KR101526084B1 - 온도 민감성 복합 광결정, 이의 제조방법 및 이의 사용방법 - Google Patents

온도 민감성 복합 광결정, 이의 제조방법 및 이의 사용방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 정렬된 공극들의 배열을 한정하는 역 오팔(inverse opal) 구조물을 상기 공극 내에 수용되는 충전제 조성물과 함께 포함하는 복합 광결정을 개시한다. 상기 충전제 조성물의 성질은 자극, 예를 들어 온도 변화에 반응하여 변하며, 이에 의해 상기 복합 광결정에 의해 반사된 복사선의 밴드 갭이 변한다.

Description

온도 민감성 복합 광결정, 이의 제조방법 및 이의 사용방법{TEMPERATURE SENSITIVE COMPOSITE PHOTONIC CRYSTALS, METHOD OF PREPARING SAME AND METHOD OF USING SAME}
본 발명은 열 반응성 결정, 보다 특히 온도 변화에 반응성인 공극 내 물질을 함유함으로써 광결정에 의해 반사된 복사선의 밴드 갭이 변하는 역 오팔(inverse opal) 광결정에 관한 것이다.
광결정은 굴절률이 다차원으로 변화하는 광학 물질이다. 광결정은, 결정성 콜로이드 배열 중의 물질들의 조성, 입자 크기, 상기 배열 내 충전 배열, 및 상기 배열의 규칙성 정도에 따라 변하는 파장 범위에 걸쳐 브래그(Bragg)의 법칙에 따라 복사선을 반사하는 결정성 콜로이드 배열로부터 생성될 수 있다. 결정성 콜로이드 배열은 종종 중합체 라텍스, 예를 들어 폴리스타이렌 또는 무기 물질, 예를 들어 실리카로 구성되는 단분산 콜로이드 입자의 3차원 정렬된 배열로서 사용되었다. 입자의 콜로이드 분산은 자외선, 가시 또는 적외선 파장 내의 복사선 파장에 필적하는 격자간 거리를 갖는 결정성 구조물을 형성시킬 수 있다. 상기와 같은 결정성 구조물은 복사선의 인접한 파장은 투과시키면서, 광범위한 입사 복사선의 스펙트럼 중에서 선택된 파장으로부터의 좁은 밴드를 여과하는데 사용되었다.
상기와 같은 결정성 콜로이드 배열은 전형적으로는 상기 배열 내에 일정한 입자-간 간격을 갖는 반면, 다른 결정성 콜로이드 배열은 상기 입자-간 간격이 자극, 예를 들어 온도 변화에 반응하여 변화할 때 열적으로 활성일 수 있다. 열 반응성 결정성 콜로이드 배열은 전통적으로 하이드로젤로부터 생성된다. 하이드로젤 기재 장치에서, 단분산된, 고도로 하전된 콜로이드 입자는 수성 매질에 분산된다. 상기 입자들은 정전기 전하로 인해 결정성 콜로이드 배열로 자기 조립한다. 상기 정렬된 구조물은 브래그의 법칙에 따라 복사선을 회절시키며, 이때 상기 브래그 조건을 충족하는 복사선은 반사되는 반면 상기 브래그 조건을 충족하지 않는 인접한 스펙트럼 영역은 상기 장치를 투과한다. 브래그의 법칙에 따라 복사선을 회절시키는 입자들의 배열은 하기 식을 만족한다:
mλ = 2ndsin θ
상기 식에서, m은 정수이고, λ는 반사된 복사선의 파장이고, n은 상기 배열의 유효 굴절률이고, d는 입자 층 간의 거리이고, θ는 상기 반사된 복사선이 상기 입자 층의 면과 이루는 각이다. 따라서, 입자 크기 또는 상기 입자 층 간의 매트릭스의 부피를 증가시킴으로써, 상기 입자 층 간의 입자 간 거리(d)가 증가하며, 이에 의해 회절된 복사선의 파장이 변한다. 상기 입자 크기 및/또는 매트릭스 부피는, 자극, 예를 들어 상기 입자 또는 매트릭스가 팽창되게 하는 온도 변화에 반응하여 증가할 수 있다. 마찬가지로, 상기 배열의 유효 굴절률의 변화는 또한 상기 회절된 복사선의 파장을 이동시킬 수 있다.
다른 광결정들은 역 오팔을 기본으로 한다. 합성 오팔 구조물들이, 정렬된 주기적인 배열로 배열되는 균일한 크기의 초미세 실리카 구로부터 생성되었다. 상기 실리카 구들 간의 공극을 매트릭스 물질로 충전시킨 다음 상기 실리카 구를 용해시켜 상기 균일한 매트릭스 물질 내에 주기적인 공극들의 배열을 생성시킨다. 상기 공극을 상기 역 오팔의 광학 성질을 조절하기 위해 충전제 조성물로 충전시킬 수도 있다.
본 발명은 정렬된 공극들의 배열을 한정하는 역 오팔 구조물 및 상기 공극에 수용되는 충전제 조성물을 포함하는 복합 광결정을 포함하며, 이때 상기 충전제 조성물의 성질은 자극에 반응하여 변하며, 이에 의해 상기 복합 광결정에 의해 반사된 복사선의 밴드 갭이 변한다. 본 발명은 또한 정렬된 공극들의 배열을 한정하는 역 오팔 구조물 및 상기 공극 내에 수용되는 충전제 조성물을 포함하되, 상기 충전제 조성물의 성질은 온도 변화에 반응하여 변하는, 복합 광결정을 제공하고; 상기 복합 광결정의 온도를 변화시키고; 상기 복합 광결정의 광 밴드 갭의 변화를 검출함을 포함하는, 온도 변화를 검출하는 방법을 포함한다. 온도 반응성 복합 광결정의 하나의 제조 방법은, 복수의 공극을 한정하는 역 오팔을 생성시키고, 상기 공극을 중합성 충전제 조성물로 충전하고, 상기 충전제 조성물을 중합시킴을 포함하며, 이때 상기 충전제 조성물의 성질은 온도 변화에 반응하여 변하고, 이에 의해 상기 복합 광결정에 의해 반사된 복사선의 밴드 갭이 변한다.
도 1은 온도 변화에 대한 본 발명 물질의 회절 피크의 반응 그래프이다.
하기의 상세한 설명을 위하여, 본 발명은, 달리 명백히 명시되는 경우를 제외하고, 다양한 대체 변화 및 단계 순서를 취할 수 있는 것으로 이해해야 한다. 더욱이, 임의의 실행 실시예 또는 달리 가리키는 경우 이외에, 예를 들어 명세서 및 청구의 범위에 사용된 성분들의 양을 나타내는 모든 숫자들은 모든 경우에 "약"이라는 용어에 의해 변경되는 것으로 이해해야 한다. 따라서, 달리 나타내지 않는 한, 하기의 명세서 및 첨부된 청구의 범위에 나열된 숫자 매개변수들은 본 발명에 의해 획득되는 목적하는 성질들에 따라 변화될 수 있는 근사치들이다. 적어도, 상기 청구의 범위에 대한 등가물의 이론의 적용을 제한하지 않고자, 각각의 숫자 매개변수를 적어도 보고된 유의숫자들의 수에 비추어 통상적인 라운딩 기법을 적용함으로써 해석해야 한다. 본 발명의 범위를 나열하는 숫자 범위 및 매개변수가 근사치임에도 불구하고, 특정 실시예들에 나열된 수치들은 가능한 한 정확하게 보고된다. 그러나, 임의의 수치들은 이들 각각의 시험 측정에서 밝혀진 표준 편차로부터 반드시 발생하는 일부 오차를 본질적으로 함유한다.
또한, 본 발명에 인용된 임의의 숫자 범위가 상기 범위 중에 포함된 모든 하위 범위를 포함하고자 함은 물론이다. 예를 들어 "1 내지 10"의 범위는 인용된 최소 값 1(포함) 내지 인용된 최대 값 10(포함)의 모든 하위 범위, 즉 1 이상의 최소 값 및 10 이하의 최대 값을 갖는 모든 하위 범위를 포함하고자 한다.
본 출원에서, 단수의 사용은 달리 구체적으로 명시되지 않는 한, 복수를 포함하고 복수는 단수를 포함한다. 또한, 본 출원에서, "또는"의 사용은, 비록 "및/또는"이 몇몇 경우에 명확히 사용될 수 있지만, 달리 구체적으로 명시되지 않는 한 "및/또는"을 의미한다.
"중합체"란 용어는 단독중합체, 공중합체 및 올리고머를 포함함을 의미한다. "금속"이란 용어는 금속, 금속 산화물 및 메탈로이드를 포함한다. "주입하다"란 용어 및 관련 용어(예를 들어 주입)는 액체 상으로부터의 침투를 지칭한다.
복합 광결정
본 발명은 기재에 도달하는 복사선의 파장을 조절하기 위한 온도 민감성 복합 광결정을 포함한다. 본 발명의 물질은 가시 및/또는 비-가시 전자기 스펙트럼 중의 복사선을 회절시키며 그의 제조 방법을 추가로 포함한다. 본 발명을, 본 발명의 물질에 의한 회절 시 반사되는 복사선의 피크 밴드를 지칭하는 회절 파장 또는 회절 피크와 관련하여 개시한다. 따라서, "회절 파장"은 브래그의 법칙을 일반적으로 만족시키는 파장을 갖는 복사선의 밴드를 지칭한다. 상기 반사된 복사선은 가시 스펙트럼 또는 비-가시 스펙트럼(예를 들어 적외선 또는 자외선) 중에 있을 수 있다.
본 발명의 복합 광결정은 정렬된 공극들의 배열을 한정하는 역 오팔 구조물 및 상기 공극 내에 수용되는 충전제 조성물을 포함한다. 상기 충전제 조성물의 성질은 자극, 예를 들어 온도 변화에 반응하여 변하며, 이에 의해 상기 복합 광결정에 의해 반사된 복사선의 밴드 갭이 변한다. 하나의 실시태양에서, 상기 충전제 조성물의 굴절률은 자극, 예를 들어 온도 변화에 대한 반응으로 변한다. 그 자체로서 상기 복합 광결정의 유효 굴절률이 변한다. 상기 유효 굴절률의 변화는 회절 파장(λ)을 이동시킨다. 상기 복합 광결정에 의한 회절 파장의 상기 이동은, 또한 상기 광결정에 의해 반사되는 복사선의 양에 의해 측정된 바와 같이, 상기 복합 광결정과 관련된 콘트라스트에 영향을 미친다. 따라서, 자극, 예를 들어 온도 변화의 적용에 따라, 상기 광결정은 회절의 변화뿐만 아니라 콘트라스트의 변화를 나타낼 것이다.
본 발명의 복합 광결정의 생성에 사용되는 역 오팔은 통상적인 기법에 따라 생성시킬 수 있다. 예를 들어 입자들의 주기적인 배열을 생성시키고 매트릭스 조성물로 역 충전시키고, 이어서 상기 매트릭스 조성물을 상기 정렬된 입자들의 배열 주위의 적소에 고정시킨다. 상기 고정이란 상기 매트릭스 물질을 상기 입자들의 주변에 경화시키거나 가교결합시키거나 또는 달리 고정시켜, 결정성의 정렬된 배열을 생성시킴을 의미한다. 상기 입자들을 용매에 용해시키거나 또는 상기 물질을 가열하여 분해시키고 상기 입자들을 휘발시킴으로써 상기 배열로부터 상기 입자들을 제거할 수도 있다. 예를 들어, 폴리스타이렌 입자 또는 다른 중합체 입자를 용매, 예를 들어 톨루엔에 용해시킨 다음 가열하여 상기 톨루엔을 증발시키고, 이에 의해 역 오팔 구조물을 생성시킬 수도 있다. 상기 생성되는 역 오팔은 주기적인 공극들의 배열을 갖는 상기 고정된 매트릭스 물질을 포함한다. 본 발명은 상기와 같은 역 오팔을 생성시키기 위한 기법이나, 상기 역 오팔을 생성시키기 위해 제거되는 입자들의 물질로 제한되지 않는다.
상기 역 오팔의 공극 내로 수용하기 위한 충전제 조성물로서 사용하기에 적합한 물질은 자극에 따라 변하는 성질을 갖는 물질을 포함한다. 자극의 비제한적인 일례는 온도 변화이며, 이때 상기 온도 변화는 상기 충전제 물질의 성질을 변화시킨다. 하나의 실시태양에서, 충전제 조성물의 전도도는 온도 변화에 따라 변한다. 예를 들어, 온도 변화에 반응하여 전도도 변화를 나타내는 충전제 조성물, 예를 들어 이산화 바나듐 등은 온도 변화 시 전도체로서 작용하는 것과 절연체로서 작용하는 것(또는 이와 역으로) 사이에서 이동한다. 상기 역 오팔의 공극 내에서 상기 충전제 조성물의 전도도 변화는 상기 충전제 조성물의 굴절률을 변화시키고, 이에 의해 상기 역 오팔의 충전된 공극과 상기 역 오팔 주변 매트릭스 간의 굴절률 차이를 변화시킨다. 상기 충전된 공극과 매트릭스 간의 굴절률 차이의 변화는 상기 복합 광결정의 콘트라스트를 변화시키며, 이를 상기 복합 광결정에 의해 반사되는 복사선 량의 변화로서 검출할 수 있다. 가시 스펙트럼에서 반사되는 복사선의 경우에, 콘트라스트의 변화는 상기 반사된 복사선의 밝기의 증가 또는 감소로서 검출될 수 있다. 또한, 상기 충전제 조성물의 굴절률의 변화는 상기 복합 광결정의 유효 굴절률을 또한 변화시키며, 이에 의해 회절 파장이 이동한다. 그 자체로서, 전도체-절연체 물질을 상기 복합 광결정 중의 충전제 조성물로서 사용하는 경우, 온도 변화는 콘트라스트의 변화 및 상기 회절 파장의 이동을 생성시킨다.
또 다른 실시태양에서, 상기 충전제 조성물은 온도 변화에 따라 형태가 변하는 중합체성 조성물을 포함한다. 형태는 상기 조성물의 중합체 쇄의 3차원 형상을 의미한다. 예를 들어, 충전제 조성물은 온도 변화에 반응하여 상 변화를 겪는다. 하나의 적합한 중합체성 물질은 측쇄 결정성 중합체, 예를 들어 8 개 이상의 탄소 원자를 갖는 아크릴 물질, 예를 들어 스테아릴 아크릴레이트이다. 일반적으로, 측쇄 결정성 중합체에 의해 차지되는 공간의 부피는, 상기 중합체의 측쇄가 보다 고온에서 이완되고, 이에 의해 상기 중합체의 형태가 팽창하여 보다 큰 부피의 공간을 차지하므로 온도 증가에 따라 증가한다.
본 발명의 하나의 실시태양에서, 상기 역 오팔 중의 공극 중에 측쇄 결정성 중합체를 동일 반응계에서 생성시킨다. 단량체성 전구체를 상기 공극 내에 충전시키고, 예를 들어 자외선(UV) 경화에 의해 상기 공극 내에서 중합시켜 중합체성 물질을 생성시키며, 상기 물질은 상기 공극 내에서 유지된다. 측쇄 결정성 중합체를 생성시키는데 사용될 수 있는 단량체는 미리스틸 (메트)아크릴레이트, 세틸 (메트)아크릴레이트, 스테아릴 (메트)아크릴레이트, 아라키닐 (메트)아크릴레이트, 베헤닐 (메트)아크릴레이트를 포함한다.
본 발명의 복합 광결정은 복사선의 밴드 갭을 여과하기에 특히 적합하다. 예를 들어, 본 발명의 광결정을 사용하여, 기재에 도달하는 적외선을 조절할 수 있다. 일광 중 적외선은 건물, 도로 등의 표면을 가열하는 원인이 된다. 본 발명의 광결정은, 상기 광결정이 소정의 온도(하부에 있는 표면에 허용될 수 없는 것으로 생각된다)에 도달하면, 상기 공극 내에서 유지되는 충전제 조성물이 회절 파장을 이동시키는 방식으로 변하고, 이에 의해 특정한 밴드 갭(예를 들어 적외선)을 반사하도록 조율될 수 있다. 온도가 소정의 수준에 도달할 때 적외선을 반사하는 본 발명에 따라 생성된 복합 광결정을 사용하여 일광에 의한 표면 가열을 조절할 수 있다. 예를 들어, 상승된 온도에서 적외선을 반사하는 복합 광결정을 일광에 노출되는 건물 또는 차량 또는 다른 구조물들의 표면에 적용할 수 있다. 상기 구조물의 표면이 소정의 온도에서 도달하면, 상기 표면상의 복합 광결정의 회절 파장은 적외선을 반사하도록 이동한다. 냉각 시, 상기 회절 파장은 적외선이 더 이상 반사되지 않도록 다시 이동한다. 한편으로, 상기 밴드 갭을, 하부에 있는 구조물을 가열하기 위해서 표면에 도달하는 적외선이 상기 광결정을 통과하고 이에 의해 반사되지 않도록 조절할 수도 있다. 적외선이 하부에 있는 구조물에 도달하게 함으로써, 겨울 동안 상기 구조물의 표면상에 얼음이 형성되는 것을 방지하도록 상기 구조물을 가열할 수도 있다. 본 발명의 복합 광결정의 공극 내에 수용되는 충전제 조성물을, 상기 복합 광결정으로부터 반사되는 복사선의 밴드 갭이 상기 복합 광결정을 갖는 기재 상에 목적하는 효과를 갖도록, 예를 들어 적외선을 반사하거나 또는 적외선이 관통하여 또 다른 밴드 갭, 예를 들어 가시 복사선을 반사하도록 조절할 수도 있음은 물론이다.
하기에 상세히 나타내는 바와 같이, 상기 복합 광결정을 일시적인 지지체로서 작용하는 기재상에 또는 상기 복합 광결정의 목적하는 최종 용도인 기재상에 생성시킬 수 있다. 일시적인 지지체란, 상기 기재가 본 발명의 복합 광결정의 생성을 지지하는데 사용되고, 후속으로 상기로부터 자립 형태, 예를 들어 자립 필름 또는 분쇄된 미립자 물질로 제거됨을 의미한다. 이어서 상기 복합 광결정의 필름 또는 상기 복합 광결정의 미립자를 또 다른 지지체에 적용하거나 또는 그의 궁극적인 최종 용도를 위한 조성물(예를 들어 코팅 조성물)에 첨가할 수도 있다. 상기 열 반응성 물질의 최종 용도 및 최종 형태는 본 발명에 개시된 것들로 제한되지 않는다.
기재
상기 기재는 가요성 물질, 예를 들어 금속 시트 또는 호일(예를 들어 알루미늄 호일), 종이, 또는 폴리에스터 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET)의 필름(또는 시트), 또는 비가요성 물질, 예를 들어 유리 또는 플라스틱일 수 있다. "가요성"은 상기 기재가 기계적 응력, 예를 들어 구부림, 신장, 압축 등을 현저한 비가역적인 변화 없이 겪을 수 있음을 의미한다. 하나의 적합한 기재는 미세다공성 시트이다. 미세다공성 시트의 일부 예가 미국 특허 제 4,833,172; 4,861,644; 및 6,114,023 호에 개시되어 있으며, 상기 특허들을 본원에 참고로 인용한다. 상업적으로 입수할 수 있는 미세다공성 시트는 피피지 인터스트리즈 인코포레이티드에 의해 테슬린(Teslin)(등록상표)이라는 명칭으로 판매된다. 다른 적합한 가요성 기재는 천연 가죽, 합성 가죽, 완성된 천연 가죽, 완성된 합성 가죽, 스웨드, 비닐 나일론, 에틸렌 비닐 아세테이트 폼(EVA 폼), 열가소성 유레탄(TPU), 유체-충전된 방광, 폴리올레핀 및 폴리올레핀 블렌드, 폴리비닐 아세테이트 및 공중합체, 폴리비닐 클로라이드 및 공중합체, 유레탄 탄성중합체, 합성 직물 및 천연 직물을 포함한다.
몇몇 실시태양에서, 상기 가요성 기재는 압축성 기재이다. "압축성 기재" 등의 용어는 압축성 변형을 겪고 일단 상기 압축성 변형이 멈추었으면 실질적으로 동일한 형상으로 되돌아갈 수 있는 기재를 지칭한다. 상기 "압축성 변형"이란 용어는 기재의 부피를 적어도 일시적으로 한 방향 이상으로 감소시키는 기계적 응력을 의미한다. 압축성 기재는 예를 들어 50% 이상, 예를 들어 70%, 75% 또는 80% 이상의 압축성 변형을 갖는 것이다. 압축성 기재의 특정 예는 공기, 액체 및/또는 혈장으로 충전된 폼 및 중합체성 방광을 포함하는 것들이다. "폼"은 개방형 폼 및/또는 폐쇄형 폼을 포함한 중합체성 물질 또는 천연 물질일 수 있다. "개방형 폼"은 상기 폼이 복수의 상호연결된 공기 챔버를 포함함을 의미하고; "폐쇄형 폼"은 상기 폼이 분리된 폐쇄된 기공을 포함함을 의미한다. 예시적인 폼은 비제한적으로 폴리스타이렌 폼, 폴리비닐 아세테이트 및/또는 공중합체, 폴리비닐 클로라이드 및/또는 공중합체, 폴리(메트)아크릴이미드 폼, 폴리비닐클로라이드 폼, 폴리유레탄 폼, 열가소성 유레탄 폼, 폴리올레핀 폼, 및 폴리올레핀 블렌드를 포함한다. 폴리올레핀계 폼은 비제한적으로 폴리프로필렌 폼, 폴리에틸렌 폼, 및 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA) 폼을 포함한다. "EVA 폼"은 개방형 폼 및/또는 폐쇄형 폼을 포함할 수 있다. EVA 폼은 편평한 시트 또는 평판 또는 성형된 EVA 폼, 예를 들어 신발 중창을 포함할 수 있다. 상이한 유형의 EVA 폼은 상이한 유형의 표면 다공성을 가질 수 있다. 성형된 EVA 폼은 치밀한 표면 또는 외피를 포함할 수 있는 반면, 편평한 시트 또는 평판은 다공성 표면을 나타낼 수 있다.
본 발명에 따른 폴리유레탄 기재는 방향족, 지방족 및 하이브리드(하이브리드 예는 실리콘 폴리에테르 또는 폴리에스터 유레탄 및 실리콘 카보네이트 유레탄이다) 폴리에스터 또는 폴리에테르-기재 열가소성 유레탄을 포함한다. "플라스틱"은 임의의 통상적인 열가소성 또는 열경화성 합성 물질, 예를 들어 열가소성 올레핀(TPO), 예를 들어 폴리에틸렌 및 폴리프로필렌 및 이들의 블렌드, 열가소성 유레탄, 폴리카보네이트, 시트 성형 화합물, 반응-사출 성형 화합물, 아크릴로나이트릴-기재 물질, 나일론 등을 의미한다. 특정한 플라스틱은 폴리프로필렌 및 EPDM(에틸렌 프로필렌 다이엔 단량체)을 포함하는 TPO이다.
상기 복합 광결정은 다양한 방식으로 물품에 적용시킬 수 있다. 하나의 실시태양에서, 상기 물질을 기재 상에 생성시키고 이어서 자립 필름으로서 상기 기재로부터 제거하거나 또는 미립자 형태, 예를 들어 박편의 형태로 분쇄시킨다. 상기 분쇄된 복합 광결정을 물품에 적용하기 위한 코팅 조성물 중에 첨가제로서 혼입시킬 수도 있다. 상기 분쇄된 복합 광결정을 함유하는 코팅 조성물에서 탁함을 최소화시키는 것이 이로울 수 있다. 감소된 탁함은 상기 매트릭스와 상기 복합 물질의 입자 간의 굴절률 차이를 감소시킴으로써 성취될 수 있다. 그러나, 상기 굴절률 차이의 감소는 일반적으로 굴절된 복사선의 강도를 감소시킨다. 따라서, 최소의 탁함을 원하고 굴절률 차이가 감소되는 경우, 상기 복합 광결정의 두께를 증가시킴으로써, 즉 상기 매트릭스와 입자의 굴절률이 서로 더 다른 물질에 비해, 상기 물질 중의 입자들의 층의 양을 증가시킴으로써 강도를 유지시킬 수 있다.
하나의 실시태양에서, 상기 복합 조성물은 "하드 코트", 예를 들어 알콕사이드를 포함한다. 상기 알콕사이드를 당해 분야에 공지된 다른 화합물 및/또는 중합체와 추가로 혼합하고/하거나 반응시킬 수 있다. 유기알콕시실란, 예를 들어 상기 식 내의 것을 적어도 부분적으로 가수분해시킴으로부터 형성된 실록산을 포함하는 조성물이 특히 바람직하다. 적합한 알콕사이드-함유 화합물의 예 및 이의 제조 방법이 미국 특허 제 6,355,189; 6,264,859; 6,469,119; 6,180,248; 5,916,686; 5,401,579; 4,799,963; 5,344,712; 4,731,264; 4,753,827; 4,754,012; 4,814,017; 5,115,023; 5,035,745; 5,231,156; 5,199,979; 및 6,106,605, 호(이들은 본 발명에 참고로 인용된다)에 개시되어 있다.
몇몇 실시태양에서, 상기 알콕사이드는 글리시독시[(C1-C3)알킬]트라이(C1-C4)알콕시실란 단량체 및 테트라(C1-C6)알콕시실란 단량체의 조합을 포함한다. 본 발명의 코팅 조성물에 사용하기에 적합한 글리시독시[(C1-C3)알킬]트라이(C1-C4)알콕시실란 단량체는 글리시독시메틸트라이에톡시실란, α-글리시독시에틸트라이메톡시실란, α-글리시독시에틸-트라이에톡시실란, β-글리시독시에틸트라이메톡시실란, β-글리시독시에틸트라이에톡시실란, α-글리시독시프로필트라이메톡시실란, α-글리시독시프로필트라이에톡시실란, β-글리시독시프로필트라이메톡시실란, β-글리시독시프로필트라이에톡시실란, γ-글리시독시프로필트라이메톡시실란, 이들의 가수분해산물, 및/또는 상기와 같은 실란 단량체들의 혼합물을 포함한다. 본 발명의 코팅 조성물 중의 글리시독시[(C1-C3)알킬]트라이(C1-C4)알콕시실란과 함께 사용될 수 있는 적합한 테트라(C1-C6)알콕시실란은 예를 들어 테트라메톡시실란, 테트라에톡시실란, 테트라프로폭시실란, 테트라부톡시실란, 테트라펜틸옥시실란, 테트라헥실옥시실란 및 이들의 혼합물과 같은 물질을 포함한다.
몇몇 실시태양에서, 본 발명의 코팅 조성물에 사용되는 글리시독시[(C1-C3)알킬]트라이(C1-C4)알콕시실란 및 테트라(C1-C6)알콕시실란 단량체는 0.5:1 내지 100:1, 예를 들어 0.75:1 내지 50:1, 및 일부의 경우에, 1:1 내지 5:1의 글리시독시[(C1-C3)알킬]트라이(C1-C4)알콕시실란 대 테트라(C1-C6)알콕시실란의 중량비로 존재한다. 몇몇 실시태양에서, 상기 알콕사이드는 상기 코팅 조성물의 다른 성분들, 예를 들어 중합체-내포된 색상-부여 입자와 배합 전에 적어도 부분적으로 가수분해된다. 상기와 같은 가수분해 반응은 미국 특허 제 6,355,189 호의 컬럼 3, 라인 7 내지 28에 개시되어 있으며, 상기 인용 부분을 본원에 참고로 인용한다. 몇몇 실시태양에서, 물을 상기 가수분해성 알콕사이드(들)의 가수분해에 필요한 양으로 제공한다. 예를 들어, 몇몇 실시태양에서, 물이 가수분해성 알콕사이드의 몰당 물 1.5 몰 이상의 양으로 존재한다. 몇몇 실시태양에서, 대기 수분이, 충분하다면, 적합하다.
몇몇 실시태양에서, 상기 가수분해 및 축합 반응을 촉매화하는 촉매를 제공한다. 몇몇 실시태양에서, 상기 촉매는 산성 물질 및/또는 화학 복사선에 노출 시 산을 발생시키는 산성 물질과 상이한 물질이다. 몇몇 실시태양에서, 상기 산성 물질을 유기산, 무기산, 및 이들의 혼합물로부터 선택한다. 상기와 같은 물질의 비제한적인 예는 아세트산, 폼산, 글루타르산, 말레산, 질산, 염산, 인산, 플루오르화수소산, 황산 또는 이들의 혼합물을 포함한다.
화학 복사선에 노출 시 산을 발생시키는 임의의 물질, 예를 들어 루이스산 및/또는 브론스테드산을 본 발명의 코팅 조성물 중의 가수분해 및 축합 촉매로서 사용할 수 있다. 산-발생 화합물의 비제한적인 예는 오늄 염 및 요오도실 염, 방향족 다이아조늄 염, 메탈로세늄 염, o-나이트로벤즈알데하이드, 미국 특허 제 3,991,033 호에 개시된 폴리옥시메틸렌 중합체, 미국 특허 제 3,849,137 호에 개시된 o-나이트로카비놀 에스터, 미국 특허 제 4,086,210 호에 개시된 o-나이트로페닐 아세탈, 그의 폴리에스터 및 단부-캡핑된 유도체, 설포네이트 에스터, 또는 상기 설포네이트 에스터 그룹에 대해 알파 또는 베타 위치에 카보닐 그룹을 함유하는 방향족 알콜, 방향족 아미드 또는 이미드의 N-설포닐옥시 유도체, 방향족 옥심 설포네이트, 퀴논 다이아지드, 및 쇄 중에 벤조인 그룹을 함유하는 수지, 예를 들어 미국 특허 제 4,368,253 호에 개시된 것들을 포함한다. 이들 복사선 활성화된 산 촉매의 예들이 또한 미국 특허 제 5,451,345 호에 개시되어 있다.
몇몇 실시태양에서, 상기 산-발생 화합물은 양이온성 광개시제, 예를 들어 오늄 염이다. 상기와 같은 물질의 비제한적인 예는 다이아릴요오도늄 염 및 트라이아릴설포늄 염을 포함하며, 이들을 사토머 캄파니(Sartomer Company)로부터 사르카트(SarCat)(등록상표) CD-1012 및 CD-1011로서 상업적으로 입수할 수 있다. 다른 적합한 오늄 염은 미국 특허 제 5,639,802 호, 컬럼 8, 라인 59 내지 컬럼 10, 라인 46에 개시되어 있다. 상기와 같은 오늄 염의 예는 4,4'-다이메틸다이페닐요오도늄 테트라플루오로보레이트, 페닐-4-옥틸옥시페닐 페닐요오도늄 헥사플루오로안티모네이트, 도데실다이페닐 요오도늄 헥사플루오로안티모네이트, [4-[(2-테트라데칸올)옥시]페닐]페닐 요오도늄 헥사플루오로안티모네이트, 및 이들의 혼합물을 포함한다.
본 발명의 코팅 조성물에 사용되는 촉매의 양은 광범위하게 다양할 수 있으며 사용되는 특정 물질에 따라 다를 수 있다. 오직 상기 가수분해 및 축합 반응을 촉매화하고/하거나 개시시키는데 필요한 양, 예를 들어 촉매화량만이 필요하다. 몇몇 실시태양에서, 상기 산성 물질 및/또는 산-발생 물질을 상기 조성물의 전체 중량을 기준으로 0.01 내지 5 중량%의 양으로 사용할 수 있다.
본 발명의 복합 광결정은 또한 마킹 기구, 예를 들어 유가 증서, 제조 물품 및 그의 포장재, 및 자격증 증서, 특히 위조방지 도안에 사용할 수 있다. 유가 증서의 예는 화폐, 신용 카드, 일치 증명서, 수집 대상품 및 트레이딩 카드, 증서, 서적 또는 등록서류(예를 들어 자동차), 일치 데칼, 티켓(예를 들어, 여행, 이벤트 또는 주차), 납세 증지, 코인, 우표, 수표 및 송금 수표, 편지지, 복권, 칩 및/또는 토큰, 통제 품목(예를 들어 증거), 열쇠 카드, 열쇠, 배송 추적 품목, 및 바코드의 일부를 포함한다. 제조 물품 또는 제조 물품의 포장재는 비행기 부품, 자동차 부품, 예를 들어 차량 확인 번호, 약품 및 개인 위생 용품, 기록 매체, 의복 및 신발, 전자 장치, 배터리, 안과 기구, 알콜, 식품, 인쇄 잉크 및 인쇄 소모품, 필기 도구, 사치품, 예를 들어 여행 가방 및 핸드백, 스포츠 상품, 소프트웨어 및 소프트웨어 포장재, 탬퍼 봉인, 미술품(원작 포함), 건설 재료, 군수품, 장난감, 연료, 산업 장비, 생물학적 물질 및 생활 상품, 보석류, 서적, 골동품, 안전 품목(예를 들어 소화기 및 여과 기구), 카펫 및 다른 가구류, 화학물질, 의료 기구, 도료 및 코팅제, 및 창문 및 슬라이드를 포함할 수 있다. 본 발명의 복합 광결정을 함유할 수도 있는 자격증의 예는 운전 면허증, 인식 카드(정부, 법인, 및 교육), 여권, 비자, 결혼 증명서, 병원 팔찌 및 면허장을 포함한다. 이들 예는 제한임을 의미하는 것이 아니며 단지 본 발명의 복합 광결정을 함유할 수도 있는 기구의 추출 견본이다. 상기와 같은 용도는 제한임을 의미하는 것이 아니다.
또한, 상기 복합 광결정은 필름의 형태로 생성시킬 수 있으며, 이어서 이를 물품에, 예를 들어 접착제 등을 통해 적용한다.
한편으로, 상기 물품 자체를, 상기 복합 광결정을 상기 물품의 틀, 예를 들어 전자 장치의 틀에 직접 적용하거나, 또는 운동 장비, 액세서리, 광학 렌즈, 광학 프레임, 신발을 포함한 의복 등과 같은 상품에 직접 적용함으로써 기재로서 사용할 수 있다.
본 발명의 복합 광결정을 사용하여 물품을 인증할 수도 있다, 예를 들어 증서 또는 기구를 인증하거나 또는 제작된 제품의 출처를 밝힐 수도 있다. 본 발명의 복합 광결정을 갖는 증서, 예를 들어 보안 카드는 상기 열 반응성 물질을 갖는 물품이 그의 성질, 예를 들어 온도 변화에 대한 반응성을 나타내는 경우 믿을 만한 것으로 간주될 것이다. "보안 카드"는 상기 카드 지참인의 신원을 인증하거나 또는 시설로의 출입을 허용하는, 예를 들어 배지 형태의 증서 또는 기구를 포함한다. 상기 보안 카드는 상기 카드(예를 들어 사진-인식 카드 또는 여권) 지참자의 신원을 밝히거나 또는 상기 카드 지참자의 보안 시설로의 출입이 허용됨을 가리키는 증서 또는 기구로서 작용할 수 있다. 예를 들어 믿을 만한 것으로 보이는 보안 카드를 특정 온도에서 특정 파장의 복사선을 회절시키는 성질을 갖는지에 대해 시험할 수 있다. 위조 보안 카드는 상기 성질을 나타내지 못할 것이다. 마찬가지로, 본 발명의 열 변환가능한 물질을 갖는 포장재에 제공된 품목(예를 들어 약품)의 소비자는 상기 포장재를 온도 변화에 대한 그의 열 반응성 성질의 반응을 시험함으로써 그의 확실성을 시험할 수 있다. 적합하게 반응하지 않는 포장재는 위조인 것으로 간주될 것인 반면, 상기 성질을 나타내는 포장재는 믿을 만한 것으로 간주될 것이다. 다른 소비자 상품들은 예를 들어 제조된 제품(예를 들어 전자 장치)의 틀 위에 또는 의복 물품(예를 들어 신발)의 표면 위에, 본 발명의 복합 광결정을 포함할 수도 있다. 이러한 인증용 물품의 예 및 상기 물품에 적용된 본 발명의 물질에 의한 온도 반응은 제한임을 의미하지 않는다. 인증용 물품은 온도 반응을 나타내는 복합 광결정을 포함할 수 있으며, 이는 상기 물품의 확실성에 대한 지표로서 사용될 수 있다.
상기 복합 광결정은 다층 구조물 중에서 코팅 조성물로 적어도 부분적으로 추가로 피복될 수도 있다. 하나의 실시태양에서, 상기 복합 광결정은 상술한 "하드 코트" 코팅 조성물로 코팅된다. 또 다른 실시태양에서, 상기 복합 광결정은, 예를 들어 다층의 반사 방지 단에서, 반사 방지 코팅층으로 코팅된다. 상기 반사 방지 코팅층은 스퍼터링에 의해 침착된 유전 물질, 예를 들어 금속 산화물, 예를 들어 Zn2SnO4, In2SO4, SnO2, TiO2, In2O3, ZnO, Si3N4, 및/또는 Bi2O3로 형성될 수도 있다.
하기의 실시예들은 본 발명의 일반적인 원리를 설명하기 위해 제공된다. 본 발명은 제공된 특정한 실시예들로 제한되는 것으로 간주해서는 안 된다. 모든 부는 달리 나타내지 않는 한 중량 기준이다.
실시예
실시예 1
수중 폴리스타이렌 입자의 분산액을 하기 과정을 통해 제조하였다. 2.5 그램(g)의 나트륨 바이카보네이트(알드리치 케미칼 캄파니 인코포레이티드(Aldrich Chemical Company, Inc.)로부터)를 2250 g의 탈이온(DI)수 및 150 g의 에틸렌 글리콜(알드리치 케미칼 캄파니 인코포레이티드로부터 입수할 수 있다)과 혼합하고, 열전쌍, 가열 맨틀, 교반기, 환류 냉각기 및 질소 유입구가 구비된 5-리터 반응 케틀에 가하였다. 상기 혼합물을 43 분간 교반하면서 질소를 살포하고, 이어서 질소로 덮었다. 25 g의 DI 수 중의 10.5 그램의 에어로졸(Aerosol) MA80-I(사이텍 인더스트리즈 인코포레이티드(Cytec Industries, Inc.)로부터) 및 4.0 g의 브리즈(Brij) 35(폴리옥시에틸렌(23) 라우릴 에테르)(알드리치 케미칼 캄파니 인코포레이티드로부터), 1.0 g의 나트륨 스타이렌 설포네이트(SSS)(알드리치 케미칼 캄파니 인코포레이티드로부터)를 상기 혼합물에 교반하면서 가하였다. 상기 혼합물을 가열 맨틀을 사용하여 대략 50 ℃로 가열하였다. 알드리치 케미칼 캄파니 인코포레이티드로부터 입수할 수 있는 스타이렌 단량체(520 g)를 교반하면서 상기 반응 케틀에 가하였다. 상기 혼합물을 65 ℃로 가열하였다. 나트륨 퍼설페이트(알드리치 케미칼 캄파니 인코포레이티드로부터)(72 g의 DI 수 중의 6.25 g)를 상기 혼합물에 교반하면서 가하였다. 교반 하에서, 상기 온도를 6 시간 동안 대략 65 ℃에서 유지시켰다. DI 수(450 g), 브리즈 35(1.5 g), 나트륨 퍼설페이트(1.5 g), 스타이렌(100 g), 메틸 메트아크릴레이트(100 g) 및 나트륨 스타이렌 설포네이트(1.6 g)(모두 알드리치 케미칼 캄파니 인코포레이티드로부터 입수할 수 있다)의 혼합물을 상기 반응 혼합물에 교반하면서 가하였다. 상기 혼합물의 온도를 대략 추가로 2 시간 동안 65 ℃에서 유지시켰다. 생성되는 중합체 분산액을 1-마이크론 필터 주머니를 통해 여과하였다. 이어서 상기 중합체 분산액을 2.41-인치 폴리비닐리딘 플루오라이드 멤브레인을 갖는 4-인치 한외여과 틀(이들 모두 PTI 어드밴스드 필트레이션 인코포레이티드(PTI Advanced Filtration, Inc.)(미국 캘리포니아주 옥스나드 소재)로부터)을 사용하여 한외여과하고 초당 대략 170 ㎖의 유량으로 연동 펌프를 사용하여 펌핑하였다. 3000 g의 한외여과물을 제거한 후에 DI 수(2985 g)를 상기 분산액에 가하였다. 이러한 교환을, 11349 g의 한외여과물이 11348 g의 DI 수로 대체될 때까지 수 회 반복하였다. 이어서 추가적인 한외여과물을, 상기 혼합물의 고체 함량이 44.8 중량%가 될때까지 제거하였다. 상기 물질을 슬롯-다이 코터(프론티어 인더스트리얼 테크놀로지 인코포레이티드(Frontier Industrial Technology, Inc.)(미국 펜실베니아주 토완다 소재)로부터)를 통해 2 밀 두께의 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 기재에 적용하고 40 초간 180 ℉에서 대략 10 마이크론의 건조 두께로 건조시켰다. 상기 생성 물질은 캐리(Cary) 500 분광광도계(배리안 인코포레이티드(Varian, Inc.)로부터)로 측정된 657 ㎚에서의 빛을 회절시켰다.
실시예 2
자외선 경화성 유기 조성물을 하기의 과정을 통해 제조하였다. 다이페닐(2,4,6-트라이메틸벤조일)포스핀옥사이드/2-하이드록시-2-메틸-프로피오페논(0.05 g)을 2 g의 CN4000, 지방족 메탄 아크릴레이트(사토머 캄파니 인코포레이티드(미국 펜실베니아주 엑스톤 소재)로부터)와 혼합하였다. 이어서 상기 UV 경화성 조성물을 드로우다운(drawdown) 막대를 사용하여 실시예 1로부터의 물질에 적용하였다. 상기 코팅된 물질을 1 밀 두께의 PET 필름(커버시트) 조각으로 피복한 후에 100 W 수은 램프로 30 초간 UV 경화시켰다. 생성 필름을 24 시간 동안 톨루엔 중에 담가 상기 폴리스타이렌 입자를 제거하고 이어서 실온에서 건조시켜 경화된 매트릭스 중에 주기적인 공극들의 배열을 갖는 역 오팔 구조물을 생성시켰다.
상기 역 오팔 중의 공극을 다이페닐(2,4,6-트라이메틸벤조일)포스핀 옥사이드/2-하이드록시-2-메틸-프로피오페논(0.05 g), 스테아릴 아크릴레이트(2 g SR257) 및 폴리에틸렌 글리콜(400) 다이메트아크릴레이트(0.04 g, SR603)(이들 모두 사토머 캄파니 인코포레이티드(미국 펜실베니아주 엑스톤 소재)로부터)의 혼합물로 침윤시켰다. 상기 충전된 역 오팔을 100 W 수은 램프로 30 초간 UV 경화시켰다. 상기 생성 필름의 회절의 온도 반응을 도 1에 도시한다. 상기 온도가 10 ℃에서 30 ℃로 변할때, 상기 회절 파장은 604 ㎚에서 647 ㎚로 적색-이동하였다. 냉각 시, 상기 회절 파장은 604 ㎚로 가역적으로 복귀하였다.
본 발명의 바람직한 실시태양들을 상기에 개시하지만, 본 발명의 진의 및 범위로부터 벗어나지 않으면서 본 발명의 명백한 변화 및 변경을 수행할 수 있다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구의 범위 및 이의 등가물에서 정의된다.

Claims (20)

  1. (i) 정렬된 공극들의 배열을 한정하는, 경화 또는 가교된 매트릭스 물질을 포함하는 역 오팔(inverse opal) 구조물; 및
    (ii) 상기 공극 내의 주기적인 배열의 중합된 충전제 조성물
    을 포함하는 복합 광결정으로서,
    상기 중합된 충전제 조성물의 성질이 자극에 반응하여 변하고, 이에 의해 상기 복합 광결정에 의해 반사되는 복사선의 밴드 갭이 변하는 복합 광결정.
  2. 제 1 항에 있어서,
    중합된 충전제 조성물이 온도 변화에 반응성인 복합 광결정.
  3. 제 2 항에 있어서,
    중합된 충전제 조성물이 온도 변화에 반응하여 상 변화를 겪는 복합 광결정.
  4. 제 3 항에 있어서,
    중합된 충전제 조성물이 측쇄 결정성 중합체를 포함하는 복합 광결정.
  5. 제 4 항에 있어서,
    측쇄 결정성 중합체가 8 개 이상의 탄소 원자의 선형 알킬 측쇄를 갖는 아크릴 중합체를 포함하는 복합 광결정.
  6. 제 2 항에 있어서,
    중합된 충전제 조성물이 온도 변화에 반응하여 전도도가 변하는 복합 광결정.
  7. 제 2 항에 있어서,
    매트릭스 물질과 중합된 충전제 조성물 간의 굴절률 차이가 온도 변화에 반응하여 변하는 복합 광결정.
  8. 제 2 항에 있어서,
    중합된 충전제 조성물이 온도 변화에 반응하여 팽창하는 복합 광결정.
  9. (i) 정렬된 공극들의 배열을 한정하는, 경화 또는 가교된 매트릭스 물질을 포함하는 역 오팔 구조물; 및 (ii) 상기 공극 내의 주기적인 배열의 중합된 충전제 조성물을 포함하되, 상기 중합된 충전제 조성물의 성질이 온도 변화에 반응하여 변하는, 복합 광결정을 제공하고;
    상기 복합 광결정의 온도를 변화시키고;
    상기 복합 광결정의 광 밴드 갭의 변화를 검출함
    을 포함하는 온도 변화의 검출 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    중합된 충전제 조성물이 복합 광결정의 온도 변화에 반응하여 상 변화를 겪는 검출 방법.
  11. 제 9 항에 있어서,
    중합된 충전제 조성물이 측쇄 결정성 중합체를 포함하는 검출 방법.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 변화의 검출이 복합 광결정에 의해 반사된 복사선의 강도 변화를 검출하는 것을 포함하는, 검출 방법.
  13. 제 9 항에 있어서,
    변화의 검출이 복합 광결정에 의해 반사된 복사선의 파장 변화를 검출하는 것을 포함하는, 검출 방법.
  14. 제 1 항의 복합 광결정을 기재의 표면의 적어도 일부에 적용하고;
    상기 복합 광결정을 갖는 기재 표면을 노출 온도에서 복사선에 노출시켜, 상기 복합 광결정이 노출 온도에서 복사선의 파장 밴드를 반사하도록 함
    을 포함하는, 표면에 의해 반사된 복사선의 파장 조절 방법.
  15. 제 13 항에 있어서,
    반사된 파장 밴드가 적외선을 포함하는 검출 방법.
  16. 제 13 항에 있어서,
    반사된 파장 밴드가 가시 복사선을 포함하는 검출 방법.
  17. 온도 반응성 복합 광결정의 제조 방법으로서,
    그 안에 주기적인 배열의 공극들을 갖는, 경화 또는 가교된 매트릭스 물질을 포함하는 역 오팔 구조를 생성시키고;
    상기 공극을 중합성 충전제 조성물로 충전하고;
    상기 중합성 충전제 조성물을 중합시킴
    을 포함하되, 이때 중합된 충전제 조성물의 성질이 온도 변화에 반응하여 변하고, 이에 의해 상기 복합 광결정에 의해 반사된 복사선의 밴드 갭이 변하는 제조 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    중합된 충전제 조성물이 온도 변화에 반응하여 상 변화를 겪는 제조 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    중합성 충전제 조성물이 측쇄 결정성 중합체를 포함하는 제조 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    중합성 충전제 조성물이 UV 경화성인 제조 방법.
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