KR20150110564A - 산란하는 나노입자를 이용하는 투명 디스플레이를 위한 방법 및 장치 - Google Patents

산란하는 나노입자를 이용하는 투명 디스플레이를 위한 방법 및 장치 Download PDF

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KR20150110564A
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Abstract

투명 디스플레이는, 안경 및 유리창 상의 디스플레이뿐만 아니라 차량 및 항공기용의 헤드-업 디스플레이를 비롯하여 많은 유용한 응용을 가능하게 한다. 유감스럽게도, 유기 발광 다이오드로 이루어진 투명 디스플레이는 전형적으로 값비싸고 불투명하다. 헤드-업 디스플레이는 종종 고정된 광원을 요구하고 제한된 시야각을 갖는다. 그리고 주파수 전환을 이용하는 투명 디스플레이는 전형적으로 에너지 비효율적이다. 역으로, 본 발명의 투명 디스플레이는 협대역 산란 횡단면과 작은 흡수 횡단면을 지니는 공명 나노입자로부터 가시광을 산란시킴으로써 작동한다. 더욱 구체적으로는, 화상 파장(들)에서 광을 선택적으로 산란시키는 나노입자로 도핑된 투명 스크린 상에 화상을 투사하여 관찰자가 볼 수 있는 스크린 상의 화상을 생성한다. 나노입자가 단지 소정 파장에서 광을 산란시키기 때문에, 스크린은 주변광 하에 특히 투명하다. 예시적인 투명 산란 디스플레이는, 간단하고, 저렴하며, 대형 크기로의 크기 조절 가능하고, 광각 범위에 걸쳐 볼 수 있으며, 에너지 효율적이고 동시에 투명하다.

Description

산란하는 나노입자를 이용하는 투명 디스플레이를 위한 방법 및 장치{METHODS AND APPARATUS FOR TRANSPARENT DISPLAY USING SCATTERING NANOPARTICLES}
관련 출원에 관한 상호 참조
본 출원은 미국 출원 제61/748,228호(대리인 문서 번호 MIT15813P01)(출원일: 2013년 1월 2일, 발명의 명칭: "Methods and Apparatus for Transparent Display Using Scattering Particles")의 35 U.S.C. § 119(e) 하의 유익을 주장하며, 이 기초 출원은 그의 전문이 참고로 본 명세서에 편입된다.
본 출원은 또한 미국 출원 제61/748,259호(대리인 문서 번호 MIT16097P01)(출원일: 2013년 1월 2일, 발명의 명칭: "Methods and Apparatus for Transparent Display Using Up-Converting Particles")의 35 U.S.C. § 119(e) 하의 유익을 주장하며, 이 기초 출원은 그의 전문이 참고로 본 명세서에 편입된다.
본 출원은 또한 미국 출원 제61/866,468호(대리인 문서 번호 MIT16097P02)(출원일: 2013년 8월 15일, 발명의 명칭: "Methods and Apparatus for Transparent Display Using Up-Converting Particles")의 35 U.S.C. § 119(e) 하의 유익을 주장하며, 이 기초 출원은 그의 전문이 참고로 본 명세서에 편입된다.
본 출원은 또한 미국 출원 제14/067,471호(출원일: 2013년 10월 30일)에 대한 우선권을 주장하고, 미국 가출원 제61/748,228호(대리인 문서 번호 MIT15813P01)(출원일: 2013년 1월 2일, 발명의 명칭: "Methods and Apparatus for Transparent Display Using Scattering Particles"); 미국 가출원 제61/748,259호(대리인 문서 번호 MIT16097P01)(출원일: 2013년 1월 2일, 발명의 명칭: "Methods and Apparatus for Transparent Display Using Up-Converting Particles") 및 미국 가출원 제61/866,468호(대리인 문서 번호 MIT16097P02)(출원일: 2013년 8월 15일, 발명의 명칭: "Methods and Apparatus for Transparent Display Using Up-Converting Particles")의 35 U.S.C. § 119(e) 하의 유익을 주장한다. 이들 기초 출원은 각각은 그들의 전문이 참고로 본 명세서에 편입된다.
정부 지원
본 발명은 미국국립과학재단에 의해 수여된 승인 번호 DMR0819762 하, 미육군조사연구소에 의해 수여된 협약 번호 W911NF-07-D-0004 하, 그리고 미국 에너지국에 의해 수여된 승인 번호 DE-SC0001299 및 DE-FG02-09ER46577 하에 정부 지원을 받았다. 정부는 본 발명에서 소정의 권리를 갖는다.
투명 디스플레이는 과학자들 및 공학자들에 의해 오랫동안 추구되어 왔다. 2차원(2D) 투명 디스플레이는, 화상이 가시적 스크린 상에서 보이는 전통적인 디스플레이와 대조적으로 공기 중에서 부유한 상태로 보이는 화상을 형성할 수 있다. 특정 시각적 인상을 형성하는 외에도, 이러한 디스플레이는 광범위한 응용 분야를 가질 수 있다. 유리창은 홈시어터의 스크린으로 바뀔 수 있다. 안경은 미니 컴퓨터 스크린으로 될 수 있다. 차량의 방풍유리는 운전자의 시야를 차단하는 일 없이 지도 등과 같은 정보를 보여줄 수 있다. 점포의 디스플레이 창은 제품들뿐만 아니라 그들의 정보도 보여줄 수 있다.
많은 투명 디스플레이 기술이 존재하지만, 어느 것도 광범위한 용도를 갖지 못하였다. 액정 디스플레이(LCD)는 배면광을 제거함으로써 투명하게 만들어질 수 있지만, 이는 매우 투과성은 아니다(전형적인 투과율이 15% 미만일 수 있다). 유기 발광 다이오드(OLED)는 또한 투명하게 만들어질 수 있지만, 제품이 여전히 값비싸고 투과율도 제한된다(전형적으로 40% 미만). OLED 디스플레이는 가요성이고 접을 수 있게 만들어질 수 있으므로, 투명한 가요성 디스플레이가 또한 가능하다. 전계발광 디스플레이는 또한 투명하게 만들어지지만, 지금까지 단색으로 제한되어 왔다. 최근, 형광 필름이 자외선(UV) 광과 조합되어 투명한 다색 디스플레이를 만들지만; 형광 입자의 작은 발광 횡단면으로 인해 강력한 UV 광원, 예컨대, 초고성능(UHP) 램프가 요구된다.
이상의 내용을 감안하여, 본 명세서에 개시된 각종 독창적인 실시형태는, 일반적으로, 잠재적으로 낮은 제조 비용으로 깨끗한 디스플레이를 달성하는 것에 관한 것이고, 소비자 마켓에 투명 디스플레이를 제공할 수 있는 가능한 기술일 수 있다.
예시적인 실시형태들은, 투명 기판, 투명 기판 상에 배치된 적어도 하나의 나노입자, 및 나노입자와 광 통신하는 적어도 하나의 광원을 구비한 디스플레이를 포함한다. 광원으로부터의 단색 빔으로 나노입자를 조명함으로써, 나노입자가 뷰어의 방향으로 단색 빔의 적어도 일부를 산란시킨다.
기타 예시적인 실시형태들은 단색 광을 산란시키는 하나 이상의 나노입자를 구비한 디스플레이를 제조하는 방법들을 포함한다. 이러한 디스플레이는 약 1㎚ 내지 약 70㎚의 반치전폭(full-width half maximum)과 약 390㎚ 내지 약 760㎚의 중앙 파장을 지니는 산란 횡단면을 구비하는 적어도 하나의 나노입자를 약 390㎚ 내지 약 760㎚의 파장에서 약 60% 내지 약 100%(예컨대, 65%, 70%, 75%, 80%, 85%, 90% 또는 95%)의 투과율을 지니는 기판 상에 증착시킴으로써(depositing) 구성될 수 있다.
상기 개념 및 이하에 더욱 상세히 논의되는 추가의 개념(단 이러한 개념들은 상호 모순되지 않아야 함)의 모든 조합이 본 명세서에 개시된 본 발명의 주제의 일부로서 상정되는 것임을 이해해야 한다. 특히, 본 개시내용의 말기에 나타나는 청구된 주제의 모든 조합은 본 명세서에 개시된 본 발명의 주제의 일부로서 상정된다. 또한 참고로 편입된 임의의 개시내용에서 또한 나타날 수 있는 본 명세서에서 명확하게 이용되는 용어는 본 명세서에 개시된 특정 개념과 가장 일치하는 의미와 부합해야 하는 것임을 또한 이해해야 한다.
특허 혹은 출원 파일은 컬러로 실행된 적어도 하나의 도면을 포함한다. 컬러 도면(들)을 가진 이 특허 혹은 특허 출원 공보의 복사는 요청서와 필요한 비용을 지불하면 특허청에서 제공될 것이다.
당업자라면, 도면은 주로 예시적인 목적이며, 본 명세서에 기재된 발명적인 주제의 범위를 제한하고자 의도된 것이 아님을 이해할 것이다. 도면은 반드시 일정 척도로 된 것은 아니며; 몇몇 경우에, 본 명세서에 개시된 본 발명의 주제의 각종 양상은, 상이한 특징의 이해를 용이하게 하기 위하여 도면에서 과장하거나 확대해서 도시되어 있을 수 있다. 도면에서, 유사한 참조 부호는 일반적으로 유사한 특징부(예컨대, 기능적으로 유사하고/하거나 구조적으로 유사한 요소)를 지칭한다.
도 1a는 투명 산란 디스플레이의 개략도;
도 1b는 도 1a의 투명 산란 디스플레이에서 사용하기에 적합한 청색 산란 입자에 대한 산란 횡단면(실선) 및 흡수 횡단면(파선)의 그래프;
도 1c는 도 1a에 도시된 투명 산란 디스플레이의 클로즈업 도면;
도 1d는 3차원 화상을 시청하는데 이용되는 도 1a에 도시된 투명 산란 디스플레이의 스크린을 도시한 도면;
도 2는 산란하는 나노입자의 미리 결정된 패턴을 지니는 다층 투명 산란 디스플레이의 개략도;
도 3은 산란 입자를 제조하는데 적합한 각종 재료의 유전체 기능으로부터 유도된 파장-선택적 산란 성능을 나타낸 그래프;
도 4A는 청색 광을 강하게 산란시키고 투명 산란 디스플레이에서 사용하기에 적합한 은-코팅된 실리카 나노입자(삽도)에 대한 산란 횡단면(실선) 및 흡수 횡단면(파선) 대 파장의 그래프;
도 4B는 녹색 광을 강하게 산란시키고 투명 산란 디스플레이에서 사용하기에 적합한 은-코팅된 실리카 나노입자(삽도)에 대한 산란 횡단면(실선) 및 흡수 횡단면(파선) 대 파장의 그래프;
도 4C는 적색 광을 강하게 산란시키고 투명 산란 디스플레이에서 사용하기에 적합한 은-코팅된 실리카 나노입자(삽도)에 대한 산란 횡단면(실선) 및 흡수 횡단면(파선) 대 파장의 그래프;
도 5A는 청색 광을 강하게 산란시키고 투명 산란 디스플레이에서 사용하기에 적합한 이산화티타늄 나노셸(삽도)에 대한 산란 횡단면(실선) 및 흡수 횡단면(파선) 대 파장의 그래프;
도 5B는 녹색 광을 강하게 산란시키고 투명 산란 디스플레이에서 사용하기에 적합한 실리콘 나노셸(삽도)에 대한 산란 횡단면(실선) 및 흡수 횡단면(파선) 대 파장의 그래프;
도 6은 r = 115㎚의 반경을 지니는 고체 실리콘 나노구체(nanosphere)에 대한 산란 횡단면 대 파장의 그래프;
도 7a는 투명 산란 디스플레이를 제조하는 제1 공정을 도시한 도면;
도 7b는 투명 산란 디스플레이를 제조하는 제2 공정을 도시한 도면;
도 7c는 투명 산란 디스플레이를 제조하는 제3 공정을 도시한 도면;
도 8A는 약 5 ㎍/㎖ 농도의 PVA 중 구형 은 나노입자의 용액에 대한 측정된 소광 횡단면(실선) 및 이론적 소광 횡단면(파선) 대 파장의 그래프;
도 8B는 약 10 ㎍/㎖ 농도의 폴리비닐 알코올(PVA) 중 구형 은 나노입자의 용액에 대한 측정된 소광 횡단면(실선) 및 이론적 소광 횡단면(파선) 대 파장의 그래프;
도 8C는 정렬축을 따라 편광된 광으로 조명된 경우 함께 점착되는 (예컨대, 도 9A의 삽도에 도시된 바와 같은) 두 은 나노입자에 대한 이론적 소광 횡단면 대 파장의 그래프;
도 9A는 투명 산란 디스플레이에서와 같은 PVA 필름(삽도)에 매립된 직경 62㎚ ± 4㎚의 은 나노입자에 대한 측정된 투과율 스펙트럼(실선) 및 예측된 투과율 스펙트럼(파선)의 그래프;
도 9B는 도 9A의 은 나노입자에 대한 산란(일점-파선) 및 흡수(2점 파선)로부터의 측정된 소광비(실선), 예측된 소광비(파선) 및 예측된 기여도의 그래프;
도 10a는 매사추세츠 공과 대학(MIT) 로고를 지닌 3개의 커피 머그잔의 전면(front)에 배치된 투명 산란 디스플레이의 상부 부분 상에 투사된 MIT 로그의 컬러 사진;
도 10b는 MIT 로고를 지닌 3개의 커피 머그잔의 전면에서 통상의 유리 1매 상에 투사된 MIT 로고의 컬러 사진;
도 11a는 흑색 뒤판을 지닌 투명 산란 디스플레이 상에 투사된 MIT 로고의 컬러 사진;
도 11b는 한 장의 백지 상에 투사된 MIT 로고의 컬러 사진;
도 12는, 협대역 자기 공명을 지원하는 형상을 지니는 금속성 나노입자를 도시한 도면.
광 투사에 기초한 전통적인 디스플레이 시스템-예를 들어, 프리젠테이션으로 그리고 영화관에서 사용되는 프로젝터-에서, 스크린은 뷰어가 스크린 상의 화상을 볼 수 있도록 투사된 광의 산란을 최대화하기 위하여 불투명하다. 이러한 경우에, 스크린은 광을 효율적으로 산란시키지만 투명할 수는 없다. 기존의 투명한 2D 및 3D 레이저 디스플레이 기술은, 전자기 스펙트럼의 가시 부분에서는 투명하지만 전자기 스펙트럼의 UV 또는 IR 영역에서는 그렇지 않은 스크린을 이용해서 자외선(UV) 또는 적외선(IR) 광을 가시광으로 변환시킨다. 스크린 상의 형광 또는 비선형 재료는 UV 또는 IR 광을 뷰어에게 표시되는 가시광으로 변환시킨다. 형광 또는 비선형 변환은 스크린 투명성을 가능하게 하지만, 대부분의 형광 또는 비선형 재료는 입사광을 효율적으로 변환시키지 못한다(환언하면, 이들은 낮은 주파수-변환 효율에 시달린다). 그 결과, 형광 및 비선형 디스플레이는 전형적으로 고출력 광원인 UV/IR 광원을 이용한다.
그러나, 본 명세서에서 설명되는 바와 같이, 둘 다 실질적으로 가시 파장에서 투명하고 가시 조명을 디스플레이 화상에 효율적으로 사용하는 수동적 스크린을 제작하는 것이 가능하다. 이것은 모순되게 들리지만, 다음과 같이 설명될 수 있다. 태양광 및 실내/실외 조명 기구(예컨대, 백열광 전구, 형광 램프 등)로부터의 광은 광범위한 파장을 포함한다. 그러나, 3개 이상의 특정 파장-예를 들어, 적색, 녹색 및 청색(RGB)-에서의 단색광의 혼합물은 인간이 인지하는 거의 모든 색을 생산하기에 충분하다. 이것은 특정 파장 부근의 협대역 영역에서를 제외하고 가시 스펙트럼에서 투명한 스크린(디스플레이)을 작성하는 것을 가능하게 한다.
예시적인 투명 산란 디스플레이는 대부분의 인간이 용이하게 인지할 수 있는 컬러 화상을 생성하기 위하여 하나 이상의 특정 가시 파장에서 강하게 산란되고 모든 다른 가시 파장에서 투과되는 나노입자를 사용한다. 예를 들어, 투명 산란 디스플레이는 하나 이상의 미리 결정된 협대역 파장 범위에서 약 30 내지 70%(예컨대, 35%, 40%, 45%, 50%, 55%, 60% 또는 65%)를 산란시키고, 이들 파장 범위 밖의 입사 가시광의 20% 또는 그 이상(예컨대, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90% 또는 100%)을 투과시킬 수도 있다. 나노입자는 투명 산란 스크린을 형성하기 위하여 투명 기판 상에 코팅되거나 투명 기판 내에 매립되거나, 또는 1쌍의 투명 기판 사이에 샌드위치될 수 있다. 특정 파장(들)에서의 나노입자의 산란 효율이 충분히 높다면, 하나 이상의 특정 파장에서 레이저, 발광 다이오드 혹은 기타 스펙트럼적으로 간섭성인 공급원으로부터의 비교적 저파워 빔으로 투명 산란 스크린을 조명하는 것은 스크린의 전면에 혹은 뒤에서 관찰자에게 가시적인 화상을 생성한다.
나노입자의 산란 파장 및 광원에 따라서, 투명 산란 디스플레이는 단색 혹은 다색일 수 있다. 예를 들어, 나노입자가 약 450㎚에서 혹은 그 부분에서 단지 파장에서만 강하게 산란된다면, 디스플레이는 청색일 것이다. (흑색 디스플레이를 위하여 나노입자를 흡수하는 것도 또한 가능하다). 마찬가지로, 다수 파장(예컨대, 450㎚ 및 650㎚)에서 강하게 산란되는 나노입자를 구비한 투명 산란 디스플레이는 다색 화상을 표시하는데 사용될 수 있다. 그리고 3 이상의 특정 파장(예컨대, 450㎚, 550㎚ 및 650㎚)에서 강하게 산란되는 나노입자를 구비한 투명 산란 디스플레이는 풀-컬러 디스플레이로서 사용될 수 있다.
풀-컬러 투명 디스플레이는 적절하게 가중된 양의 적색, 녹색 및 청색 광을 배합하여 목적으로 하는 색을 얻는 부가적인 컬러 방식에 기반할 수 있다. 예를 들어, 적색과 청색을 첨가하는 것은 마젠타색를 얻고, 청색과 녹색을 첨가하는 것은 사이안색을 얻으며, 녹색과 적색을 첨가하는 것은 황색을 얻는다. 적색-, 녹색- 및 청색-산란 입자(또는 다른 적절한 세트의 산란 입자)를 호스팅하는 투명 스크린에 색을 첨가하는 것은 단순히 적절하게 가중된 강도를 지니는 적색, 녹색 및 청색 광의 빔으로 스크린 상에 단일 스팟을 조명하는 상황이다. 빔이 눈의 통합 기간보다 빠른 비율로 스크린을 가로질러 주사됨에 따라서 빔의 강도가 변조된다면, 빔은 스크린 상에 풀-컬러 화상으로서 관찰자에게 보이는 것을 생성한다. 강도 변조 및/또는 주사 패턴을 변화시켜 애니메이션 화상을 생성한다.
나노입자는 특정 파장 부근의 협대역 영역 내에서만 광을 산란 혹은 흡수하므로, 투명 산란 디스플레이는 기판이 또한 비교적 투명하다면 정상 조명 조건 하에서 투명하게 보일 수 있다. 사실 상, 예시적인 투명 산란 디스플레이는 90% 또는 그 이상의 전자기 스펙트럼의 가시적인 부분의 투명도를 나타낼 수 있지만, 산란 파장(들)에서 입사 레이저 광의 90% 또는 그 이상을 산란시킨다. (나노입자의 특성에 따라서 더 높거나 더 낮은 산란 퍼센트도 가능하다.) 이러한 높은 산란 효율은 비교적 낮은 강도(예컨대, 약 1　mW 또는 그 이상의 강도) 빔으로 스크린을 조명하는 것을 가능하게 하며, 이것은 이어서 비교적 낮은 소비전력에서 디스플레이의 광원을 작동시키는 것을 가능하게 한다.
예시적인 투명 산란 디스플레이들은 동화상(예컨대, 비디오 데이터), 정지 화상 등을 표시하는데 사용될 수 있다. 이들은 헤드-업 디스플레이; 안경/스펙터클 디스플레이(예컨대, 구글 글라스(Google Glass)); 컨택트 렌즈 디스플레이; 고글-기반 디스플레이; 대면적 디스플레이 등등에 사용하는데 적합할 수 있다. 이용 가능한 디스플레이 크기는 기판 크기와, 광원의 주사/조명 범위에 좌우되며, 재생률은 광원의 주사율에 좌우된다. 정확한 구현예에 따라서, 투명 산란 디스플레이는 영화, 텔레비전 프로그램, 비디오 게임, 컴퓨터 디스플레이, 광고판(billboard), 실외 및 실내 광고 디스플레이 등을 표시하는데 사용될 수 있다.
투명 산란 디스플레이는 또한 조명 목적을 위하여 사용될 수 있다. 스크린은, 디스플레이 화상에 사용하는 대신에, 예를 들어, 산란 파장이 가시 스펙트럼에 걸쳐 있는 산란 입자의 앙상블을 선택함으로써, 백색 확산광 및 가능하게는 기타 색도 생성하는데 사용될 수 있다. 정확한 색은 나노입자의 산란 파장(들)과 광원에 의해 방출되는 빔의 파장 및 상대 강도에 따라 맞춤화될 수 있다. 투명 산란 디스플레이를 사용하는 조명은, 예컨대, 가정, 사무소 및 기타 건물 내의 창을 조명의 공급원으로 바꾸고 천장의 광 전구를 교체 혹은 보충함으로써, 대면적 조명을 위한 잠재성과 연결된 LED 조명의 에너지 효율을 제공한다. 이것은 자연의 태양광과 보다 친밀한 조명을 생성할 수 있다.
필요한 경우, 투명 산란 디스플레이는 IR 또는 UV 광을 산란시키는 입자를 호스팅하기 위하여 도핑되거나 사용될 수 있다. 이들 IR- 또는 UV-산란 입자를 조명하는 것은 적절하게 구성된 카메라로 검출될 수 있는 IR 또는 UV 화상을 생성한다.
전면 혹은 배면 광 조명을 구비한 투명 산란 디스플레이
도 1a는 전면 또는 후면으로부터의 조명을 이용해서 풀-컬러 화상을 표시하는데 적합한 투명 산란 디스플레이(100)의 개략도이다. 디스플레이(100)는 광, 특히, 가시 파장에 대해서만 강력한 산란과 낮은 흡수 손실을 지니는 나노입자들(114)를 호스팅하는 투명 매체(기판(112a 및 112b))로 제작된 수동식 스크린(110)을 포함한다. 광대역 주변 광원(예컨대, 태양광, 백열광 전구 또는 형광 램프)에 의해 조명된 경우, 이 스크린(110)은, 충돌 광의 단지 작은 분획만이 흡수되거나 산란되므로 실제로 투명하다. 그러나, 특정 가시 파장들 중 하나 이상에서 스펙트럼적으로 간섭성인 광원(120)으로부터의 단색 조명 하에, 스크린(110)은 유입되는 광을 모든 방향으로 강하게 산란시킨다. 이와 같이 해서, 조작자는 이러한 외견상 투명한 스크린(110) 상으로 산란 파장(들)에서 컬러 화상을 효율적으로 투사할 수 있다. 통상의 프로젝터 스크린과 유사하게, 이 스크린(110) 상의 화상은 경면 반사를 통해서라기보다는 오히려 산란을 통해서 보이므로, 시야각이 비교적 무제한이다. 또한, 산란은 비선형 프로세스를 포함하지 않으므로 고도로 효과적이고, 이에 따라서 광원(120)은 개인용 레이저 프로젝터 등과 같은 저-파워 공급원일 수 있다.
스크린(110)은 1쌍의 실질적으로 투명한(예컨대, 90%, 95% 또는 99% 투명한) 기판(112a 및 112b) 사이에 샌드위치된 산란 나노입자들(114)의 층(116)으로 형성된다. 기판(112a 및 112b)은, 유리, 플라스틱, 아크릴 및 중합체를 포함하지만 이들로 제한되는 것은 아닌 임의의 적절한 재료로 형성될 수 있다. 기판은 강성 혹은 가요성일 수 있고; 예를 들어, 이것은, 예컨대, 윈도우 디스플레이에서 사용될 경우 판 유리와 같이 강성일 수 있거나, 예컨대, 가요성 디스플레이로서 사용될 경우 플라스틱의 시트와 같이 가요성일 수 있다. 예를 들어, 기판(112a 및 112b)은 1인치 미만의 반경을 지니는 원통으로 말리기에 충분한 가요성인 얇은 플라스틱 시트일 수 있다. 마찬가지로, 기판은, 적용 분야 및 나노입자 농도에 따라서, 두껍거나 얇을 수 있고, 예컨대, 0.1㎜, 0.25㎜, 0.5㎜, 0.75㎜, 1.0㎜, 2.5㎜ 또는 그 이상일 수 있다. 필요한 경우, 기판(112a 및 112b)은, 불투명 혹은 확산 투과율의 면적 등과 같이 특정 효과를 달성하기 위하여, 염색되거나 텍스처링되거나 또는 기타 패턴화되어 있을 수 있다.
기판(112a 및 112b) 사이에 샌드위치된 산란 나노입자들(114)의 층(116)은 이하에 더욱 상세히 설명되는 바와 같이 기판(112a 및 112b) 중 하나 또는 둘 다 상에 나노입자 용액을 코팅, 인쇄, 도장, 분사 또는 기타 증착시킴으로써 형성될 수 있다. 몇몇 경우에, 기판(112a 및 112b)은 나노입자 층의 두께 및 표면이 비교적 균일한 것을 확실하게 하고 기포를 제거하기 위하여 함께 프레스 가공되어 있을 수 있다. 나노입자의 층(116)은 가장 큰 나노입자(114)의 직경과 같이 얇을 수 있고; 이것은 또한 더 두꺼울 수 있고, 예컨대, 나노입자들(114)가 함께 응집되어 있는지의 여부와, 나노입자의 층(116)이 기판(112a 및 112b)을 분리시키는 매트릭스(예컨대, 중합체 매트릭스)를 포함하는지의 여부에 따라서, 가장 큰 나노입자의 직경의 수 배일 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 스페이서(도시 생략)는 나노입자들(114)을 보유하는 공동부(cavity)를 형성하기 위하여 기판(112a 및 112b)을 분리시킬 수 있다.
나노입자의 층(116) 내의 산란 나노입자들(114)은 디스플레이의 광축(즉, 기판(112a 및 112b)의 표면에 수직인 축)을 따라 볼 때 주기적, 비주기적 또는 랜덤 방식으로 분포될 수 있다. 몇몇 경우에, 나노입자들(114)은 약 108㎝-2 내지 약 1011㎝-2(예컨대, 5 × 108㎝-2, 109㎝-2, 5 × 109㎝-2, 1010㎝-2 또는 5 × 1010㎝-2)이 면 밀도를 지니는 나노입자의 층(116) 내에 (만약 랜덤하다면) 균일하게 분포되어 있다. 부피 밀도는 약 1010㎝-2 내지 약 1013㎝-2(예컨대, 5 × 1010㎝-2, 1011㎝-2, 5 × 1011㎝-2, 1012㎝-2 또는 5 × 1012㎝-2)일 수 있다. 기타 면 및 부피 밀도도 또한 가능하다. 다른 경우에, 나노입자들(114)은, 예컨대, 스크린(110) 상에 불투명한 영역 혹은 투명한 영역을 형성하도록, 소정의 영역에 다소 치밀하게 분포될 수 있다.
나노입자들의 횡단면(들) 및 농도를 고려해볼 때, 스크린(110)의 두께는, 목적으로 하는 파장 λ0에서 나노입자 산란 횡단면(들)과 나노입자 밀도와 스크린 두께의 곱인 소광(이것은 보다 높은 산란 효율을 위하여 더 높아야 함)과, 공명을 벗어난 소광(이것은 더 높은 투명도를 위하여 낮아야 함)의 균형을 이루도록 채택되어야 한다. 일반적으로, 스크린(110)은, λ0에서 광의 절반을 초과하는 부분이 산란되도록 충분히 두꺼워야 하지만, 공명으로부터 벗어난 광의 절반을 초과하는 부분이 투과되도록 충분히 얇아야 한다.
산란 나노입자들(114)은, 구체, 타원체, 편평 타원체 및 장축 타원체를 포함하지만 이들로 제한되는 것은 아닌 임의의 적절한 형상일 수 있다. 이들은 단일 재료로 이루어진 고체 입자, 중공 입자, 또는 외부층으로 코팅된 고체 입자일 수 있다. 나노입자는 또한 도 12에 도시된 바와 같은 전류 루프의 형상을 지원하는 형상을 가진 금속성 나노입자(1214)로서 만들어져 있을 수도 있다. 이러한 나노입자는 고체 나노입자보다 좁은 대역폭을 지닐 수 있는 자기 공명을 지원할 수 있다.
나노입자들(114)은, 실리카, 실리콘 및 이산화티탄을 포함하는 유전체 재료; 은, 금 및 구리를 포함하는 금속; 및 유전체 재료와 금속의 조합물을 포함할 수 있다. 그들의 외경은 약 5㎚ 내지 약 250㎚ 범위(예컨대, 10㎚, 15㎚, 20㎚, 25㎚, 30㎚, 35㎚, 40㎚, 45㎚, 50㎚, 55㎚, 60㎚, 65㎚, 70㎚, 75㎚, 80㎚, 85㎚, 90㎚, 또는 95㎚, 100㎚, 125㎚, 150㎚, 175㎚, 200㎚ 또는 225㎚)일 수 있다. 나노입자의 정확한 형상, 크기 및 조성은 목적으로 하는 산란 특성에 좌우될 수 있다.
이하에 더욱 상세히 설명되는 바와 같이, 나노입자들(114)은 그들의 조성 및 크기에 따라서 하나 이상의 특정 파장에서 입사광을 산란시킨다, 필요에 따라서, 나노입자들(114)은 상이한 유형의 나노입자를 포함할 수 있고, 이들 각각은 하나 이상의 파장에 대해서 센터링된 협대역 영역에서만, 또는 예를 들어, 약 460㎚, 약 530㎚ 및 약 650㎚에서 광을 산란시킨다. (나노입자들(114)은 가시 스펙트럼 내의 다른 파장에서 무시 가능한 양의 광을 산란 및 흡수한다). 예를 들어, 나노입자들(114)은 적색-산란 나노입자들(114a), 녹색-산란 나노입자들(114b) 및 청색-산란 나노입자들(114c)을 포함할 수 있다. 이들 적색-산란 나노입자들(114a), 녹색-산란 나노입자들(114b) 및 청색-산란 나노입자들(114c)은, 동등한 비율로, 상이한 색에 대한 인간의 눈의 민감도에 의거해서 가중된 비율로, 또는 임의의 기타 목적으로 하는 비율로 혼합될 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 나노입자들(114)의 일부 혹은 전부는 다수의 파장에서(예컨대, 적색, 녹색 및 청색에 대응하는 파장에서) 광을 산란시키도록 구성될 수 있다. 산란 나노입자들(114)의 기타 혼합물(예컨대, 단색, 2색 등)이 또한 가능하다.
도 1b는 청색-산란 나노입자(114b)에 대한 산란 횡단면(실선) 및 흡수 횡단면(파선) 대 파장의 그래프이다. 이 그래프는 청색-산란 나노입자(114b)가 약 460㎚의 파장에서 광을 강하게 산란시키지만, 가시 스펙트럼 내의 임의의 다른 파장에서 광을 상당히 산란시키지 못하는 것을 나타내고 있다. 이것은 또한 청색-산란 나노입자(114b)가 가시 스펙트럼 내의 임의의 광을 거의 흡수하지 못하는 것도 나타내고 있다. 그 결과, 청색-산란 나노입자(114b)는 약 460㎚에서 센터링된 협대역 영역에서의 것을 제외하고 가시 스펙트럼 내의 모든 파장에서 효과적으로 투명하다.
동작 시, 광원(120)은 나노입자의 산란 파장들 중 하나 이상에서 나노입자들(114)을 조명한다. 이 구현예에 따라, 광원(120)은 하나 이상의 레이저, 발광 다이오드(LED), 또는 나노입자들(114) 중 하나 이상에 의해 산란된 파장들에서 광을 발생하도록 구성된 기타 스펙트럼적으로 간섭성 공급원을 포함할 수 있다. 예를 들어, 광원(120)은 약 460㎚의 파장에서 제1 빔(123a)을 방출하는 제1 레이저 다이오드(122a), 약 530㎚의 파장에서 제2 빔(123b)을 방출하는 제2 레이저 다이오드(122b), 및 약 650㎚의 파장에서 제3 빔(123c)을 방출하는 제3 레이저 다이오드(122c) (일괄적으로, 레이저 다이오드(122) 및 단색 레이저 빔(123))를 포함할 수 있다. 렌즈(124a, 124b 및 124c)(일괄적으로, 렌즈(124)) 및 기타 빔-정형 광학기기, 예컨대, 핀홀, 프리즘 및 회절 요소는, 발산을 방지하기 위하여 레이저 빔(123)을 시준하거나 혹은 느슨하게 포커싱한다. 도 1a에서 미러(126a) 및 이색성 빔 합성기(126b 및 126c)로서 표시된 빔-정형 광학기기(126)는, 다색 빔(121)을 형성하기 위하여 레이저 빔(123)들을 합성한다. 추가의 빔-정형 광학기기(도시 생략)는 나노입자층(114)의 평면 내 스팟에 다색 빔(121)을 포커싱할 수 있다.
대안적으로, 광원(120)은 광대역 광원(예컨대, 초고성능(UHP) 램프 또는 가정용 프로젝터)을 포함할 수 있다. 하나 이상의 이색성 필터 또는 대역통과 필터는 목적으로 하는 파장(들)을 선택한다. 광대역 광원이 단색이 아니므로, 그의 산란 효율은, 레이저 혹은 단색 공급원의 것만큼 높지 않을 수 있다. 그러나, 광대역 광원은 비교적 낮은 비용에서 레이저 다이오드보다 높은 파워를 제공할 수 있다.
스크린(110) 상에 화상을 생성하기 위하여, 빔-조향 요소(beam-steering element)(130)(이것은 갈보-주사 미러(galvo-scanning mirror) 또는 음향-광학 편향기를 포함할 수 있음)는 스크린 상의 상이한 영역으로 다색 빔(121)을 지향시킨다. 몇몇 경우에, 빔-조향 요소(130)는 광원(120) 내에 통합된 미세전자기계 시스템(MEMS) 장치(예컨대, 마이크로비전 SHOWW(MicroVision SHOWW) + 레이저 피코 프로젝터(Laser Pico Projector) 등)일 수 있다. 예를 들어, 빔-조향 요소(130)는 래스터 패턴(또는 임의의 기타 적절한 주사 패턴)을 따라 다색 빔(121)을 주사할 수 있는 한편 제어기(140)는 레이저 다이오드(122)에 의해 방출된 단색 레이저 빔(123)의 강도를 변조하여 스크린 상에 목적으로 하는 화상(들)을 생성할 수 있다. 프로세서, 메모리, 통신 인터페이스, 사용자 인터페이스 및 임의의 기타 적절한 컴포넌트들을 포함할 수 있는 제어기(140)는, 비디오 또는 화상 데이터 공급원, 또는 둘 모두로부터 입력되는 사용자 입력에 응답하여 빔-조향 요소(130) 및 광원(120)을 제어하여, 스크린(110) 상에 특정 화상 혹은 일련의 화상을 형성할 수 있다.
도 1c는 다색 빔(121)에 의해 조명된 스크린(110)의 횡단면의 클로즈업 도면이다. 다색 빔(121)은 적어도 하나의 적색-산란 나노입자(114a)와 적어도 하나의 청색-산란 나노입자(114b)를 비롯하여 수개의 나노입자(114)를 조명하는 스팟(125)을 형성한다. 적색 광(123a)은 적색-산란 나노입자(114a)를 산란시켜 산란된 적색 광(111a)을 생성하고, 청색 광(123b)은 청색-산란 나노입자(114b)를 산란시켜 산란된 청색 광(111b)을 생성한다. 스크린(110)을 보는 관찰자(1 및 3)는 스크린(110) 상의 자색 스팟으로서 산란된 적색 광(111a)과 산란된 청색 광(111)을 인지할 수 있다.
포커싱된 스팟의 크기와 나노입자 밀도는 함께 디스플레이의 화소 크기 또는 해상도를 설정하고; 포커싱된 스팟이 적어도 하나의 나노입자(114)를 포함하도록 충분히 크다면, 관찰자에게 보이는 산란된 광을 생성해야 한다. 그러나, 종래의 디스플레이와 달리, 투명 산란 디스플레이(100)의 화소 크기는, 포커싱된 스팟 크기를, 예컨대, 줌 렌즈를 사용해서, 단순히 증감시킴으로써 플라이(fly) 상에 조절될 수 있다. 또한, 포커싱된 스팟 크기는, 예컨대, 종래의 픽셀화된 디스플레이로 달성 가능한 가장 미세한 해상도보다 훨씬 더 미세한 해상도를 위하여 조명 파장의 차수에 대해 매우 작을 수 있다. (그러나, 몇몇 경우에, 빔-조향 요소의 주사 능력은 개별적 주사 각/위치의 수가 포커싱된 스팟 크기에 의해 분할된 디스플레이의 면적보다 작다면 디스플레이 상의 해상가능한 스팟의 수를 제한할 수 있다.)
도 1d는 투명 스크린(110)이 편광 다중화를 이용하는 3차원(3D) 시청 효과를 달성하는데 어떻게 이용될 수 있는지를 나타낸다. 제1 편광 광원(152a)은 제1 편광 빔(153a)(예컨대, 도 1d에 도시된 바와 같은 우측 원형 편광 빔)으로 스크린(110) 상에 제1 편광 화상(151a)을 투사한다. 제2 편광 광원(152b)은 제2 편광 빔(153b)(예컨대, 도 1d에 도시된 바와 같은 좌측 원형 편광 빔)으로 스크린(110) 상에 제2 편광 화상(151b)을 투사한다. 관찰자(5)는 필터(162a 및 162b)로 한쪽 눈용의 우측 원형 편광을 그리고 다른 쪽 눈용의 좌측 원형 편광을 필터링하는 안경(160)을 이용해서 중첩된 화상을 시청한다. 각 눈은 상이한 화상을 인지하여, 3D 효과가 얻어질 수 있다. 이것은 투명 스크린(110) 상에서 행해지는데, 그 이유는 다수 산란이라기보다 오히려 단일 산란 이벤트로부터 기인되므로, 산란된 광은 입사광의 편광 상태를 유지하기 때문이다.
당업자라면 디스플레이(100)가 도 1a에 도시된 것 대신에 다른 구성을 사용할 수 있음을 용이하게 이해할 것이다. 예를 들어, 광원(120)은 레이저 다이오드 대신에 적색광, 녹색광 및 청색광을 발광하는 LED들을 포함할 수 있다. 적, 녹 및 청색 빔은, 예컨대, 각 빔의 개별적인 빔-조향 요소를 이용함으로써 독립적으로 조향될 수 있다. 디스플레이는 또한 각각의 수순의 펄스화된 단색 빔, 예컨대, 적색 빔(121a), 이어서 녹색 빔(121b), 그 후에 청색 빔(121c)을 조향하도록 단일 빔-조향 요소를 사용할 수 있다. 빔-정형 광학기기(124) 및 빔-합성 광학기기(126)는 또한 목적으로 하는 스팟 크기(디스플레이 해상도), 작동 거리(광원(120)으로부터 스크린(110)까지의 거리) 등에 따라서 선택될 수 있다.
다층 투명 산란 디스플레이
도 2는 스크린의 전면에 그리고 뒤에서 관찰자에게 보이는 화상을 생성하기 위하여 선택적으로 산란 나노입자들(214)을 사용하는 다층 투명 산란 디스플레이(200)를 예시하고 있다. 도 1a에 도시된 디스플레이(100)와 같이, 다층 투명 산란 디스플레이(200)는 스크린(210)과 광원들(222a 및 222b)(일괄적으로, 광원들(222))을 포함한다. 이 경우에, 그러나, 스크린(210)은 3개의 실질적으로 투명한 기판, 즉, 제1 기판(212a), 제2 기판(212b) 및 제3 기판(212c)(일괄적으로, 기판(212))을 포함한다. 이들 기판(212)은 유리, 플라스틱, 아크릴 또는 임의의 기타 적절한 재료로 제조되어 있을 수 있다. 그들의 두께 및 강성도/가요성은 위에 설명된 바와 같은 응용 분야에 기초하여 선택될 수 있다.
스크린(210)은 또한 2개의 나노입자 층, 즉, 제1 파장(예컨대, 460㎚)에서 광을 산란시키는 나노입자들(214a)을 포함하는 제1 나노입자 층(216a)과 제2 파장 (예컨대, 650㎚)에서 광을 산란시키는 나노입자들(214b)을 포함하는 제2 나노입자 층(216b)(일괄적으로, 나노입자(214) 및 나노입자 층(216)))을 포함한다. 주어진 나노입자 층(216)은, (예컨대, 도 1a의 디스플레이(100)에서와 같이) 하나보다 많은 유형의 나노입자(214)를 포함할 수 있다. 필요한 경우, 나노입자들(214)은 미리 결정된 패턴으로 기판들(216) 사이에 배열되거나 증착될 수 있다. 예를 들어, 나노입자들(214)은, 로고, 문자, 숫자(예컨대, 도 2에 도시된 바와 같은 숫자 "1" 및 "2"), 또는 산란 파장(들)에서 광으로 스크린(210)을 조명함으로써 표시될 수 있는 기타 패턴을 형성하도록 배열될 수 있다.
도 2는 또한 단색 광의 발산 빔들(221a 및 221b)(일괄적으로, 발산 빔(221))으로 스크린(210)을 조명하도록 배치된 1쌍의 광원(222a 및 222b)을 도시하고 있다. 이 예에서, 제1 광원(222a)은 제1 나노입자 층(216a)에서 나노입자들(214a)에 의해 산란된 파장에서 제1 발산 빔(221a)을 방출하고, 제2 광원(222b)은 제2 나노입자 층(216b)에서 나노입자들(214b)에 의해 산란된 파장에서 제2 발산 빔(221b)을 방출한다. 스크린(210) 전체를 발산 빔(221)으로 조명함으로써 나노입자들에 의해 형성된 패턴의 형상으로 스크린(210) 상에 화상을 나타나게 한다. 발산 빔(221)은, 필요에 따라서, 플리커링, 이동, 변색 등을 나타내는 화상을 생성하도록 온 및 오프 상태로 전환(변조)될 수 있다.
산란 나노입자
도 1a 및 도 2에 도시된 투명 산란 디스플레이 내의 나노입자들은 특정 파장에서 첨예하게 피크로 되고 실질적으로 가시 스펙트럼의 나머지를 통해서 제로로 되는 산란 횡단면들을 구비한다. 이들은 또한 가시 스펙트럼을 통해서 실질적으로 제로인 흡수 횡단면들을 구비한다. 가시 스펙트럼을 통한 기판의 실질적인 투명도와 조합된, 선택적 산란 및 낮은 흡수의 이러한 조합은, 디스플레이 자체가 실질적으로 투명할 수 있는 것을 의미한다.
금속-코팅된 나노입자에서의 표면 플라스몬 공명, 공명 특성(예컨대, 공동부), 및 파노(Fano) 공명(이들은, 상기 공명과 배경 산란 가능성 간의 간섭으로 인해 비대칭 프로파일을 나타내는 공명임)을 비롯하여 나노입자의 파장-선택적 협대역 산란(공명 scattering)을 달성하기 위하여 수개의 방법이 있다. 높은-지수 유전체 나노입자 등과 같은 기타 입자, 및 보다 고차 공명 등과 같은 다른 유형의 공명은 또한 적절한 파장-선택적 산란을 나타낼 수 있다. 게다가, 나노입자의 크기, 형상 및 조성이 특정 산란 파장, 대역폭 및 대역형상을 달성하기 위하여 선택될 수 있다.
당업자가 이해하는 바와 같이, 입자가 입사광의 파장보다 훨씬 작은 경우(예컨대, 나노입자), 그 입자는 실질적으로 간극이 일정한 국소 전자기장을 경험한다. 그 결과, 이러한 작은 입자의 광학 응답은, 대응하는 정전 문제로부터 결정될 수 있다. 이것은 준정적 근사(quasi-static approximation)(또한 정전기 근사 혹은 쌍극자 근사라고도 알려져 있음)라 불린다.
준정적 근사는 작은 금속성 입자의 국소화된 표면 플라스몬 공명에서 산란 횡단면의 첨예도를 추산하는데 사용될 수 있다. 이 편차는 일반적이며, 구체, 타원체, 편평 타원체 및 장축 타원체를 포함하지만 이들로 제한되는 것은 아닌 임의의 입자 형상에 적용된다. 준정적 근사에 있어서, 유입 광의 편광 및 각도에 걸쳐 평균화된 산란 횡단면 σsca는 다음과 같이 기록될 수 있다:
Figure pct00001
식 중, 꺽쇠 괄호는 편광 및 각도에 걸친 평균치를 나타내고, k = 2π√ε m/λ는 주변 매체(유전 상수 ε m이 순수하게 실수이고 양의 값임)의 파수이며, α1, α2 및 α3은 3개의 직교 방향에서 입자의 정적 분극률이다. 입자는 균일한 재료(예컨대, 고체 구체) 또는 다수 재료의 복합체(예컨대, 코어-셸 구조)일 수 있다.
파장-선택적 산란을 달성하는 하나의 방법은, 금속성 나노입자의 국소화된 표면 플라스몬 공명을 사용하는 것이다. 어떠한 특정 이론에도 구속되는 일 없이, 당업자는, 금속 나노입자의 유전 상수가 일부 파장 범위에서 음의 실수 부분을 가질 것이기 때문에 해당 금속 나노입자가 표면 플라스몬을 지지할 수 있음을 알 것이다. 특히, 금속성 나노입자는 대략 파장 λ0에서 일어나는 국소화된 표면 플라스몬 공명을 지지하며, 이를 위하여 다음과 같이 표현된다:
Figure pct00002
(구체를 위하여, 이 조건은 Re(ε(λ0)) = -2εm으로 간단화될 수 있다.) 공명 부근에서, 정적 분극률(αj)은 평균화된 산란 횡단면에 대한 주된 기여도를 제공하므로, 온-공명(λ0에서) 산란 횡단면과 오프-공명(관심 대상인 작은 Δλ에 대해서 λ0 + Δλ에서) 산란 횡단면 간의 비는 대략 다음과 같다:
Figure pct00003
.
이 표현은, 분극률을 유리 함수로서 기재하고 그리고 Δλ에 의한 유전율의 실수 성분과 허수 성분의 변화를 그들의 온-공명값들에 대해서 작게 되도록 취함으로써 단순화될 수 있다. 구체, 코팅된 구체, 타원체 및 코팅된 타원체의 분극률에 대한 분석적 표현은, 문헌[C. F Bohren and D. R. Huffman, Absorption and Scattering of Light by Small Particles (Wiley, New York, 1998)]에서 볼 수 있으며, 이 문헌은 그의 전문이 참고로 본 명세서에 편입된다. 이들 분석적 표현 모두는 유리 함수의 형태를 취할 수 있다. 더욱 임의적 기하형태를 위하여, 분극률은 공명 부근의 유리 함수로서 종종 국소적으로 근사화될 수 있다.
등식 (3)에 이들 단순화된 것들을 적용함으로써, 유전상수 ε를 특징으로 하는 온-공명(λ0에서) 산란 횡단면과 오프-공명(관심 대상인 작은 Δλ에 대해서 λ0 + Δλ에서) 산란 횡단면 간의 비에 대한 다음의 식이 얻어진다:
Figure pct00004
.
등식 (4)로 유도되는 편차는, 임의의 입자 구체에 적용되고, 단지 입자가 파장 λ0보다 훨씬 더 작고 Δλ가 유전율이 많이 변화되지 않도록 충분히 작은 것만을 가정한다. 등식 (4)는, 국소화된 표면 플라스몬 공명에 적용되지만, 반드시 다른 유형의 공명에 적용되는 것은 아니다.
강력한 파장-선택적 산란을 위하여, 온-공명 산란 횡단면 σsca(λ0)는 오프-공명 산란 횡단면 σsca(λ0 + Δλ)보다 훨씬 커야만 하고, 이때 등식 (4)로 주어지는 비는 1보다 (훨씬) 커야만 한다. 커다란(예컨대, 1보다 훨씬 큰) 비를 달성하기 위하여, 등식 (4)는 나노입자 재료가 공명 파장 λ0 부근에서 작은 허수 성분 Im(ε)와 고속-변화 실수 성분 Re(ε)를 구비하는 유전 함수를 특징으로 해야 하는 것을 시사한다. 유전 함수가 특정 공명 파장 부근에서 작은 허수 성분과 고속-변화 실수 성분을 구비하는 재료는 무시 가능한 손실을 지니는 드루드 금속(Drude metal)을 포함한다.
도 3은, 상이한 금속에 대해서, 유전 함수 η = |Re(dε/dλ/Im(ε)|2의 허수 부분에 대한 파장에 관하여 유전 함수의 유도체의 실수 부분의 비의 제곱의 그래프이다. 환언하면, η는 산란 나노입자에서의 재료의 성능의 추정치를 제공하고, 보다 높은 값이 보다 높은 산란 및/또는 보다 낮은 흡수를 나타낸다. 도　3은, 현실적인 금속이 가시 스펙트럼의 드루드 모델(Drude model)로부터 유의하게 유도되고 손실되는 경향이 있음을 도시한다. 대부분의 가시 스펙트럼 내에서, 은은 통상의 금속 중에서 가장 높은 값의 η = |Re(dε/dλ/Im(ε)|2을 지니므로, 산란 나노입자에서 사용하기에 적합하다. 산란 나노입자를 제조하는데 적합한 기타 금속은 금 및 구리를 포함하지만 이들로 제한되는 것은 아니다.
위에서 언급된 바와 같이, 투명 산란 디스플레이에서 사용하기에 적합한 나노입자는, 가시 스펙트럼을 가로질러 균일하게 낮은 흡수 횡단면 σabs 및 공명 파장 λ0에서 높은 산란 횡단면 σsca를 지녀야만 하고, 가시 스펙트럼의 다른 곳에서 낮은 산란 횡단면 σsca를 지녀야 한다. 이들 파라미터는 이하의 성능지수(figure of merit: FOM)를 규정하는데 이용될 수 있다:
Figure pct00005
식 중, 오버라인(overline) 및 기호 max{. . .}는 각각 가시 스펙트럼(390㎚ 내지 750㎚)에서의 평균치 및 최대치를 나타낸다. FOM은 입자의 산란 및 흡수 횡단면의 절대치로 환산하는 대신에 비로서 정의되는데, 그 이유는 스크린의 총 산란 및 흡수가 스크린 상의 나노입자의 적절한 면 밀도를 선택함으로써 설정될 수 있기 때문이다. 숫자 2는 첨예한 산란을 위한 최적화와 낮은 흡수를 위한 최적화 간에 양호한 균형을 제공하는 경험적으로 결정된 가중치이다. (기타 경험적으로 결정된 가중치(예컨대, 1.5 내지 2.5의 범위 내의 숫자)도 또한 기능할 수 있다.) 그리고 최대 흡수 횡단면을 이용함으로써, 착색된 투명 스크린을 위하여 피크화된 흡수 횡단면 대신에 무색 투명 스크린에 대한 평탄한 흡수 스펙트럼을 위하여 FOM을 부여한다. 필요한 경우, FOM은 인간 눈의 스펙트럼 민감도를 고려해서 산란 횡단면과 흡수 횡단면의 파장-의존적 가중치를 포함하도록 조정될 수 있다.
필요한 경우, 등식 (5)에 정의된 FOM은 주어진 산란 파장, 산란 횡단면 및 흡수 횡단면에 대해서 나노입자의 크기 및 조성을 결정하는데 이용될 수 있다. 더욱 구체적으로, 나노입자는, 등식 (5)에 부여된 FOM 등과 같이, 적절한 성능지수를 이용하는 비선형 최적화 엔진과 산란 및 흡수 횡단면의 미-이론(Mie-theory) 계산을 조합함으로써 수치적으로 설계될 수 있다. 기타 적절한 성능지수는, 산란 횡단면의 반치전폭(FWHM) × 전체 가시 스펙트럼을 가로지르는 평균 소광 횡단면을 최소화함으로써, 또는 전체 가시 스펙트럼을 가로지르는 평균 소광 횡단면으로 나뉜 특정된 협대역 영역에 대한 평균 산란 횡단면으로서 정의될 수 있다. 성능지수에 기초한 비선형 최적화는 임의의 재료, 임의의 기하형태 그리고 기타 유형의 공명에 적용될 수 있다. 이 FOM-기반 최적화는 또한 가시 스펙트럼 내의 다수의 산란 횡단면 및/또는 상이한 스펙트럼 폭을 지니는 산란 횡단면을 구비하는 나노입자를 설계하는데 이용될 수 있다.
도 4A 내지 도 4C는 위에 기재된 비선형 최적화 공정을 이용해서 생성된 실리카로 이루어진 코어 및 은으로 이루어진 셸을 구비하는 구형 나노입자에 대한 산란 횡단면(실선) 및 흡수 횡단면(파선) 대 파장의 그래프이다. 도 4A 내지 도 4C의 삽도에 도시된 입자들은, 예를 들어, 전형적인 중합체 매트릭스의 전형인 굴절률 n = 1.44를 지니는 투명 매체에 매립되는 것을 가정하고 있는, 스퇴버 프로세스(
Figure pct00006
)를 이용해서 합성될 수 있다. 도 4A 내지 도 4C에 도시된 산란 및 흡수 횡단면은, 실리카에 대해서 n = 1.45 및 은의 파장-의존적 복합체 유전율의 실험치들을 이용해서 변환 행렬 방법으로 계산되었다. 입자 크기 분포는 표준 편차가 평균 약 10%인 가우스 분포에 따라서 가정되어 있다. 등식 (5)로부터의 FOM을 이용해서, 구현된 다단, 단일-연쇄 알고리즘을 통해서, 예컨대, 비선형 최적화 패키지 NLopt(http://ab-initio.mit.edu/wiki/index.php/NLopt에서 이용 가능함) 내에서 전체적인 최적화를 수행함으로써 코어 반경 및 셸 두께를 부여한다.
도 4A는, 30.8㎚ 두께의 은 셸로 코팅되고, 청색 레이저 광(λ0 = 458㎚)을 산란시키는, 약 1.3㎚의 반경을 지니는 실리카 나노구체를 도시하고 있다. 도 4B는, 15.8㎚ 두께의 은 셸로 코팅되고, 녹색 레이저 광(λ0 = 532㎚)을 산란시키는, 약 22.2㎚의 반경을 지니는 실리카 나노구체를 도시하고 있다. 그리고 도 4C는 11.0㎚ 두께의 은 셸로 코팅되고, 적색 레이저 광(λ0 = 640㎚)을 산란시키는, 약 34.3㎚의 반경을 지니는 실리카 나노구체를 도시하고 있다. 도 4A, 도 4B 및 도 4C에서의 파크들의 FWHM은 각각 약 66㎚, 약 62㎚ 및 약 69㎚이고, FOM은 각각 1.01, 0.91 및 0.81이다. 이들 FWHM에서도, 도 4A 내지 도 4C에 도시된 나노입자들의 어느 것이라도 호스팅하는 투명 기판은, 공명 파장(들)에서를 제외하고 실질적으로 투명하다.
도 5A 및 도 5B는, 각각, λ0 = 458㎚에서 청색 레이저 광을 산란시키는 이산화티타늄 나노셸 및 λ0 = 532㎚에서 녹색 레이저 광을 산란시키는 실리콘 나노셸의 계산된 산란 및 흡수 횡단면의 그래프이다. 이들 계산치는 셸 두께의 ±10% 랜덤 분포를 고려하고 있다. (어떠한 특정 이론에 의해서도 구속되는 일 없이, 준정적 근사는 나노셸이 비교적 크기 때문에 이들 나노셸 공명을 정확하게 기술할 수 없다.)
도 5A의 이산화티타늄 나노셸은 25.5㎚의 내부 반경, 70.1㎚의 외부 반경 및 FOM = 1.76을 지닌다. 도 5B의 실리콘 나노셸은 43.8㎚의 내부 반경, 68.2㎚의 외부 반경 및 FOM = 1.14를 지닌다. 나노셸의 공명은, 비교적 낮은 흡수 손실을 나타내지만, 비굴절률차(index contrast)는 공명을 위한 충분한 구속을 제공하기 위하여 충분히 높아야 한다. 도 5A 및 도 5B에서, 예를 들어, 나노셸의 코어 및 주변 매체는 굴절률 n = 1을 갖는 것으로 가정된다. 실제로, 코어 및 주변 매체는 60㎜까지의 투과 길이를 지니는 투명한 에어로젤 등과 같은 저굴절률 재료를 포함할 수 있다.
도 6은 약 115㎚의 반경을 지니는 실리콘 나노입자에 대한 산란 횡단면의 그래프이다. 산란 횡단면은 대체로 청색, 녹색 및 적색에 상응하는 파장에서 피크를 지닌다. 실리콘 나노입자는 또한 전자기 스펙트럼의 근적외 부분에서 광을 산란시키지만, 인간은 적외광을 볼 수 없기 때문에, 적외 산란은 디스플레이의 성능에 영향을 미칠 가능성은 없다.
투명 산란 디스플레이의 제조
도 7a 내지 도 7c는, 예컨대, 도 1a 및 도 2에 도시된 것과 같은 투명 산란 디스플레이에서 이용하기 위한 산란 나노입자를 지니는 스크린을 제조하는 상이한 공정들을 예시하고 있다. 나노입자들(714)은, 특정 파장(예컨대, 적색, 청색 및 녹색에 대응하는 파장)에서 산란을 제공하도록 선택된 형상, 크기 및/또는 조성을 지닐 수 있다. 나노입자들(714)은 또한 습식 화학, 물리적 기상 증착, 이온 주입 및 섬유 연신을 포함하지만 이들로 제한되는 것은 아닌 기존의 수법으로 합성될 수 있다. 필요한 경우, 나노입자의 외표면은, 바람직하지 않은 응집(이하에 기재된 군집화(clustering)), 호스트(기판) 재료와의 화학 반응 또는 둘 모두를 방지하기 위하여 (예컨대, 폴리비닐피롤리돈(PVP)으로) 처리될 수 있다. 나노입자 용액은, 나노입자 농도를 저감시키거나, 코팅의 증착 특성을 개선시키거나 혹은 둘 다를 위하여 희석될 수 있다.
도 7a에 도시된 공정(700)은 수중 용해된 폴리비닐 알코올(PVA) 등과 같은 적절한 용매(715)에 나노입자(714)를 용해시켜 나노입자 용액을 형성한다(단계 702). 필요한 경우, 나노입자 용액은, 중합체/나노입자 용액을 형성하도록 중합체 분말과 혼합될 수 있다. 대안적으로, 나노입자들은 또한 액체 중합체 매트릭스 내로 용해되어 중합체/나노입자 용액을 형성할 수 있고, 이것은 이어서 투명 기판(712)의 표면 상에 증착되어 서서히 건조될 수 있다.
나노입자들은, 유리, 플라스틱, 아크릴 또는 임의의 기타 적절한 투명 재료로 이루어질 수 있는 투명 기판(712)의 표면 상에 나노입자 용액을 증착시킴으로써 해당 기판 상에 코팅될 수 있다(단계 704). 코팅을 두께 및 표면 외관 둘 다에서 균일하게 만드는 것은, 바람직하지 않은 산란을 저감 혹은 제거시킬 수 있다. 균일한 두께를 얻기 위하여, 나노입자 용액은 기판의 표면 상에 스핀-코팅, 도장 또는 다르게는 증착되어 코팅을 형성할 수 있다. 예를 들어, 나노입자 용액은, 액체, 발포 혹은 분사의 형태로 기판 상에 도장될 수 있다. 이러한 도료는, 임의의 특수한 설비를 필요로 하는 일 없이, 투명한 표면 상에 분사될 수 있고, 따라서, 거의 모든 경우에 용이하게 행해질 수 있다. 필요한 경우, 다른 투명 기판(도시 생략)이 코팅 내 기포를 제거하거나, 코팅의 표면 조도(거칠기)를 저감시키거나 또는 둘 다를 위하여 제1 기판(712)의 코팅된 표면 상에 배치되거나 프레스 가공될 수 있다. 코팅은, 균일한 표면을 형성하기 위하여 온화한 증발을 통해서(예컨대, 진공 챔버 내에서의 건조를 통해서) 건조될 수 있다(단계 706). 필요한 경우, 추가의 코트(예컨대, 다른 유형의 나노입자를 함유)가 건조된 코팅 상에 혹은 다른 기판 표면 상에 증착될 수 있다.
몇몇 경우에, 나노입자 용액은 나노입자의 균일한 층을 생성하기 위하여 기판 표면에 인쇄된다. 적절한 인쇄 수법은 스크린 인쇄, 잉크젯 인쇄, 윤전그라비야 인쇄 및 플렉소그라피 인쇄를 포함하지만 이들로 제한되는 것은 아니다. 인쇄는 가요성 기판 상에 나노입자를 증착시키는데 특히 유용하다.
필요한 경우, 나노입자 용액은, 예컨대, 도 2에 도시된 패턴을 형성하기 위하여, 마스크 혹은 기타 적절한 수법을 이용해서, 기판 표면의 미리 결정된 부분 상에 인쇄될 수 있거나 혹은 기타 다르게는 증착될 수 있다. 예를 들어, 나노입자 용액이 수용액이면, 기판 표면은, 각각 나노입자 용액을 유입하고 반발하도록 친수성 및/또는 소수성 코팅으로 선택적으로 코팅될 수 있다.
도 7b는 투명 디스플레이에서 사용하는데 적합한 스크린을 제조하기 위한 다른 공정(730)을 도시하고 있다. 이 공정(730)에서, 기판은 연화된 기판을 형성하기 위하여 연화되거나 또는 액체 기판을 형성하기 위하여 용융된다(단계 732). 나노입자들은 연화된 기판 내로 가압되거나 또는 액체 기판 내에 용해되고(단계 734), 이어서 기판 내에 매립된 나노입자들을 포함하는 스크린으로 경화시킨다(단계 736). 예를 들어, 나노입자들은, 도핑된 기판 재료를 형성하기 위하여 용융 유리, 용융/액체 플라스틱, 또는 용융/액체 아크릴에 직접 용해될 수 있다. 도핑된 기판 재료는 이어서 표준 유리(또는 플라스틱) 제조 수법을 이용해서 나노입자로 도핑된 투명 기판 내로 압출되거나, 성형되거나 또는 다르게는 형성될 수 있다.
도 7c는 투명 디스플레이에서 이용하기에 적합한 스크린을 제조하기 위한 또 다른 공정(760)을 도시하고 있다. 이 공정(760)에서, 하나 이상의 나노입자를 액체 중합체 매트릭스 중에 현탁시키거나 또는 건조 중합체 및 용매와 혼합하여 나노입자 현탁액을 형성한다(단계 762). 단계 764에서, 나노입자 현탁액을, 예컨대, 모세관 작용을 이용해서, 1쌍의 기판 사이에 형성된 공동부 내로 혹은 단일 기판 내에, 주입하거나 빨아들이게 한다. 공동부는 현탁액이 빠져나가는 것을 방지하기 위하여 단계 766에서 밀봉되고, 나노입자 현탁액은, 나노입자가 침강되는 것을 방지하기 위하여, 예컨대, 자외선 광을 이용해서 단계 768에서 경화된다.
나노입자 군집화
몇몇 경우에, 용액 중 나노입자는 산란 파장에서 바람직하지 않은 전이를 생성하도록 함께 군집화될 수 있다. 임의의 특정 이론에 의해 구속되는 일 없이, 삽투압, 모세관력 및 반데르 발스힘은 각각 나노입자 군집화에서 역할을 할 수 있었다. 삼투압은 단거리 (점착) 유인 작용을 하지만, 비교적 낮은 나노입자 농도(예컨대, 약 2 × 10-5 이하의 부피 분율)를 지니는 용매 중에 적용될 수 없다. 모세관력은, 예를 들어, PVP와 유사한 극성 코팅으로 입자를 코팅함으로써, 나노입자 표면과 용매(예컨대, PVA) 간의 계면 에너지를 낮춤으로써 저감 혹은 제거될 수 있다.
반데르발스 힘은 삼투압 또는 모세관력보다 군집화를 일으킬 가능성이 더 많을 수 있다. 반경 R을 지니는 1쌍의 구체에 대한 반데르발스 힘과 연관되고 거리 D만큼 분리된 에너지는 다음과 같다:
Figure pct00007
식 중, A는 상수이다. 수중 은 나노구체에 대해서, A = 4 ×10-19이고, 이것은, 간격 거리 D = 200㎚에서, kT(볼츠만의 상수 × 온도, 또는 열적 여기 에너지)와 대체로 동일한 유인 에너지에 상당한다. 나노구체 밀도를 감소시키는 것은 주어진 쌍의 나노구체가 200㎚ 이하만큼 떨어질 확률을 저감시키고, 이것은 이어서 반데르발스 인력이 군집화를 초래할 확률을 저감시킬 것이다:
Figure pct00008
도 8A 내지 도 8C는 나노입자 군집화의 효과를 나타내고 있다. 도 8A 및 도 8B는 PVA 중 구형 은 나노입자에 대한 실험적 소광 횡단면(σext = σsca + σabs; 실선) 및 이론적 소광 횡단면(파선) 대 파장을 도시하고 있다. 실험 곡선의 폭은 플러스/마이너스 1 표준 편차를 나타낸다. 나노입자 농도는 도 8A에서 5 ㎍/㎖이고, 도 8B에서 10 ㎍/㎖이며, 이것은 620㎚ 부근에서 보다 큰 소광 횡단면(화살표로 표시됨)을 나타낸다. 도 8C는 정렬 축을 따른 편광에 대해서 계산된 함께 점착된 (예컨대, 도 9A의 삽도에서 TEM 화상에 도시된 바와 같은) 두 은 나노입자의 이론적 소광 횡단면 스펙트럼의 그래프이다. 이것은 군집화된 나노입자가 620㎚에서 광을 강하게 산란시키는 것을 나타내며, 이는 도 8B에서의 여분의 피크가 보다 높은 나노입자 농도에서의 나노입자 군집화에 의한 것임을 시사한다.
실증례
이하의 실시예는 청구범위의 제한 없이 본 기술의 양상들을 예시하기 위하여 의도된 것이다.
일 실시예에서, 청색 화상을 표시할 수 있는 투명 디스플레이는 다음과 같이 제조되고 테스트되었다. 도 4A는, 청색 레이저 광을 산란시키는 나노입자가 무시 가능한 실리카 코어를 지니므로, 투명 디스플레이가 간략화를 위하여 고체 구형 은 나노입자(예컨대, 나노컴포식스(nanoComposix)사로부터 입수 가능)를 이용해서 제조되었다. 나노입자는 은 나노입자의 수용액(나노입자 밀도 0.01 ㎎/㎖) 중에 PVA(예컨대, 시그마-알드리치사)를 첨가해서 투명한 중합체 매트릭스 중에 호스팅된다. 이 액체를 철저하게 혼합하여, 25㎝ × 25㎝ 크기의 한 장의 유리의 하나의 표면 상에 붓고, 진공 챔버 내에서 건조 후, 40시간 동안 실온에서 건조시켰다. 이것에 의해 투명 기판 상에, 내측에 거의 기포가 없는 상태로 0.46㎜ 두께인 나노입자-도핑된 PVA 필름을 구비한 투명 스크린을 얻었다.
도 9A 및 도 9B는, 각각, 나노입자-도핑된 PVA 필름에 대한 투과율 및 소광 대 파장의 그래프이다. (도 9A의 삽도는 62㎚ ± 4㎚ 직경을 가진 측정된 나노 입자의 투과 전자 현미경(TEM) 화상을 나타낸다.) 실선은 측정된 값을 나타내고, 파선은 계산된 값을 나타낸다. 실선의 폭은 플러스/마이너스 1 표준 편차를 나타낸다. 도 9B는 또한 산란(1점 쇄선) 및 흡수(2점 쇄선)로 인한 소광에 대한 이론적 값을 나타낸다. 투과율은 공명 파장에서 약 20%로 되고, 가시 스펙트럼에서 다른 곳에서 100%에 가깝다. 두 그래프는 실험과 이론 간에 매우 양호한 일치를 나타내며, 620㎚에서 약간의 불일치를 지녔으나 이것은 나노입자의 경우에 따른 군집화에 의해 설명될 수 있다(도 8B 및 도 8C). 도 9B는 또한 공명 파장에서의 소광의 대부분이 흡수라기보다 오히려 산란에 기인한다는 이론적 예측을 나타낸다.
도 10a는 3개의 컬러 커피 머그잔의 전면에 위치된 투명 산란 디스플레이로서 이용된 투명 스크린의 컬러 사진을 나타낸다. 이 사진은, 458㎚ ± 2㎚의 파장에서 광을 방출하는 GaN 레이저 다이오드를 구비한, 저-파워 레이저 프로젝터(예컨대, 마이크로비전 SHOWWX(MicroVision SHOWWX) + 최대 출력 파워 1 mW)를 이용해서 이 스크린 상에 투여된 청색 MIT 로고를 나타낸다. 이 투사된 로고는 광 산란에 의해 형성되므로 모든 방향으로부터 볼 수 있었다. 비교로서, 도 10b는 도 10a에 도시된 동일한 커피 머그잔의 전면에서 한 장의 통상의 유리 상에 투사된 동일한 로고를 나타내는 컬러 사진이다. 도 10b에서는 화상이 보이지 않는데 그 이유는 유리가 투사된 청색 레이저 광의 458㎚ 파장에서 투과성이기 때문이다. 도 10A 및 도 10B는 또한 스크린이 유리와 근사하게 투명하고; 컬러 커피 머그잔이 스크린과 유리 둘 다 뒤에 적절하게 보이는 것을 나타낸다.
도 11a 및 도 11b는 각각 투명 스크린 및 한 장의 백지 상에 투사된 MIT 로고의 컬러 사진이다. 두 사진은 동일한 조명 조건 및 노광으로 캡처되어, 어떠한 편집 없이도 원 화상 파일로부터 직접 JPEG 파일로 전환되었다. 도 11a 및 도 11b는 스크린 상에 화상 투사된 화상이 종이 상의 화상보다 다소 어둡지만, 스크린은 종이보다 덜 주변 광을 산란시키기 때문에 종이보다 양호한 화상 콘트라스트를 얻는 것을 나타낸다. (종이와 달리, 스크린은 임의의 확산 산란을 생성한다.) 도 11a에서의 투명 스크린 뒤의 흑색 뒤판은 또한 콘트라스트 비를 향상시킨다.
결론
각종 본 발명의 실시형태들이 본 명세서에서 기재되고 예시되었지만, 당업자라면, 본 명세서에 기재된 기능을 수행하고/하거나 그 결과 및/또는 하나의 이상의 이점을 얻기 위한 각종 기타 수단 및/또는 구조를 용이하게 상상할 것이고, 이러한 변화 및/또는 변형의 각각은, 본 명세서에 기재된 본 발명의 실시형태의 범위 내인 것으로 간주된다. 더욱 일반적으로, 당업자라면, 본 명세서에 기재된 모든 파라미터, 치수, 재료 및 구성이 예시적인 것을 의미하며, 실제의 파라미터, 치수, 재료 및/또는 구성은 본 발명의 교시가 사용되는 구체적인 응용 분야 혹은 응용 분야들에 따라서 좌우될 것임을 용이하게 이해할 것이다. 당업자라면, 단지 통상적인 실험에 지나지 않는 것을 이용해서, 본 명세서에 기재된 구체적인 독창적인 실시형태들에 대한 많은 등가물을 인지하거나 확인해낼 수 있을 것이다. 따라서, 상기 실시형태들은 단지 예로서 제시된 것이고, 첨부된 청구범위 및 이에 대한 등가물의 범위 내에서, 독창적인 실시형태들이 구체적으로 기재되고 청구된 것 이외에 달리 실시될 수도 있다는 것을 이해해야 한다. 본 개시 내용의 독창적인 실시형태들은 본 명세서에 기재된 각각 개별적인 특성, 시스템, 물품, 재료, 키트 및/또는 방법에 관한 것이다. 또한, 둘 이상의 이러한 특성, 시스템, 물품, 재료, 키트 및/또는 방법의 임의의 조합은, 이러한 특성, 시스템, 물품, 재료, 키트 및/또는 방법이 상호 모순되지 않는다면, 본 개시내용의 발명의 범주 내에 포함된다.
위에 기재된 실시형태들은 임의의 많은 방법으로 구현될 수 있다. 예를 들어, (예컨대, 투명 디스플레이를 설계 및/또는 작동시키는) 실시형태들은 하드웨어, 소프트웨어 또는 이들의 조합을 이용해서 구현될 수 있다. 소프트웨어로 구현될 경우, 소프트웨어 코드는, 단일의 컴퓨터 내에 제공되든지 또는 다수의 컴퓨터 간에 분포되든지 간에, 임의의 적절한 프로세서 혹은 프로세서들의 집합 상에서 실행될 수 있다.
또한, 본 발명의 디스플레이와, 디스플레이들을 제조하고 작동시키는 방법은, 랙-탑재 컴퓨터, 데스크탑 컴퓨터, 랩탑 컴퓨터, 또는 태블릿 컴퓨터 등과 같은 임의의 많은 형태로 구현될 수 있는 컴퓨터와 함께 이용될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 예를 들어, 도 1a에 도시된 제어기(140)는, 컴퓨터, 스마트폰, 또는 기타 프로세서-기반 장치로서 구현될 수 있다. 부가적으로, 컴퓨터는 일반적으로 컴퓨터로서 간주되지 않지만, 개인용 휴대 정보 단말기(PDA), 스마트폰 또는 임의의 기타 적절한 휴대용 혹은 고정된 전자기기를 비롯하여 적절한 처리 능력을 지니는 장치에 내장되어 있을 수도 있다.
또한, 컴퓨터는, 본 명세서에 개시된 바와 같은 1개 이상의 디스플레이를 비롯하여, 하나 이상의 입력 장치와 출력 장치를 구비할 수 있다. 이들 장치는 특히 사용자 인터페이스를 제공하는데 사용될 수 있다. 사용자 인터페이스를 제공하는데 이용될 수 있는 출력 장치의 예는 출력의 시각적 제시용의 프린터 혹은 디스플레이 스크린과, 출력의 가청 프레젠테이션용의 스피커 혹은 기타 사운드 생성 장치를 포함한다. 사용자 인터페이스용에 이용될 수 있는 입력 장치의 예는 키보드 및 포인팅 장치, 예컨대, 마우스, 터치 패드 및 디지털화 태블릿을 포함한다. 다른 예로서, 컴퓨터는 언어 인지를 통해서 혹은 기타 가청 포맷으로 입력 정보를 수신할 수 있다.
이러한 컴퓨터는, 근거리 통신망 혹은 원거리 통신망, 예컨대, 기업 네트워크 및 지능형 네트워크(IN) 또는 인터넷을 비롯하여 임의의 적절한 형태로 하나 이상의 네트워크에 의해 상호접속될 수 있다. 이러한 네트워크는 임의의 적절한 기술에 기반할 수 있고, 임의의 적절한 프로토콜에 따라서 작동할 수 있으며, 무선 네트워크, 유선 네트워크 또는 광섬유 네트워크를 포함할 수 있다.
본 명세서에 개략적으로 설명된 각종 방법 및 공정은 각종 운용 시스템 혹은 플랫폼 중 어느 하나를 사용하는 1개 이상의 프로세서 상에서 실행 가능한 소프트웨어로서 코딩될 수 있다. 부가적으로, 이러한 소프트웨어는 다수의 적절한 프로그래밍 언어 및/또는 프로그래밍 또는 스크립팅 툴의 어느 것인가를 사용해서 기록될 수 있고, 또한 프레임워크 또는 가상머신 상에서 실행되는 실행 가능한 머신 용어 코어 또는 중간 코드로서 컴파일링될 수 있다.
이 점에 있어서, 각종 독창적인 개념이, 하나 이상의 컴퓨터 혹은 기타 프로세서에서 실행될 경우, 위에서 논의된 발명의 각종 실시형태를 수행하는 방법을 수행하는, 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체(또는 다수의 컴퓨터 판독 가능한 저장 매체)(예컨대, 컴퓨터 메모리, 하나 이상의 플로피 디스크, 컴팩트 디스크, 광 디스크, 자기 테이프, 플래시 메모리, 필드 프로그램 가능 게이트 어레이(Field Programmable Gate Array) 또는 기타 반도체 장치에서의 회로 구성, 또는 기타 비일시적 매체 혹은 유형(tangible) 컴퓨터 저장 매체)로서 구체화될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능한 매체 혹은 매체들은 운반 가능할 수 있으므로, 그에 저장된 프로그램 또는 프로그램들은 위에서 논의된 바와 같은 본 발명의 각종 양상을 구현하기 위하여 하나 이상의 상이한 컴퓨터 혹은 기타 프로세서 상에 로딩될 수 있다.
"프로그램" 또는 "소프트웨어"란 용어는, 일반적인 의미에서, 위에서 논의된 바와 같은 실시형태들의 각종 양상을 실시하기 위하여 컴퓨터 혹은 기타 프로세서를 프로그래밍하는데 이용될 수 있는 임의의 유형의 컴퓨터 코드 혹은 컴퓨터-실행가능한 명령어들의 세트를 지칭하기 위하여 본 명세서에 이용된다. 부가적으로, 하나의 양상에 따르면, 실행될 경우, 본 발명의 방법을 수행하는 하나 이상의 컴퓨터 프로그램이 단일의 컴퓨터 혹은 프로세서 상에 존재할 필요는 없지만, 본 발명의 각종 양상을 구현하기 위하여 하나 이상의 상이한 컴퓨터 혹은 프로세서 중에서 모듈러 방식으로 분배될 수 있음을 이해해야 한다.
컴퓨터-실행가능한 명령어는 하나 이상의 컴퓨터 혹은 다른 장치에 의해 실행되는 프로그램 모듈 등과 같이 많은 형태일 수 있다. 일반적으로, 프로그램 모듈은, 특정 태스크를 수행하거나 특정 요약 데이터 유형을 실행하는 루틴, 프로그램, 대상체, 컴포넌트, 데이터 구조 등을 포함한다. 전형적으로, 프로그램 모듈의 기능성은 각종 실시형태에서 필요에 따라서 조합되거나 분배될 수 있다.
또한, 데이터 구조는 임의의 적절한 형태의 컴퓨터-판독 가능한 매체에 저장될 수 있다. 설명의 간단화를 위하여, 데이터 구조는 해당 데이터 구조 내의 개소를 통해서 관련된 필드를 지니도록 표시될 수 있다. 이러한 관계는 마찬가지로 필드들 간의 관계를 반송하는 컴퓨터-판독 가능한 매체 내 개소들에 필드용의 저장소를 할당함으로써 달성될 수 있다. 그러나, 임의의 적절한 메커니즘이, 데이터 요소들 간의 관계를 확립시키는 포인터, 태그 혹은 기타 메커니즘의 사용을 통하는 것을 비롯하여, 데이터 구조의 필드들 내의 정보 간의 관계를 확립시키는데 사용될 수 있다.
또한, 각종 독창적인 개념이 실시예가 제공되는 하나 이상의 방법으로서 구체화될 수 있다. 방법의 일부로서 수행되는 행위들은 임의의 적절한 방식으로 순서화될 수 있다. 따라서, 예시적인 실시형태들에서의 순차적인 행위들로서 표시되었더라도, 동시에 몇몇 행위들을 수행하는 것을 포함할 수 있는, 행위들이 예시된 것과는 다른 수순으로 수행되는 실시형태들이 구축될 수 있다.
본 명세서에서 정의되고 이용되는 바와 같은 모든 정의는, 사전적 정의, 참조로 편입된 문헌들 내의 정의 및/또는 정의된 용어들의 통상적인 의미를 통제하는 것으로 이해되어야 한다.
흐름도가 본 명세서에서 이용된다. 흐름도의 이용은 수행되는 동작들의 순서에 관하여 제한하는 것을 의미하는 것은 아니다. 본 명세서에 기재된 주제는 때때로 다른 컴포넌트 내에 포함되거나 다른 컴포넌트와 연결되거나 다른 컴포넌트와는 다른 상이한 컴포넌트를 예시한다. 이러한 묘사된 구성은 단지 예시적이며, 사실상 동일한 기능을 달성하는 많은 다른 구성이 구현될 수 있음이 이해되어야 한다. 개념적인 의미에서, 동일한 기능을 달성하기 위한 컴포넌트들의 임의의 배열은 목적으로 하는 기능이 달성되도록 효과적으로 "연관"(associated)된다. 따라서, 특정 기능을 달성하도록 배합된 본 명세서의 임의의 두 컴포넌트는, 구성 혹은 개재된 컴포넌트와 무관하게, 목적으로 하는 기능이 달성되도록 서로 "와 연관된" 것으로 볼 수 있다. 마찬가지로, 그렇게 연관된 임의의 두 컴포넌트는 또한 목적으로 하는 기능을 달성하기 위하여 서로 "작동가능하게 접속"되거나 또는 "작동 가능하게 결합"된 것으로 볼 수 있고, 그렇게 연관될 수 있는 임의의 두 컴포넌트는 또한 목적으로 하는 기능을 달성하기 위하여 서로 "작동 가능하게 결합 가능한" 것으로 볼 수 있다. 작동 가능하게 결합 가능한 구체적인 예는 물리적으로 접합 가능하고/하거나 물리적으로 상호작용하는 컴포넌트들 및/또는 무선으로 상호작용 가능하고/하거나 무선으로 상호작용하는 컴포넌트들 및/또는 논리적으로 상호작용하고/하거나 논리적으로 상호 작용 가능한 컴포넌트들을 포함하지만 이들로 제한되는 것은 아니다.
본 명세서에서 그리고 청구범위에서 이용되는 바와 같은 단수 표현은, 명백하게 상반되게 표시되지 않는 한, "적어도 하나"를 의미하는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 그리고 청구범위에서 이용되는 바와 같은 "및/또는"이란 어구는, 그렇게 결합된 요소들, 즉, 몇몇 경우에는 결합적으로 존재하고 다른 경우에는 분리적으로 존재하는 요소들 중 "어느 하나 혹은 둘 다"를 의미하는 것으로 이해되어야 한다. "및/또는"과 함께 열거된 다수의 요소는 동일한 방식으로, 즉, 그렇게 결합된 요소들의 "하나 이상"으로 해석되어야 한다. "및/또는" 조목에 의해 구체적으로 식별된 요소와 관련되든지 관련되지 않든지 간에, 구체적으로 식별된 이들 요소들 이외의 것인 기타 요소가 선택적으로 존재할 수 있다. 따라서, 비제한적인 예로서, "A 및/또는 B"란 언급은, "포함하는" 등과 같은 제약을 두지 않는 언어와 함께 이용될 경우, 일 실시형태에 있어서, A 단독(선택적으로 B 이외의 요소들을 포함함); 다른 실시형태에 있어서, B 단독(선택적으로 A 이외의 요소들을 포함함); 또 다른 실시형태에 있어서, A와 B 둘 다(선택적으로 다른 요소들을 포함함) 등을 지칭할 수 있다.
본 명세서에서 그리고 청구범위에서 이용되는 바와 같이, "또는"은 위에서 정의된 바와 같은 "및/또는"과 동일한 의미를 가지는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, 리스트 내의 항목들을 분리할 경우, "또는" 및 "및/또는"은 포괄적인 것으로, 즉, 다수의 혹은 리스트의 요소들 중, 적어도 하나를 포함하지만 또한 이들 중 하나보다 많은 것과, 선택적으로 추가의 열거되지 않은 항목들을 포함하는 것으로 해석되어야 한다. 명백하게 반대 명제로 표시된 용어들만, 예컨대, "중 단지 하나" 또는 "중 정확히 하나" 또는 청구항에서 이용될 경우, "로 이루어진"은, 다수의 혹은 리스트의 요소들 중 정확히 하나의 요소의 포함을 지칭할 것이다. 일반적으로, 본 명세서에서 이용되는 바와 같은 "또는"이란 용어는 "어느 하나", "중 하나" 또는 "중 정확히 하나" 등과 같은, 배타성의 관점에 의해 선행될 경우, 배타적인 택일성(즉, 둘 다는 아니지만 한쪽 또는 다른 쪽)을 나타내는 것으로 단지 해석되어야 한다. "로 본질적으로 이루어진"은, 청구항에서 이용되는 경우, 특허법 분야에서 이용되는 바와 같이 그의 통상의 의미를 지녀야 한다.
본 명세서에서 그리고 청구범위에서 이용되는 바와 같이, 하나 이상의 요소의 나열과 관련하여 "적어도 하나"란 어구는, 요소들의 리스트에서 요소들 중 어느 하나 이상으로부터 선택된 적어도 하나의 요소를 의미하지만, 반드시 요소들의 리스트 내에 구체적으로 열거된 각각의 모든 요소 중 적어도 하나를 포함하면서 요소들의 리스트 내의 요소들의 임의의 조합을 배제하지 않아야 하는 것은 아니도록 이해되어야 한다. 이 정의는 또한, "적어도 하나"란 어구가 언급되는 요소들의 리스트 내에 구체적으로 식별된 요소들과 관련되든지 혹은 관련되지 않든지 간에, 구체적으로 식별된 이들 요소들 이외의 것들인 요소들이 선택적으로 존재할 수 있는 것을 허용한다. 따라서, 비제한적인 예로서, "A 및 B 중 적어도 하나"(또는, 등가적으로 "A 또는 B 중 적어도 하나", 또는 등가적으로 "A 및/또는 B 중 적어도 하나")는, 일 실시형태에 있어서는, B가 존재하지 않고 하나보다 많은 A를 선택적으로 포함하는 적어도 하나(그리고 B 이외의 다른 요소들을 선택적으로 포함함); 다른 실시형태에 있어서는, A가 존재하지 않고 하나보다 많은 B를 선택적으로 포함하는 적어도 하나(그리고 A 이외의 다른 요소들을 선택적으로 포함함); 또 다른 실시형태에 있어서는, 하나보다 많은 A를 선택적으로 포함하는 적어도 하나와, 하나보다 많은 B를 선택적으로 포함하는 (그리고 선택적으로 기타 요소를 포함하는) 적어도 하나 등을 지칭할 수 있다.
위의 명세서에서뿐만 아니라 청구범위에서, 모든 과도적인 어구들, 예컨대, "포함하는"(comprising), "포함하는"(including), "갖고 있는", "구비하는", 함유하는", "내포하는", "보유하는", "로 구성된(composed of)" 등은 제약을 두지 않는 것, 즉, 포함하지만 이것으로 제한되는 것은 아닌 것을 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 단지 과도적인 표현, 즉, "로 이루어진"(consisting of) 및 "로 본질적으로 이루어진"은, 각각, 미국 특허청의 특허 심사 절차 매뉴얼, 섹션 2111.03에 기술된 바와 같이, 폐쇄형 혹은 반폐쇄형의 과도적 어구들일 것이다.
청구범위는 다음과 같다:

Claims (21)

  1. 투명 디스플레이로서,
    투명 기판;
    상기 투명 기판과 광 통신하고, 상기 투명 기판을 적어도 하나의 단색 빔으로 조명하는 적어도 하나의 광원; 및
    상기 투명 기판 상에 배치되어, 상기 적어도 하나의 단색 빔을 산란시키는 적어도 하나의 나노입자를 포함하는, 투명 디스플레이.
  2. 제1항에 있어서, 상기 투명 기판은 약 390㎚ 내지 약 760㎚의 파장에서 약 90% 내지 약 100%의 투과율을 갖는, 투명 디스플레이.
  3. 제1항에 있어서, 상기 투명 기판은 유리, 플라스틱, 중합체 및 아크릴 중 적어도 하나를 포함하는, 투명 디스플레이.
  4. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 광원은,
    약 390㎚ 내지 약 490㎚의 제1 중앙 파장을 가진 제1 단색 빔을 방출하는 제1 광원;
    약 490㎚ 내지 약 580㎚의 제2 중앙 파장을 가진 제2 단색 빔을 방출하는 제2 광원; 및
    약 580㎚ 내지 약 760㎚의 제3 중앙 파장을 가진 제3 단색 빔을 방출하는 제3 광원을 포함하는, 투명 디스플레이.
  5. 제4항에 있어서, 상기 적어도 하나의 나노입자는 상기 제1 중앙 파장, 상기 제2 중앙 파장 및 상기 제3 중앙 파장 중 하나에 걸쳐 있는 약 1㎚ 내지 약 70㎚의 반치전폭(full-width half-maximum)을 가진 피크를 지니는 산란 횡단면(scattering cross section)을 구비하는, 투명 디스플레이.
  6. 제4항에 있어서, 상기 적어도 하나의 나노입자는,
    상기 제1 중앙 파장과 중첩하는 약 1㎚ 내지 약 70㎚의 제1 반치전폭(FWHM)을 가진 제1 피크,
    상기 제2 중앙 파장과 중첩하는 약 1㎚ 내지 약 70㎚의 제2 FWHM을 가진 제2 피크, 및
    상기 제3 중앙 파장과 중첩하는 약 1㎚ 내지 약 70㎚의 제3 FWHM을 가진 제3 피크를 지니는 산란 횡단면을 구비하는, 투명 디스플레이.
  7. 제4항에 있어서, 상기 적어도 하나의 나노입자는,
    상기 제1 중앙 파장과 중첩하는 제1 피크를 가진 제1 산란 횡단면을 구비하는 제1 나노입자;
    상기 제2 중앙 파장과 중첩하는 제2 피크를 가진 제2 산란 횡단면을 구비하는 제2 나노입자; 및
    상기 제3 중앙 파장과 중첩하는 제3 피크를 가진 제3 산란 횡단면을 구비하는 제3 나노입자를 포함하는, 투명 디스플레이.
  8. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 나노입자는,
    약 17.7㎚의 직경을 가진 제1 실리카 구체(silica sphere)와, 상기 제1 실리카 구체 상에 증착된(deposited), 약 10.4㎚의 두께를 가진 제1 은층(first layer of silver)을 포함하는 제1 나노입자;
    약 25㎚의 직경을 가진 제2 실리카 구체와, 상기 제2 실리카 구체 상에 증착된, 약 6.9㎚의 두께를 가진 제2 은층을 포함하는 제2 나노입자; 및
    약 25.1㎚의 직경을 가진 은 구체(silver sphere)를 포함하는 제3 나노입자를 포함하는, 투명 디스플레이.
  9. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 나노입자는 상기 적어도 하나의 단색 빔의 파장에서 입사광의 약 90% 내지 약 100%를 산란시키는, 투명 디스플레이.
  10. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 나노입자는 상기 투명 기판 상에 미리 결정된 패턴으로 증착된 복수개의 나노입자를 포함하는, 투명 디스플레이.
  11. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 나노입자 중의 상이한 것들을 조명하기 위하여 상기 투명 기판의 상이한 영역에 적어도 하나의 단색 빔을 지향시키는 빔-조향 요소(beam-steering element)를 더 포함하는, 투명 디스플레이.
  12. 투명 기판 상에 배치된 적어도 하나의 나노입자를 포함하는 투명 디스플레이를 작동시키는 방법으로서,
    적어도 하나의 단색 빔의 적어도 일부를 뷰어의 방향으로 산란시키기 위하여 상기 적어도 하나의 나노입자를 상기 적어도 하나의 단색 빔으로 조명하는 단계를 포함하는, 투명 디스플레이의 작동 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 적어도 하나의 나노입자는 상기 투명 기판의 제1 부분 상에 배치된 제1 나노입자와 상기 투명 기판의 제2 부분 상에 배치된 제2 나노입자를 포함하고, 상기 방법은,
    상기 적어도 하나의 단색 빔을 발생하는 단계;
    상기 제1 나노입자를 조명하도록 상기 적어도 하나의 단색 빔을 지향시키는 단계; 및
    상기 제2 나노입자를 조명하도록 상기 적어도 하나의 단색 빔을 지향시키는 단계를 더 포함하는, 투명 디스플레이의 작동 방법.
  14. 제12항에 있어서, 상기 적어도 하나의 나노입자를 상기 적어도 하나의 단색 빔으로 조명하는 단계는,
    상기 적어도 하나의 나노입자를 약 390㎚ 내지 약 490㎚의 제1 중앙 파장을 가진 제1 단색 빔으로 조명하는 단계;
    상기 적어도 하나의 나노입자를 약 490㎚ 내지 약 580㎚의 제2 중앙 파장을 가진 제2 단색 빔으로 조명하는 단계; 및
    상기 적어도 하나의 나노입자를 약 580㎚ 내지 약 760㎚의 제3 중앙 파장을 가진 제3 단색 빔으로 조명하는 단계를 포함하는, 투명 디스플레이의 작동 방법.
  15. 투명 디스플레이를 제조하는 방법으로서,
    (A) 약 1㎚ 내지 약 70㎚의 반치전폭과 약 390㎚ 내지 약 760㎚의 중앙 파장을 가진 산란 횡단면을 구비하는 적어도 하나의 나노입자를 제공하는 단계;
    (B) 약 390㎚ 내지 약 760㎚의 파장에서 약 90% 내지 약 100%의 투과율을 가지는 기판을 제공하는 단계; 및
    (C) 상기 기판 상에 상기 적어도 하나의 나노입자를 증착시키는 단계를 포함하는, 투명 디스플레이의 제조 방법.
  16. 제15항에 있어서, (A)는,
    약 390㎚ 내지 약 490㎚의 제1 중앙 파장과 약 1㎚ 내지 약 70㎚의 제1 반치전폭(FWHM)을 특징으로 하는 제1 피크를 가지는 제1 산란 횡단면을 구비하는 적어도 하나의 제1 나노입자;
    약 490㎚ 내지 약 580㎚의 제2 중앙 파장과 약 1㎚ 내지 약 70㎚의 제2 FWHM을 특징으로 하는 제2 피크를 가지는 제2 산란 횡단면을 구비하는 적어도 하나의 제2 나노입자; 및
    약 580㎚ 내지 약 760㎚의 제3 중앙 파장과 약 1㎚ 내지 약 70㎚의 제3 FWHM을 특징으로 하는 제3 피크를 가지는 제3 산란 횡단면을 구비하는 적어도 하나의 제1 나노입자
    중 적어도 하나를 선택하는 단계를 포함하는, 투명 디스플레이의 제조 방법.
  17. 제15항에 있어서, 상기 산란 횡단면은,
    약 390㎚ 내지 약 490㎚의 제1 중앙 파장과 약 1㎚ 내지 약 70㎚의 제1 반치전폭의 제1 중앙 파장을 특징으로 하는 제1 피크;
    약 490㎚ 내지 약 580㎚의 제2 중앙 파장과 약 1㎚ 내지 약 70㎚의 제2 반치전폭의 제2 중앙 파장을 특징으로 하는 제2 피크; 및
    약 580㎚ 내지 약 760㎚의 제3 중앙 파장과 약 1㎚ 내지 약 70㎚의 제3 반치전폭의 제3 중앙 파장을 특징으로 하는 제3 피크를 포함하는, 투명 디스플레이의 제조 방법.
  18. 제15항에 있어서, (C)는,
    (i) 적어도 하나의 나노입자를 액체에 용해시켜 나노입자 용액을 형성하는 단계;
    (ii) 상기 기판의 표면 상에 상기 나노입자 용액을 코팅하는 단계; 및
    (iii) 상기 기판에 상기 적어도 하나의 나노입자를 고정시키기 위하여 상기 기판의 상기 표면 상에서 상기 나노입자 용액을 건조시키는 단계를 포함하는, 투명 디스플레이의 제조 방법.
  19. 제18항에 있어서, (ii)는,
    상기 기판의 상기 표면 상에 상기 나노입자 용액을 스핀-코팅하는 단계;
    상기 기판의 상기 표면 상에 상기 나노입자 용액을 도장하는 단계;
    상기 기판의 상기 표면 상에 상기 나노입자 용액을 인쇄하는; 및
    상기 기판의 상기 표면 상에 상기 나노입자 용액을 분사하는 단계
    중 적어도 하나를 포함하는, 투명 디스플레이의 제조 방법.
  20. 제15항에 있어서, (C)는,
    (i) 상기 기판을 용융시켜 액체 기판을 형성하는 단계;
    (ii) 상기 액체 기판 중에 상기 적어도 하나의 나노입자를 용해시키는 단계; 및
    (iii) 상기 적어도 하나의 나노입자를 상기 기판에 고정시키거나 상기 적어도 하나의 나노입자를 상기 기판 내에 적어도 부분적으로 고정시키기 위하여 상기 액체 기판을 경화시키는 단계를 포함하는, 투명 디스플레이의 제조 방법.
  21. 제15항에 있어서, (C)는, 상기 기판 상에 미리 결정된 패턴으로 복수의 나노입자를 증착시키는 단계를 포함하는, 투명 디스플레이의 제조 방법,
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