KR20190080524A - 능동형 스마트 윈도우 및 이를 적용한 자동차 - Google Patents

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자동차부품연구원
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Abstract

본 발명의 일 관점에 따른 능동형 스마트 윈도우는, 제 1 투명 기판과, 상기 제 1 투명 기판 상의 제 1 전극과, 상기 제 1 전극 상의 콜레스테릭 액정을 포함하는 광조절층과, 상기 광조절층 상의 제 2 전극과, 상기 제 2 전극 상의 제 2 투명 기판;을 포함하며, 상기 광조절층은 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극 사이에 인가된 전압 조건에 따라서 그 색상 및 투명도가 조절될 수 있다.

Description

능동형 스마트 윈도우 및 이를 적용한 자동차{Active smart window and vehicle applying the same}
본 발명은 윈도우 및 그 적용 제품에 관한 것으로서, 더 상세하게는 그 색상 및 투명도가 가변되는 능동형 스마트 윈도우와 이를 적용한 자동차에 관한 것이다.
최근에는 자원 고갈 문제와 환경 규제 강화, 사생활 보호 및 삶은 질에 대한 관심이 증가하면서 고효율, 안전성, 편의성이 중요한 화두로 등장하고 있으며, 완성차 업체에서는 부품 제조 기술의 향상을 통해 이를 충족시키고자 시도하고 있다. 예를 들어, 에너지 효율을 향상시키고 감성과 기능성을 동시에 만족시킬 수 있는 스마트 윈도우 기술이 큰 주목을 받고 있다.
스마트 윈도우란 외부에서 유입되는 빛의 투과도롤 자유롭게 조절하여 에너지 손실을 줄이고 사용자에게는 쾌적한 환경을 제공할 수 있는 능동 제어 기술을 의미하며 수송, 정보 디스플레이, 건축 등 다양한 산업 분야에 공통적으로 적용될 수 있는 기반 기술이라 할 수 있다. 간단한 조작만으로도 순간적인 상태 전환을 유도할 수 있고 다양한 고급 편의 기능을 부여할 수 있기 때문에 자동차의 고부가가치화를 위해 활발한 응용 전개가 이루어질 수 있을 것으로 기대된다.
스마트 윈도우는 다양한 방식으로 제안되고 있으나, 차량용으로 적용되기에는 환경성, 부품화 용이성 및 소비자 만족 등에 대한 문제들이 제기되고 있다. 기존의 스마트 윈도우는 고분자 분산 액정(polymer dispersed liquid crystal, PDLC) 방식, 혹은 전기 변색(electrochromic, EC) 방식으로 차량 적용에 많은 문제점이 있다. PDLC 방식은 고분자 필름을 사용하여 탁도가 높아 차량의 고급성을 나타내기 어려우며 사고 시 차량 내부를 확인할 수 없는 문제가 있고, EC 방식은 액상 소재로 장치 제조 및 사고 시 누액의 위험성 있다.
본 발명은 기술적 적합성이 향상된 능동형 스마트 윈도우를 제공하고자 한다. 그러나, 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 따른 능동형 스마트 윈도우는, 제 1 투명 기판과, 상기 제 1 투명 기판 상의 제 1 전극과, 상기 제 1 전극 상의 콜레스테릭 액정을 포함하는 광조절층과, 상기 광조절층 상의 제 2 전극과, 상기 제 2 전극 상의 제 2 투명 기판;을 포함하며, 상기 광조절층은 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극 사이에 인가된 전압 조건에 따라서 그 색상 및 투명도가 조절될 수 있다.
상기 능동형 스마트 윈도우에 있어서, 상기 콜레스테릭 액정층은 적어도 두 상태에 대해서 전압이 제거된 이후에도 상태를 유지하는 쌍안정성을 가질 수 있다.
상기 능동형 스마트 윈도우에 있어서, 상기 광조절층은 투명 기지층 내에 상기 콜레스테릭 액정이 구형으로 분산된 구조를 가질 수 있다.
상기 능동형 스마트 윈도우에 있어서, 상기 투명 기지는 폴리카보네이트(polycarbonate) 재질을 포함하고, 상기 투명 기지 내 콜레스테릭 액정의 비율은 폴리카보네이트 함량의 30 내지 40% 범위일 수 있다.
상기 능동형 스마트 윈도우에 있어서, 상기 제 1 투명 기판 및 상기 제 2 투명 기판은 유리 또는 투명한 고분자 재질로 형성될 수 있다.
상기 능동형 스마트 윈도우에 있어서, 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극은 투명한 재질로 형성될 수 있다.
상기 능동형 스마트 윈도우는, 상기 제 1 투명 기판 및 상기 제 1 전극 사이의 제 1 내막 접착 필름; 및 상기 제 2 투명 기판 및 상기 제 2 전극 사이의 제 2 내막 접착 필름;을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 관점에 따른 자동차는, 전술한 능동형 스마트 윈도우를 후면창, 측면창 및 썬루프창의 적어도 어느 하나에 적용할 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 응답속도, 구동 전압, 대면적화 등의 기술적 적합성이 향상된 능동형 스마트 윈도우 및 이를 적용한 자동차를 제공할 수 있다. 물론, 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 능동형 스마트 윈도우를 보여주는 개략적인 단도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예들에서, 반사 상태의 능동형 스마트 윈도우를 보여주는 개략적인 단도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예들에서, 산란 상태의 능동형 스마트 윈도우를 보여주는 개략적인 단도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예들에서, 투과 상태의 능동형 스마트 윈도우를 보여주는 개략적인 단도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 능동형 스마트 윈도우의 전압조건에 따른 상태 변화를 보여주는 개략도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있는 것으로, 이하의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한 설명의 편의를 위하여 도면에서는 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 능동형 스마트 윈도우를 보여주는 개략적인 단도면이다.
도 1을 참조하면, 능동형 스마트 윈도우(100)는 제 1 투명 기판(110), 제 1 전극(120), 광조절층(130), 제 2 전극(140) 및 제 2 투명 기판(150)을 포함할 수 있다.
제 1 투명 기판(110) 및 제 2 투명 기판(150)은 윈도우의 기본 골격재로서, 투명 소재로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제 1 투명 기판(110) 및 제 2 투명 기판(150)은 유리(glass) 또는 투명한 고분자 재질로 형성될 수 있다.
제 1 전극(120)은 제 1 투명 기판(110) 상에 형성될 수 있다. 예를 들어, 제 1 전극(120)은 제 1 투명 기판(110) 상에 부착되어 형성될 수 있다. 다른 예로, 제 1 내막 필름(미도시)이 제 1 투명 기판(110) 및 제 1 전극(120) 사이에 부가될 수도 있다. 제 1 전극(120) 및 제 1 내막 필름은 투명한 재질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제 1 전극(120)은 투명한 ITO(indium tin oxide)로 형성될 수 있다.
광조절층(130)은 제 1 전극(120) 상에 형성되고, 제 2 전극(140)은 광조절층(130) 상에 형성될 수 있다. 이에 따라, 광조절층(130)은 제 1 전극(120)과 제 2 전극(140) 사이에 개재될 수 있다. 즉, 제 1 투명 기판(110)과 제 2 투명 기판(150) 사이에 제 1 전극(120)과 제 2 전극(140)이 개재되고, 이 두 전극들(120, 140) 사이에 광조절층(130)이 개재될 수 있다.
광조절층(130)은 콜레스테릭 액정을 포함하고, 제 1 전극(120) 및 제 2 전극(140) 사이에 인가되는 전압 조건에 따라서 그 색상 및 투명도가 조절될 수 있다. 광조절층(130) 내 콜레스테릭 액정은 적어도 두 상태에 대해서 전압이 제거된 이후에도 상태를 유지하는 쌍안정성(bistable) 특성을 가질 수 있다. 따라서, 쌍안정성 콜레스테릭 액정을 광조절층(130)은 전력을 차단하여도 특정 상태, 예컨대 투명 상태, 불투명 상태를 그대로 유지할 수 있다. 따라서, 안정한 액정 상태가 2개 이상 존재하므로 한번 에너지를 가하고 난 후 추가적으로 에너지를 가하지 않아도 광조절층(130) 내 변환된 이미지는 계속 유지될 수 있다.
예를 들어, 광조절층(130)은 콜레스테릭 액정층으로 제공되거나 또는 투명 기지층 내에 콜레스테릭 액정이 구형으로 분산된 구조를 가질 수 있다. 광조절층(130)이 투명 기지와 콜레스테릭 액정의 복합구조를 갖는 경우, 투명 기지 재질과 콜레스테릭 액정의 배합비를 조절하여 스마트 윈도우(100)의 특성을 제어할 수도 있게 된다. 예컨대, 투명 기지는 폴리카보네이트(polycarbonate) 재질일 수 있고, 이 경우 스마트 윈도우(100)의 투명 및 불투명 특성을 효과적으로 제어하기 위해서, 투명 기지 내 콜레스테릭 액정의 비율은 폴리카보네이트 함량의 30 내지 40% 범위로 제어할 수 있다. 콜레스테릭 액정의 비율이 30% 범위 이하이면 전압에 의한 투명도 및 색상 조절이 실질적으로 어렵게 되고, 40% 이하인 경우에는 폴리카보네이트에 의한 굴절률 및 강성(표면 경도) 제어가 부족할 수 있다.
제 2 전극(140)은 제 2 투명 기판(150) 상에 부착되어 형성될 수 있다. 다른 예로, 제 2 내막 필름(미도시)이 제 2 투명 기판(150) 및 제 2 전극(140) 사이에 부가될 수도 있다. 제 2 전극(140) 및 제 2 내막 필름은 투명한 재질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제 2 전극(140)은 투명한 ITO(indium tin oxide)로 형성될 수 있다.
이하에서는 전압 인가 조건에 따른 능동형 스마트 윈도우(100)의 상태를 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예들에서, 반사 상태(reflecting state)의 스마트 윈도우(100a)를 보여주는 개략적인 단도면이다.
도 2를 참조하면, 이 능동형 스마트 윈도우(100a)에서 광조절층(130a) 내 콜레스테릭 액정은 제 1 및 제 2 투명 기판들(110, 150)과 평행하게 일정한 간격의 피치를 만들면서 나선형으로 꼬여있는 수평 상태(Planar state)에 있게 된다. 이 경우, 광조절층(130a)은 피치의 길이에 따라 선택적으로 빛을 반사하여 특정한 색을 구현할 수 있다. 이러한 의미에서 이 광조절층(130a)은 수평 상태 또는 반사 상태에 있다고 지칭될 수 있다. 이러한 수평 상태는 안정한(stable) 상태로 전압이 제거되어도 유지될 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예들에서, 산란 상태의 능동형 스마트 윈도우(100b)를 보여주는 개략적인 단도면이다.
도 3을 참조하면, 이 능동형 스마트 윈도우(100b)에서 광조절층(130b) 내 콜레스테릭 액정은 피치는 유지하고 있지만 각각의 회전축들이 무질서하게 배열되어 입사되는 빛이 산란, 회절되는 포컬 코닉 상태(focal conic state)에 있게 된다. 이 경우, 광조절층(130b)은 불투명해질 수 있다. 이러한 산란 상태는 안정한(stable) 상태로 전압이 제거되어도 유지될 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예들에서, 투과 상태의 능동형 스마트 윈도우(100c)를 보여주는 개략적인 단도면이다.
도 4를 참조하면, 이 능동형 스마트 윈도우(100c)에서 광조절층(130c) 내 콜레스테릭 액정은 액정의 꼬여있는 상태가 풀리면서 피치가 사라지고 액정분자들이 제 1 및 제 2 투명 기판들(110, 150)과 수직하게 배향되면서 투명한 상태인 수직 상태(homeotropic state)로 전환된다. 이 상태에서 광조절층(130c)은 광 투과성을 갖게 될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 능동형 스마트 윈도우의 전압조건에 따른 상태 변화를 보여주는 개략도이다.
도 5를 참조하면, 제 1 및 제 2 전극들(120, 140) 사이에 낮은 전압을 인가하면 광조절층(130a) 내 수평 상태(planar state)의 콜레스테릭 액정은 광조절층(130b) 내 포컬 코닉 상태(focal conic state)의 콜레스테릭 액정으로 변화될 수 있다. 한편, 제 1 및 제 2 전극들(120, 140) 사이에 높은 전압을 인가하면 광조절층(130a) 내 수평 상태(planar state)의 콜레스테릭 액정 또는 광조절층(130b) 내 포컬 코닉 상태(focal conic state)의 콜레스테릭 액정은 광조절층(130c) 내 수직 상태(homeotropic state)의 콜레스테릭 액정으로 변화될 수 있다.
일반적으로, 포컬 코닉(focal conic) 상태의 콜레스테릭 액정을 포함하는 광조절층(130b)에서는 빛의 산란이 일어나 불투명 상태를 유도하지만, 도메인의 크기에 따라 입사 가시광이 모두 투과하는 투명 상태를 유도할 수도 있다. 즉, 포컬 코닉 상태에서, 특정 색을 나타내는 투과도 조절이 가능한 반투과 상태와 투명 상태를 쌍안정 특성으로 조절할 수 있다.
수직 상태(homeotropic state)의 콜레스테릭 액정을 포함하는 광조절층(130c)은 투명 상태를 나타내지만 무전계 상태에서 안정성이 없으므로 쌍안정 상태에 응용되지 못하고, 단지 투과/차단 상태의 중간 상태로 이용된다.
따라서, 전술한 수평상태(planar state)와 포컬 코닉 상태(focal conic state)를 안정화 시켜서 반사/투과 모드 또는 투과/산란 모드의 에너지 절감형 스마트 윈도우를 구현할 수 있다.
아래 표 1은 본 발명의 실시예들에 따른 능동형 스마트 윈도우와 종래 PDLC 또는 EC를 적용한 스마트 윈도우의 성능을 비교한 것이다.
PDLC EC 실시예
구동전압 AC 30-100V DC 1-3V AC 30-70V
응답속도 10 msec ∼1min 1∼30 msec
태양광 평균 투과율 70∼80 5∼80 10∼90
구동온도(℃) -30∼90 -40∼65 -30∼90
광차단성 보통 우수 우수
시계 우수 양호 우수
제조비용 보통 미약 보통
대면적화 보통 미약 보통
디자인 자유도 양호 미약 우수
소비전력(에너지 효율) 미약 보통 우수
표 1에 따르면, 본 발명의 실시예들에 따른 능동형 스마트 윈도우는 EC의 응답속도, PDLC의 빛차단성 등의 기능적 보완이 가능하고, 콜레스테릭 액정을 이용해 명도와 색상을 다양하게 제어할 수 있어, 광량에 따른 가변화율 제어, 빛 차단성 등 우수한 기능을 구현할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에서, 전술한 능동형 스마트 윈도우(100, 100a, 100b, 100c)는 광 투과도 및 색상 조절이 필요한 자동차의 후면창, 측면창 및 썬루프창의 적어도 어느 하나에 적용될 수 있다.
본 발명의 다른 일부 실시예에서, 전술한 능동형 스마트 윈도우(100, 100a, 100b, 100c)는 건축물의 창문의 어느 하나에 적용될 수도 있다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100: 능동형 스마트 윈도우
110, 150: 투명 기판
120, 140: 전극
130: 광조절층

Claims (8)

  1. 제 1 투명 기판;
    상기 제 1 투명 기판 상의 제 1 전극;
    상기 제 1 전극 상의 콜레스테릭 액정을 포함하는 광조절층;
    상기 광조절층 상의 제 2 전극;
    상기 제 2 전극 상의 제 2 투명 기판;을 포함하고,
    상기 광조절층은 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극 사이에 인가된 전압 조건에 따라서 그 색상 및 투명도가 조절되는,
    능동형 스마트 윈도우.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광조절층 내 상기 콜레스테릭 액정은 적어도 두 상태에 대해서 전압이 제거된 이후에도 상태를 유지하는 쌍안정성을 갖는, 능동형 스마트 윈도우.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 광조절층은 투명 기지층 내에 상기 콜레스테릭 액정이 구형으로 분산된 구조를 갖는, 능동형 스마트 윈도우.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 투명 기지는 폴리카보네이트(polycarbonate) 재질을 포함하고,
    상기 투명 기지 내 콜레스테릭 액정의 비율은 폴리카보네이트 함량의 30 내지 40% 범위인, 능동형 스마트 윈도우.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 투명 기판 및 상기 제 2 투명 기판은 유리 또는 투명한 고분자 재질로 형성되는, 능동형 스마트 윈도우.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극은 투명한 재질로 형성되는, 능동형 스마트 윈도우.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 투명 기판 및 상기 제 1 전극 사이의 제 1 내막 접착 필름; 및
    상기 제 2 투명 기판 및 상기 제 2 전극 사이의 제 2 내막 접착 필름;을 더 포함하는,
    능동형 스마트 윈도우.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항의 어느 한 항에 따른 능동형 스마트 윈도우를 전면창, 후면창, 측면창 및 썬루프창의 적어도 어느 하나에 적용한, 자동차.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2021051460A1 (zh) * 2019-09-16 2021-03-25 珠海市唯酷科技有限公司 触控调光装置和可触控调光的车窗
KR20230045842A (ko) 2021-09-29 2023-04-05 한국기술교육대학교 산학협력단 자동차용 스마트 윈도우 장치 및 이를 포함하는 자동차

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