KR20150094737A - 만곡형 자동 감광 필터 - Google Patents
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- G02F1/1396—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells characterised by the electro-optical or magneto-optical effect, e.g. field-induced phase transition, orientation effect, guest-host interaction or dynamic scattering based on orientation effects in which the liquid crystal remains transparent the liquid crystal being selectively controlled between a twisted state and a non-twisted state, e.g. TN-LC cell
- G02F1/1398—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells characterised by the electro-optical or magneto-optical effect, e.g. field-induced phase transition, orientation effect, guest-host interaction or dynamic scattering based on orientation effects in which the liquid crystal remains transparent the liquid crystal being selectively controlled between a twisted state and a non-twisted state, e.g. TN-LC cell the twist being below 90°
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- G02F2001/1398—
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Abstract
제1 편광기(14), 제2 편광기(18), 제1 액정 셀(16), 및 센서(64)를 포함하는 자동 감광 필터(10, 10')가 제공된다. 제1 편광기(14)는 제1 편광 방향을 갖고, 제2 편광기(18)는 제2 편광 방향을 갖는다. 액정 셀(16)은 제1 편광기(14)와 제2 편광기(18) 사이에 배치되고, 제1 및 제2 광학적으로 투명한 가요성 유리 층들(40, 42)을 포함하는데, 이러한 층들 사이에는 액정 층(48)이 위치된다. 센서(64)는 입사광을 검출하고, 액정 층 내에 분자 회전을 야기시키는 신호가 전송되게 한다. 본 발명의 자동 감광 필터는 전체 제품 무게가 감소될 수 있고 시계가 증가될 수 있다는 점에서 유리하다.
Description
본 발명은 입사 광에 응답하여 명 투과 상태(light-transmission-state)로부터 암 투과 상태(dark-transmission-state)로 변화하는 만곡형 광 필터에 관한 것이다. 만곡형 스위칭가능 필터는 얇은 가요성 유리 기판들 사이에 배치되는 적어도 하나의 액정 층을 갖는다.
자동 감광 필터(automatic darkening filter)는 보통 입사 광에 응답하여 명 투과 상태로부터 암 투과 상태로 자동 변화하는 스위칭가능 필터를 갖는다. 스위칭은 대체로 개인 보호 장비 상에 또는 그의 일부로서 위치되는 광검출기의 사용을 통해 달성된다. 광검출기는 필터링될 입사광의 존재를 인식하고, 전자 모듈은 스위칭가능 필터에 적용될 때 필터가 명 투과 상태로부터 암 투과 상태로 변화하게 하는 제어 전압을 생성한다.
편광 필름들 사이에 위치되는 액정 셀들을 포함하는 자동 광 필터가 설계되어 왔다. 회르넬()의 미국 특허 제4,240,709호에는 한 쌍의 상호 교차 편광기들 사이에 샌드위치되는 단일 트위스트 네마틱 액정 셀(single-twisted, nematic, liquid-crystal cell)을 갖는 스위칭가능 필터가 기술되어 있다. 액정 셀들은 투명 전극 및 정렬 층들을 포함하는 대체로 평평하고 광학적으로 투명한 유리 기판들이다. 액정 분자들은 전압이 전자 모듈의 제어 하에 액정 셀에 걸쳐 인가될 때 자신을 특정 방향으로 배향시킨다. 많은 상업적으로 입수가능한 제품들이 이러한 종류의 스위칭가능 필터를 사용한다.
보호용 실드(protective shield)에서의 자동 감광 필터의 사용은 현저한 인체 공학적 이점을 제공한다. 이전의 용접공들은 그들의 눈이 토치 광으로부터 보호되는 것을 보장하기 위해, 예를 들어 그들이 용접 아크를 발생시켰을 때 그들의 용접 실드를 아래로 "내려야(nod)" 했다. 자동 용접 필터들은 이러한 행동을 제거하였는데, 이는 용접 실드가 아래 위치에 지속적으로 놓일 수 있기 때문이다. 그 결과, 용접 패턴 품질이 대체로 개선되어 왔는데, 그 이유는 더 정확한 전극 배치가 달성될 수 있기 때문이다. 생산성 개선이 또한 주목되어 왔는데, 이는 그라인딩 및 재작업이 상응하게 감소되었기 때문이다.
그러나, 기존의 평평한 유리 자동 감광 필터들은 최종 제품(예컨대, 용접 실드)에 상당한 무게를 추가할 수 있으며, 이는 이어서 사용자의 목과 어깨에 응력 및 장력을 생성할 수 있다. 전형적인 유리 샌드위치 구성의 직사각형 형상은 또한 착용자의 시계를 제한하는 경향이 있다. 공지되어 있는 용접 필터들은 대체로 직사각형 구성으로 제한되어 왔는데, 이는 강성 유리 기판들을 긁고(scribe) 부수는(break) 데 있어서의 어려움 때문이다.
용어 해설
이하에 기술되는 용어들은 다음과 같은 의미를 가질 것이다:
"자동 감광 필터"는 사람에게서의 입력 없이 광 자체로부터의 입력에 응답하여 광을 감쇠시키는 디바이스를 의미한다.
"대역 통과 필터"는 소정 범위의 주파수(들)의 광이 통과하는 것을 허용하지만 다른 주파수들의 광의 통과를 거부하는 디바이스를 의미한다.
"만곡형"은 단면을 볼 때 직선을 따라 가지 않는 것을 의미한다.
유리 층에 관해서 "변형"은 파단(fracture) 없이 고정점으로부터 50 mm의 캔틸레버 거리(cantilevered distance)에 대해 5 밀리미터(mm) 구부러질 수 있는 것을 의미한다.
"전기장"은, 전하를 둘러싼 영역으로서, 대전된 입자들 또는 분자들에 대해 가해질 수 있는 힘을 생성할 수 있는 영역을 의미한다.
"가요성"은 부서짐 없이 만곡된 형상으로 변형을 견딜 수 있는 것을 의미한다.
"유리"는 가시광을 투과시킬 수 있는 무기 무정형 비결정 고체 재료를 의미한다.
"유리 층" 또는 "유리 시트"는 폭 및 길이가 두께보다 사실상 더 큰 치수를 갖는 유리를 의미한다.
"병치된"은 나란히 배치되지만 반드시 서로 접촉하는 것은 아님을 의미한다.
"액정 층"은 액상 내의 분자들 - 분자들은 서로에 대해서 일부 방향성 질서도를 갖고 전기장에 응답하여 정렬하는 능력을 가짐 - 을 갖는 층을 의미한다.
"낮은 트위스트"는 90도 미만의 트위스트각(twist angle)을 갖는 것을 의미한다.
"네마틱 분자(Nematic molecule)"들은 전기장에 응답하여 평행축(parallel axis)을 나타내는 분자들을 의미한다.
"광학적으로 투명한"은 구조물의 반대쪽에 있는 원하는 이미지를 보기에 충분하게 가시광이 통과할 수 있음을 의미한다.
"직교"는 ~에 대해 직각임을 의미한다.
"편광시키다"는 광이 한정된 패턴으로 진동하게 하는 것을 의미한다.
"편광기"는 가시광을 편광시키는 능력을 갖는 것을 의미한다.
"편광 방향"은 광의 편광으로부터 기인하는 배향을 의미한다.
"회전하다"는 배향을 변화시키는 것을 의미한다.
"센서"는 한정된 광원의 존재를 검출할 수 있고 신호를 다른 디바이스로 전송할 수 있는 디바이스를 의미한다.
"신호"는 전압과 같은 전기량을 의미한다.
"트위스트각"은 두 개의 표면들 사이의 배향각 차이를 의미한다.
본 발명은 제1 편광기, 제2 편광기, 및 제1 액정 셀을 포함하는 스위칭가능 필터를 제공한다. 제1 편광기는 제1 편광 방향을 갖고, 제2 편광기는 제2 편광 방향을 갖는다. 제2 편광 방향은 제1 편광 방향과 동일하거나 또는 상이할 수 있다. 액정 셀은 제1 편광기와 제2 편광기 사이에 배치된다. 액정 셀은 제1 및 제2 광학적으로 투명한 가요성 유리 층들을 포함하고, 제1 및 제2 만곡형 광학적으로 투명한 가요성 유리 층들 사이에 위치되는 액정 층을 갖는다.
본 발명의 스위칭가능 필터는 전체 제품 무게가 공지되어 있는 상업적으로 입수가능한 제품들에 비해 감소될 수 있다는 점에서 유리하다. 무게의 감소는 가요성 유리 층들의 적은 무게에 의해 달성된다. 이러한 가요성 층들은 이전의 통상적인 제품들에서 사용되어 온 평평한 유리 기판들보다 더 얇은 경향이 있다. 또한, 본 발명의 스위칭가능 필터는 직사각형이 아닌 형상을 갖도록 형성될 수 있는데, 이는 사용자의 시계를 개선한다. 사용자에게는 수평 및 수직 치수 둘 다가 확장된 주변 가시 범위가 제공될 수 있다. 스위칭가능 필터는 또한, 예를 들어 착용자의 안면의 윤곽을 따르도록 그리고 고글 또는 안경을 통합하도록 다양한 형상들로 구성될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 만곡형 스위칭가능 필터(10)의 분해도이다.
도 2는 본 발명에 따른 만곡형 스위칭가능 필터(10')의 분해도를 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른, 스위칭가능 필터에서 사용될 수 있는 만곡형 액정 셀(34)의 개략적인 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른, 자동 필터 감광 장치(60)에 배치되는 스위칭가능 필터(10)(또는 10')의 블록 다이어그램이다.
도 5는 본 발명에 따른 용접용 헬멧(68)의 사시도이다.
도 6은 본 발명에 따른 보호용 실드(72)의 사시도이다.
도 7은 본 발명에 따른 보호용 고글(76)의 사시도를 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 만곡형 스위칭가능 필터(10')의 분해도를 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른, 스위칭가능 필터에서 사용될 수 있는 만곡형 액정 셀(34)의 개략적인 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른, 자동 필터 감광 장치(60)에 배치되는 스위칭가능 필터(10)(또는 10')의 블록 다이어그램이다.
도 5는 본 발명에 따른 용접용 헬멧(68)의 사시도이다.
도 6은 본 발명에 따른 보호용 실드(72)의 사시도이다.
도 7은 본 발명에 따른 보호용 고글(76)의 사시도를 도시한다.
본 발명의 실시에 있어서, 가요성 유리 층들은 봉지된 영역을 한정하는데, 여기서 액정 분자들은 전기장의 영향 하에 자유롭게 회전하여 광-필터링(light-filtering) 효과를 생성한다. 스위칭가능 필터의 제조 시에 가요성 유리 층들의 사용은 스위칭가능 필터의 구성요소들이 만곡된 형태로 함께 적층되게 할 수 있다. 이러한 조립체는 동일한(또는 심지어 더 적은) 무게에 대해서 더 큰 시야 영역(viewing area)이 달성되게 한다.
도 1은 만곡형 스위칭가능 필터(10)를 도시하는데, 여기서 필터(10)의 최외측 구성요소는 고강도 입사광으로부터의 적외선(IR) 및 자외선(UV) 파장 성분들을 감쇠시키도록 기능하는 대역 통과 필터(12)이다. 대역 통과 필터(12)는, IR 방사선을 반사시키고 입사광의 UV-A, UV-B 및 UV-C 성분들을 흡수하는 간섭 필터(interference filter)일 수 있다. 대역 통과 필터(12)는 또한 개별적인 IR 및 UV 반사 및/또는 흡수 필터들의 조합일 수 있다. 만곡형 스위칭가능 필터(10)는 또한 제1 편광 필터(14), 제1 광학적으로 회전하는 액정 셀(16), 및 제2 편광 필터(18)를 포함한다. 편광 필터들(14, 18)은 사실상 직교하는 편광 방향들을 갖는데, 여기서 제1 편광 필터(14)의 편광 방향은 제2 편광 필터(18)의 편광 방향에 대해 약 90°이지만 평행한 위치에 있다. 제1 광학적으로 회전하는 액정 셀(16)은 제1 및 제2 직교 관계 편광 필터들(14, 18) 사이에 위치되는 트위스트 네마틱 액정 셀일 수 있다. 이러한 구성요소들을 갖는 평행한 정렬에서는, 한 쌍의 편광 필터들(18, 22) 사이에 제2 액정 셀(20)이 배치된다. 편광 필터들(18, 22)은 각각 사실상 평행한 편광 방향들을 갖는다. 평행한 편광 방향들은, 어떠한 전압도 인가되지 않을 때 셀이 암 상태가 되게 하고, 전압이 존재할 때 셀이 명 상태가 되게 한다. 디폴트 암 상태는 제품이 턴 "오프"됨을 사용자에게 통지하는 안전성 기능을 제공한다. 액정 셀들(16, 20) 각각에는 제어 전압들이 이러한 셀들에 인가될 수 있게 하는 커넥터들(24, 26)이 각각 제공된다. 커넥터(24)에의 전압의 인가는 액정 셀(16)의 가요성 유리 층들 사이에 전기장을 생성한다. 네마틱 액정 분자들은 셀의 주면(major side)들을 봉지하는 한정 표면들에 수직인 전기장과 정렬한다. 여기된 셀(excited cell)에서, 평행한 정렬보다는, 이러한 수직 정렬이 암화 상태(darkened state)를 달성한다. 따라서, 제어 전압이 액정 셀(16)에 인가될 때, 필터 효과가 달성된다. 액정 셀은 광의 편광을 제어하고, 광은 편광기에 의해 흡수되게 된다. 네마틱 분자들의 회전의 정도는 제어 전압을 변동시킴으로써 제어될 수 있고, 그에 따라 대응 필터 효과도 또한 제어될 수 있다. 결과는, 액정 셀(16)이 인가 전압의 부재 시에 명 투과 상태에 있고, 인가 전압의 존재 시에 암 투과 상태에 있다는 것이다. 전압 레벨들은 사용된 액정 재료들, 셀 갭 기하형상들 등에 따라 가변 셀 설계들에 대해 상이할 수 있다. 사용 시, 명 투과 상태는 용접 차광도(welding shade) 2 내지 4 중 임의의 것에 대응하고, 사용자-선택가능할 수 있는 암 투과 상태는 용접 차광도 7 내지 14 중 임의의 것에 대응한다. 용접 차광도는 눈 보호 표준 ANSI 287.1:2010 및 169:2001에 정의되어 있다 ― 또한 EN 379:2003 참조.
도 2는 액정 셀들(16, 20, 28)을 포함하는 만곡형 자동 감광 필터(10')의 분해도를 도시한다. 제1 액정 셀(16)은 제1 및 제2 편광 필터들(14, 18) 사이에 배치되고, 제2 액정 셀(20)은 제1 및 제3 편광 필터들(18, 22) 사이에 배치되며, 제3 액정 셀(28)은 편광 필터들(30, 14) 사이에 배치된다. 두 개의 액정 셀들(16, 28)은 사실상 동일할 수 있지만, 그들은 대체로 서로에 대해 약 180° 회전되어, 상이한 시야 각도들에 대해 적은 광학적 변동을 제공한다. 커넥터들(24, 32)에의 전압의 인가는 투명한 전도성 전극들 사이에 전기장을 생성한다. 네마틱 액정 분자들은 분자들을 봉지하여 셀들이 광 투과를 제한하게 하는 표면들에 수직인 전기장과 정렬한다. 액정 셀들(16, 28)의 정렬 방향들은 서로에 대해 사실상 평행하게 배열되고 비대칭적으로 배향된다. 두 개의 사실상 동일한 액정 셀들을 함께 위치시키는 이점은, 마주보는(face-to-face) 분자 정렬 방향들이 사실상 수직이 되도록, 필터링 효과의 각도 의존성을 보상한다. 암 상태에서 차광도의 변동(개선된 동질성(homogeneity))은 오프셋 편광기들, 즉 약 1 내지 20도만큼 오프셋된 편광기들을 사용하여 달성될 수 있다 - 매그너슨(Magnusson) 등의 미국 특허 제7,884,888호 참조. 오프셋 편광기들은 셀-갭 기하형상의 변형에 의해 야기되는 시야 영역의 불균일한 차광도, 구성체의 접착 층들에서의 원치않는 복굴절, 및 상이한 시야 각도들을 제거할 수 있다.
도 3은 제1, 제2, 및 제3 셀들(16, 20, 28)과 같은 액정 셀(34)을 도시한다. 층상(laminar) 구성체는 두 개의 광학적으로 투명한 가요성 유리 층들(40, 42)을 포함한다. 본 발명은 다양한 그러한 유리 층들을 사용하여 구현될 수 있다. 각각의 층들의 두께는 약 10 마이크로미터(μm) 내지 200 μm, 더 전형적으로 약 30 내지 150 μm, 및 훨씬 더 전형적으로 약 75 내지 125 μm일 수 있다. 가요성 유리 층들(40, 42)은 시트 또는 롤 형태로 공급될 수 있다. 만곡형 층들(40, 42)은 전형적으로 무한 곡률(infinite curvature) 미만의 반경, 전형적으로 약 5 내지 30 센티미터(cm), 더 전형적으로 약 7 내지 20 cm의 반경을 갖는다. 곡률은 또한 일정하지 않은 반경을 나타낼 수 있는데, 예를 들어 그것은 포물선형, 현수선형(catenary), 외파선형(epicycloidal), 및 자유형일 수 있다. 광학적으로 투명한 유리 층들(40, 42)의 내향 대면 표면들 상에는 각각 투명한 전도성 전극 층들(44, 46)(예컨대, 인듐 주석 산화물 층들)이 있다. 전극들(44, 46)에 전압을 인가함으로써, 전기장이 액정 층(48)에 걸쳐서 생성되어 액정 분자들의 배향을 변화시킨다. 전극들(44, 46)에 맞대어 정렬 층들(50, 52)이 각각 병치되는데, 예를 들어 이러한 층들은 특정 정렬 방향들로 기계적으로, 예컨대 브러싱(brushing) 또는 러빙(rubbing)에 의해 처리된 폴리이미드 층이다. 정렬 층들(50, 52)은 셀들 내측의 동일하게 크기 설정된 스페이서들(54)을 사용하여 이격된다. 셀 에지들은 미국 뉴저지주 크랜베리 소재의 놀랜드 프로덕츠(Norland Products)로부터 입수가능한 놀랜드 68(Norland 68)과 같은 에지 접착제(56)를 사용하여 밀봉될 수 있다. 셀이 완전히 밀봉되기 전에, 네마틱 분자들(58)이 층들(50, 52) 사이의 갭(48) 내에 펌핑된다. 정렬 층들(50, 52)은 액정 네마틱 분자들(58)이 표면들에서 특정 각도 위치들을 취하게 하여 분자들이 그러한 표면들 사이에서 그들 각자의 트위스트각을 통해 트위스트되게 한다. 네마틱 액정(58)의 회전 조건은 셀을 통한 광 투과를 허용하거나 또는 차단한다. 사용된 액정들은 두 개의 광학적으로 투명한 가요성 유리 층들(40, 42) 사이에 샌드위치되는, 약 08 내지 14의 Δn(상광선(ordinary light ray)과 이상 광선(extraordinary light ray)의 굴절률 차이)을 갖는 네마틱 유형의 것일 수 있다. 층들(50, 52) 사이의 갭은 전형적으로 약 3 내지 5 μm이다. 본 발명에서 사용되는 광학적으로 투명한 가요성 유리 층들(40, 42)은 대체로, 전형적으로 380 나노미터(nm) 내지 750 nm의 파장 범위에서 80%를 초과하는 사실상 균일한 광 투과성을 갖는다. 유리 층은 전술된 바와 같은 두께를 갖도록 오버플로우 다운드로우 방법(overflow downdraw method)에 의해 형성될 수 있다. 유리 층의 조성물은 석영 유리 및 붕규산 유리와 같은 규산염 유리 등의 다양한 유리 조성물들일 수 있다. 무알칼리 유리(non-alkali glass)는 사실상 알칼리 성분을 함유하지 않는 유리, 구체적으로 1000 ppm(parts per million) 이하(바람직하게는 500 ppm 이하, 및 더 바람직하게는 300 ppm 이하)의 알칼리 금속 산화물을 함유하는 유리를 포함할 수 있다. 유리 층은 그에 맞대어 병치되는 보호 시트를 가질 수 있다. 유리 층을 감쌀 때, 보호 시트는 유리 층의 하나의 부분과 다른 부분의 접촉에 의해 야기되는 결함(flaw)의 발생을 방지한다. 보호 시트는 유리 롤에 가해지는 외부 압력을 흡수한다. 보호 시트의 두께는 10 μm 내지 2000 μm일 수 있다. 보호 시트는 이오노머 필름, 폴리에틸렌 필름, 폴리프로필렌 필름, 폴리비닐 클로라이드 필름, 폴리비닐리덴 클로라이드 필름, 폴리비닐 알콜 필름, 폴리프로필렌 필름, 폴리에스테르 필름, 폴리카보네이트 필름, 폴리스티렌 필름, 폴리아크릴로니트릴 필름, 에틸렌 비닐 아세테이트 코폴리머 필름, 에틸렌비닐알콜 코폴리머 필름, 에틸렌-메타크릴산 코폴리머 필름, 나일론 필름(폴리아미드 필름), 폴리이미드 필름, 셀로판, 또는 수지로 제조된 기타 완충 재료들일 수 있다. 전도율은 폴리에틸렌 글리콜과 같은, 전도율을 전하기 위한 성분을 보호 시트 내에 추가함으로써 보호 시트에 전해질 수 있다. 보호 시트가 간지(inserting paper)로 제조되는 경우에, 전도성 섬유를 추가함으로써 전도율을 전하는 것이 가능하다. 또한, 인듐 주석 산화물(ITO) 필름과 같은 전도성 층을 보호 시트의 표면 상에 적층시키는 것에 의해서도 전도율을 전하는 것이 가능하다. 토마모토(Tomamoto) 등의 미국 특허 제8,241,751호 참조; 또한, 뮐러(Mueller) 등의 미국 특허 제7,735,338호, 및 미국 특허 출원 공개 제2011/0059296호 참조. 상업적으로 입수가능한 가요성 유리의 일례가 쇼트 D263T(Schott D263T) 유리이다.
액정 셀들(16, 20, 28)은 전자 모듈 고장의 경우에 "페일-세이프(fail-safe)" 중간 투과 상태를 제공하는 트위스트 네마틱 액정 셀 유형의 셀일 수 있다. 낮은 트위스트 액정 셀들을 갖는 자동 감광 필터가 팔머(Palmer) 등의 미국 특허 제6,097,451호에 기재되어 있다; 또한 회르넬 등의 미국 특허 제5,825,441호 참조. 트위스트 네마틱 액정 셀은 100도 미만, 전형적으로 0 또는 1 내지 99도의 트위스트각을 가질 수 있다. 액정 셀은 또한 1 내지 85도의 낮은 트위스트각을 가질 수 있다. 더 구체적으로, 낮은 트위스트 액정 셀의 트위스트각은 약 30 내지 70도일 수 있다. "페일-세이프" 액정 셀은 많은 방식에서 낮은 트위스트 액정 셀과 설계가 유사하지만 그의 동작은 상이한데, 그 이유는 그것이, 교차 또는 직교 편광기들과는 대조적으로, 평행한 편광기들 사이에 샌드위치되기 때문이다. 액정 셀(20)은 어떠한 전압도 커넥터들(26)에 인가되지 않을 때 암 투과 상태(입사 광의 대부분이 차단되는, 거의 광학적으로 불투명한 상태)에 있다. 액정 셀(20)은 소정 전압이 인가될 때 광학적으로 투명해질 수 있다.
도 4는 자동 감광 필터(ADF)(60)의 블록 다이어그램이다. 자동 감광 필터(60)는 도 1 및 도 2와 관련하여 전술된 유형의 오프셋 편광기들을 갖는 만곡형 스위칭가능 필터(10)(또는 10')를 포함한다. 스위칭가능 필터(10)는 용접 절차 동안에 또는 스위칭가능 필터(10)에 의해 제공되는 유형의 보호가 희망되는 다른 상황 동안에 사용자에 의해 착용될 보호 헤드기어(62)에 장착된다. ADF(60)는 또한 용접 아크와 같은, 필터(10)의 전면에 입사되는 광을 검출하기 위한 센서(64)를 포함한다. 센서는 입사 광을 검출하고, 액정 층 내에 분자 회전을 야기하는 신호가 전송되게 한다. 센서(64)에는 비정상적인 광이 센서를 활성화시키는 것을 방지하는 편광 부재가 제공될 수 있다. 그러한 디바이스는 다른 용접 토치들 및 센서들로부터의 광이 센서에 도달하는 것을 방지한다 - 미가시타(Migashita) 등의 미국 특허 제6,934,967호 참조. 제어 회로(66)는 입사광의 존재 또는 부재에 관한 신호들을 센서(64)로부터 수신하고, 대응 제어 전압들이 필터(10)에 인가되게 하여, 필터(10)에 의해 제공되는 차광도의 정도를 제어한다. 용접 아크 또는 입사광의 다른 소스의 존재가 센서(64)에 의해 검출될 때, 예를 들어, 제어 회로(66)는 게스트-호스트 셀(guest-host cell)(28)(도 2)에 대한 전압을 제거하면서 제어 전압이 액정 셀들(16, 20)에 인가되게 할 수 있다(도 1 및 도 2). 이는 필터(60)가 암화되게 하고 입사광의 섬광으로부터 사용자를 보호하게 한다. 용접 아크 또는 입사광의 다른 소스의 부재 시에, 제어 회로(66)는 액정 셀들(16, 20)에 대한 인가 전압을 감소시키거나 제거하여, 필터가 광에 대해 더 개방되게 할 수 있다. 광 투과율의 이러한 증가는 용접공이, 예를 들어, 용접 동작을 수행할 수 있게 하고, 또한 안면보호구 또는 헬멧을 제거하지 않은 채 용접 영역 외부에서의 작업들을 수행할 수 있게 한다. 추가로, 본 명세서에 기재된 필터 구성은 넓은 각도 범위에 걸쳐서 사용자에게 보이는 바와 같은 암 상태에서의 균질성을 증가시키게 된다. 스위칭가능 필터(10), 센서(64), 및 제어 회로(66)는 전형적으로 하나의 유닛, 전형적으로는 헬멧을 사용자가 착용할 때 착용자의 눈 바로 앞에서 쉘에 장착되는 교체가능 유닛으로서 보호 헤드기어 상에 지지된다. 유닛은 필터, 센서, 및 회로를 지지하는 직사각형(또는 다른 형상)의 프레임 또는 하우징의 형태를 취할 수 있다. 헬멧 쉘의 예들은, 예를 들어, 미국 특허 제6,185,739호, 제5,533,206호, 제5,191,468호, 제5,140,707호, 제4,875,235호, 및 제4,853,973호에서 찾을 수 있다. 용접용 헬멧들은 또한 맑은 공기가 그들의 내부에 공급되게 할 수 있으며, 그에 따라 주변 공기로부터 호흡 구역(breathing zone)을 분리시키는 안면 밀봉부를 포함할 수 있다. 그러한 안면 밀봉부의 일례가 커랜(Curran) 등의 미국 특허 제7,197,774호에 도시되어 있다. 또한 미국 디자인 특허 D517,744호, D517,745호, D518,923호, D523,728호, 및 D532,163호와; 미국 특허 공개 제2006-0101552호 및 제2006-0107431호 참조.
도 5는 헬멧 본체(70)의 개구 내에 장착되는 자동 감광 필터 장치(60)를 포함하는 헬멧 본체(70)를 갖는 용접용 헬멧(68)의 사시도이다. 헬멧 본체(70)는 디바이스(68)가 씌워질 때 착용자의 머리와 맞물리는 크라운 부재를 포함할 수 있다. 적합한 크라운 부재의 일례가 릴리엔탈(Lilenthal) 등의 미국 특허 제7,865,968호에 기재되어 있다. 또한 알그렌(Ahlgren) 등의 미국 특허 출원 제2010/229286 A1호 참조. 자동 감광 필터 장치(60)는 전자기 방사선(예컨대, 가시광, UV 광, IR 등)을 인터셉트하는 위치에 배치되는 만곡형 자동 감광 필터(10)를 포함한다. 자동 감광 필터(60)는 실드 본체(70)에서 실드가 사용자에 의해 착용될 때 착용자의 눈 바로 앞에 있도록 위치될 수 있다. 자동 감광 필터(60)는 만곡형 자동 용접 필터(10) 및, 더 구체적으로, 액정 셀들(16, 20, 28)에 대한 다양한 신호들을 각각 커넥터들(24, 26, 32)(도 2)을 통해 수신 및 제어하기 위한 전자 제어 유닛(66)(도5)을 포함할 수 있다 ― 예를 들어 미국 특허 출원 제2010265421호(선델(Sundell)) 참조. 전자 제어 유닛은 또한 적어도 고강도 광의 존재로부터의 입력을 검출할 수 있는 입력 검출기를 포함할 수 있다. 검출기는 자동 감광 필터 장치(60)의 다른 컴포넌트들(하드웨어 등) 중 일부 또는 모두에 물리적으로 가깝게 위치될 수 있거나, 또는 이러한 컴포넌트들 중 일부 또는 모두로부터 물리적으로 멀리 위치될 수 있다. 검출기는 다양한 광검출기 디바이스들 및 기술들을 이용하여 구현될 수 있다. 대안적으로, 고강도 광의 존재를 나타내는 입력이, 예를 들어 용접 도구 또는 토치에 의해 생성된 활성화 신호에 응답하여 전자 제어 유닛으로부터 생성될 수 있다 - 가버그스(Garbergs) 등의 WO2007/047264호 참조.
도 6은 본 발명의 만곡형 스위칭가능 필터(10)가 적합한 안면-커버링 장치(72)에 장착되어 있는 본 발명의 일 실시형태이다. 스위칭가능 필터(10)는 그것이 피봇점(73)을 중심으로 회전가능하도록 안면-커버링 장치에 장착될 수 있다. 대안적으로, 만곡형 자동 용접 필터(10)는 도 7에 도시된 바와 같은 한 세트의 고글(76) 내에 배치되는 자동 감광 필터 장치에 장착될 수 있다.
본 발명의 스위칭가능 필터들은 한 개, 두 개, 또는 세 개의 축을 중심으로 만곡될 수 있다. 전형적으로, 용접용 헬멧(도 5)에서 사용되는 스위칭가능 필터는 한 개 또는 두 개의 축을 중심으로 만곡될 것이다. 가요성 유리 층들의 물리적 특성들은 약 5 cm 내지 20 cm의 곡률 반경, 및 약 10 내지 600 제곱 센티미터(㎠), 더 전형적으로 30 ㎠ 내지 250 ㎠의 시야 영역을 갖는 만곡형 스위칭가능 필터들이 제조되는 것을 허용한다. 통상의 용접 필터들은 전형적으로 약 50 내지 100 ㎠의 시야 영역을 갖는다. 본 발명은 100 ㎠ 내지 125 ㎠ 이상의 시야 영역을 갖는 스위칭가능 필터들이 제공되게 할 수 있다.
본 발명의 자동 감광 필터 장치는 공업상 작업들, 예를 들어 용접(예컨대, 아크 용접, 토치 용접, 아세틸렌 용접), 절단(예컨대, 레이저 절단, 아세틸렌 절단), 브레이징(brazing), 솔더링 등과 관련되어 사용될 수 있다. 그들은 또한 고강도 광을 수반하는 의료적 절차들(예컨대, 레이저 수술, 제모, 타투 제거, 치과용 수지의 광 경화 등) 및 다른 용도들과도 관련하여 사용될 수 있다. 하나 이상의 자동 감광 필터 장치들이 임의의 다른 적합한 장비 또는 물품들에 그리고 다른 응용들을 위해 제공될 수 있다. 예를 들어, 자동 감광 필터 장치는 전면 커버 헬멧(full-face coverage helmet)보다는 오히려 보호용 안경류의 일부로서 공급될 수 있다. 대안적으로, 자동 감광 필터 장치는 헨드헬드 디바이스에, 또는 고강도 광이 존재할 수 있는 방, 엔클로저(enclosure), 기계실 등의 검사를 허용하는 창 또는 개구에 제공될 수 있다.
실시예
액정 셀 조립체
자동 용접 필터를 위한 만곡형 액정 셀을 하기 방식으로 제조하였다.
시작하는 가요성 유리 층은 독일 55120 마인츠 레이날리 145에 소재하는 쇼트 글라스 익스포트, 게엠베하(Schott Glas Export, GmbH)의 쇼트 글라스로부터의 0.1 mm 두께의 D263T 유리였다. 유리를 인듐 주석 산화물(ITO)로 스퍼터링 침착시켰다. 코팅된 ITO의 전도율은 대략 100 옴/스퀘어(ohm/square)였다. ITO 유리를 얇은 폴리이미드 폴리머 층으로 코팅하였다. 상업적으로 입수가능한 폴리이미드 정렬 재료를 스핀 코팅 기법을 이용하여 유리 상에 코팅하였다. 건조된 코팅 두께는 80 나노미터(nm) 내지 200 nm였다. 얇은 폴리이미드 층을 회전하는 펠트 직물을 사용하여 브러싱함으로써 정렬시켰다. 이러한 브러싱된 폴리이미드, ITO/유리 편부(piece)를 액정 셀의 상부 및 저부 부분에 대한 편부들로 절단하였다. 유리의 제1 편부(상부)를 유리의 제2(저부) 편부의 배향으로부터 90° 회전시켜 적절한 정렬을 제공하였다.
대략 90 밀리미터(mm)의 반경을 가진 금속 실린더를 형판(template)으로서 사용하여 만곡형 액정 셀을 형성하였다. 셀의 저부 부분, 러빙된 폴리이미드 코팅을 갖는 ITO 유리를 쓰리엠 매직 테이프™(3M Magic Tape™)을 사용하여 금속 실린더에 테이핑하였다. 에지 접착제(UV 경화용 놀랜드 68 광학 접착제)를 주사기 및 바늘을 사용하여 저부 부분에 적용하였다. 트위스트 네마틱 액정 혼합물을 1 중량%의 4 마이크로미터(μm) 세라믹 스페이서 비드(ceramic spacer bead)와 혼합하였다. 액정/스페이서 비드 혼합물을 피펫을 사용하여 셀의 저부 부분 상에 배치하였다. 셀의 상부 부분을 쓰리엠 탈착식 테이프™(3M Removable Tape™)를 사용하여 선단 에지(leading edge)에서 저부 부분에 부착시켰다. 셀의 상부 부분을 감싸고 저부 부분 상으로 만곡시키기 위해, 일 단부 상에서 금속 실린더에 부착된 폴리에스테르 필름을 사용하였다. 상부 부분을 저부 부분 상으로 압축하는 데 고무 롤을 사용하였다. 폴리에스테르 필름 상에서 장력을 유지시켜서 셀의 성분들을 긴밀한 접촉 상태로 유지시켰다. 이어서, 5분 동안 UV 광원을 사용하여, UV 경화 에지 접착제를 경화시켰다. 이어서, 폴리에스테르 필름 및 테이프 편부들을 제거함으로써, 완성한 셀을 실리더로부터 제거하였다. 편광 필름들을 감압 접착제를 사용하여 저부 및 상부 부분에 부착하였다. 편광 필름들은 서로 직교하였고, 폴리이미드 층 내로 러빙된 정렬에 대응하였다. 전도성 접착제를 갖는 구리 테이프(copper tape)를 ITO에 상부 부분 상에 부착하였고, 전도성 테이프를 갖는 구리 테이프의 다른 편부를 ITO에 저부 부분 상에 부착하였다. 구리 테이프를 통해 셀에 걸쳐서 10 볼트 전위를 걸었다. 전압을 인가했을 때, 셀은 명 상태로부터 암 상태로 스위칭했다. 마무리된 셀의 치수는 대략 75 mm 폭 및 75 mm 길이(5625 ㎟; 56.25 ㎠)였고, 이때, 곡률 반경은 원래 실린더의 100 mm 반경보다 약간 작았다.
본 발명은 그의 사상 및 범주로부터 벗어나지 않고서 여러 변형 및 변경을 취할 수 있다. 따라서, 본 발명은 전술한 것에 의해 제한되는 것이 아니라, 하기의 청구의 범위 및 이의 임의의 균등물에 기술된 한계에 의해 좌우되어야 한다.
본 발명은 또한 본 명세서에 구체적으로 개시되지 않은 임의의 요소가 없을 경우에도 적합하게 실시될 수 있다.
배경기술 단락에 인용된 것을 비롯하여 상기 인용된 모든 특허 및 특허 출원은 전체적으로 본 명세서에 참고로 포함된다. 상기 명세서와 그러한 포함된 문헌의 개시 내용 간의 상충 또는 모순이 존재하는 경우에는, 상기 명세서가 우선할 것이다.
Claims (29)
- 스위칭가능 필터로서,
(a) 제1 편광 방향을 갖는 제1 편광기;
(b) 상기 제1 편광 방향과 동일하거나 또는 상이할 수 있는 제2 편광 방향을 갖는 제2 편광기; 및
(c) 상기 제1 편광기와 상기 제2 편광기 사이에 배치되는 제1 액정 셀로서, 상기 제1 액정 셀은 만곡형인 제1 및 제2 광학적으로 투명한 가요성 유리 층들을 포함하고, 상기 제1 및 제2 가요성 유리 층들 사이에는 제1 액정 층이 위치되는, 상기 제1 액정 셀을 포함하는, 스위칭가능 필터. - 제1항에 있어서, 상기 스위칭가능 필터는 100 ㎠ 이상의 시야 영역을 갖는, 스위칭가능 필터.
- 제1항에 있어서, 상기 스위칭가능 필터는 125 ㎠ 이상의 시야 영역을 갖는, 스위칭가능 필터.
- 제1항에 있어서, 입사광의 IR 및 UV 파장 성분들을 감쇠시키는 대역 통과 필터를 추가로 포함하는, 스위칭가능 필터.
- 제1항에 있어서, 상기 가요성 유리 층들의 두께는 10 내지 200 마이크로미터인, 스위칭가능 필터.
- 제1항에 있어서, 상기 가요성 유리 층들의 두께는 30 내지 150 마이크로미터인, 스위칭가능 필터.
- 제1항에 있어서, 상기 가요성 유리 층들의 두께는 75 내지 125 마이크로미터인, 스위칭가능 필터.
- 제1항에 있어서, 상기 가요성 유리 층들은 5 내지 30 센티미터의 반경을 나타내는 곡률을 갖는, 스위칭가능 필터.
- 제8항에 있어서, 상기 가요성 유리 층들은 일정하지 않은 반경을 갖는, 스위칭가능 필터.
- 제9항에 있어서, 상기 가요성 유리 층들은 포물선형, 현수선형(catenary), 외파선형(epicycloidal), 또는 자유형인, 스위칭가능 필터.
- 제1항에 있어서, 상기 가요성 유리 층들은 투명한 전도성 전극 층들을 갖는 내향 대면 표면들을 갖는, 스위칭가능 필터.
- 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 가요성 유리 층들의 곡률은 각각 7 내지 20 센티미터의 반경을 갖는, 스위칭가능 필터.
- 제1항의 스위칭가능 필터를 포함하는 자동 감광 필터로서,
(d) 제어 회로; 및
(e) 입사광을 검출하고, 액정 층 내에 분자 회전을 야기하는 신호가 상기 제어 회로를 통해 상기 스위칭가능 필터로 전송되게 하는 센서를 추가로 포함하는, 자동 감광 필터. - 제13항에 있어서, 상기 제1 및 제2 편광 방향과 동일하거나 또는 상이할 수 있는 제3 편광 방향을 갖는 제3 편광기; 및 상기 제2 편광기와 상기 제3 편광기 사이에 배치되고, 제3 및 제4 광학적으로 투명한 만곡형 가요성 유리 층들을 포함하며, 상기 제3 가요성 유리 층과 상기 제4 가요성 유리 층 사이에 배치되는 제2 액정 층을 갖는 제2 액정 셀을 추가로 포함하는, 자동 감광 필터.
- 제14항에 있어서, 상기 제3 편광기는 상기 제1 편광기와 유사한 편광 방향을 갖고, 상기 제1 액정 셀은 트위스트 네마틱 액정 셀(twisted, nematic, liquid-crystal cell)인, 자동 감광 필터.
- 제13항에 있어서, 상기 제1 액정 셀은 네마틱 분자들을 함유하고, 1 내지 100도의 트위스트각(twist angle)을 갖는, 자동 감광 필터.
- 제13항에 있어서, 상기 제1 액정 셀의 상기 제1 및 제2 가요성 유리 층들은 활성화 신호에 응답하여 상기 제1 가요성 유리 층과 상기 제2 가요성 유리 층 사이에 전기장을 제공하는 전극들을 갖고, 상기 제1 및 제2 가요성 유리 층들 각각은 제1 및 제2 정렬 방향들을 한정하는 정렬 층을 각각 갖는 상호 대면 표면들을 갖는, 자동 감광 필터.
- 제13항에 있어서, 상기 자동 감광 필터는 사실상 그의 전체 영역에 걸쳐서 암 투과 상태(dark transmission state)로 전기적으로 스위칭가능한 오목한 만곡형 형상으로 구성되는, 자동 감광 필터.
- 제13항에 있어서, 상기 자동 감광 필터는 10 ㎠ 내지 600 ㎠의 시야 영역을 갖는, 자동 감광 필터.
- 제19항에 있어서, 상기 자동 감광 필터는 125 ㎠를 초과하는 시야 영역을 갖는, 자동 감광 필터.
- 제13항에 있어서, 상기 제1 및 제2 가요성 유리 층들의 곡률은 5 내지 20 센티미터의 반경을 갖는, 자동 감광 필터.
- 제13항에 있어서, 상기 자동 감광 필터는 일정한 반경이 아닌 곡률을 갖고, 포물선형, 현수선형, 외파선형, 및 자유형으로 이루어진 군으로부터 선택되는, 자동 감광 필터.
- 제13항에 있어서, 상기 제1 및 제2 광학적으로 투명한 가요성 유리 층들의 두께는 10 내지 200 μm인, 자동 감광 필터.
- 제13항에 있어서, 상기 제1 및 제2 광학적으로 투명한 가요성 유리 층들의 두께는 30 내지 150 μm인, 자동 감광 필터.
- 제13항에 있어서, 상기 제1 및 제2 광학적으로 투명한 가요성 유리 층들의 두께는 75 내지 125 μm인, 자동 감광 필터.
- 제14항에 있어서, 상기 제1, 제2, 제3, 및 제4 광학적으로 투명한 가요성 유리 층들은 프레임 내에 조립되는, 자동 감광 필터.
- 용접 실드로서,
제13항의 자동 감광 필터가 배치되는 개구를 갖는 보호용 쉘을 포함하는, 용접 실드. - 제27항에 있어서, 상기 자동 감광 필터는 약 5 내지 20 센티미터의 반경을 갖는 곡률을 갖는, 용접 실드.
- 제13항의 자동 감광 필터를 포함하는 고글.
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