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CN114236933A - 一种基于液晶混合物的光学衰减片及制备方法 - Google Patents

一种基于液晶混合物的光学衰减片及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种基于液晶混合物的光学衰减片及制备方法，包括至少两块透明基底、至少一个液晶盒和电光材料，相邻两块透明基底之间设有液晶盒，所述液晶盒由两块透明导电薄膜通过粘胶集成，两块透明导电薄膜分别位于相邻两块透明基底的内表面，所述液晶盒内设有电光材料，所述电光材料由液晶材料、手性材料以及对光有吸收特性的掺杂材料混合而成，所述液晶盒的两块透明导电薄膜与外部电压相连接。本发明提供一种基于液晶混合物的光学衰减片，结构和制作简单，不需要液晶取向层，能够实现目前本领域内的最大范围振幅连续衰减2.56×1010或更高，而且与光的偏振态无关，所用的电压很低<25伏、成本低，器件紧凑、体积小。

Description

一种基于液晶混合物的光学衰减片及制备方法
技术领域
本发明涉及光学元件技术领域，特别涉及一种基于液晶混合物的光学衰减片及制备方法。
背景技术
光学衰减片是一个基本的光学元件，对光的振幅进行调制，在任何需要控制光强的系统中都会获得应用。光的衰减主要有如下几种实现方式：利用金属薄膜、介电薄膜、半导体薄膜或一定厚度的材料对不同波长的光的吸收特性，改变透过光的强度。利用表面反射、增反射薄膜实现对透过光的衰减。利用偏振片降低透射光的强度。利用光致变色材料，即通过在玻璃或塑料中加入卤化银或有机变色分子，在强光、正常光、弱光下材料对可见光的吸收不同，从而改变镜片的透过率。利用电致变色材料。当电致变色导电聚合物加上电压时，其透过率随着电压的变化而变化。此外，某些材料在较强激光照射下产生非线性吸收效应，透射光强度发生变化，但该现象一般不被用来做光学衰减片。
在实际应用中，基于前三种效应的光学衰减方法用得最多。传统的光学衰减片的衰减系数是固定的，如10-1,10-2,10-3,10-4，等等。采用多片组合可以实现多个离散的衰减作用，但不能实现连续可调的动态衰减。在日常生活中，我们普遍使用的基于光学衰减元件的日用品是多种太阳镜。大多数太阳镜是基于多层光学干涉薄膜或偏振片减弱透过光的强度。根据2020年国家标准(GB39552.1)，依照可见光透过率，太阳镜分为五类，其中0类镜片、1类镜片、2类镜片、3类镜片、4类镜片的可见光透过比分别为>80％、43％-80％、18％-43％、8％-18％、3％-8％。在不同的应用场景，需要佩戴不同透过率的太阳镜。光致变色镜片也常用于太阳镜，其最大透过率与最小透过率之比通常在4左右，而且响应较慢，通常在几分钟量级。电致变色镜片的对比度通常在10左右，响应时间约2秒。
现代智能、节能建筑与汽车都需要有效控制进入室内的光能量及室内温度，减少使用空调，同时又能在室内欣赏室外美景。要达到这一目标，需要有对外界光自动响应、透过率对比度大、工作电压低而且始终透明的智能窗户。
现有的光学衰减元件缺少能够实现透过率连续可调、对比度大、响应快的技术。虽然利用两块级联的偏振片可以实现连续可调的透过率，但在最大透过率状态下，光的损耗较大，而且需要机械转动一个偏振片，在很多场合不适用。曾有人提出基于偏振片的向列型液晶镜片或利用其它液晶材料的电光衰减元件，但对比度不高，有的技术在开通的状态下透过率不高，有的技术还需要外加比较大的电压。
发明内容
本申请旨在发明一种基于液晶混合物的光学衰减片，结构简单，可以实现大范围振幅连续衰减，而且与光的偏振态无关，所用的电压很低、响应速度快(100毫秒量级或更快)、成本低。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本申请公开了一种基于液晶混合物的光学衰减片，包括至少两块透明基底、至少一个液晶盒和电光材料，相邻两块透明基底之间设有液晶盒，所述液晶盒由两块透明导电薄膜通过粘胶集成，两块透明导电薄膜分别位于相邻两块透明基底的内表面，所述液晶盒内设有电光材料，所述电光材料由液晶材料、手性材料以及对光有吸收特性的掺杂材料混合而成，所述液晶盒的两块透明导电薄膜与外部电压相连接。
作为优选，所述电光材料中液晶材料、手性材料和掺杂吸收材料三者的质量比为((1:(0.01-0.12)):(0.01-0.10)。
作为优选，所述粘胶内部设有用于控制液晶盒厚度的微粒，所述液晶盒的厚度为3～50微米。
作为优选，所述透明基底材料的厚度为0.25～0.5毫米。
作为优选，所述液晶材料由如下四种成分构成
Figure BDA0003452273970000031
所述四种成份分别按照51％、25％、16％以及8％的比例混合而成；
所述手性材料的分子式如下：
Figure BDA0003452273970000032
所述掺杂吸收材料为双色染料。
作为优选，所述透明基底的数量为3个，所述液晶盒的数量为2个。
作为优选，所述透明基底的数量为4个，所述液晶盒的数量为3个。
作为优选，所述透明基底的数量为5个，所述液晶盒的数量为4个。
本发明还公开了一种基于液晶混合物的光学衰减片的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、将液晶材料、手性材料和掺杂吸收材料混合，用搅拌仪器搅拌，得到液晶混合物材料；
S2、将加热台温度升高至液晶材料的清亮点以上，将组装好的透明基底及液晶盒放置加热台上；
S3、将液晶混合物材料从液晶盒一端注入，直到液晶混合物材料充满整个液晶盒，将其继续放置在加热台上，将加热台温度下降至室温；
S4、将液晶盒的两块透明导电薄膜分别接上导线，即可得到光学衰减片。
作为优选，所述步骤S3中加热台温度下降的速度为1℃/秒。
本发明的有益效果：
本发明提供一种基于液晶混合物的光学衰减片，结构和制作简单，不需要液晶分子取向层，能够实现目前本领域内的最大范围振幅连续衰减2.56×1010或更高，而且与光的偏振态无关，所用的电压很低<25伏、成本低，器件紧凑、体积小。
本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。
附图说明
图1是本发明一种基于液晶混合物的光学衰减片的结构示意图；
图2是本发明实施例二的结构示意图；
图3是本发明实施例三的结构示意图；
图4是本发明实施例四的结构示意图；
图5是本发明实验一的单个液晶盒的电压与透过率关联图；
图6是本发明实验二的单个液晶盒的电压与透过率关联图；
图7是本发明实验三的单个液晶盒的电压与透过率关联图；
图8是本发明液金材料的成分结构式；
图9是本发明手性材料的成分结构式；
其中：1-透明基底、2-透明导电薄膜、3-电光材料、4-粘胶。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。但是应该理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
实施例一：
参阅图1，本发明实施例提供一种基于液晶混合物的光学衰减片，包括两块透明基底1、一个液晶盒和电光材料3，相邻两块透明基底1之间设有液晶盒，所述液晶盒由两块透明导电薄膜2通过粘胶4集成，两块透明导电薄膜2分别位于相邻两块透明基底1的内表面，所述液晶盒内设有电光材料，所述电光材料由液晶材料、手性材料以及对光有吸收特性的掺杂材料混合而成，所述液晶盒的两块透明导电薄膜2与外部电压相连接。所述电光材料中液晶材料、手性材料和掺杂吸收材料三者的质量比为((1:(0.01-0.12)):(0.01-0.10)。所述粘胶4内部设有用于控制液晶盒厚度的微粒，所述液晶盒的厚度为3～50微米。所述透明基底材料的厚度为0.25～0.5毫米，该光学衰减片的最大透过率与最小透过率之比可达400。
实施例二：
参阅图2，本实施例与实施例一的区别技术特征在于：所述透明基底1的数量为3个，所述液晶盒的数量为2个，该光学衰减片的最大透过率与最小透过率之比可达1.6×105。
实施例三：
参阅图3，本实施例与实施例一的区别技术特征在于：所述透明基底1的数量为4个，所述液晶盒的数量为3个，该光学衰减片的最大透过率与最小透过率之比可达6.4×107。
实施例四：
参阅图4，本实施例与实施例一的区别技术特征在于：所述透明基底1的数量为5个，所述液晶盒的数量为4个，该光学衰减片的最大透过率与最小透过率之比可达2.56×1010。
上述实施例一至四的材料可选如下：
对于液晶材料，一种可行的选择是EMD Chemicals公司(Merck公司)生产的E7,它由图8所示的成份分别按51％、25％、16％以及8％的比例混合而成，其它向列型液晶均有可能实现本发明的目标；
关于手性材料，一种可行的选择是EMD Chemicals公司(Merck公司)生产的R811或R5011，作为例子，R811的分子结构如图9所示，其它手性材料均有可能实现本发明的目标；
关于掺杂吸收材料，一种可行的选择是双色染料。
实验一：
本实验的光学衰减片的电光材料中液晶材料、手性材料和掺杂吸收材料三者的质量比为1:0.01:0.01，液晶盒厚度为20微米，在液晶盒上施加外加电压时，测得单个液晶盒的电压与透过率关系图如5所示，可知，在外加电压0-20伏范围内，单个液晶盒的最大透过率与最低透过率分别为466和1.9，对比度高于200；实验二：
本实验的光学衰减片的电光材料中液晶材料、手性材料和掺杂吸收材料三者的质量比为1.1:0.12:0.10，液晶盒厚度为20微米，在液晶盒上施加外加电压时，测得单个液晶盒的电压与透过率关系图如6所示，可知，在外加电压0-20伏范围内，单个液晶盒的最大透过率与最低透过率分别为523和1.6，对比度高于300；
实验二：
本实验的光学衰减片的电光材料中液晶材料、手性材料和掺杂吸收材料三者的质量比为1:0.06:0.05，液晶盒厚度为20微米，在液晶盒上施加外加电压时，测得单个液晶盒的电压与透过率关系图如7所示，可知，在外加电压0-20伏范围内，单个液晶盒的最大透过率与最低透过率分别为692和1.7，对比度高于400。
所述光学衰减片的制作过程如下：将液晶材料、手性材料和掺杂吸收材料按一定的质量比混合、用搅拌仪器搅拌；将加热台温度升高到液晶材料的清亮点以上，将组装好的液晶盒放置在加热台上，10分钟后用细玻璃棒将液晶混合物材料从液晶盒一端注入，当混合物充满整个液晶盒后，将器件继续放置在加热台上，以约1℃/秒的速度将热台降至室温；将器件的两个导电薄膜层分别接上导线，即可使用；光学衰减片的透过率由外加电场控制。所加电压为1k Hz交流方波电压，由信号发生器产生一定振幅的交流方波，经过放大器将振幅放大，将输出信号加到光学衰减片上。通过调节信号放大器的振幅，在放大器输出端可以得到较大幅度调节的电压信号。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于液晶混合物的光学衰减片，其特征在于：包括至少两块透明基底(1)、至少一个液晶盒和电光材料(3)，相邻两块透明基底(1)之间设有液晶盒，所述液晶盒由两块透明导电薄膜(2)通过粘胶(4)集成，两块透明导电薄膜(2)分别位于相邻两块透明基底(1)的内表面，所述液晶盒内设有电光材料，所述电光材料由液晶材料、手性材料以及对光有吸收特性的掺杂材料混合而成，所述液晶盒的两块透明导电薄膜(2)与外部电压相连接。
2.如权利要求1所述的一种基于液晶混合物的光学衰减片，其特征在于：所述电光材料中液晶材料、手性材料和掺杂吸收材料三者的质量比为((1:(0.01-0.12)):(0.01-0.10))。
3.如权利要求1所述的一种基于液晶混合物的光学衰减片，其特征在于：所述粘胶(4)内部设有用于控制液晶盒厚度的微粒，所述液晶盒的厚度为3～50微米。
4.如权利要求1所述的一种基于液晶混合物的光学衰减片，其特征在于：所述透明基底材料的厚度为0.25～0.5毫米。
5.如权利要求1所述的一种基于液晶混合物的光学衰减片，其特征在于：所述液晶材料由如下四种成分构成
Figure FDA0003452273960000011
所述四种成份分别按照51％、25％、16％以及8％的比例混合而成；
所述手性材料的分子式如下：
Figure FDA0003452273960000021
所述掺杂吸收材料为双色染料。
6.如权利要求1所述的一种基于液晶混合物的光学衰减片，其特征在于：所述透明基底(1)的数量为3个，所述液晶盒的数量为2个。
7.如权利要求1所述的一种基于液晶混合物的光学衰减片，其特征在于：所述透明基底(1)的数量为4个，所述液晶盒的数量为3个。
8.如权利要求1所述的一种基于液晶混合物的光学衰减片，其特征在于：所述透明基底(1)的数量为5个，所述液晶盒的数量为4个。
9.一种基于液晶混合物的光学衰减片的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、将液晶材料、手性材料和掺杂吸收材料混合，用搅拌仪器搅拌，得到液晶混合物材料；
S2、将加热台温度升高至液晶材料的清亮点以上，将组装好的透明基底(1)及液晶盒放置加热台上；
S3、将液晶混合物材料从液晶盒一端注入，直到液晶混合物材料充满整个液晶盒，将其继续放置在加热台上，将加热台温度下降至室温；
S4、将液晶盒的两块透明导电薄膜(2)分别接上导线，即可得到光学衰减片。
10.如权利要求1所述的一种基于液晶混合物的光学衰减片的制备方法，其特征在于：所述步骤S3中加热台温度下降的速度为1℃/秒。
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