KR102490569B1 - 스위칭가능한 층 및 하나 이상의 광학 층을 포함하는 광학 장치 - Google Patents

스위칭가능한 층 및 하나 이상의 광학 층을 포함하는 광학 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 하나 이상의 스위칭가능한 층 (15) 및 하나 이상의 광학 층 (20, 22)을 포함하는 층 구조를 갖는 스위칭가능한 광학 장치 (10)에 관한 것이다. 하나 이상의 스위칭가능한 층 (15)은 액정 물질 및 하나 이상의 염료를 포함한다. 하나 이상의 광학 층 (20, 22)은, 가시 스펙트럼의 적어도 제 1 부분을 포함하는 하나 이상의 반사 대역 (32) 및 가시 스펙트럼의 적어도 제 2 부분을 포함하는 하나 이상의 투과 대역 (30, 34)을 갖는다. 하나 이상의 스위칭가능한 층 (15)의 흡수 스펙트럼은 상기 하나 이상의 염료에 의해 조정되어, 상기 스위칭가능한 층 (15)의 상태들 중 하나 이상에서 가시광 스펙트럼에서의 입사광에 대한 스위칭가능한 광학 장치 (10)를 통한 광 투과가 사전결정된 투과 스펙트럼으로 설정되게 한다.

Description

스위칭가능한 층 및 하나 이상의 광학 층을 포함하는 광학 장치
본 발명은, 2 개 이상의 상태를 갖는 스위칭가능한 층 및 하나 이상의 광학 층을 포함하는 층 구조를 갖는 광학 장치(optical device)에 관한 것으로, 상기 스위칭가능한 층은 액정 물질 및 하나 이상의 염료를 포함한다. 본 발명의 추가 양태는, 이러한 광학 장치를 포함하는 스위칭가능한 윈도우 및 상기 스위칭가능한 윈도우의 용도에 관한 것이다.
배텐스(R. Baetens) 등의 논문["Properties, requirements and possibilities of smart windows for dynamic daylight and solar energy control in buildings: A state-of-the-art review", Solar Energy Mateals & Solar Cells 94 (2010) pages 87-105]은 착색가능한(tintable) 스마트 윈도우을 기술한다. 스마트 윈도우는, 전기 변색(electrochromism), 액정 장치 및 전기 영동 또는 현탁-입자 장치를 기반으로 한 장치와 같이 빛의 투과율을 조절하기 위해 여러 가지 기술을 사용할 수 있다. 액정 기반 장치는, 전기장을 인가함으로써 2 개의 전도성 전극 사이에서 액정 분자의 배향의 변화를 이용하여 이들의 투과율을 변화시킨다.
WO 2009/141295 A1은, 스위칭가능한 층, 적어도 하나의 정렬 층, 및 광 에너지 변환 수단과 접촉하는 도광 시스템을 갖는 광학 장치를 개시한다. 스위칭가능한 층은 발광 물질을 포함한다. 일 실시양태에서, 스위칭가능한 층으로서 액정이 사용되며, 액정은 게스트-호스트 시스템에서 발광 물질을 용해시키고 정렬시킨다. 발광 물질은 이색성을 나타내므로, 발광 물질은 제 1 축을 따라 강한 흡수를 가지며 임의의 다른 축에서는 흡수가 보다 낮다. 광학 장치의 광학 특성은, 발광 물질의 정렬에 의존한다. 발광 물질의 흡수 축이 스위칭가능한 층의 평면의 주 연장(main extension)에 수직으로 정렬되면, 광학 장치는 투과(transmitting) 상태에 있고, 흡수 축이 스위칭가능한 층의 주 연장 평면에 평행하게 정렬되면, 광학 장치는 흡수 상태에 있다. 상태들 사이를 스위칭하기 위해, 전극을 갖는 폴리이미드 층이 정렬 층으로서 사용되고 제 1 전기 신호는 스위칭가능한 층을 투과 상태로 만들고, 제 2 전기 신호를 인가하면 스위칭가능한 층을 흡수 상태로 만든다.
윈도우의 외측 모습(appearance)은 윈도우로부터의 빛의 반사에 의해 상당한 정도로 결정된다. 건축 목적(architectural purpose)으로, 건물이 특정 색상의 모습을 가질 수 있도록 이 반사를 제어하는 것이 바람직하다. 동시에, 윈도우의 투과 스펙트럼은 다른 요구를 가지고 있다. 윈도우의 투과 스펙트럼은 바람직하게는 색 중립성(color neutral)이어야 한다. 색 중립도(color neutrality)는, 광 스펙트럼이 기준 광원과 비교되는 연색 지수(color rendering index)를 사용하여 정의될 수 있다.
본 발명의 목적은, 장치의 반사 및 투과 특성이 동시에 서로 독립적으로 제어될 수 있는 스위칭가능한 광학 장치를 제공하는 것이다.
하나 이상의 스위칭가능한 층 및 하나 이상의 광학 층을 포함하는 층 구조를 갖는 스위칭가능한 광학 장치가 제안된다. 하나 이상의 스위칭가능한 층은 액정 물질 및 하나 이상의 염료를 포함한다. 하나 이상의 광학 층은, 가시 스펙트럼의 적어도 제 1 부분을 포함하는 하나 이상의 반사 대역, 및 가시 스펙트럼의 적어도 제 2 부분을 포함하는 하나 이상의 투과 대역을 갖는다. 하나 이상의 스위칭가능한 층의 흡수 스펙트럼은, 가시 스펙트럼에서의 입사광에 대한 스위칭가능한 광학 장치를 통한 광 투과가 스위칭가능한 층의 상태들 중 적어도 하나에서 사전결정된 투과 스펙트럼으로 설정되도록 하나 이상의 염료에 의해 조정된다.
바람직하게는, 제안된 스위칭가능한 광학 장치의 하나 이상의 스위칭가능한 층은, 각각의 상태가 상이한 광 전파 특성을 갖는 2 개 이상의 상태들을 갖는다. 상태들 중 하나는, 빛의 적은 흡수 및/또는 산란만이 일어나는 밝은 상태이다. 스위칭가능한 층의 추가 상태는 광의 흡수 및/또는 산란이 발생하는 어두운 상태이다. 스위칭가능한 층의 상태는 바람직하게는 전기장을 사용하여 제어된다. 상태를 변경하면 스위칭가능한 광학 요소의 모습이 변경된다. 어두운 상태는 스위칭가능한 광학 요소를 통해 투과되는 광량이 밝은 상태보다 적은 상태로 정의된다.
바람직하게는, 하나 이상의 염료는 스위칭가능한 광학 장치의 투과 스펙트럼이 스위칭가능한 층의 상태들 중 하나 이상에서 가시광 스펙트럼에 대해 색 중립성이도록 선택된다. 이러한 색 중립성 투과를 달성하기 위해, 하나 이상의 염료의 흡수 스펙트럼은 바람직하게는 하나 이상의 광학 층의 하나 이상의 투과 대역에 상보 적으로 조정된다.
스위칭가능한 광학 소자의 외측 모습은 가시 스펙트럼 범위에서의 입사광의 반사에 의해 결정되고, 스위칭가능한 광학 소자의 내측 모습은 가시 스펙트럼 범위에서의 입사광의 투과 및/또는 반사에 의해 결정된다. 가시 스펙트럼 범위는 380 내지 780 nm이다. 스위칭가능한 광학 요소가 윈도우로서 사용되는 경우, 외부를 향하는 측면은 건물 또는 차량에서 윈도우로서 사용되는 스위칭가능한 광학 요소와 관련하여 정의된다. 그렇지 않으면, 예를 들어 시험 환경에서, 각각의 광원을 향하는 광학 요소의 표면이 외측 표면으로 정의되고 광원으로부터 먼쪽을 향하는 광학 요소의 표면이 내측 표면으로 정의된다.
원하는 색상의 광이 반사되도록 스위칭가능한 광학 소자의 하나 이상의 광학 층의 하나 이상의 반사 대역 및 하나 이상의 투과 대역을 선택함으로써 외측 모습이 제어된다. 예를 들어, 녹색 외측 모습이 요구되는 경우, 500 내지 600 nm의 파장의 광이 반사되고 380 내지 500 nm와 600 내지 780 nm 사이의 파장 범위에서 가시광이 투과되도록 반사 대역이 선택된다. 바람직하게는, 하나 이상의 반사 대역 중 하나 내의 파장을 갖는 광은 부분적으로만 반사된다.
이하에서, 특정 파장 λ에서 또는 특정 파장 범위에서, 광학 층과 같은 표면의 반사 강도 R(λ)는 반사된 광의 강도와 입사광의 강도의 비로 정의되고, 여기서 평면의 법선에 대해 측정되는 입사각은 0°이다. 마찬가지로, 구조를 통한 투과 T(λ)는 투과된 광의 강도와 입사광의 강도의 비로 정의되며, 평면의 법선에 대해 측정되는 입사각은 0°이다.
바람직하게는, 스위칭가능한 광학 장치는 하나 이상의 광학 층으로서 또는 둘 이상의 광학 층 중 하나의 층으로서 포함될 수 있는 하나 이상의 반사층을 포함한다. 바람직하게는, 가시 스펙트럼의 적어도 제 1 부분을 포함하는 하나 이상의 반사 대역, 및 가시 스펙트럼의 적어도 제 2 부분을 포함하는 하나 이상의 투과 대역을 갖는 하나 이상의 광학 층은 반사층이다.
바람직하게는, 하나 이상의 반사 대역 내의 파장을 갖는 광에 대한 하나 이상의 광학 층의 반사 강도 R(λ)는 2% 이상이다. 특히 바람직한 반사 강도는 5% 이상, 더욱 바람직하게는 10% 이상이다.
색 중립성 광 투과를 달성하기 위해, 하나 이상의 광학 층은 하나 이상의 반사 대역에서 전체 입사광을 반사하지 않을 수 있는 것이 바람직하다. 하나 이상의 광학 층은 하나 이상의 반사 대역에서 파장을 갖는 입사광의 70% 미만을 반사하는 것이 바람직하다. 바람직하게는, 하나 이상의 반사 대역에서 파장을 갖는 입사광의 60% 미만, 가장 바람직하게는 50% 미만이 반사된다.
대안적으로 또는 추가로, 반사 대역 내의 파장을 갖는 광이 완전히 또는 거의 완전히 반사되는 경우에도 색 중립성 투과를 달성하기 위해, 발광 염료가 사용될 수 있다. 발광 염료는 하나 이상의 투과 대역 내에서 파장을 갖는 광을 흡수한 다음 반사 대역 내의 파장에서 재방출될 수 있다.
투과된 광의 양은 스위칭가능한 층에 의해 영향을 받고 스위칭가능한 층의 상태에 의존한다. 주어진 파장 λ에 대해 스위칭가능한 층의 밝은 상태와 어두운 상태 사이의 투과에서 스위칭가능한 광학 장치의 콘트라스트 C는 다음과 같이 정의된다:
C(λ) = (1-R(λ))·(TB(λ)-TD(λ)) (1)
상기 식에서,
C(λ)는 파장 λ을 갖는 광에 대한 콘트라스트이고, R(λ)(상기 정의된 바와 같은 반사 강도)는 파장 λ을 갖는 광에 대한 반사에 의한 손실 강도이고, TB(λ) 및 TD(λ)(상기 정의된 바와 같은 투과 강도)는 각각 밝은 상태 및 어두운 상태에 대한 파장 λ를 갖는 광의 투과율이다. 반사 강도 및 투과율은 0과 1 사이의 무차원 수(dimensionless number)로 제공된다. 반사 손실은 하나 이상의 광학 층에서의 반사 및 스위칭가능한 광학 장치의 다른 모든 층에서의 반사를 포함한다.
콘트라스트 C를 평가하기 위해, 함수 C(λ)는 가시광 스펙트럼의 스펙트럼 범위에 걸쳐 평균화된다. 바람직하게는, 가시 스펙트럼에 대한 함수 C(λ)를 평균화함으로써 얻어진 콘트라스트 C는 적어도 0.5이다.
예를 들어, 주어진 파장에서 반사 손실 R이 0.2(20%)이고 밝은 상태에서 스위칭가능한 층의 투과율이 0.74(74%)이고 어두운 상태에서 0.15(15%)이면, 콘트라스트 C는 0.47(47%)이다. 동일한 상황에서 반사 손실이 0.1(10%)로 감소하면 콘트라스트 C가 0.53(53%)으로 증가한다. 따라서, 밝은 상태와 어두운 상태 사이에서 높은 콘트라스트를 달성하기 위해, 반사로 인한 손실이 최소화되어야 한다.
따라서, 광학 층은 하나 이상의 투과 대역에서의 파장에 대한 광 투과율 T (λ)가 90% 이상, 바람직하게는 95% 이상, 가장 바람직하게는 98% 이상인 것이 바람직하다.
반사 손실을 감소시키기 위해, 광학 장치는 적어도 하나의 반사 방지 층을 포함할 수 있다. 반사 방지 층은 바람직하게는 가시 광선 스펙트럼 범위에서 스위칭가능한 광학 장치의 표면의 반사율을 감소시키는 광대역 반사 방지 코팅이다. 반사 방지층은 하나 이상의 광학 층 이외에 광학 층들 중 하나로서 포함될 수 있다.
반사 방지 층은 낮은 굴절률을 갖는 물질을 포함하는 하나 이상의 매우 투명한 얇은 층으로 제조될 수 있다. 바람직하게는, 이러한 반사 방지층의 두께 및 굴절률은 하기 식을 따르고, 여기서 n은 반사 방지층의 재료의 굴절률이고, d는 반사 방지층의 두께이고, λ는 최소 반사율의 파장이다:
n * d = λ/4.
바람직하게는, 이 경우에 λ는 낮은 반사율 대역(투과 대역)의 중심을 표시한다. 이러한 층은 상기 식으로 인해 1/4-람다(quarter-lambda) 층으로 지칭된다.
반사 방지층의 두께를 변화시킴으로써, 상기 식에 따라, 가장 낮은 반사의 파장은 더 낮은 파장으로(두께를 감소시킴으로써) 또는 더 높은 파장으로(두께를 증가시킴으로써) 이동될 수 있다.
적합한 반사 방지 층의 예는, 예를 들어, 100 nm의 두께를 갖는 MgF2의 층(약 550 nm 파장의 광에서 최소 반사도를 가짐), 또는 예를 들어, 80 nm의 두께를 갖는 MgF2의 층(약 450 nm에서 최소 반사도를 가짐)이다. 추가의 예는 약 425 nm에서 최소 반사도를 갖는 두께가 70 nm인 SiO2의 층이다.
상기 반사 방지층은 바람직하게는 증기 증발 기술 및 스퍼터링 기술에 의해 증착된다. 층 두께는 온도 또는 전압 및 침착 시간과 같은 공정 파라미터에 의해 제어되는 것이 바람직하다. 반사 방지층은 바람직하게는 장치의 기판 중 하나의 외측 포인팅 측면 상에 위치된다.
상기 층이 바람직하게 만들어지는 저 굴절률 재료는 MgF2, 다공성 SiO2 및 플루오르화된 중합체이다.
반사층은 상기 언급된 반사 방지층에 높은 굴절률을 갖는 물질을 포함하는 하나 이상의 매우 투명한 박층을 추가함으로써 제조될 수 있다. 이러한 고 굴절률 재료의 바람직한 실시양태는 산화 아연(ZnO) 또는 산화 티타늄(TiO2)과 같은 금속 산화물이다. 그렇게 함으로써, 특정 파장에서 고 반사성이고 다른 파장에서 고 반사 방지성인 층을 얻을 수 있다.
이러한 반사층의 예는, 70nm 두께의 TiO2 층, 이어서 70nm 두께의 SiO2 층, 이어서 70nm 두께의 TiO2 층으로 이루어진 3 층 시퀀스(sequence)이다. 이러한 반사층은 550 nm 내지 850 nm의 파장에서 고 반사성이고, 400 nm 내지 500 nm의 파장에서 고 반사 방지성이다.
추가의 예로서, T가 40 nm의 얇은 TiO2 층이고 M이 45 nm의 얇은 MgF2 층인 7 층 시퀀스 T-M-T-M-T-M-T는 380 내지 500 nm의 파장에서 높은 반사성을 가지므로, 가시 스펙트럼의 청색 부분에서 고 반사성이다.
반사층 및 반사 방지층의 상기 실시양태는 단지 예로서 제공되며 본 발명을 제한하지 않음에 유의한다. 당업자는 현재 당업계에 공지된 상이한 유형의 반사층 및 반사 방지층을 잘 알고 있으며, 본 명세서에 기술된 본 발명을 수행하기 위해 목적하는 바와 같이 이들을 선택할 수 있다.
하나 이상의 스위칭가능한 층의 적어도 하나의 상태에 대해 스위칭가능한 광학 장치를 통해 투과된 광에 대한 색 중립도를 달성하기 위해, 하나 이상의 스위칭가능한 층은 하나 이상의 염료를 포함한다. 염료의 흡수 스펙트럼은 바람직하게는 가시광에 대한 하나 이상의 광학 층의 반사 스펙트럼에 상보적이도록 선택된다. 대부분의 반사율이 하나 이상의 반사 대역 내에서 발생함에 따라, 반사 스펙트럼은 하나 이상의 반사 대역에 의해 정의되는 양호한 근사치에 있다. 염료는 바람직하게는 이색성 염료이다.
본 출원의 목적 상, 용어 "이색성 염료"는, 흡수 특성이 광의 편광 방향에 대한 분자의 배향에 의존하는 광-흡수성 화합물을 의미한다. 본 출원에 따른 이색성 염료는 전형적으로 긴 형상을 가지며, 즉 염료 분자는 다른 두 공간 방향보다 하나의 공간 방향(종축)으로 상당히 더 길다.
본 발명에 따른 스위칭가능한 층은 바람직하게는 2, 3, 4 또는 5 개, 특히 바람직하게는 3 개의 이색성 염료를 포함하며, 이색성 염료의 흡수 스펙트럼은 바람직하게는 육안으로 중성 흑색 또는 회색의 인상이 발생하는 방식으로 서로 상보적이다.
염료 화합물은 바람직하게는 아조 화합물, 안트라퀴논, 메틴 화합물, 아조메틴 화합물, 메로시아닌 화합물, 나프토퀴논, 테트라진, 릴렌, 벤조티아디아졸, 피로메텐, 디케토피롤로피롤, 티에노티아디아졸 및 말로노니트릴로부터 선택된다. 이들 중에서, 특히 WO 2014/090373에 개시된 바와 같은 아조 화합물, 안트라퀴논, 릴렌, 특히 WO 2014/187529에 개시된 바와 같은 벤조티아디아졸, WO 2015/090497에 개시된 바와 같은 디케토피롤로피롤, 특히 WO 2016/029996에 개시된 바와 같은 티에노티아디아졸, 및 특히 WO 2016/091345에 개시된 바와 같은 말로노니트릴이 특히 바람직하다.
색 중립도는 스위칭가능한 광학 장치의 투과 스펙트럼을 기준 광원의 스펙트럼과 비교함으로써 결정될 수 있다. 연색 지수(CRI)는 기준으로서 D65와 같은 표준 일광 스펙트럼을 사용할 수 있다. 스위칭가능한 광학 장치를 통한 투과가 색 중립성으로 간주되기 위해서는, 측정된 연색 지수는 80 이상인 것이 바람직하다. 연색 지수는 예를 들어 CIE 13.3-1995에 따라 결정된다. 또한, RGB 색 좌표는 스위칭가능한 광학 장치를 통해 투과된 광의 색 중립도를 결정하는데 사용될 수 있다.
스위칭가능한 광학 소자의 층 구조는 바람직하게는 제 1 투명 기판, 제 1 투명 전극층, 스위칭가능한 층, 제 2 투명 전극층 및 제 2 투명 기판을 상기 순서로 포함한다.
투명 기판은 중합체 또는 유리판일 수 있다. 각 기판에는 한 측면에 투명 전극이 제공된다. 투명 모 전극은, 예를 들어 얇은 인듐 주석 산화물(ITO) 층을 기재로 한다. 2 개의 기판은 투명 전극이 서로 대면하고 2 개의 기판 사이에 셀 갭이 형성되도록 배열된다. 사이 셀 간격은 2 μm 내지 200 μm 폭이다. 스위칭가능한 층은 셀 갭 내부에 위치된다. 스위칭가능한 층은 하나 이상의 액정 물질 및 하나 이상의 염료를 포함한다. 바람직하게는, 염료는 이색성 염료이다. 액정 물질의 분자는 액정의 성질을 가지며, 전계를 인가함으로써 그들의 배향에 영향을 줄 수 있다. 이러한 전기장은 두 개의 투명 전극 사이에 구동 전압을 인가함으로써 생성될 수 있다.
스위칭가능한 광학 장치는 하나 이상의 이러한 층 구조를 포함할 수 있으며, 따라서 스위칭가능한 광학 장치는 하나 이상의 스위칭가능한 층을 포함할 수 있다.
바람직하게는, 하나 이상의 광학 층은 투명 전극에 의해 덮이지 않은 투명 쉬트 중 하나 또는 둘 다의 측면을 코팅함으로써 형성된다.
대안적으로 또는 추가로, 하나 이상의 광학 층을 하나 이상의 투명 쉬트 (들)에 적용한 후, 투명 기판 중 하나와 적층시키는 것이 바람직하다.
스위칭가능한 광학 장치는 바람직하게는 둘 이상의 광학 층을 포함한다. 예를 들어, 스위칭가능한 광학 장치는 하나 이상의 반사층에 추가하여 하나 이상의 반사 방지층을 포함할 수 있다.
층 구조는 하나 이상의 광학적으로 투명한 정렬 층을 추가로 포함할 수 있다. 정렬 층은 분자가 바람직한 방향으로 정렬되도록 가이드를 제공한다. 이러한 정렬 층은, 일련의 평행한 미세한 홈이 형성되는 러빙 공정을 거친 중합체 필름으로 투명 전극을 코팅함으로써 형성될 수 있다. 투명 전극을 폴리이미드 층으로 코팅한 후 폴리이미드 층을 러빙함으로써 적합한 정렬 층이 수득될 수 있다. 따라서, 정렬 층은 투명 전극 중 하나와 스위칭가능한 층 사이에 배치된다.
하나가 스위칭가능한 층의 각각의 측면 상에 배치된 2 개의 정렬 층이 사용될 때, 정렬 층의 바람직한 정렬 방향은 서로에 대해 회전될 수 있고, 액정 물질의 트위스트된 네마틱 구성을 생성할 수 있다. 더욱 바람직한 구성은 수퍼 트위스트된 네마틱 구성 및 역-병렬 구성을 포함한다.
전형적으로, 액정 물질 및/또는 하나 이상의 염료는 이색성이고 상이한 편광 상태의 광은 상이한 흡수 계수를 경험한다. 스위칭가능한 광학 장치의 콘트라스트(C)를 추가로 향상시키기 위해, 하나 이상의 광학 층의 반사는 편광에 의존하고, 이때 제 1 편광의 하나 이상의 반사 대역 내의 파장은 제 2 편광의 광보다 강하게 반사된다. 바람직하게는, 하나 이상의 광학 층 및 스위칭가능한 층은, 하나 이상의 광학 층이 광 편광에 대해 더 강한 반사를 가지며 이는 액정 물질 및/또는 하나 이상의 염료에 덜 흡수되도록 구성되고 배열된다. 이러한 구성을 사용함으로써, 밝은 상태(TB)에서의 투과율과 어두운 상태(TD)에서의 투과율 사이의 차이가 증가된다.
하나 이상의 스위칭가능한 층의 이색성 콘트라스트 D는 다음과 같이 정의된다
D = I1/I2
상기 식에서, I1은 제 1 편광의 투과된 광의 강도이고, I2는 제 1 편광 방향에 직교하는 제 2 편광의 투과된 광의 강도이다.
제 1 편광은 투과 강도가 더 큰 편광으로 정의된다. 바람직하게는, 이색성 콘트라스트(D)는 스펙트럼의 가시 범위의 광에 대해 2 이상, 더욱 바람직하게는 4 이상, 가장 바람직하게는 10 이상이다.
광학 층의 편광 콘트라스트 P는 다음과 같이 정의된다:
P = R1/R2
상기 식에서,
R1은 제 1 편광의 반사광의 강도이고, R2는 제 1 편광과 직교하는 제 2 편광 방향의 반사광의 강도이다. 제 1 편광은 반사 강도가 더 큰 편광으로 정의된다. 바람직하게는, 편광 콘트라스트 P는 하나 이상의 반사 대역 내의 파장을 갖는 광에 대해 2 이상, 보다 바람직하게는 4 이상, 가장 바람직하게는 10 이상이다.
바람직하게는, 하나 이상의 광학 층의 반사는 편광 의존적이며, 여기서 제 1 선형 편광의 광은 제 2 선형 편광의 광보다 강하게 반사된다. 제 2 선형 편광은, 액정 물질 및/또는 하나 이상의 염료에서 더 강한 흡수를 경험하는 선형 편광에 해당한다.
바람직하게는, 하나 이상의 광학 층의 반사는 편광 의존적이며, 여기서 제 1 원형 편광의 광은 제 2 원형 편광의 광보다 강하게 반사된다. 바람직하게는, 하나 이상의 광학 층은 콜레스테릭 층을 포함하고, 하나 이상의 반사 대역에서의 광의 반사는 편광에 의존하며, 여기서 제 1 원형 편광의 광은 제 2 원형 편광의 광보다 강하게 반사된다. 콜레스테릭 층은 바람직하게는 콜레스테릭 액정 층이다.
바람직하게는, 콜레스테릭 액정 층은 1/4 파 지연기 층을 갖는 층 구조로 배열되어 스위칭가능한 층이 1/4 파 지연기의 한 측면에 위치되고 콜레스테릭 액정 층이 1/4 파 지연기의 다른 측면 상에 위치되도록 한다. 바람직하게는, 1/4 파 지연기 및 반사층 둘다는 (광이 입사되는) 외측에 배열된다. 1/4 파 지연기는 콜레스테릭 액정 층과 스위칭가능한 층 사이에 배치되어, 투과된 제 2 원형 편광이 액정 물질 및/또는 하나 이상의 염료에서 더 강한 흡수를 경험하는 선형 편광에 대응하는 선형 편광으로 변화된다. 바람직하게는, 기판에 정렬 층이 제공되는 경우, 생성된 선형 편광은 인접한 기판의 러빙 방향에 평행하거나 수직이어야 한다.
바람직하게는, 하나 이상의 광학 층은 사이에 배열된 반(half) 파 플레이트를 갖는 2 개의 콜레스테릭 층을 포함한다. 이러한 3 층 구조에 의해 편광 독립성이 달성된다.
스위칭가능한 광학 장치는, 광의 편광을 조정하기 위해 1/4 파 지연기 및/또는 반 파 지연기와 같은 추가 파장 지연기를 포함할 수 있다.
바람직하게는 스위칭가능한 광학 장치는 윈도우, 차량, 건물, 온실, 안경, 안전 유리, 광학기구, 방음벽 및/또는 의료 기구에 사용될 수 있다.
따라서, 본 발명의 추가 양태는 전술된 광학 장치 중 적어도 하나를 포함하는 스위칭가능한 윈도우를 제공하는 것이다. 스위칭가능한 윈도우는 절연된 윈도우 유닛을 형성하기 위한 추가 유리판과 같은 추가 요소를 포함할 수 있다.
도 1은 본 발명의 광학 장치의 예를 개략적인 단면도로 도시한다.
도 2는, 본 발명의 광학 장치의 광학 층의 반사 강도 대 광의 파장의 스케치를 도시한다.
도 3은 표준 염료 도핑된 액정 혼합물의 밝은 상태(파선) 및 어두운 상태(실선) 둘다에서의 투과 스펙트럼을 보여준다.
도 4는 실시예 1A의 장치의 밝은 상태(파선) 및 어두운 상태(실선) 둘다에서의 투과 스펙트럼을 보여준다.
도 5는 흡수-적응된(absorption-adapted) 염료 도핑된 액정 혼합물의 밝은 상태(파선) 및 어두운 상태(실선) 둘다에서의 투과 스펙트럼을 보여준다.
도 6은, 실시예 1B의 장치의 밝은 상태(파선) 및 어두운 상태(실선)에서의 투과 스펙트럼을 보여준다.
도 7은, 실시예 2A의 장치의 밝은 상태(파선) 및 어두운 상태(실선)에서의 투과 스펙트럼을 보여준다.
도 8은, 실시예 2B에서 사용된, 조정된 LC 혼합물의 투과 스펙트럼을 보여준다.
도 9는, 조정된 LC 혼합물(실시예 2B)을 갖는 장치의 투과 스펙트럼을 보여준다.
도 10은, 실시예 2C에서 사용된 최적화된 LC 혼합물을 갖는 장치의 투과 스펙트럼을 보여준다.
도 11은, 실시예 2C의 LC 혼합물을 갖는 장치의 투과 스펙트럼을 보여준다.
도 1은 본 발명의 광학 장치의 예를 개략적인 단면도로 도시한다. 스위칭가능한 광학 장치 (10)는 셀 갭이 2 개의 기판 (12, 14) 사이에 형성되도록 평행하게 배열된 제 1 기판 (12) 및 제 2 기판 (14)을 포함한다. 셀 갭은 폭이 2㎛ 내지 200㎛이다. 액정 매질 (16) 형태의 스위칭가능한 층 (15)이 셀 갭 내부에 배열되고 셀은 씰 (18)에 의해 폐쇄된다.
기판 (12, 14)은 투명하고 각각의 기판 (12, 14)의 재료는 중합체 또는 유리판일 수 있다. 각각의 기판 (12, 14)에는 일 측면에 투명 전극 (24, 26)이 제공된다. 투명 전극 (24, 26)은 예를 들어 인듐 주석 산화물(ITO)의 얇은 층을 기재로 한다. 2 개의 기판 (12, 14)은 투명 전극 (24, 26)이 서로 마주 보도록 배열된다.
액정 매질 (16)은 하나 이상의 액정 물질 및 하나 이상의 염료를 포함한다.
액정 매질 (16)로부터 멀어지게 향하는 제 1 기판 (12)의 측면은 반사층 (20)으로서 구성된 광학 층으로 코팅된다. 마찬가지로, 액정 매질 (16)로부터 멀어지게 향하는 제 2 기판 (14)의 측면은 반사 방지층 (22)으로서 구성된 광학 층으로 코팅된다. 따라서, 스위칭가능한 광학 장치 (10)는 이 순서로 반사층 (20), 제 1 기판 (12), 제 1 전극층 (24), 액정 매질 (16), 제 2 전극층 (26), 제 2 기판 (14) 및 반사 방지층 (22)을 포함하는 층 구조를 갖는다.
도 2는, 스위칭가능한 광학 장치 (10)의 광학 층의 반사 강도 대 광의 파장의 스케치를 도시한다. 반사 강도 (%)는 반사광의 강도와 입사광의 강도의 비로 정의되며, 여기서 평면의 법선에 대해 측정되는 입사각은 0°이다. 이는 y 축에 임의 단위 (a.u.)로 표시된다. 도 2에서, 제 1 투과 대역 (30), 반사 대역 (32) 및 제 2 반사 대역 (34)이 보인다. 반사 강도가 평균 반사 강도에 비해 증가된 반사 밴드 (32)는 약 500 nm 내지 약 600 nm이다.
실시예
실시예 1A:
녹색 외측 모습을 가진 스위칭가능한 윈도우를 만들기 위해 두 가지 유형의 코팅된 유리 기판을 주요 유리 공급업체로부터 입수했다. 제 1 기판은 한 측면에 50%의 반사 강도를 갖는 선택적 반사 코팅으로 코팅된다. 다른 측면에는 투명 전도성 산화물(TCO)이 코팅되어 있다. 녹색 외관을 얻기 위해, 선택적 반사 코팅은 대략 550 nm의 중심 파장 및 대략 100 nm의 대역폭을 갖도록 특정된다. 제 2 기판은 한 측면에 TCO 코팅이 있고 다른 측면에는 코팅이 없다.
기판을 세척한 후, 폴리이미드는 두 기판의 TCO 코팅된 측면에 인쇄된다. 이어서, 기판을 오븐에서 베이킹하고 폴리이미드를 문질러 정렬 층을 수득한다. 이어서, 기판을 셀(정렬 층이 내부를 향함)로서 배치하고 표준 염료 도핑된 액정 혼합물로 충전하여 스위칭가능한 패널(25㎛ 셀 갭, 트위스팅된 네마틱 구성)을 얻는다. 표준 염료 도핑된 액정 혼합물의 투과 스펙트럼이 도 3에 도시되어 있다. 420 nm 내지 650 nm의 어두운 상태에서 상당히 일정한 흡수를 갖는다.
장치의 투과 스펙트럼은 어두운 상태(도 4; 파선 밝은 상태, 실선 어두운 상태)로 기록된다. 이는 어두운 상태에서 육안으로 보라색 모습을 가지며 어두운 상태에서 다음과 같은 색 좌표를 갖는다.
실시예 (L*;a*;b*) CRI
1A (어두운 상태) (34.9;10.506;-11.605) 59.2
이 결과는 이 실시예에 따른 장치의 어두운 상태가 강하게 착색되어 있음을 보여준다.
실시예 1B:
염료 도핑된 액정 혼합물의 흡수 스펙트럼이 선택적 반사 코팅의 반사 스펙트럼에 상보적으로(즉, 가시 스펙트럼의 청색 및 적색 부분에서 더 흡수됨) 조정된다는 점에서 실시예 1A의 장치와 상이한 장치가 구성된다. 이 혼합물의 투과 스펙트럼이 도 5에 도시되어 있다. 다른 모든 측면에서, 장치는 실시예 1A의 장치와 동일하다.
장치의 투과 스펙트럼은 어두운 상태(도 6; 파선 밝은 상태, 실선 어두운 상태)에서 기록된다. 이는 어두운 상태에서 육안으로 회색의 색 중립성 모습을 가지며 어두운 상태에서 다음과 같은 색 좌표를 갖는다.
실시예 (L*;a*;b*) CRI
1B (어두운 상태) (35.8;-8.550;-0.886) 89.2
이들 결과는, 이 실시예에 따른 장치의 어두운 상태가 실시예 1A에 따른 장치의 어두운 상태보다 훨씬 적은 강도로 착색됨을 보여준다.
실시예 2A, 2B 및 2C:
대안적인 예로서, 반사성 층이 상기 도시된 실시예 1A 및 1B에서와 같이 50%가 아니라 10%의 반사 강도를 갖는 스위칭가능한 장치가 구성될 수 있다. 이러한 경우에, 비교예(2A)는 반사층의 반사 강도를 제외하고는, 실시예 1A에서와 같이 50%가 아니라 10%인 것을 제외하고는 모든 측면에서 실시예 1A와 동일하다. 실시예 2A의 경우, 도 7에 도시된 투과 스펙트럼이 얻어진다(파선 = 밝은 상태; 실선 = 어두운 상태). 상기 장치는, 표 3에 주어진 CRI 좌표에서 볼 수 있듯이 어두운 상태로의 착색을 보여준다.
실시예 (L*;a*;b*) CRI
2A (어두운 상태) (40.7;0.854;-1.866) 85.5
대조적으로, 조정된 LC 혼합물(실시예 2B)을 갖는 장치의 경우, 어두운 상태의 착색이 훨씬 감소된다. 이 장치의 투과 스펙트럼은 도 9에 표시되어 있다(파선 = 밝은 상태; 실선 = 어두운 상태). CRI 색 좌표는 표 4에 나와 있다.
실시예 (L*;a*;b*) CRI
2B (어두운 상태) (41.9;-4.793;0.516) 93.4
이 실시예 2B에서 사용된, 조정된 LC 혼합물의 투과 스펙트럼이 도 8에 도시되어 있다(파선 = 밝은 상태; 실선 = 어두운 상태).
실시예 2A 및 2B는, 조정된 염료 도핑된 LC 혼합물을 갖는 장치에 대해 10%의 반사 강도를 갖는 반사층에 의해 매우 우수한 암 상태의 색 중립도를 얻을 수 있음을 보여준다.
예를 들어, 또한 밝은 상태에서, 2A는 색 중립도의 최적화가 수행될 수 있다. 이는, 다른 최적화된 LC 혼합물이 사용되는 것을 제외하고는 실시예 2B와 동일한 실시예 2C에서 나타난다. 이 실시예 2C의 투과 스펙트럼은 도 11에 도시되어 있고, 이 실시예 2C에서 사용된 최적화된 LC 혼합물의 투과 스펙트럼은 도 10에 도시되어 있다(두 경우 모두: 파선 = 밝은 상태; 실선 = 어두운 상태). 결과는, 실시예 2C의 밝은 상태가 실시예 2A의 밝은 상태보다 현저하게 덜 착색됨을 보여준다. 아래 표에 기재된 실시예 2A 및 2B의 밝은 상태에 대한 CRI 색 좌표에서 이를 확인할 수 있다.
실시예 (L*;a*;b*) CRI
2A (밝은 상태) (84.1;1.643;0.085) 95.1
2C (밝은 상태) (81.9;-2.119;0.367) 98.3
대안적인 예로서, 실시예 1B 또는 2B 또는 2C에 기술된 것과 유사한 스위칭가능한 장치가 구성될 수 있으며, 여기서 반사층은 대략 100 nm의 대역폭 및 550nm의 중심 파장을 갖는 콜레스테릭 반사기이고, 이는 장치의 기판 중 하나의 외부 포인팅 측면에, 광원이 존재하는 디바이스의 측면에 위치된다. 이러한 대안적인 예에서, 실시예 1B 및 2B 및 2C에서와 같이, 투과의 색 중립도 및 장치의 외측 모습의 색에 대해 비교가능한 결과가 얻어질 수 있다. 상기 예에 도시된 투과의 색 중립도 및 장치의 외측 모습의 색에 대해 비교가능한 결과가 얻어질 수 있는 다른 대안적인 예로서, 반사층을 갖지 않는 기판 외측 상에 반사 방지 층을 갖는 장치가 구성될 수 있다.
상기 예에 도시된 장치의 투과의 색 중립도 및 외측 모습의 색에 대해 비교가능한 결과가 얻어질 수 있는 추가의 대안적인 예로서, 하나의 스위칭가능한 패널 이외에 제 2 스위칭가능한 패널을 갖는 장치를 구성할 수 있다. 이 제 2 스위칭가능 패널은, 광대역 반사 방지 층을 갖는 2 개의 기판, 및 표준 염료 도핑된 액정 혼합물을 포함하는 스위칭가능한 층을 포함한다. 두 스위치가능한 패널은 이중 글레이징(glazing) 유닛으로 조합된다. 선택적 반사 코팅은 외측에서 광원 쪽을 향하고 있어서 외측에서 볼 때 장치가 녹색으로 나타난다.

Claims (16)

  1. 하나 이상의 스위칭가능한(switchable) 층 (15) 및 하나 이상의 광학 층 (20, 22)을 포함하는 층 구조를 갖는 스위칭가능한 광학 장치 (10)를 포함하는 스위칭가능한 윈도우로서,
    상기 하나 이상의 스위칭가능한 층 (15)은 액정 물질 및 하나 이상의 염료를 포함하고,
    상기 하나 이상의 광학 층 (20, 22)은, 가시 스펙트럼의 적어도 제 1 부분을 포함하는 하나 이상의 반사 대역(band) (32) 및 가시 스펙트럼의 적어도 제 2 부분을 포함하는 하나 이상의 투과(transmission) 대역 (30, 34)을 갖고,
    상기 하나 이상의 스위칭가능한 층 (15)의 흡수 스펙트럼은 상기 하나 이상의 염료에 의해 조정되어, 상기 스위칭가능한 층 (15)의 상태들 중 하나 이상에서 가시 스펙트럼에서의 입사광에 대한 스위칭가능한 광학 장치 (10)를 통한 광 투과가 사전결정된 투과 스펙트럼으로 설정되도록 하고,
    상기 하나 이상의 염료가, 상기 스위칭가능한 광학 장치 (10)의 투과 스펙트럼이 하나 이상의 스위칭가능한 층 (15)의 상태들 중 하나 이상에서 가시광 스펙트럼에 대해 색 중립성(color neutral)이 되도록 선택되고,
    상기 하나 이상의 염료의 흡수 스펙트럼이, 색 중립성 투과 스펙트럼을 얻기 위해 상기 하나 이상의 광학 층 (20, 22)의 하나 이상의 투과 대역에 상보적(complementary)으로 되도록 조정되는 것을 특징으로 하는, 스위칭가능한 윈도우.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 스위칭가능한 층 (15)이 적어도 밝은 상태(bright state) 및 어두운 상태(dark state)를 포함하고,
    가시 스펙트럼에서의 광에 대해, 가시 스펙트럼에 걸쳐 평균화되는 하기 식에 의해 정의되는 콘트라스트 C는 0.5 이상인 것을 특징으로 하는, 스위칭가능한 윈도우:
    C(λ) = (1-R(λ))·(TB(λ)-TD(λ))
    상기 식에서,
    R은 스위칭가능한 광학 장치 (10)에 의해 반사된 광의 강도이고,
    TB는 밝은 상태에서, 스위칭가능한 광학 장치 (10)를 통해 투과된 광의 강도이고,
    TD는 어두운 상태에서, 스위칭가능한 광학 장치 (10)를 통해 투과된 광의 강도이다.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 층 구조가 제 1 투명 기판 (12), 제 1 투명 전극 층 (24), 하나 이상의 스위칭가능한 층 (15), 제 2 투명 전극 층 (26) 및 제 2 투명 기판 (14)을 상기 순서로 포함하는 것을 특징으로 하는, 스위칭가능한 윈도우.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 반사 대역에서 상기 하나 이상의 광학 층 (20, 22)의 반사가 편광 의존성(polarization dependent)이고, 이때 제 1 선형 편광의 광이 제 2 선형 편광의 광보다 강하게 반사되는 것을 특징으로 하는, 스위칭가능한 윈도우.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 광학 층 (20, 22)이 콜레스테릭(cholesteric) 층이고,
    상기 하나 이상의 반사 대역에서의 광의 반사가 편광 의존성이고, 이때 제 1 원형 편광의 광이 제 2 원형 편광의 광보다 강하게 반사되는 것을 특징으로 하는, 스위칭가능한 윈도우.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 콜레스테릭 층 및 1/4 파 지연기 층이 상기 하나 이상의 스위칭가능한 층 (15)의 한 측면에 배치되고,
    상기 1/4 파 지연기 층은 상기 하나 이상의 스위칭가능한 층 (15)을 대면하고, 상기 1/4 파 지연기는 투과된 제 2 원형 편광을 선형 편광으로 변화시키는 것을 특징으로 하는, 스위칭가능한 윈도우.
  7. 제 4 항에 있어서,
    제 1 편광의 반사광(reflected light)의 강도와 제 2 편광의 반사광의 강도의 비로 정의되는, 상기 하나 이상의 반사 대역에서의 상기 하나 이상의 광학 층 (20, 22)의 편광 콘트라스트가 2 이상인 것을 특징으로 하는, 스위칭가능한 윈도우.
  8. 제 4 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 스위칭가능한 층 (15)이, 하나 이상의 상태에서 가시 스펙트럼에 대해, 제 1 편광의 투과된 광의 강도와 제 1 편광에 대해 직각인 제 2 편광의 투과된 광의 강도의 비로서 정의되는, 2 초과의 이색성(dichroic) 콘트라스트를 갖고,
    상기 하나 이상의 광학 층 (20, 22)에 의해 투과되는 편광은, 하나 이상의 스위칭가능한 층 (15)에서 가장 많은 흡수가 일어나는 편광과 동일한 것을 특징으로 하는, 스위칭가능한 윈도우.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 반사 대역 내의 파장을 갖는 광의 5% 이상이 상기 하나 이상의 광학 층 (20, 22)에 의해 반사되는 것을 특징으로 하는, 스위칭가능한 윈도우.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 투과 대역 내의 파장을 갖는 광의 90% 이상이 상기 하나 이상의 광학 층 (20, 22)에 의해 투과되는 것을 특징으로 하는, 스위칭가능한 윈도우.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 스위칭가능한 광학 장치 (10)가 2 개 이상의 광학 층 (20, 22)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 스위칭가능한 윈도우.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 가시 스펙트럼의 적어도 제 1 부분을 포함하는 하나 이상의 반사 대역 및 상기 가시 스펙트럼의 적어도 제 2 부분을 포함하는 하나 이상의 투과 대역을 갖는 하나 이상의 광학 층이 반사층(reflective layer)인 것을 특징으로 하는, 스위칭가능한 윈도우.
  13. 건물 또는 차량의 윈도우로서의 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 따른 스위칭가능한 윈도우의 용도.
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KR1020197035923A 2017-05-09 2018-05-08 스위칭가능한 층 및 하나 이상의 광학 층을 포함하는 광학 장치 KR102490569B1 (ko)

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