專利名稱：包含液晶介質(zhì)的光開關(guān)元件的制作方法
包含液晶介質(zhì)的光開關(guān)元件本發(fā)明涉及熱響應(yīng)光開關(guān)元件，包括用于輻射能量流隨溫度而調(diào)節(jié)的液晶介質(zhì)。本發(fā)明還涉及該光開關(guān)元件用于調(diào)節(jié)室內(nèi)空間和環(huán)境之間的輻射能量流以及用于調(diào)節(jié)室內(nèi)空間溫度的用途。本發(fā)明還涉及一種液晶介質(zhì)，其特征在于其包含5-95%的式(I)的化合物，特別是用于如上所述的開關(guān)元件。根據(jù)本發(fā)明該光開關(guān)元件用于窗戶或建筑中類似的開口，例如在用于調(diào)節(jié)光注入量的玻璃門、天窗和/或玻璃屋頂。對于本發(fā)明的目的，術(shù)語“液晶介質(zhì)”用來指在一定條件下顯示液晶性質(zhì)的材料或化合物。優(yōu)先地，液晶介質(zhì)顯示出熱致行為，更優(yōu)選地，該介質(zhì)顯示出從各向同性到液晶相、優(yōu)選向列相的溫度誘致的相變。
對于本發(fā)明的目的，術(shù)語“室內(nèi)空間”確定為指的是在私人、公共或商業(yè)建筑，例如用于辦公目的的建筑中的室內(nèi)空間，以及交通工具的室內(nèi)空間。此外，術(shù)語室內(nèi)空間也指純粹商業(yè)所用的建筑，如例如溫室的室內(nèi)空間。對于本發(fā)明的目的，術(shù)語“窗”指的是在建筑物中、在運輸容器中或在交通工具中通過固體材料密封的任何需要的光可透過的開口。對于本發(fā)明的目的，“輻射能量流”指的是由太陽發(fā)出，在通過大氣之后達到地球且僅被玻璃片以小程度吸收或者根本不被吸收的電磁輻射。電磁輻射或者還可由不同于太陽的光源發(fā)出。由于相對短波長的福射(UV-B光)和長波長的紅外福射被大氣或玻璃片吸收，所以對于本發(fā)明的目的，術(shù)語“輻射能量”理解為包含UV-A光、可見光區(qū)域的光(VIS光)和近紅外(NIR)的光。除非更具體地定義，術(shù)語“光”同樣指的是在UV-A區(qū)域、VIS區(qū)域和近紅外區(qū)域的電磁輻射。根據(jù)在物理光學領(lǐng)域通常采用的定義，對于本發(fā)明的目的而言，UV-A-光理解為320到380nm波長的電磁輻射。VIS-光理解為380到780nm波長的電磁輻射。近紅外光(NIR)理解為780到3000nm波長的電磁輻射。因此，對于本發(fā)明的目的，術(shù)語“輻射能量”和“光”理解為320到3000nm波長的
電磁輻射。對于本發(fā)明的目的，術(shù)語“光開關(guān)元件”因此表示開關(guān)以在UV-A、VIS和近紅外區(qū)域或在其子區(qū)域中的光的形式的輻射能量的流動。術(shù)語“器件”和“開關(guān)元件”將在下文中可互換地使用。根據(jù)本發(fā)明的光開關(guān)元件是熱響應(yīng)的。然而，其也可額外地通過一種或多種其他機理來控制，例如通過電流或機械機理。優(yōu)選，不存在這樣的其他機理?，F(xiàn)代建筑顯示出高比例玻璃表面的特點，這出于美觀原因以及在與室內(nèi)空間的亮度和舒適度相關(guān)方面均是合乎需要的。近年來，用于居住或商業(yè)目的和/或公眾可通達的建筑具有高的能量效率變得同樣重要。這意味著在溫帶氣候帶(大多數(shù)高度發(fā)達的工業(yè)國家處于該區(qū)域)在寒冷季節(jié)中用于加熱目的而要消耗的能量要盡可能少以及在暖季在室內(nèi)空間不需要空調(diào)調(diào)節(jié)或僅需要極少的空調(diào)調(diào)節(jié)。
然而，高比例的玻璃表面阻礙達到這些目標。在溫暖氣候帶和在溫帶氣候帶的暖季，當太陽輻射到達玻璃表面時，其導致室內(nèi)空間不希望有的加熱。這是由于玻璃對電磁波譜的VIS和NIR區(qū)域的輻射是可透射的。在室內(nèi)空間內(nèi)的物體吸收容許通過的輻射，由此而變熱，這導致室內(nèi)空間的溫度升高(溫室效應(yīng))。在玻璃表面后面的室內(nèi)空間的這種溫度提高(這稱為溫室效應(yīng))是因為在室內(nèi)已經(jīng)吸收輻射的物體也會放出輻射。然而，這些物體發(fā)射的輻射主要在光的紅外光譜(一般約10，OOOnm波長)。因此，其不能再次通過玻璃，而被“陷”在玻璃后面的空間內(nèi)。然而，在建筑中的玻璃表面的上述效應(yīng)是通常不希望有的在低的室外溫度下，尤其是在寒冷氣候帶或者在溫帶氣候帶的寒冷季節(jié)，由于溫室效應(yīng)由太陽輻射引起的室內(nèi)空間的加熱可能是有利的，因為用于加熱的能量需求從而降低，花費隨之節(jié)約。隨著建筑的能量效率日益重要，因此存在著對于控制通過窗戶或玻璃表面的能量 流的器件的不斷增長的需求。特別是需要這樣的器件，其能使通過玻璃表面的能量流與在特定時間占優(yōu)勢的條件(熱、冷、高太陽輻射、低太陽輻射)匹配?，F(xiàn)有技術(shù)公開了非可轉(zhuǎn)換器件，其限制能量流，但是不能以可變的方式調(diào)適，以及還公開了可轉(zhuǎn)換器件，其能使能量流與占優(yōu)勢的相應(yīng)條件匹配。在可轉(zhuǎn)換器件中，應(yīng)該區(qū)別不能自動適應(yīng)環(huán)境條件的器件和自動適應(yīng)環(huán)境條件的器件。后一種器件也稱為智能窗。為了改善窗戶的熱絕緣，一段時間以來已知有多重玻璃窗組件(保溫玻璃組件，IGU)。密封與環(huán)境隔絕的一個或多個充氣空隙的兩個或多個玻璃板的排列使得通過窗戶的熱傳導與單層玻璃板相比顯著降低?，F(xiàn)有技術(shù)還公開了具有薄的金屬或金屬氧化物層的玻璃表面的涂層。以這種方式涂覆的玻璃的生產(chǎn)公開在例如尤其是US3，990，784和US6，218，018中。具有薄的金屬或金屬氧化物層的玻璃表面的涂層在許多情況下與多玻璃板隔絕玻璃的使用結(jié)合。涂層尤其具有這樣的效果玻璃對近紅外輻射的可透射性得以降低，由此降低了由于溫室效應(yīng)導致的室內(nèi)空間變熱。然而，若輻射能量流僅僅通過這類涂覆技術(shù)和/或通過采用隔絕玻璃來控制，不可能適應(yīng)不同的天氣或季節(jié)條件。例如，感興趣的是在寒冷的室外溫度下對日光完全可透射以降低用于取暖的能量消耗的窗子。反過來，在溫暖的室外溫度下使窗戶允許較少的日光通過以使得發(fā)生較少的室內(nèi)空間加熱將是合乎需要的。因此存在著對于其中輻射能量流能與占優(yōu)勢的相應(yīng)的條件匹配的器件的需求。特別是，存在對于能自動適應(yīng)環(huán)境條件的器件的需求。現(xiàn)有技術(shù)公開了在施加電壓情況下器件能可逆地從光可透射狀態(tài)切換到光較不透射狀態(tài)，所述的光較不透射狀態(tài)可以是光散射狀態(tài)或較少的光透射的狀態(tài)，但保持透明性。第一種狀態(tài)在下文將稱作亮狀態(tài)，而第二種狀態(tài)將被稱作暗狀態(tài)。在暗狀態(tài)中應(yīng)當區(qū)分其中器件散射入射光并由此僅半透明和不再透明的暗狀態(tài)以及其中器件對光較為不可透射但仍然透明的暗狀態(tài)。前者將稱為半透明暗狀態(tài)，而后者將稱為透明暗狀態(tài)。因此，能辨別兩類開關(guān)器件在亮狀態(tài)和透明暗狀態(tài)之間切換的器件和在亮狀態(tài)和半透明暗狀態(tài)之間切換的器件。兩類開關(guān)器件的代表在現(xiàn)有技術(shù)中是已知的。
電學可開關(guān)的器件的可能的具體實施方案是電致變色器件，其尤其提出在Seeboth 等人，Solar Energy Materials&Solar Cells, 2000，263-277 中。進一步的綜述由 C. M. Lampert et al. , Solar Energy Materials&Solar Cells, 2003，489-499 提供。其中給出的電學可開關(guān)的器件一般能在亮狀態(tài)和透明暗狀態(tài)之間切換。例如US7，042, 615和US7，099, 062描述了其中在透明狀態(tài)和不透明狀態(tài)之間的切換通過施加電壓和產(chǎn)生的離子遷移來實現(xiàn)的電致變色器件?，F(xiàn)有技術(shù)已知的用于控制輻射能量流的其他的電學可開關(guān)器件基于懸浮粒子(懸浮粒子器件，SF1D),例如有機多碘化合物(polyiodide)的粒子，其會在電場中定向(US4, 919，521)。它們同樣一般從亮狀態(tài)切換到透明暗狀態(tài)?，F(xiàn)有技術(shù)中已知的其他的電學可開關(guān)器件基于在施加電場下液晶介質(zhì)的分子定向。 這樣的器件尤其公開在US4，268, 126、US4，641，922、US5，940, 150 和W02008/027031中以及同樣還有在電控下從亮狀態(tài)到透明暗狀態(tài)的切換。盡管如上所述的電學可開關(guān)器件使得能夠調(diào)節(jié)輻射能量流，但它們具有必須電控的缺點。合乎需要的是能夠得到自動適應(yīng)環(huán)境條件且不需要手動控制或者通過任何另外的能夠在檢測的溫度偏差下發(fā)出信號的耦合的器件來控制的開關(guān)元件。進一步合乎需要的是能夠得到不需要任何電路的開關(guān)元件。將電路引入窗戶將伴隨著在窗戶制造過程中額外的工作而且必然有對缺陷的易感的風險或該器件的短使用壽命的風險。此外，另外的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)對這樣的器件而言是必需的，包括電源供給。不電開關(guān)而是通過例如溫控(熱響應(yīng)器件)的器件描述在尤其是Nitz等人，Solar Energy 79，2005，573-582中。這樣的器件的可能的具體實施方案是基于在高于某一溫度的兩個相之間間隔的體系。進一步的具體實施方案基于水凝膠的隨溫度而變的性質(zhì)。然而，這些器件一般在透明狀態(tài)和半透明暗狀態(tài)之間切換，這對于其中要求器件保持在暗狀態(tài)下也保持透明的應(yīng)用是不合需要的。US2009/0015902和US2009/0167971公開了包含在兩個起偏器之間的液晶介質(zhì)的
光開關(guān)元件。所述液晶介質(zhì)具有在第一溫度下旋轉(zhuǎn)光的偏振平面以及在第二溫度下基本上不旋轉(zhuǎn)光的偏振平面的性質(zhì)。因此，起偏器的合適的布置使得該器件容許在第一溫度下比第二溫度下有更多的光通過。兩種隨溫度而變的狀態(tài)表示亮狀態(tài)(第一溫度)和透明暗狀態(tài)(第二溫度)。特別是，兩個申請US2009/0015902和US2009/0167971公開了其中將扭曲向列盒(TN盒)用作光開關(guān)元件的器件。在這樣的情況下，在亮狀態(tài)和透明暗狀態(tài)之間的切換通過存在于扭曲向列盒中的液晶介質(zhì)從低于清亮點的溫度下的向列態(tài)到高于清亮點的溫度下的各向同性態(tài)的相轉(zhuǎn)變來實現(xiàn)。在扭曲向列相盒中，第二起偏器的偏振平面相對于第一起偏器的偏振平面旋轉(zhuǎn)限定的值。此外，在向列態(tài)，液晶介質(zhì)以可能不同于前面提到的值的限定值旋轉(zhuǎn)偏振光的偏振平面。在各向異性態(tài)，液晶介質(zhì)不旋轉(zhuǎn)偏振光的偏振平面。根據(jù)公開于US2009/0015902和US2009/0167971中的優(yōu)選具體實施方案，兩個起
偏器彼此通過這樣的方式布置，使得限定量的光能通過第一起偏器、向列態(tài)下的液晶介質(zhì)和第二起偏器的組合。該狀態(tài)表示器件的亮狀態(tài)。在這樣的布置中，當液晶介質(zhì)處于各向同性態(tài)時，較少的光能通過該器件。該狀態(tài)表示器件的暗狀態(tài)。申請US2009/0015902和US2009/0167971另外公開了具有低清亮點的液晶介質(zhì)適用于上述器件。由液晶介質(zhì)的相轉(zhuǎn)變引起的從亮狀態(tài)到透明暗狀態(tài)的轉(zhuǎn)換過程特意地僅在暖季時由太陽的典型輻射強度加熱器件時發(fā)生。為此，公開了低于85°C的優(yōu)選清亮點。公開的實例是包含與加入的4’-己基-4-氰基聯(lián)苯^CB) —起的液晶混合物E7且具有35°C的清亮點的液晶介質(zhì)。此外，上述申請中還一般性公開了具有72°C的清亮點液晶混合物ZLI1132 (Merck KGaA)替代地也可用作用于制備用于可開關(guān)器件的液晶介質(zhì)的基礎(chǔ)。但是在這方面沒有公開具體的說明性的具體實施方案。在這方面應(yīng)當提及，在US2009/0015902和US2009/0167971中公開的通過加入烷
基氰基聯(lián)苯化合物，如例如4’-己基-4-氰基聯(lián)苯來改性混合物E7具有液晶介質(zhì)的低溫穩(wěn)定性受損的缺點。 然而液晶介質(zhì)良好的低溫穩(wěn)定性是非常需要的，因為在許多應(yīng)用中開關(guān)元件長時間暴露于低溫?？傊?，存在著對于適用于熱可開關(guān)器件的液晶介質(zhì)的高度關(guān)注。特別是，合乎需要的是能夠獲得在光開關(guān)元件的工作溫度范圍內(nèi)的溫度下從向列態(tài)到各向同性態(tài)(清亮點)的轉(zhuǎn)換的液晶介質(zhì)。此外，對于具有最高可能含量的兩個環(huán)的芳香族化合物的液晶介質(zhì)高度關(guān)注，因為兩個環(huán)的芳香族化合物能成本有效地制備。此外存在著對于具有良好的低溫儲存穩(wěn)定性的液晶介質(zhì)的高度關(guān)注，優(yōu)選與上述性質(zhì)相結(jié)合的。為此，本發(fā)明提供包含液晶介質(zhì)的熱響應(yīng)光開關(guān)元件，其包含一種或多種式(I)的化合物
R 1^^A^—CO —0^(^}—Rn
式(I)其中R11, R12每次出現(xiàn)時相同或不同地是具有I到10個C原子的烷基或烷氧基或者具有2到10個C原子的烯基或烯氧基，其中在上述基團中的一個或多個H原子可被F或Cl代替，以及其中一個或多個CH2基團可以被O或S代替，或者選自包含f、ci、cn、ncs、r13-o-co-和R13-CO-O-的組；其中R13每次出現(xiàn)時相同或不同地為具有I到10個C原子的烷基，其中在烷基中的一個或多個H原子可被F或Cl代替以及其中在烷基中的一個或多個CH2基團可被O或S代替；以及
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、—/ 和 、~丨相同或不同地選自
權(quán)利要求
1.包含液晶介質(zhì)的熱響應(yīng)光開關(guān)元件，其包含一種或多種式(I)的化合物
2.根據(jù)權(quán)利要求I的開關(guān)元件，其特征在于該液晶介質(zhì)另外包含一種或多種式(II)的化合物
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2的開關(guān)元件，其特征在于該液晶介質(zhì)另外包含一種或多種選自式(III)和(IV)化合物的化合物
4.根據(jù)權(quán)利要求I到3的一項或多項的開關(guān)元件，其特征在于，在式I的化合物中，
5.根據(jù)權(quán)利要求I到4的一項或多項的開關(guān)元件，其特征在于式(II)的化合物是下式(II-I)和(I 1-2)的化合物
6.根據(jù)權(quán)利要求5的開關(guān)元件，其特征在于，在式(II-1)的化合物中，
7.根據(jù)權(quán)利要求5的開關(guān)元件，其特征在于，在式(II-2)的化合物中，
8.根據(jù)權(quán)利要求I到7的一項或多項的開關(guān)元件，其特征在于式(III)的化合物是下式(111-1)、(III-2)和(III-3)的化合物
9.根據(jù)權(quán)利要求I到8的一項或多項的開關(guān)元件，其特征在于式(IV)的化合物是下式(IV-I)和(IV-2)的化合物
10.根據(jù)權(quán)利要求I到9的一項或多項的開關(guān)元件，其特征在于式(I)和(II)的化合物的總濃度在60和100%之間。
11.根據(jù)權(quán)利要求I到10的一項或多項的開關(guān)元件，其特征在于不存在電線、電路和/或切換網(wǎng)絡(luò)。
12.根據(jù)權(quán)利要求I到11的一項或多項的開關(guān)元件用于調(diào)節(jié)室內(nèi)空間和環(huán)境之間的輻射能量流的用途。
13.液晶介質(zhì)，其包含以5到95%總濃度的一種或多種根據(jù)權(quán)利要求I的式(I)的化合物和至少一種根據(jù)權(quán)利要求2的式(II)的進一步的化合物，使得式(I)和(II)的化合物的總濃度介于60和100%之間。
14.包含根據(jù)權(quán)利要求13的液晶介質(zhì)和聚合物、優(yōu)選微孔聚合物的復(fù)合材料體系。
全文摘要
本發(fā)明涉及光開關(guān)元件，其包括用于隨溫度而變的調(diào)節(jié)輻射能量流的液晶介質(zhì)。本發(fā)明還涉及該光開關(guān)用于調(diào)節(jié)室內(nèi)空間和環(huán)境之間的輻射能量流以及用于調(diào)節(jié)室內(nèi)空間溫度的用途。本發(fā)明還涉及一種液晶介質(zhì)，其特征在于其包含5-95%的式(I)的化合物，尤其是用于根據(jù)本發(fā)明的光開關(guān)元件。
文檔編號C09K19/34GK102858917SQ201180020394
公開日2013年1月2日 申請日期2011年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月28日
發(fā)明者M·容格 申請人:默克專利股份有限公司