专利名称：电控液晶调光玻璃和薄膜的制作方法
技术领域：
该发明是利用了近晶态液晶的特殊属性，在光学应用领域的一个新的突破。根据这种液晶的光电属性，设计开发出了“电控调光玻璃”或者“电控调光薄膜”类的产品，通过遥控或者直接连线控制实现窗户或者玻璃墙面的“全透明”和“雾状磨砂遮光”的变换或者“全透明”和“有色遮光”之间的变换，如电控窗帘一般。其中，全透明和带某种颜色的遮光之间的变换是借助一定的染料混合搭配而成，而雾状磨砂遮光并没有使用染料。而且通过对透明电极和控制电路的设计，还可以在这样的玻璃或者薄膜上显示一定的图案和花纹，甚至文字。
因此，该发明涵盖了光学、电子和化学三个方面的技术和基础知识，是一种多学科集合的技术发明。
背景技术：
现在可以达到这种调光效果的玻璃中，主要通过电致变色、光致变色、温致变色和压致变色这四种技术来实现。其中光致变色、温致变色和压致变色的调光玻璃受环境的因素影响非常的大，因此并不是完全意义上的自主控制的智能调光玻璃。
在电致变色的调光玻璃中，有韩国人发明制造的可悬浮粒子类调光玻璃，即两层玻璃之间通过控制悬浮的粒子数量来调整光线的透射和散射程度，但是造价不菲，而且为防止粒子泄漏对操作和使用环境的要求比较高。另外就是通过机械的方法来完成调光(专利号ZL200320116206.8)，这种方法主要是在中空的夹层玻璃的两端放置两个卷轴，卷轴上面裹有多种彩色薄膜，来实现需要遮光时，将一种颜色的薄膜旋转出来遮光，而需要透光的时候，可以利用控制卷轴的电机把遮光的彩色薄膜收起来，所以，实际上，它类似我们日常看到的路边的旋转广告画载体。不同的是，它的厚度可以控制的比较薄。
而主要由美国发明的液晶聚合物技术(PDLC)的电致调光玻璃是现在调光玻璃在市场上的主角。这种技术主要是应用了向列态液晶和分子聚合物混合后，通过控制液晶的排列态，产生内部折射系数的不同，而呈现透光和散光的宏观状态的变换。具体来说，这种技术需要选择合适的向列态液晶和一定的分子单合物进行混合，如果把这样的混合物灌制在有一定厚度的两层玻璃的夹缝中，或者是两层塑料薄膜的夹缝中，而这些玻璃或者塑料基板(图1中101)都在相对应的表面镀有透明电极(图1中102)，如ITO等，那么通过一定波长和强度的紫外光线的照射处理，这些分子单合物就会发生化学变化，凝聚在一起，变成了分子聚合物，这些聚合物也是透明的。而因为液晶分子是和这些分子聚合物均匀混合在一起的，在这些分子聚合物形成的过程中，就会把液晶分子均匀的分割成一个一个小的泡状空间，即分子聚合物和液晶分子从融合变成分离，分子聚合物好像网状一样承载了无数的小的液晶泡(图1中103)。
对于这些不同的液晶泡(图2中220)，液晶分子(图2中201)的排列并没有很强的方向性，总体上而言是一种相对杂乱的状态(如图2所示)，在这种状态下，因为液晶分子的各向异相性，以及和大面积的分子聚合物载体(图2中202)的折射率的差异，所以在这些液晶泡的与分子聚合物载体交界的边缘，形成了光的折射率的剧烈的和不规则的变化，那么从玻璃或者塑料基板一侧入射的光线(图2中的210)将在这些区域被散射掉(如图2所示)散射的光线(图2中的211)朝着不同的方向出射，因为这些液晶泡的体积很小，与聚合物接触的面积又很大，所以散射现象非常的明显，产生了不透光的磨砂玻璃一样的状态，就好像在室内外冷热差距较大的冬季，窗上结满了露珠而使窗的透明度大大降低一样。
通过控制在玻璃或者塑料基板上的两侧电极，可以控制液晶分子(图3中301)的排列形态的变化，如，在施加一定频率的交流电压(图3中330)信号下(80V到100V左右)，液晶分子从杂乱的排列态变成了有序的排列，而且相对于电场的平行方向(如图3所示)，这样，从玻璃或者塑料薄膜的正面看，因为液晶分子的同向排列和在分子聚合物载体(图3中302)内部液晶泡(图3中的320)的均匀分布，入射光线(图3中的310)透过时，并没有折射率在光线直射方向上的太大变化，所以，并没有强烈的散光，而是自然的光线出射(图3中的311)，呈现出了一定的透明效果(如图3所示)。如果，将电场撤去，那么液晶分子恢复杂乱的状态，所以回到了对光的散射的状态。
发明内容
该项发明应用了近晶态液晶技术，通过电压改变近晶态液晶的排列形态，而这种变化，从宏观上反应出来就是一种对光线的透射和散射的变化。这种近晶态液晶在零下20度到60度之间为粘稠的浆糊状。该液晶材料可以封装在两层玻璃或者两层塑料薄膜之间(图4中401)，或者一层玻璃和一层塑料薄膜之间，厚度可以控制在几个微米到二十个微米之间，因此相比较于塑料薄膜(大于100微米)和玻璃(大于400微米)的厚度，液晶层(图4中403)的这个厚度很小。而玻璃或者塑料薄膜与液晶接触的内侧镀有透明电极(图4中402)，与夹层的液晶组成了一个大面积的电容结构(如图4所示)。
通过电路设计控制施加在透明电极上的一定频率的电压和作用的时间，比如，在通过施加频率50到200赫兹左右交流电，电压在100V到200V的时候，只需要不到1秒钟的时间内即可以将玻璃或者塑料薄膜基板(图5中501)夹层里的液晶排列进行扭转并形成了在液晶层内部的断层(如图5所示)，那么因为液晶的各向异相性(液晶的光折射率根据入射光线通过它的光轴不同角度而不同)，扭转排列的液晶分子(图5中502)和断层液晶的连接处对通过它们的光线来讲，存在着光折射率在液晶层的这个微小的厚度里面剧烈的变化，因此光线发生了强烈的散射，从宏观上来看，就是一种散光效应，如磨砂毛玻璃一般。
改变加在透明电极上的电压频率到1000赫兹以上的相对高频之后，也只需要不到1秒钟就可以使液晶分子(图6中602)回到规则排列的状态，液晶分子的光学轴相对于电极基板平面垂直(如图6所示)，那么光线通过这个液晶层没有了光折射率的剧烈改变，因此可以自由透过。玻璃或者塑料薄膜呈现全透明状态。
而且在这两个状态之间可以存在多个渐进的状态，比如半透明状态等。这是通过施加不同的电压强度，或者通过控制电压作用的时长来达到对液晶分子排列的部分扭曲，从而产生不同程度的散光效应。因此，可以自由控制整个玻璃或者塑料薄膜呈现需要的半透明状态，在透明或者全散光之间也可以电控转换。
在保持这种透明，散射或者半透明的状态时并不需要电压的维持，作用的电压信号只是为了改变液晶的排列状态，而液晶分子在这种驱动力下完成了排列的转变后，可以稳定的维持在该状态，所以可以称作“准静态”的，或者说“多稳态”的。
另外，通过和有二色性的染料混合，也可以实现在全透明和有色遮光之间的电控转换。二色性的染料分子(图7中702)和近晶态的液晶分子(图7中701)光学轴的结构类似，我们这里需要的二色性染料呈现长分子状，在沿着长光轴的平行方向，对光的吸收作用非常的弱，而沿着长光轴的垂直方向，一定波段的光线会被极大的吸收。因此如果这些二色性的染料可以规则的排列，光轴的方向垂直于玻璃或者塑料基板的平面(如图7所示)，那么对光的吸收作用非常的微小，所以，整体看来，从玻璃或者塑料薄膜一端入射的光线(图7中710)在经过这个液晶和染料混合层之后，很少量的吸收而出射(图7中711)，而这个吸收量的多少取决于染料分子对于该液晶材料的规则排列度(Order Parameter)和溶解度，因此，玻璃或者塑料薄膜呈现透明的状态。相对而言，因为染料分子和液晶分子保持相对的排序接近程度，如果液晶分子(图8中801)在外电压的作用下扭曲和出现断层，染料分子(图8中802)的排列也会随之变得杂乱无章，甚至很多染料分子的光轴平行于玻璃或者塑料基板(如图8所示)，因为入射光线(图8中810)在液晶层的内部在液晶分子的散射下与染料分子长光轴垂直方向(光线吸收方向)重合的机会大大增加，所以一定波段的光线被极大的吸收，因此散射而出的光线(图8中811)被部分吸收呈现出某种颜色(根据二色性的染料结构不同而不同，如淡黄色的偶氮基的双色性染料)，这样整个玻璃或者塑料平面的出射光线就会呈现出某种颜色。通过选择不同的染料混合入液晶，甚至可以实现均匀吸收可见光光谱形成的黑灰色。而因为是染料分子溶解在液晶分子中间，并且有和液晶分子同光轴的排列趋势，因此，通过电压改变液晶分子的排列状态，也同时改变了染料分子的排列状态，所以，在透明和有色遮光之间可以完成自由的电控转换。
前面讲过的液晶分子的扭曲排列，因为液晶分子本身的双折射率而产生的对光的散射效应会大大加强染料分子对透过光线的吸收。这是因为在光散射的时候，光线路径在液晶层内部呈现多方向，这样，这些光线会更容易在染料分子长光轴的垂直方向被一定的吸收。而如果通过调整液晶分子的分子链，降低液晶分子的双折射率，这样在液晶分子的光轴和垂直于光轴的方向上，光线通过的折射率接近，那么液晶排列在扭曲态时散射效应就会随之减弱，那么加入了染料的液晶层不会出现强的散光现象，因此不会出现雾状模糊的感觉，而是更大程度上决定于染料分子的排列状态变化而使光线透过或者一定波长范围的部分被吸收，就好像电控颜色的过滤片一样，因此，完成了在“清晰透明”和并不模糊的“有色遮光”之间的转化。
进一步来讲，这种电控调光的平面可以根据需要显示各种花纹、图案甚至文字。这是通过将上下两个基板上的电极进行条状排列分割，根据需要分别控制分割后的电极交叉位置上所对应的像素点(图9中901)来实现(如图9所示)。首先，把整个平面通过低频电压控制达到散光或者有色遮光的状态，因为该发明中使用的液晶材料是多稳态的，所以所有像素点的这种散光或者遮光状态保留了下来。接着，使用电压信号逐行驱动的方式，即每次通过控制数据端的所有电极(图9中911)连接输入对应像素点的数据信号，同时通过控制端的一个电极(图9中912)对应在需要驱动的那一行施加选中电压(这个电压一般是数据电压的两倍，称为“第三选择”(Third Select)驱动方式，是一种无源矩阵的驱动方式)，而所有别的控制端电极都为零，这样，就可以改变这一行的任意像素点的状态(散光到透明，或是有色遮光到透明)到需要的状态或者维持现有的状态，一行完成后，控制端的电极选中电压移到下一行，同时在数据端电极上输入这一行的数据电压信号，以此类推，直到最后一行，完成整个平面所有像素点的明暗控制，形成了花纹、图案或者文字。根据电极分割的疏密，这样的像素点可大可小，根据需要，可以从0.1个毫米到1米不等。因此，如果每个像素点比较小，这样的调光控制可以作为显示屏使用，显示丰富的图案、信息和文字。这时，可以在这个结构的一侧贴附一个反射板，如包括白色在内的各种颜色的纸张、塑料、纤维制品、木制品或者金属制品等。在很多的电子信息应用领域可以很好的提高显示文字和图案的对比度效果。
它的特点可以概括为1.多稳态特性 它不但可以显示为透明和全遮光两种状态，而且可以在这两种状态之间分割为多级渐进的透明程度的效果，保持这些状态不需要电，所以叫做“多稳态性”。
2.响应速度快 这是一种毫秒级响应时间的光开关。在透明到遮光之间转换的时间很短，不到1秒钟，一般为几个到几十个毫秒。如果要显示中间的半透明效果，转换时间则更短。
3.能耗低 这是一种能量消耗很小的电子产品，它每平米的瞬时工作电流很小，而且这个功耗仅在需要改变电子玻璃或塑料薄膜的透明和遮光状态时才需要，保持其中的任何一个状态，包括它们之间的半透明中间态时，都不需要电流来维持，所以非常的省电。
4.环保 因为在保持电子玻璃或塑料薄膜的状态时，不需要施加任何电流，所以毫无电磁辐射。而本身这种液晶材料也无任何皮肤接触性的毒害作用。
5.轻薄耐压 如果是应用了塑料基板，也可以像塑料薄膜一样，贴附在玻璃、硬塑料或者墙体上面，所以非常耐压抗碎，可以用在很多曲面条件下，比如浴室的环形门等。
6.颜色多样 因为可以与不同颜色的染料混合，在透明时可以实现无色透明，但是在遮光时，可以显现染料的颜色，从而实现带一定颜色的遮光显示，不只是透明和白色雾状两种状态。所以适合很多需要个性颜色的场合。
7.有效的保护私密性 在很多特定的环境下，需要保护室内的隐私性，但是又要保证足够的光线，这样通过电子窗的雾状散色，可以保持室内的光亮度，而室外的观测者却无法透视。这样，在需要敞亮时，电子玻璃或薄膜透明，需要保护私密性，电子玻璃或薄膜屏蔽。
8.可以作为显示器使用 通过细分电极形成对每个像素点的调光，实现了显示一定内容的文字或者图案信息，或者作为个性化的可电控的窗体图案装饰。
综上所述，该发明就是利用了近晶态液晶的特性，包括在其中加入二色性染料混合的组合特性来控制光线的散射和颜色过滤，在“全透明”和“雾状遮光”，或者在“全透明”和“有色遮光”之间转化。这是一种全新的电控调光和信息显示方式。
图一美国发明的液晶聚合物技术(PDLC)的基本结构，其中101为玻璃或者塑料薄膜基板，分上下两块；102为透明电极层，处在上下两层基板的相对平面；103为液晶和聚合物混合层，即PDLC层，是以聚合物为载体，其中包含了很多均匀分布的向列态液晶的液晶泡。
图二PDLC层在无外加电压下的液晶排列趋向，其中201为液晶分子，202为分子聚合物形成的载体，210为入射光线，211为通过了PDLC层后的散射向各个方向的光线，而220表示在聚合物载体中存在的小的液晶泡。
图三PDLC层在一定的外加电压下的液晶排列趋向，其中301为液晶分子，302为分子聚合物形成的载体，310为入射光线，311为通过了PDLC层后的自由透射光线，而320表示在聚合物载体中存在的小的液晶泡，330表示外加的电压控制装置。
图四本发明的电子调光产品的基本结构，其中401为玻璃或者塑料薄膜基板，分上下两块；402为透明电极层，处在上下两层基板的相对平面；403为液晶层，为近晶态液晶。
图五本发明的液晶层在低频电压作用下的液晶分子扭曲和断层示意图，其中501为镀有透明电极的玻璃或者塑料基板，502为扭曲状态下的液晶分子，510表示外加的控制电压，输出低频的电压信号，每次触发作用时间很短(小于一秒)。
图六本发明的液晶层在相对高频电压作用下的液晶分子规则排列状态示意图，其中601为镀有透明电极的玻璃或者塑料基板，602为扭曲状态下的液晶分子，610表示外加的控制电压，输出相对高频的电压信号，每次触发作用时间很短(小于一秒)。
图七本发明中液晶和染料分子规则排列时的微观结构示意图，其中701为液晶分子(标注为白色)，702为染料分子(标注为灰色)，液晶分子与染料分子在一定的规则度下平行排列；710为入射的光线，而711为出射的光线，只有少量吸收，整体呈现透明状态。
图八本发明中液晶和染料分子在扭曲和出现断层排列时的微观结构示意图，其中801为液晶分子(标注为白色)，802为染料分子(标注为灰色)，液晶分子与染料分子在一定的规则度下仍然保持平行排列；810为入射的光线，而811为散射后的出射光线，因为入射光线在液晶层的内部在液晶分子的散射下与染料分子的长光轴垂直方向(光线吸收方向)重合的机会大大增加，所以一定波段的光线被极大的吸收，因此散射而出的光线被部分吸收呈现出某种颜色，或者是几种染料混合后的黑灰色。
图九逐行驱动的电极结构示意图，其中901代表一个像素点，根据电极分割的疏密，这样的像素点可大可小，根据需要，可以从0.1个毫米到1米不等。911为数据端输入的数据电极，912为控制端输入的控制电压信号的控制电极。
具体实施例方式
这种发明可以以玻璃，塑料薄膜的形式进行应用，或者可将该薄膜贴附在多种材质和形状的平面上(如普通玻璃、硬塑料板和墙体等)应用。因此，可以广泛应用在各种平面和曲面的建筑装饰装修、私密性控制区域或者汽车用电子调光设备，如天窗，天穹和车窗等。
在建筑装饰领域中，现代装修大量采用了玻璃作为原材料，在会议室、办公室、酒店、高档娱乐场所、家庭厨房、卫生间中都有极为广泛的应用。通过使用了这种发明提供的连接线直控或者遥控方式电控调光，实现了任意切换室内室外的透明与遮光两种状态，并且在两种状态中可以按照需要随意调节透光度，这种玻璃墙还可以应用于一些专项建材领域，例如银行ATM亭，电话亭等特殊领域，保护个人隐私。
在汽车电子应用领域，这个发明的调光膜可以方便的贴合在电控天窗或者车窗(包括前挡、侧门和后挡玻璃)上面，通过连接线的直控或者遥控方式，来调节进入车内的光线的强弱，在前挡玻璃上方起到散光作用，可以防止阳光直射，影响驾驶员行车，代替了遮阳板的遮光作用，但更加有效的利用了阳光。对于侧面和后挡的车窗可以起到自由调节透明度，需要时可以遮光而有效保护私密性的作用，但是全透明态大大方便了驾驶员在夜间和阴雨天气开车。对于汽车的天窗和天穹，也可以将调光膜贴附在天窗的内侧，根据需要调节光的入射强度，在透明时有好的视野和车内亮度，在遮光或者散光的时候，起到防盗和保护车内隐私的作用，并可以有个性化的颜色遮光。
根据前面的介绍，在显示颜色单一的图案、文字等信息时，根据它的准静态和刷新率较低的特性，在电子公告牌领域有广泛的应用空间。电子公告牌包括目前公共场所的各种公告牌，如银行、证券交易所、机场等场所的利率、汇率、股票价格信息牌、航班信息牌等；超市、酒店、商场、影院等消费场所的公告、海报、促销信息牌等。
权利要求
1.在表面镀有电极的两层介质平面或者曲面的夹层中灌制液晶或者液晶和二色性染料的混合物，通过这种结构实现电控调光功能，液晶层或者液晶和染料混合物层厚度在2个微米到30个微米之间。
2.在权利要求1的结构中使用的电极可以是透明电极(如ITO等，但不限于ITO一种)或金属电极(如铝、铜、银等，但不限于以上三种)。
3.在权利要求1的结构中使用的两层介质可以是两层玻璃、两层塑料、一层玻璃和一层塑料、或者其中一层为金属。
4.在权利要求3的塑料介质为塑料薄膜或者塑料板。
5.在权利要求1的结构中应用了近晶态液晶。通过近晶态液晶调节透过两层介质的光线，使权利要求1的结构在透明和散射遮光之间、以及散光遮光的不同程度之间转换。
6.在权利要求1的结构中应用了近晶态液晶和二色性染料。通过控制近晶态液晶和二色性染料组成的混合物调节透过两层介质的光线，使权利要求1的结构在透明和某种彩色遮光之间，进行不同深浅程度的转换。
7.在权利要求1的结构中应用了近晶态液晶和两种以上二色性染料组成的混合物。通过控制近晶态液晶和二色性染料组成的混合物调节透过两层介质的光线，使权利要求1的结构在透明和某种彩色或者黑色之间，进行不同深浅程度的转换。
8.在权利要求1的结构中使用了电线连接的直接控制方式或遥控方式来进行光线的调节。
9.在权利要求1的结构中，通过分割电极而形成可分别控制的像素点矩阵，使权利要求1的结构显示图案和文字信息。
10.在权利要求9的图案和文字信息显示结构的一侧使用了反射板(如包括白色在内的各种颜色的纸张、塑料、纤维制品、木制品或者金属制品等)。
全文摘要
该项发明是以近晶态液晶为主要材料，通过特殊的加工工艺灌制在两层介质之间，如两层玻璃之间、一层玻璃和一层塑料薄膜之间、或两层塑料薄膜之间。当给玻璃或者薄膜上的电极通电的时候，夹层液晶排列形态会发生变化。而这种变化，使这两层介质具备了电控调光的功能，即在全透明和磨砂遮光之间可以通过控制的电压信号不同而自由转换。而且，通过和二色性染料的混合，也可以实现在全透明和有色(彩色或黑色)遮光之间的电控转换。另外，可以通过分割电极的办法，显示一定的图案和文字。这个发明可以广泛的应用在建筑装饰装修里需要私密控制区域和汽车电子领域，也可以应用在电子信息显示领域。
文档编号G09G3/36GK101059607SQ200610075639
公开日2007年10月24日 申请日期2006年4月17日 优先权日2006年4月17日
发明者孙刚 申请人:孙刚