JP2018028655A - 光学スイッチデバイス - Google Patents

Abstract

【課題】光学スイッチデバイスを提供する。【解決手段】偏光層と、液晶材料および色素化合物を含むスイッチ層とを含む光学スイッチデバイスに関する。更に、領域要素を通る光の通過を制御するために光学スイッチデバイスを使用することに関する。【選択図】なし

Description

本出願は偏光層およびスイッチ層を有し、スイッチ層が二色性色素を含む液晶材料を含む光学スイッチデバイスに関する。本出願は更に、領域要素を通る光の通過を制御するため、特に部屋要素、例えば建物内部または乗物内部への光の入射を制御するために光学スイッチデバイスを使用することに関する。

本願発明の目的に関し、光という用語は、特にＵＶ−Ａ、ＶＩＳおよびＮＩＲ領域における電磁放射、即ち通常の定義に従い、３２０〜２０００ｎｍの波長を有する光を意味するものとする。

本発明によるデバイスで通過が制御される光は好ましくは、太陽光を意味するものとする。太陽光は好ましくは、太陽より直接発せられる。しかしながら例えば反射、屈折を介して、または任意で所望の材料で吸収およびそれに続く発光を介して間接的に発せられてもよい。

本発明によるデバイスは対応して好ましくは、領域要素を通る太陽光の通過を制御するため、特に領域要素を通り実質的に密閉された空間要素内への太陽光の通過を制御するために使用される。この種のデバイスは、一般的な用語のスイッチ可能ウィンドウまたはスマートウィンドウとしても知られている。これらは例えば、Ｂ．Ｊｅｌｌｅら著、Ｓｏｌａｒ Ｅｎｅｒｇｙ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ＆ Ｓｏｌａｒ Ｃｅｌｌｓ ２０１２年、第１〜２８頁（非特許文献１）で概説されている。ここでスイッチ可能ウィンドウという用語は、スイッチ可能な光透過屋根、例えば天窓または自動車屋根も包含する。

ある型のこれらのスイッチ可能ウィンドウは、スイッチ層用の材料として液晶材料を使用する。多数の異なる機能原理、例えばＴＮモード、ＶＡモードまたはゲスト−ホストモードが液晶材料によるスイッチを基礎とする、この種のデバイスに知られている。

前記デバイスは、幾つかの点で改善の必要がある。これらとしては特に光の通過を可能な限り完全に阻止し、好ましくはデバイスの垂直視野の場合だけでなく、代わりに側方からの観察者の場合にも光の通過を可能な限り完全に阻止する能力が挙げられる。更にデバイスは、可能な限り広い温度範囲で光の通過を可能な限り完全に阻止する必要がある。再度更にデバイスは、特に光、特にＵＶ光へおよび熱への集中的な曝露において長期間安定でなければならない。

スイッチ層中の液晶材料を基礎とし可能な限り完全に光の通過を阻止する当業者に既知のデバイスは特に、スイッチ層中に色素を含まないＴＮモードおよびＶＡモードを基礎とするデバイスである。よって、可能な限り完全に光の通過を阻止できることを意図するスイッチ可能ウィンドウについては、特に上述のＴＮおよびＶＡモードを有するＬＣセルが当業者の視点から明らかな選択肢である。しかしながら、これらは幾つかの不具合を有し、とりわけ高温の影響を受けやすい。加えて前記モードの場合、光の遮蔽はデバイスを見る一定の角度で生じるに過ぎない。ディスプレイとは異なりスイッチ可能ウィンドウは、実質的に一定の視野角では見ないので、これはウィンドウでの使用には望ましくない。加えてスイッチ可能ウィンドウの暗スイッチ状態は、所望の効果をもって太陽光によるエネルギーの入力を阻止しないため、ＬＣセルによる低い遮断作用のみが起こる角度でスイッチ可能ウィンドウに当たる光は内部の加熱に寄与する。

Ｂ．Ｊｅｌｌｅら著、Ｓｏｌａｒ Ｅｎｅｒｇｙ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ＆ Ｓｏｌａｒ Ｃｅｌｌｓ ２０１２年、第１〜２８頁

この状況に対する解決策の模索において驚くべきことに、偏光層およびスイッチ層を含み、スイッチング層が液晶材料および二色性色素を含む特定の設計を有するデバイスが上記所望の特性を有することが見出された。

よって本出願は、
・偏光層と、および
・偏光層に平行に配置され、少なくとも１種類の二色性色素を含む液晶材料を含むスイッチ層であって、ただしスイッチ層は、スイッチ層を通る低い透過を有する暗スイッチ状態およびスイッチ層を通る高い透過を有する明スイッチ状態を有するスイッチ層と
を含む光学スイッチデバイスに関し、
ただし少なくとも１種類の二色性色素の吸収主軸に平行に偏光された光について、デバイスの暗スイッチ状態におけるスイッチ層のＥＮ４１０規格に従う光透過率τ_ｖは５％未満である。

光透過率τ_ｖは、対応する規格ＥＮ４１０、式（１）に示される通り決定される。それは測定されたスペクトル透過率から、標準光源の相対スペクトル分布および標準観察者のスペクトル輝度感度を考慮して決定される。それは対照としてスイッチ層中に色素のない同一のスイッチ層に対するパーセントで表示され、即ち、色素を含むスイッチ層を通過する光の強度（分子）および色素のない同一の構成のスイッチ層を通過する対照ビームの強度（分母）の商に対応する。本出願の目的のために光透過率τ_ｖは、２０℃の温度における光透過率である。τ_ｖを決定する正確な方法は、実施例に示される。

本明細書において液晶材料とは、少なくとも１つの温度範囲において液晶特性を示す材料を意味すると解する。これは好ましくは、−５０℃〜２００℃のスパン内、特に好ましくは−３０℃〜１５０℃のスパン内の温度範囲を意味すると解する。液晶特性は好ましくは、ネマチック液晶特性を意味すると解する。

正の二色性色素の場合、少なくとも１種類の二色性色素の吸収主軸は、化合物の最大寸法に平行な軸（縦軸）を意味すると解する。対応して負の二色性色素の場合、それは化合物の最大寸法に垂直な軸（横軸）であることを意味すると解する。

デバイスは好ましくは、５％未満、特に好ましくは３％未満、非常に特に好ましくは２％未満、最も好ましくは１％未満の暗スイッチ状態におけるＥＮ４１０規格に従って決定される光透過率を有する。デバイスの光透過率は実施例に示される通り決定され、２０℃のデバイス温度に関する。

少なくとも１種類の二色性色素の吸収主軸に平行に偏光された光についてデバイスの暗スイッチ状態におけるスイッチ層の光透過率τ_ｖは、好ましくは４％未満、特に好ましくは３％未満、非常に特に好ましくは２％未満である。

デバイスは好ましくは、以下の層順序を有し、ただし更なる層が追加して存在してよい。下に示す層は好ましくは、デバイス内で互いに直接隣接している：
・偏光層
・好ましくはガラスまたはポリマーを含む基板層
・好ましくはＩＴＯを含む導電性透明層
・配向層
・液晶材料および少なくとも１種類の二色性色素を含むスイッチ層
・配向層
・好ましくはＩＴＯを含む導電性透明層
・好ましくはガラスまたはポリマーを含む基板層。

原理的には、当業者に既知の全ての製品を偏光層に用いることができる。薄光学フィルムの形態の偏光子が好ましくは使用される。本発明によるデバイスに使用できる反射偏光子の例は、ＤＲＰＦ（ｄｉｆｆｕｓｉｖｅ ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ ｐｏｌａｒｉｓｅｒ ｆｉｌｍ、拡散反射偏光子フィルム、３Ｍ社）、ＤＢＥＦ（ｄｕａｌ ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ ｅｎｈａｎｃｅｄ ｆｉｌｍ、二重輝度増強フィルム、３Ｍ社）、ＤＢＲ（ｌａｙｅｒｅｄ−ｐｏｌｙｍｅｒ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ、層状ポリマー分布ブラッグ反射器、米国特許第７，０３８，７４５号明細書および米国特許第６，０９９，７５８号明細書に記載される通り）およびＡＰＦ（Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｐｏｌａｒｉｓｅｒ ｆｉｌｍ、先進偏光フィルム、３Ｍ社、Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｄｉｇｅｓｔ ＳＩＤ ２００６年、第４５巻．第１頁、米国特許出願公開第２０１１／００４３７３２号明細書および米国特許第７０２３６０２号明細書参照）である。更に、ワイヤグリッド偏光子（ＷＧＰ、ｗｉｒｅ−ｇｒｉｄ ｐｏｌａｒｉｓｅｒ）を用いることができる。本発明によるデバイスで用いることができる吸収偏光子の例は、Ｉｔｏｓ ＸＰ３８偏光子フィルム、日東電工ＧＵ−１２２０ＤＵＮ偏光子フィルムおよびＩｔｏｓ ＸＰ４０ＨＴ偏光子フィルムである。

偏光層は好ましくは例えばＸＰ４０ＨＴ偏光子フィルムなどの共通の固定された空間的配向を有し、可視領域の光を吸収する１種類以上の異なる有機化合物を含む材料から形成される。偏光層は特に好ましくは、共通の固定された空間的配向を有する１種類以上の異なる有機色素化合物を含む材料から形成される。この場合における色素化合物は好ましくは、例えば延伸で得られる配向ポリマーとの混合物中または液晶材料との混合物中の層中に存在する。このタイプの偏光子の例は、Ｔｈｕｌｓｔｒｕｐら、Ｓｐｅｃｔｒｏｃｈｉｍｉｃａ Ａｃｔａ １９８８年、第８巻、第７６７〜７８２頁および国際公開第２０１３／０９７９１９号の実施例に開示されている。このタイプの偏光層によって、特に太陽光への集中的な曝露および／または高温において非常に長期間安定なスイッチデバイスを得ることが可能であることが見出された。更に、ワイヤグリッド（ＷＧＰ、ｗｉｒｅ−ｇｒｉｄ ｐｏｌａｒｉｓｅｒ）から成る偏光層を使用することが可能である。よって、非常に長い耐用年数を有するデバイスを同様に得ることができる。更なる別法として、延伸ポリマー、好ましくはＰＶＡおよびその中に含まれるヨウ素を含む偏光層を使用することが可能である。

本発明によるデバイスの偏光層は好ましくは高効率で、即ち光を非常に高い割合で偏光する。特に偏光層は、それぞれの場合で５５０ｎｍの光波長において、９５％より大きい、特に好ましくは９８％より大きい、非常に特に好ましくは９９％より大きい偏光度を有することが好ましい。本明細書において偏光度は、通過方向の透過率および遮断方向の透過率の差と、通過方向の透過率および遮断方向の透過率の和との間の商として定義される。これは、下式に対応する。

式中、Ｐは偏光度であり、Ｔ１は通過方向の透過率であり、Ｔ２は遮断方向の透過率である。

デバイスは好ましくは、偏光層を１層のみ含む。これは好ましくは、スイッチ層の外側に面する側、即ち光源、特に太陽およびスイッチ層の間に配置される。

偏光層は好ましくは、光を直線偏光する。

光を直線偏光する偏光層の吸収軸は、スイッチ層の暗スイッチ状態において少なくとも１種類の二色性色素の吸収主軸に対して、好ましくは７０°〜１１０°の角度で配置される。光を直線偏光する偏光層の吸収軸は、スイッチ層の暗スイッチ状態において少なくとも１種類の二色性色素の吸収主軸に対して、特に好ましくは８０°〜１００°、非常に特に好ましくは８５°〜９５°、最も好ましくは９０°の角度で配置される。

偏光層の吸収軸は偏光層の面内であって、同軸に平行に偏光された光が主な割合で吸収される軸を意味すると解する。対照的に吸収軸に対して垂直に偏光された光は主な割合では吸収されず、代わりに通過できる。偏光層の吸収軸は、偏光層のいわゆる通過方向に対して垂直である。

本発明によるデバイスは好ましくは、１種類以上、特に２種類以上の配向層を含む。配向層は好ましくは、スイッチ層の２つの側面に直接隣接している。

本発明によるデバイスで使用できる配向層は、この目的のために当業者に既知で任意所望の層である。ポリイミド層が好ましく、ラビングされたポリイミドを含む層が特に好ましい。当業者に既知の一定の様式でラビングされたポリイミドによって分子が配向層に平行な場合（平面配向）、液晶材料の分子がラビング方向に配向する結果となる。本明細書において液晶材料の分子は配向層上の完全な平面状ではなく、むしろ僅かにプレチルト角を有することが好ましい。配向層の表面への分子の垂直配向（ホメオトロピック配向）を達成するために、配向層（非常に高いプレチルト角用のポリイミド）の材料として一定の様式で処理されたポリイミドが好ましく用いられる。更に配向軸（光配向）に従って分子の配向を達成するために、偏光に曝露して得られたポリマーを配向層として用いることができる。例示的材料は、アクリレートなどの重合性基を含むポリアクリレートまたはケイ皮酸からも成る。

本発明によるデバイスにおいてスイッチ層を取り囲む２層の配向層の配向方向は、０°〜２７０°の角度を囲むことが好ましい。

本明細書において配向方向との用語は、配向層がスイッチ層の分子を配向させる方向を意味すると解する。これは例えば、配向層の製造のタイプ、ラビング方向または光配向の場合のポリマーの配向方向に依存し得る。

スイッチ層は、好ましくは１μｍおよび１５０μｍの間、特に好ましくは２および１５μｍの間、非常に特に好ましくは５および１０μｍの間の厚さを有する。柔軟な基板を用いる本願においては、より薄いスイッチ層ほど、より安定なデバイスが結果として得られ、特に、基板層に対するスペーサーの望ましくない移動が起こりにくい。

スイッチ層は好ましくは電圧の印加によってスイッチされ、その結果、スイッチ層内に電界が形成される。本明細書において好ましくは電圧を、液晶材料を含むスイッチ層の両側に適用される電極に印加する。電極は好ましくは、ＩＴＯまたは薄く好ましくは透明な金属および／または金属酸化物層から成り、例えば銀またはこの目的のために当業者に既知の代替材料を含む。電極は好ましくは、電気的接続を備える。電源は好ましくは、電池、充電式電池、スーパーキャパシタまたは外部電源によって提供される。

本明細書において電圧を印加することによるスイッチは好ましくは、電圧のない暗スイッチ状態から電圧を伴う明スイッチ状態へと行われる。本明細書において暗スイッチ状態という用語は僅かに殆ど光がデバイスを通過することができない、即ちその透過率が低いスイッチ状態を意味すると解する。明スイッチ状態という用語は対応して、より多くの光がデバイスを通過することができる、即ちその透過率が比較的高いスイッチ状態を意味すると解する。

スイッチ層の液晶材料は好ましくは、両方のスイッチ状態においてネマチックである。電圧のない状態は好ましくは、液晶材料の分子、よって少なくとも１種類の二色性色素の分子が配向層に平行に配向していることを特徴とする。これは好ましくは、対応して選択された配向層によって達成される。電圧下の状態は好ましくは、液晶材料の分子、よって二色性色素が配向層に対して垂直であることを特徴とする。

代替的な実施形態においてデバイスは、電圧なしで存在する明スイッチ状態から電圧の印加によって暗スイッチ状態に変換される。液晶材料は好ましくは、両方の状態でネマチックである。電圧のない状態は好ましくは、液晶材料の分子、よって二色性色素が配向層に垂直に配向していることを特徴とする。これは好ましくは、対応して選択された配向層によって達成される。よって電圧下の状態は好ましくは、液晶材料の分子、よって二色性色素が配向層に平行に配向していることを特徴とする。

好ましくは平面状態におけるスイッチ層の液晶材料の分子配向は、好ましくはスイッチ層の暗スイッチ状態に対応し、スイッチ層の厚さ全体にわたって同じであるか、またはスイッチ層内でツイストを有しているかのいずれかである。ツイストの好ましい値は、３０°および３６０°の間、特に好ましくは９０°および２７０°の間である。ツイストを有する場合、このツイストは好ましくは、９０°の倍数である値を有する。ツイストの特に好ましい値は、９０°、１８０°または２７０°である。そのツイストは、互いに対応する角度を形成するスイッチ層に隣接して使用される配向層上の配向方向によって達成される。ツイストの場合、スイッチ層の液晶材料がキラルドーパントを含むことが更に好ましい。

キラルドーパントは好ましくは０．０１重量％〜３％重量％、特に好ましくは０．０５重量％〜１重量％の総濃度で液晶材料中で用いる。また高い値のツイストを得るためには、キラルドーパントの総濃度を３重量％より高く、好ましくは最高１０重量％までで選択してもよい。

好ましいドーパントは、以下の表に図示する化合物である。

スイッチ層の液晶材料は更に好ましくは、１種類以上の安定剤を含む。安定剤の総濃度は、液晶材料全体の好ましくは０．００００１重量％および１０重量％の間、特に好ましくは０．０００１重量％および１重量％の間である。

好ましい安定剤を、以下の表に示す。

デバイスは好ましくは、スイッチ層が少なくとも２種類の異なる二色性色素、特に好ましくは２種類のみ、３種類のみ、４種類のみ、５種類のみまたは６種類のみの異なる二色性色素、非常に特に好ましくは２種類のみ、３種類のみまたは４種類のみの異なる二色性色素を含むことを特徴とする。

少なくとも１種類の二色性色素は発光性、好ましくは蛍光性であることが更に好ましい。

液晶媒体における二色性色素の吸収スペクトルは好ましくは、デバイスの黒色の印象が眼に生じるように互いに補完する。デバイスは特に好ましくは、通して見た際に全てのスイッチ状態で無色であり、ただし、灰色および黒色の印象が同様に無色と見なされる。

液晶材料の２種類以上の二色性色素は好ましくは、可視スペクトルの大部分をカバーする。これは好ましくは、赤色光を吸収する少なくとも１種類の二色性色素、緑色から黄色光を吸収する少なくとも１種類の二色性色素および青色光を吸収する少なくとも１種類の二色性色素で達成される。

眼に黒色または灰色に見える二色性色素の混合物を調製できる正確な方法は当業者に既知であり、例えば、Ｍａｎｆｒｅｄ Ｒｉｃｈｔｅｒ著、Ｅｉｎｆｕｅｈｒｕｎｇ ｉｎ ｄｉｅ Ｆａｒｂｍｅｔｒｉｋ（比色分析入門）、第２版、１９８１年刊、ＩＳＢＮ ３−１１−００８２０９−８、Ｗａｌｔｅｒ ｄｅ Ｇｒｕｙｔｅｒ＆Ｃｏ社刊に記載されている。

二色性色素は更に好ましくは、ＵＶ−ＶＩＳ−ＮＩＲ領域における、即ち、３２０〜２０００ｎｍの範囲の波長範囲における光を主に吸収する。本明細書において、ＵＶ光、ＶＩＳ光およびＮＩＲ光は上で定義される通りである。二色性色素は特に好ましくは、４００〜１３００ｎｍの範囲に最大吸収を有する。

液晶材料において二色性色素の総比率は、好ましくは０．０１〜２０重量％、特に好ましくは０．１〜１５重量％、非常に特に好ましくは０．２〜１２重量％である。１種類以上の色素のそれぞれ個々の１種類の比率は、好ましくは０．０１〜１５重量％、好ましくは０．０５〜１２重量％、非常に特に好ましくは０．１〜１０重量％である。

少なくとも１種類の二色性色素は好ましくは、液晶材料に溶解される。色素は好ましくは、液晶材料の分子配列による配向の影響を受ける。

少なくとも１種類の二色性色素は好ましくは、Ｂ．Ｂａｈａｄｕｒ著、Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌｓ−Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ａｎｄ Ｕｓｅｓ、第３巻、１９９２年刊、Ｗｏｒｌｄ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ社、第１１．２．１節に示される化合物類、特に好ましくは本明細書に存在する表に示される明示的化合物から選択される。

少なくとも１種類の二色性色素は好ましくは、アゾ化合物類、アントラキノン類、メチン化合物類、アゾメチン化合物類、メロシアン化合物類、ナフトキノン類、テトラジン類、リレン類、特にペリレン類およびテリレン類、ベンゾチアジアゾール類、ピロメテン類ならびにジケトピロロピロール類およびから選択される。これらの内、アゾ化合物類、アントラキノン類、ベンゾチアジアゾール類（特に国際公開第２０１４／１８７５２９号に開示される通り）、ジケトピロロピロール類（特に国際公開第２０１５／０９０４９７号に開示される通り）およびリレン類（特に国際公開第２０１４／０９０３７３号に開示される通り）が特に好ましい。少なくとも１種類の二色性色素は非常に特に好ましくは、アゾ化合物類、ベンゾチアジアゾール色素類およびリレン色素類から選択される。

以下の化合物は、好ましい二色性色素の例である。

スイッチ層の液晶材料は好ましくは、デバイスの動作温度でネマチック液晶である。それは特に好ましくは、デバイスの動作温度の上下±２０℃の範囲内、非常に特に好ましくは±３０℃の範囲内でネマチック液晶である。液晶材料は更に好ましくは、８０℃より高い、特に好ましくは１００℃より高い、非常に特に好ましくは１２０℃より高い、最も好ましくは１３０℃より高い透明点、好ましくはネマチック液晶状態から等方性状態への相転移を有する。

液晶材料は更に好ましくは、３〜３０種類の異なる化合物、好ましくは６〜２０種類、特に好ましくは８〜１８種類の異なる化合物を含む。

液晶材料は更に好ましくは、０．０１〜０．３、特に好ましくは０．０４〜０．２７の光学異方性（Δｎ）を有する。液晶材料は同様に好ましくは、２〜７０または−１．５〜−１０の誘電率異方性Δεを有する。

液晶材料の構成成分として使用できる化合物は当業者に既知であり、基本的には所望に応じて選択できる。液晶材料は、１，４−フェニレンおよび１，４−シクロヘキシレンを基礎とする構造要素を含有する少なくとも１種類の化合物を含むことが好ましい。液晶材料は特に好ましくは、１，４−フェニレンおよび１，４−シクロヘキシレンを基礎とする２個、３個または４個、特に好ましくは３個または４個の構造要素を含有する少なくとも１種類の化合物を含む。液晶材料は更に好ましくは、式（Ｉ）の化合物を含む。

式中Ｒ^１は、１〜１０個のＣ原子を有するアルキル基から選択される。

デバイスは好ましくは、１層以上の基板層、特に好ましくは２層のみの基板層を含み、その間にスイッチング層が配置される。基板層は好ましくは、ガラスまたはポリマー、特に好ましくはポリマーから形成される。特に偏光子に隣接する基板層において、低い複屈折率を有するポリマーが好ましい。基板層に好ましいポリマー材料は、ＰＭＭＡ、ポリカーボネート、ＰＥＴ、ＰＥＮ、ＣＯＰまたはＰＶＢである。ポリマー材料を含む基板層の使用は、湾曲した基板層を多大な労力なく製造でき、対応して湾曲したガラス層よりも応力複屈折が少ないという利点を有する。更にポリマー材料を含む基板層は非常に効率的なＵＶフィルターを備えることができ、液晶材料および二色性色素をＵＶ光およびそれにより生じる分解から保護する。

本発明によるデバイスの基板層は好ましくはポリマーを含み、好ましくは光学等方性ポリマーを含む。デバイスにおいて偏光子に隣接する基板層は、特に好ましくはポリマーを含み、好ましくは光学等方性ポリマーを含む。前記基板層は好ましくは、応力複屈折が全くないかまたは僅かしかない。これは特に、ポリマーを含む基板層によって達成できる。基板層として使用できる光学等方性材料は、当業者に既知である。本発明によるデバイスにおいて、光学等方性の基板層としてリターデーションを有さないかまたは僅かに低いリターデーションを有する光学等方性ポリマーの使用が好ましい。デバイスの基板層に関連して光学等方性とは実質的に、好ましくは完全に複屈折がないことを意味し、ただし応力複屈折は、複屈折という用語に包含される。

１層以上の更なる層がスイッチ層の観点から、偏光層および次の基板層の間に配置されることが好ましい。これらの層は好ましくは、偏光層および基板層の異なる熱膨張係数を補償する。接着層および接着フィルムから選択される層、例えば、３Ｍ社製Ｏｐｔｉｃａｌｌｙ Ｃｌｅａｒ ＡｄｈｅｓｉｖｅもしくはＰＶＢ（ｐｏｌｙｖｉｎｙｌｂｕｔｙｒａｌ、ポリビニルブチラール）またはＥＶＡ（ｅｔｈｙｌｅｎｅ ｖｉｎｙｌ ａｃｅｔａｔｅ、エチレンビニルアセテート）がこの目的のために好ましい。

光スイッチデバイスは、ディスプレイ装置（ディスプレイ）またはスイッチ可能ウィンドウに使用できる。スイッチ可能ウィンドウは、領域要素を通る光の通過を均一に制御するため、特に太陽光の通過を制御するためのデバイスを意味すると解する。前記デバイスは好ましくは、スイッチ可能ウィンドウに用いられる。本明細書において均一制御とは、領域要素内の全ての点において透過が実質的に同じであることを意味すると解する。

本明細書において領域要素は好ましくは、少なくとも０．０５ｍ^２、特に好ましくは少なくとも０．１ｍ^２、特に好ましくは少なくとも０．２ｍ^２の寸法を有する。建物の窓に使用する場合は更に大きな領域要素が好ましく、少なくとも０．５ｍ^２、特に好ましくは少なくとも０．８ｍ^２である。

領域要素を通る光の通過を制御するためのデバイスは好ましくは、層の形態の混合物を含む。この層は好ましくはスイッチ可能で、即ちスイッチ層を表す。層は好ましくは、１２〜４０μｍ、特に好ましくは１４〜３０μｍ、非常に特に好ましくは１５〜２５μｍの厚さを有する。

本発明によるデバイスは好ましくは、環境から空間内への太陽光の形態の光の通過を制御するのに適している。本明細書において空間は、環境から実質的に密閉された任意所望の空間でよく、例えば、建物、乗物または容器である。特に空間が環境との空気の交換が限られており、光エネルギーの形態で外部からのエネルギーの侵入が可能な光透過境界面を有する場合、デバイスは一般に任意所望の空間に使用できる。デバイスは特に好ましくは、光透過領域、例えば窓領域を介して強い日射を受ける空間に使用される。その例は外に対して大きな窓領域を有する空間および乗物、例えば、自動車、船舶または航空機、特に自動車の車内である。自動車での使用の場合、屋根領域、特にサンルーフおよびパノラマルーフにおける使用が好ましい。

本発明によるデバイスは好ましくは比較的大きな二次元構造の開口内に配置され、ただし二次元構造自体は殆どまたは全く光を通過せず、ただし相対的に開口が光をより多く透過する。二次元構造は好ましくは、壁または外部からの空間の別の区切りである。

本発明によるデバイスは好ましくは、国際公開第２００９／１４１２９５号に好ましくは記載される通り、光および／または熱エネルギーを電気エネルギーに変換するために太陽電池または他の装置に光を輸送する光導波路システムを含有する。

デバイスは好ましくは、建物の窓に使用される。この場合、本発明によるデバイスは光透過をスイッチできる窓の構成要素であり、特に好ましくは少なくとも１つのガラス領域を含有する窓であり、非常に特に好ましくは複数の断熱ガラスを含有する窓である。本明細書において窓は特に、フレームと、このフレームによって囲まれた少なくとも１個の窓ガラスとを含む建物内の構造を意味すると解する。それは好ましくは、断熱フレームおよび２枚以上の窓ガラス（多重断熱ガラス）を含む。好ましい実施形態によれば本発明によるデバイスは、窓のガラス領域に、特に好ましくは多重断熱ガラスの２枚の窓ガラスの間の空間に直接適用される。

デバイスは更に好ましくは、部分的に透光性のスイッチ可能な自動車屋根またはスイッチ可能な自動車窓のアクティブスイッチ構成要素として使用される。

本明細書において層順序は好ましくは、
・偏光層
・好ましくはガラスまたはポリマーを含む基板層
・好ましくはＩＴＯを含む導電性透明層
・配向層
・液晶材料および少なくとも１種類の二色性色素を含むスイッチ層
・配向層
・好ましくはＩＴＯを含む導電性透明層
・好ましくはガラスまたはポリマーを含む基板層
であり、
ただし偏光層は、光源に向かって、特に太陽に向かって外側に面している。

あるいは偏光層は、２層の基板層の間または太陽から離れて面するデバイスの側に配置されてもよい。この場合、スイッチ層の外側にある層はＵＶ光を吸収することが好ましい。特に基板層がＵＶ吸収剤を含むこと、またはＵＶフィルターが基板層に適用されていることが好ましい。

特にスイッチ可能な自動車屋根でデバイスを使用する場合、デバイスは平らではなく、むしろ空間内で湾曲していることが好ましい。これは好ましくは、湾曲した基板層を使用することで達成される。本明細書において好ましくは、光学的に等方性のポリマー基板層を使用する。これにより二次元または三次元に湾曲し、均一な透過性を有し、干渉色の変化がないデバイスを得ることが可能である。

＜１）スイッチ層に使用する材料＞
液晶化合物の構造は、略語（頭字語）によって再現される。使用した略語については、国際公開第２０１２／０５２１００号、第６３〜８９頁の説明を参照されたい。

全ての物理的性質は、「Ｍｅｒｃｋ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌｓ、Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌｓ」１９９７年１１月刊、メルク社、ドイツに従って決定され、２０℃の温度で適用される。

以下のホスト混合物を調製する。

以下の色素化合物を使用する。

これらを使用して、以下の組成を有する混合物Ｍ１およびＭ２を調製する：
Ｍ１：０．４７重量％のＤ１、１．０３重量％のＤ２および０．８９２重量％のＤ３を含むＨ１、
Ｍ２：０．６重量％のＤ４、０．３重量％のＤ５、１．０重量％のＤ６、１．５重量％のＤ７および１．５重量％のＤ８を含むＨ１。

＜２）スイッチデバイスの製造＞
本発明によるデバイスは、以下の一般的な層順序を有する：
ａ０）ＩＴＯＳ ＸＰ４０ＨＴ偏光子フィルム
ａ）１０ｎｍ未満のレターデーションを有する１２５μｍのポリカーボネートを含むポリマー層
ｂ）インジウム亜鉛酸化物（ＩＴＯ）層、２００オングストローム
ｃ）ＪＳＲ社製ポリイミドＡＬ−１０５４配向層、３００オングストローム
ｄ）スイッチング層、厚さ１０μｍ
ｅ）はｃ）の通り
ｆ）はｂ）の通り
ｇ）をａ）の通り。

液晶材料の分子の優先方向を達成するために、配向層をラビングする。９０°のツイストを達成すべき場合、２層の配向層をデバイス内で互いに交差して、即ち、ラビング方向が互いに９０°の角度を包含するように配置する。加えてこの場合、０．０５重量％のキラルドーパントＳ−８１１が液晶材料中に存在する。ＩＴＯ層（当業者に既知の他の導電性の透明層を代替的に使用することができる）には電気的にスイッチ可能とするために、対応するコンタクトが設けられる。電圧のない状態は、製造されるスイッチデバイスの場合の暗状態である。液晶材料の分子を配向層の面に対して直立位置に設定する電圧を印加することで、デバイスを明スイッチ状態にスイッチする。

以下のスイッチデバイスを製造する：
Ｅ１：混合物Ｍ１を含むスイッチ層、９０°ツイスト
Ｅ２：混合物Ｍ１を含むスイッチ層、０°ツイスト
Ｅ３：混合物Ｍ２を含むスイッチ層、０°ツイスト。

＜３）スイッチデバイスの性能データ＞
ａ）スイッチ層の光透過率τ_ｖ暗の決定
光透過率τ_ｖ暗は、標準光源の相対スペクトル分布および標準観察者のスペクトル輝度感度を考慮して測定されたスペクトル透過率から、欧州規格ＥＮ４１０、式（１）（板ガラスの視感および太陽特性の決定）に従い決定される。デバイスの暗スイッチ状態における二色性色素の吸収主軸に平行に偏光された光のためのデバイスのスイッチ層の透過率τ_ｖを測定する。

スイッチ層の特性を測定するために分光計は、対照および測定用ビーム内に２個のＧｌａｎ Ｔｈｏｍｐｓｏｎ石英偏光子を備える。測定されるべきデバイスを、その表面が光線に対して正確に垂直に取り付ける。光ビームに面する第１のデバイス基板の配向方向が例えば、それが下方から上方、即ち実験室空間に対して垂直に向くよう選択される。正の二色性色素はこの方向に正確に配向するので、ツイストのない例Ｅ２およびＥ３の最も強い吸収主軸は、この方向と正確に平行である。（ツイストされた例Ｅ１では、第１層が同様にこの方向に正確に平行であり、最終層はこの方向に対して正確に垂直である）。

２個のＧｌａｎ Ｔｈｏｍｐｓｏｎ偏光子は、透過率がこの角度位置で正確に可能な最低値に対応するよう配置する。

分光透過率の測定値は対照としてスイッチ層中の色素を含まない他は同一であるデバイスと比較され、即ち、色素（１種類または多種類）を有するスイッチ層を通る光強度（分子）および色素（１種類または多種類）を有さないスイッチ層を通る光強度（分母）の商に相当する。

ｂ）偏光子を有する完成デバイスの光透過率τ_ｖ暗の決定
この目的のために、光透過率を計算するために偏光子を有する完成デバイスを通った光の通過後の強度が決定され（分子）、これらを偏光子を有さず色素を有さないデバイスを通った強度と比較することが異なるａ）の通りの手順に従う。

この結果は、デバイスの暗スイッチ状態において、本発明によるデバイスで優れた暗化が達成されることを示している（τ_ｖ暗＝０．５％〜０．７％）。加えて、非常に暗いスイッチ状態が広い温度範囲にわたって達成される。ホスト混合物の透明点より上の温度でさえ、１桁台の範囲のパーセントのτ_ｖ暗の低い値が依然として得られる。

ｃ）透過率の角度依存性の決定
波長の関数としての透過率を、極角θおよび方位角φの組の種々の値のそれぞれの場合で、デバイスＥ１〜Ｅ３について決定する。ここでスペクトル透過率は、光がデバイスを通過する角度とは実質的に無関係であることが見出される。これは広い波長範囲に関連する。よってデバイスは、観察者が異なる視野角から観察する場合、観察者にとって望ましくない色を有さない。更なる利点は、デバイスが暗スイッチ状態にスイッチされる場合に、デバイスが広い範囲の通過角に対して光を効果的に遮断することである。

デバイスＥ１、Ｅ２およびＥ３の最大透過率変化を、以下の表に示す。

ｄ）三次元に湾曲したデバイスの製造
２）で得られたデバイスを大きな半径を有する２個の時計皿の間にそれらを固定し、それらを時計皿に接触させてその湾曲をとるように時計皿に対して押し付けることによって湾曲形状に変換する。

続いてデバイスをスイッチし、それらの透過率を測定する。ここで暗スイッチ状態および明スイッチ状態の両方において、デバイスの領域にわたって均一な透過が観察される。更に目に見える色の変化は、観察されない。

これはポリマーを含む基板層を含むデバイスで、均一な透過性および色を有する湾曲したデバイスを得ることができることを示す。

＜４）ガラス基板層を含むスイッチデバイス＞
デバイスを層ａ）およびｂ）の代わりに、下に示す層ａ’）およびｂ’）の層を有する点においてのみ異なる２）で上に示す通り製造する：
ａ’）コーニング社製、１．１ｍｍのソーダライムガラスを含むガラス層
ｂ’）ＩＴＯ層、２００オングストローム。

これらのデバイスで、ポリマー基板層を有するデバイスについて上に与える通りの光透過率τ_ｖについての同じ値が得られる。また上に示す最大透過率変化についても、同じ値が得られる。

しかしながら予期せず容易に破損するため、余り良好ではない湾曲性を有するデバイスが製造され得る。更にガラス基板層を有するこのタイプの湾曲したデバイスは、垂線とは異なる角度から見ると色効果を示す。

Claims (17)

1. ・偏光層と、および
   ・偏光層に平行に配置され、少なくとも１種類の二色性色素を含む液晶材料を含むスイッチ層であって、ただしスイッチ層は、スイッチ層を通る低い透過を有する暗スイッチ状態およびスイッチ層を通る高い透過を有する明スイッチ状態を有するスイッチ層と
   を含む光学スイッチデバイスであって、
   ただし少なくとも１種類の二色性色素の吸収主軸に平行に偏光された光について、デバイスの暗スイッチ状態におけるスイッチ層のＥＮ４１０規格に従う光透過率τ_ｖは５％未満である光学スイッチデバイス。
2. 層順序：
   ・偏光層
   ・基板層
   ・導電性透明層
   ・配向層
   ・少なくとも１種類の二色性色素を含む液晶材料を含むスイッチ層
   ・配向層
   ・導電性透明層
   ・基板層
   を有することを特徴とする請求項１に記載の光学スイッチデバイス。
3. １層のみの偏光層を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の光学スイッチデバイス。
4. 偏光層は、共通の固定された空間的配向を有する１種類以上の異なる有機色素化合物を含む材料から形成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光学スイッチデバイス。
5. 偏光層は、光を直線偏光することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の光学スイッチデバイス。
6. 光を直線偏光する偏光層の吸収軸は、スイッチ層の暗スイッチ状態において少なくとも１種類の二色性色素の吸収主軸に対して、７０°〜１１０°の角度で配置されることを特徴とする請求項５に記載の光学スイッチデバイス。
7. スイッチ層を取り囲む２層の配向層の配向方向は、０°〜２７０°の角度を囲むことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の光学スイッチデバイス。
8. スイッチ層は、２および１５μｍの間の厚さを有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の光学スイッチデバイス。
9. デバイスの少なくとも一方のスイッチ状態において、スイッチ層の液晶材料の分子は平面態様でツイストしており、
   ただしスイッチ層の厚さ全体にわたって、ツイストは３０°および３６０°の間の値を有することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の光学スイッチデバイス。
10. スイッチ層の少なくとも１種類の二色性色素は、蛍光性であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の光学スイッチデバイス。
11. スイッチ層の少なくとも１種類の二色性色素は、アゾ化合物類、アントラキノン類、ベンゾチアジアゾール類、ジケトピロロピロール類およびリレン類から選択されることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の光学スイッチデバイス。
12. 液晶材料は、式（Ｉ）の化合物を含むことを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の光学スイッチデバイス。
    

    

    （式中Ｒ^１は、１〜１０個のＣ原子を有するアルキル基から選択される。）
13. 偏光層に隣接する基板層は、ポリマーから成ることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の光学スイッチデバイス。
14. 空間内で湾曲していることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項に記載の光学スイッチデバイス。
15. １層以上の基板層を含むこと、および
    スイッチ層の観点から考慮して、偏光層および次の基板層の間の接着層および接着フィルムから選択される層を含むことを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１項に記載の光学スイッチデバイス。
16. 請求項１〜１５のいずれか１項に記載の光学スイッチデバイスを含有することを特徴とする建物、容器または車両用の窓。
17. 環境から空間内への太陽光の通過を制御するための、請求項１〜１５のいずれか１項に記載の光学スイッチデバイスの使用。