder MetalloxidSchichten.
Weiterhin können in der erfindungsgemäßen Vorrichtung Elektroden sowie weitere elektrische Bauteile und Anschlüsse vorhanden sein, um ein elektrisches Schalten der Vorrichtung zu ermöglichen, vergleichbar dem Schalten eines LC-Displays. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind Elektroden sowie weitere elektrische Bauteile und Anschlüsse jedoch nicht vorhanden.
Weiterhin ist es allgemein bei der Verwendung der Vorrichtung bevorzugt, dass das Schalten durch eine Temperaturänderung bewirkt wird (und nicht durch das Anlegen eines elektrischen Feldes). Bevorzugte Temperaturbereiche des Schaltvorgangs werden in später folgenden Abschnitten angegeben.
Erfindungsgemäß enthält die Komponente (N) Nanopartikel und/oder eine oder mehrere Verbindungen (V) mit dreidimensionalem Aufbau sowie einem Molekulargewicht von mehr als 450 Da.
Die Komponente (N) ist bevorzugt chemisch inert, alterungsbeständig und lipophil sowie mit den im flüssigkristallinen Medium enthaltenen flüssigkristallinen Verbindungen kompatibel. Unter Kompatibilität wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere verstanden, dass die Komponente (N) mit den Verbindungen keine chemischen Reaktionen eingeht, welche das Funktionieren der Vorrichtung beeinträchtigen.
Die Komponente (N) wird bevorzugt in einer Konzentration von 50 bis 0,01 Gew.-%, besonders bevorzugt 30 bis 0,1 Gew.-% und ganz besonders bevorzugt 10 bis 0,1 Gew.-% im flüssigkristallinen Medium eingesetzt. Noch stärker bevorzugt liegt die Konzentration der Komponente (N) zwischen 5 und 0,1 Gew.-%.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält die Komponente (N) Nanopartikel. In einer bevorzugten Ausführungsform enthält die Komponente (N) Nanopartikel in einem Anteil von 50, 70, 90 oder mehr Gew.-%. Besonders bevorzugt besteht die Komponente (N) vollständig aus Nanopartikeln. Die Nanopartikel können beispielsweise Metallnanopartikel, Metalloxidnanopartikel oder Cluster darstellen.
Die Nanopartikel besitzen bevorzugt einen Durchmesser von 1 nm bis 100 nm, besonders bevorzugt einen Durchmesser von 1 nm bis 50 nm, stärker bevorzugt von 1 nm bis 10 nm und noch stärker bevorzugt von 1 nm bis 5 nm. Es ist weiterhin bevorzugt, dass die Teilchen ein Seitenverhältnis d_max/d_min von höchstens 3:1, bevorzugt höchstens 2:1, besitzen. Dabei bezeichnet dmax die maximale Längenausdehnung und dmin die minimale Längenausdehnung des Teilchens. Die Größe und Form der Nanopartikel lässt sich beispielsweise durch Streuungsmethoden in Lösung oder durch Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) bestimmen.
Die verwendeten Nanopartikel können in ihrer Form, ihrer Größe und in ihrem Aufbau gleich oder verschieden sein.
Erfindungsgemäß weisen die Nanopartikel mindestens eine Ankergruppe A¹ auf. Diese stellt erfindungsgemäß eine organische chemische Gruppe dar.
Erfindungsgemäß stellt die Ankergruppe A¹ eine Gruppe dar, welche eine nicht-kovalente Wechselwirkung mit Oberflächen aus Glas oder Metalloxid eingeht. Eine solche Oberfläche kann beispielsweise die Oberfläche der Substratschicht der Vorrichtung sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Ankergruppe A¹ so aufgebaut, dass sie über polare Strukturelemente eine Wasserstoffbrückenbindung ausbilden kann. Geeignete Gruppen sind polare Gruppen umfassend Gruppen mit Atomen ausgewählt aus N, O, S und P, die vorzugsweise gleichzeitig gegenüber Luft und Wasser stabil sind. Bevorzugt sind ein oder mehrere, bevorzugt zwei oder mehr, dieser Heteroatome in der Ankergruppe A¹enthalten.
Die Ankergruppe A¹besteht besonders bevorzugt aus wenigstens zwei separaten Strukturelementen, welche Heteroatome ausgewählt aus N und O, wobei N bevorzugt ist, enthalten, sowie weiterhin aus wenigstens einer kovalenten, verknüpfenden Struktur zwischen den genannten Strukturelementen und optional zwischen einem oder mehreren der Strukturelemente und der Anbindungsstelle der Ankergruppe A¹.
Die genannte kovalente Struktur besteht aus kettenförmigen oder cyclischen aliphatischen Resten und/oder aromatischen Ringen, bevorzugt aus gesättigten Kohlenwasserstoffketten und/oder aliphatischen Ringen. Aliphatische Ringe umfassen beispielsweise Cyclohexan und Cyclopentan.
Die Ankergruppe A¹ stellt bevorzugt eine Gruppe der folgenden Formel (A-1) dar *- E - [X¹ - Z¹ ]_a- X² (A-1), worin jeweils unabhängig

E: eine Einfachbindung oder eine beliebige Abstandsgruppe darstellt;
X1: ausgewählt ist aus -NH-, -NR¹-, -O- und einer Einfachbindung;
X2: ausgewählt ist aus -NH₂, -NHR¹, NR¹ ₂, -OR¹ und -OH;
Z1: ausgewählt ist aus einer Alkylengruppe mit 1-15 C-Atomen, einer carbocyclischen Ringgruppe mit 5 oder 6 C-Atomen, oder Kombinationen solcher Gruppen, wobei die Gruppen jeweils mit OH, OR¹, -NH₂, -NHR¹, -NR¹ ₂, oder Halogen substituiert sein können;
R1: bei jedem Auftreten gleich oder verschieden ausgewählt ist aus H, D, oder einem aliphatischen, aromatischen und/oder heteroaromatischen organischen Rest mit 1 bis 30 C-Atomen, in dem auch ein oder mehrere H-Atome durch D oder F ersetzt sein können;
a: gleich 0, 1, 2 oder 3 ist, bevorzugt 1 oder 2, ganz besonders bevorzugt 1; und
*: die Anbindungsstelle der Ankergruppe markiert.

Im Folgenden werden die im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendeten allgemeinen Bezeichnungen für organische Reste erläutert. Die aufgeführten speziellen Ausführungsformen sind erfindungsgemäß bevorzugt.
Eine Arylgruppe im Sinne dieser Erfindung enthält 6 bis 60 C-Atome; eine Heteroarylgruppe im Sinne dieser Erfindung enthält 1 bis 60 C-Atome und mindestens ein Heteroatom, mit der Maßgabe, dass die Summe aus C-Atomen und Heteroatomen mindestens 5 ergibt. Die Heteroatome sind bevorzugt ausgewählt aus N, O und/oder S.
Dabei wird unter einer Arylgruppe bzw. Heteroarylgruppe entweder ein einfacher aromatischer Cyclus, also Benzol, bzw. ein einfacher heteroaromatischer Cyclus, beispielsweise Pyridin, Pyrimidin oder Thiophen, oder ein kondensierter (annellierter) aromatischer bzw. heteroaromatischer Polycyclus, beispielsweise Naphthalin, Phenanthren, Chinolin oder Carbazol verstanden. Ein kondensierter (annellierter) aromatischer bzw. heteroaromatischer Polycyclus besteht im Sinne der vorliegenden Erfindung aus zwei oder mehr miteinander kondensierten einfachen aromatischen bzw. heteroaromatischen Cyclen.
Unter einer Aryl- oder Heteroarylgruppe, die wahlweise mit den oben angegebenen Gruppen substituiert sein kann, werden insbesondere Gruppen verstanden, welche abgeleitet sind von Benzol, Naphthalin, Anthracen, Phenanthren, Pyren, Dihydropyren, Chrysen, Perylen, Fluoranthen, Benzanthracen, Benzphenanthren, Tetracen, Pentacen, Benzpyren, Furan, Benzofuran, Isobenzofuran, Dibenzofuran, Thiophen, Benzothiophen, Isobenzothiophen, Dibenzothiophen, Pyrrol, Indol, Isoindol, Carbazol, Pyridin, Chinolin, Isochinolin, Acridin, Phenanthridin, Benzo-5,6-chinolin, Benzo-6,7-chinolin, Benzo-7,8-chinolin, Phenothiazin, Phenoxazin, Pyrazol, Indazol, Imidazol, Benzimidazol, Naphthimidazol, Phenanthrimidazol, Pyridimidazol, Pyrazinimidazol, Chinoxalinimidazol, Oxazol, Benzoxazol, Naphthoxazol, Anthroxazol, Phenanthroxazol, Isoxazol, 1,2-Thiazol, 1,3-Thiazol, Benzothiazol, Pyridazin, Benzopyridazin, Pyrimidin, Benzpyrimidin, Chinoxalin, Pyrazin, Phenazin, Naphthyridin, Azacarbazol, Benzocarbolin, Phenanthrolin, 1,2,3-Triazol, 1,2,4-Triazol, Benzotriazol, 1,2,3-Oxadiazol, 1,2,4-Oxadiazol, 1,2,5-Oxadiazol, 1,3,4-Oxadiazol, 1,2,3-Thiadiazol, 1,2,4-Thiadiazol, 1,2,5-Thiadiazol, 1,3,4-Thiadiazol, 1,3,5-Triazin, 1,2,4-Triazin, 1,2,3-Triazin, Tetrazol, 1,2,4,5-Tetrazin, 1,2,3,4-Tetrazin, 1,2,3,5-Tetrazin, Purin, Pteridin, Indolizin und Benzothiadiazol.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung werden unter einer Alkyl-, Alkenyl- oder Alkinylgruppe, welche wahlweise substituiert sein können, bevorzugt die Reste Methyl, Ethyl, n-Propyl, i-Propyl, n-Butyl, i-Butyl, s-Butyl, t-Butyl, 2-Methylbutyl, n-Pentyl, s-Pentyl, Cyclopentyl, neo-Pentyl, n-Hexyl, Cyclohexyl, neo-Hexyl, n-Heptyl, Cycloheptyl, n-Octyl, Cyclooctyl, 2-Ethylhexyl, Trifluormethyl, Pentafluorethyl, 2,2,2-Trifluorethyl, Ethenyl, Propenyl, Butenyl, Pentenyl, Cyclopentenyl, Hexenyl, Cyclohexenyl, Heptenyl, Cycloheptenyl, Octenyl, Cyclooctenyl, Ethinyl, Propinyl, Butinyl, Pentinyl, Hexinyl oder Octinyl verstanden. Unter einer wahlweise substituierten Alkyloxy-, Alkylthio-, Alkenyloxy-, Alkenylthio-, Alkinyloxy- und Alkinylthiogruppe werden bevorzugt Methoxy, Trifluormethoxy, Ethoxy, n-Propoxy, i-Propoxy, n-Butoxy, i-Butoxy, s-Butoxy, t-Butoxy, n-Pentoxy, s-Pentoxy, 2-Methylbutoxy, n-Hexoxy, Cyclohexyloxy, n-Heptoxy, Cycloheptyloxy, n-Octyloxy, Cyclooctyloxy, 2-Ethylhexyloxy, Pentafluorethoxy, 2,2,2-Trifluorethoxy, Methylthio, Ethylthio, n-Propylthio, i-Propylthio, n-Butylthio, i-Butylthio, s-Butylthio, t-Butylthio, n-Pentylthio, s-Pentylthio, n-Hexylthio, Cyclohexylthio, n-Heptylthio, Cycloheptylthio, n-Octylthio, Cyclooctylthio, 2-Ethylhexylthio, Trifluormethylthio, Pentafluorethylthio, 2,2,2-Trifluorethylthio, Ethenylthio, Propenylthio, Butenylthio, Pentenylthio, Cyclopentenylthio, Hexenylthio, Cyclohexenylthio, Heptenylthio, Cycloheptenylthio, Octenylthio, Cyclooctenylthio, Ethinylthio, Propinylthio, Butinylthio, Pentinylthio, Hexinylthio, Heptinylthio oder Octinylthio verstanden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung stellt die Gruppe E eine Einfachbindung oder eine Abstandsgruppe ausgewählt aus einer Alkylengruppe mit 1 bis 20 C-Atomen dar, welche wahlweise substituiert ist mit Resten ausgewählt aus F, Cl, Br, I und CN, wobei eine oder mehrere CH₂-Gruppen in der Alkylengruppe jeweils unabhängig voneinander durch -O-, -S-, -NH-, -N(R¹)-, -Si((R¹)₂)-, -CO-, -CO-O-, -O-CO-, -O-CO-O-, -S-CO-, -CO-S-, -N(R¹)-CO-O-, -O-CO-N(R¹)-, -N(R¹)-CO-N(R¹)-, -CH=CH- oder -C≡C- ersetzt sein können.
Besonders bevorzugt stellt E eine Einfachbindung oder eine Gruppe ausgewählt aus -(CH₂)_b-, -(CH₂)_b-O-, -(CH₂)_b-O-CO- und -(CH₂)_b-O-CO-O-dar, wobei b eine ganze Zahl von 1 bis 20, bevorzugt von 1 bis 10 darstellt.
R¹ ist bevorzugt ausgewählt aus einer wahlweise mit D und/oder Halogen substituierten Alkyl- oder Alkoxygruppe mit 1 bis 15 C-Atomen oder einer wahlweise mit D und/oder Halogen substituierten Alkenyl-, Alkinyl-, Alkenyloxy- oder Alkinyloxygruppe mit 2 bis 15 C-Atomen und einer wahlweise mit D und/oder Halogen substituierten Aryl- oder Heteroarylgruppe mit 5 bis 18 aromatischen Ringatomen und Kombinationen der genannten Gruppen.
R¹ ist besonders bevorzugt ausgewählt aus einer Alkyl- oder Alkenylgruppe mit höchstens 15 C-Atomen, welche wahlweise mit D, Phenyl und/oder Halogen substituiert ist.
Besonders bevorzugt stellt die Ankergruppe A¹ eine Gruppe der folgenden Formel (A-2) dar
wobei E, X¹, X² und R¹ wie obenstehend definiert sind und c einen Wert von 1 bis 10, bevorzugt von 1 bis 5, besonders bevorzugt von 1 bis 3 aufweist. Bevorzugt ist R¹ dabei ausgewählt aus den oben aufgeführten bevorzugten Gruppen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält die Komponente (N) eine oder mehrere Verbindungen (V) mit dreidimensionalem Aufbau sowie einem Molekulargewicht von mehr als 450 Da. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt das Molekulargewicht der Verbindungen (V) mehr als 500 Da, besonders bevorzugt mehr als 600 Da und ganz besonders bevorzugt mehr als 700 Da. Bevorzugt stellen die Verbindungen (V) molekulare Verbindungen dar. Weiterhin bevorzugt sind unter anderem die oben bei der Definition des Begriffs „Verbindung mit dreidimensionalem Aufbau“ aufgeführten bevorzugten Ausführungsformen betreffend das Verhältnis von maximaler zu minimaler Ausdehnung der Verbindungen.
Erfindungsgemäß weisen die Verbindungen (V) eine oder mehrere Ankergruppen A¹auf.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält die Komponente (N) eine einzige Verbindung (V). In einer alternativen, ebenfalls bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält die Komponente (N) mehrere verschiedene Verbindungen (V), bevorzugt 2, 3, 4 oder 5, besonders bevorzugt 2 oder 3 verschiedene Verbindungen (V).
Besonders bevorzugt stellt die Verbindung (V) eine molekulare Käfigverbindung dar. Alternativ kann die Verbindung aber auch ein tetrasubstituiertes Methanderivat darstellen.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält die Vorrichtung daher eine Komponente (N), welche eine oder mehrere Verbindungen (V) mit dreidimensionalem Aufbau sowie einem Molekulargewicht von mehr als 450 Da enthält, welche molekulare Käfigverbindungen darstellen.
Unter einer molekularen Käfigverbindung wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine polycyclische molekulare Verbindung verstanden, deren Atome und chemische Bindungen ein dreidimensionales geschlossenes Gerüst (Käfig) bilden.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung stellt die molekulare Käfigverbindung ein Fullerenderivat, ein Boranderivat, ein Carbaboranderivat, ein Silsesquioxanderivat, ein Cubanderivat oder ein Tetrahedranderivat dar. Ganz besonders bevorzugt stellt die molekulare Käfigverbindung ein Silsesquioxanderivat dar.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält die Vorrichtung daher eine Komponente (N), welche eine oder mehrere Verbindungen (V) mit dreidimensionalem Aufbau sowie einem Molekulargewicht von mehr als 450 Da enthält, welche Silsesquioxan-Derivate darstellen.
Bevorzugte Silsesquioxanderivate gemäß der vorliegenden Erfindung haben die allgemeine Struktur N-1:
wobei

R: bei jedem Auftreten gleich oder verschieden eine Ankergruppe A¹ oder einen Rest R¹ darstellt, welcher, wie oben definiert, bei jedem Auftreten gleich oder verschieden ausgewählt ist aus H, D, oder einem aliphatischen, aromatischen und/oder heteroaromatischen organischen Rest mit 1 bis 30 C-Atomen, in dem auch ein oder mehrere H-Atome durch D oder F ersetzt sein können.

Bevorzugt stellen eine, zwei oder drei Gruppen R eine Ankergruppe A¹dar. Besonders bevorzugt stellen eine oder zwei Gruppen R, und ganz besonders bevorzugt genau eine Gruppe R eine Ankergruppe A¹ dar.
Die Ankergruppen A¹sind wie oben definiert. Bevorzugt sind die Ankergruppen A¹ausgewählt aus den oben angegebenen bevorzugten Ausführungsformen.
Wird als Substratschicht eine Metalloxidschicht, beispielsweise ITO, oder eine Glasschicht verwendet, ist bevorzugt mindestens eine Ankergruppe A¹ vorhanden, welche N- und/oder O-Atome enthält, beispielsweise als Bestandteile einer Amino-, Hydroxyl- und/oder Ethergruppe.
Wird als Substratschicht eine Polymerschicht, bevorzugt Polyimid, verwendet, ist bevorzugt mindestens eine Ankergruppe A¹ vorhanden, welche N-Atome enthält, beispielsweise in einer Aminogruppe.
Weiterhin ist R¹ bevorzugt ausgewählt aus einer wahlweise mit D und/oder Halogen substituierten Alkyl- oder Alkoxygruppe mit 1 bis 15 C-Atomen oder einer wahlweise mit D und/oder Halogen substituierten Alkenyl-, Alkinyl-, Alkenyloxy- oder Alkinyloxygruppe mit 2 bis 15 C-Atomen oder einer wahlweise mit D und/oder Halogen substituierten Aryl- oder Heteroarylgruppe mit 5 bis 18 aromatischen Ringatomen oder Kombinationen der genannten Gruppen.
Besonders bevorzugt ist R¹ ausgewählt aus einer Alkyl- oder Alkenylgruppe mit höchstens 15 C-Atomen, welche wahlweise mit D, Phenyl und/oder Halogen substituiert ist.
Besonders bevorzugte Ausführungsformen der molekularen Käfigverbindungen zur Verwendung gemäß der Erfindung sind die im Folgenden aufgeführten Silsesquioxan-Derivate.
Weitere Beispiele für molekulare Käfigverbindungen gemäß der vorliegenden Erfindung sind Dimere oder Oligomere von Silsesquioxanen, die an jeder Silsesquioxan-Einheit durch eine Ankergruppe funktionalisiert sind. Mehrere Silsesquioxan-Einheiten können dabei über die an die Ecken gebundenen organischen Reste zu Dimeren oder Oligomeren verbunden sein.
Das flüssigkristalline Medium gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst eine oder mehrere, bevorzugt mehrere flüssigkristalline Verbindungen und optional weitere Verbindungen, beispielsweise Stabilisatoren und/oder chirale Dotanden. Derartige Verbindungen sind dem Fachmann bekannt. Sie werden bevorzugt in einer Konzentration von 0 % bis 30 %, besonders bevorzugt 0,1 % bis 20 % und ganz besonders bevorzugt 0,1 % bis 10 % eingesetzt.
Im flüssigkristallinen Medium gemäß der Erfindung werden bevorzugt mindestens 3, besonders bevorzugt mindestens 4 und ganz besonders bevorzugt mindestens 5 verschiedene flüssigkristalline Verbindungen eingesetzt.
Das flüssigkristalline Medium kann erfindungsgemäß eine positive dielektrische Anisotropie Δε aufweisen. In diesem Fall weist Δε bevorzugt einen Wert von ≥ 1,5 auf.
Das flüssigkristalline Medium kann erfindungsgemäß eine negative dielektrische Anisotropie Δε aufweisen. In diesem Fall weist Δε bevorzugt einen Wert von ≤ -1,5 auf.
Das flüssigkristalline Medium kann weiterhin erfindungsgemäß eine betragskleine positive oder negative dielektrische Anisotropie Δε aufweisen. In diesem Fall gilt für Δε bevorzugt: -1,5 < Δε < 1,5. Ein solches flüssigkristallines Medium ist ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Besonders bevorzugt gilt in diesem Fall: -1,0 < Δε < 1,0
Das flüsigkristalline Medium weist bevorzugt in einem Temperaturbereich von 0 °C bis 50 °C eine nematische Phase auf. Besonders bevorzugt weist das flüssigkristalline Medium in einem Bereich von -20 °C bis 80 °C eine nematische Phase auf, noch stärker bevorzugt in einem Bereich von -40 °C bis 100 °C.
Das flüssigkristalline Medium kann erfindungsgemäß beliebige flüssigkristalline Verbindungen enthalten.
Bevorzugt sind im flüssigkristallinen Medium eine oder mehrere Verbindungen der folgenden Formel (F-1) enthalten
wobei

R11,R12: bei jedem Auftreten gleich oder verschieden F, Cl, -CN, -NCS, -SCN, R¹³-O-CO-, R¹³-CO-O- oder eine Alkyl- oder Alkoxygruppe mit 1 bis 10 C-Atomen oder eine Alkenyl- oder Alkenyloxygruppe mit 2 bis 10 C-Atomen darstellt, wobei ein
R13: oder mehrere Wasserstoffatome in den oben genannten Gruppen durch F oder Cl ersetzt sein können, und eine oder mehrere CH₂-Gruppen durch O oder S ersetzt sein können; und bei jedem Auftreten gleich oder verschieden eine Alkylgruppe mit 1 bis 10 C-Atomen darstellt, bei der ein oder mehrere Wasserstoffatome durch F oder Cl ersetzt sein können, und bei der eine oder mehrere CH₂-Gruppen durch 0 oder S ersetzt sein können; und

X: bei jedem Auftreten gleich oder verschieden ausgewählt ist aus F, Cl, CN oder einer Alkyl-, Alkoxy- oder Alkylthiogruppe mit 1 bis 10 C-Atomen, wobei ein oder mehrere Wasserstoffatome in den oben genannten Gruppen durch F oder Cl ersetzt sein können, und wobei eine oder mehrere CH₂-Gruppen in den oben genannten Gruppen durch O oder S ersetzt sein können; und
Z11: bei jedem Auftreten gleich oder verschieden ausgewählt ist aus -CO-O-, -O-CO-, -CF₂-CF₂-, -CF₂-O-, -O-CF₂-, -CH₂-CH₂-, -CH=CH-, -CF=CF-, -CF=CH-, -CH=CF-, -C=C-, -OCH₂-, -CH₂O-, und einer Einfachbindung; und
d: einen Wert von 0, 1, 2, 3, 4, 5 oder 6 annimmt, bevorzugt 0, 1, 2 oder 3, besonders bevorzugt 1, 2 oder 3.

Der Deutlichkeit halber soll angemerkt werden, dass Gruppen
bei jedem Auftreten gleich oder verschieden sein können.
Besonders bevorzugte Ausführungsformen der flüssigkristallinen Verbindungen zur Verwendung in der erfindungsgemäßen Vorrichtung entsprechen den in den folgenden Tabellen A und B offenbarten Formeln.
Wie die erfindungsgemäßen Vorrichtungen hergestellt werden, ist dem Fachmann auf dem Gebiet der Vorrichtungen enthaltend flüssigkristalline Medien bekannt.
Insbesondere wird dazu das flüssigkristalline Medium, enthaltend

- eine oder mehrere flüssigkristalline Verbindungen sowie
- eine Komponente (N), enthaltend Nanopartikel und/oder eine oder mehrere Verbindungen (V) mit dreidimensionalem Aufbau sowie einem Molekulargewicht von mindestens 450 Da,

Erfindungsgemäß kann es erforderlich sein, einen Heiz- und/oder Abkühlschritt durchzuführen, um eine initiale homöotrope Ausrichtung der flüssigkristallinen Verbindungen zu erhalten.
Zur Herstellung des flüssigkristallinen Mediums wird die Komponente (N) in der flüssigkristallinen Verbindung bzw. der Mischung enthaltend die flüssigkristalline Verbindung gelöst oder dispergiert.
Im Folgenden soll das Funktionsprinzip der erfindungsgemäßen Vorrichtung näher erläutert werden. Es wird angemerkt, dass aus den Ausführungen zur vermuteten Funktionsweise keine Beschränkung des Umfangs der beanspruchten Erfindung abgeleitet werden soll, welche nicht in den Ansprüchen enthalten ist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist eine Lichtdurchlässigkeit (Transmission) auf, welche abhängig von der Temperatur ist. In einer bevorzugten Ausführungsform ist ihre Lichtdurchlässigkeit bei niedriger Temperatur hoch und bei hoher Temperatur niedrig.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Vorrichtung einen Grenzzustand A sowie einen Grenzzustand B auf. Unter dem Begriff Grenzzustand wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Zustand verstanden, an dem die Transmission einen maximalen bzw. einen minimalen Wert erreicht und sich bei weiterer Absenkung bzw. Erhöhung der Temperatur nicht mehr oder kaum mehr ändert. Dies schließt jedoch nicht aus, dass bei einer starken Absenkung bzw. Erhöhung der Temperatur über die Temperatur des Grenzzustands hinaus eine erneute Änderung der Transmission erfolgt.
Bevorzugt weist die Vorrichtung einen Grenzzustand A mit einer Transmission T_A bei einer Temperatur kleiner als eine Grenztemperatur θ_A auf, sowie einen Grenzzustand B mit einer Transmission T_B bei einer Temperatur größer als eine Grenztemperatur θ_B, wobei gilt: $θ_{A} < θ_{B}$
und $T_{A} > T_{B} .$
Bevorzugt liegt θ_A zwischen -15 und +25 °C, besonders bevorzugt zwischen -5 und +10 °C.
Bevorzugt liegt θ_B zwischen +60 und +100 °C, besonders bevorzugt zwischen +70 und +90 °C.
Die Temperaturspanne zwischen den beiden Grenztemperaturen θ_A und θ_B stellt den Bereich dar, in dem die Vorrichtung auf Temperaturänderungen mit einer Änderung der Transmission reagiert (Arbeitsbereich oder Schaltbereich der Vorrichtung). Die Vorrichtung wird bevorzugt bei Temperaturen innerhalb dieses Bereichs verwendet. Sie kann jedoch auch bei Temperaturen außerhalb dieses Bereichs verwendet werden, dabei bevorzugt bei Temperaturen unterhalb von θ_A.
Der Arbeitsbereich der Vorrichtung kann erfindungsgemäß dadurch eingestellt und verändert werden, dass die Konzentration der Komponente (N) und/oder die Zusammensetzung der flüssigkristallinen Mischung variiert wird. Weiterhin kann der Arbeitsbereich der Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch eingestellt und verändert werden, dass das Substratmaterial variiert wird.
Bevorzugt liegt der Schaltbereich der Vorrichtung bei Raumtemperatur und darüber. Besonders bevorzugte Werte für die Spanne zwischen den Grenztemperaturen θ_A und θ_B und damit für den Schaltbereich der Vorrichtung sind:

0 °C bis 100 °C;
stärker bevorzugt 5 °C bis 80 °C;
noch stärker bevorzugt 20 °C bis 60 °C.

Erfindungsgemäß verläuft der Übergang zwischen den beiden Grenzzuständen A und B mit zunehmender Temperatur sowie der Übergang zwischen den beiden Grenzzuständen B und A mit abnehmender Temperatur graduell über Zwischenwerte der Transmission T.
Gemäß der vorliegenden Erfindung sind die flüssigkristallinen Verbindungen bei niedriger Temperatur zu einem großen Anteil vertikal zur Substratoberfläche ausgerichtet (homöotrope Ausrichtung). Mit steigender Temperatur nimmt der Anteil der vertikal ausgerichteten Verbindungen ab. Ab einer bestimmten Temperatur, deren Wert von der verwendeten Komponente (N) und der Zusammensetzung des flüssigkristallinen Mediums sowie der Art des Substratmaterials abhängt, sind die Verbindungen planar zur Substratoberfläche ausgerichtet. Bevorzugt sind die flüssigkristallinen Verbindungen im Zustand A des Schaltelements zum überwiegenden Teil homöotrop ausgerichtet und im Zustand B des Schaltelements zum überwiegenden Teil planar ausgerichtet.
Der Wechsel von homöotroper zu planarer Ausrichtung der flüssigkristallinen Verbindungen kann genutzt werden, um eine temperaturabhängige Änderung der Transmission der Vorrichtung zu erreichen.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist somit auch ein Verfahren zur temperaturabhängigen Steuerung der Lichttransmission durch die erfindungsgemäße Vorrichtung, wobei die flüssigkristallinen Verbindungen temperaturabhängig von einer homöotropen Ausrichtung zu einer planaren Ausrichtung wechseln.
Bevorzugt ist bei diesem Verfahren an der einen Seite der Schicht des flüssigkristallinen Mediums und an der gegenüberliegenden Seite der Schicht des flüssigkristallinen Mediums ein Polarisator vorhanden. Bevorzugte Ausführungsformen von Polarisatoren wurden in einem vorangegangenen Abschnitt beschrieben.
An einem Beispiel soll veranschaulicht werden, wie ein solches Verfahren ausgeführt werden kann. Gleichzeitig zeigt das Beispiel auch eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. In diesem Beispiel ist ein linearer Polarisator an der einen Seite der Schicht des flüssigkristallinen Mediums vorhanden. An der gegenüberliegenden Seite der Schicht des flüssigkristallinen Mediums ist ein weiterer linearer Polarisator vorhanden, dessen Polarisationsebene gleich ausgerichtet ist wie die Polarisationsebene des ersten linearen Polarisators. Bei homöotroper Ausrichtung der flüssigkristallinen Verbindungen in der Schicht des flüssigkristallinen Mediums tritt damit das Licht, welches durch den ersten Polarisator gelangt, auch durch den zweiten Polarisator hindurch. Dies entspricht dem Grenzzustand A mit hoher Transmission T_A, wie oben definiert. Bei planarer Ausrichtung der flüssigkristallinen Verbindungen in der Schicht des flüssigkristallinen Mediums werden jedoch die Polarisationseigenschaften des Lichts, das durch den ersten Polarisator gelangt, beim Durchtritt durch die Schicht des flüssigkristallinen Mediums verändert. Dies führt dazu, dass das Licht teilweise oder vollständig durch den zweiten Polarisator blockiert, d. h. absorbiert oder reflektiert wird. Dieser Zustand entspricht dem Grenzzustand B mit niedriger Transmission T_B, wie oben definiert. Bei Zwischenwerten der Temperatur zwischen den Temperaturen der Grenzzustände A und B werden Werte für die Transmission erreicht, die zwischen denen der Werte für die Transmission bei den Grenzzuständen A und B liegen.
Die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann an Fenster, transparente Fassaden, Türen oder Dächer angebracht werden.
Gegenstand der Erfindung ist somit auch die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Regulierung des Lichteintritts und/oder des Energieeintrags in einen Innenraum.
Wie oben erwähnt, ist die Erfindung nicht auf Gebäude beschränkt, sondern kann auch in Transportbehältern, zum Beispiel Containern, oder Fahrzeugen angewendet werden. Besonders bevorzugt ist es, die Vorrichtung an Glasscheiben von Fenstern anzubringen oder sie als Komponente von Mehrscheiben-Isolierglas zu verwenden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auf der Außenseite, der Innenseite oder bei Mehrscheibenglas im Zwischenraum zwischen zwei Glasscheiben angebracht werden, wobei unter der Innenseite die Seite einer Glasfläche verstanden wird, welche zum Innenraum gerichtet ist. Bevorzugt ist die Verwendung auf der Innenseite oder im Zwischenraum zwischen zwei Glasscheiben bei Mehrscheiben-Isolierglas.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann die jeweilige Glasfläche, auf der sie angebracht ist, vollständig abdecken oder sie nur teilweise abdecken. Bei vollständiger Abdeckung ist der Einfluss auf den Lichtdurchtritt durch die Glasfläche maximal. Bei teilweiser Abdeckung hingegen ist auch im Zustand der Vorrichtung mit niedriger Transmission eine gewisse Lichtdurchlässigkeit der Glasfläche durch die nicht abgedeckten Teile gegeben. Teilweise Abdeckung kann beispielsweise realisiert werden, indem die Vorrichtungen in Form von Streifen oder bestimmten Mustern auf der Glasfläche angebracht werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung reguliert die Vorrichtung den Lichtdurchtritt durch die Glasfläche in den Innenraum automatisch, allein aufgrund ihrer Temperatur-Reaktivität. Dabei ist keine manuelle Regulierung erforderlich.
Gemäß dieser bevorzugten Ausführungsform enthält die Vorrichtung keine Elektroden oder sonstige elektronische Bauteile, mit denen ein elektrisches Schalten der Vorrichtung erfolgen könnte.
In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung weist die Vorrichtung zusätzlich zu ihrer Temperaturschaltbarkeit auch eine elektrische Schaltbarkeit auf. Insbesondere sind in diesem Fall Elektroden in der Vorrichtung vorhanden, und das flüssigkristalline Medium weist eine positive oder negative dielektrische Anisotropie Δε auf. Bevorzugt gilt dabei, dass Δε ≥ 1,5 ist oder dass Δε ≤ -1,5 ist. In dieser Ausführungsform der Erfindung ist ein manuelles, elektrisch vermitteltes Schalten der Vorrichtung von hoher Transmission zu niedriger Transmission und umgekehrt möglich. Wie ein solches elektrisches Schalten eines flüssigkristallinen Mediums von einem homöotropen Zustand in einen anderen Zustand erreicht werden kann, ist dem Fachmann auf dem Gebiet der Vorrichtungen enthaltend flüssigkristalline Medien bekannt.
Bevorzugte flüssigkristalline Verbindungen gemäß der vorliegenden Erfindung sind in den folgenden Tabellen A und B aufgeführt.
Im Folgenden sind die Strukturen der flüssigkristallinen Verbindungen durch Akronyme angegeben, wobei die Transformation in chemische Formeln gemäß folgender Tabellen A und B erfolgt. Alle Reste CnH_2n+1 und CmH_2m+1 sind geradkettige Alkylreste mit n bzw. m C-Atomen; n, m, z und k sind ganze Zahlen und bedeuten vorzugsweise 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 oder 12.

In Tabelle A ist nur das Akronym für den Grundkörper angegeben. Im Einzelfall folgt getrennt von Akronym für den Grundkörper mit einem Strich ein Code für die Substituenten R^1*, R^2*, L^1* und L^2*:

Code für R^1, R^2, L^1, L^2	R^1*	R^2*	L^1*	L^2*
nm	CnH2n+1	CmH_2m+1	H	H
nOm	CnH2n+1	OCmH2m+1	H	H
nO.m	OCnH2n+1	CmH_2m+1	H	H
n	CnH2n+1	CN	H	H
nN.F	CnH2n+1	CN	F	H
nN.F.F	CnH2n+1	CN	F	F
nF	CnH2n+1	F	H	H
nCI	CnH_2n+1	CI	H	H
nOF	OCnH2n+1	F	H	H

Code für R^1, R^2, L^1, L^2	R^1*	R^2*	L^1*	L^2*
nF	CnH_2n+1	F	H	H
nCI	CnH_2n+1	Cl	H	H
nOF	OC_nH_2n+1	F	H	H
nF.F	C_nH_2n+1	F	F	H
nF.F.F	C_nH_2n+1	F	F	F
nOCF₃	CnH_2n+1	OCF₃	H	H
nOCF₃.F	CnH_2n+1	OCF₃	F	H
n-Vm	CnH_2n+1	-CH=CH-C_mH_2m+1	H	H
nV-Vm	C_nH_2n+1-CH=CH-	-CH=CH-C_mH_2m+1	H	H

Tabelle A

Tabelle B

n, m, z bedeuten unabhängig voneinander vorzugsweise 1, 2, 3, 4, 5 oder 6.

In der folgenden Tabelle C sind Stabilisatoren angegeben, welche bevorzugt in den flüssigkristallinen Medien gemäß der Erfindung eingesetzt werden.
Tabelle C

Anmerkung: n steht in dieser Tabelle für eine ganze Zahl von 1 bis 12.
Soweit nicht anders vermerkt, sind in der vorliegenden Erfindung alle Konzentrationen in Gewichtsprozent angegeben und beziehen sich auf die entsprechende Gesamtmischung, enthaltend alle festen oder flüssigkristallinen Komponenten, ohne Lösungsmittel.
Es werden folgende Abkürzungen und Symbole verwendet:

Δn: optische Anisotropie bei 20°C und 589 nm,
Δε: dielektrische Anisotropie bei 20°C und 1 kHz,
Kp., T(N,I): Klärpunkt [°C].

Alle physikalischen Eigenschaften werden und wurden nach „Merck Liquid Crystals, Physical Properties of Liquid Crystals“, Status Nov. 1997, Merck KGaA, Deutschland bestimmt und gelten für eine Temperatur von 20°C. Der Wert von Δn wird bei 589 nm bestimmt und der Wert von Δε wird bei 1 kHz bestimmt, sofern nicht jeweils explizit anders angegeben.
Die folgenden Beispiele erläutern die vorliegende Erfindung, ohne dass aus ihnen eine Beschränkung des Gegenstands der Erfindung abgeleitet werden soll.
Anwendungsbeispiele
1) Allgemeine Vorschrift für die Herstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtungen
Das flüssigkristalline Medium (Zusammensetzung variiert gemäß untenstehenden Beispielen) wird in eine elektrooptische Zelle einer Dicke von ca. 4 µm gegeben. Das Substratmaterial der Zellen variiert gemäß den untenstehenden Beispielen (ITO, Glas oder AL-3046 (90° geriebenes Polyimid, JSR Corporation)). Die Zellen werden mit 2 linearen Polarisatoren mit paralleler Ausrichtung der Polarisationsebenen auf der Vor- und Rückseite der Zellen versehen. Schließlich werden temperaturabhängige Messungen der Lichttransmission der Zellen durchgeführt.
2) Beispiele für verwendete flüssigkristalline Medien
a) Mischung-1 + 0.3 % N-2

b) Mischung-2 + 0.25 % N-2

b) Mischung-3 + 0.25 % N-2

d) Mischung-4 + 0.25 % N-2

e) Mischung-5 + 1.0 % N-8

f) Mischung-5 + 1.0 % N-7

verwendete Komponenten (N):

Verwendete flüssigkristalline Mischungen:

Mischung-1	T(N,I) = 90 °C	Mischung-2	T(N,I) = 70 °C
Δn = 0.0830	Δε = - 4.2	Δn = 0.0825	Δε = - 3.5
Verbindung	Anteil (%)	Verbindung	Anteil (%)
CY-3-O2	12	CCH-501	9
CY-5-02	12	CCH-35	14
CCY-3-O2	14	PCH-53	8
CCY-5-O2	13	CY-3-O4	14
CCY-2-1	13	CY-5-04	13
CCY-3-1	12	CCY-3-O2	8
CCH-34	6	CCY-5-O2	8
CCH-35	6	CCY-2-1	9
CCH-303	8	CCY-3-1	9
CCH-501	4	CPY-2-O2	8

Mischung-3	T(N,I) = 77 °C	Mischung-4	T(N,I) = 77 °C
Δn = 0.1126	Δε = 19.2	Δn = 0.1047	Δε = 7.2
Verbindung	Anteil (%)	Verbindung	Anteil (%)
CC-4-V	10	PGU-2-F	3.5
CC-5-V	13.5	PGU-3-F	7
PGU-3-F	6.5	CC-3-V1	15
ACQU-2-F	10	CC-4-V	18
ACQU-3-F	12	CC-5-V	20
PUQU-3-F	11	CCP-V-1	6
CCP-V-1	12	APUQU-3-F	15
APUQU-2-F	6	PUQU-3-F	5.5
APUQU-3-F	7	PGP-2-4	3
PGUQU-3-F	8	BCH-32	7
CPGU-3-OT	4

Mischung-5	T(N,I) = 80 °C
Δn = 0.0901	Δε = - 3.3
Verbindung	Anteil (%)
CY-3-04	14
CCY-3-02	9
CCY-3-03	9
CPY-2-02	10
CPY-3-02	10
CCY-3-1	8
CCH-34	9
CCH-35	6
PCH-53	10
CCH-301	6
CCH-303	9

3) Beispiele für erfindungsgemäße Vorrichtungen und ihre Schaltfenster
In der untenstehenden Tabelle sind die Ergebnisse von Kombinationen der Medien a) bis f) mit den unterschiedlichen Substratmaterialien AL-3046, ITO und Glas in den erfindungsgemäßen Vorrichtungen angegeben. Für jede Vorrichtung ist das Schaltfenster, d. h. der Bereich zwischen den Grenzzuständen A und B, in Grad Celsius angegeben.
4) Schaltvorgang der erfindungsgemäßen Vorrichtungen
Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen zeigen in ihrem gesamten Schaltbereich („Schaltfenster“) eine regelmäßige, graduelle Änderung der Transmission mit der Temperatur.
Beispielhaft wird in 1 der Schaltvorgang einer Vorrichtung enthaltend das Medium a) und das Substratmaterial ITO (1. Zeile, 1. Spalte der vorangegangenen Tabelle) gezeigt (Dreieck-Symbole). Zum Vergleich wird die Transmissionsänderung für eine Vorrichtung enthaltend das Medium a), jedoch ohne Komponente (N), gezeigt (Kreis-Symbole).
Man erkennt, dass für die erfindungsgemäße Vorrichtung ein gradueller Übergang von hoher zu niedriger Transmission mit steigender Temperatur innerhalb eines Arbeitsbereichs (Schaltfenster, verdeutlicht durch Linie mit Pfeilspitzen zwischen den gestrichelten Linien) von ca. 40 - 70 °C vorliegt. Bei der Vorrichtung enthaltend das flüssigkristalline Medium ohne eine Komponente (N) erfolgt keine Änderung der Transmission mit der Temperatur.
Weiterhin ist in 2 der Schaltvorgang einer Zelle enthaltend das Medium c) und das Substratmaterial AL-3046 gezeigt (3. Zeile, 2. Spalte der vorangegangenen Tabelle). Die erhaltenen Messwerte für die Transmission sind als Dreieck-Symbole eingetragen. Zum Vergleich wird die Transmissionsänderung für eine Vorrichtung enthaltend das Medium c), jedoch ohne Komponente (N), gezeigt (Kreis-Symbole).
Man erkennt, dass für die erfindungsgemäße Vorrichtung ein gradueller Übergang von hoher zu niedriger Transmission mit steigender Temperatur innerhalb eines Arbeitsbereichs (Schaltfenster, verdeutlicht durch Linie mit Pfeilspitzen zwischen den gestrichelten Linien) von ca. 5 - 50 °C vorliegt. Bei der Vorrichtung enthaltend das flüssigkristalline Medium ohne eine Komponente (N) erfolgt praktisch keine Änderung der Transmission mit der Temperatur.

Claims

Temperatur-reaktive Vorrichtung zur Regulierung der Lichttransmission, wobei sie eine Schicht eines flüssigkristallinen Mediums enthält, wobei das flüssigkristalline Medium - eine oder mehrere flüssigkristalline Verbindungen sowie - eine Komponente (N) enthaltend Nanopartikel und/oder eine oder mehrere Verbindungen (V) mit dreidimensionalem Aufbau sowie einem Molekulargewicht von mehr als 450 Da, wobei die Nanopartikel und/oder die eine oder mehreren Verbindungen (V) mindestens eine Ankergruppe tragen, welche eine nichtkovalente Wechselwirkung mit Oberflächen aus Glas oder Metall eingeht und welche eine organisch-chemische Gruppe darstellt, enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht des flüssigkristallinen Mediums zwischen zwei Substratschichten angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie zwei oder mehr Polarisatoren aufweist, von denen einer an der einen Seite der Schicht des flüssigkristallinen Mediums und ein anderer an der gegenüberliegenden Seite der Schicht des flüssigkristallinen Mediums angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung keine Orientierungsschichten angrenzend an die Schicht des flüssigkristallinen Mediums enthält.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponente (N) Nanopartikel mit einem Durchmesser von 1 nm bis 50 nm enthält.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponente (N) eine oder mehrere Verbindungen (V) mit dreidimensionalem Aufbau sowie einem Molekulargewicht von mehr als 450 Da enthält, welche molekulare Käfigverbindungen darstellen.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponente (N) eine oder mehrere Verbindungen (V) mit dreidimensionalem Aufbau sowie einem Molekulargewicht von mehr als 450 Da enthält, welche Silsesquioxan-Derivate darstellen.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Grenzzustand A mit einer Transmission T_A bei einer Temperatur kleiner als eine Grenztemperatur θ_A sowie einen Grenzzustand B mit einer Transmission T_B bei einer Temperatur größer als eine Grenztemperatur θ_B aufweist, wobei gilt: $θ_{A} < θ_{B}$
und $T_{A} > T_{B} .$
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Grenztemperatur θ_A zwischen -15 und +25 °C liegt und dass die Grenztemperatur θ_B zwischen 60 und 100 °C liegt.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang zwischen den beiden Grenzzuständen A und B mit zunehmender Temperatur sowie der Übergang zwischen den beiden Grenzzuständen B und A mit abnehmender Temperatur graduell über Zwischenwerte der Transmission T verläuft.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10 zur Regulierung des Lichteintritts und/oder des Energieeintrags in einen Innenraum.
Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, wobei ein flüssigkristallines Medium enthaltend - eine oder mehrere flüssigkristalline Verbindungen sowie - die Komponente (N) enthaltend Nanopartikel und/oder eine oder mehrere Verbindungen (V) mit dreidimensionalem Aufbau sowie einem Molekulargewicht von mindestens 450 Da in einer Schicht auf einer Substratschicht aufgebracht wird.
Verfahren zur temperaturabhängigen Steuerung der Lichttransmission durch die Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, wobei die flüssigkristallinen Verbindungen temperaturabhängig von einer homöotropen Ausrichtung zu einer planaren Ausrichtung wechseln.