KR102382744B1 - 태양광 모방 조명 시스템의 조정 - Google Patents

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Abstract

백색광(89)으로 조사함으로써 확산기 유닛(9)상에 입사하는 광의 산란에 의해 색도 조정 가능한 투과광(33)을 제공하는 확산기 유닛(9)은, 다수의 나노스케일(nanoscale) 산란 요소들(19,63) 및 나노스케일 산란 요소들(19,63)을 이격시키는 호스트 재질(21,61)을 가진 산란층(17)을 구비한다. 확산기 유닛(9)은, 전기장(27)을 제공하는 한 쌍의 면적 전기적 콘택트(areal electrical contact)들(23')을 구비하며, 면적 전기적 콘택트들(23') 중 적어도 하나는 가시 파장 영역에서 투과성이 되도록 구성된다. 산란층(17)은, 나노스케일 산란 요소들(19,63)의 상대 굴절율 및/또는 유효 크기를 가변시킴으로써, 파장 종속적 앙상블 광 산란 단면량(wavelength dependent ensemble light scattering cross-section amount, σtotal)이 적응 가능하게 되도록 구성된다.

Description

태양광 모방 조명 시스템의 조정
본 개시는 일반적으로 조명 시스템에 관한 것으로, 특히, 자연 태양광 조사(illumination)를 모방한 조명 시스템에 관한 것이다. 또한, 본 개시는 일반적으로 확산기 유닛에 관한 것으로, 특히, 레일리형 산란에 기반한 확산기 유닛들을 가진 조명 시스템에 관한 것이다.
폐쇄 환경을 위한 인공 조명 시스템들은 사용자가 경험한 시각적 안락성을 개선하는데 그 중점을 두는 경우가 빈번하다. 예를 들어, 이색광 배출 표면(dichroic light exiting surface)으로부터 방출될 이색광을 제공하는 자연 조명, 특히, 태양광 조사를 모방하는 조명 유닛들이 알려져 있는데, 여기에서, 이색광은 제 1 (보다 낮은) 상관 컬러 온도(CCT: Correlated Color Temperature)를 가진 직사광(direct light)의 지향광 부분(directional light portion)과 제 2 (보다 높은) CCT를 가진 확산광(diffused light)의 확산광 부분을 구비한다.
예를 들어, 레일리형 확산층들을 이용하는 그러한 조명 시스템들의 예시적인 실시 예들은 동일 출원인들에 의해 출원된 WO 2009/156347 A1, WO 2009/156348 A1, WO 2014/076656 A1 및 WO 2015/172821와 같은 여러 출원에 개시되어 있다. 거기에 개시된 조명 시스템은, 예를 들어, 가시광을 생성하는 광원, 투과 또는 반사에 이용되는 나노입자들을 포함하는 패널(panel)을 이용한다. 이들 조명 시스템들의 동작 동안에, 패널은 광원으로부터 광을 수신하고, 소위, 레일리 확산기로서 작용한다. 즉, 그것은 맑은 하늘(clear-sky) 상태의 지구 대기(earth atmosphere)와 유사하게 입사광을 확산시킨다.
예를 들어, 미공개된 국제 특허 출원 PCT/EP2015/077169호와, 2016년 8월 28일자 동일 출원인에 의해 출원된 아직 공개되지 않은 국제 특허 출원 PCT/EP2015/069790호 및 WO 2014/075721 A1에 개시된 추가적인 실시 예에서는, 보다 낮은 CCT를 가진 직사광 및 보다 높은 CCT를 가진 확산광의 개념이 조명 시스템의 선형적 연장 및 콤팩트 구성으로 예시적으로 구현된다.
설명한 바와 같이, 상기에서 언급한 구현은 나노 입자들을 이용하는데, 그 나노 입자들은 레일리(또는 레일리형) 산란 상황(Rayleigh scattering regime)에서 그들의 나노 크기로 인해 광과 상호 작용하고 호스트 재질(host material)(주변 매트릭스)에 매립된다. 매트릭스에 대하여 다른 굴절율(refractive index)을 가지며 가시광 파장보다 (매우) 작은 크기를 가진 투명 나노 입자들이 스펙트럼의 청색 부분을 우선적으로 산란시키고 적색 부분을 투과시킨다는 것은, 광-산란의 원리로부터 잘 알려져 있다. 특히, 단일 입자 산란 단면(single particle scattering cross-section)은 아래에 의해 주어진다.
Figure 112019052789218-pct00001
또한 앙상블 산란 단면량(ensemble scattering cross-section amount)은 아래에 의해 주어진다.
Figure 112019052789218-pct00002
여기에서, N은 단위 면적당 나노 입자들의 개수이다(아래에 설명됨)
산란의 광학적 파라메타들은 나노 입자들의 크기 및 굴절율과, 예를 들어, 투명 매트릭스(transparent matrix)에 분포된 입자들의 개수 및 그 매트릭스의 굴절율에 의해 정의된다. 나도 입자들의 경우, 레일리 산란 프로세스는 아래에 요약된 바와 같은 3개의 파라메타들, D, m 및 N에 의존한다.
D는 나노 입자들의 크기 d와 관련된다. 특히, 유효 입자 직경 D = dnh가 고려되는데, d(meter)는, 구형 입자들의 경우에는, 입자 분포에 걸쳐서의 평균 입자 크기이고, 비-구형 입자들의 경우에는, 할당된 전파 방향에 있어서의 입자들의 평균 두께이다. 단일 입자당 산란 효율의 파장 의존성은 파장 λ의 1/10보다 작거나 대략 그와 동일한 입자 크기에 대한 λ-4 레일리-한계 법칙에 근접하지만, 각각의 허용 가능한 광학적 효과는, 레일리-형 산란이라고도 지칭되는, 나노 입자들의 크기에 대한 상기 범위내에서 이미 이루어질 수 있다. 다른 한편, 단일 입자당 산란 효율은 D6에 비례하고, 입자 크기의 감소에 따라 감소하며, 그에 따라, 너무 작은 입자들의 이용이 불편하게 되고 전파 방향으로 많은 개수의 입자들이 필요하게 되며, 그럼으로써, 달성 가능한 충진 분율(filling fraction)에 의해 제한될 수 있다.
m은 나노 입자들과 매트릭스의 굴절율 부정합(index dismatch)과 관련된다. 특히, 색도 효과(chromatic effect)는 매립된 매트릭스(embedding matrix)의 굴절율과 다른 굴절율을 가진 나노 입자들에 기반한다. 산란을 위해, 나노 입자들은 광 산란이 발생할 수 있도록 호스트 재질의 굴절율 nh와 크게 다른, 실제 굴절율 np를 가진다. 예를 들어, 상술한 종래 기술의 시스템들은 특정 호스트 재질내의 특정 고체 입자를 이용하며, 그에 의해 입자 굴절율과 호스트 매체 굴절율간의 고정 비율(fixed rate)
Figure 112021102070434-pct00003
에 대한 산란 조건이 설정된다. m은 상대 굴절율(relative index of refraction)이라 한다.
N은 산란에 수반되는 나노 입자들의 개수와 관련된다. 특히, 색도 효과는 볼륨 충진 분율(volume-filling fraction) f와 주어진 방향으로 전파되는 충돌광(impinging light)에 의해 관찰되는 단위 면적당 나노 입자들의 개수에 기반한다. 특히, 색도 효과는, 예를 들어, 색도 확산층에 매립되는 단위 면적당 나노 입자들의 개수 N에 기반한다.
본 명세서에서는, 특히, 가변 상태에 대해 태양-하늘 조사(sun-sky illumination)를 모방한 조명 시스템에서 구현하는데 이용될 수 있는 레일리형 산란을 위한 시스템 및 방법이 개시된다.
따라서, 본 개시는, 적어도 부분적으로, 종래 시스템들의 하나 이상의 측면들을 개선하거나 극복하는 것에 관한 것이다.
제 1 측면에 있어서, 본 개시는 백색광으로 조사함에 의해 확산기 유닛상에 입사하는 광의 산란에 의해 색도 조정 가능한 투과광(chromatically tunable transmitted light)을 제공하는 확산기 유닛에 관한 것이다. 확산기 유닛은 다수의 나노스케일(nanoscale) 산란 요소들과 나노스케일 산란 요소들을 이격시키는 호스트 재질을 구비한 산란층과, 특히, 나노스케일 산란 요소들 및/또는 호스트 재질들과 상호 작용하는 전기장을 제공하는 한 쌍의 면적 전기적 콘택(areal electrical contact)들을 구비하며, 면적 전기적 콘택트들은 산란층의 반대면상으로 연장되고, 면적 전기적 콘택트들 중 적어도 하나는 가시 파장 영역에서 투과성이 되도록 구성된다. 산란층은 조사 방향(조명 시스템의 통상적인 구현내에서, 예를 들어, 대략 산란층과 수직하거나 대략 30°, 45°, 60°각도하의 방향)과 연관된 호스트 재질과 나노스케일 산란 요소들간의 상대 굴절율과, 조사 방향과 연관된 나노스케일 산란 요소들의 유효 크기에 의존하는 가시 파장 영역내에서의 파장 종속적 광 산란 단면을 가진다. 산란층은 나노스케일 산란 요소들의 유효 크기 또는 상대 굴절율을 가변시킴에 의해, 투과광의 스펙트럼에 있어서의 가변성을 허용하는, 앙상블 광 산란 단면량을 제공하도록 구성된다.
또 다른 측면은 충돌 백색광에 대해 색도 조정 가능한 산란 상호 작용을 제공하는 확산기 유닛에 관한 것이다. 확산기 유닛은 액정(liquid crystal)이 호스트 폴리머(host polymer)내에 매립된 폴리머 분산형 액정층(PDLC) - 액정들은 나노액적(nanodroplet)들을 형성하고, 폴리머에 의해 분리되며, 굴절율에 있어서 이방성을 가짐- 과, 나노액적들내의 액정과 상호 작용하는 전기장을 제공하는 한 쌍의 면적 전기적 콘택트들을 구비하고, 면적 전기적 콘택트들은 산란층의 반대면상으로 연장되고 면적 전기적 콘택트들 중 적어도 하나는 가시 파장 영역에서 투과성이 되도록 구성된다.
또 다른 측면은, 충돌 백색광에 대해 색도 조정 가능한 산란 상호 작용을 제공하는 확산기 유닛에 관한 것이다. 확산기 유닛은, 액정들이 굴절율에 있어서 이방성을 가진 액정층과, 액정층내에 매립되며 굴절율을 가진 다수의 나노스케일 산란 요소들을 가진 산란층을 구비한다. 확산기 유닛은, 또한, 액정층내의 액정들과 상호 작용하는 전기장을 제공하는 한 쌍의 면적 전기적 콘택트들과, 한 쌍의 커버 시트(cover sheet)들을 더 구비하며, 면적 전기적 콘택트는 산란층의 반대면상으로 연장되고, 면적 전기적 콘택트들의 적어도 하나는 가시 파장 영역에서 투과성이 되도록 구성되며, 한 쌍의 커버 시트(cover sheet)들 각각은 면적 전기적 콘택트들 중 하나를 소지(carry)하고 액정층을 획정(delimit)한다.
또 다른 측면은 충돌 백색광에 대해 색도 조정 가능한 산란 상호 작용을 제공하는 확산기 유닛에 관한 것으로, 형상에 있어서 기하학적으로 비대칭적이며 특히 막대형으로 가늘고 길며, 전기장이 있을 때 특히 유발 다이폴 모멘트(induced dipole moment)를 제공하는 다수의 나노스케일 산란 요소들과, 액체형 호스트 재질층(liquid-like host material layer)을 가지되, 액체형 호스트 재질은 나노스케일 산란 요소들의 굴절율과 다른 굴절율을 가지고, 나노스케일 산란 요소들을 분리하며, 나노스케일 산란 요소의 재배향을 허용한다. 확산기 유닛은, 또한, 액체형 호스트 재질층내의 나노스케일 산란 요소들과 상호 작용하는 전기장을 제공하는 한 쌍의 면적 전기적 콘택트들과, 한 쌍의 커버 시트들을 더 구비하며, 면적 전기적 콘택트들은 액체형 호스트 재질층의 반대면상으로 연장되고 면적 전기적 콘택트들 중 적어도 하나는 가시 파장 영역에서 투과성이 되도록 구성되며, 커버 시트들의 각각은 면적 전기적 콘택트들 중 하나를 소지하고 액정층을 획정한다.
또 다른 측면은 백색광으로 조사함으로써 확산기 유닛상에 입사되는 광의 산란에 의해 색도 조정 가능한 투과광을 제공하는 확산기 유닛에 관한 것이다. 그 확산기 유닛은, 약 10nm 내지 약 500nm, 예를 들어, 약 20nm 내지 약 400nm, 예를 들어 약 30nm 내지 약 300nm의 범위의 액적 직경(droplet diameter) d를 가진 나노액적으로 범위가 제한되고,
Figure 112021102070434-pct00004
범위에서 이방성을 가진 액정과, 나노스케일 산란 요소들을 분리시키고 1 내지 3, 예를 들어, 1.2 내지 2.2, 예를 들어, 1.25 내지 1.75의 범위내의 호스트 굴절율 nh을 가진 폴리머 호스트 재질을 가진 폴리머 분산형 액정층을 가진 산란층을 구비한다. 최대 상대 굴절율
Figure 112021102070434-pct00005
은
Figure 112021102070434-pct00006
와
Figure 112021102070434-pct00007
의 두 값중, 함수
Figure 112021102070434-pct00008
을 최대화시키는 한 값이다. 액적 크기, 호스트 굴절율, 최대 상대 굴절율 및 상수 c는,
Figure 112021102070434-pct00009
에 의해, 산란층, 특히 산란층 표면의 단위 면적당 나노액적들의 최소 개수 N을 정의하며, 여기에서 상수 c는
Figure 112021102070434-pct00010
또는 그보다 크고, 특히
Figure 112021102070434-pct00011
또는 그보다 크며, 예를 들어,
Figure 112021102070434-pct00012
이거나 그보다 크다(산란층의 단위 면적당 나노액적들의 개수는 적어도 값 N임).
또 다른 측면은 백색광으로 조사함으로써 확산기 유닛상에 입사되는 광의 산란에 의해 색도 조정 가능한 투과광을 제공하는 확산기 유닛에 관한 것이다. 확산기 유닛은 액정 기반 호스트 재질내에 매립된 정적 산란 센터들(static scattering centers)(나노입자들)을 가진 산란층을 구비하며, 정적 산란 센터들은, 약 10nm 내지 약 500nm, 예를 들어, 약 20nm 내지 약 400nm, 예를 들어 약 30nm 내지 약 300nm의 범위의 직경 d를 가지며, 정적 산란 센터들의 굴절율 np는 1.1 내지 3.2, 예를 들어, 1.2 내지 3, 예를 들어, 1.3 내지 2.8의 범위내이며, 액정 호스트 재질의 최대 굴절율
Figure 112021102070434-pct00013
은 no와 ne 사이의 값을 가지며, 액정들은
Figure 112021102070434-pct00014
범위에서 이방성을 가진다.
Figure 112021102070434-pct00015
는 함수
Figure 112021102070434-pct00016
를 최대화하는 값이다. 산란 센터 크기(예를 들어, 액적 크기), 최대 호스트 굴절율, 정적 산란 센터 굴절율 및 상수 c는
Figure 112021102070434-pct00017
에 의해, 산란층, 특히 산란층 표면의 단위 면적당 정적 산란 센트들의 최소 개수 N을 정의하며, 여기에서
Figure 112021102070434-pct00018
이고, 상수 c는
Figure 112021102070434-pct00019
또는 그보다 크고, 특히
Figure 112021102070434-pct00020
또는 그보다 크며, 예를 들어,
Figure 112021102070434-pct00021
이거나 그보다 더 크다(산란층의 단위 면적당 정적 산란 센터들의 개수는 적어도 값 N임).
또 다른 측면은 백색광으로 조사함으로써 확산기 유닛상에 입사되는 광의 산란에 의해 색도 조정 가능한 투과광을 제공하는 확산기 유닛에 관한 것이다. 확산기 유닛은 기하학적 형상에 있어서 이방성을 가지며 호스트 재질내에 매립되는 나노스케일 산란 요소들을 가진 산란층을 구비하며, 유효 상부 직경은
Figure 112021102070434-pct00022
이고,
Figure 112021102070434-pct00023
는 이방성 형상의 나노스케일 산란 요소들의 장축으로서 약 10nm 내지 약 500nm, 예를 들어, 약 20nm 내지 약 400nm, 예를 들어 약 30nm 내지 약 300nm의 범위내이고, 종횡비(장축과 단축간의 비율)는 1.2 이상, 예를 들어, 2, 예를 들어, 5, 예를 들어, 10, 예를 들어, 23 또는 25 이상이며, 이방성 형상의 나노스케일 산란 요소들의 굴절율은, 1.2 내지 3.2 범위, 1.3 내지 3, 예를 들어, 1.4 내지 2.8 범위내이고, 호스트 재질의 굴절율은 1 내지 3의 범위, 예를 들어, 1.2 내지 2.2 범위, 예를 들어, 1.25 내지 1.75 범위내이다. 파라메타들, 즉 이방성/장축에 대한 최대 크기, 호스트 굴절율, 상대 굴절율 및 상수 c는
Figure 112021102070434-pct00024
에 의해 산란층의 단위 면적당 이방성 형상의 나노스케일 산란 요소들의 최소 개수 N을 정의하며, 여기에서, 상수 c는
Figure 112021102070434-pct00025
또는 그보다 크고, 특히
Figure 112021102070434-pct00026
또는 그보다 크며, 예를 들어,
Figure 112021102070434-pct00027
이거나 그보다 크다(산란층의 단위 면적당 이방성 형상의 나노스케일 산란 요소들의 개수는 적어도 값 N임).
또 다른 측면은 주변(ambience)에 색도 조정 가능한 조사를 제공하는 조명 시스템에 관한 것이다. 조명 시스템은 지향성 백색광(directed white light)을 생성하는 백색 광원, 백색 광원에 의해 조사되기 위한 산란층, 산란층에 걸쳐 전기장을 생성하는 전기장 생성기를 구비하며, 산란층은 나노스케일 요소들의 나노구조를 구비하고, 나노스케일 요소들은 굴절율 및/또는 기하학적 형상에 있어서 이방성을 가진다. 전기장 생성기에 의해 생성된 전기장에 따라, 나노스케일 요소들은 지향성 백색광에 대해 서로 다른 레일리형 산란 상태들을 유발한다. 산란층은 본 명세서에 개시된 확산기 유닛의 일부일 수 있다. 전기장 생성기는 한 쌍의 면적 전기적 콘택트들과 전기적으로 접촉하는 파워 유닛(power unit)을 구비한다.
또 다른 측면은, 확산기 유닛의 산란층의 적어도 2가지의 다른 광학적 성질들을 설정함에 의해, 백색광으로 조사될 때, 적어도 2가지의 다른 조사 상태들을 제공하기 위해, 조명 시스템에서 본 명세서에 개시된 확산기 유닛을 이용하는 것에 관한 것이다.
또 다른 측면은, 백색광으로 조사될 때 확산기 유닛상에 입사되는 광의 산란에 의해 색도 조정 가능한 투과광을 제공하는 방법에 관한 것이다. 확산기 유닛은 본 명세서에 개시된 바와 같이 구성될 수 있으며, 그 방법은 백색광으로 확산기 유닛을 조사하는 단계, 산란층에 걸쳐 전압을 인가하고 그에 의해 나노스케일 산란 요소들의 제 1 유효 크기 및/또는 제 1 굴절율 부정합에 기초하여 제 1 동작 상태를 설정하는 단계 - 정 투과광(regularly transmitted light)은 CIE 1976 u'-v'-색도도(chromaticity diagram)에 있어서의 제 1 컬러 포인트와 연관된 스펙트럼을 가짐 - 와, 전압을 변경하고, 그에 의해 나노스케일 산란 요소들의 유효 크기 및/또는 굴절율 부정합을 가변시킴으로써 나노 스케일 산란 요소들의 제 2 유효 크기 및/또는 제 2 굴절율 부정합에 기초하여 제 2 동작 상태를 설정하는 단계를 구비하며, 정 투과광은 CIE 1976 u'-v'-색도도(chromaticity diagram)에 있어서의 제 2 컬러 포인트와 연관된 스펙트럼을 가진다.
또 다른 측면은, 조정 가능한 태양-하늘 모방 조사를 위한 방법에 관한 것으로, 그 방법은 나노스케일 요소들의 나노구조가 굴절율 및/또는 기하학적 구조에 있어서 이방성을 가진 산란층을 제공하는 단계, 산란층상으로 백색광을 지향시키는 단계 및 산란층에 걸쳐 전기장을 생성하는 단계를 구비한다. 전기장에 따라, 나노스케일 요소들은 백색광에 대해 서로 다른 레일리형 산란 상태들을 유발한다. 일부 실시 예들에 있어서, 조정 가능 태양-하늘 모방 조사를 위한 방법은 나노액적내의 액정들의 배향을 정렬 또는 오정렬시킴에 의해 레일리형 산란 단면을 변경시키는 것을 구비한다.
또 다른 측면은 지향광에 대해 색도 조정 가능한 산란 상호 작용을 제공하는 액정 확산기 유닛을 생성하는 방법에 관한 것이다. 그 방법은 액상 프리-폴리머(liquid pre-polymer)를 제공하는 단계, 굴절율에 있어서 이방성을 가진 액정을 분산시키는 단계, 액상 프리-폴리머에 있어서 스페이서 요소들(spacer elements)을 선택적으로 분산시키는 단계, 한 쌍의 면적 전기적 콘택트들간에 프리-폴리머 및 액정과, 선택적으로 스페이서 요소들의 분산을 제공하는 - 면적 전기적 콘택트들 중 적어도 하나는 가시 파장 영역에서 투과성이 되도록 구성됨 - 단계, 및 폴리머에 의해 분리되는 액정들의 나노액적 형태로 되도록 분산내의 위상 분리를 제한하는 경화 온도 및/또는 UV 경화 광 세기 및/또는 시간 스케일(time scale)과 같은 경화 조건들에서 그 분산을 경화시키고 그에 의해 한 쌍의 면적 전기적 콘택트들간의 인터층(interlayer)으로서 폴리머 분산형 액정층을 형성하는 단계를 구비한다. 일부 실시 예들에 있어서, 한 쌍의 면적 전기적 콘택트들은 각각 PET 층 및/또는 글래스 시트(glass sheet)들상에 제공될 수 있다.
상술한 측면들의 추가적인 실시 예는 종속 청구항들에 개시되며, 그들은 본 명세서에 참조로서 수록된다. 예를 들어, 일부 실시 예들에 있어서, 산란층은 나노스케일 산란 요소들의 유효 크기에 있어서의 변동 범위(range of variation) 및/또는 굴절율 부정합에 있어서의 변동 범위에 의해 정의된 색도 조정 가능 범위를 가진다. 가시 스펙트럼 내부에서 일정한 스펙트럼 파워 분포를 가진 비편광 백색광(non-polarized white light)(E 표준 발광체)이, 특히, 수직 입사에서부터 약 20°, 40° 또는 60°의 입사각까지의 각도 범위, 예를 들어, 45°와 같은 30° 내지 50°의 각도 범위내의 모든 입사각 또는 선택된 하나의 입사각 또는 수직 입사를 위한 입사각으로 산란층상에 충돌할 때, CIE 1931 표준 관측자(2°)에 대해, 정 투과광의 스펙트럼이 각각 0.20 및 0.465보다 큰 u'-v' 좌표를 가진 CIE 1976 u'-v'-색도도에 있어서의 컬러 포인트에 대응하도록 하기 위하여, 산란층은 색도 조정 가능 범위내의 광 산란 단면들을 제공하는 구성이다. 특히 수직 입사에서부터 약 20°, 40° 또는 60°의 입사각까지의 각도 범위내의 모든 입사각 또는 선택된 하나의 입사각 또는 수직 입사를 위한 소정 입사각 하의, 산란층상으로의 비편광 백색광으로 측정했을 때, 정 스펙트럼 투과도(regular spectral transmittance)가 각각 0.20 및 0.465보다 큰 u'-v' 좌표를 가진 CIE 1976 u'-v'-색도도에 있어서의 컬러 포인트에 대응하도록, 산란층은 색도 조정 가능 영역내의 광 산란 단면들을 제공하는 구성이다. 가시 스펙트럼내에서 일정한 스펙트럼 파워 분포를 가진 백색광(E 표준 발광체)이 충돌할 때, 정 투과 각도로부터 20°미만만큼 벗어난 이들 각도들을 제외한 모든 산란 각도에 걸쳐 통합된 확산광의 스펙트럼이 각각 0.22 및 0.485보다 작은 u'-v' 좌표를 가진 CIE 1976 u'-v'-색도도에 있어서의 컬러 포인트에 대응하도록, 산란층은 색도 조정 가능 범위내의 광 산란 단면들을 제공하는 구성으로 된다. 가시 스펙트럼내에서 일정한 스펙트럼 파워 분포를 가진 백색광(E 표준 발광체)이 충돌할 때, CIE 1931 표준 관측자(2°)에 대해, 색도 조정 가능 범위내의 정 스펙트럼 투과도 또는 색도 조정 가능 범위내의 투과광의 스펙트럼과 연관된 컬러 포인트와, 확산광의 각 스펙트럼과 연관된 컬러 포인트간의 유클리드 거리(Euclidean distance) △u'v'가 0.02 이상, 특히, 0.03 이상, 0.04 이상 또는 0.05 이상이 되도록, 산란층은 색도 조정 가능 범위내의 광 산란 단면들을 제공하는 구성이다.
일부 실시 예들에 있어서, 흑체 궤적(Planckian locus)과, 색도 조정 가능 범위내의 정 스펙트럼 투과도 또는 정 투과광의 스펙트럼과 연관된, 적어도 하나의 컬러 포인트간의 유클리드 거리 △u'v'는, 0.1 이하, 특히, 0.08 이하 또는 0.05 이하, 또는 0.03 이하 또는 0.01 이하일 수 있다.
최대 산란 단면에 대응하는 색도 조정 가능 범위내의 구성 및 CIE 1931 표준 관측자(2°)에 대해, 가시 스펙트럼 내부에서 일정한 스펙트럼 파워 분포를 가진 비편광 백색광(E 표준 발광체)이, 수직 입사에서부터 약 60°의 입사각까지의 범위내의 입사각으로 산란층상에 충돌할 때, 정 투과광 또는 정 스펙트럼 투과도는, 각각 0.20 및 0.465보다 크거나, 예를 들어, 각각 0.2117 및 0.4851보다 크거나, 각각 0.212 및 0.485보다 크거나, 각각 0.225 및 0.5보다 크거나, 각각 0.2265 및 0.5029보다 크거나, 각각 0.24 및 0.514보다 크거나, 각각 0.243 및 0.5166보다 크거나, 각각 0.2598 및 0.5261보다 큰 u'-v' 좌표를 가진 CIE 1976 u'-v'-색도도에 있어서의 컬러 포인트에 대응할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 최대 산란 단면에 대응하는 색도 조정 가능 범위내의 구성에 대해 및 CIE 1931 표준 관측자(2°)에 대해, 정 투과광 또는 정 스펙트럼 투과도는 0.465 미만, 또는 예를 들어, 0.42 또는 0.4 미만, 특히 0.38 또는 0.3605 미만, 또는 0.35 미만의 u'-좌표를 가진 CIE 1976 u'-v'-색도도에 있어서의 컬러 포인트에 대응할 수 있다.
일부 실시 예들에 있어서, 나노스케일 산란 요소들의 굴절율, 특히, 굴절율에 있어서의 이방성 및/또는 나노스케일 산란 요소들의 구성 물질의 굴절율, 나노스케일 산란 요소들의 크기 및/또는 형상, 특히, 기하학적 형상에 있어서의 이방성, 호스트 재질의 굴절율, 특히 그 굴절율에 있어서의 이방성 및/또는 호스트 재질의 구성 물질의 굴절율, 나노스케일 산란 요소들과 호스트 재질간의 충진비(filling ratio) 및/또는 산란층의 층 두께를 포함하는, 산란층의 광학적 성질들의 특정 선택에 의해 파장 종속적 광 산란 단면이 주어진다. 일부 실시 예들에 있어서, 나노스케일 산란 요소들의 평균 크기는 약 10nm 내지 약 500nm의 범위, 예를 들어, 약 20nm 내지 약 400nm의 범위, 예를 들어, 약 30nm 내지 약 300nm의 범위내일 수 있고/있거나, 나노스케일 산란 요소들, 특히 액정 액적(liquid crystal droplet)들과 호스트 재질간의 볼륨 분율은 약 30% 내지 약 70%의 범위, 예를 들어, 약 40% 내지 약 60%의 범위내일 수 있고/있거나, 산란층의 층 두께는 약 10㎛ 내지 약 500㎛의 범위, 예를 들어, 약 20㎛ 내지 약 350㎛의 범위, 예를 들어, 약 30㎛ 내지 약 200㎛의 범위 또는 약 50㎛ 내지 약 100㎛의 범위내일 수 있고, 선택적으로 층 두께는 스페이서 요소에 의해 정의되고/되거나 산란층의 10㎝×10㎝ 면적에 걸쳐서 10% 미만의 두께 변동을 가진다.
일부 실시 예들에 있어서, 상수 c는 5.836×107nm4 이상, 특히, 1.664×108nm4 이상, 예를 들어, 3.235×108nm4 이상이다. 또한, 일부 실시 예들에 있어서, 상수 c는 3.363×109nm4 이하, 특히, 2.5×109nm4 이하, 예를 들어, 1.6499×109nm4 이하이다.
전반적으로, 확산기 유닛은, 특히, 호스트 재질 및/또는 나노스케일 산란 요소들과 상호 작용하는 전기장을 제공하는 한 쌍의 면적 전기적 콘택트를 구비할 수 있으며, 면적 전기적 콘택트들은 산란층의 반대면상으로 연장되고, 면적 전기적 콘택트들 중 적어도 하나는 가시 파장 범위에서 투과성이 되도록 구성된다. 확산기 유닛은 반사층, 반사 시트측, 특히, UV 또는 IR 흡수/보호층 및/또는 파장 독립적 확산층, 및/또는 면적 전기적 콘택트들 중 하나를 제공하는 투과성 도전 산화층(tranparent conducting oxide layer)을 추가로 구비할 수 있다.
일부 실시 예들에 있어서, 인가된 전기장 없이, 산란층을 통과하는 백색광이 (특히 보다 낮은 CCT를 가진) 온열 직사광 부분(warmer direct light portion)과 (특히, 보다 낮은 CCT보다 적어도, 1.1배, 1.2배 또는 1.5배 더 높은 CCT를 가진) 냉열 확산광 부분(colder diffused light portion)으로 분리되도록 산란층의 광학적 파라메타들이 선택될 수 있다.
일부 실시 예들에 있어서, 청색(예를 들어, 440nm 내지 460nm의 파장 간격)에 있어서의 파장 종속적 광 산란 단면은 황색(예를 들어, 540nm 내지 560nm의 파장 간격)에서보다 더 클 수 있으며, 특히, 그것은, 적어도 약 15%, 예를 들어, 적어도 약 30% 만큼 더 클 수 있다. 또한, 황색(예를 들어, 540nm 내지 560nm의 파장 간격)에 있어서의 파장 종속적 광 산란 단면은 적색(예를 들어, 640nm 내지 660nm의 파장 간격)에서보다 더 클 수 있으며, 그것은 적어도 약 10%, 예를 들어, 적어도 약 20% 만큼 더 클 수 있다. 또한, 파장 종속적 광 산란 단면은 파장의 증가에 따라 감소할 수 있으며, 예를 들어, 그것은 파장이 증가할 때 단조적으로 감소한다(λ1＞λ2에 대해 σ(λ1)＜σ(λ2)).
일부 실시 예들에 있어서, 전기장 생성기는 백색 광원의 지향성 백색광의 입사 방향에 대해 나노스케일 산란 요소들의 유효 크기 및/또는 상대 굴절율을 설정함에 의해 적어도 2개의 동작 상태들을 제공하도록 구성된다. 선택적으로, 적어도 2개의 동작 상태들은, 주변에 있어서의 생성된 조도 균일성이 다른 레일리형 산란 상태를 제공할 수 있다.
일부 실시 예들에 있어서, 조명 시스템은 전기장 생성기에 의해 생성된 전기장의 세기를 제어하여 광 산란 단면을 제어하는 제어 유닛을 구비할 수 있다. 추가로 또는 대안적으로, 조명 시스템은 산란층상으로의 지향성 백색광의 입사각을 가변시키며 특히 산란층에 대해 백색 광원을 배치하거나 백색 광원에 대해 산란층을 배향시킴으로써, 산란층상에 다수의 서로 다른 입사각들의 지향성 백색광을 제공하여, 나노스케일 산란 요소들의 유효 크기 및/또는 굴절율에 있어서의 이방성으로 인해 가변하는 레일리형 산란 상호 작용으로 결과하도록 구성되는 실장 구조(mount structure)를 구비할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 조명 시스템은 지향성 백색광의 편극(polarization)을 변경하는 파장판(wave plate)과 같은 편극자(polarizer)를 구비할 수 있다.
본 개시의 다른 특징 및 측면들은 이하의 설명 및 첨부 도면들로부터 명백해질 것이다.
본 명세서에 포함되고 명세서의 일부를 구성하는 첨부 도면들은 본 개시의 예시적인 실시 예를 도시하고, 그 설명과 함께 본 개시의 원리를 설명하는 작용을 한다. 도면에 있어서,
도 1a 및 1b는 인지된 조사 상황을 가변시키기 위하여 확산기 유닛의 투과도를 색도 조정하는 태양-하늘 모방 조명 시스템의 개략도이고;
도 2a 및 2b는 투과도를 색도 조정하는 액정 액적 기반 확산기 유닛의 동작 상태들을 도시한 도면이고;
도 3은 예시적인 PDLC 기반 확산기 유닛에 대한 입사각에 따른 전체 단면을 도시한 도면이고;
도 4a 및 4b는 예시적인 굴절율 파장 종속성과 PDLC 기반 확산기 유닛에서 이용되는 물질들(substances)의 예시적인 조합을 도시한 도면이고;
도 5a 내지 5d는 백색 광원 조사를 위한 확산기 유닛의 조정된 투과도의 색도 인지 및 확산광의 각각의 색도 인지에 있어서의 예시적인 변경을 나타내기 위한 개략적인 균일 색도도들이고;
도 6a 내지 6c는 2개의 예시적인 가시 파장들에 대한 광 상호 작용에 있어서의 차이를 도시한 2개의 개략적인 폴라 플롯들(polar plots)과 PDLC 기반 확산기 유닛의 3개의 동작 상태들에 대한 조도 플롯(illuminance plot)을 도시한 도면이고,
도 7a 내지 7j는 LC 나노액적 기반 확산기 유닛들의 개략적인 단면도이고;
도 8은 LC 나노액적 기반 확산기 유닛을 생성하는 프로세스를 개략적으로 도시한 도면이고;
도 9a 및 9b는 크기 분포의 개략적인 플롯들 및 각 SEM 이미지들이고;
도 10a 및 10b는, 각각, 투과 및 반사에 있어서 조정 가능 확산기 유닛들을 이용하는 예시적인 조명 시스템의 개략도이고;
도 11은 정렬된 LC 나노액적과의 광 상호 작용을 색도 조정하기 위한 이동 가능 소오스를 가진 조명 시스템을 동작시키는 것을 도시한 개략도이고;
도 12는 경사진 입사에 대해 편극 상태 변동으로 투과도를 색도 조정하는 조명 시스템을 동작시키는 것을 도시한 개략도이고;
도 13은 투과도를 색도 조정하는 비대칭 형상의 산란기를 가진 확산기의 동작 상태를 도시한 개략도이고;
도 14는 정렬된 비대칭 형상의 산란기들과의 광 상호 작용을 색도 조정하는 이동 가능 소오스를 가진 조명 시스템을 동작시키는 것을 도시한 개략도이고;
도 15는 단위 면적당 나노스케일 산란 요소들의 최소 개수 N의 예시적인 3차원 그래프이고;
도 16은 단위 면적당 나노스케일 산란 요소들의 개수 N에 대한 상한값들을 도시한 개략적인 균일 색도도이다.
이하는 본 개시의 예시적인 실시 예의 상세한 설명이다. 본 명세서에서 설명되고 도면에 도시된 예시적인 실시 예들은 본 기술 분야의 숙련자가 구현하도록 본 개시의 원리를 교시하고, 많은 서로 다른 환경에서 및 많은 다른 애플리케이션에 대해 본 개시를 이용하도록 하기 위한 것이다. 그러므로, 예시적인 실시 예들이 특허 보호 범주를 제한하는 설명으로서 의도되거나 간주되어서는 안된다. 그 보다는, 특허 보호 범주는 첨부된 청구범위에 의해 정의되어야 한다.
본 개시는, 부분적으로, 산란에 수반되는 산란기들의 개수의 영향, 즉, 대기를 통하는 태양광의 가변하는 광학 경로 길이들에 의해 사실상 유발되는 광학적 효과들을 재생할 수 있다는 자각에 기반한다. 특히, 굴절율 및/또는 산란기들의 기하학적 치수에 있어서 이방성을 제공하는 산란 상황이, 사실상 알려진 것과 유사한 변덕스러운 태양-하늘 모습, 특히, 직사 태양광 조사(및 하늘)의 변경하는 컬러를 생성하는데 이용될 수 있음을 알게 되었다.
보다 구체적으로, 굴절율에 있어서의 이방성은 레일리 또는 레일리형의 산란에 기여하는 상대 굴절율 m을 가변시킬 수 있게 하는 반면, 산란기들의 기하학적 치수에 있어서의 이방성은 조사되는 산란기들의 "관측되는" 크기 d를 가변시키고 그에 따라 레일리 또는 레일리형 산란에 기여하는 나노구조의 유효 입자 직경 D를 가변시킬 수 있게 한다는 것을 알게 되었다.
또한, 초기에 언급한 조명 시스템과 같은 구성에서는, (예를 들어, 태양-하늘 모습을 모방하는데 필요한) 원하는 산란 상태를 제공하기 위해 특정하게 사전 선택된 개수의 산란기들은 그의 적응성에 있어서 제한을 받는데, 이는 산란기들의 개수가 고정되고 사전 설정된 파라메타이기 때문임을 알게 되었다. 그러나, 고정된 개수의 산란기에도 불구하고, 상기에서 식별된 파라메타들인, 굴절율 부정합(상대 굴절율 m)과 유효 입자 직경 D를 가변시킴에 의해 산란 상태를 조정할 수 있는 것으로 확인된 광학적 산란 구성이 존재하였다.
또한, 본 개시는, 부분적으로, 상술한 개시에서 설명한 바와 같은 나노입자 기반 레일리형 산란 패널들이, 광학적 산란 상태들에 있어서의 변경을, 가변하는 태양-하늘 모습을 모방하는데 필요한 정도까지, 허용하지는 않을 것이라는 자각에 기반한다. 그러나, 예를 들어, 액정 기반 구조를 도입하면, 큰 범위내에서의 산란 파라메타의 변경으로 인해 그러한 확산기 패널의 투과도의 조정 가능성(tunability)에 대한 액세스가 제공됨으로써, 산란 파라메타를 다수의 값들(즉, 적어도 2가지의 다른 산란 상태들)에 대해 조정(설정/적응)할 수 있음을 알게 되었다. 예를 들어, (예를 들어 레일리형 산란에 대해) 나노크기 범위내의 산란 센터들로서 고체 투과성 호스트 재질내에 분산된 액정 액적을 이용하면, 액정 액적에 걸쳐 인가된 전압을 변경시킴에 의해 기여성 상대 굴절율(contributing relative index of refraction)을 설정할 수 있음을 알게 되었다. 특히, 전기장을 인가하면 개별적인 나노액적들내의 액정 배향이 어느 정도 정렬된다.
이 문맥에 있어서, 액정 액적의 크기는, 예를 들어, 경화 광 세기를 증가시키고/시키거나 폴리머 분산형 액정(polymer dispersed liquid crystal: PDLC) 필름/층의 형성을 이끄는 액정/폴리머 혼합물의 충진비를 증가시킴에 의해, 예를 들어, 포토-중합(photo-polymerization) 반응내에서 위상 분리의 키네틱들(kinetics)을 수정함으로써, 폴리머 매트릭스에 있어서 나노스케일로 감소될 수 있음을 알게 되었다. 그에 의해, 예를 들어, 평균 크기가 약 10nm 내지 약 500nm의 범위, 예를 들어 100nm 또는 약 200nm이고 FWHM(full width half maximum) 값이, 예를 들어, 약 50nm 또는 약 100nm 이하인 액정 액적 크기 분포들이 생성될 수 있음을 알게 되었다.
또한, 매트릭스의 선택된 굴절율과 액정의 기여성 일반 및 이상 굴절율들(contributing ordinary and extraordinary indices)에 의거하여, 원칙적으로 산란 상태들을 조정하는데 이용할 수 있는 굴절율 부정합 범위(range of index mismatch)가 선택될 수 있음을 알게 되었다. 액정 액적을 포함하는 층의 두께를 감소시킴에 의해, 요구된 전기장 값이, 예를 들어 0V 내지 약 500V의 범위, 예를들어, 0V 내지 표준 220V의 범위내의 낮은 전압값으로 달성될 수 있음을 알게 되었다. 그에 의해 조정 가능 확산기 유닛의 저전압 구현이 가능하게 된다.
또한, 조명 시스템, 특히, 타일 구조에 대해, 예를 들어, 약 10cm×10cm의 범위의 작은 폐쇄 영역 크기에서부터 시작하여, 예를 들어, 큰 연속하는 영역들에 대해 1m×2m(또는 그 이상)의 크기를 가진 폐쇄 영역에 걸쳐 연장되는 면적 조명 시스템의 광학적 레이아웃에 적합한 측방향 치수를 가진 PDLC 필름이 생성될 수 있음을 알게 되었다.
또한, 예를 들어, 500㎛ 미만, 예를 들어, 300㎛, 예를 들어, 200㎛, 예를 들어, 100㎛ 미만 또는, 예를 들어, 50㎛ 미만의 균일한 두께를 갖되, 그 균일성은 PDLC 층의 측방향 치수의 10cm에 걸쳐 대략 10% 미만인, PDLC 층이 생성될 수 있음을 알게 되었다. 따라서, 특히 하늘로서 인지되는 큰 영역을 구비한 태양-하늘 모방 조명 시스템에 대해 요구된 크기에 걸쳐 균일한 산란기 분포 및 균일한 산란 동작이 달성될 수 있다.
예를 들어, 정적 산란기 광학적 상태들이 적응 가능한 호스트 굴절율내에서 이용되는 반전 구성(reverted configuration)에 굴절율에 있어서의 이방성이 이용될 수 있음을 알게 되었다. 또한, 입사광의 가변 가능 방향의 맥락에서 굴절율에 있어서의 이방성이 이용될 수 있다.
또한, 입사광의 가변 가능 방향의 맥락에서 정렬된 기하학적 비대칭 산란 센터들을 이용하거나, 기하학적 비대칭 산란 센터들의 정렬 정도를 변경시킴에 의해 유사한 효과가 달성될 수 있음을 알게 되었다.
최종적으로, 본 명세서에 개시된 조정 가능 레일리-산란 개념을 이용함으로써, 예를 들어, 백색 광원에 기반하여, 하루의 서로 다른 시간들에 대해 인지되는 것과 같이 태양-모방 광 빔의 컬러를 조정할 수 있음을 알게 되었다. 컬러에 있어서의 변경은, 예를 들어, 하루의 그 시간에 링크된 인지에 있어서 인지된 시간적 변경을 제공할 수 있게 한다. 방향성에 있어서의 변경을 추가하면 비-정적 조사 상태가 추가로 허용된다. 따라서, 투과도의 조정은, 예를 들어, 룸내의, 특히 조사된 영역내의 조명 시스템에 의해 제공되는 조도의 원하는 균일성을 설정할 수 있게 하는 조정 가능한 조도 프로파일을 허용한다.
숙련자라면 본 명세서에 개시된 구현들의 이들 광학적 측면 및 다른 측면이 광범위하게 적용될 수 있고, 상태, 구현들 및/또는 애플리케이션들의 변경이 이루어질 수 있음을 알 것이다. 따라서, 적어도 어느 정도까지 간추린 개시를 목표로, 하나의 상태, 구현 및/또는 애플리케이션내에서 보다 상세하게 특정 측면들이 설명되며, 숙련자라면 다른 상태, 구현 및/또는 애플리케이션에 있어서 적절한 전이 및 동일한 응용 가능성을 알 것이다.
이하에 있어서, 액정 나노액적 구현의 맥락에서 광학적 고려들이 먼저 전반적으로 설명되고 그 다음 예시적으로 설명된다(도 1a 내지 9b). 예를 들어 레일리형 산란을 이용하여 태양-하늘 모방에 전반적으로 적용할 수 있는 조명 시스템의 예시적인 구성이 개시된다(도 10a 및 10b). 이후, 예를 들어, 입사광 방향을 가변시키고(도 11 및 14), 입사광의 편극을 가변시키고(도 12) 및 유효 산란기 크기를 가변시키는(도 13) 산란기들의 이방성을 조정 및/또는 제공하기 위하여 서로 다른 광학적 방식들을 이용하는 추가적인 (적어도 부분적으로 조합 가능한) 구성이 개시된다. 마지막으로, 도 15 및 16과 관련하여 조정 가능 산란과 연관된 마이크로스코픽 파라메타 범위(microscopic parameter range)가 개시된다.
도 1a 및 1b에는, 룸(room)(3)내에서 태양-하늘 모방 조명 시스템(1)이 예시적으로 구현될 수 있는 방법과, 관찰자(5)에 의해 그 조사가 인지되는 방법이 도시된다. 특히, 도 1a는 모델 조명 구성의 사진형 삽화(picture-like illustration)이고, 1b는 도 1a의 삽화의 도면(drawing)이다. 조명 시스템(1)의 예시적인 설치에 있어서, 천장(7)은 레일리형 산란층을 구비한 조명 시스템(1)의 패널 형상의 확산기 유닛(9)을 구비한다. 조명 시스템(1)의 동작 동안, 조명 시스템(1)의 백색 광원(도시되지 않음)에 의해 소정 경사각 하에서 위로부터 확산기 유닛(9)으로 조사가 이루어진다.
백색 광원의 백색광으로부터 기원하는 2가지 유형의 광에 의해 룸(3)으로 조사가 이루어진다. 특히, 레일리형 산란층과의 상호 작용에 의해, 백색광은 투과성 온열 성분(보다 낮은 CCT)과 확산 냉열 성분(보다 낮은 CCT보다 적어도, 1.1배, 1.2배 또는 1.5배 더 높은 CCT)로 분리된다. 지향성 광으로서, 온열 성분은 태양광을 모방하며, 룸(3)내의 제한된 영역상에 빛을 비추어, 그 영역을 특정 색도 톤(chromatic tone)으로 설정한다. 즉, 제한된 영역(11)내의 예시적인 포인트(12A)에서 그의 보다 낮은 CCT가 측정된다. 제한된 영역(11)은 확산기 유닛(9)의 크기 및 투과 백색광의 다이버전스(divergence)에 의해 주어진다. 확산광으로서, 제한된 영역(11) 전체로부터의 냉열 성분은, 하늘을 시뮬레이션(simulation)하고 기본적으로 전체 룸(3)을 또 다른 특정 색도 톤으로 환하게 밝힌다. 예를 들어, 제한된 영역(11) 밖의 예시적인 포인트(12B)에서 그의 보다 높은 CCT가 측정된다.
본 명세서에 개시된 개념에 있어서, 광원, 즉, 광원을 볼 때 광원 그 자체의 모습은 관련성이 낮으며 추가적인 세부적 사항에 대해서는 상술한 애플리케이션을 참조하면 된다. 반사 및 투과에 있어서의 설치에 대한 추가적인 세부 사항은 도 10a 및 10b와 관련하여 본 명세서에서 설명된다. 상술한 개시는 예를 들어, 가변하는 형상들의 확산기 유닛들이, 예를 들어, 벽 및/또는 천장에 제공되는 다수의 실시 예를 추가적으로 나타낸다.
종래 기술의 시스템에 있어서, 레일리 패널에 있어서의 산란 파라메타들은 나노입자의 유형 및 개수와, 호스트 재질의 유형에 의해 정해진다. 따라서, 2개의 CCT 값들은, 예를 들어, 대낮의 화창한 푸른 하늘날의 상황에 대응하는 방식으로 정해진다.
본 명세서에 설명된 실시 예들은 산란 센터들의 유효 크기 및/또는 굴절율 부정합을 통해 산란 단면을 조정함으로써 투과(및 확산)광의 인지 컬러를 가변시킬 수 있게 한다. 특히, 확산기 유닛(9)의 투과도가 조정되고, 그에 따라 투과광의 컬러가 산란에 의해 백색-황색 컬러로 인지되는 것에서 적색 컬러로 인지되는 것으로 조정되는 구성이 가능하게 된다. 투과도 및 그에 따른 투과광의 컬러를 조정하면, 정적 시스템과는 대조적으로, 하루 동안의 태양의 컬러 변동을 모방할 가능성이 열리며 그에 의해 사용자에게 시간감(time feeling)을 제공할 수 있다.
산란에 의해 투과광을 조정하면, 흡수 기반 컬러 조정과는 대조적으로, 원칙적으로 무손실 조정이 가능하게 된다. 잔여 투과성 지향광(transmitted directed light)과는 다른 확산 방출 특성으로 주변에 조사함에 의해 산란된 광이 이용(재이용)된다. 바람직하게 백색광 빔으로부터 청색-측 파장 기여를 제거하는 파장 종속적 산란 프로세스에 의해 포인트 12A 및 12B에서의 인지된 컬러가 생성된다.
산란에 의한 조정으로 인해, 룸내의 조사는 태양-빔 영역(예를 들어, 포인트(12A))에서 감소하며, 산란광만이 조사되는 잔여 영역들(예를 들어, 포인트(12B))에서 증가한다.
다시 말해, 본 명세서에 개시된 개념은 대낮의 화창한 푸른 하늘날에서부터 아침(또는 저녁)의 플랫(flat)하게 입사하는 태양까지의 색도 범위를 포괄하는 조명 시스템의 동작 상태들이 절환될 수 있게 한다. 이하에서 설명하겠지만, 본 명세서에서 설명된 실시 예들은, 예를 들어, 일출/일몰시에 태양 주위에서 볼 수 있는, 일몰의 적색 컬러로 및 짙은 청색 하늘 컬러에서 청백색 컬러로 태양의 컬러를 시프트할 수 있게 한다.
조명 시스템에 의해 제공되는 CCT를 참조하면, 투과광의 CCT는 확산광의 CCT보다 낮다. 그러나, 다른 동작 상태에서는, 투과광의 CCT 및 산란광의 CCT가 동일한 방향으로 모두 변경될 것이다. 즉, 둘 모두는 확산기 유닛내의 감소 또는 증가하는 산란 작용으로 인해 증가 또는 감소한다.
광원의 방출된 컬러 스펙트럼은 상술한 조정 효과를 달성하도록 조정될 필요가 없음을 알아야 한다. 일반적으로, 광원은, 예를 들어, 차가운 백색 광원일 수 있다. 광원의 예시적인 실시 예들은 LED 기반 광 방출기 또는 방전 램프 기반 광 방출기 또는 수은 매체-아크 요오드 램프 기반 광 방출기(hydrargyrum medium-arc iodide lamp based light emitter) 또는 할로겐 램프 기반 광 방출기와, 각 광 방출기 아래의 각각의 광학적 시스템들을 구비할 수 있다.
본 명세서에 개시된 CCT 값들, u'v'값들 및 투과도를 식별하기 위한, 백색 광원은, 예를 들어, 가시 스펙트럼내의 동일 에너지 방열기인 E 표준 발광체이다. 비록 이론적이긴 하지만, E 표준 발광체는 모든 파장에 동일한 가중치를 주며, 따라서, 특히 파장 종속적 산란 조정에 적합하다. 다른 표준 발광체(예를 들어, 큰 가시 스펙트럼 범위에 걸쳐 샘플상으로 균일한 조도(illuminance)(lux/m)를 제공하는 D65 표준 발광체)는, 예를 들어, 광학적 특성들과 참조 샘플들을 비교할 때 이용될 수 있으며, 예를 들어, 간단히 발광체의 스펙트럼으로 결과하는 스펙트럼을 정규화함에 의해 측정된 결과를 E 표준 발광체로 전달한다.
도 1a 및 도 1b를 다시 참조하면, 제한된 영역(11)은 서로 다른 컬러 톤들로 조사되어, 룸의 인지되는 컬러를 두드러지게 할 수 있다. 동시에, 확산광의 컬러는 가변할 수 있으며, 또한, 룸(3)의 조사에 영향을 줄 수 있다. 인지되는 컬러 톤 외에, 그 조정에 의해 영역(11) 내외의 휘도가 영향받을 수 있으며, 그에 의해, 룸(3)내의 휘도 분포의 균일성이 수정될 수 있게 된다.
이하에서는, 도 2a 및 2b와 관련하여 액정 분자들(liquid crystal molecules)의 앙상블의 굴절율의 조정 가능 측면이 설명된다. LC(Liquid Crystal) 기반 확산기 유닛의 나노액적을 구비한 나노 구조에 있어서 그러한 앙상블들을 제공하면, 광 상호 작용을 색도 조정하는데 이용될 수 있는 레일리형 산란으로 결과한다.
도 2a 및 도 2b에는 이하에서 설명하겠지만 LC 기반 확산기 유닛(13)의 2가지 다른 동작 상태들이 도시된다. LC 기반 확산기 유닛(13)은 호스트 재질(21)내의 LC 나노액적들(19)로 형성된 층(17)을 구비한다. 예를 들어, 층(17)은 폴리머 분산 액정(PDLC) 필름일 수 있다. 층(17)의 양측은, 커버 시트, 예를 들어, 면적 전기적 콘택트(23')를 제공하는 ITO 글래스 시트(23)와 접촉한다. 면적 전기적 콘택트들(23')은 층(17)의 측면을 따라 2차원으로 연장된다. (도 2b에서 화살표(27)로 표시된 바와 같이) 면적 전기적 콘택트들(23')에 전압(DC 또는 AC)이 인가되면, 한 쌍의 면적 전기적 콘택트들(23')은 2차원 필름/층에 분포된 LC 나노액적들(19)과 상호 작용하는 (대면적의) 전기장을 생성할 수 있게 한다. 한 쌍의 전기적 콘택트들(23') 중 적어도 하나는 가시광을 투과하도록 구성된다. 따라서, 예를 들어 백색 광원으로부터의 광은 층(17)에 진입하여 나노스케일 산란 요소들을 나타내는 나노액적들(19)에서 산란할 수 있다.
액정이 (적어도) 광학적 단축 이방성을 가진다고 상정할 경우, 그의 굴절율은 2개의 주요 굴절율들, 즉, 광축에 직교하는 선형 편극 상태와 연관된 일반 굴절율 no과, 광축에 평행한 선형 편극 상태를 가진 이상 굴절율 ne로 근사화될 수 있다. 따라서, 광축을 따르거나 그에 수직한 액적에 있어서의 광 전파는 서로 다른 굴절율을 가질 것이다. 그러한 차이는 복굴절 △n = ne - no로 결과한다. 복굴절 △n은 통상적으로 LC들에 대해 포지티브(positive)하며, 0 내지 약 0.5의 범위에서 가변할 수 있으며, 예를 들어, 약 0.1 또는 0.3일 수 있다. 이하에서는 ne와 no의 잠재적 범위를 나타내는 다양한 유형의 액정들이 설명된다.
도 2a에 있어서, 다수의 액적들(19)의 각각에 대한 결과하는 광축의 방향은 화살표(25)로 표시된다. 임의 외적 영향없이(예를 들어, 인가된 전기장 없이), 다수의 나노액적들(19)에 대한 화살표(25)의 배향은 모든 방향으로 임의로 분포되는 것으로 상정될 수 있다. 다시 말해, 전기장의 인가없이 및 그러한 폴리머 필름내의 액정 액적들의 앙상블에 있어서, 각각의 단일 나노액적들 내부의 액정 분자들은 LC들의 배향 성질들로 인해 화살표(25)에 의해 표시된 광축으로 결과하는 특정 대열(certain order)을 가지고 있지만, 각 나노액적들내의 그 대열은 기본적으로 나노액적들마다 랜덤하게 가변할 것이다. 결과적으로, 평균 굴절율 <n> 은 액정 액적의 앙상블과 연관될 수 있다:
Figure 112019052789218-pct00028
평균 굴절율 <n>은 입사각과 무관하며, LC 기반 확산기 유닛(13)의 OFF 동작 상태와 연관될 수 있다. 즉, 면적 전기적 콘택트들(23')에 인가되는 전압은 없다(△V = 0). 본 명세서에서는, 평균 굴절율 <n>을 n_OFF로 지칭한다.
도 2b를 참조하면, 면적 전기적 콘택트들(23')간에 전기장이 인가되면, 전압/전기장의 증가에 따라 점진적으로, 각 나노액적내의 LC 분자들의 정렬이 이루어지는데, 이에 대해서는 이하에서 추가로 설명할 것이다. 예를 들어, 도 2b에 도시된 바와 같이, 모든 배향의 최대 정렬과 함께 나노액적들내의 LC들의 최대 정렬을 실시하기 위하여 약 10-30V/㎛의 전기장 값들이 필요할 수 있다.
그 정렬은 특정 방향으로 전파되는 광이 경험하는 굴절율을 변경시킨다. 특히, 그 정렬에 의해, 나노액적들의 랜덤 배향이 제거됨으로써, LC의 이방성이 층(17)의 광학적 특성에 영향을 주기 시작하도록 하는 광축으로 결과하게 된다. 적어도 어느 정도까지 면적 전기적 콘택트들(23')에 전압을 인가함으로써(△V ≠ 0), 전기장에 의해, LC들/LC 나노액적들의 임의 연관된 전기적(영구적인 또는 유도성) 다이폴 모멘트(dipole moment)와 일치하도록 화살표(25)의 정렬이 이루어지게 한다.
그 정렬은 전기장의 증가에 따라 증가한다. 나노액적들내의 액정 위상과 주변의 호스트 재질간의 인터페이스에서, 나노액적내의 LC들이, 그들 모두는 아니지만 전기장과 정렬할 수 있도록, 호스트 재질과 LC간의 상호 작용이 있을 수 있다. 주어진 구성의 층(17)의 경우, 통상적으로, 포화 전압 Vsat이 최대(또는 기본적으로 최대) 정렬을 달성하는 전기장과 연관된다. 도 2b는 모든 화살표(25)가 화살표(27)에 의해 표시된 전기장 방향과 평행함을 나타냄으로써 Vsat에서의 LC들의 최대 정렬(또는 기본적으로 최대 정렬)을 개략적으로 도시한 도면이다.
예를 들어, 모든 분자들의 광축들이 전기장을 따라 정렬한다고 상정하면(즉, PDLC 필름 양단에 포화 전압이 인가된다고 상정하면), 전기장/광축을 따라 전파되는 광은 기본적으로 굴절율 no를 경험한다. 따라서, 그러한 특정 전파 방향에 대해, 나노액적내에서 겪게 되는 굴절율의 조정 가능 범위는 <n> 에서 no으로 연장되며, 이를 본 명세서에서는 조정 범위
Figure 112019052789218-pct00029
라 지칭한다.
나노액적들과 호스트 재질간의 인터페이스의 상술한 영향으로 인해, 그 영향을 받는 상대적으로 큰 볼륨 부분과 영향을 덜 받는 작은 중심 내부 부분을 가진 작은 나노액적들의 경우에는, 호스트 재질과의 상호 작용에 의해 영향을 받는 이들 액정 분자들을 재지향시키기 위해 큰 전기장이 필요하게 될 것이다. 예를 들어, 나노액적 기반 PDLC 필름들에 대해 Vsat가 허용 가능한 저전압에 도달될 수 있도록 하기 위하여 보다 낮은 전압에 대해 보다 큰 전기장 세기가 가능하도록, 층(17)의 두께가 감소될 수 있다.
광축의 방향에 대해 소정 각도하에서 전파되는 광은, 도 3으로부터 명백한 바와 같이, 광축 방향으로의 선형 편극 방향에 대해 이상 굴절율 ne를 적어도 부분적으로 경험하게 될 것이다.
도 3에서는, 이하에서 보다 상세하게 설명할 NOA65 및 E7의 PDLC 막 구성에 대해, 약 550nm의 파장과 Vsat에서의 최대 정렬로, 전체 앙상블 산란 단면량 σtotal(본 명세서에서는 전체 산란 단면이라 할 것임)이 시뮬레이션된다. 특히, (각각 라인 28A, 28B 및 28C로서 도시된) no, <n> 및 ne의 굴절율들과 연관되는 등방성 나노액적들의 경우 전체 산란 단면은 입사각 θ과 무관하며, 상수값들은 레일리형/미에(Mie) 산란 모델로부터 도출된다.
p-편극 상태에 있어서의 입사광 및 이방성 LC 나노액적들의 경우의, 전체 산란 단면과 입사각 θ간의 종속성이 도식적인 커브(29)로서 도시된다. s-편극 상태에 있어서의 입사광과 이방성 LC 나노액적의 경우, 등방성 LC 기반 나노액적의 경우에는 라인 28A에 대응하는 값(no와 관련된 단면)인 전체 산란 단면은 입사각 θ과 독립적인데, 그 이유는 그 이방성이 s-편극 광에 영향을 주지 않기 때문이다. 직교하는 입사의 경우 no와 연관된 전체 산란 단면만이 적용되는 반면, 경사진 입사의 경우에는 그 이방성이 산란에 기여함을 알아야 한다. 그 종속성은 단일 입자 산란 단면과 관련이 있다.
NOA65 및 E7의 PDLC 필름 구성에 있어서(예를 들어, 도 4a 참조), no의 경우, 굴절율 부정합이 없어서 전체 산란 단면이 0에 가깝게 되게 한다. ne의 경우, 최대 굴절율 부정합이 주어지며, 그에 따라 "평행" 입사에 대해 p-편극 상태에서 최대 전체 산란 단면으로 결과한다.
도 4b를 참조하면, 다른 PDLC 필름 구성의 경우, s-편극에 대해 항상 굴절율 부정합이 존재하도록 no는 nh와 다를 수 있다. 그러나, no는 ne에 의해 정의된 범위내의 또는 그 범위 밖에서의 nh의 상대적 위치에 따라, 본 기술 분야의 숙련자라면 알 수 있는 바와 같이, 단일 편극에 대한 것이 아닌 전체 단면의 "제로(zero)" 크로싱이 존재할 수 있다.
또한, 비-편극 광빔의 경우, p-편극과 s-편극에 대한 전체 산란 단면들의 중첩이 적용된다. 도 3에 도시된 예시에 있어서, 이것은, 광의 50%가 어느 각도에서도 산란되지 않고, 광의 나머지 50%가 곡선(29)에 따라 산란됨을 의미한다. 다시 말해, 곡선(29)의 전체 산란 단면은 양분되지만 그의 일반적 형상을 유지하다. 다른 PDLC 필름 구성에 대해서도 유사한 고려가 적용된다.
NOA65 및 E7의 PDLC 필름 구성에 대해, 도 3에는 전기장 기반 조정, 입사각 기반 조정 및 편극 기반 조정와 같은, 본 명세서에서 설명한 다양한 LC 기반 조정 구성의 조정 가능성들이 도시된다. 특히, 그러한 구성에 있어서, PDLC 필름은 Norland optics Inc에 의해 생산되는 ("NOA65"로서 알려진) Norland Optical Adhesive 65에 매립된, Merck KGaA에 의해 생산되는 네마틱(nematic) 액정 혼합물 "E7"을 구비한다.
굴절율의 부정합의 조정(및 상대 굴절율 m의 조정에 기인한 레일리형 산란 단면의 조정)과 관련하여, LC 기반 확산기(13)의 실시 예는, 평균 굴절율 n-OFF(즉, <n>)가 모든 입사 방향에 적용될 수 있는, OFF 동작 상태를 제공한다. 또한, 인가된 전압에 따라, 각 입사 방향에 대해, Vsat에 도달하고 (정렬되는 모든 LC에 기본적으로 기반한) 연관된 굴절율이 수립될 때까지 굴절율이 변경될 것이다. 이것은, OFF 동작 상태에서 시작하여 Vsat 동작 상태까지 지속하는 V-동작 상태들의 범위에 대응한다.
예를 들어, 화살표 30A 및 30B는 직교 입사(0°) 및 경사 입사(inclined incidence, 45°)에 대한 전기장 기반 조정을 위한 조정 범위를 나타낸다. 전체 산란 단면은, V=0의 경우에 <n>에 대응하는 0이 아닌 값에서 시작하여, 직교 입사의 경우에 (거의) 0으로 감소하는, 반면 비-편극광의 경우에 곡선(29)의 조정된 값에 도달할 때까지, 45°입사에 대해서는 증가한다.
또한, 적어도 어느 정도의 정렬(즉, 랜덤 분포가 아닌)로 결과하는, 전기장의 임의 인가의 경우, 입사각 θ이 0이 아닐 때 및 "산란될" 광의 편극이 변경될 때 굴절율이 변경될 것이다.
30°의 입사각의 경우, 예를 들어 Vsat에 의해 정적 전기장이 인가된다는 상정하에, 화살표 30C는 s-편극에서 p-편극으로의 편극 변경을 위한 조정을 나타낸다. s-편극과 관련하여, 전체 산란 단면은, 각 입사각에 대해, 거의 0에서 시작하고, p-편극과 관련하여 (0°보다 큰 적어도 어느 정도의 입사각에 대해서는) 전체 산란 단면까지 증가하며, 30°의 입사각의 경우에는 화살표 30C로 도식적으로 표시된다.
또한, 적어도 어느 정도의 정렬(즉, 랜덤 분포가 아닌)로 결과하는 전기장의 임의 인가의 경우, "산란될" 광의 입사각 θ이 변경될 때 굴절율이 변경될 것이다. 여기에서, 입사각 변경은, 예를 들어, "움직이는 태양"의 특성을 가진 조명 시스템과 연관된다. 이러한 측면은 (V-종속적) θ 동작 상태에 대응한다. 상술한 바와 같이, 비록 θ 동작 상태들은 원칙적으로 임의 V≠0에 적용 가능하지만, Vsat의 경우에 레일리 산란 상태에 대한 움직이는 태양의 가장 큰 효과가 주어진다. 또한, 색도 조정의 방향은 <n>과 no간의 상대적 크기에 의존한다. 즉, 확산기 유닛으로의 백색광이 수직 입사에 가까울 때 보다 많은 산란이 발생하는지 또는 확산기 유닛으로의 백색광이 "평행" 입사에 가까울 때 보다 많은 산란이 발생하는지에 따라 달라진다. 움직이는 태양의 색도 모습은 전압, 즉, 전기장 또는 정렬 정도의 선택에 따라 보다 미세하게 조정될 수 있다.
화살표 30D는 예를 들어 Vsat에 의해 정적 전기장이 인가된다는 상정하에 입사각에 있어서의 변경을 위한 조정을 나타낸다. 다시, 전체 산란 단면이 거의 0인 직교 입사를 시작으로, 산란 작용은 입사각을 증가시킴에 따라 비-편극광에 대해 조정된 곡선(29)을 따라 증가한다.
또한, 호스트 재질이 LC들로 구성되고 나노액적들이 고체 나노입자들과 같은 정적 나노구조로 대체되는 구성에 굴절율에 있어서의 부정합의 동일한 조정이 실현될 수 있음을 알 것이다.
상술한 바와 같이, 조정 동작(산란 작용에 있어서의 증가/감소/증가와 감소간의 변경)은 본 명세서에 개시된 다양한 조정 방식을 사용할 때, 상대 굴절율에 따라, 다른 PDLC 필름 구성의 경우에 달라질 수 있다(이하에 설명할 도 4b를 참조).
요약하면, 사전 선택되거나 변경되는 전파 방향, 사전 선택되거나 변경되는 전기장 및/또는 사전 선택되거나 변경되는 편극에 따라, 다른 광학적 산란 파라메타들을 가진 확산기 유닛(13)의 동작 상태들이 선택될 수 있다.
상술한 견지에서, (PDLC 필름 및 비 조정가능 재질(non-tunable material)에 있어서의)호스트 재질의 굴절율 nh, 평균 굴절율 <n>(나노액적들내의 LC의 랜덤 평균 배향과 관련된 n-OFF) 및 포화에서의 굴절율 no과 같이, 특정 층 구성의 부정합을 특징으로 하는 특정 굴절율 파라메타들이 존재한다. LC 액적 기반 산란 유닛상의 직교 입사의 경우, 이들 파라메타들은 LC 기반 산란 유닛의 색도 조정 가능성을 정의한다. 상기에서 지적한 바와 같이, 색도 조정 가능성은 입사각에 따라 추가로 가변한다.
도 4a에는 상술한 파라메타들, 및 그에 따른 가시 파장 범위에 대한 NOE65 및 E7의 상술한 예시적인 PDLC 필름의 조정 가능 범위가 도시된다. E7은 상대적으로 높은 복굴절 및 포티지브 유전 이방성(positive dielectric anisotropy)을 가진다. E7은 특정 합성물에서 여러가지의 시아노비페닐(cyanobiphenyl)과 시아노터페놀(cyanoterphenol) 성분을 포함한다. 광학적 성질로 인해, PDLC 산란 유닛에서 레일리형 산란에 이용될 수 있는 나노액적에 대해 큰 조정 범위의 굴절율이 가능하게 된다. NOA65는 산란 유닛의 투과 구조 기반을 형성하는 깨끗한 무색의 액체 폴리머이다. NOA65의 경화는 자외선광 노출에 의해 수행될 수 있는데, 그 경화 프로세스는 중합 반응을 위해 이용된 UV광의 세기에 주로 의존한다.
특히, 도 4a에는 (20℃에서) 450nm에서의 약 1.540에서 650nm에서의 1.524로 감소하는 NOA65의 굴절율 nh가 도시된다(데이터 포인트 "NOA65"). 또한, 도 4a에는 랜덤하게 배향된 액정 분자들에 대한 E7의 평균 굴절율 n-OFF가 도시된다(인가되는 전압은 없음; 데이터 포인트 "n-OFF"). 그러나, 일반적으로 평균 굴절율 n-OFF는, NOA65처럼, (20℃에서) 450nm에서의 약 1.632에서 650nm에서의 1.590로, 보다 큰 굴절율들로 점진적으로 감소한다. 유사하게, 정렬된 액정 분자의 일반 굴절율(즉, 포화에서의 일반 굴절율 no, 즉, 인가된 포화 전압 V=Vsat, 데이터 포인트 "no(20°")은 NOA65의 그것에 필적하는 값으로 감소한다. 예를 들어, E7의 일반 굴절율 no는 (20℃에서) 450nm에서의 약 1.543에서 650nm에서의 1.518로 감소한다. 그에 따라, 조정 가능성의 범위 δn는 450nm에서의 0.09 및 650nm에서의 0.07인데, 그것은 가시 파장 범위에 걸쳐 유사하다. 도 4a에는 완전성을 위해, 대안적인 호스트 물질로서의 NOA81의 굴절율(데이터 포인트들 "NOA81")과 각 액정 분자들의 이상 굴절율(데이터 포인트들 "ne(20°)")이 도시된다. 대안적인 폴리머 NOA81의 굴절율 nh는 (20°에서) 450nm에서의 약 1.58에서 650nm에서의 1.56으로 감소한다(데이터 포인트들 "NOA81"). 즉, NOA65에 대한 것보다 더 크게 감소한다.
포화 하의 액정과 NOA65에 대한 매트릭스 nh의 필적한 굴절율들 no의 견지에서, 그 조정 가능 범위는 기본적으로 비 산란 상태, 즉 각 입사각을 가진 광의 무영향 투과(unaffected transmission)(산란 유닛의 투과 모드)의 상황을 포괄할 수 있음이 명백하다. 또한, 상술한 상황의 경우, 호스트 재질과 산란 나노액적들간의 굴절율 부정합은, 조정 가능 범위 δn에 의해 주어지며, 그 범위의 종료점에서는 직교 입사에 대해 및 Vsat에 대해 기본적으로 굴절율 부정합이 없다.
도 4b에는, NOA81에 대한 것과 같이, (직교 입사에 대해) E7의 조정 가능 영역의 종료점에서 산란 유닛의 투과 모드가 존재하지 않는 2개의 추가적이고 대안적인 호스트 재질들과, 도 4a의 NOA65 및 NOA81을 포함하는 4개의 호스트 재질들에 대한 650nm에서의 굴절율 파라메타들의 개요가 도시된다. E7에 대한, 일반 굴절율, 이상 굴절율 및 평균 굴절율이 비교를 위해 표시된다.
호스트 재질 NOA81의 경우, 굴절율 nh는 E7의 no와 n_OFF 사이에 있다. 호스트 재질 NOA164의 경우, 굴절율 nh는 약 1.64로서, E7의 n_OFF보다 더 크다. 호스트 재질 NOA1315의 경우 굴절율 nh는 약 1.32로서, E7의 no보다 훨씬 작다. 유사하게, 원칙적으로 조정 가능 범위 δn와 굴절율 nh에 기초하여 확산기 유닛의 동작 상태들을 정의하는 광학적 파라메타들을 선택하기 위한 넓은 범위가 존재하도록, 다양한 유형의 액정들과 n_OFF, no 및 ne에 대한 각각의 값들이 존재한다.
액정 기반 확산기 유닛에 대한 추가적인 예시적 재질은 도 8과 관련하여 설명되는 제조 프로세스와 관련하여 이하에서 설명된다.
도 5a 내지 5d에는, 투과 직사광 및 확산광의 컬러 변경을 나타내기 위한 개략적인 균일 색도도(CIE 1976 u'-v' 색도도라고 함)가 도시된다. 거기에서는, 보더라인(border line, 32)(삼각 형상의 2개의 측면들)상의 포인트들이 (델타형의) 단색 스펙트럼들에 대응한다. 다시 말해, 좌측 및 상부측상의 곡선 표면 보더에서 파장은, 예를 들어, 하부 포인트에서의 420nm에서부터, 상부 좌측 코너에서의 약 510nm로 및 우측 코너에서의 약 680nm로 증가한다. 그 좌표들을 u'-색도도 및 v'-색도도라고 지칭한다. 또한, 예를 들어, 1000K 이하에서 약 100 000K까지의 범위내의 각 온도에서의 플랭크 방열기(Planck radiator)의 스펙트럼을 나타내는 흑체 궤적(31)이 도면들에 표시된다. 흑체 궤적(31)은 다양한 온도에 대한 CCT를 추가로 정의한다.
도 5a에는 컬러 영역들이 개략적으로 도시된다. 특히, 적색 영역은 Ⅰ로 표시되고, 녹색 영역은 Ⅱ로 표시되며, 청색 영역은 Ⅲ로서 표시된다. 적색 영역 Ⅰ과 녹색 영역 Ⅱ는 기본적으로 2000K 내지 10000K의 범위의 흑체 궤적(31)에 의해 분리되고, 흑체 궤적(31)은 청색 영역 Ⅲ을 가리킨다. 흑체 궤적(31)이 종료되는 영역에서는, 컬러들의 혼합으로 인해 약간의 백색 모습의 컬러로 된다.
태양형 모방의 경우, 투과광의 컬러는 태양과 유사하며 흑체 궤적(31)에 근접하지만(제 1 CCT), 산란광의 컬러는 하늘과 유사하고 청색 영역 Ⅲ내에 있다(제 2 CCT). 대낮의 태양과 하늘과 연관된 고유한 인지로 결과하는 제 1 CCT와 제 2 CCT간의 차이를 제공하기 위하여, 균일 색도도내의 각 컬러들의 좌표는, 적어도 0.008 또는, 적어도 0.01, 0.02, 0.025, 0.03, 0.04, 또는 0.5 이상의 △u'v'의 범위에서 적어도 달라질 수 있다. 예를 들어, 약 10 000K에서의 흑체 궤적(31)에 적어도 근접하거나 그 범위내의 제 2 CCT를 제공하면, 청색 하늘 느낌으로 결과할 것이며, 태양은 800K 내지 6500K 범위의 제 1 CCT에서 나타난다.
도 5a에는, 예시적인 영역 "태양"/"하늘"이 균일 색도도내에 개략적으로 도시된다. 이하에서 설명하겠지만, 영역 "태양"/"하늘"내의 연관된 포인트들은 확산기 유닛의 특정 파라메타 설정들과 연관된 동작 상태를 나타낸다. 도 5a에는 도 4b의 E7/NOA65 산란 유닛과 유사한 굴절율 구성에 대한 제 1 및 제 2 CCT의 조정 가능성이 도시된다. 예시적으로, 제 1 CCT 및 제 2 CCT에 대해 직교 입사시의 상술한 NOA65/E7 구성에 대한 OFF-상태(OFF)와 ON-상태(ON)가 도시되는데, 거기에서는 전기장이 증가하면 전체 산란 단면이 감소한다. 다른 조정 방향들이 설정될 수 있음을 알 것이다.
흑체 궤적(31)으로부터 멀리 이동시켜 "산란될" 광의 스펙트럼을 조정함으로써, 인공(비 자연적인) 효과를 달성하고, 그에 의해 예를 들어, 녹색 배경을 제공할 수 있음을 알아야 한다.
E 표준 발광체(가시 스펙트럼내에서 일정한 SPD(Spectral Power Distribution)를 가진 등 에너지 방열기(equal-energy radiator))와 같은 잘 정의된 입력 광원과 관련하여, 도 5b 내지 5d의 균일 색도도는 투과 직사광의 인지 컬러의 색도 변경을 나타내는데, 각 컬러 인지는 확산기 유닛의 각각의 설정된 투과도, 즉, 동작 상태와 연관된다. 따라서, 도 5b 내지 5d는, 전기장이 증가하는 경우의 투과 지향광에 대한 제 1 CCT의 조정 가능성을 보다 상세하게 도시한다. 산란에 의해 제 1 CCT를 조정하면 제 2 CCT가 영향을 받게될 것이다.
도 5a의 견지에서 알 수 있겠지만, 산란 작용을 증가시키면, 투과광의 컬러는 적색으로 이동하고 확산광의 청색은 백색으로 이동하지만, 산란 작용을 감소시키면 투과광은 백색으로 되고 확산광의 청색은 강조된다. 이것은, 본질적으로 레일리 산란기의 개수를 증가/감소시키는 경우와 유사하다. 예를 들어, 굴절율 부정합을 증가시키면 투과광은, 백색-황색(대략 6000K/5500K/5000K의 흑체 궤적값)으로, 오렌지색(대략 4000K/3000K의 흑체 궤적값)으로 및 적색(대략 2000K의 흑체 궤적값)으로 시프트되며, 적어도 큰 산란 작용의 경우에는 확산광의 청색이 백색화될 수 있다.
도 5b의 균일 색도도에는, 이전에 설명한 PDLC 필름 NOA65/E7, 약 100nm의 LC 액적 크기, 100㎛의 샘플 두께 및 약 50%의 충진비에 대한 각각의 u'v' 데이터 포인트들에 기초한, 전기장의 증가에 따른 10가지 동작 상태가 도시된다.
PDLC 필름은 수직 입사하에서 E 표준 발광체에 의해 조사된다고 상정한다. 컬러 포인트 E는 E 표준 발광체와 연관된 컬러를 도시한다.
OFF 상태(컬러 포인트 OFF)에서, 최대 산란이 나타난다(도 3에서 가장 큰 단면, <n>). ON 상태(컬러 포인트 ON)에서, 최소 산란이 나타난다(도 3에서 최소 단면, no). 따라서, 전기장이 증가하면 컬러 포인트들은 (기본적으로) 흑체 궤적(31)을 따라 컬러 포인트 E로 이동한다. 따라서, 컬러가 오렌지/황색에서 (5455K의 CCT를 가진 D 시리즈 발광체와 유사한) 컬러 포인트 E와 연관된 컬러로 변경될 것이다.
도 5c 및 5d(도 5c의 각 영역의 확대도)의 균일 색도도에서는, 각각, u'값 및 v'값 0.212/0.485, 0.222/0.5 및 0.24/0.514에 의해 주어진 라인들 u'1/v'1, u'2/v'2 및 u'3/v'3에 의해 3개의 참조 컬러 포인트들이 정의된다. 참조 컬러 포인트들은 그들의 u'값 및 v'값이 컬러 포인트 E보다 점점 더 커진다(즉, 그들의 유클리드 거리가 컬러 포인트 E까지 증가한다).
또한, 상기 PDLC 필름 NOA65/E7(OFF 상태에서의 약 100nm의 LC 액적 크기)의 경우, E 표준 발광체에 의해 조사된다는 상정하에, 10㎛, 20㎛, 30㎛, 40㎛, 50㎛ 및 10㎛의 샘플 두께들은, 각각, 컬러 포인트들 10, 20, 30, 40, 50 및 60에 의해 표시된다. 잔여 파라메타들이 동일하게 유지되고 있다고 상정할 경우, 그 두께를 증가시키면, 단위 면적당 나노스케일 산란 요소들의 개수 N가 변경된다. 상기 두께와 연관된 단위 면적당 나노스케일 산란 요소들의 개수 N은 각각의 라인들 u'1/v'1, u'2/v'2 및 u'3/v'3을 벗어나 있음(즉, 그들보다 큰 값을 가짐)을 알 수 있다. 따라서, 산란층의 경우, 본 명세서에서 설명한 파라메타들, 즉 (최대) 상대 굴절율, 호스트 재질/산란 요소들의 굴절율, 유효 크기는 상기 값들을 벗어난 컬러 포인트를 생성하는데 필요한 단위 면적당 나소스케일 산란 요소들의 최소 개수 N과 관련된다. 다른 한편, 이색성 조사에 적어도 어느 정도의 정 투과광이 주어져야 하는 요건이 유지되어야 하는데, 이것은, 요구되는 특정의 최소 투과도와 연관된 각 u'-한도(limit) 및 단위 면적당 나노스케일 산란 요소들의 최대 개수 N으로 결과한다.
알겠지만, 단위 면적당 나노스케일 산란 요소들의 개수 N은, 정 투과광으로 결과하는 충돌광과 연관된 입사 방향에 의존하는데, 그 이유는, 일반적으로, 산란층이, 층 두께와 연관된, 층과 같은(layer-like) 2차원 형상을 가지기 때문이다. 이것은 일반적으로 곡선형 층들에 적용된다. 따라서, 수직 입사의 경우에는 단위 면적당 나노스케일 산란 요소들의 원하는 개수 N에 도달하지 못할 수 있지만, 얼마간의 입사각의 경우에는, 단위 면적당 나소스케일 산란 요소들의 원하는 개수 N이 적용될 수 있으며, 원하는 컬러 포인트에서 정 투과광을 생성할 수 있다. 특히, 대면적 확산기 유닛을 사용하는 조명 시스템 분야에서는, 25°, 30° 또는 45°와 같이 약 60°까지의 입사각이 구현된다.
도 6a(ON-상태) 및 도 6b(OFF-상태)에는, (NOA65/E7 기반 확산기 유닛상으로의 충돌 백색광의 수직 입사의 경우, 발광 효율 함수(luminous efficiency functions)에 의해 가중되는) 단위 입체각당 특정 방향으로 확산기 유닛에 의해 방출되는 광 파워(light power), 즉, 발광 세기(luminous intensity)의 폴라 플롯을 이용한 이들 색도 효과가 도시된다. 그 동작은 임의 유형의 백색광 조사에 대한 것을 나타내지만, 6500K의 CCT에서의 흑체 발광체에 의한 상정된 조사에 대해 개략적으로 표시된다. 발광 세기 분포는 2개의 각도 좌표
Figure 112021102070434-pct00030
에 의존하는데, 도시된 플롯들에서는, 평면 확산기 유닛상으로의 백색 광빔의 직교 입사의 상정에 기인하여, 임의 선택 가능한 입사 평면으로 각도 좌표
Figure 112021102070434-pct00031
가 지향된다. 폴라 플롯들에 있어서, 청색 성분(450nm; 직통선(through line))과 적색 성분(600nm: 파선)에 대응하는 2개의 파장에 대한 발광 세기가 대수적 임의 스케일(logarithmic arbitrary scale)로 표시된다.
특히, 지향광 부분(33)과 확산광 부분(35)을 참조하라. 지향광 부분(33)은 약 5°의 각도 폭(angular width)을 가진채 0°방향으로 전파된다. 또한, 레일리형 산란은, 작은 반원 형상의 곡선 섹션(samll half-circular-looking curve section)에 의해 표시된 발광 세기 분포를 가진, 감소된 세기의 확산광 부분(35)의 생성으로 결과하였다.
도 6a에는, 확산광 부분(35)에 대한 청색 성분 기여를 우선적으로 보여주는 청색 하늘 산란 상태가 도시되며, (흑체형 파장 종속적 세기 분포(blackbody-like wavelength dependent intensity distribution)를 상정한) 지향광 부분(33)은 청색 및 적색 성분의 필적할만한 기여를 나타낸다.
도 6b를 참조하면, 낮은 태양 산란 상태와 유사한 적색 성분의 증가된 산란으로 인해, 확산광 부분(35)에 대해 적색 기여가 크게 증가하게 된다. 동시에, 지향광 부분(33)에서 적색 성분이 상대적으로 증가하게 되는데, 그 이유는 보다 많은 청색광이 산란되기 때문이다. 따라서, 태양은 보다 오렌지/적색으로 보이는 반면, 하늘의 청색은 보다 백색화되는 것으로 보인다.
증가된 산란 작용에 대해 지향광과 확산광간의 상대적 세기 차이가 보다 작아지게 됨에 따라, 도 6a와 관련하여 도 6b에서 균일성이 증가함을 알 수 있다.
도 6c에는, 각각, 영역(11) 및 그의 외부에서의 태양형 조사(sun-like illumination)에 대해, 포인트 12A 및 12B에서 측정된 조도의 작용이 개략적으로 도시된다. 이들 포인트들과 연관된 조도값들의 차이는 크게 가변할 수 있으며, 그에 의해 주변의 균일한 조사 및 스폿형 조사(spot like illumination)가 가능함을 명확히 알 수 있다.
또한, 예를 들어, 직사광의 90%의 산란이 달성될 수 있지만, 레일리형 산란에 의해 선명도가 유지되기 때문에, 그 디바이스를 바라보았을 때 깊이 인지(depth perception)가 유지될 수 있다. 다시 말해, 적색 태양의 낮은 조도에도 불구하고, 청색 하늘 상황에 대해 상기에서 인용된 개시에 설명된 이들 효과에 의해 수반되는 무한원으로 소스(source at infinity)가 인지될 수 있다.
LC의 적어도 부분적인 정렬과 굴절률에 있어서의 이방성을 상정할 경우, 지향광 부분(33)의 방향이 가변되거나 편극 상태가 가변되면 그 모양에 있어서 유사한 효과가 생성됨을 알아야 한다. 각도 유형 또는 편극 유형 조정 방식에 대한 예시적인 PDLC 필름들은, 예를 들어, NOA65 또는 NOA1315 폴리머 필름에 매립된 E7 LC 액적들에 기반할 수 있다.
도 7a 및 7b에는, 액정 액적 기반 산란 유닛들에 대한 개략적인 단면이 도시된다. 도 7h에는 정적 산란 센터들이 액정 기반 호스트 재질내에 매립되는 반전된 개념이 도시된다. 도 7i에는 PET 층들간의 액정 액적 기반 산란 유닛이 도시되고, 도 7j에는 글래스 샌드위치 구조내의 그러한 PET-PDLC 구성이 도시된다.
도 7a에는, 예를 들어 도 2a에 도시되었던 기본 구성이 다시 도시된다. (도전성이고 적어도 일측이 투과성인 커버층(cover layer)들의 예시들과 같은) 2개의 ITO 글래스 시트(23)들 사이에서는, 산란 요소들/센터들로서 호스트 재질(21)내에 매립된 LC 나노액적들(19)을 구비한 층(17)에 의해 산란이 실행된다.
도 7b의 실시 예에 있어서, 예를 들어, 2개의 강체 커버 시트들 사이에 층(17)의 정의된 층 두께(43)를 제공하기 위하여 층(17)에 스페이서 요소들(41)이 포함된다. 예를 들어, 커버 시트로서의 ITO 글래스는, 요소들간의 평균 거리(45)가 가시적 인지에 필수적으로 영향을 미치지 않을 정도로, 충분히 딱딱하다. 일반적으로, 예시적인 스페이서 요소들(41)은 폴리머 또는 글래스 비드(bead)들을 포함한다. 또한, 베이스 형상(base shape)이, 예를 들어, 광원과 같은 조명 시스템의 임의 기반 구조 특성들에 맞게 조정되는 스페이서 그리드(spacer grid) 또는 스페이서 네트(spacer net)가 이용될 수 있다. 스페이서 요소들(41)을 이용하면 층 두께(43)를 줄일 수 있게 되고, 그에 따라, (예를 들어, 220V AC-전압으로 동작하는) 층(17)을 가로질러 원하는 전기장을 달성하기 위해 인가될 필요가 있는 전압을 낮출 수 있게 된다. 또한, 스페이서 요소(41)를 이용하면 보다 균일한 두께 및 그로 인한 층(17)의 평면에 있어서의 산란 요소 분포로 인해 층(17)의 광학적 성질의 균일성이 증가하게 된다. 그러나, 스페이서 요소들(41)의 밀도는, 그들의 존재 그 자체가 가시적 모양에 영향을 주지 않도록, 충분히 낮아야 한다.
도 7c의 실시 예에 있어서, 예를 들어, 광의 입사 방향 또는 인가된 전기장과 무관한 추가적인 산란 특성들을 제공하기 위하여 층(17)에 "정적" 산란 요소들(51)이 포함된다. 정적 산란 요소들(51)들의 양은, 예를 들어, 산란 유닛에 걸쳐 원하는 정도로 균일한 산란 특성을 제공하도록 선택될 수 있다. 정적 산란 요소들(51)은 레일리형 산란의 상수 베이스(constant base)를 제공하기 위해 나노스케일 크기일 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 정적 산란 요소들(51)은, 예를 들어, "산란될" 광 빔에 걸쳐서 광 세기 분포의 임의 구조를 스미어링 아웃(smearing out)시키는 큰 입자 확산 산란을 제공하기 위하여 마이크로스케일 크기일 수 있다. 일반적으로, 예를 들어 정적 산란 요소들(51)은 유기 또는 무기 입자들을 포함한다.
추가적인 정적 산란 특성들을 제공하는 대안적인 방식이 도 7d에 도시된다. 특히, 커버 시트들 중 하나의 외표면에(또는 양 커버 시트에, 또는 그 사이의 개별층으로서, 또는 하나의 확산층 또는 개별적인 확산층들내에 다른 산란 특성들을 가진채), 예를 들어, 확산층(53)이 추가될 수 있다. 예를 들어, 확산층(53)은, 예를 들어, 지지 매트릭스내에 매립된 각각의 정적 산란 요소들(51)을 이용하여, 도 7c의 실시예와 유사한 큰 입자 확산 산란 및/또는 레일리 산란의 상수 베이스를 제공할 수 있다.
도 7a 내지 7d의 실시 예들은 투과에 이용되기 위한 것이지만, 도 7e 및 7f의 실시 예들은 반사 구성에 이용된다. 예를 들어, 도 7e에 개략적으로 도시된 바와 같이, 커버 시트들 중 하나에 반사층(55)이 제공된다. 따라서, 다른 커버 시트상에 충돌하는 광은 층(17)을 2번 통과할 것이다. 즉, 반사층(55)에서의 반사 전에 한번, 그리고 반사층(55)에서의 반사 후에 한번 통과할 것이다.
도 7f의 실시 예에 있어서, 커버 시트들 중 하나는 그 자체가 반사 시트(57)로서 구성된다. 그 경우, 반사 시트(57)는 면적 전기적 콘택트로서 작용하도록 추가로 구성될 수 있다.
굴절율 구성이 투과 모드를 가능하게 한다는 상정하에, 도 7e 및 7f의 구성들은, 조정 가능 태양-하늘 인지에 추가하여, 투과 모드에서 통상적인 미러의 기능을 구비하며, 그에 따라 통상적인 미러로서 또는 조명 시스템 설비의 일부로서 이용될 수 있는 절환 가능 미러를 형성한다.
도 7g의 실시 예에 있어서, 커버 시트들 중 하나의 외표면에(또는 양 커버 시트에, 또는 그 사이의 개별층으로서, 또는 하나의 확산층 또는 개별적인 확산층들내에 다른 흡수 특성들을 가진 채), 예를 들어, 흡수층(59)이 추가될 수 있다. 예를 들어, 흡수층(59)은 UV 및/또는 IR 흡수를 제공할 수 있다. 각각의 산란 유닛들은, 특히, 외측 사용에 적합하다. 또한, 프리폴리머(pre-polymer) 및 LC들의 출발 혼합물(starting mixture)에 UV 및/또는 IR 흡수종들(absorbing species)이 직접 도입될 수 있다.
도 7a 내지 7g의 실시 예들은 LC들을 나노액적들로 제공하는데 기반하지만, 도 7h의 실시 예는, "정적" 나노스케일 산란기(63)가 매립되는 호스트 재질(61)로서 LC들을 그들의 액상 형태로 제공한다. LC 나노액적들에 대해 상술한 광학적 측면들이 그 구성에 유사하게 적용된다.
도 7i에 도시된 바와 같이, PET 필름 기반 확산기 유닛들(65)은 층(17)을 정의하기 위하여 플라스틱으로 된 가요적인 도전성 투명 필름(예를 들어, ITO PET 필름들(65A, 65B))을 이용한다. 층(17)의 두께는, 예를 들어, 일부 스페이서 요소들(도시되지 않음)을 다시 추가함에 의해 정의될 수 있다. 이에 따라 도 7j에 도시된 바와 같이 확산기 윈도우 요소들(67)을 생성할 수 있게 되며, 거기에서는 최종 PDLC 확산기 유닛이, 두개의 ITO PET 필름들(65A, 65B) 사이에 샌드위치되고, 그 다음 2개의 글래스 시트들(67A, 67B) 사이에 층이 형성된 PDLC 필름이다.
본 기술 분야의 숙련자라면, 도 7a 내지 도 7j와 관련하여 설명한 기본 구성의 예시적인 수정들이 전반적으로 조합되어, 산란 유닛내에 추가적인 광학적 특성들(정의된 두께, 추가적인 산란, 흡수, 반사)의 조합을 제공할 수 있음을 알 것이다. 또한, 추가적인 특성들은 단일의 추가적인 요소(예를 들어, 흡수 스페이서 요소)에 의해 제공될 수 있다. 또한, 그 디바이스는, 에칭된, 눈부신 방지 및 반사 방지 표면과 같은 추가적인 광학적 특성들을 가질 수 있다.
일반적으로, 확산기 유닛의 크기는, 대면적 조명 시스템에 대해, 예를 들어, 1m×2m의 폐쇄 영역에 걸쳐 연장될 수 있으며, 그에 의해 큰 연속하는 하늘-모방 영역이 제공된다. 타일 구조 기반 조명 시스템의 경우, 확산기 유닛은, 예를 들어, 단일 타일에 대응하는 약 10㎝×10㎝의 범위내의 폐쇄 영역에 걸쳐 연장될 수 있다.
특히, 도 7i 및 도 7j를 참조하면, PDLC 층이 샌드위치된 ITO-PET 지지 필름들이 표준 프로세스에 의해 생성될 수 있으며, 그럼으로써, 대형 확산기 유닛에 대해 롱 롤(long rolls)의 필름형 기반 재질이 생성된다. 다른 한편, 예를 들어, 도 7a를 참조하면, PDLC 필름이 샌드위치된 ITO-글래스 시트들은 보다 소형의 확산기 유닛에 이용될 수 있다.
LC 나노액적이 함유된 폴리머 네트워크의 형성은, 선택된 재질의 화학적 성질에 의거하여 조정될 수 있는 다른 기술에 의해 달성될 수 있다. 출발 프리-폴리머(또는 모노머(monomer))에 있어서의 고 용해도의 액정의 경우, 위상 분리를 유도하기에 편리하다. 이러한 기술은 PIPS(polymerization induced phase separation)으로 알려져 있으며, 통상적으로 프리-폴리머와 액정(LC)의 균일한 혼합물이 중합 반응 프로세스를 겪을 때 발생한다. 중합 반응이 개시되었으면, LC 분자들은 초기의 폴리머 매트릭스로부터 자연스럽게 분리되어, 감금된 액적들의 핵형성 및 성장을 이끈다. 이러한 액적들의 최종 크기는 중합 반응 레이트(polymerization rate)에 필수적으로 의존한다. 일반적으로, 그 프로세스가 빠를수록 결과하는 액적들이 작아진다.
중합 반응 레이트외에, 재질의 상대적 농도, 이용되는 액정 및 폴리머의 유형과 같은 추가적인 인자들 및 최종 액적 크기에 기여하는 점도 및 온도와 같은 여러가지 다른 물리적 파라메타들이 있다.
에폭시 레진의 경우의 응결 반응(condensation reaction), 비닐 그룹이 수반될 경우의 라디칼 개시체(radical initiators)(BPO, AIBN) 기반 반응 및 광중합 반응(photopolymerization)이라고도 지칭되는, 특정 방사(감마선, UV-가시광 및/또는 IR 방사)에 노출될 때 라디칼 종들(radical species)을 생성하는 광 활성 분자 기반 반응(photoactive molecules based reaction)과 같은 다른 방식으로 중합 반응 프로세스를 활성화시킬 수 있다.
UV 개시 중합 반응은 특히 나노스케일 액적들을 생성하는데 적합할 것으로 고려되는데, 그 이유는 중합 반응의 레이트가 광 세기를 변경함에 의해 변조될 수 있기 때문이다. 이것은 다른 기술에 대해서 중요한 장점을 이끄는데, 그것은, 50nm에서부터 최대 20㎛까지의 크기 범위의 양호한 균일성으로 가변될 수 있는 액적 크기의 보다 높은 제어를 달성할 수 있기 때문이다.
도 8에는 중합 반응을 이용하여 2개의 시트들 사이에 얇고 균일한 산란층을 형성하는 예시적인 생성 프로세스가 개략적으로 도시된다.
그 프로세스는, 일반적으로, LC들(71A)과 프리-폴리머(71B)와 같이 필요한 성분들을 혼합하여, 프리-폴리머-LC-혼합물(71C)를 형성하는 혼합 단계(71)부터 시작한다. 그것은, 계속해서, 시트들(73A, 73B) 사이에 프리-폴리머-LC-혼합물(71C)을 적층하여, 산란 유닛의 샌드위치형 베이스 구조(sandwich-type-base structure)를 형성하는 적층 단계(73)로 이어진다. 그 프로세스는, 프리-폴리머-LC-혼합물(71C)이 거기에서 위상 분리된 나노스케일 LC 액적(나노액적들(19))을 가진 PDLC 층(17)으로 전이하도록, 대면적 UV 조사원(74B)에 의해 균일하게 생성되어 샌드위치형 베이스 구조를 조사하는 UV광(75A)에 기반한 UV 경화 단계(75)에 의해 완료된다.
혼합 단계(71)는 볼륨 분율 VLC/Vtotal을 정의한다. 일반적으로, 위상 분리를 달성하기 위하여, LC의 볼륨 분율은 20% 내지 70%의 범위내일 수 있다. 혼합 단계(71)는 도 7a 내지 도 7h와 관련하여 상술한 추가적인 요소들(71D)을 추가하는 단계를 더 포함할 수 있다. 도 7b를 참조하면, 생산 프로세스동안, 수마이크로미터 크기의 나노스피어들(nanoshperes)을 액정과 베이스 폴리머(base polymer)의 혼합물에 제공하는 것과 같이, 스페이서 요소들(41)이 추가됨으로써, (큰) ㎛-입자들에 의해 유효 층 두께(effective layer thickness)가 정의될 수 있다.
적층 단계(73)는, 예를 들어, 10㎛ 내지 500㎛ 범위내의 필름 두께 및 그에 따른 산란 요소들의 최종 면적 밀도 NLC/㎡를 정의한다. 스페이서 요소들 대신에, 예를 들어, 마스크에 있어서의 보이드(void)들상에 충분히 딱딱한 시트들이 이용될 경우에, 그 마스크는 스페이서로서 작용할 수 있다. 마스크의 형상은 다수의 광원 요소들을 구비한 광원에 맞게 조정될 수 있다.
UV 경화 단계(75)는 중합 반응 유도성 위상 분리를 개시한다. 상술한 바와 같이, 액체 액적들의 결과하는 크기는 UV 광 세기, 고유 경화 레이트(intrinsic curing rate) 및 볼륨 분율 VLC/Vtotal에 의존한다. UV 광 세기는, 예를 들어, E7/NOA65 기반 PDLC 필름들에 대해, 40-600mW/㎠ 범위이다.
도 9a 및 도 9b는 함께 LC 기반 레일리 확산기를 형성하는 NOA65 호스트 재질에 있어서의 E7으로 이루어진 나노액적들의 나노스케일 구조를 도시한다. 재생된 SEM 이미지들로부터 측정된 각 직경 분포 플롯(diameter distribution plot)들로부터 알 수 있는 바와 같이, 상술한 UV 광 중합 반응을 이용하여, 약 100nm(도 9a) 및 200nm(도 9b)의 평균 크기를 가진 나노액적들의 분포가 생성되었다. 직경 분포들은 평균 크기에 아주 근접하며, 이는 균일한 형성 프로세스 및 위상 분리의 제어된 종료를 나타낸다. 따라서, 위상 분리 프로세스가 아주 잘 제어될 수 있고, 그에 따라 위상 분리 프로세스의 시간이 제한될 수 있기 때문에, 단지 한 크기의 나노액적들만이 형성된다. 도 9a 및 9b로부터 알 수 있는 바와 같이, 각 광 중합 반응 프로세스에서 생성되는 ㎛ 크기 범위의 액적들은 없다.
본 기술 분야의 숙련자라면 알겠지만, 필수적으로 레일리형 산란만이 도시된 직경 분포의 나노액적들에 의해 발생할 것이다.
PDLC를 마련하는데 이용될 수 있는 다른 기법은 열적 유도 위상 분리(thermal induced phase separation: TIPS) 및 솔벤트-유도 위상 분리(solvent-induced phase separation: SIPS)이다. TIPS에 있어서, 액정은, 폴리머 용융 포인트보다 높은 온도에서 열가소성 플라스틱 폴리머(thermoplastic polymer)(예를 들어, PMMA)와 혼합된다. 이러한 균일 혼합물을 냉각시킴에 의해, 위상 분리가 발생하며, 액적들은 폴리머 매트릭내에 트랩(trap)된 채로 유지된다. 결과하는 액적들의 크기는 주로 냉각 레이트(cooling rate)에 의존한다. 반대로, SIPS에 있어서, 액정 및 열가소성 플라스틱 폴리머는 동일한 솔벤트에서 용해되어 단일 위상 혼합물을 생성한다. 이 경우, 액적 크기를 결정하는 솔벤트 증발(solvent evaporation)에 의해 위상 분리가 유도된다. 필요한 경우, 증발 레이트를 증가시키고 그에 따라 입자 크기를 감소시키기 위해 작업 온도를 증가시킬 수 있다.
PDLC를 생성하는데 이용되는 또 다른 방법은 유제(emulsion)에 기반한다. 이 경우, LC는 필름 형성 폴리머의 수용액(aqueous solution)으로 유화된다. 이러한 유제는 도전성 기판상에 증착되어 건조될 수 있다. 이 프로세스 동안, 폴리머는 원 필름(original film)의 수축에 기인하여 가늘고 긴 형상을 통상적으로 가진 LC 액적들을 포함한 고체상(solid phase)을 형성한다. 예를 들어, 이 방법은 네마틱 LC와 폴리비닐 알코올의 수용액(water solution)을 이용한다.
본 명세서에 개시된 측면들에 적합한 여러가지 다른 유형의 액정(LC)들이 고려될 수 있다. 원칙적으로, 상업적으로 입수 가능한 많은 다양한 LC들이 있다. LC 분야에 있어서 선도적인 회사는 Merck KGaA(독일)이다. 본 발명에 대해 유용한 액정의 전형적인 클래스(class)들은 시아노비페닐(cyanobiphenyl)과 플루오르화 화합물(fluorinated compound)을 포함하되, 그에 국한되는 것은 아니다. 시아노비페닐은 시아노터페닐(cyanoterphenyl) 및 다양한 에스테르(ester)들과 혼합될 수 있다. 이러한 클래스에 속하는 네마틱 액정들의 상업적 예시들은 "E7"(Merck KGaA로부터의 Licrilite®BL001)이다. E7은 51%의 4'-n-pentyl n-cyanobiphenyl(5CB), 21%의 4'-n-heptyl-n-cyanobiphenyl(7CB), 16%의 4'-n-octoxy-4-cyanobiphenyl, 및 12%의 4'-n-pentyl-4'-n-pentyl-4-cyanoterphenyl의 혼합물이다. 그 혼합물은 -10℃의 네마틱 위상 전이 온도에 대해서는 크리스탈(crystal)을 가지며, 60℃의 등방성 전이 온도에 대해서는 네마틱을 가진다.
상업적인 액정의 추가적인 예시들은, LC들의 혼합물의 경우에는 E31, E44, E63이고, 단일 성분 LC들의 경우에는 K12, K21, K24, M15, M18, M24이다. (예를 들어, Merck KGaA로부터 입수 가능한) 액정 혼합물의 다른 유용한 예시들은, BL003, BL004, BL009, BL011, BL012, VL032, BL036, BL037, BL045, BL046, ML-1001, ML-1002를 포함하고, 그 혼합물 시리즈는 현저히 높은 복굴절을 가진 플루오르화 화합물 TL202, TL203, TL204, TL205, TL215, TL216을 포함한다. 다른 회사들로부터 입수할 수 있는 액정들은 스위스의 Hoffman-LaRoche에 의한, 예를 들어, TOTN404 및 ROTN-570을 포함한다.
혼합 단계(71)에서의 추가적인 요소들(71D)의 추가를 참조하면, 폴리머와 LC들 사이의 액적들의 표면상에 국소화된 분자들을 포함하고 그에 의해 LC 분자들의 이동도를 증가시켜서 전기장과 정렬시키기 위한 계면 활성제(surfactant)들이 추가될 수 있다. 따라서, 계면 활성제는 포화 전압이 감소되게 할 수 있다.
본 명세서에서의 용어 "프리-폴리머"는, 중합 반응의 문맥에 있어서, 액정 액적들의 호스트 재질로서 폴리머를 형성할 수 있는 임의 유형의 폴리머 전구체(polymer precursor)를 지칭한다. 예를 들어, 그것은 모노머, 올리고머(oligomer), 단사슬 폴리머(short chain polymer) 또는 상술한 3개 성분들의 혼합물일 수 있다. TIPS 및 SIPS의 경우, 그것은, 응결시키도록 유도되는 액체 상태의 폴리머일 수 있다. 본 발명에 적합한 프리-폴리머는 강력한 광학적 투과성을 가진 폴리머를 형성할 수 있는 전구체들이다. 그것은, 열가소성 플라스틱(thermoplastic), 열경화성(thermosetting) 및 광경화성(photocurable) 수지로부터 선택될 수 있다. 적절한 프리-폴리머들은 이하의 카테고리, 즉, 에스테르, 알데히드, 페놀, 무수물(anhydride), 에폭시드, 아크릴산염(acrylate), 비닐, 알켄, 알킨, 스티렌, 할로겐화물, 아미드, 아민, 아닐린, 페닐렌, 방향족 탄화수소 및 실록산에 속하지만 그에 국한되는 것은 아니다. 추가적으로, 플루오르화된 폴리머 전구체가 이용될 수 있다. Norland optics Inc로부터의 NOA 시리즈의 접착체 및 Croda International Plc 또는 Henkel AG&Co. KGaA로부터의 UV 경화성 접착제 및 실란트들과 같은 광범위한 상업적으로 유용한 프리-폴리머가 이용될 수 있다.
예를 들어, 도 2b를 참조하면, 일부 실시 예들에 있어서, 커버 시트들은 LC 액적들에 가능한 근접하게 면적 전기적 콘택트들을 제공한다. 특히, 그것은, 예시적으로, ITO 글래스 시트들(23)을 지칭하였다. ITO 글래스 시트들(23)은, 예를 들어, 전극 요소들로서 투명 도전 산화물(transparent conducting oxide: TCO)을 이용하여 적어도 90%의 가시적 스펙트럼에서 투과를 제공하는 알려진 시트들이다. 글래스 시트들과 함께, 확산 장벽을 형성할 수 있는 구조적 템플릿(structural template)이 형성될 수 있다. 본 실시 예에 있어서의 TCO 재질의 바람직한 특징들은 넓은 스펙트럼에 걸쳐, 특히 가시적 스펙트럼에 걸쳐서의 높은 광학적 투과도와 낮은 저항율(low resistivity)을 포함한다.
도 10a 및 10b에는, 각각 투과 및 반사에 있어서 조정 가능 확산기 유닛을 이용하는 조명 시스템이 도시된다. 본 명세서에 있어서 그 개시가 일반적인 원리에 국한되도록, 보다 상세한 설명에 대해서는 출원인에 의한 상술한 개시를 참조하면 된다.
도 10a는 도 1a에 도시된 조명 시스템의 개략적인 단면도이다. 특히, 천장(7)에 조정 가능 나노확산기 유닛(81)이 설치되어 제어 및 파워 유닛(83)에 전기적으로 접속된다. 제어 및 파워 유닛(83)은 산란층에 걸쳐 전기장을 개시하도록 구성되어 각각의 산란 요소들의 산란 단면에 영향을 준다. 예를 들어, 다크 박스(dark box)(85)내에 광원(87)이 실장되어 조정 가능 나노확산기 유닛(81)의 산란층에 (광 가이드 요소를 통해 또는 직접) 조사한다.
개략적으로, 도 10a에는, 적어도 부분적으로 투과되어 투과 광빔(91)으로서 조정 가능 나노확산기 유닛(81)으로부터 배출되는 백색광 빔(89)이 도시된다. 또한, 제어 및 파워 유닛(83)에 의해 레일리 산란으로 결과하는 동작 상태가 선택되면, 확산광(93)은 조정 가능 나노확산기 유닛(81)으로부터 방출될 것이다.
도 10b는 도 7e 및 7f에 도시된 바와 같이 반사 조정 가능 나노확산기 유닛(81')을 이용하는 조명 시스템의 개략적인 단면도이다. 특히, 벽(95)에 반사 조정 가능 나노확산기 유닛(81')이 설치되어 제어 및 파워 유닛(83')에 전기적으로 접속된다. 제어 및 파워 유닛(83')은 산란층에 걸쳐 전기장을 개시하도록 구성되어 각 산란 요소들의 산란 단면에 영향을 준다.
광원(87')은 천장(7)에 실장되어 본 예시적인 경우에 조정 가능 나노확산기 유닛(81')의 산란층에 직접 조사한다. 도 10a에서 처럼, 직사 백색광 빔(89)은 광원(87')으로부터 방출되고 반사 조정 가능 나노확산기 유닛(81')의 산란층을 통해 적어도 부분적으로 투과된다. 그 다음, 도 10a의 실시 예와는 대조적으로, (예를 들어, 각각 도 7e 및 7f의 반사층(55) 또는 반사 시트(57)과 같은) 반사 조정 가능 나노확산기 유닛(81')의 미러층(97)상으로 낙하하는 임의 광은 반사 조정 가능 나노확산기 유닛(81')의 산란층내로 되반사되어, 투과 광빔(91) 및 확산광(93)으로서 배출되기 전에, 다시 산란 요소들과 상호 작용한다.
상술한 바와 같이, 조정 가능 나노확산기 유닛(81')에 대해 투과 모드가 종료되었다는 상정하에 클리어 미러 동작 상태(clear mirror operating state)를 포함하는, 다수의 산란 상태들이 제어 및 파워 유닛(83)에 의해 설정될 수 있다.
투과광 빔(91) 및 확산광(93)의 색도 측면 및 조정 가능성에 대해, 특히 도 5a 내지 도 6b와 관련한 상기한 설명을 참조하면 된다.
도 11에는, 예를 들어, 도 10a에 도시된 바와 같은 투과에 있어서 조정 가능 나노확산기 유닛(81)을 이용하는 추가적인 조명 시스템이 도시된다. 조정 가능 나노확산기 유닛(81)은 산란층에 걸쳐 전기장을 개시하도록 구성된 제어 및 파워 유닛에 전기적으로 접속된다.
그러나, 본 실시 예에 있어서, 각 산란 요소들의 산란 단면들의 조정은, 광원의 움직임, 즉, 백색광 빔(89)의 입사 방향의 변경에 기인한다. 예를 들어, 광원(99)의 4 위치들이 도 11에 개략적으로 도시된다. 특히, 조명 시스템은, 나노확산기 유닛(81)에 대해 광원(99)을 이동시키는 실장 구조(100A)와 같은 하나 이상의 "입사 방향 변경" 실장 시스템을 구비할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 실장 구조로 입사 각도를 변경시키기 위해 광학적 요소(예를 들어, 폴딩 미러(folding mirror))가 회전(turn)할 수 있다. 또한, 추가적으로 또는 대안적으로, 나노확산기 유닛(81)은 "입사 방향 변경" 실장 시스템의 추가적인 예로서(도 11에 개략적으로 도시됨), 예를 들어, 회전 스테이지(100B)에 의해 입사광에 대해 회전할 수 있다.
입사 방향 변경으로 인해, 기여 유효 이상 굴절율(contributing effective extraordinary refractive index)(neff)이 가변한다. 따라서, (유효) 복굴절 △n = neff - no는 다른 입사각에 대해 다른 적용 가능 굴절율 부정합으로 결과한다(도 3과 관련한 설명을 참조). 따라서, 광원을 이동시킴에 의해, 지향성 광 및 확산광 부분에 대한 색도 측면 및 투과의 상술한 조정 가능성와 유사한 방식으로 산란 상태들이 수정된다. 완료를 위해, OFF 상태에서는, LC들의 랜덤 배향시에, 입사각에 대한 색도 산란 효과들의 종속성이, 관측되지 않을 것임을 알아야 한다. 따라서, 이러한 광원 이동 개념의 경우에는, LC들의 적어도 얼마간의 정렬이 요구된다.
도 12에는, 입사광의 편극을 변경함에 의해 산란 효과의 조정을 허용하는 조정 가능 나노확산기 유닛(81)를 이용한 추가적인 실시 예가 도시된다. 조명 시스템은, 예를 들어, p-편극 상태와 s-편극 상태간에 편극을 변경시키는 파장판과 같은 편극자(100)와 적어도 부분적으로 편극광을 생성하는 백색광원을 구비한다. 또한, 편극 기반 조정의 경우, LC들의 적어도 얼마간의 정렬이 요구된다(도 3과 관련된 설명 참조). 이상 굴절율의 기여를 보장하기 위해, 도 12에 개략적으로 도시된 바와 같이 LC들의 광학축에 대해 입사광이 추가로 경사진다. 상술한 바와 같이, 편극 상태를 변경하면, 보여지는 전체 굴절율이 변경될 것이고, 그에 따라 상술한 바와 같이 지향성 광 부분 및 확산광 부분에 대한 색도 측면 및 투과도가 상술한 바와 같이 조정 가능하게 된다.
도 13 및 14는 확산기 유닛(10)내의 기하학적 형상에 있어서 이방성을 가진 산란 요소들을 이용하는 실시 예와 관련된다. 형상에 있어서의 이방성은 각각의 산란 요소들상의 서로 다른 입사 방향에 대해 서로 다른 산란 상태들을 생성하는데, 그 이유는기여 유효 입자 직경 D가 변경되기 때문이다.
외부 전기장이 인가될 때 배향을 조정하는 다양한 이방성 입자들이 알려져 있다. 이방성 입자들은 유기질 또는 무기질일 수 있다. 예시적인 유기 입자들은, 예를 들어, 다할로젠화물 또는 금속 할로겐화물과 같은 할로겐화물을 포함한다. 무기 입자들은, 예를 들어, 주석 산화물 또는 펜타산화물(pentaoxide)과 같은 금속 산화물, 티타늄, 은과 같은 금속, 또는 인화 수소 납(lead hydrogen phosphate), 그라파이트, 옥시염화 비스무트와 같은 화합물을 포함한다. 이방성 입자들은, 봉, 바늘 또는 플레이크(flake) 형상이라고 지칭되는 형상을 가질 수 있다. 일반적으로, 그 형상은 "비등축(anisometric)"이며, 그러므로 입자들의 형상은 일 배향이 또 다른 배향보다 더 많은/더 적은 광을 차단하게 하는 형상이다. 상술한 애플리케이션의 셔우, 이방성 입자들은 (바람직하게는 비 흡수형인) 가시 스펙트럼의 원하는 파장 영역을 투과하고, 예를 들어 약 200nm 범위의 크기를 가지도록 선택될 수 있다.
매립 재질은 이방성 입자들의 재지향을 가능하게 한다. 예시적인 매립 재질은 브라운 운동(Brown motion)을 보장하고 입자 퇴적을 방지할 수 있는 적절한 점도와 양호한 절연 성질을 가진 액체 유전 물질들을 포함한다. 전형적인 현탁 매체(suspending medium)는 유기실록산(organosiloxane) 기반 재질과 같은 중간/높은 분자량을 가진 폴리머 액체이다. 예를 들어, 가늘고 긴 형상(elongated shape)을 가진 유기 입자들이 액체상 재질(liquid phase material)에 매립될 수 있다. 전기장이 적용되면, 입자들의 각각의 재 배향이 발생할 수 있고, 그에 의해 평균적인 입사 방향의 제어가 이루어질 수 있게 된다.
도 13에는, 확산기 유닛(101)에 걸쳐 전기장이 인가되는 경우 및 전기장이 인가되는 않는 경우에 따른, 가늘고 긴 입자들(105)(OFF 상태(105A))의 임의 배향(103A)과 가늘고 긴 입자들(105)(ON 상태(105B))의 정렬된 배향(103B)이 도시된다. 백색광원(99)에 의해 조사될 경우, 광학적 조정 효과는 도 2a, 2b 및 3과 관련하여 설명된 효과와 유사하다.
간략하게, 정렬 정도는 관측되는 유효 나노입자 크기 및 그에 따른 산란 효율에 영향을 준다. 예시적인 나노스케일 요소들의 경우, ON 상태에 있어서, 직교 입사하에서는, 광원(99)으로부터의 백색 입사광에 의해 최소 크기가 관측되며, 그에 따라, 총 산란 단면은 최소로 된다. 다른 실시 예에 있어서, 총 산란 단면은 정렬된 상태에서 최대일 수 있다. 따라서, 전기장을 인가하면, LC들의 정렬에 의한 조정과 유사한 투과도 조정이 가능하게 된다.
도 14에는 도 11과 유사한 실시 예가 도시된다. 광원(99)의 위치/배향을 변경하면, 정렬된 가늘고 긴 입자들(105)의 입사각도가 달라져서 ON 상태(105B)로 된다. 결과적으로, 다른 유효 크기가 산란에 기여하고, 총 산란 단면이 가변하며, 투과도가 조정될 수 있다. 도 11과 관련하여 개시된 바와 같이, 확산기 유닛(101)상으로의 입사 방향의 변경을 가능하게 하는 "입사 방향 변경" 실장 시스템이 제공될 수 있다.
도 14에 도시된 예시적인 실시 예에 있어서, 직교 입사의 경우 앙상블 산란 단면량은 최소로 되고, 입사각 θ의 증가에 따라 증가하게 된다. 따라서, 자연속에서의 낮게 떠있는 태양에 대한 것과 같이, 산란 작용이 증가한다. 즉, 확산기 유닛(101)의 투과도는 파장이 짧을 수록 점점 더 감소하여, 직교 입사에 비해, 구배 입사에 대해 보다 적색의 태양으로 된다.
본 명세서에 개시된 확산기 유닛의 광학적 특성은 E 표준 발광체와 관련하애 이하에서 정의된다. 본 명세서에서는, Standard Terminology of Appearance, ASTM international, E 284-09a에 정의된 바와 같이, SPD(Spectral Power Distribution)가, 파장의 함수로서, 복사 휘도(radiance) 또는 복사 플럭스(radiant flux)와 같은, 방사량(radiometric quantity)의 특정 합성물에 의한 발광체를 특정한다. E 표준 발광체는 가시 스펙트럼 내에서 일정한 SPD를 가진 동일-에너지 방열기이다. 광학적 특성은 본 명세서에 개시된 여러 구성 및 재질 파라메타들에 기초하여 선택된다.
본 명세서에 개시된 확산기 유닛은, E 표준 발광체에 의해 특징화된 바와 같이 백색광으로 조사될 경우, 확산기 유닛의 색도 조정 가능 범위내의 임의 구성에 대해, 각각 0.2 및 0.465(도 5d에 있어서의 라인 u'1/v'1)보다 큰 좌표 u' 및 v'를 가진 CIE 1976 u'-v'-색도도상의 컬러 포인트에 대응하는 지향광을 투과시킨다. 또한, 일부 실시 예들에 있어서, 흑체 궤적과 투과광의 컬러포인트간의 유클리드 거리 △u'v'는, 색도 조정 가능 범위내의 임의 구성의 경우에, △u'v'가 0.1 미만임을 만족시킨다. (유클리드 거리 δu'v'은 도 5d에 도시된다). 또한, 각각의 산란광은, 확산기 유닛의 색도 조정 가능 범위내의 임의 구성의 경우에, 각각 0.20 및 0.465(도 5d에 있어서의 라인 u'1/v'1)보다 작은 좌표 u' 및 v'를 가진 CIE 1976 u'-v'-색도도상의 컬러 포인트에 대응한다. CIE 1976 u'-v'-색도도에 있어서의 산란 및 투과광과 연관된 컬러 포인트들간의 거리와 관련하여, 확산기 유닛의 색도 조정 가능 범위내의 임의 구성의 경우, 이들 포인트들간의 유클리드 거리 δu'v'는 0.02이상이다(유클리드 거리 δu'v'는 도 5a에 도시된다).
특히, 일부 실시 예들에 있어서, 투과 직사광에 대한 컬러 포인트는 각 실시 예의 조정 범위와 연관된 최대 산란 단면의 경우에, 각각, 0.2 및 0.465보다 큰 좌표 u' 및 v'를 가진다(도 5d에 있어서의 라인 u'1/v'1). 또한, 일부 실시 예에 있어서, 각 실시 예의 조정 범위와 연관된 최대 산란 단면의 경우, 투과성 직사광의 컬러 포인트는 각각, 0.2117 및 0.4851보다 큰, 또는 각각 0.2265 및 0.5029보다 큰 (예를 들어, 도 5d에서 라인 u'2/v'2를 벗어난), 또는 각각 0.243 및 0.5166보다 큰 (예를 들어, 5d에서 라인 u'3/v'3를 벗어난), 또는 각각 0.2598 및 0.5261보다 큰 좌표 u' 및 v'를 가진다.
또한, 흑체 궤적과 투과성 직사광의 컬러 포인트간의 유클리드 거리 △u'v'는, 색도 조정 가능 범위내의 임의 구성의 경우에, △u'v'가 0.1보다 작음을 만족시킨다. 또한, 각각의 산란된 광은, 확산기 유닛의 색도 조정 가능 범위내의 임의 구성의 경우에, 각각 0.20 및 0.465보다 작은 좌표 u' 및 v'를 가진 CIE 1976 u'-v'-색도도상의 컬러 포인트에 대응한다(도 5d에 있어서의 라인 u'1/v'1). CIE 1976 u'-v'-색도도에 있어서 산란광 및 투과광과 연관된 컬러 포인트들간의 거리와 관련하여, 확산기 유닛의 색도 조정 가능 범위내의 임의 구성의 경우, 이들 포인트들간의 유클리드 거리 δu'v'는, δu'v'가 0.02 이상임을 만족시킨다.
본 명세서에 개시된 실시 예들은 투과광이, 예를 들어, 5500K 범위의 CCT(백색-황색)에서 부터, 4000K 범위의 CCT(황색/오렌지) 까지, 그리고, 3000K 범위의 CCT(적색 태양) 이상으로 충분히 적색 시프트(redshift)되게 한다. 그러한 적색 시프트는, 10㎛ 내지 500㎛ 범위의 두께, 30% 내지 70% 범위의 충진비, 및 50nm 내지 300nm의 나노 범위내의 평균 입자 크기일 경우, 예를 들어, 최대 굴절율 부정합 또는 최대 크기 변동에 의해 주어진 굴절율의 조정 기능을 필요로 한다.
이하에 있어서, 본 명세서에서 설명한 광학적 성질들은 색도 조정 가능한 (예를 들어, 정) 투과광을 제공하기 위한 확산기 유닛에 이용될 수 있는 산란층들의 특정 구현에 대한 포괄적인 개념을 설명할 수 있게 하는 특정 재질 파라메타들에 링크된다. 이러한 문맥에 있어서, 도 5a 내지 도 5d와 도 15 및 도 16을 참조할 것이다. 그 조정 기능은 특정 컬러와 관련될 수 있는 확산기 유닛의 투과도의 변경에 대응한다. 투과도에 있어서의 이러한 변경은 (예를 들어, 전기장 변경에 의한 나노액적들의 개별적인 산란 단면의 조정과 같이) 방향 변경이 없는 광빔에 대해 주어질 수 있으며/있거나 (예를 들어, 나노액적들에 있어서의 정렬된 LC들에 대한 기여 이방성 굴절율을 이용한 조정 또는 산란 요소들의 기여 이방성 형상을 이용한 조정과 같은) 광빔의 입사 방향 변경에 의해 달성될 수 있다.
등방성 입자들에 대한 레일리 산란의 경우를 고려하고, 일정한, 즉, 파장 독립적인 굴절율일 경우 및 광의 임의 흡수를 무시할 경우(또는 추가된 효과를 감소시키기 위해 광 흡수를 재정규화할 경우), 표준 발광체 E 및 CIE 1931 표준 관측자(2°)를 상정한다면, (도 5c 및 5d와 관련하여) 상술한 u'값 및 v'값들인, 0.212/0.485, 0.225/0.5 및 0.24/0.514에 의해 주어진 CIE 1976 컬러 스페이스 u'1/v'1, u'2/v'2, u'3/v'3에 있어서의 포인트들을 정 스펙트럼 투과도의 값들에 관련시킬 수 있다. 일반적으로, 정 스펙트럼 투과도 T(λ)는 파장의 함수로서, NIST(National Institute of Standard and Technology) Specical Publication 250-69 of the U.S. Department of Commerce Technology Administration에 따라 측정될 수 있다.
정 스펙트럼 투과도와, CIE 1976 컬러 스페이스상의 그와 관련된 컬러 포인트간의 전이는 잘 알려진 절차이다. 예를 들어, 표준 발광체 및 표준 관측자가 주어진 컬러 포인트를 획득하는 절차를 정의한 표준 ASTM E 308-01이 참조된다. 결론적으로, (CIE 1931 표준 관측자(2°) 및 비-편극 E 표준 발광체에 의한 조사의 경우) 정 투과광의 (CIE 1976 컬러 좌표에 나타난) 컬러의 견지에서 설명된 확산기 유닛의 임의 특성 및 모든 특성들은 확산기 유닛의 정 스펙트럼 투과도와 연관된 CIE 1976 컬러 좌표의 견지에서 동등하게 설명될 수 있으며, 동일 컬러 스페이스로의 매핑은 상술한 표준 관행 ASTM E308-01에 설명된 절차에 따라 실행된다.
예를 들어, 450nm의 파장(본 명세서에서는 T(450nm)라 지칭함)에서의 정 스펙트럼 투과도는, 컬러 포인트 u'1/v'1의 경우 T1(450nm) = 0.748과 연관되고, 컬러 포인트 u'2/v'2의 경우, T2(450nm) = 0.437과 연관되고, 컬러 포인트 u'3/v'3의 경우, T3(450nm) = 0.200과 연관된다.
그 투과도는 미시적 정의(microscopic definition)를 허용한다. 미시적으로, 정 스펙트럼 투과도 T(λ)는 단위 면적 당 나노스케일 산란 요소들의 개수 N과 나노스케일 산란 요소들의 산란 단면 σ의 함수로서, 층 두께와 (3차원) 개수 밀도의 승산(product)이다. 정 스펙트럼 투과도 T(λ)는 다음과 같다.
Figure 112019052789218-pct00032
거기에서, 레일리 산란 단면 σ은 상기에서 주어진 대로 다음과 같다.
Figure 112019052789218-pct00033
nh는 호스트 재질의 굴절율이고, 유효 입자 직경 D = dn이며, m은 상대 굴절율이다.
상술한 2개의 수학식과 정 스펙트럼 투과도 T(450nm)를 고려하면, 450nm에 대해, 단위 면적 당 나노스케일 산란 요소들의 개수 N은 다음과 같다.
Figure 112019052789218-pct00034
고정된 값 T에 대해, 상수 c는 다음과 같다.
Figure 112019052789218-pct00035
이들 수학식들로부터, N과 T의 상관 관계는 명확하다. 특히, 단위 면적당 나노스케일 산란 요소들의 개수 N을 T(450nm)의 값에 연관시킬 수 있고, 그 다음 d, nh 및 m과 같은 재질 특성의 함수로서 u'-v' 포인트에 연관시킬 수 있다.
특히, 컬러 포인트 u'1/v'1에 대해, 단위 면적당 나노스케일 산란 요소들의 개수 N1은 다음과 같다.
Figure 112019052789218-pct00036
여기에서, 상수 c1_투과 = 2×2.918×107nm4이다.
컬러 포인트 u'2/v'2에 대해, 단위 면적당 나노스케일 산란 요소들의 개수 N2는 다음과 같다.
Figure 112019052789218-pct00037
여기에서, 상수 c2_투과 = 2×2.83×107nm4이다.
컬러 포인트 u'3/v'3에 대해, 단위 면적당 나노스케일 산란 요소들의 개수 N3은 다음과 같다.
Figure 112019052789218-pct00038
여기에서, 상수 c3_투과 = 2×1.6175×108nm4이다.
이 단계에서, 도 10a 및 10b에 도시된 2가지 클래스의 구성들을 참조하면, 산란층의 광학적 작용은 반사 구성에 이용될 경우, 두배로 될 수 있음을 알아야 한다. 그러므로, 반사 모드(도 10b)에서 동일한 색도 효과를 달성하기 위하여, 투과 모드(도 10a)에서 요구되는, 단위 면적당 나노스케일 산란 요소들의 개수의 단지 절반만이 필요하다. 상수 c에 대한 상술한 값은 투과 모드(c_투과)에 대해 도출되었으며, 그에 따라 반사 모드에서는 이 값들의 절반이 c_반사에 적용된다. 따라서, c_투과는 2×c_반사와 동일하다.
상수 c_투과(c_반사)에 기초하여, 굴절율 nh를 가진 특정 호스트 재질에 대한, 단위 면적당 나노스케일 산란 요소들의 개체수(individual number)는 최종(원하는 색도) 효과에 도달하기 위해 선택되어야 하는 파라메타들 D 및
Figure 112021102070434-pct00039
의 함수이다.
상술한 값들/컬러 포인트들을 참조하면, 단위 면적당 나노스케일 산란 요소들의 연관된(광학적) 유효 개수
Figure 112019052789218-pct00040
은,
Figure 112019052789218-pct00041
, 예를 들어,
Figure 112019052789218-pct00042
, 예를 들어,
Figure 112019052789218-pct00043
이며, 여기에서, 확산 유닛이 반사층 또는 반사 시트 측면을 구비하지 않을 경우에는
Figure 112019052789218-pct00044
이고, 확산 유닛이 반사층 또는 반사 시트를 구비할 경우에는,
Figure 112019052789218-pct00045
이다.
예를 들어, 이하의 범위내의 파라메타들을 가진 폴리머 매트릭스내에 매립된 LC 나노액적들에 대해, u'-v' 색도도에 있어서의 특정 컬러 포인트와 연관된 단위 면적당 나노스케일 요소들의 개수 N이 결정될 수 있다.
·
Figure 112019052789218-pct00046
· d는 약 10nm 내지 약 500nm의 범위, 예를 들어, 약 20nm 내지 약 400nm의 범위, 예를 들어, 약 30nm 내지 약 300nm의 범위내이다.
· nh는 1 내지 3의 범위, 예를 들어, 1.2 내지 2.2의 범위, 예를 들어, 1.25 내지 1.75의 범위내이다.
·
Figure 112019052789218-pct00047
는 두 값들
Figure 112019052789218-pct00048
과
Figure 112019052789218-pct00049
중, 함수
Figure 112019052789218-pct00050
를 최대화하는 값이다.
· 산란층, 특히 산란층의 표면의 단위 면적당 나노액적들의 최소 개수 N은
Figure 112019052789218-pct00051
이고, c는 각각 선택된 상수이다.
유사하게, 정적 산란 센터들(나노입자들)이 LC-기반 호스트 재질내에 매립되는 반전된 개념에 있어서, u'-v' 색도도에 있어서의 특정 컬러 포인트와 연관된 단위 면적당 나노스케일 산란 요소들의 개수 N은 이하의 범위내의 파라메타들에 의해 결정될 수 있다.
· nh(LC 호스트 재질의 굴절율), 여기에서
Figure 112019052789218-pct00052
이다.
· 나노스케일 산란 요소들의 d는 약 10nm 내지 약 500nm의 범위, 예를 들어, 약 20nm 내지 약 400nm의 범위, 예를 들어, 약 30nm 내지 약 300nm의 범위내이다.
· np(정적 산란 센터의 굴절율)는 1 내지 3의 범위, 예를 들어, 1.1 내지 3.2의 범위, 예를 들어, 1.2 내지 3의 범위, 예를 들어, 1.3 내지 2.8의 범위내이다.
· 액정 호스트 재질의 최대 굴절율
Figure 112019052789218-pct00053
는 no와 ne 사이의 값이며, 액정은
Figure 112019052789218-pct00054
의 범위에서 이방성이고,
Figure 112019052789218-pct00055
는 함수
Figure 112019052789218-pct00056
를 최대화하는 값이다.
· 산란층, 특히 산란층의 표면의 단위 면적당 정적 산란 센터들의 최소 개수 N은
Figure 112019052789218-pct00057
이고,
Figure 112019052789218-pct00058
이며, c는 각각의 선택된 상수이다.
또한, 나노스케일 산란 요소들이 기하학적 형상에 있어서 이방성을 가지는 경우, u'-v' 색도도에 있어서의 특정 컬러 포인트에 연관된 단위 면적당 나노스케일 산란 요소들의 개수 N은 이하의 범위내의 파라메타들에 의해 결정될 수 있다.
·
Figure 112019052789218-pct00059
이고, 여기에서
Figure 112019052789218-pct00060
는 이방성 요소들의 장축으로서 약 10nm 내지 약 500nm의 범위, 예를 들어, 약 20nm 내지 약 400nm의 범위, 예를 들어, 약 30nm 내지 약 300nm의 범위내이다.
· 종횡비(장축과 단축간의 비)는 1.2 초과, 예를 들어 2 초과, 예를 들어, 5 초과, 예를 들어 10 초과, 예를 들어, 23 이상이다.
· np(정적 산란 센터의 굴절율)는 1.2 내지 3.2의 범위, 예를 들어, 1.3 내지 3의 범위, 예를 들어, 1.4 내지 2.8의 범위내이다.
· nh는 1 내지 3의 범위, 예를 들어, 1.2 내지 2.2의 범위, 예를 들어, 1.25 내지 1.75의 범위내이다.
· 산란층의 단위 면적당 이방성 형상의 나노스케일 산란 요소들의 최소 개수 N은
Figure 112019052789218-pct00061
이며, c는 각각의 선택된 상수이다.
도 15에는, 함수 log10(N)의 3차원 그래프(N의 단위는 m^-2임)가, 450m의 파장에 대해 계산되고, 파장 450nm에서의 T=0.748의 정 스펙트럼 투과도에 대한 레일리 산란 공식(Rayleigh scattering formula)의 근사식을 이용한, (호스트 재질로서 예시적으로 NOA65에 대응하는) nh=1.5396의 호스트 재질을 상정할 경우의 D와 m의 함수로서 도시된다.
도 15에 도시된 바와 같이, D를 감소시키는데 필요한 나노스케일 산란 요소들의 개수는 증가하며, 특히 작은 입자들의 대해서는 상당히 증가한다. 또한, 도 15에 있어서, m=1에서 평면에 근접한 발산(divergence)이 존재하는데, 그 이유는, m=1에 대해, 산란 단면 시그마(scattering cross section sigma)가 (예를 들어, 도 3과 관련하여 상술한 투과 모드에 대응하는) 0으로 진행하기 때문이다.
표면 위 또는 표면상의 값들로 결과하는 임의 파라메타 성상(parameter constellation)은 u'1 및 v'1과 동일하거나 그보다 큰 u'값 및/또는 v'값을 가진 컬러 포인트들 또는 컬러 포인트 u'1/v'1상의 컬러 포인트들과 관련될 것이다. 예를 들어, 컬러 포인트 u'2/v'2(T2(450nm) = 0.437) 및 컬러 포인트 u'3/v'3(T3(450nm)=0.200)에 대해 유사한 표면들이 결정될 수 있다.
이색성 조사 및 도 16을 참조하면, 예를 들어, 어두운 적색 태양에 의한 적절한 태양형 조사를 보장하는, 단위 면적당 나노스케일 산란 요소들의 개수 N의 상한이 결정될 수 있다. 유사하게, 정 스펙트럼 투과도 및 총 투과도에 대한 각각의 하한이 도출될 수 있다. (450m의 파장에 대해 계산되고, 레일리 산란 공식의 근사식를 이용한, 호스트 재질로서 예시적으로 NOA65에 대응하는) nh=1.5396의 호스트 재질을 상정할 경우, 0.465의 u'값(도 16의 라인 111)에 대응하는 정 스펙트럼 투과도는, T(450nm) = 5.410×10-8, T(650nm) = 0.02의 투과도를 특성으로 가진다(한도(limiting) v'는 도 16에서 파선 113으로 도시된 바와 같이, 흑체 궤적(31)의 일부를 배제할 수 있음을 알아야 한다). N(max)과 관련된, 결과하는 상수 c는 3.363×109nm4이다.
0.3605의 u'값(도 16이 라인 115)을 상정할 경우, 투과도는 T(450nm) = 2.724×10-4, T(650nm) = 0.150이다. N(max)과 관련된 각각의 결과하는 상수 c는 1.6499×109nm4이다.
또한, 컬러 포인트들의 점선 117은, 정 투과된 광의 컬러 조정 및 각각 그와 연관된 투과도 변경을 나타내는 도 16에 도시된다. 완전성을 위해, 상술한 3개의 컬러 포인트들에 대한 u'-v' 값들이 또한 도시된다.
다시 말해, 본 명세서에 개시된 확산기 유닛은, 높은 투명 상태에서 높은 확산 상태로와 같이, 확산 상태들간에 절환될 수 있는 재질 합성물을 나타낸다. 확산기 유닛은, 추가적으로, 인지된 이미지의 선명도를 줄이지 않고도 주파수 종속성을 가진 광을 확산시키는 색도 선택적 필터(chromatically selective filter)이다.
일부 실시 예들에 있어서, 특히 산란 유닛의 큰 면적에 걸쳐 다수의 면적 전기적 콘택트 영역들이 제공될 수 있다. 각각의 전기적 콘택트 영역은 각각의 면적 전기적 콘택트들에 걸쳐 각각의 전압을 인가함에 의해 원하는 전기장을 설정할 수 있게 한다. 예를 들어, 조사된 산란 유닛에 걸쳐 직사광의 특성들(예를 들어, 입사각, 복사 플럭스 또는 스펙트럼)이 가변할 경우, 그에 따라 각각의 선택된 전압 파라메타들이 조정될 수 있다. 또한, 예를 들어, 산란기 유닛에 걸쳐 컬러의 변동을 제공하도록 다른 영역들이 제어될 수 있다.
본 명세서에서 이용된, 지향성, 직사 및 (정) 투과의 광은, 문맥에 따라, 의미적으로 동일하다. 또한, 가시 파장 영역에서의 면적 전기적 콘택트의 투명도는 바람직하게, 적어도 80%, 특히 적어도 90%, 심지어 95% 또는 99% 이상이다.
특히, 균일한 모습의 경우, 일부 실시 예에서는, 나노스케일 산란 요소들이 (필수적으로) 호스트 재질에 랜덤하게 분포됨을 알 것이다. 그에 의해, 광 산란 프로세스에서 발생할 수 있는 간섭 현상을 피할 수 있게 된다. 사실상, 이러한 간섭 효과는, 전형적으로, 각도에 대한 산란된 컬러의 종속성을 이끌 수 있으며, 하늘 풍경에 있어서 비현실적인 모습을 생성할 수 있다. 특히, 산란 요소들의 랜덤 분포 측면은, 조정 가능한 인공 오팔(artificial opal)들과 조정 가능한 광자 결정(photonic crystal)과 같은 산란기들의 정돈된 분포에 의해 스펙트럼적으로 조정 가능한 투과광 및 산란광을 제공하는 시스템에 대해 차이를 나타낸다. 다시 말해, 본 명세서에 개시된 실시 예들에 있어서, 샘플 구조 인자 S(q)는 나노스케일 산란 요소들에 대해 브레그 피크(Bragg peak)들을 나타내지 않는다.
본 발명의 바람직한 실시 예가 본 명세서에 설명되었지만, 이하의 청구항들의 범주를 벗어나지 않고도 개선 및 수정이 합체될 수 있다.

Claims (28)

  1. 지향성 백색광(89)으로 조사함으로써 확산기 유닛(9)상에 입사하는 광의 레일리형 산란에 의해 색도 조정 가능한 투과광(33)을 제공하는 확산기 유닛(9)으로서:
    다수의 투명 나노스케일(nanoscale) 산란 요소들(19,63)과, 나노스케일 산란 요소들(19,63)을 이격시키는 호스트 재질(21,61)을 구비한 산란층(17)과,
    나노스케일 산란 요소들(19,63) 또는 호스트 재질들(21,61)과 상호 작용하는 전기장을 제공하는 한 쌍의 면적 전기적 콘택트(areal electrical contact)들(23')을 구비하되,
    면적 전기적 콘택트들(23')은 산란층(17)의 반대면상으로 연장되고, 면적 전기적 콘택트들(23') 중 적어도 하나는 가시 파장 영역에서 투과성이 되도록 구성되며,
    산란층(17)은, 조사 방향과 연관된 호스트 재질(21,61)과 나노스케일 산란 요소들(19,63)간의 상대 굴절율과, 조사 방향과 연관된 나노스케일 산란 요소들(19,63)의 유효 크기에 의존하는, 가시 파장 영역내에서의 파장 종속적 앙상블 광 산란 단면량(wavelength dependent ensemble light scattering cross-section amount, σtotal)을 가지며,
    산란층(17)은, 나노스케일 산란 요소들(19,63)의 유효 크기 또는 상대 굴절율을 가변시킴에 의해, 투과광(33)의 스펙트럼에 있어서의 가변성을 허용하는, 앙상블 광 산란 단면량(σtotal)을 제공하도록 구성되는
    확산기 유닛(9).
  2. 제 1 항에 있어서,
    산란층(17)은, 나노스케일 산란 요소들(19,63)의 유효 크기에 있어서의 변동 범위(range of variation) 또는 굴절율 부정합에 있어서의 변동 범위에 의해 정의된 색도 조정 가능 범위를 가지며,
    산란층(17)은, 가시 스펙트럼 내부에서 일정한 스펙트럼 파워 분포를 가진 비편광 백색광(non-polarized white light)(E 표준 발광체)이, 수직 입사에서부터 20°, 30°, 40°, 45°, 50°또는 60°의 입사각까지의 각도 범위내의 모든 입사각 또는 선택된 하나의 입사각 또는 수직 입사를 위한 입사각으로 산란층(17)상에 충돌할 때, CIE 1931 표준 관측자(2°)에 대해, 정 투과광의 스펙트럼이 각각 0.20 및 0.465보다 큰 u'-v' 좌표를 가진 CIE 1976 u'-v'-색도도에 있어서의 제 1 컬러 포인트에 대응하도록, 색도 조정 가능 범위내의 앙상블 광 산란 단면량(σtotal)을 제공하는 구성인
    확산기 유닛(9).
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    산란층(17)은, 나노스케일 산란 요소들(19,63)의 유효 크기에 있어서의 변동 범위(range of variation) 또는 굴절율 부정합에 있어서의 변동 범위에 의해 정의된 색도 조정 가능 범위를 가지며,
    산란층(17)은, 수직 입사에서부터 20°, 40° 또는 60°의 입사각까지의 각도 범위내의 모든 입사각 또는 선택된 하나의 입사각 또는 수직 입사를 위한 입사각 하의, 산란층(17)상으로의 비편광 백색광으로 측정했을 때, CIE 1931 표준 관측자(2°)에 대해, 정 스펙트럼 투과도(regular spectral transmittance)가 각각 0.20 및 0.465보다 큰 u'-v' 좌표를 가진 CIE 1976 u'-v'-색도도에 있어서의 제 1 컬러 포인트에 대응하도록, 색도 조정 가능 영역내의 앙상블 광 산란 단면량(σtotal)을 제공하는 구성인
    확산기 유닛(9).
  4. 제 2 항에 있어서,
    흑체 궤적(Planckian locus)(31)과, 색도 조정 가능 범위내의 정 스펙트럼 투과도 또는 정 투과광(33)의 스펙트럼과 연관된, 적어도 하나의 제 1 컬러 포인트간의 유클리드 거리 △u'v'는 0.1 이하, 0.08 이하, 0.05 이하, 0.03 이하, 또는 0.01 이하인
    확산기 유닛(9).
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    산란층(17)은, 나노스케일 산란 요소들(19,63)의 유효 크기에 있어서의 변동 범위(range of variation) 또는 굴절율 부정합에 있어서의 변동 범위에 의해 정의된 색도 조정 가능 범위를 가지며,
    산란층(17)은, 가시 스펙트럼내에서 일정한 스펙트럼 파워 분포를 가진 백색광(E 표준 발광체)이 충돌할 때, 정 투과 각도로부터 20°미만만큼 벗어난 각도들을 제외한 모든 산란 각도에 걸쳐 통합된 확산광(35)의 스펙트럼이 각각 0.22 및 0.485보다 작은 u'-v' 좌표를 가진 CIE 1976 u'-v'-색도도에 있어서의 제 2 컬러 포인트에 대응하도록, 색도 조정 가능 범위내의 앙상블 광 산란 단면량(σtotal)을 제공하는 구성인
    확산기 유닛(9).
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    산란층(17)은, 나노스케일 산란 요소들(19,63)의 유효 크기에 있어서의 변동 범위(range of variation) 또는 굴절율 부정합에 있어서의 변동 범위에 의해 정의된 색도 조정 가능 범위를 가지며,
    산란층(17)은, 가시 스펙트럼내에서 일정한 스펙트럼 파워 분포를 가진 백색광(E 표준 발광체)이 충돌할 때, CIE 1931 표준 관측자(2°)에 대해, 색도 조정 가능 범위내의 정 스펙트럼 투과도 또는 색도 조정 가능 범위내의 정 투과광(33)의 스펙트럼과 연관된 제 1 컬러 포인트와, 확산광(35)의 각 스펙트럼과 연관된 제 2 컬러 포인트간의 유클리드 거리(Euclidean distance) △u'v'가 0.02 이상, 0.03 이상, 0.04 이상 또는 0.05 이상이 되도록, 색도 조정 가능 범위내의 앙상블 광 산란 단면량(σtotal)을 제공하는 구성인
    확산기 유닛(9).
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    산란층(17)은, 나노스케일 산란 요소들(19,63)의 유효 크기에 있어서의 변동 범위(range of variation) 또는 굴절율 부정합에 있어서의 변동 범위에 의해 정의된 색도 조정 가능 범위를 가지며,
    최대 앙상블 산란 단면량(σtotal)에 대응하는 색도 조정 가능 범위내의 구성에 대해 및 CIE 1931 표준 관측자(2°)에 대해, 가시 스펙트럼 내에서 일정한 스펙트럼 파워 분포를 가진 비편광 백색광(E 표준 발광체)이, 수직 입사에서부터 60°의 입사각까지의 범위내의 입사각으로 산란층(17)상에 충돌할 때, 정 투과광(33) 또는 정 스펙트럼 투과도는, 각각 0.20 및 0.465보다 크거나, 각각 0.2117 및 0.4851보다 크거나, 각각 0.212 및 0.485보다 크거나, 각각 0.225 및 0.5보다 크거나, 각각 0.2265 및 0.5029보다 크거나, 각각 0.24 및 0.514보다 크거나, 각각 0.243 및 0.5166보다 크거나, 각각 0.2598 및 0.5261보다 큰 u'-v' 좌표를 가진 CIE 1976 u'-v'-색도도에 있어서의 컬러 포인트(10,20,...60)에 대응하거나,
    최대 앙상블 산란 단면량(σtotal)에 대응하는 색도 조정 가능 범위내의 구성에 대해 및 CIE 1931 표준 관측자(2°)에 대해, 정 투과광(22) 또는 정 스펙트럼 투과도는 0.465 미만, 0.42 또는 0.4 미만, 0.38 또는 0.3605 미만, 또는 0.35 미만의 u'-좌표를 가진 CIE 1976 u'-v'-색도도에 있어서의 컬러 포인트에 대응하는
    확산기 유닛(9).
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    산란층(17)의 광학적 성질들의 특정 선택에 의해 파장 종속적 앙상블 광 산란 단면량(σtotal)이 주어지며,
    상기 산란층(17)의 성질은,
    나노스케일 산란 요소들(19,63)의 굴절율, 굴절율에 있어서의 이방성 또는 나노스케일 산란 요소들(19,63)의 구성 물질의 굴절율,
    나노스케일 산란 요소들(19,63)의 크기 또는 형상 또는 기하학적 형상에 있어서의 이방성,
    호스트 재질(21,61)의 굴절율, 굴절율에 있어서의 이방성 또는 호스트 재질(21,61)의 구성 물질의 굴절율,
    나노스케일 산란 요소들(19,63)과 호스트 재질(21,61)간의 볼륨 분율(volume fraction) 또는
    산란층(17)의 층 두께를 포함하는
    확산기 유닛(9).
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    나노스케일 산란 요소들(19,63)의 평균 크기는 30nm 내지 300nm의 범위내이거나,
    액정 액적(liquid crystal droplet)들을 포함하는 나노스케일 산란 요소들(19,63)과 호스트 재질(21,61)간의 볼륨 분율은 30% 내지 70%의 범위 또는 40% 내지 60%의 범위내이거나,
    산란층(17)의 층 두께는 10㎛ 내지 500㎛의 범위, 20㎛ 내지 350㎛의 범위, 30㎛ 내지 200㎛의 범위 또는 50㎛ 내지 100㎛의 범위내이고, 선택적으로 그 층 두께는 스페이서 요소(spacer element, 41)에 의해 정의되거나 산란층(17)의 10㎝×10㎝ 면적에 걸쳐서 10% 미만의 두께 변동을 가지는
    확산기 유닛(9).
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    청색(440nm 내지 460nm의 파장 간격을 가짐)에 있어서의 파장 종속적 앙상블 광 산란 단면량(σtotal)은 황색(540nm 내지 560nm의 파장 간격을 가짐)에서보다 적어도 15% 또는 적어도 30% 만큼 더 크고,
    황색(540nm 내지 560nm의 파장 간격을 가짐)에 있어서의 파장 종속적 앙상블 광 산란 단면량(σtotal)은 적색(640nm 내지 660nm의 파장 간격을 가짐)에서보다 적어도 10% 또는 적어도 20% 만큼 더 크거나,
    파장 종속적 앙상블 광 산란 단면량(σtotal)은 파장의 증가에 따라 감소하는
    확산기 유닛(9).
  11. 충돌 백색광(89)에 대해 색도 조정 가능한 산란 상호 작용을 제공하는 확산기 유닛(13)으로서,
    액정(liquid crystal)이 호스트 폴리머(host polymer)(21)내에 매립된 폴리머 분산형 액정층(17) - 액정들은 나노액적(nanodroplet)(19)들을 형성하고, 폴리머(21)에 의해 분리되며, 굴절율에 있어서 이방성을 가지며, 나노액적들(19)의 평균 크기는 30nm 내지 300nm 범위내임 - 과,
    나노액적들(19)내의 액정들과 상호 작용하는 전기장(27)을 제공하는 한 쌍의 면적 전기적 콘택트들(23')을 구비하고,
    면적 전기적 콘택트들(23')은 산란층(17)의 반대면상으로 연장되고, 면적 전기적 콘택트들(23') 중 적어도 하나는 가시 파장 영역에서 투과성이 되도록 구성되는
    확산기 유닛(13).
  12. 지향성 백색광(89)으로 조사함으로써 확산기 유닛(9)상에 입사되는 광의 레일리형 산란에 의해 색도 조정 가능한 투과광(33)을 제공하는 확산기 유닛(9)으로서,
    확산기 유닛(9)은, 폴리머 분산형 액정층을 구비한 산란층(17)과, 한 쌍의 전기적 콘택트들(23')을 구비하며,
    폴리머 분산형 액정층은,
    30nm 내지 300nm의 범위의 액적 직경(droplet diameter) d를 가진 나노액적으로 범위가 제한되고,
    Figure 112021102070434-pct00121
    범위에서 이방성을 가진 액정에 의해 형성된 다수의 나노스케일 산란 요소들과,
    나노스케일 산란 요소들(19)을 분리시키고 1 내지 3, 1.2 내지 2.2 또는 1.25 내지 1.75의 범위내의 호스트 굴절율 nh을 가진 폴리머 호스트 재질(21,61)을 구비하며,
    최대 상대 굴절율
    Figure 112021102070434-pct00122
    은
    Figure 112021102070434-pct00123
    와
    Figure 112021102070434-pct00124
    의 두 값중, 함수
    Figure 112021102070434-pct00125
    을 최대화시키는 한 값이고,
    액적 크기, 호스트 굴절율, 최대 상대 굴절율 및 상수 c는,
    Figure 112021102070434-pct00126
    에 의해, 산란층(17) 표면의 단위 면적당 나노액적들의 최소 개수 N을 정의하며,
    상수 c는
    Figure 112021102070434-pct00127
    또는 그보다 크거나,
    Figure 112021102070434-pct00128
    또는 그보다 크거나,
    Figure 112021102070434-pct00129
    또는 그보다 크고,
    한 쌍의 면적 전기적 콘택트들(23')은, 나노액적들로 제한된 액정들과 상호 작용하는 전기장(27)을 제공하고, 산란층(17)의 반대면상으로 연장되며, 면적 전기적 콘택트들(23')의 적어도 하나는 가시 파장 영역에서 투과성이 되도록 구성되고,
    산란층(17)은, 조사 방향과 연관된 폴리머 호스트 재질(21,61)과 나노액적들간의 상대 굴절율과, 조사 방향과 연관된 나노액적들의 유효 크기에 의존하는, 가시 파장 영역내에서의 파장 종속적 앙상블 광 산란 단면량(wavelength dependent ensemble light scattering cross-section amount, σtotal)을 가지며,
    산란층(17)은, 상대 굴절율을 가변시킴에 의해, 투과광(33)의 스펙트럼에 있어서의 가변성을 허용하는, 앙상블 광 산란 단면량(σtotal)을 제공하도록 구성되는
    확산기 유닛(9).
  13. 지향성 백색광(89)으로 조사함으로써 확산기 유닛(9)상에 입사되는 광의 레일리형 산란에 의해 색도 조정 가능한 투과광(33)을 제공하는 확산기 유닛(9)으로서,
    확산기 유닛(9)은 액정 기반 호스트 재질내에 매립된 다수의 나노입자들로서의 정적 산란 센터들(static scattering centers)을 가진 산란층(17)과, 한 쌍의 면적 전기적 콘택트들(23')을 구비하며,
    정적 산란 센터들은, 30nm 내지 300nm의 범위의 직경 d를 가지며,
    정적 산란 센터들의 굴절율 np는 1.1 내지 3.2, 1.2 내지 3 또는 1.3 내지 2.8의 범위내이며,
    액정 호스트 재질의 최대 굴절율
    Figure 112021102070434-pct00130
    은 no와 ne 사이의 값을 가지며, 액정들은
    Figure 112021102070434-pct00131
    범위에서 이방성을 가지며,
    Figure 112021102070434-pct00132
    는 함수
    Figure 112021102070434-pct00133
    를 최대화하는 값이고,
    정적 산란 센터들의 크기, 최대 호스트 굴절율, 정적 산란 센터 굴절율 및 상수 c는
    Figure 112021102070434-pct00134
    에 의해, 산란층(17) 표면의 단위 면적당 정적 산란 센터들의 최소 개수 N을 정의하며,
    Figure 112021102070434-pct00135
    이고,
    상수 c는
    Figure 112021102070434-pct00136
    또는 그보다 크거나,
    Figure 112021102070434-pct00137
    또는 그보다 크거나,
    Figure 112021102070434-pct00138
    또는 그보다 더 크고,
    한 쌍의 면적 전기적 콘택트들(23')은, 액정 기반 호스트 재질과 상호 작용하는 전기장(27)을 제공하고, 산란층(17)의 반대면상으로 연장되며, 면적 전기적 콘택트들(23')의 적어도 하나는 가시 파장 영역에서 투과성이 되도록 구성되고,
    산란층(17)은, 조사 방향과 연관된 액정 기반 호스트 재질과 나노스케일 산란 요소들(19,63)간의 상대 굴절율과, 조사 방향과 연관된 나노스케일 산란 요소들(19,63)의 유효 크기에 의존하는, 가시 파장 영역내에서의 파장 종속적 앙상블 광 산란 단면량(wavelength dependent ensemble light scattering cross-section amount, σtotal)을 가지며,
    산란층(17)은, 상대 굴절율을 가변시킴에 의해, 투과광(33)의 스펙트럼에 있어서의 가변성을 허용하는, 앙상블 광 산란 단면량(σtotal)을 제공하도록 구성되는
    확산기 유닛(9).
  14. 제 13 항에 있어서,
    한 쌍의 커버 시트들을 더 구비하며,
    한 쌍의 커버 시트(cover sheet)들 각각은 면적 전기적 콘택트들(23') 중 하나를 소지(carry)하고 액정층(61)을 획정(delimit)하는
    확산기 유닛(13).
  15. 지향성 백색광(89)으로 조사함으로써 확산기 유닛(9)상에 입사되는 광의 레일리형 산란에 의해 색도 조정 가능한 투과광(33)을 제공하는 확산기 유닛(9)으로서,
    확산기 유닛(9)은 기하학적 형상에 있어서 이방성을 가지며 호스트 재질내에 매립되는 투명 나노스케일 산란 요소들을 가진 산란층(17)과, 한 쌍의 면적 전기적 콘택트들(23')을 구비하며,
    이방성 형상의 나노스케일 산란 요소들의 유효 직경
    Figure 112021102070434-pct00139
    이고,
    Figure 112021102070434-pct00140
    는 이방성 형상의 나노스케일 산란 요소들의 장축으로서 30nm 내지 300nm의 범위내이고,
    이방성 형상의 나노스케일 산란 요소들의 종횡비(장축과 단축간의 비율)는 1.2 이상, 2 이상, 5 이상, 10 이상 또는 23 이상이며,
    이방성 형상의 나노스케일 산란 요소들의 굴절율은, 1.2 내지 3.2 범위, 1.3 내지 3 또는 1.4 내지 2.8 범위내이고,
    호스트 재질의 굴절율은 1 내지 3의 범위, 1.2 내지 2.2 범위 또는 1.25 내지 1.75 범위내이며,
    파라메타들인, 이방성/장축에 대한 최대 크기, 호스트 굴절율, 상대 굴절율 및 상수 c는
    Figure 112021102070434-pct00141
    에 의해 산란층(17)의 단위 면적당 이방성 형상의 나노스케일 산란 요소들의 최소 개수 N을 정의하며,
    상수 c는
    Figure 112021102070434-pct00142
    또는 그보다 크거나,
    Figure 112021102070434-pct00143
    또는 그보다 크거나,
    Figure 112021102070434-pct00144
    또는 그보다 크고,
    한 쌍의 면적 전기적 콘택트들(23')은, 나노스케일 산란 요소들과 상호 작용하는 전기장(27)을 제공하고, 산란층(17)의 반대면상으로 연장되며, 면적 전기적 콘택트들(23')의 적어도 하나는 가시 파장 영역에서 투과성이 되도록 구성되고,
    산란층(17)은, 조사 방향과 연관된 호스트 재질과 나노스케일 산란 요소들간의 상대 굴절율과, 조사 방향과 연관된 나노스케일 산란 요소들의 유효 크기에 의존하는, 가시 파장 영역내에서의 파장 종속적 앙상블 광 산란 단면량(wavelength dependent ensemble light scattering cross-section amount, σtotal)을 가지며,
    산란층(17)은, 나노스케일 산란 요소들의 유효 크기를 가변시킴에 의해, 투과광(33)의 스펙트럼에 있어서의 가변성을 허용하는, 앙상블 광 산란 단면량(σtotal)을 제공하도록 구성되는
    확산기 유닛(9).
  16. 제 15 항에 있어서,
    나노스케일 산란 요소들(103)은 형상에 있어서 기하학적으로 비대칭적이거나 막대형으로 가늘고 길며, 전기장이 있을 때 유발 다이폴 모멘트(induced dipole moment)를 제공하고,
    호스트 재질은 액체형 호스트 재질층(liquid-like host material layer) - 액체형 호스트 재질은 나노스케일 산란 요소들의 굴절율과 다른 굴절율을 가지며, 나노스케일 산란 요소들의 분리 및 나노스케일 산란 요소(103)의 재배향을 허용함 - 이고,
    상기 확산기 유닛(101)은
    한 쌍의 커버 시트들 - 커버 시트들의 각각은 면적 전기적 콘택트들(23') 중 하나를 소지(carry)하고 액정층을 획정(delimit)함 - 을 더 구비하는
    확산기 유닛(101).
  17. 제 12 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상수 c는 5.836×107nm4 이상, 1.664×107nm4 이상, 또는 3.235×108nm4 이상이거나,
    상수 c는 3.363×109nm4 이하, 2.5×109nm4 이하, 또는 1.6499×109nm4 이하인
    확산기 유닛(9).
  18. 제 12 항 내지 제 16 항 중 어느 한 청구항에 있어서,
    반사층(55), 반사 시트(57), UV 또는 IR 흡수 및 보호층(59) 또는 파장 독립적 확산층(53), 또는
    면적 전기적 콘택트들(23') 중 하나를 제공하는 투명 도전 산화층(tranparent conducting oxide layer)을 추가로 구비하는
    확산기 유닛(9).
  19. 주변(ambience)에 색도 조정 가능한 조사를 제공하는 조명 시스템(1)으로서,
    지향성 백색광(directed white light)(89)을 생성하는 백색 광원(87),
    백색 광원(87)에 의해 조사되는 산란층(17), 및
    산란층(17)에 걸쳐 전기장(27)을 생성하는 전기장 생성기(83)를 구비하며,
    산란층(17)은 투명 나노스케일 요소들(19,63)의 나노구조를 구비하고,
    나노스케일 요소들(19,63)은 굴절율 또는 기하학적 형상에 있어서 이방성을 가지며,
    전기장 생성기(83,23')에 의해 생성된 전기장(27)에 따라, 나노스케일 요소들(19,23)은 지향성 백색광(89)에 대해 서로 다른 레일리형 산란 상태들을 유발하는
    조명 시스템(1).
  20. 제 19 항에 있어서,
    산란층(17)은 제 1 항, 제 2 항, 제 11 항 내지 제 13 항 중 어느 한 청구항의 확산기 유닛(9,13)의 일부이거나,
    전기장 생성기(83,23')는 한 쌍의 면적 전기적 콘택트들(23')과 전기적으로 접촉하는 파워 유닛(power unit)(83)을 구비하거나,
    인가된 전기장 없이, 산란층(17)을 통과하는 백색광이 (보다 낮은 상관 컬러 온도를 가진) 온열 정투과광 부분(warmer regularly transmitter light portion)과 (보다 낮은 상관 컬러 온도보다 적어도, 1.1배, 1.2배 또는 1.5배 더 높은 상관 컬러 온도를 가진) 냉열 확산광 부분(colder diffused light portion)으로 분리되도록 산란층(17)의 광학적 파라메타들이 선택되는
    조명 시스템(1).
  21. 제 19 항에 있어서,
    전기장 생성기(83)는 백색 광원(87)의 지향성 백색광의 입사 방향에 대해 나노스케일 산란 요소들(19,63)의 유효 크기 또는 상대 굴절율을 설정함에 의해 적어도 2개의 동작 상태들을 제공하도록 구성되며,
    선택적으로, 적어도 2개의 동작 상태들은, 주변에 있어서의 생성된 조도 균일성이 다른, 레일리형 산란 상태를 제공하는
    조명 시스템(1).
  22. 제 19 항 또는 제 21 항에 있어서,
    조명 시스템(1)은,
    전기장 생성기(83)에 의해 생성된 전기장의 세기를 제어하여 앙상블 광 산란 단면량(σtotal)을 제어하는 제어 유닛,
    산란층(17)상으로의 지향성 백색광(89)의 입사각을 가변시키며, 산란층(17)에 대해 백색 광원(87)을 배치하거나 백색 광원(87)에 대해 산란층(17)을 배향시킴으로써, 산란층(17)상에 다수의 서로 다른 입사각들의 지향성 백색광(89)을 제공하여, 나노스케일 산란 요소들의 유효 크기 또는 굴절율에 있어서의 이방성으로 인해 가변하는 레일리형 산란 상호 작용으로 결과하도록 구성되는 실장 구조(mount structure)(100A,100B), 또는
    지향성 백색광(89)의 편극(polarization)을 변경하는 파장판(wave plate)을 포함하는 편극자(polarizer)(100)를 더 구비하는
    조명 시스템(1).
  23. 삭제
  24. 지향성 백색광(89)으로 조사될 때 확산기 유닛(9)상에 입사되는 광의 산란에 의해 색도 조정 가능한 투과광(33)을 제공하는 방법으로서,
    확산기 유닛(9)은, 다수의 투명 나노스케일 산란 요소들(19,63)과, 나노스케일 산란 요소들(19,63)들을 분리하는 호스트 재질(21,61) 및 나노스케일 산란 요소들(19,63) 또는 호스트 재질(21,61)과 상호 작용하는 전기장(27)을 제공하기 위해 산란층(17)의 양측을 따라 연장되는 한 쌍의 면적 전기적 콘택트들(23')을 구비하고,
    나노스케일 산란 요소들(19,63)의 평균 크기는 30nm 내지 300nm 이내이고,
    한 쌍의 면적 전기적 콘택트들(23') 중 적어도 하나는 가시 파장 영역에서 투과성이 되도록 구성되며,
    산란층(17)의 광학적 성질들은, 가시 파장 영역내에서, 조사 방향과 연관된 호스트 재질(21,61)과 나노스케일 산란 요소들(19,63)간의 상대 굴절율 및 조사 방향과 연관된 나노스케일 산란 요소들(19,63)의 유효 크기에 의존하는, 파장 종속적 앙상블 광 산란 단면량(wavelength dependent ensemble light scattering cross-section amount, σtotal)을 제공하도록 구성되고,
    상기 방법은,
    지향성 백색광(89)으로 확산기 유닛(9)을 조사하는 단계,
    산란층(17)에 걸쳐 전압을 인가하고, 그에 의해 정 투과광(regularly transmitted light)(33)이 CIE 1976 u'-v'-색도도(chromaticity diagram)에 있어서의 제 1 컬러 포인트와 연관된 스펙트럼을 가지는 나노스케일 산란 요소들(19,63)의 제 1 유효 크기 또는 제 1 굴절율 부정합에 기초하여 제 1 동작 상태를 설정하는 단계와,
    전압을 변경하고, 그에 의해 정 투과광(33)이 CIE 1976 u'-v'-색도도(chromaticity diagram)에 있어서의 제 2 컬러 포인트와 연관된 스펙트럼을 가지는 나노스케일 산란 요소들(19,63)의 유효 크기 또는 굴절율 부정합을 가변시킴으로써 나노 스케일 산란 요소들(19,63)의 제 2 유효 크기 또는 제 2 굴절율 부정합에 기초하여 제 2 동작 상태를 설정하는 단계를 구비하는,
    방법.
  25. 조정 가능한 태양-하늘 모방 조사를 위한 방법으로서,
    나노스케일 요소들(19,63)의 나노구조가 굴절율 또는 기하학적 구조에 있어서 이방성을 가진 산란층(17)을 제공하는 단계,
    산란층(17)상으로 지향성 백색광(89)을 지향시키는 단계, 및
    산란층(17)에 걸쳐 전기장(27)을 생성하는 단계를 구비하되,
    나노스케일 요소들(19,63)은, 전기장에 따라, 지향성 백색광(89)에 대해 서로 다른 레일리형 산란 상태들을 유발하는
    방법.
  26. 제 25 항에 있어서,
    나노스케일 요소들의 나노구조는 호스트 재질(21)내에 매립된 나노액적들(19)내의 액정들을 구비하며,
    상기 방법은,
    나노액적(19)내의 액정들의 배향을 정렬 또는 오정렬시킴에 의해 레일리형 산란 단면을 변경시키는 단계를 더 구비하는
    방법.
  27. 지향광에 대해 색도 조정 가능한 산란 상호 작용을 제공하는 액정 확산기 유닛을 생성하는 방법으로서,
    액상 프리-폴리머(liquid pre-polymer)를 제공하는 단계,
    굴절율에 있어서 이방성을 가진 액정을 분산시키는 단계,
    액상 프리-폴리머에 있어서 스페이서 요소들(spacer elements)을 선택적으로 분산시키는 단계,
    한 쌍의 면적 전기적 콘택트들(23')간에 프리-폴리머 및 액정과, 선택적으로 스페이서 요소들의 분산을 제공하는 - 면적 전기적 콘택트들(23') 중 적어도 하나는 가시 파장 영역에서 투과성이 되도록 구성됨 - 단계, 및
    폴리머에 의해 분리되는 액정들의 나노액적 형태로 되도록 분산내의 위상 분리를 제한하는 경화 온도 또는 UV 경화 광 세기 또는 시간 스케일(time scale)을 포함하는 경화 조건들에서 그 분산을 경화시키고 그에 의해 한 쌍의 면적 전기적 콘택트들(23')간의 인터층(interlayer)으로서 폴리머 분산형 액정층을 형성하는 단계를 구비하되,
    액정들의 나노액적들의 평균 크기는 30nm 내지 300nm 이내인
    방법.
  28. 제 27 항에 있어서,
    한 쌍의 면적 전기적 콘택트들(23')은 각각 폴리에틸렌 테레프탈레이트 층 또는 글래스 시트(glass sheet)들상에 제공되는
    방법.
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