DE102011015950A1 - Optical component for smart window of vehicle, has two optically active layer structures of which one is formed as suspended particle device layer structure, and other is formed as polymer dispersed liquid crystal layer - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein optisches Bauteil, welches in seiner Transparenz und/oder Farbe durch ein elektrisches Potenzial reversibel veränderbar ist, nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauteils.The invention relates to an optical component, which is reversibly changeable in its transparency and / or color by an electrical potential, according to the closer defined in the preamble of
Sogenannte Smart-Windows sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Solche Smart-Windows oder Smart-Glasses bestehen im Wesentlichen aus zwei transparenten Trägerschichten sowie zwei darauf angeordneten transparenten Elektroden sowie einem dazwischen angeordneten aktiven Bereich.So-called smart windows are known from the general state of the art. Such smart windows or smart glasses consist essentially of two transparent carrier layers and two transparent electrodes arranged thereon and an active region arranged therebetween.
Der aktive Bereich kann beispielsweise als polymere Schicht mit dispergierten Flüssigkristallen ausgebildet sein. Wird an die Elektroden nun ein entsprechendes Potenzial angelegt, so kommt es zu einer Ausrichtung der dispergierten Kristalle und damit zu einer Transparenz des Bauteils. Schaltet man das elektrische Potenzial ab, so werden die dispergierten Flüssigkristalle sich beliebig ausrichten, wodurch durch die Trägerschichten eintretendes Licht entsprechend gestreut und das Bauteil opak wird. Über derartige Aufbauten lassen sich beispielsweise Fensterscheiben oder andere optische Bauteile elektrisch zwischen voller Transparenz und einem opaken, milchglasähnlichen Zustand schalten. Damit kann verhindert werden, dass in bestimmten Situationen durch das optische Bauteil hindurchgesehen werden kann. Beispielhaft wird hinsichtlich einer derartigen Vorrichtung auf die deutsche Offenlegungsschrift
Der aktive Bereich kann auch als elektrochromer Schichtaufbau ausgebildet sein, beispielsweise wie in der
Die Problematik bei derartigen optischen Bauteilen, welche entweder als elektrochrome Bauteile oder als Bauteile mit dispergierten Kristallen ausgebildet sind, liegt darin, dass aufgrund des elektrochemischen Systems jeweils nur zwischen transparent und opak oder zwischen zwei unterschiedlichen Farben hin und her geschaltet werden kann. Wünschenswert wäre hier eine höhere Flexibilität.The problem with such optical components, which are formed either as electrochromic components or as components with dispersed crystals, lies in the fact that, due to the electrochemical system, it is only possible to switch back and forth between transparent and opaque or between two different colors. It would be desirable here a higher flexibility.
Eine weitere Problematik bei derartigen optischen Bauteilen liegt nun darin, dass die üblicherweise verwendeten transparenten Elektroden sehr empfindlich sind. Insbesondere reicht bereits ein leichtes Durchbiegen des Bauteils aus, um Risse in der transparenten Elektrode zu erzeugen und so die Funktionalität nachteilig zu beeinflussen. Ein solches Durchbiegen und die damit verbundene Gefahr der Rissbildung kann einerseits bereits durch ein unterschiedliches Ausdehnungsverhalten der verschiedenen Materialien bei Erwärmung oder Abkühlung des Bauteils erfolgen und andererseits bei der Montage auftreten. Aufgrund dieser Bruchempfindlichkeit der transparenten Elektroden werden meist vergleichsweise stabile und damit schwere und teure Trägerschichten aus Glas verwendet, um den Gesamtaufbau für Lagerung und Montage so weit handhabbar zu machen, dass dieser, ohne die unmittelbar Gefahr der Beschädigung, bewegt und montiert werden kann. Ein weiterer Grund für die Verwendung von Glas besteht darin, dass die transparenten Elektroden üblicherweise durch temperaturintensive Verfahren – z. B. Sputtern – auf das Substrat aufgetragen werden und viele Kunststoffe dafür nicht ausreichend temperaturbeständig sind. Aufgrund der vorgenannten materialspezifischen Anforderungen ist auch eine Umformung eines Bauteil-Halbzeuges nur in sehr engen Grenzen möglich, so dass derartige Bauteile üblicherweise planar ausgestaltet sind.Another problem with such optical components lies in the fact that the commonly used transparent electrodes are very sensitive. In particular, a slight bending of the component is already sufficient in order to generate cracks in the transparent electrode and thus adversely affect the functionality. On the one hand, such bending and the associated risk of crack formation can already be achieved by a different expansion behavior of the different materials when the component is heated or cooled, and on the other hand, during assembly. Because of this fragility of the transparent electrodes, comparatively stable and therefore heavy and expensive carrier layers of glass are usually used in order to make the overall structure for storage and assembly so manageable that it can be moved and mounted without the immediate risk of damage. Another reason for the use of glass is that the transparent electrodes usually by temperature-intensive process -. As sputtering - are applied to the substrate and many plastics are not sufficiently temperature resistant. Due to the aforementioned material-specific requirements, a forming of a component semifinished product is possible only within very narrow limits, so that such components are usually designed planar.
Zum weiteren Allgemeinen Stand der Technik ist aus der
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein schnell schaltendes optisches Bauteil anzugeben, bei welchem eine große Bandbreite an Wahlmöglichkeiten mit einem kompakten Aufbau erzielt werden kann.The object of the present invention is now to provide a fast switching optical component in which a wide range of choices with a compact design can be achieved.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen optischen Bauteils ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.According to the invention this object is achieved by the features mentioned in the characterizing part of
Das erfindungsgemäße optische Bauteil weist also wenigstens zwei optisch aktive Schichtaufbauten auf, von welchen wenigstens eine als polymerdispergierte Flüssigkristallschicht (PDLC) ausgebildet ist und wenigstens eine andere als stufenlos hinsichtlich der Transparenz einstellbare Schicht beziehungsweise Schichtaufbau. Letztere kann als elektrochrome Schicht bzw. Schichtaufbau ausgestaltet sein oder alternativ auch als SPD (suspended particle device). Die SPD-Schicht ist zwischen den Zuständen hell und dunkel regulierbar während die elektrochrome Schicht zwiscehn verschiedenen Farben regulierbar ist. Das erfindungsgemäße optische Bauteil ermöglicht es so, die Transparenz beziehungsweise einen opaken Zustand über die polymerdispergierte Flüssigkristallschicht einerseits und andererseits unabhängig hiervon eine entsprechende Farbe durch die elektrochrome Schicht bzw. Helligkeit durch die SPD-Schicht einzustellen. Damit ergibt sich eine sehr hohe Flexibilität bei der aktiven schaltbaren Gestaltung des optischen Bauteils hinsichtlich Transparenz und/oder Farbe bzw. Helligkeit. Werden weitere optisch aktive Schichtaufbauten, insbesondere weitere elektrochrome oder SPD-Schichtaufbauten hinzugenommen, so lassen sich weitere Farben als Mischung oder jeweils einzeln einstellen. Die Flexibilität hinsichtlich der optischen Gestaltung des erfindungsgemäßen Bauteils ist daher annähernd unbegrenzt. Denkbar ist auch ein drei-komponentiger Aufbau aus PDLC, SPD und elektrochromer Schicht, welcher eine weiter verbesserte Opakheitsfunktion und Mischung von Farben und Helligkeiten erlaubt.The optical component according to the invention thus has at least two optically active layer structures, of which at least one is designed as a polymer-dispersed liquid crystal layer (PDLC) and at least one other than continuously adjustable with respect to the transparency layer or layer structure. The latter can be configured as an electrochromic layer or layer structure or, alternatively, as an SPD (suspended particle device). The SPD layer is light and dark adjustable between states while the electrochromic layer is adjustable between different colors. The optical component according to the invention thus makes it possible to set the transparency or an opaque state via the polymer-dispersed liquid-crystal layer on the one hand and, on the other hand, independently thereof, a corresponding color through the electrochromic layer or brightness through the SPD layer. This results in a very high flexibility in the active switchable design of the optical component in terms of transparency and / or color or brightness. If further optically active layer structures, in particular further electrochromic or SPD layer structures, are added, then further colors can be set as a mixture or individually. The flexibility with regard to the optical design of the component according to the invention is therefore virtually unlimited. Also conceivable is a three-component structure of PDLC, SPD and electrochromic layer which allows a further improved opacity function and mixture of colors and brightnesses.
in einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen optischen Bauteils ist es außerdem vorgesehen, dass wenigstens eine der Elektroden als inertes metallisches Gitter ausgebildet ist.In a particularly favorable and advantageous development of the optical component according to the invention, it is also provided that at least one of the electrodes is formed as an inert metallic grid.
Unter inert im Sinne der hier vorliegenden Erfindung wird dabei ein metallisches Gitter verstanden, welches nicht in elektrochemische Prozesse in dem optischen Bauteil involviert ist, welches also lediglich die Funktionalität einer Elektrode eines Kondensators erfüllt und nicht, wie beim zuletzt genannten Stand der Technik, als elektrochemisch aktive Komponente miteingebunden ist. Dieser Aufbau mit einer Elektrode aus einem inerten metallischen Gitter hat dabei den Vorteil, dass das metallische Gitter, beispielsweise auf der Basis von Silber oder Kupfer, mit hoher Leitfähigkeit hergestellt werden kann. Es kann außerordentlich dünn realisiert werden, sodass keine optische Beeinträchtigung durch das metallische Gitter gegeben ist. Dennoch weist es eine sehr hohe Leitfähigkeit auf und kann in seiner Maschengröße den entsprechenden Anforderungen leicht und einfach angepasst werden. Das metallische Gitter ist im Vergleich zu einer leitfähigen transparenten Schicht sehr flexibel, was den entscheidenden Vorteil ermöglicht, dass die Trägerschichten entsprechend dünner und flexibler ausgelegt werden können. Insbesondere ist es durch das erfindungsgemäße Bauteil erstmals möglich, die Trägerschichten aus einem flexiblen Kunststoffmaterial herzustellen, und so eine hohe Flexibilität der Vorrichtung bei der Montage zu erzielen. insbesondere lassen sich auch während der Montage gebogene Aufbauten mit dem erfindungsgemäßen elektrischen Bauteil realisieren.Under inert in the sense of the present invention, a metallic lattice is understood, which is not involved in electrochemical processes in the optical component, which thus only fulfills the functionality of an electrode of a capacitor and not, as in the last-mentioned prior art, as electrochemical active component is included. This construction with an electrode made of an inert metallic grid has the advantage that the metallic grid, for example based on silver or copper, can be produced with high conductivity. It can be realized extremely thin, so there is no visual impairment due to the metallic grid. Nevertheless, it has a very high conductivity and its mesh size can easily and easily be adapted to the respective requirements. The metallic grid is very flexible compared to a conductive transparent layer, which offers the decisive advantage that the carrier layers can be designed correspondingly thinner and more flexible. In particular, the component according to the invention makes it possible for the first time to produce the carrier layers from a flexible plastic material, and thus to achieve a high degree of flexibility of the device during assembly. In particular, curved structures can also be realized with the electrical component according to the invention during assembly.
Das metallische Gitter als Elektrode erlaubt außerdem eine bessere Leitfähigkeit als die bisher üblichen transparenten elektrisch leitenden Schichten. Damit lässt sich als weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Bauteils eine bessere Schaltbarkeit zwischen den einzelnen Zuständen realisieren. Insbesondere lässt sich der Grad der Transparenz sehr viel einfacher einstellen und es sind zum Schalten zwischen voller Transparenz und einem farbigen Zustand kleinere elektrische Leistungen beziehungsweise Potenziale notwendig. Allerdings muss das für die Schaltung der PDLC-Schicht erforderliche Potenzial gewährleistet sein.The metallic grid as an electrode also allows better conductivity than the usual transparent electrically conductive layers. This makes it possible to realize a better switchability between the individual states as a further advantage of the component according to the invention. In particular, the degree of transparency can be adjusted much more easily, and smaller electrical powers or potentials are required for switching between full transparency and a colored state. However, the potential required for switching the PDLC layer must be ensured.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass durch den Widerstand in dem metallischen Gitter der Elektrode eine elektrische Beheizung des Aufbaus realisiert werden kann. Insbesondere bei sehr niedrigen Temperaturen, wie sie beispielsweise bei Dächern von Fahrzeugen bei entsprechend niedrigen Umgebungstemperaturen auftreten können, ist dies ein entscheidender Vorteil, da durch die Aufheizung des erfindungsgemäßen Bauteils ein sehr viel schnelleres Schalten realisiert werden kann, als bei den bisherigen Schichtaufbauten, welche bei niedrigen Umgebungstemperaturen sehr träge reagieren.Another advantage is that electrical resistance of the structure can be realized by the resistance in the metallic grid of the electrode. In particular, at very low temperatures, as may occur, for example, in roofs of vehicles at correspondingly low ambient temperatures, this is a decisive advantage, since a much faster switching can be realized by the heating of the component according to the invention, as in the previous layer structures, which at Low ambient temperatures react very slowly.
In einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen optischen Bauteils ist es außerdem vorgesehen, dass die wenigstens eine Elektrode als auf eine der Trägerschichten aufgedrucktes Gitter ausgebildet ist. Dieser bevorzugte Aufbau ermöglicht ein sehr einfaches Herstellen des erfindungsgemäßen Bauteils, da die Elektrode beispielsweise über Siebdruckverfahren oder ähnliches auf eine oder beide der Trägerschichten aufgebracht werden kann. So lassen sich Trägerschichten mit Elektroden vorfertigen, welche dann über die Schicht aus polymerdispergierten Flüssigkristallen miteinander zu dem endgültigen Schichtaufbau einfach und effizient verbunden werden können.In a preferred embodiment of the optical component according to the invention, it is also provided that the at least one electrode is formed as a grid printed on one of the carrier layers. This preferred structure allows a very simple manufacture of the component according to the invention, since the electrode, for example, over Screen printing method or the like can be applied to one or both of the carrier layers. Thus, carrier layers can be prefabricated with electrodes, which can then be connected to one another via the layer of polymer-dispersed liquid crystals to form the final layer structure simply and efficiently.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben wird.Further advantageous embodiments of the invention will become apparent from the remaining dependent claims and will become apparent from the embodiment, which will be described below with reference to the figures.
Dabei zeigen:Showing:
In der Darstellung der
Zwischen den Elektroden
Der weitere Aufbau des optischen Bauteils
Alles in allem entsteht so ein optisches Bauteil
Auf die Funktionalität des optischen Bauteils
In der Darstellung der
Die Elektroden
Das Teilelement
In der Darstellung der
Die Herstellung des ersten Teilelements
Nachdem auf diese Art das erste Teilelement
Alternativ ist auch ein umgekehrtes Verfahren ausführbar, bei dem zunächst das Teilelement
Alternativ dazu wäre es selbstverständlich denkbar, anstelle der Trägerschicht
Alternativ dazu wäre es auch möglich, anstelle der gemeinsam genutzten Trägerschicht
Alternativ kann anstelle der elektrochromen Schicht jeweils auch eine SPD-Schicht verwendet werden.Alternatively, it is also possible to use an SPD layer instead of the electrochromic layer.
Denkbar ist auch eine weitere Alternative bei der entweder die PDLC-Schicht oder die elektrochrome (EC) Schicht durch Anlegen eines geeigneten Potentials geschaltet wird. Damit wären z. B. die Zustände „Opak mit Farbe 1” durch Schaltung der EC-Schicht oder „transparent mit Farbe 1” durch Schaltung der PDLC-Schicht möglich. Ohne Spannung ist die EC-Schicht farbig und die PDLC-Schicht opak.Another alternative is conceivable in which either the PDLC layer or the electrochromic (EC) layer is switched by applying a suitable potential. This would be z. For example, the states "opaque with
Ebenso ist eine weitere Alternative denknar, bei der entweder die PDLC-Schicht oder eine SPD-Schicht durch Anlegen eines geeigneten Potentials geschaltet wird. Damit wären z. B. die Zustände „Opak + dunkel oder transparent” durch Schaltung der SPD-Schicht oder „transparent mit Dunkelzustand” durch Schaltung der PDLC-Schicht möglich. Ohne Spannung ist die SPD-Schicht dunkel(blau) und die PDLC-Schicht opak.Likewise, another alternative is denknar, in which either the PDLC layer or an SPD layer is switched by applying a suitable potential. This would be z. As the states "opaque + dark or transparent" by switching the SPD layer or "transparent with dark state" by switching the PDLC layer possible. Without tension, the SPD layer is dark (blue) and the PDLC layer is opaque.
Das optische Bauteil
in der Darstellung der
Der Aufbau des optischen Bauteils
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