KR20140044583A - 코어쉘 구조의 광결정 입자를 전기적으로 제어하는 광제어 디바이스 - Google Patents

코어쉘 구조의 광결정 입자를 전기적으로 제어하는 광제어 디바이스 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광결정을 코어 쉘 구조로 구현함으로써 특정파장의 반사율을 제어하거나 컬러 디스플레이를 구현할 수 있고 전기장에 따라 투명도를 조절할 수 있는 광제어 디바이스에 관한 것이다.
본 발명에 따르는 코어 쉘 구조의 광 결정 입자를 이용하는 광 제어 디바이스는
상부 전극;
하부 전극;
상기 상부 전극 및 상기 하부 전극 사이에 위치하는 매체로서, 전기 구동 가능한 광결정 입자를 포함하는 매체를 포함하고,
상기 광 결정 입자는 코어 쉘 구조를 갖는 것을 구성적 특징으로 한다.

Description

코어쉘 구조의 광결정 입자를 전기적으로 제어하는 광제어 디바이스{LIGHT CONTROL DEVICE CONTROLLING CORE SHELL STRUCTURED PHOTONIC CRYSTAL PARTICLE WITH ELECTRIC METHOD}
본 발명은 코어쉘 구조의 광결정 입자를 전기적으로 제어하는 광제어 디바이스에 관한 것으로, 구체적으로는 광결정 입자를 코어 쉘 구조로 구현함으로써 특정파장의 반사율을 제어하거나 컬러 디스플레이를 구현할 수 있고 전기장에 따라 투명도를 조절할 수 있는 광제어 디바이스에 관한 것이다.
종래의 변색 필름이나 변색 유리는 변색소재를 이용하여 입사되는 광의 특정 파장을 흡수하는 형식으로 변색을 위해 수시로 발생하는 변색소재의 산화 환원으로 인해 내구성에 문제가 있을 뿐만 아니라 시간이 경과됨에 따라 광 변색 특성이 저하되기 쉽다. 또한 변색에 사용되는 소재에 따라 파장이 결정되므로 원하는 파장으로 자유롭게 제어하는데 한계가 있다.
최근 차세대 디스플레이에 대한 개발이 활발하게 이루어지면서 종래의 디스플레이의 문제를 근본적으로 해결하기 위한 방법이 다양하게 제시되어 왔는데, 그 중 광결정(photonic crystal)의 원리를 이용하는 방법이 있다.
광결정 구조색이란 3차원으로 주기적으로 배열된 미세 입자(광결정)에 의해 입사되는 광 중 특정한 파장 범위의 광만을 반사하고 나머지 파장의 광은 투과시킴으로써 특정한 파장 범위에 해당하는 색상으로, 인공적으로 합성된 광결정은 다양한 외부 자극에 의해 광결정의 결정 구조를 임의로 변화시킬 수 있어 가시광선 영역뿐만 아니라 자외선, 적외선 영역까지 반사광의 파장 범위를 자유롭게 조절할 수 있다.
도1은 브래그 법칙에 따르는 광결정 구조색의 원리를 나타내는 도면으로, 광 결정 구조색은 두 개의 전극 사이에 전기가 인가되었을 때, 입자들이 3차원으로 주기적으로 배열함으로써 특정색을 반사해서 만들어지는 색상으로, 브래그의 법칙(Bragg's Law)을 따른다.
Figure pat00001
d는 결정의 격자 간격이고, Θ는 입사각이고, λ는 입사광선의 파장이고, n은 정수로서, 광결정 구조색은 입자 사이의 거리와 입자 및 매질의 굴절률이 변경됨에 따라 변경될 수 있다. 또한, 입사각이 변경되면 반사되는 색 또한 변경되어 보는 방향에 따라 구조색이 바뀌게 된다.
광결정입자를 이용한 기존의 광투과 제어 필름(광결정 디바이스)은 두 개의 전극 사이에 광결정 입자, 또는 광결정 입자를 담지한 마이크로 크기의 폴리머 구, 또는 블록-코폴리머(block-copolymer)를 주입하는 방법에 의해 제조될 수 있는데, 광결정 격자 구조를 이용하기 위하여 밀집 패킹되는 구조를 갖게 되며, 이 경우 대부분의 빛을 반사 또는 산란시켜 불투명한 형태로 구성된다. 또한, 광 결정 입자 간의 간격이 균일하게 분산되기 어려워 입자의 뭉침에 의한 산란으로 인해 높은 투명도를 유지하기 어렵다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 코어쉘 구조의 광결정 입자를 이용하여 특정파장의 반사율을 제어하거나 컬러 디스플레이를 구현할 수 있고 전기장에 따라 투명도를 조절할 수 있는 광제어 디바이스를 제공하는 것이다.
본 발명에 따르는 코어 쉘 구조의 광 결정 입자를 이용하는 광 제어 디바이스는
상부 전극;
하부 전극;
상기 상부 전극 및 상기 하부 전극 사이에 위치하는 매체로서, 전기 구동 가능한 광결정 입자를 포함하는 매체를 포함하고,
상기 광 결정 입자는 코어 쉘 구조를 갖는 것을 구성적 특징으로 한다.
본 발명에 따르는 코어 쉘 구조의 광 결정 입자를 이용하는 광 제어 디바이스는 매체보다 굴절률이 높은 코어와, 매체와 굴절률이 동일한 쉘 구조를 갖는 광 결정 입자를 이용하여 전기장을 인가하지 않을 경우 투명하고, 전기장을 인가한 경우 광 구조색을 구현할 수 있다.
도1은 브래그 법칙에 따르는 광결정 구조색의 원리를 나타내는 도면이다.
도2는 본 발명에 따르는 광결정 디바이스의 구성을 개략적으로 나타내는 측면도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조로, 본 발명에 따른 실시 예를 상세히 설명한다.
도2는 본 발명에 따르는 광결정 디바이스의 구성을 개략적으로 나타내는 측면도이다.
본 발명에 따르는 투명 광 제어 디바이스는 상부 전극, 하부 전극, 그리고 상부 전극과 하부 전극 사이의 매체를 포함하여 구성된다.
상부 전극과 하부 전극 사이의 매체는 전기 구동 혹은 자석 구동 가능한 광결정 입자가 분산되어 있는 콜로이드 상태의 매체로서, 이때 사용되는 매체로는 물, 에탄올 외에 프로필렌 카보네이트(propylencarbonate, PC), 트리클로로에틸렌(trichloroethylene), 크실렌(xylene), 아세톤(acetone), 다이메틸설폭시화물(dimethyl sulfoxide) 등의 극성용매와 벤젠, 클로로포름 등의 비극성 용매가 사용될 수 있다.
상부 전극 및 하부 전극은 산화인듐(ITO), 산화아연(ZnO), 산화주석(SnO2) 등의 투명 전도막으로 구성되고, 바람직하게는 상부 전극과 하부 전극 사이의 거리는 수㎛ 내지 수백㎛이다.
이때 매체에 투입되는 광결정 입자는 코어 쉘 구조(core-shell)를 갖는데, 먼저, 코어 구조는 SiO2, TiO2, Ag, Au 등을 포함하는 금속이나 이들의 금속 산화물 나노입자를 이용하여 구성된다. 이때 사용되는 코어 입자의 굴절률(SiO2= 1.45, TiO2=2.36)은 매체의 굴절률에 비해 높고, 코어 입자의 직경은 약 300㎚이하로 구성하여 약 380㎚ 내지 780㎚의 파장을 갖는 가시광을 산란시키지 않도록 함으로써 투명하게 구성할 수 있다,
다음으로 코어 구조에 코팅되는 쉘 구조는 PS(Polystyrene, PE(Polyethylene), PP(Polypropylene), PMMA(Polymethylmethacrylate) 등의 투명 고분자 소재로 이루어질 수 있는데, 이렇게 구성된 쉘 층은 광결정 입자들이 매체 내에서 균일하게 분산되도록 한다. 이때 쉘 층의 굴절률이 광결정 입자가 투입되어 분산되는 매체의 굴절률과 동일하게 구성하고 코어 및 쉘 층을 투명하게 구성함으로써 광학적으로는 코어가 매체에 분산되어 있는 것과 같은 효과를 얻을 수 있다.
상하부 전극에 전기를 인가할 경우 매체 내에서 코어 쉘 구조의 광결정 입자가 균일하게 분산될 수 있도록 하기 위해 쉘 구조의 표면에 전하를 인가하는데, 다음과 같은 방법을 사용할 수 있다.
즉, 쉘 표면에 전하를 인가하기 위해 카르복시기(carboxyl group), 에스테르기(ester group), 아실기(acyl group) 등의 유기화합물로 표면을 처리하거나, 아민(amine), 티올(thiol), 포스핀(phosphine) 등을 포함하는 배위화합물로 표면을 처리하거나, 할로겐원소를 포함하는 착화합물로 표면을 처리하거나 라디칼을 형성하는 방법을 사용할 수 있다.
전기영동법에 의해 상하부 전극 사이에 전기를 인가하면 광 결정 입자의 쉘 층 표면에 표면 처리되어 인가된 전하와 전극 사이 및 광 결정 입자들 사이에 척력이 작용하여 광결정 입자가 매체 내에서 이동하여 고르게 분산되는데, 쉘 표면에 인가된 전하의 양은 광결정 입자의 이동속도를 결정하고, 쉘 표면에 인가된 전하의 종류는 광결정 입자의 이동 방향을 결정하는데, 바람직하게는 본 발명에 따르는 코어쉘 구조의 광결정 입자 사이의 반발력을 나타내는 제타전위는 -10mV보다 작거나 +10mV보다 크다.
코어 쉘 구조의 광결정 입자가 분산된 콜로이드 상태의 매체는 매체와 동일한 굴절률을 갖는 물질의 캡슐로 캡슐화되어 투명도를 유지할 수 있는데, 광결정 입자 및 콜로이드 상태의 매체를 캡슐화함으로써 서로 다른 캡슐 간의 직접적인 간섭이 발생하는 것을 방지할 수 있으며, 이에 따라 광 제어 디바이스에 포함되는 코어쉘 구조의 광결정 입자를 각 캡슐마다 독립적으로 제어할 수 있으며, 그 결과 보다 다양한 패턴의 광 투과 조절이 가능하고, 광 투과도 제어 특성이 우수해지도록 할 수 있다.
일반적으로 캡슐을 구성하는 물질에는 탄성을 가지고 외부의 열과 압력에 강한 재료인 젤라틴, 아카시아, 멜라민, 우레아, 프로틴, 폴리사카라이드 등이 사용될 수 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 광 제어 디바이스 내에서 캡슐을 고정시키기 위한 물질을 사용할 수도 있다.
본 발명에 따르는 광 제어 디바이스는 상부 전극, 하부 전극이 전기 구동 가능한 광 결정 입자를 포함하는 상기 매체와 접촉하는 것을 방지하기 위해, 상부 전극, 하부전극과 매체가 접촉하는 부분에 절연층을 구성한다. 즉, 전압이 인가될 경우 전류가 상부전극과 하부 전극 사이에 흐르는 경우 매체에 분산되어 있던 전기 구동 가능한 광결정 입자가 상부 전극, 하부 전극에 달라붙는 현상을 방지하기 위해 절연층을 매체와 접촉되는 각각의 전극 표면에 구성하여, 전압 인가시 전기 구동 가능한 광 결정 입자가 등방성 또는 입자간의 거리가 균일한 구조로 배열될 수 있게 하여 시야각 의존성을 개선할 수 있다.
바람직하게는, 본 발명에 따르는 광 결정 디바이스 셀의 절연층은 폴리이미드 (PolyImide, PI), 실리콘 (silicone), 폴리비닐피로리돈 (PolyVinylPyrrolidone, PVP), 폴리 아크릴레이트 (polyacrylate), PET( polyethylene terephthalate), 에폭시(epoxy)를 포함하는 유기물 또는 실리카, 알루미나, 유리를 포함하는 무기물 중 어느 하나를 사용하여 구성된다.
상기와 같은 구조를 갖는 본 발명에 따르는 광 제어 디바이스는 전기를 인가하지 않은 상태에서는 표면 처리에 의해 쉘 구조의 표면에 구성되는 표면 전하의 영향으로 광 결정 입자가 균일하게 분산되어 있는데, 이때는 광 결정 입자 사이의 간격이 넓어 광구조색을 나타내지 않는다. 광 제어 디바이스의 상부 전극 및 하부 전극 사이에 전기를 인가하면, 인가된 전기의 영향을 받는 쉘 구조의 표면 전위에 의해 광결정 입자가 한쪽 전극으로 집중되면서 입자 사이의 간격이 가까워지는데, 특정 반사 파장의 간격으로 가까워지면 광구조색을 나타내게 된다.
즉, 본 발명에 따르면 전기를 인가하지 않은 경우 광 결정 입자는 가시광의 최대 파장 또는 적외선의 최대 파장 이상의 간격, 바람직하게는 800㎚만큼 서로 떨어져 있다가, 전기를 인가할 경우 가시광의 최대 파장 또는 적외선의 최대 파장 이하의 간격, 바람직하게는 800㎚ 이하의 간격으로 가까워져 광구조색을 나타내게 된다. 상부 전극 및 하부 전극 사이에 인가되는 전기를 다시 제거하면, 광 결정입자는 쉘 구조의 표면 전위에 의해 다시 매체 내에 균일하게 분산되어 광 구조색이 사라지고 다시 투명해진다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 갖는 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 게시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이런 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (9)

  1. 상부 전극;
    하부 전극;
    상기 상부 전극 및 상기 하부 전극 사이에 위치하는 매체로서, 전기 구동 가능한 광결정 입자를 포함하는 매체를 포함하고,
    상기 광 결정 입자는 코어 쉘 구조를 갖는 것을 특징으로 하는
    코어 쉘 구조의 광 결정 입자를 전기적으로 제어하는 광 제어 디바이스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 상부 전극 및 하부 전극이 상기 매체와 접촉되는 표면에는 절연층이 구성되는 것을 특징으로 하는
    코어 쉘 구조의 광 결정 입자를 전기적으로 제어하는 광 제어 디바이스.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 결정 입자의 쉘은 표면에 전하가 인가되도록 표면처리되어 구성되는 것을 특징으로 하는
    코어 쉘 구조의 광 결정 입자를 전기적으로 제어하는 광 제어 디바이스.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 쉘의 표면 처리는 카르복시기(carboxyl group), 에스테르기(ester group), 아실기(acyl group) 등의 유기화합물 중 하나를 사용하여 실시되는 것을 특징으로 하는
    코어 쉘 구조의 광 결정 입자를 전기적으로 제어하는 광 제어 디바이스.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 쉘의 표면 처리는 아민(amine), 티올(thiol), 포스핀(phosphine) 등을 포함하는 배위화합물 중 하나를 사용하여 실시되는 것을 특징으로 하는
    코어 쉘 구조의 광 결정 입자를 전기적으로 제어하는 광 제어 디바이스.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 쉘의 표면 처리는 할로겐원소를 포함하는 착화합물 중 하나를 사용하거나 라디칼을 형성하여 실시되는 것을 특징으로 하는
    코어 쉘 구조의 광 결정 입자를 전기적으로 제어하는 광 제어 디바이스.
  7. 제 1 항에 있어서,
    코어쉘 구조의 광결정 입자의 제타전위 값은 -10mV보다 작거나 +10mV보다 큰 것을 특징으로 하는
    코어 쉘 구조의 광 결정 입자를 전기적으로 제어하는 광 제어 디바이스.
  8. 제 1 항에 있어서,
    코어 쉘 구조의 광결정 입자가 분산된 상기 매체는 상기 매체와 동일한 굴절률을 갖는 물질의 캡슐로 캡슐화되는 것을 특징으로 하는
    코어 쉘 구조의 광 결정 입자를 전기적으로 제어하는 광 제어 디바이스.
  9. 제 3 항에 있어서,
    상기 상부 전극 및 하부 전극 사이에 전기를 인가할 경우, 표면처리된 상기 광결정 입자 사이의 간격은 800㎚ 이하의 간격으로 좁혀지는 것을 특징으로 하는
    코어 쉘 구조의 광 결정 입자를 전기적으로 제어하는 광 제어 디바이스.
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