KR20100039401A - 열적 절환식 반사형 광학 셔터 - Google Patents

열적 절환식 반사형 광학 셔터 Download PDF

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Abstract

열적 절환식 반사형 광학 셔터는 임계 온도 위에서는 입사 복사 에너지의 100 %까지를 반사시키고 임계 온도 아래에서는 입사 복사 에너지의 50 %까지를 반사시키는 자가 조절식 "절환 가능 거울"이다. 복사 에너지 유동에 대한 제어는 장치의 열 전도성이나 절연치와는 관계없이 발생하고, 유입하는 가시 광의 이미지 및 컬러 특성을 보존하거나 보존하지 않을 수도 있다. 장치는 외부 전력 공급 또는 조작자의 신호가 필요 없이 건물, 차량 및 다른 구조물의 내부 온도 및 조명을 효율적으로 조절하기 위한 건축 재료로서 사용될 수 있다. 장치는 종래의 창, 채광창, 스테인드 글라스, 조명 기구, 유리 블록, 벽돌 또는 벽에서는 발견되지 않는 고유의 미적 광학 특성을 가진다. 본 장치는 투명 및 반사 상태 모두에 있어서 투명하게 보이기에 충분한 가시 광을 투과시키도록 맞춤 제작될 수 있는 동시에, 장치에 걸쳐 전체 에너지 투과에 대한 주요한 제어를 제공한다.

Description

열적 절환식 반사형 광학 셔터 {THERMALLY SWITCHED REFLECTIVE OPTICAL SHUTTER}
본 발명에 개시된 주제는 선택 반사를 통한 광 및 복사 열의 유동을 제어하는 장치에 관한 것이다. 상기 기술은 특히 건축 재료로서 피동적 또는 능동적으로 광을 조절하고 온도를 조절하는 필름, 자재 및 장치에 특정 적용예를 가지지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
특히, 건물 내 태양 열 취득 열량의 조절과 같은 적용예 및 기타 적용예에 있어서, 복사 에너지, 예를 들어 광 및 열의 유동을 제어하는데 있어서의 문제점은 이전부터 다양한 광학적 방법을 사용하여 검토되어 왔다. 광흑화(photodarkening) 재료는, 예를 들어, 선글라스 렌즈에 있어서, 자외선(UV) 복사에 의한 시뮬레이션시에 유입하는 광을 선택적으로 감쇠시키기 위해 수십 년 동안 사용되어 왔다. 창과 합체될 때, 이러한 재료는 밝은 태양 광을 감쇠시키기 위해서는 암흑화되고 인공 광 또는 확산된 일광(daylight)을 방해 없이 통과시키기 위해서는 다시 투명하게 됨으로써 구조물의 내부 온도를 조절하도록 사용될 수 있다. 이러한 시스템은 수동적이며 자가 조절적이어서, 작동을 위해서 대기의 자외선 광을 제외하고는 어떠한 외부 신호도 필요로 하지 않는다. 그러나, 이러한 시스템은 온도보다는 자외선 광에 의해 제어되기 때문에, 온도 조절 적용예에 있어서는 제한된 유용성을 가진다. 예를 들어, 더운 날씨에 필요없는 태양 광뿐만 아니라 추운 날씨에 필요한 태양 광을 차단할 수도 있다.
전흑화(electrodarkening) 재료 역시 광 투과를 조절하기 위해 사용되어 왔다. 가장 널리 사용되는 전흑화 재료는 주로 흡수에 의해 통과하는 광의 50 %를 약간 넘게 감쇠시키는 두 개의 고효율의 흡수 편광자 사이에 개재되는 액정이다. 이러한 재료는 인듐 주석 산화물(ITO)과 같은 투명의 전기 전도성 재료의 코팅에 의해 생성되는 전기장에 의해 제어된다. 이들 액정 패널은 대개 비디오 디스플레이에서 사용되며, 작동 조건 하에서는 등방성이 되지 않도록 설계되며 건물 재료에 있어서는 매우 제한된 용도만을 보여왔다. 이는 어느 정도는, 재료의 상태의 설정하여 이를 통한 광, 열 및 복사 에너지를 조절하기 위한, 복잡한 제어 시스템, 센서 및 알고리즘 또는 광범위한 사용자 입력 중 하나에 대한 필요성, 및 전기 배선과 동력원을 포함하여 이를 사용하기 위해 필요한 방대한 기반 시설 때문이다. 전흑화 및 광흑화 재료는 반사보다는 주로 흡수를 통해 유입하는 광을 감쇠시키고, 이는 밝은 광에 노출되는 경우 이들 재료가 가열됨을 의미한다. 이들 재료에 의해 흡수된 열은 복사 투과의 감소를 상쇄시킬 수도 있으므로, 온도 조절 능력에 있어 매우 큰 한계를 가지게 된다.
적외선을 흡수하기보다는 반사시키는 와이어 그리드 편광자(WGPs)가 1960년대 이후 사용되어 왔으며, 예를 들어, 스리람(Sriram) 등에게 허여된 미국 특허 제4,512,638호에 개시되어 있다. 1990년대 및 2000년대에 나노스케일의 석판술이 출현하면서, 고가이긴 하지만, 예를 들어, 퍼킨스(Perkins) 등에게 허여된 미국 특허 제6,122,103호에 개시된 바와 같이, 고가의 광학 및 레이저 기술에 대하여 사용하기 위한 가시 광선 및 자외선 파장에서 반사시키는 광대역의 와이어 그리드 편광자를 생산하는 것이 가능하게 되었다.
최근에는, 연신된 폴리머 편광자와 적층식 폴리머 분포 브래그 반사기[distributed Bragg reflector(DBR)]의 특성을 조합한 저가의 반사형 편광 필름이 도입되었다. 이러한 반사형 편광자는 비디오 디스플레이에서, 예를 들어 버랄(Verrall) 등에게 허여된 미국 특허 제6,099,758호 및 웨버(Weber) 등에게 허여된 미국 특허 제7,038,745호에 개시된 바와 같이, 감쇠된 광을 흡수하기보다는 장치 내부로 다시 반사시킴으로써 휘도를 향상시키기 위해 사용된다. 이러한 반사형 편광자는 거울에서와 같은 광의 일 편광에 대한 정반사 및 백색 페인트 코팅에서와 같은 광의 일 편광에 대한 확산 반사 또는 이 둘의 조합을 구현할 수 있다. 이러한 필름은 특히 비디오 디스플레이 시장용으로 개발되어 그 외에는 사용되지 않았다.
또한, 반사형 편광자는 특정 형태의 액정으로 제조될 수 있다. 와이어 그리드 편광자 및 연신된 폴리머 편광자는 선형 편광인 반면, 이들 액정 편광자(LCPs)는 대개 원형 편광이다. 따라서, 일 헬리시티(즉, 우향 또는 좌향)의 광은 투과되고 반대 헬리시티(helicity)의 광은 반사된다.
열 스위치는 온 또는 폐쇄 상태에서는 열 에너지의 통과를 허용하지만, 오프 또는 개방 상태에서는 이를 방지한다. 이들 스위치는 열의 통과를 가능하게 하는 두 개의 전도면(대개 금속으로 제조) 사이의 접촉에 의지하는 기계적 중계기(mechanical relay)이다. 두 개의 면이 후퇴할 때, 열 에너지는 공기 갭을 통하는 것을 제외하고는 이들 사이에서 전도될 수 없다. 장치가 진공 내에 위치하는 경우, 열 전도는 개방 상태에서 전체적으로 방지된다. 다른 형태의 열 스위치는 가스 또는 액체를 챔버 내외로 펌핑하는 기능을 포함한다. 챔버가 채워지는 경우, 열을 전도한다. 챔버가 비어 있는 경우, 챔버를 가로질러 복사 전달은 여전히 발생할 수도 있다 하더라도, 전도는 이루어지지 않는다.
광은 특정 주파수의 광을 흡수 또는 반사하면서 나머지는 통과시키는 광학 필터에 의해 차단될 수 있으며 광학 스위치처럼 작동한다. 또한, 기계식 셔터를 추가함으로써 필터를 포함하는 다른 투명 재료를 광학 스위치로 변화시킬 수 있다. 셔터가 개방될 때, 광은 쉽게 통과한다. 셔터가 폐쇄될 때, 광은 통과하지 못한다. 기계식 셔터가 액정과 같은 전흑화 재료로 대체되는 경우, 스위치는 광자, 전자 및 자체 액정 분자를 제외하고는 이동하는 요소가 없는 "거의 고상(nearly solid state)"이 된다. 예를 들어, 아젠스(Azens) 등에게 허여된 미국 특허 제7,099,062호에 개시된 다른 전흑화 재료가 유사한 기능을 수행할 수 있다. 이들 광학 필터/스위치의 조합은 수동적이지 않으나, 외부 신호, 예를 들어 전기 신호에 의해 작동되어야만 한다.
절환 가능한 거울은, 예를 들어 리차드슨(Richardson)에게 허여된 미국 특허 제7,042,615호에 개시된 가역 수소화 금속 및 리튬화 금속의 화학 작용에 기초한다. 이러한 절환 가능한 거울은 전기장의 영향 하에서 차단부를 가로지르는 이온의 물리적 이동에 의존하므로, 제한된 절환 속도 및 사이클 수명을 가진다. 또한, 전기적으로 작동되는 "광 밸브"는, 예를 들어 브루존(Bruzzone) 등에게 허여된 미국 특허 제6,486,997호에 개시된 바와 같이 액정을 하나 이상의 반사형 편광자와 결합시킨다. 이러한 장치에 있어서, 액정은 대개 일렉트로트로픽 탈편광자(electrotropic depolarizer), 즉 전기장의 영향 하에서 단속적으로(on and off) 통과하는 광 극성의 회전을 변경 또는 절환시키는 구조물로서 기능한다. 이러한 장치 중 몇몇은 그 주요 적용예가 비디오 디스플레이 및 최신 광학 분야이기 때문에, 거의 기술되지는 않지만 절환 가능한 거울로 간주될 수도 있다.
인용된 참조 문헌 및 그에 대한 설명이나 논의를 포함하는, 본 명세서의 이러한 배경 기술 부분에 포함된 정보는 기술 참조 목적으로서만 기재된 것으로, 이에 의해 발명의 범위의 경계가 지어지는 주제로 간주되는 것은 아니다.
본 명세서에 개시된 기술은 외부 날씨 조건, 내부 온도 또는 그 두 개의 조합에 기초하여 구조물 내부로의 열 유동을 조절하기 위한 목적으로, 태양 스펙트럼의 전체 범위를 포함하는 복사 에너지(예를 들어, 가시 광선, 자외선 및 적외선 광)와 관련한 창 또는 유사한 재료나 구조체의 투과율에 대한 온도 기반 제어에 관한 것이다. 이러한 기술은 광 에너지의 통과를 조절하기 위해, 온도 반응성 광학 탈편광자, 예들 들어 두 개의 편광 필터 사이에 개재된 서모트로픽(thermotropic) 액정을 가지는 장치로서 채용될 수도 있다. 이러한 장치를 통과하는 입사 에너지는 사용된 편광자의 반사 및 흡수 효율에 의존할 것이다. 예를 들어, 관심 주파수 대역에 걸친 복사 에너지의 반사시 매우 효율적인 편광자의 경우, 예를 들어 임계 온도 아래일 때에는 입사 복사 에너지의 절반까지가 장치를 통과하고 임계 온도를 넘을 때에는 입사 복사 에너지의 100 %까지가 장치로부터 반사될 수도 있으므로, 열적 절환식 반사형 광학 셔터(이후, "TSROS" 또는 "셔터"로 칭함)가 될 수 있다. 저효율의 편광자 또는 주파수에 의존하는 효율을 가지는 평광자는 미학, 에너지 관리 또는 다른 목적으로 바람직한 임계 온도 전후 반사율을 구현하기 위해 사용될 수도 있다. 또한, 이러한 효과는 TSROS 장치가 저온 상태에서 반사되도록 반전되며, 투명 상태에서는 TSROS의 투과율이 높아지도록 확장되고, 또는 TSROS 장치의 반사율이 반사 상태에서 낮아지도록 지연된다.
일 구현예에 있어서, 그 자신에 평행한 편광 광은 투과시키고 수직한 편광 광은 반사시키는(흡수하지 않음) 두 개의 반사형 편광 필터가 연속으로 배열된다. 반사형 편광자가 평행하게 배향될 때, 유입하는 복사 에너지의 50 %까지가 반사될 수도 있다. 실제로는, 작은 양이 흡수될 수도 있으므로, 대개 두 개의 평행 편광자를 통한 광 투과는 30 내지 40 %이다. 반사형 편광자가 서로 직교하여 배향될 때, 광의 50 %까지가 일 편광자에서 차단되고, 제1 반사형 편광자에 의해 투과된 나머지 50 %까지가 제2 반사형 편광자에 의해 차단된다. 이러한 경우, 양 반사형 편광자를 통한 광의 투과는 매우 작고(종종 1 % 미만), 대부분의 광(종종 100 %에 근접)은 입사 방향으로 다시 반사된다.
다른 구현예에 있어서, 통과하는 광의 편광을 변화시키는 절환 가능한 편광자는 두 개 이상의 편광자의 결합으로 구성된다. 일 실시예에 있어서, 절환 가능한 편광자는 폴리머 코팅 유리와 같은 투명한 미세 직물 재료로 제조된 두 개의 시트 사이에 개재되는 액정일 수도 있다. 절환 가능한 탈편광자는 특히 써모크로믹(thermochromic) 특성을 가지도록 선택 또는 설계될 수도 있고, 그 편광 상태는 소정 온도에서 전환된다. "오프" 상태에서는, 유입하는 광의 편광 상태는 편광자에 의해 크게 영향을 받지 않고, "온" 상태에서는, 제1 편광자를 통과한 특정 편광 광은 설정된 양만큼 회전된다. 이는 전형적으로 소정의 광학 효과에 따라 평행 또는 수직 상태 중 하나로 제2 편광자와 정렬하도록 이루어진다. 따라서, 두 개의 반사형 편광 필터 및 액정의 조합은 액정의 상태에 따라 유입하는 광의 50 %에 이르거나 100 %에 이르는 중 하나로 반사시키는 절환 가능한 거울을 형성한다.
본 발명의 다른 특징, 세부 사항, 용도 및 장점은 첨부 도면에서 추가로 도시되고 첨부 청구 범위에서 정의되는 바와 같은 본 발명의 다양한 실시예에 대한 이후 상세하게 기술된 설명으로부터 명백할 것이다.
거의 유사한 구성 요소는 모든 도면에 있어서 동일 또는 유사한 도면 부호를 가짐에 주목하라.
도 1은 두 개의 편광 필터 사이에 개재되고 투명 기판에 부착되는 열 감지 탈편광 재료 층을 도시한 TRSOS 장치의 일 실시예의 개략 단면도이다. 유입하는 광의 동작은 셔터의 저온 상태에 대해서 도시된다.
도 2는 유입하는 광의 동작이 셔터의 고온 상태에 대해서 도시된 것을 제외하고는, 도 1의 실시예의 개략 단면도이다.
도 3은 편광자가 외부 공급원으로부터의 일부 비편광 광이 변형 없이 셔터를 통과하는 것을 허용하는 구멍 또는 투명 영역을 형성하는 TSROS 장치의 다른 실시예의 개략 대표도이다.
도 4는 광학 컬러 필터가 미학 또는 다른 목적용으로 포함된 TSROS 장치의 추가 실시예의 개략 대표도이다.
도 5는 서모트로픽 탈편광자가 두 개의 투명 전극 및 제어 시스템의 추가를 통해, 일렉트로트로픽 탈편광자로서 대체되거나 또는 추가로 제공되는 TSROS 장치의 추가 실시예의 개략 대표도이다.
도 6은 서모트로픽 탈편광자가 제거되고 반사형 편광자 자체가 서모트로픽 특성을 가지는 TSROS 장치의 추가 실시예의 개략 대표도이다. 유입하는 광의 동작은 셔터의 저온 상태에 대해서 도시된다.
도 7은 유입하는 광의 동작이 셔터의 고온 상태에 대해서 도시된 것을 제외하고는, 도 6의 실시예의 개략 대표도이다.
도 8은 고온 및 저온 상태 모두에 있어서 예시적인 서모트로픽 반사형 편광자의 개략 대표도이다.
도 9는 제1 편광자가 극성 회전 편광자인 TSROS 장치의 추가 실시예의 개략 대표도이다.
도 10은 저온 상태에 있어서 예시적인 극성 회전 편광자의 개략 대표도이다.
도 11은 예시적인 광기전(photovoltaic) 편광자의 개략 대표도이다.
서모트로픽 광학 탈편광자는 저온에서는 광 및 복사 에너지가 셔터를 통과하는 것을 허용하고 고온에서는 이를 반사시키는 열적 절환식 반사형 광학 셔터(TSROS)를 생성하기 위해 두 개의 반사형 편광자와 결합하여 사용될 수도 있다. 탈편광자는 특히 서모트로픽 특성을 가지도록, 즉 그 편광 상태가 소정 온도에서 전환되도록 선택 또는 설계된다. TSROS 장치는 특히 흡수하는 태양 복사 양을 제어함으로써 건물, 차량 또는 다른 구조물의 온도를 조절하는 적용예를 가지지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
액정, 편광자 및 반사형 편광자의 구조, 구성, 제조 및 기능은 문서에 충분히 기록되어 있지만, 좀더 나은 이해를 위한 상세한 설명이 이어진다. "투명점(clearing point)"으로 알려진 온도에서 정렬상태(ordered) 또는 "온" 상태[예를 들어, 결정 상태, 네마틱(nematic) 상태 또는 스멕틱(smectic) 상태]로부터 비정렬 상태(disordered) 또는 "오프" 상태(액체, 등방성 또는 비편광)로 전이하는 액정을 포함하는 다양한 재료가 서모트로픽 특성을 발휘한다. 예를 들어, 4-부틸시아노비페닐(butylcyanobiphenyl)(CB) 액정은 대략 16.5 ℃의 투명점을 가지는 반면, 6CB 액정은 대략 29.0 ℃의 투명점을 가지므로, 실온에 가까운 조건 하에서 "용융된다."(즉, 등방성 상태가 된다.) 4CB 및 6CB의 혼합물은 혼합물 내의 각 성분의 비율에 직접적으로 대략 선형으로 비례하여 이러한 두 개의 값 사이에 투명점을 가진다. "오프" 상태에 있어서, 유입하는 광의 편광 상태는 탈편광자에 의해 크게 영향을 받지 않고, "온" 상태에 있어서, 제1 편광자를 통과한 특정 편광 광은 설정 양(예를 들어, 45 또는 90 도, 180 또는 270 도, 혹은 45 도로 나누어질 수 없는 다른 값)만큼 회전된다.
몇몇 구현예에 있어서, 저온(예를 들어, 결정, 네마틱 또는 스멕틱) 상태에 있어서 TSROS 장치는 충돌하는 광 또는 다른 복사 에너지의 50 %까지를 반사시키고, 대략 40 %를 투과시킨다. 고온(등방성) 상태에 있어서, TSROS 장치는 유입하는 광의 100 %까지를 반사시킨다. 따라서, 이는 열적 절환식 반사형 광학 셔터를 형성한다. 편광자 및 탈편광자 층의 정확한 배열에 따라서는 반대 전이(저온시 반사되고 고온시 투과되는 셔터)도 가능함을 알 수 있다.
이러한 기술은 온도에 기초하여 창, 채광창 및 다른 투명 재료를 통해 복사 에너지(가시 광선, 자외선 및 적외선 광을 포함)의 유동을 조절함으로써, 고온에서의 복사 에너지(예를 들어, 태양 광)의 유입을 규제하는 건물 또는 건축 재료로서의 특정 용도를 가지지만 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서, 이러한 기술은 흡수하는 태양 복사 양을 제어함으로써 건물 및 다른 구조물의 내부 온도를 조절하기 위해 사용될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 용어 "열 반사(thermoreflective)"는 온도에 따라 변하거나 직접 제어되는 가변 반사율을 가지는 장치 또는 재료를 설명하기 위해 사용된다. 용어 "복사 에너지"는 가시 광선, 적외선, 자외선, 전파(radio), 극초단파, 레이더 및 광학 법칙을 따르는 전자기 복사의 다른 파장을 칭하는데 사용된다. 유사하게, 용어 "광" 또는 "광학"이 사용될 때마다, 복사 에너지의 임의의 형태를 포함하는 것으로 의도된다. 용어 "광학"은 복사 에너지에 대한 재료 또는 장치의 임의의 효과, 예를 들어 흡수, 반사, 투과, 편광, 탈편광 또는 확산을 칭하는데 사용된다.
본 명세서에서 사용되는 용어 "서모트로픽 탈편광자"는 탈편광, 예를 들어 편광의 회전이 온도에 따라 변하거나 직접 제어되는 재료를 의미한다. 서모트로픽 편광자를 구성하는 일 방법은 두 개의 정렬 층 사이에 서모트로픽 액정을 유지시키는 것이다. 서모트로픽 액정 분자의 배향은 정렬 층, 예를 들어 그 화학적 성질과 구조, 그리고 온도 또는 온도 구배 모두에 의해 영향을 받는다. 네마틱 상태를 가지는 서모트로픽 액정에 있어서, 이러한 구조는 광의 다양한 주파수 및 대역폭의 편광 회전이 온도 의존적이고, 결정형 웨이브 블록(waveblock)의 구조가 임계 온도 위에서는 붕괴하는 웨이브 블록으로서 이용될 수 있다. 이러한 서모트로픽 액정에 대한 논의는 단지 예로서 제공되는 것으로서, TSROS 장치의 범위를 제한하는 것으로 간주하여서는 안 됨에 주목하여야 한다.
본 명세서에서 사용되는 용어 "스위치"는 에너지의 유동을 선택적으로 차단 또는 허용하는 고상 장치 및 기계 장치 모두를 포함하고, 디지털 스위치(예를 들어, 트랜지스터 및 중계기) 및 아날로그 조절기[예를 들어, 튜브 및 변항기(變抗器, rheostat)]를 모두 포함한다. 또한, 가스 또는 유체의 유동을 선택적으로 차단하거나 조절하는 밸브는 스위치와 유사한 것으로 간주될 수 있고, 따라서 원칙적으로 두 개의 용어는 서로 바꾸어 사용될 수 있다. 이러한 정의에 의해, TSROS 장치는 TSROS 장치의 온도에 기초하여 "개방" 또는 투과 상태로부터 "폐쇄" 또는 반사 상태로 이동하는 고상 광학 스위치이다.
본 명세서에서 사용되는 용어 "수동"은 외부 환경 조건에 반응하지만 외부 신호 또는 조작자로부터의 지령에는 독립적으로 작동하는 물체 또는 장치를 칭한다. 따라서, 장치가 다수의 복잡한 부품, 심지어 가동부를 포함할 수도 있지만, 여전히 본 명세서에서 의도하는 "수동"으로 간주된다. 유사하게, 사용자 오버라이드 모드(override mode)의 존재 가능성은 이러한 장치의 수동 성질을 기본적으로 바꾸지는 않는다. 반대로, 능동 장치는 정상 작동을 수행하기 위해서는 사용자의 입력을 필요로 하는 장치이다. 이러한 정의에 대한 예를 들면, 광 감지 선글라스는 수동 장치인 반면, 벽 스위치 또는 조광 스위치에 의해 작동되는 표준 백열 전구는 능동 장치이다.
본 명세서에서 사용되는 용어 "탈편광자"는 회전하거나 다르게는 감쇠를 제외한 몇몇 방식으로 통과하는 광의 편광 벡터를 바꾸는 물체, 장치 또는 물질을 칭한다. 별개로, 용어 "편광자"는 직교 극성의 광 또는 원형 편광된 광의 경우 반대 헬리시티의 광을 투과시키면서 일 극성의 광을 차단하는 물체, 장치 또는 물질을 칭한다. 대부분, 이러한 차단은 흡수에 의해 발생된다. 본 명세서에서 사용되는 용어 "반사형 편광자"는 구체적으로 흡수보다는 반사시킴으로써 일 극성의 광을 차단하는 편광자를 칭한다. 이러한 정의에 의해, 표준 반사 또는 반반사(semi-reflecting) 필터에 인접한 표준 흡수형 편광 필터는 반사형 편광자가 아니며, 이와 혼동되어서는 안 된다.
또한, 반사형 편광자에서 약간의 흡수가 발생하고, 마찬가지로 흡수형 편광자에서 약간의 반사가 발생하지만, 반사 형태 및 흡수 형태의 편광자 사이의 구분은 이들 두 형태가 상이한 작동 원리를 따르고 질적으로 상이한 광학 효과를 만들어내기 때문에 분명하다. 반사형 편광자의 검토 시, 예시적인 검토의 목적으로 일 극성의 광의 반사에 있어서 100 %의 효율(또는 대략 100 %의 효율)을 가지고 다른 극성의 광을 투과시키는 것으로 가정하는 것이 편리하다. 그러나, 실제로는, 이러한 편광자는 효율이 100 %미만으로(예를 들어, 설계 선택 또는 설계 및 제조 한계에 기인함), 부분적인 흡수가 있을 수도 있으며, 주파수 의존 및 공간 의존적인 반사, 흡수 및 투과 특성을 가지는 것이므로(예를 들어, 설계 선택 또는 설계 및 제조 한계에 기인함), 본 발명의 범위를 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
도 1은 두 개의 반사형 편광 필터(101, 103) 사이에 개재되고 선택 투명 기판(104)에 부착되는 탈편광자 층(102)을 설명하기 위한 TSROS 장치의 일 실시예의 개략 단면도이다. 가장 일반적인 경우에 있어서, 외부 광원은 비편광 백색 광[즉, 가시광선, 근자외선(near-UV) 및 근적외선(near-IR) 스펙트럼의 광범위한 대역에 걸쳐 높은 강도를 가지는 광]일 것이다. 장치의 일 사용예에 있어서, 외부 광원은 태양이다. 그러나, 장치는 외부 광원이 백색이 아닌 경우, 예를 들어 가로등 또는 창공의 확산 복사 에너지인 경우에도 기능을 수행할 것이다.
유입 광은 먼저 외부 반사형 편광자(101)를 통과한다. 반사형 편광자(101)의 예시 형태로는 다른 형태도 사용될 수 있지만, 유리나 플라스틱과 같은 투명 기판 내부에 매설되거나 부착된 미시적인 금속 와이어 어레이로 구성된 와이어 그리드 편광자, 폴리머계 반사형 편광 필름 또는 액정 편광자(LCP)를 포함한다. 와이어 그리드 편광자는 몇몇 적용예에서 특히 유용할 수도 있는, 전파, 극초단파 및 레이더 파장을 포함하는 광범위한 범위의 파장에 걸쳐 편광 특성을 가짐에 주목하여야 한다.
유입 광 중에서, 대략 50 %는 편광자(101)에 수직한 편광을 가지고 쉽게 반사된다. 반대로, 통상의 흡수형 편광자는 반사시키기보다는 수직 편광인 광을 흡수하여, 결과적으로는 가열된다. 반사형 편광자(101)의 것과 평행한 편광을 가지는 나머지 광 중에서, 일부 비율은 흡수되고 나머지는 투과하게 된다.
일단 외부 반사형 편광 필터(101)를 통과하면, 유입 광(예를 들어, 태양 광)은 두 개의 상이한 편광 상태를 나타낼 수 있는 장치 또는 재료인 서모트로픽 탈편광자(102)로 진입한다. 고온, 등방성 또는 액체 상체에 있어서는, 이를 통과하는 편광된 광은 영향을 받지 않는다. 저온(예를 들어, 네마틱 또는 결정) 상태에 있어서는, 서모트로픽 탈편광자(102)는 유입 광의 편광 벡터를 정해진 양만큼 회전시킨다. 양호한 실시예에 있어서, 탈편광자(102)는 광의 편광 벡터를 90 도만큼 회전시키는 비틀려진 네마틱 액정이다. 그러나, 외부 반사형 편광자(101)에 대해, 45 도 또는 임의의 다른 각도로 배향된 네마틱 액정을 포함하는 다양한 다른 장치 및 재료도 기능을 수행할 수 있다.
일단 서모트로픽 탈편광자(102)를 통과하면, 남아있는 편광 광은 "검광자(analyzer)"로 알려진 내부 반사형 편광자(103)에 충돌하여, 그 편광 상태에 따라 반사되거나 투과된다. 내부 반사형 편광자(103)는 그 편광이 외부 반사형 편광자의 것과 직교하도록 배향된다. 따라서, 장치의 고온 상태에 있어서, 광의 편광 벡터가 회전되지 않은 경우, 광의 극성은 내부 반사형 편광자(103)의 것과 직교하고, 그 중 100 %까지가 반사된다. 그러나, 저온 상태에 있어서, 광의 편광 벡터가 90 도만큼 회전되어 내부 반사형 편광자(103)와 평행하게 되는 경우, 광의 일부는 편광자 재료에 의해 흡수되고 나머지는 투과된다.
장치의 저온 상태에 대한 유입 광의 동작이 설명되며, 외부 반사형 편광자(101)는 유입 광의 50 %까지를 반사시킨다. 나머지 광은 그 편광 벡터가 회전되는 서모트로픽 탈편광자(102)를 통과하고, 이어서 큰 영향이 없는 내부 반사형 편광자 또는 검광자(103)를 통과한다. 이어서, 선택 투명 기판(104)을 통과하여, 최종적으로 장치를 빠져나간다. 따라서, 저온 상태에서는, 장치는 그 외부면에 충돌하는 광의 50 %까지를 반사시키고, 소정량은 흡수하고 나머지를 내부면을 통해 투과시키는 "절반 반사 거울(half mirror)"로서 기능한다.
도 2는 유입 광의 동작이 셔터의 고온 상태에 대해 도시한 것을 제외하고는, 도 1의 실시예의 개략 단면도이다. 서모트로픽 탈편광자(102)는 이를 통과하는 광의 편광 벡터에 영향을 주지 않는다. 따라서, 내부 반사형 편광자에 충돌하는 임의의 광은 편광자에 대해 수직 극성이므로, 100 %까지 다시 반사된다. 따라서, TSROS 장치는 그 외부면에 충돌하는 광의 100 %까지를 반사시키는 "전부 반사 거울(full mirror)"로서 기능한다.
따라서, 저온 상태에서는, 셔터는 그 외부면에 충돌하는 광 에너지를 그 절반보다 약간 적게 투과시키는 반면, 고온 상태에서는, 셔터는 광 에너지의 대략 1 % 미만을 투과시킨다. 그 결과, 셔터는 셔터의 온도에 기초하여 구조물 내부로의 광 또는 복사 열의 유동을 조절하기 위해 사용될 수 있다.
앞선 설명으로부터, 기술 분야의 숙련자는 본 실시예에 있어서 투명 기판(104)이 구조적인 지지 및 편의성의 이유만으로 존재함으로 인식할 것이다. 이러한 부품은 셔터의 기능을 크게 바꾸지 않고 생략될 수도 있다. 다르게는, 투명 기판(104)은 내부면 보다는 셔터의 외부면 상에 위치될 수 있고, 혹은 투명 기판(104)은 그 기능을 크게 바꾸지 않으면서, 양면 모두에 위치되거나, 심지어 셔터의 하나 이상의 기능 층 사이에 개재될 수도 있다. 또한, 투명 기판(104)이 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 셔터의 내부면 상에 위치되는 경우, 모든 파장에 대해 투명일 필요는 없으며, 사실상 투과되는 파장이 열 에너지, 조명 또는 기타 다른 목적으로서 유용하다면 장파 통과, 단파 통과 또는 대역 통과 필터일 수 있다. 그러나, 편리성 및 비용의 이유로, 일반적으로는 기판으로서 유리 또는 아크릴과 같은 통상의 투명 재료를 사용하는 것이 바람직할 것이다.
눈은 로그 눈금 상에서 작업을 하기 때문에, 예비 근거 자료는 주관적으로 유입 광의 50 %의 감쇠가 나타나 원래 감쇠되지 않은 광의 대략 84 %의 밝기로 보이는 것을 보여주고 있지만, 이는 변화될 수도 있다. 미학, 사람 및 에너지 관리의 균형으로서, 예비 근거 자료는 창 적용예에 대해서는 입사 태양 에너지의 대략 10 내지 20 %의 고온 상태 투과 및 입사 태양 에너지의 50 내지 70 %의 저온 상태 투과가 바람직함을 보여주고 있다. 따라서, 다른 TSROS 장치의 사용 및 실시예에 대해서는 다른 투과율 레벨이 바람직할 수도 있다.
TSROS 장치를 제조하는 일 예시 공정에 있어서, 제1 단계는 액정(LC) 셀 또는 "보틀(bottle)"을 생성하는 것이다. 두 개의 SiO2 코팅[패시베이션(passivated)] 유리 시트가 소정 크기로 스크라이브되어 기판 홀더에 위치된다. 유리 상에 인듐 주석 산화물(ITO)의 낮은 방사율 코팅이 존재하는 경우, 이는 에칭으로 벗겨지고 SiO2가 그 자리에 남겨져야만 한다. 이어서, 시트는 탈이온화(DI)된 물(28 Ohm 순도 이상) 1 갤런 당 1 oz로 혼합된 pH 중성 비누를 사용하여, 15 분 동안 48 KHz 초음파 클리너[예를 들어, 파워 레벨 8로 설정된 크레스트 트루스윕프(Crest Truesweep)] 내에 놓여진다. 이어서, 폴리미드(PI) 습윤 조직이 존재하는 경우, 시트는 데트렉스(Detrex) 비누로 재새척될 수도 있다. 더 큰 시트는 상업상 유리 워셔[예를 들어, 빌코(Billco) 시리즈 600]를 사용하는 것 대신에 세척이 이루어질 수도 있다. 시트는 이소프로필 알코올(IPA)로 건조되고 무습 저장 및 보관을 위해 필요한 만큼 120분 또는 그 이상 동안 80 내지 85 ℃에서 건조 오븐 내에 넣어지고, 이어서 15 분 동안 오존 클리너 내에 놓여질 수도 있다. 이어서 용매 내에 용해된 PI 정렬 층은 500 RPM에서 10초 동안 이어서 2000 RPM에서 45초 동안 스핀 코팅에 의해 증착된다. 대략 시트의 제곱 인치당 1 ml의 일관된 코팅이 필요하다. 시트가 스핀 코팅하기에 너무 큰 경우에는, PI 용액이 잉크젯 프린터에 의해 증착된다. 코팅 후, 기판은 85 ℃에서 5 분 동안 가열되어 남아있는 임의의 용매를 날려보내고, 이어서 180 내지 190 ℃에서 1 시간 동안 베이킹되어 PI를 경화시킨다. 오븐 도어는 내부 온도가 85 ℃ 이하가 될 때까지 개방되어서는 안 된다.
이어서, PI 표면의 오염을 방지하기 위해, 시트는 필요로 할 때까지 50 ℃의 진공 오븐 내에서 저장된다. 이어서, 시트는 진공 고정 장치에 놓여져서 적절한 위치에서 유지되고, 양면 테이프로 고정된 마찰 천(rub cloth) 재료로 둘러 감긴 폴리프로필렌 또는 알루미늄 블록으로 마찰된다. 마찰 블록은 그 자체 하중을 제외하고는 어떠한 하향 압력 없이 동일 방향으로 25회 표면을 가로질러 가압된다. 이어서, 마찰 방향이 시트의 코팅되지 않은 측면 상에 마킹된다[예를 들어, 샤피(Sharpie) 펜 이용]. 이어서, 복수의 7.5 미크론 스페이서 비드가 공기 퍼프 기계에 의해 일 시트의 피마찰 표면에 적용되고, 제1 기판과 90 도로 배향된 마찰 방향을 가지는 제2 시트가 제1 시트 꼭대기에 피마찰 측이 아래가 되는 상태로 놓여진다. 에지부는 먼저 액정과 상호 작용하지 않는 광학 접착제[예를 들어, 노오린(Norlin) 68]로 이어서 방수 실러[예를 들어, 록타이트(Loctite) 349]로 실링되어, 각각 대략 1 ㎝ 폭을 가지는 적어도 2개의 포트를 개방 상태로 남겨둔다. 이어서, 노오린 68은 적어도 4000 mJ/㎝2을 1 회분으로 하여 자외선 경화되거나, 50℃에서 12 시간 동안 베이킹 처리되거나, 혹은 대신 실온에서 일주일 동안 경화되도록 한다.
이어서, 보틀은 액정의 빙점 초과 투명점 미만 온도 및 20 milliTorr 이하의 압력에서 진공 로더(loader)에 놓여져, 액정(예를 들어, 35℃의 투명점을 가지는 5부 6CB, 1.25부 E7 및 0.008부 811의 혼합물)을 내장하는 슬롯 내부로 하강된다. 액정은 모세관 작용에 의해 보틀 내부로 견인된다. 로딩이 완료되면, 자외선 광에 대한 액정 혼합물의 불필요한 노출을 방지하기 위한 주의를 기하면서, 보틀은 진공 챔버로부터 제거되고, 포트는 노오린 68 및 록타이트 349로 실링되고, 경화 단계가 반복된다. 이때 보틀이 완성된다.
일단 보틀이 제조되면, 이어서 완성된 TSROS 장치로 추가 구성될 수 있다. 예시적인 TSROS 장치는 독립형 열 반사 필터(예를 들면, LC 보틀, 편광자 및 자외선 프로텍션 밖에 없음) 및 1개의 창유리(pane)에 적층된 열 반사 필터를 구비한 "이중 유리 창"이나 절연 유리 유닛(IGU)을 포함한다. 열 반사 필터를 제조하기 위해서는, LC 보틀은 반사형 편광자 필름[예를 들어, 3M 신편광 필름(APF) 또는 확산 편광 반사형 필름(DRPF)] 및 광학 투명 시트 접착제(예를 들어, 3M 8141 및 3M 8142 광학 투명 접착제)의 층으로 수차례 적층된다. 이어서 자외선 차단 층이 도포된다[예를 들어, 갬컬러(GamColor) 1510 자외선 필름]. 모든 적층 단계는 미립자가 임의의 접착제 층에 기포를 야기하는 것을 방지하기 위해 클래스 1,000 하향 통풍 후드를 구비한 클래스 10,000 클린룸 환경에서 수행된다.
공정은 1.83 미터(6 피트)의 자동/수동 롤 적층기를 사용함으로써 개시되어 접착제를 보틀에 도포하기 시작한다. 레벨링 손잡이 상에 미리 설정된 증분을 사용하여, 보틀의 손상을 회피하도록 하는 높이가 적층기 상에 설정된다. 하나의 3M 8141 층이 보틀에 도포되고, APF 또는 DRPF 중 하나의 층이 이어진다. 이어서, 공정은 편광 필름이 앞선 층으로부터 90 도 회전한 상태에서, 보틀의 반대 측 상에서 반복된다. 하나 이상의 3M 8141 층이 보틀의 일 측에 도포되고, 이어서, 자외선 차단 층이 최종 단계로서 적용된다. 이때, 보틀은 열 반사 필터가 된다.
LC 보틀로부터 절연 유리 유닛(IGU)을 제조하기 위해서는, 추가의 적층이 요구된다. 열 반사 필터는 자외선 차단물 위에 2개의 연속된 3M 8142 층으로 제공된다. 이어서, 보틀보다 대략 2.54 - 5.08 ㎝(1 - 2 인치) 더 큰 강화 유리가 역시 2개의 연속된 3M 8142 층으로 제공된다. 강화 유리 상의 층에는 3M 8142가 유리를 완전히 덮는 것을 방지하기 위해 경계부 아래에 테이프가 적층된다. 이어서, 접착제 베이킹이 LC 보틀 및 강화 창 유리 모두로부터 제거된다. 각각의 접착제 측면은 함께 놓여지고, 이어서 적층에 적합하고 보틀의 손상을 방지하는 높이로 다시 설정되는 최종 시점에는 적층기에 걸쳐 고루 퍼진다. 이제 조립체는 그 주위에 설치된 표준 절연 유리 유닛을 구비할 수 있다. 건조제를 구비한 표준 알루미늄 스페이서가 IGU 유리의 두 개의 창 유리를 분리시키는데 사용되고 PIB 접합 비드로서 유리에 부착되고 폴리이소부틸렌[polyisobutylene(PIB)] 고온 용융 시일제로서 에지부 주위에서 실링된다. 이제 IGU는 수송 및 설치 준비가 된 것이다.
도 3은 외부 공급원으로부터의 임의의 비편광 광이 변형 없이 셔터를 통과하는 것을 허용하기 위해 하나 또는 양 편광자(101, 103) 내에 갭(105)이 존재하는, TSROS 장치의 다른 실시예의 개략 대표도이다. 이러한 갭(105)은 구멍 또는 스트립 형태를 취할 수도 있고, 다르게는 편광자 재료 자체에 스트립 또는 스폿(spot)이 적용될 수도 있다. 그러나, 기술 분야의 숙련자는 본 명세서 내에서 자세히 상술할 필요가 없는 갭(105)을 형상화하는 수많은 대체 방법이 존재함을 이해할 것이다. 이러한 실시예는, 예를 들어 비교적 투명한 감쇠되지 않은 시야를 제공할 필요가 있는 창에서 유용할 수도 있다. 이러한 경우, 반사 상태에 있어서 편광자(101, 103)의 감쇠 또는 폐쇄(obstruction)는 통상의 창 스크린을 통하여 보는 것과 유사할 것이다.
균일한 편광자를 대신하여 갭(105)을 구비한 편광자(101, 103)를 사용함으로써 모든 조건 하에서 셔터를 통한 에너지의 투과가 증가하고 따라서 고온 상태에서 광 및 복사 에너지를 반사시키는 셔터 능력은 감소한다. 그러나, 이러한 배열은 저온 상태의 투명도가 고온 상태의 반사도 보다 더 중요한 상황 하에서는 장점을 가질 수도 있다.
이러한 방법은 셔터의 고온 상태에서 투명도를 증가시킬 수만 있고 (셔터의 정확한 형상 및 탈편광자의 정확한 성질에 의존하여) 저온 상태에서는 투명도를 실질적으로 감소시킬 수도 있지만, 두개의 편광자를 서로에 대해 0 초과 90 도 미만의 각도로 회전시킴으로써 유사한 효과가 달성될 수 있음에 주목할 수 있다. 편광자가 효율적으로 작동한다고 가정하는 경우, 저온 상태에서의 투명도는 절대 50 %(두 개의 이상적인 편광자가 평행한 방향으로 위치될 때 발생하는 상태)를 넘을 수가 없다. 그러나, 편광 효율이 100 % 미만인 경우, 고온 상태에서 반사도를 희생시키지만, 저온 상태에서는 더 큰 투명도가 달성될 수 있다.
또한, 액정 정렬 층 내의 갭 또는 다른 변형이 편광자 내에 갭을 구비하는 것과 유사한 효과를 생성할 수 있고, 몇몇 상황 하에서는 더 용이하거나 다르게는 더 바람직할 수도 있음에 주목하여야 한다. 또한, 간접광만이 셔터를 통과할 수 있도록 임의의 종류의 갭(105)이 배열될 수 있다.
도 4는 광학 컬러 필터(106)가 추가된 TSROS 장치의 추가 실시예의 개략 대표도이다. 컬러 필터(106)의 예시적인 형태는 좁은 범위의 파장을 반사시키고 나머지는 모두 투과시키도록 설계된 대역 반사기[예를 들어, 분포 브래그 반사기(DBR)나 주름(rugate) 필터] 또는 일정 파장 범위를 투과시키고 나머지를 모두 반사 또는 흡수하도록 설계된 대역 통과 필터[예를 들어, 컬러 유리 또는 플라스틱 시트)를 포함할 수도 있다.
컬러 필터(106)는 셔터의 외부면 상에 위치하는 것으로 도시되어 있다. 그러나, 기술 분야의 숙련자는 컬러 필터(106)를 셔터 내의 다른 층 뒤에 위치시킴으로써 다른 미학 또는 광학 효과가 생성될 수 있음을 이해할 것이다. 예를 들어, 컬러 필터(106)가 셔터의 내부면 상에 위치하는 경우, 셔터가 고온 또는 100 % 반사 상태일 때에는 컬러는 외부 관찰자에 있어 분명하게 보이지 않을 것이다.
컬러 필터의 사용은 저온 또는 50 % 반사 상태에서 셔터를 통해 투과되는 광 및 복사 에너지의 양을 감소시킬 것이다. 그러나, 이러한 배열은 미학, 키이 파장(key wavelength)의 배제 또는 고온 상태의 반사도가 저온 상태의 반사도 보다 더 중요하게 고려되는 상황 하에서는 장점을 가질 수도 있다.
다르게는, 추가 컬러 필터 층 대신에, 반사형 편광자중 하나를 대신하여 하나 이상의 컬러 편광자(즉, 전체 가시광선 스펙트럼에 걸쳐 흡수 또는 반사를 하지 않는 편광자)를 구비한 셔터가 사용될 수 있다. 컬러 편광자의 일예로는 고온 또는 반사 상태에 있어서 마젠타 색상(적색 및 청색의 조합)을 나타내는 3M DBEF 반사형 편광 필름을 들 수 있다.
도 5는 서모트로픽 탈편광자(102)가 제어 시스템(108) 및 2개의 투명 전극(107)을 추가하여, 집합적으로는 동일한 기능을 수행하는, 일렉트로트로픽 탈편광자(102')로서 대체되거나 추가로 제공되는 TSROS의 추가 실시예의 개략 대표도이다.
투명 전극의 예시적인 형태로는 인듐 주석 산화물(ITO)의 박층을 들 수 있다. 제어 시스템(108)은 온도 센서, 동력 공급원 및 제어기 하드웨어를 포함한다. 제어 시스템(108)의 예시적인 형태로는 소형 배터리 또는 광전지에 의해 동력을 얻고 프로그램 가능한 마이크로컨트롤러에 접속되는 서모 커플로 구성된 LCD 제어기 및 서모스탯(thermostat)을 들 수 있다. 감지된 온도가 임계치 아래로 내려가는 경우, 제어 시스템은 편광 특성이(예를 들어, 액정 분자를 재배향시킴으로써) 개조되도록, 일렉트로트로픽 탈편광자(102')에 걸쳐 AC 또는 DC 전기장을 생성하는 투명 전극(107) 사이에 AC 또는 DC 전압을 인가한다. 이러한 제어 시스템의 설계는 종래 기술에 있어서 통상적인 것으로 세부적인 설명을 필요로 하지 않는다. 그 밖에 이러한 실시예의 작동 및 사용은 도 1 및 도 2에 도시된 실시예의 작동 및 사용과 동일하다.
도 6은 서모트로픽 탈편광자(102)가 생략되고, 반사형 편광자(101', 103')가 서모트로픽 특성을 가지는 TSROS 장치의 추가 실시예의 개략 대표도이다. 서모트로픽 반사형 편광자(101', 103')의 설계는 고온 상태에서는 통상적으로 편광을 행하고, 저온 상태에서는 최소 편광을 행하거나 편광이 없도록 이루어진다. 따라서, 저온 상태에 있어서, 셔터로 유입하는 비편광 광은 비편광 상태에서 외부 편광자(101')와 마주치므로, 이에 의해 큰 영향을 받지 않고, 이어서 비편광 상태에서 내부 서모트로픽 반사형 편광자(103')와 마주치며 역시 이에 의해 큰 영향을 받지 않는다. 따라서, 서모트로픽 반사형 편광자(101', 103') 및 투명 기판을 통한 투과와 관련된 약간의 미세한 흡수, 반사 및 산란을 제외하고는, 기본적으로 유입 광의 100 %가 셔터를 통해 투과된다.
도 7은 고온 상태인 도 6의 실시예의 개략 대표도이다. 이러한 경우, 서모트로픽 반사형 편광자(101', 103') 모두가 이들 사이에 탈편광자가 없는 완전 편광 구성을 이룬다. 따라서, 비편광 광이 외부 서모트로픽 반사형 편광자(101')와 마주치는 경우, 다른 실시예에서와 같이 그 중 50 %까지가 반사된다. 통과한 광은 반대 극성으로 이루어지고, 따라서 그 중 100 %까지가 반사된다. 따라서, 저온 상태에 있어서, 셔터는 100 %까지 투과되고, 고온 상태에 있어서, 셔터는 100 %까지 반사된다. 다른 실시예에서와 같이, 이러한 이상적인 반사는 두 개의 서모트로픽 반사형 편광자(101', 103')가 90 도 이격되어 배향될 때 발생한다. 고온 상태에 있어서 투과 및 반사 양은 두 개의 서모트로픽 반사형 편광자(101', 103')를 오정렬시킴으로써 조정될 수도 있고, 저온 상태에 있어서 투과 및 반사 양은 두 개의 서모트로픽 반사형 편광자(101', 103') 사이에 탈편광자를 위치시킴으로써 조정될 수 있다.
도 8은 고온 및 저온 상태 모두에 대한, 예시적인 서모트로픽 반사형 편광자(101)의 개략 대표도이다. 이러한 예시적인 실시예에 있어서, 편광자(101)는 평행한 금속 와이어(109)로 구성된 와이어 그리드 편광자이다. 그러나, 표준 와이어 그리드 편광자와는 다르게, 본 실시예에서의 편광자는 온도에 반응하여 그 물리적 형상이 변화하는 전도성 서모트로픽 재료로 제조된 와이어 세그먼트(110)로 구성되는 와이어(109)를 구비한 MEMS(미세전기-기계 시스템) 장치이다. 이러한 재료의 예로서는 구리-알루미늄-니켈 합금과 같은 형상 기억 합금을 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 이러한 예시적인 실시예에 있어서, 와이어 세그먼트(110)는 고온에서는 편평하게 눕고 저온에서는 표면으로부터 떨어져 일어나도록 형성된다. 따라서, 특정 임계 온도 위에서는, 개별 와이어 세그먼트(110)는 서로 물리적 접촉을 하기에 충분하게 편평하게 누워 있으며 연속 와이어(109)를 형성하며, 집합적으로 와이어 그리드 편광자(101, 103)를 형성한다. 그러나, 액정 또는 나노 공학적 광학 및 광자학 재료 또는 소위 "메타 물질(metamaterials)"로 구성된 버전을 포함하는 다른 형태의 서모트로픽 반사형 편광자 역시 가능하며, 이들 또는 다른 형태의 서모트로픽 반사형 편광자가 이러한 구현예의 기본 성질, 의도 또는 기능을 바꾸지 않고 도 8에 도시된 설계를 대신하여 채용될 수 있음을 알 수 있을 것이다.
도 9는 외부 반사형 편광자(101)가 "극성 회전 편광자"로 대체된 TSROS 장치의 또 다른 실시예의 개략 대표도이다. 흡수형 편광자는 반대 극성의 광을 흡수하고 반사형 편광자는 반대 극성의 광을 반사시키는 반면, 극성 회전 편광자는 반대 극성의 광을 정합하는 극성의 광으로 변환시킨다. 따라서, 편광자(101)는 100 %까지 투과가 이루어지고, 이를 빠져나가는 모든 광이 동일한 극성을 가지게 된다. 도면에서, 정합 극성의 유입 광은 외부 편광자(101)에 충돌하여 이를 통해 투과된다. 반대 극성의 광은 외부 편광자(101)에 충돌하여, 그 극성이 편광자의 것과 정합하도록 "회전"된다.
도 9는 저온 상태에서의 본 실시예의 작동을 설명하며; 편광 광은 저온, 정렬 상태(organized)(예를 들어, 비틀려진 네마틱 상태)인 탈편광자(102)로 진입하여, 전술된 다른 실시예에서와 같은 표준 반사형 편광자인 제2 편광자 또는 검광자(103)의 극성과 정합하도록, 이를 통과하는 모든 광의 극성을 회전시키는 기능을 한다. 탈편광된 광은 제2 편광자(103)의 극성과 정합하기 때문에, 광은 투과된다. 따라서, 본 실시예에 있어서, TSROS 장치는 저온 상태에서 100 %까지 투과가 이루어진다. 고온 상태에 있어서, 탈편광자(102)는 비정렬상태(disorganized)가 되어(즉, 액정 또는 등방성 상태) 이를 통과하는 광의 극성에 영향을 주지 않는다. 따라서, 광이 제2 편광자(103)에 대해 반대 극성을 가지기 때문에, 광의 100 %까지가 다시 반사된다. 따라서, TSROS 장치는 고온 상태에서는 100 %까지 반사가 이루어진다.
도 10은 와이어 그리드 편광자(111), 거울(112) 및 탈편광자(113)로 구성되는 극성 회전 편광자 장치의 예시적인 형태의 개략 대표도이다. 정합 극성의 광이 편광자(111)에 충돌할 때, 광은 투과된다. 그러나, 반대 극성의 광이 편광자(111)에 충돌할 때, 거울(112)에 대해 45 도의 각도로 반사되며 광이 다시 한번 그 원래 방향으로 이동하도록 45 도의 각도로 광을 반사시킨다. 이때, 반사된 광은 그 극성을 특정 양(통상 90 도)만큼 회전시키는 [웨이브 블록 또는 파장 판(waveplate)으로도 또한 알려져 있는]영구 탈편광자를 통과한다. 따라서, 이제 반사된 광의 극성은 투과된 광의 극성과 정합하게 된다. 따라서, 극성 회전 편광자는 모든 광이 확실하게 동일한 편광이 되도록 하면서 충돌하는 광의 100 %까지를 투과시킨다.
다수의 다른 광학 부품 배열이 동일한 효과를 달성할 수 있으며, 나노 공학적 광학 및 광자학 재료, 소위 "메타 물질"에 기초한 편광자 재료 및 다른 원리에 따라 기능하는 기타 재료를 포함하는 다른 형태의 극성 회전 편광자 또한 발견될 수 있음을 이해하여야 한다. 그러나, 본 구현예의 기본 기능, 의도 및 성능은 채용되는 극성 회전 편광자의 정확한 특성에 의한 영향을 받지는 않는다.
도 11은 와이어 그리드 편광자(111)의 전도성 와이어(109)가 광기전 스트립으로 대체된, 또 다른 형태의 반사형 편광자, 즉 광기전 편광자의 개략 대표도이다. 양호한 실시예에 있어서, 이러한 스트립(109)은 반도체(예를 들어, 실리콘) 박막의 상부에 금속(예를 들어, 알루미늄) 박막을 포함하는 쇼트키(Shotkey) 형태의 다이오드이다. 그러나, 다른 광기전 재료 또는 장치가 TSROS 장치의 이러한 실시예의 성질 또는 기능에 대한 근본적인 변화 없이 대체될 수 있다. 이러한 배열에 있어서, 광기전 스트립(109)은 통상의 와이어 그리드 편광자와 마찬가지로 반대 극성으로 충돌하는 광의 상당 부분을 반사시키지만, 또한 이러한 광의 상당 부분은 전류를 생성하기 위해 수집될 수 있는 전위 형태로 흡수된다. 광기전 장치의 설계 및 기능은 종래 기술에서 잘 설명되므로, 본 명세서에서는 추가의 세부 설명을 필요로 하지 않는다.
그러나, 편광자 또는 편광자들에 의해 차단된 광의 일부분이 전력의 형태로 이용될 수 있도록, 하나 이상의 광기전 편광자가 본 구현예에서 채용될 수 있음을 이해하여야 한다. 이는 셔터의 통상의 열 반사 거동에 대해 추가로 발생한다.
TSROS 장치는 기능을 위해 외부 신호나 사용자 입력을 요구하지 않는 수동, 자가 조절적이며, 따라서 소위 "스마트 물질"로 간주될 수 있다. 또한 TSROS 장치는 거의 고상인 광학 스위치로 이해될 수도 있다. 몇몇 구현예에 있어서, 액정 분자의 박막을 제하고, 스위치는 광자 및 전자 이외에는 가동부를 포함하지 않는다. TSROS 장치는 온도에 기초하여 통과하는 광 및 복사 에너지의 양을 조절한다. 따라서 셔터는 태양 에너지 또는 다른 입사 광 에너지의 반사 및 흡수를 제어함으로써 건물, 차량 및 다른 구조물의 내부 온도의 조절을 돕기 위해 사용될 수 있다.
TSROS 장치는 다중 구성을 가질 수도 있다. 예를 들어, TSROS 장치가 확산 가시 광을 투과 및 반사하도록 구성되는 경우, 유리 블록, 프라이버시 유리(privacy glass) 및 직물형 폴리머와 같은 반투명 건물 재료에 대한 미학적인 에너지 조절 대체물로서 기능할 수도 있다. 다르게는, TSROS 장치가 확산이 거의 없는 평행(collimated) 가시 광을 투과 및 반사시키도록 구성된 경우, 유리 또는 폴리머 창과 같은 투명 건물 재료에 대한 미학적인 에너지 조절 대체물로서 제공된다. 또한, TSROS 장치가 가시 광선 스펙트럼에서 반사 또는 투과 피크를 보이도록 구성되는 경우, 스테인드 글라스(stained glass), 틴티드 창(tinted windows)이나 창 아플리케 및 코팅, 또는 컬러 인공 광원에 대한 에너지 조절 대체물로서 제공될 수도 있다. TSROS 장치의 물리적 인스턴시에이션(instantiation)은 그 기본 기능을 현저한 방식으로 바꾸지 않으면서, 두껍거나 얇을 수도, 강하거나 약할 수도, 강성이거나 가요성일 수도, 일체식이거나 별도 부품으로 이루어질 수도 있다.
수개의 예시적인 실시예가 본 명세서에서 설명 및 기술되었지만, 본 발명은 이러한 특정 구성에 한정되지 않음을 이해하여야 한다. 반사방지 코팅 또는 필름과 같은 선택 부품이 특정 적용예 또는 특정 제조 방법에 대한 필요를 만족하도록 추가되거나 이동될 수도 있고, 몇몇 실시예의 품질 저하 형태가 특정 부품을 제외시키거나 대체시킴으로써 이루어질 수 있다. 예를 들어, 반사형 편광자 중 하나(둘 다 아님)를 통상의 흡수형 편광자로 대체함으로써, TSROS 장치는 저온 상태에서는 50 %에 이르는 반사, 40 % 투과 및 10 % 흡수가 이루어지고, 고온 상태에서는 50 %에 이르는 반사, 50 % 흡수 및 1 % 미만의 투과가 이루어지는 결과를 낳을 수도 있다. 이러한 TSROS 장치는 고온 상태에서 열을 흡수하므로, 열을 효과적으로 차단하지 않을 수도 있다. 그럼에도, 예를 들어 TSROS 장치의 비용이 그 성능보다 더 중요하게 고려되는 경우에는, 이러한 배열이 장점을 가질 수도 있다.
또한, 그 열 전도성 및/또는 열 용량의 증가 또는 감소에 의해 그 저온 상태 광 투과, 반사 또는 흡수를 향상시킴으로써, TSROS 장치의 성능을 향상시키는 것이 가능하다. 또한, 하나 또는 양 편광 층의 구조를 조정(예를 들어,편광자 재료의 스트립 또는 스폿을 투명 재료로서 변경)함으로써, 저온 및 고온 상태 모두에 있어서 TSROS 장치의 투명도를 증가시키는 것이 가능하다. 서로에 대한 편광자의 배향을 조정함으로써, 저온 상태에서는 아니지만, 고온 상태에 있어서 TSROS 장치의 투명도를 증가 또는 감소시키는 것이 가능하다(즉, 90 도 미만이면, 고온 상태에서는 100 % 미만의 반사도를 산출함). 또한, 탈편광자에 의해 제공되는 편광된 광의 회전을 조정함으로써 저온 상태에서의 TSROS 장치의 투명도를 증가 또는 감소시키는 것이 가능하다. 또한, TSROS 장치는 반사방지 코팅, 저방사율 코팅, 집광 렌즈, 에어 갭 또는 진공 갭, 상 변화 물질, 또는 발포 유리와 실리카 에어로겔을 포함하지만 이에 한정되지 않는 투명 단열재와 같은 선택 구성의 추가를 통해 특정 적용예에 대해서 기능적으로 향상된다.
다양한 편광자 형태(와이어 그리드 편광자, 연신된 폴리머 편광자, 액정 편광자, 흡수형 편광자, 정반사형 편광자, 확산 반사형 편광자, 그 기능이 온도에 따라 변화하는 서모트로픽 편광자 및 극성 회전 편광자를 포함하지만 이에 한정되지 않음)가 본 발명의 정신을 기본적으로 벗어나지 않으면서 본 출원에서 기술된 것과 유사한 효과를 달성하기 위해 무수한 개수의 상이한 배열로 조합될 수 있다. 예를 들어, 반사형 편광자는 각각이 상이한 편광 특성을 가지도록, 예를 들어 상이한 주파수에서 정반사 대 확산 또는 반사 대 흡수와 같이 반대가 되도록 선택될 수도 있다.
TSROS 장치용 에너지 이송에 대한 최대 제어는 반사되는 파장의 범위가 가능한 클 때 발생하지만, 컬러 필터 층의 추가가 미학 또는 다른 이유로 TSROS 장치를 통과하는 광의 투과 스펙트럼(즉, 컬러)을 바꿀 수 있다. 또한, 광의 특정 파장을 반사시키기 위해 하나 이상의 대역 차단 필터를 추가함으로써, 그 효율에 있어 최소 효과를 가지는 TSROS 장치의 표면에 반사형 "컬러"를 추가하는 것이 가능하다. 최종 광학 특성은 특정 형태의 선글라스와 통과 유사성을 지닐 수도 있지만, 임의의 다른 건물 재료의 것과는 밀접한 유사성이 없다. 또한, 미학, 열 및 광 관리 또는 다른 이유로, 특정 범위(또는 다중 범위)의 파장에 대해서만 작동하는 스펙트럼 선택 편광자뿐만 아니라 특정 범위(또는 다중 범위)의 파장에 대해 상이한 편광 효율 및 흡수도와 반사도 단계를 가지는 편광자를 사용하는 것이 가능하다.
TSROS 장치의 재료 및 구조는 강성일 수도 있지만, 본 명세서에서 기술된 기능을 수행하기 위해서 반드시 강성일 필요는 없다. 또한, TSROS 장치의 다양한 부품은 부착되거나 물리적으로 직접 접촉하는 것으로 도시 및 설명되었지만, TSROS 장치는 부품이 단순히 인접하여 물리적으로 분리된 경우에도 역시 작용할 것이다. 따라서, TSROS 장치가 고형물[예를 들어, 창, 유리 블록, 스팬드럴(spandrel) 또는 가동 패널] 또는 고형물 그룹(예를 들어, 광학 작업대에 고정되는 부품)으로서 구현될 수 있지만, 예를 들어 텐트 재료, 블랭킷, 커튼, 또는 예를 들어 유리창, 스팬드럴 또는 유리 블록 건물재의 표면에 적용될 수 있는 아플리케 필름과 같은 가요성 물체로도 구현될 수 있다.
또한, 금속, 세라믹, 반도체, 유리, 폴리머, 나노 구조 및 마이크로 구조의 광자 재료, 메타 물질, 액정 및 심지어 얼음, 액체 및 증기를 포함하는 광범위한 대체 재료가 장치 제조에 사용될 수 있다. 장치는 공기 갭, 진공 갭, 거품, 비드, 섬유 패드 또는 에어로겔을 포함하지만 이에 한정되지 않는, 단열성을 향상시키도록 설계된 구성을 포함할 수도 있다. 또한, 전도성 접착제, 크거나 작은 열 질량을 가지는 재료 및 상 변화 물질과 같은, 열 감지, 반응 및 전이 온도 정확 능력을 향상시키도록 설계된 구성을 포함할 수도 있다. 차량 또는 건물 벽의 구조 부품으로서 기능하기에 충분한 두께 및 강성을 가질 수도 있다. 복잡한 표면 주위를 감싸거나 그 위에 형성될 수도 있다. 컬러를 구비하여 미학적으로 향상될 수도 있고, 또는 종래의 건물 재료와 유사성을 가지도록 위장될 수도 있다. 고온인 때 또는 저온인 때를 표시하도록 특정 표면에 써모크로믹 안료가 첨가될 수도 있다.
첨가물, 예를 들어 키랄(chiral) 액정이 편광된 광의 양호한 회전 방향을 설정하기 위해 서모트로픽 탈편광자에 포함될 수도 있다. 이는 상태 간 전이의 속도 및 광학 특성을 향상시킬 수도 있다. 용매[예를 들어, 머크(Merck) 액정 용매 ZLI1132]가 액정 혼합물을 생성하기 위한 베이스로서 사용될 수도 있다. 또한, 예를 들어, 전이 온도 안정성을 향상시키거나, 자외선(UV)광으로 인한 파괴(breakdown)에 대한 화학적 감수성(susceptibility)을 감소시키기 위해 특정 파장이나 파장 범위의 광 또는 에너지에 대한 탈편광자의 감수성을 감소시키거나, 특정 파장의 광 흡수 및 열 변환을 방지하거나, 또는 다른 요소의 화학적 파괴로 인한 전이 온도에 있어서의 변화를 완화시키기 위해 첨가물이 탈편광자에 포함될 수도 있다. 예를 들어, 빙점 온도 또는 낮은 점성을 조정하기 위해 헥산 및 클로로포름(chloroform)이 첨가될 수도 있다. 부품을 재배향시키거나, 유입 광을 향하거나 유입 광으로부터 이격되도록 대면시키거나, 또는 그 파장 반응이나 겉보기 두께를 개조하기 위한 기계적인 개량이 부가될 수도 있다.
다양한 층의 정확한 배열은 본 명세서에서 기술된 것과 상이할 수 있으며, (선택되는 파장 및 재료에 따라)다양한 층이 TSROS 장치의 기본 구조 및 기능을 바꾸지 않으면서 단일 층, 물체, 장치 또는 재료로서 조합될 수 있다. 앞선 설명은 다양한 특수성을 내포하고 있지만, 이는 본 발명의 범위를 한정하는 것으로 해석되기보다는 단순히 본 발명의 예시적인 특정 실시예의 설명을 제공하는 것으로 해석되어야만 한다. TSROS 장치를 다양한 재료 및 상이한 구성으로 제조하는 다양한 가능성이 존재한다. 예를 들어, 구조는 팽창이 가능할 수도 있고, 또는 통상의 공기 대신에 수중이나 대기권 밖에서의 사용을 위해 최적화될 수도 있다.
또한, TSROS 장치는 TSROS 장치 내부의 다양한 위치에서 광의 편광 상태를 변형시키기 위해, 원래 두 개의 편광자 및 서로에 대해 임의의 각도로 회전되거나 평행한 하나 이상의 추가 편광자와 합체할 수도 있다. 다중 편광자를 합체하는 실시예에 있어서, 적어도 하나는 반드시 반사형 편광자이어야만 하지만, 모든 편광자가 반드시 반사형 편광자일 필요는 없다. 상이한 광학 효과(예를 들어, 고온시 반사 대신에 저온시 반사, 투과 상태에서 상이한 색상 등)를 생성하기 위해 편광자 각도 및 액정 분자 배향의 수많은 조합이 사용될 수 있다. 편광자는 전기장, 직물 표면, 내부 안내 와이어 또는 부품 분자를 재배향시키기 위한 기타 수단을 구비하거나 구비하지 않은 게스트 호스트(guest-host) 셀 및 폴리머 안정화 콜레스테릭스(cholesterics)와 같은 대체 액정 기술뿐만 아니라, 네마틱, 비틀려진 네마틱, 스메틱, 고형/결정형, 원판형(discotic), 키랄(chiral) 및 기타 물리/분자 상태의 광범위한 다양한 조합을 채용할 수 있다.
저온 상태에서는 확산이고 고온 상태(반대)에서는 정반사이고, 일 상태 또는 양 상태 모두에서 유백광을 내고, 온도가 변화함에 따라서 상이하게 투과 및 반사되는 광의 컬러 밸런스를 변화시키고, 유사하게 고온 및 저온 상태에 있을 때 상이한 컬러 밸런스를 가지는 탈편광자를 제조하는 것이 가능하다. 렌즈, 분광 필름, 방향 감지 편광자 또는 반사형 부품의 비평행 배향의 사용을 통해, TSROS 장치로부터의 반사는 임의의 방향으로 보내어질 수 있고, 또는 대형의 거울 반사(mirrored) 표면 근처에서 종종 발생하는 눈이 부시게 하는 "제2 태양(second sun)" 효과를 제한하도록 확산될 수 있다. 또한, 임의의 다양한 광의 편광(예를 들어, 원형, 타원형 및 선형)에 대해 작용하는 편광자를 사용하는 것이 가능하다. 이러한 실시예는 본 발명의 일부분으로서 명시적으로 청구된다.
본 발명이 기본 원리에 영향을 주지 않는 수많은 다른 변형이 존재한다. 예를 들어, 탈편광자 또는 하나 이상의 편광자는 온도 변화에 반응하여 90 도(혹은 다른 소정량)만큼 물리적으로 회전하는, 기계적인 성질을 가질 수 있다. 다르게는, 서모트로픽 탈편광자는 그 온도가 그 탈편광 능력에 영향을 미치기보다는(혹은 영향에 추가하여), 작동되는 파장 범위에 영향이 있도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 매우 높은 열 팽창 계수를 가지는 재료로 제조된 웨이브 블록이 이러한 성질을 가질 수도 있다. 장치 내 층 중 일부 또는 전체가 종래 광결정을 포함하지만 이에 한정되지 않는, 도핑된 나노 구조 또는 마이크로 구조 재료로 구성될 수도 있다. 하나 이상의 층은 형상이 비평면(예를 들어, 반사형 편광자로 형성되는 포물선형 거울)일 수도 있으며, 또는 다른 형상의 반사기나 유사한 장치가 다양한 각도로 유입하는 광의 집광, 확산 또는 다른 영향을 보조하기 위해 합체될 수 있다.
열 조절 건물재로서의 TSROS 장치의 사용은 장치의 세심한 위치 설정, 예를 들어, 장치가 겨울철 동안에는 태양 광으로 가득 차고 태양이 하늘에서 더 높은 때인 여름철에는 처마에 의해 그늘지도록 장치를 집의 남쪽 면 상의 처마 아래에 위치시킴으로써 향상될 수 있다. 대안으로서, 이는 종래의 채광창을 대신하거나 통상의 유리 창 또는 유리 블록에 고정되는 아플리케 또는 패널로서 사용될 수 있다. 또한, 몇몇 경우에는, 저온(투명) 상태에서의 열 에너지 흡수를 최대화하기 위해 열 반사 재료 또는 장치 뒤에 불투명한 에너지 흡수 재료를 위치시키는 것이 바람직할 수도 있다.
본 명세서에 개시된 TSROS 장치는 건물재로서, 특히 태양 광에 노출되는 구조의 외부 표면에 대해 특별한 적용예를 가지지만, 이는 또한 다수의 다른 방식으로도 사용될 수 있다. 예를 들어, 열 반사 재료 또는 장치가 고온의 물 또는 증기의 존재가 도어로 하여금 반사성을 가지게 하여 거주자의 프라이버시를 보장하도록 샤워 도어에 합체될 수도 있다. 유사하게, 커피 포트는 포트 내 고온인 커피의 존재가 임의의 관찰자에게 명확하게 되도록 열 반사적으로 제조될 수 있다.
또한, TSROS 장치는 온도 제어식 반사 이미지를 표시하기 위해 사용될 수 있다. 텍스트, 선 그림, 회사 로고 및 단색 사진을 포함하는 이러한 이미지는 열 반사 재료를 원하는 이미지의 형상으로 배열시키거나, 이미지가 특정 온도 또는 특정 온도 범위에서 보이도록 열 반사 재료의 온도 반응을 특정 영역 내로 선택적으로 변화시키거나, 재료의 열 반사 반응이 특정 영역에서 향상 및 감소되어 이미지를 형성하도록 액정 정렬 층 또는 다른 분자 정렬 프로세스를 조작하거나, 또는 이미지의 성질 또는 그 근본 기술을 기본적으로 바꾸지 않는 다른 방법을 사용함으로써 생성될 수 있다. 이러한 이미지는 열 반사 재료 또는 장치가 저온에서보다 고온에서 상이한 광학 특성을 현저하게 나타내도록 거울, 절반 반사 거울, 격자(gratings), 그리드 및 프레넬 렌즈와 같은 반사형 광학 부품을 포함할 수 있다.
본 발명의 다양한 실시예는 어느 정도의 특이성을 가지거나 하나 이상의 개별적인 실시예를 기준으로 하여 전술되었지만, 기술 분야의 숙련자들은 본 발명의 정신 또는 범위 내에서 개시된 실시예에 대한 수많은 변형을 만들어 낼 수 있을 것이다. 첨부 도면에 도시되고 앞선 설명이 내포하는 모든 사안은 특정 실시예의 예시로서만 해석되고 제한적이지 않은 것으로 의도되어 진다. 모든 방향 참조용어, 예를 들어, 근접, 말단, 상부, 하부, 내부, 외부, 상향, 하향, 좌, 우, 측 방향, 전방, 후방, 최상, 바닥, 위, 아래, 수직, 수평, 시계 방향 및 반시계 방향은 본 발명에 대한 독자의 이해를 돕기 위한 식별 목적으로만 사용되며, 본 발명의 위치, 배향 또는 사용에 대한 특별한 제한을 만들어내지는 않는다. 연결 참조용어, 예를 들어, 부착(attached), 결합(coupled), 연결(connected) 및 접합(joined)은 가장 넓게 해석되어야 하며, 다르게 표시되지 않는 한, 요소들 사이의 상대 이동 및 요소들의 집합 사이의 중간 부재를 포함할 수도 있다. 이와 같이, 연결 참조용어는 반드시 두 개의 요소가 직접 연결되고 서로 고정 관계인 것을 의미하는 것은 아니다. 광 투과, 흡수 및 반사에 대한 언급된 퍼센트는 예시적으로만 해석되어야 하며, 제한적으로 취급되어서는 안 된다. 앞선 설명이 설명하거나 첨부 도면에 도시된 모든 사안은 예시적으로만 해석되어야 하며 제한적이지 않은 것으로 의도되어 진다. 세부 사항 또는 구조의 변화가 다음 청구 범위에서 한정되는 본 발명의 기본 원리 내에서 이루어질 수도 있다.

Claims (54)

  1. 입사 복사 에너지의 반사를 조절하기 위한 절환 가능한 셔터 장치이며,
    제1 반사형 편광자와,
    제2 편광자와,
    상기 제1 반사형 편광자와 제2 편광자 사이에 위치 설정되는 서모트로픽 탈편광자를 포함하는
    절환 가능한 셔터 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    제1 온도에서는, 상기 입사 복사 에너지의 제1 퍼센트가 장치로부터 반사되고 상기 입사 복사 에너지의 제2 퍼센트가 장치를 통해 투과되고,
    제2 온도에서는, 상기 입사 복사 에너지의 제3 퍼센트가 장치로부터 반사되고 상기 입사 복사 에너지의 제4 퍼센트가 장치를 통해 투과되는
    절환 가능한 셔터 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 서모트로픽 탈편광자는 임계 온도 미만일 때 입사 광의 편광을 조정하고,
    상기 임계 온도 위에서는, 입사 광의 100 % 까지가 장치에 의해 반사되고,
    상기 임계 온도 아래에서는, 입사 광의 50 %까지가 장치에 의해 반사되는
    절환 가능한 셔터 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2 편광자는 반사형 편광자인
    절환 가능한 셔터 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    제1 온도에서는, 상기 입사 복사 에너지의 제1 퍼센트가 장치로부터 반사되고 상기 입사 복사 에너지의 제2 퍼센트가 장치를 통해 투과되고,
    제2 온도에서는, 상기 입사 복사 에너지의 제3 퍼센트가 장치로부터 반사되고 상기 입사 복사 에너지의 제4 퍼센트가 장치를 통해 투과되는
    절환 가능한 셔터 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    제1 반사형 편광자는 상기 입사 복사 에너지의 50 %까지를 반사시키고 비반사 복사 에너지의 대부분을 투과시키고,
    상기 제2 편광자는 상기 서모트로픽 탈편광자가 임계 온도를 초과할 때 상기 제1 반사형 편광자에 의해 투과된 복사 에너지의 100 %까지를 반사시키고 서모트로픽 편광자가 임계 온도 미만일 때, 상기 제1 반사형 편광자에 의해 투과된 복사 에너지의 100 %까지를 투과시키는
    절환 가능한 셔터 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제2 편광자는 부분 반사형 편광자인
    절환 가능한 셔터 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제2 편광자는 흡수형 편광자인
    절환 가능한 셔터 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제2 편광자는 복사 에너지의 편광에 대해 주파수 선택적인
    절환 가능한 셔터 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 반사형 편광자 및 제2 편광자 중 하나 또는 모두는 확산 반사형 편광자인
    절환 가능한 셔터 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1 반사형 편광자 및 제2 편광자 중 하나 또는 모두는 정반사형 편광자인
    절환 가능한 셔터 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제1 반사형 편광자 및 제2 편광자 중 하나 또는 모두는 서모트로픽 반사형 편광자인
    절환 가능한 셔터 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제1 반사형 편광자 및 제2 편광자 중 하나 또는 모두는 광기전 반사형 편광자인
    절환 가능한 셔터 장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 제1 반사형 편광자 및 제2 편광자 중 하나 또는 모두는 극성 회전 편광자인
    절환 가능한 셔터 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    임계 온도 위에서는, 입사 복사 에너지의 0 %까지가 상기 장치에 의해 투과되고,
    상기 임계 온도 아래에서는, 입사 복사 에너지의 100 %까지가 상기 장치에 의해 투과되는
    절환 가능한 셔터 장치.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 장치는 얇은 가요성 필름 형태인
    절환 가능한 셔터 장치.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 제1 반사형 편광자, 제2 편광자 및 서모트로픽 탈편광자를 지지하는 투명 기판을 더 포함하는
    절환 가능한 셔터 장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 투명 기판은 강성 판인
    절환 가능한 셔터 장치.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 투명 기판은 장파 통과 필터, 단파 통과 필터 또는 대역 통과 필터를 포함하고 복사 에너지 중 특정 파장에 대해서만 투명인
    절환 가능한 셔터 장치.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 장치는 입사 광의 유동을 조절하기 위해 건축 재료에 합체되어져 건물, 차량 또는 기타 구조물의 내부 온도를 조절하는
    절환 가능한 셔터 장치.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 건축 재료는 절연 유리 유닛인
    절환 가능한 셔터 장치.
  22. 제1항에 있어서,
    외부 반사기, 컬러 필터, 자외선 또는 유해 방사선 필터, 투명 기판, 단열을 제공하기 위한 충전 또는 중공 공간, 비반사성 코팅, 장치의 온도 감지 능력을 향상시키기 위한 전도성 또는 절연성 접착제 또는 층, 상 변화 물질 및 저방사율 코팅 또는 장치를 포함하는 부품 중 하나 이상을 더 포함하는
    절환 가능한 셔터 장치.
  23. 제1항에 있어서,
    상기 제1 반사형 탈편광자 및 제2 탈편광자는 각각 장치를 통한 비편광 복사 에너지의 투과를 허용하는 투명 영역을 형성하는
    절환 가능한 셔터 장치.
  24. 제1항에 있어서,
    임계 온도에서 상기 서모트로픽 탈편광자를 보완하여 가동시키는 일렉트로트로픽 제어 시스템을 더 포함하는
    절환 가능한 셔터 장치.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 일렉트로트로픽 제어 시스템은
    제어기와,
    상기 제어기와 연결되는 동력 공급원과,
    상기 제어기와 연결되는 온도 센서를 포함하는
    절환 가능한 셔터 장치.
  26. 제1항에 있어서,
    상기 장치에 의해 조절되는 복사 에너지의 파장 범위는 가시 광선, 적외선, 자외선, 전파, 레이더 또는 극초단파 파장 중 하나 이상을 포함하는
    절환 가능한 셔터 장치.
  27. 제1항에 있어서,
    상기 제1 반사형 편광자 및 제2 편광자 중 하나 또는 모두는 스펙트럼 선택 편광자인
    절환 가능한 셔터 장치.
  28. 제1항에 있어서,
    상기 제1 반사형 편광자 및 제2 편광자 각각은 상이한 주파수에서 상이한 편광 효율, 편광 반응, 또는 양자 모두를 갖는
    절환 가능한 셔터 장치.
  29. 제1항에 있어서,
    상기 제1 반사형 편광자 및 제2 편광자 각각은 상이한 주파수에서 상이한 편광 특성을 가지는
    절환 가능한 셔터 장치.
  30. 제1항에 있어서,
    상기 제1 반사형 편광자 및 제2 편광자 중 하나 또는 모두는 다중 편광자의 조합을 포함하는
    절환 가능한 셔터 장치.
  31. 제1항에 있어서,
    상기 서모트로픽 탈편광자는 액정을 포함하는
    절환 가능한 셔터 장치.
  32. 제31항에 있어서,
    상기 액정은 액정의 물리 상태 사이의 전이 속도 및 액정의 광학 특성 중 하나 또는 모두에 영향을 미치도록 액정과 혼합하는 첨가물을 더 포함하는
    절환 가능한 셔터 장치.
  33. 제32항에 있어서,
    상기 첨가물은 상기 액정과 혼합하는 제2 형태의 액정을 포함하는
    절환 가능한 셔터 장치.
  34. 제32항에 있어서,
    상기 액정, 첨가물, 또는 양자 모두는 상기 서모트로픽 탈편광자의 빙점 온도와 용융점 사이의 차이, 네마틱에서 등방성으로의 상변화와 등방성에서 네마틱으로의 상변화의 전이 온도, 또는 한 쌍의 상 또는 상태 변화 사이의 차이 중 하나 이상을 결정하도록 선택되는
    절환 가능한 셔터 장치.
  35. 제31항에 있어서,
    상기 첨가물은 주위 조건에 대한 장치의 기능적인 반응 안정성을 향상시키도록 선택되는
    절환 가능한 셔터 장치.
  36. 제1항에 있어서,
    상기 서모트로픽 탈편광자는 장치의 미학, 컬러, 광이나 에너지 투과, 흡수 및 반사 특성 중 하나 이상에 영향을 미치도록 편광 광의 회전에 대한 서모트로픽 탈편광자의 주파수 의존성에 기초하여 설계 또는 선택되는
    절환 가능한 셔터 장치.
  37. 광의 반사를 조절하기 위한 절환 가능한 광학 셔터 장치이며,
    입사 광의 50 %까지를 반사시키고 입사 광의 50 %까지를 통과시키는 제1 반사형 편광자와,
    제2 반사형 편광자와,
    상기 제1 반사형 편광자와 제2 편광자 사이에 위치 설정되어 임계 온도 아래에서 입사 광의 편광을 조정하는 서모트로픽 탈편광자를 포함하고,
    상기 임계 온도 위에서는, 입사 광의 100 %까지가 장치에 의해 반사되고,
    상기 임계 온도 아래에서는, 입사 광의 50 %까지가 장치에 의해 반사되는
    절환 가능한 광학 셔터 장치.
  38. 제37항에 있어서,
    상기 제1 반사형 편광자, 제2 편광자 및 서모트로픽 탈편광자를 지지하는 투명 기판을 더 포함하는
    절환 가능한 광학 셔터 장치.
  39. 제38항에 있어서,
    상기 투명 기판은 강성 판인
    절환 가능한 광학 셔터 장치.
  40. 제37항에 있어서,
    상기 장치는 얇은 가요성 필름 형태인
    절환 가능한 광학 셔터 장치.
  41. 절연 유리 유닛이며,
    제1 유리 판과,
    제2 유리 판과,
    상기 제1 유리 판과 제2 유리 판 사이에 위치 설정되어 입사 복사 에너지의 50 %까지를 반사시키고 비반사 복사 에너지의 대부분을 투과시키는 제1 반사형 편광자와,
    상기 제1 유리 판과 제2 유리 판 사이에 위치 설정되는 제2 반사형 편광자와,
    상기 제1 반사형 편광자와 제2 편광자 사이에 위치 설정되어 임계 온도 아래의 입사 광의 편광을 조정하는 서모트로픽 탈편광자를 포함하고,
    상기 임계 온도 위에서는, 입사 광의 100 %까지가 장치에 의해 반사되고,
    상기 임계 온도 아래에서는, 입사 광의 50 %까지가 장치에 의해 반사되고,
    상기 제2 편광자는 상기 서모트로픽 탈편광자가 임계 온도를 초과할 때 상기 제1 반사형 편광자에 의해 투과된 복사 에너지의 100 %까지를 반사시키고, 상기 서모트로픽 탈편광자가 임계 온도 미만일 때 상기 제1 반사형 편광자에 의해 투과된 복사 에너지의 100 %까지를 투과시키는
    절연 유리 유닛.
  42. 입사 복사 에너지의 반사를 조절하기 위한 절환 가능한 셔터 장치이며,
    제1 서모트로픽 편광자와,
    제2 서모트로픽 편광자를 포함하고,
    임계 온도 위에서는, 입사 복사 에너지의 0 %까지가 장치에 의해 투과되고,
    임계 온도 아래에서는, 입사 복사 에너지의 100 %까지가 장치에 의해 투과되고,
    제1 온도에서는, 입사 복사 에너지의 제1 퍼센트가 장치로부터 반사되고, 입사 복사 에너지의 제2 퍼센트가 장치를 통해 투과되고,
    제2 온도에서는, 입사 복사 에너지의 제3 퍼센트가 장치로부터 반사되고, 입사 복사 에너지의 제4 퍼센트가 장치를 통해 투과되는
    절환 가능한 셔터 장치.
  43. 입사 복사 에너지의 반사 및 투과를 조절하기 위한 방법이며,
    제1 반사형 편광자, 제2 편광자 및 상기 제1 반사형 편광자와 제2 편광자 사이에 위치되는 서모트로픽 탈편광자를 포함하고, 상기 제1 반사형 편광자 및 제2 편광자가 서로에 대해 가로로 배향되는 열적 절환식 반사형 광학 셔터(TSROS) 장치를 제공하는 단계와,
    복사 에너지가 입사하도록 상기 TSROS 장치를 위치시키는 단계와,
    제1 온도에서는, 복사 에너지의 제1 퍼센트를 상기 TSROS 장치로부터 반사시키고 복사 에너지의 제2 퍼센트를 상기 TSROS 장치를 통해 투과시키는 단계와,
    제2 온도에서는, 복사 에너지의 제3 퍼센트를 상기 TSROS 장치로부터 반사시키고 복사 에너지의 제4 퍼센트를 상기 TSROS 장치를 통해 투과시키는 단계를 포함하는
    입사 복사 에너지의 반사 및 투과를 조절하기 위한 방법.
  44. 제43항에 있어서,
    상기 제1 온도가 임계 온도를 초과할 때, 제1 반사 작동은
    복사 에너지의 100%까지를 상기 제1 반사형 편광자 및 제2 편광자로 반사시키는 단계를 더 포함하고,
    상기 제2 온도가 임계 온도 미만일 때, 상기 방법은
    상기 제1 반사형 편광자와 제2 편광자 사이에서 투과되는 복사 에너지의 일부를 탈편광시키는 단계와,
    복사 에너지의 50 %까지를 상기 TSROS 장치를 통해 투과시키는 단계와,
    복사 에너지의 50 %까지를 반사시키는 단계를 더 포함하는
    입사 복사 에너지의 반사 및 투과를 조절하기 위한 방법.
  45. 제44항에 있어서,
    입사 복사 에너지의 투과를 증가시키기 위해 비직교 방향에서 상기 제1 반사형 편광자를 상기 제2 편광자와 가로로 배향하는 단계를 더 포함하는
    입사 복사 에너지의 반사 및 투과를 조절하기 위한 방법.
  46. 복사 에너지의 반사 및 투과를 조절하기 위한 방법이며,
    제1 반사형 편광자를 제2 편광자와 가로로 배향하는 단계와,
    임계 온도를 초과할 때 상기 제1 반사형 편광자 및 제2 편광자로 입사 복사 에너지의 50 %까지를 반사시키고 50 %까지를 흡수하는 단계와,
    임계 온도 미만일 때,
    상기 제1 반사형 편광자와 제2 편광자 사이에서 투과되는 입사 복사 에너지의 일부를 탈편광시키는 단계와,
    상기 제1 반사형 편광자와 제2 편광자를 통해 복사 에너지의 50 %까지를 투과시키는 단계와,
    입사 복사 에너지의 50 %까지를 반사시키는 단계를 포함하는
    복사 에너지의 반사 및 투과를 조절하기 위한 방법.
  47. 제46항에 있어서,
    상기 배향하는 단계는 입사 복사 에너지의 투과를 증가시키기 위해 비직교 방향에서 상기 제1 반사형 편광자를 상기 제2 편광자와 가로로 배향하는 단계를 더 포함하는
    복사 에너지의 반사 및 투과를 조절하기 위한 방법.
  48. 복사 에너지의 반사 및 투과를 조절하기 위한 방법이며,
    제1 서모트로픽 편광자를 제2 서모트로픽 편광자와 가로로 배향하는 단계와,
    임계 온도를 초과할 때 상기 제1 및 제2 서모트로픽 편광자로 입사 복사 에너지의 100 %까지를 반사시키는 단계와,
    입사 복사 에너지의 100 %까지를 투과시키는 단계를 포함하고,
    임계 온도 미만일 때, 상기 제1 및 제2 서모트로픽 편광자는 임계 온도 아래에서 편광을 중지하는
    복사 에너지의 반사 및 투과를 조절하기 위한 방법.
  49. 복사 에너지의 반사 및 투과를 조절하기 위한 방법이며,
    반사형 편광자를 극성 회전 편광자와 가로로 배향하는 단계와,
    상기 반사형 편광자와 극성 회전 편광자 사이에 서모트로픽 탈편광자를 개재하는 단계와,
    상기 서모트로픽 탈편광자가 임계 온도를 초과할 때, 상기 반사형 편광자 및 극성 회전 편광자로 입사 복사 에너지의 100 %까지를 반사시키는 단계와,
    임계 온도 미만일 때,
    상기 반사형 편광자, 서모트로픽 탈편광자 및 극성 회전 편광자를 통해 입사 복사 에너지의 100 %까지를 투과시키는 단계를 포함하는
    복사 에너지의 반사 및 투과를 조절하기 위한 방법.
  50. 반사 이미지를 표시하기 위한 방법이며,
    열 반사 재료 또는 장치를 원하는 이미지의 형상으로 표면 상에 배열하거나, 이미지 영역을 형성하도록 영역 내에서 열 반사 재료를 제거하는 단계와,
    특정 임계 온도 또는 온도 범위 위 혹은 아래에서 상기 열 반사 재료로부터 입사 광을 반사하여, 반사 이미지가 가시화되는 단계를 포함하는
    반사 이미지 표시 방법.
  51. 제50항에 있어서,
    반사형 광학 부품을 상기 열 반사 재료에 합체하는 단계와,
    열 반사 이미지가 활성인 경우, 상기 열 반사 재료의 광학 반응을 개조하는 단계를 더 포함하는
    반사 이미지 표시 방법.
  52. 제50항에 있어서,
    상기 열 반사 재료 내의 탈편광자의 회전 각도를 공간 의존적으로 만들거나 상기 열 반사 재료 내의 하나 이상의 편광자의 편광 효율을 공간 의존적으로 만드는 단계를 더 포함하는
    반사 이미지 표시 방법.
  53. 건물, 차량 또는 다른 구조물의 내부 온도를 조절하기 위한 방법이며,
    열 반사 재료를 구조물 외부에 위치시키는 단계와,
    상기 열 반사 재료가 고온에서는 기본적으로 입사 복사 에너지에 대해 반사성을 가지고 저온에서는 입사 복사 에너지에 대해 비교적 보다 투명하거나 흡수성을 갖거나 또는 양자 모두를 가지도록 상기 열 반사 재료의 온도 반응을 바꾸는 단계를 포함하는
    건물, 차량 또는 다른 구조물의 내부 온도 조절 방법.
  54. 제53항에 있어서,
    저온 또는 겨울철에는 최대 입사 복사 에너지를 수용하고 고온 또는 여름철에는 최소 입사 복사 에너지를 수용하도록 상기 열 반사 재료를 구조물 상에서 위치 설정하는 단계를 더 포함하는
    건물, 차량 또는 다른 구조물의 내부 온도 조절 방법.
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