KR20100102085A - 입자를 이용한 광 투과 및 반사 조절 방법 - Google Patents

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KR20100102085A
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Abstract

입자를 이용한 광 투과 및 반사 조절 방법이 개시된다. 본 발명에 따른 입자를 이용한 광 투과 및 반사 조절 방법은, 그물구조의 작용기를 포함하는 겔(gel) 형태의 매체 내에 작용기를 포함하는 입자가 분산되어 그물구조의 작용기와 입자의 작용기가 결합되어 있는 상태에서 - 입자 및 매체는 적어도 한 전극이 광투과성을 갖는 상부 및 하부 전극의 사이 공간에 위치함 -, 외부 전기장 및 자기장을 인가하여 입자의 위치를 조절함으로써, 입자에 입사되는 광의 투과도를 조절하거나 입자로부터 반사되는 광의 파장을 조절하는 것을 특징으로 한다.

Description

입자를 이용한 광 투과 및 반사 조절 방법{METHOD FOR CONTROLLING LIGHT TRANSMISSION AND REFLECTION USING PARTICLES}
본 발명은 입자를 이용한 광 투과 및 반사 조절 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 전하 또는 자성을 갖거나 전기분극 또는 자기분극 특성을 갖는 입자를 작용기를 갖는 겔(gel) 상태의 매체에 분산시킨 뒤 외부에서 전기장 또는 자기장을 인가하면, 입자가 일정한 방향으로 정렬 또는 배열되어 광투과도가 조절되고 더 나아가 입자 사이의 간격이 소정의 간격으로 제어됨으로써 반사광의 파장까지 조절할 수 있는 입자를 이용한 광 투과 및 반사 조절 방법에 관한 것이다.
광 투과 조절 장치는 광원으로부터 방출되는 광이나 외부로부터 입사되는 광을 투과 또는 차단시키는 기능을 하는 광학 장치이다.
종래의 광 투과도를 조절하는 방법으로서 Electrochromic 방법, SPD(Suspended particle device) 방법, PLDC(Polymer disperized LC) 방법, micro-blinds 방법 등이 소개된 바 있으나, 이러한 종래 기술에 의하면 단순히 광투과도만이 조절되기 때문에 응용에 한계가 있다.
한편, 종래의 반사광을 조절하는 방법으로서, 콜로이달 용액에 자성을 가진 입자를 분산시킨후, 자기장을 인가하여 자성입자간의 간격을 조절하거나 전기화학반응에 따라 부피가 팽창/수축하는 재료를 이용하여 전기장으로 층간의 간격을 조절함으로써 광결정의 반사광을 조절하는 방법이 보고 되었다. 그러나, 기존 방법에 의하면 액체상태의 매체(콜로이달 용액 또는 전해질)를 필요로 하기 때문에 봉지(Sealing)하거나 필름으로 제조하는데 많은 어려움이 있었다.
이에, 본 발명자는 전기분극 또는 자기분극 특성을 갖는 작용기를 갖는 겔(gel) 상태의 매체에 전하 또는 자성을 갖는 입자를 분산시킨 뒤 외부에서 전기장 또는 자기장을 인가함으로써 입자가 일정한 방향으로 정렬 또는 배열되도록 하여 광투과도를 조절하고 더 나아가 입자 사이의 간격이 소정의 간격으로 제어되도록 하여 반사광의 파장까지 조절할 수 있는 입자를 이용한 광 투과 및 반사 조절 방법을 구상하기에 이르렀다.
본 발명은 상술한 문제점을 모두 해결하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 전기분극 또는 자기분극 특성을 갖는 작용기를 갖는 겔(gel) 상태의 매체에 전하 또는 자성을 갖는 입자를 분산시킨 뒤 외부에서 전기장 또는 자기장을 인가함으로써 입자가 일정한 방향으로 정렬 또는 배열되도록 하여 광투과도를 조절하고 더 나아가 입자 사이의 간격이 소정의 간격으로 제어되도록 하여 반사광의 파장까지 조절할 수 있는 입자를 이용한 광 투과 및 반사 조절 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 입자를 이용한 광 투과 및 반사 조절 방법은, 그물구조의 작용기를 포함하는 겔(gel) 형태의 매체 내에 작용기를 포함하는 입자가 분산되어 상기 그물구조의 작용기와 상기 입자의 작용기가 결합되어 있는 상태에서 - 상기 입자 및 상기 매체는 적어도 한 전극이 광투과성을 갖는 상부 및 하부 전극의 사이 공간에 위치함 -, 외부 전기장 및 자기장을 인가하여 상기 입자의 위치를 조절함으로써, 상기 입자에 입사되는 광의 투과도를 조절하거나 상기 입자로부터 반사되는 광의 파장을 조절하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 본 발명에 따른 입자를 이용한 광 투과 및 반사 조절 방법은, 작용기를 갖는 겔(gel) 상태의 매체에 전하를 갖는 입자가 분산된 상태에서 - 상기 입자 및 상기 매체는 적어도 한 전극이 광투과성을 갖는 상부 및 하부 전극의 사이 공간에 위치함 -, 상기 입자에 대하여 전기장을 인가하여 상기 입자의 위치를 조절함으로써 상기 입자에 입사되는 광의 투과도를 조절하거나 상기 입자로부터 반사되는 광의 파장을 조절하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 본 발명에 따른 입자를 이용한 광 투과 및 반사 조절 방법은, 작용기를 갖는 겔(gel) 상태의 매체에 자성을 갖는 입자가 분산된 상태에서 - 상기 입자 및 상기 매체는 적어도 한 전극이 광투과성을 갖는 상부 및 하부 전극의 사이 공간에 위치함 -, 상기 입자에 대하여 자기장을 인가하여 상기 입자의 위치를 조절함으로써 상기 입자에 입사되는 광의 투과도를 조절하거나 상기 입자로부터 반사되는 광의 파장을 조절하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 본 발명에 따른 입자를 이용한 광 투과 및 반사 조절 방법은, 작용기를 갖고 전기분극 특성을 갖는 겔(gel) 상태의 매체에 입자가 분산된 상태에서 - 상기 입자 및 상기 매체는 적어도 한 전극이 광투과성을 갖는 상부 및 하부 전극의 사이 공간에 위치함 -, 상기 입자에 대하여 전기장을 인가하여 상기 입자의 위치를 조절함으로써 상기 입자에 입사되는 광의 투과도를 조절하거나 상기 입자로부터 반사되는 광의 파장을 조절하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 본 발명에 따른 입자를 이용한 광 투과 및 반사 조절 방법은, 작용기를 갖고 자기분극 특성을 갖는 겔(gel) 상태의 매체에 입자가 분산된 상태에서 - 상기 입자 및 상기 매체는 적어도 한 전극이 광투과성을 갖는 상부 및 하부 전극의 사이 공간에 위치함 -, 상기 입자에 대하여 자기장을 인가하여 상기 입자의 위치를 조절함으로써 상기 입자에 입사되는 광의 투과도를 조절하거나 상기 입자로부터 반사되는 광의 파장을 조절하는 것을 특징으로 한다.
전기장이 인가되지 않은 경우에는 상기 입자가 무질서하게 이동되어 상기 입자에 입사되는 광의 투과도가 낮아져 불투명한 상태를 나타내고, 전기장이 인가되는 경우에는 상기 입자가 전기장의 방향에 따라 회전 또는 이동함으로써 상기 입자에 입사되는 광의 투과도가 제어되고 더 나아가 입자간 간격이 일정하게 조절되는 경우 상기 입자로부터 특정 파장의 광이 반사될 수 있다 -상기 특정 파장은 상기 전기장의 방향 또는 세기를 조절함으로써 제어될 수 있음 -.
자기장이 인가되지 않은 경우에는 상기 입자가 무질서하게 이동되어 상기 입자에 입사되는 광의 투과도가 낮아져 불투명한 상태를 나타내고,
자기장이 인가되는 경우에는 상기 입자가 자기장의 방향에 따라 회전 또는 이동함으로써 상기 입자에 입사되는 광의 투과도가 제어되고 더 나아가 입자간 간격이 일정하게 조절되는 경우 상기 입자로부터 특정 파장의 광이 반사될 수 있다 - 상기 특정 파장은 상기 자기장의 방향 또는 세기를 조절함으로써 제어될 수 있음 -.
상기 전기장 또는 상기 자기장의 방향이 변화함에 따라 상기 입자가 배열되는 방향이 변화하여 상기 입자 및 매체에 입사되는 광의 투과도가 변화할 수 있다.
상기 입자가 정렬된 방향과 상기 입사되는 광의 입사 방향이 이루는 각이 직각에 가까울수록 상기 입사되는 광의 투과도가 낮아질 수 있다.
상기 전기장 또는 상기 자기장의 방향 및 세기에 따라 상기 입자 사이의 간격이 제어되어 상기 입자가 규칙적으로 배열됨으로써 상기 입자로부터 특정 파장의 광이 반사될 수 있다.
상기 겔 상태의 매체의 작용기 혹은 상기 입자를 구성하는 작용기는 히드록시기(-OH), 카르복시기(-COOH), 아민기(-NH2), 아미드기(CONH), 포르밀기(-CHO), 티롤기(-SH), 아크릴기(-CH2CHCOR) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 겔 상태의 매체는 polyvinylalcohol계, agarose계, poly(N-isopropylacrylamide)계, polysaccharide계 및 polyamide계 중 적어도 한 종류의 수용성 고분자를 포함할 수 있다.
상기 겔 상태의 매체는 분자 내에 긴 사슬의 친유성기와 반응 작용기를 포함하는 단분자(monomer) 또는 고분자(polymer)를 포함할 수 있다 - 상기 친유성기는 12-hydroxystearic acid, sorbitan ester, Sorbitan monostearate, sorbitan monooleate, polysorbate, polyoxyethylene sorbitan monooleate 중 적어도 하나를 포함함 -.
boric acid, dialdehydes, dicarboxylic acids, dianhydrides, acid chloride, epichlorohydrin 및 hydrazide 중 적어도 하나를 포함하는 이관능기(bifunctional group)를 갖는 가교제에 의하여, 상기 매체의 겔 작용기와 입자의 작용기를 결합되게 할 수 있다.
수용성 고분자 내의 극성 작용기의 물리적 결합에 의하여 상기 매체의 겔 상태가 형성될 수 있다.
열 에너지 또는 광 에너지를 인가하거나 첨가제 또는 가교제가 첨가되는 것에 의하여 상기 입자의 표면의 작용기와 상기 매체에 포함된 작용기 사이의 결합이 제어될 수 있다.
상기 겔 상태의 매체는 열 에너지 또는 광 에너지를 인가하거나 첨가제 또는 가교제가 첨가되는 것에 의하여 졸(sol) 상태로 상변화될 수 있다.
상기 입자는 무기물 및 유기물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 입자와 상기 매체 사이의 굴절률 차이는 0.1 이상일 수 있다.
상기 입자의 유전율은 5 이상일 수 있다.
상기 매체의 분극지수는 1 이상일 수 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 의하면, 광투과도를 빠른 속도로 조절할 수 있을 뿐만 아니라, 반사광의 파장까지 제어될 수 있기 때문에, 스마트 윈도우 등의 실내외 인테리어 제품 및 정보 디스플레이, 광학소자, 광학센서 등 다양한 분야에 응용이 가능하게 되는 효과가 달성된다.
또한, 본 발명에 의하면, 겔 상태에서 색 가변 혹은 광 투과 조절 장치를 용이하게 제작할 수 있으므로, 봉지(sealing) 및 필름화를 보다 용이하게 하여 정보 디스플레이, 실내외 인테리어, 각종 센서, 스마트윈도우, 가구, 가전제품, 위조방지 등 광범위한 범위에 응용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 겔 상태의 구성을 예시적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 입자의 구성을 예시적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 광 투과도를 조절하고 반사광의 파장을 조절하는 구성을 예시적으로 나타내는 도면이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구성을 상세하게 설명하도록 한다.
먼저, 본 발명에 사용된 겔(gel)이란 콜로이드 용액(solution)의 구성 성분들이 특정의 화학적 또는 물리적 결합에 의해 서로 연결되어 있는 구물구조 또는 가교 고분자 사슬을 형성하여 유동성을 저하된 상태를 의미하며, 보통 겔 상태에서는 고분자가 그물구조(Network structure)를 형성하고 액상이 그물구조 내에 고착되어 있는 상태를 의미한다. 겔을 구성하는 그물주고내에 고착되어 있는 액상의 특성에 따라, 하이드로겔(hydrogel), 오가노겔(organogel), 알코올겔(alcoholgel) 등으로 구분된다.
하이드로겔을 구성하는 작용기로서 카르복시기, 하이드록시기, 아민기, 포르밀기, 아크릴기 중 하나를 가질 수 있으며, 겔을 구성하는 재료로서 polyvinylalcohol, agarose, poly(N-isopropylacrylamide), polysaccharide계, polyamide계의 수용성 고분자 등을 사용할 수 있다. 또한 미세입자 표면의 작용기(funtional group)와 겔을 구성하는 물질내의 작용기(funtional group)가 온도, 광, 첨가제, 가교제 중 적어도 하나에 의하여 결합이 조절될 수 있으며, 가교제로서 boric acid, dialdehydes, dicarboxylic acids, dianhydrides, acid chloride, epichlorohydrin, hydrazide와 같은 이관능성기 (bifunctional group)를 가지는 가교제를 사용하여 겔을 형성시킬 수 있다.
오가노겔이란 겔이 되기 위한 매질이 유기용매인 경우를 오가노겔이라 부른다. 예를 들면, 오가노겔에 사용되는 용매는 n-hexane, toluene, o-xylene, chloroform, ethyl acetate, tetrahydrofuran, dichlorobenzene 등이 있다. 이러한 유기 용매 속에 겔화를 시키기 위한 분자를 잘 녹인 후에 겔화를 위한 가교제 등을 섞어 겔을 만드는 것이다. 이 때 가교제는 하이드로겔과 같은 이관능성기를 포함하는 재료 또는 여러가지 리간드를 가지는 금속착물을 이용하여 겔 구성 재료간의 배위결합이 이루어지게 하는 방법도 있다. 겔화를 위한 방법은 하이드로겔과 유사한 가교제, 첨가제, 온도, 광반응에 따른 방법이 있다. 오가노겔을 구성하는 재료는 분자 내에 유기용매에 잘 용해될 수 있도록 긴 알킬 사슬 (CnH2n-1)과 작용기을 가지는 amphiphilic (양친매성) 유기 분자가 적당하다. 이 때 작용기는 하이드로겔과 마찬가지로 히드록시기(-OH), 카르복시기(-COOH), 아민기(-NH2), 아미드기(CONH), 포르밀기(-CHO), 티롤기(-SH), 아크릴기(CH2CHCOR) 등이다. 예를 들면, 12-hydroxystearic acid, sorbitan ester계(Sorbitan monostearate, sorbitan monooleate 등), polysorbate계(polyoxyethylene sorbitan monooleate 등)와 같이 분자내에 긴 사슬의 친유성기와 반응 작용기를 포함하는 단분자(monomer) 또는 고분자(polymer)가 이에 해당하는 물질이다.
도 1은 겔의 특성인 그물구조를 예시적으로 나타낸 것으로, 카르복실기(carboxylic acid) 작용기를 포함한 polyacrylate 계를 나타낸 것이다
도 2는 작용기가 있는 입자의 구성을 예시적으로 나타낸 것으로, 기존 연구에 사용된 나노입자 클러스터를 나타낸 것이다("Highly Tunable Superparamagnetic Colloidal Photonic Crystals", Angew. Chem. Int. Ed. 2007, 46, 7428-7431)
본 발명은 도 1에 예시된 그물구조의 작용기를 갖는 겔 형태의 매체에 도 2에 예시된 표면에 작용기를 갖는 입자를 분산시킨 상태에서, 열에너지, 광에너지, 화학에너지, 전기에너지 등을 이용하여 매체의 작용기와 입자의 작용기를 결합시키고, 외부에서 전기장 혹은 자기장을 인가하여 그물구조의 작용기를 갖는 매체 내에서 입자의 배열 및 간격을 조절함으로써 광 투과 및 반사를 조절하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
본 발명에 사용될 수 있는 입자 및 매체의 구성에 대하여 살펴보기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 입자는 음전하 또는 양전하를 갖는 입자로서 매체에 분산되어 존재할 수 있다. 이때, 입자는 동일한 부호의 전하로 인한 상호간의 척력으로 인하여 서로간에 소정의 간격을 두고 배열되어 있을 수 있다. 입자의 직경은 수 nm 내지 수백 um 일 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 매체에는 양전하로 대전된 입자들과, 음전하로 대전된 입자들이 혼재해서 존재할 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 입자는, 이종의 물질로 이루어진 코어-셀(core-shell) 형태로 구성될 수 있고, 이종의 물질로 이루어진 멀티-코어(multi-core) 형태로 구성될 수 있고, 복수의 나노 입자로 이루어진 클러스터로 구성될 수 있으며, 전하를 갖는 전하층이 이들 입자를 감싸는 구조로 구성될 수 있다. 본 발명에서 입자라 함은 매체 내에 분산되어 있는 용질 물질을 전반적으로 지칭하는 것으로서, 상기 열거된 것에 한정되지 않고 사슬 형태, 판형 형태, 고리 형태, 막대 형태, 디스크 형태 등의 다양한 형태로 존재할 수 있고 비정형으로 존재할 수도 있다.
보다 구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 입자는 금속입자, 폴리머입자, 무기질입자, 반도체입자 혹은 이들의 화합물로 존재할 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 일 실시예에 따른 입자는 실리콘(Si), 티타늄(Ti), 탄소(C), 바륨(Ba), 스트론튬(Sr), 철(Fe), 니켈(Ni), 코발트(Co), 납(Pb), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 금(Au), 텅스텐(W), 몰리부덴(Mo), 아연(Zn), 지르코늄(Zr), 알루미늄(Al) 등의 원소나 이들을 포함하는 화합물로 이루어질 수 있고, PS(polystyrene), PE(polyethylene), PP(polypropylene), PVC(polyvinyl chloride), PET(polyethylen terephthalate) 등의 고분자 물질로 이루어질 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 입자는 전하를 갖지 않는 입자 혹은 클러스터(cluster)에 전하를 갖는 물질이 코팅된 형태로서 구성될 수도 있는데, 예를 들면, 탄화수소기를 갖는 유기화합물에 의하여 표면이 가공(혹은 코팅)된 입자, 카르복실산(carboxylic acid)기, 에스테르(ester)기, 아실(acyl)기를 가지는 유기 화합물에 의하여 표면이 가공(혹은 코팅)된 입자, 할로겐(F, Cl, Br, I 등) 원소를 포함하는 착화합물에 의하여 표면이 가공(코팅)된 입자, 아민(amine), 티올(thiol), 포스핀(phosphine)을 포함하는 배위화합물에 의하여 표면이 가공(코팅)된 입자, 표면에 라디칼을 형성함으로써 전하를 갖는 입자가 이에 해당될 수 있다.
또한 본 발명에서는 포로스(porous)한 물질이나 공공(cavity)과 같이 매체에 비해 상대적으로 굴절률이 낮은 부위도 입자로 이해할 수 있고, 매체와 섞이지 않는 이종의 액체형태의 물질도 입자로 이해할 수 있다. 또한 본 발명의 입자로는 양자점(quantum dot)이나 형광 물질들이 이용되어 광결정 효과 외에 양자점 특성이나 형광특성이 혼합되어 사용될 수도 있다.
또한 외부 자극(전기장, 자기장, 빛, 압력, 화학적 자극 등)에 따라 굴절률이 변화하는 물질을 입자로 사용함으로써 입자의 배열에 의한 광결정효과 외에 입자의 굴절률 변화에 따른 광결정 효과와 결합하여 이용할 수도 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 입자가 후술할 매체 내에서 침전되지 않고 안정한 콜로이드 상태를 유지함으로써 광결정성을 효과적으로 나타낼 수 있도록 하기 위하여, 입자와 매체로 이루어진 콜로이드 용액의 계면동전위(electrokinetic potential)(즉, 제타 전위)의 값이 기설정된 값 이상으로 높을 수 있고, 입자와 매체의 비중 차이가 기설정된 값 이하일 수 있다. 예를 들면, 콜로이드 용액의 계면동전위의 절대값은 10mV 이상일 수 있고, 입자와 매체의 비중 차이는 5 이하일 수 있다.
한편 본 발명의 일 실시예에 의하면 입자와 매체의 굴절률(refractive index) 차이를 기 설정한 값보다 크게 하여 전압이 인가하지 않은 경우에는 산란에 의한 광차단효과를 높이고, 전압을 인가하여 입자가 일정하게 배열되는 경우에는 반사광의 강도를 증대시킬 수 있다. 예를 들면 굴절률이 낮은 매체를 사용하는 경우에는 굴절률이 높은 입자를 분산 시켜 사용할 수 있거나, 이와 반대로 굴절률이 높은 매체에 굴절률이 낮은 입자를 분산시켜 사용할 수 있으며 보다 구체적으로 매체와 입자의 굴절률 차이의 절대값을 0.1 이상일 수 있다.
또한 외부 자극(전기장, 자기장, 빛, 압력, 화학적 자극 등)에 따라 굴절률이 변화하는 물질을 매체로 사용함으로써 입자의 배열에 의한 광결정효과 외에 용액의 굴절률 변화에 따른 광결정 효과와 결합하여 이용할 수도 있다.
또한 본 발명의 구성의 용액으로는 동작범위에서 액체상태로 존재하는 이온인 이온용액(ionic liquid)를 사용하여, 태양전지 혹은 연료전지화 효과적으로 혼합하여 작동할 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 입자는 자기장에 의하여 자기력을 받아 회전 또는 이동할 수 있도록 자성을 가질 수 있는데, 예를 들면, 니켈(Ni), 철(Fe), 코발트(Co) 등의 자성 물질이 입자에 포함될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 입자는 자기장이 인가됨에 따라 자성을 갖게 되는, 즉, 자화되는 되는 물질을 포함할 수 있다. 특히, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 외부에서 자기장이 인가되지 않는 경우에 자성을 지닌 입자끼리 뭉치는 현상을 방지하기 위하여 외부 자기장을 인가하면 자화(magnetization)가 일어나지만 외부 자기장이 인가되지 않는 경우에는 잔류 자화(remnant magnetization)가 일어나지 않는 초상자성(superparamagnetic) 물질을 이용할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 입자가 매체에 잘 분산되고 응집되지 않도록 하기 위해서 입자 표면을 동일한 부호의 전하로 코팅할 수 있고, 입자가 매체 내에서 침전되지 않도록 하기 위해서 입자 표면을 해당 입자와 비중이 다른 물질로 코팅하거나 매체에 해당 입자와 비중이 다른 물질을 혼합할 수도 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 입자는 특정 파장의 광을 반사시킬 수 있도록, 즉, 특정 컬러를 갖도록 구성될 수 있다. 보다 구체적으로, 본 발명에 따른 입자는 산화수 조절 또는 무기 안료, 안료 등의 코팅을 통하여 특정 컬러를 갖게 될 수 있다. 예를 들면, 본 발명에 따른 입자에 코팅되는 무기 안료로는 발색단을 포함하는 Zn, Pb, Ti, Cd, Fe, As, Co, Mg, Al 등이 산화물, 유화물, 유산염의 형태로 사용될 수 있고, 본 발명에 따른 입자에 코팅되는 염료로는 형광 염료, 산성 염료, 염기성 염료, 매염 염료, 황화 염료, 배트 염료, 분산 염료, 반응성 염료 등이 사용될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 입자는 광결정에 의한 구조색을 갖는 물질을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로 설명하면, 상기 입자로는 광결정에 의한 구조색을 발현하는 물질에 자성을 지닌 입자를 코팅하거나 자성을 가진 입자를 내포한 물질을 사용할 수 있으며, 혹은 자성을 가진 입자와 구조색을 가진 입자를 혼합하여 사용할 수도 있다. 광결정 구조를 가진 입자는 시야각에 따라 서로 다른 구조색이 발현될 수 있기 때문에, 상기 자장을 인가함에 따라 상시 자성입자의 배열에 의해 광결정 입자들이 움직이게 되어 자성에 따라 서로 다른 구조색을 발현시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 입자가 매체 내에서 높은 분산성과 안정성을 갖도록 하기 위하여 실리카, 고분자, 고분자 단량체 등을 입자의 표면에 코팅시킬 수도 있다.
한편 본 발명의 일 실시예에 따르면, 표시 장치에 포함되는 입자 또는 매체는 전기분극(electrical polarization) 특성을 가질 수 있는데, 이러한 입자 또는 매체는 원자 혹은 분자의 비대칭적인 전하 분포 등으로 인하여 외부 전기장이 인가됨에 따라 전자 분극, 이온 분극, 계면 분극 및 회전 분극 중 어느 하나에 의하여 전기분극 되는 물질을 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 입자로는 TiOx, AlOx, SiOx와 같이 자발 전기분극은 없지만 외부전계에 의해 전기분극이 일어나는 물질을 사용하거나, PbZrO3, PbTiO3, Pb(Zr,Ti)O3, SrTiO3 BaTiO3, (Ba, Sr)TiO3, CaTiO3, LiNbO3 와 같은 특정 온도범위에서 강유전체(ferroelectric) 혹은 초상유전체(superparaelectric) 특성을 가진 물질로서 자발 전기분극이 있어 외부전계에 비해 상대적으로 전기분극 값이 높은 물질을 사용할 수 있다. 또한, 금(Au), 은(Ag)와 같은 금속은 외부전계에 따라 전자들의 이동에 의한 전기분극특성이 아주 크기 때문에 금속 나노입자들은 본 발명의 적용에 효과적으로 이용할 수 있다.
또한 분극 매체로는 Trichloroethylene, Carbon Tetrachloride, Di-Iso-Propyl Ether, Toluene, Methyl-t-Bytyl Ether, Xylene, Benzene, DiEthyl Ether, Dichloromethane, 1,2-Dichloroethane, Butyl Acetate, Iso-Propanol, n-Butanol, Tetrahydrofuran, n-Propanol, Chloroform, Ethyl Acetate, 2-Butanone, Dioxane, Acetone, Metanol, Ethanol, Acetonitrile, Acetic Acid, Dimethylformamide, Dimethyl Sulfoxide, Propylene carbonate, N,N-Dimethylformamide, Dimethyl Acetamide, N-Methylpyrrolodone과 같이 분극지수(polarity index)가 1 보다 높은 물질이 사용될 수 있다.
상기 기술한 전기 분극입자 혹은 전기 분극매체를 이용하면, 외부전압 인가시 전기분극현상에 의한 상호인력에 의해 입자가 일정한 배열을 하는데 효과적일 수 있다.
다음으로, 본 발명에 따라 입자에 입사되는 광의 투과도를 조절하는 구성 및 입자로부터 반사되는 광의 파장을 조절하는 구성에 대하여 살펴보기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 전기분극 또는 자기분극 특성을 갖는 작용기를 갖는 겔(gel) 상태의 매체에 전하 또는 자성을 갖는 입자를 분산시킨 뒤 외부에서 전기장 또는 자기장을 인가함으로써 입자가 일정한 방향으로 정렬 또는 배열되도록 하여 광투과도를 조절하고 더 나아가 입자 사이의 간격이 소정의 간격으로 제어되도록 하여 반사광의 파장까지 조절할 수 있다.
즉, 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르면 전하를 갖는 미세입자를 작용기를 갖는 겔 상태의 매체에 분산시킨 뒤 외부에서 전기장을 인가할 수 있다. 여기서, 전기장을 인가하지 않은 경우에는 미세입자와 매체와의 굴절률 차이에 의해 입사광이 산란됨으로써 불투명한 상태가 나타날 수 있고, 전기장을 인가하는 경우에는 전하를 갖는 입자 간의 상호작용에 의해 미세입자가 점차 전기장의 방향으로 배열됨으로써 광 투과도가 증가하여 점차 투명한 상태가 나타날 수 있으며, 일정 세기 이상의 전기장을 인가하는 경우에는 미세입자가 일정한 방향으로 정렬될뿐더러 입자간의 간격이 동일전하로 인한 쿨롱힘과 전기영동힘이 균형을 이루어 일정간격으로 조절되어 특정한 파장 범위의 반사광을 나타낼 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따르면 자성을 갖는 미세입자를 작용기를 갖는 겔 상태의 매체에 분산시킨 뒤 외부에서 자기장을 인가할 수 있다. 여기서, 자기장을 인가하지 않은 경우에는 미세입자와 매체와의 굴절률 차이에 의해 입사광이 산란됨으로써 불투명한 상태가 나타날 수 있고, 자기장을 인가하는 경우에는 자성을 갖는 입자 간의 상호작용에 의해 미세입자가 점차 자기장의 방향으로 배열됨으로써 광 투과도가 증가하여 점차 투명한 상태가 나타날 수 있으며, 일정 세기 이상의 자기장을 인가하는 경우에는 미세입자가 일정한 방향으로 정렬될뿐더러 입자간의 간격이 동일 자성으로 인한 자기적 척력과 자기영동힘이 균형을 이루어 일정간격으로 조절되어 특정한 파장 범위의 반사광을 나타낼 수 있게 된다.
여기서, 전기장 또는 자기장에 의하여 광 투과도가 조절되는 원리에 대하여 보다 자세하게 설명하면 다음과 같다.
먼저, 전기장이 인가되지 않는 경우에, 입자는 매체 내에서 불규칙하게 분산되어 있을 수 있으며, 이러한 경우 입자에 광의 투과도는 특별히 제어되지 않는 상태가 된다. 즉, 입자에 입사되는 광은 매체 내에 불규칙하게 분산되어 있는 복수의 입자 혹은 매체에 의하여 산란 또는 반사되거나 입자 및 매체를 그대로 투과할 수 있게 된다.
다음으로, 전기장 또는 자기장이 인가되는 경우에, 매체 내의 전하 또는 자성을 갖는 복수의 입자는 전기장 또는 자기장과 평행한 방향으로 정렬될 수 있으며, 이에 따라 입자에 입사되는 광의 투과도가 제어될 수 있게 된다. 보다 구체적으로 설명하면, 본 발명의 일 실시예에 따라 입자에 전기장 또는 자기장이 인가되는 경우에, 복수의 입자가 갖는 전하 또는 자성으로 인하여 복수의 입자 각각이 회전하거나 이동할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 전기장 또는 자기장이 인가되는 경우에, 전기장 또는 자기장에 의하여 복수의 입자의 전극 또는 자극 방향이 전기장의 방향과 같아지도록 전기분극된 복수의 입자 각각이 회전하거나 이동할 수 있다. 이렇게 회전하거나 이동된 복수의 입자들 사이에 전기적(또는 자기적) 인력 혹은 척력이 발생하게 되며, 이에 따라 복수의 입자가 전기장 또는 자기장의 방향과 평행한 방향으로 규칙적으로 정렬되게 될 수 있다. 여기서, 입자의 정렬 방향이 입사광의 방향과 평행하는 경우에는 입사광이 입자에 의하여 반사되거나 산란되는 정도가 상대적으로 낮기 때문에 입사광의 투과도가 상대적으로 높아질 수 있다. 하지만, 반대로 입자의 정렬 방향이 입사광의 방향과 평행하지 않고 소정의 각을 이루는 경우는 경우에는 입사광이 입자에 의하여 반사되거나 산란되는 정도가 상대적으로 높기 때문에 입사광의 투과도가 상대적으로 낮아질 수 있다.
또한, 여기서, 전기장 또는 자기장에 의하여 반사광의 파장이 조절되는 원리에 대하여 보다 자세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 실시예에 따르면, 전하 또는 자성을 갖는 복수의 입자가 작용기를 갖는 겔 상태의 매체에 분산된 상태에서 입자 및 매체에 전기장 또는 자기장이 인가되는 경우, 전기장의 세기와 입자의 전하량에 비례하는 전기적 힘(또는 자기장의 세기와 입자의 자화량에 비례하는 자기적 힘)이 작용하게 되고 이에 따라 복수의 입자는 전기영동(electrophoresis) 또는 자기영동 되어 소정 방향으로 이동하면서 입자 사이의 간격이 좁아지게 된다. 인가되는 전기장 또는 자기장의 세기가 증가됨에 따라 입자 사이의 간격이 좁아지면 서로 동일한 부호의 전하 또는 자성을 갖는 복수의 입자 사이에서 발생하는 전기적 척력 또는 자기적 척력이 증가하게 되므로 입자 사이의 간격이 계속하여 좁아지지는 않고 소정의 균형을 이루게 되며, 결과적으로 매체 내에 분산된 입자는 특정 거리를 유지하며 규칙적인 배열을 하게 되어 특정한 파장의 빛(광결정색)을 반사하게 된다.
또한, 상기 구성에서 입자 혹은 매체가 전기분극 또는 자기분극 되는 경우, 상기 기술한 전기영동 힘(또는 자기영동 힘)과 입자간 전기반발력 힘 외에, 전기 분극 또는 자기 분극 간 상호인력이 작용하여 규칙적인 입자배열에 도움을 줄 수 있다. 본 발명에서는 겔 상태의 매체에 분산된 입자에 상기 기술된 힘을 중심으로 설명하였으나, 상기 예에 기술한 힘에 국한하지 않고 입자의 질량으로 인한 중력, 입자와 매체의 비중 차에 의한 부력, 입자와 용액간의 마찰력 등 다양한 힘의 균형에 의해 입자가 일정한 규칙을 가지고 배열을 하는 것으로 이해되어야 한다.
전기장 또는 자기장 인가 시 입자 배열은 한 축으로만 일정한 규칙을 가지는 일차원적 광결정일수도 있고, 두 축(면적)으로 일정한 규칙을 가지는 이차원적 광결정 혹은 세 축(공간)으로 일정한 규칙을 가지는 삼차원적 광결정일수 있다. 예를 들면, 자기장 또는 자기장이 인가되는 방향으로만 입자들이 규칙적 배열을 할 수도 있고, 자기장 또는 자기장이 인가되는 수직방향으로 입자들이 규칙적 배열을 할 수도 있고, 자기장 또는 자기장이 인가되는 방향의 수직 및 수평방향으로 모두 규칙적 배열을 할 수도 있다.
한편 본 발명에서의 입자배열은 장거리 규칙(long range ordering)을 할 수도 있고, 단거리 규칙(short range ordering)을 가질 수도 있으며, 특히 부분적 규칙이 무질서하게 섞여있는 의사결정(quasi-crystal)을 구성하여 시야각 의존성을 개선시킬 수도 있다. 의사결정이란 규칙성(ordered)을 가지나 비반복적(non-periodic) 구조로서 결정질(crystal)과 비결정(glass) 중간상태로 볼 수 있으며 다소 복잡한 브래그 반사(Bragg diffraction)을 하게 되는 물질이다. 이러한 의사결정은 서로 크기가 다른 입자를 섞어서 임의로 구현할 수도 있고, 용액에 분포된 입자들의 크기 분산도(PSD: particle size distribution)를 조절 함으로써 의사결정을 구성할 수도 있다. 보다 구체적으로 본 발명을 구성하는 입자들의 분산도(PSD)를 0.001~0.01사이로 하여 시야각 50도까지 모든 파장의 반사광의 변화폭인 50nm이하로 하는 의사결정을 구현할 수도 있다.
특히, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 작용기를 갖는 겔(gel) 상태의 매체를 사용하여 입자의 이동을 제한함으로써 자기장 또는 전기장이 차단되더라도 광 투과도 또는 반사광의 파장의 제어 상태가 유지되도록 할 수 있으며, 이에 따라 전기장 또는 자기장이 계속적으로 인가되지 않더라도 특정 광 투과도 및 특정 파장의 반사광이 유지되도록 할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (20)

  1. 그물구조의 작용기를 포함하는 겔(gel) 형태의 매체 내에 작용기를 포함하는 입자가 분산되어 상기 그물구조의 작용기와 상기 입자의 작용기가 결합되어 있는 상태에서 - 상기 입자 및 상기 매체는 적어도 한 전극이 광투과성을 갖는 상부 및 하부 전극의 사이 공간에 위치함 -, 외부 전기장 및 자기장을 인가하여 상기 입자의 위치를 조절함으로써, 상기 입자에 입사되는 광의 투과도를 조절하거나 상기 입자로부터 반사되는 광의 파장을 조절하는 것을 특징으로 하는 광 투과 및 반사 조절 방법.
  2. 작용기를 갖는 겔(gel) 상태의 매체에 전하를 갖는 입자가 분산된 상태에서 - 상기 입자 및 상기 매체는 적어도 한 전극이 광투과성을 갖는 상부 및 하부 전극의 사이 공간에 위치함 -, 상기 입자에 대하여 전기장을 인가하여 상기 입자의 위치를 조절함으로써 상기 입자에 입사되는 광의 투과도를 조절하거나 상기 입자로부터 반사되는 광의 파장을 조절하는 것을 특징으로 하는 전하를 갖는 입자를 이용한 광 투과 및 반사 조절 방법.
  3. 작용기를 갖고 전기분극 특성을 갖는 겔(gel) 상태의 매체에 입자가 분산된 상태에서 - 상기 입자 및 상기 매체는 적어도 한 전극이 광투과성을 갖는 상부 및 하부 전극의 사이 공간에 위치함 -, 상기 입자에 대하여 전기장을 인가하여 상기 입자의 위치를 조절함으로써 상기 입자에 입사되는 광의 투과도를 조절하거나 상기 입자로부터 반사되는 광의 파장을 조절하는 것을 특징으로 하는 전하를 갖는 입자를 이용한 광 투과 및 반사 조절 방법.
  4. 작용기를 갖는 겔(gel) 상태의 매체에 자성을 갖는 입자가 분산된 상태에서 - 상기 입자 및 상기 매체는 적어도 한 전극이 광투과성을 갖는 상부 및 하부 전극의 사이 공간에 위치함 -, 상기 입자에 대하여 자기장을 인가하여 상기 입자의 위치를 조절함으로써 상기 입자에 입사되는 광의 투과도를 조절하거나 상기 입자로부터 반사되는 광의 파장을 조절하는 것을 특징으로 하는 전하를 갖는 입자를 이용한 광 투과 및 반사 조절 방법.
  5. 작용기를 갖고 자기분극 특성을 갖는 겔(gel) 상태의 매체에 입자가 분산된 상태에서 - 상기 입자 및 상기 매체는 적어도 한 전극이 광투과성을 갖는 상부 및 하부 전극의 사이 공간에 위치함 -, 상기 입자에 대하여 자기장을 인가하여 상기 입자의 위치를 조절함으로써 상기 입자에 입사되는 광의 투과도를 조절하거나 상기 입자로부터 반사되는 광의 파장을 조절하는 것을 특징으로 하는 전하를 갖는 입자를 이용한 광 투과 및 반사 조절 방법.
  6. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    전기장이 인가되지 않은 경우에는 상기 입자가 무질서하게 이동되어 상기 입자에 입사되는 광의 투과도가 낮아져 불투명한 상태를 나타내고,
    전기장이 인가되는 경우에는 상기 입자가 전기장의 방향에 따라 회전 또는 이동함으로써 상기 입자에 입사되는 광의 투과도가 제어되고 상기 입자로부터 특정 파장의 광이 반사되는 것 - 상기 특정 파장은 상기 전기장의 방향 또는 세기를 조절함으로써 제어될 수 있음 - 을 특징으로 하는 입자를 이용한 광 투과 및 반사 조절 방법.
  7. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    자기장이 인가되지 않은 경우에는 상기 입자가 무질서하게 이동되어 상기 입자에 입사되는 광의 투과도가 낮아져 불투명한 상태를 나타내고,
    자기장이 인가되는 경우에는 상기 입자가 자기장의 방향에 따라 회전 또는 이동함으로써 상기 입자에 입사되는 광의 투과도가 제어되고 상기 입자로부터 특정 파장의 광이 반사되는 것 - 상기 특정 파장은 상기 자기장의 방향 또는 세기를 조절함으로써 제어될 수 있음 - 을 특징으로 하는 입자를 이용한 광 투과 및 반사 조절 방법.
  8. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기장 또는 상기 자기장의 방향이 변화함에 따라 상기 입자가 배열되는 방향이 변화하여 상기 입자 및 매체에 입사되는 광의 투과도가 변화하는 것을 특징으로 하는 입자를 이용한 광 투과 및 반사 조절 방법.
  9. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 입자가 정렬된 방향과 상기 입사되는 광의 입사 방향이 이루는 각이 직각에 가까울수록 상기 입사되는 광의 투과도가 낮아지는 것을 특징으로 하는 입자를 이용한 광 투과 및 반사 조절 방법.
  10. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기장 또는 상기 자기장의 방향 및 세기에 따라 상기 입자 사이의 간격이 제어되어 상기 입자가 규칙적으로 배열됨으로써 상기 입자로부터 특정 파장의 광이 반사되는 것을 특징으로 하는 입자를 이용한 광 투과 및 반사 조절 방법.
  11. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 겔 상태의 매체의 작용기 혹은 상기 입자를 구성하는 작용기는 히드록시기(-OH), 카르복시기(-COOH), 아민기(-NH2), 아미드기(CONH), 포르밀기(-CHO), 티롤기(-SH), 아크릴기(-CH2CHCOR) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 입자를 이용한 광 투과 및 반사 조절 방법.
  12. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 겔 상태의 매체는 polyvinylalcohol계, agarose계, poly(N-isopropylacrylamide)계, polysaccharide계 및 polyamide계 polyacrylate 계 중 적어도 한 종류의 수용성 고분자를 포함하는 것을 특징으로 하는 입자를 이용한 광 투과 및 반사 조절 방법.
  13. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 겔 상태의 매체는 분자 내에 긴 사슬의 친유성기와 반응 작용기를 포함하는 단분자(monomer) 또는 고분자(polymer)를 포함하는 것을 특징으로 하는 입자를 이용한 광 투과 및 반사 조절 방법 - 상기 친유성기는 12-hydroxystearic acid, sorbitan ester, Sorbitan monostearate, sorbitan monooleate, polysorbate, polyoxyethylene sorbitan monooleate 중 적어도 하나를 포함함 -.
  14. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    boric acid, dialdehydes, dicarboxylic acids, dianhydrides, acid chloride, epichlorohydrin 및 hydrazide 중 적어도 하나를 포함하는 이관능기(bifunctional group)를 갖는 가교제에 의하여, 상기 매체의 겔 작용기와 입자의 작용기를 결합되게 하는 특징으로 하는 입자를 이용한 광 투과 및 반사 조절 방법.
  15. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    열 에너지 또는 광 에너지를 인가하거나 첨가제 또는 가교제가 첨가되는 것에 의하여 상기 입자의 표면의 작용기와 상기 매체에 포함된 작용기 사이의 결합이 제어되는 것을 특징으로 하는 입자를 이용한 광 투과 및 반사 조절 방법.
  16. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 겔 상태의 매체는 열 에너지 또는 광 에너지를 인가하거나 첨가제 또는 가교제가 첨가되는 것에 의하여 졸(sol) 상태로 상변화되는 것을 특징으로 하는 입자를 이용한 광 투과 및 반사 조절 방법.
  17. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 입자는 무기물 및 유기물 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 입자를 이용한 광 투과 및 반사 조절 방법.
  18. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 입자와 상기 매체 사이의 굴절률 차이는 0.1 이상인 것을 특징으로 하는 입자를 이용한 광 투과 및 반사 조절 방법.
  19. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 입자의 유전율은 5 이상인 것을 특징으로 하는 입자를 이용한 광 투과 및 반사 조절 방법.
  20. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 매체의 분극지수는 1 이상인 것을 특징으로 하는 입자를 이용한 광 투과 및 반사 조절 방법.
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