ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ ПОЛИМЕРНОЕ ОПТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО С РЕГУЛИРУЕМОЙ ПРОЗРАЧНОСТЬЮ

Описание полезной модели
Назначение и область применения
Полезная модель относится к жидкокристаллическому оптическому устройству, выполненному на основе гибкой полимерной пленки и предназначенному для нанесения на стекла, в качестве тонировочной пленки, или пленки для создания триплексов, что позволяет создавать конструктивные элементы с изменяемой прозрачностью. Устройство может найти широкое применение в архитектуре, автомобилестроении, авиастроении, судостроении, и других областях требующих корректировки прозрачности стеклянных поверхностей в зависимости от изменения внешних условий.
Предшествующий уровень техники
Известны устройства, используемые в частности для транспортных средств, использующие фильтр для защиты от излучения [RU 2173472, G02B. 5/30, или US5.422.756, G02B 005/3], а также использующие козырек для защиты от поляризованного и неполяризованного излучения.
Недостатками известных устройств являются существенные потери принимаемого излучения, возможные помехи от бокового излучения, а также сложность применения данных устройств без внесения изменений в действующие конструкции салоны транспортных средств и неприменимость данного решения на больших поверхностях, например в помещениях или в рекламных конструкциях.
В отличие от вышеуказанных решений, известные из уровня техники жидкокристаллические оптические устройства обладают достоинствами, такими как низкое потребление энергии, небольшая толщина или небольшой вес. Благодаря вышеуказанным качествам, в настоящее время они получили широкое используются во многих электронных устройствах, таких как сотовые телефоны, цифровые камеры, портативные информационные устройства или телевизоры. В последние годы среди данных устройств нашли применение и жидкокристаллические оптические устройства, в которых для регулирования ориентации жидкокристаллических молекул используется электрическое поле, позволяющее изменять светорассеивающее состояние (US №4688900, С09К 19/00, 1987).
Кроме того, известны (см. патентный документ 1) жидкокристаллические оптические устройства (в дальнейшем именуемые как устройства на основе композита жидкого кристалла/отвержденного материала), такие как LCPC (на основе композита жидкого кристалла с полимером), PDLC (на основе диспергированного в полимере жидкого кристалла) или NCAP (с нематической криволинейно ориентированной фазой), каждое из которых включает композит жидкого кристалла и отвержденного материала. В общем, в устройстве на основе композита жидкого кристалла/отвержденного материала нематическая жидкокристаллическая фаза равномерно диспергирована в фазе смолы, устройство выполнено с возможностью регулировки прозрачности/рассеивания света переключением согласования/рассогласования показателей преломления фазы смолы и жидкокристаллической фазы путем приложения электрического напряжения. Данное устройство на основе композита жидкого кристалла/отвержденного материала в принципе не требует поляризатора, и соответственно оно обладает высоким светопропусканием. По этой причине, например, такое устройство подходит для применения в качестве световых затворов для использования, например, в прозрачных панелях в крышах автомобилей, витринах или досках объявлений разных типов, способных демонстрировать буквы и цифры или рисунки, или в панелях управления или окнах автомобилей.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков заявленной полезной модели, принятое за прототип, относится решение жидкокристаллической пленки Magic Film производства южнокорейской компании DM Display (сайт производителя _mf_txt01.gif). Данная пленка выполнена на представляет собой жидкокристаллическое оптические устройства на основе многослойной конструкции, включающей полимерный слой и электрохромный слой на основе композита жидкого кристалла/отвержденного материала, такого как PDLC (на основе диспергированного в полимере жидкого кристалла), включающего композит жидкого кристалла и отверженного материала. Устройство выполнено с возможностью регулировки прозрачности/рассеивания света переключением согласования/рассогласования показателей преломления кристаллов жидкокристаллической фазы путем приложения электрического напряжения от источника напряжения к оптическому устройству, через, выполненные светопрозрачными, токопроводящие слои при замыкания электрического ключа/выключателя. Данное устройство на основе композита жидкого кристалла/отверженного материала не требует поляризатора и обладает высоким светопропусканием. По этой причине, например, такое устройство подходит для применения в качестве световых затворов для использования, например, в прозрачных панелях в крышах автомобилей, витринах или досках объявлений разных типов, способных демонстрировать буквы и цифры или рисунки, или в панелях управления или окнах автомобилей. Так как жидкокристаллическая фаза демонстрирует множество показателей преломления, тогда как фаза отверженного материала обычно демонстрирует только один показатель преломления, существует проблема, заключающаяся в том, что при применении вышеуказанного устройства, например, для большого оконного стекла или, даже оконных поверхностей транспортных средств,, появляется проблема, заключающаяся в том, что в прозрачном состоянии, когда панель наблюдают в перпендикулярном к ее плоскости направлении, панель выглядит прозрачной, но, при отклонении от перпендикулярного направления, светопрозрачность может ощутимо меняться, создавая тем самым зоны избыточного затемнения или засветки Кроме того, в случае выполнения устройства на основе композита жидкого кристалла/отверженного материала, обычно предъявляется требование содержания отверженного материала в количестве не менее 20 мас.%, что ограничивает возможности по созданию тонких и гибких пленочных устройств, пригодных для их использования на поверхностях любой конфигурации и площади, а также требует существенных энергозатрат и приложения напряжения порядка 110 В.
Раскрытие полезной модели.
Техническая задача, решаемая настоящей полезной моделью, заключается в расширении арсенала средств и предложении жидкокристаллического полимерного оптического устройства в виде тонкой и гибкой полимерной пленки, которая может сворачиваться в рулон, с возможностью ее нанесения на стекла любой конфигурации и площади и использования в качестве тонировочной пленки и/или пленки для создания триплексов.
При этом, технический результат, достигаемый заявленной полезной моделью, заключается в упрощении конструкции, снижении энергопотребления, адаптации жидкокристаллического полимерного оптического устройства к широко распространенным архитектурным, автомобильным, самолетным и судовым конструкциям, таким как кокпиты и авиационные смотровые поверхности и повышении комфортности и безопасности эксплуатации конструкций с применением устройства согласно полезной модели.
Заявленный технический результат достигается тем, что используют жидкокристаллическое полимерное оптическое устройство, включающее последовательно соединенные источник электропитания и ключ, подсоединенные к оптическому элементу, выполненному многослойным, содержащем полимерный и электрохромный, на основе жидких кристаллов, слои, снабженные прозрачным токопроводящим слоем, с возможностью подачи напряжения от источника электропитания. При этом, заявленное решение отличается от прототипа тем, что оптический элемент содержит по меньшей мере два внешних прозрачных полимерных слоя, а расположенный между ними электрохромный слой содержит микрокапсулированные жидкие кристаллы диспергированные в связующем, выравнивающем слое. При этом, электрохромный слой выполнен между токопроводящими слоями, нанесенными на оппозитно расположенные внутренние поверхности внешних полимерных слоев.
В предпочтительном варианте осуществления полезной модели устройство дополнительно снабжено устройством управления уровнем светопроницаемости оптического элемента, выполненным в виде регулятора напряжения, установленного последовательно между источником напряжения и выключателем. При этом, оптический элемент может быть дополнительно снабжен шинами для подключения к электропроводке устройства, с обеспечением возможности подводки к проводящим слоям электрического потенциала постоянного тока от источника напряжения. Шины предпочтительно выполнены из меди и соединены с токопроводящим слоем клеевым соединением на основе токопроводящего клея, например, на основе порошка серебра со смолой-связующим.
Внешние полимерные прозрачные слои могут быть выполнены, например, из поликарбонатной пленки, в частности, толщиной 0,09-0,2 мм. Пленки толщиной менее 0,09 мм не позволяют обеспечить прочность и электроизоляцию конструкции, а также защиту ее от механических повреждений. Превышение толщины пленки выше 0,2 мм не позволит сохранить требуемую гибкость устройства и возможность формирования пленочных поверхностей большой площади. Кроме того, полимерные слои толщиной выше 0,2 мм будут оказывать влияние на управление светопрозрачностью устройства, ограничивая возможность его применения при необходимости сохранения рабочих характеристик в широком угле обзора.
Прозрачные токопроводящие слои могут быть выполнены, например, путем нанесения на пленку, составляющую внешние полимерные слои, покрытия из оксида индия и/или олова, что позволяет обеспечить оптимальное распределение эквивалентного электрического потенциала.
В качестве микрокапсулированных жидких кристаллов может быть использован, например, нематический жидкий кристалл 5ЦБ (4-н-пентил-4-цианобифенил), капсулированный в полимочевинную оболочку. А связующий, выравнивающий слой, при этом, может быть выполнен на основе полимерной светоотверждаемой смолы, с обеспечением возможности электроизоляции, соединения и защиты жидких кристаллов от механических повреждений.
Краткое описание чертежей.
Полезная модель поясняется чертежами, где
фиг.1 - структура оптического элемента жидкокристалического полимерного оптического устройства;
фиг.2 - схема подключения оптического элемента к источнику питания.
Следует отметить, что прилагаемые чертежи иллюстрируют только один из наиболее предпочтительных вариантов выполнения полезной модели и поэтому не могут рассматриваться в качестве ограничений содержания полезной модели, которое включает другие варианты выполнения.
Сущность полезной модели.
Как показано на фиг.1 оптический элемент представляет собой многослойную конструкцию, включающую внешние прозрачные полимерные слои 1, выполняющие функции: несущих элементов и защиты оптического элемента от механических повреждений и его электроизоляции. Полимерные слои 1 могут быть выполнены, например, из поликарбонатной пленки толщиной 0,09-0,2 мм.
Полимерные слои выполнены оппозитно расположенными с нанесением на обращенные друг к другу поверхности прозрачных токопроводящих слоев 2, выполненных, например, путем нанесения на пленку, составляющую слои 1, покрытия из оксидов индия и олова. Токопроводящие слои обеспечивают распределение эквивалентного электрического потенциала подводимого к оптическому элементу.
Между токопроводящими слоями внешних полимерных слоев расположен слой электрохромный слой состоящий из микрокапсулированных жидких кристаллов 3 диспергированных в связующий выравнивающий слой 4. При этом способность осуществлять регулирование светопропускание в зависимости от подключаемого электрического потенциала определяется характеристиками микрокапсулированных жидких кристаллов 3. связующий выравнивающий слой 4 при этом осуществляет функцию соединения электрохромного слоя с внешними слоями, а также защиту жидкокристалических элементов от механических повреждений. В качестве микрокапсулированных жидких кристаллов могут быть использованы, например, нематический жидкий кристалл 5ЦБ (4-н-пентил-4-цианобифенил), капсулированный в полимочевинную оболочку. При этом, связующий выравнивающий слой 4 может быть выполнен, например, на основе полимерной светоотверждаемой смолы.
Для подводки к проводящим слоям 2 электрического потенциала постоянного тока в рассматриваемом примере осуществления полезной модели использованы шины 9 например, выполненные из меди, которые соединяются, при помощи электропроводящего клея (например, порошка серебра со смолой-связующим), с проводящими слоями 2 и стандартной электропроводкой 8, в цепи которой последовательно установлены выключатель 6 (механический или электронный), регулятор 7 напряжения для управления уровнем светопроницаемости, и источник 5 электропитания постоянного тока
Устройство работает следующим образом.
При разомкнутом ключе выключателя 6 потенциал от источника 5 на токопроводящие слои 2 не подается и электрическое поле в зоне слоев 3 и 4 отсутствует, при этом жидкие кристаллы в микрокапсулах слоя 3 имеют хаотичную ориентацию вследствие теплового движения и под воздействием иных внешних факторов и физико-химических свойств кристаллов, поэтому векторы поляризации проходящего через них света также направлены хаотично, а пленка почти не прозрачна и выглядит матовой. Различить через пленку в данном состоянии можно только тени от вплотную примыкающих к ее поверхности предметов. При замыкании ключа выключателя 6 между токопроводящими слоями 2 создается разность потенциалов, величина которой регулируется регулятором 7, в зоне слоев 3 и 4 возникает электрическое поле, которое воздействует на жидкие кристаллы, ориентируя их в направлении силовых линий. Так как на жидкие кристаллы при этом также действуют силы теплового движения, то они не выстраиваются точно по силовым линиям электрического поля, а совершают колебания, отклоняясь от направления электрического поля. Степень их отклонения от направления электрического поля уменьшается с ростом напряженности поля. Таким образом, с увеличением напряженности электрического поля, увеличивается степень упорядоченности и сонаправленности векторов поляризации света, падающего на пленку, при прохождении через жидкие кристаллы слоя 3 и соответственно увеличивается прозрачность пленки. Иначе говоря, прозрачность пленки можно увеличивать или уменьшать пропорционально увеличению или уменьшению напряжения, подаваемого на шины 9. При создании конструкций с регулируемым светопропусканием оптический элемент в виде пленки, выполненной вышеуказанным образом, может наклеиваться с внутренней стороны прозрачного стекла или между слоями прозрачного стекла для создания триплексов.
Таким образом, жидкокристалическое полимерное оптическое устройство в виде пленки с регулируемой прозрачностью в рамках осуществления заявленной полезной модели выполнено с использованием технологии микрокапсулированных жидких кристаллов, что позволяет изготавливать пленки оптического элемента существенно меньшей толщины, по сравнению с прототипом. Экспериментально испытаны образцы оптического элемента толщиной 0.25 мм при ширине 1 м и длине 50 м при сохранении полезных свойств. Оптический элемент выполненный в виде пленки обладает высокой надежностью, прочностью и устойчивостью к повреждениям, что обусловлен наличием связующего слоя 4. Кроме того, за счет малой толщины пленка оптического элемента обладает большей гибкостью ее можно наматывать в рулоны. За счет использования полимерных слоев малой толщины, а также микрокапсулированных жидких кристаллов жидкокристаличесоке полимерное оптическое устройство обладает существенно меньшим энергопотреблением. В испытанных образцах удается достичь 90% прозрачности при использовании напряжения 30 В (вместо 110 В у прототипа), в ходе экспериментов также выявлена возможность снижения подключаемого потенциала для достижения 90% прозрачности до уровня 12-15 В за счет оптимизации толщины слоев и физико-химических параметров используемых материалов. Таким образом, в устройстве согласно заявленной полезной модели существенно снижается энергопотребление, что обеспечивает значительное повышение безопасности и надежности эксплуатации устройства.