JP2016110085A - ガラスビーズと液晶とを用いたスマートウィンドウ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ポリマーマトリックスの代りに透明なガラスビーズと液晶とを用いたスマートウィンドウ及びその製造方法を提供。【解決手段】所定の間隔で離隔配置される一対の透明電極１１と、透明電極の間に介在するガラスビーズ１３と、ガラスビーズの外側を取り囲みながら透明電極の間に介在する液晶１５と、を含み、透明電極は、ガラス又はポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルムに透明導電性薄膜をコーティングし、ガラスビーズは、１０〜２０μｍの均一な直径を有して透明電極の間で均一に分散され、液晶は、スマートウィンドウのオフ状態で、ガラスビーズの外面に沿って一定に配列される。【選択図】図２

Description

本発明は、ガラスビーズと液晶とを用いたスマートウィンドウ及びその製造方法に係り、より詳しくは、高い安定性及び耐化学性を確保し、ヘイズ現象が発生せず、作動電圧が低く、光が不透過であるオフ状態と光が透過するオン状態における光の透過率の変化範囲が広く、光学的特性が向上したガラスビーズと液晶とを用いたスマートウィンドウ及びその製造方法に関する。

自動車産業は、機械、電子、化学、エネルギー、環境分野の先端技術が集約されており、市場経済に大きく影響を及ぼすなど、産業発展に大きく寄与している産業である。最近は、資源枯渇の問題と環境規制の強化、私生活保護及び生活の質に対する関心が増加し、これに伴って高効率、安全性、便宜性が重要な話題として登場している。その一例としてエネルギー効率及び機能性が向上し、且つ感性を満足させることができるスマートウィンドウ（Ｓｍａｒｔ Ｗ１ｎｄｏｗ）技術が大きく注目を浴びている。

スマートウィンドウとは、外部から流入する光の透過度を自由に調節して、エネルギーの損失を減らし、消費者に快適な環境を提供することができる能動的制御技術を意味し、輸送、情報ディスプレー、建築など、多様な産業分野に共通して適用できる技術をいう。簡単な操作だけ状態の瞬間的な転換を誘導することができ、高級、便宜、且つ多様な機能を与えることができるので、自動車の高付加価値化のために活発な応用展開が行われると期待される。

従来は、高分子分散液晶（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｄ１ｓｐｅｒｓｅｄ Ｌ１ｑｕ１ｄ Ｃｒｙｓｔａｌ、以下、「ＰＤＬＣ」と略記する）技術を用いてスマートウィンドウを製造した。ＰＤＬＣは、ミクロンスケールの液晶粒子が高分子マトリックス内に分散している構造を有し、外部電圧による液晶粒子と高分子との間の屈折率の差で光の透過率を調節する。

図１の（ａ）に図示したように、電圧を印加していないオフ（Ｏｆｆ）状態では、液晶粒子が不規則に配置されて、液晶粒子と高分子マトリックスとの屈折率の差で光を散乱させ、図１の（ｂ）に図示したように、電圧を印加したオン（Ｏｎ）状態では、液晶粒子が高分子マトリックスと同じ屈折率を有するように規則的に配向して、光を透過させる。つまり、散乱による光の不透過と電圧印加による透過との差がスマートウィンドウの性能を決める重要な要素である。

ＰＤＬＣは、ポリマーマトリックスを使うため、スマートウィンドウにヘイズ（ｈａｚｅ）現象が生じることがあるし、濁った色相が浮かぶ、紫外線に露出されるとポリマーの硬化又は変質が発生してスマートウィンドウに黄変現象が生じるという問題があった。
また、ポリマーマトリックスの誘電率が高くてポリマーマトリックスに隣接した透明電極から与える電場のかなりの部分がポリマーの誘導分極によって遮られるので、高い駆動電圧が必要であるという限界がある。

これに加えて、オフ状態で高分子マトリックス内部の液晶粒子の配列が不規則的であるので、透過率の変化範囲が狭いく、光の最大の遮断割合が６５％程度であった。
更に、スマートウィンドウに色相を被せるためには、染料を添加しなければならないが、染料の特性上光を吸収するので、オフ状態及びオン状態での光の透過率を下げ、所望の色相を具現することに困難があった。

韓国登録特許第１０−１０３７７６９号公報 韓国登録特許第１０−０５９１７７９号公報

本発明は、上記のような問題点を解決するために案出されたものであって、ポリマーマトリックスの代りに透明なガラスビーズを使用したスマートウィンドウを提供することにその目的がある。
また、本発明は、ガラスビーズの内部ではなく、外側に液晶を配置して、既存の ＰＤＬＣとは逆位相構造を有するスマートウィンドウを提供することにその目的がある。
また、本発明は、透明電極にガラスビーズを均一に分散させることができ、液晶を容易に注入できるスマートウィンドウの製造方法を提供することにその目的がある。
本発明の目的は、上記目的に制限されず、言及されない本発明の他の目的は、以下の説明によって理解でき、また、本発明の実施例によって、より明らかに分かることができる。また、本発明の目的は、特許請求の範囲に示した手段及びその組み合わせによって実現することができる。

本発明は、上述の目的を具現するために、以下のような構成を含む。
本発明の一実施例によるガラスビーズと液晶とを用いたスマートウィンドウは、相互に対向するように所定の間隔で離隔配置される一対の透明電極と、透明電極の間に介在するガラスビーズと、ガラスビーズの外側にガラスビーズを取り囲んで透明電極の間に介在する液晶と、を含む。

本発明の一実施例によるガラスビーズと液晶とを用いたスマートウィンドウの製造方法は、（ｉ）透明電極下板の一面に接着剤を塗布する段階と、（ｉｉ）透明電極下板の接着剤塗布面にガラスビーズを均一に分散させる段階と、（ｉｉｉ）接着剤を硬化してガラスビーズを透明電極下板に附着する段階と、（ｉｖ）透明電極下板の表面に附着した単一層のガラスビーズを除いた他のガラスビーズを透明電極下板から除去する段階と、（ｖ）ガラスビーズが一対の透明電極の間に介在するように透明電極上板を合着する段階と、（ｖｉ）ガラスビーズの外側に上記ガラスビーズを取り囲むようにして、一対の透明電極の間に液晶を注入する段階と、を含む。

本発明の他の実施例によるガラスビーズと液晶とを用いたスマートウィンドウの製造方法は、（ｉ）透明電極下板及び上板の一面に接着剤を塗布する段階と、（ｉｉ）透明電極下板及び上板の接着剤塗布面にガラスビーズを均一に分散させる段階と、（ｉｉｉ）接着剤を硬化してガラスビーズを上記透明電極下板及び上板に附着する段階と、（ｉｖ）透明電極下板及び上板の表面に附着した単一層のガラスビーズを除いた他のガラスビーズを上記透明電極下板及び上板から除去する段階と、（ｖ）ガラスビーズが一対の透明電極の間に介在するように透明電極下板及び上板を合着する段階と、（ｖｉ）ガラスビーズの外側にガラスビーズを取り囲むようにして一対の透明電極の間に液晶を注入する段階と、を含む。

本発明のガラスビーズと液晶とを用いたスマートウィンドウは、ポリマー素材をガラス素材のガラスビーズに取り替え、高い安定性及び耐化学性を確保し、霞んで見えるヘイズ現象がなく、作動電圧が低いスマートウィンドウを提供できという効果がある。
また、本発明はＰＤＬＣと逆位相構造を形成して、オフ状態で液晶がガラスビーズとの固着効果（Ａｎｃｈｏｒｉｔｉｎｇ Ｅｆｆｅｃｔ）によってガラスビーズの外面に沿って一定に配列されるので、オフ状態とオン状態とでの光の透過率の変化範囲が広いスマートウィンドウを提供する効果がある。

また、本発明は、ガラスビーズが複層構造を有するので、オフ状態の光の遮断率が高く、液晶の動作効果が向上したスマートウィンドウを提供する効果がある。
また、本発明は、簡単な工程だけで製造することができ、製作費用が低く、大量生産が可能なスマートウィンドウの製造方法を提供する効果がある。

従来ＰＤＬＣの構造を図示した概路図である。 本発明のガラスビーズと液晶とを用いたスマートウィンドウの構造を図示した概路図である。 本発明において複層構造のガラスビーズを含むスマートウィンドウの構造を図示した概路図である。 本発明の実施例によって製造されたスマートウィンドウの写真である。 本発明の実施例によって製造されたスマートウィンドウにおいて、均一に分散されているガラスビーズの顕微鏡写真である。 本発明の実施例によって製造されたスマートウィンドウの印加電圧による透過率の変化を測定したグラフである。 本発明の実施例によって製造されたスマートウィンドウの両面に偏光板を附着して散乱された光の偏光効果を測定したグラフである。

以下、添付した図面を参照して、本発明の好ましい実施例につき、本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者が、本発明を容易に実施できるように詳細に説明する。
図２は、本発明のガラスビーズと液晶とを用いたスマートウィンドウの構造を図示した概路図である 。
図２に示すように、本発明によるガラスビーズと液晶とを用いたスマートウィンドウは、相互に対向するように所定の間隔で離隔配置された一対の透明電極と、透明電極の間に介在するガラスビーズと、ガラスビーズの位置を固定する接着剤と、ガラスビーズの外側にガラスビーズを取り囲んで透明電極の間に介在する液晶と、を含むことができる。

透明電極は、ガラス又はポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルムにＩＴＯ、ＦＴＯなどの透明導電性薄膜をコーティングしたもので、スマートウィンドウの外部の電源と連結されてオン（Ｏｎ）状態になると、透明電極の間の空間に電場が発生する。好ましくは、透明電極としてＩＴＯフィルムが使われることがある。

上記ガラスビーズは、一対の透明電極の間に介在される構成として、ビー玉の形をしており、１０〜２０μｍの均一な粒子の大きさを持ち、透明電極の間に均一に分散されることがある。
上記ガラスビーズは、ＰＤＬＣのポリマーマトリックスと取り替える構成で、且つポリマー素材ではないガラス素材なので、安定性及び耐化学性が高く、スマートウィンドウにヘイズ現象が発生することがなく、駆動電圧が低くて効率的であるという長所がある。

図３は、本発明において複層構造のガラスビーズを含むスマートウィンドウの構造を図示す概路図である。
図３に示すように、ガラスビーズは透明電極の間で複層構造に形成されることがある。下層の隣り合うガラスビーズ（Ａ）の間の空間に、上層のガラスビーズ（Ｂ）が位置する、行き違い構造を有することがある。よって、スマートウィンドウで液晶が占める空間が増大し、液晶とガラスビーズとの界面が広くなり、液晶の動作効果が向上するので、スマートウィンドウの駆動電圧が更に低くなり、濁度が改善されて光の透過率の調節範囲が増大する。

また、ガラスビーズが上下層の行き違い構造に形成されると、光がビー玉の間を通り過ぎることができないので、オフ状態の光の遮断率が高くなる。よって、オン状態での透過とオフ状態での光の不透過との差を大きくすることができるなど、光学的特性を向上させることができる。
液晶は、透明電極によって発生する電場と相互作用して配向することで、光を能動的に透過させたり散乱させたりする構成であって、ＰＤＬＣと違い、ガラスビーズの外側に位置する。

液晶は、電圧が印加されていないオフ状態ではガラスビーズとの固着効果（Ａｎｃｈｏｒｉｔｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ）によってガラスビーズの外面に並んで配向されて光を散乱し、電圧が印加されたオン状態では、透明電極によって発生する電場に並んで配向されてガラスビーズの屈折率と同じ屈折率を有することになるので、光を散乱させずに透過させる。

本発明によるスマートウィンドウは、ＰＤＬＣと比べてみた時、ガラスビーズがビー玉の形をして、液晶がその外側を満たす逆位相構造を取るため、液晶の大きさ、模様、配列が一定になり、それによって光学的特性が向上される。
上記接着剤は透明電極の一面に塗布又はコーティングされ、ガラスビーズが透明電極に附着された状態に固定されるようにする構成として、上記機能を行うことができれば、いかなるものも使えるが、好ましくは、ＵＶ硬化性接着剤を使うことができる。

上記スマートウィンドウは、用途及び目的によって多様な厚さに製作することができるが、好ましくは、１〜５０μｍの厚さを持つように製造することができる。１μｍ以下の厚さでは、上記スマートウィンドウが均一な厚さを持つように製作することが難しく、５０μｍ以上の厚さでは、駆動電圧が１００Ｖ以上になってしまうという短所がある。

以下、本発明によるガラスビーズと液晶とを用いたスマートウィンドウの製造方法を詳しく説明する。説明の便宜のために、一対の透明電極を図２に図示された位置によって上板と下板に分けて説明し、ガラスビーズは透明電極下板に固定されることを前提にする。
本発明のスマートウィンドウは、図２に図示したように単層構造のガラスビーズを含むこともあり、図３に図示したように、複層構造のガラスビーズを含むこともあるので、以下に分けて説明する。

図２に図示した、本発明のガラスビーズと液晶とを用いたスマートウィンドウの製造方法は、
（ｉ）透明電極下板の一面に接着剤を塗布する段階、
（ｉｉ）透明電極下板の接着剤塗布面にガラスビーズを均一に分散させる段階、
（ｉｉｉ）接着剤を硬化してガラスビーズを透明電極下板に附着する段階、
（ｉｖ）透明電極下板の表面に附着した単一層のガラスビーズ以外のガラスビーズを透明電極下板から除去する段階、
（v）ガラスビーズが一対の透明電極の間に介在するように透明電極上板を合わせて附着（合着）する段階、及び
（ｖｉ）ガラスビーズの外側にガラスビーズを取り囲むようにして一対の透明電極の間に液晶を注入する段階、
を含むことができる。

ここで、
（ｉ）段階は、接着剤としてＵＶ硬化剤を透明電極に塗布又はコーティングする段階であって、好ましくは５００〜６０００回転／分でスピンコーティングする方法が使用されることがある。
（ｉｉ）段階は、接着剤塗布面の上側でガラスビーズをまいて分散させる方法が使用されることがある。
（ｉｉｉ）段階は、ＵＶ硬化剤に紫外線を１〜６０秒間照射して硬化させる段階で、これを通じてガラスビーズが透明電極に固定されることがある。
（ｉｖ）段階は、透明電極に弱い外力を加えて、接着剤によって固定されない余分のガラスビーズを除去する段階で、これを通じて透明電極の表面に附着された単一層のガラスビーズだけが残るようになる。
（ｖｉ）段階は、液晶を（ｖ）段階を経て、ガラスビーズを間に置いてサンドイッチ構造を有する一対の透明電極の間に毛細管効果を利用して注入する段階である。液晶は、ネマティック液晶（Ｎｅｍａｔｉｔｉｃ ｌｉｔｉｑｕｉｔｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ）が使用されることがある。

図３に図示された本発明のガラスビーズと液晶とを用いたスマートウィンドウの製造方法は、
（ｉ）透明電極下板及び上板の一面に接着剤を塗布する段階、
（ｉｉ）透明電極下板及び上板の接着剤塗布面にガラスビーズを均一に分散させる段階、
（ｉｉｉ）接着剤を硬化してガラスビーズを透明電極下板及び上板に附着する段階
（ｉｖ）透明電極下板及び上板の表面に附着された単一層のガラスビーズを除いた他のガラスビーズを透明電極下板及び上板から除去する段階、
（ｖ）ガラスビーズが一対の透明電極の間に介在するように透明電極下板及び上板を合わせて附着（合着）する段階、及び
（ｖｉ）ガラスビーズの外側にガラスビーズを取り囲むようにして一対の透明電極の間に液晶を注入する段階、
を含むことができる。

つまり、複層構造のガラスビーズを含むスマートウィンドウを製造するために、透明電極の上板及び下板の全てにガラスビーズを固定した後、ガラスビーズを内側に向けるようにして透明電極を合わせて附着する方法を使う。

実施例
（ｉ）９〜１３ｕｍμｍの直径を有するガラスビーズ（Ｍ１ｃｒｏ ｓｐｈｅｒｅ ｇｌａｓｓ ｂｅａｄ）をアセトンで洗浄した後、遠心分離機を利用して均一な直径のガラスビーズを用意した。
（ｉｉ）透明電極の一面にＵＶ硬化剤（ＮＯＡ６５）を６０００回転／分の速度でスピンコーティングした。
（ｉｉｉ）用意されたガラスビーズを透明電極のＵＶ硬化剤コーティング面にまいて均一に分散させた。
（ｉｖ）試料に紫外線を１５秒間照射してＵＶ硬化剤を硬化し、ガラスビーズを透明電極に固定した。
（ｖ）透明電極に外力を加え、固定されていないガラスビーズを落として単層構造のガラスビーズが附着された透明電極を製造した。
（ｉｖ）残り一対の透明電極をガラスビーズが附着された透明電極と合わせて附着した後、毛細管効果を利用してネマティック液晶をガラスビーズの間に注入してスマートウィンドウを製造した。

図４は、本発明の実施例によって製造されたガラスビーズと液晶とを用いたスマートウィンドウの写真であり、図５は、透明電極に分散されたガラスビーズを撮った顕微鏡写真である。図５に示すように、ガラスビーズが透明電極に均一に分散されていることが分かる。
［実験例］

本発明によるスマートウィンドウは、上述のように光学的特性が向上されるという長所がある。
図６は、本発明の実施例によって製造されたスマートウィンドウの印加電圧による透過率の変化を測定したグラフであり、変圧器と可変抵抗を利用して自体製作した交流電源装置で電圧を印加し、透過率測定装置（Ｃａｒｙ ５０００） ＵＶ−ｒｏｋｕｓ−ＮｉｔｉＲ，Ａｇｉｔｉｌｅｎｔ）を利用して、上記実施例によって製造されたスマートウィンドウの電圧による透過率の変化を、同じ条件で何回も測定した結果である。
図７は、本発明の実施例によって製造されたスマートウィンドウの両面に偏光板を附着して散乱された光の偏光効果を測定したグラフである。具体的には、試料の両面に偏光板を互いに垂直になるように附着し、交流電源装置で電圧を印加した後、半導体レーザーで光を入射し、透過された光をフォトダイオードで測定して、上記実施例によって製造されたスマートウィンドウの光の偏光効果を同じ条件で何回も測定した結果である。

図６に示すように、透明電極に４０Ｖの電圧を印加した時、光の透過率が４０％以上増加し、この時の反応速度は約１ｍｓ程度で、速い転換特性を見せた。つまり、本発明によるスマートウィンドウは、従来ＰＤＬＣの駆動圧である１００Ｖより顕著に低い駆動電圧で作動され、オフ状態とオン状態の転換が速く、オフ状態での不透過程度とオン状態での透過程度の差が大きいので、商業的に効用性が高いという長所がある。

また、図７に示すように、電圧が印加されなかった時（０Ｖ）には、偏光板によって偏光された入射ビームがスマートウィンドウによって散乱され、非偏光状態へと転換されることが分かる。一方、電圧が高く印加されると、偏光された入射ビームがスマートウィンドウを通過する時、偏光状態をそのまま保つので、垂直に設置された反対側の偏光板に吸収されて透過することができない。つまり、本発明によるスマートウィンドウは、両面に偏光板を附着すると、オフ状態で半透明になり、オン状態でまったく不透明になるスマートウィンドウの特徴を持っていることを確認できる。

以上、本発明の実施例について詳細に説明したが、本発明の権利範囲は上述の実施例に限定されず、次の特許請求の範囲で定義している本発明の基本概念を用いた当業者による多くの変形及び改良形態もまた本発明の権利範囲に含まれる。

１１ 透明電極
１３ ガラスビーズ
１５ 液晶
１７ 接着剤

Claims (13)

1. 相互に対向するように所定の間隔で離隔配置される一対の透明電極と、前記透明電極の間に介在するガラスビーズと、前記ガラスビーズの外側を取り囲みながら前記透明電極の間に介在する液晶と、を含むことを特徴とするガラスビーズと液晶とを用いたスマートウィンドウ。
2. 前記透明電極は、ガラス又はポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルムに透明導電性薄膜をコーティングすることを特徴とする請求項１に記載のガラスビーズと液晶とを用いたスマートウィンドウ。
3. 前記ガラスビーズは、１０〜２０μｍの均一な直径を有し、前記透明電極の間で均一に分散されていることを特徴とする請求項１に記載のガラスビーズと液晶とを用いたスマートウィンドウ。
4. 前記ガラスビーズは、前記透明電極の間に単一層で介在していることを特徴とする請求項１に記載のガラスビーズと液晶とを用いたスマートウィンドウ。
5. 前記ガラスビーズは、前記透明電極の間に複数の層で介在していることを特徴とする請求項１に記載のガラスビーズと液晶とを用いたスマートウィンドウ。
6. 前記ガラスビーズは、下層の隣り合うガラスビーズの間の空間に上層のガラスビーズが位置する行き違い構造を有することを特徴とする請求項５に記載のガラスビーズと液晶とを用いたスマートウィンドウ。
7. 前記液晶は、スマートウィンドウのオフ（Ｏｆｆ）状態で、前記ガラスビーズの外面に沿って一定に配列されることを特徴とする請求項１に記載のガラスビーズと液晶とを用いたスマートウィンドウ。
8. 前記液晶は、スマートウィンドウのオン（Ｏｎ）状態で、前記透明電極によって発生する電場に並んでいる方向に配向されて光を透過させることを特徴とする請求項１に記載のガラスビーズと液晶とを用いたスマートウィンドウ。
9. スマートウィンドウの厚さは４〜５０μｍであることを特徴とする請求項１に記載のガラスビーズと液晶とを用いたスマートウィンドウ。
10. （ｉ）透明電極下板の一面に接着剤を塗布する段階と、
    （ｉｉ）前記透明電極下板の接着剤塗布面にガラスビーズを均一に分散させる段階と、
    （ｉｉｉ）前記接着剤を硬化させてガラスビーズを前記透明電極下板に附着させる段階と、
    （ｉｖ）前記透明電極下板の表面に附着された単一層のガラスビーズを除いた他のガラスビーズを前記透明電極下板から除去する段階と、
    （ｖ）前記ガラスビーズが一対の透明電極の間に介在するように透明電極上板を合着する段階と、
    （ｖｉ）前記ガラスビーズの外側に前記ガラスビーズを取り囲むようにして、一対の透明電極の間に液晶を注入する段階と、
    を含むことを特徴とするガラスビーズと液晶とを用いたスマートウィンドウの製造方法。
11. （ｉ）透明電極下板及び上板の一面に接着剤を塗布する段階と、
    （ｉｉ）前記透明電極下板及び上板の接着剤塗布面にガラスビーズを均一に分散させる段階と、
    （ｉｉｉ）前記接着剤を硬化させてガラスビーズを前記透明電極下板及び上板に附着させる段階と、
    （ｉｖ）前記透明電極下板及び上板の表面に附着した単一層のガラスビーズを除いた他のガラスビーズを前記透明電極下板及び上板から除去する段階と、
    （ｖ）前記ガラスビーズが一対の透明電極の間に介在するように前記透明電極下板及び上板を合着する段階と、
    （ｖｉ）前記ガラスビーズの外側に前記ガラスビーズを取り囲むようにして一対の透明電極の間に液晶を注入する段階と、
    を含むことを特徴とするガラスビーズと液晶とを用いたスマートウィンドウの製造方法。
12. 前記液晶は、毛細管現象を利用して前記透明電極の間に注入されることを特徴とする請求項１０又は請求項１１に記載のガラスビーズと液晶とを用いたスマートウィンドウの製造方法。
13. 前記ガラスビーズは、前記透明電極下板に附着された隣り合うガラスビーズの間の空間に前記透明電極上板に附着されたガラスビーズが位置する行き違う構造の複数の層に製造されることを特徴とする請求項１１に記載のガラスビーズと液晶とを用いたスマートウィンドウの製造方法。

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