Переключаемое жидкокристаллическое устройство с низкой мутностью для использования в переключаемом окне или подобном - RU2740691C2
Код документа: RU2740691C2
Чертежи
Описание
ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННУЮ ЗАЯВКУ
Эта заявка основана на и испрашивает приоритет предварительной заявки на патент США с порядковым №62/312118, поданной в ведомство по патентам и товарным знакам США 23 марта 2016 года, содержание которой во всей своей полноте включено сюда посредством ссылки.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Область техники
Переключаемое окно («умное» окно или окно с изменяемыми свойствами) включает в себя электрооптический слой из или содержащий анизотропный гель из стабилизированного полимером высокохирального жидкого кристалла, например, жидкого кристалла в голубой фазе, заключенного, например, в содержащую мезогенный полимер оболочку, который образует самособранный трехмерный фотонный кристалл, который сохраняет способность к электрооптическому переключению при умеренном приложенном напряжении (например, электрическом поле). Жидкокристаллическое (ЖК) устройство можно получить посредством собираемой полимером системы жидких кристаллов в голубой фазе, имеющей по существу непрерывный полимерный структурный каркас, окружающий четко выраженные дискретные тела жидкокристаллического материала, расположенные ячеистым образом. Эти собранные структуры глобально соединены с образованием матрицы. Этим обеспечивается снижение углового двулучепреломления высокохиральных жидкокристаллических систем, что выгодно уменьшает мутность при таких применениях, как переключаемые окна. Такие переключаемые жидкокристаллические устройства с низкой мутностью можно использовать в различных областях применения, включая, но без ограничения, переключаемые окна для использования в качестве окон коммерческих зданий, внутренних или внешних окон офисных зданий и/или окон жилых зданий.
Описание предшествующего уровня техники
Примером переключаемого окна является электрически переключаемое окно, которое изменяет характеристики светопропускания в ответ на электрическое поле. Известные применения этой технологии включают окна и/или остекление в транспортных средствах, коммерческих зданиях (например, офисах, конференц-залах, вестибюлях, сооружениях, витринах и т.д.) и/или жилых зданиях. Переключаемые окна также могут называться шторами конфиденциальности.
В некоторых случаях прозрачное (не переключаемое) окно, которое всегда является полностью прозрачным, может быть нежелательным. Например, солнечный свет, проходящий через окно транспортного средства, может приводить к ослеплению пассажиров транспортного средства и/или появлению излишнего тепла в салоне транспортного средства. Поэтому предпочтительно, чтобы окно могло обеспечить возможность пропускания некоторого количества света в удобное время и задержки света в другое удобное время. Для регулирования светопропускания через окно некоторые окна содержат фотохромный или термохромный материал, характеристики пропускания которого изменяются, исходя из количества света, падающего на материал. Эти изменения характеристик пропускания всегда происходят автоматически и не могут быть откорректированы человеком или путем иного вмешательства и не могут динамически регулироваться приложением, например, электрического поля к материалу.
С другой стороны, жидкие кристаллы (ЖК), например, диспергированные в полимере жидкие кристаллы (ДПЖК) и адресуемые плазмой жидкие кристаллы (АПЖК), изменяют интенсивность света, проходящего через жидкокристаллическую среду/слой, за счет изменения ориентации молекул жидкого кристалла, взвешенных в среде/слое, в ответ на электрическое поле. Неизменное электрическое поле может быть приложено за счет напряжения постоянного тока (DC). В ином случае полярность электрического поля может периодически переключаться за счет приложения напряжения переменного тока (AC). Прикладываемое напряжение может быть электрически связано с контроллером (например, с электронным блоком управления, синхронизатором, переключателем и т.д.), который приводится в действие автоматически при изменении окружающих или других условий, или же он может быть приведен в действие с помощью переключателя человеком-оператором. Жидкие кристаллы даже могут иметь промежуточные состояния между включенным состоянием (пропускания или частичного пропускания) и выключенным состоянием (непрозрачным или по существу непрозрачным) благодаря изменению интенсивности электрического поля жидкокристаллической среды/слоя.
Переключаемые окна или шторы конфиденциальности, использующие жидкие кристаллы, обычно содержат жидкокристаллический слой регулируемой толщины (обычно задаваемой прокладками в промежутке ячеек), расположенный между двумя подложками. На стороне каждой подложки, обращенной к жидкокристаллическому слою, нанесено прозрачное электропроводящее покрытие для обеспечения возможности приложения электрического поля к жидкокристаллическому слою. Подложки могут представлять собой стекло или полимерную пленку. Если подложки представляют собой пленку, можно наслаивать жидкокристаллическую пленку на одну или обе стороны обычных оконных стекол при использовании промежуточного слоя, такого как слой поливинилбутерата (ПВБ) и сополимера этилена и винилацетата (СЭВ). Такое объединенное слоистое изделие из жидкокристаллической пленки и стекла иногда называют твердотельным переключаемым окном.
В процессе наслаивания жидкокристаллической пленки между оконными стеклами при использовании одного или более промежуточных листов пленку подвергают воздействию давления, повышенной температуры и вакуума. Из-за несоответствия коэффициентов теплового расширения различных материалов могут возникать трудности. Кроме того, даже после наслаивания при последующем обращении с законченным слоистым изделием жидкокристаллический слой может подвергаться воздействию сдвигающих сил, когда два оконных стекла, между которыми расположен жидкокристаллический слой, изгибаются, особенно, если протяженность окна больше 1 м в любом направлении. Чтобы пленка выдерживала процесс наслаивания и последующее обращение, жидкокристаллический слой может иметь полимерную (или иную) структуру основной цепи для поддержания жидкого кристалла. Имеются несколько известных структур полимер-жидкий кристалл. Каждой присущи недостатки. Некоторые по своей сути непригодны для наслаивания, в то время как те, которые могут наслаиваться, испытывают оптические проблемы, такие как излишняя мутность или чрезмерно ограниченный диапазон углов наблюдения прозрачности.
Диспергированные в полимере жидкие кристаллы (ДПЖК) обычно получают индуцированием фазового разделения исходно однородной смеси жидкого кристалла и мономеров. Приготовление диспергированных в полимере жидких кристаллов включает в себя фазовое разделение, которое может инициироваться полимеризацией мономерной матрицы при отверждении ультрафиолетовым (УФ) излучением или теплом, или даже при быстром испарении растворителей. По мере полимеризации мономера жидкокристаллическая фаза разделяется на микроскопические капли или домены, или карманы, окруженные стенками отвержденной полимерной матрицы, которые создают «основу» (каркас) для удержания жидкого кристалла. Смесь отвержденного полимера и жидкого кристалла удерживается между двумя листами полиэтилена (ПЭ)/полиэтилентерефталата (ПЭТ), часто покрытого прозрачными электропроводящими оксидами (ПЭПО), через которые прикладывается электрическое поле. При отсутствии адресации (например, когда напряжение отсутствует и/или прикладывается напряжение ниже порогового напряжения жидкого кристалла) нематическая текстура в доменах жидкого кристалла ориентируется случайным образом относительно других соседних доменов и появляется белесоватость и/или непрозрачность, вызванная рассеянием света.
На фиг. 1(а) показано стеклянное окно 100 с диспергированным в полимере жидким кристаллом в выключенном состоянии по предшествующему уровню техники. Предусмотрены две стеклянные подложки 102а, 102b. На соответствующие внутренние поверхности внешних подложек 102а и 102b нанесено электропроводящее покрытие 104. В полимерной смеси 106 расположено множество капель 108 жидкого кристалла (ЖК). Когда напряжение не прикладывается, капли 108 ориентированы случайным образом, а падающий свет I преломляется ими, обуславливая рассеивание света в направлениях, показанных пунктирными линиями со стрелками.
В состоянии адресации (когда к жидкокристаллическому слою прикладывается напряжение выше порогового напряжения) нематическая текстура в различных доменах ориентируется электрическим полем, тем самым обеспечивая непрозрачное состояние, как показано на фиг. 1(b). Фиг. 1(b) представляет собой стеклянное окно 100 с диспергированным в полимере жидким кристаллом во включенном состоянии по предшествующему уровню техники. Фиг. 1(b) аналогична фиг. 1(а) за исключением того, что к слою диспергированного в полимере жидкого кристалла через проводник 104 и одну или более шин (не показаны) приложено напряжение V. Напряжение побуждает капли жидкого кристалла из слоя диспергированного в полимере жидкого кристалла ориентироваться по существу параллельно электрическому полю, обуславливая прохождение падающего света I через окно 100, для обеспечения по существу прозрачного состояния.
В обычных переключаемых окнах с диспергированным в полимере жидким кристаллом используют жидкокристаллические слои, в которых происходит значительное изменение эффективного показателя преломления примерно от 1,51 до примерно 1,77 при переходе угла падения от 0 до 90°, что приводит к такой значительной мутности окна, что значения мутности превышают 10% при больших углах наблюдения. Большие значения мутности являются нежелательными как при углах наблюдения по нормали, так и при больших углах наблюдения, таких как 45° от нормали, поскольку они делают окно эстетически неприятным.
В патентном документе США №2009/0115922 под авторством Виресами (Veerasamy), полное содержание которого включено сюда путем ссылки, делается попытка преодолеть некоторые из недостатков, связанных с деградацией диспергированного в полимере жидкого кристалла, путем использования низкоэмиссионного покрытия (с низкой излучательной способностью). Однако окно из №2009/0115922 имеет высокую мутность и во включенном, и в выключенном состояниях.
Фиг. 2 представляет собой поперечное сечение окна по предшествующему уровню техники согласно варианту осуществления из патентного документа США №2009/0115922. В окне по фиг. 2 предусмотрены две подложки 202, 204 (например, стеклянные подложки), включая внешнюю подложку 202 и внутреннюю подложку 204. На внутреннюю поверхность внешней подложки 202 нанесено низкоэмиссионное покрытие 206. Слой 212 прозрачного электропроводящего оксида (ПЭПО), предназначенный для приложения напряжения к слою 214 диспергированного в полимере жидкого кристалла (ДПЖК), расположен между слоем 214 диспергированного в полимере жидкого кристалла и низкоэмиссионным покрытием 206.
Предусмотрены первый и второй слои 208 слоистого материала. Первый и второй слои 210 полимера (например, полиэтилена (ПЭ)/полиэтилентерефталата (ПЭТ)) расположены на внутренних поверхностях соответствующих первого и второго слоев 208 слоистого материала. Переключаемый слой 214 диспергированного в полимере жидкого кристалла расположен между первым и вторым слоями 212 по существу прозрачного электропроводящего оксида (ПЭПО). Слои прозрачного электропроводящего оксида могут быть образованы напылением на одну или обе поверхности диспергированного в полимере жидкого кристалла 214 и/или соответствующие поверхности первого и второго полимерных слоев 210.
Вне зависимости от какой-либо деградации, заметная мутность остается как следствие структуры диспергированного в полимере жидкого кристалла. Еще одна причина деградации в устройствах на диспергированных в полимере жидких кристаллах и адресуемых плазмой жидких кристаллах заключается в том, что их модуляция основана на перемещении простых планарных или закрученных нематических жидких кристаллов, которое по своему характеру основано на относительно медленном электродвижущем механизме, являющемся следствием вязкоупругих свойств на молекулярных уровнях. Свойства, связанные с электрическим напряжением, также делают такие устройства предрасположенными к долговременной деградации вследствие, например, погодных условий, таких как ультрафиолетовое излучение и влажность. Соответствующей проблемой в прозрачном состоянии или состоянии пропускания является уровень остаточной мутности, который возрастает при больших углах наблюдения окна по патентному документу США №2009/0115922.
Другие примеры включают использование нематических жидких кристаллов с криволинейно выровненными фазами (НЖКВФ) и стабилизированных полимером холестерических ячеек (СПХЯ), для которых характерны аналогичные недостатки в отношении остаточной мутности в состоянии пропускания (например, во включенном) при увеличении углов наблюдения.
В этой связи имеется необходимость в улучшенном жидкокристаллическом устройстве, которое решает проблемы и недостатки, связанные с известными устройствами на диспергированных в полимере жидких кристаллах, такие как, например, неприемлемо высокие значения остаточной мутности в прозрачном состоянии или состоянии пропускания, особенно при увеличении углов наблюдения.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Для преодоления вышеупомянутых и других недостатков, связанных с известными устройствами на основе диспергированных в полимере жидких кристаллов, адресуемых плазмой жидких кристаллов, жидких кристаллов с нематической криволинейно выстроенной фазой, стабилизированных полимером холестерических ячеек и т.п., таких как, например, но без ограничения, относительно большие значения мутности, особенно при увеличении углов наблюдения, настоящее раскрытие предоставляет новое устройство на жидких кристаллах, содержащее анизотропный гель из стабилизированного полимером высокохирального жидкого кристалла, примером которого может быть жидкий кристалл в голубой фазе, заключенный, например, в содержащую мезогенный полимер оболочку, который образует самособранный трехмерный фотонный кристалл, который сохраняет способность к электрооптическому переключению при умеренном приложенном напряжении (например, электрическом поле).
Например, устройство на стабилизированных полимером высокохиральных жидких кристаллах может быть выполнено на основе собираемой полимером системы жидких кристаллов в голубой фазе, имеющей по существу непрерывный полимерный структурный каркас, окружающий четко выраженные дискретные тела жидкокристаллического материала, расположенные ячеистым образом. Эти собранные структуры глобально соединены с образованием матрицы. Этим обеспечивается снижение углового двулучепреломления высокохиральных жидкокристаллических систем.
Ячейки стабилизированного полимером высокохирального жидкокристаллического материала характеризуются многодоменным рабочим состоянием, в соответствии с которым жидкокристаллический материал в каждом теле расположен в нескольких доменах, при этом каждый домен характеризуется количеством жидкокристаллического материала, молекулы которого имеют по существу общий идентифицируемый небольшой геликоидальный шаг в направлении по меньшей мере одной оси, при этом результирующие упорядочения соседних доменов по существу расходятся относительно друг друга и стабильны во времени. При приложении электрического поля молекулы жидкого кристалла в каждом домене приобретают сходную конфигурацию, так что электрооптические свойства системы согласуются с электрооптическими свойствами полимера-хозяина, а система становится прозрачной и имеет очень низкую остаточную мутность в состоянии пропускания (например, в диапазоне менее 4% при практически всех углах наблюдения, включая большие внеосевые углы наблюдения). В то же самое время такое жидкокристаллическое устройство сохраняет высокую непрозрачность в состоянии непропускания, например, значение мутности составляет 97-100%.
Примером стабилизированного полимером высокохирального жидкого кристалла является собранный полимером жидкий кристалл в голубой фазе. Для удобства описания в раскрытии различные варианты осуществления могут описываться со ссылкой на жидкий кристалл в голубой фазе. Специалисту в данной области техники следует понимать, что раскрытие не ограничено жидким кристаллом в голубой фазе и что в общем раскрытие относится к стабилизированному полимером высокохиральному жидкому кристаллу, и что приведенное здесь описание равным образом применимо к любому стабилизированному полимером высокохиральному жидкому кристаллу. Кроме того, капли стабилизированного полимером высокохирального жидкого кристалла (например, жидкого кристалла в голубой фазе, заключенного в содержащую полимер оболочку) могут быть расположены на электрооптических пленках как перпендикулярно к оконному стеклу, так и в плоскости переключения электрического поля. Например, пленки могут быть приготовлены индуцированным испарением растворителя фазовым разделением смеси жидкого кристалла в голубой фазе (ЖКГФ) и полимера. Пленка может быть нанесена непосредственно, например, на стекло или полиэтилен/полиэтилентерефталат, наслоенный между двумя покрытыми электропроводящими подложками (например, электропроводящими подложками, покрытыми оксидом индия-олова), и это позволит осуществлять переключение между состоянием рассеяния света и прозрачным состоянием в ответ на электрическое поле, приложенное к пленке.
Стабилизированный полимером высокохиральный жидкий кристалл (например, жидкий кристалл в голубой фазе), заключенный в содержащую полимер оболочку, может быть получен смешиванием стабилизированного гиперзакрученного жидкого кристалла со смесью мономеров, включающей один или более мономеров и фотоинициатор. Содержащая полимер оболочка предпочтительно представляет собой смесь полимера и жидкого кристалла. Гиперзакрученный жидкий кристалл может быть составлен смешиванием нематического жидкокристаллического материала с одной или более хиральными примесями (которые здесь могут называться «закручивателями»), что приводит к получению стабилизированного гиперзакрученного жидкого кристалла. Когда стабилизированный гиперзакрученный жидкий кристалл и смесь мономеров смешивают, результатом является жидкий кристалл, имеющий бистабильное состояние, содержащий множество дискретных сфероидальных тел из гиперзакрученного хирального нематического жидкого кристалла, микроинкапсулированного в содержащую полимер оболочку (микроячейки). Введение хиральных примесей в нематический жидкий кристалл вызывает закручивание жидкого кристалла. Гиперзакрученный жидкий кристалл затем может образовать самособранный трехмерный фотонный кристалл, который сохраняет способность к электрооптическому переключению при умеренном приложенном напряжении. Эта компоновка жидких кристаллов здесь может называться жидким кристаллом в голубой фазе. Получающийся в результате стабилизированный полимером высокохиральный жидкий кристалл, заключенный в содержащую полимер оболочку, здесь может называться рассеивателем со структурой ядро-оболочка. Короче говоря, рассеиватель содержит ядро из несмешивающегося нематического жидкого кристалла и хиральные примеси (закручиватели), заключенные в содержащую полимер оболочку. Рассеиватели со структурой ядро-оболочка могут быть распределены по полимерному остову (каркасу) или связующей полимерной матрице.
Применение рассеивателя со структурой ядро-оболочка вместо молекулярного двулучепреломления разрешает и преодолевает проблемы, связанные с несовпадением показателей преломления из-за, например, периферийных нематогенов. Предпочтительно в качестве ядра рассеивателя применять стабилизированный полимером высокохиральный жидкий кристалл с очень небольшим шагом спирали (например, жидкий кристалл в голубой фазе). Шаг спирали зависит как от энергии закручивания, так и от концентрации хиральных примесей, используемых для получения высокохирального жидкого кристалла (например, жидкого кристалла в голубой фазе). Использование смесей нематических жидких кристаллов и хиральных примесей обеспечивает получение нескольких преимуществ, включая, например, но без ограничения, индуцирование интервала несмешиваемости в условиях окружающей среды; повышение непрозрачности в выключенном состоянии (непропускания) вследствие случайного двулучепреломления в выключенном состоянии; и возможность подстройки двулучепреломления приложенным электрическим полем так, чтобы во включенном состоянии (пропускания) мутность была низкой (например, <4% для широкого диапазона углов наблюдения, например, 60° или больше). Мутность может быть уменьшена путем проектирования слоя так, чтобы эффективные показатели преломления (коэффициенты преломления) по меньшей мере некоторых его компонентов во включенном состоянии изменялись незначительно в широком диапазоне углов наблюдения.
Обычно жидкие кристаллы выполняют из стержневидных молекул, которые выстроены в линию в по меньшей мере одном направлении, оставаясь подвижными и неупорядоченными в других направлениях. В стабилизированном полимером высокохиральном жидком кристалле, таком как, например, но без ограничения, жидкий кристалл в голубой фазе, это упорядочение молекул имеет сложную форму. В жидком кристалле в голубой фазе молекулы жидкого кристалла благодаря добавлению хиральных примесей (закручивателей) собираются в цилиндрические матрицы, в которых направление упорядочения закручивается по спирали, тогда как сами спирали перекрещиваются в трех измерениях, и структура регулярно повторяется каждые несколько сотен нанометров. Это приводит к получению самособранного трехмерного фотонного кристалла, который сохраняет способность к электрооптическому переключению при умеренном приложенном напряжении (например, электрическом поле). Стабилизированный полимером высокохиральный жидкий кристалл, такой как, например, но без ограничения, жидкий кристалл в голубой фазе, содержит ядро рассеивателя со структурой ядро-оболочка. Как отмечалось выше, рассеиватели со структурой ядро-оболочка могут быть распределены по полимерному остову или связующей полимерной матрице.
Рассеиватели со структурой ядро-оболочка, распределенные по полимерному каркасу или связующей полимерной матрице, могут быть расположены в электрооптическом слое, расположенном между двумя подложками, имеющими прозрачные электропроводящие электроды (например, выполненные из оксида индия-олова, легированного фтором оксида олова, серебра или другого подходящего материала), расположенные на их поверхностях, обращенных внутрь. В применениях с переключением, таких как переключаемое окно, микроячейки стабилизированного полимером высокохирального жидкого кристалла способны избирательно переключаться по меньшей мере в два состояния. В первом состоянии свет проходит через жидкокристаллическое тело, а во втором состоянии свет рассеивается и поглощается жидкокристаллическим телом. Каждое тело во втором состоянии имеет упорядоченную жидкокристаллическую текстуру, при которой минимизируется и/или уменьшается количество дисклинаций или доменов в жидкокристаллическом теле. Жидкокристаллическая текстура содержит суперструктуру гиперзакрученного хирального нематического жидкого кристалла.
Например, получение стабилизированного полимером высокохирального жидкого кристалла, подобного жидкому кристаллу в голубой фазе, может включать образование стабилизированного полимером высокохирального жидкого кристалла, например, жидкого кристалла в голубой фазе, путем добавления хиральных примесей к нематическому или с наклоненными ядрами жидкому кристаллу-хозяину. Предпочтительно, чтобы жидкий кристалл-хозяин имел широкий нематический диапазон. Хиральные примеси вносят высокую хиральность в нематический жидкий кристалл-хозяин и индуцируют голубые фазы. Длина (p) шага спирали обратно пропорциональна силе (НТР) закручивания по спирали и концентрации (с) хиральной примеси. Например, p=1/(HTPxc). Таким образом, длину шага спирали и, следовательно, длину волны брэгговского отражения можно подстраивать выбором различных хиральных примесей или изменением концентрации хиральной примеси. Повышение концентрации хиральной примеси для примеси, обладающей небольшой силой закручивания по спирали, может приводить к некоторым недостаткам, таким как, например, снижение доли молекул нематического жидкого кристалла-хозяина, следствием которого являются низкая постоянная Керра, снижение точки просветления стабилизированного полимером высокохирального жидкого кристалла или жидкого кристалла в голубой фазе и насыщение длины шага спирали. В соответствии с настоящим раскрытием добавление двух различных хиральных примесей к жидкому кристаллу-хозяину приводит к получению требуемых свойств жидкого кристалла. Небольшую долю мономеров и фотоинициатора добавляют к раствору жидкого кристалла и хиральных примесей после стабилизации раствора жидкого кристалла и хиральных примесей. Рассеиватели со структурой ядро-оболочка образуют смешиванием раствора жидкого кристалла и хиральных примесей с раствором мономеров и фотоинициатора, инкубацией смеси, например, в лабораторной бане с горячей водой и постепенным охлаждением до комнатной температуры. После инициирования полимеризации может создаваться неравновесная структура в зависимости от конкуренции между динамикой фазового разделения и кинетикой реакции. Поскольку образуются олигомеры и они увеличиваются в размерах, растворимость в жидком кристалле-хозяине снижается, вызывая фазовое разделение и локальные градиенты концентрации. Низкая вязкость хозяина вызывает изотропный ход диффузии олигомеров к более плотным областям, богатым полимером. Происходит глобальная минимизация и/или снижение свободной энергии системы. По мере развития полимеризации система сначала проходит через метастабильную область и затем дрейфует к спинодальной области. Фазовое разделение регулируется концентрацией жидкого кристалла и мономеров, обуславливаемой скоростью полимеризации. На последующих стадиях скорость роста и форма возникающих структур управляются межфазным натяжением и диффузией частиц. Минимизация и/или уменьшение поверхностной энергии жидкого кристалла способствует получению по существу сферических структур. Гидростатическое давление жидкого кристалла уравновешивается давлением Лапласа и межфазным натяжением, с созданием плотной содержащей полимер оболочки, заключающей в себе высокохиральный жидкий кристалл. В результате образуется вспученный гель из рассеивателей со структурой ядро-оболочка.
После эмульгирования смеси мономеров (с фотоинициаторами) и легированного хиральной примесью жидкого кристалла выполняют отверждение ультрафиолетовым излучением (УФ). Этим ультрафиолетовым излучением стабилизируют жидкий кристалл и полимерную матрицу. Перед воздействием ультрафиолетовым излучением можно использовать поверхностно-активное вещество для повышения поверхностной энергии полимерного геля вокруг жидкого кристалла.
В примерном варианте осуществления этого изобретения предложено переключаемое окно, содержащее первую и вторую прозрачные подложки, при этом каждая поддерживает соответствующий прозрачный электропроводящий электрод; электрооптический слой, содержащий множество микроячеек, диспергированных в связующей полимерной матрице, при этом каждая микроячейка содержит капли стабилизированного полимером высокохирального жидкого кристалла, заключенные в содержащую полимер оболочку; при этом электрооптический слой расположен между первой и второй подложками и между соответствующими прозрачными электропроводящими электродами. Капли стабилизированного полимером высокохирального жидкого кристалла могут содержать нематический жидкий кристалл, легированный хиральной примесью. Хиральная примесь может содержать первую и вторую различные хиральные примеси, при этом каждая хиральная примесь имеет особое соответствующее закручивание, так что первая и вторая хиральные примеси обеспечивают различные закручивания относительно друг друга. Жидкий кристалл может образовывать цилиндр двойного кручения. Переключаемое окно может быть выполнено образующим электрическое поле между прозрачными электродами, побуждающее капли стабилизированного полимером высокохирального жидкого кристалла упорядочиваться с приведением переключаемого окна во включенное состояние пропускания, в котором переключаемое окно является по существу прозрачным. Значение мутности переключаемого окна в состоянии пропускания может быть ≤6% (более предпочтительно ≤4%, еще более предпочтительно ≤3% и наиболее предпочтительно ≤2%) при угле(ах) наблюдения 45 и/или 60° от угла наблюдения по нормали. Электрооптический слой может быть анизотропным или по существу анизотропным гелем.
В примерном варианте осуществления этого изобретения предложено переключаемое окно, содержащее первую и вторую прозрачные подложки, поддерживающие соответственно первый и второй прозрачные электропроводящие электроды; анизотропный гелевый электрооптический слой, содержащий множество ядер, диспергированных в связующей полимерной матрице, при этом каждое ядро содержит легированный хиральной примесью жидкий кристалл и заключено в содержащую полимер оболочку; при этом анизотропный гелевый электрооптический слой расположен между первой и второй подложками и между первым и вторым прозрачными электропроводящими электродами; при этом переключаемое окно выполнено образующим электрическое поле между первым и вторым прозрачными электропроводящими электродами, побуждающее жидкий кристалл по существу упорядочиваться с приведением анизотропного гелевого электрооптического слоя во включенное состояние пропускания, в котором переключаемое окно является по существу прозрачным; при этом np
В примерном варианте осуществления этого изобретения предложен способ получения электрооптического материала, включающего анизотропный гель, при этом способ содержит приготовление раствора мономера и фотоинициатора путем смешивания заданного количества по меньшей мере одного мономера с заданным количеством фотоинициатора; приготовление раствора легированного хиральной примесью жидкого кристалла путем смешивания раствора нематического жидкого кристалла с хиральной примесью; смешивание раствора мономера и фотоинициатора с раствором легированного хиральной примесью жидкого кристалла; инкубацию смеси раствора мономера и фотоинициатора и раствора легированного хиральной примесью жидкого кристалла; и охлаждение инкубированной смеси с образованием анизотропного геля. Хиральная примесь может содержать первую хиральную примесь и вторую хиральную примесь, имеющие различные хиральности.
В примерном варианте осуществления этого изобретения предложен электрооптический материал, содержащий: множество микроячеек, диспергированных в полимерной матрице, при этом каждая микроячейка содержит стабилизированный полимером высокохиральный жидкокристаллический материал, заключенный в содержащую полимер оболочку. Содержащая полимер оболочка может быть по существу сферической. Толщина содержащей полимер оболочки может быть в диапазоне от 0,25 до 1 мкм. Диаметр жидкокристаллического материала, заключенного в содержащую полимер оболочку, может быть в диапазоне от 1 до 10 мкм. Жидкокристаллический материал может содержать жидкокристаллический материал в голубой фазе, содержащий множество жидкокристаллических цилиндров двойного кручения, расположенных в матрице. Электрооптический материал может быть анизотропным или по существу анизотропным гелем.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Приведенные выше и другие аспекты, признаки и сопутствующие преимущества настоящего раскрытия станут очевидными и более понятными из нижеследующего подробного описания, взятого в сочетании с сопровождающими чертежами, на которых одинаковые ссылочные позиции относятся к аналогичным элементам и при этом:
Фиг. 1(а) и 1(b) - схематичное изображение, иллюстрирующее конфигурацию обычного диспергированного в полимере жидкого кристалла в переключаемом окне;
Фиг. 2 - схематичное изображение, иллюстрирующее структуру обычного переключаемого окна с диспергированным в полимере жидким кристаллом;
Фиг. 3 - схематичное изображение, иллюстрирующее примерную конфигурацию рассеивателя со структурой ядро-оболочка, включающего гиперзакрученный жидкий кристалл, образованный с использованием двух хиральных примесей, по примерному варианту осуществления настоящего раскрытия;
Фиг. 4 - схематичное изображение, иллюстрирующее пример рассеивателя со структурой ядро-оболочка по примерному варианту осуществления настоящего раскрытия;
Фиг. 5 - схематичное изображение, иллюстрирующее примерную конфигурацию переключаемого окна, включающего рассеиватели со структурой ядро-оболочка, заключенные в содержащие полимер оболочки, по примерному варианту осуществления настоящего раскрытия;
Фиг. 6 - схематичное изображение, иллюстрирующее структуру цилиндра двойного кручения из легированного хиральной примесью нематического жидкого кристалла, который образует жидкий кристалл в голубой фазе, по примерному варианту осуществления настоящего раскрытия;
Фиг. 7 - схематичное изображение, иллюстрирующее примерный процесс образования самособираемого трехмерного фотонного кристалла в виде цилиндров двойного кручения из легированного хиральной примесью нематического жидкого кристалла, который образует жидкий кристалл в голубой фазе, по примерному варианту осуществления настоящего раскрытия;
Фиг. 8 - блок-схема последовательности операций, иллюстрирующая примерный процесс получения анизотропного геля из рассеивателей со структурой ядро-оболочка на основе жидкого кристалла в голубой фазе по примерному варианту осуществления настоящего раскрытия;
Фиг. 9 - схематичное изображение, иллюстрирующее примерный процесс, с помощью которого стабилизированный полимером высокохиральный жидкий кристалл заключают в содержащую полимер оболочку;
Фиг. 10 иллюстрирует эффективные показатели преломления ядра (nc), оболочки (ns) и полимера (np) по примерному варианту осуществления во включенном состоянии, когда приложено напряжение, в зависимости от угла; и
Фиг. 11 - поперечное сечение, иллюстрирующее примерную конфигурацию переключаемого окна, включающего в себя рассеиватели со структурой ядро-оболочка, заключенные в содержащие полимер оболочки, по примерному варианту осуществления настоящего раскрытия.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Здесь более подробно со ссылкой на сопровождающие чертежи будут описаны различные примерные варианты осуществления настоящего раскрытия.
Имеется простое соотношение между максимальным углом (θ, ϕ) наблюдения, размером S окна и удаленностью наблюдателя по перпендикуляру от окна. Пространственный угол, стягиваемый небольшой гранью окна, имеющей площадь dS плоской поверхности, ориентацию
где площадь поверхности сферы составляет A=4πr2. Пространственный угол для произвольно ориентированной поверхности S, стягиваемый в точку Р, равен пространственному углу проекции поверхности S на единичную сферу с центром Р, и его можно вычислить как интеграл по поверхности:
Мутность, проецируемая на наблюдателя, пропорциональна пространственному углу. Вследствие этого мутность возрастает в зависимости от пространственного угла, который, в свою очередь, изменяется линейно с размером окна и обратно пропорционален квадрату расстояния от окна. С оптической точки зрения происхождение угловой мутности связано с несоответствием средних показателей n преломления двулучепреломляющего жидкого кристалла и полимера в зависимости от длины волны и угла, и плотности границ раздела. Хотя соответствие является почти оптимальным при нормальном угле, несоответствие возрастает в зависимости от угла наблюдения.
В обычных устройствах на диспергированных в полимере жидких кристаллах остаточная мутность во включенном состоянии, при падении по нормали, связана с толщиной слоя, размером капель, а также с плотностью капель жидких кристаллов.
В выключенном состоянии более точным выражением для показателя преломления жидких кристаллов является
которое можно аппроксимировать как (2no+ne)/3, которое не настраивается на показатель np преломления полимера. В обычных устройствах на диспергированных в полимере жидких кристаллах показатель преломления полимерной матрицы является по существу константой и поэтому превалирует рассеяние света. Во включенном состоянии и при падении по нормали показатель преломления жидких кристаллов теоретически совпадает с показателем преломления полимера и свет проходит нерассеянным. Однако некоторые молекулы жидкого кристалла благодаря позиции на периферии сфероидов находятся под косыми углами, тогда как другие закреплены на дисклинациях и вследствие этого сами не выравниваются параллельно полю при частоте возбуждения. Поэтому даже при падении по нормали имеется остаточная мутность. Однако при углах, отличающихся от угла падения по нормали, несоответствие показателей преломления полимера и жидкого кристалла повышается как квадрат синуса угла, что приводит к увеличению угловой мутности в состоянии пропускания.
В настоящем раскрытии предложено решение вышеупомянутых проблем и преодоление недостатков, связанных с обычными конструкциями на диспергированных в полимере жидких кристаллах. Согласно настоящему раскрытию, высокохиральный жидкий кристалл, например, в голубой фазе, заключают в содержащую полимер оболочку и закрепляют в полимерной матрице. Для упрощения описания раскрытие может ссылаться на жидкий кристалл в голубой фазе (ЖКГФ) в качестве примера высокохирального жидкого кристалла. Однако специалистам в данной области техники должно быть понятно, что раскрытие не ограничено жидким кристаллом в голубой фазе, а охватывает любой стабилизированный полимером высокохиральный жидкий кристалл, демонстрирующий рассмотренные здесь свойства. Согласование показателей преломления выполняют так, что изотропный средний показатель преломления жидкого кристалла в голубой фазе подстраивают к показателю преломления оболочки из полимера, когда имеется условие, что электрическое поле равно нулю. Однако, когда присутствует электрическое поле, молекулы жидкого кристалла ориентируются в каждом домене, что приводит к индуцированному двулучепреломлению и несоответствию показателей преломления полимерной матрицы и заключенного в оболочку жидкого кристалла в голубой фазе.
Жидкий кристалл с электрооптическим и пьезоэлектрическим эффектами является оптически изотропным при выключенном напряжении, а его показатель преломления равен показателю преломления полимера-хозяина. При приложении электрического поля индуцируется двулучепреломление, при этом длинная ось располагается вдоль электрического поля. Индуцированное двулучепреломление обусловлено локальной переориентацией молекул. Поэтому средний показатель преломления сохраняется по существу постоянным при любом заданном электрическом поле.
Здесь nизо является показателем преломления при выключенном напряжении. no(E) и ne(E) являются зависящими от поля показателями преломления, соответственно перпендикулярным к и параллельным электрическому полю.
Индуцированное двулучепреломление (Δnинд) жидкого кристалла в голубой фазе при наличии внешнего электрического поля определяется эффектом Керра как: Δnинд=ne(E)-no(E)=λKE2 (3), где λ - длина волны, K - постоянная Керра и Е - амплитуда электрического поля.
Настоящее раскрытие предлагает новое устройство на жидких кристаллах, содержащее анизотропный или по существу анизотропный гель стабилизированного высокохирального жидкого кристалла, например, в голубой фазе, заключенного, например, в оболочку из мезогенного полимера, который образует самособранный трехмерный фотонный кристалл, который сохраняет способность к электрооптическому переключению при умеренном приложенном напряжении (например, электрическом поле). Мы начали с жидкого кристалла с высоким угловым двулучепреломлением (например, от 1,51 до 1,75) и затем легировали его хиральной примесью(ями) для образования высокохиральной жидкокристаллической системы, которая имеет значительно меньшее угловое двулучепреломление (когда устройство находится во включенном состоянии), чем нелегированный жидкий кристалл. В некоторых примерных вариантах осуществления окно имеет коэффициент пропускания в видимой области спектра по меньшей мере 60% (более предпочтительно по меньшей мере 70% и наиболее предпочтительно по меньшей мере 80%), когда высокохиральный жидкокристаллический слой находится в включенном состоянии/состоянии пропускания. В некоторых примерных вариантах осуществления электрооптический слой при 550 нм может иметь двулучепреломление примерно от 0,23 до 0,33, более предпочтительно примерно от 0,26 до 0,29.
Например, устройство на жидких кристаллах можно получить при использовании собранной полимером системы жидких кристаллов в голубой фазе, имеющей по существу непрерывный полимерный структурный каркас, окружающий четко выраженные дискретные тела жидкокристаллического материала, расположенные ячеистым образом. Эти собранные структуры глобально соединены с образованием матрицы.
Ячейки жидкокристаллического материала демонстрируют многодоменное рабочее состояние, при котором жидкокристаллический материал в каждом теле расположен в нескольких доменах, при этом каждый домен характеризуется количеством жидкокристаллического материала, молекулы которого имеют по существу общий идентифицируемый небольшой геликоидальный шаг в направлении по меньшей мере одной оси, при этом результирующие ориентации соседних доменов расходятся значительно друг от друга и стабильны во времени. При приложении электрического поля молекулы жидкого кристалла в каждом домене принимают аналогичную конфигурацию, так что электрооптические свойства системы согласуются с электрооптическими свойствами полимера-хозяина и система становится прозрачной и имеет очень низкую остаточную мутность в состоянии пропускания (например, менее 4% в широком диапазоне углов наблюдения, например, 60° или более).
Кроме того, собранные полимером капли жидкого кристалла в голубой фазе (например, жидкого кристалла в голубой фазе или стабилизированного высокохирального жидкого кристалла, заключенного в полимерную оболочку) могут быть расположены на электрооптических пленках как перпендикулярно к оконному стеклу, так и в плоскости переключения электрического поля. Например, пленки могут быть приготовлены посредством индуцированного испарением растворителя фазового разделения смеси жидкого кристалла в голубой фазе (ЖКГФ) и полимера. Пленка может быть нанесена непосредственно, например, на стекло или полиэтилен/полиэтилентерефталат, наслоена между двумя покрытыми электропроводящими подложками (например, покрытыми оксидом индия-олова электропроводящими подложками), и она позволяет осуществлять переключение между состоянием рассеяния света и прозрачным состоянием в ответ на электрические поля, прикладываемые к пленке.
Фиг. 3 представляет собой схематичное изображение, иллюстрирующее пример стабилизированного полимером высокохирального жидкого кристалла, заключенного в содержащую полимер оболочку, такую как, например, но без ограничения, содержащую мезогенный полимер оболочку.
В этом примере жидкий кристалл в голубой фазе, заключенный в содержащую полимер оболочку, можно назвать микроячейкой 10. Микроячейка 10 содержит содержащую полимер полимерную оболочку 20, такую как, например, но без ограничения, содержащую мезогенный полимер оболочку. Содержащая полимер оболочка 20 может быть по существу сферической и заключать в себе стабилизированный полимером высокохиральный жидкий кристалл, например, жидкий кристалл 50 в голубой фазе. Стабилизированный полимером высокохиральный жидкий кристалл, например, жидкий кристалл 50 в голубой фазе, включает в себя нематический жидкокристаллический материал, имеющий две хиральные примеси 30, 40, которые вызывают закручивание нематического жидкокристаллического материала. Как будет рассмотрено более подробно ниже, добавление этих хиральных примесей вызывает закручивание нематического жидкого кристалла, которое обуславливает образование решетки или матрицы цилиндров двойного кручения в легированном хиральной примесью жидком кристалле, что обеспечивает образование стабилизированного высокохирального жидкого кристалла (например, жидкого кристалла в голубой фазе). Использование двух различных хиральных примесей способствует двойному закручиванию и самоорганизации в цилиндры двойного кручения. В этом примере легированный хиральной примесью жидкокристаллический материал 40 может включать, например, но без ограничения, MDA 3506, доступный от Merck, который имеет в качестве основного компонента 4-((4-этил-2,6-дифторофенил)-этинил)-4'пропилбифенил и 2-фтор-4,4'-бис(транс-4-пропилциклогексил)-бифенил. Легированный хиральной примесью жидкокристаллический материал 30 включает Е7, также доступный от Merck, и включает 4-циано-4'-n-пунтил-бифенил, 4-циано-4'-n-гептил-бифенил, 4-циано-4'-n-оксиоктил-бифенил, 4-циано-4"-n-пентил-p-терфенил. В этом примере легированный хиральной примесью жидкий кристалл 40 включает в себя хиральную примесь (закручиватель) SLI3786(S811), также доступную от Merck. Хиральная примесь, используемая в легированном хиральной примесью жидкокристаллическом материале 30, может включать ZLI4571, доступную от Merck. Она обеспечивает уменьшение углового двулучепреломления высокохиральных жидкокристаллических систем, что позволяет снижать мутность при больших углах наблюдения, таких как углы наблюдения 45 и/или 60° от нормали.
Таким образом, микроячейка 10 включает в себя решетку цилиндров двойного кручения, содержащих нематические жидкокристаллические материалы, легированные различными хиральными примесями, имеющими различные хиральности для индуцирования образования цилиндров двойного кручения и самовыравнивания цилиндров в решетке или матрице цилиндров двойного кручения, которые содержат, например, жидкий кристалл в голубой фазе, который заключен в содержащую полимер оболочку 20.
Фиг. 4 представляет собой схематичное изображение, иллюстрирующее примерный рассеиватель со структурой ядро-оболочка по примерному варианту осуществления настоящего раскрытия.
Как показано на фиг. 4, микроячейка 10 включает в себя содержащую полимер оболочку 20, заключающую в себя, например, жидкий кристалл 50 в голубой фазе. В этом примере микроячейка 10 является по существу сферической. Толщина «b» содержащей полимер оболочки 20 может быть, например, но без ограничения, в диапазоне от 0,25 до 1 мкм, а диаметр «a» жидкого кристалла 50 в голубой фазе, заключенного в содержащую полимер оболочку 20, может быть, например, но без ограничения, в диапазоне 1-10 мкм. Микроячейка 10, показанная на фиг. 4, может быть получена рассмотренным ниже примерным способом изготовления заключенного в оболочку жидкого кристалла в голубой фазе.
Пороговое напряжение жидкого кристалла в голубой фазе пропорционально толщине «b» содержащей полимер оболочки 20 и диаметру «a» жидкого кристалла 50 в голубой фазе (b/a), отношению диэлектрических постоянных (>>1) жидкого кристалла и полимера и заряду на поверхности раздела.
Жидкий кристалл в голубой фазе, заключенный в содержащую полимер оболочку, можно получить смешиванием стабилизированного гиперзакрученного жидкого кристалла со смесью мономеров, включающей один или более мономеров и фотоинициатор. Гиперзакрученный жидкий кристалл можно составить смешиванием нематического жидкокристаллического материала с одной или болеестабилизирыми примесями (которые здесь могут называться «закручивателями»), что приводит к образованию стабилизированного гиперзакрученного жидкого кристалла. Следствием смешивания стабилизированного гиперзакрученного жидкого кристалла и смеси мономеров является жидкий кристалл в бистабильном состоянии, содержащий множество дискретных сфероидальных тел гиперзакрученного хирального нематического жидкого кристалла, микроинкапсулированного содержащей полимер оболочкой (микроячейки). Введение хиральных примесей в нематический жидкий кристалл вызывает закручивание жидкого кристалла. Гиперзакрученный жидкий кристалл затем может образовать самособранный трехмерный фотонный кристалл, который сохраняет способность к электрооптическому переключению при умеренном приложенном напряжении. Такая структура жидкого кристалла называется здесь жидким кристаллом в голубой фазе. Получающийся в результате жидкий кристалл в голубой фазе, заключенный в содержащую полимер оболочку, может называться здесь рассеивателем со структурой ядро-оболочка. Короче говоря, рассеиватель 10 содержит ядро из несмешивающегося нематического жидкого кристалла и хиральных примесей (закручивателей) 50, заключенных в содержащую полимер оболочку 20. Как показано на фиг. 5, рассеиватели со структурой ядро-оболочка могут быть распределены по полимерному остову (каркасу) или связующей полимерной матрице.
Фиг. 5 представляет собой схематичное изображение, иллюстрирующее микроячейки или рассеиватели со структурой ядро-оболочка, распределенные по полимерному каркасу или связующей полимерной матрице и расположенные между двумя подложками, по примерному варианту осуществления настоящего раскрытия.
Как показано на фиг. 5, примерное переключаемое окно 500 может включать две подложки 80, 90. Подложки 80, 90 могут быть прозрачными и выполненными, например, но без ограничения, из стекла, полиэтилена, полиэтилентерефталата или подобного. Каждая из подложек 80, 90 может включать в себя прозрачный электрод (не показан), расположенный на поверхности подложек 80, 90 обращенным во внутреннее пространство переключаемого окна. Таким образом, например, каждая подложка 80, 90 может быть выполнена, например, в виде стеклянной подложки с электродом из оксида индия-олова на ней, обращенным к электрооптическому слою 510. Прозрачный электрод может содержать, например, но без ограничения, прозрачный электропроводящий оксид, такой как, например, но без ограничения, оксид индия-олова (ОИО). В некоторых примерных вариантах осуществления каждый прозрачный электропроводящий электрод имеет диэлектрический слой (например, диоксида кремния, оксинитрида кремния и/или нитрида кремния) на поверхности электрода, расположенный между электродом и электрооптическим слоем 510. Таким образом, например, каждая подложка 80, 90 может быть выполнена, например, в виде стеклянной подложки с электродом из оксида индия-олова и диэлектрическим слоем на нем, обращенным к электрооптическому слою 510. Было обнаружено, что наличие диэлектрического слоя или включение материала, такого как оксид кремния, нитрид кремния и/или оксинитрид кремния, между по меньшей мере одним из электродов и электрооптическим слоем 510 преимущественно снижает вероятности образования электрической дуги/коротких замыканий во время приложения напряжения. К прозрачному электроду(ам) для создания электрического поля, необходимого для регулирования коэффициента пропускания электрооптического материала 510, размещенного между двумя подложками 80, 90, может быть подано питание. Здесь электрооптический материал может называться электрооптическим элементом.
Электрооптический слой 510 содержит множество микроячеек (рассеивателей) 10, которые, как описано выше, могут включать жидкий кристалл 50 в голубой фазе, заключенный в содержащую полимер оболочку 20. Множество микроячеек 10 могут быть распределены, например, по связующей полимерной матрице 60. Lg обозначает толщину электрооптического элемента 510 (или интервал ячейки) и в примерных вариантах осуществления этого изобретения значение Lg предпочтительно составляет примерно от 9 до 17 мкм (более предпочтительно примерно от 10 до 15 мкм). Анизотропный гелевый электрооптический слой 510 является анизотропным как во включенном состоянии, так и в выключенном состоянии, но при приложении напряжения анизотропия слоя 510 может уменьшаться. Анизотропный гелевый электрооптический слой 510 представляет собой твердотельный слой, но не жесткий. Следствием гелевой природы анизотропного гелевого электрооптического слоя 510 является твердотельный слой в виде геля, который кажется пористым и вязким, но этот слой 510 не является жидкостью.
Рассеиватели 10 со структурой ядро-оболочка, распределенные по полимерному каркасу или связующей полимерной матрице 60, могут быть расположены в электрооптическом слое 510, расположенном между двумя подложками 80, 90, имеющими электроды, расположенные на их обращенных внутрь поверхностях. Для применений, связанных с переключением, таких как переключаемое окно, микроячейки 10 по выбору приводятся в по меньшей мере два рабочих состояния. В первом состоянии свет проходит через жидкокристаллическое тело, а во втором состоянии свет рассеивается и поглощается жидкокристаллическим телом. Каждое тело во втором состоянии имеет упорядоченную жидкокристаллическую текстуру, при которой минимизируются дисклинации или домены в жидкокристаллическом теле или уменьшается их количество. Жидкокристаллическая текстура содержит сверхструктуру гиперзакрученного хирального нематического жидкого кристалла.
При работе переключаемое окно 500 является по существу непрозрачным, например, имеет мутность 97-100% в выключенном состоянии, например, когда напряжение не подается на прозрачные электроды. Когда напряжение прикладывается к одному или более прозрачным электродам, переключаемое окно 500 становится пропускающим. Благодаря использованию в микроячейках 10 жидкого кристалла 50 в голубой фазе получающееся в результате переключаемое окно 500 в состоянии пропускания демонстрирует очень низкую мутность, например, <4%, даже при больших углах наблюдения. Следует понимать, что включенное и выключенное состояния электрооптического элемента 500 могут действовать иначе, а вышеописанные состояния являются только иллюстративными.
При использовании рассеивателя со структурой ядро-оболочка вместо молекулярного двулучепреломления решаются и преодолеваются проблемы, связанные с несоответствием показателей преломления вследствие, например, периферийных нематогенов. Предпочтительным может быть использование хирального жидкого кристалла в голубой фазе с очень небольшим шагом спирали в качестве ядра рассеивателя. Шаг спирали зависит как от энергии закручивания, так и от концентрации хиральных примесей, используемых при получении жидкого кристалла в голубой фазе. Использование смесей нематических жидких кристаллов и хиральных примесей обеспечивает несколько преимуществ, включая, например, но без ограничения, создание интервала несмешиваемости в условиях окружающей среды; повышение непрозрачности в выключенном состоянии (непропускания) вследствие случайного двулучепреломления в выключенном состоянии; и возможность подстройки двулучепреломления с помощью приложенного электрического поля так, чтобы угловая мутность во включенном состоянии (пропускания) была низкой (например, <4%).
Фиг. 11, подобно фиг. 5, представляет собой поперечное сечение, иллюстрирующее примерную конфигурацию переключаемого окна по примерному варианту осуществления настоящего раскрытия. Фиг. 11 показывает первую и вторую прозрачные подложки (80, 90, в любом порядке), которые поддерживают соответственно первый и второй прозрачные электропроводящие электроды, и анизотропный гелевый электрооптический слой между подложками 80, 90. Твердотельный анизотропный гелевый электрооптический слой включает многочисленные легированные хиральной примесью жидкокристаллические ядра 50, диспергированные в связующей полимерной матрице 60, при этом каждое ядро 50 заключено в оболочку 20, которая может состоять из смеси полимера и жидкого кристалла. Переключаемое окно выполнено образующим электрическое поле между первым и вторым прозрачными электропроводящими электродами и таким образом между подложками 80 и 90, при этом электрическое поле побуждает жидкий кристалл из геля по существу упорядочиваться с переходом анизотропного гелевого электрооптического слоя во включенное состояние пропускания, в котором переключаемое окно является по существу прозрачным. Как показано на фиг. 10, np
На фиг. 11 показано, что ячейка также может быть выполнена из ядер/пор большой площади в срединной области и из ядер/пор небольшой площади в областях, прилегающих к подложкам 80, 90. В некоторых примерных вариантах осуществления этого изобретения ядра/поры в срединной области могут быть в среднем по меньшей мере на 50% крупнее по сравнению с небольшими ядрами/порами на участках/в областях вблизи подложек.
Фиг. 6 представляет собой схематичное изображение, иллюстрирующее структуру цилиндра двойного кручения из жидких кристаллов, образованного благодаря введению хиральных примесей в нематический жидкий кристалл, по примерному варианту осуществления настоящего раскрытия.
Обычно жидкие кристаллы состоят из стержневидных молекул, которые выстраиваются в линию в по меньшей мере одном направлении, оставаясь подвижными и неупорядоченными в других направлениях. Например, в жидком кристалле в голубой фазе это упорядочение молекул имеет более сложную форму. Молекулы жидкого кристалла благодаря добавлению хиральных примесей (закручивателей) собираются в матрицы цилиндрической формы, в которых направление упорядочения закручивается по спирали, при этом сами спирали перекрещиваются в трех измерениях, а структура регулярно повторяется каждые несколько десятков нанометров. На фиг. 6 показан цилиндр двойного кручения из молекул 600 жидкого кристалла. Затем эти цилиндры 600 могут быть перекрещены в трех измерениях с образованием решетки или матрицы цилиндров двойного кручения, как показано на фиг. 7. Это приводит к образованию самособранного трехмерного фотонного кристалла, который остается способным к электрооптическому переключению при умеренном приложенном напряжении (например, электрическом поле). Матрица цилиндров двойного кручения содержит ядро 50 рассеивателя 10 со структурой ядро-оболочка. Как отмечалось выше, рассеиватели со структурой ядро-оболочка могут быть распределены по полимерному каркасу или связующей полимерной матрице 60.
Фиг. 7 представляет собой схематичное изображение, иллюстрирующее примерный процесс образования решетки или матрицы цилиндров двойного кручения по примерному варианту осуществления настоящего раскрытия.
Что касается фиг. 7, то молекулы 710 нематического жидкого кристалла могут быть смешаны с одной или более хиральными примесями, как описано выше. В этом примере предпочтительно использовать две различные хиральные примеси, имеющие различные хиральности. После смешивания с хиральными примесями молекулы легированного хиральной примесью жидкого кристалла (высокохирального жидкого кристалла) могут самособираться в матрицы цилиндрической формы или цилиндры 600 двойного кручения, в которых направление упорядочения закручивается по спирали 720, тогда как сами спирали перекрещиваются в трех измерениях с образованием решетки или матрицы 730 цилиндров 600 двойного кручения. В результате получается высокохиральный жидкий кристалл, например, жидкий кристалл в голубой фазе, имеющий решеточную или матричную структуру, которая обеспечивает превосходные оптические характеристики по сравнению с обычными структурами на основе жидкого кристалла в голубой фазе.
Фиг. 8 представляет собой блок-схему последовательности операций, иллюстрирующую примерный способ получения стабилизированного полимером высокохирального жидкого кристалла, который заключен в содержащую полимер оболочку, по примерному варианту осуществления настоящего раскрытия, а на фиг. 10 показаны эффективные показатели преломления, когда электрооптический слой находится во включенном состоянии, ядра (nc), оболочки (ns) и полимера (np) по примерному варианту осуществления, в зависимости от угла (при 550 нм). Следует отметить, что значения np, nc и ns эффективных показателей преломления на фиг. 10 показаны для включенного состояния и что в выключенном состоянии n будет по существу составлять nэфф, а рассеяние будет происходить вследствие фокальных конических сечений. Примерные варианты осуществления относятся к получению анизотропного геля путем смешивания жидкого кристалла + примесей с высокой степенью закручивания + оболочек из полимерной сетки. В примерных вариантах осуществления оболочки могут быть по существу сферическими или сферическими. Следует отметить, что «по существу сферическими» означает, что они являются сферическими с отклонением ±15%. В упрощенной модели предполагается, что они являются сферическими.
nэфф∧2=(no∧2+ne∧2)/2.
Как показано, например, на фиг. 10, в некоторых примерных вариантах осуществления np
В некоторых примерных вариантах осуществления отношение полимер/жидкий кристалл составляет примерно от 8 до 30%, более предпочтительно примерно от 10 до 20%, до и/или после фазовой сегрегации смеси в анизотропный гель стабилизированного полимером высокохирального жидкого кристалла. Обнаружено, что следствием таких диапазонов являются улучшенные снижение мутности и стабильность окна во включенном состоянии.
Кроме того, в некоторых примерных вариантах осуществления распределение полимера в гелевом слое 510 в окне является градиентным и неравномерным. Например, может быть больше полимера в срединной плоскости между электродами и меньше непосредственно вблизи электродов и, наоборот, жидкий кристалл располагается так, что меньшее количество жидкого кристалла находится непосредственно вблизи электродов и большее количество жидкого кристалла находится в срединной плоскости слоя 510. В некоторых примерных вариантах осуществления обогащенные полимером области вблизи соответствующих подложек 80, 90 могут быть по толщине примерно от 10 до 30 нм, при этом оставшаяся часть слоя 510 обогащена по существу жидким кристаллом. Обнаружено также, что эти особенности улучшают снижение мутности окна.
Что касается фиг. 8, то один не создающий ограничения примерный способ получения стабилизированного полимером высокохирального жидкого кристалла, такого как, например, жидкий кристалл в голубой фазе, включает в себя приготовление раствора мономеров для последующего смешивания с легированным хиральной примесью жидким кристаллом и выполнение эмульгирования смеси двух растворов.
Например, при операции 810 первый мономер, например, этилгексилметакрилат (ЭГМА), взвешивают и добавляют ко второму мономеру, например, триметилолпропантриакрилату (ТМПТА), и фотоинициатору, например, IRG 651, доступному от Ciba Additive, Inc., для использования в последующем отверждении ультрафиолетовым излучением. Для гарантии получения надлежащей смеси предпочтительно встряхивать раствор в течение 10 мин или дольше. Затем этот раствор можно хранить для последующего смешивания с раствором жидкого кристалла.
При операции 820 может быть приготовлен раствор легированных хиральной примесью жидких кристаллов. В качестве иллюстративного примера можно отмерять и взвешивать три раствора жидких кристаллов, например, но без ограничения, E7, MLC 6080 и MDA 3506, все доступные от Merck и которые подробно рассмотрены выше. Для обеспечения надлежащего хирального легирования смеси жидких кристаллов можно добавлять две различные хиральные примеси. Эти примеси могут включать, например, но без ограничения, ZLI 3786 и ZLI 4571, обе доступные от Merck. Затем этот раствор можно хранить для последующего смешивания с раствором мономера(ов)/фотоинициатора.
При операции 830 раствор мономеров/фотоинициатора, полученный после операции 810, может быть смешан с раствором легированных хиральной примесью жидких кристаллов, полученным при операции 820. Примерный режим смешивания этих растворов включает в себя смешивание растворов при комнатной температуре и инкубирование (выдерживание) смеси в лабораторной бане с горячей водой при 70°С в течение приблизительно 5 мин. После этого инкубированный раствор может быть охлажден, например, путем постепенного охлаждения до 50°С со скоростью 0,5°С/мин и затем до комнатной температуры со скоростью 2°С/мин. Таким образом, процесс инкубации используют для первого растворения жидкого кристалла (ЖК) и примесей. При этом принимают во внимание вышеупомянутое значение Tg жидкого кристалла и затем охлаждают со скоростью, которая благоприятна для образования голубой фазы (ГФ). Затем добавляют мономеры и фотоинициатор для стабилизации и последующего отверждения фазового сегрегата. В голубой фазе все еще есть некоторое количество олигомеров (в дисклинациях), а остаток полимера находится вокруг этих структур для обеспечения модуля объемной упругости, так что мы имеем анизотропный или по существу анизотропный гель. Это учитывается при условии, что этот материал представляет собой твердотельное мягкое вещество, а не жидкое.
Как подробно описано выше, пример способа получения стабилизированного полимером высокохирального жидкого кристалла, например, жидкого кристалла в голубой фазе (ЖКГФ), может включать образование жидкого кристалла в голубой фазе путем добавления хиральных примесей к нематическому или с наклоненными ядрами жидкому кристаллу-хозяину. Предпочтительно, чтобы жидкий кристалл-хозяин имел широкий нематический диапазон. Хиральные примеси вносят высокую хиральность в нематический жидкий кристалл-хозяин и индуцируют голубые фазы. Длина (p) шага спирали обратно пропорциональна силе спирального закручивания (HTP) и концентрации (с) хиральной примеси. Например, p=1/(HTPxc). Таким образом, длину шага спирали и, следовательно, длину волны брэгговского отражения можно подстраивать путем выбора различных хиральных примесей или изменения концентрации хиральной примеси. Повышение концентрации хиральной примеси для примеси, обладающей слабой силой спирального закручивания, может приводить к некоторым недостаткам, таким как, например, уменьшение доли молекул нематического жидкого кристалла-хозяина, приводящее к снижению постоянной Керра, снижению точки просветления жидкого кристалла в голубой фазе и насыщению шага спирали. В соответствии с настоящим раскрытием, добавление двух различных хиральных примесей в жидкий кристалл-хозяин приводит к получению требуемых свойств жидкого кристалла в голубой фазе. После стабилизации жидкого кристалла в голубой фазе к жидкому кристаллу в голубой фазе добавляют небольшое количество мономеров и фотоинициатор. Рассеиватели со структурой ядро-оболочка на основе жидкого кристалла в голубой фазе образуют смешиванием жидкого кристалла в голубой фазе с мономерами и фотоинициатором, инкубацией смеси, например, в лабораторной бане с горячей водой и постепенным охлаждением до комнатной температуры, как это описано выше. После инициирования полимеризации в зависимости от конкуренции между динамикой фазового разделения и кинетикой реакции может создаваться неравновесная структура. Поскольку образуются олигомеры и они увеличиваются в размерах, растворимость в жидком кристалле-хозяине снижается, что приводит к фазовому разделению и локальным градиентам концентрации. Низкая вязкость хозяина вызывает изотропный ход диффузии олигомеров к более плотным областям, богатым полимером. Происходит глобальная минимизация и/или снижение свободной энергии системы. По мере развития полимеризации система сначала проходит через метастабильную область и затем дрейфует к спинодальной области. Фазовое разделение регулируется концентрацией жидкого кристалла и мономера, обуславливаемой скоростью полимеризации. На последних стадиях скорость роста и форма возникающих структур определяются межфазным натяжением и диффузией частиц. Минимизация и/или уменьшение поверхностной энергии жидкого кристалла способствует получению по существу сферических структур. Гидростатическое давление жидкого кристалла уравновешивается давлением Лапласа и межфазным натяжением, с созданием плотной содержащей полимер оболочки, заключающей в себя жидкий кристалл в голубой фазе (ЖКГФ). В результате образуется вспученный гель из рассеивателей со структурой ядро-оболочка на основе жидкого кристалла в голубой фазе.
Фиг. 9 представляет собой схематичное изображение, иллюстрирующее примерный процесс, с помощью которого стабилизированный полимером высокохиральный жидкий кристалл заключают в содержащую полимер оболочку, по примерному варианту осуществления настоящего раскрытия.
Как показано на фиг. 9, когда раствор М мономера смешивают с раствором высокохирального жидкого кристалла (обозначенным ЖК), поверхностная энергия мономера больше, чем у жидкого кристалла. Вследствие этого скорость роста и форма возникающих структур определяются межфазным натяжением и диффузией частиц. Минимизация и/или уменьшение поверхностной энергии жидкого кристалла способствуют образованию сферических структур. Иначе говоря, гидростатическое давление жидкого кристалла уравновешивается давлением Лапласа мономера и межфазным натяжением, с созданием плотной содержащей полимер оболочки, окружающей жидкий кристалл, и образуется вспученный гель из по существу сферических рассеивателей.
В результате эмульгирования смеси мономеров (с фотоинициаторами) и легированного хиральной примесью жидкого кристалла образуется вспученный анизотропный гель, включающий в себя содержащие полимер оболочки, содержащие стабилизированный полимером высокохиральный жидкий кристалл. Этот вспученный гель может быть введен в промежуток между двумя прозрачными подложками для образования переключаемого окна. Заполнение промежутка между подложками вспученным гелем может быть выполнено рядом различных способов, таких как, например, но без ограничения, заполнение под вакуумом, капиллярное заполнение и капельное заполнение. В каждом случае для гарантии надлежащего образования вспученного геля выполняют вихревое встряхивание общей смеси жидких кристаллов (результат операции 830), например, но без ограничения, при 2000 об/мин в течение 10 мин. Затем в операции 840 выполняют отверждение ультрафиолетовым излучением (УФ-отверждение). Этим УФ-отверждением стабилизируют жидкий кристалл и полимерную матрицу. Перед воздействием ультрафиолетовым излучением можно использовать поверхностно-активное вещество для повышения поверхностной энергии полимерных гелей вокруг жидкого кристалла.
Вышеприведенное обеспечивает электрооптический элемент, содержащий множество микроячеек, диспергированных в связующей полимерной матрице. Микроячейки (рассеиватели) содержат стабилизированный полимером высокохиральный жидкий кристалл, такой как жидкий кристалл в голубой фазе, заключенный в содержащую полимер оболочку. Содержащая полимер оболочка может быть мезогенной. Когда раскрытый электрооптический элемент используют в применении в переключаемом окне, он обеспечивает получение в высшей степени непрозрачного переключаемого окна в состоянии непропускания (например, в выключенном), имеющего значение мутности 97-100%. В состоянии пропускания (например, во включенном) такое переключаемое окно имеет значение мутности менее 4% даже при очень больших углах наблюдения (например, ≥60°).
В примерном варианте осуществления этого изобретения предложено переключаемое окно, содержащее: первую и вторую прозрачные подложки, каждая из которых поддерживает соответствующий прозрачный электропроводящий электрод; электрооптический слой, содержащий множество микроячеек, диспергированных в связующей полимерной матрице, при этом каждая упомянутая микроячейка содержит стабилизированный полимером высокохиральный жидкий кристалл, заключенный в содержащую полимер оболочку; при этом электрооптический слой расположен между первой и второй подложками и между соответствующими прозрачными электропроводящими электродами.
В переключаемом окне по непосредственно предшествующему абзацу стабилизированный полимером высокохиральный жидкий кристалл может содержать нематический жидкий кристалл, легированный хиральной примесью. Хиральная примесь может содержать первую и вторую различные хиральные примеси, при этом каждая хиральная примесь имеет особое соответствующее закручивание, так что первая и вторая хиральная примеси обеспечивают различные закручивания относительно друг друга.
В переключаемом окне по любому из предшествующих двух абзацев жидкий кристалл может образовывать цилиндр двойного кручения. Множество цилиндров двойного кручения могут быть расположены в матричной структуре.
В переключаемом окне по любому из предшествующих трех абзацев микроячейки могут содержать жидкий кристалл в голубой фазе, содержащий множество цилиндров двойного кручения, расположенных в матричной структуре.
Переключаемое окно по любому из предшествующих четырех абзацев может быть выполнено образующим электрическое поле между прозрачными электродами, побуждающее стабилизированный полимером высокохиральный жидкий кристалл упорядочиваться с приведением переключаемого окна во включенное состояние пропускания, в которое переключаемое окно является по существу прозрачным.
В переключаемом окне по любому из предшествующих пяти абзацев значение мутности переключаемого окна в состоянии пропускания может быть ≤6% (более предпочтительно ≤4%, еще более предпочтительно ≤3% и наиболее предпочтительно ≤2%) при угле наблюдения 45° от угла наблюдения по нормали.
В переключаемом окне по любому из предшествующих шести абзацев значение мутности переключаемого окна в состоянии пропускания может быть ≤6% (более предпочтительно ≤4%, еще более предпочтительно ≤3% и наиболее предпочтительно ≤2%) при угле наблюдения 60° от угла наблюдения по нормали.
В переключаемом окне по любому из предшествующих семи абзацев значение мутности переключаемого окна в состоянии непропускания может быть по меньшей мере 90% (более предпочтительно по меньшей мере 95%) при по существу всех углах наблюдения.
В переключаемом окне по любому из предшествующих восьми абзацев значение мутности переключаемого окна в состоянии непропускания может быть примерно 97-100% при по существу всех углах наблюдения.
В переключаемом окне по любому из предшествующих девяти абзацев содержащая полимер оболочка может быть сферической или по существу сферической.
В переключаемом окне по любому из предшествующих десяти абзацев толщина содержащей полимер оболочки может быть в диапазоне от 0,25 до 1 мкм.
В переключаемом окне по любому из предшествующих одиннадцати абзацев диаметр жидкокристаллического материала, заключенного в содержащую полимер оболочку, может быть в диапазоне от 1 до 10 мкм.
В переключаемом окне по любому из предшествующих двенадцати абзацев первая и вторая прозрачные подложки могут быть стеклянными подложками или могут быть выполнены из полиэтилена (полиэтилентерефталата) или включать его.
В переключаемом окне по любому из предшествующих тринадцати абзацев электрооптический слой может быть анизотропным гелем. Анизотропный гелевый электрооптический слой может быть толщиной примерно от 9 до 17 мкм.
Переключаемое окно по любому из предшествующих четырнадцати абзацев может иметь коэффициент пропускания в видимой области спектра по меньшей мере 60%, более предпочтительно по меньшей мере 70% и наиболее предпочтительно по меньшей мере 80%, когда переключаемое окно находится в состоянии пропускания.
В переключаемом окне по любому из предшествующих пятнадцати абзацев в электрооптическом слое отношение полимер/жидкий кристалл может быть примерно от 10 до 30%.
В переключаемом окне по любому из предшествующих шестнадцати абзацев распределение полимера в электрооптическом слое не обязательно должно быть равномерным, так что может быть большее процентное содержание полимера по сравнению с жидким кристаллом в срединной плоскости между электродами и меньшее процентное содержание полимера по сравнению с жидким кристаллом в непосредственной близости к электродам.
В переключаемом окне по любому из предшествующих семнадцати абзацев np
В переключаемом окне по любому из предшествующих восемнадцати абзацев содержащая полимер оболочка может быть мезогенной.
В переключаемом окне по любому из предшествующих девятнадцати абзацев первая подложка может поддерживать первый прозрачный электропроводящий электрод и первый диэлектрический слой, содержащий оксид кремния и/или оксинитрид кремния, при этом первый диэлектрический слой, содержащий оксид кремния и/или оксинитрид кремния, может быть расположен между электрооптическим слоем и первым прозрачным электропроводящим электродом и может контактировать с ними.
В переключаемом окне по любому из предшествующих двадцати абзацев вторая подложка может поддерживать второй прозрачный электропроводящий электрод и второй диэлектрический слой, содержащий оксид кремния и/или оксинитрид кремния, при этом второй диэлектрический слой, содержащий оксид кремния и/или оксинитрид кремния, расположен между электрооптическим слоем и вторым прозрачным электропроводящим электродом и контактирует с ними.
В переключаемом окне по любому из предшествующих двадцати одного абзацев содержащая полимер оболочка может содержать смесь полимера и жидкого кристалла.
В переключаемом окне по любому из предшествующих двадцати двух абзацев при всех углах падения от 0 до 80° во включенном состоянии ns может быть от 1,62 до 1,71, более предпочтительно от 1,63 до 1,69.
В переключаемом окне по любому из предшествующих двадцати трех абзацев при всех углах падения от 0 до 80° во включенном состоянии nc может быть от 1,57 до 1,66, более предпочтительно от 1,58 до 1,64.
В переключаемом окне по любому из предшествующих двадцати четырех абзацев при всех углах падения от 0 до 80° во включенном состоянии np может быть от 1,52 до 1,60, более предпочтительно от 1,52 до 1,59.
В переключаемом окне по любому из предшествующих двадцати пяти абзацев, в котором ns является эффективным показателем преломления оболочки, когда электрооптический слой находится во включенном состоянии, по углу падения в диапазоне от 0 до 80° во включенном состоянии электрооптического слоя ns не должен изменяться больше чем на 0,1, более предпочтительно не должен изменяться больше чем на 0,05, а наиболее предпочтительно не должен изменяться больше чем на 0,04.
В переключаемом окне по любому из предшествующих двадцати шести абзацев, в котором nc является эффективным показателем преломления ядра, когда электрооптический слой находится во включенном состоянии, по углу падения в диапазоне от 0 до 80° во включенном состоянии электрооптического слоя nc не должен изменяться больше чем на 0,05, более предпочтительно не должен изменяться больше чем на 0,03.
В переключаемом окне по любому из предшествующих двадцати семи абзацев, в котором np является эффективным показателем преломления полимера, когда электрооптический слой находится во включенном состоянии, по углу падения в диапазоне от 0 до 80° во включенном состоянии электрооптического слоя np не должен изменяться больше чем на 0,05, более предпочтительно не должен изменяться больше чем на 0,03.
Хотя выше были подробно описаны и показаны различные примеры вариантов осуществления настоящего раскрытия, специалисту в данной области техники должно быть понятно, что будут очевидны различные модификации, изменения и варианты и что эти модификации, изменения и варианты могут попадать в пределы сущности и в истинный объем раскрытия, определенные в прилагаемой формуле изобретения.
Реферат
Переключаемое окно (500) включает в себя электрооптический слой (510), содержащий анизотропный гель стабилизированного полимером высокохирального жидкого кристалла (50), например жидкого кристалла в голубой фазе, заключенного, например, в содержащую мезогенный полимер оболочку (10) и образующего самособранный трехмерный фотонный кристалл, который сохраняет способность к электрооптическому переключению при умеренном приложенном напряжении (например, электрического поля). Жидкокристаллическое (ЖК) устройство может быть получено посредством собранной полимером системы жидких кристаллов в голубой фазе, имеющей по существу непрерывный полимерный структурный каркас (60), окружающий четко выраженные дискретные тела жидкокристаллического материала, расположенные ячеистым образом. Эти собранные структуры соединены с образованием матрицы. Этим обеспечивается снижение углового двулучепреломления систем высокохиральных жидких кристаллов, что уменьшает мутность при таких применениях, как переключаемые окна. 2 н. и 61 з.п. ф-лы, 11 ил.
