KR102046225B1

KR102046225B1 - 측면 광전달 시스템

Info

Publication number: KR102046225B1
Application number: KR1020170155044A
Authority: KR
Inventors: 홍성규; 마틴파하드; 오희묵
Original assignee: 동국대학교 산학협력단
Priority date: 2017-11-20
Filing date: 2017-11-20
Publication date: 2019-11-19
Also published as: KR20190057738A

Abstract

본 발명은 측면 광전달 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 투명한 유리 및 상기 유리 일면에 금속나노입자, 발광물질 및 폴리머를 포함한 코팅물질이 코팅되어 빛이 코팅물질 통과 후 유리 내에서 반사를 통해 측면으로 전달되는 측면 광전달 시스템을 제공한다.

Description

측면 광전달 시스템 {Side Light transmitting System}

본 발명은 전하주입층이 포함된 전자소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반도체층과 전극 사이에 전하주입층이 형성된 전자소자를 제공하는 데 있다.

현재 널리 사용되고 있는 유리창은 태양광을 투과시켜 단순히 실내에 빛을 제공하는 단순한 기능을 한다. 따라서 유리창에 수직으로 태양광이 입사되게 되면 대략 수%의 빛은 반사되고 대부분의 빛이 유리창 후면, 즉 실내로 투과된다. 현재 이렇게 건물용 유리창표면에 수직으로 입사된 태양광의 경로를 90도 변경하여 유리창 측면으로 태양광을 전달시키는 LSC (Luminescent Solar Concentrator)기술이 미국, 유럽 및 일본에서 개발되고 있다.

이러한 LSC 기술은 유리창에 발광물질을 코팅하여 외부공기층과의 굴절률차이에 기인한 내부반사를 통해 측면으로 빛을 전달시키는 기술로서 개발되고 있다. 그러나 아직까지는 측면 광전달 효율이 높지 않아 크게 실용화에는 이르지 못하고 있다.

이에 따라 측면으로 빛을 효율적으로 전달시켜 빛을 실내 등으로 직접 이용하거나, 태양전지 발전시스템으로 활용할 수 있는 기술개발이 요구되었다.

한국등록특허 제1432861호, 한국등록특허 제1474045호, 한국등록특허 제1379876호

상기 문제점을 해결하기 위해 본 발명의 목적은 유리창 표면에 입사된 태양광의 경로를 유리창 측면으로 변경할 수 있도록 하여 유리창 후면이 아닌 측면으로 태양광이 전달되는 측면 광전달 시스템을 제공하는 데 있다.

또한, 본 발명의 목적은 태양광의 경로를 용이하게 변경가능하여 건물옥상이나 넓은 들판에 설치되는 태양전지의 설치장소를 창틀이나 건물벽면으로 변경가능하게 할 수 있는 건물일체형 태양전지 발전시스템 구축하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 투명한 유리 및 상기 유리 일면에 금속나노입자, 발광물질 및 폴리머를 포함한 코팅물질이 코팅되어 빛이 코팅물질 통과 후 유리 내에서 반사를 통해 측면으로 전달되는 측면 광전달 시스템을 제공한다.

또한, 본 발명에 따르면, 금속나노입자, 발광물질, 폴리머로 구성된 필름으로 빛이 필름 내부에서 반사를 통해 측면으로 전달되는 측면 광전달 시스템을 제공한다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 유리는 복수층으로 구성되며, 상기 유리 사이에는 공기층이 형성된 것을 특징으로 하는 측면 광전달 시스템을 제공한다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 필름은 복수층으로 구성되며, 상기 필름 사이에는 공기층이 형성된 것을 특징으로 하는 측면 광전달 시스템을 제공한다.

또한, 본 발명에 따르면, 빛이 발광물질 통과시 여러 방향으로 방사시키는 것을 특징으로 하는 측면 광전달 시스템을 제공한다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 빛은 상기 발광물질과 상기 금속나노입자의 표면플라즈몬 공명에 의해 증폭되는 것을 특징으로 하는 측면 광전달 시스템을 제공한다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 금속나노입자로는 은나노입자 또는 금나노입자인 것을 특징으로 하는 측면 광전달 시스템을 제공한다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 발광물질로는 Yellow형광체인 MACROLEX Fluorescent Yellow 10GN, Red형광체인 MACROLEX Fluorescent Red G, 혹은 DCM, Green형광체인 Cumarine6, 및 Blue형광체인 Cumarin466 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 측면 광전달 시스템을 제공한다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 폴리머는 PMMA(polymethylmetaacrylate), PC(polycarbonate), PS(polystyrene), Acryl resin 중 1이상 포함된 것을 특징으로 하는 측면 광전달 시스템을 제공한다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 코팅물질에서 상기 발광물질은 0.2~2.0wt% 포함되며, 상기 금속나노입자는 0.002~0.02wt% 포함된 것을 특징으로 하는 측면 광전달 시스템을 제공한다.

본 발명에 따른 측면 광전달 시스템은 유리창 등에 통과된 빛이 측면으로 전달됨으로써 전달된 빛을 실내 등으로 직접 이용하거나, 태양전지 발전시스템으로 활용할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 측면 광전달 시스템은 건물용 유리창표면에 수직으로 입사된 태양광의 경로를 유리창 측면으로 변경할 수 있도록 하여 유리창 후면이 아닌 측면으로 태양광이 전달되는 측면 광전달 윈도우를 구축할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 측면 광전달 시스템은 태양광의 경로를 용이하게 변경가능하여 현재 건물옥상이나 넓은 들판에 설치되는 태양전지의 설치장소를 창틀이나 건물벽면으로 변경가능하게 함으로서 건물일체형 태양전지 발전시스템 구축이 가능하다.

또한, 본 발명에 따른 측면 광전달 시스템은 주간에 유리창 측면으로 전달된 빛을 건물 내부에 전달하여 실내조명으로 사용함으로서 에너지 절약에도 기여할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 측면 광전달 시스템의 대략적인 구조도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 측면 광전달 시스템에서 빛이 전달되는 모습을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 금속나노입자, 발광물질 및 폴리머를 포함한 필름 내에서 빛이 전달되는 개략도를 나타낸 것이다.
도 4는 발광강도를 측정하는 공정을 대략적으로 나타낸 것이다.
도 5는 실시예 1 및 비교예 1, 실시예 2 및 비교예 2에서 유리 측면에서 발광강도에 대한 그래프를 나타낸 것이다.

이하 본 발명에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 우선, 도면들 중, 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 한 동일한 참조부호를 나타내고 있음에 유의하여야 한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.

본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 “약”, “실질적으로” 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본 발명의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.

본 명세서에서 사용되는 "필름" 이라 함은 일정한 폭과 두께가 있는 막, 시트, 판 등을 모두 포함하는 의미로 사용한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 측면 광전달 시스템의 대략적인 구조를 나타낸 것이다. 도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 측면 광전달 시스템에서 빛이 전달되는 모습을 개략적으로 나타낸 것이다.

본 발명의 측면 광전달 시스템은 유리 및 상기 유리의 일면에 금속나노입자, 발광물질 및 폴리머를 포함한 코팅 물질이 코팅된 것으로, 빛이 코팅 물질로 입사되면 상기 코팅물질 내에 있는 발광물질 통과 후 유리 내에서 반사를 통해 측면으로 전달될 수 있다.

빛은 코팅 물질 내에 있는 발광물질에 의해 여러 방향으로 방사가 이루어진다. 또한, 코팅물질 내로 전달된 빛은 발광물질 및 금속나노입자에 의해 표면플라즈몬 공명에 의해 증폭이 일어나 유리로 빛이 전달될 경우 더욱 강하게 전달될 수 있다.

유리로 전달된 빛은 수직으로 들어온 빛을 제외하고는 유리의 외부인 공기와의 굴절률 차이에 의해 유리내에서 내부반사를 통해 측면으로 전달되게 된다.

즉, 수직으로 입사하지 않은 빛은 유리의 상단에서 굴절이 이루어지고, 유리의 하단에서 반사가 이루어진다. 반사가 이루어지는 이유는 외부가 공기층으로 인해 굴절률 차이로 반사가 이루어지게 된다. 이로인해 유리내에서 내부반사가 이루어져 유리상단에서 입사시 굴절된 방향으로 반사가 이루어지져 측면으로 전달되게 된다.

코팅물질을 유리에 코팅하는 방법은 특별히 제한되는 것은 아니며, 바고팅, 스핀코팅, 스프레이(Spray), 잉크젯(Inkjet), 플렉소그라피(Flexography), 스크린(Screen), Dip-Coating 및 Gravure 등의 방법을 통해 형성할 수 있다.

빛이 입사되면 발광물질 및 금속나노입자에 의해 표면플라즈몬 공명이 일어나게 된다.

나노미터 금속입자 표면에 빛이 입사되면 금속나노입자 표면의 전자들이 들뜬 상태로 여기되는 현상을 금속나노입자 표면 플라즈몬이라하며, 이렇게 여기된 금속표면의 전자에서 발생되는 에너지는 주변부의 발광물질의 발광효율을 증대시킨다. 여기에는 두가지 메커니즘이 있는데 첫 번째는 금속나노입자의 표면플라즈몬으로 여기된 전자들의 에너지가 주변부의 발광물질의 여기자 생성효율을 증대시켜 발광물질의 입사광 흡수효율 향상시키는 것이며, 두 번째로는 금속나노입자의 표면플라즈몬으로 발생된 여기된 전자들의 에너지가 주변부의 발광물질의 비발광경로를 발광경로로 전환시켜 발광물질의 발광효율을 향상시키게 된다.

발광물질로는 Yellow형광체인 MACROLEX Fluorescent Yellow 10GN, Red형광체인 MACROLEX Fluorescent Red G, 혹은 DCM, Green형광체인 Cumarine6, 및 Blue형광체인 Cumarin466 중 어느 하나를 사용하는 것이 바람직하다.

상기 발광물질은 입사된 빛을 여러방향으로 방사시키는 역할을 하여 유리 내로의 입사시 입사각을 변경하여 빛이 유리 내에서 전반사가 일어나는 것을 돕는 역할을 한다.

또한, 금속나노입자로는 은나노입자 또는 금나노입자인 것이 바람직하다. 상기 은나노입자 또는 금나노입자는 발광물질이 있는 상태에서 빛을 증폭시킬 수 있는 역할을 한다. 증폭이 일어나는 이유로는 발광물질과 함께 표면 플라즈몬 공명효과에 의해 발광강도가 증폭된다.

또한, 상기 금속나노입자는 크기가 10~60nm인 것이 바람직한데, 금속나노입자 크기가 10~60nm일 때 발광물질과 혼합되어 표면 플라즈몬 공명이 잘 일어난다.

또한, 폴리머로는 PMMA(polymethylmetaacrylate), PC(polycarbonate), PS(polystyrene), Acryl resin 중 1이상 포함되는 것이 바람직하다. 상기 폴리머는 빛이 유리로 진입하기 전에 먼저 빛이 입사될 때 발광물질 및 금속나노입자가 코팅물질 전영역에 걸쳐 분포할 수 있도록 하는 역할을 한다. 또한 발광물질과 금속나노입자를 통해 방사된 빛들 중에서 유리층으로 입사되지 못한 빛의 일부를 측면으로 유도될 수 있도록 하는 역할을 한다.

상기 코팅물질의 구성비율을 살펴보면, 상기 코팅물질에서 상기 발광물질은 0.2~2.0wt%를 포함되며, 상기 금속나노입자는 0.002~0.02wt%를 포함되는 것이 바람직하다.

발광물질이 0.2~2.0wt% 범위일때 발광효율이 극대화되는 효과가 있다.

또한, 금속나노입자는 0.002~0.02wt%인 것이 바람직한데, 0.002wt% 미만인 경우에는 표면 플라즈몬 공명에 의해 증폭이 잘 일어나지 않게 되며, 0.02wt%를 초과하게 되면 금속입자가 많아져 여기자가 생김으로 인해 오히려 발광강도의 증폭이 오히려 떨어지게 된다.

한편, 본 발명은 빛의 측면전달 강도를 향상시키기 위해 유리를 복수층으로 형성할 수도 있다. 이 경우 상기 유리는 코팅 물질로 코팅 되어 있으며, 유리와 유리 사이에는 공기층이 형성되어 유리와 공기층과의 굴절률 차이에 의해 빛이 유리 밖으로 굴절되지 않고 유리 내부로 내부반사가 이루어짐으로써 측면으로 전달된다. 그리고, 코팅물질을 통과하여 유리에 수직으로 입사된 빛은 유리에서 내부반사가 일어나지 않고 공기층으로 빠져나가게 되는 데, 이 경우 다음에 형성된 코팅물질이 코팅된 유리내에서 반사를 통해 측면으로 이동하게 된다.

도 1을 참조하면, 코팅물질이 코팅된 유리에 공기층을 형성하고 코팅물질이 코팅된 다른 유리를 적층하게 되는 데, 코팅물질이 코팅된 제1유리에서 코팅물질 통과 후 유리내에서 내부반사를 통해 측면으로 전달된다.

도 1에서는 오른쪽으로만 반사가 이루어졌으나 이는 예시적인 것이며 오른쪽 방향뿐만 아니라 왼쪽 방향, 앞쪽, 뒤쪽 등의 다양한 방향으로 반사가 이루어진다. 유리에 입사시 굴절된 방향으로 반사가 이루어지게 된다. 다만, 제1유리에 수직으로 입사한 빛은 제1유리에서 전반사가 이루어져 제1유리 위쪽으로 반사되거나 공기층을 통과하여 제2유리가 있는 방향으로 이동하게 된다.

제2유리 상에 있는 코팅물질에 빛이 입사되면 앞서 설명한 바와 같이 빛은 코팅 물질 내에 있는 발광물질에 의해 여러 방향으로 방사가 이루어지며, 발광물질 및 금속나노입자에 의해 표면플라즈몬 공명에 의해 증폭이 일어나 유리로 빛이 전달될 경우 더욱 강하게 전달된다.

유리에 전달된 빛은 일부가 외부와 유리의 굴절률 차이에 의해 유리내에서 내부반사를 통해 측면으로 전달되게 된다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 금속나노입자, 발광물질 및 폴리머를 포함한 필름 내에서 빛이 전달되는 개략도를 나타낸 것이다.

또한, 본 발명은 필름형태로 구성될 수 있는데, 금속나노입자, 발광물질, 폴리머를 포함한 필름으로 빛이 필름 내부에서 반사를 통해 측면으로 전달될 수 있다.

빛은 코팅 물질 내에 있는 발광물질에 의해 여러방향으로 방사가 이루어진다.

이러한 빛 중에서 일부가 외부와 필름의 굴절률 차이에 의해 필름내에서 내부반사를 통해 측면으로 전달되게 된다. 이렇게 전달되는 빛은 필름 내의 금속나노입자에 의해 표면플라즈몬 공명에 의해 증폭시켜 필름의 측면으로 더욱 강하게 전달되게 된다.

또한, 상기 필름의 구성비율을 살펴보면, 상기 필름물질에서 발광물질은 0.2~2.0wt% 포함되며, 금속나노입자는 0.002~0.02wt% 포함되는 것이 바람직하다. 이는 앞서 설명한 유리에 코팅되는 코팅물질의 구성비율과 동일하다.

상기 발광물질은 0.2~2.0wt% 포함되며, 상기 금속나노입자는 0.002~0.02wt% 포함되는 것이 바람직하다. 발광물질이 0.2~2.0wt% 범위일때 발광효율이 극대화되는 효과가 있다.

한편, 본 발명의 측면 광전달 시스템은 필름을 복수개로 적층하여 형성될 수 있는 데, 이 경우 상기 필름과 필름 사이에는 공기층이 형성된다.

공기층이 형성되어 필름과 공기층과의 굴절률 차이에 의해 빛이 필름 밖으로 굴절되지 않고 필름 내부에서 반사가 이루어짐으로써 측면으로 전달될 수 있다.

위와 같이 제조된 본 발명의 측면 광전달 시스템은 유리창 등에 활용시 통과된 빛이 측면으로 전달됨으로써 전달된 빛을 실내 등으로 직접 이용하거나, 또는 태양전지 발전시스템으로 활용할 수 있다.

이하 본 발명의 일실시예에 대하여 상세히 설명한다.

실시예 1

코팅물질 제조를 위해 발광물질은 Macrolex Fluorescence Yellow 10GN (화학식 : 3-(5-chloro-2-benzoxazolyl)-7-(diethylamino)-2H-1-Benzopyran-2-one)을, 금속나노입자로 평균지름이 약 20nm인 은나노입자를, 폴리머로는 PMMA를 준비하였다.

이들 발광물질 0.8wt%, 은나노입자 0.002wt%, 폴리머 99.198wt% 포함시키도록 코팅물질을 제조하였다. 또한, 은나노물질을 0.006wt%, 0.010wt%, 0.015wt%로 4가지 종류로 하여 코팅물질을 제조하였다. 발광물질은 0.8wt%가 포함되었고, 나머지 질량비율을 폴리머로 하여 100wt%를 맞추었다.

유리를 준비하여 코팅물질을 바코팅을 통해 코팅하여 완성하였다.

실시예 2

실시예 1과 동일하게 제조하되,

발광물질로 Macrolex Fluorescence Red G (화학식 : 3-(benzothiazol-2-yl)-7-(diethylamino)-2-oxo-2H-1-benzopyran-4-carbonitrile)을, 금속나노입자로 평균지름이 약 20nm인 금나노입자를 준비하였으며, 금나노물질을 0.002wt%, 0.006wt%, 0.010wt%, 0.015wt%로 4가지 종류로 하여 코팅물질을 제조하였으며, 바코팅을 통해 유리 상에 코팅을 하였다.

비교예 1

실시예 1과 동일하게 제조하되, 금속나노입자인 은나노입자 없이 코팅물질을 제조하여 유리 상에 코팅하였다.

비교예 2

실시예 2와 동일하게 제조하되, 금속나노입자인 금나노입자 없이 코팅물질을 제조하여 유리 상에 코팅하였다.

제조된 코팅물질이 코팅된 유리를 이용하여 흡수스펙트럼을 통한 발광강도를 측정하였는 데, 도 4는 발광강도를 측정하는 공정을 대략적으로 나타낸 것이다.

도 4의 측정방법을 살펴보면, Solar simulator는 태양광과 유사한 스펙트럼을 가지는 광 발생장치이며, 이를 통해 발생된 백색의 입사광이 샘플에 수직으로 조사되면 샘플을 통해 일부분이 측면으로 전달된다. 이렇게 전달된 측면광은 integrated sphere로 모아지며, 한쪽 끝에 연결된 optical fiber detector를 통해 spectrometer로 전달되어 파장에 따르는 강도를 가지는 spectrum으로서 얻어진다. 이때 강도는 자동적으로 계산되어 power 즉 W로 화면상에 표시된다.

도 5는 실시예 1 및 비교예 1, 실시예 2 및 비교예 2에서 유리 측면에서 발광강도에 대한 그래프를 나타낸 것이다.

도 5의 (a)는 실시예 1 및 비교예 1의 발광강도, 도 5의 (b)는 실시예 2 및 비교예 2의 발광강도를 나타낸 것인데, 도 4의 공정을 이용하여 발광강도를 측정하였다.

도 5의 (a)를 참조하면, 비교예 1의 발광강도는 발광물질 Macrolex Fluorescence Yellow 10GN 의 영향으로 530nm 파장대에서 피크를 나타내는 데, 은나노입자가 없는 상태에서 발광강도는 가장 낮은 값을 나타내고, 은나노입자의 농도를 높임에 따라 점점 발광강도가 높았으며 0.010wt%일때 가장 높은 발광강도를 나타내었다.

도 5의 (b)를 참조하면, 비교예 2의 발광강도는 발광물질의 영향으로 610nm 파장대에서 피크를 나타내는 데, 금나노입자가 없는 상태에서 발광강도는 가장 낮은 값을 나타내고, 금나노입자의 농도를 높임에 따라 점점 발광강도가 높았으며 0.010wt%일때 가장 높은 발광강도를 나타내었다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.

Claims

투명한 유리 및
상기 유리 일면에 금나노입자, 발광물질 및 폴리머를 포함한 코팅물질이 코팅되어
빛이 코팅물질 통과 후 유리 내에서 반사를 통해 측면으로 전달되고,
상기 유리는 복수층으로 구성되며, 상기 유리 사이에는 공기층이 형성되고,
상기 발광물질로는 Yellow형광체인 MACROLEX Fluorescent Yellow 10GN, Red형광체인 MACROLEX Fluorescent Red G, 혹은 DCM, Green형광체인 Cumarine6, 및 Blue형광체인 Cumarin466 중 어느 하나이고,
상기 코팅물질에서 상기 발광물질은 0.2~2.0wt% 포함되며, 상기 금나노입자는 0.002~0.02wt% 포함된 측면 광전달 시스템.
금나노입자, 발광물질, 폴리머로 구성된 필름으로
빛이 필름 내부에서 반사를 통해 측면으로 전달되고,
상기 필름은 복수층으로 구성되며, 상기 필름 사이에는 공기층이 형성되고,
상기 발광물질로는 Yellow형광체인 MACROLEX Fluorescent Yellow 10GN, Red형광체인 MACROLEX Fluorescent Red G, 혹은 DCM, Green형광체인 Cumarine6, 및 Blue형광체인 Cumarin466 중 어느 하나이고,
상기 코팅물질에서 상기 발광물질은 0.2~2.0wt% 포함되며, 상기 금나노입자는 0.002~0.02wt% 포함된 측면 광전달 시스템.
삭제
삭제
제1항 또는 제2항에 있어서,
빛이 발광물질 통과시 여러 방향으로 방사시키는 것을 특징으로 하는 측면 광전달 시스템.
제5항에 있어서,
상기 빛은 상기 발광물질과 상기 금나노입자의 표면플라즈몬 공명에 의해 증폭되는 것을 특징으로 하는 측면 광전달 시스템.
삭제
삭제
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 폴리머는 PMMA(polymethylmetaacrylate), PC(polycarbonate), PS(polystyrene), Acryl resin 중 1이상 포함된 것을 특징으로 하는 측면 광전달 시스템.
삭제