扩展温度范围聚合物分散液晶光闸制造技术

一种在约－４０℃至约１００℃的工作温度范围内能在透明状态和不透明状态之间电切换的扩散温度范围聚合物分散液晶光闸。该光闸包括一种聚合物分散的液晶（ＰＤＬＣ）材料，该材料包含一种已在其中分散了相分离的液晶微滴的、相当高度交联的透明基体，该液晶在低温下以一种过冷液晶状态存在。这样的光闸适用于各种窗口和电光学显示器，凡是希望能对可见性或透明度进行调整且不顾及温度极值的场合，均可使用。（*该技术在2011年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及聚合物分散的液晶光闸，更具体地说，涉及在约-40℃至约100℃的工作温度范围内可在透明状态和不透明状态之间切换的扩展温度范围聚合物分散液晶光闸。利用相分离制备聚合物分散的液晶(PDLC)光闸或光调制材料的技术，以及这样的技术和用这样的技术所制备的材料所提供的优点，已在美国专利4，671，618，4，678，255，4，685，771和4，688，900中加以讨论，这些专利的公开文本列为本文参考文献。PDLC材料的制备是，使液晶和提供基体的材料形成均相溶体，然后使之相分离，从而引起自发形成分散于光透明合成树脂基体中的液晶微滴。这种相分离的微滴的尺度与光的波长大致相同。采用相分离技术并利用能呈现正介电各向异性的液晶制备的、可电寻址的光调制材料，在外加电场不存在时对入射光是不透明的(断路状态)，而在电场存在时对入射光是透明的(接通状态)。可电寻址的PDLC光调制材料之所以能工作，是由于能控制液晶在微滴中的取向。在断路状态，各微滴的导向剂在基体内呈无规排列，造成双折射液晶的折射率总体上与入射光的伴生散射不匹配。在接通状态，电场使得微滴导向剂顺着电场排列，从而使液晶的普通折射率与基体的相“一致”。由于液晶的普通折射率与基体的折射率匹配，因而能让入射光透过。这类器件的响应时间，即所有微滴导向剂被施加的电场从无规排列切换到有序排列(从不透明向透明切换)、然后又从有序排列返回无规排列(从透明向不透明切换)所需的时间，取决于向列液晶群对外加的电场激励的响应能有多快，以及随后当电场撤除时松弛得有多快。对于可电寻址的液晶显示器(LCD)的日常应用，例如电视屏幕及计算器、手表中所用的字母数字显示器等，全都在从约20℃至约30℃、通常延伸不超过10度的一个十分狭窄的室温范围内工作，响应时间还不是一个严重问题。然而，迄今为止，技术上众所周知的扭绞向列类LCD一直不能在低温工作，因为在透明状态和不透明状态之间没有可用于切换的时间。扭绞型LCD的工作方式使得在降低温度时液晶粘度增加，有效地抑制了扭绞晶胞的运转。现已发现，采用相分离技术制作的某些液晶光调制材料，令人惊讶地能在低达约-40℃的扩展温度范围发挥作用，并且能在这些低温下快速、高效地做出响应。本专利技术提供一种能在约-40℃至约100℃的工作温度范围内在透明状态和不透明状态之间电切换的、扩展温度范围聚合物分散的液晶(ET-PDLC)光闸。ET-PDLC材料包含交联程度相当高、已在其中分散了相分离的液晶微滴的透明基体，这种液晶在低温下处于一种过冷的液晶状态。ET-PDLC应用于各种窗口和电光学显示器，凡是希望能对可见性或透明度进行调整且不顾及温度极值的场合，均可应用。更具体地说，本专利技术提供一种在聚合物基体中包含液晶微滴的液晶光调制材料。这些微滴尺寸使在外加电场不存在时能有效地散射入射光，而且能对外加电场做出响应而使入射光透过，该基体能从约-40℃至80℃，有效地使微滴在外加电场不存在时保持在一种散射状态，并有效地使微滴保持对外加电场做出响应而使入射光透过。虽然不想过多探讨任何工作原理，但似乎本专利技术的光调制材料能在-40℃左右工作，其物理原因与扭绞晶胞不能工作的物理原因相同，即倾斜和弯曲常数随温度降低而增大。但在这种液晶光闸的微观几何形状使得它的运行依赖于进出诸如球形小滴内部的一个特定位置的分子的情况下，倾斜和弯曲常数增大导致响应时间缩短(更快)，这看来抵消了由于粘度增大造成的系统惰性。一种特定液晶在特定温度下的倾斜和弯曲常数，导致诸如沿椭圆长轴的一种优先取向。于是，在非常低的温度下当施加一个外电场使液晶微滴脱离其在断路状态下的优先最低能量位置时，倾斜和弯曲能量就有所增加。当该外电场撤销时，出现一个能使该液晶回到优先最低能量位置的回复扭矩，由于该扭矩是倾斜和弯曲能量的函数，所以它在降低温度时也增大，从而保持快速切换。在提高工作温度时，尽管倾斜和弯曲常数减少，粘度降低的效果还是导致快速切换，所以，本专利技术的ET-PDLC材料在很大的温度范围内呈十分均匀的响应，这本身就是一个惊人的结果。当了解到工作温度远低于凝固温度或液晶向晶体的转变温度时，本专利技术的ET-PDLC材料确能在较低温度下工作这一事实还会更加惊人。这似乎意味着，该ET-PDLC的微观几何形状有助于或诱发了一种能对外加电场做出响应的过冷液晶态，从而能在断路状态下散射光而在接通状态下透过光。能在-40℃工作的ET-PDLC材料，同样也能在80℃工作。本专利技术的材料在这两个极端温度之间响应时间变化很小或者不变，在这个扩展的工作温度范围内的任何一点上，断路状态和接通状态之间的反差也无显著变化。这种在大温度范围内工作特性的恒定性是惊人的，因为可以预期，在更高的温度范围，微滴可能改变形状，并可能诱发工作失常，例如响应增大或反差减小。也可以预期，该液晶的各组成部分在高温下可能力求迁移或溶进基体中去，从而改变折射率，并对用其制成的任何器件的工作造成不良影响。我们相信，基体交联度高，对这些意外的观察结果有着双重贡献。首先，高度交联的基体使微滴的形状在该大温度范围内保持不变。其次，在该材料制作和相分离期间发生的高度交联，使得最初溶于提供基体的材料中的任何一种液晶组成部分被“挤出来”，因而，成品只有非常少量的液晶仍然溶于基体之中。这意味着，该液晶的所有组成部分都被相分离成微滴。这一点至关重要，因为我们相信，某些可能有助于使该液晶在较高温度下保持在其液晶状态的成分，呈优先溶于基体中的特性。如果这些高温成分依然留在基体中而不是分离成微滴，那么，留在微滴中的液晶预期就会呈现较低的液晶相向各向同性液相转变的温度。本专利技术的光调制材料的优点是不计其数的。本材料为户外显示器和窗口提供了具备在世界上任何一个角落通常遇到的温度范围内不变的光学性能的机会。例如，液晶窗口在汽车上和飞机上用来抗眩目和保安全的用途，由于需要高达例如约600V的驱动电压才能克服低温下的粘度，目前还不实用。这一点加上响应时间在1/2秒或更长时间的量级，使得人们对此类材料的使用失去信心。本专利技术的材料不表现出已有技术液晶窗口的这些缺点和短处。本专利技术的这些特征及其它特征，将从以下结合附图进行的详细说明中得到更好的理解。附图说明图1A、1B和1C是分别用液晶E43、E45和E63制作并在室温固化的光闸的百分透射率与温度关系图;图2A、2B和2C是分别用液晶E43、E45和E63制作并在如所指的60℃、70℃和80℃固化的光闸的百分透射率与温度关系图;图3是用液晶E43和如所指的各种环氧制作的光闸的百分透射率与温度关系图;图4是用在EDA固化的环氧中含有E43的ET-PDLC材料制作的光闸的百分透射率与温度关系图;图5是图4中所述光闸的驱动电压和断路时间与温度关系图;图6是用在EDA固化的环氧中含有E63的ET-PDLC材料制作的光闸的百分透射率与温度关系图;和图7是图6中所述光闸的驱动电压和断路时间与温度关系图。图1A、1B和1C说明了不具有扩展工作温度范围的PDLC材料的常见透射率与温度关系图。图1中所代表的那种类型的光调制材料的制备，详见美国专利4，671，618，4，673，255，4，685，771，和4，688，900。在图1中说明的所有情况下，断路状态的百分透本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种液晶光调制材料，包括一种交联的聚合物基体中的一个液晶相，该液晶相在外加电场消失时能有效地使入射光散射，此外，该液晶相从约－４０℃至８０℃都能对一个外加电场做出响应而使入射光透射，而且在外加电场消失时该基体能有效地使该液晶相保持在一种散射状态。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：约翰L韦斯特，
申请(专利权)人：肯特州大学，
类型：发明
国别省市：US[美国]