KR102017584B1 - 콜레스테릭 액정필름을 이용한 전자식 차량용 선바이저장치 - Google Patents

콜레스테릭 액정필름을 이용한 전자식 차량용 선바이저장치 Download PDF

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Abstract

콜레스테릭 액정 또는 카이랄 네마틱(nematic) 액정에 나선형 구조를 만들어줄 수 있는 카이랄(chiral) 화합물을 혼합하여 콜레스테릭 액정필름(셀)을 구현하고, 이를 선바이저 기능으로 활용하여 빛 투과도를 자유롭게 조절하거나 다양한 색상 구현이 가능하도록 한 콜레스테릭 액정필름 제조방법 및 이를 이용한 전자식 차량용 선바이저장치에 관한 것으로서, 빛의 투과/산란 모드를 선택하고, 빛의 투과, 차단, 색 조절 신호를 입력하기 위한 조작부, 조작부에 의해 빛의 투과/산란 모드시에 빛 차단량 및 색 조절 제어신호를 발생하는 제어부, 제어부에서 발생하는 빛 차단량 및 색 조절 제어신호에 따라 빛 차단량 및 색 조절을 위해 공급 전압을 조절하여 출력하는 전압 조절부 및 전압 조절부에서 출력되는 전압에 따라 빛의 차단량을 조절하고 색상을 변경하는 콜레스테릭 액정필름이 마련된 스마트 윈도우를 포함하여, 콜레스테릭 액정필름을 이용한 전자식 차량용 선바이저장치를 구현한다.

Description

콜레스테릭 액정필름을 이용한 전자식 차량용 선바이저장치{Electronic vehicle sun visor device using cholesteric liquid crystal film}
본 발명은 콜레스테릭 액정필름을 이용한 전자식 차량용 선바이저장치에 관한 것으로, 특히 콜레스테릭 액정 또는 카이랄 네마틱(nematic) 액정에 나선형 구조를 만들어줄 수 있는 카이랄(chiral) 화합물을 혼합하여 콜레스테릭 액정필름(셀)을 구현하고, 이를 선바이저 기능으로 활용하여 빛 투과도를 자유롭게 조절하거나 다양한 색상 구현이 가능하도록 한 콜레스테릭 액정필름을 이용한 전자식 차량용 선바이저장치에 관한 것이다.
최근 자동차 산업분야에서 스마트 기술은 에너지 절감 및 승객 편의성을 위해 매우 중요한 이슈가 되고 있다. 스마트 윈도(Smart Window)의 경우에도 외부 환경에 대한 대응은 물론 사생활보호 및 엔터테인먼트의 도구로서의 기능에 대한 소비자의 요구가 점차 증가하고 있다.
이러한 소비자의 요구에 따라 기존에 제안된 기술이 일부 차량에 부분적으로 적용된 스마트 윈도우이다. 스마트 윈도우는 polymer dispersed liquid crystal(PDLC) 필름을 이용하여 탁도를 제어하는 기술이다.
한편, 스마트 윈도우에 대해 종래에 제안된 기술이 하기의 <특허문헌 1> 내지 <특허문헌 3> 에 개시되어 있다.
<특허문헌 1> 에 개시된 종래기술은 차량의 윈드실드 글라스 또는 사이드 도어 글라스에 구비되는 액정패널, 광량을 감지하기 위한 광센서부, 광센서부의 신호에 따라 상기 액정패널에 입력되는 구동 전원을 제어하는 전자제어 유닛으로 구성되어, 운전자는 운전 중에 강한 직사광선이나 주변 광에 의해 발생할 수 있는 시력장애를 방지할 수가 있으며, 안전한 주행을 할 수 있게 된다.
또한, <특허문헌 2> 에 개시된 종래기술은 전원 공급에 의해서 표시되는 색 성분이 변화하는 액정 물질, 상기 액정 물질을 수납하며 자동차의 전면, 후면 또는 좌우 측면에 대응하여 배치되는 유리, 상기 액정 물질에 전원을 공급하는 전원, 상기 전원으로부터 상기 액정 물질로의 전원 공급을 조절하여 상기 액정 물질의 빛 투과량을 조절하는 제어부를 포함하는 액정을 이용한 자동차용 차광 장치를 구현한다. 이러한 구성을 통해, 선바이저를 사용하는 경우 발생하는 위치 조절과 태양광 차단의 제한과 선팅 필름을 사용하는 경우 발생하는 태양광 투과 정도의 고정 및 선팅 필름 제거의 번거로움을 개선하기 위해서 액정을 이용하여 자동차 유리의 태양광 투과 정도를 가변적으로 조절할 수 있으며 차광 범위를 가변적으로 조절함으로써 안전 운전에 도움을 줄 수 있다.
또한, <특허문헌 3> 에 개시된 종래기술은 차량의 글래스에 조사된 빛을 투과 또는 차단하기 위한 복수 개의 차광 필터를 포함하는 스마트 선바이저, 상기 스마트 선바이저에 의하여 빛이 차단될 수 있는 전체 영역 중 상기 빛을 차단하기 위한 차광 영역을 지정하는 차광 영역 지정부 및 상기 복수 개의 차광 필터 중 상기 지정된 차광 영역에 대응되는 차광 필터가 빛을 투과 또는 차단하도록 제어하는 차광 제어부를 포함한다. 이러한 구성을 통해, 차량의 글래스에 조사된 빛을 차단하기 위한 차광 영역을 지정할 수 있는 선바이저 및 이를 포함하는 차광 시스템을 제공한다.
대한민국 공개특허 특2003-0082113(2003.10.22. 공개)(액정패널을 이용한 차량의 차광장치) 대한민국 공개특허 10-2007-0064051(2007.06.20. 공개)(액정을 이용한 자동차용 차광 장치) 대한민국 공개특허 10-2017-0011750(2017.02.02. 공개)(스마트 선 바이저 및 이를 포함하는 차광 시스템)
그러나 상기와 같은 종래기술은 액정이나 차광 필터를 이용하여 햇빛을 차단하거나 일부 차단량을 조절하는 것은 가능하나, 사용자에 의해 빛 투과도를 자유롭게 조절하거나 다양한 색상 구현은 불가능한 단점이 있다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래기술에서 발생하는 제반 문제점을 해결하기 위해서 제안된 것으로서, 콜레스테릭 액정 또는 카이랄 네마틱(nematic) 액정에 나선형 구조를 만들어줄 수 있는 카이랄(chiral) 화합물을 혼합하여 콜레스테릭 액정필름(셀)을 구현하고, 이를 선바이저 기능으로 활용하여 빛 투과도를 자유롭게 조절하거나 다양한 색상 구현이 가능하도록 한 콜레스테릭 액정필름 제조방법 및 이를 이용한 전자식 차량용 선바이저장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 콜레스테릭 액정필름 제조방법은, 콜레스테릭 액정에 카이랄 혼합물을 혼합하여 제조되는 것을 특징으로 한다.
상기 카이랄 혼합물은 하기 화학식 1로 표시되는 구조를 갖는 혼합물인 것을 특징으로 한다.
Figure 112018010980012-pat00001
상기 화학식 1에서,
Ch는 카이랄 탄소를 가지는 화합물이고, R은 C1-30인 탄화수소 화합물이고, PMS는 광반응성 메조겐(Photo-responsive Mesogens)화합물이며, m, n은 각각 1 내지 10의 정수이다.
또한, 본 발명에 따른 콜레스테릭 액정필름을 이용한 전자식 차량용 선바이저장치는, 빛의 투과/산란 모드를 선택하고, 빛의 투과, 차단, 색 조절 신호를 입력하기 위한 조작부; 상기 조작부에 의해 빛의 투과/산란 모드 시에 빛 차단량 및 색 조절 제어신호를 발생하는 제어부; 상기 제어부에서 발생하는 빛 차단량 및 색 조절 제어신호에 따라 빛 차단량 및 색 조절을 위해 공급 전압을 조절하여 출력하는 전압 조절부; 상기 전압 조절부에서 출력되는 전압에 따라 빛의 차단량을 조절하고 색상을 변경하는 콜레스테릭 액정필름이 마련된 스마트 윈도우를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기에서 제어부는 빛의 투과/산란 모드 시에만 빛 차단량 및 색 조절 제어신호를 발생하여 전력 소비는 낮추는 것을 특징으로 한다.
상기에서 스마트 윈도우는 유리창에 콜레스테릭 액정필름이 셀 형태로 내장되거나 상기 콜레스테릭 액정필름이 부착된 것을 특징으로 한다.
상기에서 콜레스테릭 액정필름은 인가전압에 따라 피치 조절을 통해 가시광선 영역의 선택적인 빛 반사를 통해 색상 구현과 빛 투과도를 조절하는 것을 특징으로 한다.
상기에서 콜레스테릭 액정필름은 콜레스테릭 액정에 카이랄 혼합물을 혼합하여 제조되는 것으로서, 상기 카이랄 혼합물은 하기 화학식 1로 표시되는 구조를 갖는 혼합물인 것을 특징으로 한다.
Figure 112018010980012-pat00002
상기 화학식 1에서,
Ch는 카이랄 탄소를 가지는 화합물이고, R은 C1-30인 탄화수소 화합물이고, PMS는 광반응성 메조겐(Photo-responsive Mesogens)화합물이며, m, n은 각각 1 내지 10의 정수이다.
본 발명에 따르면 콜레스테릭 액정 또는 카이랄 네마틱(nematic) 액정에 나선형 구조를 만들어줄 수 있는 카이랄(chiral) 화합물을 혼합하여 콜레스테릭 액정필름(셀)을 구현하고, 이를 선바이저로 활용하여 빛 투과도를 자유롭게 조절하거나 다양한 색상을 구현할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따르면 빛의 투과/산란 모드 시에만 빛 차단량 및 색 조절을 위한 전압을 발생함으로써, 전체적인 전력 소비는 낮출 수 있는 장점도 있다.
도 1은 본 발명에 따른 콜레스테릭 액정필름을 이용한 전자식 차량용 선바이저장치의 블록 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 콜레스테릭 액정필름을 이용한 전자식 차량용 선바이저장치를 차량에 구현한 예시도,
도 3은 본 발명에 따른 콜레스테릭 액정필름의 전압 인가에 따른 상태 변화도.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 콜레스테릭 액정필름 및 이를 이용한 전자식 차량용 선바이저장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
본 발명은 차량 앞 유리(특히, 상단)에 콜레스테릭 액정으로 이루어진 콜레스테릭 액정필름(셀)을 적용하여, 전압 인가에 따라 빛의 투과와 색의 조절이 가능하도록 한 차량용 선바이저장치를 제공하는 것이다.
콜레스테릭 액정 또는 카이랄 네마틱 액정에 나선형 구조를 만들어줄 수 있는 카이랄 화합물을 혼합하여, 콜레스테릭 액정필름을 구현한다.
예컨대, 콜레스테릭 액정필름(셀)은 알려진 콜레스테릭 액정에 카이랄 혼합물을 혼합하여 제조하는 것이 바람직하다.
상기 카이랄 혼합물은 하기 <화학식 1> 로 표시되는 구조를 갖는 혼합물이다.
Figure 112018010980012-pat00003
상기 <화학식 1> 에서,
Ch는 카이랄 탄소를 가지는 화합물로서, 100 내지 10,000g/mol의 분자량을 가질 수 있다. R은 C1-30인 탄화수소 화합물로서, 선형 알킬기, 가지형 알킬기, 알케닐기, 알콕시기, 에테르기, 플루오르알킬렌기, 플루오르에테르기, C3-12의 시클로알킬기 및 이들 중 하나 이상의 탄소가 O, S, N 또는 F로 치환된 화합물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다. PMS는 광반응성 메조겐(Photo-responsive Mesogens)화합물이며, m, n은 각각 1 내지 10의 정수이다.
카이랄 혼합물은 탄화수소화합물(Rm)을 준비하고, 광반응성 메조겐 화합물(PMS)을 준비하며, 상기 Rm 말단에서 PMS에 결합하게 되는 작용기와 상기 PMS를 반응시켜 Rm-PMS 화합물을 제조한 후, 카이랄 화합물(Ch)과 상기 반응된 Rm-PMS 화합물을 반응시켜 제조할 수 있다.
상기 Rm 말단에서 PMS에 결합하게 되는 작용기는 -CH3, -OH, -Br, -Cl, -COOH, -I, -NO2, 및 -NH2일 수 있다.
상기 콜레스테릭 액정은 색의 재현성, 가변성 및 선택 반사 특성이 좋아 우수한 색채를 표현할 수 있어 디스플레이 소재로서 각광을 받고 있다. 콜레스테릭 액정의 경우, 전압 인가에 따라 빛의 투과와 산란 모드 구동이 가능하여 빛을 온/오프할 수 있는 셔터 기능이 가능하다. 아울러 기존 PDLC와는 달리 모드(투과/산란 모드) 전환 시에만 전압을 인가해 준 후, 전압을 제거하여도 그 상태가 유지되기 때문에 별도의 소비 전력 없이도 투명, 산란 모드로 구동할 수 있는 장점이 있다. 더 나아가 상대적으로 낮은 저전압으로 나선 구조의 반복 주기 즉, 피치의 조절이 가능하므로 가시광선 영역 빛의 선택적인 반사 제어가 가능하여, 단일 조성물로 여러 가지 색을 나타내거나 스마트 윈도우의 빛 투과도를 자유롭게 조절할 수 있다.
상기와 같이 제조된 콜레스테릭 액정필름(셀)을 차량의 앞 유리창에 적용하여 선바이저 장치를 구현한다.
도 1은 본 발명에 따른 콜레스테릭 액정필름을 이용한 전자식 차량용 선바이저장치의 블록 구성도로서, 빛의 투과/산란 모드를 선택하고, 빛의 투과, 차단, 색 조절 신호를 입력하기 위한 조작부(10), 상기 조작부(10)에 의해 빛의 투과/산란 모드 시에 빛 차단량 및 색 조절 제어신호를 발생하는 제어부(20), 빛 차단 및 색상 구현을 위한 전압을 공급해주는 전압 공급부(20), 상기 제어부(20)에서 발생하는 빛 차단량 및 색 조절 제어신호에 따라 빛 차단량 및 색 조절을 위해 공급 전압을 조절하여 출력하는 전압 조절부(30), 상기 전압 조절부(30)에서 출력되는 전압에 따라 빛의 차단량을 조절하고 색상을 변경하는 콜레스테릭 액정필름(41)이 마련된 스마트 윈도우(40)를 포함한다.
상기 제어부(20)는 빛의 투과/산란 모드 시에만 빛 차단량 및 색 조절 제어신호를 발생하여 전력 소비를 낮추는 것이 바람직하며, 상기 스마트 윈도우(40)는 유리창에 콜레스테릭 액정필름(41)이 셀 형태로 내장되거나 상기 콜레스테릭 액정필름(41)이 부착되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 콜레스테릭 액정필름(41)은 인가전압에 따라 나선 구조의 반복 주기 즉, 피치 조절을 통해 가시광선 영역의 빛을 선택적으로 반사하여 색상 구현과 빛 투과도를 조절하는 것이 바람직하다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 콜레스테릭 액정필름을 이용한 전자식 차량용 선바이저장치의 동작을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 콜레스테릭 액정 또는 카이랄 네마틱 액정에 나선형 구조를 만들어줄 수 있는 카이랄 화합물을 혼합하여 구현한 콜레스테릭 액정필름(41)을 도 2에 도시한 바와 같이, 차량의 앞유리인 스마트 윈도우(40)의 소정 위치에 적용한다. 여기서 스마트 윈도우(40)에 콜레스테릭 액정필름(41)을 셀 형태로 내장하거나 상기 콜레스테릭 액정필름(41)을 부착하여, 선바이저를 구현한다.
상기 콜레스테릭 액정필름(41)은 상대적으로 낮은 저전압에서 R, G, B의 색을 갖는 선바이저 셀을 만들 수 있으며, 높은 전압을 인가하고 특정 전압으로 낮추면 산란 현상으로 인해 빛을 차단하게 된다. 이때, 전압을 제거하여도 산란 현상이 그대로 유지되기 때문에 소비 전력을 줄일 수 있게 된다. 다시 셀의 투과 모드를 구현하고 싶다면 높은 전압 인가 후 다시 전압을 제거하면 셀이 투명하게 되어 투과 모드를 재현하게 된다.
콜레스테릭 액정필름(41)을 이용하여 빛을 투과/차단하거나 투과도를 조절하거나 색을 구현하는 구체적인 과정을 설명하면 다음과 같다.
사용자(예를 들어, 운전자)는 빛의 투과도를 조절하거나 차단하거나 색을 구현하기 위해서, 조작부(10)에 마련된 버튼 및/또는 볼륨 스위치 등의 입력 수단을 조작하여, 빛의 투과/산란 모드를 선택하고, 빛의 투과, 차단, 색 조절 신호를 입력한다.
상기 조작부(10)에 의해 빛의 투과/산란 모드가 선택되고, 빛 차단량 및 색이 설정되면, 제어부(20)는 내부 메모리에 저장된 제어 테이블을 기반으로 사용자가 선택한 모드와 빛 투과량 및 색에 대응하는 제어 데이터를 인출하고, 그 인출한 제어 데이터를 빛 차단량 및 색 조절 제어신호로 전압 조절부(30)에 전달한다.
상기 전압 조절부(30)는 전압 공급부(50)로부터 빛 차단 및 색상 구현을 위한 전압을 공급받은 후, 상기 빛 차단량 및 색 조절 제어신호에 따라 공급 전압을 가변하여 콜레스테릭 액정필름(41)에 인가한다. 그러면 콜레스테릭 액정필름(41)은 인가전압에 따라 빛의 투과 또는 산란시켜 빛 차단량을 조절하고, 색상을 변경하게 된다.
예컨대, 콜렉스테릭 액정필름(41)이 셀 형태로 구현되어 스마트 윈도우(40)의 상단에 장착된 상태에서, 도 3에 도시한 바와 같이 전압이 가해지지 않은 0V하에서 액정 배향은 planar state(PS) 상태를 유지한다. 이 경우 콜레스테릭 액정의 피치가 근자외선(near UV)의 파장 영역에 해당하여 무색투명한 상태가 된다. 여기에 전압을 가할수록 피치의 길이가 길어짐에 따라 반사 파장이 장파장으로 옮겨가 가시광선 영역의 빛을 선택적으로 반사하게 된다. 따라서 전압을 조절하여 사용자의 요구에 따라 선바이저의 색상을 빨강(R), 초록(G), 파랑(B)으로 자유롭게 바꿀 수 있다.
R, G, B의 색 변화는 상대적으로 저전압에서 이루어지며, 약 2V에서는 B(1), 그리고 6V에서는 R(3)의 색상 구현이 가능하다. 또한, 여기에 약 80V의 상대적으로 높은 전압을 가해주게 되면(4), 액정이 기판에 수직하게 서며 PS에서 homeotropic(HS) 상태가 된다. 이때 40V 정도의 특정 전압으로 낮추면(5) 액정이 focal conic state(FS)가 되어 빛을 크게 산란시키며 셀은 불투명해진다. 이 상태에서 0V로 전압을 제거하여도(6) FS가 그대로 유지되며 소비 전력 없이도 선바이저가 불투명한 상태로 유지되어 빛을 투과시키지 못한다. 셀을 다시 원래대로 투명하게 변화시키려면 FS 상태에서 다시 고전압(80V)을 걸어준 뒤(7) 바로 0V로 낮춰주면(5a) 원래의 PS 상태로 돌아가서 선바이저가 투명해질 뿐 아니라, 2 - 6V로 낮춰주면(5b ~ 5d)와 같이 R, G, B로의 색 구현이 이루어지게 된다.
따라서 본 발명은 빛의 투과/산란 모드 시에만 전압이 인가되어 소비 전력을 낮출 수 있고, R, G, B의 색 변환 또한 상대적으로 저전압으로 구현할 수 있어 사용자의 요구에 따라 빛의 투과, 차단, 색 조절이 가능해지는 것이다.
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.
본 발명은 차량에 콜레스테릭 액정필름을 이용한 선바이저를 구현하여, 사용자의 요구에 따라 빛의 투과, 차단, 색 조절을 수행하는 기술에 적용된다.
10: 조작부 20: 제어부
30: 전압 조절부 40: 스마트 윈도우
41: 콜레스테릭 액정필름 50: 전압 공급부

Claims (7)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 빛의 투과/산란 모드를 선택하고, 빛의 투과, 차단, 색 조절 신호를 입력하기 위한 조작부;
    상기 조작부에 의해 빛의 투과/산란 모드 시에 빛 차단량 및 색 조절 제어신호를 발생하는 제어부;
    상기 제어부에서 발생하는 빛 차단량 및 색 조절 제어신호에 따라 빛 차단량 및 색 조절을 위해 공급 전압을 조절하여 출력하는 전압 조절부; 및
    상기 전압 조절부에서 출력되는 전압에 따라 빛의 차단량을 조절하고 색상을 변경하는 콜레스테릭 액정필름이 마련된 스마트 윈도우를 포함하고,
    상기 제어부는 빛의 투과/산란 모드 선택시에만 빛 차단량 및 색 조절 제어를 위한 전압을 인가한 후 전압을 제거하여 소비 전력 없이도 투명, 산란 모드를 유지시키는 방법으로 전력 소비를 낮추되,
    상기 제어부는 콜렉스테릭 액정필름이 셀 형태로 구현되어 스마트 윈도우의 상단에 장착된 상태에서, R, G, B의 색 변화는 2V - 6V의 저전압으로 색상을 구현하고, 산란 모드 선택 시 80V의 고전압을 인가하여 액정을 기판에 수직하게 세워 PS에서 homeotropic(HS) 상태로 천이시킨 후 40V 정도의 특정 전압으로 낮추어 액정이 focal conic state(FS)로 천이되어 빛을 크게 산란시켜 셀을 불투명상태로 만들고, 상기 불투명상태에서 0V로 전압을 제거하여 FS 상태를 유지하며, 상기 FS 상태에서 투명 모드 선택 시 고전압(80V)을 걸어준 뒤 즉시 0V로 전압을 제거하여 원래의 PS 상태로 천이시켜 선바이저를 투명상태로 천이시키는 것을 특징으로 하는 콜레스테릭 액정필름을 이용한 전자식 차량용 선바이저장치.
  4. 삭제
  5. 청구항 3에서, 상기 스마트 윈도우는 유리창에 콜레스테릭 액정필름이 셀 형태로 내장되거나 상기 콜레스테릭 액정필름이 부착된 것을 특징으로 하는 콜레스테릭 액정필름을 이용한 전자식 차량용 선바이저장치.
  6. 청구항 3 또는 청구항 5에서, 상기 콜레스테릭 액정필름은 인가전압에 따라 피치 조절을 통해 가시광선 영역의 빛을 선택적으로 반사하여 색상 구현과 빛 투과도를 조절하는 것을 특징으로 하는 콜레스테릭 액정필름을 이용한 전자식 차량용 선바이저장치.
  7. 청구항 3에서, 상기 콜레스테릭 액정필름은 콜레스테릭 액정에 카이랄 혼합물을 혼합하여 제조되는 것으로서, 상기 카이랄 혼합물은 하기 화학식으로 표시되는 구조를 갖는 혼합물인 것을 특징으로 하는 콜레스테릭 액정필름을 이용한 전자식 차량용 선바이저장치.
    Figure 112018010980012-pat00005

    상기 화학식에서,
    Ch는 카이랄 탄소를 가지는 화합물이고, R은 C1-30인 탄화수소 화합물이고, PMS는 광반응성 메조겐(Photo-responsive Mesogens)화합물이며, m, n은 각각 1 내지 10의 정수이다.




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