專利名稱：電控液晶調光玻璃和薄膜的制作方法
技術領域：
該發明是利用了近晶態液晶的特殊屬性，在光學應用領域的一個新的突破。根據這種液晶的光電屬性，設計開發出了“電控調光玻璃”或者“電控調光薄膜”類的產品，通過遙控或者直接連線控制實現窗戶或者玻璃墻面的“全透明”和“霧狀磨砂遮光”的變換或者“全透明”和“有色遮光”之間的變換，如電控窗簾一般。其中，全透明和帶某種顏色的遮光之間的變換是借助一定的染料混合搭配而成，而霧狀磨砂遮光并沒有使用染料。而且通過對透明電極和控制電路的設計，還可以在這樣的玻璃或者薄膜上顯示一定的圖案和花紋，甚至文字。
因此，該發明涵蓋了光學、電子和化學三個方面的技術和基礎知識，是一種多學科集合的技術發明。
背景技術：
現在可以達到這種調光效果的玻璃中，主要通過電致變色、光致變色、溫致變色和壓致變色這四種技術來實現。其中光致變色、溫致變色和壓致變色的調光玻璃受環境的因素影響非常的大，因此并不是完全意義上的自主控制的智能調光玻璃。
在電致變色的調光玻璃中，有韓國人發明制造的可懸浮粒子類調光玻璃，即兩層玻璃之間通過控制懸浮的粒子數量來調整光線的透射和散射程度，但是造價不菲，而且為防止粒子泄漏對操作和使用環境的要求比較高。另外就是通過機械的方法來完成調光(專利號ZL200320116206.8)，這種方法主要是在中空的夾層玻璃的兩端放置兩個卷軸，卷軸上面裹有多種彩色薄膜，來實現需要遮光時，將一種顏色的薄膜旋轉出來遮光，而需要透光的時候，可以利用控制卷軸的電機把遮光的彩色薄膜收起來，所以，實際上，它類似我們日常看到的路邊的旋轉廣告畫載體。不同的是，它的厚度可以控制的比較薄。
而主要由美國發明的液晶聚合物技術(PDLC)的電致調光玻璃是現在調光玻璃在市場上的主角。這種技術主要是應用了向列態液晶和分子聚合物混合后，通過控制液晶的排列態，產生內部折射系數的不同，而呈現透光和散光的宏觀狀態的變換。具體來說，這種技術需要選擇合適的向列態液晶和一定的分子單合物進行混合，如果把這樣的混合物灌制在有一定厚度的兩層玻璃的夾縫中，或者是兩層塑料薄膜的夾縫中，而這些玻璃或者塑料基板(圖1中101)都在相對應的表面鍍有透明電極(圖1中102)，如ITO等，那么通過一定波長和強度的紫外光線的照射處理，這些分子單合物就會發生化學變化，凝聚在一起，變成了分子聚合物，這些聚合物也是透明的。而因為液晶分子是和這些分子聚合物均勻混合在一起的，在這些分子聚合物形成的過程中，就會把液晶分子均勻的分割成一個一個小的泡狀空間，即分子聚合物和液晶分子從融合變成分離，分子聚合物好像網狀一樣承載了無數的小的液晶泡(圖1中103)。
對于這些不同的液晶泡(圖2中220)，液晶分子(圖2中201)的排列并沒有很強的方向性，總體上而言是一種相對雜亂的狀態(如圖2所示)，在這種狀態下，因為液晶分子的各向異相性，以及和大面積的分子聚合物載體(圖2中202)的折射率的差異，所以在這些液晶泡的與分子聚合物載體交界的邊緣，形成了光的折射率的劇烈的和不規則的變化，那么從玻璃或者塑料基板一側入射的光線(圖2中的210)將在這些區域被散射掉(如圖2所示)散射的光線(圖2中的211)朝著不同的方向出射，因為這些液晶泡的體積很小，與聚合物接觸的面積又很大，所以散射現象非常的明顯，產生了不透光的磨砂玻璃一樣的狀態，就好像在室內外冷熱差距較大的冬季，窗上結滿了露珠而使窗的透明度大大降低一樣。
通過控制在玻璃或者塑料基板上的兩側電極，可以控制液晶分子(圖3中301)的排列形態的變化，如，在施加一定頻率的交流電壓(圖3中330)信號下(80V到100V左右)，液晶分子從雜亂的排列態變成了有序的排列，而且相對于電場的平行方向(如圖3所示)，這樣，從玻璃或者塑料薄膜的正面看，因為液晶分子的同向排列和在分子聚合物載體(圖3中302)內部液晶泡(圖3中的320)的均勻分布，入射光線(圖3中的310)透過時，并沒有折射率在光線直射方向上的太大變化，所以，并沒有強烈的散光，而是自然的光線出射(圖3中的311)，呈現出了一定的透明效果(如圖3所示)。如果，將電場撤去，那么液晶分子恢復雜亂的狀態，所以回到了對光的散射的狀態。
發明內容
該項發明應用了近晶態液晶技術，通過電壓改變近晶態液晶的排列形態，而這種變化，從宏觀上反應出來就是一種對光線的透射和散射的變化。這種近晶態液晶在零下20度到60度之間為粘稠的漿糊狀。該液晶材料可以封裝在兩層玻璃或者兩層塑料薄膜之間(圖4中401)，或者一層玻璃和一層塑料薄膜之間，厚度可以控制在幾個微米到二十個微米之間，因此相比較于塑料薄膜(大于100微米)和玻璃(大于400微米)的厚度，液晶層(圖4中403)的這個厚度很小。而玻璃或者塑料薄膜與液晶接觸的內側鍍有透明電極(圖4中402)，與夾層的液晶組成了一個大面積的電容結構(如圖4所示)。
通過電路設計控制施加在透明電極上的一定頻率的電壓和作用的時間，比如，在通過施加頻率50到200赫茲左右交流電，電壓在100V到200V的時候，只需要不到1秒鐘的時間內即可以將玻璃或者塑料薄膜基板(圖5中501)夾層里的液晶排列進行扭轉并形成了在液晶層內部的斷層(如圖5所示)，那么因為液晶的各向異相性(液晶的光折射率根據入射光線通過它的光軸不同角度而不同)，扭轉排列的液晶分子(圖5中502)和斷層液晶的連接處對通過它們的光線來講，存在著光折射率在液晶層的這個微小的厚度里面劇烈的變化，因此光線發生了強烈的散射，從宏觀上來看，就是一種散光效應，如磨砂毛玻璃一般。
改變加在透明電極上的電壓頻率到1000赫茲以上的相對高頻之后，也只需要不到1秒鐘就可以使液晶分子(圖6中602)回到規則排列的狀態，液晶分子的光學軸相對于電極基板平面垂直(如圖6所示)，那么光線通過這個液晶層沒有了光折射率的劇烈改變，因此可以自由透過。玻璃或者塑料薄膜呈現全透明狀態。
而且在這兩個狀態之間可以存在多個漸進的狀態，比如半透明狀態等。這是通過施加不同的電壓強度，或者通過控制電壓作用的時長來達到對液晶分子排列的部分扭曲，從而產生不同程度的散光效應。因此，可以自由控制整個玻璃或者塑料薄膜呈現需要的半透明狀態，在透明或者全散光之間也可以電控轉換。
在保持這種透明，散射或者半透明的狀態時并不需要電壓的維持，作用的電壓信號只是為了改變液晶的排列狀態，而液晶分子在這種驅動力下完成了排列的轉變后，可以穩定的維持在該狀態，所以可以稱作“準靜態”的，或者說“多穩態”的。
另外，通過和有二色性的染料混合，也可以實現在全透明和有色遮光之間的電控轉換。二色性的染料分子(圖7中702)和近晶態的液晶分子(圖7中701)光學軸的結構類似，我們這里需要的二色性染料呈現長分子狀，在沿著長光軸的平行方向，對光的吸收作用非常的弱，而沿著長光軸的垂直方向，一定波段的光線會被極大的吸收。因此如果這些二色性的染料可以規則的排列，光軸的方向垂直于玻璃或者塑料基板的平面(如圖7所示)，那么對光的吸收作用非常的微小，所以，整體看來，從玻璃或者塑料薄膜一端入射的光線(圖7中710)在經過這個液晶和染料混合層之后，很少量的吸收而出射(圖7中711)，而這個吸收量的多少取決于染料分子對于該液晶材料的規則排列度(Order Parameter)和溶解度，因此，玻璃或者塑料薄膜呈現透明的狀態。相對而言，因為染料分子和液晶分子保持相對的排序接近程度，如果液晶分子(圖8中801)在外電壓的作用下扭曲和出現斷層，染料分子(圖8中802)的排列也會隨之變得雜亂無章，甚至很多染料分子的光軸平行于玻璃或者塑料基板(如圖8所示)，因為入射光線(圖8中810)在液晶層的內部在液晶分子的散射下與染料分子長光軸垂直方向(光線吸收方向)重合的機會大大增加，所以一定波段的光線被極大的吸收，因此散射而出的光線(圖8中811)被部分吸收呈現出某種顏色(根據二色性的染料結構不同而不同，如淡黃色的偶氮基的雙色性染料)，這樣整個玻璃或者塑料平面的出射光線就會呈現出某種顏色。通過選擇不同的染料混合入液晶，甚至可以實現均勻吸收可見光光譜形成的黑灰色。而因為是染料分子溶解在液晶分子中間，并且有和液晶分子同光軸的排列趨勢，因此，通過電壓改變液晶分子的排列狀態，也同時改變了染料分子的排列狀態，所以，在透明和有色遮光之間可以完成自由的電控轉換。
前面講過的液晶分子的扭曲排列，因為液晶分子本身的雙折射率而產生的對光的散射效應會大大加強染料分子對透過光線的吸收。這是因為在光散射的時候，光線路徑在液晶層內部呈現多方向，這樣，這些光線會更容易在染料分子長光軸的垂直方向被一定的吸收。而如果通過調整液晶分子的分子鏈，降低液晶分子的雙折射率，這樣在液晶分子的光軸和垂直于光軸的方向上，光線通過的折射率接近，那么液晶排列在扭曲態時散射效應就會隨之減弱，那么加入了染料的液晶層不會出現強的散光現象，因此不會出現霧狀模糊的感覺，而是更大程度上決定于染料分子的排列狀態變化而使光線透過或者一定波長范圍的部分被吸收，就好像電控顏色的過濾片一樣，因此，完成了在“清晰透明”和并不模糊的“有色遮光”之間的轉化。
進一步來講，這種電控調光的平面可以根據需要顯示各種花紋、圖案甚至文字。這是通過將上下兩個基板上的電極進行條狀排列分割，根據需要分別控制分割后的電極交叉位置上所對應的像素點(圖9中901)來實現(如圖9所示)。首先，把整個平面通過低頻電壓控制達到散光或者有色遮光的狀態，因為該發明中使用的液晶材料是多穩態的，所以所有像素點的這種散光或者遮光狀態保留了下來。接著，使用電壓信號逐行驅動的方式，即每次通過控制數據端的所有電極(圖9中911)連接輸入對應像素點的數據信號，同時通過控制端的一個電極(圖9中912)對應在需要驅動的那一行施加選中電壓(這個電壓一般是數據電壓的兩倍，稱為“第三選擇”(Third Select)驅動方式，是一種無源矩陣的驅動方式)，而所有別的控制端電極都為零，這樣，就可以改變這一行的任意像素點的狀態(散光到透明，或是有色遮光到透明)到需要的狀態或者維持現有的狀態，一行完成后，控制端的電極選中電壓移到下一行，同時在數據端電極上輸入這一行的數據電壓信號，以此類推，直到最后一行，完成整個平面所有像素點的明暗控制，形成了花紋、圖案或者文字。根據電極分割的疏密，這樣的像素點可大可小，根據需要，可以從0.1個毫米到1米不等。因此，如果每個像素點比較小，這樣的調光控制可以作為顯示屏使用，顯示豐富的圖案、信息和文字。這時，可以在這個結構的一側貼附一個反射板，如包括白色在內的各種顏色的紙張、塑料、纖維制品、木制品或者金屬制品等。在很多的電子信息應用領域可以很好的提高顯示文字和圖案的對比度效果。
它的特點可以概括為1.多穩態特性 它不但可以顯示為透明和全遮光兩種狀態，而且可以在這兩種狀態之間分割為多級漸進的透明程度的效果，保持這些狀態不需要電，所以叫做“多穩態性”。
2.響應速度快 這是一種毫秒級響應時間的光開關。在透明到遮光之間轉換的時間很短，不到1秒鐘，一般為幾個到幾十個毫秒。如果要顯示中間的半透明效果，轉換時間則更短。
3.能耗低 這是一種能量消耗很小的電子產品，它每平米的瞬時工作電流很小，而且這個功耗僅在需要改變電子玻璃或塑料薄膜的透明和遮光狀態時才需要，保持其中的任何一個狀態，包括它們之間的半透明中間態時，都不需要電流來維持，所以非常的省電。
4.環保 因為在保持電子玻璃或塑料薄膜的狀態時，不需要施加任何電流，所以毫無電磁輻射。而本身這種液晶材料也無任何皮膚接觸性的毒害作用。
5.輕薄耐壓 如果是應用了塑料基板，也可以像塑料薄膜一樣，貼附在玻璃、硬塑料或者墻體上面，所以非常耐壓抗碎，可以用在很多曲面條件下，比如浴室的環形門等。
6.顏色多樣 因為可以與不同顏色的染料混合，在透明時可以實現無色透明，但是在遮光時，可以顯現染料的顏色，從而實現帶一定顏色的遮光顯示，不只是透明和白色霧狀兩種狀態。所以適合很多需要個性顏色的場合。
7.有效的保護私密性 在很多特定的環境下，需要保護室內的隱私性，但是又要保證足夠的光線，這樣通過電子窗的霧狀散色，可以保持室內的光亮度，而室外的觀測者卻無法透視。這樣，在需要敞亮時，電子玻璃或薄膜透明，需要保護私密性，電子玻璃或薄膜屏蔽。
8.可以作為顯示器使用 通過細分電極形成對每個像素點的調光，實現了顯示一定內容的文字或者圖案信息，或者作為個性化的可電控的窗體圖案裝飾。
綜上所述，該發明就是利用了近晶態液晶的特性，包括在其中加入二色性染料混合的組合特性來控制光線的散射和顏色過濾，在“全透明”和“霧狀遮光”，或者在“全透明”和“有色遮光”之間轉化。這是一種全新的電控調光和信息顯示方式。
圖一美國發明的液晶聚合物技術(PDLC)的基本結構，其中101為玻璃或者塑料薄膜基板，分上下兩塊；102為透明電極層，處在上下兩層基板的相對平面；103為液晶和聚合物混合層，即PDLC層，是以聚合物為載體，其中包含了很多均勻分布的向列態液晶的液晶泡。
圖二PDLC層在無外加電壓下的液晶排列趨向，其中201為液晶分子，202為分子聚合物形成的載體，210為入射光線，211為通過了PDLC層后的散射向各個方向的光線，而220表示在聚合物載體中存在的小的液晶泡。
圖三PDLC層在一定的外加電壓下的液晶排列趨向，其中301為液晶分子，302為分子聚合物形成的載體，310為入射光線，311為通過了PDLC層后的自由透射光線，而320表示在聚合物載體中存在的小的液晶泡，330表示外加的電壓控制裝置。
圖四本發明的電子調光產品的基本結構，其中401為玻璃或者塑料薄膜基板，分上下兩塊；402為透明電極層，處在上下兩層基板的相對平面；403為液晶層，為近晶態液晶。
圖五本發明的液晶層在低頻電壓作用下的液晶分子扭曲和斷層示意圖，其中501為鍍有透明電極的玻璃或者塑料基板，502為扭曲狀態下的液晶分子，510表示外加的控制電壓，輸出低頻的電壓信號，每次觸發作用時間很短(小于一秒)。
圖六本發明的液晶層在相對高頻電壓作用下的液晶分子規則排列狀態示意圖，其中601為鍍有透明電極的玻璃或者塑料基板，602為扭曲狀態下的液晶分子，610表示外加的控制電壓，輸出相對高頻的電壓信號，每次觸發作用時間很短(小于一秒)。
圖七本發明中液晶和染料分子規則排列時的微觀結構示意圖，其中701為液晶分子(標注為白色)，702為染料分子(標注為灰色)，液晶分子與染料分子在一定的規則度下平行排列；710為入射的光線，而711為出射的光線，只有少量吸收，整體呈現透明狀態。
圖八本發明中液晶和染料分子在扭曲和出現斷層排列時的微觀結構示意圖，其中801為液晶分子(標注為白色)，802為染料分子(標注為灰色)，液晶分子與染料分子在一定的規則度下仍然保持平行排列；810為入射的光線，而811為散射后的出射光線，因為入射光線在液晶層的內部在液晶分子的散射下與染料分子的長光軸垂直方向(光線吸收方向)重合的機會大大增加，所以一定波段的光線被極大的吸收，因此散射而出的光線被部分吸收呈現出某種顏色，或者是幾種染料混合后的黑灰色。
圖九逐行驅動的電極結構示意圖，其中901代表一個像素點，根據電極分割的疏密，這樣的像素點可大可小，根據需要，可以從0.1個毫米到1米不等。911為數據端輸入的數據電極，912為控制端輸入的控制電壓信號的控制電極。
具體實施例方式
這種發明可以以玻璃，塑料薄膜的形式進行應用，或者可將該薄膜貼附在多種材質和形狀的平面上(如普通玻璃、硬塑料板和墻體等)應用。因此，可以廣泛應用在各種平面和曲面的建筑裝飾裝修、私密性控制區域或者汽車用電子調光設備，如天窗，天穹和車窗等。
在建筑裝飾領域中，現代裝修大量采用了玻璃作為原材料，在會議室、辦公室、酒店、高檔娛樂場所、家庭廚房、衛生間中都有極為廣泛的應用。通過使用了這種發明提供的連接線直控或者遙控方式電控調光，實現了任意切換室內室外的透明與遮光兩種狀態，并且在兩種狀態中可以按照需要隨意調節透光度，這種玻璃墻還可以應用于一些專項建材領域，例如銀行ATM亭，電話亭等特殊領域，保護個人隱私。
在汽車電子應用領域，這個發明的調光膜可以方便的貼合在電控天窗或者車窗(包括前擋、側門和后擋玻璃)上面，通過連接線的直控或者遙控方式，來調節進入車內的光線的強弱，在前擋玻璃上方起到散光作用，可以防止陽光直射，影響駕駛員行車，代替了遮陽板的遮光作用，但更加有效的利用了陽光。對于側面和后擋的車窗可以起到自由調節透明度，需要時可以遮光而有效保護私密性的作用，但是全透明態大大方便了駕駛員在夜間和陰雨天氣開車。對于汽車的天窗和天穹，也可以將調光膜貼附在天窗的內側，根據需要調節光的入射強度，在透明時有好的視野和車內亮度，在遮光或者散光的時候，起到防盜和保護車內隱私的作用，并可以有個性化的顏色遮光。
根據前面的介紹，在顯示顏色單一的圖案、文字等信息時，根據它的準靜態和刷新率較低的特性，在電子公告牌領域有廣泛的應用空間。電子公告牌包括目前公共場所的各種公告牌，如銀行、證券交易所、機場等場所的利率、匯率、股票價格信息牌、航班信息牌等；超市、酒店、商場、影院等消費場所的公告、海報、促銷信息牌等。
權利要求
1.在表面鍍有電極的兩層介質平面或者曲面的夾層中灌制液晶或者液晶和二色性染料的混合物，通過這種結構實現電控調光功能，液晶層或者液晶和染料混合物層厚度在2個微米到30個微米之間。
2.在權利要求1的結構中使用的電極可以是透明電極(如ITO等，但不限于ITO一種)或金屬電極(如鋁、銅、銀等，但不限于以上三種)。
3.在權利要求1的結構中使用的兩層介質可以是兩層玻璃、兩層塑料、一層玻璃和一層塑料、或者其中一層為金屬。
4.在權利要求3的塑料介質為塑料薄膜或者塑料板。
5.在權利要求1的結構中應用了近晶態液晶。通過近晶態液晶調節透過兩層介質的光線，使權利要求1的結構在透明和散射遮光之間、以及散光遮光的不同程度之間轉換。
6.在權利要求1的結構中應用了近晶態液晶和二色性染料。通過控制近晶態液晶和二色性染料組成的混合物調節透過兩層介質的光線，使權利要求1的結構在透明和某種彩色遮光之間，進行不同深淺程度的轉換。
7.在權利要求1的結構中應用了近晶態液晶和兩種以上二色性染料組成的混合物。通過控制近晶態液晶和二色性染料組成的混合物調節透過兩層介質的光線，使權利要求1的結構在透明和某種彩色或者黑色之間，進行不同深淺程度的轉換。
8.在權利要求1的結構中使用了電線連接的直接控制方式或遙控方式來進行光線的調節。
9.在權利要求1的結構中，通過分割電極而形成可分別控制的像素點矩陣，使權利要求1的結構顯示圖案和文字信息。
10.在權利要求9的圖案和文字信息顯示結構的一側使用了反射板(如包括白色在內的各種顏色的紙張、塑料、纖維制品、木制品或者金屬制品等)。
全文摘要
該項發明是以近晶態液晶為主要材料，通過特殊的加工工藝灌制在兩層介質之間，如兩層玻璃之間、一層玻璃和一層塑料薄膜之間、或兩層塑料薄膜之間。當給玻璃或者薄膜上的電極通電的時候，夾層液晶排列形態會發生變化。而這種變化，使這兩層介質具備了電控調光的功能，即在全透明和磨砂遮光之間可以通過控制的電壓信號不同而自由轉換。而且，通過和二色性染料的混合，也可以實現在全透明和有色(彩色或黑色)遮光之間的電控轉換。另外，可以通過分割電極的辦法，顯示一定的圖案和文字。這個發明可以廣泛的應用在建筑裝飾裝修里需要私密控制區域和汽車電子領域，也可以應用在電子信息顯示領域。
文檔編號G09G3/36GK101059607SQ200610075639
公開日2007年10月24日 申請日期2006年4月17日 優先權日2006年4月17日
發明者孫剛 申請人:孫剛