KR20110021794A - 이방성 발광 재료를 갖는 광학 장치 - Google Patents

이방성 발광 재료를 갖는 광학 장치 Download PDF

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테크니쉐 유니버시테이트 아인트호벤
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Abstract

광학 장치(1)가 제공된다. 광학 장치는 절환가능 층(2), 적어도 하나의 정렬 층(6), 광 안내 시스템(5)을 포함하고, 절환가능 층(2)은 광을 흡수 및 방출하기 위한 발광 재료(3)를 포함하며, 발광 재료(3)의 정렬은 변경가능하고, 광 안내 시스템(5)은 방출된 광을 안내하며, 절환가능 층(2)은 적어도 하나의 정렬 층(6)과 접촉하고, 발광 재료(3)는 이방성 특성들을 나타내며, 광학 장치(1)는 광 에너지-변환 수단(7)을 포함하고, 광 안내 시스템(5)은 에너지-변환 수단(7)과 물리적으로 접촉한다.

Description

이방성 발광 재료를 갖는 광학 장치 {OPTICAL DEVICE WITH ANISOTROPIC LUMINESCENT MATERIAL}
본 발명은 광학 장치에 관한 것이다.
광학 장치들은 종래 기술에서 잘 알려져 있다. 예로서, 문헌 DE 33 30 305 A1은 액정 층을 갖는 윈도우를 개시하고, 여기서, 절환가능 층의 정렬은 공급된 전압에 의존한다. 일 실시예에서, 절환가능 층은 액정 염료로 이루어진다. 형광 층을 갖는 광학 장치들도 종래 기술에서 잘 알려져 있다. 예로서, 문헌 DE 31 25 620 A1은 형광 층을 갖는 윈도우를 개시한다. 형광 층에 의해 방출된 광은 전체 내부 반사에 의해 광전 셀로 안내된다. 문헌 WO 2006/088369 A2에는 축광 재료(photoluminescent material) 분자들 및 콜레스테릭 층들(cholesteric layers)을 갖는 발광 재료가 개시되어 있다. 축광 재료 분자들은 별개의 층 내에서 정적으로 정렬되어 있다.
종래 기술에 관하여, 광학 장치들은 복잡한 방식으로 구성되고, 광 흡수 및 안내를 위한 복수의 층들이 필요하다. 다른 단점은 발광 재료에 의해 흡수된 광의 양이 제어불가하거나 제어하기 힘들다는 것이다.
본 발명의 일반적 목적은 광 흡수를 신뢰성 있게 제어할 수 있는, 광 흡수 및 안내를 위한 광학 장치를 제공하는 것이다.
따라서, 본 발명의 목적은 광학 장치이며, 이 광학 장치는
- 절환가능 층
- 적어도 하나의 정렬 층
- 광 안내 시스템을 포함하고,
절환가능 층은 광을 흡수 및 방출하기 위한 발광 재료를 포함하고, 발광 재료의 정렬은 변경될 수 있으며, 광 안내 시스템은 광을 안내하고, 절환가능 층은 적어도 하나의 정렬 층과 접촉하며, 발광 재료는 이방성 특성들을 나타내고, 광학 장치는 광 에너지-변환 수단을 포함하며, 광 안내 시스템은 광 에너지-변환 수단과 물리적으로 접촉한다.
문헌 JP 06 318766 A는 액정과 유기 형광 물질을 갖는 레이저 발진기를 개시한다. 레이저 발진기 내부에서, 광은 거울 표면들 사이에서 안내되며, 그에 의해, 광은 이들 표면 중 하나 상에서 출사된다. 문헌 US 2007/0273265 A1에는 광 방출 장치가 개시되어 있다. 이 장치는 LED 및 일종의 광 안내 시스템을 보여준다. 논문 "액정 디스플레이를 위한 이방성 형광체들(Anisotropic fluorophors for liquid crystal displays)"(Displays, 1986년10월, 155 내지 160쪽)에는 디스플레이들을 위한 광 안내 시스템이 개시되어 있으며, 여기서, 디스플레이는 액정 디스플레이이다. 이들 문헌들 중 어떠한 것에서도 변환 시스템에 의해 다른 형태의 에너지로 변환되는 안내된 광을 개시하지는 않는다.
절환가능 층이 발광 재료를 포함한다는 사실에 기인하여, 발광 재료를 위한 어떠한 추가적인 층도 필요하지 않다. 따라서, 광학 장치는 축약적 방식으로 구성될 수 있고, 제조가 간단하며, 저가이고, 시간 절약적이다. 또한, 발광 재료의 이방성 특성들은 복잡한 메커니즘 없이도 제어가능한 흡수율을 도출한다.
용어 "절환가능 층"은 발광 재료의 정렬을 절환시킬 수 있는 층을 지칭한다. 한가지 양호한 실시예에서, 발광 재료의 정렬은 전기 신호를 사용하여 절환된다. 대안적 실시예에서, 발광 재료의 정렬은 광학 장치 상에 조사되는 특정 파장에 걸친 광 강도에 의해 절환된다. 명료성을 위해, 용어 "절환가능 층"은 액체, 겔 또는 고무 및/또는 그 조합들로 구성되는 그룹으로부터 선택된 재료를 지칭한다. 액체가 절환가능 층으로서 사용되는 경우, 액정이 사용되는 것이 바람직하다. 액정은 열방성(thermotropic) 또는 유방성(lyotropic)일 수 있다. 바람직하게는 액정은 열방성 액정이다. 액정은 발광 재료를 용해시켜 정렬시키는 소위 게스트-호스트 시스템이다. 액정은 바람직하게는 모든 작동 온도들 하에서 그 네마틱 상으로 존재한다. 또한, 액정은 바람직하게는 이방성 유전 특성들을 가지며, 따라서, 전기장을 사용하여 정렬될 수 있다. 바람직하게는 액정은 로드-형 및/또는 원반형 액정이며, 다양한 분자 구성들, 예로서, 단축 평면, 수직 단축, 트위스티드 네마틱, 스프레이형 또는 콜레스테릭 분자 구성들을 나타낼 수 있다. 절환가능 층이 겔 또는 고무일 때, 겔은 액정 겔이거나, 고무는 액정 고무인 것이 바람직하다. 겔 또는 고무는 바람직하게는 이들 그룹들의 정렬이 전기장을 사용하여 제어될 수 있도록 유전 이방성을 갖는 메소제닉 그룹들인 것이 바람직하다. 겔 및 고무 양자 모두에 대하여, 메소제닉 그룹들 사이의 화학적 가교결합은 전기장을 사용한 절환을 가능하게 하기에 충분한 이동도를 허용하기에 충분히 낮다. 일 실시예에서, 겔 또는 고무는 발광 재료가 겔 또는 고무에 용해될 수 있게 하며, 액정 재료를 위한 게스트-호스트 시스템으로서 작용한다. 대안적으로, 발광 재료는 액정 고무 또는 겔에 화학적으로 링크된다.
정렬 층은 바람직하게는 절환가능 층의 상단 및/또는 저부와 직접적으로 접촉한다. 절환가능 층의 상단 및 저면은 절환가능 층의 표면들이 절환가능 층의 주 연장 평면에 평행하다는 것을 의미한다. 직접적으로는 정렬 층이 절환가능 층과 물리적으로 접촉한다는 것을 의미한다. 정렬 층은 발광 재료의 정렬을 유도할 수 있는 층을 바람직하게 지칭한다. 바람직하게는, 정렬 층은 전극 또는 단일 광응답성 명령 표면 상의 폴리이미드 층을 포함하는 이중 층이다. 폴리이미드 층은 버퍼링된 러빙형(rubbed) 또는 비버퍼형 또는 러빙형 폴리이미드 층이다. 정렬 층이 전극 상의 폴리이미드의 이중 층인 경우, 폴리이미드 층은 20 nm과 400 nm 사이, 바람직하게는 30 nm과 300 nm 사이, 가장 바람직하게는 50 nm과 200 nm 사이의 두께를 갖는 얇은 층이다. 더욱 바람직하게는, 정렬 층들로서 전극들 상의 폴리이미드의 두 개의 이중 층들이 사용되며, 여기서, 각 이중 층은 이중 층 구조의 폴리이미드 층이 절환가능 층에 가장 근접하게 위치되도록 적층된다. 양호한 실시예에서, 전극들은 투명 특성들을 나타낸다. 바람직하게는 두 개의 전극들은 절환가능 층의 상단 및 저부-측부에 각각 위치될 수 있거나, 절환가능 층의 일 측부 상의 평면내(in-plane) 패턴형 전극들일 수 있으며, 여기서, 전압은 전극들에 의해 광학 장치에 인가된다.
정렬 층이 광응답성 명령 표면인 경우에, 발광 재료의 정렬은 광학 장치의 명령 표면 상에 조사된 특정 파장(들)의 광의 강도들에 의해 제어된다. 바람직하게는, 명령 표면은 200 nm과 1000 nm 사이, 더욱 바람직하게는 300 nm과 450 nm 사이의 광 조사에 의해 제어된다. 광응답성 명령 표면은 얇은 층이며, 두께 50 nm까지, 더욱 바람직하게는 두께 150 nm까지, 그리고, 가장 바람직하게는 두께 200 nm까지의 자체-조립형-단층일 수 있다. 정렬 층은 아조벤젠, 스틸베네, 신나메이트, α-하이드라조노-β-케토에스테르, 스피로피란, 벤질리데네프탈이미딘 또는 벤질리덴아세토페논을 사용하는 것이 바람직하다.
용어 "이방성 특성들을 갖는 발광 재료"는 그 광 흡수 및 방출 특성들이 입사광의 전파 방향, 파장 및/또는 편광 방향에 의존하는 물질을 지칭한다. 발광 재료는 광 스펙트럼의 특정 범위의 파장들-바람직하게는 육안에 가시적인 스펙트럼-에 걸쳐 광을 흡수할 수 있다. 흡수된 광자 에너지(photonic energy)는 대부분이 더 긴 파장의 광자로서 방출된다. 흡수된 광자 및 방출된 광자의 전파 방향들은 서로 직결되지 않는다. 또한, 용어 "발광 재료"는 발광 염료 또는 발광 양자 도트(luminescent quantum dot)를 포함한다. 용어 양자 도트는 그 여기들이 모든 세 개의 공간적 방향들로 국한되어 있는 반전도성 입자를 의미한다. 따라서, 이는 파장들의 범위에 걸쳐 광을 흡수할 수 있고, 흡수된 에너지를 더 작은 파장들의 범위에 걸쳐 광자들로서 방출할 수 있다.
더 양호한 이해를 위해, 발광 재료 자체가 절환가능 층을 포함하는 것, 즉, 발광 재료의 배향이 외부적 전기장의 인가에 의해 직접적으로 절환되는 것도 가능하다. 다른 경우에, 발광 재료(게스트)는 등방성 액체, 고무 또는 겔 같은 등방성의 유기화된 호스트에 의해 지지된다. 본 양호한 실시예에서, 발광 재료는 유전성 이방성 특성들을 가지며, 인가된 전압을 사용하여 직접적으로 절환가능하다. 이 후자의 경우에, 절환가능 층 내에 어떠한 절환가능 호스트, 예로서, 액정도 필요하지 않다.
광학 장치는 에너지 변환 시스템을 포함하며, 여기서, 광 안내 시스템은 에너지 변환 시스템과 물리적으로 접촉한다. 에너지 변환 시스템과, 매체와 광 안내 시스템 사이의 광학적 접촉은 물리적 접촉이 존재한다는 것을 의미한다. 매체는 바람직하게는 광 안내 시스템과 에너지 변환 시스템 사이에 개재된다. 본 명세서에서, 물리적 접촉은 광 안내 시스템이 매체와 물리적으로 접촉하고, 에너지 변환 시스템이 매체와 물리적으로 접촉하는 것이다. 또한, 광 안내 시스템과 에너지 변환 시스템을 분리시킬 수 있는 임의의 개입 매체들은 이들을 최대, 광의 파장 미만 만큼의 거리로 분리시킬 수 있어서 간섭 주름들이 형성되지 않는다. 바람직하게는 매체는 매우 얇은, 광학적으로 투명한 접착제 층, 예로서, 놀랜드 광학 접착제 71(Norland Optical Adhesive 71)(Norland Products)이다. 에너지 변환 시스템은 광을 열 또는 전기의 그룹들로부터의 적어도 하나의 에너지 형태들로 변환한다. 광 안내 시스템과 에너지 변환 시스템 사이의 접촉에 기인하여, 에너지 변환 시스템 상에 방출된 광을 집속시키기 위한 곤란한 메커니즘들이 불필요하다. 따라서, 광학 장치는 매우 신뢰성있고 강인하다.
바람직하게는, 에너지 변환 시스템은 적어도 하나의 광전 셀 및/또는 광-열 변환기이다. 바람직하게는 에너지 변환 시스템은 광전 셀들의 어레이이다. 광전 셀들로서, 안내된 광의 파장을 흡수하는 임의의 유형의 광전 셀이 사용될 수 있다. 예로서, 광전 셀은 단결정, 다결정 또는 비정질 실리콘을 사용하는 실리콘 웨이퍼 기반 셀일 수 있다. 대안적으로, 광전 셀은 GaAs 셀들, 마이크로결정 실리콘 또는 카드뮴 텔루라이드 셀 같은 박막 광전 셀일 수 있다. 또 다른 가능성은 유기 반도체들 또는 카본 나노튜브들을 사용하는 유기 화합물들(폴리머계 광전장치들)로부터 구성된 광전 셀들을 사용하는 것 또는 양자 도트들을 포함하는 광전장치들을 사용하는 것이다.
이방성 발광 재료는 바람직하게는 2색성의 특성들을 나타낸다. 2색성 특성들은 발광 재료가 발광 재료의 제1 축-이 축은 분자의 흡수 축 또는 발광 재료의 흡수 축이라 명명됨-을 따라 강한 흡수를 갖는다는 것을 의미한다. 발광 재료의 임의의 다른 축에서, 흡수는 낮다. 양호한 실시예에서, 발광 재료는 그 전기장 백터가 발광 재료의 흡수 축에 평행하도록 편광된 광에 대해 높은 흡수를 나타내고, 그 전기장 백터가 발광 재료의 흡수 축에 수직이도록 편광된 광에 대해서는 낮은 흡수를 나타낸다. 발광 재료의 흡수 축은 발광 재료의 장축 또는 발광 재료의 임의의 다른 축일 수 있다. 발광 재료는 염료인 것이 바람직하며, 바람직하게는 형광 및/또는 인광 특성들을 갖는다. 또한, 둘 이상의 다른 발광 재료들로 구성된 합성체들이 사용될 수 있다.
일 양호한 실시예에서, 발광 재료는 형광 염료이다. 형광 발광은 발광의 특수한 종료이며, 전자기 방사선에 의해 공급되는 에너지가 저 에너지 상태로부터 "여기된" 고 에너지 상태로의 원자의 전자의 변환을 유발할 때 발생하고, 그후, 전자는 더 낮은 에너지 상태로 떨어질 때 더 긴 파장의 광(발광)의 형태로 이 추가적 에너지를 방출한다.
바람직하게는, 광 안내 시스템은 전체 내부 반사에 의해 방출된 광을 안내한다. 전체 내부 반사는 광선이 표면에 대한 법선에 관하여 임계 각도보다 큰 각도로 매체 경계에 충돌할 때 발생한다. 굴절 지수가 경계의 다른 측부 상에서 더 낮은 경우, 어떠한 광도 통과할 수 없으며, 그래서, 사실상 모든 광이 반사된다. 임계 각도는 그 위에서는 전체 내부 반사가 이루어지게 되는 입사 각도이다. 바람직하게는 도입된 광의 100%가 광 안내 시스템 내부에서 안내된다.
바람직하게는 광 안내 시스템은 적어도 광 안내 시스템의 코어로서의 제1 매체와 광 안내 시스템의 경계로서의 제2 매체를 포함한다. 제1 매체의 굴절 지수는 제2 매체의 굴절 지수와 같거나 그보다 큰 것이 바람직하며, 제1 매체는 발광 재료를 포함한다. 따라서, 발광 재료에 의해 방출된 광은 두 개의 매체의 경계 표면에서 굴절되고, -더 높은 굴절 지수들의 결과로서- 제1 매체 내로 다시 반사된다. 양호한 실시예에서, 경계에서의 굴절은 전체 반사이며, 그래서, 방출된 광은 광 안내 시스템의 내부에서 전체 내부 반사에 의해 안내된다. 바람직하게는, 광 안내 프로세스 동안 어떠한 광 강도도 소실되지 않는다. 태양 집광기 및/또는 광섬유들이 광 안내 시스템의 예들이다. 일 양호한 실시예에서, 광 안내 시스템은 하기의 구성을 나타낸다: 유리 시트, 정렬 층, 이방성 발광 재료를 포함하는 절환가능 층, 다른 정렬 층 및 다른 유리 시트. 공기중에서, 절환가능 층 내에서 방출된 광은 주로 유리-공기 계면에서 반사되며, 그에 의해, 광 안내 시스템 내로 돌아간다. 특히, 방출된 광은 "정규" 반사에 의해 광 안내 시스템 내측에서 안내될 수 있다. 정규 반사는 입사각이 전체 반사를 위해 사용되는 임계각과 같지 않은 것을 의미한다. 또한, 광 안내 시스템은 본 발명에서 도파 시스템이라고도 지칭된다.
절환가능 층은 적어도 하나의 측부 상에서 지지 수단에 부착되는 것이 바람직하다. 양호한 실시예에서, 절환가능 층은 지지 수단 사이에 개재된다. 양호한 실시예에서, 광학 장치는 윈도우이며, 지지 수단은 유리 및/또는 폴리머 판(polymer pane)들이다. 본 발명은 평탄한 평면들에 제한되지 않으며, 굴곡된, 몰딩된 또는 다른 방식으로 성형된 층들을 포함한다. 판(pane)들을 위한 적절한 재료들은 도파로를 통해 전달되는 방출된 방사선에 대해 매우 투명하다. 적절한 재료들은 투명 폴리머들, 유리, 투명 세라믹들 및 그 조합들을 포함한다. 유리들은 실리카 기반 무기 유리들일 수 있다. 폴리머들은 (반)결정 또는 비정질일 수 있다. 적절한 폴리머들은 폴리메틸 메타클릴레이트들, 폴리스티렌, 폴리카보네이트, 사이클릭 올레핀 공중합체들, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리에테르 설폰, 가교결합 아크릴레이트들, 에폭시들, 우레탄, 실리콘 고무들 및 이들 폴리머들의 조합들 및 공중합체들을 포함한다. 양호한 실시예에서, 유리는 실리카 기반 부유 유리이다. 적어도 두 개의 평면들(유리 또는 폴리머 판들) 사이에서, 절환가능 층 및 발광 재료가 개재된다. 평면들에 기인하여, 절환가능 층은 기계적 응력 및 오염들에 대해 보호된다. 따라서, 발광 재료는 지지되며, 발광 재료의 수명이 증가된다. 본 발명의 특수한 실시예에서, 시트 유리가 염색되거나, 시트 유리와 발광 재료 사이에 여분의 염색된 층이 배정된다. 염색된 시트 유리 또는 여분의 염색된 층은 발광 재료에 유해할 수 있는 UVA 및/또는 UVB 방사선들 및/또는 특정 파장들에 대해 발광 재료를 보호한다.
지지 수단은 성형된 패널인 것이 바람직하며, 에너지 변환 시스템은 지지 수단의 적어도 하나의 측부 상에서 지지 수단의 주 연장 평면에 수직으로 배열되는 것이 바람직하다. 따라서, 에너지 변환 시스템의 위치는 눈에 띄지 않는다. 광학 장치가 윈도우인 경우, 에너지 변환 시스템은 관찰자에게 비가시적인 윈도우 프레임 내에 배열되는 것이 바람직하다.
바람직하게는, 광학 장치는 광 흡수 및/또는 광 투명 특성들을 나타낸다. 또한, 흡수된 광과 통과된 광 사이의 비율은 인가된 전압에 의존하는 것이 바람직하다. 예로서, 특정 전압을 인가한 이후에, 광학 장치는 주로 광에 대해 투명하며, 다른 전압을 인가한 이후, 광학 장치는 주로 불투명하다. 광학 장치의 특성들을 변경하기 위해, 다른 전압들 또는 다른 종류의 전압 프로파일들-예로서, 톱니형 전압, 정방파 전압 또는 사다리꼴 전압-이 사용될 수 있다. 부가적으로, 다른 진폭들, 파장 또는 주파수들도 광학 장치의 특성들을 변경할 수 있다.
불투명 및 투명 특성들을 달성하기 위해, 절환가능 층 내의 발광 재료의 정렬은 절환가능 층의 주 연장 평면에 대해 변경가능한 것이 바람직하다. 발광 재료가 이방성 특성들을 나타내기 때문에, 발광 재료의 흡수는 입사광 방사선에 관한 발광 재료의 정렬과 함께 변한다. 주 투과 광학 장치에 대해, 발광 재료의 흡수 축은 절환가능 층의 주 연장 평면에 수직으로 배열될 수 있다. 따라서, 발광 재료의 흡수 축은 도입 광의 전기장 벡터의 편광 방향에 수직이며, 발광 재료에 의해 더 적은 광이 흡수된다. 이 경우, 대부분의 광은 광학 장치를 통과하며-광학 장치의 투명도는 높고 흡수는 낮다. 이 경우, 발광 재료는 적어도 투과 상태로 정렬된다. 반대로, 발광 재료는 더 적은 광이 발광 재료를 통과할 수 있게 하는 방식으로 배열될 수 있다. 더 높은 흡수 광학 장치에 대하여, 발광 재료의 흡수 축은 바람직하게는 절환가능 층의 주 연장 평면에 평행하고, 입사 광의 전기장 벡터의 편광 방향에 평행하게 배열된다. 따라서, 더 많은 광이 흡수되고, 방출되며, 에너지-변환 수단으로 안내되고, 에너지 변환율이 투과 상태보다 비교적 더 높다. 이 경우, 발광 재료는 적어도 흡수 상태로 정렬된다. 이해를 돕기 위해, 광은 바람직하게는 태양광이며, 모든 편광 방향들은 균등분할(equipartition) 상태이다. 발광 재료의 흡수 대역은 태양 스펙트럼의 일부를 커버한다. 광학 장치의 불투명 및 투명 특성을 분류하기 위해, 광학 밀도가 사용될 수 있다. 이 밀도는 주어진 길이 및 파장(λ에 대한 광학 소자의 투과율의 무차원 척도이며, 이하의 공식에 따라 계산된다:
Figure pct00001
여기서, O는 불투명도
T는 투과율
I0는 입사 광 비임의 강도
I는 투과된 광 비임의 강도이다.
따라서, 광학 밀도와, 이에 따른 불투명도가 높으면 높을수록, 투과율은 더 낮아진다.
양호한 실시예에서, 발광 재료는 산란 상태들 중 적어도 하나로 정렬된다. 바람직하게는, 발광 재료는 발광 재료가 흡수 상태와 투과 상태 사이에서 양방향 절환할 때 산란 상태를 채택한다. 따라서, 투과 상태와 흡수 상태 사이에 복수의 위치들이 존재하기 때문에, 복수의 산란 상태들이 존재하는 것이 바람직하다.
액정이 절환가능 호스트로서 사용되는 경우, 발광 재료는 액정들 내에 매설될 것이며, 액정들의 이동의 결과로서, 발광 재료도 이동한다. 액정 겔 또는 액정 고무 내에서, 메소제닉 그룹들의 제한된 이동량이 여전히 허용된다. 발광 재료는 메소제닉 그룹들 내에 매설되어 있으며, 결정들의 이동의 결과로서, 발광 재료도 이동한다.
투과 위치에서, 바람직하게는 입사광의 대부분이 광학 장치를 통과하며-광학 밀도는 낮다. 흡수 상태에서, 대부분의 입사광은 발광 재료에 의해 흡수되며, 따라서, 광학 밀도는 높다.
산란 상태에서, 광학 장치에 입사되는 외부 광은 임의적 방향들로 광학 장치를 벗어난다. 절환가능 층이 액정 호스트를 포함하는 일 양호한 실시예에서, 액정은 평면내 콜레스테릭 질서로 또는 다중 도메인 형태로 조직화된다. 액정의 이러한 조직화는 절환가능 층 내의 짧은 거리들에 걸쳐 굴절 지수의 변동들을 유발하며, 그에 의해, 광이 산란되게 한다.
발광 재료의 모든 위치들에서, 입사 광이 흡수되고 발광 재료에 의해 방출되는 것이 바람직하다. 흡수된 광의 양은 발광 재료의 정렬에 의존한다. 바람직하게는 흡수된 광은 광 안내 시스템의 광 안내 모드로 방출되며, 광 안내 시스템은 광을 전체 내부 반사에 의해 에너지 변환 시스템으로 안내한다. 광 안내 시스템의 사용에 의해, 광은 손실들 없이 거의 완전히 수송될 수 있다. 따라서, 에너지 변환 시스템의 위치는 발광 재료의 위치에 독립적이다. 따라서, 발광 재료와 에너지 변환 시스템 사이의 거리들은 미소한 중요성을 갖는다.
바람직하게는, 발광 재료의 흡수 축은 투과 상태에서 절환가능 층의 주 연장 평면에 수직 또는 대략 수직으로 배열된다. 이는 윈도우 판과 법선 각도로 윈도우를 통해 전송되는 임의의 광은 발광 재료에 의해 열악하게 흡수된다는 것을 의미한다. 또한, 발광 재료의 흡수 축은 흡수 상태에서 절환가능 층의 주 연장 평면에 평행하게 또는 대략 평행하게 배열되는 것이 바람직하다. 더 양호한 이해를 위해, 서로 다른 불투명 및/또는 투명 정도를 갖는 복수의 위치들이 존재할 수 있으며, 그 이유는 절환 층의 주 연장 평면에 관하여 정확한 평행과 정확한 수직 사이의 발광 재료의 흡수 축의 모든 위치들이 달성될 수 있기 때문이다. 절환가능 층의 주 연장 평면에 관한 발광 재료의 정확한 90°(수직) 또는 정확한 0°(평행)는 달성하기가 어렵다는 것을 유의하여야 한다. 대부분의 경우들에서, 대부분의 발광 재료는 투과 상태에서 절환가능 층의 주 연장 평면에 관하여 90°의 범위 내로 정렬되고, 흡수 상태에서 절환가능 층의 주 연장 평면에 관하여 0°의 범위 내로 정렬된다.
산란 상태에서, 발광 재료의 흡수 축은 바람직하게는 평행과 수직 정렬 사이에서 교번적인 또는 임의적인 형태로 배열되는 것이 바람직하다. 양호한 실시예에서, 발광 재료가 투과 상태로부터 흡수 상태로, 그리고 그 반대로 전환될 때, 발광 재료 및/또는 호스트는 안정한, 중간 상태의 산란 상태를 획득한다.
양호한 실시예에서, 광학 장치는 적어도 하나의 파장-선택성 거울을 포함한다. 바람직하게는 광 안내 시스템은 파장-선택성 거울을 포함한다. 이러한 양호한 실시예에서, 광 안내 시스템의 주 연장 평면의 하나 또는 두 측부들 상에 파장-선택성 거울들을 적용함으로써 더 많은 방출된 광이 광 안내 시스템 내부에 포획된다. 파장-선택성 거울은 바람직하게는 무기 또는 유기 파장-선택성 거울이며/이거나 파장-선택성 거울은 바람직하게는 발광 재료에 의해 방출되는 비편광 방사선에 대해 적어도 50% 반사성이고, 발광 재료에 의해 흡수되는 광에 대해 적어도 50% 투명하다. 일부 경우들에서, 절환가능 층의 주 연장 평면에 관하여 절환가능 층의 상단(상단-측부) 및 저부(저부-측부) 상에 및/또는 광학 장치의 하나 또는 두 측부들에 파장-선택성 거울을 추가하는 것이 유익할 수 있다. 광학 장치가 방출된 광을 에너지 변환 시스템으로 전달할 수 있는 효율은 무엇보다도 광 안내 모드 내측의 방출된 광을 포획하기 위한 광학 장치의 기능에 의존한다. 광을 장치 내로 선택적으로 도입하고, 광의 다른 파장이 장치를 벗어나는 것을 방지하는 기능은 에너지 변환 시스템으로 안내되는 광량을 증가시킬 수 있다. 이 경우, 파장-선택성 거울의 반사 파장은 발광 재료의 흡수 대역보다 긴 파장들에 있도록, 그러나, 방출된 광이 흡수된 광보다 더 긴 파장에 있고 대부분 파장-선택성 거울에 의해 반사되도록 선택된다. 일 양호한 실시예에서, 파장-선택성 거울은 콜레스테릭 액정 필름을 사용하여 생성될 수 있다. 콜레스테릭 액정 필름은 굴절 지수의 주기적 변조가 Bragg 반사를 유발하기 때문에 특정 파장들에서 최대 50%의 광을 반사한다. 반사 대역의 폭은 액정의 콜레스테릭 피치 및 복굴절에 의존한다. 우측 콜레스테릭 층과 좌측 콜레스테릭 층의 조합은 파장들의 특정 범위에 대한 전체 반사 거울을 산출할 수 있다. 대안적으로, 사이에 반파 지연 층을 갖는 동일한 경도의 두 개의 콜레스테릭 층들이 특정 범위의 파장들을 위한 전체 반사 거울을 획득하기 위해 사용될 수 있다.
양호한 실시예에서, 중합성 파장-선택성 거울은 우측 원형 편광 광을 반사하는 하나 이상의 콜레스테릭 층들 또는 좌측 원형 편광 광을 반사하는 하나 이상의 콜레스테릭 층들을 포함하거나, 반파 판과의 조합으로 동일한 경도의, 우측 원형 편광 광을 반사하는 하나 이상의 콜레스테릭 층들 및 좌측 원형 편광 광을 반사하는 하나 이상의 콜레스테릭 층들 양자 모두를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 목적은 광학 장치를 통한 광의 전달을 위한 방법이며, 여기서, 발광 재료는 진폭(A1)을 갖는 전기 전위, 전기장(V1) 및/또는 각각 특정 주파수(f1)의 특정 파장(λ1)의 광의 강도를 인가함으로써, 흡수 상태에서 투과 상태로 또는 그 반대로 변환된다.
바람직하게는, 발광 재료는 진폭(A2)을 갖는 전기 전위, 전기장(V2) 및/또는 각각 특정 주파수(f2)의 특정 파장(λ2)의 광의 강도를 인가함으로써 산란 상태로 변환되며, 진폭들(A1 및 A2), 전기장들(V1 및 V2) 및/또는 각각 특정 주파수들(f1 및 f2)의 특정 파장들(λ1 및 λ2)의 광의 강도들은 서로 다르다.
전극들을 갖는 폴리이미드 층이 정렬 층으로서 사용되는 일 양호한 실시예에서, 전기 신호(S1)의 인가는 절환가능 층을 위치(1)(예로서, 투과 상태)이 되게 하고, 전기 신호(S2)의 인가는 절환가능 층이 위치(2)(예로서, 흡수 상태)가 되게 한다. 효과적 사용을 위해, 신호(S1 및 S2)의 진폭 및/또는 주파수 값은 서로 다르다는 것을 이해하여야 한다.
일 양호한 실시예에서, 제3 전기 신호(S3)가 절환가능 층의 산란 상태를 얻기 위해 인가되며, 신호(S3)의 진폭 및/또는 주파수 용량은 신호들(S1 및 S2)과 다르다.
일 양호한 실시예에서, 광학 장치는 적어도 두 개의 안정한 상태들을 갖는다. 안정한 상태는 자극 인가가 없이 긴 시간 기간 동안 유지될 수 있는 발광 재료의 정렬 구성들을 지칭하며, 이 자극은 전기 신호 또는 광학 신호일 수 있다. 제3 위치가 필요한 경우, 3위치 안정형 시스템도 가능하다. 일 양호한 실시예에서, 안정한 상태들은 절환가능 층으로서 액정 호스트를 사용하여 생성된다. 본 양호한 실시예에서, 액정들의 안정한 상태들은 시스템의 자유 에너지의 국지적 최소치를 생성함으로써 얻어진다. 다른 구성으로의 절환을 위해, 액정들은 자체적으로 재조직하여야 하며, 이는 외부 자극을 공급함으로써만 극복될 수 있는 에너지 배리어를 유발한다. 이러한 외부적 자극은 전기장 또는 정렬층으로서 작용하는 명령 표면일 수 있다.
바람직하게는 광학 장치는 윈도우들, 차량들, 빌딩들, 온실들, 안경들, 보안 유리, 광학 기구들, 음향 배리어들 및/또는 의료 기기들을 위해 사용될 수 있다. 이들 상술한 용례들에서, 적어도 절환가능 층, 지지 수단, 광 안내 시스템 및 정렬 층이 바람직하게 시트 유리를 대체한다. 본 발명에 관련한 안전 유리는 절환가능하게 가려질 수 있는 특수 유리이다. 예로서, 이런 유리는 폭발적인 높은 광 에너지를 갖는 프로세스 동안 눈 보호를 위해 사용될 수 있다. 이런 프로세스는 예로서, 용접 프로세스이며, 광학 장치는 안경들의 유리를 대체하도록 용접 안경들 또는 레이저 안경들에 사용될 수 있다.
본 발명은 하기의 도면들 및 실시예들을 참조로 가장 잘 이해할 수 있을 것이다. 하기의 도면들 및 실시예들은 본 발명의 특정 구현예들을 설명하기 위한 것이며, 어떠한 방식으로도 첨부 청구범위에 기재된 바와 같은 본 발명의 범주를 제한하는 것으로서 해석되지 않아야 한다.
도 1a은 광학 장치의 단면도이다.
도 1b는 절환가능 층의 개략도이다.
도 2a 및 도 2b는 발광 재료의 가능한 정렬들의 개략도이다.
도 3은 광학 밀도와 인가된 전압 사이의 상관관계의 도면이다.
도 4 및 도 5는 실험 설정들을 도시한다.
도 6은 흡수 및 형광 스펙트럼 프로파일의 도면이다.
도 7은 암(불투명), 산란 및 브라이트(투과) 모드의 현미경 이미지들이다.
도 8은 전압 프로파일들의 다양한 예들을 도시한다.
도 9는 광학 밀도들의 도면이다.
도 10은 광학 장치의 스펙트럼 강도의 도면이다.
도 11은 광학 장치의 측부에서 집중된 광 출력의 도면이다.
도 12는 발광 재료의 일반적 구조를 도시한다.
도 13a 내지 도 13c는 윈도우 프레임 내의 광학 장치의 다양한 일 실시예들을 도시한다.
도 14a 내지 도 14c는 다양한 상태들에서 광학 장치의 기능을 개략적으로 도시한다.
도 1a에는 광학 장치(1)의 단면도가 예시되어 있다. 광학 장치는 발광 재료(3)(도 1에는 미도시)를 갖는 절환가능(swichable) 층(2)과, 지지 수단(4)과, 광 안내 시스템(5)과 에너지 변환 시스템(7)을 포함한다. 도 1의 절환가능 층(2)은 액정 셀이며, 정렬 층들(6)은 셀의 내부 표면과 접촉한다. 제어 시스템(8)으로 인해, 액정 층은 절환가능하다. 광 안내 시스템(5)은 발광 태양 집광기일 수 있다. 발광 태양 집광기(LSC)는 세 개의 주 구성요소들, 즉, 염료 층(절환가능 층(2) 및 발광 재료(3))과, 도파로(광 안내 시스템(5)) 및 광전 셀(에너지 변환 시스템(7))을 포함한다. 형광 염료 층이 (태양)광을 흡수 및 재방출하기 위해 사용된다. 이 층은 유기 형광 염료 분자들(발광 재료(3))로 구성되며, 이는 입사 광을 흡수한다. 흡수된 광은 형광발광에 의해 다시 재방출된다. 이 재방출 프로세스의 효율은 양자 효율로 명명되며, 일부 경우들에서 90%를 초과한다. 표면과의 임계각 외부의 방향으로 형광발광을 통해 방출되는 광은 도파 모드들에서 포획될 것이다. 도파된 광은 도파로의 좁은 에지에서만 도파로를 벗어날 수 있다. 형상적 이유들 때문에, 도파로들의 단부들에 도달하는 광은 자동적으로 임계각 내부에 있게 되며, 따라서 출사된다. 태양 집광기가 광이 출사하는 작은 측부에 비해, 광이 입사하는 대형 상단 표면을 가질 수 있기 때문에, 이는 "집광기"라 지칭되며: 출사 광은 입사 광 보다 높은 강도(에너지/단위 면적)로 이루어진다. 도파 층을 위해, 높은 굴절 지수의 투명 층이 사용되어 광전 셀(에너지 변환 시스템(7))을 향해 광을 안내한다. 광전 셀이 도파로의 좁은 측부 상에 장착되기 때문에, 단지 작은 광전 셀이 필요하다. 그럼에도 불구하고, 이 광전 셀은 높은 강도의 광에 노출될 것이며, 따라서, 상당한 전류를 산출할 것이다.
도 1b에는 절환가능 층(2)이 개략적으로 도시되어 있다. 절환가능 층(2)은 바람직하게는 상단-측부(T) 및 저부-측부(B)를 가지며, 상단-측부(T)와 저부-측부(B)는 서로 평행하다. 상단-측부(T)와 저부-측부(B)의 표면들은 상단-측부(T) 및 저부-측부(B)에 수직인 절환가능 층(2)의 두께보다 매우 크다. 따라서, 상단-측부(T) 및 저부-측부(B)에 평행한 평면(14)은 절환가능 층(2)의 주 연장 평면(14)을 형성한다. 더 양호한 이해를 위해, 정렬 층들(6)은 상단-측부(T)와 저부-측부(B)를 따라 위치되어 있으며, 상단-측부(T)와 저부-측부(B)에 거의 평행하다. 에너지 변환 시스템(7)은 바람직하게는 상단-측부(T)와 저부-측부(B)에 대략 수직으로 위치된다. 절환가능 층(2) 내측에서, 발광 재료(3)는 주 연장 평면(14)에 대해, 그리고, 각각 상단-측부(A) 및 저부-측부(B)에 대해 대략 평행하게(흡수 상태) 또는 대략 수직으로(투과 상태) 정렬될 수 있다.
도 2a는 발광 재료(3)의 가능한 위치들을 예시한다. 도 2b에서, 발광 재료(3)의 흡수 축과, 광의 전파 방향 및 입사광의 전기장(E-필드) 벡터의 편광 방향 사이의 상관관계가 도시되어 있다. 전자기 파의 진동들이 광의 전파 방향에 수직인 경우 광은 전자기 파로서 설명될 수 있다. 선형 편광 광에서, E-필드의 단일 진동 평면만이 제공된다. 이때 편광 방향은 광의 E-필드의 진동 평면으로서 정의된다. 정상적 주광(등방성 광)은 모든 가능한 편광 방향들의 성분들을 포함하며, 여기서, 모든 가능한 편광 방향이 균등하게 나타내어진다. 따라서, 등방성 광은 수학적으로 두 개의 편광 방향들을 갖는 광으로서 설명될 수 있으며, 여기서, 편광 방향들은 서로 수직이다. 발광 재료(3)는 2색성 염료 분자이며, 이는 분자가 다른 방향에서보다 일 방향(분자의 흡수 축의 방향)에서 더 강한 흡수를 나타낸다는 것을 의미한다. 분자의 흡수 축이 광의 전파 방향에 수직인 경우, 그리고, 광의 편광 상태가 분자의 흡수 축에 평행한 경우, 염료 분자는 높은 흡수를 나타낼 것이다. 다른 가능성은 분자의 흡수 축이 광의 전파 방향에 수직이고, 광의 편광 상태가 분자의 흡수 축에 수직인 경우이다. 이 경우, 광의 단지 작은 부분이 흡수될 것이다. 분자가 이제 광의 전파 방향이 분자의 흡수 축에 평행하도록 회전될 때, 광의 편광 상태는 항상 분자의 흡수 축에 수직이될 것이다. 이 경우가 도 2a에 도시되어 있으며, 이는 발광 재료(3)가 Y 축에 평행하고, 광의 전파 방향이 Y 축에 평행한 경우이다. 발광 재료(3)가 X 또는 Z 축에 평행하게 정렬되고 등방성(또는 비편광) 광이 사용되는 경우, 발광 재료는 광의 하나의 편광 성분, 즉, 분자의 주 흡수 축에 평행한 편광 성분에 대해서 높은 흡수를 가질 것이다. 투명(저 흡수) 광학 장치(1)가 바람직한 경우, 발광 재료(3)의 흡수 축은 Y 축에 평행하게 정렬되고, 따라서, X 축 및 Z 축에 수직이 되며, 등방성 광의 두 개의 수학적으로 결정된 편광 상태들에 수직이 된다. 더 양호한 이해를 위해, 절환가능 층(2)의 주 연장 평면(14)은 점선들로 표시되어 있다. 투명(저 흡수) 광학 장치(1)에 대해, 발광 재료(3)의 흡수 축은 절환가능 층(2)의 주 연장 평면(14)에 수직이다. 광학 장치(1)의 불투명 상태에서, 발광 재료(3)의 흡수 축은 X 축 또는 Y 축에 평행하다.
도 3에서, 인가된 전압과 광학 장치의 광학 밀도 사이의 상관관계가 도시되어 있다. A 축은 V/m 단위로 인가된 전압을 나타내고, B 축은 마이크로미터 당 광학 밀도를 나타낸다. 곡선 C는 발광 재료(3)의 흡수 축에 평행한 편광 방향을 갖는 광을 설명한다. 곡선 D는 비편광 광을 설명하며, 곡선 E는 발광 재료의 흡수 축에 수직인 편광 방향을 갖는 광을 설명한다. 셀(광학 장치(1))의 전압이 온 상태로 절환될 때, 셀의 광학 밀도는 전압을 증가시킴으로써 감소될 수 있다.
도 14a 내지 도 14c는 광학 장치의 기능을 나타내고, 도 13a 내지 도 13c는 광학 장치를 갖는 윈도우 프레임을 도시한다.
폴리머 분산 액정(PDLC)도 예로서 본 발명에 따른 광학 장치를 위한 액정으로서 사용될 수 있다. PDLC들은 잘 알려져 있으며, 다수의 예들이 문헌에 공개되어 왔다. 예로서, "액정들, 적용 및 용도(Liquid Crystals, Applications and uses)(B Bahadur 편저, World Scientific(1991))"의 J W Doane의 "폴리머 분산된 액정 디스플레이들(Polymer Dispersed Liquid Crystal Displays)," 및 P S Drzaic의 "액정 분산(Liquid Crystal Dispersions)(World Scientific, (1995))" D Coates의 J. Mat . Chem .(5(12), 2063-2072, (1995)) 참조.
PDLC에서, 절환가능 층은 액정 액적들(19)을 갖는 폴리머 매트릭스로 구성된다. 액적들 내의 액정(19)은 정규 LC 디스플레이에서 이루어지는 바와 같이 전기장을 사용하여 수직방향으로 정렬될 수 있다. 대부분의 PDLC 장치들에서, 폴리머 매트릭스(18)의 굴절 지수(np)는 액정(19)의 이상 축(extraordinary axis)의 굴절 지수(n∥)와 일치하고 따라서 정상 축의 굴절 지수(nㅗ)와 불일치하도록 선택된다. 전기장이 "온" 상태(도 14b에 도시됨)의 전극들-정렬 층(6)을 구성-에 의해 인가될 때, LC 분자들(19)은 수직방향으로 정렬될 것이다. 절환가능 층(2)의 평면에 수직인 방향으로 이동하는 광은 따라서 굴절 지수 변화를 겪지 않으며, 따라서, 굴절되지 않는다. "오프" 상태(도 14c에 도시됨)에서, LC 분자들(19)은 임의적 배향을 가지며, 광은 폴리머(18) 및 정상 축에 대응하는 굴절 지수(nㅗ)와 조우하게 된다. 결과적으로, 광은 산란된다.
양호한 실시예에서, 작은 농도(0.5wt% 내지 5wt%)의 발광 재료(3)가 절환가능 층(2)(폴리머 매트릭스(18) 및/또는 LC 액적들(19)) 내에 통합된다. 발광 재료(3)는 액정 액적들(19)과 정렬될 수 있는 이방성 형광 염료, 예로서, BASF Lumogen F Yellow 083일 수 있다. 발광 재료(3)는 광의 일부가 흡수되고 도파 모드들로 재방출되게 한다. 이동 상으로 존재하는 발광 재료(3)(LC(19))의 정렬을 변화시킴으로써, 절환가능 층(2) 내의 발광 재료에 의한 광의 흡수가 변경될 수 있다. 수직방향 "온" 상태(도 14b)에서, 흡수는 낮으며, "오프" 상태(도 14c)에서, 발광 재료에 의한 흡수는 높다. 방출 또는 산란되는 광은 광학 장치(1)의 도파 모드들 내에 포획될 수 있다. 도파된 광은 그후 도파로 "샌드위치"의 측부에 장착된 에너지 변환 장치(7), 예로서, 광전 소자(PV)에 의해 전기 에너지로 변환될 수 있다. "오프" 상태의 절환가능 층(2) 내의 광의 산란은 짧은 거리들에 걸쳐 도파로를 통해 이동하는 광의 양을 증가시킬 수 있지만, 큰 거리들에 걸쳐 도파로를 통해 수송되는 광의 양을 감소시킬 것이다.
중합 유도 상 분리(PIPS), 온도 유도 상 분리(TIPS) 및 솔벤트 유도 상 분리(SIPS)를 포함하는 PDLC들을 제조하기 위한 다수의 알려진 방법들이 존재한다. 본 명세서에서, PIPS 방법이 설명될 것이지만, 다른 방법도 동일한 장치를 제조할 수 있다. 제조는 반응성 모노머들(예를 들어, 아크릴레이트 또는 티올-엔 시스템) 및 액정의 균질 혼합물을 사용하여 시작한다. 적절한 상업적으로 입수할 수 있는 재료들은 액정 혼합물 BL03(Merck)과 50:50 중량 비율의 프리폴리머로서의 Norland Optical Adhesive NOA 65이다. 대안적으로, 프리폴리머 Merc Licrilite PN 393이 Merck TL203 액정 분자와 20:80 비율로 사용될 수 있다. 발광 재료(3)는 혼합물 내에 균질 상태로 용해 또는 분산된다.
다른 준비 단계들은 본 기술 분야에 알려진 PDLC 혼합물의 전형적 준비방법을 따르며, 이하로 구성된다:
- 투명 전도체로 코팅된 두 개의 기판들(폴리머 또는 유리 판들)을 제공
- 기판(들) 상에 혼합물을 적용
- 바아 코팅 또는 닥터 블레이드 코팅(doctor blade coating)에 의해, 또는 스페이서들을 채용한 유리 셀을 사용하여 기판(들) 상의 혼합물의 정확한 두께를 보증
- 페이즈 분리가 이루어지도록 제어된 온도 조건들 하에서 제어된 투여량의 UV 광으로 혼합물을 노광
- 선택적으로 후 경화 단계를 포함시킴
최적의 산란은 액적 크기들이 1-2㎛일 때 발생한다. "온" 상태의 광학 장치-예로서, 윈도우-의 투명도는 프리폴리머 혼합물의 외부로 분리된 액정 재료 상의 양에 의존한다. 필름 두께들은 변할 수 있지만, 통상적으로 10 내지 40㎛이다. 이 시스템은 필름 위에 전압(AC)을 인가함으로써 절환될 수 있다.
PLDC 시스템들의 다양한 변형들이 본 기술 분야의 숙련자들에게 알려져 있으며, 가장 중요하게는 그 "오프" 상태의 투명상태로부터 그 "온" 상태의 불투명 상태로 절환하는 반대 모드의 PLDC들이 알려져 있다.
일 실시예에서, 광학 장치(1)는 윈도우 및 프레임 구조(도 13a 내지 도 13c에 도시됨) 내에 통합되고, 여기서, 광학 장치(1)는 이중 또는 삼중 유리 윈도우(도 13a 및 도 13b 참조)의 일부이다. 절환불가한 유리 판은 바람직하게는 광의 대부분이 입사되는(외부) 측부에 위치된다. UV 필터 또는 NIR 필터 같은 광학적 기능성이 이 제1 유리 층(15a) 내에 구성될 수 있다. 이 방식으로, 광학 장치(1)는 유해 방사선으로부터 차폐될 수 있으며, 도입 방사선에 대한 추가적 제어가 달성된다. 제1 유리 층(15a)과 광학 장치(1) 사이에는 유리들(공기, 아르곤) 또는 액체들 또는 고체들 같은 낮은 열 전도성을 갖는 재료가 사용되며, 이는 절연 층(16)으로서 작용하는 목적을 갖는다. 이 절연 층(16)은 내부와 외부 사이의 열 전도에 대한 윈도우의 저항성을 증가시킨다. 도 13a 및 도 13b에서, 에너지 변환 시스템(7)(광전 소자)은 유리(15)의 일 측부 상에 그려져 있지만, 유리(15)의 임의의 측부 상에 존재할 수 있다.
제2 실시예(도 13c)에서, 제2 정적(즉, 절환불가) 층(15b)은 발광 태양 집광기이다. 발광 태양 집광기들은 본 기술 분야에 잘 알려져 있다. 예로서, Van Sark 등의 OPTICS EXPRESS(2008년 12월, 16권, 26호, 2177322) 참조. 본 실시예에서, 에너지 변환 시스템(7)(광전 소자)을 유리(15) 및 제2 정적 층(15b)에 광학적으로 접촉시키는 것이 유익하다.
실시예
실시예 1
1. 예로서, Linkam Scientific Instruments 또는 Instec Inc.로부터 상업적 유리 액정 셀이 얻어진다. 액정 셀은 예로서, 얇은(100 nm) ITO(인듐 주석 산화물)의 층에 기초한 내부 표면 상의 투명 전극들을 갖는다. 유리 셀의 상단 및 저부 덮개 사이의 셀 간극은 20㎛이다.
2. 유리 셀의 내측 표면들은 광학적 투명 정렬 층으로 처리된다. 이 정렬 층은 러빙형 폴리이미드, 예로서, Nissan Chemical Industries poryimide, grade 130일 수 있다. 폴리이미드 층은 단축 평면형 배열을 획득하기 위해 천으로 러빙처리되었다.
3. 작은 농도(0.1wt%)의 형광 페릴렌 염료, BASF Lumogen F Yellow 170을 액정 혼합물 E7(Merck)과 함께 혼합함으로써 형광 액정 혼합물이 준비되었다. 이 형광 염료는 본 실시예에서 발광 재료를 대표한다. 페릴렌 염료들의 일반적 구조는 도 12에 제공되어 있다.
4. 그후, 유리 셀의 개방 측부로 소량의 형광 액정 혼합물을 공급함으로써 셀이 충전되었다. 셀은 모세관 작용하에 충전된다.
5. 광전 셀이 에너지 변환 시스템으로서 사용되며, 유리의 굴절 지수와 일치하는 광학적 접착제, 예로서, Norland UVS 91을 사용하여 유리의 측부에 광학적으로 부착되었다. 광전 셀은 유리 도파로를 지향한다.
6. 규제식 전압 소스가 전극들에 부착된다. 제어식 전압 소스는 10과 10000 Hz 사이, 바람직하게는 1 kHz의 주파수를 갖는 사인파형 또는 블록 프로파일을 갖는 교류 전류(AC)를 공급할 수 있다.
배향된 Lumogen F 170은 흡수에서 강한 2색성을 나타내며, 이는 분자의 장축에 수직인 편광 방향을 갖는 광에 대해서 보다 분자의 장축에 평행한 편광 방향을 갖는 광에 대해 더 높은 광학 밀도를 갖는다. E7 호스트 내에 용해된 0.1wt% Lumogen F 170으로 충전된 평면형 반-평행 셀의 측정된 2색성은 5.1의 2색성 비율을 나타낸다. 도 9에서, Lumogen F 170의 2색성 특성들(파장에 의존한 광학적 밀도)이 예시되어 있다. 곡선 H는 평행 편광 광을 예시하며, 곡선 I는 수직 편광 광을 예시한다.
도 4에서, 흡수된, 방출된 및 안내된 광을 위한 측정 방법이 도시되어 있다. 유리 셀의 측부 상의 상대적 광 출력이 전압의 함수로서 측정되었다. 광은 검광기(13)로 관찰되었으며, 여기서, 광은 광원(12)에 의해 방출되고, -광학 장치(1)에 진입한 이후- 광 안내부들 외부에 결합되었다. 여기서, 광 안내부들은 셀의 평면에 대해 30도의 각도의 검광기(13)에 의해 관찰되었다. 집중된 광의 스펙트럼 출력은 염료 분자의 형광 스펙트럼과 긴밀하게 일치한다. 태양 집광기의 정확한 배향의 다른 증거는 증가/감소하는 전압으로부터 찾아지며, 전압이 증가할 때 셀의 광학 밀도는 감소하고, 셀의 에지에서의 출력이 증가한다. 이는 집광기의 출력이 셀의 광학 밀도에 직결되어 있다는 것을 예시한다.
집중된 광의 스펙트럼 출력은 염료의 형광 스펙트럼과 긴밀하게 일치한다. 도 6은 염료의 흡수 스펙트럼, 형광 스펙트럼(F) 및 셀의 측부로부터 출사하는 광의 스펙트럼(G)의 프로파일을 도시한다. 집중된 광 및 형광 스펙트럼 사이의 차이도 표시되어 있으며, 이는 염료의 광 재흡수에 기인한다. 이는 윈도우(광학 장치의 예)가 사실 형광 집광기로서 기능한다는 것을 나타낸다. 태양 집광기의 정확한 작동의 다른 증거는 전압의 증가/감소로부터 나타나며, 전압이 증가될 때 셀의 광학 밀도는 감소하고, 셀의 에지에서의 출력은 증가한다. 이는 집광기의 출력이 셀의 광학 밀도에 직결되어 있다는 것을 예시한다. 이는 도 11에 예시되어 있으며, 여기서, 전기장(V/㎛)과의 강도 의존성이 도시되어 있다.
실시예 2
접근법 1과 동일한 접근법이 이어진다. 단계 3에서, 소량의 키랄성-유도제(chirality-inducing agent)(키랄성 도핑제)가 추가된다.
3. 실시예 1에 설명된 바와 같은 액정 및 형광 염료들과 함께 Merck CB 15가 혼합물에 2-10wt%로 추가된다. 대안적으로, 키랄 도핑제 S-811 또는 IS-4651이 원하는 수의 트위스트들이 셀의 두께에 걸쳐 달성되도록 사용된다. 바람직하게는, 디렉터가 셀 두께에 걸쳐 적어도 270°회전한다.
4. 셀이 충전된다.
5. 광학적 접착제, 예로서, Norland UVS 91을 사용하여 유리의 측부에 광전 셀이 광학적으로 부착된다.
규제식 전압 소스가 전극들에 부착된다. 제어식 전압 소스는 10과 10000 Hz 사이, 바람직하게는 1 kHz의 주파수를 갖는 사인파형 또는 블록 프로파일을 갖는 AC를 공급할 수 있다. 저 전압들의 고 흡수 상태와 고 전압들의 저 흡수 상태 사이에서, 윈도우는 이제 액정의 "핑거프린트(fingerprint)" 정렬에 의해 유발되는 중간 전압들에서 산란 상태를 나타낸다. 모든 상태들에서, 윈도우는 발광 태양 집광기로서 작용할 수 있으며, 광을 수집한다. 도 7은 다크(dark) 모드(9), 산란 모드(10) 및 브라이트(bright) 윈도우 모드(11)의 현미경 이미지들을 도시하며, 여기서, 전압은 좌측으로부터 우측으로 증가한다. 삽입도들은 그 상태를 위한 분자 정렬을 개략적으로 도시한다. 다크 모드에서, 모든 액정 분자들은 절환가능 층의 평면에서 분자 축들을 갖는다. 또한, 액정 분자들은 키랄 네마틱 질서(chiral nematic ordering)를 가진다. 이는 절환가능 층의 두께 전반에 걸쳐, 분자 축의 방향인 디렉터는 평면 내에서 회전한다는 것을 의미한다. 로드형 액정들에 대하여, 이 회전은 따라서 나선을 그리며, 나선 축은 절환가능 층의 평면에 수직이다. 발광 재료의 정렬은 호스트 액정의 정렬을 따르며, 따라서, 역시 절환가능 층의 두께를 통해 회전을 나타낸다.
산란 모드에서, 나선 축은 90°경사지고, 그래서, 디렉터 회전은 이제 절환가능 층의 평면 내에 있다. 이는 분자 디렉터(molecular director)의 절반 회전의 주기성을 갖는 평면 내의 굴절 지수의 변조를 유발한다. 이 변조는 절환가능 층을 통해 전송되는 광의 산란을 유발한다. 이 경우에, 발광 페릴렌 염료 Lumogen F는 절환가능 층의 평면 내에서 나선형 형태로 조직화된다. 따라서, 평면에 평행 및 수직인 분자의 흡수 축의 배향들 양자 모두가 존재한다.
투명 모드에서, 모든 분자들은 절환가능 층의 평면에 수직으로 정렬되며, 액정들의 어떠한 키랄 배향도 허용되지 않는다.
실시예 3
실시예 1과 동일한 접근법이 이어진다. 단계 2에서, 분자 정렬 층이 이제 다르게 선택된다.
2. 유리 셀의 내부 표면들이 광학적 투명 정렬 층으로 처리된다. 두 개의 기판들 중 적어도 하나는 수직 정렬(기판과 분자 디렉터의 각도가 대략 90°)을 제공한다. 이 정렬 층의 예들은 Nissan Chemical로부터의 Polyimide Grade 5300, Polyimide Grade 1211 또는 JSR로부터의 JALS-204 폴리이미드이다. 모든 경우들에서, 이 폴리이미드 층은 법선으로부터 수 도(통상적으로 2°) 오프셋된 정렬을 제공하도록 가볍게 러빙처리된다.
3. 음의 유전 이방성을 갖는 액정, 예로서, LC 혼합물, -3.1의 유전 이방성을 갖는 MLC 6610(Merck) 또는 -3.7의 유전 이방성을 갖는 AMLC-0010(AlphaMicron)을 사용하여 형광 액정 혼합물이 준비되었다. 작은 농도(통상적으로 0.1wt%)의 형광 염료가 혼합물에 추가되었다.
4. 그후, 셀은 유리 셀의 개방 측부에 소량의 형광 액정 혼합물을 공급함으로써 충전되었다. 셀은 모세관 작용하에 충전된다.
5. 광전 셀은 광학적 접착제, 예로서, Norland UVS 91을 사용하여 유리의 측부에 광학적으로 부착된다.
6. 규제식 전압 소스가 전극들에 부착된다. 제어식 전압 소스는 10과 10000 Hz 사이, 바람직하게는 1 kHz의 주파수를 갖는 사인파형 또는 블록 프로파일을 갖는 AC 전류를 공급할 수 있다.
제로 또는 더 낮은 전압에서, 이 윈도우는 높은 투과 상태로 존재한다. 투명 전극들에 걸친 전압이 증가될 때, 산란 상태가 나타난다. 높은 전압들에서, 다크 상태가 나타난다. 모든 상태들에서, 광전 셀은 태양광을 수집하고 이는 전기 에너지로 변환된다.
도 8에서, 제어 신호들(1 내지 3)의 예가 도시되어 있다. 여기에 도시된 신호들은 블록 신호들이며, 이들은 또한 사인파형, 톱니 또는 사다리꼴 신호들일 수 있다. 신호(V1)의 인가시, 광 안내 시스템은 각각 광학 장치가 고 투과 또는 저 투과 특성들을 갖는다. 신호(V2)를 인가함으로써, 광학 장치는 산란 특성들을 갖는다. 신호(V1')를 인가함으로써, 광학 장치는 또한 산란 특성들을 갖는다. 인가 전압이 없는 상태에서, 광학 장치는 저 투과 또는 고 투과를 갖는다.
비교예
본 명세서에 설명된 접근법을 문헌 DE 33 30 305 A1, "Fenster"에 설명된 접근법과 비교하기 위해, 태양 집광기로서의 장치의 기능을 나타내도록 비교 측정이 수행되었다. 문헌 DE 33 30 305 A1의 접근법에 따라서, 소량(0.2wt%)의 형광 염료(BASF Lumogen Blau 650)를 포함하는 LC 혼합물로 액정 셀이 준비되었다. 태양 집광기로서 장치의 성능을 비교하기 위해 세 가지 실험들이 수행되었다. 모든 실험들에서, 셀의 집중된 광 출력은 암(흡수) 상태에서 측정되었으며, 이는 전지 에지로부터 출력되는 최고 광량을 갖는 상태에 대응한다. 출력은 Melchers Autronic를 사용하여 측정되었으며, 검출기는 셀의 에지 상에 초점형성되었다. 도 5는 이 측정에 사용된 설정을 개략적으로 도시한다.
실험의 설명(비교예):
1. 특허 DE 33 30 305 A1에 따라서, 편광기가 액정의 정렬에 수직인 편광 방향으로 배치되었다.
2. 특허 DE 33 30 305 A1에 대한 작은 변화로서, 편광기는 액정의 정렬에 평행한 편광 방향으로 배치되었다.
3. 실시예 1에 설명된 접근법에 따라서, 편광기가 제거되었다.
결과가 도 10에 도시되어 있으며, 여기서, 파장에 의존하는 스펙트럼 휘도(radiance)가 도시되었다: 문헌 DE 33 30 305 A1에 설명된 바와 같은 장치 레이아웃은 셀의 측부에서 최저 출력을 가진다(곡선 L). 편광기가 90°회전되었을 때, 출력은 미소하게 증가한다(곡선 K). 본 문헌으로부터의 연구 실시예 1에 따라 어떠한 편광기도 존재하지 않을 때(곡선 J), 윈도우로부터 출력된 집중된 광은 5배 더 높다.
1: 광학 장치
2: 절환가능 층
3: 발광 재료
4: 지지 수단
5: 광 안내 시스템
6: 정렬 층
7: 에너지 변환 시스템
8: 제어 시스템
9: 다크 모드
10: 산란 모드
11: 브라이트 윈도우 모드
12: (광) 소스
13: 검출기
14: 주 연장 평면(절환가능 층(2))
15: 유리
15a: 제1 유리 층
15b: 제2 정적 층
16: 격리 층
18: 폴리머 메트릭스
19: 액정/액정 액적들
T: 상단-측부
B: 저부-측부
A: 축
B: 축
C: 곡선
D: 곡선
E: 곡선
G: 곡선
H: 곡선
I: 곡선
J: 곡선
K: 곡선
L: 곡선

Claims (14)

  1. - 절환가능 층(2)과,
    - 적어도 하나의 정렬 층(6)과,
    - 광 안내 시스템(5)을 포함하는 광학 장치(1)로서,
    상기 절환가능 층(2)은 광을 흡수 및 방출하기 위한 발광 재료(3)를 포함하고, 상기 발광 재료(3)의 정렬은 변경가능하며, 상기 광 안내 시스템(5)은 방출된 광을 안내하고, 상기 절환가능 층(2)은 적어도 하나의 상기 정렬 층(6)과 접촉하며, 상기 발광 재료(3)는 이방성 특성들을 나타내는, 상기 광학 장치(1)에 있어서,
    상기 광학 장치(1)는 광 에너지-변환 수단(7)을 포함하고, 상기 광 안내 시스템(5)은 상기 에너지-변환 수단(7)과 물리적으로 접촉하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 발광 재료(3)는 2색성 특성들을 나타내는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 발광 재료(3)는 형광 염료인 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 발광된 광은 전체 내부 반사에 의해 상기 광 안내 시스템(5) 내에서 안내되는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 에너지-변환 수단(7)은 적어도 하나의 광전 셀 및/또는 광열 변환기인 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광학 장치(1)는 적어도 하나의 지지 수단(4)을 포함하고, 상기 지지 수단(4)은 패널 형상이며, 상기 에너지-변환 수단(7)은 상기 지지 수단(4)의 주 연장부에 수직으로 상기 지지 수단(4)의 적어도 하나의 측부 상에 배열되는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 발광 재료(3)는 적어도 흡수 상태 또는 투과 상태로 정렬되는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 발광 재료(3)는 산란 상태들 중 적어도 하나로 정렬되는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서, 상기 발광 재료(3)의 모든 상태들에서, 광이 상기 발광 재료(3)에 의해 흡수 및 방출되며 상기 광 안내 시스템(5) 내에서 전체 내부 반사에 의해 상기 에너지-변환 수단(7)으로 안내되는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  10. 제 7 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 투과 상태에서, 상기 발광 재료(3)의 흡수 축은 상기 절환가능 층(2)의 주 연장 평면(14)에 수직으로 배열되는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광 안내 시스템(5)은 적어도 하나의 파장-선택성 거울을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  12. 제 7 항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 따른 광학 장치(1)를 통해 광을 전송하는 방법에 있어서,
    상기 발광 재료(3)는 진폭(A1)을 갖는 전기 전위, 전기장(V1) 및/또는 각각 특정 주파수(f1)의 특정 파장(λ1)의 광의 강도를 인가함으로써, 상기 흡수 상태에서 상기 투과 상태로 또는 그 반대로 변환되는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 발광 재료(3)는 진폭(A2)을 갖는 전기 전위, 전기장(V2) 및/또는 각각 특정 주파수(f2)의 특정 파장(λ2)의 광의 강도를 인가함으로써 상기 산란 상태로 변환되며, 진폭들(A1 및 A2)은 서로 다르고, 전기장들(V1 및 V2)은 서로 다르며 및/또는 각각 특정 주파수들(f1 및 f2)의 특정 파장들(λ1 및 λ2)의 광의 강도들은 서로 다른 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 윈도우들, 차량들, 빌딩들, 온실들, 안경들, 안전 유리, 음향 배리어들, 광학 기구들 및/또는 의료 기구들을 위한 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 광학 장치(1)의 용도.


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