KR20190089404A - 태양전지를 이용한 스마트 윈도우 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 태양전지를 이용한 스마트 윈도우이 개시된다. 본 발명의 스마트 윈도우는 판상으로 형성되고, 중앙이 관통되어 개방되는 프레임, 프레임의 전면, 후면 및 내주면에 설치되어 입사광을 전기에너지로 변환하는 태양전지, 프레임의 중앙에 삽입되어 프레임의 내주면에 설치된 태양전지에 밀착되고, 입사광의 경로를 상기 프레임의 내주면에 설치된 태양전지 방향으로 변경하는 LSC(Luminescent Solar Concentrator)층 및 LSC층의 후면에 배치되도록 프레임의 중앙에 삽입되고, 전기에너지가 미인가되면 입사광을 차단하고, 전기에너지가 인가되면 입사광을 투과시키는 고분자 분산형 액정(polymer dispersed liquid crystal, PDLC)층을 포함한다.
Description
본 발명은 스마트 윈도우에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 태양전지로부터 전원을 공급받아 별도의 외부 전원 없이 입사광의 투과 및 차단을 제어하는 태양전지를 이용한 스마트 윈도우에 관한 것이다.
현재 널리 사용되고 있는 고분자 분산형 액정(polymer dispersed liquid crystal, PDLC)층을 포함하는 스마트 윈도우는 투명한 폴리머 매트릭스에 수십 마이크로 사이즈의 액정방울이 분산되어 있는 구조를 가진다.
이러한 고분자 분산형 액정층을 포함한 스마트 윈도우는 전기장이 무인가되면 폴리머 매트릭스와 수십 마이크로 사이즈의 액정방울의 굴절률이 미스매칭되어 입사광을 강하게 산란시켜 입사광을 차단시킨다. 또한 스마트 윈도우는 전기장이 인가되면 액정방울 내부의 액정분자가 전기장 방향으로 배열됨으로써 액정분자의 정상굴절률과 고분자 매트릭스의 굴절률이 동일하게 되어 입사광을 투과시킨다.
따라서, 이러한 고분자 분산형 액정층을 포함하는 스마트 윈도우는 입사광의 제어를 위해서 반드시 수십 볼트 이상의 전기장을 인가해줄 수 있는 외부 전원 공급부가 필요하다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 태양전지로부터 전원을 공급받아 별도의 외부 전원 없이 입사광의 투과 및 차단을 제어하는 태양전지를 이용한 스마트 윈도우를 제공하는데 목적이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 입사광의 경로를 변경시켜 태양전지로부터 생산되는 전기에너지의 생산율을 높이는 태양전지를 이용한 스마트 윈도우를 제공하는데 목적이 있다.
본 발명에 따른 태양전지를 이용한 스마트 윈도우는 판상으로 형성되고, 중앙이 관통되어 개방되는 프레임, 상기 프레임의 전면, 후면 및 내주면에 설치되어 입사광을 전기에너지로 변환하는 태양전지, 상기 프레임의 중앙에 삽입되어 상기 프레임의 내주면에 설치된 태양전지에 밀착되고, 입사광의 경로를 상기 프레임의 내주면에 설치된 태양전지 방향으로 변경하는 LSC(Luminescent Solar Concentrator)층 및 상기 LSC층의 후면에 배치되도록 상기 프레임의 중앙에 삽입되고, 전기에너지가 미인가되면 입사광을 차단하고, 전기에너지가 인가되면 입사광을 투과시키는 고분자 분산형 액정(polymer dispersed liquid crystal, PDLC)층을 포함한다.
또한 전기에너지를 상기 고분자 분산형 액정층에 인가하는 여부를 결정하는 사용자입력이 입력되는 입력부 및 상기 입력된 사용자입력에 따라 상기 고분자 분산형 액정층에 대한 전기에너지의 인가를 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 LSC층 및 상기 고분자 분산형 액정층 사이에 일정 간격으로 이격되어 공기층이 형성되는 공극을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 태양전지는, 상기 프레임의 전면에 설치되고, 외부로부터 입사되는 입사광을 전기에너지로 변환하는 제1 태양전지, 상기 프레임의 후면에 설치되고, 내부로부터 입사되는 입사광을 전기에너지로 변환하는 제2 태양전지 및 상기 프레임의 내주면에 설치되고, 입사광이 반사된 반사광을 전기에너지로 변환하는 제3 태양전지를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 LSC층은, 금속나노입자, 발광물질 및 폴리머를 포함하는 발광체 코팅층 및 외부로부터 입사되는 입사광 방향의 일면에 상기 발광체 코팅층이 형성되고, 입사광이 입사되면 내부반사를 통해 상기 제3 태양전지 방향으로 상기 입사광의 경로를 변경하는 투명유리를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 발광체 코팅층은, 상기 금속나노입자를 0.002wt% 내지 0.02wt% 포함하고, 상기 발광물질을 0.01wt% 내지 2.0wt% 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 발광물질은, 300㎚ 내지 1000㎚의 흡수 파장 및 300㎚ 내지 1000㎚의 발광파장을 가지는 형광 또는 인광물질인 것을 특징으로 한다.
또한 상기 LSC층은, 상기 발광체 코팅층 및 상기 투명유리를 하나의 층으로 하여 복수층을 형성하고, 각 층 사이마다 공기층을 형성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 태양전지를 이용한 스마트 윈도우는 전면, 후면 및 내주면에 각각 태양전지를 설치하여 별도의 외부 전원 없이 전원을 공급함으로써, 고분자 분산형 액정층을 통해 입사광의 투과 및 차단을 제어할 수 있다.
또한 LSC(Luminescent Solar Concentrator)층을 통해 입사광의 경로를 내주면에 설치된 태양전지 방향으로 변경시키는 전원 생산량을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 스마트 윈도우를 설명하기 위한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 스마트 윈도우를 설명하기 위한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 스마트 윈도우를 설명하기 위한 정면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 스마트 윈도우를 설명하기 위한 후면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 스마트 윈도우에 전기에너지가 미인가된 경우를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 스마트 윈도우에 전기에너지가 인가된 경우를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 LSC층이 복수층을 가지는 경우를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 스마트 윈도우의 내주면에서 발생되는 광전류를 설명하기 위한 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 스마트 윈도우의 LSC층에 대한 발광강도의 측정 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 스마트 윈도우의 내주면에서 발생되는 발광강도를 설명하기 위한 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 스마트 윈도우를 설명하기 위한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 스마트 윈도우를 설명하기 위한 정면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 스마트 윈도우를 설명하기 위한 후면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 스마트 윈도우에 전기에너지가 미인가된 경우를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 스마트 윈도우에 전기에너지가 인가된 경우를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 LSC층이 복수층을 가지는 경우를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 스마트 윈도우의 내주면에서 발생되는 광전류를 설명하기 위한 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 스마트 윈도우의 LSC층에 대한 발광강도의 측정 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 스마트 윈도우의 내주면에서 발생되는 발광강도를 설명하기 위한 그래프이다.
이하 본 발명의 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의한다. 또한 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 당업자에게 자명하거나 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 스마트 윈도우를 설명하기 위한 개략도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 스마트 윈도우를 설명하기 위한 사시도이며, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 스마트 윈도우를 설명하기 위한 정면도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 스마트 윈도우를 설명하기 위한 후면도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 스마트 윈도우(100)는 태양전지(10)로부터 전원을 공급받아 별도의 외부 전원 없이 입사광의 투과 및 차단을 제어한다. 스마트 윈도우(100)는 입사광의 경로를 변경시켜 태양전지로부터 생산되는 전기에너지의 생산율을 높일 수 있다. 스마트 윈도우(100)는 태양전지(10), LSC층(20), 고분자 분산형 액정층(30) 및 프레임(40)을 포함하고, 배터리(50), 입력부(60) 및 제어부(70)를 더 포함한다.
프레임(40)은 사각 테두리를 가지는 판상으로 형성되어 창틀에 끼워진다. 즉, 프레임(40)은 창문틀을 의미한다. 프레임(40)은 중앙이 관통되어 개방되며, 개방된 중앙에 LSC층(20), 고분자 분산형 액정층(30)이 삽입되어 끼워진다.
태양전지(10)는 프레임(40)의 전면, 후면 및 내주면에 설치된다. 태양전지(10)는 입사광을 전기에너지로 변환한다. 태양전지(10)는 제1 태양전지(11), 제2 태양전지(13) 및 제3 태양전지(15)를 포함한다. 제1 태양전지(11)는 프레임(40)의 전면에 설치된다. 여기서, 전면은 외부와 대향되는 면을 의미한다. 제1 태양전지(11)는 외부로부터 입사되는 입사광을 전기에너지로 변환한다. 따라서, 제1 태양전지(11)는 태양광을 전기에너지로 변환할 수 있다. 제2 태양전지(13)는 프레임(40)의 후면에 설치된다. 여기서, 후면은 내부와 대향되는 면을 의미한다. 제2 태양전지(13)는 내부로부터 입사되는 입사광을 전기에너지로 변환한다. 따라서, 제2 태양전지(13)는 내부 조명장치로부터 발광하는 빛을 전기에너지로 변환할 수 잇다. 제3 태양전지(15)는 프레임(40)의 내주면에 설치된다. 여기서, 내주면은 프레임(40)의 중앙에 형성된 개방된 내면을 의미한다. 제3 태양전지(15)는 내주면을 따라 전체적으로 설치되거나, 내주면 중 측면에 설치될 수 있다. 제3 태양전지(15)는 입사광이 반사된 반사광을 전기에너지로 변환할 수 있다.
LSC층(20)은 프레임(40)에 삽입되고, 입사광의 경로를 프레임(40)의 내주면에 설치된 태양전지 방향으로 변경한다. 즉, LSC층(20)은 입사광의 경로를 제3 태양전지(15) 방향으로 변경한다. LSC층(20)은 입사광을 제3 태양전지(15)로 집광시켜 제3 태양전지(15)로부터 생산되는 전원의 생산량을 높일 수 있다.
고분자 분산형 액정층(30)은 LSC층(20)의 후면에 배치되도록 프레임(40)에 삽입되고, 전기에너지의 인가 여부에 따라 입사광을 차단 또는 투과시킨다. 즉, 고분자 분산형 액정층(30)은 전기에너지가 미인가되면 입사광을 차단하고, 전기에너지가 인가되면 입사광을 투사한다. 상세하게는, 고분자 분산형 액정층(30)은 전압이 미인가되면 액정 분자의 방향이 불규칙해지고, 매체와의 굴절률이 다른 계면에서 산란을 일으켜 입사광을 차단한다. 고분자 분산형 액정층(30)은 전압이 인가되면 액정 분자의 방향이 가지런하게 되고, 양자의 굴절률이 일치하여 입사광을 투과한다.
배터리(50)는 태양전지(10)로부터 생산된 전기에너지를 저장하고, 고분자 분산형 액정층(30)으로 저장된 전원을 출력한다. 따라서, 배터리(50)는 제1 태양전지(11), 제2 태양전지(13), 제3 태양전지(15) 및 고분자 분산형 액정층(30)과 연결된다. 배터리(50)는 충전 및 방전이 교차되면서 수행되거나, 동시에 수행될 수 있다.
입력부(60)는 전기에너지를 고분자 분사형 액정층(30)에 인가하는 여부를 결정하는 사용자입력이 입력된다. 입력부(60)는 스위치 형태일 수 있으나, 이에 한정하지 않는다. 여기서, 스마트 윈도우(100)는 입력부(60)를 대신하여 통신부(미도시)를 포함할 수 있다. 통신부는 입력부(60)와 동일하게 사용자입력을 수신하되, 무선통신을 통해 사용자입력을 수신할 수 있다. 즉, 리모콘, 사용자단말 등과 같은 외부기기로부터 사용자입력을 수신할 수 있다.
제어부(70)는 입력부(60)로부터 입력된 사용자입력에 따라 고분자 분산형 액정층(30)에 대한 전기에너지의 인가를 제어한다. 즉, 사용자입력에 전원을 미인가하라는 명령이 포함되면 제어부(70)는 아무런 제어를 수행하지 않는다. 또한 사용자입력에 전원을 인가하라는 명령이 포함되면 제어부(70)는 배터리(50)에 전원을 고분자 분산형 액정층(30)에 출력되도록 제어한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 스마트 윈도우에 전기에너지가 미인가된 경우를 설명하기 위한 도면이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 스마트 윈도우에 전기에너지가 인가된 경우를 설명하기 위한 도면이며, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 LSC층이 복수층을 가지는 경우를 설명하기 위한 도면이다.
도 5 내지 도 7을 참조하면, 스마트 윈도우(100)는 태양전지(10), LSC층(20), 고분자 분산형 액정층(30), 프레임(40)을 포함하고, 제1 공극(80)을 더 포함한다.
스마트 윈도우(100)는 태양전지(10)를 프레임(40)의 전면에 설치된 제1 태양전지(11), 프레임(40)의 후면에 설치된 제2 태양전지(13) 및 프레임(40)의 내주면에 설치된 제3 태양전지(15)로 구분되어 설치된다. 즉, 스마트 윈도우(100)는 외부 및 내부로부터 입사되는 입사광 및 입사광이 반사된 반사광으로부터 전원을 생산할 수 있다.
이 때, 스마트 윈도우(100)는 반사광을 통한 전원 생산량을 증가시키기 위해 LSC층(20)을 포함한다. LSC층(20)은 프레임(40)의 중앙에 삽입되어 프레임(40)의 내주면에 설치된 제3 태양전지(15)에 밀착되고, 입사광의 경로를 제3 태양전지(15) 방향으로 변경한다. LSC층(20)은 제1 발광체 코팅층(21) 및 제1 투명유리(23)를 포함한다.
제1 발광체 코팅층(21)은 금속나노입자, 발광물질 및 폴리머를 포함된 코팅물질이 코팅된 층이다. 제1 발광체 코팅층(21)은 입사광이 입사되면 금속나노입자 및 발광물질에 의해 표면 플라즈몬(surface plasmon) 공명이 일어난다. 표면 플라즈몬은 금속나노입자 표면에 입사광이 입사되면 금속나노입자 표면의 전자들이 들뜬 상태로 여기되는 현상을 의미한다. 이렇게 여기된 금속나노입자 표면의 전자에서 발생되는 에너지는 주변부의 발광물질의 발광효율을 증대시킨다. 이 때, 제1 발광체 코팅층(21)은 금속나노입자의 표면 플라즈몬으로 여기된 전자들의 에너지가 주변부의 발광물질의 여기자 생성효율을 증대시켜 발광물질의 입사광 흡수효율을 향상시킬 수 있다. 또한 제1 발광체 코팅층(21)은 금속나노입자의 표면 플라즈몬으로 발생된 여기된 전자들의 에너지가 주변부의 발광물질의 비발광경로를 발광경로로 전환시켜 발광물질의 발광효율을 향상시킬 수 있다.
여기서, 제1 발광체 코팅층(21)은 금속나노입자를 0.002wt% 내지 0.02wt% 포함하고, 발광물질을 0.01wt% 내지 2.0wt% 포함한다. 여기서, 금속나노입자는 0.002wt% 미만인 경우, 표면 플라즈몬 공명에 의한 증폭이 잘 일어나지 않게 되고, 0.02wt% 초과인 경우, 금속입자가 많아져 여기자가 생김으로 인해 발광강도의 증폭이 떨어진다. 또한 발광물질은 0.2wt% 내지 2.0wt% 인 경우, 발광효율이 극대화된다.
금속나노입자는 다양한 종류의 금속나노입자를 포함하고, 바람직하게는 은 나노입자 또는 금 나노입자일 수 있다. 은 나노입자 또는 금 나노입자는 발광물질이 있는 상태에서 빛을 증폭시키는 역할을 한다. 이 때, 은 나노입자 또는 금 나노입자는 발광물질과 함께 표면 플라즈몬 공명효과에 의해 발광강도를 증폭시킬 수 있다. 금속나노입자는 크기가 5㎚ 내지 80㎚이고, 바람직하게는 10㎚ 내지 60㎚일 수 있다. 금속나노입자는 크기가 10㎚ 내지 60㎚일 때 발광물질과 혼합되어 표면 플라즈몬 공명이 잘 일어난다.
발광물질은 입사광을 여러 방향으로 방사시켜 제1 투명유리(23) 내로의 입사시 입사각을 변경하여 입사광이 제1 투명유리(23) 내에서 전반사가 일어나는 것을 돕는 역할을 한다. 발광물질은 300㎚ 내지 1000㎚의 흡수 파장 및 300㎚ 내지 1000㎚의 발광파장을 가지는 형광 또는 인광물질을 포함한다. 예를 들면 발광물질은 노란 형광체인 MACROLEX Fluorescent Yellow 10GN, 빨간 형광체인 MACROLEX Fluorescent Red G 또는 DCM, 초록 형광체인 Cumarine6 및 파란 형광체인 Cumarin466 중 어느 하나를 포함한다.
폴리머는 입사광이 제1 투명유리(23)로 진입하기 전에 먼저 입사광이 입사될 때 금속나노입자 및 발광물질이 코팅물질 전 영역에 걸쳐 분포할 수 있도록 하는 역할을 한다. 또한 폴리머는 금속나노입자 및 발광물질을 통해 방사된 반사광들 중에서 제1 투명유리(23)로 입사되지 못한 반사광의 일부를 측면으로 유도될 수 있도록 하는 역할을 한다. 폴리머는 폴리메틸메타아크릴레이트(polymethylmethacrylate, PMMA), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 폴리스티렌(polystyrene) 및 아크릴수지(Acryl resin) 중 적어도 하나를 포함한다.
제1 투명유리(23)는 외부로부터 입사되는 입사광 방향의 일면에 발광체 코팅층(21)이 형성된다. 이를 통해, 제1 투명유리(23)는 입사광이 통과되면 내부반사를 통해 제3 태양전지(15) 방향으로 입사광의 경로를 변경한다.
여기서, 입사광은 제1 발광체 코팅층(21)에 포함된 발광물질을 통해 여러 방향으로 방사될 뿐만 아니라, 발광물질 및 금속나노입자로 인한 표면 플라즈몬 공명에 의해 증폭이 일어나 제1 투명유리(23)로 더욱 강하게 전달될 수 있다. 여기서, 입사광은 수직으로 들어오는 빛을 제외한 나머지 빛을 제1 투명유리(23)의 외부인 공기와의 굴절률 차이에 의해 제1 투명유리(23) 내에서 발생되는 내부반사를 통해 제3 태양전지(15)로 전달될 수 있다.
즉, 수직으로 입사되지 않은 입사광은 제1 투명유리(23)의 상단에서 굴절이 이루어지고, 제1 투명유리(23)의 하단에서 반사가 이루어진다. 반사가 이루어지는 이유는 외부가 공기층으로 인해 굴절률 차이로 반사가 이루어지게 된다. 이로 인해, 입사광은 제1 투명유리(23) 내에서 내부반사가 이루어져 제1 투명유리(23) 상단에서 굴절된 방향으로 반사가 이루어지면서 제3 태양전지(15)로 전달하게 된다. 제1 투명유리(23)는 일면에 발광체 코팅층(21)을 형성하는 방법을 한정하지 않으나, 바 코팅(bar coating), 스핀 코팅(spin coating), 스프레이(spray), 잉크젯(ink jet), 플렉소그라피(flexography), 스크린(screen), 딥 코팅(dip coating), 그라비어(gravure) 등의 방법으로 형성할 수 있다. 또한 제1 투명유리(23)는 일면에 발광체 코팅층(21)을 필름 형태로 형성할 수 있다.
한편, LSC층(20)은 입사광의 측면전달 강도를 향상시키기 위해 발광체 코팅층이 일면에 형성된 투명유리를 복수층으로 형성할 수 있다. 즉, LSC층(20)은 발광체 코팅층 및 투명유리를 하나의 층으로 하여 복수층을 형성할 수 있다. 이 때, LSC층(20)은 각 층 사이마다 공기층을 형성할 수 있다.
예를 들면, LSC층(20)은 제1 발광체 코팅층(21) 및 제1 투명유리(23)로 구성된 제1 층 및 제2 발광체 코팅층(25) 및 제2 투명유리(27)로 구성된 제2 층을 포함할 수 있다. 이 때, LSC층(20)은 제1 층 및 제2 층 사이에 제2 공극(29)을 형성한다. 이를 통해, 입사광은 제1 투명유리(23) 및 제2 공극(29)의 굴절률 차이에 의해 제1 투명유리(23) 밖으로 굴절되지 않고, 제1 투명유리(23)에서 내부반사가 이루어져 제3 태양전지(15)로 전달된다. 또한 제1 발광체 코팅층(21)을 통과하여 제1 투명유리(23)에 수직으로 입사된 입사광은 제1 투명유리(21)에서 내부반사가 일어나지 않고, 제2 공극(29)으로 빠져나가게 되는데 이 경우 다음에 형성된 제2 발광체 코팅층(25)이 형성된 제2 투명유리(27) 내에서 내부반사가 일어나 제3 태양전지(15)로 전달된다.
스마트 윈도우(100)는 입사광의 투과를 제어하기 위해 고분자 분산형 액정층(30)을 포함한다. 고분자 분산형 액정층(30)은 LSC층(20)의 후면에 배치되도록 프레임(40)의 중앙에 삽입된다. 고분자 분산형 액정층(30)은 태양전지(10)로부터 생산된 전기에너지의 인가 상태에 따라 입사광을 차단하거나, 투과시킨다. 즉, 고분자 분산형 액정층(30)은 전기에너지가 미인가되면 입사광을 차단하고, 전기에너지가 인가되면 입사광을 투과시킨다. 여기서, 고분자 분산형 액정층(30)은 전기에너지가 미인가되면 LSC층(20)에서 반사되지 않고 투과되는 입사광의 경로를 제3 태양전지(15) 방향으로 변경할 수 있다.
한편, 스마트 윈도우(100)는 LSC층(20) 및 고분자 분산형 액정층(30) 사이에 제1 공극(80)을 포함할 수 있다. 제1 공극(80)은 일정 간격으로 LSC층(20) 및 고분자 분산형 액정층(30)이 이격되도록 하는 공기층이다. 따라서, 제1 공극(80)은 LSC층(20) 및 공기층의 굴절률, 공기층 및 고분자 분산형 액정층(30)의 굴절률 차이에 의해 입사광이 내부 반사가 이루어질 수 있도록 한다.
이하, LSC층(20) 및 고분자 분산형 액정층(30)의 구성에 대한 성능평가를 설명한다. 여기서, LSC-1은 LSC층(20)이 단층이고, 고분자 분산형 액정층(30)을 포함하지 않는 경우를 의미하고, LSC-2는 LSC층(20)이 복수층이고, 고분자 분산형 액정층(30)을 포함하지는 않는 경우를 의미한다. PDLC-LSC1(On mode)은 LSC층(20)이 단층이고, 고분자 분산형 액정층(30)을 포함하며, 전원이 인가된 경우를 의미하고, PDLC-LSC1(Off mode)은 LSC층(20)이 단층이고, 고분자 분산형 액정층(30)을 포함하며, 전원이 미인가된 경우를 의미한다. PDLC-LSC2(On mode)는 LSC층(20)이 복수층이고, 고분자 분산형 액정층(30)을 포함하며, 전원이 인가된 경우를 의미하고, PDLC-LSC2(Off mode)는 LSC층(20)이 복수층이고, 고분자 분산형 액정층(30)을 포함하며, 전원이 미인가된 경우를 의미한다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 스마트 윈도우의 내주면에서 발생되는 광전류를 설명하기 위한 그래프이다.
도 5 내지 도 8을 참조하면, 스마트 윈도우(100)는 LSC층(20) 및 고분자 분산형 액정층(30)을 포함한다. 이 때, LSC층(20)은 복수층으로 형성될 수 있다.
성능평가를 확인한 바, LSC층(20)이 단층인 경우보다 복수층인 경우 더 큰 광전류를 발생시키고, 고분자 분산형 액정층(30)을 포함하지 않는 경우보다 포함하는 경우 더 큰 광전류를 발생시키는 것을 확인할 수 있다.
특히, 고분자 분산형 액정층(30)을 포함하는 스마트 윈도우(100)의 경우, 전원이 인가된 경우보다 미인가된 경우 더 큰 광전류를 발생시키는 것을 확인할 수 있다.
이하, LSC층(20)에 대한 발광강도의 성능평가를 설명한다.
<실시예 1>
코팅물질 제조를 위해 발광물질은 Macrolex Fluorescence Yellow 10GN (화학식 : 3-(5-chloro-2-benzoxazolyl)-7-(diethylamino)-2H-1-Benzopyran-2-one), 금속나노입자은 평균지름이 약 20㎚인 은 나노입자, 폴리머는 PMMA를 준비하였다.
여기서, 코팅물질은 발광물질 0.8wt%, 은 나노입자 0.002wt% 및 폴리머 99.198wt%가 포함되도록 제조하였다. 또한 은 나노입자을 0.006wt%, 0.010wt%, 0.015wt%인 4가지 종류로 코팅물질을 제조하였다. 발광물질은 0.8wt%가 포함되었고, 나머지 질량비율은 폴리머로 100wt%를 맞췄다. 투명유리를 준비하여 제조된 코팅물질을 바 코팅을 하여 발광체 코팅층을 형성하였다.
<실시예 2>
실시예 1과 동일하게 제조하되,
발광물질은 Macrolex Fluorescence Red G (화학식 : 3-(benzothiazol-2-yl)-7-(diethylamino)-2-oxo-2H-1-benzopyran-4-carbonitrile), 금속나노입자는 평균지름이 약 20㎚인 금 나노입자를 준비하였으며, 금 나노입자를 0.002wt%, 0.006wt%, 0.010wt%, 0.015wt%인 4가지 종류로 코팅물질을 제조하였다. 투명유리를 준비하여 제조된 코팅물질을 바 코팅을 하여 발광체 코팅층을 형성하였다.
<비교예 1>
실시예 1과 동일하게 제조하되, 금속나노입자인 은 나노입자 없이 코팅물질을 제조하여 투명유리 상에 코팅하였다.
<비교예 2>
실시예 2와 동일하게 제조하되, 금속나노입자인 금 나노입자 없이 코팅물질을 제조하여 투명유리 상에 코팅하였다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 스마트 윈도우의 LSC층에 대한 발광강도의 측정 과정을 설명하기 위한 도면이고, 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 스마트 윈도우의 내주면에서 발생되는 발광강도를 설명하기 위한 그래프이다. 도 10(a)은 실시예 1 및 비교예 1의 발광강도를 나타내고, 도 10(b)은 실시예 2 및 비교예 2의 발광강도를 나타낸다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 발광체 코팅층이 형성된 투명유리를 이용하여 흡수 스펙트럼을 통한 발광강도를 측정할 수 있으며, 발광강도를 측정하는 공정은 다음과 같다.
솔라 시뮬레이터(210)는 태양광과 유사한 스펙트럼을 가지는 광 발생장치로써, 발생된 백색의 입사광이 샘플홀더(225)에 고정된 샘플(220)로 수직 조사된다. 이를 통해, 샘플(220)에 조사된 입사광은 일부분이 측면으로 전달된다. 이렇게 전달된 측면광은 배플(baffle)(235)을 포함하는 통합구(integrated sphere)(230)로 모아지며, 일측 끝에 연결된 광섬유 광 검출기(optical fiber detector)(240)를 통해 분광기(spectrometer)(250)로 전달된다. 이를 통해, 분광기(250)는 파장에 따른 강도를 가지는 스펙트럼을 검출한다. 이 때, 강도는 자동적으로 계산되며, 전력(power) 즉, 와트(W)로 출력부(260) 상에 표시된다.
실시예 1 및 비교예 1을 비교하면, 발광강도는 발광물질 Macrolex Fluorescence Yellow 10GN의 영향으로 약 530㎚ 파장대에서 피크(peak)를 나타내고, 은 나노입자가 없는 상태에서 발광강도가 가장 낮은 값을 확인하였다. 한편, 은 나노입자의 농도가 높아짐에 따라 점점 발광강도가 높아지다가 0.010wt%를 기준으로 발광강도가 낮아지는 것을 확인하였다. 즉, 0.010wt%일 때, 가장 높은 발광강도를 확인하였다.
실시예 2 및 비교예 2를 비교하면, 발광강도는 발광물질 Macrolex Fluorescence Red G의 영향으로 약 630㎚ 파장대에서 피크를 나타내고, 금 나노입자가 없는 상태에서 발광강도가 가장 낮은 값을 확인하였다. 한편, 금 나노입자의 농도가 높아짐에 따라 점점 발광강도가 높아지다가 0.010wt%를 기준으로 발광강도가 낮아지는 것을 확인하였다. 즉, 0.010wt%일 때, 가장 높은 발광강도를 확인하였다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
10: 태양전지
11: 제1 태양전지
13: 제2 태양전지
15: 제3 태양전지
20: LSC층
21: 제1 발광체 코팅층
23: 제1 투명유리
25: 제2 발광체 코팅층
27: 제2 투명유리
29: 제2 공극
30: 고분자 분산형 액정층
40: 프레임
50: 배터리
60: 입력부
70: 제어부
80: 제1 공극
100: 스마트 윈도우
200: 광 발생장치
210: 솔라 시뮬레이터
220: 샘플
225: 샘플홀더
230: 통합구
235: 배플
240: 광섬유 광 검출기
250: 분광기
260: 출력부
11: 제1 태양전지
13: 제2 태양전지
15: 제3 태양전지
20: LSC층
21: 제1 발광체 코팅층
23: 제1 투명유리
25: 제2 발광체 코팅층
27: 제2 투명유리
29: 제2 공극
30: 고분자 분산형 액정층
40: 프레임
50: 배터리
60: 입력부
70: 제어부
80: 제1 공극
100: 스마트 윈도우
200: 광 발생장치
210: 솔라 시뮬레이터
220: 샘플
225: 샘플홀더
230: 통합구
235: 배플
240: 광섬유 광 검출기
250: 분광기
260: 출력부
Claims (8)
- 판상으로 형성되고, 중앙이 관통되어 개방되는 프레임;
상기 프레임의 전면, 후면 및 내주면에 설치되어 입사광을 전기에너지로 변환하는 태양전지;
상기 프레임의 중앙에 삽입되어 상기 프레임의 내주면에 설치된 태양전지에 밀착되고, 입사광의 경로를 상기 프레임의 내주면에 설치된 태양전지 방향으로 변경하는 LSC(Luminescent Solar Concentrator)층; 및
상기 LSC층의 후면에 배치되도록 상기 프레임의 중앙에 삽입되고, 전기에너지가 미인가되면 입사광을 차단하고, 전기에너지가 인가되면 입사광을 투과시키는 고분자 분산형 액정(polymer dispersed liquid crystal, PDLC)층;
을 포함하는 태양전지를 이용한 스마트 윈도우. - 제 1항에 있어서,
전기에너지를 상기 고분자 분산형 액정층에 인가하는 여부를 결정하는 사용자입력이 입력되는 입력부; 및
상기 입력된 사용자입력에 따라 상기 고분자 분산형 액정층에 대한 전기에너지의 인가를 제어하는 제어부;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지를 이용한 스마트 윈도우. - 제 1항에 있어서,
상기 LSC층 및 상기 고분자 분산형 액정층 사이에 일정 간격으로 이격되어 공기층이 형성되는 공극;
을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지를 이용한 스마트 윈도우. - 제 1항에 있어서,
상기 태양전지는,
상기 프레임의 전면에 설치되고, 외부로부터 입사되는 입사광을 전기에너지로 변환하는 제1 태양전지;
상기 프레임의 후면에 설치되고, 내부로부터 입사되는 입사광을 전기에너지로 변환하는 제2 태양전지; 및
상기 프레임의 내주면에 설치되고, 입사광이 반사된 반사광을 전기에너지로 변환하는 제3 태양전지;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지를 이용한 스마트 윈도우. - 제 4항에 있어서,
상기 LSC층은,
금속나노입자, 발광물질 및 폴리머를 포함하는 발광체 코팅층; 및
외부로부터 입사되는 입사광 방향의 일면에 상기 발광체 코팅층이 형성되고, 입사광이 입사되면 내부반사를 통해 상기 제3 태양전지 방향으로 상기 입사광의 경로를 변경하는 투명유리;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지를 이용한 스마트 윈도우. - 제 5항에 있어서,
상기 발광체 코팅층은,
상기 금속나노입자를 0.002wt% 내지 0.02wt% 포함하고, 상기 발광물질을 0.01wt% 내지 2.0wt% 포함하는 것을 특징으로 하는 태양전지를 이용한 스마트 윈도우. - 제 5항에 있어서,
상기 발광물질은,
300㎚ 내지 1000㎚의 흡수 파장 및 300㎚ 내지 1000㎚의 발광파장을 가지는 형광 또는 인광물질인 것을 특징으로 하는 태양전지를 이용한 스마트 윈도우. - 제 5항에 있어서,
상기 LSC층은,
상기 발광체 코팅층 및 상기 투명유리를 하나의 층으로 하여 복수층을 형성하고, 각 층 사이마다 공기층을 형성하는 것을 특징으로 하는 태양전지를 이용한 스마트 윈도우.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020180007855A KR20190089404A (ko) | 2018-01-22 | 2018-01-22 | 태양전지를 이용한 스마트 윈도우 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020180007855A KR20190089404A (ko) | 2018-01-22 | 2018-01-22 | 태양전지를 이용한 스마트 윈도우 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20190089404A true KR20190089404A (ko) | 2019-07-31 |
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ID=67473737
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020180007855A KR20190089404A (ko) | 2018-01-22 | 2018-01-22 | 태양전지를 이용한 스마트 윈도우 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20190089404A (ko) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20210050185A (ko) * | 2019-10-28 | 2021-05-07 | 주식회사 다스코포레이션 | 자가 발전 및 충전이 가능한 건물 외벽의 창틀 설치형 디스플레이 장치 |
| CN112928984A (zh) * | 2019-12-06 | 2021-06-08 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种基于聚集诱导发光分子的叠层太阳能聚光板 |
| US11843065B2 (en) | 2020-03-05 | 2023-12-12 | Korea University Research And Business Foundation | Solar cell module having parallel and series connection structure |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101696724B1 (ko) | 2010-10-19 | 2017-01-16 | 엘지전자 주식회사 | 스마트 윈도우 장치 |
-
2018
- 2018-01-22 KR KR1020180007855A patent/KR20190089404A/ko not_active Application Discontinuation
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101696724B1 (ko) | 2010-10-19 | 2017-01-16 | 엘지전자 주식회사 | 스마트 윈도우 장치 |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20210050185A (ko) * | 2019-10-28 | 2021-05-07 | 주식회사 다스코포레이션 | 자가 발전 및 충전이 가능한 건물 외벽의 창틀 설치형 디스플레이 장치 |
| CN112928984A (zh) * | 2019-12-06 | 2021-06-08 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种基于聚集诱导发光分子的叠层太阳能聚光板 |
| US11843065B2 (en) | 2020-03-05 | 2023-12-12 | Korea University Research And Business Foundation | Solar cell module having parallel and series connection structure |
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