TWI412578B - 聚合物分散液晶光開關器件 - Google Patents

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TWI412578B TW099105159A TW99105159A TWI412578B TW I412578 B TWI412578 B TW I412578B TW 099105159 A TW099105159 A TW 099105159A TW 99105159 A TW99105159 A TW 99105159A TW I412578 B TWI412578 B TW I412578B
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Description

聚合物分散液晶光開關器件 發明領域
本發明總體上涉及液晶顯示技術,尤其涉及聚合物分散液晶(PDLC)光開關器件(light shutter device),其包括具有向列型液晶的液晶混合物成份和聚合物體系,以便提供例如寬視角和低驅動電壓。
發明背景
利用液晶(將其注入到兩個基板所限定的空間中)的電光學特性,液晶顯示器可以顯示圖像。當向液晶施加電力時,液晶呈現電光學特性。這種液晶顯示器可被歸類為以下各種類型之一,包括例如扭曲向列型(TN)、超扭曲向列型(STN)、動態散射模式(DSM)和前述的PDLC。液晶開關可用於涉及通過孔隙透光的各種應用中,其中可以在低透光狀態和高透光狀態之間轉換開關,以回應電感應的變化。
PDLCs由分散在聚合物黏合劑體系中的低分子量向列型液晶的微米級微滴組成。PDLC材料夾在具有透明導電電極例如氧化銦錫的基板之間,形成開關。一旦給開關的電極施加電壓,則從不透明的、高散射狀態轉換至清澈的透明狀態。通過從含有預聚物或聚合物的均相溶液中將低分子量液晶進行相分離,從而形成PDLC材料。液晶微滴的大小、形狀和密度取決於所實施的技術。在聚合引發的相分離過程中,影響微滴大小和密度的主要因素是例如材料類 型、相對濃度和固化溫度。固化溫度影響聚合速率、聚合物的黏度、液晶的擴散速率和液晶在PDLC體系中的溶解性。對於現有開關,通過利用高驅動電壓滿足透光率要求,這反過來也會增加功率消耗要求,並且使得更難以達到嚴格的環境或綠色認證。因此需要增加透光率而又不需要總是增加驅動電壓的解決方案。
發明概要
本發明公開了液晶開關和其使用方法,其致力於解決現有液晶開關的局限性。在一個實施方案中,公開了PDLC開關器件和其使用方法。第一基板和第二基板基本上平行設置,並且聚合物黏合劑體系介於第一基板和第二基板之間。多種液晶分散在聚合物黏合劑體系中。在低驅動電壓下,液晶開關器件能夠在高光散射的黑暗狀態和低光散射的透明狀態之間轉換,並且反之亦然。本文的實施方案提供了PDLC光開關器件,其由含有向列型液晶的液晶混合物成份和聚合物體系組成。
圖式簡單說明
為了更徹底地瞭解本發明的特徵和優點,現參考附圖詳細介紹本發明,其中,在不同附圖中的相應數位指代相應部分,且其中:第1圖是用於提供每個不透明的高散射狀態和清澈的透明狀態的液晶開關的實施方案的示意圖;第2圖是第1圖所描述的液晶開關在高散射不透明狀態 下的一個實施方案的示意圖;第3圖是第1圖所描述的液晶開關在低散射透明狀態下的一個實施方案的示意圖;第4和5圖是第1圖的液晶開關的實施方案作為電壓的函數的透光百分率曲線;第6和7圖是第1圖的液晶開關的實施方案作為視角的函數的透光率曲線;和第8圖是第1圖的液晶開關與現有方案相比較、作為視角的函數的透光率曲線。
較佳實施例之詳細說明
雖然下面將詳細地討論本發明各種實施方案的產生和使用,但應該理解,本發明提供了許多合適的發明構思,其可以表現為多種具體情況。本文討論的具體實施方案僅僅是獲得和使用本發明的具體方式的例子,不限定本發明的範圍。
首先參考第1圖,在第1圖中,描述了聚合物分散液晶光開關器件,或更簡明地,示例性說明並且一般地以10表示的液晶開關。液晶是呈現介於常規液體相和固體晶體相之間的物質相的物質。例如,液晶可以像液體一樣流動,但在液體中具有以晶體樣方式排列和/或取向的分子。在上述聚合物分散液晶或PDLC中,有一種液晶包含分散在聚合物黏合劑體系中的低分子量向列型液晶的微米級微滴。液晶開關10包括PDLC材料,其介於具有透明導電電極的基板 之間。在第1圖中,液晶開關10用作窗口12,在其後面,有一個人14。在通過液晶開關10的電極施加電壓的情況下,如箭頭16所示,液晶開關10由不透明的高散射狀態轉換為清澈的透明狀態,其中可以看到在窗口12後面的人14。在除去電壓的情況下,如箭頭18所示,液晶開關10由清澈的透明狀態轉換為不透明的高散射狀態。應該理解,雖然以窗口形式表示液晶開關10,但本文所提供的說明可延伸至任何的孔隙,包括透視孔隙、需要清澈狀態和不透明狀態的孔隙、調光玻璃(switchable glass)、隱私玻璃(privacy glass)、智能窗(smart window)、智能眼鏡(smart glasses)。進一步的,光控晶體開關可以是玻璃、有機玻璃、聚碳酸酯或在下文討論的其他材料。
第2圖描述了液晶開關10的一個實施方案,其中包封的液晶微滴20均勻地分佈在可以具有塑料基質形式的聚合物黏合劑體系22中,以便產生PDLC材料,然後將其夾在兩個透明基板24、26之間。在一個實施方案中,將基板彼此平行配置,並且包括帶有透明導電層的透明體。透明體可以選自例如玻璃和/或塑料的材料。此外,透明體可以包括大約1.51至大約1.52的折射率。聚合物黏合劑體系22也可以具有大約1.51至大約1.52的折射率。應該理解,透明基板24、26和聚合物黏合劑體系22的折射率應該匹配盡可能地相接近,以便提高透明性。透明導電層可以包括例如氧化銦錫導電層或通常合適的導電層。
第2圖顯示了在沒有施加電場情況下的液晶微滴20在 聚合物黏合劑體系22中的光散射狀態28。在每一液晶微滴20之內,液晶具有切向壁(tangential wall)排列;然而,比較各種液晶微滴20,存在分子的二維隨機取向。就光學特性而言,這與高光散射狀態對應。
也就是說,在沒有施加電場(=0)的情況下,液晶微滴的光軸在平面中沒有優選指向,使得入射光在基質的折射率np 和液晶微滴的平均折射率(~ne )之間不匹配。不匹配的結果是光被散射,並且液晶開關10呈現不透明。另一方面,如果電場是按照第3圖所示方式施加的,各種微滴中的分子的取向被完全排列。施加的電場將微滴內的指向矢(director)排列至透明狀態。
參考第2圖的光散射狀態28,微滴的光軸由ne 表示。如果液晶的尋常折射率(ordinary refractive index)n0 與聚合物黏合劑體系22的尋常折射率np 相匹配,那麼光根據ne 的值和取向分佈進行散射。如果ne >n0 並且是二維隨機取向的(斷開狀態(off state)),則光散射強烈。如果ne 重新取向至平行於法向入射光的方向,那麼在施加電場的情況下,原則上沒有光散射(n0 ~np )。應該理解,可以將液晶微滴加工成球形或橢圓形,並且當組裝液晶開關時,由於擠壓及其它因素,液晶微滴的形狀可以改變形狀和大小。
如上所陳述,在第3圖中,作為對通過透明基板24、26所施加電場(=↑)的回應,液晶開關提供光的透射。電場導致液晶微滴20的光軸的排列至與電場平行,並且垂直於透明基板24、26的表面。在這種透光狀態30中,入射光在液 晶微滴(~n0 )和聚合物黏合劑體系22(np )的平均折射率之間沒有檢測到不匹配,並且光可以進行透射,使得液晶開關10呈現清澈狀態。如上所述,通過施加和除去驅動電壓,液晶開關10可以在第2圖的散射狀態28和第3圖的光透射狀態30之間交替變化。
液晶開關尤其是聚合物分散液晶光開關器件,其包含分散在聚合物黏合劑體系中的液晶。在一個實施方案中,液晶包含由以下化合物組成的混合物:至少一種由通式(I)表示的化合物、至少一種由通式(II)表示的化合物、至少一種由通式(III)表示的化合物、至少一種由通式(IV)表示的化合物和至少一種選自通式(V)、(VI)和(VII)表示的化合物;所有這些通式提供於下表(表I)中,其中R1 至R7 各自分別表示具有2至7個碳原子的直鏈烷基。
應該理解,根據應用,R1 至R7 可以不同或相同。此外,在一個實施方案中,液晶進一步包含至少兩種由通式(I)所表示的化合物的混合物。
液晶可以包含:大約10重量%至大約50重量%的通式(I)化合物的液晶;大約10重量%至大約20重量%的通式(II)化合物的液晶;大約10重量%至大約15重量%的通式(III)化合物的液晶;大約5重量%至大約15重量%的通式(IV)化合物的液晶;和大約10重量%至大約15重量%的至少一種選自通式(V)、(VI)和(VII)所表示的化合物的液晶。
在一個實施方案中,聚合物黏合劑體系包含環氧樹脂和硫醇固化劑。另外,可以使用催化劑。現在參考下面的 非限制性工作實施例來說明本發明,其中方法和材料只是那些可以使用的代表,並不是那些合適和可操作的方法和材料的詳盡列舉。下列實施例和附有的試驗方法舉例說明了本發明液晶開關的優點。下列術語表列舉了下文所提供的實施例和試驗方法中所使用的組份。
CAPCURE® 3-800固化劑是硫醇(SH)封端的液體固化劑,其與所選擇的胺(得自於Cognis S.A.(Cognis USA Headquarters in Cincinnati,Ohio))組合,可以賦予環氧樹脂快速固化的特性。
CAPCURE® 40固化劑是預催化的硫醇基環氧固化劑,其在環境溫度下可以極其快速地固化,得自於Cognis S.A.(Cognis USA Headquarters in Cincinnati,Ohio)。
CAPCURE® EH-30是2,4,6-三(二甲基氨基甲基)苯酚的商品名,其是C15 H27 N3 O,得自於Cognis S.A.(Cognis USA Headquarters in Cincinnati,Ohio)。
EPONTM 樹脂812是嵌入樹脂體系中的環氧單體,得自於Shell Chemicals(Houston,Texas);合適的替代物包括例如Embed 812,得自於Electron Microscopy Sciences(Hatfield,Pennsylvania),和SPI-Pon 812,得自於SPI Supplies/Structure Probe,Inc.(West Chester,Pennsylvania)。
EPONTM 樹脂815是低黏度液體雙酚A基環氧樹脂,其含有商品級的正丁基縮水甘油醚,得自於Hexion Specialty Chemicals,Inc.(Columbus,Ohio)。
EPONTM 樹脂828是未稀釋的透明雙官能的雙酚A/表氯 醇衍生的液體環氧樹脂,得自於Hexion Specialty Chemicals,Inc.(Columbus,Ohio)。
ERL-4221TM 樹脂(3,4-環氧環己基甲基-3,4-環氧-環己烷羧酸酯)是環脂族的、二環氧基官能有機化合物,其在製備半硬至硬的固化環氧樹脂中是有用的結構單元,得自於Union Carbide Company(Danbury,Connecticut)。
ERL-4299TM 樹脂(雙(3,4-環氧環己基)己二酸酯)是多官能的環氧化物,其在製備半硬至硬的固化環氧樹脂中是有用的結構單元,得自於Union Carbide Company(Danbury,Connecticut)。
間隔物可以是分散在基板之間的球形間隔物,以提供間隔。
實施例-聚合物體系I(PS-I).
通過將表II的組分混合,製備具有折射率1.5177的聚合物體系。
實施例-聚合物體系II(PS-II).
通過將表III的組分混合,製備具有折射率1.517的聚合物體系。
實施例-聚合物體系III(PS-III).
通過將表IV的組分混合,製備具有折射率1.5178的聚合物體系。
實施例-液晶混合物I(LCM-I).
如下製備液晶混合物:在80℃或更高的溫度下,將表V的組分在燒杯中攪拌,直到混合物變成均質的液體。繼續攪拌,直到液晶在均質狀態良好地混合。然後冷卻混合物。如表V所示,還給出了組成化合物的各自的通式類別。
實施例-液晶混合物II(LCM-II).
使用表VI所示的組分,基本上按照實施例LCM-I所述的方法製備液晶混合物。
實施例-液晶混合物III(LCM-III).
使用表VII所示的組分,基本上按照實施例LCM-II所述的方法製備液晶混合物。
實施例-液晶開關I(LCS-I).
如下製備液晶開關:在環境條件下,將表VIII的組分在燒杯中攪拌,直到混合物均勻為止。將混合物分別施加到具有氧化銦錫導電層的兩個基板上。然後將基板層疊在一起,在65℃固化大約8小時。固化之後,將液晶開關冷卻到室溫。
實施例-液晶開關II(LCS-II).
使用表IX所示的組分,基本上按照實施例LCS-I所述的方法製備液晶開關。
實施例-液晶開關III(LCS-III).
使用表X所示的組分,基本上按照實施例LCS-I所述的方法製備液晶開關。
實施例-液晶開關IV(LCS-IV).
使用表XI所示的組分,基本上按照實施例LCS-I所述的方法製備液晶開關。
實施例-液晶開關V(LCS-V).
使用表XII所示的組分,基本上按照實施例LCS-I所述的方法製備液晶開關。
實施例-液晶開關VI(LCS-VI).
使用表XIII所示的組分,基本上按照實施例LCS-I所述的方法製備液晶開關。
測試方法I.
參考第4和5圖和曲線40、42,對於第1圖的液晶開關顯 示器的實施方案,測定了作為電壓的函數的透光百分率。尤其是,描述了按照實施例LCS-I至LCS-VI的組成。根據第4圖,LCS-I至LCS-III的驅動電壓在大約12V和大約17V之間,飽和透光率(saturated transmission)在大約86%和大約92%之間變化。根據第5圖,LCS-IV至LCS-VI的驅動電壓在大約20V和大約40V之間變化,飽和透光率在大約78%和大約91%之間變化。
測試方法II.
參考第6和7圖和曲線44、46,對於第1圖的液晶開關顯示器的實施方案,尤其是實施例LCS-I至LCS-VI,測定了作為透光百分率的函數的視角。根據第6圖,視角很寬,從正40度至負40度,並且與飽和透光率相比較,有小於10%的透光率下降。根據第7圖,視角很寬,從正40度至負40度,並且透光率在大約78%和大約90%之間變化。
測試方法III.
將本發明所提供的各種液晶開關與現有液晶開關方案相比較,測定了作為視角的函數的透光百分率。參考第8圖及曲線48,現有方案1和2由100V電壓驅動。現有方案3由100V電壓驅動,現有方案4由70V電壓驅動。
測試方法IV.
在斷開狀態測定了UV、可見光和紅外光的透光百分率,以將本發明所提供的各種液晶開關與現有液晶開關方案進行比較。結果如表XIV所示。現有方案與試驗方法III所述的那些方案相同。
如測試方法I-IV所述,本發明所提供的液晶開關可提供寬視角、低驅動電壓和斷開狀態下的低透光百分率。另外,還提供了高對比度和寬的工作溫度範圍。
儘管參考示例性的實施方案描述了本發明,但不能以限制性的方式來理解本說明書。在參考本說明書的情況下,本發明的示例性實施方案以及其他實施方案的各種變體和組合對本領域技術人員來說是顯而易見的。因此,所附的申請專利範圍包括任何這種變體或實施方案。
10‧‧‧液晶開關
12‧‧‧窗口
14‧‧‧人
16‧‧‧箭頭
18‧‧‧箭頭
20‧‧‧液晶微滴
22‧‧‧聚合物黏合劑體系
24、26‧‧‧透明基板
28‧‧‧光散射狀態
40、42‧‧‧曲線
44、46‧‧‧曲線
‧‧‧電場
第1圖是用於提供每個不透明的高散射狀態和清澈的透明狀態的液晶開關的實施方案的示意圖;第2圖是第1圖所描述的液晶開關在高散射不透明狀態下的一個實施方案的示意圖;第3圖是第1圖所描述的液晶開關在低散射透明狀態下的一個實施方案的示意圖;第4和5圖是第1圖的液晶開關的實施方案作為電壓的函數的透光百分率曲線;第6和7圖是第1圖的液晶開關的實施方案作為視角的 函數的透光率曲線;和第8圖是第1圖的液晶開關與現有方案相比較、作為視角的函數的透光率曲線。
10‧‧‧液晶開關
12‧‧‧窗口
14‧‧‧人
16‧‧‧箭頭
18‧‧‧箭頭

Claims (6)

  1. 一種聚合物分散液晶光開關器件,其包含:基本上平行設置的第一基板和第二基板,該第一及第二基板包括具有自約1.51至約1.52之折射率的一透明體及具有一導電層的透明體兩者;介於所述第一基板和所述第二基板之間的聚合物黏合劑體系;和分散在所述聚合物黏合劑體系中的多種液晶,所述多種液晶包含以下化合物的混合物:至少一種通式I表示的化合物、至少一種通式II表示的化合物、至少一種通式III表示的化合物、至少一種通式IV表示的化合物和至少一種選自通式V、VI和VII表示的化合物, 其中R1 至R7 各自分別表示具有2至7個碳原子的直鏈烷基。
  2. 如申請專利範圍第1項的聚合物分散液晶光開關器件,其中所述多種液晶進一步包含至少兩種由通式I所表示的化合物的混合物。
  3. 如申請專利範圍第1項的聚合物分散液晶光開關器件,其中通過施加和除去電壓,液晶光開關器件在高散射光線的黑暗狀態和低散射光線的透明狀態之間轉換。
  4. 如申請專利範圍第1項的聚合物分散液晶光開關器件,其中所述透明體的材料選自玻璃和/或塑料。
  5. 如申請專利範圍第1項的聚合物分散液晶光開關器件,其中所述透明導電層包括氧化銦錫導電層。
  6. 如申請專利範圍第1項的聚合物分散液晶光開關器件,其中所述聚合物黏合劑體系進一步包含環氧樹脂和硫醇固化劑。
TW099105159A 2009-04-27 2010-02-23 聚合物分散液晶光開關器件 TWI412578B (zh)

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US12/430,179 US7837897B2 (en) 2009-04-27 2009-04-27 Polymeric dispersed liquid crystal light shutter device

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