KR101787767B1 - 게스트-호스트 아키텍처를 포함하는 열적으로 스위칭되는 광학 필터 - Google Patents

게스트-호스트 아키텍처를 포함하는 열적으로 스위칭되는 광학 필터 Download PDF

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리차드 엠. 파워즈
윌 맥카시
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Abstract

감온변색 필터(200)는, 온도에 의해 그들 자체가 영향을 받는 캐리어 재료(200)에 의해 그들의 배향, 정렬 또는 방향자가 영향을 받는, 흡수, 반사 또는 형광 염료, 분자, 폴리머, 입자, 로드, 또는 다른 배향-의존 안료(201)를 사용하여 구성된다. 이러한 정렬-영향 캐리어 재료(202)는 감온변성 액정을 포함하고, 이 액정은 낮은 온도에서의 액정 상태에서 게스트-호스트 시스템 내의 염료 및 폴리머에 배향을 제공하고, 높은 온도에서의 등방성 상태에서 이러한 정렬을 제공하지 않는다. 흡수, 반사 또는 형광 입자들이 두 개의 상태에서 광과 상호 작용하는 가변 정도는 감온변색 필터의 많은 변화를 만드는데 이용될 수 있다. 감온변색 필터는 선택적인 반사, 투과, 흡수 및/또는 재발산을 통해 광의 유동 및 복사열을 제어할 수 있다. 필터는 특히 구조재 및 건물과 차량 표면과 같은, 패시브 또는 액티브 광-조절 및 온도-조절 필름, 재료 및 장치에 특정한 용도를 갖는다.

Description

게스트-호스트 아키텍처를 포함하는 열적으로 스위칭되는 광학 필터{THERMALLY SWITCHED OPTICAL FILTER INCORPORATING A GUEST-HOST ARCHITECTURE}
발명자
리차드 엠. 파워스(미국 콜로라도주 레이크우드)
윌 맥캐시(미국 콜로라도주 레이크우드)
관련 출원에 대한 교차 참조
본 출원은 미국특허법[35 U.S.C. § 119(e)]에 따라 발명의 명칭을 "큰 투사 거리의 열반사 및 열흡수 필터(Large throw thermoreflective and thermoabsorptive filters)"로 하여 2009년 4월 10일 출원된 미국 특허 가출원 제61/168,513호와, 발명의 명칭을 "열적으로 스위칭되는 광학 필터(Thermally switched optical filter)"로 하여 2009년 11월 17일 출원된 미국 특허 가출원 제61/262,024호와, 발명의 명칭을 "게스트-호스트 아키텍처를 포함하는 열적으로 스위칭되는 광학 필터(Thermally switched optical filter incorporating a guest-host architecture)"로 하여 2010년 1월 19일자로 출원된 미국 특허 가출원 제61/296,127호와, 발명의 명칭을 "게스트-호스트 아키텍처를 포함하는 열적으로 스위칭되는 광학 필터(Thermally switched optical filter incorporating a guest-host architecture)"로 하여 2010년 1월 29일자로 출원된 미국 특허 가출원 제61/299,505호의 우선권을 청구하며, 이들 출원들은 PCT 규칙 제20.6조를 목적으로 그 전체가 참조로서 본원에 포함된다.
또한, 본 출원은 발명의 명칭을 "열적으로 스위칭되는 반사 광학 셔터(Thermally switched reflective optical shutter)"로 하여 2008년 7월 11일 출원된 미국 특허 출원 제12/172,156호, 발명의 명칭을 "열적으로 스위칭되는 흡수 창 셔터(Thermally switched absorptive window shutter"로 하여 2008년 12월 19일 출원된 미국 특허 출원 제12/340,552호, 발명의 명칭을 "열적으로 스위칭되는 광학 다운컨버팅 필터(Thermally switched optical downconverting filter)"로 하여 2008년 1월 24일 출원된 미국 특허 출원 제12/019,602호, 발명의 명칭을 "나노스케일 와이어 그리드를 포함하는 낮은 방사율 창 필름 및 코팅(Low emissivity window films and coatings incorporating nanoscale wire grids)"으로 하여 2008년 9월 19일 출원된 미국 특허 출원 제12/234,383호, 발명의 명칭을 "반사 및 열반사 표면의 섬광 관리(Glare management of reflective and thermo reflective surfaces)"로 하여 2009년 4월 23일 출원된 미국 특허 출원 제12/429,092호, 발명의 명칭을 "운송 용기로서의 절연 유리 유닛(Insulating glass unit as shipping container)"으로 하여 2009년 7월 2일 출원된 미국 특허 출원 제12/497,365호, 발명의 명칭을 "감온변색 필터 제조 방법(Methods for fabricating thermochromic filters)"으로 하여 2009년 8월 20일 출원된 미국 특허 출원 제12/545,051호, 및 발명의 명칭을 "광학적 메타폴라라이저 장치(Optical metapolarizer device)"로 하여 2009년 6월 19일 출원된 미국 특허 출원 제12/488,515호와 관련되며, 이들 각각의 기재는 그 전체가 참조로써 본원에 포함된다.
1. 기술 배경
본 기술은 광의 선택적 흡수 또는 반사를 통해 광의 복사열 및 흐름을 제어하는 장치에 관한 것이다. 본 기술은 특히 구조 재료로서, 패시브 또는 액티브 광-조절 및 온도-조절 필름, 재료 및 장치의 특정 용도를 갖지만, 이에 제한되지 않는다.
2. 관련 기술의 설명
예컨대, 미국 특허 제7,042,615호(리차드손)에 개시되어 있는 가역적 금속 하이브리드 및 금속 리시드 화학을 기초로 하는 스위칭 가능한 거울들이 존재한다. 재충전 가능한 배터리와 화학적으로 연관되는 이러한 스위칭 가능한 거울들은 전기장의 영향 하에서 배터리를 가로지르는 이온의 물리적 이동에 의존할 수 있으며, 그로 인해 제한된 스위칭 속도 및 사이클 수명을 가질 수 있다. 또한, 하나 이상의 반사 편광기(polarizers)와 액정을 조합하는 전기적으로 작동되는 "광 밸브(light valves)가 예컨대, 미국 특허 제6,486,997호(브루존 외)에 개시되어 있다. 이러한 장치에서, 액정은 전기장의 영향하에서 통전변성 편광 소멸기(electrotropic depolarizer), 즉 관통하는 광의 편광(polarity)을 가변적으로 변경 또는 회전시키는 수단으로 통상적으로 작용한다. 이러한 장치들의 주요 용도가 비디오 디스플레이, 비디오 투영기 및 진보된 광학장치이기 때문에, 그 방식이 거의 설명되지 않지만, 이러한 장치들 중 일부는 스위칭 가능한 거울들로 간주될 수 있다.
편광기를 필요로 하지 않지만 확산 전방 산란기(diffusive forward scatterer) 또는 확산 반사기인 스위칭 가능한 전기 광 밸브도 존재한다. 이는 액정 자체가 반사, 확산 또는 전방 산란 모드 및 더욱 투과적인 모드와 함께, 이 용례에서 다른 반사 대역을 갖는 반사기[브래그(Bragg) 반사기 또는 DBR을 포함하지만 이에 제한되지 않음]로서 작용할 수 있기 때문이다. 이들은 폴리머 분산식 액정(PDLC) 디스플레이, 콜레스테릭(cholesteric) 액정 디스플레이(Ch-LCD), 헤일미어(Heilmeier) 디스플레이 및 게스트-호스트 디스플레이를 포함한다. PDLC는 다른 재료에 매립되는 액정 비말(iquid crystal droplet)의 굴절률이 전기적으로 변화되어, 일 모드에서의 광이 다른 모드의 광보다 더 많이 산란하게 되는 통전변색(electrochromic device) 장치이다. Ch-LCD는 2개의 안정 상태, 반사 평면 및 초점 원뿔(focal conic) 구조를 갖는다. 반사 평면 구조는 브래그 반사 조건이 만족되는 경우에, 광을 반사하여, 하나의 원형 편광에 대한 브래그 반사기로 작용하고 동시에 반사 초점 원뿔(reflective focal conic)은 더 많은 광을 투과한다.
게스트-호스트 디스플레이로 불리는 광학적 구조는 액정 내에 분산되어 있는 염료(dye)를 일반적으로 사용하며, 이 염료는 다른 배향에 있을 때보다 일 배향에 있을 때 더 많은 광을 흡수한다. 염료의 배향은 액정의 배향에 따라 결정되므로, 액정의 배향은 인듐 주석 산화물과 같은 투명 전도층을 통해 통상적으로 인가되는 전압에 의해 생성되는 전기장을 사용하여 결정된다. 이러한 장치는 또한 하나 이상의 편광기를 사용한다. 특히, 포지티브 및 네거티브 이색성(다색성 및 네거티브 이색성) 염료가 존재하며, 이 염료는 분자의 상이한 축들을 따라 광을 개별적으로 흡수한다.
폴리머 안정화 액정은 프리폴리머와 액정이 혼합되고 프리폴리머가 폴리머화될 때 생성되며, 특히 액정의 배향을 설정 또는 보강할 때 생성된다. 다양한 방식 및 농도(concentration)으로 만곡되는 프리폴리머와 혼합되는 액정은 많은 용어 중에서 특히, 폴리머 안정화, 폴리머 네트워크, 폴리머 강화, 및 폴리머 분산으로 문헌에 개시되어 있다. 이러한 기술은 예컨대, 온도 변화의 영향 하에서 액정[예컨대, 메르크(Merck) E7, E48 또는 E31] 및 프리폴리머[예컨대, 놀랜드(Norland) NOA77 또는 78 광학 접착제]의 상 분리를 통해 기재 필름들 사이에 형성되는 폴리머 강화 액정 장치, 구체적으로는 전기적으로 작동되는 디스플레이 장치를 개시한 사티엔드라 등의 미국 특허 제7,355,668호에서와 같은 종래 기술에 개시되어 있다. 프리폴리머 및 액정은 LC의 투명점 온도보다 높은 온도에서 혼합된 후, 액정 재료 내에서 폴리머 네트워크를 분리, 폴리머화 및 고체화하기 위해 투명점보다 낮은 온도에서 냉각된다.
더욱 최근에는 파워스 등의 미국 특허 출원 제12/172,156호에, 감온변성(thermotropic) 액정 셔터(가 개시되었으며, 이 출원에서 감온변성 액정은 2개의 교체(crossed) 편광기 사이에 배치되어, 액정은 일 온도 상태에서 유입 광의 편광을 회전시켜 단일 편광기의 광 투과, 흡수 및 반사 성질을 가능하게 하는 비틀린 네마틱 웨이브블록(twisted nematic waveblock)을 형성하는 반면에, 액정은 다른 온도 상태에서 등방성 상태이어서, 유입 광의 편광 상태에 영향을 주지 않는다. 장치는 2개의 교차 편광기의 광학적 성질을 가져서, 입사 광의 더욱 낮은 투과와 더욱 높은 흡수 또는 반사를 가능하게 한다. 본원에서 인용되는 모든 참조 문헌과 그에 대한 모든 설명 또는 논의를 포함하는, 본원의 배경 기술에 포함되는 정보는 단지 기술적 참조 목적으로 포함된 것이며, 본 발명의 범주를 결정하는 발명의 요지로서 간주되지 않을 것이다.
본원에 개시된 기술은 외부 날씨 상태, 내부 온도 또는 이 둘의 임의의 조합을 기초로 구조물(예컨대, 창, 빌딩 또는 차량)로의 열의 유동을 조절할 목적으로 태양 스펙트럼의 전체 범위까지를 포함하는 복사 에너지(radiant energy)(예컨대, 가시광, UV광 및 적외광)과 관련된 투과성, 반사성 또는 흡수성에 대한 온도계 제어(temperature based control)에 관한 것으로서, 이는 복사 에너지를 상기한 목적에 유용하게 하는 온도 범위에 걸쳐 반응한다. 이러한 기술은 특히, 감온변성 캐리어 재료(예컨대, 감온변성 액정)의 구조, 상(phase) 또는 정렬에서, 특히 온도-유도식 변화에 의해 초래되는 광 에너지의 온도-반응식 투과, 흡수 또는 반사를 갖는 장치이며, 감온변성 캐리어 재료는 광과 상호 작용하는 하나 이상의 포함된 성분[예컨대, 반사 또는 흡수 염료, 폴리머 또는 무기 마커(marker)]에 대해 온도-의존 정렬을 제공하며(또는 온도-의존 정렬을 유도하며), 이는 본원에서 "배향-의존 안료"(ODC)로 지칭된다. 액정 장치와의 관용적 사용과 유사하게, 소정 온도 상태에서의 감온변성 캐리어 재료의 특정한 국부적 공간 배향 특성은 "방향자"로 공지될 것이다. 특정한 감온변성 캐리어 재료(예컨대, 감온변성 액정)는 본원에 개시된 실시예의 성분으로 사용될 때 상이한 온도 상태에서 둘 이상의 이산 방향자 또는 방향자의 유사 범위를 나타낼 수 있다.
예컨대, 일 온도에서 감온변성 캐리어 재료는 감온변성 캐리어 재료 내에 부유 또는 용해되는 하나 이상의 포함된 ODC(흡수, 반사 또는 형광 분자, 염료, 입자, 로드, 폴리머 체인 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있음) 내의 상당한 정렬을 유도할 수 있는 반면에, 제2 온도에서는 이러한 ODC에 대해 선호되는 방향자를 거의 또는 전혀 제공하지 않을 수 있다. 포함된 성분들이 제2 온도에서보다 제1 온도에서 광과 덜 반응하도록 제1 온도와 관련된 방향자가 선택되면, 투과, 흡수 및 형광과 같은 광학 성질은 두 온도에서 상이하게 될 것이다. 흡수, 반사 또는 투과의 효율은 주파수 의존 효율이 그러하듯이 포함된 ODC 재료의 선택을 통해 변경될 수 있다. ODC 재료의 선택은 경계치 온도 위 아래에서 또는 심미적, 에너지 관리 또는 다른 이유에 바람직한 온도의 선택된 범위에 대해 반사, 흡수 및 투과의 파장 범위 및 백분율에 영향을 미치는데 사용될 수 있다.
또한, 포함된 ODC 재료가 반사적이면, 장치는 포함된 재료의 배향의 분포로 인해 확산적으로 반사적일 수 있다. 이러한 기술은 표면 제조를 위한 섬광 감소 방법과 같은 특정한 용례를 갖지만 이에 제한되지 않는다. 반사의 효율, 공간 분포, 대역폭 및 중심 파장은 감온변성 캐리어 재료의 영향 하에서 ODC의 배향이 변함에 따라 변경될 수 있다. 반사 ODC 재료의 예는 박편(flake), 와이어, 로드, 입자 또는 필라멘트를 포함한다. 이들은 금속으로 구성될 수 있거나, 백색이거나 또는 유색의 반사적인 폴리머 또는 무기 세라믹형 재료로 구성될 수 있거나, 감온변성 캐리어 재료의 것과 상당히 부정합하는 굴절률을 갖지만 투명한 폴리머 또는 무기 세라믹형 재료로 구성될 수 있거나, 전기 전도성 성질로 인해 본질적으로 반사적인 폴리머 체인(예컨대, 폴리아세틸렌)으로 구성될 수 있거나, 관련된 재료들 또는 이들의 임의의 조합으로 구성될 수 있다.
이러한 기술은 광 에너지의 통과를 조절하는 하나 이상의 편광화 필터와 함께 작동하는 온도 반응식 광학적 편광 소멸기(예컨대, 감온변성 액정)와 유사한 기능으로 작동하는 장치의 일부로서 채용될 수도 있다. 포함된 재료 내에 제공 또는 유도되는 정렬은 일 온도에서 (투과 또는 반사에 있어서) 편광화할 수 있으며, 다른 온도에서는 덜 편광화하거나 또는 전혀 편광화하지 않을 수 있다. 이러한 장치를 통과하는 입사 에너지들은 따라서 사용되는 편광기와 ODC 모두의 반사 및 흡수 효율에 의존할 것이다. 예컨대, ODC가 일 온도에서 기능적으로 효율적인 편광기가 되도록 그리고 이러한 동일 편광을 투과시키는 효과적인 제2 편광기와 쌍을 이루도록 유도되면, 입사 복사 에너지의 절반이 장치를 통과한다. 하지만, 온도 변화가 ODC의 정렬을 감소시켜, ODC가 두 편광 모두의 투과를 차단하게 되면, 장치를 투과하는 광의 양은 그에 따라 마찬가지로 변경될 수 있다. 낮은 효율의 편광기 또는 주파수 의존 효율을 갖는 ODC 및 편광기는 경계치 온도 위 아래에서 또는 심미적, 에너지 관리 또는 다른 이유에 바람직한 온도의 선택된 범위에 대해 반사, 흡수, 및 투과의 백분율에 영향을 미치도록 선택될 수 있다. 이러한 효과는 장치가 고온 상태 또는 저온 상태에서 덜 투과적이도록 될 수 있거나, 또는 장치의 투과성이 투명한 상태에서 더욱 높도록 팽창될 수 있다. 각도 의존 광학 효과도 존재할 수 있다.
또한, 감온변성 캐리어 재료는 상이한 온도에서 캐리어 재료 내에 부유 또는 용해되는 하나 이상의 포함된 ODC(흡수, 반사 또는 형광 분자, 안료, 입자, 로드, 폴리머 또는 이들의 조합) 내의 상이한 양의 정렬(order)을 유도할 수 있다. 예컨대, 감온변성 캐리어 재료 및 임의의 연관된 정렬 층 또는 구조는, 제공된 정렬의 양이 온도가 증가함에 따라 감소될 수 있도록 선택될 수 있다. 포함된 성분이 온도가 증가함에 따라 광과 더욱 많이 상호 작용하도록 ODC와 연관된 방향자가 선택된다면, 그 결과 투과, 흡수 및 형광과 같은 광학적 성질은 온도가 증가함에 따라 변경될 것이다. 대안적으로, 특히, 포함된 ODC가 높은 온도에서보다 낮은 온도에서 광과 더욱 많이 상호 작용하거나 또는 제공되는 정렬이 온도 증가와 함께 증가될 수 있도록 방향자가 선택될 수 있다. 이러한 장치는 예컨대, 본원에 참조로서 포함되는 알렉산더 브이. 이바쉬첸코의 "액정 디스플레이용 이색성 염료"와 에스. 찬드라세카르의 "액정"(제2 판)에 개시된다. 또한, 이러한 효과는 전술된 바와 같이 정렬이 일 온도에서 존재하고 제2 온도에서는 존재하지 않거나 또는 소정의 온도에서 또는 온도 범위에 걸쳐 급격하게 변화하는 다른 효과, 또는 온도 히스토리를 기초로 소정의 온도에 대한 상이한 정렬을 갖는 것과 같은 다른 효과[예컨대, 과냉각 또는 자기 이력(hysteresis) 효과]와 조합될 수 있다. 상이한 방향자에 대한 흡수, 반사 또는 투과 반응의 효율은 파장 의존 효과가 그러할 수 있는 것과 마찬가지로 ODC 재료의 선택을 통해 변경될 수 있다. 재료의 선택은 경계치 온도 위 아래에서, 또는 심미성, 에너지 관리 또는 다른 이유에 바람직한 소정의 선택된 범위의 온도에 대해서 반사, 흡수 및 투과의 파장 및 백분율에 영향을 주는데 사용될 수 있다.
이 기술은 투명 및 불투명 프라이버시형 모드 모두를 나타내는 창 또는 창 필터를 생성하기 위해 상술된 바와 같은 정반사 및 확산성 광학 효과 모두를 채용할 수 있으며, 다양한 방식으로 UV 대역, 가시 대역 또는 IR 대역에서 반사된 태양 에너지의 집중을 방지한다. 이러한 기술은 다양한 온도에서 다양한 방식으로 광의 다양한 편광 및 파장 범위를 확산적으로 또는 정반사적으로(specularly) 흡수, 반사 또는 투과하는데 사용될 수 있어서, 특정한 심미성, 프라이버시, 섬광 또는 태양열 게인 성질을 달성할 수 있다.
본 발명의 다른 특징, 세부 사항, 유용성 및 장점은 첨부된 청구항에 정의되고 첨부된 도면에 추가로 도시된 바와 같이 본 발명의 다양한 실시예의 후속하는 더욱 특정적인 개시된 설명으로부터 명확해질 수 있다.
도 1은 낮은 온도에서 ODC 재료에 대한 정렬을 제공 또는 유도하며 높은 온도에서는 ODC 재료에 대한 정렬을 제공 또는 유도하지 않는 감온변성 캐리어 재료(예컨대, 기재에 수직하게 정렬되는 분자를 갖는 감온변성 액정) 내에 부유 또는 용해되는 ODC 재료를 갖는 감온변색(thermochromic) 필터의 예시적 실시예의 개략도이다.
도 2는 편광기와 조합되어 사용되는 감온변색 필터의 예시적 실시예의 개략도이다. 감온변색 필터는 낮은 온도에서 ODC 재료에 대한 정렬을 제공 또는 유도하고 높은 온도에서는 ODC 재료에 대한 정렬을 제공 또는 유도하지 않는 감온변성 캐리어 재료(예컨대, 기재와 평행하게 정렬되는 분자를 갖는 감온변성 액정) 내에 부유 또는 용해되는 ODC 재료를 갖는다.
도 3은 높은 온도에서 제공하는 것보다 낮은 온도에서 ODC 재료 내의 정렬을 더 많이 제공 또는 유도하는 감온변성 캐리어 재료(예컨대, 수직으로 정렬된 감온변성 액정) 내에 부유 또는 용해된 ODC 재료를 갖는 감온변색 필터의 다른 예시적 실시예의 개략도이다.
도 4는, 하나 이상의 감온변성 편광기 층의 방향적 편광 성질이 투과되는 광의 방향을 기초로 필터의 투과 성질(편광 효과를 포함)을 변경하는데 사용되는 감온변성 캐리어 재료(예컨대, 수직으로 정렬된 감온변성 액정) 내에 부유 또는 용해된 ODC 재료를 갖는 감온변색 필터의 다른 예시적 실시예의 개략도이다.
본원의 상세한 설명을 목적으로, 용어 "열반사(thermoreflective)"는 온도의 함수로서 변하는 반사성을 갖는 임의의 대상물, 장치 또는 재료를 지칭할 것이다. 마찬가지로, "열흡수(thermoabsorptive)" 및 "열형광(thermoflourescent)"은 온도의 함수로서 변하는 흡수성 또는 형광성을 각각 갖는 임의의 대상물, 장치 또는 재료를 지칭할 것이다. 광 투과가 광의 반사, 흡수 및 재방사의 함수이기 때문에, 임의의 이러한 대상물, 장치 또는 재료는 더욱 포괄적인 용어 "감온변색"에 의해 적절하게 설명될 수 있다.
도 1은 감온변색 필터 장치(100)의 예시적인 형태의 개략적 단면도이다. 필터 장치(100)는 투과적, 감온변성, 정렬-제공(order-providing) 캐리어 재료(102) 내측에 포함된 "배향 의존 염료(orientation dependent colorant)" 또는 ODC 재료(101)를 포함할 수 있다. 낮은 온도에서, ODC 분자가 그들의 장축과 수직하게 유입하는 광과 더욱 강하게 상호 작용한다면, 상당한 백분율의 유입 광은 유입 광에 대한 그들의 정렬된 배향(ordered orientation)으로 인해 포함된 ODC 재료(101)와 정렬-제공 캐리어 재료(102)를 통과한다. "개방(open)" 상태에서 셔터 또는 베니션 블라인드(venetian blind)를 구비하는 것과 같이, ODC 재료는 유입 광에 본질적으로 평행이어서, 유입 광을 사실상 흡수 또는 반사하지 않는다. 높은 온도에서는, 포함된 ODC 재료의 정렬되지 않은 배향(unordered orientation)으로 인해 더 많은 유입 광이 차단되며, 이때 ODC 재료의 대부분은 더 이상 유입 광과 평행하지 않아서, 유입 광을 흡수하거나, 반사하거나 또는 유입 광과 상호 작용할 수 있다. 포함된 ODC 재료가 정렬 상태에 있을 때, 필터 장치(100)는 도면에 지시된 것과 다른 방향으로부터 필터 장치(100)에 진입하는 광을 편광화할 수 있어서, 일부의 목적에 대하여 "감온변성 편광기"로 간주될 수 있다.
다른 편광기 또는 다른 광학적 요소들이 본질적인 성질의 감온변색 필터 장치(100)에 영향을 미치지 않고 다른 광학적 효과를 생성하기 위해 추가될 수도 있다.
감온변성 캐리어 재료(102)는 감온변색 필터 장치(100) 내에서 사용하기 위해 다양한 다른 형태를 취할 수 있다. 또한, 적어도 일부의 광 파장에 대해 투명한 많은 재료들이 온도 변화와 함께 그들의 분자의 정렬의 양의 변화(또는 그들의 방향자 또는 방향자들의 변화)를 경험한다. 특히, 많은 감온변성 액정은 액정 상태(즉, 네마틱 상태)에서 높은(대부분 결정질) 정렬을 가지며 광학적으로 투명한 반면에, 등방성 상태에서는 낮은 정렬(예컨대, 무작위적 또는 준무작위적 배향 상태)을 가지며 광학적으로 투명하다.
표면 부근의 액정 상태(예컨대, 네마틱 또는 스멕틱 상태)에서의 액정 분자의 방향자(director)는 정렬층의 사용을 통해 영향을 받을 수 있다. 수직[호메오트로픽(homeotropic)] 및 수평[호모지니어스(homogeneous)] 정렬 모두가 공통적이며, 이때 액체의 방향자는 표면에 수직하거나 평행한 방향자를 각각 갖는다. 방향자는 표면의 표면 에너지 및 화학적 성질(chemistry)에 의해 영향을 받을 수 있다. 일반적으로, 높은 표면 에너지는 평행 정렬을 촉진하며 낮은 표면 에너지는 수직 정렬을 촉진한다. 종래 기술에서, 예컨대 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane)이 수직 정렬을 촉진하는데 일반적으로 사용되고, 예컨대 러브 폴리이미드(rubbed polyimide)가 수평 정렬을 촉진하는데 사용된다. 액정 분자가 하나, 둘 또는 그 이상의 표면 부근에 배치될 때 다양한 정렬 및 사전-경사 각도(pre-tilt angle), 그들의 매개, 하이브리드, 조합 및 최종적인 유용한 구조를 촉진하는 방법은 공지되어 있으며, 종래 기술에 상세하게 설명되어 있으며, 본 기술 분야의 일반적인 기술자에게 익숙할 것이다. 더욱 복잡한 배향 상태 역시 존재하며 이미 설명되어 있다. 예컨대, 액정 "블루 페이즈(blue phase)"에서, 액정 분자의 방향자는 일 라인에 수직한 임의의 축을 중심으로 나선 방식으로 회전한다.
감온변성 캐리어 재료가 액정(LC) 재료인 경우, 장치가 사용되는 환경과 일치하는 환경적 내성 사양(environmental tolerance specification)을 만족시키는 것이 요구될 수도 있다. 예컨대, 예시적 감온변색 창 용례에서, LC는 20℃와 35℃ 사이의 투명점과, -40℃ 아래의 빙점과, 90℃를 넘는 비등점과, 태양광에 매일 노출되었을 때 30년을 내구할 수 있는 충분한 UV 저항성(유리, 편광기, UV 차단 접착제, 및 감온변색 창 구조에 고유한 다른 재료에 의해 감쇠될 수 있음)을 요구할 수 있다. 또한, 특정 셀 간극(cell gap)에 걸쳐 소정의 지연을 생성하기에 충분한 복굴절과 같은 다른 요구 조건이 존재할 수도 있다. 특히, 요구되는 액정의 양을 최소화하기 위해 장치가 작은 셀 간극을 갖는 것이 바람직할 수 있다. 따라서, 이는 소정의 광학적 효과를 달성하기 위해, LC 혼합물에 대한 최소의 복굴절을 포함할 것이다.
일반적으로 LC 혼합물에 대해, 투명점 및 복굴절과 같은 성질이 개별적인 성분의 중량 평균에 밀접한 반면에, UV 저항 또는 화학적 저항과 같은 성질은 최소 성분의 저항에 의해 제한될 수 있거나 또는 최소 성분의 저항에 더욱 강하게 의존할 수 있다. 또한, 빙점과 같은 성질이 개별적인 분자들의 상호 작용에 의존하는데, 이는 분자가 서로로부터 더욱 다르게 됨에 따라 결정화에 덜 유리하게 된다. 따라서, 2개의 LC 성분이 서로 혼합될 때, 결과적 혼합물은 자체로 두 성분 모두보다 상당히 낮은 빙점을 나타낼 수 있다. 또한, 다른 LC 성분의 용해도(solubility)는 그들의 분자 구조에 따라 크게 다를 수 있지만, 이러한 용해도는 상이한 성분들이 혼합물에 존재할 때 개선될 수 있다(즉, 제3 성분 내의 2개의 혼합된 성분의 용해도는 두 성분의 용해도보다 개별적으로 더 클 수 있다.
예컨대, 7CB 액정은 대략 30℃의 빙점 및 대략 41℃의 투명점을 갖지만, 5CB 액정과 동일한 비율로 혼합되면, 대략 23℃의 빙점 및 대략 34℃의 투명점(clearing point)을 가지며, 산출된 LC 혼합물은 대략 37℃의 투명점을 가지며 그리고 -70℃보다 많이 아래인 빙점을 갖는다. 하지만, 이러한 혼합물은 그 성분들 모두보다 더 UV 안정적이지 않을 것이며, 두 분자가 특히 고온에서 유기 용매로서 작용할 수 있기 때문에 두 성분들 모두의 화학적 민감성(susceptibility)은 혼합물 내에 여전히 존재하며, 따라서 특정 유기 기질 재료를 공격할 수 있다.
특정 열적, 물리적, 화학적 및 광학적 성질을 생산하기 위해 조합되는 ("공융" 혼합물을 포함하는) 조화된 LC 성분들의 혼합물은 공지되어 있다. 가장 많이 공지되어 있는 상업적 LC 혼합물은 E7일 수 있으며, 비디오 디스플레이에 일반적으로 사용되며 5개의 상이한 LC 성분의 혼합물이다. 가장 지배적인 성분은 (낮은 투명점, 양호한 용해도 및 작은 복굴절을 갖는) 5CB이지만, 그 혼합물은 상당량의 7CB, 8OCB, 5OCB, 및 5CT[높은 투명점, 낮은 용해도(poor solubility) 및 큰 복굴절을 가짐]도 포함한다. 혼합물은 넓은 네마틱 범위, 높은 투명점 및 낮은 빙점을 갖도록 설계되고, 5CB의 높은 용해도는 5CT의 낮은 용해도를 극복하는데 도움이 된다. 이들과 같은 LC 혼합물의 원리 및 설계 규칙은 본 기술분야에 잘 설명되어 있다.
종래 기술에서, 염료 분자는 예컨대, 알렉산더 브이. 이바쉬첸코의 "액정 디스플레이용 이색성 염료"에 개시된 바와 같이 통전변색(electrochromic) 장치 내의 액정에 종종 포함되었다. 이러한 시스템은 종종 게스트-호스트 시스템으로 불리며 이러한 장치는 이색성 장치로 불린다. 게스트 성분(즉, ODC) 및 호스트 성분[즉, 통전변성 캐리어 재료(electrotropic carrier material)]을 적절하게 선택하면, 염료 분자는 액정 분자의 방향자를 (대략적으로) 취한다. 흡수 및 다른 관련된 광학적 효과는 ODC 분자의 방향자 "부근"에서 각도를 따라 종종 발생하고, 최대 흡수 각도와 방향자 사이에 약간의 차이(예컨대, 5°내지 10°)를 가질 수 있다. 분자의 다양한 축을 따라 광을 개별적으로 흡수하는 포지티브(다색성) 및 네거티브 이색성 염료가 존재한다. 따라서, 본원에 개시된 일부 실시예는 캐리어 재료가 통전변성이 아니라 (예컨대, 파워스 등의 미국 특허 출원 제12/172,156호에 개시된 바와 같은) 감온변성인 것으로 설계되는 것을 제외하면 통전변색 게스트-호스트 시스템과 유사한 것으로 이해될 것이다.
배향 의존 안료(ODC) 재료는 또한 다양한 형태를 취할 수 있다. 예컨대, 다색성 염료 시스템은 일반적으로 네거티브 이색성 염료 시스템보다 더 높은 이색성 비율 및 정렬 파라미터를 갖는다. 포지티브 또는 네거티브 이색성 염료 중 하나 또는 그의 조합을 사용하여, 온도 범위에 걸친 다양한 투과 성질[특히, 색 균형(color balance) 또는 색조(hue)의 쉬프팅(shifting)]에 영향을 미치는 실시예들이 구성될 수 있다. 염료 및 시스템의 성능은 자외광(UV) 안정성, 용해성 및 시스템 내의 염료(들)의 정렬 파라미터에 의해 영향을 받는다. 시스템의 성능은 또한 액정 호스트 파라미터, 점도, 정렬 파라미터, 물리적 상태의 온도 범위, 안정성 및 복굴절에 의해 영향을 받는다. 액정 및 이색성 염료용 게스트-호스트 시스템은 종종 하나의 클래스의 다중 염료가 용매화에서 더욱 양호하게, 즉 유사한 염료의 혼합물이 임의의 성분 염료에 대해 가능할 수 있는 것보다 더 큰 전체 농도(total concentration)를 가질 수 있다. 또한, 염료의 화학적 "골격(scaffolding)"은 그들의 용해성(예컨대, 염료 분자에 대한 액정 분자의 화학적 부착)을 증가시킬 수 있다.
이러한 다양한 성질은 바람직한 투과 성질을 갖는 장치를 설계하는데 사용될 수 있다. 예컨대, 특정한 염료가 다른 바람직한 성질(예컨대, 높은 UV 안정성)을 갖지만 소정의 호스트에서 낮은 용해성을 갖는다면, 게스트-호스트 시스템의 두께가 증가되어 투과된 광의 감쇠를 증가시킬 수 있다. 또한, 통전변색 게스트-호스트 장치에 부적합한 많은 염료(예컨대, 천 염료)가 감온변성 장치에 적합할 수도 있는데, 이는 장치 작동이 전기장에서는 불가능하기 때문이다.
또한, 키랄(Chiral)[도판트(dopant)] 분자가 게스트(들)의 흡수 또는 반사를 변화 또는 증진시키기 위해 게스트-호스트 시스템에 추가될 수 있다. 예컨대, 다중 비틀림(multiple twist)을 갖는 네마틱 액정 시스템은 대조비(contrast ratio) 또는 다른 광학적 성질에 영향을 미치도록 이러한 분자들을 이용하여 구성될 수 있다. 또한, 선택적으로 광학적 액티브 분자들은 게스트-호스트 시스템에서 게스트로 사용될 수 있으며, 원형 편광과 (예컨대, 반사적으로) 상호 작용하는 시스템을 구성하는데 사용될 수 있다.
또한, 반도체 재료가 적외선 흡수 및 반사 게스트-호스트 시스템을 제공하도록 게스트로 사용될 수 있다.
측쇄 액정(side-chain liquid crystal), 폴리머 네마틱 액정 및 네마틱 측쇄 폴리머와, 다른 이러한 호스트 시스템은 통전변색 게스트-호스트 장치에 사용되었을 때 더 느린 통전변색 반응 시간을 가질 수 있지만(또는 통전변색 반응을 갖지 않을 수 있지만), 이는 감온변성 시스템에 특히 적합할 수 있다. 액정을 갖는 염료 코폴리머가 유효 용해성을 증진하기 위해 채용될 수 있다. 매립식 또는 코폴리머 염료를 갖는 결정질 폴리머 액정은 네마틱 또는 다른 이러한 상태 없이 정렬의 전이를 제공하기 위해 채용될 수 있다. 이러한 장치는 통전변색적으로 기능하지 않지만, 감온변성 캐리어에 의해 작동될 수 있다. 액정을 갖는 도핑된 폴리아세틸렌 코폴리머 및/또는 측쇄는 또한 본원에 개시된 시스템의 대안적 실시예이다.
호스트 시스템의 정렬(또는 정렬 파라미터)은 일반적으로 (예컨대, 에스. 찬드라세카르의 "액정 제2 판"에 개시된 바와 같이) 온도와 함께 변화하며, 게스트 또는 ODC의 정렬(또는 정렬 파라미터)은 그와 함께 변화한다. 일반적으로, 액정 호스트 화학적 성질 또는 혼합물의 클래스에 대해, 투명점이 증가함에 따라 액정 호스트 특정 게스트의 정렬 파라미터도 증가한다. 또한, 일반적으로 결과적 시스템의 투명점에 도달함에 따라, 정렬 파라미터는 강하한다. 이러한 정렬(또는 정렬 파라미터)의 변화는 시스템 및 온도 범위에 따라 연속적, 이산적 또는 양자 모두일 수 있다. 예컨대, 게스트-호스트 네마틱 액정 시스템에서, 호스트 재료의 정렬 파라미터는 이후 액정이 등방성이 되는 투명점까지 온도를 증가시킴으로써 감소될 수 있으며, 따라서 게스트 및 호스트 양자 모두의 정렬이 효과적으로 제거될 수 있다.
이러한 시스템 내의 정렬의 방향자는 적절한 정렬 재료 및 기술을 사용하여 결정될 수 있다. 또한, 소정의 게스트 재료(즉, 포함된 ODC 재료)에 대한 정렬(정렬 파라미터)의 양은 선택된 호스트 재료와 온도의 함수이며, 숙련된 재료 선택 및 시스템 설계를 통해, 온도 대 정렬의 다양한 관계를 달성할 수 있다. 온도 관계에 있어서의 하나의 바람직한 성질은 장치의 온도 설계 범위에 대해 온도와 함께 단조롭게 변하는 게스트의 정렬 파라미터를 갖는 것이다. 다른 바람직한 성질은 온도 관계에 자기 이력 현상을 포함시키는 것이다. 예컨대, 네마틱으로부터 등방성 상태로의 전이를 이용하는 네마틱, 감온변성 액정 게스트-호스트 장치에서, 등방성에서 네마틱으로 전이될 때보다 네마틱으로부터 등방성으로 전이될 때 장치가 몇 도 더 높은 "전이" 온도를 갖는 것이 심미적 이유에 대해 바람직할 수 있는데, 이는 이로 인해, 장치가 전이 온도 부근에 있을 때 투과 특성을 전후로 급격하게 변화시킬 가능성을 줄일 것이기 때문이다.
폴리아세틸렌은 매우 전기적으로 전도적이도록 화학적으로 변경될 수 있는 일 폴리머이다. 폴리아세틸렌 및 다른 매우 전도적인 폴리머는 와이어-그리드 편광기(wire-grid polarizer)에서와 같이 광과 반사적으로 매우 강하게 상호 작용할 수 있으며, 이러한 상호 작용은 분자의 배향에 따라 결정된다. 전도성 폴리머는 또한 광과 흡수적으로 상호 작용할 수 있는데, 이러한 상호 작용 역시 분자의 배향에 따라 결정된다. 폴리머와 염료 분자 모두는 폴리머 안정 비틀림 네마틱(polymer stabilized twisted nematic)(PSTN) 구조뿐만 아니라 다른 폴리머/액정 시스템으로 통합될 수 있다. 도핑된 폴리아세틸렌의 정렬 파라미터를 적절하게 선택함으로써, 전도성 폴리아세틸렌을 사용하며 그리고 다른 유사한 ODC 게스트와 함께 제조되는 장치의 전방 산란 대 후방 산란의 비율을 선택할 수 있다. 폴리아세틸렌 분자는 또한 그들의 용해성을 증가시키기 위해 그들에게 부착되는 화학적 "골격" 분자를 가질 수 있다.
폴리아세틸렌 폴리머는 호스트로서 폴리머 액정을 갖고 게스트로서 폴리아세틸렌 폴리머를 사용한 후 폴리머가 적소에 고정될 때까지 시스템을 냉각함으로써 반사 편광기(reflective polarizer)로 제조될 수 있다. 폴리아세틸렌은 또한 PVA-요오드(PVA-iodine) 편광기를 제조하는데 사용되는 것과 유사한 공정으로 반사 편광기로 제조될 수 있다.
인간의 눈은 가시광의 몇몇 범위의 상대적 양에 반응한다. 따라서, 많은 다양한 스펙트럼 분포는 인간의 눈에 동일하게 보일 수 있다. 메타메리즘(Metamerism)은 다양한 스펙트럼 파워 분포(spectral power distribution)를 갖는 대상물의 선명한 색상의 정합(matching)이며, 이러한 방식으로 정합하는 색상은 메타머(metamer)라고 불린다. 분자(예컨대, 염료 분자)에 의한 광의 흡수, 투과, 형광 및 반사는 그에 대한 스펙트럼(주파수) 성분을 갖는다. 성분(예컨대, 염료의 조합)을 적절하게 선택함으로써, 투과 또는 반사의 감시 색조(perceived hue)를 선택하거나, 또는 UV광, 가시광 또는 IR 광을 포함하며 투과 또는 반사되는 에너지의 양이나 특정 스펙트럼을 선택하는 것이 가능하다.
감온변성 캐리어("호스트") 및 배향 의존 안료("게스트") 재료의 많은 다른 조합이 본원에 개시 또는 열거된 바를 넘어 가능하며 본 실시예의 사상 내에서 채용될 수 있다.
도 2는 감온변색 필터 장치(200)의 다른 예시적 실시예의 개략적 단면도이다. 도 1의 이전 실시예에서와 같이, 포함된 ODC 재료(201)는 정렬-제공 감온변성 캐리어 재료(202) 내에 존재한다. 편광 필름(203)이 입사광과 포함된 ODC 재료(201)를 함유하는 감온변성 캐리어 재료(202) 사이에 배치된다. 하지만, ODC 분자가 그들의 장축을 따라 광과 더욱 강하게 상호 작용한다면, 이제 제공된 정렬은 포함된 재료(201)가 광의 일 편광과 우선적으로 상호 작용하도록 된다. 편광기(203)는 또한 광의 동일한 편광과 상호 작용하도록 존재한다. 따라서, 낮은 온도 상태에서, 포함된 재료(201)의 정렬 상태에 의해 생성되는 "감온변성 편광기"와 편광기(230)가 함께 광을 효율적으로 편광화한다면, 광의 대략 50%가 장치에 의해 투과된다. 높은 온도 상태에서, 포함된 재료(201)의 정렬 상태에 의해 생성되는 "감온변성 편광기"는 더 이상 존재하지 않는다. 편광기(203)는 여전히 광의 일 편광과 상호 작용하지만, 이제 포함된 재료는 광의 두 편광 모두와 상호 작용하여, 투과되는 광의 양을 50% 미만으로 감소시킨다.
이러한 배열은 게스트-호스트 시스템의 대조비를 증가시키거나 또는 게스트(ODC) 및 호스트(캐리어) 재료와 단독으로 달성되기 어려울 수 있는 다른 바람직한 광학적 효과(예컨대, 특정 파장에서의 흡수 및 반사의 특정 조합)를 생성하는데 유리할 수 있다. 층들의 정확한 배열은 장치의 기능에 크게 영향을 주지 않는 상태에서 도 2에 도시된 바로부터 벗어날 수도 있다. 선택적으로, 광자가 편광기를 통과한 후 게스트-호스트 시스템을 통과하거나 또는 그 반대로 통과하는지 여부는 거의 중요하지 않다. 흡수, 반사, 확산, 및 회절 편광기를 포함하는 다양한 유형의 편광기가 사용될 수 있다. 또한, 하나보다 작은 편광기가 채용될 수 있으며, 기재, 접착제, 밀폐제, 용해 촉진제, 핸드블록(bandblock) 필터, 롱패스(longpass) 필터, 숏패스 필터 및 고정 배색(fixed tint)과 같은 다양한 선택 성분이 본 실시예의 범주 내에서 임의의 조합으로 추가될 수 있다.
하지만, 억제제(retarder), 웨이브블록 또는 복굴절 보상 필름 또는 층이 채용되면, 층의 정렬화(ordering)가 중요하다. 예컨대, 선형 편광 필름의 편광 축은 통상적으로 필름의 진행 방향(draw direction)에 평행하다. 하지만, 광이 편광기를 통과한 후 웨이브블록 층을 통과하면, 결과적인 편광은 "회전"될 수 있어, 그 편광축은 진행 방향에 대해 45°(또는 일부 다른 바람직한 각도)에서 발생한다. 이는 일부의 경우에 파워스 등의 미국 특허 출원 제12/545,051호에 개시된 바와 같이 45°편광 축이 더욱 간단한 제조 공정을 가능하게 한다는 점에서 매우 유용할 수 있다. 대안적으로, 45°보다 약간 크거나 작은 일부 각도에 대한 보상은 편광기를 효율적으로 오정렬시킴으로써 필터의 광 투과를 "개방(open up)"하는 것을 도울 수 있으며, 그로 인해 파워스 등의 미국 특허 출원 제2009/0015902호에 예로서 개시된 바와 같이, 장치의 대조비는 감소되고 차단 상태 광 투과(blocking-state light transmission)가 증가된다.
다중 편광기 장치 내의 모든 편광기 상에 또는 두 편광기 장치 내의 두 편광기 모두에 웨이브블록을 배치하는 것이 일부 환경에서 바람직할 수 있다. 또한, 다른 환경에서는 단지 하나의 편광기 상에만 이러한 광학 필름을 배치하는 것이 바람직할 수 있다. 예컨대, 45°만큼 "회전된" 두 편광기는 90°"회전된" 하나의 편광기와 전혀 회전하지 않은 하나의 편광기에 각각 비교될 수 있다. 웨이브 블록의 수를 감소시킴으로써, 동일한 기능을 유지하면서도 최종 제품의 가격을 절감할 수 있다. 그 결과, 웨이브블록, 억제제, 복굴절 보상 필름, 특정 두께의 복굴절 재료 또는 다른 관련된 편광 회전 재료 또는 장치가 본 기술의 다양한 실시예에서 매우 다양한 방식으로 조합될 수 있다.
억제제/웨이브블록 또는 복굴절 보상 필름 또는 코팅에 의해 제공되는 편광 회전의 양은 웨이브블록 재료의 두께 및 복굴절 모두에 비례한다. 따라서, 필름 또는 코팅을 고안하는 것이 매우 정밀한 양의 편광 회전을 달성하는데 가장 좋으며, 이를 수행하기 위한 방법은 수색성 웨이브플레이트가 비수색성 웨이브플레이트(non-achromatic waveplate)보다 적은 색 변형(color anomaly)을 일반적으로 도입한다는 것을 제외하면 추가의 복잡함은 요구하지 않는다. 또한, 본 실시예는 표준 편광기 및 감온변성 편광기가 일반적(비-감온변성) 편광기를 구비 또는 구비하지 않은 평행 정렬을 갖는 네거티브 이색성의 직교하거나 또는 평행하지 않은 편광축을 갖는 버전과 장치가 고온일 때 더욱 반사적, 흡수적 또는 형광적이 되는 버전을 포함한다.
도 3은 감온변색 필터 장치(300)의 다른 예시적 실시예의 개략적 단면도이다. 도 1 및 도 2의 이전 실시예에서와 같이, 포함된 ODC 재료(301)는 정렬-제공, 감온변성 캐리어 재료(302) 내측에 존재한다. 낮은 온도에서, 소정 백분율의 유입 광이 유입 광에 대한 그들의 정렬된 배향(ordered orientation)으로 인해, 정렬-제공 재료(302)와 포함된 재료(301)를 통과한다. 높은 온도에서, 포함된 재료의 정렬은 감소되어(하지만, 정렬 파라미터는 제로가 아님), 더 많은 유입 광이 포함된 재료의 정렬되지 않은 배향으로 인해 흡수 또는 반사된다. 따라서, 이러한 장치에 있어서, 투과되는 광의 감소는 도 1의 실시예보다 더욱 점진적일 수 있다. 이러한 장치는 낮은 온도 및 높은 온도 모두에서 도면에 도시된 것과 다른 방향으로부터 유입되는 광을 편광시킬 수 있으며, 이는 포함된 ODC 재료가 두 온도 모두에서 정렬된 배향 상태이며, 그로 인해 일부 목적에 대해 "감온변성 편광기"로 고려될 수 있기 때문이다.
도 3에 도시된 구조 및 배향은 장치의 유일하게 가능한 상태로서 또는 중간 상태로서 존재할 수 있다. 예컨대, ODC 재료 및 감온변성 캐리어 재료의 특정 배열이 본원의 전체 또는 일 실시예의 사상을 벗어나지 않고 양단의 온도(extreme temperature)에서 도 1의 배열을 그리고 더 중간적인 온도에서 도 3의 배향을 생성할 수 있다.
도 4는 감온변색 필터 장치(400)의 추가적인 예시적 실시예의 개략적 단면도이다. 도 1, 도 2 및 도 3의 이전 실시예에서와 같이, 포함된 ODC 재료(401)는 정렬-제공, 감온변성 캐리어 재료(402) 내측에 존재한다. 하지만, 저온에서, 소정 백분율의 유입 광이 유입 광에 대한 그들의 정렬된 배향으로 인해 포함된 ODC 재료(401)와 정렬-제공 재료(402)를 통과한다. 또한, 고온에서, 포함된 ODC 재료(401)의 정렬은 감소되어(하지만, 정렬 파라미터는 제로가 아님), 더 많은 유입 광이 포함된 ODC 재료(401)의 정렬되지 않은 배향으로 인해 흡수 또는 반사된다. 따라서, 이러한 감온변색 필터 장치(400)에 있어서, 투과되는 광의 감소는 도 1의 실시예에 비해 더욱 점진적일 수 있다. 다시, 이러한 감온변색 필터 장치(400)는 저온 및 고온 모두에서 도 4에 도시된 것과 다른 방향으로 유입하는 광을 편광한다. 하지만, 포함된 ODC 재료(401)(시스템에 의해 결정됨)의 방향자는 (예컨대, 계절 및 지구 회전 모두로 인해 유입 방향이 변경되는 태양 에너지와 같이) 유입 방향이 변하는 광과 감온변색 필터 장치(400)의 바람직한 상호 작용에 따라 선택된다.
도 4에 도시된 구조 및 배향은 장치의 유일하게 가능한 상태로서 또는 중간 상태로서 존재할 수 있다. 예컨대, ODC 재료 및 감온변성 캐리어 재료의 특정한 배열은 본원의 전체 또는 일 실시예의 사상을 벗어나지 않고 양단의 온도에서 도 1의 배향을 그리고 더 중간적인 온도(more modest temperatures)에서 도 4의 배향을 생성할 수 있다.
포함된 ODC 재료는 감온변성(예컨대, 네마틱) 액정 캐리어 재료 내에 염료, 로드, 입자, 또는 폴리머를 포함하는 임의 수의 재료일 수 있다. 적절하게 선택된 ODC 게스트 재료는 액정이 네마틱 상태(또는 스멕틱과 같은 다른 액정 상태)일 때 액정의 정렬 및 방향자를 취할 것이며, 액정이 등방성 상태일 때 그들의 정렬을 약간 또는 완전히 상실할 것이다. 따라서, 액정이 액정 상태(예컨대, 네마틱)이며 두 개의 투명 평행 표면들 사이에서 수직하게 배열되면, 표면에 수직하게 장치를 통해 진행하는 광은 포함된 ODC 재료(예컨대, 포지티브 이색성 염료)와 크게 상호 작용하지 않을 것이다. 하지만, 온도가 (예컨대, 등방성 온도 위로) 증가하면, 감온변성 액정은 정돈된 정렬(aligned order)을 갖지 않을 것이다. 따라서, 액정은 더욱 무작위적으로 배열되고 포함된 재료에 대해 정렬을 제공하지 않을 것이며, 이는 또한 무작위적으로 배향되어 표면에 수직하게 장치를 통해 진행하는 광과 더욱 크게 상호작용할 것이다. 다시, 게스트 재료는 액정이 될 필요가 없다.
이 실시예의 다른 구현예에서, 포함된 ODC 재료는 전기적으로 전도성인 폴리머일 수 있다. 이러한 선택은 전기적인 이유 자체 때문에 이루어지는 것이 아니라 전기 전도성 재료의 전형적인 예인 바람직한 광학적 성질(흡수 및 반사)을 위해 이루어진다. 따라서, 광과의 상호 작용은 반사 또는 흡수 또는 이들의 임의 조합이 되도록 선택될 수 있다. 무작위적으로 배향되는 상태에서, 반사는 정반사적이지 않으며, 확산적으로 반사적일 수 있으며, 이는 많은 용례에서 바람직하다.
본 실시예의 일부 구현예에서, 포함된 ODC 재료는 감온변성 캐리어 재료(예컨대, 감온변성 액정) 내측에 존재할 수 있으며, 이러한 감온변성 캐리어 재료는 표면에 평행한 방향자를 제공하여(즉, 평행하게 정렬되어), 표면에 수직하게 장치를 통해 진행하는 광은 편광기로서 포함된 ODC 재료(예컨대, 포지티브 이색성 염료)와 상호 작용할 것이다. 장치의 일부인 하나 이상의 편광기는 포함된 재료에 의해 형성되는 편광기를 통해 투과되는 광과 상호작용하지 않도록 배향될 수 있다. 하지만, 온도가 증가함[즉, 등방성 온도(isotropic temperature) 위로 상승함]에 따라, 재료(예컨대, 감온변성 액정)는 정돈된 정렬을 갖지 않고 더욱 무작위적으로 배향되어, 포함된 재료에 정렬을 제공하지 않을 것이다. 따라서, 포함된 재료도 무작위적으로 배향되어 편광기(들)에 의해 투과된 편광과 더욱 크게 상호 작용할 것이며, 만약 그러하다면, 얼마나 많은 광이 투과되는지를 변경할 것이다.
다른 구현예에서, 포함된 ODC 재료는 광과 상호 작용하여, 포함된 재료가 그들의 방향자가 표면에 평행(즉, 네거티브 이색성)일 때보다 그들의 방향자가 표면에 수직일 때 광과 더 강하게 상호 작용한다(예컨대, 광을 흡수하거나, 반사하거나 또는 형광을 낸다).
몇몇 예시적 실시예들이 본원에 도시 및 설명되었지만, 본 발명은 이러한 특정적 구성에 제한되지 않는다는 것이 이해되어야 한다. 예컨대, 구조에 채용된 편광기(존재하는 경우)는 선형 또는 원형, 흡수 또는 반사, 확산 또는 정반사, 및/또는 고정 또는 감온변성의 성질을 가질 수 있다. 장치에 사용되는 하나 이상의 편광기는 높거나 낮은 편광 효율을 갖도록 선택될 수 있거나 스펙트럼적으로 선택적일 수 있다. 정렬-제공 재료는 감온변성 액정, 얼음/물, 상 변화 재료, 결정질 구조, 또는 포함된 ODC 재료에 정렬을 제공할 수 있는 임의의 많은 형태의 물질일 수 있다. 감온변성 편광기를 포함하는 편광기들은 서로에 대한 임의의 관계에 있을 수 있다. 장치는 온도가 증가함에 따라 더욱 투과적이 되도록 구성될 수 있다. 네거티브 및 포지티브 이색성 ODC가 조합될 수도 있다.
또한, 일부 예에서, 정렬 및 방향자는 ODC 재료 자체(예컨대, 결정질 재료)에 의해 제공될 수도 있어, "게스트" 및 "호스트" 기능은 단일의 주의 깊게 선택되거나 구성된 재료에 결합된다. 예컨대, 폴리에세틸렌의 분자 체인은 전기적 "와이어"로 작용할 수 있으며 훌륭한 후보 ODC "게스트" 재료일 수 있다. 하지만, 폴리아세틸렌 체인은 액정 성질을 나타낼 수 있어, "호스트" 후보로 간주될 수도 있을 뿐만 아니라, 호스트의 성분으로 간주될 수도 있다.
대안적으로 또는 부가적으로, 포함된 ODC "게스트" 재료 및/또는 감온변성 캐리어 또는 "호스트" 재료는 기재 재료의 일부인 폴리머 또는 폴리머 네트워크에 부착되거나 또는 이러한 폴리머 또는 폴리머 네트워크에 의해 제한될 수 있거나, 또는 기재의 표면 중 하나 이상에 부착될 수 있다.
상기 실시예의 다른 변형례에서, 호스트 재료의 정렬와 그에 따른 포함된 ODC 재료의 정렬은 전기적 "오버라이드(override)"에 의해 변경될 수 있다. 전기적 "오버라이드"는 예컨대, 회전 전기장(torquing electrical field)의 사용을 통해 네마틱 액정의 정렬 및 방향자를 변경함으로써 정렬-제공 재료에 대해 제공될 수 있다. 대안적으로, 게스트 재료는 (예컨대, 부유 입자 장치 내에서와 같이) 전기적 "오버라이드"의 로커스(locus)일 수 있다. 이는 ODC "게스트" 또는 감온변성 "호스트"가 상술된 바와 같이 전기적 전도성 폴리머로 구성되거나 이를 포함하는 경우에 특히 효과적일 수 있다.
포함된 재료는 소정의 투과, 반사, 형광 및 흡수 특성, 스펙트럼, 색조 또는 심미성을 제공하거나 또는 소정의 에너지 투과, 흡수 및 반사 특성을 제공하도록 선택될 수 있다. 또한, 다양한 유형의 다중 감온변색 장치 또는 동일한 유형의 감온변색 장치는 다양한 심미적, 광학적, 프라이버시, 가시적 대조, 또는 태양열 게인 성질을 생성하도록 조합될 수 있다. 정렬의 양은 감소되기보다는 온도와 함께 국부적으로 또는 전체적으로 증가될 수 있거나, 또는 장치는 광의 투과가 온도 증가와 함께 증가되도록 구성될 수 있다. 게스트 혼합물은 단색 또는 흑색 배색의 형광 및/또는 메타메릭일 수 있다.
다른 가능한 구현예에서, 장치는 추가적으로 감온변성 폴리머 분산 액정 장치일 수 있다. 이러한 목적을 위해, 게스트-호스트 시스템은 폴리머 내의 낮은 용해성을 위해 선택될 수 있거나, 낮은 복굴절 호스트(예컨대, 액정)는 장치 성능 및 광학적 투명도를 증진시키기 위해 폴리머의 광학적 인덱스와 정합될 수 있다.
본원에 개시된 변형예 및 임의의 실시예 또는 모든 실시예는 그들의 본질적인 성질 또는 기능을 변경하지 않으면서 다수의 광학적 성분과 쌍을 이룰 수 있다. 이들은 기재, 고정 배색, 접착제, 밀폐제, 웨이브 플레이트, 반사기, 부분 반사기, 트랜스리플렉터(transreflectors), 저 방사율 재료, UV-흡수 또는 반사 재료, 및/또는 IR 흡수 또는 반사 재료를 포함하지만 이에 제한되지 않는다.
또한, 높은 온도에서 더 많은 정렬을 제공하거나, 또는 다른 온도에서 다른 양의 정렬을 제공하는(예컨대, 네마틱 및 스멕틱 상태 모두를 갖는 감온변성 액정에서 발생하는 온도 변화와 함께 정렬 및 방향자가 변경하는) 재료가 존재할 수 있다. 따라서, 장치는 간단하게 온도의 변화에 따른 정렬의 손실을 기초로 하는 것이 아니라 온도와 함께 방향자 또는 정렬의 변화를 기초로 할 수 있다. 또한, 포함된 ODC 재료는 사실상 정렬 제공 캐리어 재료 내에 완전히 용해 또는 부유되는 것이 아니라 정렬 제공 캐리어 재료 부근에서 간단해질 수 있거나, 또는 정렬-제공 재료가 다양한 온도에서 제공하는 정렬의 양의 변화를 유도할 수 있다.
코팅, 필름, 스페이서, 필러, 또는 지지 구조와 같은 광학적 구성 요소가 특정 제조 방법 또는 특정 용례의 요구에 적합하도록 추가될 수 있으며, 일부 실시예의 변쇠된 형태가 특정 구성 요소를 제거 또는 대체함으로써 생성될 수 있다. 다양한 층들의 정확한 배열은 본원에 도시된 것과 다룰 수 있으며, 선택된 재료 및 파장에 따라, 다양한 층들이 본 발명의 본질적 구조 및 기능을 변경하지 않은 상태로 단일 층, 대상물, 장치 또는 재료로 조합될 수 있다.
상술된 설명은 하나 이상의 개별적 실시예에 대한 많은 설명 및 참조를 포함하지만, 이들은 본 발명의 범주를 제한하는 것이 아니라 단지 본 발명의 특정한 예시적 실시예의 도시를 제공하는 것으로 해석되어야 한다. 다양한 재료와 다양한 구성의 구현을 위한 다양한 가능성이 존재하며, 본 기술 분야의 일반적 기술자라면 본 발명의 사상 또는 범주 내에서 개시된 실시예에 수많은 변형이 이룰 수 있다.
또한, 본 발명의 다양한 실시예는 소정 정도의 세부 사항을 갖도록 상술되었지만, 예컨대, 내측, 부근, 원위, 상위, 하위, 내부, 외부, 상향, 하향, 좌측, 우측, 측방향, 전방, 후방, 상부, 저부, 위, 아래, 수직, 수평, 시계 방향, 반시계 방향, 좌측원, 우측원과 같은 모든 방향 기준은 독자의 본 발명에 대한 이해를 돕기 위한 동일 목적을 위해서만 사용되며, 특히, 위치, 배향 또는 본 발명의 사용에 대한 제한을 생성하지 않는다. 부착, 결합, 연결 및 결합과 같은 연결 용어는 광역으로 해석될 것이며, 특정적으로 지시되지 않는다면 요소들 사이의 상대적 이동과 요소들의 집합 사이의 중간 부재를 포함할 수 있다. 따라서, 연결 용어는 두 요소가 서로에 대해 고정된 관계로 직접 연결되는 것을 반드시 의미하지 않는다. 전이 온도, 투명점, 반사 백분율, 투과 또는 흡수와 같이 본원에서 인용된 특정한 값은 도시적인 것이며 제한적이지 않다. 더욱 일반적으로, 상기 상세한 설명에 포함되고 도면에 도시된 모든 내용은 단지 도시적인 것이며 제한적이지 않은 것으로 해석될 것이다. 세부 사항 또는 구조의 변경은 후속하는 청구항에 정의된 바와 같은 본 발명의 기초적 요소를 벗어나지 않고 이루어질 수 있다.

Claims (33)

  1. 감온변색 필터 장치이며,
    정렬-제공, 감온변성 캐리어 재료의 방향자 배향을 규정하는 정렬-제공, 감온변성 캐리어 재료와,
    방향자 배향에 정렬식으로 반응하는 정렬-제공, 감온변성 캐리어 재료 내에 포함되는 배향-의존 안료 재료를 포함하고,
    정렬-제공, 감온변성 캐리어 재료의 방향자 배향은 정렬-제공, 감온변성 캐리어 재료 내의 온도-유도 변화에 반응적이며,
    배향-의존 안료 재료는 방향자 배향과 함께 배향을 변화하여, 상기 감온변색 필터 장치의 광 투과 성질은 그 결과로서 온도와 함께 변화하는
    감온변색 필터 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    배향-의존 안료 재료는 반사성이거나,
    배향-의존 안료 재료는 흡수성이거나,
    배향-의존 안료 재료는 형광성이거나,
    배향-의존 안료 재료는 염료이거나,
    배향-의존 안료 재료는 전기적 전도성이거나,
    배향-의존 안료 재료는 전도성 폴리머이거나,
    배향-의존 안료 재료는 가시 파장, 적외 파장 또는 자외 파장 중 하나 이상에서 작동하거나,
    배향-의존 안료 재료는 이상의 특징들 중 임의의 것들이 조합된 특징을 갖는
    감온변색 필터 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    배향-의존 안료가 반사성인 경우, 배향-의존 안료 재료의 반사성은 부분적으로 또는 완전히 확산성인
    감온변색 필터 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    감온변색 필터 장치는 광을 정반사적으로 투과시키고, 또한 광을 부분적으로 또는 완전히 확산적으로 반사시키는
    감온변색 필터 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    배향-의존 안료 재료가 전기적 전도성인 경우, 회전 전기장을 통해 배향-의존 안료 재료에 작용하는 전기적 오버라이드를 더 포함하는
    감온변색 필터 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    회전 전기장을 통해 정렬-제공, 감온변성 캐리어 재료에 작용하는 전기적 오버라이드 시스템을 더 포함하는
    감온변색 필터 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    폴리머 또는 폴리머 네트워크를 더 포함하고,
    배향-의존 안료 재료는 폴리머 또는 폴리머 네트워크에 부착되거나 또는 그에 의해 제한되거나, 또는 방향자 배향은 폴리머 또는 폴리머 네트워크에 의해 영향을 받는
    감온변색 필터 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    정렬-제공, 감온변성 캐리어 재료는 감온변성 액정인
    감온변색 필터 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    정렬-제공, 감온변성 캐리어 재료는 가요성 투명 기재 내에 포함되거나 또는 가요성 투명 기재에 부착되는
    감온변색 필터 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    기재, 또는 기재의 표면상의 케미컬, 재료, 또는 특징은 정렬-제공, 감온변성 캐리어 재료의 방향자 배향에 영향을 미치는
    감온변색 필터 장치.
  11. 제1항 또는 제10항에 있어서,
    정렬-제공, 감온변성 캐리어 재료는 감온변성 액정인
    감온변색 필터 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    배향-의존 안료 재료는 특정 온도에서 색조 및 강도(intensity)를 포함하는 투과 또는 반사 성질을 나타내는
    감온변색 필터 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    배향-의존 안료 재료는 하나 이상의 온도에서 광의 특정 파장 또는 대역폭과 상호 작용하는
    감온변색 필터 장치.
  14. 제1항에 있어서,
    편광기 또는 편광 회전식 편광기를 더 포함하는
    감온변색 필터 장치.
  15. 제1항에 있어서,
    배향-의존 안료 재료의 배향은 입사 광을 편광하거나, 배향-의존 안료 재료는 상기 장치에 수광되는 광의 방향과 함께 변경되는 편광 성질을 나타내는
    감온변색 필터 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    건물, 차량 또는 다른 구조물 내의 창, 벽, 또는 관련 구성 요소에 포함되는 감온변색 필터 장치이며,
    편광인 정렬 상태로부터 저도 편광 또는 비편광인 저도 정렬 상태로의 정렬-제공, 감온변성 캐리어 재료의 전이 온도는 건물, 차량 또는 다른 구조물 내의 창, 벽, 또는 관련 구성 요소의 정상 작동 온도 범위 내에서 발생하여 동적 태양열 게인 제어를 제공하는
    감온변색 필터 장치.
  17. 제1항에 있어서,
    건물, 차량 또는 다른 구조물 내의 창, 벽, 또는 관련 구성 요소에 포함되는 감온변색 필터 장치이며,
    정렬된 투과성 상태로부터 저도 정렬된 차단 상태로의 전이 온도는 건물, 차량 또는 다른 구조물 내의 창, 벽, 또는 관련 구성 요소의 정상 작동 온도 범위 내에서 발생하는
    감온변색 필터 장치.
  18. 제1항에 있어서,
    정렬-제공, 감온변성 캐리어 재료는 배향-의존 안료 재료와 상이한 굴절률을 가짐으로써 상기 장치의 광 투과 성질에 영향을 미치는
    감온변색 필터 장치.
  19. 제1항에 있어서,
    정렬-제공, 감온변성 캐리어 재료는 복굴절이고, 그럼으로써 상기 장치의 광 투과 성질에 영향을 미치는
    감온변색 필터 장치.
  20. 감온변색 필터 장치이며,
    정렬-제공, 감온변성 호스트 재료와,
    정렬-제공, 감온변성 호스트 재료의 배향에 정렬식으로 반응하는 정렬-제공, 감온변성 호스트 재료 내에 포함되는 배향-의존 안료 게스트 재료를 포함하고,
    정렬-제공, 감온변성 호스트 재료의 배향은 정렬-제공, 감온변성 호스트 재료 내의 온도-유도 변화에 반응하며,
    배향-의존 안료 게스트 재료는 정렬-제공, 감온변성 호스트 재료의 배향과 함께 배향을 변화하여, 상기 장치의 광 투과 성질은 그 결과로서 온도와 함께 변화하는
    감온변색 필터 장치.
  21. 제20항에 있어서,
    정렬-제공, 감온변성 호스트 재료는 방향자 배향을 규정하는 감온변성 액정 캐리어 호스트 재료이고,
    배향-의존 안료 게스트 재료는 감온변성 액정 캐리어 호스트 재료에 포함되는 네거티브 이색성 안료 게스트 재료인
    감온변색 필터 장치.
  22. 제21항에 있어서,
    감온변성 액정 캐리어 호스트 재료 층의 대향 측에 위치된 한 쌍의 정렬 구조물을 더 포함하고,
    감온변성 액정 캐리어 호스트 재료의 방향자 배향은 감온변성 액정 캐리어 호스트 재료 내의 온도-유도 변화에 반응적이며,
    정렬 구조물의 대향 내부 표면은 네마틱 상태에 있을 때 감온변성 액정 캐리어 호스트 재료에 대하여 평행 정렬을 제공하도록 구성되며,
    안료 게스트 재료는 방향자 배향과 함께 배향을 변화시켜 일 파장 범위에 대하여 네마틱 상태에서 제1 광 투과량을 생성하고 등방성 상태에서 제2 광 투과량을 생성하며,
    제1 광 투과량은 제2 광 투과량 보다 큰 감온변색 필터 장치.
  23. 제22항에 있어서,
    정렬 구조물은 대향하는 여러 장의 투명 폴리머 필름을 더 포함하는 감온변색 필터 장치.
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