KR20070120956A - 발광체 및 그 이용 - Google Patents
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- H01L31/054—Optical elements directly associated or integrated with the PV cell, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means
- H01L31/055—Optical elements directly associated or integrated with the PV cell, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means where light is absorbed and re-emitted at a different wavelength by the optical element directly associated or integrated with the PV cell, e.g. by using luminescent material, fluorescent concentrators or up-conversion arrangements
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Abstract
본 발명의 제 1태양은 광발광 물질을 포함하는 발광 층 또는 발광 코어와 파장-선택성 미러를 포함하는 발광체에 관계되며, 여기서 상기 발광 층 또는 상기 발광 코어는 상기 파장-선택성 미러에 광학적으로 결합되며, 상기 파장-선택성 미러는 상기 광발광 물질에 의해 흡수된 빛을 적어도 50%는 투과시키고, 상기 광발광 물질에 의해 방출된 방사선의 적어도 50%는 반사시키며, 상기 파장-선택성 미러는 키랄 네마틱 중합체의 콜레스테릭 층을 포함한다. 본 발명에 따른 발광체는 입사하는 태양광에 노출됨으로써 광발광 물질에 의해 방출되는 방사선의 아주 효율적 전달을 가능하게 하기 때문에 발광성 태양 집광 시스템들에 채용되는 것이 유용할 것이다. 본 발명의 다른 태양은 상기한 발광체를 구비한 전자기 방사선 수집 매체와, 발광체에 광학적으로 결합되어 광방사선을 전기적 에너지로 변환시킬 수 있는 광전지 셀을 포함하는 광전지 디바이스에 관계된다. 본 발명의 추가적 태양들은 디스플레이를 활성화시키는 형광 빛과 상기에서 언급한 발광체를 포함하는 실내 조명 시스템을 포함한다.
발광체, 액정, 콜레스테릭 층, 파장-선택성 미러, 편광
Description
본 발명은 발광체에 관한 것으로서, 특히 발광성 태양 집광장치들과 같은 광학적 발광성 집광장치에 있어서의 발광체의 응용에 관한 것이다.
단위 와트당 태양 에너지의 비용은 석탄, 석유, 바람, 바이오매스 및 핵을 포함하는 다른 원들(sources)로부터의 에너지보다 약 5-10배 높다. 광전지 시스템들에서의 태양 에너지 발생 비용을 감소시키기 위하여, 시스템의 가장 고가인 부분, 즉 광전지 셀(태양 전지)을 효과적으로 이용하는 것이 바람직하다. 이는 종래에 대규모 광-집중 태양 집광기(파라볼릭 또는 트라우 디쉬들)를 이용함으로써 행해져왔다. 이러한 장치들은 높은 투자 비용, 높은 유지 비용, 거대한 형태들 및 태양이 하늘을 횡단할 때 이를 추적할 필요성 등을 포함하여 여러 가지 단점들을 가지고 있다.
연구 조사의 대상이 되어왔던 대안적 선택은 소형 광전지 셀에 빛을 수집하고 운반하는 광도파관을 이용하는 것이다. 이러한 노력들 중 일부는 홀로그래픽 수단(US 5,877,874) 또는 빛의 방향을 바꾸기 위하여 기하 광학을 이용하려고 시도되어왔다(예컨대, T.Uematsu et al Sol Energ Master Sol C 67,415 (2001) 및 US 4,505,264 참조). 이러한 시도들은 효율이 낮거나 시스템들이 태양의 추적을 필요 로 하거나 복잡하고 대규모 생산을 위해 부적절하거나 이러한 조합들 때문에 오히려 성공적이지 못했는데, 장거리 전송에 대해 특히 성공적이지 못했다.
주로 상기 시스템들은 저 비용으로 제조하기에 용이하고 태양의 추적을 필요로 하지 않기 때문에, 발광성 태양 집광기(LCS)는 연구 조사의 대상이 되어 왔던 다른 대안을 대표한다. LSCs는 기본적으로 거대한 유리 또는 중합체 플레이트, 쉬트, 필름, 섬유, 리본(ribbon), 우븐(woven), 또는 형광 염료 분자들로 도핑된 코팅으로 이루어진다. 염료들은 입사하는 태양광으로부터 특정 파장의 빛을 흡수하고, 보다 긴 파장에서 모든 방향들로 빛을 재방출한다. 이러한 빛의 일부는 지지 광도파관의 임계각 내에서 방출되고, 내부에서 전부 반사되며 광전지 셀로 전달된다. LSC는 (특히, 플라스틱 광도파관이 사용될 때) 탄력적으로 덜 비싼 물질들과 결합될 수 있는 장점을 가진다. 상이한 목적을 갖는 샘플 시스템(실내 조명)이 Erap et al, Sol Energ Mat Sol C 84,411(2004)에 기술되어 있다. 현재, 주로 나쁜 효율과 관계되는 LSC-시스템들은 상업적으로 사용되고 있지 않다. 이러한 전반적으로 낮은 효율은 발광된 빛의 높은 흡수(제한된 염료의 스토크 쉬프트), 광도파관으로 빛을 결합시킴에 있어서의 나쁜 효율, 및 광도파관 내의 빛을 유지하는데 있어서의 나쁜 효율로부터 발생한다.
본 발명은 특히 발광된 빛이 LSC-시스템 내에 보유되는 효율을 증가시키는 수단을 제공함으로써, LSC-시스템들의 상기 문제점을 해결하는 것을 목적으로 한다.
발명자들은 주로 광발광 물질에 의해 흡수된 빛에 투과성이 있고 광발광 물질에 의해 방출된 광방사선(optical radiation)을 강하게 반사시키는 하나 이상의 파장-선택성 미러들(mirrors)과 함께 광발광 물질을 포함하는 발광층 또는 발광 코어를 채용함으로써, LSC-시스템들의 효율이 실질적으로 증가될 수 있다는 것을 발견했다. 바람직한 실시예에서, 광발광 물질을 포함하는 발광층 또는 코어와 파장-선택성 미러를 포함하는 발광체가 제공되고, 상기 발광층 또는 발광 코어는 파장-선택성 미러에 광학적으로 결합되고, 상기 파장-선택성 미러는 광발광 물질에 의해 흡수된 빛에 적어도 50% 투과성이 있으며, 광발광 물질에 의해 방출된 방사선에 적어도 50% 반사성이 있으며, 상기 파장-선택성 미러는 키랄 네마틱 중합체의 콜레스테릭 층을 포함한다.
전술한 파장-선택성 미러는, 발광층/코어와 입사 광방사선을 받도록 된 표면 사이의 임의의 장소에 분리층으로서 적절하게 위치될 수 있다. 따라서, 입사광은 하부에 있는 발광층 또는 발광 코어에 함유된 광발광 물질을 여기시키기 위하여 상기 파장-선택성 미러를 통과할 것이다. 파장-선택성 미러와 부딪치는 광발광 물질에 의해 방출된 광방사선은 반사될 것이며, 따라서 상기 방출된 방사선이 LSC에서 벗어나지 못하도록 한다. 그 결과, 방출된 방사선은 아주 효율적으로 LSC 내에 모이게 되고, 그 결과 전체적 효율이 향상된다.
파장-선택성 미러는 또한 발광층의 반대편, 즉 상기 입사광을 받는 반대편 상에 적용되는 것이 유리하다. 따라서, 방출된 방사선이 발광층 또는 도파관 내로 재반사되는 것이 보장될 것이다.
본 발명의 이점을 실현하기 위하여, 파장-선택성 미러는 광발광 물질을 여기시키시킬 수 있는 방사선에 주로 투과성이 있어야 함과 동시에 상기 미러는 상기 광발광 물질에 의해 방출된 방사선을 효율적으로 반사시켜야 한다. 따라서, 본 발명의 발광체에 채용된 하나 이상의 파장-선택성 미러들은 광발광 물질에 의해 흡수된 빛에 적어도 50% 투과성이 있고, 동일한 광발광 물질에 의해 방출되는 방사선에 적어도 50% 반사성이 있다.
따라서, 본 발명은 광발광 물질을 함유하는 발광층 또는 코어와; 그리고 파장-선택성 미러를 포함하는 발광체를 제공하며, 여기서 상기 발광층 또는 상기 발광 코어는 상기 파장-선택성 미러에 광학적으로 결합되며, 상기 파장-선택성 미러는 상기 광발광 물질에 의해 흡수된 빛을 적어도 50%는 투과시키고, 상기 광발광 물질에 의해 방출된 방사선의 적어도 50%는 반사시키며, 상기 파장-선택성 미러는 중합체 스택층 및/또는 키랄 네마틱 중합체의 콜레스테릭 층을 포함한다.
특정 실시예에서, 본 발명은 광발광 물질을 포함하는 발광층 또는 발광 코어와; 그리고 파장-선택성 미러를 포함하는 발광체를 제공하고, 상기 발광층 또는 상기 발광 코어는 상기 파장-선택성 미러에 광학적으로 결합되며, 상기 파장-선택성 미러는 상기 광발광 물질에 의해 흡수된 빛을 적어도 50%는 투과시키고, 상기 광발광 물질에 의해 방출된 방사선의 적어도 50%는 반사시키며, 상기 파장-선택성 미러는 키랄 네마틱 중합체의 콜레스테릭 층을 포함하고, 바람직하게는 우향 원형 편극광(right-handed circularly polarized light)을 반사시키는 제 1콜레스테릭층과 좌향 편극광(left-handed circularly polarized light)을 반사시키는 제 2콜레스테릭층을 포함한다.
또 다른 실시예에서, 본 발명은 광발광 물질을 포함하는 발광층 또는 발광 코어와; 그리고 파장-선택성 미러를 포함하는 발광체를 제공하며, 여기서 상기 발광층 또는 상기 발광 코어는 상기 파장-선택성 미러에 광학적으로 결합되며, 상기 파장-선택성 미러는 상기 광발광 물질에 의해 흡수된 빛을 적어도 50%는 투과시키고, 상기 광발광 물질에 의해 방출된 방사선의 적어도 50%는 반사시키며, 상기 파장-선택성 미러는 중합체 스택층을 포함하고, 바람직하게는 빛의 일 편광을 반사시키는 제 1중합체 스택층과 빛의 반대 편광을 반사시키는 제 2중합체 스택층을 포함한다.
본 발명에 따라 유리하게 채용될 수 있는 파장-선택성 미러들의 예들로는 중합체 스택들과 키랄 네마틱 중합체의 콜레스테릭 층들을 포함한다.
본 발명의 일 태양에 따르면, 본 발명은 배향된 광발광 물질을 함유하는 정렬 중합체를 포함하는 발광체에 관한 것이고, 상기 정렬 폴리머는 발광체 표면에 대해 10-90°의 선경사각(pretilt angle)을 가진다. 특정 실시예에서, 본 발명은 발광층과 도파관을 포함하는 발광체에 관계되며, 여기서 상기 발광체는 광학적 적층(optical laminate) 또는 광섬유이며, 상기 발광체는 도파관에 광학적으로 결합되어 있고, 상기 발광체는 배향된 광발광 물질을 함유하는 정렬 중합체를 포함하고, 상기 배향된 광발광 물질은 상기 정렬 중합체 내에 고정되어 있으며, 그리고 상기 정렬 중합체는 상기 발광체의 표면에 대해 10-89°, 바람직하게는 10-90°, 보다 바람직하게는 10-85°, 더욱 바람직하게는 15-85°, 보다 바람직하게는 30-80°, 더욱 바람직하게는 30-70°, 보다 바람직하게는 40-70°의 선경사각을 가진다.
이러한 발광체는 입사광을 보다 긴 파장의 빛으로 변환시키기 위해 사용될 수 있다. 방출된 빛이 발광체의 표면에 대해 상대적으로 작은 각도에서 반사되는 경우(상대적으로 큰 선경사각의 사용을 요구하는 경우), 방출된 빛은 예컨대, 출구(exit) 또는 광전지 디바이스 표면에 평형한 면 내에서 효율적으로 전달될 수 있다. 따라서, 본 발명의 필름은 분리 도파관없이, 예컨대 LSCs에 적용될 수 있다. 이러한 특정한 경우에, 큰 스트로크 쉬프트를 가지고/가지거나 재흡수 현상에 의한 대규모의 빛 손실을 피하기 위해 흡수 및 방출 스펙트럼 사이에서 거의 중첩되지 않는 광발광 물질을 사용하는 것이 매우 유리하다.
정의
본 명세서에서 사용되는 것과 같이, 용어 "발광성(luminescent)"은 빛을 흡수하거나 충분한 양자 에너지의 다른 방사선을 흡수할때, 빛을 방출하는 물질의 능력을 말한다. 상기 용어는 형광 및 인광을 모두 포함한다.
본 명세서에서 사용되는 것과 같이, 용어 "빛(light)"은 사람 눈에 보이거나 보이지 않을 수 있는 광학적 방사선(optical radiation)을 말한다.
용어 "광학적 방사선(optical radiation)"은 100㎚와 2000㎚ 사이의 파장 영역에서의 전자기적 방사선을 말한다.
본 명세서에서 사용되는 것과 같이 용어 "광발광(photoluminscence)"은 빛의 흡수에 의해 발생된 루미네센스(발광)를 말한다.
본 명세서에서 사용되는 것과 같이, 용어 "광발광성 물질"은 광발광할 수 있는 이온들을 포함하는 원자들이나 분자들을 말한다. 상기 용어 "광발광성 물질"은 또한 예컨대, 둘 이상의 상이한 광발광성 분자들의 조합과 같은 둘 이상의 상이한 광발광성 성분들의 조합을 포함한다. 상기 용어 "광발광성 물질"은 또한 형광성 분자, 형광성 중합체들 및/또는 공중합체들 포함하는 게스트-호스트 시스템들을 포함한다.
본 명세서에서 사용되는 것과 같이, 용어 "반사의(reflective)"는 입사 태양 광 및/또는 광발광성 물질에 의해 방출된 빛을 대부분 반사하는 물질을 의미한다. 특히, 용어 "반사의"는 상기 물질이 적어도 상기 빛의 50%, 바람직하게는 적어도 60%, 보다 바람직하게는 적어도 80%, 그리고 가장 바람직하게는 적어도 90%를 반사하는 것을 의미한다. 물질의 반사도(reflectivity)는 반사 표면에 수직으로 입사하는 빛에 대해 결정된다.
본 명세서에서 사용되는 것과 같이, 용어 "투명한(transparent)"은 입사된 태양광 및/또는 광발광 물질에 의해 방출된 빛의 대부분을 투과시키는 물질을 의미한다. 특히, 상기 용어 "투과성의"는 입사하는 빛에 노출된 물체의 표면에 수직인 빛 입사에 대해 측정할 경우, 물질이 상기 입사하는 빛의 적어도 50%, 바람직하게는 적어도 70%, 보다 바람직하게는 적어도 90%를 투과시키는 것을 의미한다.
용어 "중합체 스택(polymeric stack)"은 파장 선택성, 선택적으로는 편광 선택성과 함께 파장 선택성을 나타내는 유기 (중합체) 물질에 기초한 서로 상이한 굴절률을 갖는 하위층들을 포함하는 다층 막들을 말한다: 예컨대, US 6,157,490을 참조하라.
본 명세서에서 사용되는 것과 같이, 용어 "파장-선택적 미러"는 임의적으로 편광 선택성과 함께 특정 파장에서 투과성이 있고 다른 파장에서는 반사성이 있는 미러(mirrors)를 말한다. 이러한 미러들의 변형은 문헌에 공지되어 있다.
용어 "키랄 네마틱 중합체의 콜레스테릭층"은 메소제닉(mesogenic) 그룹들이 층 표면에 주로 평형하게 정렬되어 있는 중합체들을 포함하는 층을 말하며, 상기 중합체 내의 분자들은 키랄 반응성 또는 비반응성 도펀트에 의해 유발된 미리 특정된 방향으로 서로에 대해 회전한다. 특히, 용어 "키랄 네마틱 중합체의 콜레스테릭층"은 키랄성(핸디드니스)을 나타내는 키랄 네마틱 상을 갖는 층을 말한다. 이러한 상은 콜레스테릭 유도체들에서 처음으로 관찰되었기 때문에 종종 콜레스테릭 상이라고 불린다. 반응성이거나 비반응성인 키랄 분자들(반전 대칭성이 부족한 분자들)은 상기와 같은 상(phase)을 유발시킬 수 있다. 이러한 상은 방향자(director)에 수직인 분자축을 가지고, 상기 방향자를 따라서 분자들의 꼬임(twisting)을 나타낸다. 인접한 분자들 간의 한정된 꼬임각은 분자들의 비대칭성 팩킹때문이며, 이는 원거리 키랄 규칙(longer-range chiral order)을 초래한다. 키랄 피치(chiral pitch)는 메소젠(mesogens)이 완전히 360° 꼬인 거리를 말한다. 피치는 온도를 조정하거나 LC 유체에 다른 분자들을 첨가함으로써 변할 수 있다.
이러한 파장 선택 미러들은 조정된 파장(예컨대, Katsis et al(1999) Chem. Mater. 11, 1590) 참조) 또는 조정된 밴드(예컨대, Broer et al(1995) Nature 378,467 참조)일 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 것처럼 용어 "도파관"은 빛을 투과시키고 입력으로부터 원하는 출력으로 광방사선을 가두는 광학적 요소들을 말한다.
본 명세서에서 사용된 것처럼 용어 "투과성 도파관"은 도파관이 입사 태양광 및/또는 광발광 물질에 의해 방출된 입사광을 가장 잘 투과시키는 것을 의미한다. 특히, 용어 "투과성 도파관"은 상기 도파관에 수직인 입사광에 대해 측정된 빛의 적어도 50%, 바람직하게는 적어도 70%를 투과시키는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 것처럼 용어 "정상 굴절률" 및 "이상 굴절률"은 정렬된 폴리머의 광축에 각각 수직이면서 평행한 정렬된 폴리머의 굴절률을 말한다.
용어 "도파관의 굴절률"은 등방성 상태에서의 도파관의 굴절률을 말한다. 특정한 경우, 예컨대, 제조 공정 동안의 유동으로 인한 복굴절률을 나타내는 지향성 도파관(oriented waveguides)이 사용될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 것처럼 용어 "중합체층"은 쉬트, 스트립, 밴드, 섬유, 리본, 우븐 및 끈(strands) 형태의 중합체 물질을 포함한다. 본 발명은 평평한 중합체층들로 제한되지 않으며, 중합체층 내의 정렬 중합체가 상기에서 정의된 것과 같은 물체의 표면에 대한 선경사각(pretilt angle)으로 배향되면, 구부러지거나, 몰딩되거나 다른 형태의 중합체층들을 포함한다.
중합체, 광발광 물질 또는 이러한 중합체들 또는 물질들에 포함된 그룹들과 관련하여 본 명세서에서 사용된 것처럼 용어 "정렬된(aligned)" 및 "배향된(oriented)"은 이러한 중합체들, 물질들 또는 그룹들 중에서 특정 공간 배향이 우세한 것을 의미하거나 가리킨다.
용어 "10-90°의 경사각을 갖는 정렬 중합체"에 의해, 정렬 중합체의 메소제닉 그룹들이 발광 물체의 표면에 대해 적어도 10-90°의 경사각으로 배향되는 것을 의미한다.
용어 "액정" 또는 "메소젠"은 하나 이상의 (세미-) 견고한 로드형, 바나나형, 보드형 또는 디스크형 메소제닉 그룹들, 즉 액정 상 거동 유발 능력을 갖는 그룹들을 포함하는 물질들 또는 화합물들을 가리키기 위해 사용된다. 로드형 또는 보드형 그룹들을 갖는 액정 화합물들은 당해 기술분야에서 칼라미틱(calamitic) 액정들로도 알려져 있다. 메소제닉 그룹들을 포함하는 화합물 또는 물질들은 액정 상태를 반드시 나타낼 필요가 있는 것은 아니다. 메소제닉 화합물들 또는 물질들, 또는 그 혼합물들이 중합화될 때, 또는 다른 화합물들과의 혼합상태에 있을 때만 액정 상태 거동을 보여주는 것도 가능하다.
간단함을 위해, 이후에 용어 "액정 물질"은 액정 물질들과 메소제닉 물질들 모두를 기술하기 위해 사용되며, 용어 "메소젠"은 물질의 메소제닉 그룹들을 위해 사용된다. 메소제닉 그룹들을 포함하는 화합물들 또는 물질들은 액정 상태를 나타내기 위해 반드시 사용되어야 하는 것은 아니다. 그들이 일정한 (중합화된) 층, 즉 도파관 상의 코팅층에서 액정 상태 거동만을 보여주는 것도 가능하다(아래 참조).
본 명세서에서 사용된 것처럼 용어 "액정 단량체"는 중합하여 구성 유닛들이 액정 중합체의 필수적 구조가 되도록 하는 물질을 말한다.
본 명세서에서 사용된 것처럼 용어 "반응성 액정 단량체"는 액정 중합체 또는 액정 중합체 망을 형성하기 위해 중합될 수 있는 반응성 그룹을 포함하는 액정 단량체를 말한다.
본 명세서에서 사용된 것처럼 용어 "액정 중합체"는 장거리 배향 규칙과, 부분 위치 규칙 또는 완전 위치 규칙 둘 중 하나를 갖는 메소모픽(mesomorphic) 상태의 중합체를 말한다(IUPAC Recommendations 2001; Pure Appl. Chem. (2002)74(3), 493-509).
본 명세서에서 사용된 것처럼 용어 "이색성 비(dichroic ratio)"는 광발광 물질의 편광 선택 흡수로부터 비롯된 이색성 비를 말한다.
이색성 비는 아래 식으로 선형 편극광을 이용한 흡수 측정으로부터 비롯된다.
R = A// / A⊥
상기 식에서, R은 이색성 비이고, A//는 정렬 중합체에 의해 유발된 정렬 방향에 평행한 입사광의 전기장을 갖는 샘플의 흡수도이며, A⊥는 정렬 중합체에 의해 유발된 정렬 방향에 수직인 입사광의 전기장을 갖는 샘플의 흡수도이다.
발광물질의 이색성 비는 본 기술 분야에서 잘 알려진 서로 다른 기술들에 의해 결정될 수 있고, 기술의 적합성은 광발광 물질 및 광발광 물질이 포함된 정렬 중합체 매트릭스의 속성에 의존한다.
구 "수직으로 정렬된(homeotropically aligned) 발광 중합체 코팅"은 광발광 물질을 포함하는 중합체 코팅을 말하며, 여기서 선경사각은 90°이다.
배향(alignment)의 용어 "선경사각(pretilt angle)"은 예컨대, 상층 표면, 수평으로 된 각을 말하며, 이는 당업자에게 잘 알려져 있다.
도 1은 발광층(1)과 도파관(2)을 포함하는 광학 적층(optical laminate)의 횡단면을 도시한다. 상기 적층은 반사 미러층(9)뿐만 아니라 두 개의 파장 선태성 및 편광 선택성 반사 콜레스테릭 층들(7, 8)을 더 포함한다. 화살표(4)로 표시된 광방사선은 좌향 콜레스테릭 층(8)과 우향 콜레스테릭 층(7)을 통하여 상기 적층으로 진입하고, 발광층(1)에 도달한다. 발광층(1) 내에서, 선경사(pretilt)로 정렬된(aligned) 광발광 분자들(3)은 입사 방사선(4)에 의해 여기되고, 화살표(5)에 의해 표시된 광방사선을 방출한다. 방출된 방사선(5)의 대부분은 출구(10, 11)에 도달할 때까지 내부로 반사되는 도파관(2)으로 진입한다. 파장-선택성 미러들(7, 8)이 발광층(1)에 재입사하는 방출된 방사선을 효과적으로 반사시키기 때문에, 콜레스테릭 층들(7, 8)은 기껏해야 방출된 방사선(5)의 작은 부분만이 상기 적층을 빠져나가도록 한다. 상기 미러 층(9)은 광방사선(4) 및 방출된 방사선(5)을 다시 도파관으로 반사시킨다.
도 2는 미러층(9)이 두 개의 콜레스테릭 층들(9a, 9b)로 대체된 점을 제외하고는 도 1에 도시된 것과 동일한 광학 적층의 횡단면을 도시한다. 방출된 방사선(5)에는 주로 반사적이지만, 광발광 염료 분자들(3)에 의해 흡수되지 않는 광방사선(12)에는 투과성이 있는 콜레스테릭 층들(7, 8, 9a, 9b)의 결합을 채용함으로써, 광방사선(12)이 완전한 적층을 통과하여 진행한다는 것을 보장할 수 있다. 이러한 특별한 적층은 창유리- 이는 입사하는 태양광의 일부분을 선택적으로 모으는 반면 다른 부분은 통과하여 진행하도록 함-에 채용할 수 있을 것이다. 상기에서 언 급한 것과 같이, 두 층들(9a, 9b) 대신, 보다 많거나 적은 층들이 사용될 수 있다.
도 3은 발광층(1)과 도파관(2)을 포함하는 광학 적층의 횡단면을 도시한다. 적층은 반사 미러 층(9)뿐만 아니라 다수의 하위 층들(7a 내지 7k)을 포함하는 중합체 스택층(7)을 더 구비한다. 화살표(4)에 의해 표시된 광방사선은 중합체 스택층(7)을 통해 적층으로 진입하고 발광층(1)에 도달한다. 발광층(1) 내에서, 경사-정렬된 광발광 분자들(3)이 입사 방사선(4)에 의해 여기되고 화살표(5)에 의해 표시된 광방사선을 방출한다. 방출된 방사선(5)의 대부분이 출구(10)에 도달할 때까지 내부적으로 반사되는 도파관(2)으로 진입한다. 중합체 스택층(7)은 파장-선택성 미러(7)가 발광층(1)에 재입사하는 방출된 방사선을 효과적으로 반사시키기 때문에, 기껏해야 방출된 방사선(5)의 작은 부분만이 상기 적층을 빠져나가도록 한다. 상기 미러 층(9)은 광방사선(4) 및 방출된 방사선(5)을 다시 도파관으로 반사시킨다. 따라서, 광학 적층으로부터 방출된 방사선에 대한 유일한 출구는 광전지 셀(13)에 광학적으로 결합된 출구(10)이다.
도 4는 발광층(1)과 도파관(2)을 포함하는 광섬유의 횡단면을 도시한다. 적층은 두 개의 파장 선택성 및 편광 선택성 반사 콜레스테릭 층들(7, 8)을 더 구비한다. 화살표(4)에 의해 표시된 광방사선은 좌향 콜레스테릭 층(8)과 우향 콜레스테릭 층(7)을 통해 상기 적층에 진입하고 발광층(1)에 도달한다. 발광층(1) 내에서, 선경사 정렬된 광발광 분자들(3)이 입사 광선(4)에 의해 여기되고 화살표(5)에 의해 표시된 광방사선을 방출한다. 방출된 방사선(5)의 대부분은 그것이 출구(10)에 도달할 때까지 내부로 반사되는 도파관(2)으로 진입한다. 파장-선택성 미러 들(7, 8)은 발광층(1)에 재진입하는 방출된 방사선을 효과적으로 반사시키기 때문에, 상기 콜레스테릭 층들(7, 8)은 방출된 방사선(5)의 기껏해야 작은 부분만이 광섬유를 빠져나가는 것을 보장한다.
도 5a는 발광 코어(1)와 도파관(2)을 포함하는 광섬유의 횡단면을 도시한다. 적층은 두 개의 파장 선택성 및 편광 선택성 반사 콜레스테릭 층들(7, 8)을 더 구비한다. 화살표(4)에 의해 표시된 광방사선은 좌향 콜레스테릭 층(8)과 우향 콜레스테릭 층(7)을 통해 상기 적층에 진입하고 발광층(1)에 도달한다. 발광층(1) 내에서, 선경사 정렬된 광발광 분자들(3)이 입사 광선(4)에 의해 여기되고 화살표(5)에 의해 표시된 광방사선을 방출한다. 방출된 방사선(5)의 대부분은 그것이 출구(10)에 도달할 때까지 내부로 반사되는 도파관(2)으로 진입한다. 이러한 파장-선택성 미러들(7, 8)은 도파관(2)의 외벽에 부딪치는 방출된 방사선을 효과적으로 반사시키기 때문에, 콜레스테릭 층들(7, 8)은 방출된 방사선(5)의 기껏해야 작은 부분만이 광섬유를 빠져나가는 것을 보장한다.
도 5b는 발광 코어(1)를 포함하는 광섬유의 횡단면을 도시한다. 적층은 파장 선택성 및 편광 선택성 반사 콜레스테릭 층(7)을 더 포함하는데, 이 실시예에서는 두 개의 층들(7, 8)을 더 구비한다. 파장-선택성 미러들(7, 8)이 코어(1)의 외벽에 부딪치는 방출 방사선을 효과적으로 반사시키기 때문에, 상기 콜레스테릭 층들(7, 8)은 방출된 방사선(5)의 기껏해야 작은 부분만이 광섬유를 빠져나가는 것을 보장한다. 광발광 물질은 (도시된 것처럼) 정렬되거나 등방성으로 정렬될 것이다(아래 참조).
도 6은 발광층(1)과 도파관(2)을 포함하는 광학 적층의 횡단면을 도시한다. 발광층(1)은 다수의 등방성으로 배열된 광발광 염료 분자들(3)을 포함한다. 입사하는 광방사선(4)은 발광층(1)으로 진입하고, 이는 모든 방향으로 광방사선(5)을 방출하도록 광발광 염료 분자들(3)을 여기시킨다. 도 1로부터 알 수 있는 것처럼, 방출된 방사선의 상당한 부분이 상부 표면(6)을 통해 발광층(1)을 떠나며, 따라서 적층이 입사 방사선을 집중시킬 수 있는 효율을 감소시킨다.
도 7은 다수의 광발광 염료 분자들(3)이 상대적으로 작은 선경사(α)에서 정렬된다는 점을 제외하고는 도 6에 도시된 것과 동일한 광학 적층의 횡단면을 도시한다. 광발광 염료 분자들(3)은 선경사 정렬에 수직인 방향에서 주로 광방사선(5)을 방출한다. 도면에 도시된 것처럼, 방사선은 발광층(1)과 도파관(2) 사이의 경계면에 대해 상대적으로 큰 각도에서 방출되며, 이는 상기 방사선의 대부분이 도파관으로 결합되도록 한다.
도 8은 다수의 광발광 염료 분자들(3)이 상대적으로 큰 선경사각(α)에서 경사-정렬되었다는 점을 제외하고는 도 6에 도시된 것과 동일한 광학 적층의 횡단면을 도시한다. 광발광 염료 분자들(3)은 경사-정렬에 수직인 방향으로 주로 광방사선(5)을 방출한다. 결론적으로, 방출된 방사선(5)의 상당한 부분이 상기 반사각이 존재하는 각도에서 발광층(1)과 도파관(2) 사이의 경계면에서 부딪칠 것이다. 이는 이러한 방사선의 대부분이 발광층(1)과 도파관(2)의 경계면(14)에서 반사될 것이라는 것을 의미한다.
도 9는 실시예 1의 결과들을 나타낸다.
도 10은 본 발명에서 사용된 것과 같은 측정 셋업을 개략적으로 도시한다.
도 11은 실시예 2의 결과들을 나타낸다.
도 12는 본 발명에서 사용된 것과 같은 측정 셋업을 개략적으로 도시한다.
도 13a-13c는 본 발명에 따른 다수의 일반적 실시예들을 개략적으로 도시하며, 여기서 적층(1)은 다수의 등방성으로 배열된 광발광 염료 분자들(3)을 포함한다. 도 13a는 발광층(1)과, 좌향 또는 우향 원형 편극광을 반사시키는 파장 선택성 미러들(7, 8)을 포함하는 파장-길이 선택성 미러를 구비한 일반적 실시예를 개략적으로 도시하며, 바람직하게는 콜레스테릭 층을 포함한다. 도 13b는 두 개의 선택성 미러 층들(7, 8)을 포함하고, 바람직하게는 콜레스테릭 층-이는 바람직하게는 각각 좌향 및 우향 원형 편극광을 반사시킨다-을 포함하는 실시에를 개략적으로 도시한다. 도 13c는 다수의 파장 선택성 미러들(7)(또는 8)을 구비한 실시예를 개략적으로 도시하며, 여기서 모든 층들은 원형 또는 선형 편극광에 반사된다. 바람직하게는, 이러한 층들은 콜레스테릭 층들-이들은 바람직하게는 좌향 또는 우향 원형 편극광을 모두 반사시킨다-을 포함한다. 즉, 다수의 콜레스테릭 층들을 구비하며, 각각이 좌향 또는 우향 원형 편극광을 반사시키는 실시예를 나타낸다. 당해 기술의 당업자에게 자명한 것과 같이, 이러한 실시예들의 조합도 가능하다. 도시되지 않았지만, 발광층(1)에 추가하여, 도 1-5a, 14a-e 및 16a-16c에 도시된 것처럼 도파관(2) 및 하나 이상의 미러들(9, 9a, 9b 또는 다른 층들)이 있을 수 있다. 예컨대, 도 1-5a, 14a-e 및 16a-16c의 발광층(1)은 도시된 정렬을 대신하여 다수의 등방성으로 배열된 광발광 염료 분자들(3)을 포함할 수 있다. 이는, 예컨대, 도 1-5b, 14a-e, 15 및 16a-16c에 도시된 것처럼, 실시예에서의 층(1)이 정렬된 광발광 분자들(3) 대신 등방성으로 배열된 광발광 분자들(3)을 포함할 수 있다는 것을 의미한다. 어떤 분리된 도파관(2)도 존재하지 않는 경우, 광발광 분자들은 바람직하게는 등방성으로 배열된다; 도파관(2)이 등방성으로 존재하는 경우, 정렬된 광발광 분자들(3)이 존재할 수 있다.
도 14a-14e는 LSC 및 광전지 셀(13)을 포함하는 본 발명에 따른 디바이스들의 실시예들을 개략적으로 도시한다. 미러(9) 대신, 하나 이상의 콜레스테릭 층들이 또한 사용될 수 있다(도 5 참조).
도 15는 다수의(즉, 여기서는 2이상의) LSCs와 광전지 셀(13)을 포함하는 본 발명에 따른 디바이스의 실시예를 개략적으로 도시한다. 광결합은 도파관(16)(예컨대, 광섬유들)을 통해 달성될 수 있다. 도파관(2)으로부터의 방사선은 시준기들(25)에 의해 도파관(26)으로 선택적으로 조준될 것이다.
도 16a (미러(9) 또는 하나 이상의 콜레스테릭 층들이 포함되어 있지 않음) 및 16b는 도 1 및 14b에 대한 변형들을 개략적으로 나타낸다(하지만, 다른 실시예들에 대한 변형들로서 적용될 수도 있다). 도 16c는 도 1에 대한 다른 변형을 개략적으로 나타낸다(하지만, 또한 다른 실시예들에 대한 변형으로서 적용될 수 있을 것이다).
이러한 개략적 도면들은, 당해 기술분야의 당업자에게 자명한 것과 같이, 예컨대, 하나 이상의 콜레스테릭 층(들)을 정렬하기 위한 정렬층들 또는 정렬된 중합체 층(들)을 형성하기 위한 정렬층들과 같은 다른 요소들의 존재를 배제하는 것은 아니다.
또한, 도 1-5a 및 14a-14e를 참조하면, 본 발명은 도파관(2)과 발광층(1)의 위치가 서로 바뀔 수 있는 실시예들과도 관계된다. 예컨대, 도 1을 참조해보면, 이는 다음의 시퀀스를 갖는 스택을 제공할 것이다: 클레스테릭 층(8), 콜레스테릭 층(7), 도파관(2), 발광층(1), 반사경(9) (도 16a 참조). 예컨대, 도 14a를 참조하면, 이는 다음 시퀀스를 갖는 스택을 제공할 것이다: 콜레스테릭 층(8), 콜레스테릭 층(7), 도파관(2), 정렬층(20), 발광층(1), 반사경(9) (도 16b 참조). 마찬가지로, 이는 본 명세서에서 기술되고 개략적으로 도시된 다른 실시예들에 적용된다.
발광 태양 전지는 DE 2737847에도 설명되어 있다. 이는 기체(공기)를 포함하는 전지들로 변경된 형광 용액들을 함유하는 전지들을 포함한다. 하지만, DE 2737847의 LSC는 도파관을 포함하거나 정렬 중합체 내에 고정되어 있는 지향성 광발광 물질을 개시하고 있지도 않으며, 여기에서 정렬 중합체는 발광 물체의 표면에 대해 10-90°의 선경사각을 가진다. 또한, D1은 간섭 필터들의 사용을 개시하고 있으나, 파장 선택성 미러로서 콜레스테릭 물질의 사용을 개시하고 있지는 않다. 따라서, LSC 또는 보다 자세하게는, DE 2737847의 발광체는 본 명세서에 기술된 LSC 및 발광체의 장점을 제공하지 않는다. 발광층들 및 파장-선택성 층들은 US2002/07035, EP0933655 및 US2004/0105617에도 공지되어 있지만, 이러한 문헌들 중 어느 것도 발광층 및 콜레스트롤 물질을 포함하는 파장 선택성 미러를 기술하고 있지는 않다.
본 발명의 제 1태양은, a. 발광층 또는 광발광 물질을 포함하는 코어와; 그리고, b. 파장-선택성 미러를 포함하는 발광체에 관한 것으로서, 상기 발광층 또는 발광 코어는 임의적으로 파장-선택성 미러와 결합되고, 상기 파장-선택성 미러는 광발광 물질에 의해 흡수된 빛에 적어도 50% 투과성이 있고, 광발광 물질에 의해 방출된 방사선에 적어도 50% 반사성이 있다.
광발광 물질에 의해 방출된 방사선에 대한 파장 선택성 미러의 반사율이 실질적으로 상기 광발광 물질에 의해 흡수된 광방사선에 대한 동일한 미러의 반사도를 초과한다는 것이 본 발명의 목적의 본질적 측면이다. 바람직하게는 방출된 방사선에 대한 반사도는 흡수된 방사선에 대한 반사도의 적어도 50%, 보다 바람직하게는 적어도 80%, 가장 바람직하게는 적어도 100%를 초과한다.
파장-선택성 미러로부터의 완전한 장점을 위해, 상기 미러는 발광층 일면의 적어도 80% 또는 발광 코어의 외부 표면의 적어도 80%를 커버링하고 있어야 한다. 더욱이, 상대적으로 얇은 파장-선택성 미러를 채용하는 것이 바람직하다. 전형적으로, 파장-선택성 미러의 두께는 100㎛를 초과하지 않으며, 바람직하게는 20㎛를 초과하지 않는다. 보통, 전술한 미러의 두께는 5㎛를 초과할 것이다. 본 발명의 파장-선택성 미러는 적절하게는 파장 선택성 미러로서 함께 기능하는 둘 이상의 층들, 즉 중합체 스택 또는 콜레스테릭 층들의 조합을 포함한다는 것에 유의해야 한다.
전술한 배치(arrangement)의 효율성은 광발광 물질에 의해 흡수된 빛에 대한 파장-선택성 미러의 투과성과 방출된 방사선에 대한 동일한 미러의 반사도에 의존한다. 바람직하게는, 두 파라미터들은 최대화되고, 실제로 두 파라미터들을 독립적 으로 극대화하기는 어렵다. 광발광 물질에 의해 흡수된 빛에 적어도 60%, 바람직하게는 70%, 보다 바람직하게는 적어도 80%, 그리고 가장 바람직하게는 적어도 90% 투과성이 있는 파장-선택성 미러를 제공할 수 있다. 더욱이, 광발광 물질에 의해 방출된 방사선에 적어도 60%, 바람직하게는 70%, 보다 바람직하게는 적어도 90%의 반사성이 있는 파장-선택성 미러가 제공되는 것이 가능하다.
본 물체가 광발광 물질에 의해 방출된 방사선을 모으는 효율은 결정적으로 파장-선택성 미러가 상기 방사선을 반사하는 효율에 의존한다. 전형적으로, 파장-선택성 미러는 500-2000㎚, 바람직하게는 600-2000㎚, 가장 바람직하게는 630-1500㎚ 이내의 파장을 갖는 광방사선에 대해 최대 50%, 바람직하게는 적어도 60%, 보다 바람직하게는 적어도 70%의 최대 반사율을 나타낸다.
마찬가지로, 그리고 특히, 파장-선택성 미러가 발광층/코어와 입사 광방사선을 받도록 된 표면 사이의 임의의 곳에서 분리층으로 위치할 경우, 광발광 물질을 여기시킬 수 있는 고에너지 방사선이 높은 효율로 상기 미러에 의해 전달되는 것이 중요하다. 따라서, 파장-선택성 미러는 바람직하게는 350-600㎚ 이내, 바람직하게는 250-700㎚ 이내, 더욱 바람직하게는 100-800㎚의 범위 내의 파장을 갖는 광반사선에 대해 적어도 60%, 바람직하게는 적어도 70%의 최대 투과율을 나타낸다.
광발광 물질에 의해 방출된 방사선의 파장이 불가피하게 상기 물질에 의해 흡수된 방사선의 파장을 초과하기 때문에, 최대 반사도는, 바람직하게는 적어도 30㎚, 더욱 바람직하게는 적어도 50㎚, 보다 바람직하게는 적어도 100㎚만큼 최대 투과도를 초과하는 파장에서 발생하는 것이 바람직하다.
본 발명의 발광체에서 채용된 파장-선택성 미러는 중합체 파장 선택성 미러 및/또는 편광 선택성 미러를 포함하는 것이 유용할 것이다.
유용한 실시예에서, 파장-선택성 미러는 광발광 물질에 의해 흡수된 빛에 적어도 50%, 바람직하게는 적어도 60%, 보다 바람직하게는 적어도 70% 투과성이 있고, 적절한 편광으로 원형 또는 선형으로 편극된 방사선, 특히 광발광 물질에 의해 방출된 원형 또는 선형으로 편극된 방사선을 적어도 50%, 바람직하게는 적어도 70% 반사시키는 편광 선택성 미러를 포함한다. 이러한 유용한 배치는 중합체 스택층들 및/또는 콜레스테릭 층들을 포함하는 파장-선택성 미러를 채용함으로써 실현될 것이다.
본 발명의 발광체는 유용하게는 키랄 네마틱 중합체의 콜레스테릭 층을 구비하는 파장-선택성 미러를 포함할 것이다. 보다 바람직한 실시예에서, 중합체 파장-선택성 미러는 우향 원형 편극광을 반사시키는 제 1콜레스테릭층과 좌향 원형 편극광을 반사시키는 제 2콜레스테릭 층을 포함한다. 후자의 실시예에서, 발광층은 콜레스테릭 층들과 도파관 사이에 삽입되거나, 대안적으로, 도파관이 콜레스테릭 층들과 발광층 사이에 삽입된다. 바람직하게는, 발광층은 인접하는 콜레스테릭 층들과 도파관 사이에 삽입된다. 콜레스테릭 층들은 원형으로 편극된 방사선의 좁은 밴드를 효율적으로 반사시킬 수 있다. 콜레스테릭층의 나선형 배향에 의존하면서, 상기 층은 우향 또는 좌향 원형 편극된 방사선 중 하나를 반사시킬 것이다. 반대의 나선형 배향들을 갖는 두 개의 콜레스테릭 층들을 채용함으로써, 우향 및 좌향 원형 편극광이 효율적으로 반사될 것이다.
본 발명의 발광체는 또한 키랄 네마틱 중합체의 하나 이상의 콜레스테릭 층(들)을 포함하는 파장-선택성 미러를 포함하는 유리한 점이 있다. 바람직하게는, 중합체 파장-선택성 미러는 우향 원형 편극광을 반사하는 콜레스테릭 층과 좌향 원형 편극광을 반사하는 콜레스테릭 층으로 구성된 그룹들로부터 선택된 하나 이상의 층들을 포함한다. 실시예에서, 발광성 정렬 중합체 층은 콜레스테릭 층(들)과 도파관 사이에 삽입되거나 도파관은 콜레스테릭 층(들)과 발광 정렬 중합체 층 사이에 삽입될 수 있을 것이다. 바람직하게는, 발광성 정렬 중합체층은 인접한 콜레스테릭 층들과 도파관 사이에 삽입된다.
특정 변형들에서, 중합체 파장-선택성 미러는 우향 원형 편극광을 반사하는 하나 이상의 콜레스테릭 층(들) 또는 좌향 원형 편극광을 반사하는 하나 이상의 콜레스테릭 층(들)을 포함하거나 이들 모두를 포함한다. "간단한" 우향- 및 좌향의 두 층 시스템은 예컨대, 빛의 75㎚ 밴드폭을 반사시킬 뿐이다. 밴드를 넓히는 것이 가능하지만, 당해 기술 분야에서 이것은 간단한 것처럼 보이지 않는다. 본 발명에 따르면, 서로의 상부(top)에 연속적인 우향 콜레스테릭들을 적층하고, 다음으로 반대로 서로의 상부에 좌향된 것 또는 우향 및 좌향 층들의 임의의 조합에 의해 반사된 파장의 밴드를 확장시키는 것이 보다 용이해지는 이점이 있다. 전체 샘플들에 대한 콜레스테릭들의 단지 하나의 핸디드니스, 즉 예컨대 2-5 개의 좌향 층들 또는 2-5 개의 우향 층들을 이용하는 것 역시 용이하게 생각할 수 있다. 본 발명은 2-층 시스템에 제한되는 것은 아니다.
네마틱 물질로 혼합된 키랄 물질은 물질을 키랄 네마틱 물질로 변환시키는 나선형 꼬임(helical twist)을 유발시키며, 이는 콜레스테릭 물질과 유사하다. 키랄 네마틱 물질의 콜레스테릭 피치는 다소 큰 범위에 걸쳐서 비교적 용이하게 변화될 수 있다. 키랄 물질에 의해 유발된 피치는, 제 1 근사에서, 사용된 키랄 물질의 농도에 반비례한다. 이러한 관계의 비례 상수는 키랄 물질의 나선현 꼬임력(HTP)이라고 불려지며 다음 식에 의해 정의된다:
HTP = 1/(cP)
여기서, c는 키랄 물질의 농도이고, P는 유발된 나선형 피치이다.
나선형 구조를 유발할 수 있는 광학적으로 활성인 화합물들은 일반적으로 "키랄 도펀트"라고 불린다. 많은 키랄 도펀트들이 합성되고, 이에 대한 전형적인 예들은 다음의 구조에 의해 표현된 화합물들을 포함한다:
2,2-디메틸-4,5-디페틸-1,3-디옥소란
ZLI 811,벤조산,4-헥실-,4-[[(1-메틸햅틸)옥시]카르보닐]페닐 에스테르(9CI)
콜레스테릭 층 또는 콜레스테릭 층들의 조합은 발광층 또는 발광 코어에 의 해 방출된 광방사선을 반사시키고, 주로 100-600㎚, 바람직하게는 250-700㎚, 그리고 가장 바람직하게는 350-800㎚ 범위 내의 파장을 갖는 광방사선에 투과된다.
다른 실시예에서, 본 발명의 발광체는 추가적으로 광발광 물질에 의해 방출된 방사선에 강하게 반사하는 중합체 스택층의 형태로 파장-선택성 미러를 포함한다. 특히, 중합체 편광 선택성 미러는 편극광의 한 평면을 반사시키는 제 1중합체 스택층과 편극광의 반대 평면을 반사시키는 제 2중합체 스택층을 포함하는데, 여기서 발광층이 중합체 스택층들과 도파관 사이에 삽입되어 있거나 도파관이 중합체 스택층들과 발광층 사이에 삽입되어 있다.
특정 실시예에서, 발광체가 제공되는데, 여기서 파장-선택성 미러는 빛의 일 편광을 반사시키는 제 1중합체 스택 층과 빛의 반대 편광을 반사시키는 제 2중합체 스택 층을 포함하며, 두 중합체 스택층들은 발광층과 동일한 쪽에 위치하거나 발광 코어 외부에 위치된다.
중합체 스택층들은 특정 파장 범위 내에서 광학적 방사선을 선택적으로 반사시킬 수 있다. 중합체 스택층들은 다층 반사면들(reflectors)로 불려지기도 하며, 또한 반사와 투과 사이의 전자기 스펙트럼의 구획부분들로 사용되기도 한다. 중합체 스택층들은 전형적으로 광 스택 내의 적어도 두 종류의 서로 다른 물질들로 된 다수의 층들을 채용한다. 층들의 경계에서 실질적으로 빛을 반사시키기에 충분히 다른 스택의 적어도 하나의 인-플레인 축을 따라 굴절률들을 가진다. 중합체 스택 층들은 정상 및/또는 기울어진 입사각들로 입사하는 광방사선을 반사시키는 것으로 해석될 수 있다.
바람직하게는, 본 발명의 발광체에서 채용된 중합체 스택 층들은 600㎚ 이상, 보다 바람직하게는 700㎚ 이상, 가장 바람직하게는 800㎚ 이상의 광방사선을 반사시키도록 설계되어 있다. 바람직한 실시예에서, 발광층은 중합체 스택층과 도파관 사이에 삽입되어 있다.
본 발명에 따르는 파장-선택성 미러들로 채용된 중합체 스택층들은 본 명세서에 참조로 통합된 US 6,157,490 및 Weber, M.F.et al.Science 287,2451에 기술된 방법을 이용하여 적절하게 준비될 것이다.
본 발명에 따라 채택된 광발광 물질은 전형적으로 100㎚ 내지 2500㎚의 범위에 있는 파장을 갖는 광방사선을 방출한다. 바람직하게는, 광발광 물질은 250-1500㎚, 보다 바람직하게는 400-1000㎚의 범위에서 방사선을 방출한다. 많은 응용들에 대해 최적의 광발광 물질은 다소 장파장을 갖는 좁은 방출 범위뿐만 아니라 대부분의 태양 스펙트럼을 커버링하는 넓은 흡수 범위를 갖는다. 따라서, 광발광 물질은 들어오는 태양 방사선을 흡수하고 다른 파장에서 그것을 방출한다. 본 발명의 발광체에서 채용된 광발광 물질은 전형적으로 800㎚ 이하, 바람직하게는 700㎚ 이하, 가장 바람직하게는 600㎚ 이하에서 최대 흡수를 갖는 흡수 곡선을 가진다.
LSC-시스템의 요소로서 본 발명의 발광체의 효율은 배향된 광발광 물질을 함유하는 정렬 중합체를 포함하는 발광층 또는 발광 코어를 채용함으로써 극적으로 증가될 수 있다는 것을 본 발명자들이 발견하였다. 중합체의 정렬은 광발광 물질의 배향을 유발하기 위해 사용된다.
비정렬된, 등방성 광발광 물질에 의해 방출된 방사선은 LSC-시스템의 평면에 수직으로 비추기 위해 LSC-시스템에 수직인 방출 방향에 대한 약간의 선호도를 가진채, 모든 방향으로 진행한다. 다시 말해서, 빛의 대부분은 파장 안내 모드(waveguiding mode) 외부에서 방출되고 도파관 내로 전달되지 않는다. 중합체 내의 광발광 물질의 적절한 정렬은 배향된 광발광 물질에 의해 방출된 빛의 대부분이 LSC-시스템의 파장 안내 모드로 조사되는 것을 보증한다.
따라서, 상당한 선경사각에서의 정렬의 경우, 방사선이 도파관 내로 매우 효율적으로 결합되도록 하는 각도에서 방출될 것이다. 대안적으로, 큰 선경사각에서의 정렬의 경우, 비교적 방출된 방사선의 대부분은 전반사의 원형 각도보다 큰 각도로 공기와 함께 발광체의 경계면을 만나게 되고, 발광체의 내부에 머무르게 될 것이다. 결론적으로, 정렬된 광발광 물질의 사용은 지금까지 가능했던 것보다 LSC-시스템 내에서 방출되는 빛의 훨씬 많은 부분을 포함하는 것이 가능하도록 한다. 그 결과, 본 발명은 LSC 시스템들의 작동 효율이 25% 이상 정도 증가하는 것이 가능하도록 한다.
따라서, 본 발명의 바람직한 실시예는 발광체와 관계되며, 여기서 발광층 또는 발광 코어는 배향된 광발광 물질을 함유하는 정렬 중합체를 포함하고, 상기 정렬된 중합체는 10-90°의 선경사각을 가진다. 방출된 빛이 물체의 표면에 대해 상대적으로 작은 각도에서 광발광 물질에 의해 방사되는 경우(상대적으로 큰 선경사각의 사용을 요구하는 경우), 방출된 빛은 상기 표면에 평형한 평면, 예컨대 출구 에서 또는 광전지 디바이스 내에서 효율적으로 전달될 수 있다. 따라서, 본 발명의 필름은 분리된 도파관없이, 즉 LSCs에 적용될 수 있다. 이러한 특별한 경우에, 큰 스토크 쉬프트(Stokes Shift)를 가지고/가지거나 재흡수 현상에 의한 큰 빛 손실을 피하기 위하여 흡수 및 발광 스펙트럼 사이에 거의 중첩되지 않는 광발광 물질을 사용하는 것이 매우 유용하다.
실시예에서, 발광층 및 도파관을 포함하는 발광체가 제공되는데, 여기에서 상기 발광체는 광학적 적층 또는 광섬유이고, 도파관에 광학적으로 결합되며, 배향된 광발광 물질을 함유하는 정렬 폴리머를 포함하며, 상기 배향된 광발광 물질은 정렬 중합체 내에 고정되어 있고, 상기 정렬 폴리머는 발광체의 표면에 대해 10-90°의 선경사각을 가진다.
도파관으로 방출된 빛의 이동(또는 인커플링) 효율이 본 발명에 의해 아주 강화되기 때문에, 특히 광발광 물질이 30-70° 내의 선경사각으로 배향되면, 본 발명에 따른 발광체는 (형광 염료없이도) 광학적으로 (투과성의) 도파관에 결합될 수 있다. 본 발명의 발광체의 광학적 결합은 발광체가 분리층으로 도파관상에 결합되는 다층 구조(예컨대, 광학적 라미네이트 또는 다층 광섬유)를 만듦으로써 적절하게 달성될 수 있다.
전형적으로, 광발광 물질은 본질적으로 정렬 폴리머의 메소제닉 그룹들과 같은 방향으로 발광층/코어 내에 정렬된다. 이색성 광발광 물질들이 정렬 중합체의 매트릭스, 예컨대 액정 중합체 내에 상대적으로 용이하게 배향될 수 있을 때, 이색성 광발광 물질들은 본 발명에 따른 사용에 특히 적절하다.
메소젠은 반응성 메소젠 또는 비반응성 메소젠일 수 있다. 비반응성 메소젠 들의 적절한 예들로는 MerckTM로부터 이용가능한 것들, 예컨대, 그들의 제품 폴더에 기술된 것처럼 전기-광 디스플레이를 위한 리크리스탈® 액정 혼합물(Licristal® Liquid Crystal Mixtures for Electro-Optic Display (2002년 5월))-비반응성 메소젠들에 관한 내용이 참조로서 본 명세서에 통합되어 있다-이 있다.
적절한 반응성 메소젠들의 예들로는 아크릴레이트, 메타크릴레이트, 에폭시, 비닐-에테르, 스티렌, 티올렌 및 옥센탄(oxethane) 그룹들을 포함하는 것들이 있다. 적절한 예들은 예컨대, 중합가능한 메소제닉 화합물들과 중합가능한 액정 물질들로 WO04/025337에 언급되어 있는 반응성 메소젠들에 관한 내용이 있는 WO04/025337에 기술되어 있고, 이는 본 명세서에 참조로서 통합되어 있다. 또한, 반응성 메소젠들의 혼합물들이 사용될 수 있다(MerckTM 반응성 메소젠들, Brighter clearer communication).
반응성 및 비반응성 메소젠들의 혼합물들 또한 사용될 수 있다. 혼합물의 경우, 사용된 모든 메소젠들은 바람직하게는 최종 층에 정렬된 상태로 존재한다.
액정 중합체들의 경우, 액정 반응성 단량체에 형광 물질을 통합시키고/시기커나 용해시키는 것이 유리하다. 이러한 단량체들은 (플로우, 자기, 전기적, 폴링, 기계적 드로잉) 필드의 존재하에 또는 정렬층(완충되거나 완충되지 않은 폴리이미드, 선형으로 광중합 가능한 물질들 등)의 존재하에 용이하게 정렬된다. 발생된 선경사는 본 기술의 당업자에 의해 용이하게 제어될 수 있다(예컨대, Sinha et al (2001) Appl.Phys.Lett. 79,2543 참조). 반응성 단량체 (혼합물)의 적절한 정렬 후 에, 액정 단량체의 중합을 유발시키는 열 또는 방사가 이행된다. 특정한 경우, 적절한 중합 개시제들을 첨가하는 것이 유리하다. 예컨대, 자외선으로 중합하는 경우, UV-개시제(예컨대, Irgacure 184, Ciba Specialty Chemicals 참조)가 사용되고, 열중합의 경우에는 적절한 열 개시제(예컨대, 2-2'-아조비시소부티로니트릴 (AIBN), Aldrich Chemicals)가 사용된다.
여러 가지 종류의 선경사 배향들을 식별하는 것이 가능하다. 선경사 배향의 전형적인 예에 따르면, 액정층 내의 액정 분자들의 방향자(director)는 필름 두께 방향으로 임의의 위치에서 거의 동일하다. 층 표면 중 하나 근처에서, 방향자가 일반적으로 상기 표면에 평형한 배향을 제공하는 것이 또한 가능하다. 그리고 상기 층의 반대 표면에 접근할 때, 방향자는 수직 배향 또는 수직에 가까운 배향된 상태(비스듬한 구조)를 나타내면서 점차적으로 변경된다. 경사 배향-여기서, 층의 평면에 대한 방향자와 방향자의 프로젝션 간의 각도는 층 두께 방향으로 임의의 지점에서 일정하다-과 배향-상기 각은 층 두께 방향으로 계속적으로 변화한다- 모두는 본 명세서에서 언급된 것처럼 선경사 배향의 범위에 포함된다.
바람직한 실시예에서, 본 발명의 발광체는 배향된 광발광 물질을 포함하는 정렬 중합체의 적어도 하나의 층을 포함하며, 여기서 상기 층의 상부 표면은 발광체의 상부 표면과 일치하거나 평행하게 연장된다. 이러한 발광체는 아주 효율적인 방식으로 입사하는 광방사선을 모으도록 채용될 수 있다.
본 발명의 발광체는 정렬 중합체와 배향된 광발광 물질을 포함하는 하나 이상의 층들을 포함할 수 있을 것이다. 수 개의 이러한 층들의 사용은 각 층이 광방 사선의 특정 밴드폭을 흡수하여 전체 필름이 광방사선의 광범위한 스펙트럼을 흡수하고 집중시킬 수 있도록 하는 이점을 제공한다. 수개의 층들의 사용은 개별적 광발광 염료들의 선호도에 의해 또는 특정 경사-정렬들을 달성할 필요성에 의해, 기재된 것처럼 상이한 중합체들이 각 층에서 사용되도록 한다.
발광체에 채용된 광발광 물질은 정렬 중합체를 배향된 광발광 물질로 도핑함으로써 정렬 중합체로 적절하게 혼합될 것이다. 대안적으로, 배향된 광발광 물질은 상기 정렬 중합체에 공유결합될 수 있다. 본 발명의 또 다른 적절한 실시예에 따르면, 배향된 광발광 물질은 정렬 중합체의 메소제닉 그룹이다.
본 발명의 발광체 내의 배향된 광발광 물질은 단일 발광 성분으로 이루어질 수 있거나 그것은 발광 성분들의 혼합물을 포함할 수 있다. 각각이 상이한 파장의 광방사선을 흡수하는 발광 성분들의 조합을 채용하는 것이 유리할 수 있다. 따라서, 발광 성분들의 적절한 조합을 선택함으로써, 본 발명의 발광체에 함유된 광발광 물질이 광방사선의 넓은 밴드, 예컨대 태양 방사선 스펙트럼의 주요부를 흡수하는 것이 확실해질 수 있다. 본 발명의 발광체가 다수의 층들을 포함하는 경우, 상이한 층들에 상이한 광발광 물질들을 적용하는 것이 유리할 것이다. 자연히, 발광 성분들의 조합이 이용되면, 발광광 성분들의 이러한 조합이 방사선을 방출하고 흡수하는 방장들 사이에서 중첩이 거의 없거나 없도록 하기 위해 조치가 취해져야 한다. 강한 중첩이 있는 경우, 상기 조합은 캐스케이드(cascade)로서 작용해야 하며, 이는 하나의 광발광 성분에 의해 방출되고 다른 성분에 의해 흡수된 방사선이 후자의 성분이 발광되도록 한다는 것을 의미한다.
본 발명의 발광체에서 채용된 배향된 광발광 물질은 바람직하게는 적어도 2.0, 보다 바람직하게는 적어도 3.0, 가장 바람직하게는 적어도 5.0의 이색성 비를 가진다. 평면 배향에서, 이색성 광발광 물질은 광방사선 중 하나의 선형 편광 방향을 흡수하는데, 이는 실질적으로 다른 것들보다 큰 범위에 있다.
이색성 광발광 물질들은 특히 본 발명의 발광체 사용을 위해 적합하다. 바람직한 실시예에 따르면, 배향된 광발광 물질은 유기 및/또는 중합체 광발광 염료들을 포함한다. 본 명세서에서 사용된 것처럼, 용어 "광발광 염료"는 자체적으로 색을 발하고 따라서 가시 스펙트럼, 가능하게는 자외선 스펙트럼(100 내지 800㎚의 범위에 있는 파장)을 흡수하는 염료를 의미하지만, 이는 표준 염료와 달리, 흡수된 에너지를 스펙트럼의 가시 영역에서 주로 방출되는 장파장의 형광 빛으로 변환시킨다. 광발광 염료들은 높은 양자 효율, 양호한 안정성을 가져야 하고, 고순도이어야 한다. 염료는 보통 10-1부터 10-5까지의 몰 농도로 존재한다. 본 발명에 따라 적절하게 채용될 수 있는 유기 광발광 염료의 전형적인 예들로는 (DCM과 같은) 치환된 피란, (쿠머린 30과 같은) 쿠머린, (로다민 B와 같은) 로다민, BASF®LumogenTM 시리즈, 퍼리렌 유도체들, Exiton® LDS 시리즈, 닐 블루, 닐 레드, DODCI, 옥사진, 피리딘, "스티릴" 시리즈(Lambdachrome®), 디옥사진, 나프탈이미드, 씨아진 및 스틸벤들이 있으나, 이들로 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 본질적 태양은 배향된 광발광 물질이 정렬된 폴리머 매트릭스 내에 고정되어 있다는 것이다. 액정 중합체에 기반하고, 광발광 물질을 포함하는 발 광체는 여러 가지 방법으로 정렬될 수 있다. 액정 중합체들의 경우, 종종 반응성 액정 단량체를 정렬하고 다음으로 전술된 것처럼 단량체를 중합시키는 것이 바람직하다. (대부분의 액정 중합체들에 비해) 액정 단량체들이 용이하게 배향되기 때문에 보통 이러한 절차가 채택된다.
발광체의 표면은 보통 액정 단량체/중합체의 적절한 정렬을 유발하는 배향층으로 제공된다. 일부 가능한 배향층들은 다음과 같다:
a. (완충되거나, 마찰되거나, 완충되지 않거나 마찰되지 않은) 폴리이미드 정렬층들이 평면 또는 수직 배향 정렬을 갖고/갖거나 특정 선경사를 갖는 정렬된 액정 중합체들을 생성하기 위해 사용된다. 전형적인 예들로는 평면 정렬을 위한 옵티마 A1 1051(예, JSP 마이크로)와 수직배향 정렬을 위한 1211 폴리이미드 바니쉬(예, 닛산 케미컬)가 있다:
b. 소위 선형 광중합가능한 물질들(LPP)은 잘 정의된 경사를 갖는 정렬층으로 사용될 수 있다(예컨대 StaralighTM, Vantico AG, Basel, CH).
액정의 정렬을 위한 다른 기술들은 다음을 포함한다:
a. 뾰족하거나 무딘 첨필로 기록하기, Sio2의 오블리크 증발 또는 스퍼터링, 무기제품의 스침각 증착, 폴리메타크릴레이트 층들로 도핑된 구리 프탈로시아닌 증착된 랭뮤어 브랏지, 그리고 다이아몬드-유사 탄소 박막층들(예컨대, 참조문헌: Varghese et al (2004) Appl.Phys.Lett.85,230; Motohiro, T. and Taga, Y. (1990) This Solid films 185,137; Castellano,J.A.(1984)4,763;Robbie,K.et al(1999) Nature 399,764, Lu,R.et al(1997) Phys.Lett.A 231,449,Hwang, J-Y et al(2002) Jpn. J.Appl.Phys.41,L654).
b. 계면활성제, 예컨대 실란, 고급 알콜(예컨대, n-도데카놀) 등과 같은 것을 유도하는 정렬dl 액정들의 정렬을 추가적으로 조정하기 위해 사용될 수 있다.
c. 액정 중합체에 도펀트를 유도하는 얼라인먼트 첨가.
d. 발광체에 기계적 드로잉, 플로우, 자기적, 전기적 폴링 필드 적용.
e. 가열된 롤러들 상에 발광체를 통과하는 스멕틱-A 배향을 갖는 중합체들 정렬. 결과적인 완전한 변형은 메소제닉 그룹들이 배향되도록 한다.
f. 스멕틱-C 배향에서 시스템을 트랩핑하기 위해 메소젠들의 중합 반응을 개시에 이어 (적절한) 열처리에 의해 스멕틱-C 배향을 달성하는 반응성 메소젠들을 이용함으로써 액정 정렬하기.
30-80°의 선경사를 갖는 정렬 중합체를 포함하는 발광체를 준비하기에 특히 적절한 기술들이 Hwang, Z. and Rosenblatt, C. Appl. Phys. Lett. 86,011908, Lu, M.Jpn.J.Appl.Phys. 43,8156, Lee, F.K. et al Appl.Phys. Lett.85,5556. The StaralignTM linearly photopolymerizable polymer system (Vantico AG), Varghese, S.et al. Appl. Phys.Lett.85,230, and Sinha, G.p.et al.Appl.Phys.Lett.79,2543에 기술되어 있다. 이러한 공개문헌들은 참조로서 본 명세서에 통합된다.
특히, 본 발명의 이점은, 정렬 폴리머가 85°이하, 바람직하게는 80°이하의 선경사각에서 정렬되는 발광 중합체들, 특히 평평한 중합체들에서 표명된다. 바람직하게는, 선경사각은 10-89°, 보다 바람직하게는 10-85°, 더욱 바람직하게는 15-85°이다; 보다 바람직하게는 30-80°; 바람직하게는 30-70°의 범위, 보다 바람직하게는 35-65°범위, 가장 바람직하게는 40-60°의 범위이다.
특히, 도파관과 결합하여 평평한 발광체들이 사용될 경우, 10-89°, 보다 바람직하게는 10-85°, 더욱 바람직하게는 15-85°, 보다 바람직하게는 30-80°범위 내의 선경사각에서 정렬되는 중합체를 채용하는 것이 유용하다; 바람직하게는 30-70°의 범위, 보다 바람직하게는 35-65°, 가장 바람직하게는 40-60°의 범위. 이러한 선경사각의 적용은 도파관 내로 방출된 방사선의 아주 효율적인 인커플링을 가능하게 한다. 전술한 것처럼, 본 발명의 이점들은 광발광 물질의 정렬로부터 발생한다. 광발광 물질의 정렬은 정렬된 중합체 매트릭스 내의 광발광 물질을 고정시킴으로써 이루어진다. 이러한 정렬된 중합체 매트릭스 내의 광발광 물질의 우세한 배향은 상기 중합체 매트릭스의 정렬과 일치한다. 따라서, 광발광 물질에 대한 선호되는 배향각이 정렬된 중합체와의 관계에서 상기에서 언급한 것과 동일하다는 것이 이해되어져야 할 것이다.
본 발명의 발광체가 비평면인 경우, 특히 상기 발광체가 광섬유인 경우, 실시예에서, 50°, 특히 70° 이상의 선경사각이 유용할 수 있다. 가장 바람직하게는, 본 발명의 발광체가 광섬유인 경우, 선경사각은 80°를 초과한다. 그러나, 또 다른 바람직한 실시예에서, 선경사각은 30-70°, 보다 바람직하게는 35-65°, 가장 바람직하게는 40-60°의 범위에 있다.
평면 발광체 내의 광발광 물질의 정렬 레벨은 오더 파라미터에 의해 적절하게 정의될 수 있다. 오더 파라미터는 다음으로 정의된다.
S = (A// -A⊥)/(A// + 2A⊥)
여기서, A//는 정렬 방향에 평행한 전기적 벡터를 갖는 빛 샘플에 의한 흡수량을 나타내고, A⊥는 정렬 방향에 수직인 전기적 벡터를 갖는 빛 샘플에 의한 흡수도이고, S는 고정된 랩 프레임에서의 흡수 모멘트의 평균 배향이다. 참고문헌: Van Gurp, M.And Levine, Y.K.,J.Chem.Phys. 90,4095(1989).
본 발명의 발광체에 포함된 광발광 물질은, 바람직하게는 적어도 0.5, 보다 바람직하게는 적어도 0.6, 가장 바람직하게는 0.7의 오더 파라미터를 나타낸다.
본 발명의 발광체는 예컨대, LSC 시스템에서 채용될 수 있는 효율은 결정적으로 동일한 발광체 내에서 방출된 빛의 (재)흡수 레벨에 의존한다. 특히 바람직한 실시예에 따르면, 개별적인 정렬 중합체 매트릭스, 예컨대 층내에 함유된 광발광 물질의 최대 흡수도와 최대 방출은 적어도 30㎚, 바람직하게는 50㎚, 보다 바람직하게는 적어도 100㎚만큼 상이하다.
본 발명에 따른 발광체는 유용하게도 필름, 층, 섬유, 리본 또는 우븐의 형태를 취한다. 상기 필름, 층, 섬유, 리본 또는 우븐의 두께는 의도된 응용에 따라서 변경될 것이다. 전형적으로, 상기 두께는 0.1-500㎛, 바람직하게는 5-50㎛의 범위 내에 있을 것이다.
발광체는 유용하게는 배향된 광발광 물질을 함유하는 정렬 중합체의 둘 이상의 적층된 층들을 포함한다. 특정 일실시예에 따르면, 각각의 정렬된 중합체 층은 상이한 광발광 물질을 포함한다. 유리하게는, 이러한 광발광 물질들은 상이한 최대 흡수도를 나타낸다. 다른 실시예에 따르면, 반응성 정렬 중합체층들 내의 정렬 중합체의 선경사각은 층에서 층으로 변화하게 된다. 이러한 배열은 입사 방사선들이 광발광 방사선으로 변환되고, 이어 특히, 분리된 도파관을 통해 전달되는 효율이 최대가 되게 한다. 또 다른 실시예에서, 각각의 정렬 중합체층은 상이한 정렬 중합체를 포함한다. 상이한 정렬 중합체들의 적층된 층들의 사용은, 정렬된 중합체층들 각각에서의 상이한 광발광 물질들의 응용과 함께 그리고/또는 상이한 선경사각들을 나타내는 정렬 중합체 층들의 사용과 함께 특히 유리하다.
특히, 윈도우들이 광전지 디바이스에 결합되거나 내부 조명원에 광학적으로 결합될 경우, 본 발명은 예컨대, 윈도우들 상에 유용하게 적용될 수 있을 것이다. 본 발명의 발광체를 윈도우(또는 유사한 기능을 갖는 빌딩 요소) 상에 고정시킴으써, 윈도우는 실제로 발광층에 의해 방출되는 전자기 방사선을 모으는 광도파관이 된다. 하기에서 설명되는 것과 같이, 이러한 응용들에서, 발광체는 가시광선 스펙트럼의 적어도 일부(예컨대, 적어도 100㎚의 밴드폭에 걸치는), 특히 광합성을 위해 필요로하는 가시 광선 스펙트럼의 일부분에 투명한 것이 바람직하다.
특히 유용한 본 발명의 실시예는 발광층 또는 발광 코어에 광학적으로 결합되는 도파관을 포함하여 광학 적층 또는 광섬유의 형태로 된 발광체에 관계되며, 여기서 도파관의 굴절률 nw는 nw≥no-0.005인데, 여기서 no는 코어 발광층의 정상 반사율이다. 보다 바람직한 실시예 따르면, nw≥no, 바람직하게는 nw>no 이다. 이는 유리하게는 도파관 내에 빛을 억제시키는 것을 조장하고, 예컨대 발광층으로 다시 돌 아가는 빛의 탈출을 감소시킨다.
본 발명에 따른 광학 적층들은 입사 광방사선을 모으는데 적절하도록 채용될 것이다. 적층상에 입사하는 방사선이 흡수되고, 발광층에 의해 재방출된다. 이러한 재방출된 방사선은 도파관으로 결합되고, 출구 표면까지 도파관을 따라 내부적 반사에 의해 안내된다. 재방출된 방사선은 출구 표면으로 빠져나갈 것이며, 이는 출구 표면이 광으로서 기능하도록 한다. 대안적으로, 출구 표면에서 재방출된 방사선은 광방사선을 에너지의 다른 형태로 변화시키는 광전지 디바이스와 같은 디바이스 내에 결합될 것이다.
본 발명에 따른 광섬유들은 방출된 방사선이 섬유의 말단에 전달됨에 따라 광방사선에 의해 이후 여기될 것이다. 본 발명의 섬유들은 유리하게는 광방사선을 집중시키고/시키거나 광 정보를 전달하기 위해 채용될 것이다.
본 발명에 따른 광학 적층들 및 섬유들은 입사하는 방사선에 반응하여 방사선을 재방출할 것이기 때문에, 이러한 적층들과 섬유들은 광학 정보, 특히 광학적 이진 정보를 전달하기 위해 적절하게 사용될 것이다. 하지만, 방출된 방사선의 레벨이 입사 방사선의 강도와 상관되기 때문에, 본 발명의 광학 적층들과 섬유들은 또한 아날로그 정보를 전달하기 위해 사용될 수도 있을 것이다.
또 다른 바람직한 실시예에 따르면, 도파관의 굴절률은 발광 층/코어의 정상 및 이상 굴절률들 사이에 있다. 도파관의 굴절률은 전형적으로 적어도 1.4이다. 바람직하게는 도파관의 굴절률은 1.4-1.8, 보다 바람직하게는 1.4-1.7의 범위 내에 있다. 특히 발광 필름의 굴절률에 비례하여 고굴절률을 갖는 도파관의 응용은, 방 출된 방사선이 도파관 내에 효율적으로 결합될 때, 발광 필름 내에서 방출된 방사선의 광로가 감소된다는 것을 보장한다. 방출된 빛이 효율적으로 도파관 내로 결합되는 것을 보장하기 위하여, 발광층(또는 코어)의 표면과 도파관의 표면이 서로 인접하여 결합되도록 하는 것이 더욱 유리하다. 정렬 중합체층 및 도파관은 접착층이 주로 방출된 방사선에 투과성이 있기만 하다면, 접착제에 의해 적절하게 결합될 것이다.
광학 적층 또는 섬유 내의 발광층은 전형적으로 0.1-500㎛, 바람직하게는 5-50㎛의 두께를 갖는다. 도파관은 전형적으로 0.05-50㎚, 바람직하게는 0.1-10㎚의 두께를 갖는다. 도파관이 본 발명의 광섬유 코어를 구성하는 경우, 전술한 범위들은 도파관의 직경으로 적용될 수 있다.
본 발명의 광학 적층 및 섬유들은 유연하고 탄력성있는 물질로부터 적절하게 제조될 것이다. 이렇게 얻어진 유연한 적층들과 섬유들은 예컨대, 롤(rolls)로 제조될 수 있거나 곡선 표면들 상에 적용될 수 있다. 본 발명은 또한 섬유들과 적층들이 유리층 또는 코어를 이용하기 때문에, 상대적으로 견고한 섬유들과 적층들을 포함한다.
본 발명의 광학 적층들과 섬유들은 당해 기술 분야에서 잘 알려진 많은 상이한 방법들로 제조될 수 있다. 적층들은 최초로 예컨대, 도파관과 같은 하나의 층(필름)을 제공함으로써 형성될 것이며, 다른 층들의 인 사이츄 생성에 의해, 예컨대 인사이츄 중합 또는 경화가 뒤따른다. 대안적으로, 개별층들은 개별적으로 미리 제조될 것이며, 이어서 선택적으로 접착제 및/또는 다른 결합 기술들을 이용하여 단일 적층으로 결합될 것이다. 당연히, 이러한 기술들의 조합을 채용하는 것 역시 가능하다. 섬유의 경우, 적층 프로세스가 광섬유 코어를 제공함으로써 시작된다는 점을 제외하고는 유사한 접근들이 본 발명의 광섬유 제조에 이용될 수 있다. 적절한 물질들은 투명한 중합체들, 유리, 투명한 세라믹 및 이들의 조합체들을 포함한다. 바람직하게는 도파관은 열경화성 또는 열가소성일 수 있는 투명한 중합체로 만들어진다. 이러한 중합체들은 (세미-) 결정질 또는 무정질일 수 있다. 적절한 중합체들은 폴리메틸 메타크릴레이트, 폴리스티렌, 폴리카르보네이트, 사이클릭 올레핀 공중합체들, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리에테르 술폰, 교차-링크된 아크릴레이트, 에폭시, 우레탄, 실리콘 고무들과 이러한 중합체들의 결합 또는 공중합체들을 포함한다.
본 발명의 광학 적층은 적절하게는 평평한 평면 플레이트의 형태를 취할 것이다. 그러나, 광학 적층의 기능성이 본질적으로 적층의 형태에 의존하기 때문에, 비평면 형태들 또한 본 발명에 포함된다.
방사선이 본 발명의 발광체를 빠져나가는 것을 저지하기 위하여, 광방사선의 넓은 범위에서 반사하는 미러를 채용하는 것이 유리할 수 있으며, 상기 미러는 발광체의 바닥면에 위치되며, 이는 미러의 방향으로 발광층에 의해 방사된 광방사선뿐만 아니라 발광층을 통과하는 입사 방사선이 상기 미러에 의해 반사될 것이라는 것을 의미한다. 특히, 이러한 실시예는 본 명세서에서 앞서 정의된 것과 같은 발광체를 제공하는데, 여기서 바닥 표면은 450-1200㎚의 파장에 대해 적어도 80%를 반사하고, 바람직하게는 450-1200㎚의 파장에 대해 적어도 90% 반사하는 미러로 커버 링된다.
본 발명의 발광체로부터의 방사선 손실은 방사선을 전달하지 않도록 된 물체, 예컨대 광전지 디바이스와 같은 물체의 측면에 미러들을 적용함으로써 더욱 최소화될 것이다. 따라서, 바람직한 실시예에서, 발광체 측면의 적어도 일면은 450-1200㎚의 파장에 대해 적어도 80% 반사하고, 바람직하게는 450-1200㎚의 파장에 대해 적어도 90% 반사하는 미러로 커버링된다. 보다 바람직하게는 발광체의 적어도 두 측면, 가장 바람직하게는 세 측면이 상기 미러로 커버링된다.
특정 응용들에 대해, 본 발명의 발광체가 특정 파장 범위 내에서 광방사선에 대해 주로 투과성이 있다면 유용할 것이다. 특히 바람직한 실시예에 따르면, 발광체는 400-500㎚ 및/또는 600-700㎚의 범위의 광방사선에 대해 현저하게 투과성이 있다. 따라서, 광합성에 이용되는 가시광선이 발광체를 통과하는 반면 다른 파장들의 광방사선은 상기 발광체에 의해 효과적으로 집중되거나 전달되기 때문에, 발광체는 예컨대 윈도우 또는 온실 창유리 상에 적절하게 적용되거나 이들을 대신하여 사용될 것이다. 매우 바람직한 실시예에 따르면, 발광체는 400-500㎚ 및 600-700㎚의 양 범위에서 광방사선에 대해 현저하게 투과성이 있다. 따라서, 본 발명은 또한 앞서 본 명세서에서 정의된 것과 같은 발광체로 덮여진 하나 이상의 창유리를 포함하는 온실을 포함할 수도 있다. 상기 발광체는 하나 이상의 광전지 셀- 상기 광전지 셀은 광방사선을 전기 에너지롤 변환시킬 수 있고, 발광체에 광학적으로 결합되어 있음-과 결합하여 400-500㎚ 및/또는 600-700㎚의 범위에서 광방사선에 대해 투과성이 있다.
본 발명의 추가적 실시예는 앞서 본 명세서에 정의된 것과 같은 발광체를 포함하는 전자기 방사선 수집 매체를 구비하는 광전지 디바이스와 관련되며, 광전지 셀은 광방사선을 전기 에너지로 변환시킬 수 있으며, 발광체로 구성되는 도파관에 광학적으로 결합되고, 상기 광전지 셀은 바람직하게는 도파관층의 상부 또는 기저부 표면 상의 도파관의 에지, 또는 도파관의 에지 근처에 배열된다.
본 발명의 다른 실시예는 상기에서 정의된 것과 같은 발광체를 포함하는 형광 활성화된 디스플레이에 관계된다.
본 발명의 또 다른 실시예는 상기에서 정의된 것과 같은 발광체를 포함하는 실내 조명 시스템과 관계되는데, 상기 시스템은 입사하는 태양 빛이 상기 발광체에 의해 실내 조명으로 전환되는 방식으로 배열된다.
본 발명의 다른 태양(aspect)은 입사하는 광방사선을 모으기 위하여 앞서 본 명세서에서 정의된 것과 같은 발광체의 이용에 관계된다. 발광체의 이러한 이용은 예컨대, 발광층과 앞서 본 명세서에서 정의된 것과 같은 파장-선택성 미러를 포함하는 자립 발광 필름들의 사용을 포함한다. 더욱이, 상기 사용은 발광층 또는 코어, 파장-선택성 미러 및 도파관을 포함하는 광학 적층(라미네이트) 또는 광섬유의 이용을 포함한다.
실시예에서, 온실에서의 구현을 위해 불투명한 후방 표면없는(즉, 예컨대 본 명세서에서 기술된 것처럼, 후방 미러없이) LSC 시스템이 제공된다. 바람직하게는, 추가적 변형에서, 식물에 의해 (성장을 위해) 사용되지 않는 스펙트럼의 파장 영역들은 수집되고 광전지를 통해 전기로 변환된다. 또 다른 변형에서, 장파장의 빛(예 컨대, 변환된 빛)은 식물이 성장하기 위해 사용하는 파장에서 식물을 재조명하기 위해 사용된 광파이프를 통해 수집된다. 예컨대, LSC 시스템은 녹색광- 상기 녹색광은 일반적으로 식물들에 의해 사용되지 않음-을 수집하고 변환시키도록 적용될 것이며, 이는 적색광(또는 업컨버터 물질이 사용되는 경우에는 청색광)으로 변환된다. 발생된 적색광은 온실에서 식물들에 의해 사용될 것이다.
또 다른 추가적 실시예에서, 본 발명에 따른 섬유와 같은 LSC는 의류 또는 다른 물질(의복, 슬리핑 백, 텐트 등) 그리고 전기 발생을 위한 광전지 또는 태양 전지를 조명하는 섬유 다발들로/상에 조립될 수 있다(예컨대 도 15 참조). 본 발명은 또한 (예컨대, 약 0.005㎚-10㎚, 바람직하게는 약 0.5㎚-1.0㎚의 섬유들로 된)의복, 슬리핑 백, 텐트 등과 같은 제품과 관계된다. 본 발명에 따른 광 도파관을 구비한 적층 또는 쉬트 형태의 발광체들은 텐트 슬라이딩과 같은 물체들을 구성하기 위해서도 사용될 수 있고, 태양 전지에 의해 전기 발생을 위해서 사용될 수도 있다. 본 발명은 또한 상기 물체들과 관계된다.
또한, 랩탑 커버, 펜, 시계, 계산기 커버, 보석류, 모자, 탭 등과 같은 소규모 소비재들은 태양 전지에 의한 전기 발생을 위해 설계된 물질의 쉬트 또는 섬유들을 포함할 수 있다.
전기 발생을 위해서라기 보다는 시각적 효과를 위해 직접적으로 광출력을 이용하는 것 또한 가능할 것이다(즉, 태양전지가 없는 상기에서 언급한 것과 같은 응용 또는 물체).
본 발명의 추가적 응용은, 예컨대 전기를 발생시키거나 신호들(signs)의 시 각적 안전성 효과들을 유발 또는 강화시키기 위한 로드 사인 또는 마커들이거나, 전기 또는 시각적 광효과을 발생시키는 옥외 가구이거나, 투과성, 반투과성, 또는 불투명한 대로변 사운드 베리어들-이는 전기 또는 시각적 광 효과 등을 발생시킴-일 것이다.
특정 실시예에서, 우주 응용들이 포함된다: 우주선 추진 수단을 위해, 그리도 동시에 우주선을 추진시키기 위해서뿐만 아니라 방사선이 수집된 LSC에 의해 조사된(그리고 또한 임의적으로 태양에 의한 직접적 조사) PV 셀들을 통한 전기 발생을 위한 "태양 범선(solar sails)"이 본 발명에 따른 LSC를 갖출 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 태양 전지 및 LSC의 일부 특정 실시예들이 도 14a 내지 14c에 도시되어 있다. 이러한 도면들은 상기에서 설명된 도 1에 유사하다. 물론 예컨대 도 2, 3, 4, 5a 및 16a 내지 16c에 도시된 것과 같이, 다른 구성들(configurations)도 가능하다. 이러한 개략도들은 다음과 같은 가능한 구성을 예시하기 위해 도시된 것에 불과하다:
a. 도파관(2)으로부터의 빛이 태양 전지 또는 광전지(113)에 모이도록 측면에 위치된 태양 전지(13).
b. 도파관(2)으로부터의 빛이 태양 전지 또는 광전지(113)에 모이도록, 예컨대, 광 미러층(9)을 가로막는(intercepting) "기저부(bottom)"에 위치한 태양 전지(13).
c. 도파관(2)으로부터의 빛이 태양 전지 또는 광전지(113)에 모이도록, 예컨대, 광 콜레스테릭 층들(7, 8)을 가로막는(intercepting) "상부(top)"에 위치한 태 양 전지(13).
d. 도파관(2)으로부터의 빛이 태양 전지 또는 광전지(113)에 모이도록, 예컨대, 광 콜레스테릭 층들(7, 8)과 발광층(1)을 가로막는(intercepting) "상부(top)"에 위치한 태양 전지(13).
e. 도파관(2)으로부터의 빛이 태양 전지 또는 광전지(113)에 모이도록, 예컨대, 광 미러층(9)과 도파관(2)을 가로막는(intercepting) "기저부(bottom)"에 위치한 태양 전지(13).
도 14a 내지 14e는 또한 상기에서 기술한 것처럼, 광 정렬층(20)(예컨대, PI층)을 도시한다. 이러한 광 정렬층들은 당해 기술 분야의 당업자에게 공지되어 있다.
다른 실시예가 도 15에 개략적으로 도시되어 있다. 도 15에서, 발광층(1)과 도파관(2)을 포함하는 다수의 (특히, 둘 이상의) 태양 집광기들(solar concnetrators)이 태양 전지(13)에 태양광을 제공하기 위해 사용된다. 예컨대, LSC는 도 1 내지 8에 도시된 것일 수 있다. 도파관(2)으로부터의 빛은 도파관(섬유들)(26)을 통해 태양 전지(13)에 전달될 것이다. 선택적으로, 도파관(2)에 모인 빛은 시준기들(collimators)(25)에 의해 조준될 것이다.
본 기술 분야의 당업자에게 명확한 것처럼, 도 14a 내지 14e의 개략적 실시예들은 또한 다수의 태양 전지(13)가 발광층(1)과 도파관(2)의 결합으로 통합되는 실시예들을 포함한다. 예컨대, 발광층(1)과 도파관(2)(및 상기에서 기술된 것과 같이 다른 임의적 층들)이 평평하거나 실질적으로 평평한 적층 형태인 경우, 적어도 하나 이상의 도파관(2) 적층 에지들 중 적어도 일부가 다수의 태양 전지들 또는 PV 셀들(13)에 광학적으로 결합될 것이다. 따라서, 실시예에서, 본 발명에 따른 발광체와, 광방사선을 발광체에 광학적으로 결합되는 전기적 에너지로 변환시킬 수 있는 광전지 셀(또는 본 기술분야의 당업자에게 명백한 것과 같이 하나 이상)을 포함하는 윈도우가 제공된다.
또한, 본 발명에 따른 발광층(1)과 도파관(2)을 포함하는 하나의 LSC는 하나 이상의 섬유(26)에 결합될 수 있고, 따라서 하나 이상의 PV 셀들(13)에 제공될 것이다.
다른 실시예에서, 발광층(1)과 도파관(2)을 포함하는 LSC는 본질적으로 접착성 백킹을 구비하거나 구비하지 않는 투명 슬라이드와 같은 플라스틱 필름의 얇은 쉬트이다. 상기 필름은 조절되거나 조절되지 않은 염료 분자들, 그리고 바람직하게는 선택적-반사층을 포함할 것이다(예컨대, 이는 콜레스테릭 층(9a 및/또는 9b). 이러한 필름은 이후 임의의 윈도우 상에서의 최종 사용자에 의해 탑재될 수 있다. 광전지가 윈도우 프레임 내에 미리 위치될 것이다. 따라서, 윈도우는 도파관(2)이 될 것이며, 이는 프레임 내의 태양 전지(들)(13)에 빛을 전달한다. 상기 필름은 처분할 수 있는 것이다:즉, 원한다면, 자연 태양광이 실내로 되돌아오도록 상기 필름은 윈도우로부터 벗겨질 수 있다.
실시예에서, 용어 "광학적으로 결합된(optically coupled 또는 coupled optically)"는 또한 표면이 인접하지는 않으나 거리가 있을 수 있는 물체의 광학적 결합을 포함한다. 예컨대, 광전지 셀(13)은 바람직하게는 도파관(12)에 인접하지 만, 실시예에서, 이들 사이에는 약간의 공간이 있을 수 있다. 이러한 공간은 예컨대 공기로 채워지거나 진공을 포함하거나 심지어 중합체를 포함할 수 있을 것이다. 중합체는 예컨대 도파관에 PV 셀을 접촉시키기 위해 사용될 수 있을 것이다. 실시예에서, 고인덱스 열경화성 플라스틱 쉬트가 도파관으로부터 빛을 추출하고 이러한 빛을 PV로 주입하는 것을 돕기 위하여 적용될 수 있을 것이다. 예컨대, 기저부 상의 금속성 미러와 염료층 또는 도파관 사이에 낮은 굴절률 중합체를 두는 것은 시스템의 출력을 증가시키는 것처럼 보인다.
본 발명은 또한 발광체가 (조절 광발광 물질을 갖는) 정렬 중합체층에 비슷한 것을 포함하고 비배향된 광발광 물질을 포함하는 하나 이상의 층들을 더 구비하는 실시예들에 관한 것이다.
실시예에서, 발광체는 (층들(7, 8)로 도시된) 적어도 하나의 파장 선택성 및 편광 선택성 반사 콜레스테릴 층을 더 포함한다. 발광체는 둘 이상의 (스택) 파장 선택성 및 편광 선택성 반사 콜레스테릭 층들을 또한 포함할 것이다. 예컨대, 발광체는 우향 및 좌향 콜레스테릭 층을 포함하지만, 또한 파장 선택성 층들과 같이, 두 개의 우향 콜레스테릭 층들 또는 우향 콜레스테릭 스택, 우향 및 좌향 또는 우향 콜레스테릭 층, 좌우향 콜레스테릭 층들을 포함할 것이다. 이러한 실시예가 도 16c에 우향 및 좌향 콜레스테릭 층들(7, 8) 각각을 대신하여 파장 선택성 미러로서 개략적으로 표시되어 있고, 이는 예컨대 (모두 좌향이거나 모두 우향인(또한 도 3 참조)) 세 층들(8)의 스택을 포함한다. 당해 기술 분야에서의 당업자에게 자명하듯이, 이러한 실시예는 예컨대 다른 도면들에 개략적으로 도시된 것처럼, 다른 실시 예들에도 적용될 수 있을 것이다. 예컨대, 또한 도 7 및 8의 섬유는 층들(7, 8) 대신 우향 원형 편극광을 반사시키는 하나 이상의 콜레스테릭 층(들) 또는 좌향 원형 편극광을 반사시키는 하나 이상의 콜레스테릭 층(들)을 포함할 수 있을 것이며, 우향 원형 편극광을 반사시키는 하나 이상의 콜레스테릭 층과 좌향 원형 편극광을 반사시키는 하나 이상의 콜레스테릭 층 모두를 포함한다.
상기에서 언급한 것과 같이, 발광층(1)과 도파관(2)의 위치-이는 도 1 및 14b에 대한 변형인 도 16a 및 16b에 개략적으로 도시되어 있음-는 서로 바뀌어질 수 있지만(예컨대 도 7 및 8 참조), 다른 실시예들에 대한 변형으로 응용될 수도 있을 것이다.
예컨대 도 13a(또한 도 1-5b; 14a-e; 16a-b의 실시예들 참조)에 도시된 것처럼 상층 (7 또는 8)으로, 또는 기저층(9)으로(도 2의 실시예 참조), 또는 상기 상층(7 또는 8) 및 기저층들(9) 둘 다로서, 좌향 또는 우향 원형 편극된 광을 반사시키는 단지 하나의 콜레스테릭 층이 적용될 경우, 발광방사선에 대한 반사도는 적어도 50%보다 작을 것이다. 적어도 25% 또는 (각각 우향 또는 좌향 원형 편극된) 특정 편광을 갖는 빛의 적어도 50%가 충분할 것이다. 따라서, 특정 실시예에서,
a. 광발광 물질을 포함하는 발광 층 또는 발광 코어와; 그리고
b. 파장-선택성 미러를 포함하며,
상기 발광 층 또는 상기 발광 코어는 상기 파장-선택성 미러에 광학적으로 결합되며, 상기 파장-선택성 미러는 상기 광발광 물질에 의해 흡수된 빛에 적어도 50% 투과성이 있고, 상기 광발광 물질에 의해 방출된 방사선에 적어도 25% 반사성 이 있으며, 상기 파장-선택성 미러는 키랄 네마틱 중합체의 콜레스테릭 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광체가 제공된다.
특히, 발광체가 제공되는데, 여기서 상기 중합체 파장-선택성 미러는 우향 원형 편극광(right-handed circularly polarized light)을 반사시키는 하나 이상의 콜레스테릭 층 또는 좌향 원형 편극광을 반사시키는 하나 이상의 콜레스테릭 층을 포함하거나, 우향 원형 편극광을 반사시키는 하나 이상의 콜레스테릭 층과 좌향 원형 편극광을 반사시키는 하나 이상의 콜레스테릭 층 모두를 포함한다. 청구항들, 특히 청구항 3, 7, 11-27에서 기술되는 특정 실시예들은 이러한 실시예에도 역시 적용될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 하향 변환 광발광 물질(즉, 빛을 방출하는 것보다 짧은 파장에서 빛을 흡수하는 물질, 예컨대 녹색을 적색으로 변환시키는 변환기)을 대신하거나 추가하여, 본 발명의 발광체는 비변환 물질(즉, 빛을 방출하는 것보다 짧은 파장에서 빛을 흡수하는 물질)도 포함할 수 있다.
본 발명은 다음의 실시예들에 의해 추가적으로 설명된다.
실시예들
실시예
1
깨끗한 유리 기판은 2000rpm/s에서 2500rpm/s2의 가속도로 45초 동안 폴리이미드 정렬층(옵티머 A1 1051, 예컨대 JSR 마이크로) 스핀 캐스트를 가진다. 이후, 기판은 진공하에 1.5 시간 동안 180℃에서 가열되었다. 정렬층은 응용된 콜레 스테릭 액정의 평면 정렬을 유발하기 위하여 벨벳 클로쓰(velvet cloth)로 마찰되었다.
슬라이드의 반대 편에, 등방성 염료-도핑 혼합물이 인가되었다. 상기 혼합물은 75% 디펜타에리티리톨 펜타크릴레이트(Aldrich)와 25% 에탄올을 함유하는 용액과 함께 1wt% 이가큐어(Irgacure) 184 (예컨대 Ciba 케미컬)과 1wt% DCM (4-이시아메틸렌-2-메틸-6-(p-디메틸아미노스티릴)-4H-피란 (예컨대 Aldrich 케미컬)을 혼합하여 준비되었다. 약 10㎛ 두께 필름이 4000rpm에서 45초 동안 (2500 rpm/sec 램프 속도)스핀 코팅하여 만들어졌다. 상기 샘플은 실내 온도에서 10분 동안 질소 분위기하에서 UV-경화되었다(λ=365㎚). 상기 샘플의 흡수 및 방출 스펙트럼들은 도 9에서 각각 굵고 두꺼운 곡선 및 점으로 된 곡선으로 보여질 것이다.
120㎚ 실버 미러가 종래 스퍼터 코터(sputter coater) (Emitech K575X 스퍼터 코터, 2.5분 동안 65㎃의 전류에서)를 이용하여 염료층의 상부에 스퍼터링되었다.
콜레스테릭 혼합물은 우향 키랄 도펀트 LC756(예컨대 BASF), 1wt% 이가큐어 184(예컨대 Ciba 케미컬), 1wt% 계면활성제 및 크실렌에 용해된 94wt% 반응성 액정 호스트 RM257(Merck) (55 wt% 솔리드, 45wt% 솔벤트)를 혼합함으로써 만들어졌다. 그 다음, 상기 혼합물은 80℃에서 3시간 동안 휘저어졌다.
콜레스테릭 혼합물은 솔벤트를 증발시키고 계면활성제가 키랄 네마틱 액정의 정렬을 향상시킬 수 있도록 2500rpm/s2의 가속도로 2000rpm/s에서 45초 동안 폴리이 미드 정렬층 상에서 스핀 캐스팅되었다. 이후, 질소 분위기에서, UV-램프 (피크 파장 365㎚)를 이용하여 실내 온도에서 10분 동안 방사선을 조사함으로써 광중합이 수행되었다. 두번째, 좌향 콜레스테릭이 유사한 프로세스를 이용하여 표면에 용이하게 적용될 수 있었다. 마지막으로, 반사 실버 페인트의 층이 도파관의 세 에지들에 적용되었고, 그 결과 최종 디바이스가 제조되었다.
상기 절차는 우향 키랄 도펀트 LC756의 4.2 및 4.5wt%를 이용하여 두 번 반복되었다. 도 9는 3개의 입사각, 즉 0°, 20° 및 40≤°에서 비편극 광에 노출된 좌향 키랄 도펀트 3.9wt%를 함유하는 콜레스테릭 층의 투과 스펙트럼들을 도시한다. 키랄 도펀트의 4.2wt% 또는 4.5wt%를 함유하는 콜레스테릭 층들에 대한 투과 스펙트럼들은 4.2wt%와 4.5wt%를 함유하는 층들에 대한 반사 밴드가 현저하게 단파장들에서 발생한다는 것을 제외하고는 본질적으로 동일하다. 보다 정확하게는, 4.2wt% 샘플에서의 정상 빛 입사에 대한 반사 밴드는 약 32㎚만큼 청색-천이되고, 4.5wt% 샘플에 대한 반사 밴드는 약 83㎚만큼 천이된다.
LSC 샘플들의 광출력은 CCD-Spect-2(CCD-카메라)와 함께 Autronic DMS 703(Melchers GmbH)을 이용하여 결정되었다. 상기 LSC 샘플들은 맞춤형 샘플 홀더에 두어지며, 약 11㎝ 거리에 위치된 러프한 균일 광원에 노출되었다. 샘플의 방출 에지의 작은 영역(약 0.8㎠)으로부터의 광출력이 1°(degree)의 스텝들로 -50°~50°의 각 분포를 통해 측정되었다. 총 방출은 모든 측정된 파장들(350-800㎚)과 모든 각도들에 걸쳐 스펙트럼들을 적분함으로써 결정되었다. 샘플 에지의 길이를 따른 측정들은 위치에 있어서 거의 변화가 없는 것을 나타내지만, 이러한 실험들에 대해 방출 측정 위치는 고정되었다. 다층으로 된 단일 샘플들에 대한 모든 측정들은 같은 날에 행해졌다. 측정 설정의 스케치가 도 10에 도시되어 있다.
| 샘플 | 사용된 키랄 도펀트의 양 | 입사각 | ||
| 0° | 20° | 40° | ||
| A | 3.9wt% | 17% | 14% | 11% |
| B | 4.2wt% | 4% | 0.6% | -8% |
| C | 4.5wt% | 1% | -6% | -14% |
분명하게 알 수 있는 것처럼, 단일 콜레스테릭 층(샘플 A)의 응용은 광출력을 적어도 11-17% 향상시켰고, 두번째, 좌향 층의 응용에 의해, 이러한 개선은 20-35%의 오더(order)로 될 것이다. 콜레스테릭 층의 반사 밴드가 광발광 물질의 흡수 피크와 부분적으로 일치하고/하거나 상기 광발광 물질의 방출 피크와 부분적으로 일치하기 때문에, 샘플 B와 C에 대해 얻어진 결과들은 감소되었다.
여기에서, 정렬층은 콜레스테릭 층들을 정렬하기 위해 사용되었다.
이러한 실험은 반복되었으며, 유리 기판 대신 프마(pmma) 기판을 사용했다. 폴리이미드 정렬층(옵티머 A1 1051, 예컨대 JSR 마이크로)이 2000rpm/s, 2500rpm/s2의 가속도에서 45초 동안 그 위에서 스핀 캐스팅되었다. 이후, 기판은 공기중에서 1.5시간 동안 100℃에서 가열되었다. 응용된 콜레스테릭 액정의 평면 정렬을 유도하기 위해 벨벳 클로쓰로 상기 정렬층이 마찰되었다.
슬라이드의 반대 편에, 등방성 염료-도핑 혼합물이 인가되었다. 상기 혼합물은 75% 디펜타에리티리톨 펜타크릴레이트(Aldrich)와 25% 에탄올을 함유하는 용액과 함께 1wt% 이가큐어(Irgacure) 184 (예컨대 Ciba 케미컬)과 1wt% DCM (4-이시아메틸렌-2-메틸-6-(p-디메틸아미노스티릴)-4H-피란 (예컨대 Aldrich 케미컬)을 혼 합하여 준비되었다. 약 10㎛ 두께 필름이 4000rpm에서 45초 동안 (2500 rpm/sec 램프 속도)스핀 코팅하여 만들어졌다. 상기 샘플은 실내 온도에서 10분 동안 질소 분위기하에서 UV 큐어되었다(λ=365㎚).
120㎚ 실버 미러가 종래 스퍼터 코터(sputter coater) (Emitech K575X 스퍼터 코터, 2.5분 동안 65㎃의 전류에서)를 이용하여 염료층의 상부에 스퍼터링되었다.
콜레스테릭 혼합물은 우향 키랄 도펀트 LC756(예컨대 BASF), 1wt% 이가큐어 184(예컨대 Ciba 케미컬), 1wt% 계면활성제 및 크실렌에 용해된 94wt% 반응성 액정 호스트 RM257(Merck) (55 wt% 솔리드, 45wt% 솔벤트)를 혼합함으로써 만들어졌다. 그 다음, 상기 혼합물은 80℃에서 3시간 동안 휘저어졌다.
콜레스테릭 혼합물은 솔벤트를 증발시키고 계면활성제가 키랄 네마틱 액정의 정렬을 향상시킬 수 있도록 2500 rpm/s2의 가속도로 2000rpm/s에서 45초 동안 폴리이미드 정렬층 상에서 스핀 캐스팅되었다. 이후, 질소 분위기에서, UV-램프 (피크 파장 365㎚)를 이용하여 실내 온도에서 10분 동안 방사선을 조사함으로써 광중합이 수행되었다. 두번째, 좌향 콜레스테릭이 유사한 프로세스를 이용하여 표면에 용이하게 적용될 수 있었다. 마지막으로, 반사 실버 페인트 층이 도파관의 세 에지들에 적용되었고, 그 결과 최종 디바이스가 제조되었다.
LSC 샘플들의 광출력은 CCD-Spect-2(CCD-카메라)와 함께 Autronic DMS 703(Melchers GmbH)을 이용하여 결정되었다. 상기 LSC 샘플들은 맞춤형 샘플 홀더 에 두어지며, 약 11㎝의 거리에 위치된 러프한 균일 광원에 노출되었다. 샘플의 방출 에지의 작은 영역(약 0.8㎠)으로부터의 광출력이 1°의 스텝들로 -70°~70°의 각 분포를 통해 측정되었다. 총 방출은 모든 측정된 파장들(350-800㎚)과 모든 각도들에 걸쳐 스펙트럼들을 적분함으로써 결정되었다. 이러한 실험에 대해 방출 측정 위치는 고정되었다.
단일, 우향 콜레스테릭을 구비한 샘플은 베어 염료층의 집적 광출력에 비해 도파관 표면에 정상 입력광에 대한 집적 광출력에 있어서 34% 증가를 나타내었다. 그 다음, 총 집적 광 출력은 도파관 표면에 정상 입사하는 입력광에 대해 염료층으로부터 제 2 좌향 콜레스테릭으로 커버될 때보다 53% 더 크게 되도록 결정되었다.
실시예
2
수직(homeotropic) 염료-도핑된 액정 혼합물이 깨끗한 30㎜×30㎜×1㎜ 유리 슬라이드에 인가되었다. 상기 액정 혼합물은 1wt% 이가큐어 184(예컨대, Ciba 케미컬) 및 1wt% 쿠머린 30(예컨대, Aldrich 케미컬)을 함유한 에탄올 용액을 50wt% RMM77 단량체 및 50wt% 크실렌을 1:1의 무게비로 함유하는 용액과 함께 혼합함으로써 준비되었다. RMM77(Merck)은, 주성분이 액정 RM82 및 RM257(Merck)으로 된 네마틱 수직 배향 반응성 액정과 수직 배향 도펀트이다. 상기 혼합물은 모든 에탄올이 증발될 때까지 2시간 동안 80℃에서 저어졌다. 크실렌은 10분 동안 예열된 도파관들(80℃) 상에 상기 혼합물을 인가함으로써 증발되었다. 크실렌의 증발 후, 습윤 필름이 24㎛ 메이어 로드(Meyer rod)로 생성되었고, 그 결과 약 10㎛ 두께의 필름 이 생성되었다. 상기 샘플들은 질소 분위기 하에서 실내 온도에서 4분 동안 그리고서 110℃에서 4분 동안 UV 큐어되었다(λ=365㎚).
샘플에 의한 광 출력의 측정은 CCD-Spect-2(CCD-카메라)와 함께 오트로닉 DMS 7038 Melchers GmbH)에 의해 수행되었다. LSC 샘플들은 맞춤형 샘플 홀더에 위치되었고 조준된 광원에 노출되었다. 샘플 표면으로부터의 광출력은 1°의 스텝으로 0-90°의 각 분포를 통해 측정되었다. 피크 방출이 결정되었고, 상기에서 설명된 것과 같이 정확한 방식으로 준비된 등방성 샘플의 표면으로부터 피크 방출을 비교했다. 하지만, RM82와 RM257 혼합물을 이용하는 것은 수직 배향 도펀트를 함유하고 있지는 않다. 결과는 샘플을 통한 빛 손실의 양이 거의 반이 절반이 된 수직 배향 샘플이였다. 도 11은 이러한 실험 결과를 나타낸다. 이 도면에서, 표면으로부터 방출된 광 강도는 두 개의 샘플-등방성으로 정렬된 염료(원들)를 갖는 하나와 수직 배향 정렬 염료(삼각형들)을 갖는 하나-에 대한 방출 각도의 함수로 주어진다. 이러한 실험에 사용된 도파관에 대해, 33° 이상의 모든 빛이 총 내부 반사에 의해 트랩되고 따라서 표면으로부터 벗어날 수 없다는 것에 주목하라. 상기 도파관은 유리 플레이트를 포함하며, 30×30×1㎜(1×w×h)의 크기를 가진다.
이러한 LSC의 성능은 실시예 1에서 기술된 것처럼 실버 미러들과 결합된 우향 및 좌향 콜레스테릭 층의 응용에 의해 실질적으로 향상되었다.
실시예
3
Sinha et al in Appl. Phys. Lett,(2001), 79(16), 2543-2545에 의해 기술된 절차를 이용하여 약 30°의 경사각에서 정렬된 액정 중합체가 채용된 점을 제외하고는 실시예 2가 반복되었다.
다시 LSC의 효율이 실시예 1에서 기술된 방법을 이용하여 측정되었다. 그 결과들은 LSC의 효율이 실시예 1 및 2에서 설명된 LSC의 효율을 초과한다는 것을 보여준다. 이러한 뛰어난 효율은 도파관으로 방출된 방사선의 향상된 인커플링과 연관되는 것으로 믿어진다.
실시예
4
염료 분자들의 경사진 정렬은 또한 다음의 방식으로 달성되었다. 용액은 두 개의 폴리이미드들로부터 만들어졌다:4% 닛산 G1211, 수직배향 폴리이미드, 및 96% 닛산 G130, 평면 폴리이미드. 이러한 용액은 30×30×1㎜ 유리 플레이트 상에서 5000 rpm에서 60초 동안 스핀 캐스팅되었고, 진공 오븐에서 90분 동안 180℃에서 경화되었다. 상기 폴리이미드는 벨벳 클로쓰로 마찰되었다.
페릴렌-기반(perylene-based) 염료 1%, 광개시제 Irg 184(Ciba 케미컬) 및 크실렌에 55:45 wt%로 용해된 98% RM257(Merck) 1%를 함유하는 혼합물이 40초 동안 2000rpm에서 폴리이미드 정렬층들 상에서 스핀 캐스팅되었고, 솔벤트를 증발사키기 위해 80℃ 핫 플레이트 상에 두어졌다. 이러한 절차는 약 15°의 페릴렌-기반 염료들의 경사각을 초래했다.
LSC 샘플의 광출력은 CCD-스펙트-2(CCD-카메라)와 함께 오트로닉 DMS 703(Melchers GmbH)를 이용하여 결정되었다. LSC 샘플들은 맞춤형 샘플 홀더에 두 어졌으며, 약 11㎝의 거리에 위치된 러프한 균일 광원에 노출되었다. 샘플의 방출 에지의 작은 영역(약 0.8㎠)으로부터의 광출력이 1°의 스텝들로 -70-70°의 각 분포를 통해 측정되었다. 총 방출은 모든 측정된 파장들(350~800㎚) 및 모든 각도들에 걸쳐 스펙트럼들을 적분함으로써 결정되었다. 이러한 실험에 있어, 방출 측정 위치는 고정되었다. 이러한 샘플의 전체 적분된 광출력은 (폴리이미드 정렬층을 포함하지 않은) 동일한 방식으로 준비된 랜덤한 배향성 샘플의 출력보다 ~10% 더 높았다.
상기에서 언급한 실시예들은 본 발명을 제한하기 위해서라기 보다는 설명하기 위한 것이며, 당해 기술분야의 당업자는 첨부된 청구항들의 범위를 벗어나지 않고 많은 대체 가능한 실시예들을 설계할 수 있을 것이다. 청구항들에서, 괄호들 사이에 있는 임의의 참조 부호들은 청구항을 제한하는 것으로 해석되지 않아야 할 것이다. 동사 "포함하는(to comprise)" 및 그 활용형들의 사용은 청구항에 기술된 것들 외의 요소들 또는 단계들의 존재를 배제하는 것은 아니다. 구성 요소 앞에 있는 부정관사 "하나(a 또는 an)"는 복수의 구성요소들의 존재를 배제하는 것은 아니다. 본 발명은 여러 개의 현저한 구성요소들을 포함하는 하드웨어에 의해 그리고 적절하게 프로그램된 컴퓨터에 의해 구현될 수 있을 것이다. 수개의 수단을 열거하는 디바이스 청구항에서, 수개의 이러한 수단은 사람과 하드웨어의 동일한 아이템에 의해 구현될 것이다. 특정 측정들이 상호 상이한 종속항들에서 기재되어 있다는 단순한 사실은 이러한 측정들의 조합이 유리하게 이용될 수 없는 것을 가리키는 것은 아니다.
Claims (27)
- 광발광 물질을 포함하는 발광 층 또는 발광 코어와; 그리고파장-선택성 미러를 포함하며,상기 발광 층 또는 상기 발광 코어는 상기 파장-선택성 미러에 광학적으로 결합되며,상기 파장-선택성 미러는 상기 광발광 물질에 의해 흡수된 빛에 적어도 50% 투과성이 있고, 상기 광발광 물질에 의해 방출된 방사선에 적어도 50% 반사성이 있으며,상기 파장-선택성 미러는 키랄 네마틱 중합체의 콜레스테릭 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광체.
- 제 1항에 있어서,상기 중합체 파장-선택성 미러는 우향 원형 편극광(right-handed circularly polarized light)을 반사시키는 하나 이상의 콜레스테릭 층 또는 좌향 원형 편극광을 반사시키는 하나 이상의 콜레스테릭 층을 포함하거나, 우향 원형 편극광을 반사시키는 하나 이상의 콜레스테릭 층과 좌향 원형 편극광을 반사시키는 하나 이상의 콜레스테릭 층 모두를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광체.
- 제 1항 또는 제 2항에 있어서,우향 원형 편극광을 반사시키는 제 1콜레스테릭 층과, 좌향 원형 편극광을 반사시키는 제 2콜레스테릭 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광체.
- 광발광 물질을 포함하는 발광층 또는 발광 코어와 파장-선택성 미러를 포함하는 발광체로서,상기 발광층 또는 상기 발광 코어는 상기 파장-선택성 미러에 광학적으로 결합되고,상기 파장-선택성 미러는 상기 광발광 물질에 의해 흡수된 빛의 적어도 50%를 투과시키고, 상기 광발광 물질에 의해 방출된 방사선의 적어도 50%를 반사시키며,상기 파장-선택성 미러는 중합체 스택층을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광체.
- 선행하는 청구항들 중 한 항에 있어서,상기 파장-선택성 미러는 빛의 일 편광(one polarization)을 반사시키는 제 1중합체 스택층과 빛의 반대 편광(opposite polarization)을 반사시키는 제 2중합체 스택층을 포함하는 것을 특징으로 하는 발광체.
- 선행하는 청구항들 중 한 항에 있어서,상기 광발광 물질에 의해 방출된 방사선에 대한 상기 파장-선택성 미러의 반 사도는, 상기 광발광 물질에 의해 흡수된 광방사선에 대한 상기 파장-선택성 미러의 반사도보다 적어도 50%, 바람직하게는 적어도 80% 초과하는 것을 특징으로 하는 발광체.
- 선행하는 청구항들 중 한 항에 있어서,상기 파장-선택성 미러는 상기 광발광 물질에 의해 흡수된 빛에 적어도 60%, 바람직하게는 70% 투과성이 있는 것을 특징으로 하는 발광체.
- 선행하는 청구항들 중 한 항에 있어서,상기 파장-선택성 미러는 상기 광발광 물질에 의해 방출된 방사선을 적어도 60%, 바람직하게는 적어도 70% 반사하는 것을 특징으로 하는 발광체.
- 선행하는 청구항들 중 한 항에 있어서,상기 파장-선택성 미러는, 상기 발광성 물질에 의해 흡수된 빛을 적어도 50% 투과시키고 적절한 편광을 갖는 원형 또는 선형 편극 방사선을 적어도 50% 반사하는 편광 선택성 미러를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광체.
- 제 9항에 있어서,상기 파장-선택성 미러는 빛의 일 편광을 반사시키는 제 1중합체 스택층 또는 빛의 반대 편광을 반사시키는 제 2중합체 스택층을 포함하거나, 상기 제 1중합 체 스택층과 상기 제 2중합체 스택층 모두를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광체.
- 선행하는 청구항들 중 한 항에 있어서,상기 발광층 또는 상기 발광 코어는 배향된 광발광 물질을 포함하는 정렬 중합체(aligned polymer)를 포함하는 것을 특징으로 하는 발광체.
- 선행하는 청구항들 중 한 항에 있어서,상기 발광체는 광 적층(optical laminate) 또는 광 섬유이며,상기 발광체는 상기 발광층 또는 발광 코어에 광학적으로 결합하는 도파관을 포함하며,상기 도파관의 굴절률 nw≥no-0.005(여기서, no는 상기 정렬 중합체의 정상 굴절률임)인 것을 특징으로 하는 발광체.
- 선행하는 청구항들 중 한 항에 있어서,상기 발광체는 400-500㎚ 및/또는 600-700㎚의 범위에서 광방사선에 대해 현저하게 투과성이 있는 것을 특징으로 하는 발광체.
- 선행하는 청구항들 중 한 항에 있어서,상기 발광체는 발광층 및 도파관을 포함하여 구성되며,상기 발광체는 광 적층 또는 광섬유이며,상기 발광체는 상기 도파관에 광학적으로 결합되어 있고,상기 발광체는 배향된 광발광 물질을 함유하는 정렬 중합체를 포함하며,상기 배향된 광발광 물질은 상기 정렬 폴리머 내에 고정되어 있고,상기 정렬 폴리머는 상기 발광체의 표면에 대해 10-90°의 선경사각(pretilt angle)을 가지는 것을 특징으로 하는 발광체.
- 제 14항에 있어서,상기 배향된 광발광 물질은 평면 셀(planar cell)에서 적어도 2.0, 바람직하게는 적어도 3.0, 가장 바람직하게는 적어도 5.0의 이색성 비(dichroic ratio)를 가지는 것을 특징으로 하는 발광체.
- 제 14항 또는 제 15항에 있어서,상기 정렬 중합체는 30-80°의 선경사각을 갖는 것을 특징으로 하는 발광체.
- 제 14항 내지 제16항 중 한 항에 있어서,상기 정렬 중합체는 30-70°, 바람직하게는 40-70°, 가장 바람직하게는 40-60°의 선경사각을 갖는 것을 특징으로 하는 발광체.
- 선행하는 청구항들 중 한 항에 있어서,상기 발광체는 발광층 및 도파관 코어를 포함하는 광섬유인 것을 특징으로 하는 발광체.
- 제 1항 내지 제 17항 중 한 항에 있어서,상기 발광체는 발광 코어 및 도파관을 포함하는 광섬유인 것을 특징으로 하는 발광체.
- 제 14항 내지 제 19항 중 한 항에 있어서,상기 도파관은 형광 염료를 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 발광체.
- 제 14항 내지 제 20항 중 한 항에 있어서,상기 선경사각은 15-85°의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 발광체.
- 제 14항 내지 제 20항 중 한 항에 있어서,상기 선경사각은 30-60°의 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 발광체.
- 선행하는 청구항들 중 한 항에 따른 발광체를 포함하는 전자기 방사선 수집 매체를 구비하며, 광방사선을 상기 발광체에 광학적으로 결합되는 전기 에너지로 변환시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 광전지 디바이스.
- 제 1항 내지 제 22항 중 한 항에 따른 발광체를 포함하는 형광 빛 활성 디스플레이.
- 제 1항 내지 제 22항 중 한 항에 따른 발광체를 포함하는 실내 조명 시스템.
- 제 1항 내지 제 22항 중 한 항에 따른 발광체와 광방사선을 상기 발광체에 광학적으로 결합되는 전기 에너지로 변환시킬 수 있는 광전지 셀을 포함하는 윈도우.
- 입사광방사선을 모으기 위한 제 1항 내지 제 22항 중 한 항에 따른 발광체의 이용.
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