包含液晶介質的開關元件的製作方法

2023-12-05 16:42:36

專利名稱：包含液晶介質的開關元件的製作方法
包含液晶介質的開關元件本發明涉及開關元件，其是熱響應性的並且其在輻射能的較低透射狀態和輻射能的較高透射狀態之間切換，並且其包含液晶介質。本發明還涉及該開關元件用於調節室內空間和環境之間的輻射能量流以及用於調節室內空間溫度的用途。本發明還涉及一種液晶介質，特徵在於其包含式(I)的化合物，尤其是用於上述的開關元件中。根據本發明，該開關元件用於窗戶或建築中類似的開口，例如在用於調節光注入量的玻璃門、天窗和/或玻璃屋頂中。對於本發明的目的，術語「液晶介質」用來指在一定條件下顯示液晶性質的材料或化合物。優選地，液晶介質顯示出熱致行為，更優選地，液晶介質顯示出從各向同性到液晶相、最優選向列相的溫度誘致的相轉變。對於本發明的目的，術語「室內空間」用來指在私人、公共或商業建築，例如用於辦公目的的建築中的室內空間，以及交通工具的室內空間。此外，術語室內空間也指純粹商業所用的建築，如例如溫室的室內空間。對於本發明的目的，術語「窗」指的是在建築物中、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。對於本發明的目的，「輻射能量流」指的是由太陽發出，在通過大氣之後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於太陽的光源發出。由於相對短波長的福射(UV-B光)和長波長的紅外福射被大氣或玻璃片吸收，所以對於本發明的目的，術語「輻射能量」理解為包含UV-A光、可見光區域的光(VIS光)和近紅外(NIR)的光。`除非更精確地定義，術語「光」同樣指的是在UV-A區域、VIS區域和近紅外區域的電磁輻射。根據在物理光學領域通常採用的定義，對於本發明的目的而言，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，對於本發明的目的，術語「輻射能量」和「光」理解為320到3000nm波長的
電磁輻射。對於本發明的目的，術語「開關元件」因此表示能夠在具有較低輻射能量的透射狀態和具有較高輻射能量的透射狀態之間切換的器件，術語「輻射能量」如上述定義。開關元件可以在輻射能量光譜的一個或多個子區域選擇性切換。術語「器件」和「開關元件」將在下文中可互換地使用。根據本發明的開關元件是熱響應的。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。優選，不存在這樣的其他機理。現代建築顯示出高比例玻璃表面的特點，這齣於美觀原因以及在與室內空間的亮度和舒適度相關方面均是合乎需要的。近年來，用於居住或商業目的和/或公眾可通達的建築具有高的能量效率變得同樣重要。這意味著在溫帶氣候帶(大多數高度發達的工業國家處於該區域)在寒冷季節中用於加熱目的而要消耗的能量要儘可能少以及在暖季在室內空間不需要空調調節或僅需要極少的空氣調節。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，其導致室內空間不希望有的加熱。這是由於玻璃對電磁波譜的VIS和NIR區域的輻射是可透射的。在室內空間內的物體吸收容許通過的輻射，由此而變熱，這導致室內空間的溫度升高(溫室效應)。在玻璃表面後面的室內空間的這種溫度提高(這稱為溫室效應)是因為在室內已經吸收輻射的物體也會放出輻射。然而，這些物體發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」在玻璃後面的空間內。然而，在建築中的玻璃表面的上述效應是通常不希望有的: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，由於溫室效應由太陽輻射引起的室內空間的加熱可能是有利的，因為用於加熱的能量需求從而降低，花費可以隨之節約。隨著建築的能量效率日益重要，因此存在著對於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佔優勢的條件(熱、冷、高太陽輻射、低太陽輻射)匹配。特別有興趣的是在溫帶氣候帶提供這樣的器件，其中在與高太陽輻射關聯的溫暖室外溫度和與低太陽輻射關聯的寒冷的室外溫度之間發生季節性變化。現有技術公開了非可轉換器件，其限制能量流，但是不能以可變的方式調適，以及還公開了可轉換器件，其能使能量流與佔優勢的相應條件匹配。在可轉換器件中，應該區別不能自動適應環境條件的器件和自動適應環境條件的器件。後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(中空玻璃組件，IGU)。密封與環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。現有技術還公開了具有薄的層例如金屬或金屬氧化物層的玻璃表面的塗層(US3, 990，784和US6, 218，018)。然而，若輻射能量流僅僅通過這類塗覆技術和/或通過採用中空玻璃來控制，則不可能適應不同的天氣或季節條件。例如，令人感興趣的是在寒冷的室外溫度下對日光完全透射以降低用於取暖的能量消耗的窗戶。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生較少的室內空間加熱將是合乎需要的。因此存在著對於其中輻射能量流能與佔優勢的相應的條件匹配的器件的需求。特別是，存在對於能自動適應環境條件的器件的需求。現有技術還公開了在施加電壓情況下器件能可逆地從光可透射狀態切換到光較不透射狀態。第一種狀態在下文將稱作亮狀態，而第二種狀態將被稱作暗狀態。可電開關的器件的可能的具體實施方式
是電致變色器件，其尤其提出在Seeboth等人的 Solar Energy Materials&Solar Cells, 2000，263 - 277 中。進一步的綜述由C.M.Lampert 等人的 Solar Energy Materials&Solar Cells, 2003，489-499 提供。現有技術中已知的其他的可電開關的器件基於在施加電場下液晶介質的分子配向 O 這樣的器件尤其公開在 US4, 268，126、US4, 641，922、US5, 940，150 和 W02008/027031 中以及同樣是在電控下從亮狀態到透明暗狀態切換。儘管如上所述的可電開關器件使得能夠設定輻射能量流，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環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出信號的耦合器件來控制的開關元件。進一步合乎需要的是能夠得到不需要任何電路的開關元件。將電路引入窗戶將伴隨著在窗戶製造過程中額外的工作而且必然蒙受對缺陷的易感的風險或該器件的短使用壽命的風險。此外，另外的基礎結構對這樣的器件而言是必需的，包括電力供給。不電開關而是通過例如溫控(熱響應器件)的器件描述在尤其是Nitz等人，Solar Energy79, 2005，573 - 582中。這樣的器件的可能的具體實施方式
是基於在高於某一溫度下兩個相之間分離的體系。進一步的具體實施方式
基於水凝膠的隨溫度而變的性質。然而，這些器件一般在透明狀態和半透明暗狀態之間切換，這對於其中要求器件保持在暗狀態下也保持透明的應用是不合需要的。US2009/0015902和US2009/0167971公開了包含在兩個起偏器之間的液晶介質的光開關元件。所述液晶介質具有在第一溫度下旋轉光的偏振平面以及在第二溫度下基本上不旋轉光的偏振平面的性質。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表示亮狀態(第一溫度)和透明暗狀態(第二溫度)，並且優選由液晶介質從向列狀態(第一溫度，液晶介質旋轉光的偏振平面)向各向同性狀態(第二溫度，液晶介質不旋轉光的偏振平面)的轉變引起。申請US2009/0015902和US2009/0167971另外公開了具有低清亮點的液晶介質適用於上述器件。由液晶介質的相轉變引起的從亮狀態到透明暗狀態的轉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生。為此，公開了低於85°C的優選清亮點。公開的實例是包含與加入的4』-己基-4-氰基聯苯^CB) —起的液晶混合物E7且具有35°C的清亮點的液晶介質。此外，上述申請中還一般性公開了具有72°C清亮點的液晶混合物ZLI1132 (Merck KGaA)也可替代地用作用於製備用於可開關器件的液晶介質的基礎。但是在這方面沒有公開具體的說明性的具體實施方式
。在這方面應當提及，在US2009/0015902和US2009/0167971中公開的通過加入烷
基氰基聯苯化合物，如例如4』-己基-4-氰基聯苯來改性混合物E7具有液晶介質的低溫穩定性受損的缺點。然而液晶介質良好的低溫穩定性是非常需要的，因為在許多應用中開關元件長時間暴露於低溫。仍存在著對於適用於可熱開關器件的液晶介質的需要。特別是需要能夠獲得在開關元件的工作溫度範圍內的溫度下從向列態到各向同性態(清亮點)的轉換的液晶介質。此外，需要具有高含量的環脂族和/或芳香族三環化合物的液晶介質，因為此類三環化合物能成本有效地製備。此外存在著對於具有良好的低溫儲存穩定性的液晶介質的需要，優選與上述性質相結合的。為此，本發明提供開關元件，特徵在於它是熱響應的並且它在輻射能的較低透射狀態和輻射能的較高透射狀態之間切換，其包含液晶介質，所述液晶介質包含一種或多種選自式(I)化合物的化合物，
R11——~zl^Aiy_R12
式⑴，其中R11 是 H、F、Cl、CN、NCSj1-O-CO^R1-CO-O-,具有 I 到 10 個 C 原子的烷基、烷氧基或者硫代烷氧基，具有2到10個C原子的烯基、烯氧基或者硫代烯氧基，其中在上述基團中的一個或多個H原子可被F、Cl、CN代替，以及其中上述基團中的一個或多個CH2基團可以被 O、S、-0-C0-或者-C0-0-代替；R12選自F，Cl，具有I到10個C原子的烷基和烷氧基，具有2到10個C原子的烯基和烯氧基，條件是上述基團中的一個或多個H原子被F或Cl代替；R1每次出現時相同或不同地為具有I到10個C原子的烷基或烯基，其中一個或多個H原子可被F或Cl代替；
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權利要求
1.開關元件，特徵在於，其是熱響應性的並且其在輻射能的較低的透射狀態和輻射能的較高的透射狀態之間切換，該開關元件包含液晶介質，所述液晶介質包含一種或多種式(I)的化合物
2.根據權利要求1的開關元件，其特徵在於，所述液晶介質還包含一種或多種式(II)的化合物，
3.根據權利要求1或2的開關元件，特徵在於，所述液晶介質還包含一種或多種式(III)的化合物
4.根據權利要求1到3的一項或多項的開關元件，特徵在於，所述液晶介質還包含一種或多種式(IV)、(V)和(VI)的化合物
5.根據權利要求1到4的一項或多項的開關元件，特徵在於，根據式(I)的化合物選自根據式(1-A)和(1-B)的化合物
6.根據權利要求5的開關元件，特徵在於，R12選自F或下列基團R12—1至R12_38
7.根據權利要求5或6的開關元件，特徵在於，根據式(1-A)的化合物是下式(1-A-1)至(1-A-4)的化合物
8.根據權利要求5或6的開關元件，特徵在於，根據式(1-B)的化合物是下式(1-B-1)
9.根據權利要求1到8的一項或多項的開關元件，特徵在於，X選自F、Cl和具有I至8個C原子的烷基。
10.根據權利要求1到9的一項或多項的開關元件，特徵在於，式(I)的化合物的總濃度在5和100%之間。
11.根據權利要求1到10的一項或多項的開關元件，特徵在於，式(I)和(II)的化合物的總濃度在40和100%之間。
12.根據權利要求1到11的一項或多項的開關元件，特徵在於，所述開關元件中不存在電線、電路和/或開關網絡。
13.液晶介質，其包含一種或多種5到100%總濃度的如在權利要求1中所定義的式(I)的化合物，和優選地至少一種如在權利要求2和3中定義的式(II)和(III)的其他化合物，使得式(I)、(II)和(III)的化合物的總濃度介於20和100%之間。
14.根據權利要求13的液晶介質在熱響應性光開關元件中的用途。
15.包含根據權利要求13的液晶介質和聚合物、優選微孔聚合物的複合材料體系。
16.根據權利要求1到12的一項或多項的開關元件用於調節室內空間和環境之間的輻射能量流的用途。
全文摘要
本發明涉及開關元件，其是熱響應性的並且其在輻射能的較低的透射狀態和輻射能的較高的透射狀態之間切換，並且其包含液晶介質。本發明進一步涉及該開關元件用於調節室內空間和環境之間的輻射能量流以及用於調節室內空間溫度的用途。本發明進一步涉及一種液晶介質，特徵在於，其包含式(I)的化合物，尤其是用於根據本發明的開關元件中。
文檔編號C09K19/42GK103180409SQ201180050410
公開日2013年6月26日 申請日期2011年9月21日 優先權日2010年10月20日
發明者M·容格 申請人:默克專利股份有限公司