KR20140038398A - 전기-열적인 김서림방지용 광학 장치 - Google Patents

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Abstract

투명한 전도성 코팅 조성물로 형성된 코팅 층을 포함하는 장치가 기술된다. 상기 코팅 층은, 표면 상에 수증기가 소적으로 응축되는 것을 방지하기 위한 활성의 김서림방지 코팅으로 작용할 수 있다. 상기 코팅에는 전도성 중합체 및 관능화 탄소 나노구조가 포함되고, 이것은 전이 금속 가교제로 가교될 수 있다. 상기 조성물은 표면 상의 김서림을 방지하기 위해서, 시각화 응용예, 예컨대 안면 보호대, 안경, 안전 유리, 고글, 접안경 등에 사용된 표면 상에 코팅될 수 있다.

Description

전기-열적인 김서림방지용 광학 장치{ELECTRO-THERMAL ANTIFOG OPTICAL DEVICES}
광학 안경, 고글, 안면 보호대(face shield), 및 의학적 및 산업적 응용예 둘 모두에서의 기타 광학 장치의 사용과 관련된 지속적인 문제는 시야 기재(viewing substrate)의 김서림이다. 착용자에 의해 발산된 따뜻하고 습한 공기는 사용자의 코 또는 입에 매우 가까운 비교적 차가운 표면 상에 응축될 것이다. 응축물 소적은 시야 표면을 김서리게 하고, 이는 시각을 심각하게 손상시킬 수 있다.
고글 및 안경 상의 김서림으로 인한 문제를 경감시키기 위해서 다양한 방법들이 시도되었다. 예를 들어, 김서림을 일으키는 소적 형성을 제거하기 위해 표면 전체에 걸쳐 수분을 흡수시키고/시키거나 수분을 확산시켜서 작용하는, 표면에 대한 패시브(passive) 코팅이 기술되었다. 패시브 코팅의 예가, 미국 특허 번호 4,767,671 및 5,668,618에 기술되었다. 더욱 최근에는, 표면의 연무형성(misting) 또는 김서림을 일으키는 응축물을 방지하는데 사용되는 액티브적 접근(active approach)이 제안되었다. 예를 들어, 미국 특허 번호 6,470,696에는, 하나의 센서가 표면과 접촉되고 다른 하나의 센서는 냉각 장치와 접촉되는, 두 개의 열 센서를 포함하는 장치가 기술되어 있다. 상기 장치에는 또한 습도 센서가 포함된다. 회로는, 응축 제거 메커니즘이, 습도 센서가 열 센서 판독을 기초로 응축의 존재를 나타내는 경우에 표면으로부터 액체를 제거하도록 작동되게 한다. 또 다른 예에서, 독일 공보 DE 3323670에는 차양판(visor)에 부착된 전도성 물질로 된 스트립; 및 상기 스트립을 통해 차양판을 가열시키고 차양판의 연무형성을 방지하도록, 전류 공급원에 전기적으로 연결시키기 위한 단자(terminal)가 기재되어 있다.
이상에서 당업계에서의 개선이 설명되고 있지만, 추가 개선에 대한 여지가 있다. 당업계에서는, 표면 상에서의 응축, 예를 들어 김서림 방지를 위한 액티브 코팅이 요구되고 있다.
하나의 실시양태에 따르면, 투명 렌즈, 상기 투명 렌즈의 표면 상에서의 전도성 투명 층, 및 전력 공급원을 포함하는 광학 장치가 개시되어 있다. 상기 전도성 투명 층에는, 폴리티오펜, 티오펜 관능화 탄소 기재 나노구조 및 전이 금속 가교제를 포함하는 가교된 망상구조(network)가 포함된다. 또한, 상기 전력 공급원은 상기 전도성 투명 층과 전기적으로 통한다.
제1 표면을 형성하고 이 제1 표면 상에 전도성 투명 층을 포함하는 기재로서, 상기 전도성 투명 층이 폴리(3,4-에틸렌-디옥시티오펜)(PEDOT), 폴리스티렌 술폰산(PSS), 티오펜 유도체화(derivatized) 탄소 나노튜브, 및 전이 금속 가교제를 포함하는 가교된 망상구조를 포함하는, 기재가 또한 개시되어 있다.
당업자를 대상으로 한, 그 최선 모드를 포함하는 본원 내용의 충분하고 가능한 개시내용이, 첨부된 도면을 참고하여 명세서 나머지 부분에서 더욱 구체적으로 설명되어 있다.
도 1에는, 본원에 설명된 코팅을 포함하는 한 쌍의 고글이 개략적으로 예시되어 있다.
도 2에는, 본원에 설명된 코팅 조성물의 사용에 의한 폴리카르보네이트 표면의 온도 상승이 그래프로 예시되어 있다.
지금부터 개시된 내용의 다양한 실시양태를 상세히 참고할 것이며, 그 하나 이상의 예가 이하에 설명되어 있다. 각각의 예는, 제한이 아니라 설명을 위해 제공된다. 사실상, 본원 내용의 범위 또는 사상으로부터 벗어나지 않고, 본 발명에 다양한 변형 및 변경이 이루어질 수 있음이 당업자에게는 자명할 것이다. 예를 들어, 하나의 실시양태의 일부로 예시되거나 설명된 특성이 또 다른 실시양태에 대해서 사용되어 더욱 추가의 실시양태를 생성시킬 수 있다. 따라서, 본 발명은, 첨부된 청구범위 및 그 등가물의 범위에 있는 그러한 변형 및 변경을 포함하도록 의도된다.
본 발명은, 표면의 김서림을 방지하기 위해 표면 상에 활성 층을 포함하는 광학 장치에 관한 것이다. 상기 층은, 전도성 중합체 및 관능화 탄소 기재 나노구조를 포함하는 조성물로부터 형성된다. 상기 관능화 탄소 기재 나노구조는, 전도성 중합체가 단독으로 가능한 것을 벗어나서 층의 전기적 특성을 개선시킬 수 있다. 추가 개선을 제공하기 위해서, 조성물에는 전도성 중합체 및 관능화 탄소 기재 나노구조 둘 모두와 착물을 형성할 수 있는 전이 금속 가교제가 포함된다. 조성물로 형성된 층이 전이 금속 화합물과 가교된다. 따라서, 가교된 매트릭스에는 전도성 중합체, 탄소 기재 나노구조, 및 전이 금속 가교제가 포함되는데, 이들 모두는 서로 전기적으로 통할 수 있다. 탄소 기재 나노구조가 가교된 망상구조 내에서 착물화되고 단지 층의 중합체와 배합되지 않기 때문에, 개선된 전기 접촉이 얻어질 수 있다. 이에 의해, 탄소 기재 나노구조의 적은 첨가 수준(low add-on level)으로 탁월한 전기 특성을 갖는 층이 제공될 수 있다. 하나의 실시양태에서, 내스크래치성 경질 코트 용액 물질이 조성물의 다른 성분과 합해져서, 층의 전기적 특성에 유해한 영향을 미치지 않으면서 층의 내손상 및 내마모성을 개선시킬 수 있다.
상기 가교된 층은 전력 공급원과 전기적으로 통하여 회로를 완성시키도록 위치할 수 있다. 회로를 통한 전류 흐름에 의해 표면 온도에서의 증가가 일어날 수 있고, 이에 의해 표면의 김서림이 방지될 수 있다. 그러므로, 표면 상에 상기 층을 포함하는 투명 기재는, 광학 장치, 예컨대 고글, 광학 안경, 안전 유리, 용접 렌즈(고정형 및 가변형 쉐이드(shade)), 차양판, 안면 보호대 등에서 유익하게 사용될 수 있다.
본원에 사용된 용어 "김서림"은, 투명 렌즈에서와 같은 표면을 통한 시각화가 손상되거나, 표면 자체를 시각화하는 능력이 손상되게 하는, 표면 상의 응축물을 지칭한다. 상기 응축물 소적에 의해, 입사 광의 산란 및 시각화에서의 감소, 또는 김서림이 일어난다.
조성물에는, 반투명한 또는 투명한 층을 형성시키는데 사용하기에 적합한 하나 이상의 전도성 중합체가 포함된다. 본원에 사용된 용어 "반투명한"은, 약 30 내지 약 85%의, 가시 스펙트럼(약 300 nm 내지 약 800 nm) 내 빛 투과율을 갖는 물질을 지칭한다. 본원에 사용된 용어 "투명한"은, 약 85% 초과의, 가시 스펙트럼 내 빛 투과율을 갖는 물질을 지칭한다. 하나의 실시양태에서, 투명 필름은 약 90% 초과, 또는 약 95% 초과의 빛 투과율을 가질 수 있다. 코팅된 기재는 약 5% 미만, 또는 약 3% 미만의 퍼센트 탁도(haze)를 가질 수 있다. 탁도는, 견본을 통과할 때 입사광으로부터 평균 25도 초과까지 이탈되는, 투과된 빛의 퍼센트로 정의된다. 탁도는 일반적으로 견본의 "불투명성(milkiness)", 또는 콘트라스트에서의 손실로 지칭된다. 반투명성, 투명성 및 탁도는, 입사광의 세기를 표준 프로토콜에 따라 그 물질을 통과하는 빛의 세기와 비교함으로써 측정될 수 있다. 예를 들어, 명칭 "투명 플라스틱의 탁도 및 빛 투과율(DOI:10.1520/D1003-07)"의 ASTM D1003-07e1에 기재된 시험 방법을 사용하였다.
일반적으로, 전도성 층을 형성시키는데 사용된 조성물은 수성일 수 있지만, 공지된 바와 같이, 소량의 용매가 조성물 중에 존재할 수 있다. 예를 들어, 예를 들어 조성물에 대해 약 5 중량% 미만의 소량의 용매, 예컨대 알콜, 벤젠, 피롤리돈, 포르밀 아민, 글리콜 에테르 등이 포함될 수 있다. 조성물은 예를 들어, 약 75 중량% 이상의 물, 몇몇의 실시양태에서는 약 90 중량% 이상의 물, 및 몇몇의 실시양태에서는 약 96 중량% 이상의 물을 함유할 수 있다.
코팅 조성물의 전도성의 투명한 중합체는, 폴리티오펜 및 그 임의의 유도체를 포함하는 폴리티오펜일 수 있다. 일반적으로, 코팅 조성물에는 약 3 중량% 미만, 또는 또 다른 실시양태에서는 약 1 중량% 미만의 폴리티오펜이 포함될 수 있다. 예를 들어, 조성물에는 약 0.01 중량% 내지 약 1 중량%의 폴리티오펜이 포함될 수 있다. 폴리티오펜은 하기 구조를 지닐 수 있다:
Figure pct00001
상기 식에서, R1 및 R2는 독립적으로 수소 또는 C1-C4 알킬 기로부터 선택되거나, R1 및 R2는 함께 임의적으로 치환된 C1-C4 알킬렌 라디칼, 예를 들어 알킬 기로 임의적으로 치환되는 메틸렌 라디칼, C1-C12-알킬 또는 페닐 기로 임의적으로 치환되는 1,2-에틸렌 라디칼, 또는 1,2-시클로헥실렌 라디칼을 형성한다.
하나의 바람직한 실시양태에서, 조성물에는 하기 구조를 갖는 폴리티오펜 유도체 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)이 포함될 수 있다:
Figure pct00002
폴리티오펜을 형성시키기 위해 임의의 적합한 방법이 사용될 수 있다. 예를 들어, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)은 3,4-에틸렌디옥시티오펜 헤테로방향족 고리로부터 전자를 제거하는 3,4-에틸렌디옥시티오펜 단량체의 산화를 통해서 형성될 수 있다. 산화제에는, 제한없이, 철(III) 염, 예컨대 FeCl3, Fe(ClO4), 및 유기 라디칼을 함유하는 유기 산 및 무기 산의 철(III) 염이 포함될 수 있다. 다른 적합한 산화제에는, H2O2, K2Cr2O7, 알칼리 금속 퍼술페이트, 암모늄 퍼술페이트, 알칼리 금속 퍼보레이트, 및 칼륨 퍼망가네이트가 포함될 수 있다. 두 개의 산화된 단량체의 조합물은 양성자를 방출하면서 이합체를 형성할 것이다. 긴 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜) 사슬이 형성될 때까지, 이합체의 추가 산화에 의해 삼합체 등이 형성될 것이다. 3,4-에틸렌디옥시티오펜 단량체 및 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜) 이합체, 삼합체, 및 무한한 장쇄의 이온화 전위는 각각 1.1, 0.46, 0.16 및 -0.25V(Ag/Ag+에 대한)이다. 결과적으로, 일단 올리고머가 형성되기만 하면, 중합은 급속하게 가속될 수 있다.
조성물은 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)에 제한되지 않고, 제한없이 폴리(3-메틸티오펜), 폴리(3-에틸티오펜), 폴리(3-프로필티오펜), 폴리(3-부틸티오펜), 폴리(3-헥실티오펜), 폴리(3-헵틸티오펜), 폴리(3-옥틸티오펜), 폴리(3-데실티오펜), 폴리(3-도데실티오펜), 폴리(3-옥타데실티오펜), 폴리(3-브로모티오펜), 폴리(3-클로로티오펜), 폴리(3-아이오도티오펜), 폴리(3-시아노티오펜), 폴리(3-페닐티오펜), 폴리(3,4-디메틸티오펜), 폴리(3,4-디부틸티오펜), 폴리(3-히드록시티오펜), 폴리(3-메톡시티오펜), 폴리(3-에톡시티오펜), 폴리(3-부톡시티오펜), 폴리(3-헥실옥시티오펜), 폴리(3-헵틸옥시티오펜), 폴리(3-옥틸옥시티오펜), 폴리(3-데실옥시티오펜), 폴리(3-도데실옥시티오펜), 폴리(3-옥타데실옥시티오펜), 폴리(3,4-디히드록시티오펜), 폴리(3,4-디메톡시티오펜), 폴리(3,4-디에톡시티오펜), 폴리(3,4-디프로폭시티오펜), 폴리(3,4-디부톡시티오펜), 폴리(3,4-디헥실옥시티오펜), 폴리(3,4-디헵틸옥시티오펜), 폴리(3,4-디옥틸옥시티오펜), 폴리(3,4-디데실옥시티오펜), 폴리(3,4-디도데실옥시티오펜), 폴리(3,4-프로필렌디옥시티오펜), 폴리(3,4-부텐디옥시티오펜), 폴리(3-메틸-4-메톡시티오펜), 폴리(3-메틸-4-에톡시티오펜), 폴리(3-카르복시티오펜), 폴리(3-메틸-4-카르복시티오펜), 폴리(3-메틸-4-카르복시에틸티오펜), 및 폴리(3-메틸-4-카르복시부틸티오펜)을 포함하는 다른 폴리티오펜 및 두 개 이상의 폴리티오펜의 배합물이, 본원에 포함됨이 이해되어야 한다.
폴리티오펜은 불용성인 경향이 있기 때문에, 조성물에는 중합체의 용해성을 개선시킬 수 있는 제2 성분이 포함될 수 있다. 예를 들어, 조성물에는, 하기 구조를 갖는 수용성의 양이온성 고분자전해질 폴리스티렌 술폰산과 함께 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)이 포함될 수 있다:
Figure pct00003
폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)/폴리스티렌 술폰산 조성물은 공지된 방법(예를 들어, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜) 중합 과정 동안 전하 균형화 도펀트(charge-balancing dopant)로 고분자전해질 폴리스티렌 술폰산을 사용하는)에 따라 형성될 수 있거나, 대안적으로 상업적으로 얻어질 수 있다. 예를 들어, 약 1.3 내지 2.6%의 고체 함량을 갖는 제조된 PSS/PEDOT 혼합물은 알드리치(Aldrich) 또는 다른 회사로부터 구매될 수 있다. 그러한 경우에, 용액은 필요에 따라 조정될 수 있거나, 대안적으로 제형에 직접적으로 사용될 수 있다. 클레비오스(Clevios)TM 브랜드로 입수가능한 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)/고분자전해질 폴리스티렌 술폰산이 또한 독일 하나우에 소재한 헤라우스(Heraeus)로부터 입수가능하다. 일반적으로 고분자전해질 폴리스티렌 술폰산에 대한 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)의 비는 약 1 내지 약 2.5 중량%일 수 있지만 이것은 조성물의 필요조건(requirement)은 아니며, 이 둘의 임의의 적합한 비가 본원에 포함된다.
폴리티오펜을 용해시키는 임의의 다른 방법이 조성물을 형성시키는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 하나의 실시양태에서, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)-테트라메틸 아크릴레이트가 사용될 수 있다. 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)-테트라메틸 아크릴레이트는, 분산을 촉진시키는 측쇄 말단 캡핑 테트라메틸 아크릴레이트 기를 포함하는 ABA 블럭 공중합체이다.
조성물 내 중합체의 전체 량, 예를 들어 폴리티오펜 및 중합체성 가용화제의 전체 양은 조성물의 약 1.5 내지 약 3 중량%일 수 있다.
전도성 중합체 및 임의의 가용화제 이외에, 조성물에는 탄소 기재 나노구조가 포함된다. 일정 양의 전도성 및/또는 반전도성 탄소 기재 나노구조가, 코팅의 투명성을 손상시키지 않고 조성물로부터 형성된 층의 전기 특성을 향상시키도록 형성된 매트릭스 중에 포함될 수 있다.
탄소 기재 나노구조에는, 나노미터 범위의 하나 이상의 치수를 갖는 임의의 구조가 포함될 수 있다. 특히, 나노구조가 특정의 실시양태에서는 매우 높은, 예를 들어 1000 nm 초과의 종횡 비(aspect ratio)를 설명하고 더욱 큰 범위에서의 길이 치수가 포함될 수 있다 하더라도, 상기 나노구조는 나노미터 범위, 예를 들어 약 500 nm 미만의 하나 이상의 치수를 형성할 것이다. 나노구조는 임의의 전반적인 형태를 형성할 수 있다. 예를 들어, 나노구조는 중공 상태 또는 속이 막혀 있을 수 있고, 구형, 섬유상, 또는 비교적 평면, 예컨대 평면의 작은 판 형태, 예를 들어 흑연 또는 그래핀 나노구조일 수 있다. 또한, 조성물에는 복수개의 실질적으로 동일한 나노구조가 혼입될 수 있거나, 상이한 길이로 형성된 상이한 형태로 형성된 나노구조의 조합물을 포함하는 상이한 나노구조의 혼합물이 임의적으로 혼입될 수 있거나, 이들의 임의의 조합물이 혼입될 수 있다.
하나의 실시양태에서, 탄소 기재 나노구조는 탄소 나노튜브 또는 탄소 나노구체(예를 들어, 버키볼(buckyball), 나노양파, 또는 다른 풀러렌)일 수 있다. 탄소 나노튜브는 단일 벽 탄소 나노튜브, 다중 벽 탄소 나노튜브, 또는 상이한 탄소 나노튜브의 혼합물일 수 있다. 예를 들어, 나노구조에는 분리된 단일 벽 탄소 나노튜브 및/또는 단일 벽 탄소 나노튜브 다발이 포함될 수 있다. 일반적으로, 단일 벽 탄소 나노튜브 다발은 약 5 nm 내지 약 200 nm의 외부 직경을 지닐 수 있는 반면, 개별 단일 벽 탄소 나노튜브는 약 5 nm 미만의 외부 직경을 지닐 수 있다. 일반적으로, 개별 다중 벽 탄소 나노튜브는 약 5 nm 내지 약 100 nm의 외부 직경을 지닐 수 있다.
탄소 기재 나노튜브는 임의의 공지된 방법 또는 과정에 따라서 형성시킬 수 있다. 예를 들어, 탄소 나노튜브는 전기 아크(arc) 방법, 레이저-기화 방법, HiPco 방법, 화학적 기상 증착 방법, 또는 당업계에 공지된 임의의 다른 방법에 따라서 형성될 수 있다. 탄소 나노튜브는 임의의 공지된 방법에 따라서 형성시킬 수 있거나 상업적인 판매처에서 입수될 수 있다. 예를 들어, 다중벽 탄소 나노튜브, 단일 벽 탄소 나노튜브, 또는 이중 벽 나노튜브는, 매사추세츠 왈탐에 소재한 나노랩, 인코포레이티드(NanoLab, Inc.); 매사추세츠 웨스트우드에 소재한 나노-씨, 인코포레이티드(Nano-C, Inc.); 또는 캘리포니아 써니베일에 소재한 유니딤(Unidym)으로부터 입수가능하다.
형성 기술에 따라 다르지만, 탄소 기재 나노구조는 형성 시에 일정 양의 불순물, 예컨대 그을음, 촉매, 핵형성제 등과 혼합될 수 있다. 탄소 기재 나노구조는 형성 후에 그리고 코팅 조성물로의 첨가 전에 정제될 수 있다. 예를 들어, 탄소 기재 나노구조는 약 90% 초과의 순도에서 조성물로 제공될 수 있다.
하나의 실시양태에서, 형성된(as-formed) 탄소 기재 나노구조 조성물은, 산화 분위기에서의 가열, 종종 초음파 처리를 적용하면서 강산으로의 처리 후, 최종 세척을 적용함으로써 정제될 수 있다. 그러나, 당업계에 공지된 임의의 정제 과정이 임의적으로 사용될 수 있음이 이해되어야 한다.
탄소 기재 나노구조는 조성물을 통한 나노구조의 분포를 촉진시키고 또한 코팅 층의 형성 동안 중합체성 매트릭스의 가교를 촉진시키기 위해 관능화될 수 있다. 보다 구체적으로, 탄소 기재 나노구조는 폴리티오펜 기재의 코팅 조성물을 통한 나노구조의 분포를 자극하기 위해서 티오펜 유도체로 관능화될 수 있다.
탄소 기재 나노구조와의 커플링을 위한 바람직한 티오펜 유도체는, 사용되는 관능화 구조에 따라 다르게 가변될 수 있다. 예를 들어, 하나의 실시양태에서, 탄소 기재 나노구조는 이 구조 상에 카르복실산 기를 도입시키도록 구조의 산화를 통해 활성화될 수 있고, 티오펜의 아민 유도체가 아미드 결합의 형성을 통해 나노구조에 커플링될 수 있다. 하나의 바람직한 실시양태에서, 탄소 기재 나노구조는 아미드 결합 형성을 통한 2-아미노티오펜과의 커플링을 통해 관능화될 수 있다.
주로 나노구조의 초기 활성화 기 및 상응하는 티오펜 유도체에 따라 다르게, 다른 커플링 반응이 대안적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 탄소 나노튜브는 탄소 나노튜브와 플루오린 가스의 반응을 통해 활성화되어 플루오린 유도체화 나노튜브를 제공할 수 있고, 그 후 목적하는 친핵체, 예를 들어 알킬 리튬 종, 치환된 히드라진, 또는 알킬 아민을 사용하는 친핵성 치환을 통하여 추가로 유도체화될 수 있다. 활성화된 탄소 나노구조는 그 후 공지된 화학성에 따라 티오펜의 적합한 유도체와 반응하여 티오펜 관능화 나노구조를 형성할 수 있다.
조성물에는, 층의 투명성을 손상시키지 않고 조성물로 형성된 층의 전도성을 향상시키도록 일정 양의 티오펜 관능화 탄소 기재 나노구조가 포함될 수 있다. 예를 들어, 코팅 조성물에는 약 5 중량% 미만, 약 3 중량% 미만 또는 약 1 중량% 미만의 탄소 기재 나노구조가 포함될 수 있다.
티오펜 관능화 탄소 기재 나노구조는 수성 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜) 용액을 통하여 용이하게 분산될 수 있다. 하나의 실시양태에서, 분산은 약 5분 내지 수 시간 이하의 시간 기간 동안 적용될 수 있는 초음파 처리에 의해 향상될 수 있다. 다양한 성분들이 다양한 방식으로 조합될 수 있고, 조성물 형성 방법은 중요하지 않다. 예를 들어, 티오펜 관능화 나노구조는 형성된 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)/고분자전해질 폴리스티렌 술폰산 분산액과 합쳐질 수 있거나, 대안적으로 티오펜 관능화 나노구조는 예를 들어, 초음파처리와 함께 혼합을 통해 고분자 전해질 폴리스티렌 술폰산 용액과 합쳐진 다음, 이 용액을 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜) 분산액과 합할 수 있다.
조성물에는 또한, 표면으로의 적용 후에 중합체/나노구조 매트릭스를 가교시킬 수 있는 가교제가 포함된다. 가교제에는, 전이 금속 이온 및/또는 전이 금속 염이 포함될 수 있다. 임의의 구체적인 이론에 결합시키기 원치 않지만, 전이 금속 가교제가, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜) 및 관능화 탄소 기재 나노구조 둘 모두의 티오펜 기의 황 원자와 착물화되어, 중합체성 성분 및 나노구조 둘 모두를 포함하는 전도성의 가교된 매트릭스를 포함하는 코팅을 형성시킬 것이다.
본원에 포함된 전이 금속에는, 주기율표의 d-블럭에 있는 임의 원소, 즉 주기율표의 3 내지 12족의 임의 원소가 포함된다. 또 다른 실시양태에서, 본원에 포함된 전이 금속에는 불완전한 d 하위-쉘(shell)을 갖는 그러한 원소가 포함되며, 여기에는 주기율표의 3 내지 11족의 임의 원소가 포함될 것이다. 하나의 실시양태에서, 가교제로 사용되는 전이 금속에는 망간, 철, 코발트, 니켈, 구리, 은, 금, 백금, 팔라듐, 바나듐 및 크로뮴이 포함될 수 있다. 예를 들어, 전이 금속은 철, 구리, 은, 금, 코발트 또는 니켈일 수 있다. 일반적으로, 전이 금속 가교제는 전이 금속 이온 또는 식 MXn의 전이 금속 염일 수 있고, 상기 식에서 M은 전이 금속이고, X는 할로겐 음이온, 황 원자 또는 산의 짝 염기 음이온이고, n은 1 내지 6의 정수이다. 적합한 가교제의 예에는 제한없이, 전이 금속의 할라이드, 클로라이드, 술페이트, 아세테이트, 암모늄, 또는 니트레이트 염, 예컨대 염화제2철, 황산제2철, 질산제2철, 염화제2구리, 및 전이 금속 화합물의 조합물이 포함된다.
전이 금속 가교제는 조성물 내로 용해되거나 분산될 수 있다. 조성물에 분산된 전이 금속 분말의 경우에, 금속 분말의 입도는 약 10 ㎛ 미만일 수 있다. 필요에 따라, 금속 분말의 표면은 희석시킨 약산, 예컨대 아세트산을 사용하여 산화될 수 있다. 조성물에는, 코팅 조성물에 대해 약 0.1 내지 약 2.0 중량%의 농도로 전이 금속 가교제가 포함될 수 있다. 예를 들어, 조성물 내 금속 이온 농도는 약 0.1 M 내지 약 0.001M일 수 있다.
조성물에는 필요에 따라 추가 성분이 포함될 수 있다. 예를 들어, 조성물이 시각화 표면, 예컨대 한 쌍의 고글 상에 김서림방지 코팅을 형성할 그러한 실시양태에서, 조성물에는 내스크래치성 및/또는 내화학성, 반사방지 특성 등을 부여할 수 있는 하나 이상의 추가 물질이 포함될 수 있다. 예를 들어, 코팅 조성물에는, 당업계에 공지된 바와 같이 일정 양의 히드록실화 플루오로중합체 또는 실록산 기재 수지 및 가교제가 포함될 수 있고, 이들은 상기 코팅에 내스크래치성 및 내후성을 제공할 수 있다. 예를 들어, 조성물에는 약 5 내지 약 20 중량%의 내스크래치성의 경질 코트 수지, 예컨대 실록산 중합체 수지; 아크릴 중합체 수지; 또는 플루오린 함유 단량체 단위체, 예컨대 테트라플루오로에틸렌 또는 클로로트리플루오로에틸렌을 포함하고 임의적으로 플루오린 비함유, 에틸렌 불포화 단량체 단위체를 포함하는 히드록실화 중합체가 포함될 수 있다. 플루오로중합체에는 또한 약 20 중량% 초과의 플루오린이 포함될 수 있다. 조성물에는 또한 히드록실화 플루오로중합체에 대한 가교제, 예컨대 메틸아민 및/또는 중합규산(polysilicic acid)이 포함될 수 있다.
조성물에는, 가교된 매트릭스의 기재로의 접착을 개선시킬 수 있는 하나 이상의 결합제가 또한 포함될 수 있다. 유용한 결합제의 예에는 제한없이, 폴리비닐 아세테이트, 폴리카르보네이트, 폴리비닐 부티레이트, 폴리아크릴레이트, 폴리메타크릴레이트, 폴리스티렌, 폴리술폰화 스티렌, 폴리아크릴로니트릴, 폴리비닐 클로라이드, 폴리-부타디엔, 폴리-이소프렌, 폴리에테르, 폴리에스테르, 실리콘, 피롤/아크릴레이트, 비닐 아세테이트/아크릴레이트, 에틸렌/비닐 아세테이트 공중합체, 폴리비닐 알콜, 및 그 임의의 유도체 또는 혼합물이 포함된다. 결합제가 비교적 소량, 예를 들어 조성물에 대해 약 10 중량% 미만으로 조성물에 포함될 수 있다.
형성 후에, 조성물을 기재 상으로 코팅시킬 수 있다. 조성물은 형성 후에 즉시 사용할 수 있거나, 대안적으로 사용 전 일정 시간 기간 동안, 예를 들어 몇일 동안 저장할 수 있다. 조성물에 의해 형성된 층은 기재의 표면을 완전하게 덮을 수 있거나, 표면을 부분적으로 덮을 수 있다. 예를 들어, 층은 일정한 패턴으로 표면에 도포될 수 있다. 패턴은 연속 패턴이어서 전류가 형성된 층을 통해 흐를 수 있을 것이지만, 기재 표면을 완전히 덮을 필요는 없다.
기재는 유기 또는 무기, 유연성 또는 강성일 수 있고, 임의의 적합한 크기 및 형태일 수 있다. 예를 들어, 기재는 중합체성 또는 세라믹일 수 있다. 하나의 바람직한 실시양태에서, 기재는 광학적 응용예, 예컨대 안경, 고글 또는 다른 접안경(ocular)의 렌즈, 헬멧용 또는 안면 마스크용 안면 보호대 또는 차양판 등에 사용되는 투명 물질일 수 있다. 하나의 실시양태에서, 기재는 유리, 예를 들어 광학 등급 유리, 예컨대 보로실리케이트 유리 또는 플루오라이트 유리일 수 있다. 또 다른 실시양태에서, 기재는 열가소성 물질, 예컨대 폴리카르보네이트, 폴리에스테르, 예컨대 폴리에틸렌 테레프탈레이트 또는 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리스티렌, 폴리술폰, 폴리에테르술폰, 셀룰로오스 아세테이트 부티레이트 및 열가소성 폴리우레탄; 또는 열경화성 물질, 예컨대 디에틸렌글리콜 비스 알릴카르보네이트 중합체 및 공중합체, 열경화성 폴리우레탄, 폴리티오우레탄, 폴리에폭시드, 폴리에피술피드, 폴리(메트)아크릴레이트, 예컨대 폴리메틸메타크릴레이트, 폴리티오(메트)아크릴레이트를 포함하는 폴리아크릴레이트, 및 그 공중합체 및 배합물을 포함하는, 광학적 응용예에서 사용되는 중합체성 물질일 수 있다.
기재는 단일 또는 다중층형성된 필름, 시트, 패널 또는 창유리 형태의 물질일 수 있고, 임의의 공지된 공정, 예컨대 블로잉, 캐스팅, 압출, 사출 성형 등에 의해 형성될 수 있다. 하나의 실시양태에서, 조성물을 다중층 기재의 두 개 층 사이에 코팅시킬 수 있다. 예를 들어, 유리 또는 중합체 기재 사이에서 층이 형성될 수 있다.
조성물을, 제한없이 침지 코팅, 스핀 코팅, 분무 코팅, 인쇄(예를 들어, 윤전그라비어(rotogravure)), 바 코팅, 용액 코팅, 블레이드 코팅, 슬롯-다이 코팅 등을 포함하는 임의의 적합한 코팅 방법 또는 방법의 조합에 따라 기재의 하나 이상의 표면에 코팅시킬 수 있다. 하나의 실시양태에서, 조성물을 기재의 하나의 표면, 예를 들어 안면 보호대의 내부 표면 상에 코팅시킬 수 있다. 그러나 다른 실시양태에서, 조성물을 기재의 내부 및 외부 표면 둘 모두 상에 코팅시킬 수 있거나, 전체 기재를 감쌀 수 있다.
기재의 균일한 코팅 및/또는 습윤화를 보장하기 위해서, 기재를 코팅 전에, 예를 들어 코로나 방전, 오존, 플라즈마 또는 불꽃 처리 방법을 사용하여 산화시킬 수 있다. 몇몇의 실시양태에서, 기재에는, 코팅 조성물의 기재로의 균일한 도포를 용이하게 하기 위해서 사전처리가 적용될 수 있다. 예를 들어, 프라이머, 예컨대 폴리비닐리덴 클로라이드 또는 폴리비닐 클로라이드를 투명 기재에 도포할 수 있다. 전형적으로, 프라이머는 투명 기재의 광학 특성에 실질적인 영향을 미치지 않는다.
생성되는 코팅의 평균 두께는 약 5 마이크론 미만, 또는 하나의 실시양태에서는 약 2 마이크론 미만일 수 있다. 예를 들어, 층의 평균 두께는 약 0.8 내지 약 1.2 마이크론일 수 있다.
하나의 실시양태에 따르면, 생성되는 코팅의 평균 두께는 번쩍임(glare)을 최소화시키도록 선택될 수 있다. 구체적으로, 입사광 파장의 ¼과 동일한 두께를 갖는 단일 층 광학 코팅이, 서로 180°역 위상(out of phase) 관계에 있는 공기-코팅 경계 및 코팅-기재 경계로부터 반사되어, 파괴적 간섭을 일으키고 전체 반사율을 감소시킬 것이다. 따라서, 입사광의 파장이 약 200 nm 내지 약 1000 nm의 범위에 있을 수 있는 그러한 실시양태에서, 코팅의 평균 두께는 약 50 nm 내지 약 250 nm의 범위에 있을 수 있다. 또한, 550 nm가 인간의 눈이 최대 사진-광학(photo-optic) 반응을 나타내는 파장이기 때문에, 평균 코팅 두께는 하나의 실시양태에서 약 140 nm일 수 있다. 그러나, 코팅이 단일 층으로 제한되지 않고 다중층을 또한 포함할 수 있음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 각각의 층이 빛의 상이한 파장의 반사를 최소화시키도록 두께에서 최적화되는 두 개의 층이 사용되어서, 넓은 범위의 빛에 대해 번쩍임방지 특성을 제공할 수 있음이, 당업자에 의해 용이하게 이해된다. 또한, 평균 코팅 두께가 균일할 수 있지만, 실제적인 코팅 두께는 코팅 상의 하나의 특정 지점에서 다른 지점으로 상당히 가변될 수 있다. 시각적으로 뚜렷한 영역 위에서 상관되는 경우에, 그러한 두께에서의 변화는 코팅의 광대역 반사방지 특성에 기여함으로써 유익할 수 있다.
경화 속도를 증가시키기 위해서 임의적으로 에너지를 추가하면서 코팅을 공기 중에서 건조시키고 경화시킬 수 있다. 예를 들어, 코팅시킨 기재를 약 20 내지 약 150℃, 몇몇의 실시양태에서는 약 50 내지 약 130℃, 및 몇몇의 실시양태에서는 약 100 내지 약 120℃의 온도에서 오븐 중에서 경화시킬 수 있다. 코팅된 표면을 조사, 예컨대 극초단파 조사시키는 것과 같은 공지된 대안적인 경화 방법이 사용될 수 있다. 일단 건조 및 경화시키기만 하면, 층의 전도성 중합체 성분은 경화된 층의 약 50 중량% 이상, 몇몇의 실시양태에서는 약 75 중량% 이상, 및 몇몇의 실시양태에서는 약 90 중량% 이상을 구성할 수 있다.
층의 시트 저항(Rs)은, 층의 부피 비저항 및 층 두께의 함수이다. 이것은 명목상 두께가 균일하고 두 개의 치수 시스템으로 근사가능한 얇은 필름에서의 전기 저항의 척도이다. 시트 저항은 옴(ohm) 단위로, 또는 임의적으로 스퀘어 당 옴(Ohms/sq.)로 기재될 수 있는데, 여기서 "스퀘어"는 무치수이다. 스퀘어 당 옴은 시트 저항을 설명하는 경우에만 오로지 사용되고, 따라서 이것은 2차원 저항을 3차원 시스템과 구분시키는데 사용될 수 있다. 시트 저항은, 전류가 필름의 평면을 따라서 흐르는 경우에, 두 개의 외부 전류 전극 사이에 직류가 인가되고 상기 두 개의 외부 전극 내부에 위치한 두 개의 내부 전극 사이에서 전압이 측정되는 4지점 프로브(four point probe)를 사용하여 측정될 수 있다. 4 지점 프로브는, 이 프로브에 의해 측정된 전압/전류 비를 보정하기 위해, 프로브 내 전극의 배향 및 공간배열(spacing)을 기초로 한 기하학적 보정 인자를 사용한다. 필름의 비저항은, 시트 저항에 필름의 두께를 곱하여 시트 저항으로부터 계산될 수 있다. 하나의 실시양태에서, 전도성 중합체 조성물로 형성된 경화된 필름은 약 300 Ohms/sq. 내지 약 900 Ohms/sq., 예를 들어 약 330 Ohms/sq. 내지 약 890 Ohms/sq.의 시트 저항을 지닐 수 있다. 또 다른 실시양태에서, 시트 저항은 약 300 Ohms/sq. 미만, 약 175 Ohms/sq. 미만, 약 150 Ohms/sq. 미만, 또는 약 100 Ohms/sq. 미만일 수 있다.
코팅의 전도도(σ)는, 물질의 전기 전도도의 척도이다. 전도도는, 층을 가로질러 미분 전기장을 인가하고 생성되는 전류를 모니터함으로써 측정될 수 있다. 그 후, 전류 밀도를 인가된 전기장의 강도로 나누어서 전도도가 계산된다. 전도도는 전기 비저항의 역수이고, 따라서 전도도는 시트 저항의 역수에 필름 두께를 곱하여 시트 저항으로부터 계산될 수 있다(σ = 1/(Rs × t). 본원에서 설명된 필름은 약 100 초과의 센티미터 당 지멘스(siemens), 약 450 초과의 센티미터 당 지멘스, 약 600 초과의 센티미터 당 지멘스, 또는 약 750 초과의 센티미터 당 지멘스의 전도도를 지닐 수 있다. 하나의 바람직한 실시양태에서, 필름은 약 400 초과의 센티미터 당 지멘스, 하나의 실시양태에서는 예를 들어 약 185 내지 약 485 센티미터 당 지멘스의 전도도를 지닐 수 있다.
임의적으로, 추가 층이 기재 상의, 전도성 층 아래, 전도성 층 위, 또는 기재 상의 다양한 지점에서 전도성 층으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 반사방지 코팅 및/또는 내스크래치성 코팅이 전도성 층의 맨 위에 형성될 수 있거나, 기재의 반대면 상에 형성될 수 있다.
하나의 실시양태에서, 내스크래치성 코팅이 전도성 층의 맨 위에 형성될 수 있다. 대안적으로, 전도성 층 및 내스크래치성 코팅의 성분들은 함께 합해져서 단일 코팅 조성물을 형성시킬 수 있다. 예를 들어, 전도성 층의 경화, 및 전력 공급원과 전기적으로 통하기 위한 임의의 필요한 연결부 형성(예를 들어, 전극 형성) 후에, 내스크래치성 및/또는 내화학성 코팅이 전도성 층 상에 형성될 수 있다. 내스크래치성 코팅에는, 개별 층으로 형성된 가교된 히드록실화 플루오로중합체, 또는 당업계에 공지된 임의의 다른 내스크래치성 코팅이 포함될 수 있다.
하나의 실시양태에서, 실록산 기재의 경질 코트가 기재 상에 형성될 수 있다. 예를 들어, 실록산 기재 코팅은 중합가능한 성분, 예컨대 테트라알킬 오르쏘실리케이트, 에폭시알킬알콕시 실란 및 (메트)아크릴옥시알킬알콕시 실란을, 당업계에 공지된 다른 첨가제 및 산 촉매를 함유하는 용매 혼합물 중에 첨가시켜서 제조될 수 있다. 중합가능한 성분은 일반적으로 용매 혼합물 중에 약 15 내지 약 55 중량%의 양으로 포함될 수 있다. 예를 들어, 중합가능한 혼합물에는 약 40 내지 약 60 중량%의 테트라알킬 오르쏘실리케이트, 약 15 내지 약 45 중량%의 에폭시알킬알콕시실란 및 약 5 내지 약 15 중량%의 (메트)아크릴옥시알킬알콕시 실란이 함유될 수 있다. 전체 용매 혼합물에는, 약 0.1 내지 약 1.2 중량%의 습윤제 및 약 0.1 내지 약 0.5 중량%의 당업계에 공지된 다른 촉매 또는 경화제와 함께, 약 20 내지 약 60 중량%의 물, 약 10 내지 약 25 중량%의 용매 혼합물, 약 0.05 내지 약 0.5 중량%의 2M HCl 및 약 0.4 내지 약 2.5 중량%의 아세트산이 함유될 수 있다.
테트라알킬 오르쏘실리케이트의 예에는, 테트라메틸 오르쏘실리케이트, 테트라에틸 오르쏘실리케이트, 테트라프로필 오르쏘실리케이트 및 테트라부틸 오르쏘실리케이트가 포함되지만, 이들로 제한되지 않는다.
본 발명에 사용된 에폭시실란의 예에는, 1-글리시독시에틸트리메톡시실란, 2-글리시독시프로필트리에톡시실란, 3-글리시독시프로필트리메톡시실란, 3-글리시독시프로필트리에톡시실란, 3-글리시독시부틸트리메톡시실란, 및 다양하게 치환된 다른 유도체가 포함되지만, 이들로 제한되지 않는다.
메타크릴옥시 실란의 예에는, 2-메타크릴옥시프로필트리메톡시실란, 2-메타크릴옥시프로필트리에톡시실란, 2-메타크릴옥시프로필메틸디메톡시실란, 3-아크릴옥시프로필트리메톡시실란, 3-아크릴옥시프로필트리에톡시실란 및 다른 유도체가 포함되지만, 이들로 제한되지 않는다.
반사방지 코팅이 필요에 따라 기재 상의, 전도성 층과 동일한 표면 상에, 또는 다른 표면 상에 포함될 수 있다. 반사방지 코팅은 표면에서의 반사를 감소시키는 작용을 하여 더욱 높은 수준의 가시광 투과를 가능케 한다. 전형적으로, 반사방지 코팅에는, 많은 다양한 물질, 예컨대 제한없이 알루미늄 옥시드, 지르코늄 옥시드, 마그네슘 플루오라이드, 실리콘 디옥시드, 크료라이트(cryolite), 리튬 플루오라이드, 토륨 테트라플루오라이드, 세륨 플루오라이드, 납 플루오라이드, 아연 술파이드, 아연 스칸듐 술파이드, 실리콘, 텔루르, 마그네늄 옥시드, 이트륨 옥시드, 스칸듐 옥시드, 실리콘 옥시드, 하프늄 옥시드, 지르코늄 디옥시드, 세륨 옥시드, 니오븀 옥시드, 탄탈넘 옥시드, 및 티타늄 옥시드를 포함하는 많은 다양한 하위층(sub-layer)이 포함된다.
각각의 하위층의 두께는 종종, 코팅된 물질을 통해 투과되는 것이 가장 바람직한 빛 파장의 짝수 분할(even whole number division)과 관련된다. 특정의 가시광 투과 수준을 얻는데 필요한 전형적인 하위층 두께가 또한 당업계에 공지되어 있다.
하나의 실시양태에서, 반사방지 코팅은 하기 기술 중 어느 하나에 따라, 임의적으로 이온 빔 보조된 증발에 의해; 이온 빔을 사용하는 분무에 의해; 캐소드(cathode) 스퍼터링에 의해; 또는 플라즈마 보조된 기상 화학적 증착에 의해 진공 증착에 의해 도포될 수 있다.
형성 후에, 전도성 층은 필름을 가로질러 전압을 인가하고 전류 흐름을 일으킬 수 있는 전력 공급원과 전기적으로 통하게 위치할 수 있다. 전류 흐름은 필름 및 둘러싸는 영역을 가열시켜서, 표면에서의 온도 상승을 야기시키고, 이에 의해 표면 상에 수증기가 소적으로 응축되는 것을 방지할 수 있다.
하나의 바람직한 실시양태에서, 코팅된 투명 기재는 한 쌍의 고글의 한 구성요소일 수 있다. 이러한 측면에서, 코팅된 투명 기재를 함유할 수 있는 한 쌍의 고글의 하나의 실시양태를 지금부터 더욱 상세하게 설명할 것이다. 도 1을 참조하면, 프레임(102) 및 투명 렌즈(103)를 포함하는 한 쌍의 고글(100)이 도시되어 있다. 사용 동안 고글을 고정시키기 위한 측면 만곡부(106, 107)가 프레임(102)의 반대면에 부착된다. 측면 만곡부로 예시되어 있긴 하지만, 고글에는 대안적으로 스트랩, 밴드, 또는 고글(100)을 착용자의 머리에 고정시키기 위한 임의의 다른 장치가 혼입될 수 있다. 프레임(102)에는, 착용자의 눈을 추가로 보호하기 위해 착용자의 이마 및 안면에 대해 단단하게 끼워질 수 있는 형상화 부분(110)이 상부 및 하부(도시되지 않음) 상에 포함될 수 있다.
렌즈(103)는 투명 기재, 예컨대 유리 또는 폴리카르보네이트로 형성될 수 있고, 착용자 시야 범위의 대부분을 가로질러 연장될 수 있다. 또 다른 실시양태에서, 한 쌍의 고글은 단지 보호 목적으로 작용할 수 있거나 또한 교정용 렌즈일 수 있는 두 개의 개별 렌즈와 함께 형성될 수 있다.
경화된 필름이 렌즈(103)의 표면 상에서 형성되고, 전력 공급원(110), 예컨대 배터리와 전기적으로 통하게 위치한다. 재충전가능한 배터리 또는 일회용 배터리를 포함하는 당업계에 공지된 임의의 배터리가 사용될 수 있다. 예를 들어, 리튬 이온 배터리(110)는 제1 리드(112), 예를 들어 7.5 볼트의 캐소드 리드에 의해 제1 전극(111)과 전기적으로 통할 수 있다. 제1 전극(111)은 또한 전도성 층과 전기적으로 통할 수 있다. 또한, 제 2 리드(114), 예를 들어 애노드(anode) 리드가 렌즈(103)의 반대면 상에 있는 제2 전극(115)과 전기적으로 통할 수 있다. 배터리(110)는 전력 팩(118)의 한 구성요소일 수 있다. 전력 팩(118)에는 또한 시스템의 다른 전기적 구성요소와 전기적으로 통할 수 있는 스위치(116)가 포함될 수 있다. 전력 팩에는, 이 전력 팩을 편리한 위치, 예컨대 착용자 벨트, 재킷 등으로 연결시키는데 사용될 수 있는 하나 이상의 루프(120)가 포함될 수 있다. 루프(120)는 임의의 적합한 연결 장치, 예컨대 후크, 클립, 밴드 등으로 대체될 수 있다.
하나의 실시양태에서, 배터리는 고글 내에 또는 고글 상에 있을 수 있다. 예를 들어, 배터리는 고글의 프레임에, 예를 들어 배터리 교체를 위해 접근가능한 배터리 케이싱 내에 부착될 수 있다. 이 실시양태에서, 스위치가 또한 회로의 완성을 위해 프레임 상에 포함될 수 있다.
스위치(116)를 닫으면, 고글(100)의 전도성 층을 통과하는 회로가 완성될 수 있다. 코팅 층을 통한 전류 흐름은, 착용자에게 불편한 정도로 가온시키지 않으면서, 렌즈(103) 상에서 응축 형성을 방지하기에 충분한 양까지 층의 온도를 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 회로를 닫으면, 렌즈(103) 표면의 온도는 약 5℃ 미만, 또는 또 다른 실시양태에서는 약 4℃ 미만까지 증가될 수 있다. 하나의 실시양태에서, 렌즈(103) 표면의 온도는 약 2 내지 약 5℃ 증가될 수 있다.
또 다른 실시양태에서, 활성 전도성 층이 안면마스크 상에서 형성될 수 있다. 예를 들어, 안면마스크에는 필터 몸체에 부착된 차양판이 포함될 수 있다. 코팅은 차양판 상에서 형성되고, 전력 공급원, 예컨대 도 1에 예시된 전력 팩과 전기적으로 통하게 위치할 수 있다. 차양판은 투명 기재로부터 형성되고, 필터 몸체의 폭을 가로질러 끼워지도록 치수화되며 착용자의 눈 위로 연장된다. 하나의 특정 실시양태에서, 차양판은 폴리에틸렌 테레프탈레이트로 형성될 수 있다. 안면 마스크에는 또한 차양판에 부착된 필터 몸체가 포함된다. 필터 몸체는 착용자의 코 및 입으로 액체의 흐름을 지연시키도록 설계된다. 필터 몸체는 당업자에게 공지된 임의의 방식으로 형성될 수 있다. 당업자에 의해 이해될 것이지만, 필터 몸체는 임의의 다양한 상이한 물질로 제작될 수 있고 임의 수의 목적하는 층을 함유할 수 있다.
이상에서 다양한 구성이 설명되었지만, 본 발명은 임의의 특정 기재로 제한되지 않음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 하나의 실시양태에서, 투명한 전도성 필름을 광학 장치, 예컨대 고글, 안경, 안면 마스크 등 상에 형성시킬 수 있고, 또 다른 실시양태에서는, 투명한 전도성 필름을, 예를 들어, 창문, 뷰스크린(viewscreen) 등을 형성시키는 다양한 응용예를 위해 기재 상에 형성시킬 수 있다.
본 발명은, 이하에 제공된 실시예를 참고로 추가로 이해될 수 있다.
실시예 1
1) 반전도성 용액 제조:
PSS 및 PEDOT 고체(원료는 알드리치로부터 상업적으로 입수가능함)를 6시간 동안 55℃에서 용액에 대해 1.5 내지 3.0 중량% 양의 탈 이온수와 혼합시켜서 PSS/PEDOT 반전도성 용액을 제조하였다. 이 후, 균일한 혼합물이 형성되도록 현탁액을 3시간 동안 초음파 처리하였다. 반응 동안, 2 M H2SO4를 사용하여 pH 값(pH = 1 내지 4)을 조정하였다.
2) 금속-용매 제조:
10-1 내지 10-3 M 범위의 금속 이온 농도가 얻어지도록 금속 염, 예컨대 Ni(NO3)2, CuSO4 및 AgNO3를 개별적으로 탈이온수 중에 용해시켰다. 전기-화학적 환원을 방지하기 위해 제조된 금속 용액을 0.5 중량%의 DMSO에 첨가하였다.
3) 탄소 나노튜브 전구체 용액:
탄소 나노튜브의 산화: 0.5 내지 2.5 중량%의 단일 벽 탄소 나노튜브를 먼저 4시간 동안 혼합시킨 질산/황산(1/4 부피 비) 중에서 초음파 처리하였다. 냉각시킨 후에, 용액을 탈이온수로 희석시켰다. 산화시킨 탄소 나노튜브를 여과로 회수하고, 여액의 pH가 7로 측정될 때까지 물로 세척하였다. 검은색 탄소 나노튜브를 물에 다시 분산시키고, 혼합시킨 황산/과산화수소와 함께 4시간 동안 초음파 처리하였다; 최종 생성물을 여과시키고 물로 세척한 다음, 진공 하 실온에서 건조시켰다.
티오펜 관능화 탄소 나노튜브: 질소 분위기 하에서, 5 내지 10 중량%의 산화시킨 탄소 나노튜브(2-아미노티오펜의 양과 비교하여)를 실온에서 10 내지 20 중량%의 DCC(디시클로헥실카르보디이미드) 및 무수 DMF와 함께 8시간 동안 교반시킨 다음, 밀봉시킨 플라스크를 실온에서 1시간 동안 초음파 처리하였다. 2-아미노티오펜을 무수 DMF 중에 용해시키고 실온에서 상기 용액에 첨가한 다음, 혼합물을 불활성 질소와 함께 80℃에서 4시간 동안 진탕시켰다. 생성물을 여과를 통해 회수하고, 각각 메탄올, 아세톤, DMF 및 물로 세척하고, 진공 아래 60℃에서 8시간 동안 건조시켰다.
0.5 내지 3.0 중량%의 티오펜 관능화 탄소 나노튜브를 DMF/H2O와 함께 30분 동안 초음파 처리한 다음, 균일한 용액이 형성될 때까지 용액을 90℃에서 8시간 동안 교반시켰다.
신속하게 배합시키기 위해서 상기 용액을 사용하였다. 24 시간 이상 동안 저장하는 경우에, 침전물이 형성될 수 있는데, 이것은 용액을 제형 내로 혼입시키기 전에 30분 동안의 초음파 처리를 필요로 하였다.
4) 반전도성 코팅 용액의 합성:
둥근 바닥 플라스크에, 95 내지 99 중량%의 PSS/PEDOT 용액(단계 1에서 제조됨)을 1 내지 5 중량%의 탄소 나노튜브 용액(단계 3에서 제조됨)에 첨가한 다음, 혼합물을 1시간 동안 초음파 처리하고 실온에서 4시간 이상 동안 교반시켰다. 용액을 즉시 사용하였다.
PSS/PEDOT/탄소 나노튜브 용액을 실온에서 일정하게 진탕시키면서 1 내지 10 중량%의 금속 이온 용액(단계 2에서 제조됨)에 적가하고, 완전하게 배합되도록 3시간 동안 교반시켰다. 그 후, 용액을 1.5시간 동안 초음파 처리하였다.
5) 실록산 경질 코트의 제조:
208 g의 테트라에틸 오르쏘실리케이트, 90 g의 글리시독시프로필트리메톡시 실란, 10 g의 메타크릴옥시프로필트리메톡시 실란, 238 g의 이소프로필 알콜, 46 g의 물, 0.8 g의 2 M HCl 및 6.4 g의 2 M 아세트산을 플라스크 중에서 혼합시켜서 코팅 용액을 제조하였다. 이 용액을, 실란을 부분적으로 가수분해시키고 투명 용액이 얻어지도록, 실온에서 혼합시켰다. 그 후, 실란을 완전히 가수분해시키도록 교반하면서, 용액을 70℃에서 1 내지 2시간 동안 가열하였다. 그 후, 용액을 실온으로 냉각시키고 나서, 3.2 g의 계면활성제(브리지(Brij)® 98, 시그마-알드리치, 인코포레이티드(Sigma-Aldrich, Inc.)로부터 입수가능함) 및 2.4 g의 알루미늄 아세틸아세토네이트를 첨가하였다. 고체를 용해시키고 균일하고 투명한 실록산 경질 코트 용액이 얻어지도록 용액을 더 많은 시간 동안 교반시켰다.
6) 최종 전도성 코팅의 조성물 및 제조:
90 내지 95 중량%의 PSS/PEDOT/탄소 나노튜브/금속 용액을, 균일한 최종 전도성 코팅 용액이 얻어지도록, 실온에서 2시간 동안 기계적 교반기 아래에서 5 내지 10 중량%의 실록산 경질 코트 혼합물과 혼합하였다.
7) 플라스틱 렌즈 상에 전도성 코팅의 코팅 과정:
투명한(clean) 렌즈를 전도성 용액 내로 침지시키고, 분 당 1 내지 2 인치의 속도에서 빼내었다. 렌즈를 공기 중에서 수분 동안 건조시킨 다음, 1 내지 2시간 동안 100 내지 120℃의 가열 오븐 중에서 경화시켰다. 렌즈를 오븐으로부터 빼내고 실온에서 냉각시켰다. 렌즈 표면 상에 코팅된 전도성 필름은, 0.8 내지 1.2 마이크론 두께 범위의 필름 두께를 지녔다.
8) 전도도 측정 데이터:
필름 저항을, 실온에서 표준 SYS-301 4 지점 프로브 시스템(시그네톤 코포레이션(Signatone Corporation)으로부터 입수가능함)으로 측정하였다.
필름 시트 저항은 330 내지 890 Ω/스퀘어 범위였고, 필름 전도도는 185 내지 485 S/cm 범위였다.
9) 전압을 필름에 인가시킨 경우의 표면 온도 측정 데이터:
표면 온도 증가는, 캐소드 및 애노드가 부착되어 있고 한 쌍의 리튬 이온 배터리를 구비한 반전도성 코팅된 폴리카르보네이트 기재의 전기 회로를 사용하여 측정하였다. 인가된 전압은 3.5 내지 12.0 볼트의 범위였고, 전류는 0.3 내지 2.0 암페어 범위였다. 표면 온도에서의 증가는 인가된 전압에 직접적으로 비례하였다.
결과가 도 2에 도시되어 있다. 확인할 수 있듯이, 측정된 표면 온도 증가는 0.5 내지 7.5℃의 범위였다.
본 발명의 내용을 그 구체적인 실시양태에 관하여 상세하게 설명하였지만, 상술된 내용을 이해한 당업자가 이러한 실시양태에 변경, 변형 및 등가물을 용이하게 고안할 수 있음이 이해될 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 첨부된 특허청구범위 및 그에 대한 임의의 등가물의 범위로 평가되어야 한다.

Claims (15)

  1. 투명 렌즈;
    상기 투명 렌즈의 표면 상의 전도성 투명 층으로서, 폴리티오펜, 티오펜 관능화 탄소 기재 나노구조, 및 전이 금속 가교제를 포함하는 가교된 망상구조를 포함하는, 전도성 투명 층; 및
    상기 전도성 투명 층과 전기적으로 통하는 전력 공급원을 포함하는, 광학 장치.
  2. 제1항에 있어서, 폴리티오펜이 폴리(3,4-에틸렌-디옥시티오펜인), 광학 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 폴리스티렌 술폰산을 추가로 포함하는, 광학 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 탄소 기재 나노구조가 탄소 나노튜브인, 광학 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 전이 금속이 망간, 철, 코발트, 니켈, 구리, 은, 금, 백금, 팔라듐, 및 크로뮴으로 이루어지는 군으로부터 선택되는, 광학 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 전이 금속 가교제가 전이 금속 염, 예컨대 할라이드, 클로라이드, 술페이트, 아세테이트, 암모늄, 또는 니트레이트 염인, 광학 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 전도성 투명 층이 플루오로중합체 또는 실록산 중합체를 추가로 포함하는, 광학 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 광학 장치가 한 쌍의 고글(goggle) 또는 한 쌍의 안경인, 광학 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 투명 렌즈가 유리 렌즈 또는 중합체성 렌즈이고/이거나, 교정용 렌즈인, 광학 장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 전력 공급원이 배터리인, 광학 장치.
  11. 제10항에 있어서, 배터리와 필름 사이에 캐소드 리드(lead)를, 그리고 배터리와 전도성 투명 층 사이에 애노드 리드를 추가로 포함하는, 광학 장치.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 전력 공급원 및 전도성 투명 층을 포함하는 회로를 완성할 수 있는 스위치를 추가로 포함하는, 광학 장치.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 렌즈가 하나 이상의 추가 층을 포함하는, 광학 장치.
  14. 제1 표면을 형성하고, 상기 제1 표면 상에 전도성 투명 층을 포함하는 기재(substrate)로서,
    상기 전도성 투명 층이 폴리(3,4-에틸렌-디옥시티오펜), 폴리스티렌 술폰산, 티오펜 유도체화(derivatized) 탄소 나노튜브, 및 전이 금속 가교제를 포함하는 가교된 망상구조를 포함하는, 기재.
  15. 제14항에 있어서, 기재가 투명하고, 전도성 투명 층이 전력 공급원과 전기적으로 통하는, 기재.
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