TWI788336B - 電力驅動可切換光學元件之方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供電力驅動可切換光學元件之方法，其中液晶介質之狀態由所施加電場控制。該所提供方法包含以下各項中之至少一者 a) 藉由以下自散射狀態切換至清透狀態：使驅動電壓升高至第一清透電壓Vc1 並使該驅動電壓維持在該第一清透電壓Vc1 達第一時間段t1 ，且然後使該驅動電壓降低至第二清透電壓Vc2 ，直至再次切換該狀態， b) 藉由以下自該清透狀態切換至該散射狀態：使該驅動電壓自該第二清透電壓Vc2 降低至低電壓VL 並保持第二時間段t2 ，且然後使該驅動電壓升高至隱私保護電壓(privacy voltage) Vp ， c) 藉由使該驅動電壓在隱私保護電壓Vp 與低電壓VL 之間交替保持該散射狀態直至再次切換該狀態，其中使該隱私保護電壓Vp 維持第四時間段t4 且使該低電壓VL 維持第五時間段t5 。

Description

電力驅動可切換光學元件之方法
本發明係關於電力驅動可切換光學元件之方法，該可切換光學元件包含至少一個切換層，其中該切換層包含具有至少三種狀態之液晶介質，液晶介質之狀態由所施加電場控制。
R.Baetens等人之綜述論文「Properties,requirements and possibilities of smart windows for dynamic daylight and solar energy control in buildings：A state-of-the-art review」,Solar Energy Materials & Solar Cells 94(2010)第87-105頁闡述可著色智慧窗。智慧窗可利用若干技術來調節透光率，例如基於電致變色之裝置、液晶裝置及電泳或懸浮粒子裝置。基於液晶之裝置藉由施加電場改變兩個導電電極之間液晶分子之定向來改變其透光率。市售的使用液晶之智慧窗在65V與230V AC之間之電壓下操作且在清透狀態下需要恒功率，產生3.5W/m2至15.5W/m2之功率消耗，此與僅在切換期間需要功率之電致變色窗不同。
WO 2009/141295 A1揭示一種光學裝置，其具有可切換層、至少一個配向層及與光能轉化構件接觸之光導系統。可切換層包含發光材料。在一實施例中，使用液晶作為可切換層且使液晶溶解客-主系統中之發光材 料並與其配向。發光材料展現二色性，使得該發光材料沿第一軸具有強吸收且在任一其他軸中吸收較低。光學裝置之光學性質取決於發光材料之配向。若發光材料之吸收軸垂直於可切換層之主延伸平面配向則光學裝置處於透射狀態，且若吸收軸平行於可切換層之主延伸平面配向則光學裝置處於吸收狀態。另一散射狀態係中間狀態，其中發光材料之吸收軸以交替或隨機方式佈置在平行與垂直配向之間。為在該等狀態之間進行切換，使用具有電極之聚醯亞胺層作為配向層且第一電信號使可切換層呈透射狀態，施加第二電信號使可切換層呈吸收狀態，且第三電信號使可切換層呈散射狀態。
WO 2016/173693揭示一種用於切換元件中之切換層。切換元件具有透明狀態及模糊狀態。在透明狀態中，可見光可穿過切換元件且無散射。在模糊狀態中發生散射，導致發生光之漫透射。切換元件包含兩個電極及佈置在兩個電極之間之液晶介質。液晶介質可包含向列定向之分子及可選聚合物部分。藉由在兩個切換平面之間施加電壓，可控制液晶介質之狀態。端視所施加電壓，液晶介質採取散射狀態，其中液晶介質處於手性向列型多域狀態；或非散射狀態，其中液晶介質處於垂直狀態。非散射狀態之電壓高於散射狀態之電壓。為切換至非散射狀態中施加第一電壓，且為切換至散射狀態中施加較低第二電壓。此外，揭示包含此一切換元件之窗元件。窗可採取模糊或隱私保護狀態(privacy state)及清透不模糊狀態。
WO 2016/173693之切換元件可用於例如能夠在透明與不透明狀態之間切換之智慧窗中。在透明狀態中，光可穿過智慧窗且無散射，窗外觀係清透且不模糊的。在不透明狀態中，透射穿過窗之光發生散射且窗外觀係模糊的。
本發明之目標係提供電力驅動該可切換光學元件之經改良方法，其中使用所施加電場來控制液晶介質之狀態且其中液晶介質端視所施加驅動電壓採取至少兩種不同的狀態。
提供電力驅動可切換光學元件之方法。可切換光學元件包含至少一個切換層，其中切換層包含具有至少三種狀態之液晶介質，液晶介質之狀態由所施加電場控制，其中當驅動電壓超過第一位準時切換層採取清透狀態，其中當電壓降低時，清透狀態保持直至驅動電壓降至第二位準以下，其中當驅動電壓進一步降低且降至第三位準以下時切換層採取散射狀態，且其中當驅動電壓進一步降低且降至第四位準以下時切換層採取第三狀態。所提供方法包含以下各項中之至少一者a)藉由以下自散射狀態或第三狀態切換至清透狀態：使驅動電壓升高至等於或高於第一位準之第一清透電壓Vc1並使驅動電壓維持在第一清透電壓Vc1達第一時間段t1，且然後使驅動電壓降低至低於第一位準且高於第二位準之第二清透電壓Vc2並使驅動電壓維持在第二清透電壓Vc2，直至再次切換狀態，b)藉由以下自清透狀態切換至散射狀態：使驅動電壓自第二清透電壓Vc2降低至低電壓VL並保持第二時間段t2，且然後使驅動電壓升高至隱私保護電壓Vp，隱私保護電壓Vp低於或等於第三位準且高於第四位準且低電壓VL低於隱私保護電壓Vp，c)藉由使驅動電壓在隱私保護電壓Vp與低電壓VL之間交替保持散射狀態直至再次切換狀態，其中使隱私保護電壓Vp維持第四時間段t4且使低電壓VL維持第五時間段t5，且其中隱私保護電壓Vp低於或等於第三位準且 高於第四位準且低電壓VL低於隱私保護電壓Vp。
1:可切換光學元件
11:第一玻璃基板
12:第一透明電極
13:第一配向層
14:切換層
15:第二配向層
16:第二透明電極
17:第二玻璃基板
圖式顯示：圖1 根據技術現況使光學元件切換至清透狀態之驅動方法，圖2 根據技術現況使光學元件切換至隱私保護狀態之驅動方法，圖3 使光學元件切換至清透狀態及隨後切換至隱私保護狀態之驅動方法之第一實施例，圖4 使光學元件切換至隱私保護狀態之驅動方法之第二實施例，圖5 顯示發生光學元件狀態切換時之電壓位準之圖，圖6 可切換光學元件之控制層之製備，圖7 可切換光學元件之示意性視圖，圖8 清透狀態之顯微鏡影像，圖9 在第一時間下隱私保護狀態之顯微鏡影像，圖10 在第二時間下隱私保護狀態之顯微鏡影像，及圖11 在第三時間下隱私保護狀態之顯微鏡影像。
使用所提出方法控制之可切換光學元件包含至少一個嵌入多層結構中之切換層。較佳地，切換層位於兩個控制層之間，每一控制層包含較佳透明之電極。較佳地，在控制層之兩個透明電極之間施加AC驅動電壓。
控制層可包含經透明電極塗佈之透明基板。較佳地，控制層另外包含配向膜，其佈置在經塗佈基板之一側上。配向膜較佳佈置在經透明電極塗佈之側上。可在配向方向上摩擦配向膜。
兩個控制層及液晶介質佈置為一個單元，其中液晶介質置於由兩個 控制層形成之空隙中。空隙之大小較佳係1μm至300μm，較佳3μm至100μm且更佳5μm至100μm，且最佳10μm至50μm。
切換層包含液晶介質。液晶介質定義為具有液晶性質之物質。典型液晶介質包含至少一種具有細長棒狀分子之組合物。與本發明結合使用之液晶介質具有至少三種狀態。液晶介質之狀態係使用電場來控制，該電場係由施加在兩個控制層之間之驅動電壓來產生。當不施加電場時，液晶介質鬆弛，且在完成鬆弛後較佳呈平面膽固醇狀態。驅動電壓之電壓及對應於第一位準、第二位準、第三位準及第四位準之電壓在下文中以均方根(RMS)電壓形式給出。
當藉由施加驅動電壓使切換層暴露於電場時，液晶分子之配向發生變化。當所施加電壓高於第一位準時，液晶介質較佳採取垂直狀態。當所施加電壓降低至第二位準以下時，垂直狀態丟失且液晶介質可採取混合狀態或過渡狀態。
當所施加電壓降低至第三位準以下時，液晶介質較佳採取多域狀態。當電壓進一步降低至第四位準以下或設定為0以使得不施加電場時，液晶介質較佳鬆弛回至平面膽固醇狀態中。第一及第二位準之電壓因液晶介質之滯後而有所不同。
當可切換層處於清透狀態時液晶介質較佳呈垂直狀態，且當可切換層處於散射狀態時液晶介質較佳呈多域狀態。
若使用能夠自垂直狀態立即切換至多域狀態中之液晶介質，則不使用過渡或混合狀態。在此情形中，第二位準及第三位準可為相等的。
在垂直狀態(清透狀態)中，棒狀液晶分子垂直於切換層之平面配向。
在平面膽固醇(平面手性向列型)狀態(第三狀態)中，液晶分子平行於 切換層之平面配向且其在垂直於切換層平面之方向上經歷較長範圍之手性順序。
在多域狀態(散射狀態)中，液晶分子平行於切換層之平面配向，其中該等分子不具共同定向軸且無共同螺旋軸。相反，出現分子共用同軸定向之多個域。對於每一域，光傳播性質有所不同。因此，透射穿過切換層之光發生散射。因此光發生漫透射且切換元件看上去模糊。
濁度(漫透射)係由在光穿過材料時發生之光散射引起。使用來自BYK Gardner之BYK haze-gard i儀器來量測濁度H及清晰度C。根據norm ASTM D 1003-00實施量測及計算。
在液晶介質之多域狀態中，切換層看上去模糊且具有至少20%、較佳至少30%、尤佳至少35%且最佳至少40%之濁度H。多域狀態中之清晰度較佳小於80%、更佳小於60%且最佳小於40%。多域狀態亦稱為可切換光學元件之隱私保護狀態。
在液晶介質之垂直狀態中，切換層係透明的且看上去清透並具有小於5%、較佳小於3%之濁度H。垂直狀態中之清晰度C較佳為至少80%、更佳至少90%且最佳至少95%。垂直狀態亦稱為可切換光學元件之清透狀態。
第一位準可由當驅動電壓自0電壓升高時首先觀察到小於5%之濁度H時之電壓位準來界定。
第二位準可由當驅動電壓自第一位準降低時首先觀察到超過或等於5%之濁度H時之電壓位準來界定。
第三位準可由當驅動電壓自第二位準降低時濁度H首次超過20%時之電壓位準來界定。
標誌著自散射狀態過渡至第三狀態之第四位準較佳係由液晶將鬆弛至引起濁度減小之狀態以下之電壓位準來界定。若使電壓位準維持在第四位準以下之位準，則液晶鬆弛及由此引起之濁度減小可隨時間增加。第四位準較佳定義為當驅動電壓自第三位準開始降低時觀察到濁度比散射狀態(隱私保護狀態)中之最大濁度小至少10%時之電壓位準。
因此，第三狀態係由散射狀態之最大濁度之90%或更小之濁度來界定。
較佳地，為找到各別電壓位準，使驅動電壓小幅升高/降低且在每次改變驅動電壓後給予液晶鬆弛及達到穩態之時間。達到穩態後，量測濁度H及/或清晰度C。
為根據所提出方法之步驟(a)使光學元件切換至垂直或清透狀態中，首先使所施加驅動電壓升高至等於或高於第一位準之第一清透電壓Vc1。然後使驅動電壓維持在第一清透電壓Vc1達第一時間段t1。在經過第一時間段t1後，使驅動電壓降低至低於第一位準且高於第二位準之第二清透電壓Vc2。使驅動電壓維持在第二清透電壓Vc2直至欲將光學元件之狀態切換至隱私保護狀態中。
所提出驅動方法僅將液晶分子配向至垂直狀態中所需之強電場施加足夠長之時間以完成過渡至清透狀態。在切換層採取清透狀態後，較弱電場足以使液晶分子保持在垂直狀態中。與施加較高第一清透電壓Vc1相比，施加較低第二清透電壓Vc2需要較小電功率。因此，本發明方法有利地減小使可切換光學元件維持在清透狀態中所需之功率之量。
較佳地，藉由確定第二位準及將安全界限添加至所確定第二位準電壓來選擇第二清透電壓VC2。
第一時間段t1較佳經選擇為1ms至60s。
為使光學元件自垂直或清透狀態切換至多域狀態，將驅動電壓自第二清透電壓Vc2降低至低電壓VL。低電壓VL低於隱私保護電壓Vp且可低於第四位準。較佳地，低電壓VL設定為在0V至1V範圍內之電壓，其中0V最佳。較佳地，使低電壓VL維持第二時間段t2且然後使驅動電壓升高至隱私保護電壓Vp。隱私保護電壓Vp低於或等於第三位準且高於第四位準。較佳地，隱私保護電壓Vp介於0V至10V範圍內，更佳介於3V至6V範圍內。
藉由施加低電壓VL，電場亦有所降低，此容許液晶介質鬆弛。在時間段t2截止後再升高所施加電壓。較佳地，在經過時間段t2後，液晶介質尚未鬆弛至平面膽固醇狀態中且仍處於多域狀態中。
較佳地，在第二時間段t2期間，使驅動電壓自VC2逐步降低至低電壓VL。已發現，自第二清透電壓Vc2逐步緩慢過渡至低電壓VL使得多域狀態中之域之分佈比單步改變所施加電壓獲得之分佈更均勻。因此，在隱私保護狀態中之可切換光學元件之外觀亦更均勻。
第二時間段t2較佳經選擇在1ms至3s範圍內。更佳地，t2選自1s至2s之範圍。
較佳地，在第三時間段t3期間，使驅動電壓自VL逐步升高至Vp。
第三時間段t3較佳經選擇在1ms至60s範圍內。更佳地，t3選自1ms至3s之範圍。
在切換層已採取散射(隱私保護)狀態後，較佳使所施加電壓維持在隱私保護電壓Vp直至再次切換光學元件。
或者，根據該方法之步驟c)，在切換層已採取散射狀態後，使所施加 電壓在隱私保護電壓Vp與低電壓VL之間交替，其中使驅動電壓分別維持在隱私保護電壓Vp達第四時間段t4及低電壓達第五時間段t5。當電壓設定為低電壓VL時，液晶介質緩慢鬆弛回至第三狀態(平面膽固醇狀態)中。此過程在電壓再設定為隱私保護電壓Vp時發生逆轉。藉由使所施加驅動電壓在低電壓VL與隱私保護電壓Vp之間交替，能量消耗有所減少，此乃因電場僅以全強度施加總時間之一部分。此外，避免了恆定施加電壓之域之逐步增長。因此，隱私保護狀態係穩定的。
第四時間段t4較佳經選擇為1s至60s。第五時間段t5較佳經選擇為1s至60s。
所施加電壓較佳為AC電壓，更佳為具有方波形或正弦波形之AC電壓。較佳地，AC電壓之頻率經選擇在0.1Hz至1000Hz範圍內，更佳在40Hz至80Hz範圍內。
可切換光學元件較佳係可自透明清透狀態切換至模糊隱私保護狀態之窗元件。
較佳地，在裝置之至少一種狀態中，液晶介質處於具有向列定向分子之相中。
液晶介質可進一步包含聚合物部分。
較佳地，聚合物部分包含藉由聚合反應性液晶原獲得之聚合網絡。
較佳地，液晶介質包含手性摻雜劑，其中液晶介質中手性摻雜劑之量為0.1重量%至30重量%、更佳0.1重量%至10重量%。
液晶介質之散射狀態較佳出現在所施加電壓小於出現清透狀態之電壓下。具體而言，用於達成散射切換狀態之所施加電壓顯著大於0，較佳2V至10V，尤佳3伏至7伏。用於達成清透狀態之所施加電壓較佳介於10V 與60V之間，尤佳介於15V與50V之間，最佳介於15V與30V之間。
若切換層處於切換狀態(其中H>20%)、即處於散射狀態中，則液晶介質之分子較佳處於手性向列相中。
在另一較佳實施例中，處於散射狀態(其中H>20%)中之手性向列相係在多域(polydomain)(多域(multidomain)狀態)中配向之相。出於本發明之目的，「在多域中配向之相」意指其中液晶介質之分子不具統一定向軸且不具統一共同線性螺旋軸之狀態。切換層中在多域中配向之相之優點在於其係均勻的，且較佳在整個區域中不含可見缺陷。具體而言，此係相對於其中出現統一地平行於基板層之螺旋之相及/或相對於具有所謂的條形域之相的優點。在多域中配向之相之另一優點在於其可使用以平面或垂直方式定向之習用配向層(配向膜)達成，即無需依賴於配向層之特殊額外處理。
在另一較佳實施例中，一種切換狀態中之手性向列相係至少局部扭轉，或者亦呈可自其形成之上位宏觀結構佈置。
在另一較佳實施例中，在另一切換狀態中之相無扭轉，即以垂直或平面方式配向，或其具有低扭轉度。低扭轉度在此處意指分子在層厚度內之扭轉為5°-360°、較佳45°-300°、且尤佳90°、180°或270°。
手性摻雜劑較佳均勻分佈在向列相中，以使得液晶介質及手性摻雜劑之分子均勻分佈在彼此中。
手性摻雜劑尤佳溶解於向列相中。
手性向列相較佳係以向列型液晶混合物形式使用，其中混合物具有折射率各向異性△n及介電各向異性△ε。較佳地，混合物具有正介電各向異性△ε。混合物較佳具有在0.03至0.40範圍內、尤佳在0.07至0.30範圍內 之折射率各向異性△n及/或在-50至+100範圍內、尤佳在-15至+70範圍內之介電各向異性△ε。此外，上文針對介電各向異性△ε指示之較佳值適用於此方面中。
液晶混合物較佳包含至少一種組分I化合物、至少一種組分II化合物及至少一種組分III化合物。
組分I化合物選自含有至少一個選自以下之端基之二環化合物：F、CN、具有1至10個C原子之烷基、具有2至10個C原子之烯基及具有1至10個C原子之烷氧基。
組分II化合物選自含有至少一個選自以下之端基之三環化合物：F、CN、具有1至10個C原子之烷基、具有2至10個C原子之烯基及具有1至10個C原子之烷氧基。
組分III化合物選自含有至少一個選自以下之端基之四環化合物：F、CN、具有1至10個C原子之烷基、具有2至10個C原子之烯基及具有1至10個C原子之烷氧基。
液晶介質中組分I、II及III之化合物之比例總共較佳為至少70重量%，較佳至少80重量%，且尤佳至少85重量%。
較佳使用之液晶分子之混合物係下文所繪示分子之混合物，稱為液晶介質#1(LCM-1)：
Figure 107110632-A0305-02-0013-1
Figure 107110632-A0305-02-0014-3
Figure 107110632-A0305-02-0014-4
Figure 107110632-A0305-02-0014-5
Figure 107110632-A0305-02-0014-6
Figure 107110632-A0305-02-0014-7
Figure 107110632-A0305-02-0014-8
Figure 107110632-A0305-02-0014-2
液晶介質LCM-1之組成給出於表1中。
Figure 107110632-A0305-02-0015-9
較佳使用之液晶分子之另一混合物係下文所繪示分子之混合物，稱為液晶介質#2(LCM-2)：
Figure 107110632-A0305-02-0015-10
Figure 107110632-A0305-02-0015-11
Figure 107110632-A0305-02-0015-12
Figure 107110632-A0305-02-0016-14
Figure 107110632-A0305-02-0016-15
Figure 107110632-A0305-02-0016-16
Figure 107110632-A0305-02-0016-17
Figure 107110632-A0305-02-0016-18
Figure 107110632-A0305-02-0016-13
 CGPC-5-3
Figure 107110632-A0305-02-0017-19
Figure 107110632-A0305-02-0017-20
Figure 107110632-A0305-02-0017-21
Figure 107110632-A0305-02-0017-22
液晶介質LCM-2之組成給出於表2中。
Figure 107110632-A0305-02-0017-23
Figure 107110632-A0305-02-0018-24
所用手性摻雜劑較佳係下文所繪示分子中之一者，尤佳者係下文所顯示之手性摻雜劑S-5011或S-811：
Figure 107110632-A0305-02-0018-25
Figure 107110632-A0305-02-0019-26
Figure 107110632-A0305-02-0020-27
切換層較佳具有平均折射率n，且分子具有間距p，其中乘積n．p係>0.8μm、尤佳>1.0μm、極佳>1.2μm且尤佳在50μm至0.8μm範圍內，且極佳在25μm至0.8μm範圍內。
另外較佳地，間距p介於0.5μm與50μm之間，尤佳介於0.5μm與30μm之間，且極佳介於0.5μm與15μm之間。p最佳介於1μm與5μm之間。已發現，由此可達成低切換電壓。低切換電壓有利於可切換窗，尤其出於安全性原因考慮。
值p可由熟習此項技術者經由適當選擇手性摻雜劑及其螺旋扭轉力β及經由其濃度來調整。
在包含具有手性摻雜劑之液晶介質之切換層之另一較佳實施例中，較佳使用具有螺旋扭轉力β=(p．c)-1μm-1之手性摻雜劑，其中p係液晶介質分子之間距(μm)且c係手性摻雜劑基於整個液晶介質之濃度(重量%)，且其中β大於5μm-1。手性摻雜劑較佳具有介於5μm-1與250μm-1之間、尤佳介於7μm-1與150μm-1之間之螺旋扭轉力。
另外較佳地，值d/p係>2，其中d係切換層之厚度，且p係液晶介質分子之間距。d/p尤佳<20。d/p極佳具有3與10之間之值。具體而言，d/p之適當值使得能夠獲得高散射切換層，即具有高濁度值之切換層。
一般而言，液晶介質較佳具有>90℃、更佳>100℃或>105℃且極佳>110℃之澄清點。
此外，切換層之液晶介質通常較佳具有>1.0．109歐姆．cm、尤佳>1.0．1011歐姆．cm之比電阻。
在圖1中繪製根據技術現況使可切換光學元件切換至清透狀態之驅動方案。該圖顯示AC驅動電壓對時間之均方根值(RMS)。
為使可切換光學元件自隱私保護狀態II切換至清透狀態I，使驅動電壓升高至清透電壓Vc。只要維持清透狀態，驅動電壓即保持在恆定位準Vc。
在圖2中繪製根據技術現況使可切換光學元件切換至隱私保護狀態之驅動方案。該圖顯示AC驅動電壓對時間之均方根值(RMS)。
為使可切換光學元件自清透狀態I切換至隱私保護狀態II，使驅動電壓降低至隱私保護電壓Vp。只要維持隱私保護狀態，驅動電壓即保持在恆定位準Vp。
圖3繪示所提出驅動方案之第一實施例。在圖3之圖中繪製AC驅動電壓之RMS值對時間t。
為使可切換光學元件自隱私保護狀態II切換至清透狀態I，首先使驅動電壓升高至第一清透電壓Vc1。使此所施加電壓維持第一時間段t1。在經過第一時間段t1後，使驅動電壓降低至第二清透電壓Vc2。只要維持清透狀態，驅動電壓即保持在恆定位準Vc2。
為使可切換光學元件自清透狀態I切換至隱私保護狀態II，首先使驅動電壓降低至低電壓VL，其較佳設定為0V。該降低係在第二時間段t2內逐步實施。在時間段t2結束時，所施加驅動電壓處於低電壓VL且使其自此再升高至隱私保護電壓Vp。驅動電壓之升高亦係在時間段t3內逐步進行。在時間段t3截止後，使驅動電壓維持在恆定位準Vp直至進行下一切換。
圖4繪示所提出驅動方案之另一實施例。在圖4之圖中繪製AC驅動電壓之RMS值對時間t。
為使可切換光學元件自清透狀態I切換至隱私保護狀態II，首先使驅動電壓降低至低電壓VL，其較佳設定為0V。該降低係在第二時間段t2內逐步實施。在時間段t2結束時，所施加驅動電壓處於低電壓VL且使其自此單步再升高至隱私保護電壓Vp。使驅動電壓維持在隱私保護電壓Vp達第四時間段t4。在時間段t4截止後，使驅動電壓單步降低至低電壓VL。使低電壓維持第五時間段t5。在第五時間段截止後，使驅動電壓再升高至隱私保護電壓Vp。使驅動電壓以所述方式在隱私保護電壓Vp與低電壓VL之間交替直至進行下一切換至清透狀態。
圖5顯示驅動電壓對時間之圖，其中驅動電壓以線性方式升高至最大電壓且然後再降低。
當驅動電壓升高時，可切換光學元件在驅動電壓超過第一位準時採取清透狀態。對應於第一位準之電壓在圖5中以V1標記。當隨後驅動電壓降低時，在同一位準下不發生鬆弛回至散射(隱私保護)狀態。光學元件保持在清透狀態中直至驅動電壓降低至第二位準(在圖5中以V2標記)以下。利用此滯後來界定第一清透電壓位準及第二清透電壓位準。第一清透電壓Vc1經選擇等於或稍高於以圖5中之V1標記之電壓且第二清透電壓Vc2經選擇等於或稍高於以圖5中之V2標記之電壓。藉由添加安全界限使第一及第二清透電壓較佳經選擇稍高於各別V1及V2電壓，以確保第一清透電壓始終足夠高至使光學元件安全地切換至清透狀態中且第二清透電壓足夠高至安全地維持清透狀態。
圖6顯示可切換光學元件之控制層之製備。藉由去除矩形基板之兩個 對角將兩個玻璃基板切割成圖6中所繪示之形狀。用氧化銦錫(ITO)透明電極塗佈玻璃基板。另外，將配向層佈置在ITO電極上。當佈置在其中兩個玻璃基板形成接收液晶介質之空隙之單元中時，配向層提供用於液晶分子配向之較佳方向。在圖6之實施例中，兩個玻璃基板之配向層佈置在90°之摩擦方向之各別角處。諸如30°、40°、50°、60°、70°及80°及100°、110°、120°、130°、140°及150°等替代角亦係可能的。
對於兩個玻璃基板中之每一者，已切割掉兩個角。當兩個玻璃基板佈置在單元構形中時，ITO電極面向所形成空隙之內側。切角暴露電極之部分且因此容許電極電接觸。
圖7顯示可切換光學元件1之示意性視圖。可切換光學元件1以此順序包含第一玻璃基板11、第一透明電極12、第一配向層13、切換層14、第二配向層15、第二透明電極16及第二玻璃基板17。
切換層14包含液晶介質。液晶介質之狀態由施加在第一透明電極12與第二透明電極16之間之驅動電壓產生之電場控制。
圖8顯示清透狀態之顯微鏡影像。在顯微鏡影像中可見之結構係基板之玻璃表面之結構及缺陷。未見切換層之結構。
圖9顯示在第一時間下隱私保護狀態之顯微鏡影像。該影像繪示藉由首先將驅動電壓設定為隱私保護電壓Vp進行切換後不久之隱私保護狀態。該影像顯示各域均勻分佈。
圖10顯示在第二時間下隱私保護狀態之顯微鏡影像。該影像繪示根據圖4中所顯示之驅動方法在第五時間段t5結束時之隱私保護狀態。一些區域已鬆弛回至平面膽固醇狀態中，但大多數域仍具有小大小以使得在所繪示時間下仍維持光學元件之隱私保護狀態。
圖11顯示在第三時間下隱私保護狀態之顯微鏡影像。該影像繪示根據圖4中所顯示之驅動方法在第四時間段t4結束時之隱私保護狀態。該影像亦顯示多域狀態之各域之均勻分佈。
實例 實例1：
獲得兩個導電ITO(氧化銦錫)塗佈之玻璃片。將該等片切割且研磨成圖6中所繪示之形狀。
洗滌基板後，將聚醯亞胺配向層印刷在其經塗佈側上。在烘箱中烘烤基板且摩擦聚醯亞胺以獲得相互旋轉90°之配向層。隨後，使基板佈置為具有25μm單元空隙(配向層面向內側)之單元。當組合至單元中時，一個基板之切角面向另一基板之非切角，從而產生可建立電觸點之四個區域。
製備由向列型液晶介質LCM-1(關於組成參見表1)及1.2wt%之手性摻雜劑R-5011組成之混合物。隨後，利用真空填充使用液晶/手性摻雜劑混合物填充單元，壓縮並置於烘箱中用於最終固化步驟。為獲得可切換窗，將液晶單元與玻璃片組合成絕緣玻璃單元。藉由焊接將電佈線附接至接觸區域上。
製備具有60Hz頻率及方波形與可控電壓之AC電源且將其連接至可切換窗。
為獲得清透狀態，施加約10秒之57V RMS(均方根)電壓。隨後，使電壓降低至45V，仍保持清透狀態。濁度H經量測為0.5%且清晰度C經量測為99.8%(量測係使用norm ASTM D 1003-00之BYK haze-gard i儀器來進行)。
為獲得隱私保護狀態，藉由在3秒內逐步降低電壓使電壓自45V降低至4V。濁度H經量測為85%且清晰度C經量測為29%。
實例2：
製造與實例1類似之具有25μm單元空隙之玻璃單元。然而，此次不施加配向層。製備由向列型液晶介質LCM-2(關於組成參見表2)及2.1wt%之手性摻雜劑S-811組成之混合物。隨後，用液晶/手性摻雜劑混合物填充單元。藉由焊接附接電佈線且將單元連接至可變電壓源。
藉由使電壓自25V降低至5V使單元切換至散射狀態。圖9中所顯示之顯微鏡影像繪示所觀察到之多域狀態。
當單元自25V切換至0V且隨後保持在0V時，可觀察到逐步增長之平面域，如在圖10中所顯示之顯微鏡影像中可見。此導致逐漸失去隱私保護。
使單元自25V切換至5V，然後切換至0V，且在30秒後返回至5V。在自25V切換至5V後，獲得多域狀態。在0V下，平面域開始逐漸增長。然後使單元經30秒切換回至5V。在該30秒後，再次獲得完整多域狀態(參見圖11)。繼續在0V與5V之間變化之此模式，藉此維持散射窗。

Claims (12)

  1. 一種電力驅動可切換光學元件之方法，該可切換光學元件包含至少一個切換層，其中該可切換光學元件係窗元件，其中該切換層包含具有至少三種狀態之液晶介質，該液晶介質之該狀態由所施加電場控制，其中當驅動電壓超過第一位準時該切換層採取清透狀態，其中當該驅動電壓降低時，該清透狀態保持直至該驅動電壓降至第二位準以下，其中當該驅動電壓進一步降低且降至第三位準以下時該切換層採取散射狀態，且其中當該驅動電壓進一步降低且降至第四位準以下時該切換層採取第三狀態，該方法包含藉由以下自該清透狀態切換至該散射狀態：使該驅動電壓自低於該第一位準且高於該第二位準之第二清透電壓(Vc2)降低至低電壓(VL)並保持第二時間段(t2)且然後使該驅動電壓升高至隱私保護電壓(privacy voltage)(Vp)，該隱私保護電壓(Vp)低於或等於該第三位準及高於該第四位準且該低電壓(VL)低於該隱私保護電壓(Vp)，及藉由使該驅動電壓在該隱私保護電壓(Vp)與該低電壓(VL)之間交替保持該散射狀態直至再次切換該狀態，其中使該隱私保護電壓(Vp)維持第四時間段(t4)且使該低電壓(VL)維持第五時間段(t5)。
  2. 如請求項1之方法，該方法進一步包含藉由以下自該散射狀態或該第三狀態切換至該清透狀態：使該驅動電壓升高至等於或高於該第一位準之第一清透電壓(Vc1)並使該驅動電壓維持在該第一清透電壓(Vc1)達第一時間段(t1)，且然後使該驅 動電壓降低至該第二清透電壓(Vc2)並使該驅動電壓維持在該第二清透電壓(Vc2)，直至再次切換該狀態。
  3. 如請求項1或2之方法，其中該驅動電壓係頻率為0.1Hz至1000Hz之方波形。
  4. 如請求項2之方法，其中該第一時間段(t1)係1ms至60s。
  5. 如請求項1或2之方法，其中該第二時間段(t2)係1ms至3s。
  6. 如請求項1或2之方法，其中當該切換層處於該清透狀態時，該切換層之濁度(haze)小於5%。
  7. 如請求項1或2之方法，其中當該切換層處於該散射狀態時，該切換層具有至少20%之濁度。
  8. 如請求項1或2之方法，其中自該散射狀態過渡至該第三狀態係藉由該濁度自該散射狀態中觀察到之最大濁度減小至少10%來界定。
  9. 如請求項1或2之方法，其中該液晶介質具有至少垂直狀態(homeotropic state)及多域狀態，且其中當該液晶介質處於該垂直狀態時該切換層處於該清透狀態，且當該液晶介質處於該多域狀態時該切換層處於該散射狀態。
  10. 如請求項1或2之方法，其中該液晶介質具有正介電各向異性(△ε)。
  11. 如請求項1或2之方法，其中該液晶介質包含手性摻雜劑(chiral dopant)，其中該液晶介質中該手性摻雜劑之量係0.1重量%至30重量%。
  12. 如請求項1或2之方法，其中該液晶介質包含聚合物部分。
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