JP2020519952A

JP2020519952A - スイッチャブル層および少なくとも１つの光学層を有する光学デバイス

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Publication number: JP2020519952A
Application number: JP2019561906A
Authority: JP
Inventors: デヨングティース; ファンオーステンカスパー
Original assignee: Merck Patent GmbH
Current assignee: Merck Patent GmbH
Priority date: 2017-05-09
Filing date: 2018-05-08
Publication date: 2020-07-02
Anticipated expiration: 2038-05-08
Also published as: CN110603481B; US20210116748A1; TWI766991B; CN110603481A; JP7203759B2; EP3622346A1; US11137639B2; KR20200006082A; WO2018206545A1; TW201901271A; KR102490569B1; EP3622346B1

Abstract

本発明は、少なくとも１つのスイッチャブル層（１５）と、少なくとも１つの光学層（２０、２２）とを含む層構造を有するスイッチャブル光学デバイス（１０）に関する。少なくとも１つのスイッチャブル層（１５）は、液晶材料および少なくとも１つの染料を有する。少なくとも１つの光学層（２０、２２）は、可視スペクトルの少なくとも１つの第１部分を含む少なくとも１つの反射帯域（３２）と、可視スペクトルの少なくとも１つの第２部分を含む少なくとも１つの透過帯域（３０、３４）とを有する。少なくとも１つのスイッチャブル層（１５）の吸収スペクトルは、少なくとも１つの染料によって調整されており、これにより、可視スペクトルにおける入射光に対し、スイッチャブル光学デバイス（１０）を通る光透過は、スイッチャブル層（１５）の少なくとも１つの状態について、あらかじめ定められる透過スペクトルに設定される。

Description

本発明は、少なくとも２つの状態を有する１つのスイッチャブル層と、少なくとも１つの光学層とを含む層構造を有する光学デバイスに関し、このスイッチャブル層は、液晶材料および少なくとも１つの染料を有する。本発明の別の態様は、このような光学デバイスを有するスイッチャブルウィンドウと、スイッチャブルウィンドウの使用方法とに関する。

R. Baetens等による総説論文"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)の第８７〜１０５頁には、着色可能なスマートウィンドウが記載されている。スマートウィンドウは、エレクトロクロミズムをベースにするデバイス、液晶デバイス、および電気泳動または懸濁粒子デバイスのような、光の透過率を変化させるいくつかの技術を使用することができる。液晶ベースのデバイスは、電場を加えることによって２つの導電性電極間の液晶分子の配向の変化を使用しており、これにより、結果的にその透過率が変化する。

国際公開第２００９／１４１２９５号には、スイッチャブル層と、少なくとも１つの配向層と、光エネルギ変換手段と接触している光ガイドシステムとを有する光学デバイスが開示されている。スイッチャブル層は、発光材料を有する。一実施形態では、液晶がスイッチャブル層として使用されており、この液晶は、ゲスト・ホストシステムにおいて融解して発光材料を配向する。この発光材料は、二色性を呈し、これにより、この発光材料は、第１軸に沿って強い吸収率を有し、別の任意の軸では吸収率はより小さくなる。この光学デバイスの光学特性は、発光材料の配向に依存する。この光学デバイスは、発光材料の吸収軸が、スイッチャブル層の面の主延在方向に対して垂直に配向されている場合には透過状態にあり、またこの光学デバイスは、吸収軸が、スイッチャブル層の主延在面に対して平行に配向されている場合には吸収状態にある。これらの状態間の切換には、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電気信号により、スイッチャブル層が透過状態にされ、第２電気信号を加えることにより、スイッチャブル層が吸収状態にされる。

ウィンドウの外側からの見え方は、大部分は、ウィンドウからの光の反射によって決定される。建築向けの用途には、この反射を制御することが好ましく、これにより、建造物は、特定の色の見え方を有し得る。同時にウィンドウの透過スペクトルには、種々異なる要求がなされる。ウィンドウの透過スペクトルは、好ましくは、無彩色であるべきである。無彩色性は、演色評価指数を使用して定めることができ、その際には光スペクトルが基準光源と比較される。

本発明の目的は、スイッチャブル光学デバイスの反射および透過特性を同時に、かつ互いに独立して制御することができるスイッチャブル光学デバイスを提供することである。

ここで提案されるのは、少なくとも１つのスイッチャブル層と、少なくとも１つの光学層とを含む層構造を有するスイッチャブル光学デバイスである。少なくとも１つのスイッチャブル層は、液晶材料および少なくとも１つの染料を有する。少なくとも１つの光学層は、可視スペクトルの少なくとも１つの第１部分を含む少なくとも１つの反射帯域と、可視スペクトルの少なくとも１つの第２部分を含む少なくとも１つの透過帯域とを有する。少なくとも１つのスイッチャブル層の吸収スペクトルは、少なくとも１つの染料によって調整されており、これにより、可視スペクトルにおける入射光に対し、スイッチャブル光学デバイスを通る光透過は、スイッチャブル層の少なくとも１つの状態について、あらかじめ定められる透過スペクトルに設定される。

好ましくは、提案されるスイッチャブル光学デバイスの少なくとも１つのスイッチャブル層は、少なくとも２つの状態を有し、それぞれの状態は、異なる光伝搬特性を有する。これらの状態のうちの１つは、光がごくわずかに吸収および／または散乱される明状態である。スイッチャブル層の別の状態は、光の吸収および／または散乱が行われる暗状態である。スイッチャブル層の状態は、好ましくは、電場を使用して制御される。状態を変化させることにより、スイッチャブル光学素子の見え方が変化する。暗状態は、スイッチャブル光学素子を通って透過される光の量が、明状態よりも少ない状態として定義される。

好ましくは、少なくとも１つの染料は、スイッチャブル光学デバイスの透過スペクトルが、可視スペクトルに対し、スイッチャブル層の少なくとも１つの状態について、無彩色であるように選択される。このような無彩色の透過を達成するためには、少なくとも１つの染料の吸収スペクトルは、好ましくは、少なくとも１つの光学層の少なくとも１つの透過帯域と相補的になるように調整される。

スイッチャブル光学素子の外側からの見え方は、可視スペクトル範囲における入射光の反射によって決定され、スイッチャブル光学素子の内側からの見え方は、可視スペクトル範囲における入射光の透過および／または反射によって決定される。可視スペクトル範囲は、３８０ｎｍ〜７８０ｎｍである。スイッチャブル光学素子が、ウィンドウとして使用される場合、外側を向いている面は、建造物または乗物(vehicle)におけるウィンドウとして使用されているスイッチャブル光学素子に対して定義される。その他の場合、例えばテスト環境では、対応する光源を向いている、光学素子の表面が、外側表面と定義され、光源とは反対側を向いている光学素子の表面が、内側表面と定義される。

外側からの見え方は、スイッチャブル光学素子の少なくとも１つの光学層の少なくとも１つの反射帯域および少なくとも１つの透過帯域を選択することによって制御され、これにより、所望の色の光が反射される。例えば、緑色の外側からの見え方が所望される場合、５００ｎｍ〜６００ｎｍの波長光が、反射され、３８０ｎｍ〜５００ｎｍおよび６００ｎｍ〜７８０ｎｍの波長範囲における可視光が透過されるように反射帯域が選択される。好ましくは、少なくとも１つの反射帯域のうちの１つの反射帯域内にある波長を有する光は、部分的にのみ反射される。

以下では、光学層のような表面の、特定の波長λにおける、または特定の波長範囲内の反射強度Ｒ(λ)は、反射光の強度と、入射光の強度との比として定義され、ここでは、平面の法線に対して測定される入射角は、０°である。同様に、構造を通る透過Ｔ(λ)は、透過光の強度と、入射光の強度との比として定義され、ここでは、平面の法線に対して測定される入射角は０°である。

好ましくは、スイッチャブル光学デバイスは、少なくとも１つの光学層として、または少なくとも２つの光学層のうちの一層として含まれ得る少なくとも１つの反射層を有する。好ましくは、可視スペクトルの少なくとも１つの第１部分を含む少なくとも１つの反射帯域と、可視スペクトルの少なくとも１つの第２部分を含む少なくとも１つの透過帯域とを有する少なくとも１つの光学層は、反射層である。

好ましくは、少なくとも１つの反射帯域内の波長を有する光に対し、少なくとも１つの光学層の反射強度Ｒ(λ)は、少なくとも２％である。特に好ましいのは、反射強度が、少なくとも５％であることであり、さらに好ましくは少なくとも１０％であることである。

無彩色の光透過を達成するために、好ましいのは、少なくとも１つの光学層が、少なくとも１つの反射帯域における入射光全体を反射できないことである。好ましいのは、少なくとも１つの光学層が、少なくとも１つの反射帯域に波長を有する入射光の７０％未満を反射することである。好ましくは、少なくとも１つの反射帯域に波長を有する入射光の６０％未満、最も好ましくは５０％未満が反射される。

択一的または付加的には、無彩色の透過を達成するために、反射帯域内に波長を有する光が、完全にまたはほぼ完全に反射される場合であっても、発光染料を使用してよい。この発光染料は、少なくとも１つの透過帯域内に波長を有する光を吸収することができ、この光は、次に、反射帯域内の波長で再放射される。

透過光の量は、スイッチャブル層の影響を受け、かつスイッチャブル層の状態に依存する。スイッチャブル層の明状態と暗状態との間の、透過における、スイッチャブル光学デバイスのコントラストＣは、与えられた波長λに対し、
Ｃ(λ)＝(１−Ｒ(λ))×(Τ_Β(λ)−Ｔ_Ｄ(λ)) （１）
と定義され、Ｃ(λ)は、波長λを有する光に対するコントラストであり、Ｒ(λ)（上記のように定義される反射強度）は、波長λを有する光に対する反射による損失強度であり、Τ_Β(λ)およびＴ_Ｄ(λ)（上記のように定義される透過強度）は、それぞれ明状態および暗状態に対する、波長λを有する透過光の強度である。反射強度および透過強度は、０と１との間の無次元数として与えられる。反射損失には、スイッチャブル光学デバイスの少なくとも１つの光学層における反射も、別のすべての層における反射も含まれる。

コントラストＣを評価するために、可視スペクトルのスペクトル範囲にわたって関数Ｃ(λ)が平均化される。好ましくは、可視スペクトルにわたる関数Ｃ(λ)の平均化によって得られるコントラストＣは、少なくとも０．５である。

例えば、与えられた波長に対し、スイッチャブル層の反射損失Ｒが０．２（２０％）であり、透過率が明状態において０．７４（７４％）であり、暗状態において０．１５（１５％）である場合、コントラストＣは０．４７（４７％）である。同じ状況に対し、反射損失が０．１（１０％）に減少した場合、コントラストＣは０．５３（５３％）に増大する。したがって明状態と暗状態との間で大きなコントラストを達成するためには、反射による損失を最小化するとよい。

したがって光学層は、少なくとも１つの透過帯域における波長に対し、少なくとも９０％の光透過Ｔ(λ)を有するのが好ましく、より好ましくは少なくとも９５％の、また最も好ましくは少なくとも９８％の光透過Ｔ(λ)を有する。

反射損失を減少させるために光学デバイスは、少なくとも１つの反射防止層を有していてよい。この反射防止層は、好ましくは、可視スペクトル範囲においてスイッチャブル光学デバイスの表面の反射率を減少させる広帯域反射防止コーティングである。反射防止層は、少なくとも１つの光学層に加え、複数の光学層のうちの１つとして含まれていてよい。

反射防止層は、屈折率の小さい材料を含む１つ以上の極めて透明な薄い層から作製することが可能である。好ましくは、このような反射防止層の厚さおよび屈折率は、以下の数式、すなわち、
ｎ×ｄ＝λ／４
にしたがい、ただしｎは、反射防止層の材料の屈折率、ｄは、反射防止層の厚さ、λは、最小反射率の波長である。

λは、好ましくは、この場合に反射率の低い帯域（透過帯域）の中心をマーキングする。このような層は、上記の式により、４分の１波長層と称される。

上記の式にしたがって反射防止層の厚さを変更することにより、（厚さを小さくすることにより）より短い波長に、または（厚さを大きくすることにより）より長い波長に、最も反射率の低い波長をシフトさせることが可能である。

適切な反射防止層の例は、例えば（約５５０ｎｍの光波長において最小の反射率を有する）厚さ１００ｎｍのＭｇＦ_２の層、または例えば（約４５０ｎｍにおいて最小の反射率を有する）厚さ８０ｎｍのＭｇＦ_２の層である。別の例は、約４２５ｎｍにおいて最小の反射率を有する、厚さ７０ｎｍのＳｉＯ_２の層である。

上記の反射防止層は、好ましくは、真空蒸着技術およびスパッタリング技術によってデポジットされる。層厚は、好ましくは、温度または電圧およびデポジット時間のようなプロセスパラメータによって制御される。反射防止層は、好ましくは、デバイスの複数の基板のうちの１つの外側を向いた面に配置される。

好ましくは、上記の層が作製される反射率の低い材料は、ＭｇＦ_２、多孔性のＳｉＯ_２およびフッ素化ポリマである。

反射層は、上記の反射防止層に、反射率の高い材料を含む１つ以上の極めて透明な薄い層を加えることによって作製可能である。このような高反射率材料の好ましい実施形態は、亜鉛酸化物（ＺｎＯ）またはチタン酸化物（ＴｉΟ_２）のような金属酸化物である。このようにすることにより、特定の波長において高い反射率を有し、他の波長において高い反射防止力を有する層を得ることが可能である。

このような反射層の一例は、ＴｉＯ_２から成る７０ｎｍ厚の層と、これに続くＳｉＯ_２から成る７０ｎｍ厚の層と、これに続くＴｉＯ_２から成る７０ｎｍ厚の層とから構成される３層列である。このような反射層は、５５０ｎｍ〜８５０ｎｍの波長において反射率が高く、４００ｎｍ〜５００ｎｍの波長において反射防止力が高い。

別の一例として、７層列Ｔ−Ｍ−Ｔ−Ｍ−Ｔ−Ｍ−Ｔ、ただしＴは、ＴｉＯ_２から成る４０ｎｍ厚の層、Ｍは、ＭｇＦ_２から成る４５ｎｍ厚の層は、３８０ｎｍ〜５００ｎｍの波長において反射率が高く、したがって可視スペクトルの青色部分において反射率が高い。

反射層および反射防止層の上記の実施形態は、単に例として使用されており、本発明を制限するものではないことに注意されたい。当業者には、この技術分野において現在公知である、種々異なるタイプの反射層および反射防止層がよく知られており、当業者は、今ここで説明している発明が機能するようにするために、これらから望み通りに選択することが可能である。

スイッチャブル光学デバイスを通って透過する光に対し、少なくとも１つのスイッチャブル層の少なくとも１つの状態について、無彩色性を達成するために、少なくとも１つのスイッチャブル層は、少なくとも１つの染料を有する。この染料の吸収スペクトルは、好ましくは、可視光に対し、この吸収スペクトルが、少なくとも１つの光学層の反射スペクトルと相補的になるように選択される。ほとんどの反射は、少なくとも１つの反射帯域内で発生するため、この反射スペクトルは、少なくとも１つの反射帯域により、良好な近似で定められる。この染料は、好ましくは、ダイクロイック染料である。

本願の目的に対し、「ダイクロイック染料」という語は、光吸収性の化合物を意味するように使用されており、ここでは吸収特性は、光の偏光の方向に対する分子の配向に依存する。本願によるダイクロイック染料は、一般に、細長い形状を有し、すなわち、染料分子は、一空間方向（長手方向軸）において他の２つの空間方向よりも格段に長い。

本発明によるスイッチャブル層は、好ましくは、２つ、３つ、４つまたは５つの、特に好ましくは３つのダイクロイック染料を有しており、これらのダイクロイック染料の吸収スペクトルは、好ましくは、互いに相補的であり、これにより、無彩色の黒色または灰色の印象が人間の目に生じる。

染料化合物は、好ましくは、アゾ化合物、アントラキノン、メチン化合物、アゾメチン化合物、メロシアニン化合物、ナフトキノン、テトラジン、リレン、ベンゾチアジアゾール、ピロメテン、ジケトピロロピロール、チエノチアジアゾールおよびマロノニトリルから選択される。これらのうち、特に好ましいのは、特に国際公開第２０１４／０９０３７３号に開示されているアゾ化合物、アントラキノン、リレン、特に国際公開第２０１４／１８７５２９号に開示されているベンゾチアジアゾール、特に国際公開第２０１５／０９０４９７号に開示されているジケトピロロピロール、特に国際公開第２０１６／０２９９９６号に開示されているチエノチアジアゾール、および特に国際公開第２０１６／０９１３４５号に開示されているマロノニトリルである。

無彩色性は、スイッチャブル光学デバイスの透過スペクトルと、参照光源のスペクトルとを比較することによって特定することが可能である。演色評価指数（ＣＲＩ color rendering index）は、Ｄ６５のような標準昼光スペクトルを参照として使用することができる。無彩色とみなされる、スイッチャブル光学デバイスを通る透過に対し、測定される演色評価指数は、好ましくは、少なくとも８０である。演色評価指数は、例えば、ＣＩＥ１３．３−１９９５にしたがって決定されている。さらに、スイッチャブル光学デバイスを通る透過光の無彩色性を特定するためにＲＧＢ色座標を使用することができる。

スイッチャブル光学素子の層構造は、好ましくは、第１透明基板と、第１透明電極層と、スイッチャブル層と、第２透明電極層と、第２透明基板とをこの順序で有する。

透明基板は、ポリマまたはガラス板であってよい。それぞれの基板には一方の面に透明電極が設けられている。透明電極は、例えば、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）の薄い層をベースにしている。２つの基板は、透明電極が互いに向き合うように、かつセルギャップが２つの基板間に形成されるように配置される。間を隔てるこのセルギャップは、２μｍ〜２００μｍの幅を有する。スイッチャブル層は、このセルギャップ内に配置される。スイッチャブル層は、少なくとも１つの液晶材料および少なくとも１つの染料を有する。好ましくは、染料は、ダイクロイック染料である。液晶材料の分子は、液晶の特性を有し、その配向には、電場を加えることによって影響を与えることが可能である。このような電場は、２つの透明電極間に駆動電圧を加えることによって生成可能である。

スイッチャブル光学デバイスは、１つ以上のこのような層構造を有することができ、したがってこのスイッチャブル光学デバイスは、１つ以上のスイッチャブル層を有していてよい。

好ましくは、少なくとも１つの光学層は、透明電極によって覆われていない、１つまたは両方の透明基板の面をコーティングすることによって形成される。

択一的または付加的に好ましいのは、少なくとも１つの光学層を１つ以上の透明シートに被着することであり、次にこれは／これらは、複数の透明基板のうちの１つと積層される。

スイッチャブル光学デバイスは、好ましくは、２つ以上の光学層を有する。例えば、スイッチャブル光学デバイスは、１つ以上の反射層に加えて、１つ以上の反射防止層を有していてよい。

層構造は、さらに、１つ以上の光学的に透明な配向層を有していてよい。この配向層により、分子を好ましい方向に配向するためのガイドが提供される。このような配向層は、一連の平行な微視的溝を形成するラビング処理が施されるポリマ薄膜を透明電極にコーティングすることによって形成可能である。適切な配向層は、ポリイミド層を透明電極にコーティングし、このポリイミド層をラビングすることによって得ることが可能である。したがってこの配向層は、複数の透明電極のうちの１つと、スイッチャブル層との間に配置される。

２つの配向層を使用する場合、１つは、スイッチャブル層のそれぞれの面に配置され、これらの配向層の配向の好ましい方向は、互いに対して回転させることができ、これにより、結果的に、液晶材料のねじれネマティック構成が得られる。別の好ましい構成には、ＳＴＮ（super twisted nematic）構成およびアンチパラレル構成が含まれる。

一般に、液晶材料および／または少なくとも１つの染料は、ダイクロイックであり、偏光状態の異なる光は、吸収係数が異なる。スイッチャブル光学デバイスのコントラストＣをさらに増大させるために、少なくとも１つの光学層の反射は、偏光に依存し、少なくとも１つの反射帯域内の波長に対し、第１偏光の光は、第２偏光の光よりも強く反射される。好ましくは、少なくとも１つの光学層およびスイッチャブル層は、少なくとも１つの光学層が、液晶材料および／または少なくとも１つの染料において、より吸収されない偏光に対し、より強い反射を有するように構成および配置される。このような配置を使用することにより、明状態における透過Ｔ_Ｂと、暗状態における透過Ｔ_Ｄとの間の差が増大される。

少なくとも１つのスイッチャブル層のダイクロイックコントラストＤは、
Ｄ＝Ｉ_１／Ｉ_２
と定義され、ただしＩ_１は、第１偏光の透過光の強度であり、Ｉ_２は、第１偏光方向と直交する第２偏光の透過光の強度である。第１偏光は、透過強度が大きい方の偏光として定義される。好ましくは、ダイクロイックコントラストＤは、スペクトルの可視範囲における光に対し、少なくとも２であり、さらに好ましくは少なくとも４であり、最も好ましくは少なくとも１０である。

光学層の偏光コントラストＰは、
Ｐ＝Ｒ_１／Ｒ_２
と定義され、ただしＲ_１は、第１偏光の反射光の強度であり、Ｒ_２は、第１偏光方向と直交する第２偏光方向の反射光の強度である。第１偏光は、反射強度が大きい方の偏光として定義される。好ましくは、偏光コントラストＰは、少なくとも１つの反射帯域内の波長を有する光に対し、少なくとも２であり、さらに好ましくは少なくとも４であり、最も好ましくは少なくとも１０である。

好ましくは、少なくとも１つの光学層の反射は、偏光に依存し、第１直線偏光の光は、第２直線偏光の光よりも強く反射される。第２直線偏光は、液晶材料および／または少なくとも１つの染料において、より強く吸収される直線偏光に対応する。

好ましくは、少なくとも１つの光学層の反射は、偏光に依存し、第１円偏光の光は、第２円偏光の光よりも強く反射される。好ましくは、少なくとも１つの光学層は、コレステリック層を有し、少なくとも１つの反射帯域における光の反射は、偏光に依存し、第１円偏光の光は、第２円偏光の光よりも強く反射される。このコレステリック層は、好ましくはコレステリック液晶層である。

好ましくは、このコレステリック液晶層は、４分の１波長リターダ層を有する層構造に配置されており、これにより、スイッチャブル層は、４分の１波長リターダの一方の面に配置され、コレステリック液晶層は、４分の１波長リターダの他方の面に配置される。好ましくは、４分の１波長リターダおよび反射層は共に外側の（光が入射する）面に配置される。４分の１波長リターダは、コレステリック液晶層と、スイッチャブル層との間に配置され、これにより、透過した第２円偏光が、液晶材料および／または少なくとも１つの染料においてより強く吸収される直線偏光に対応する直線偏光に変化する。好ましくは、この場合に、結果的に得られる直線偏光は、基板に配向層が設けられている場合、隣接する基板のラビング方向に平行または垂直にするとよい。

好ましくは、少なくとも１つの光学層は、半波長板が間に配置された２つのコレステリック層を有する。このような３層構造により、偏光無依存性が達成される。

このスイッチャブル光学デバイスは、光の偏光を調整する４分の１波長リターダおよび／または半波長リターダのような別の波長リターダを有していてよい。

このスイッチャブル光学デバイスは、好ましくは、ウィンドウ、乗物、建造物、温室、眼鏡のレンズ、安全ガラス、光学機器、防音壁および／または医療器具に使用可能である。

したがって本発明の別の態様は、上記の光学装置のうちの少なくとも１つを有するスイッチャブルウィンドウを提供することである。スイッチャブルウィンドウは、絶縁ウィンドウユニットを形成する別のガラス板のような別のエレメントを含んでいてよい。

本発明の光学デバイスの一実施例を示す概略断面図である。光の波長に対し、スイッチャブル光学デバイス１０の光学層の反射強度を示す概略図である。標準染料がドーピングされた液晶混合物の透過スペクトルを明状態（破線）および暗状態（通常の線）の両方において示す線図である。実施例１Ａのデバイスの透過スペクトルを明状態（破線）および暗状態（通常の線）の両方において示す線図である。吸収を適合させた染料がドーピングされた液晶混合物の透過スペクトルを明状態（破線）および暗状態（通常の線）の両方において示す線図である。実施例１Ｂのデバイスの透過スペクトルを明状態（破線）および暗状態（通常の線）の両方において示す線図である。実施例２Ａのデバイスの透過スペクトルを明状態（破線）および暗状態（通常の線）の両方において示す線図である。実施例２Ｂで使用されている、調整されたＬＣ混合物の透過スペクトルを明状態（破線）および暗状態（通常の線）の両方において示す線図である。実施例２Ｂで使用されている、調整されたＬＣ混合物を有するデバイスの透過スペクトルを明状態（破線）および暗状態（通常の線）の両方において示す線図である。実施例２Ｃで使用されている、最適化されたＬＣ混合物の透過スペクトルを明状態（破線）および暗状態（実線）の両方において示す線図である。実施例２Ｃで使用されている、異なる最適化がなされたＬＣ混合物を有するデバイスの透過スペクトルを明状態（破線）および暗状態（通常の線）の両方において示す線図である。

図１には、本発明の光学デバイスの一実施例が概略断面図で示されている。スイッチャブル光学デバイス１０は、第１基板１２および第２基板１４を有し、これらの基板は、２つの基板１２と１４との間にセルギャップが形成されるように平行に配置されている。セルギャップの幅は、２μｍ〜２００μｍである。液晶媒体１６の形態のスイッチャブル層１５は、セルギャップ内に配置されており、セルはシール１８によって閉鎖されている。

基板１２、１４は、透明であり、それぞれの基板１２、１４の材料は、ポリマまたはガラス板であってよい。それぞれの基板１２、１４には、一方の面に透明電極２４、２６が設けられている。透明電極２４、２６は、例えば、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）の薄い層をベースにしている。これらの２つの基板１２、１４は、透明電極２４、２６が互いに向き合うように配置されている。

液晶媒体１６は、少なくとも１つの液晶材料および少なくとも１つの染料を有する。

液晶媒体１６とは反対側を向いた、第１基板１２の面には、反射層２０として構成されている光学層がコーティングされている。同様に、液晶媒体１６とは反対側を向いた、第２基板１４の面には、反射防止層２２として構成されている光学層がコーティングされている。したがってスイッチャブル光学デバイス１０は、反射層２０と、第１基板１２と、第１電極層２４と、液晶媒体１６と、第２電極層２６と、第２基板１４と、反射防止層２２とをこの順で有する層構造を有する。

図２には、光の波長に対する、スイッチャブル光学デバイス１０の光学層の反射強度の概略図が示されている。反射強度は、反射光の強度と、入射光の強度との比として％で定義されており、ここでは、平面の法線に対して測定される入射角度は、０°である。この反射強度は、ｙ軸上に任意単位（ａ．ｕ．）で示されている。図２には、第１透過帯域３０と、反射帯域３２と、第２透過帯域３４が見て取れる。反射強度が平均反射強度に比べて増大している反射帯域３２は、約５００ｎｍ〜約６００ｎｍである。

図３には、標準染料がドーピングされた液晶混合物の透過スペクトルが、明状態（破線）および暗状態（通常の線）の両方において示されている。

図４には、実施例１Ａのデバイスの透過スペクトルが、明状態（破線）および暗状態（通常の線）の両方において示されている。

図５には、吸収を適合させた染料がドーピングされた液晶混合物の透過スペクトルが、明状態（破線）および暗状態（通常の線）の両方において示されている。

図６には、実施例１Ｂのデバイスの透過スペクトルが、明状態（破線）および暗状態（通常の線）の両方において示されている。

実施例
実施例１Ａ
外側から緑色に見えるスイッチャブルウィンドウを製造するためには、２つのタイプのコーティングガラス基板が、主要ガラスサプライヤから入手される。第１基板の一方の面には、５０％の反射強度を有する選択的反射コーティングがコーティングされている。他方の面には、透明導電性酸化物（ＴＣＯ transparent conductive oxide）がコーティングされている。緑色に見えるようにするために、選択的反射コーティングは、約５５０ｎｍの中心波長および約１００ｎｍの帯域幅を有するように指定される。第２基板は、一方の面にＴＣＯコーティングを有し、かつ他方の面にコーティングを有しない。

これらの基板を洗浄した後、２つの基板の、ＴＣＯがコーティングされた面にポリイミドが印刷される。次にこれらの基板は、オーブンで焼成され、配向層を得るためにポリイミドがラビング処理される。これに続き、基板がセルとして配置され（配向層が内側を向き）、標準染料がドーピングされた液晶混合物が充填され、これにより、スイッチャブルパネル（２５μｍセルギャップ、ねじれネマティック構成）が得られる。標準染料がドーピングされた液晶混合物の透過スペクトルは、図３に示されている。これは、暗状態において４２０ｎｍ〜６５０ｎｍ間でかなり一定の吸収率を有する。

このデバイスの透過スペクトルは、暗状態で記録されている（図４；破線は明状態、通常の線は暗状態）。このデバイスは、暗状態において目には青紫に見え、暗状態において以下の色座標を有する。すなわち、
表１

である。

これらの結果が示しているのは、この実施例によるデバイスの暗状態が、強く着色されていることである。

実施例１Ｂ
ここではデバイスは、染料がドーピングされた液晶混合物の吸収スペクトルが、選択的反射コーティングの反射スペクトルと相補的になるように調整される（すなわち可視スペクトルの青色および赤色部分においてより吸収される）点において実施例１Ａのデバイスとは異なるように構成されている。この混合物の透過スペクトルは、図５に示されている。他のすべての面において、このデバイスは、実施例１Ａのデバイスと同じである。

このデバイスの透過スペクトルは、暗状態で記録されている（図６；破線は明状態、通常の線は暗状態）。このデバイスは、暗状態において目には灰色の無彩色に見え、暗状態において以下の色座標を有する。すなわち、
表２

である。

これらの結果が示しているのは、この実施例によるデバイスの暗状態が、実施例１Ａによるデバイスの暗状態よりも格段に少ない程度に彩色されていることである。

実施例２Ａ、２Ｂおよび２Ｃ
択一的な一実施例として、反射層が、上記の実施例１Ａおよび１Ｂのように５０％ではなく１０％の反射強度を有するようにスイッチャブルデバイスを構成可能である。この場合、比較実施例（２Ａ）は、実施例１Ａのように５０％ではなく１０％である、反射層の反射強度を除いて、すべての面において実施例１Ａと同一である。実施例２Ａに対し、図７に示した透過スペクトルが得られる（破線＝明状態；実線＝暗状態）。このデバイスは、表３に示したＣＲＩ座標からわかるように暗状態において着色している。すなわち、
表３

である。

調整されたＬＣ混合物を有するデバイス（実施例２Ｂ）とは対照的に、暗状態の彩色は、格段に低減されている。このデバイスの透過スペクトルは、図９に示されている（破線＝明状態；実線＝暗状態）。ＣＲＩ色座標は、表４に示されている。すなわち、
表４

である。

この実施例２Ｂで使用されている調整されたＬＣ混合物の透過スペクトルは、図８に示されている（破線＝明状態；実線＝暗状態）。

実施例２Ａおよび２Ｂが示しているのは、１０％の反射強度を有する反射層によっても、極めて良好な暗状態の無彩色が、調整された染料がドーピングされたＬＣ混合物を有するデバイスに対しても得られることである。

実施例２Ａに対し、明状態に対しても、無彩色性の最適化を行うことができる。このことは、異なる最適化がなされたＬＣ混合物が使用されている点だけを除いて、実施例２Ｂと同じである実施例２Ｃに示されている。実施例２Ｃの透過スペクトルは、図１１に示されており、この実施例２Ｃで使用されている最適化されたＬＣ混合物の透過スペクトルは、図１０に示されている（いずれのケースにおいても、破線＝明状態；実線＝暗状態）。この結果が示すのは、実施例２Ｃの明状態は、実施例２Ａの明状態よりも格段に少なく彩色されていることである。このことは、以下の表に示した実施例２Ａおよび２Ｂの明状態についてのＣＲＩ色座標からわかる。すなわち、
表５

である。

択一的な一実施例として、実施例１Ｂまたは２Ｂまたは２Ｃに示したデバイスに類似したスイッチャブルデバイスを構成することができ、ここでは、反射層は、コレステリック反射器であり、約１００ｎｍの帯域幅および５５０ｎｍの中心波長を有しており、このコレステリック反射器は、このデバイスの複数の基板のうちの１つの基板の、外側を向いた面に、すなわち光源が設けられているこのデバイスの面に配置されている。このような択一的な実施例に対し、透過の無彩色性について、またこのデバイスの外側からの色の見え方について、実施例１Ｂおよび２Ｂおよび２Ｃと同等の結果を得ることができる。

透過の無彩色性について、またこのデバイスの外側から色の見え方について、上記の実施例に示したものと同等の結果が得られる別の択一的な実施例として、反射層を有しない、基板の外面に反射防止層を有するデバイスを構成することができる。

透過の無彩色性について、またこのデバイスの外側からの色の見え方について、上記の実施例に示したのと同等の結果が得られる別の択一的な実施例として、１つのスイッチャブルパネルに加えて第２のスイッチャブルパネルを有するデバイスを構成することができる。この第２のスイッチャブルパネルは、広帯域反射防止層を有する２つの基板と、標準的な染料がドーピングされた液晶混合物を有するスイッチャブル層とを含む。２つのスイッチャブルパネルは、１つの複層ガラスユニットに組み合わされる。選択的反射コーティングは、外側を、すなわち外部光源の面を向いており、これにより、このデバイスは、外側から見た場合に緑色に見える。

Claims

少なくとも１つのスイッチャブル層（１５）と、少なくとも１つの光学層（２０、２２）とを含む層構造を有するスイッチャブル光学デバイス（１０）であって、
少なくとも１つの前記スイッチャブル層（１５）は、液晶材料および少なくとも１つの染料を有する、スイッチャブル光学デバイス（１０）において、
少なくとも１つの前記光学層（２０、２２）は、可視スペクトルの少なくとも１つの第１部分を含む少なくとも１つの反射帯域（３２）と、可視スペクトルの少なくとも１つの第２部分を含む少なくとも１つの透過帯域（３０、３４）とを有し、
少なくとも１つの前記スイッチャブル層（１５）の吸収スペクトルは、少なくとも１つの前記染料によって調整されており、これにより、可視スペクトルにおける入射光に対し、前記スイッチャブル光学デバイス（１０）を通る光透過は、前記スイッチャブル層（１５）の少なくとも１つの状態について、あらかじめ定められる透過スペクトルに設定される、ことを特徴とする、スイッチャブル光学デバイス（１０）。
少なくとも１つの前記染料は、前記スイッチャブル光学デバイス（１０）の前記透過スペクトルが、可視スペクトルに対し、少なくとも１つの前記スイッチャブル層（１５）の少なくとも１つの前記状態について、無彩色であるように選択される、ことを特徴とする、請求項１記載のスイッチャブル光学デバイス（１０）。
無彩色の前記透過スペクトルを得るために、少なくとも１つの前記染料の前記吸収スペクトルが、少なくとも１つの前記光学層（２０、２２）の少なくとも１つの前記透過帯域と相補的になるように調整されている、ことを特徴とする、請求項２記載のスイッチャブル光学デバイス（１０）。
少なくとも１つの前記スイッチャブル層（１５）は、少なくとも１つの明状態および暗状態を有し、
前記可視スペクトルにおける光に対し、Ｃ(λ)＝(１−Ｒ(λ))×(Ｔ_Ｂ(λ)−Ｔ_Ｄ(λ))によって定められかつ前記可視スペクトルにわたって平均化されるコントラストＣは、少なくとも０．５であり、ただしＲは、前記スイッチャブル光学デバイス（１０）によって反射される光の強度であり、Ｔ_Ｂは、前記明状態において前記スイッチャブル光学デバイス（１０）を通して透過される光の強度であり、Ｔ_Ｄは、前記暗状態において前記スイッチャブル光学デバイス（１０）を通して透過される光の強度である、ことを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項記載のスイッチャブル光学デバイス（１０）。
前記層構造は、第１透明基板（１２）と、第１透明電極層（２４）と、少なくとも１つの前記スイッチャブル層（１５）と、第２透明電極層（２６）と、第２透明基板（１４）とをこの順序で有する、ことを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項記載のスイッチャブル光学デバイス（１０）。
少なくとも１つの前記反射帯域における少なくとも１つの前記光学層（２０、２２）の反射は、偏光に依存し、第１直線偏光の光は、第２直線偏光の光よりも強く反射される、ことを特徴とする、請求項１から５までのいずれか１項記載のスイッチャブル光学デバイス（１０）。
少なくとも１つの前記光学層（２０、２２）は、コレステリック層であり、少なくとも１つの前記反射帯域における光の反射は、偏光に依存し、第１円偏光の光は、第２円偏光の光よりも強く反射される、ことを特徴とする、請求項１から６までのいずれか１項記載のスイッチャブル光学デバイス（１０）。
前記コレステリック層および４分の１波長リターダ層は、少なくとも１つの前記スイッチャブル層（１５）の一方の面に配置されており、前記４分の１波長リターダ層は、少なくとも１つの前記スイッチャブル層（１５）を向いており、前記４分の１波長リターダ層により、透過された前記第２円偏光が直線偏光に変更される、ことを特徴とする、請求項７記載のスイッチャブル光学デバイス（１０）。
前記第１偏光の反射光の前記強度と、前記第２偏光の反射光の前記強度との比として定められる、少なくとも１つの前記反射帯域における、少なくとも１つの前記光学層（２０、２２）の前記偏光コントラストは、少なくとも２である、ことを特徴とする、請求項６から８までのいずれか１項記載のスイッチャブル光学デバイス（１０）。
少なくとも１つの前記スイッチャブル層（１５）は、可視スペクトルに対し、少なくとも１つの状態において、第１偏光の透過光の強度と、前記第１偏光と直交する第２偏光の透過光の強度との比として定められる、２より大のダイクロイックコントラストを有し、
少なくとも１つの前記光学層（２０、２２）によって大部分が透過される前記偏光は、少なくとも１つの前記スイッチャブル層（１５）において大部分の吸収が行われるのと同じ偏光である、ことを特徴とする、請求項６から９までのいずれか１項記載のスイッチャブル光学デバイス（１０）。
少なくとも１つの前記反射帯域内に波長を有する光の少なくとも５％は、少なくとも１つの前記光学層（２０、２２）によって反射される、ことを特徴とする、請求項１から１０までのいずれか１項記載のスイッチャブル光学デバイス（１０）。
少なくとも１つの前記透過帯域内に波長を有する光の少なくとも９０％は、少なくとも１つの前記光学層（２０、２２）によって透過される、ことを特徴とする、請求項１から１１までのいずれか１項記載のスイッチャブル光学デバイス（１０）。
前記スイッチャブル光学デバイス（１０）は、少なくとも２つの光学層（２０、２２）を有する、ことを特徴とする、請求項１から１２までのいずれか１項記載のスイッチャブル光学デバイス（１０）。
可視スペクトルの少なくとも第１部分を含む少なくとも１つの反射帯域と、可視スペクトルの少なくとも１つの第２部分を含む少なくとも１つの透過帯域とを有する、少なくとも１つの前記光学層は、反射層である、ことを特徴とする、請求項１から１３までのいずれか１項記載のスイッチャブル光学デバイス（１０）。
請求項１から１４までのいずれか１項記載の少なくとも１つのスイッチャブル光学デバイス（１０）を有するスイッチャブルウィンドウ。
建造物または乗物におけるウィンドウとしての、請求項１５記載のスイッチャブルウィンドウの使用方法。