JP2020515902A - 切り替え可能な光学素子を電気的に駆動する方法 - Google Patents

Abstract

液晶媒体の状態が印加電界によってコントロールされる、切り替え可能な光学素子を電気的に駆動する方法が提供される。提供される方法は、ａ）駆動電圧を第１のクリア電圧Ｖｃ１まで上昇させ、駆動電圧を第１の時間ｔ１の間、第１のクリア電圧Ｖｃ１に維持し、状態が再び切り替えられるまで駆動電圧を第２のクリア電圧Ｖｃ２に下げることによって散乱状態からクリア状態に切り替えること、ｂ）駆動電圧を第２のクリア電圧Ｖｃ２から低電圧ＶＬに第２の期間ｔ２の間下げ、その後駆動電圧をプライバシー電圧Ｖｐまで上昇させることによってクリア状態から散乱状態に切り替えること、ｃ）状態が再び切り替えられるまでプライバシー電圧Ｖｐと低電圧ＶＬの間で駆動電圧を交互に切り替えることによって散乱状態を保持することであって、プライバシー電圧Ｖｐは第４の期間ｔ４の間維持され、低電圧ＶＬは第５の期間ｔ５の間維持される、のうち少なくとも１つを含んでいる。

Description

本発明は、少なくとも１つの切り替え層を含む切り替え可能な光学素子を電気的に駆動する方法に関し、切り替え層は、少なくとも３つの状態を有する液晶媒体を含んでおり、液晶媒体の状態は、印加電界によってコントロールされる。

Ｒ．Ｂａｅｔｅｎｓらによるレビュー記事「Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ， ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ａｎｄ ｐｏｓｓｉｂｉｌｉｔｉｅｓ ｏｆ ｓｍａｒｔ ｗｉｎｄｏｗｓ ｆｏｒ ｄｙｎａｍｉｃ ｄａｙｌｉｇｈｔ ａｎｄ ｓｏｌａｒ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｎ ｂｕｉｌｄｉｎｇｓ： Ａ ｓｔａｔｅ−ｏｆ−ｔｈｅ−ａｒｔ ｒｅｖｉｅｗ（Ｓｏｌａｒ Ｅｎｅｒｇｙ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ＆ Ｓｏｌａｒ Ｃｅｌｌｓ ９４ （２０１０） 第８７〜１０５頁）」は、色味付け可能なスマートウィンドウを開示している。スマートウィンドウは、エレクトロクロミズムに基づくデバイス、液晶デバイス、電気泳動または懸濁粒子デバイス等、光の透過率を変調するための幾つかの技術を利用することができる。液晶ベースのデバイスは、電界を印加することにより、２つの導電性電極間での液晶分子の配向の変化を使用し、これによって、その透過率が変化する。液晶を使用する市販のスマートウィンドウは、６５〜２３０Ｖの交流電圧で動作し、クリア状態で一定の電力を必要とするため、切り替えの間にのみ電力が必要なエレクトロクロミックウィンドウとは対照的に、３．５〜１５．５Ｗ／ｍ^２の電力消費が生じる。

国際公開第２００９／１４１２９５号は、切り替え可能な層、少なくとも１つの配向層、および光エネルギー変換手段と接触している光ガイドシステムを有する光学デバイスを開示している。切り替え可能な層は、発光材料を含んでいる。１つの実施形態では、液晶が切り替え可能な層として使用され、液晶はゲストホストシステム内の発光材料を溶解して配向する。発光材料は二色性を示し、発光材料は第１の軸に沿って強い吸収を有し、他の全ての軸では吸収が低くなる。光学デバイスの光学特性は、発光材料の配向に依存する。発光材料の吸収軸が切り替え可能な層の平面の主延長部に対して垂直に配向されている場合、光学デバイスは透過状態にあり、吸収軸が切り替え可能な層の主延長面に平行に配向されている場合、光学デバイスは吸収状態にある。さらなる散乱状態は、発光材料の吸収軸が交互またはランダムに平行配向と垂直配向の間で配置された中間状態である。状態間の切り替えには、電極を備えたポリイミド層が配向層として使用され、第１の電気信号によって切り替え可能な層が透過状態になり、第２の電気信号の印加によって切り替え可能な層が吸収状態になり、第３の電気信号によって切り替え可能な層が散乱状態になる。

国際公開第２０１６／１７３６９３号は、切り替え要素で使用するための切り替え層を開示している。切り替え要素は、透過状態と曇り状態を有している。透過状態では、可視光は散乱することなく切り替え要素を通過することができ、曇り状態では散乱が発生し、光の拡散透過が発生する。切り替え要素は、２つの電極と、２つの電極の間に配置された液晶媒体を備えている。液晶媒体は、ネマチック配向分子および任意の重合体部分を含んでいてよい。２つの切り替え面の間に電圧を印加することによって、液晶媒体の状態をコントロールすることができる。印加電圧に応じて、液晶媒体は、液晶媒体がキラルネマチックマルチドメイン状態にある散乱状態、または液晶媒体がホメオトロピック状態にある非散乱状態をとる。非散乱状態の電圧は、散乱状態の電圧よりも高い。非散乱状態に切り替えるために、第１の電圧が印加され、散乱状態に切り替えるために、より低い第２の電圧が印加される。さらに、そのような切り替え要素を含むウィンドウ素子が開示されている。ウィンドウは、曇り状態またはプライバシー状態および曇りのないクリア状態をとってよい。

国際公開第２０１６／１７３６９３号の切り替え要素は、例えば、透明状態と不透明状態との間で切り替え可能なスマートウィンドウにおいて使用されてよい。透明状態では、光は散乱することなくスマートウィンドウを通過していてよく、ウィンドウの外観はクリアで曇りがない。不透明状態では、ウィンドウを透過した光が散乱され、ウィンドウの外観は曇っている。

本発明の課題は、印加電界を使用して液晶媒体の状態がコントロールされ、印加される駆動電圧に関連して液晶媒体が少なくとも２つの異なる状態をとるような切り替え可能な光学素子を電気的に駆動する改善された方法を提供することである。

切り替え可能な光学素子を電気的に駆動する方法が提供される。切り替え可能な光学素子は少なくとも１つの切り替え層を含み、切り替え層は少なくとも３つの状態を有する液晶媒体を含み、液晶媒体の状態は印加電界によってコントロールされ、駆動電圧が第１のレベルを超えると、切り替え層はクリア状態をとり、電圧が下がると、駆動電圧が第２のレベルを下回るまでクリアステージが保持され、駆動電圧がさらに低下し、第３のレベルを下回ると、切り替え層は散乱状態をとり、駆動電圧がさらに低下し、第４のレベルを下回ると、切り替え層は第３の状態をとる。提供される方法は、
ａ）駆動電圧を、第１のレベル以上の第１のクリア電圧Ｖ_ｃ１まで上昇させ、駆動電圧を第１の期間ｔ_１の間、第１のクリア電圧Ｖ_ｃ１に維持し、その後、駆動電圧を第１のレベルよりも低く、かつ第２のレベルよりも高い第２のクリア電圧Ｖ_ｃ２に下げることによって、散乱状態または第３の状態からクリア状態に切り替えることであって、状態が再び切り替えられるまで、駆動電圧は第２のクリア電圧Ｖ_ｃ２に維持され、
ｂ）駆動電圧を第２のクリア電圧Ｖ_ｃ２から低電圧Ｖ_Ｌに第２の期間ｔ_２の間下げ、その後、駆動電圧をプライバシー電圧Ｖ_ｐまで上昇させることによって、クリア状態から散乱状態に切り替えることであって、プライバシー電圧Ｖ_ｐは第３のレベル以下であり、かつ第４のレベルより高く、低電圧Ｖ_Ｌはプライバシー電圧Ｖ_ｐより低く、
ｃ）状態が再び切り替えられるまで、プライバシー電圧Ｖ_ｐと低電圧Ｖ_Ｌの間で駆動電圧を交互に切り替えることによって、散乱状態を保持することであって、プライバシー電圧Ｖ_ｐは第４の期間ｔ_４の間維持され、低電圧Ｖ_Ｌは第５の期間ｔ_５の間維持され、プライバシー電圧Ｖ_ｐは第３のレベル以下であり、かつ第４のレベルより高く、低電圧Ｖ_Ｌはプライバシー電圧Ｖ_ｐより低い、
のうちの少なくとも１つを含んでいる。

提案された方法を使用してコントロールされる切り替え可能な光学素子は、多層構造内に埋め込まれた少なくとも１つの切り替え層を含んでいる。有利には、切り替え層は２つのコントロール層の間に配置され、各コントロール層は有利には透明電極を含んでいる。有利には、コントロール層の２つの透明電極間に交流駆動電圧が印加される。

コントロール層は、透明電極でコーティングされた透明基板を含んでいてよい。有利には、コントロール層は付加的に、コーティングされた基板の片側に配置されている配向膜を含んでいる。配向膜は有利には、透明電極で被覆された片側に配置されている。配向膜は、配向方向においてラビング処理されてよい。

２つのコントロール層および液晶媒体はセルとして配置され、液晶媒体は２つのコントロール層によって形成された間隙に配置される。間隙のサイズは、有利には１μｍ〜３００μｍ、有利には３μｍ〜１００μｍ、より有利には５μｍ〜１００μｍ、最も有利には１０μｍ〜５０μｍである。

切り替え層は、液晶媒体を含んでいる。液晶媒体は、液晶の特性を持つ物質として定義されている。典型的な液晶媒体は、細長い棒状分子を有する少なくとも１つの組成物を含んでいる。本発明に関連して使用される液晶媒体は、少なくとも３つの状態を有する。液晶媒体の状態は、２つのコントロール層の間に印加される駆動電圧によって生成される電界を用いてコントロールされる。電界が印加されていない場合、液晶媒体は緩和され、緩和が完了した後、有利には平面コレステリック状態になる。駆動電圧の電圧と、第１のレベル、第２のレベル、第３のレベル、および第４のレベルに対応する電圧は、以降で、二乗平均平方根（ＲＭＳ）電圧とされる。

駆動電圧の印加によって切り替え層が電界にさらされると、液晶分子の配向が変化する。印加電圧が第１のレベルを超えると、液晶媒体は有利にはホメオトロピック状態をとる。印加電圧が第２のレベルより下がると、ホメオトロピック状態が失われ、液晶媒体は混合状態または遷移状態をとってよい。

印加電圧が第３の電圧より下がると、液晶媒体は有利にはマルチドメイン状態をとる。電圧がさらに第４のレベルより下がるか、またはゼロに設定されると、電界が印加されず、液晶媒体は有利には緩和して平面コレステリック状態に戻る。第１のレベルと第２のレベルの電圧は、液晶媒体のヒステリシスのために異なる。

液晶媒体は有利には、切り替え可能な層がクリア状態にあるときはホメオトロピック状態にあり、液晶媒体は有利には、切り替え可能な層が散乱状態にあるときはマルチドメイン状態にある。

ホメオトロピック状態からマルチドメイン状態に即座に切り替え可能な液晶媒体が使用される場合、遷移状態または混合状態は使用されない。この場合、第２のレベルと第３のレベルは等しくてよい。

ホメオトロピック状態（クリア状態）では、棒状の液晶分子は切り替え層の平面に対して垂直に整列する。

平面コレステリック（平面キラルネマチック）状態（第３の状態）では、液晶分子は切り替え層の平面に平行に整列し、切り替え層の平面に垂直な方向において長距離のキラル秩序を経験する。

マルチドメイン状態（散乱状態）では、液晶分子は切り替え層の平面に平行に整列し、分子は共通の配向軸も共通の螺旋軸も有していない。代わりに、同じ軸方向を共有する分子を持つ複数のドメインが発生する。ドメインごとに、光伝搬特性が異なる。その結果、切り替え層を透過する光が散乱される。したがって、光は拡散して透過され、切り替え要素は曇って見える。

ヘーズ（拡散透過; haze）は、光が材料を通過するときに発生する光の散乱によって生じる。ヘーズＨとクラリティＣは、ＢＹＫ Ｇａｒｄｎｅｒ社のＢＹＫ ｈａｚｅ−ｇａｒｄ ｉ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔを使用して測定される。測定と計算は、規格ＡＳＴＭ Ｄ １００３−００に従って実行される。

液晶媒体のマルチドメイン状態では、切り替え層は曇って見え、少なくとも２０％、有利には少なくとも３０％、特に有利には少なくとも３５％、最も有利には少なくとも４０％のヘーズＨを有する。マルチドメイン状態のクラリティは有利には８０％未満であり、より有利には６０％未満であり、最も有利には４０％未満である。マルチドメイン状態は、切り替え可能な光学素子のプライバシー状態とも称される。

液晶媒体のホメオトロピック状態では、切り替え層は透明であり、クリアに見え、５％未満、有利には３％未満のヘーズＨを有する。ホメオトロピック状態のクラリティＣは、有利には少なくとも８０％、より有利には少なくとも９０％、最も有利には少なくとも９５％である。ホメオトロピック状態は、切り替え可能な光学素子のクリア状態とも称される。

第１のレベルは、駆動電圧がゼロ電圧から上昇したときに５％未満のヘーズＨが最初に観察される電圧レベルによって定義されてよい。

第２のレベルは、駆動電圧が第１のレベルから下がったときに５％以上のヘーズＨが最初に観察される電圧レベルによって定義されてよい。

第３のレベルは、駆動電圧が第２のレベルから下がったときにヘーズＨが最初に２０％を超える電圧レベルによって定義されてよい。

散乱状態から第３の状態への遷移を示す第４のレベルは有利には、それを下回ると液晶がヘーズの低下をもたらす状態に緩和する電圧レベルによって定義される。電圧レベルが第４のレベルより低いレベルに維持される場合、液晶の緩和、したがってヘーズの低下は時間とともに増加する可能性がある。第４のレベルは、有利には、駆動電圧が第３のレベルからはじまって下がったときに、散乱状態（プライバシー状態）の最大ヘーズより少なくとも１０％低いヘーズが観察される電圧レベルとして定義される。

したがって、第３の状態は、散乱状態の最大ヘーズの９０％以下のヘーズによって定義される。

有利には、各電圧レベルを見つけるために、駆動電圧は小さなステップで上げ下げされ、液晶に、緩和のために、および駆動電圧の各変化後に定常状態に達するために、時間が与えられる。定常状態に達した後、ヘーズＨおよび／またはクラリティＣが測定される。

提案された方法のステップ（ａ）に従って光学素子をホメオトロピック状態またはクリア状態に切り替えるために、印加される駆動電圧は最初に、第１のレベル以上の第１のクリア電圧Ｖ_ｃ１まで上昇される。その後、駆動電圧は、第１の期間ｔ_１の間、第１のクリア電圧Ｖ_ｃ１に維持される。第１の期間ｔ_１が経過した後、駆動電圧は、第１のレベルよりも低く、かつ第２のレベルよりも高い第２のクリア電圧Ｖ_ｃ２に下げられる。光学素子の状態がプライバシー状態に切り替えられるべきときまで、駆動電圧は第２のクリア電圧Ｖ_ｃ２に維持される。

提案された駆動方法は、クリア状態への遷移を完了するのに十分な長さで液晶分子をホメオトロピック状態に配向させるために必要な強い電界のみを印加する。切り替え層がクリア状態をとると、液晶分子をホメオトロピック状態に保つには、より弱い電界で足りる。より低い第２のクリア電圧Ｖ_ｃ２を印加するためには、より高い第１のクリア電圧Ｖ_ｃ１を印加することに比べて、必要とされる電力はより少なくなる。したがって、本発明の方法は、切り替え可能な光学素子をクリア状態に維持するために必要な電力量を有利に低減する。

有利には、第２のクリア電圧Ｖ_ｃ２は、第２のレベルを決定し、決定された第２のレベル電圧に安全マージンを追加することによって選択される。

第１の期間ｔ_１は、有利には１ｍｓ〜６０ｓから選択される。

光学素子をホメオトロピック状態またはクリア状態からマルチドメイン状態に切り替えるために、駆動電圧は第２のクリア電圧Ｖ_ｃ２から低電圧Ｖ_Ｌに下げられる。低電圧Ｖ_Ｌはプライバシー電圧Ｖ_ｐよりも低く、第４のレベルよりも低くてよい。有利には、低電圧Ｖ_Ｌは、０〜１Ｖの範囲の電圧に設定され、０Ｖが最も有利である。有利には、低電圧Ｖ_Ｌは第２の期間ｔ_２の間維持され、その後、駆動電圧はプライバシー電圧Ｖ_ｐまで上昇される。プライバシー電圧Ｖ_ｐは、第３のレベル以下であり、かつ第４のレベルよりも高い。有利には、プライバシー電圧Ｖ_ｐは、０Ｖ〜１０Ｖの範囲、より有利には３Ｖ〜６Ｖの範囲にある。

低電圧Ｖ_Ｌを印加することによって、電界も下がり、これによって液晶媒体が緩和される。期間ｔ_２が経過すると、印加電圧が再び上昇される。有利には、期間ｔ_２が経過した後、液晶媒体はまだ平面コレステリック状態に緩和されておらず、まだマルチドメイン状態にある。

有利には、駆動電圧がＶ_ｃ２から低電圧Ｖ_Ｌへ下がるのは、第２の期間ｔ_２の間に緩やかに行われる。第２のクリア電圧Ｖ_ｃ２から低電圧Ｖ_Ｌへの緩やかで緩慢な遷移により、１つのステップでの印加電圧の変化に対して得られる分布よりも、より均一なドメインの分布がマルチドメイン状態において得られることが判明している。その結果、プライバシー状態での切り替え可能な光学素子の外観もより均質になる。

第２の期間ｔ_２は有利には、１ｍｓ〜３ｓの範囲から選択される。より有利には、ｔ_２は１ｓ〜２ｓの範囲から選択される。

有利にはＶ_ＬからＶ_ｐへの駆動電圧の上昇は、第３の期間ｔ_３の間に緩やかに行われる。

第３の期間ｔ_３は、有利には、１ｍｓ〜６０ｓの範囲から選択される。より有利には、ｔ_３は１ｍｓ〜３ｓの範囲から選択される。

切り替え層が散乱（プライバシー）状態をとった後、光学素子が再び切り替えられるまで、印加電圧は有利にはプライバシー電圧Ｖ_ｐに維持される。

択一的に、方法のステップｃ）で、切り替え層が散乱状態をとった後に、印加電圧がプライバシー電圧Ｖ_ｐと低電圧Ｖ_Ｌとの間で交互に切り替えられ、駆動電圧はそれぞれ第４の期間ｔ_４の間、プライバシー電圧Ｖ_ｐに維持され、第５の期間ｔ_５の間、低電圧に維持される。電圧が低電圧Ｖ_Ｌに設定されると、液晶媒体は緩慢に緩和して、第３の状態（平面コレステリック状態）に戻る。電圧がプライバシー電圧Ｖ_ｐに再び設定されると、このプロセスは反転される。印加される駆動電圧を低電圧Ｖ_Ｌとプライバシー電圧Ｖ_ｐの間で交互に切り替えることによって、合計時間のほんの一部の間だけ電界が最大強度で印加されるので、エネルギー消費が減少する。さらに、一定の印加電圧に対するドメインの緩やかな成長が回避される。したがって、プライバシー状態は安定している。

第４の期間ｔ_４は、有利には１〜６０ｓから選択される。第５の期間ｔ_５は有利には、１〜６０ｓから選択される。

印加電圧は、有利には交流電圧であり、より有利には方形波または正弦波の交流電圧である。有利には、交流電圧の周波数は、０．１〜１０００Ｈｚの範囲で、より有利には４０〜８０Ｈｚの範囲で選択される。

切り替え可能な光学素子は有利には、透明なクリア状態から曇ったプライバシー状態に切り替えることができるウィンドウ素子である。

有利には、デバイスの少なくとも１つの状態では、液晶媒体はネマチック配向分子を有する相にある。

液晶媒体は、重合体部分(polymer fraction)をさらに含んでいてよい。

有利には、重合体部分は、反応性メソゲンの重合作用によって得られる高分子網目を含んでいる。

有利には、液晶媒体はキラルドーパントを含んでおり、液晶媒体中のキラルドーパントの量は、０．１重量パーセント〜３０重量パーセント、より有利には０．１重量パーセント〜１０重量パーセントである。

液晶媒体の散乱状態は有利には、クリア状態が発生する電圧よりも小さい印加電圧で発生する。特に、散乱切り替え状態を達成するための印加電圧は、ゼロよりも著しく大きく、有利には２〜１０Ｖ、特に有利には３〜７ボルトである。クリア状態を得るための印加電圧は、有利には１０〜６０Ｖ、特に有利には１５〜５０Ｖ、最も有利には１５〜３０Ｖである。

切り替え層がＨ＞２０％の切り替え状態、すなわち散乱状態にある場合、液晶媒体の分子は有利にはキラルネマチック相である。

さらに有利な実施形態では、Ｈ＞２０％である散乱状態のキラルネマチック相は、ポリドメインに配向された相（マルチドメイン状態）である。本発明の目的のために、「ポリドメインに配向された相」とは、液晶媒体の分子が均一な配向軸を有さず、均一な共通直線螺旋軸を有さない状態を意味する。切り替え層のポリドメインに配向された相は、均一であり、有利には領域全体にわたって目に見える欠陥がないという利点を有している。特にこれは、基板層に均一に平行な螺旋が発生する相、および／またはいわゆるストリップドメインを有する相に対して有利である。ポリドメインで配向された相のさらなる利点は、平面またはホメオトロピックな様式で配向されている従来の配向層（配向膜）で得られるということである。つまり、配向層の特別な付加的な処理に頼る必要がない。

さらに有利な実施形態では、１つの切り替え状態のキラルネマチック相は、少なくとも局所的にねじられており、択一的に、そこから形成され得る上位の巨視的構造配置でもある。

さらに有利な実施形態では、他の切り替え状態の相はねじられておらず、すなわち、ホメオトロピックまたは平面の様式で配向されているか、または低いねじれ度を有している。ここでの低いねじれ度とは５°〜３６０°、有利には４５°〜３００°、特に有利には９０°、１８０°または２７０°の層の厚さにわたる分子のねじれを意味するものとする。

キラルドーパントは、有利には、ネマチック相に均一に分布しているため、液晶媒体の分子とキラルドーパントは、互いに均一に分布している。

キラルドーパントは、特に有利には、ネマチック相に溶解される。

キラルネマチック相は、有利には、ネマチック液晶混合物の形態で使用され、この混合物は、屈折率異方性Δｎおよび誘電率異方性Δεを有している。有利には、この混合物は正の誘電率異方性Δεを有している。この混合物は、有利には０．０３〜０．４０の範囲、特に有利には０．０７〜０．３０の範囲の屈折率異方性Δｎ、および／または−５０〜＋１００の範囲、特に有利には−１５〜＋７０の範囲の誘電率異方性Δεを有している。さらに、誘電率異方性Δεの上記の有利な値がこの点で適用される。

液晶混合物は有利には、成分Ｉの少なくとも１つの化合物、成分ＩＩの少なくとも１つの化合物、および成分ＩＩＩの少なくとも１つの化合物を含んでいる。

成分Ｉの化合物は、Ｆ、ＣＮ、１〜１０個のＣ原子を有するアルキル基、２〜１０個のＣ原子を有するアルケニル基および１〜１０個のＣ原子を有するアルコキシ基から選択される少なくとも１つの末端基を含んでいる二環式化合物から選択される。

成分ＩＩの化合物は、Ｆ、ＣＮ、１〜１０個のＣ原子を有するアルキル基、２〜１０個のＣ原子を有するアルケニル基および１〜１０個のＣ原子を有するアルコキシ基から選択される少なくとも１つの末端基を含んでいる三環式化合物から選択される。

成分ＩＩＩの化合物は、Ｆ、ＣＮ、１〜１０個のＣ原子を有するアルキル基、２〜１０個のＣ原子を有するアルケニル基および１〜１０個のＣ原子を有するアルコキシ基から選択される少なくとも１つの末端基を含んでいる四環式化合物から選択される。

液晶媒体中の成分Ｉ、ＩＩおよびＩＩＩの化合物の割合は、有利には少なくとも７０重量パーセント、有利には少なくとも８０重量パーセント、特に有利には少なくとも８５重量パーセントである。

有利に使用される液晶分子の混合物は、以下に示される分子の混合物であり、液晶媒体＃１（ＬＣＭ−１）と称される。

液晶媒体ＬＣＭ−１の組成を表１に示す。

有利に使用される液晶分子のさらなる混合物は、以下に示される分子の混合物であり、液晶媒体＃２（ＬＣＭ−２）と称される。

液晶媒体ＬＣＭ−２の組成を表２に示す。

使用されるキラルドーパントは、有利には以下に示される分子の１つであり、ここで、以下に示されるキラルドーパントＳ−５０１１またはＳ−８１１が特に有利である。

切り替え層は有利には平均屈折率ｎを有し、分子はピッチｐを有し、ここで積ｎ・ｐ＞０．８μｍであり、特に有利にはｎ・ｐ＞１．０μｍであり、極めて有利にはｎ・ｐ＞１．２μｍであり、特に有利には５０μｍ〜０．８μｍの範囲にあり、極めて有利には２５μｍ〜０．８μｍの範囲にある。

ピッチｐが０．５μｍ〜５０μｍの間、特に有利には０．５μｍ〜３０μｍの間、極めて有利には０．５μｍ〜１５μｍの間であることがさらに有利である。ｐは最も有利には１μｍ〜５μｍの間にある。したがって、低い切り替え電圧が実現できることが判明している。低い切り替え電圧は、特に安全上の理由から、切り替え可能なウィンドウに有利である。

値ｐは、キラルドーパントおよびその螺旋ねじれ力βの適切な選択を通じて、およびその濃度を通じて、当業者によって調整可能である。

キラルドーパントを有する液晶媒体を含んでいる切り替え層のさらに有利な実施形態では、螺旋ねじれ力β＝（ｐ・ｃ）^−１μｍ^−１を有するキラルドーパントを使用することが有利である。ここで、ｐは、μｍでの液晶媒体の分子のピッチであり、ｃは、重量パーセントでの液晶媒体全体に基づいたキラルドーパントの濃度であり、βは５μｍ^−１より高い。キラルドーパントは、有利には５〜２５０μｍ^−１、特に有利には７〜１５０μｍ^−１の螺旋ねじれ力を有する。

さらに有利には、値ｄ／ｐ＞２であり、ここでｄは切り替え層の厚さであり、ｐは液晶媒体の分子のピッチである。特に有利には、ｄ／ｐ＜２０である。極めて有利には、ｄ／ｐは、３〜１０の値を有する。ｄ／ｐの適切な値は、特に強く散乱する切り替え層、すなわち高いヘーズ値を有する切り替え層を得ることを可能にする。

一般的に、液晶媒体は、有利には９０℃より高い、より有利には１００℃より高いまたは１０５℃より高い、極めて有利には１１０℃より高い透明点を有する。

さらに、切り替え層の液晶媒体は、一般的に有利には１．０・１０^９ｏｈｍ・ｃｍより高い、特に有利には１．０・１０^１１ｏｈｍ・ｃｍより高い比抵抗を有する。

先行技術に従って光学素子をクリア状態に切り替えるための駆動方法である。 先行技術に従って光学素子をプライバシー状態に切り替えるための駆動方法である。 光学素子をクリア状態に切り替え、後にプライバシー状態に切り替えるための駆動方法の第１の実施形態である。 光学素子をプライバシー状態に切り替えるための駆動方法の第２の実施形態である。 どの電圧レベルで光学素子の状態の切り替えが生じるかを示す図である。 切り替え可能な光学素子のコントロール層の準備である。 切り替え可能な光学素子の概略図である。 クリア状態の顕微鏡画像である。 １回目のプライバシー状態の顕微鏡画像である。 ２回目のプライバシー状態の顕微鏡画像である。 ３回目のプライバシー状態の顕微鏡画像である。

図１には、先行技術に従って、切り替え可能な光学素子をクリア状態に切り替えるための駆動方式が記入されている。この記入は、交流駆動電圧対時間の二乗平均平方根（ＲＭＳ）を示している。

切り替え可能な光学素子をプライバシー状態ＩＩからクリア状態Ｉに切り替えるために、駆動電圧はクリア電圧Ｖ_ｃまで上昇される。クリア状態が維持されるべき限り、駆動電圧は一定のレベルＶ_ｃに保持されるべきである。

図２には、先行技術に従って、切り替え可能な光学素子をプライバシー状態に切り替えるための駆動方式が記入されている。この記入は、交流駆動電圧対時間の二乗平均平方根（ＲＭＳ）を示している。

切り替え可能な光学素子をクリア状態Ｉからプライバシー状態ＩＩに切り替えるために、駆動電圧はプライバシー電圧Ｖ_ｐに下げられる。プライバシー状態が維持されるべき限り、駆動電圧は一定のレベルＶ_ｐに保持される。

図３は、提案された駆動スキームの第１の実施形態を示している。図３の記入では、交流駆動電圧のＲＭＳ値が時間ｔに対して記入されている。

切り替え可能な光学素子をプライバシー状態ＩＩからクリア状態Ｉに切り替えるために、駆動電圧は最初に第１のクリア電圧Ｖ_ｃ１まで上昇される。この印加電圧は、第１の期間ｔ_１の間維持される。第１の期間ｔ_１の経過後、駆動電圧は第２のクリア電圧Ｖ_ｃ２に下げられる。クリア状態が維持されるべき限り、駆動電圧は一定のレベルＶ_ｃ２に保持される。

切り替え可能な光学素子をクリア状態Ｉからプライバシー状態ＩＩに切り替えるために、駆動電圧はまず、有利には０Ｖに設定される低電圧Ｖ_Ｌに下げられる。この低減は、第２の期間ｔ_２にわたって緩やかに実行される。期間ｔ_２の終わりに、印加される駆動電圧は低電圧Ｖ_Ｌにあり、そこから再びプライバシー電圧Ｖ_ｐまで上昇する。駆動電圧の上昇も、期間ｔ_３にわたって緩やかに行われる。期間ｔ_３が終了すると、駆動電圧は次の切り替えが発生するまで一定のレベルＶ_ｐに維持される。

図４は、提案された駆動スキームの別の実施形態を示している。図４の記入では、交流駆動電圧のＲＭＳ値が時間ｔに対して記入されている。

切り替え可能な光学素子をクリア状態Ｉからプライバシー状態ＩＩに切り替えるために、駆動電圧はまず、有利には０Ｖに設定される低電圧Ｖ_Ｌに下げられる。この低減は、第２の期間ｔ_２にわたって緩やかに実行される。期間ｔ_２の終わりに、印加される駆動電圧は低電圧Ｖ_Ｌにあり、そこから再びプライバシー電圧Ｖ_ｐまで１つのステップで上昇する。駆動電圧は、第４の期間ｔ_４の間、プライバシー電圧Ｖ_ｐに維持される。期間ｔ_４が終了すると、駆動電圧は１つのステップで低電圧Ｖ_Ｌに下げられる。第５の期間ｔ_５の間、低電圧が維持される。第５の期間が終了すると、駆動電圧は再びプライバシー電圧Ｖ_ｐまで上昇される。駆動電圧は、クリア状態への次の切り替えが発生するまで、説明された方法でプライバシー電圧Ｖ_ｐと低電圧Ｖ_Ｌの間で交互に切り替えられる。

図５は、駆動電圧対時間の記入を示している。ここで、駆動電圧は最大電圧まで直線的に上昇され、その後再び下げられる。

駆動電圧が上昇し、第１のレベルを超えると、切り替え可能な光学素子はクリア状態をとる。第１のレベルに対応する電圧は、図５においてＶ１で示されている。その後、駆動電圧が下がると、同じレベルで、散乱（プライバシー）状態に戻る緩和は発生しない。光学素子は、駆動電圧が図５においてＶ２で示されている第２のレベルより低くなるまで、クリア状態のままである。このヒステリシスは、第１のクリア電圧レベルと第２のクリア電圧レベルを定義するために使用される。第１のクリア電圧Ｖ_ｃ１はＶ１で示された電圧に等しいかそれより少し上に選択され、第２のクリア電圧Ｖ_ｃ２は図５においてＶ２で示された電圧に等しいかそれより少し上に選択される。安全マージンを追加することによって、第１のクリア電圧および第２のクリア電圧は有利には各Ｖ１およびＶ２電圧よりも僅かに高く選択され、これによって、第１のクリア電圧が常に、光学素子をクリア状態に安全に切り替えるのに十分高いこと、および第２のクリア電圧がクリア状態を安全に維持するのに十分高いことが保証される。

図６は、切り替え可能な光学素子のコントロール層の準備を示している。２つのガラス基板は、長方形の基板の対角線上の反対の２つの角を除去することにより、図６に示されている形状にカットされる。ガラス基板は、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）透明電極でコーティングされている。さらに、ＩＴＯ電極上に配向層が配置されている。２つのガラス基板が液晶媒体を受け入れるための間隙を形成するセルに配置される場合、配向層は、液晶分子の配向のための有利な方向を提供する。図６の実施形態では、２つのガラス基板の配向層は、９０°のラビング処理方向の各角度で配置されている。３０°、４０°、５０°、６０°、７０°、８０°、１００°、１１０°、１２０°、１３０°、１４０°および１５０°等の代替的な角度も可能である。

２つのガラス基板のそれぞれについて、２つの角が切り取られている。２つのガラス基板がセル構成に配置されている場合、ＩＴＯ電極は形成された間隙の内側を向いている。切断された角は電極の一部を露出させ、したがって電極を電気的に接触させることができる。

図７は、切り替え可能な光学素子１の概略図を示している。切り替え可能な光学素子１は、第１のガラス基板１１、第１の透明電極１２、第１の配向層１３、切り替え層１４、第２の配向層１５、第２の透明電極１６および第２のガラス基板１７をこの順序で含んでいる。

切り替え層１４は、液晶媒体を含んでいる。液晶媒体の状態は、第１の透明電極１２と第２の透明電極１６との間に印加される駆動電圧によって生成される電界によってコントロールされる。

図８は、クリア状態の顕微鏡画像を示している。顕微鏡画像に見られる構造は、基板のガラス表面の構造と欠陥である。切り替え層の構造は見えない。

図９は、１回目のプライバシー状態の顕微鏡画像を示している。この画像は、駆動電圧が最初にプライバシー電圧Ｖ_ｐに設定された状態で切り替えが行われた直後のプライバシー状態を示している。この画像は、ドメインの均一な分布を示している。

図１０は、２回目のプライバシー状態の顕微鏡画像を示している。この画像は、図４に示されている駆動方法による第５の期間ｔ_５の終了時のプライバシー状態を示している。幾つかの領域は緩和されて平面コレステリック状態に戻ったが、ほとんどのドメインはまだ小さいため、光学素子のプライバシー状態は、示された時点でまだ維持されている。

図１１は、３回目のプライバシー状態の顕微鏡画像を示している。この画像は、図４に示されている駆動方法による第４の期間ｔ_４の終了時のプライバシー状態を示している。この画像は、マルチドメイン状態のドメインの均一な分布を再び示している。

実施例
実施例１：
導電性ＩＴＯ（酸化インジウムスズ）によってコーティングされたガラスの２枚のシートが得られる。これらのシートは、図６に示されている形状に切断および研磨される。

基板を洗浄した後、ポリイミドの配向層がそれらのコーティングされた面にプリントされる。基板を炉で高温処理し、ポリイミドをラビング処理して、９０°の相互回転を有する配向層を得る。次に、基板は２５μｍのセル間隙を有するセルとして配置される（配向層は内側に面している）。セルに結合されると、１つの基板の切断された角が他の基板の切断されていない角に面し、電気的接触を確立できる４つの領域が生じる。

ネマチック液晶媒体ＬＣＭ−１（組成については表１を参照）および１．２重量パーセントのキラルドーパントＲ−５０１１から成る混合物が準備される。次に、真空充填を使用してセルに液晶／キラルドーパント混合物を充填し、セルをプレスして、最終硬化ステップのために炉に入れる。切り替え可能なウィンドウを得るために、液晶セルをガラスシートと組み合わせて絶縁ガラスユニットにする。電気配線は、はんだ付けによって接触領域に取り付けられる。

６０Ｈｚの周波数とコントロール可能な電圧の方形波とを備えた交流電源が準備され、切り替え可能なウィンドウに接続される。

クリア状態を得るために、５７ＶのＲＭＳ（二乗平均平方根）電圧が約１０秒間印加される。次に、電圧は４５Ｖに下げられ、クリア状態が依然として保持される。ヘーズＨは０．５％と測定され、クラリティＣは９９．８％と測定される（測定は、規格ＡＳＴＭ Ｄ １００３−００を使用するＢＹＫ ｈａｚｅ−ｇａｒｄ ｉ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔを使用して行われる）。

プライバシー状態を得るために、電圧を３秒かけて緩やかに下げることによって、電圧は４５Ｖから４Ｖに低下される。ヘーズＨは８５％と測定され、クラリティＣは２９％と測定される。

実施例２：
セル間隙が２５μｍのガラスセルが、例１と同様に製造される。ただし、今回は、配向層は適用されない。ネマチック液晶媒体ＬＣＭ−２（組成については表２を参照）および２．１重量パーセントのキラルドーパントＳ−８１１から成る混合物が準備される。次に、セルに液晶／キラルドーパント混合物を充填する。電気配線は、はんだ付けによって取り付けられ、セルが可変電圧源に接続される。

セルは、電圧を２５Ｖから５Ｖに下げることによって散乱状態に切り替えられる。図９に示された顕微鏡画像は、観察されたマルチドメイン状態を示している。

セルが２５Ｖから０Ｖに切り替えられ、その後０Ｖに保たれると、図１０に示された顕微鏡画像に見られるように、緩やかに成長する平面ドメインが観察され得る。これにより、プライバシーが緩やかに失われる。

セルは２５Ｖから５Ｖに、次に０Ｖに切り替えられ、３０秒後に５Ｖに戻る。２５Ｖから５Ｖに切り替えた後、マルチドメイン状態が得られる。０Ｖで、平面ドメインが緩やかに成長し始める。その後、セルは切り替えられ、３０秒間で５Ｖに戻る。この３０秒の後、完全なマルチドメイン状態が再び得られる（図１１を参照）。０Ｖと５Ｖの間で変化するこのパターンは継続され、これによって散乱ウィンドウが維持される。

Claims (15)

1. 切り替え可能な光学素子を電気的に駆動する方法であって、
   前記切り替え可能な光学素子は少なくとも１つの切り替え層を含み、
   前記切り替え層は少なくとも３つの状態を有する液晶媒体を含み、前記液晶媒体の前記状態は印加電界によってコントロールされ、
   駆動電圧が第１のレベルを超えると、前記切り替え層はクリア状態をとり、前記電圧が下がると、前記駆動電圧が第２のレベルを下回るまで前記クリアステージが保持され、前記駆動電圧がさらに低下し、第３のレベルを下回ると、前記切り替え層は散乱状態をとり、前記駆動電圧がさらに低下し、第４のレベルを下回ると、前記切り替え層は第３の状態をとり、前記方法は、
   ａ）前記駆動電圧を、前記第１のレベル以上の第１のクリア電圧Ｖ_ｃ１まで上昇させ、前記駆動電圧を第１の期間ｔ_１の間、前記第１のクリア電圧Ｖ_ｃ１に維持し、その後、前記駆動電圧を前記第１のレベルよりも低く、かつ前記第２のレベルよりも高い第２のクリア電圧Ｖ_ｃ２に下げることによって、前記散乱状態または前記第３の状態から前記クリア状態に切り替えることであって、前記状態が再び切り替えられるまで、前記駆動電圧は前記第２のクリア電圧Ｖ_ｃ２に維持されること、
   ｂ）前記駆動電圧を前記第２のクリア電圧Ｖ_ｃ２から低電圧Ｖ_Ｌに第２の期間ｔ_２の間下げ、その後、前記駆動電圧をプライバシー電圧Ｖ_ｐまで上昇させることによって、前記クリア状態から前記散乱状態に切り替えることであって、前記プライバシー電圧Ｖ_ｐは前記第３のレベル以下であり、または前記第４のレベルより高く、前記低電圧Ｖ_Ｌは前記プライバシー電圧Ｖ_ｐより低いこと、
   ｃ）前記状態が再び切り替えられるまで、前記プライバシー電圧Ｖ_ｐと前記低電圧Ｖ_Ｌの間で前記駆動電圧を交互に切り替えることによって、前記散乱状態を保持することであって、前記プライバシー電圧Ｖ_ｐは第４の期間ｔ_４の間維持され、前記低電圧Ｖ_Ｌは第５の期間ｔ_５の間維持され、前記プライバシー電圧Ｖ_ｐは前記第３のレベル以下であり、かつ前記第４のレベルより高く、前記低電圧Ｖ_Ｌは前記プライバシー電圧Ｖ_ｐより低いこと、
   のうちの少なくとも１つを含んでいる、
   切り替え可能な光学素子を電気的に駆動する方法。
2. ステップ（ｂ）において、前記駆動電圧は前記第２の期間ｔ_２の間、緩やかに下げられる、請求項１記載の方法。
3. ステップ（ｂ）において、前記駆動電圧の前記プライバシー電圧Ｖ_ｐへの上昇は、第３の期間ｔ_３にわたって緩やかに行われる、請求項１または２記載の方法。
4. 前記駆動電圧は、０．１〜１０００Ｈｚの周波数を有する方形波である、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 前記第１の期間ｔ_１は１ｍｓ〜６０ｓである、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 前記第２の期間ｔ_２は１ｍｓ〜６０ｓである、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 前記第３の期間ｔ_３は１ｍｓ〜３ｓである、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
8. 前記切り替え層が前記クリア状態にあるとき、前記切り替え層のヘーズは５％未満である、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
9. 前記切り替え層が前記散乱状態にあるとき、前記切り替え層は少なくとも２０％のヘーズを有している、請求項１から８までのいずれか１項記載の方法。
10. 前記散乱状態から前記第３の状態への遷移は、前記散乱状態で観察される最大ヘーズからの少なくとも１０％のヘーズの低下によって定義される、請求項１から９までのいずれか１項記載の方法。
11. 前記液晶媒体は少なくともホメオトロピック状態およびマルチドメイン状態を有しており、前記液晶媒体が前記ホメオトロピック状態にあるとき、前記切り替え可能な層はクリア状態にあり、前記液晶媒体が前記マルチドメイン状態にあるとき、前記切り替え可能な層は前記散乱状態にある、請求項１から１０までのいずれか１項記載の方法。
12. 前記液晶媒体は正の誘電率異方性Δεを有している、請求項１から１１までのいずれか１項記載の方法。
13. 前記液晶媒体はキラルドーパントを含んでおり、
    前記液晶媒体中の前記キラルドーパントの量は０．１重量パーセント〜３０重量パーセントである、請求項１から１２までのいずれか１項記載の方法。
14. 前記液晶媒体は重合体部分を含んでいる、請求項１から１３までのいずれか１項記載の方法。
15. 前記切り替え可能な光学素子はウィンドウ素子である、請求項１から１５までのいずれか1項記載の方法。

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