專利名稱：溫度活化的光學(xué)薄膜的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及一種選擇性地反射預(yù)定波長的電磁輻射的多層介電 (dielectric)光學(xué)結(jié)構(gòu)。更具體地，本發(fā)明涉及其光學(xué)性質(zhì)的變化受溫度激活的光學(xué)結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
出于自然采光的目的以及美學(xué)方面的原因，玻璃窗廣泛地用于住宅和商業(yè)建筑 物。然而，因為玻璃窗通常是一種薄而透明的分隔內(nèi)部(例如辦公室空間)與外部環(huán)境的 屏障，它們可以很容易地通過兩個途徑與外界環(huán)境交換熱量由于空氣熱運動產(chǎn)生的直接 熱交換和電磁輻射的傳遞。降低由于內(nèi)部和外部環(huán)境之間的熱運動產(chǎn)生的直接熱交換一般 總是優(yōu)選的。對于電磁輻射，就熱交換而言存在兩個重要的因素由于接近室溫的物體的黑 體輻射產(chǎn)生的長波長輻射及太陽電磁輻射。類似于由于熱運動產(chǎn)生的熱交換，由接近室溫 的物體產(chǎn)生的黑體輻射的傳遞一般不是優(yōu)選的，因為它們由于在較寒冷的天氣對室內(nèi)造成 熱損失(向較寒冷的環(huán)境)，而在較熱的天氣由較熱的外部環(huán)境加熱室內(nèi)。但是，太陽輻射 的加熱是不同的方式。雖然一般情況下優(yōu)選可見光透過窗戶到達室內(nèi)，但是太陽輻射的近 紅外光譜或太陽光譜的熱成分只有在較寒冷的日子時是需要的，而在炎熱夏季，非常希望 排除太陽熱量。為了減少由于熱運動產(chǎn)生的熱交換，經(jīng)常使用具有空氣間隙或惰性氣體填充的間 隙的雙層窗格玻璃窗或三層窗格玻璃窗。然而，這些窗戶不會減少或增加太陽熱量的獲得， 因為它們只吸收或反射可見光和紅外范圍內(nèi)的非常少的和固定量的電磁輻射，這基本上是 純粹由于菲涅爾反射。用于減少電磁輻射透過玻璃窗的傳遞的現(xiàn)有技術(shù)包括涂覆一層或多層非常薄的 材料(例如銀和氮化銀層)的技術(shù)，其對于大約ΙΟμπι 的電磁輻射波長性能接近于金屬 鏡。這種涂覆的窗戶一般被稱為低e或低輻射的窗戶，并將長波長的電磁輻射反射回環(huán)境 或建筑物的內(nèi)部。這種涂料在所有溫度下增加窗戶的隔熱性能。近紅外輻射的選擇性反射和吸收是一種取得巨大商業(yè)成功的成熟技術(shù)。一個例子 是由PPG Industries, Inc生產(chǎn)的Solarban 70XL涂料。這種涂料在寒冷和溫暖的日子中 都恒定地阻止大部分近紅外和部分阻止可見光。然而，需要有具有以下特性的窗戶或薄膜高可見光透射率；溫度低時的高紅外 輻射透射率；當(dāng)溫度達到一定水平時向高紅外輻射反射的轉(zhuǎn)變；轉(zhuǎn)變溫度在室溫范圍；轉(zhuǎn) 變根據(jù)溫度是自動的；該窗戶或薄膜可以經(jīng)濟地大量生產(chǎn)且是無毒的。
背景技術(shù)：
-現(xiàn)有技術(shù)
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屬于Ploke的美國專利第3，279，327號公開了選擇性反射紅外輻射并同時允許可 見光通過干涉而透過的多層光學(xué)濾波器。屬于Rancourt等人的美國專利第4，229，066號公開了在紅外波長進行反射而在 較短的波長下進行透射的多層堆疊組件(stack)。該堆疊組件由多個高和低折射率材料的 層形成，交替層由高折射率的材料形成和其他層由低折射率的材料形成。屬于Alfrey等人的美國專利第3，711，176號公開了折射率充分不匹配的聚合物 的多層薄膜，這些多層薄膜造成光的相長干涉(constructive interference)。這導(dǎo)致該薄 膜透射某些波長的光通過薄膜而反射其他波長。屬于Mitchell的美國專利第3，790，250號公開了一個系統(tǒng)，其中，光吸收半導(dǎo)體 的導(dǎo)電率隨溫度變化，而光吸收或衰減水平反向地受到溫度控制。該公開的系統(tǒng)在80°C時 顯示大約80%的光吸收，而在室溫下該吸收降低到大約15%。該系統(tǒng)對于本申請是不可用 的，因為它的溫度依賴性在大的溫度范圍內(nèi)緩慢地變化。屬于Chahroudi的美國專利第4，307，942號公開了太陽光控制系統(tǒng)，其中由多孔 層組成的各種結(jié)構(gòu)根據(jù)溫度吸收溶劑或排斥溶劑，且該結(jié)構(gòu)將其光學(xué)性質(zhì)由在低溫下對于 太陽輻射透明轉(zhuǎn)變?yōu)榉瓷漕A(yù)定波長的太陽輻射金屬表面或介質(zhì)鏡(dielectric mirror) 0 除了任何性能問題外，在實現(xiàn)這種裝置中的顯著困難是必須具有大的儲庫以容納這些溶 劑。屬于Greenberg的美國專利第4，401，690號公開了制備具有以25°C至55°C的降 低的轉(zhuǎn)變溫度的這種轉(zhuǎn)變的釩氧化物薄膜的方法，這接近了但并不完全是使得材料可用所 需要的轉(zhuǎn)變溫度。此外，在低于或高于該轉(zhuǎn)變溫度的溫度下，釩氧化物吸收可見光的很大部 分，這使得該技術(shù)對于窗戶應(yīng)用具有較少的吸引力。屬于Wheatley的美國專利第6，049，419號公開了由雙折射聚合物層組成的介電 多層結(jié)構(gòu)，其反射預(yù)定波長的至少一個偏振。然而，其光學(xué)特性(包括其反射)不會隨溫度 變化，且所得到的光學(xué)結(jié)構(gòu)會在較溫暖的夏日排斥太陽能(這是需要的)，以及如果在寒冷 的冬日，也是這樣設(shè)計的(這是不需要的)。屬于Spry的美國發(fā)明公開第H001182號公開了采用在溫度變化時具有鐵電相到 非鐵電相的轉(zhuǎn)變的材料和另一種不具有相變的光學(xué)透明材料的光學(xué)濾波器結(jié)構(gòu)。所得到的 光學(xué)濾波器結(jié)構(gòu)可以選擇性地阻擋預(yù)定波長的輻射，因為相變層的折射率隨溫度變化而變 化。然而，鐵電材料轉(zhuǎn)變溫度為大約120°C，引起的折射率變化為大約0.03，并且由于這兩 層在高溫下的反射模式是光學(xué)各向同性的，該裝置只在非常高的溫度下反射接近垂直入射 的單波長光，且需要大量的(大于5000)層以在近紅外輻射的整個寬波帶上實現(xiàn)明顯的反 射，因此，這不適用于在室溫范圍下調(diào)整太陽能控制。因此，在本領(lǐng)域中仍然存在對具有以下特性的窗戶或光學(xué)薄膜的未滿足的需求 具有可見光的高透射率；溫度低時紅外輻射的高透射率；當(dāng)溫度達到一定水平時，轉(zhuǎn)變?yōu)?紅外輻射的高反射；轉(zhuǎn)變溫度在室溫范圍；轉(zhuǎn)變根據(jù)溫度是自動的；窗戶或薄膜可以經(jīng)濟 地大量生產(chǎn)；用于這種窗戶或薄膜的材料是無毒的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明通過提供由聚合物和液晶材料制成的多層介電光學(xué)結(jié)構(gòu)滿足了上述需求。當(dāng)溫度低于15-35攝氏度的轉(zhuǎn)變溫度范圍時，該光學(xué)結(jié)構(gòu)對于可見光和紅外光基本上是可 穿透的，而當(dāng)溫度高于轉(zhuǎn)變溫度時，具有高的紅外光反射。反射寬的紅外光帶所需的層數(shù)為 100至1000層。本發(fā)明的薄膜或窗戶尤其可用于被動式太陽能控制，因為它在高于轉(zhuǎn)變溫 度時具有高的可見光透射率、顯著較低的紅外線透射率，具有足以用于多種多樣氣候條件 的低的轉(zhuǎn)變溫度范圍，且所需要的唯一活化是薄膜或窗戶可以直接感應(yīng)到的環(huán)境溫度的變 化。因此，下面的本發(fā)明實施方式和目的結(jié)合示例和說明性的而不是限制本發(fā)明范圍 的系統(tǒng)、工具和方法進行描述和說明。在各種實施方式中，本發(fā)明滿足了一個或多個上述的 市場需求，而其他實施方式涉及其他的改進。本發(fā)明的主要目標是提供在低于特征轉(zhuǎn)變溫度的溫度下透射可見光和紅外輻射， 而當(dāng)溫度高于轉(zhuǎn)變溫度時反射紅外輻射的光學(xué)結(jié)構(gòu)，所述轉(zhuǎn)變溫度在室溫范圍內(nèi)。本發(fā)明的另一目標是提供柔性的光學(xué)薄膜結(jié)構(gòu)，其中，該薄膜在任何溫度下透射 可見光，但在高于需要的溫度設(shè)置時反射太陽電磁輻射的近紅外線或產(chǎn)熱光譜，但在較低 溫度下允許這種太陽能熱量的透射。本發(fā)明的另一目標是提供溫度依賴性的反射偏振薄膜，其中，高于預(yù)定的溫度設(shè) 置時，該薄膜反射可見光和近紅外光譜中一定波長范圍的電磁輻射的一個偏振，同時透射 在該光譜范圍內(nèi)具有與所反射偏振基本上垂直的偏振的電磁輻射，并透射該光譜范圍以外 的所有偏振的電磁輻射。低于預(yù)定的溫度設(shè)置時，薄膜對于可見光和近紅外范圍內(nèi)所有波 長和偏振態(tài)的電磁輻射基本上是可穿透的。本發(fā)明的另一個主要目標是提供這樣的光學(xué)薄膜，其是基于塑料薄膜的，并很容 易大量生產(chǎn)，且還可方便地裝配入現(xiàn)有的窗戶。本發(fā)明的另一目標是提供在高于轉(zhuǎn)變溫度時反射寬波帶的紅外輻射，但對于可見 光是可穿透的，而在低于轉(zhuǎn)變溫度時對于可見和紅外輻射都可穿透的光學(xué)系統(tǒng)?？梢詮南旅娴恼f明書很清楚地理解本發(fā)明的其他目標和優(yōu)勢。


用

示例性的實施方式。本文公開的實施方式和附圖意圖是說明而不是限 制。圖1是本發(fā)明的多層結(jié)構(gòu)的截面示意圖。圖2是沿拉伸方向?qū)R的拉伸聚合物和液晶的示意圖。圖3是當(dāng)高于轉(zhuǎn)變溫度時反射特定偏振的示意圖。圖4是在高于轉(zhuǎn)變溫度時以垂直的光軸堆疊在一起的兩個相同的反射膜(形成一 對)完全反射特定波長的示意圖。圖5是用于容納液晶和用于穩(wěn)定的機械結(jié)構(gòu)的聚合物網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的示意圖。
具體實施例方式如本文所用的“一(a和an) ”指一個或多個。本文所用的術(shù)語“偏振”是指在垂直于電磁波的行進方向的平面中電場振蕩的方 向。
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本文所用的“ μ m”是指微米，1米長度的1/1000000。本文所用“nm”是指納米，1米長度的1/1000000000。本文所用的“雙折射的”(“birefringent”)和“雙折射”(“birefringence”)是 指沿不同的方向顯示出不同的有效折射率的光學(xué)材料。本文所用的術(shù)語“光軸”或“多個光軸”是指雙折射材料的折射率橢球的一個或多 個主方向。對于雙軸的雙折射材料，存在三個相互垂直的光軸。對于單軸的材料，通常只有 一個軸，采用沿非常折射率的方向。本文所用的“沿光軸的折射率”是指當(dāng)電磁輻射沿光軸偏振時，衡量光速在介質(zhì)中 減少多少的數(shù)值。對于雙折射的光學(xué)材料，分別沿著三個主光軸存在三個折射率。如果所 有的三個折射率相同，則該材料是各向同性的。如果兩個折射率相同，則該材料是單軸的。本文所用的術(shù)語“光學(xué)厚度”是指層的物理厚度乘以它的折射率。對于雙折射材 料，因為折射率的方向依賴性，光學(xué)厚度是方向依賴性的。本文所用的“轉(zhuǎn)變溫度”或“Tc”是指液晶材料發(fā)生從高于Tc時的各向同性狀態(tài) 轉(zhuǎn)變?yōu)榈陀赥c時的有序的或液晶的狀態(tài)的相變的溫度。本文所公開的實施方式涉及多層的介電光學(xué)結(jié)構(gòu)，更具體地涉及具有轉(zhuǎn)變溫度Tc 的聚合物/液晶智能光學(xué)塑料薄膜。高于"Tc時，它反射近紅外光譜中特定光譜范圍的電磁 輻射，但透射這一特定光譜范圍之外的電磁輻射。低于Tc時，該光學(xué)結(jié)構(gòu)對于可見光和紅 外輻射基本上是可穿透的。具體來說，在本文公開的一個優(yōu)選的實施方式中，光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計 為具有在20°C及以上時反射700nm至2500nm波長的近紅外輻射而在低于所選擇溫度的溫 度時透射這樣的輻射，但是對于400nm至700nm波長的可見光在所有情況下基本上是可穿 透的光學(xué)塑料薄膜。這種結(jié)構(gòu)可以用于在寒冷的日子或在寒冷的環(huán)境中需要時利用太陽能 熱量，但在熱天時排斥紅外輻射的光學(xué)透明薄膜。這種光學(xué)薄膜在建筑、車輛和其他行業(yè)中 具有廣泛應(yīng)用。反射一定光譜范圍的電磁輻射(例如，l.Oym的波長的周圍)同時透射其他波長 的電磁輻射的結(jié)構(gòu)薄膜的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。該薄膜堆疊結(jié)構(gòu)由塑料或固體基底100上 的兩種光學(xué)材料的交替層組成第一光學(xué)層101和第二光學(xué)層102。層中的至少一個，101 或102或二者是雙折射的。在一個優(yōu)選實施方式中，交替層101由帶有沿著薄膜的層法向 的光軸的單軸雙折射光學(xué)塑料薄膜組成，交替層102由當(dāng)材料處于盤狀(discotic)相時具 有沿著層法向的指向矢(director)的盤狀液晶組成。盤狀液晶具有室溫附近的各向同性 至盤狀的相變溫度Tc。包含盤狀液晶的薄膜102可以被聚合以獲得機械穩(wěn)定性。當(dāng)?shù)陀?Tc時，層102處于盤狀液晶相，層101和102的折射率在所有三個主方向上是基本上匹配 的，且該層對于所有波長和所有感興趣的偏振的電磁輻射1000是可穿透的。高于Tc時，薄 膜102處于各向同性相，其具有優(yōu)選設(shè)計為沿光軸基本上匹配層101的折射率的均一折射 率。層沿層平面方向的折射率是不匹配的。兩層的有效光學(xué)厚度被設(shè)計為λ。附近的波長 的電磁輻射1000的四分之一波長(quarter wavelength)厚度且來自界面的反射是相長的 (constructive)。因此堆疊結(jié)構(gòu)的反射在波長λ ^周圍達到峰值，反射比和帶寬取決于折射 率的比率和層數(shù)，兩種材料的折射率比被定義為較高的折射率ηΗ除以較低的折射率Ik，如 果折射率比為1，則沒有反射，對于雙折射光學(xué)材料，這一比率也是方向依賴性的。較大的折 射率比需要較少的層數(shù)以達到高反射比，并反射更寬的光帶，且粗略估計表明，要達到峰值波長處的接近100%的反射，所需層數(shù)必須大于1/ (nH-nL)，其中，nH和 分別為高和低折射 率光學(xué)薄膜的折射率。在峰值波長帶之外，反射比降低，其取決于層數(shù)，并處于振蕩模式。如圖1所示的一個優(yōu)選的實施方式，基底是可從多家公司獲得的透明的聚酯薄 膜，其中包括DuPont Teijin Films。薄膜厚度為50 μ m至500 μ m，優(yōu)選125 μ m至200 μ m。 基底也可以是其他透明塑料薄膜，如來自聚酯薄膜的相同供應(yīng)商的聚乙烯薄膜，并具有類 似的厚度。在基底頂部，我們有液晶層102。液晶和單體添加劑的混合物沉積到基底上。一個 用于說明目的的液晶的例子是由Merck KGaA提供的并具有單體添加劑二丙烯酰聯(lián)苯和作 為引發(fā)劑的少量苯偶姻-甲基醚的6CB(4-氰基-4-己基聯(lián)苯)，單體添加劑的濃度最高達 20重量％，優(yōu)選0. 3重量％ -5重量％。在沉積層達到27Inm厚度之后，通過暴露于紫外線 (通常被稱為光聚合方法)來聚合單體，從而在層中形成聚合物網(wǎng)，以為了將液晶材料分割 成具有較低流動性的小的單元(section)，并增加層的機械穩(wěn)定性以維持層的均勻厚度。將聚合物層101布置在液晶層的頂部用于密封層并作為下一個交替的聚合物層。 用于層101的材料是半結(jié)晶聚合物，如聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)或聚萘二甲酸乙二醇 酯(polyethylene naphthalate, PEN)。薄至0. 5 μ m的雙軸拉伸的薄PET薄膜可以容易 地從供應(yīng)商(如 Goodfellow Corporation, Toray Industry, Inc.)獲得。這些薄膜可以 在大約140°C的溫度下進一步拉伸以至少獲得薄至0.25 μ m的薄膜。對于單軸拉伸的PET 薄膜，折射率取決于拉伸比。如果拉伸比為5倍，也就是薄膜長度為拉伸前長度的5倍，則 沿拉伸方向、薄膜平面內(nèi)但垂直于拉伸方向和沿薄膜法向方向的三個折射率分別為1. 70、 1. 55、1. 50。沿著這樣的0. 25 μ m厚的層的拉伸方向的光學(xué)厚度是0. 425 μ m,并當(dāng)與其光學(xué) 厚度是同一波長的1/4波長的另一種光學(xué)材料配對時，反射在波長1. 7 μ m處達到峰值的紅 外輻射?？梢灾苽浜穸缺≈链蠹s0. 05 μ m的單軸和均勻拉伸的PET薄膜，其沿拉伸方向或 有序方向產(chǎn)生0. 085 μ m的光學(xué)厚度。當(dāng)與具有較低折射率的各向同性相的交替液晶層堆 疊時，這種均勻拉伸的薄膜允許具有在短至340nm處為峰值的中心波長的輻射的相長反射 (constructive reflection)，因此我們優(yōu)選的感興趣的700nm至2500nm的范圍是很容易 實現(xiàn)的。在如圖2所示的另一優(yōu)選的實施方式中，多層堆疊結(jié)構(gòu)由基礎(chǔ)基底200上的雙折
射聚合物層201、203、205.....η、n+2 (如拉伸的聚對苯二甲酸乙二醇酯)和液晶層202、
204.....η+1、η+3(如液晶6CB)組成。液晶分子是棒狀的。在向列液晶或更高有序的液晶
或晶體相中，材料的光學(xué)性質(zhì)是單軸或雙軸的，且在各向同性相時是各向同性的。如圖2所 示，當(dāng)沿y軸拉伸時，聚合物層一般是單軸光學(xué)性的，其光軸向沿y軸的拉伸方向，且具有沿 著χ和ζ方向的尋常折射率n。，沿拉伸的y方向的異常折射率I。此外，拉伸的聚合物作為 液晶的排列層發(fā)揮作用，使得聚合物薄膜能夠沿拉伸方向排列液晶指向矢。根據(jù)本發(fā)明，在液晶層處于向列相液晶或更高有序相的低溫下時，聚合物層和液 晶層的折射率和厚度不滿足布拉格干涉條件，優(yōu)選地，聚合物和液晶材料的折射率至少在 χ和y方向上基本上匹配。因此，薄膜堆疊結(jié)構(gòu)對于本發(fā)明感興趣的可見光和近紅外譜中 所有波長和所有偏振的入射光1000是可穿透的。對于6CB，向列至各向同性的相變溫度為 ^°C。在大約13°C時，nx = nz = n。= 1. 53，和ny = ne = 1. 71，基本上與聚合物層的折射 率匹配。
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在高于液晶向各向同性相的轉(zhuǎn)變溫度的溫度下，液晶層302、304.....3+l、n+3變
為各向同性的，且液晶的折射率變?yōu)閚x = ny = nz = nlc的各向同性的，其一般接近于與處于 其液晶相的液晶尋常折射率相同，如圖3所示。因此液晶層在χ和ζ方向與聚合物層301、
303.....η,η+2基本上折射率匹配；但在y方向或者聚合物拉伸方向(在拉伸的聚合物薄
膜的情況下)為不匹配的。對于S-偏振入射光1002(沿χ軸的偏振)，聚合物層和液晶層 的折射率基本上匹配，并因此薄膜堆疊結(jié)構(gòu)對于入射光是可穿透的。對于P-偏振入射光， 聚合物層和各向同性液晶層中的有效極化指數(shù)是不同的。舉一個例子，交替的PET薄膜和液晶6CB顯示以下參數(shù)和性能PET薄膜厚度0. 25微米，單方向拉伸。6CB 層厚度0. 271μπι層對的數(shù)目N = 22轉(zhuǎn)變溫度近紅外光譜的透射比(Transmisivity) (1700nm)在 T > 29°C時，6. 5%T < 20°C時的近紅外輻射和在所有溫度下其他波長的輻射的透射比90%。根據(jù)本文所公開的實施方式，在高于液晶至各向同性相轉(zhuǎn)變溫度的溫度下，層 301,302,303....的厚度設(shè)計為使得特定波長范圍的ρ-偏振電磁波輻射1001由該層反射。 在一個具體的實施方式中，如圖3所示的薄膜堆疊結(jié)構(gòu)設(shè)計為當(dāng)液晶膜302、304、...處于 各向同性相時僅基本上反射700nm至2500nm波長的ρ-偏振的近紅外電磁輻射但透射可見 光1003和S-偏振的近紅外電磁輻射1002。在另一個優(yōu)選的實施方式中，薄膜設(shè)計為當(dāng)液 晶層處于較高溫度下且處于各向同性相時，僅基本上反射較窄的光譜范圍(例如，IOOOnm 至1500nm)的ρ-偏振的電磁輻射。在優(yōu)選的實施方式中，圖1、圖2和圖3所公開的薄膜在高溫下的寬帶光譜反射通 過改變薄膜的厚度得以實現(xiàn)，以使得相長反射的中心波長在整個薄膜上逐漸變化。因此，層 301的厚度不同于層303的厚度，且進一步兩個層的厚度可能不同于薄膜堆疊結(jié)構(gòu)中的層η 的厚度。在另一個優(yōu)選的實施方式中，反射特定但不同范圍的電磁輻射的薄膜堆疊在一起， 以擴大薄膜堆疊結(jié)構(gòu)的整體反射光譜范圍。在一個優(yōu)選的實施方式中，通過具有略有變化的光學(xué)厚度的介電層對的堆疊形成 多層光學(xué)薄膜。由一個聚合物層和匹配的液晶層形成介電對(dielectric pair)。所形成 的多層聚合物和液晶結(jié)構(gòu)隨后經(jīng)受單向的機械拉伸。高于Tc時，拉伸的多層結(jié)構(gòu)滿足該對 中的兩個層具有相同光學(xué)厚度(其等于代表性的標稱波長(nominal wavelength)的1/4) 的條件。各個相鄰層對之間的關(guān)系符合以下公式dN+1 =r dN，其中，dN是第N對的光學(xué)厚 度，r是0. 85至0. 999范圍內(nèi)的數(shù)字因數(shù)，其中(I1 = 1/4 λ。，其中λ Q是基本上與感興趣的 寬帶的波長上限相同的標稱波長。優(yōu)選對于寬帶近紅外反射裝置，Xci在1500nm至2500nm 的范圍內(nèi)。這樣形成的多層結(jié)構(gòu)反射紅外輻射的寬帶。我們的例子中所需的層數(shù)不是很大， 因為在液晶轉(zhuǎn)變溫度下折射率存在大的差異，如下面的例子所示交替的PET薄膜和6CB表現(xiàn)出以下參數(shù)和性能PET薄膜厚度0. 1μπι-0. 3Μμπι，單方向拉伸。6CB 層厚度0· 128μπι-0· 416μπι。轉(zhuǎn)變溫度
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層對的數(shù)目N =115λ 0 = 2400nm在！1 > 時，可見光GOOnm至700nm的波長)的透射比80%近紅外光譜的透射比(700nm-2500nm)，在T > 時為55%?？梢姽庠赥 < 20°C的透射比為93%。近紅外輻射在T < 20°C時的透射比為93%。在圖4公開的另一個優(yōu)選的實施方式中，圖2和圖3公開類型的兩個光學(xué)薄膜400 和401以其光軸411和412基本上互相垂直的方式堆疊在一起，以形成在高溫下反射所希 望的電磁輻射光譜范圍內(nèi)光的所有偏振而在低溫下透射相同的光的所有偏振的復(fù)合膜。該 復(fù)合膜在所有溫度下透射該光譜范圍外的電磁輻射。在一個優(yōu)選的實施方式中，復(fù)合膜在 所有溫度下透射可見入射光420。然而，對于近紅外入射光425，在高溫下當(dāng)液晶層處于各 向同性相時，復(fù)合膜反射它以獲得426 ；在低溫下當(dāng)液晶層處于向列液晶或更高的有序相 時，復(fù)合膜透射它以獲得427。與液晶相關(guān)的一個特定的性質(zhì)是其流動的能力。在優(yōu)選的實施方式中，可聚合的 單體摻雜在液晶層502中。摻雜的單體光可以光聚合以形成網(wǎng)絡(luò)510，如圖5所示，其形成 用于液晶分子511的包含網(wǎng)?？蛇x擇地，單體可通過加熱液晶單體混合物而聚合以形成網(wǎng) 絡(luò)510。這種網(wǎng)絡(luò)510將形成產(chǎn)生機械穩(wěn)定的液晶薄膜的三維網(wǎng)。在另一個優(yōu)選的實施方 式，液晶層由具有聚合物骨架的聚合物液晶組成，以為液晶層提供剛性和機械穩(wěn)定性。在再 另外的優(yōu)選實施方式中，可聚合的單體形成薄的封閉的壁，且液晶被包含在這些壁中，其中 液晶的流動性受到限制。雖然本發(fā)明公開了液晶分子為溫度敏感的光學(xué)材料，但是具有對溫度敏感的折射 率的各種類型的其他光學(xué)材料也可以引入本發(fā)明中，只要當(dāng)薄膜的溫度在窄的范圍內(nèi)改變 時，尤其是當(dāng)溫度變化發(fā)生在室溫附近時，光學(xué)材料的折射率經(jīng)受顯著的(大于0. 05的) 改變。前面提供了所公開的實施方式的描述，使得本領(lǐng)域的任何技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或者 使用本發(fā)明。這些實施方式的各種修改對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員是很明顯的，且本文定義的 通用原則在沒有背離本發(fā)明的精神或范圍的情況下可應(yīng)用于其他實施方式。因此，本發(fā)明 不意欲限于本文所示的實施方式，而是應(yīng)符合與本文公開的原則和新穎特征相一致的最寬 范圍。因此，意圖是下面所附的權(quán)利要求和之后引入的權(quán)利要求被解釋為包括在其實質(zhì)精 神和范圍之內(nèi)的所有這些變化、修改、置換、添加和亞組合。
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權(quán)利要求
1.用于選擇性地反射預(yù)定波長的多層介電光學(xué)結(jié)構(gòu)，包括透明基底；在基底上的多個交替的第一層和第二層，其中，第一層包括具有第一光軸和沿第一光 軸的第一折射率的第一光學(xué)材料，和第二層包括具有第二光軸和在低于特征轉(zhuǎn)變溫度Tc 時沿第二光軸的第二折射率和在高于"Tc時第三折射率的第二光學(xué)材料，第一和第二光軸 基本上平行，且第一和第二折射率基本上相等，第三折射率不同于第二折射率也不同于第 一折射率；和其中，各個第一層的光學(xué)厚度等于預(yù)定波長的1/4倍，和各個第二層的光學(xué)厚度在溫 度高于Tc時等于預(yù)定波長的1/4倍。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)結(jié)構(gòu)，其中，第一層的一個光軸平行于層表面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)結(jié)構(gòu)，其中，第三折射率與第二折射率相差0.05或更高。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的光學(xué)結(jié)構(gòu)，其中，第一光學(xué)材料包括半結(jié)晶聚合物。
5.根據(jù)權(quán)利要求2的光學(xué)結(jié)構(gòu)，其中，第一光學(xué)材料包括聚對苯二甲酸乙二醇酯。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)結(jié)構(gòu)，其中，第一光學(xué)材料是可光聚合的材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)結(jié)構(gòu)，其中，第二光學(xué)材料包括具有15至35攝氏度之間的各 向同性到有序狀態(tài)轉(zhuǎn)變溫度Tc的液晶材料。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)結(jié)構(gòu)，其中，第二層包括小于10重量％的聚合物網(wǎng)，用于維持 機械穩(wěn)定性并用于限制液晶材料的流動性。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的光學(xué)結(jié)構(gòu)，其中，聚合物網(wǎng)為與第一光學(xué)材料基本上相同的材料。
10.根據(jù)權(quán)利要求8的光學(xué)結(jié)構(gòu)，其中，聚合物網(wǎng)是光聚合的聚合物。
11.根據(jù)權(quán)利要求8的光學(xué)結(jié)構(gòu)，其中，聚合物網(wǎng)是熱固性的聚合物。
12.根據(jù)權(quán)利要求7的光學(xué)結(jié)構(gòu)，其中，液晶材料在低于Tc時為向列液晶相和在高于 Tc時為各向同性液晶相。
13.根據(jù)權(quán)利要求7的光學(xué)結(jié)構(gòu)，其中，第一層的一個光軸垂直于層表面，且液晶材料 在低于Tc時為盤狀液晶相和在高于Tc時為各向同性液晶相。
14.根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)結(jié)構(gòu)，其中，第一光學(xué)材料是各向同性的。
15.根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)結(jié)構(gòu)，其中，第一層的數(shù)目為1至1000。
16.根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)結(jié)構(gòu)，其中，第一層是拉伸誘導(dǎo)的光學(xué)各向異性材料。
17.—種制造多層光學(xué)結(jié)構(gòu)的方法，包括提供聚合物層；將網(wǎng)布置在聚合物層之上，其中，聚合物網(wǎng)在高度以及在將該層分割成單元方面是基 本均勻的；將液晶混合物層在聚合物層上沉積入單元，從而形成液晶層；施加密封液晶層的頂層；和拉伸形成的聚合物層和液晶層結(jié)構(gòu)，從而改變沿聚合物層的拉伸方向的折射率至預(yù)定 值，并在低于特征轉(zhuǎn)變溫度下使液晶與拉伸方向?qū)R。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中，聚合物網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)是聚合的單體添加劑。
19.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中，使用噴墨打印技術(shù)沉積液晶層。
20.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中，使用蒸發(fā)技術(shù)沉積液晶層。
21.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中，聚合物層是預(yù)制的聚合物片。
22.根據(jù)權(quán)利要求17的方法，其中，形成的多層結(jié)構(gòu)進行機械拉伸。
23.多層介電光學(xué)系統(tǒng)，包括 透明基底；多個介電對，其中，各對包括具有第一折射率的第一光學(xué)材料的第一層和當(dāng)溫度高于 轉(zhuǎn)變溫度時具有第三各向同性折射率的液晶層，，第一層的光學(xué)厚度等于液晶層的光學(xué)厚 度，等于預(yù)定波長λ ^的1/4，其中，介電對的數(shù)目為1至500 ；和 各個相鄰的對的光學(xué)厚度滿足以下公式dN+l — rdN第一層 Cl1 = 1/4λ0其中，dN是第N個對的光學(xué)厚度，它是該對中的各層的光學(xué)厚度的2倍，和 r是0. 85至0. 999之間的數(shù)值。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多層介電光學(xué)結(jié)構(gòu)，其中，多層結(jié)構(gòu)中的一種光學(xué)材料在高于接近室溫的特征溫度Tc時顯示光學(xué)各向同性狀態(tài)，而在低于特征溫度Tc時顯示雙折射狀態(tài)。該光學(xué)結(jié)構(gòu)在高于Tc時反射預(yù)定波長范圍的電磁輻射，但在低于Tc時允許同樣的電磁輻射透射。預(yù)定的波長可以是700nm至2500nm的近紅外輻射，且該光學(xué)結(jié)構(gòu)在溫暖的夏日排斥太陽熱量，但在寒冷的冬天允許太陽熱量進入內(nèi)部。
文檔編號G02B5/28GK102066993SQ200980123198
公開日2011年5月18日 申請日期2009年5月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月19日
發(fā)明者薛九枝 申請人:思銳材料公司