用于调节光学能量通过的具有两个液晶切换层的装置

用于调节光学能量通过的具有两个液晶切换层的装置

本申请涉及用于调节能量通过的装置，其特征在于所述装置包含 至少两个切换层S(1)和S(2)，所述切换层的一个配置在另一个的后面， 其中所述切换层包含含有至少一种二性化合物的液晶介质，和其中 在所述装置的至少一个切换状态下，所述液晶介质分子的配向在层S(1) 和S(2)中不同。

出于本发明的目的，术语能量特别是指在UV-A、VIS和NIR区 域中通过电磁辐射的能量。又特别地，其是指非由通过通常用于窗户 的材料(例如玻璃)吸收或仅以忽略不计的程度吸收的辐射的能量。 根据通常使用的定义，UV-A区域是指320-380nm的波长，VIS区域 是指380nm至780nm的波长，和NIR区域是指780nm至2000nm的 波长。相应地，术语光通常是指具有320nm和2000nm之间波长的电 磁辐射。

出于本申请的目的，术语液晶介质是指在某种条件下具有液晶性 质的材料。该材料优选在室温下和在室温上下的一定温度范围中具有 液晶性质。液晶介质可以包含单种的化合物，或其可以包含多种不同 的化合物。根据本发明的液晶介质通常包含至少一种其分子具有细长 形状(即在一个空间方向比在其它两个空间方向显著更长)的化合物。 这种空间方向也被称为分子的纵轴。

出于本申请的目的，二性染料是指吸光化合物，其中吸收性能 依赖于化合物相对光的偏振方向的取向。根据本申请的二性化合物 通常具有细长的形状，即该化合物在一个空间方向比在其它两个空间 方向显著更长。这种空间方向也被称为分子的纵轴。

在用于调节能量通过面(例如玻璃面)的切换装置的领域中，在 过去几年已经提出了多种不同的技术解决方案。

一个有利的解决方案是使用包含与一种或多种二性染料混合的 液晶介质的切换层。通过施加电压，二性化合物分子的空间取向的 变化可以在这些切换层中实现，引起通过切换层透射率的变化。例如 在WO2009/141295中描述了相应的装置。

供选择地，如例如在US2010/0259698中所描述的，这种类型透 射率的变化也可以在无电压的情况下通过温度诱导的由液晶介质的各 向同性相向液晶相的转变实现。

所述出版物描述了使用如上所述构建且可以切换成具有相对高透 射率的状态和切换成具有相对低透射率状态(装置的明亮态和暗态) 的单一切换层。基于此原理的装置的特征在于它们在亮态和暗态之间 的能量通过仅具有较小的差异。这种差异也被称为透射率范围。

在这方面主要关注点是提供用于调节能量通过的装置，其具有尽 可能最大的能量调节能力，即通过其切换在通过该装置能量通过中实 现尽可能大的差异。因此，例如它们可以调节进入内部能量的输入， 并且从而有效地调节此内部的温度。所需装置因此不仅实现了以可见 光形式能量通过的调节，而且还实现了以不可见热辐射形式能量通过 的调节，特别是具有780-2000nm波长的的NIR辐射。

此外，所关注的是另外存在具有非常高能量透射率的装置的明亮 态。在来自外界低能量辐射的情况下，这为在能量输入由装置调节的 内部实现舒适状态的唯一方式。

现有技术描述了(US2010/0259698)使用偏振器以增加用于调节能 量通过的切换装置的透射率范围。然而，这显著降低了装置的亮度透 射率，如上所述这是不希望的。

在本发明的上下文中，现在已经发现以上提及的技术目的可以通 过提供具有新颖结构的用于调节能量通过的装置实现。

因此，本发明涉及用于调节穿过表面能量通过的装置，其中，所 述装置包括至少两个切换层S(1)和S(2)，其各自包含含有一种或多种 二性化合物的液晶介质，和其中所述装置包括取向层O(1)、O(2)、 O(3)和O(4)，其中所述切换层和取向层在所述装置中以顺序O(1)、 S(1)、O(2)、O(3)、S(2)、O(4)存在于相互平行的平面中，

其中邻接于O(2)的S(1)的液晶介质分子的取向轴OA(1)*和邻接 于O(3)的S(2)的液晶介质分子的取向轴OA(2)*存在于该装置的至少 一个切换状态中，和取向轴OA(1)*和OA(2)*不彼此平行并且平行于 切换层的平面。

迄今为止在待查领域未提出这种类型的结构，虽然在现有技术中 已知用于调节能量通过的装置的多种不同技术解决方案。

这可能是因为必须要克服针对这种类型结构的技术偏见的事实。 这种偏见认为用于建筑结构的装置例如根据本发明的装置必须具有尽 可能简单的结构。通常应当避免高复杂性，即使在实践中已展现与较 不复杂的组件同样长的寿命。

在土木工程领域的本领域技术人员的这种意见极为普遍，以致其 已经并入技术标准：DINISO15686。为了讨论在因素组件质量内的子 因素复杂性以及其对于组件寿命的假设性影响，也参见F.Ritter, LebensdauervonBauteilenundBauelementen-Modellierungund praxisnahePrognose[LifetimeofComponentsandConstruction ElementModellingandPracticalPrognosis],Dissertation,Darmstadt 2011。

然而，事后，根据本发明装置的优点(高亮透射率，伴随有大的 透射范围)明显弥补了复杂结构的缺点。迄今为止此二者均未观察到 关于寿命的任何缺点。

在本申请的范围内，在向列液晶介质的情况下常用的术语取向轴 用于表示液晶介质分子的纵轴在空间的平均配向。液晶介质的个别分 子的纵轴的个别配向不必相当于在每种个别情况下的取向轴。

根据本发明，装置的层O(2)和O(3)不必直接彼此相接。在本发明 优选的实施方案中，一个或多个层位于它们之间，例如一个或多个玻 璃层。

所述装置优选配置在较大平面结构的开口处，其中所述平面结构 本身不允许能量通过或仅会让较少程度的能量通过，并且其中所述开 口具有相对高的能量透射率。所述平面结构优选是墙壁或内部的其它 边界。此外，所述平面结构优选覆盖至少相同大小的面积，特别优选 覆盖如其中配置根据本发明装置的开口的至少两倍大的面积。

所述装置优选特征在于其具有至少0.05m²，优选至少0.1m²，特 别优选至少0.5m²和非常特别优选至少0.8m²的面积。

所述装置优选安装在建筑物、容器、车辆或其它基本密封空间的 开口中。特别优选安装在建筑物、容器、车辆或其它基本上密封空间 的如上所述具有相对高能量透射率的开口中。然而，所述装置可以用 于任何所需的内部空间，特别是如果这些内部空间与环境仅具有有限 的空气交换并且具有光透射边界面，通过该边界面可以发生能量以光 能的形式由外部的输入。所述装置的用途特别与通过光透射面(例如 通过窗户面)经受强烈日照的内部空间相关。

因此，本发明还涉及如上所述根据本发明的装置用于调节通过实 质上能量透射面进入内部空间的能量通过，优选以日光形式的能量通 过的用途。

然而，根据本发明的装置也可以用于美学空间设计，例如用于光 和颜效果。也可以进行其信号活动。例如以灰或以彩包含根据 本发明装置的门和壁元件可以切换至透明。此外，所述装置还可以包 含白或彩平面背光(其以亮度调节)，或包含使用另一种颜(例 如蓝)的客体/主体显示器调节的彩平面背光(例如黄)。也可 以在与根据本发明的装置结合的自侧面照射的光源例如白或彩 LED或LED链辅助下产生另外的美学效果。在此种情况下，根据本 发明装置的一个或两个玻璃侧面可以是平面的或具有由粗糙化或结构 化的玻璃构成的面元件，以用于耦合输出光和/或产生光效果。

同样为本发明的主题的另一种替代性用途是用于调节光在眼睛上 入射的用途，例如在保护镜、护目镜或太阳镜中，其中所述装置保持 在眼睛上的入射光在一种切换状态下低而在另一种切换状态下不太减 少光入射。

所述装置为可切换的装置。此处装置的切换是指通过装置的能量 通过的变化。这可根据本发明通过装置调节进入位于所述装置之后的 空间的能量输入。

根据本发明的装置优选是可电切换的。然而，其也可以是纯热可 切换的，如例如描述于WO2010/118422中用于调节能量通过的装置。

在后一种情况下，切换优选通过归因于包含液晶介质的可切换层 温度的变化由液晶介质的向列态向各向同性态的转变来进行。

在向列态下，液晶介质的分子和因此的二性化合物是有序的， 例如由于取向层的作用平行于装置的表面配向。在各向同性态下，分 子呈无序的形式。液晶介质的分子的取向影响二性染料的取向。根 据相对于光振动平面的取向的二性染料分子具有较高或较低的吸收 系数的原理，二性染料本身的有序和无序存在之间的差异引起通过 根据本发明装置能量通过的差异。

如果所述装置是电可切换的，则其具有用于通过电压配向切换层 液晶介质分子的器件。在这种情况下，其优选具有四个电极，所述电 极在切换层S(1)的两侧的每一侧和在切换层S(2)的两侧的每一 侧各安装一个。所述电极优选由ITO或薄的，优选透明的金属和/或 金属氧化物层构成，例如银或FTO(氟掺杂的氧化锡)或本领域技术 人员已知的用于此用途的替代性材料。所述电极优选提供有电连接。 电源供应优选通过电池、可再充电电池、超级电容器或通过外部电源 供应来提供。

在通过层的液晶介质分子的普通空间配向的电切换的情况下，切 换操作通过施加电压进行。二性化合物的分子从而如以上所解释的 同样配向，使得在通过装置的能量通过中实现差异。

根据本发明，切换层优选是单独可电切换的，使得仅S(1)或仅S(2) 或二者或二者无一可交替地经受电场。

施加电场优选引起液晶介质的分子的垂直配向，其中垂直应当被 理解为相对于切换层的平面。然而，同样可能地且在某些情况下也优 选配向平行于切换层的平面发生。电场必须如何设计或液晶介质的分 子如何必须设计，以使得发生通过电场分子的所需配向是液晶介质领 域的技术人员已知的。

在优选的实施方案中，在此切换层由具有高吸收性的状态(即低 能量通过，其在无电压的情况下存在)转化为具有较低吸收性的状态 (即较高的能量通过)。在两种状态下，液晶介质优选是向列的。无 电压切换状态优选特征在于液晶介质的分子和因此的二性化合物的 分子平行于切换层的表面配向(平面取向)。这优选通过相应地选择 取向层来实现。在电压下的切换状态优选特征在于液晶介质的分子和 因此的二性化合物的分子垂直于切换层的表面(垂面取向)。

在替代性同样优选的实施方案中，切换层由具有低吸收性的状态 (即较高的能量通过，其在无电压的情况下存在)转化为具有较高吸 收性的状态(即低能量通过)。在两种状态下，液晶介质优选是向列 的。无电压切换状态优选特征在于液晶介质的分子和因此的二性化 合物的分子垂直于切换层的表面配向(垂面取向)。这优选通过相应 地选择取向层来实现。在电压下的切换状态优选特征在于液晶介质的 分子和因此的二性化合物的分子平行于切换层的表面(平面取向)。

在所述装置优选的实施方案中，切换层S(1)和S(2)就它们在无电 压切换状态中的配向而言是相同的。此处可设想以下两个例子：在一 种情况下，所述装置可以在无电压切换状态在两个切换层中具有平面 配向，或在另一种情况下，所述装置在无电压切换状态在两个切换层 中具有垂面配向。

根据一个替代性的实施方案，其在某些情况下同样是优选的，切 换层S(1)和S(2)就它们在无电压切换状态的配向而言是不同的，例如 以此种方式使得液晶介质的分子在无电压切换状态下在一个切换层中 垂面配向并且在无电压切换状态下在两个切换层的另一个中具有平面 配向。

此外，也可能并且在某些情况下是优选的，切换层就它们在电压 下切换状态中的配向而言是不同的，例如以此种方式使得在电压在切 换状态下在一个切换层中液晶介质的分子是垂面配向，并且在电压在 切换状态下在两个切换层的另一个中具有平面配向。这种情况优选与 上述情况结合(切换层S(1)和S(2)就它们在无电压切换状态中的配向 而言是不同的)。

优选以下情况：

实施方案A-1:

无电压暗态:S(1)平面，S(2)平面

仅对于S(1)有电压:S(1)垂面，S(2)平面

仅对于S(2)有电压:S(1)平面，S(2)垂面

有电压的亮态:S(1)垂面，S(2)垂面

实施方案A-2:

无电压亮态:S(1)垂面，S(2)垂直

仅对于S(1)有电压:S(1)平面，S(2)平面

仅对于S(2)有电压:S(1)垂面，S(2)平面

有电压的暗态:S(1)平面，S(2)平面

实施方案A-3:

无电压状态:S(1)垂面，S(2)平面

仅对于S(1)有电压的暗态:S(1)平面，S(2)平面

仅对于S(2)有电压的亮态:S(1)垂面，S(2)垂面

实施方案A-4:

无电压状态:S(1)平面,S(2)垂面

仅对于S(1)有电压的亮态:S(1)垂面，S(2)垂面

仅对于S(2)有电压的暗态:S(1)平面，S(2)平面

在实施方案A-3和A-4中，层S(1)和S(2)彼此独立地可电 切换。这些实施方案具有以下优点：在无电压的情况下存在平均透射 状态，自其可以在仅对于两个切换层的一个施加电压的每种情况下转 换成高透射切换状态或转换成低透射切换状态。

优选地，对于实施方案A-1和A-2，单独切换层S(1)和S(2)也是 可能的。在这些实施方案中，平均透射的切换状态可通过在各种情况 下自两个层S(1)和S(2)的一个切换来进行。

根据优选的实施方案，根据本发明的装置的特征在于其本身产生 了所有切换层所需的能量。因此所述装置优选是自动的并且不需要任 何外部提供的能量。为此目的，其优选包括用于将光能转化为电能的 器件，特别优选太阳能电池。

在本发明优选的实施方案中，用于将光能转化成电能的所述器件 电连接至根据本发明用于电切换所述装置的设备。通过太阳能电池提 供能量可以直接或间接进行，例如经由在二者之间连接的用于存储能 量的电池或可再充电的电池或其它器件进行。所述太阳能电池优选应 用于装置的外部或装置的内部，如例如在WO2009/141295中所公开 的。优选使用在漫反射光的情况下特别有效的太阳能电池，和透明太 阳能电池。例如，在根据本发明的装置中可以使用硅太阳能电池或有 机太阳能电池。

如果根据本发明的装置包括用于将光能转化为电能的设备，那么 优选其包含光波导系统，该光波导系统是引导光由切换层进入将光能 转化为电能的单元。

这种类型的光波导系统优选如在WO2009/141295中所描述的构 建。光波导系统收集并且集中撞击装置的光。其优选收集并且集中由 在包含液晶介质的可切换层中的荧光二性染料发出的光。所述光波 导系统与用于将光能转化成电能的器件(优选为太阳能电池)接触， 使得收集的光以集中的形式撞击该后者器件。光波导系统优选引导光 通过全内部反射。所述装置优选特征在于光波导系统具有至少一个波 长选择性镜，其优选选自一个或多个胆甾醇液晶层。

根据本发明的装置构建自一层平置在另一层顶部的多个层。其优 选具有以下顺序的层结构，其中所述层特别优选直接彼此邻接：

-基底层,优选由玻璃或聚合物构成

-导电透明层,优选ITO层

-取向层O(1)

-切换层S(1)

-取向层O(2)

-导电透明层，优选ITO层

-一个或多个基底层，优选由玻璃或聚合物构成

-导电透明层，优选ITO层

-取向层O(3)

-切换层S(2)

-取向层O(4)

-导电透明层，优选ITO层

-基底层，优选由玻璃或聚合物构成。

这种类型的层结构示于图1。两个或更多个基底层也可以在层O (2)和O(3)之间存在，或由一个间隙分离的恰好两个基底层。

层O(1)、S(1)和O(2)优选直接彼此邻接。此外，层O(3)、S(2)和 O(4)优选彼此邻接。

在一个优选的实施方案中，根据本发明的装置是窗户，特别优选 是包含至少一个玻璃面的窗户，非常特别优选是包含多片绝缘玻璃的 窗户的组成部分。

此处，窗户特别是指建筑物中的结构，其包含框架和至少由该框 架围绕的至少一个玻璃片。其优选包含热绝缘框架和两个或更多个玻 璃框架(多片绝缘玻璃)。

根据一个优选的实施方案，根据本发明的装置直接应用于窗户的 玻璃面，特别优选应用于多片绝缘玻璃的两个玻璃片之间的间隙中。

如果根据本发明的装置是窗户或类似装置的组成部分，那么优选 窗户的第一玻璃片由装置的玻璃片形成，使得包括该装置的窗户的层 顺序如下：

-玻璃层

-导电透明层，优选ITO层

-取向层O(1)

-切换层S(1)

-取向层O(2)

-导电透明层，优选ITO层

-基底层，优选由玻璃或聚合物构成

-导电透明层，优选ITO层

-取向层O(3)

-切换层S(2)

-取向层O(4)

-导电透明层，优选ITO层

-玻璃层

-密封间隙，填充有绝缘气体，例如惰性气体

-玻璃层。

优选以如此的方式设置窗户使得首先提及的层邻接于外部和最后 提及的层邻接于内部。然而，反向配置也是可能的并且在某些条件下 可以是优选的。

窗户以上提及的层顺序可以通过其它层补充，例如额外的玻璃层 或保护层例如针对UV辐射的保护层、针对NIR辐射的保护层、针对 VIS辐射的保护层和/或针对物理损伤的保护层，或具有反射功能的层 例如针对NIR光的反射功能层。这些层的个别功能也可以在一个层中 组合。因此，例如导电和NIR反射的功能可以通过一个且同一个层实 现。

包括根据本发明的装置的窗户基本上也已经可以通过改装现有窗 户来获得。

此外，本申请还涉及窗户，其优选具有以上指出的优选的特征。

根据本发明，在至少一个切换状态中液晶介质的分子的取向轴 OA(1)*和OA(2)*不彼此平行配置。对于取向轴OA(1)*和OA(2)*， 它们优选在这样的至少一个切换状态中彼此形成50-90°的角，特别优 选70-90°的角，和非常特别优选85-90°的角。

根据一个优选的实施方案，液晶介质分子的取向轴OA(1)*在整 个切换层S(1)中均一存在。类似地，根据优选的实施方案，液晶介质 分子的取向轴OA(2)*在整个切换层S(2)中均一存在。然而可以发生 以下情形，取向轴OA(1)*仅存在于邻接取向层O(2)的切换层S(1)的 区域，和/或取向轴OA(2)*仅存在于邻接取向层O(3)的切换层S(2) 的区域。在这种情况下，在切换层内优选存在取向轴的扭转配置。

在OA(1)*和OA(2)*之间的角度(即它们非平行)优选在装置的 无电压切换状态下(即不施加电场)存在。在这种情况下，由在层S(1) 和S(2)中液晶介质分子取向轴彼此形成的角优选通过邻接层的取向层 实现，即通过O(1)和O(2)(对于S(1))和因此的OA(1)*，和通过O(3) 和O(4)(对于S(2))和因此的OA(2)*。

然而，所述角度还可以在装置的电压下切换状态中存在，即在电 场的作用下存在。在这种情况下，由电场引起液晶介质分子与切换层 的平面平面配向。为此目的，根据本发明通过在无电压切换状态下将 与取向层O(3)和O(4)(对于S(2))相比的取向层O(1)和O(2)(对于 S(1))的所限定的不同设定的预倾斜角来实现液晶介质分子不完全垂 直于切换层的平面，而代替地具有微小的角度(预倾斜角)。如随后 通过施加电场迫使平行配向于切换层的平面，那么所述配向以此种方 式发生使得取向轴继续存在于该取向轴的平面中，如在预倾斜角存在 下存在于垂面状态下。取向层O(1)和O(2)(对于S(1))和取向层O(3) 和O(4)(对于S(2))因此也在该实施方案中各自间接限定取向轴 OA(1)*和OA(2)*。

在另一个替代中，在OA(1)*和OA(2)*之间的角度可以存在于切 换状态中，其中两个切换层的一个在无电压切换状态中存在和两个切 换层的另一个在电压下的切换状态中存在。

优选以如此方式设计装置中的取向层O(2)和O(3)使得它们各自 实现邻接于取向层的液晶介质分子的不同取向轴。

它们优选在两个可能的切换状态的恰好一个中实现该取向。所述 切换状态优选是装置的无电压切换状态。此外，在该状态中液晶介质 优选存在于液晶相中，优选为向列液晶相。

在无电压切换状态中的层O(2)和O(3)优选实现邻接液晶介质分 子的平面配向。根据本领域的一般定义，平面配向是指液晶介质分子 的长轴平行于取向层的平面。

然而，供选择地，对于层O(2)和O(3)也可以在无电压切换状态中 实现邻接液晶介质分子的垂面配向。根据本领域的一般定义，垂面配 向是指液晶介质分子的长轴垂直于取向层的平面。

此外，以下情形也是可能的，即两个取向层O(2)和O(3)的一个实 现了邻接液晶介质分子的垂面配向和两个取向层O(2)和O(3)的另一 个实现了邻接液晶介质分子的平面配向。

以下更详细地描述了特别优选的实施方案A-1(如以上所呈现的) 的变体：

优选由层O(2)和O(3)以一定方式实现的配向使得邻接于相应层 的液晶介质分子的取向轴在每种情况下相对于彼此以50-90°的角度扭 转，特别是以70-90°的角度，和非常特别优选85-90°的角度。这种类 型特别优选的设置示于图2，其中邻接于取向层的各个液晶介质分子 的取向轴由双箭头表示。

双箭头考虑取向轴不具有方向的情形。因此，大于90°的角度具 有其小于90°的角度的等效对应物。

在取向轴之间大于90°的角度不可能符合定义，因为箭头的两个 末端之间未进行区别，对应于在液晶介质分子的情况下，其中仅在一 个纵轴和两个横轴之间进行区别。

在本发明优选的实施方案A-1-1中，邻接相同切换层的两个取向 层各自以此种方式设计使得它们基本上实现切换层液晶介质分子的相 同取向轴。因此这种类型优选的设置实现了取向轴以下大致的角度， 对于O(1)从0°开始：

O(1):0°

O(2):0°

O(3):90°

O(4):90°

此种类型的设置图解示于类似于图2的图3中。在所示情况下， OA(1)*的角度为0°和OA(2)的角度为90°，使得它们围成90°的角度。

在本发明一个替代性同样是优选的实施方案中，邻接相同切换层 的两个取向层以如此的方式设计使得通过它们实现的液晶介质分子的 取向层相对于彼此扭转。在此，它们彼此优选形成50-90°的角度，特 别优选70-90°的角度，和非常特别优选85-90°的角度。

这特别优选与上述与由O(2)和O(3)实现的取向轴的角度相关的 偏好结合。这种类型优选的配置A-1-2，因此实现了取向轴以下大致 角度，对于O(1)自0°开始：

O(1):0°

O(2):90°

O(3):0°

O(4):90°

这种类型的设置图解于类似于图2的图4。在所示情况下，OA(1)* 的角度是90°和OA(2)的角度是0°，使得它们围成90°的角。

应当指出，也可以采用类似大小的角度(例如80°)而非90°的扭 转角。

此外，其中O(1)和O(2)实现90°的扭转，但O(3)和O(4)未实现扭 转的一个实施方案也是可能并且优选的。这种类型优选的配置A-1-3 因此实现以下取向轴的以下大致角度，对O(1)从0°开始：

O(1):0°

O(2):90°

O(3):0°

O(4):0°

这种类型的设置图解示于类似于图2的图5。在所示情况下， OA(1)*的角度为90°和OA(2)的角度为0°，使得它们围成90°的角度。

应当指出，也可以采用类似大小角度(例如80°)而非90°的扭转 角。

最后，其中O(3)和O(4)实现90°的扭转，但O(1)和O(2)未实现扭 转的实施方案也是可能的。这种类型优选的配置A-1-4，因此实现以 下取向轴的以下大致角度，对O(1)从0°开始：

O(1):0°

O(2):0°

O(3):90°

O(4):0°

这种类型的设置图解示于类似于图2的图6。在所示情况下， OA(1)*的角度为0°和OA(2)的角度为90°，使得它们围成90°的角度。

应当指出，也可以采用类似大小角度(例如80°)而非90°的扭转 角。

切换层中一个或多个二性化合物的分子优选基本上以液晶介质 分子相同的方式配向。为了进行此相同的配向，本领域技术人员知道 如何选自液晶介质和二性化合物。

在施加电压的切换状态下，液晶介质的分子优选基本垂直于层的 平面配向。本领域技术人员取决于所选择的液晶介质知道如何施加电 压以实现此。

也有可能如例如在US2010/0259698中所描述的，自如上所述的 装置的暗态开始通过转变成切换层的液晶介质分子的各向同性态实现 相对更亮的切换状态。此处。施加电压不是必须的。

对于取向层O(1)和O(2)对而言，优选两个取向层实现液晶介质分 子的平面配向，或二者实现了液晶介质分子的垂面配向。特别优选地， 两个取向层实现邻接于取向层的层S(1)的液晶介质分子的完全相同的 取向轴。然而，也可发生两个取向层实现不同取向轴的情形。这引起 切换层S(1)内取向轴扭曲设置的形成。

对于取向层O(3)和O(4)对而言，优选两个取向层实现液晶介质分 子的平面配向，或二者实现了液晶介质分子的垂直配向。特别优选地， 两个取向层实现邻接于取向层的层S(2)的液晶介质分子的完全相同的 取向轴。然而，也可发生两个取向层实现不同取向轴的情形。这引起 切换层S(2)内取向轴扭曲设置的形成。

用于根据本发明装置的取向层可以是本领域技术人员已知的用于 此目的的任何所需层。优选聚酰亚胺层，特别优选由经摩擦的聚酰亚 胺构成的层。如果分子平行于取向层(平面配向)存在，则以本领域 技术人员已知的某种方式摩擦的聚酰亚胺在摩擦方向中造成液晶介质 分子的配向。此处，优选液晶介质分子在取向层上不完全共面，而是 具有稍许预倾斜角。为了实现液晶介质化合物对于取向层表面的垂直 配向(垂面配向)，以某种方式处理的聚酰亚胺优选作为取向层的材 料采用(聚酰亚胺用于非常高的预倾斜角)。此外，通过暴露于偏振 光过程获得的聚合物可以用作取向层以实现液晶介质化合物根据取向 轴的配向(光配向)。

以下指明的切换层优选的特征优选应用于切换层S(1)和切换层 S(2)二者。

此外，通常优选的是切换层S(1)和S(2)关于它们的化学组成而言 具有相同的结构，并且对于它们具有相同的物理性能。

切换层S(1)和S(2)优选特征在于它们具有0.7-0.9的各向异性度 R，特别优选0.7-0.85，和非常特别优选0.75-0.8。

切换层的各向异性度R根据式R＝[E(p)-E(s)]/[E(p)+2*E(s)]， 由在分子平行于偏振光振动平面配向的情况下吸光度的测量值(E(p)) 和在分子垂直于偏振光振动平面配向的情况下吸光度的测量值(E(s)) 计算。待使用的精确的方法在实施例中指出。

此外，切换层优选在亮态中的光透射程度τ_v亮为至少40％，优 选至少50％，特别优选至少60％和非常特别优选至少70％。

切换层在亮态中的光透射程度τ_v亮以百分数形式指出。其由在装 置的亮态下切换层的光透射程度相对于作为参考物的具有不含染料的 切换层的装置的比来计算。其根据欧洲标准EN410，方程式(1)(镶嵌 玻璃发光和太阳能特征的测定)在考虑到标准照明体的相对光谱分布 和标准观察器的光谱亮度敏感度由光谱透射度测定。待使用的精确方 法在实施例中指明。

切换层优选具有1-100μm的厚度，特别优选5-50μm。此外优选 切换层S(1)和S(2)具有相同的厚度。

所述装置优选特征在于切换层包含三种或更多种不同的二性化 合物。

此外优选的是至少一种二性化合物是发光的，优选是荧光的。 如果化合物吸收的光能重新发射出去，则这是特别优选的，以例如通 过太阳能电池用于能量回收。

这里荧光是指化合物通过吸收某一波长的光而处于电激发状态， 其中化合物随后通过发射光而转化成基态。发射的光优选具有比吸收 的光更长的波长。此外，由激发态向基态的转变优选是允许旋转的， 即在无自旋变化下发生。此外，荧光化合物激发态的寿命优选小于10^-5s，特别优选小于10^-6s，非常特别优选为10^-9和10^-7s之间。

根据一个在某些条件下可以同样是优选的替换性的实施方案，二 性化合物不是荧光的。

液晶介质中二性染料的吸收光谱优选以一定方式彼此补偿，使 得眼睛出现黑的印象。液晶介质的两种或更多种二性染料优选覆 盖可见光谱的大部分。优选地，这通过至少一种吸收红光的二性染 料、至少一种吸收绿至黄光的二性染料和至少一种吸收蓝光的二 性染料实现。

可制备对眼睛呈现黑或灰的染料的混合物的精确方式是本领 域技术人员已知的并且例如描述于ManfredRichter,Einführungin dieFarbmetrik[IntroductiontoColorimetry],2ndEdition,1981, ISBN3-11-008209-8,VerlagWalterdeGruyter&Co。

此外，二性染料优选主要吸收UV-VIS-NIR区域中的光，即 320-2000nm的波长范围。在此，UV光、VIS光和NIR光如上所定义。 二性染料特别优选具有400至1300nm范围的吸收最大值。

所有二性染料一起在液晶介质中的比例优选总计0.01-10wt％， 特别优选0.1-7wt％和非常特别优选0.2-7wt％。单种二性染料的比 例优选为0.01-10wt％，优选0.05-7wt％和非常特别优选0.1-7wt％。

此外，二性染料优选选自B.Bahadur,LiquidCrystals- ApplicationsandUses,Vol.3,1992,WorldScientificPublishing, Section11.2.1中指明的染料种类，和特别优选在其中呈现表格中给出 的明确化合物。

优选地，至少一种二性化合物，特别优选所有二性化合物选 自偶氮化合物、蒽醌、次甲基化合物、甲亚胺化合物、部花菁化合物、 萘醌、四嗪、二萘嵌苯、三萘嵌苯、四萘嵌苯、高级萘嵌本、苯并噻 二唑、二酮基吡咯并吡咯、方酸菁和吡咯甲川，例如硼-二吡咯亚甲基 (BODIPY)。

特别优选至少一种二性化合物，非常特别优选所有的二性化 合物选自偶氮染料、二萘嵌苯、三萘嵌苯、苯并噻二唑和二酮基吡咯 并吡咯。

优选的方酸菁染料符合下式(I)和优选的硼-二吡咯亚甲基染料符 合下式(II)，

式(I)

式(II),

其中

A¹在每次出现时相同或不同地为脂肪族、杂脂族、芳香族或杂 芳族环，其可以被一种或多个基团R¹取代；

Z¹在每次出现时相同或不同地选自单键、-C(＝O)-O-、 -O-(C＝O)-、O、S、-CF₂-CF₂-、-CF₂-O-、-O-CF₂-、-CH₂-CH₂-、-CH＝CH-、 -CF＝CF-、-CF＝CH-、-CH＝CF-、-C≡C-、-OCH₂-和-CH₂O-；

R¹在每次出现时相同或不同地为任何所需的有机基团；和

n在每次出现时相同或不同地为1、2、3、4或5；和

式(I)和(II)的结构可以在每种情况下在任何自由的位置被基团R¹取代。

A¹优选在每次出现时相同或不同地任选为取代的1,4-环亚乙基或 1,4-亚苯基。

指数n优选在每次出现时相同或不同地为1、2或3。

R¹在每次出现时相同或不同地优选为H、D、F、Cl、CN,R²-O-CO-、 R²-CO-O-或具有1-10个C原子的烷基或烷氧基，或具有2-10个C原 子的烯基，其中R²为具有1-10个C原子的烷基或具有5-20个C原子 的杂芳基。

蒽醌染料例如描述于EP34832、EP44893、EP48583、EP 54217、EP56492、EP59036、GB2065158、GB2065695、GB 2081736、GB2082196、GB2094822、GB2094825、 JP-OS55-123673、DE3017877、DE3040102、DE3115147、DE 3115762、DE3150803和DE3201120，萘醌染料例如描述于 DE3126108和DE3202761，偶氮染料描述于EP43904、DE3123519、 WO82/2054、GB2079770、JP-OS56-57850、JP-OS56-104984、US 4308161、US4308162、US4340973、T.Uchida,C.Shishido,H.Seki andM.Wada:Mol.Cryst.Lig.Cryst.39,39-52(1977),和H.Seki,C. Shishido,S.YasuiandT.Uchida:Jpn.J.Appl.Phys.21,191-192 (1982),二萘嵌苯描述于EP60895、EP68427和WO82/1191，boron-di 吡咯亚甲基描述于A.Loudet等,Chem.Rev.2007,4891–4932和方酸 菁描述于K.Law等,Chem.Rev.1993,449–486。

非常特别优选萘嵌苯染料,如公开于例如EP2166040、 US2011/0042651、EP68427、EP47027、EP60895、DE3110960和 EP698649和尚未公开的申请EP12008320.9。

此外，非常特别优选苯并噻二唑，如公开于例如尚未公开的申请 EP13002711.3。

此外，非常特别优选二酮基吡咯并吡咯，如公开于例如尚未公开 的EP13005918.1中

可以存在于液晶介质中的优选的二性染料的实例描述于下表。

根据本发明，装置的切换层包含液晶介质。

所述液晶介质优选在装置的操作温度下为向列液晶。特别优选在 装置的操作温度以上和以下+-20℃的范围内，非常特别优选在+-30℃ 的范围内为向列液晶。

此外，液晶介质优选在70℃至170℃，优选90℃至160℃，特 别优选95℃至150℃和非常特别优选105℃至140℃的温度范围内 具有清亮点，优选为向列液晶态至各向同性态的相转变。

此外，液晶介质的介电各向异性Δε优选大于3，特别优选大于7。

供选择地，可优选液晶介质的介电各向异性Δε小于-2，优选小于 -3。

此外，液晶介质优选包含3-20种不同的化合物，优选8-18种， 特别优选10-16种不同的化合物。

此外，液晶介质优选具有0.01至0.3，特别优选0.04至0.27的光 学各向异性(Δn)。

此外，液晶介质优选具有大于10¹⁰ohm*cm的比电阻。

可以用作液晶介质组成的化合物是本领域技术人员已知的并且可 以任意选择。

此外，优选液晶介质包含至少一种包含基于1,4-亚苯基和1,4-亚 环己基的结构单元的化合物。特别优选切换层的液晶介质包含至少一 种具有2、3或4，特别优选3或4种基于1,4-亚苯基和1,4-亚环己基 的结构单元的化合物。

液晶介质可以包含一种或多种手性掺杂剂。随后这些优选以 0.01-3wt％的总浓度存在，特别优选0.05-1wt％。为了获得高的扭转值， 手性掺杂剂的总浓度也可以选择高于3wt％，优选最多10wt％的最大 值。

液晶介质优选包含一种或多种稳定剂。稳定剂的总浓度优选为整 个混合物的0.00001-10wt％，特别优选0.0001-1wt％。

所述装置优选特征在于其不包含基于聚合物的偏振器、特别优选 不包含固体材料相的偏振器，和非常特别优选完全不包含偏振器。

然而，根据一个代替性的实施方案，所述装置还可以具有一个或 多个偏振器。在这种情况下，优选线性偏振器。

如果恰好存在一个偏振器，则其吸收方向优选在上面有偏振器的 切换层的那侧上垂直于根据本发明装置液晶介质化合物的取向轴。

在根据本发明的装置中，可以采用吸收和反射偏振器二者。优选 使用以薄的光学膜形式的偏振器。可以用于根据本发明装置的反射偏 振器的实例为DRPF(漫射反射偏振器膜，3M)、DBEF(双重亮度增强 膜，3M)、DBR(层化聚合物分布的层Bragg反射器，如描述于 US7,038,745和US6,099,758)和APF膜(高级偏光膜，3M,参见 TechnicalDigestSID2006,45.1,US2011/0043732和US7023602)。此 外，可以采用反射红外光的基于线格栅的偏振器(WGP，线格栅偏振 器)。可以用于根据本发明装置的吸收性偏振器的实例为ItosXP38 偏振器膜和NittoDenkoGU-1220DUN偏振器膜。可以根据本发明使 用的圆形偏振器的实例是APNCP37-035-STD偏振器(American Polarizers)。另一个实例是CP42偏振器(ITOS)。

此外，所述装置可以包括保护层。例如针对UV辐射、针对NIR 辐射、针对VIS辐射和/或针对物理损伤的保护层。

代替用于基底层的上述材料(玻璃和聚合物)，也可以采用具有 相似性能的其它材料。基底层优选的材料为玻璃或聚合物PET、PEN、 PVB或PMMA。

此外，根据本发明的装置优选包括一个或多个具有抗反射涂层的 玻璃层。抗反射涂层通过薄膜技术的涂覆方法制备。这些例如包括物 理气相沉积，例如热蒸发和溅镀沉积。抗反射涂层可以通过单层系统 或通过多层系统实现。在根据本发明的装置中，至少邻接于外部环境 (即直接暴露于入射日光)的玻璃层优选具有抗反射涂层。

附图说明

图1显示了根据本发明装置的优选层顺序。

图2通过双箭头显示了对装置的一个优选的实施方案而言，直接 邻接于取向层O(2)或O(3)的液晶介质分子的不同取向轴。

图3通过双箭头显示了对于装置的一个优选的实施方案A-1-1而 言，直接邻接于取向层O(1)、O(2)、O(3)或O(4)的液晶介质分子的不 同取向轴，其中在每种情况下取向轴对于O(1)和O(2)相同，并且在每 种情况下对于O(3)和O(4)相同。

图4通过双箭头显示了对于装置的一个优选的实施方案A-1-2而 言，直接邻接于取向层O(1)、O(2)、O(3)或O(4)的液晶介质分子的不 同取向轴，其中对于O(1)和O(2)在每种情况下取向轴相对彼此扭转 90°，和对于O(3)和O(4)在每种情况下相对彼此扭转90°。

图5通过双箭头显示了对于装置的一个优选的实施方案A-1-3而 言，直接邻接于取向层O(1)、O(2)、O(3)或O(4)的液晶介质分子的不 同取向轴，其中在每种情况下取向轴对于O(1)和O(2)相同，并且在每 种情况下对于O(3)和O(4)相同。

图6通过双箭头显示了对于装置的一个优选的实施方案A-1-4而 言，直接邻接于取向层O(1)、O(2)、O(3)或O(4)的液晶介质分子的不 同取向轴，其中在每种情况下取向轴对于O(1)和O(2)相同，和在每种 情况下取向轴对于O(3)和O(4)相对彼此扭转90°。

符号说明

1基底层,优选由玻璃或聚合物构成

2导电层

3取向层O(1)

4切换层S(1)

5取向层O(2)

6取向层O(3)

7切换层S(2)

8取向层O(4)

实施例

以下通过缩写(字首)来再现液晶化合物的结构。这些缩写于 WO2012/052100(第63–89页)中明确呈现和解释，使得参考该公开 的申请来解释本申请中的缩写。

所有的物理性能根据"MerckLiquidCrystals,Physical PropertiesofLiquidCrystals",StatusNov.1997,MerckKGaA, Germany来测定，并且适用于20℃的温度。Δn的值在589nm处测 定，并且Δε的值在1kHz下测定，除非在每种情况下另有说明。

A)装置的制造和所获得的结果

制造了根据本发明的装置E-1至E-15和对比装置V-1至V-15。

根据本发明的装置具有以下层顺序，由反向平行摩擦的两个交叉 主-宾单元(单元1和单元2)组成。

单元1

a)玻璃层，由来自Corning的抛光1.1mm钠钙玻璃构成

b)ITO层，200埃

c)取向层，由来自JSR的聚酰亚胺AL-1054，300埃，反向平 行摩擦

d)液晶层(以下所示的组成)，24.3μm

e)与c)一样

f)与b)一样

g)与a)一样

单元2

与单元1相同的结构，直接配置在单元1之后，但绕垂直通过该 层的轴相对于单元1旋转90°。

ITO层相应地接触用以电切换。

供选择地，与上述配置不同之处仅在于以下事实的等效配置(TN 单元)是可能的：各个每个单元的取向层对并非反向平行，而在每种 情况下在它们摩擦方向上相对彼此扭转90°。在此，单元1的第二取 向层的摩擦方向相对于单元2的第一(即后续)取向层的摩擦方向旋 转90°。因此四个取向层之间的角度如下：单元1的两个取向层之间 90°；单元1的取向层2和单元2的取向层1之间90°；单元2的两个 取向层之间90°。换句话说，本配置以在每种情况下单元1和单元2 不彼此围绕垂直通过层的轴旋转的方式设计。

如上文所述，对比装置仅由单元1组成。

获得的结果显示相比于使用仅包含单个主-宾层(V-1至V-15)， 对于相同的亮透射率而言，在使用根据本发明装置的情况下(E-1至 E-15)获得了显著更佳的透射率范围值。

使用根据本发明的装置E-3和E-13例如可以获得优异的亮透射率 (分别75.7％和80.9％)以及大的范围(分别50.0％和54.0％)。这 样的值不能够使用对比装置实现，如由具有所有对比实施例最大透射 范围的实施例V-4所示。在V-4的情况下，亮透射率类似于E-3的情 形，但范围显著更小(33.3％)。

即使在非常高亮透射率的情形下，使用根据本发明的装置实现的 范围大于使用对比装置，如通过实施例E-2和E-12(36.7和38.2％范 围)对比V-3、V-9和V-13(其仅具有20和30％之间的范围)所示。

如果液晶层具有高各向异性度，获得了透射率范围特别优异的值。 切换层的高各向异性度和使用两个切换层的组合具有显著超过各个个 体效果的总和。装置V-10和V-15作为对比显示通过单独增加各向异 性(对于V-10为0.49，对比对于V-15为0.77)仅实现了透射范围由 24.6至32.5％的增加。对于装置E-10/V-10通过由单一切换层至根据 本发明双层切换层的变化也仅增加类似的程度。相比之下，如果使用 高各向异性度和根据本发明的双层二者(V-10与E-15相比)，透射 范围由24.6％增加至45.9％，即几乎加倍。

另一个出人意料的研究结果是即使具有高亮透射率(大于45％， 优选大于55％，特别优选大于65％)，如由实施例E-1至E-4、E-9、 E-12至E-15所示，如果根据本发明使用两个切换层透射率范围也可 以获得良好的结果。就基于主-宾单元的用于调节能量通过的切换装置 而言，高亮透射率和大的透射率范围的组合迄今未得到报道。然而， 这两种性能的组合是作为可切换窗户的装置使用的主要关注点。

B)液晶混合物的组成和所使用染料的结构

C)用于测定参数τ_v亮(亮态光透射度)、透射率范围和各向异性度 R的方法

1)亮态光透射程度τ_v亮以百分数提出。其由装置亮态的光谱透射 度(包含两个单元的装置，所述单元各自包含在之间配置有取向层和 含有二性染料的液晶介质的两个玻璃板)相比于作为参照物的在液 晶介质中不具有染料的其它方面相同的装置计算。此处使用Perkin ElmerLambda1050UV光谱仪测量光谱透射度。

这里也可以针对空气作为参照物测量。在这种情况下，对于光透 射的亮度和暗度获得了降低的值。然而，这里本发明的定性效果不变。

光透射程度τ_v亮根据欧洲标准EN410，方程式(1)(镶嵌玻璃发 光和太阳能特征的测定)计算。根据该标准的光透射度τ_v亮考虑标准 照明体的相对光谱分布和标准观察器的光谱亮度敏感度。

2)透射范围以百分数提出。它代表了装置亮态切换层的光透射度 (τ_v亮)和装置暗态切换层的光透射程度(τ_v暗)之间的差异。此处值τ_v暗通过以上所指出的用于测量τ_v亮的方法而将装置切换成暗态来测 定。

3)切换层的各向异性度R在550nm处由具有两个玻璃片(具有 设置其间的取向层和包含二性染料的液晶介质，染料分子平行配向) 的装置的吸光度E(p)值和具有染料分子垂直配向的相同装置的吸光度 E(s)值测定。染料分子的平行配向通过取向层来实现。装置的吸光度 针对不含染料但其它方面具有相同的构造的装置来测量。测量使用偏 振光进行，其振动平面在一种情况下平行于取向方向(E(p))振动和在 随后的测量中垂直于取向方向(E(s))振动。样品在测量期间不切换或旋 转。E(p)和E(s)的测量因此通过旋转入射偏振光的振动平面进行。

详细地，遵循的程序如下所述：使用PerkinElmerLambda1050 UV光谱仪记录用于测量E(s)和E(p)的光谱。该光谱仪安装有对于测 量和参比光束二者的250-2500nm波长范围的Glan-Thompson偏振 器。两个偏振器通过步进马达控制并且以相同的方向配向。偏振器的 偏振器方向的变化，例如由0°变化至90°，对于测量和参比光束始终 同步和以相同的方向进行。个别偏振器的配向可以使用描述于T. Karstens,UniversityofWürzburg,1973的论文中的方法测定。在该方 法中，偏振器针对配向的二性样品以5°梯度旋转，并且在固定的波 长下记录吸光度，优选在最大吸收区域。对于各个偏振器位置运行新 零线。

为了测量两个二性光谱E(p)和E(s)，将涂覆有来自JSR公司的 聚酰亚胺AL-1054的经反向平行摩擦的测试单元定位于测试和参比光 束二者中。两个测试单元应当选择相同的层厚度，通常是15-25μm。 含有纯液晶介质的测试单元定位于参比光束中。在液晶介质中含有二 性染料的溶液的测试单元定位于测量光束中。测试和参比光束的两 个测试单元以相同的取向方向安装于射线路径上。为了保证光谱仪的 最大可能精确性，确保E(p)在其最大吸收的波长范围内，优选0.5-1.5 之间。这对应于30％-5％的透射率。这通过相应调整层厚度和/或染料 浓度来设定。

各向异性度R根据下式由E(p)和E(s)的测量值计算

R＝[E(p)-E(s)]/[E(p)+2*E(s)],

如尤其指明于"PolarizedLightinOpticsandSpectroscopy",D.S. Kliger等,AcademicPress,1990。