KR20210064760A - 신축성 투명도 조절 필름, 투명도 조절 필름의 제조 방법 및 이를 이용한 스마트 윈도우 - Google Patents

신축성 투명도 조절 필름, 투명도 조절 필름의 제조 방법 및 이를 이용한 스마트 윈도우 Download PDF

Info

Publication number
KR20210064760A
KR20210064760A KR1020190153329A KR20190153329A KR20210064760A KR 20210064760 A KR20210064760 A KR 20210064760A KR 1020190153329 A KR1020190153329 A KR 1020190153329A KR 20190153329 A KR20190153329 A KR 20190153329A KR 20210064760 A KR20210064760 A KR 20210064760A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
film
thin film
inorganic thin
stretchable
elastic part
Prior art date
Application number
KR1020190153329A
Other languages
English (en)
Other versions
KR102304949B1 (ko
Inventor
전석우
조동휘
심영석
Original Assignee
한국과학기술원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국과학기술원 filed Critical 한국과학기술원
Priority to KR1020190153329A priority Critical patent/KR102304949B1/ko
Publication of KR20210064760A publication Critical patent/KR20210064760A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102304949B1 publication Critical patent/KR102304949B1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/02—Diffusing elements; Afocal elements
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/20—Filters
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J5/00—Manufacture of articles or shaped materials containing macromolecular substances
    • C08J5/18—Manufacture of films or sheets
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08J—WORKING-UP; GENERAL PROCESSES OF COMPOUNDING; AFTER-TREATMENT NOT COVERED BY SUBCLASSES C08B, C08C, C08F, C08G or C08H
    • C08J7/00—Chemical treatment or coating of shaped articles made of macromolecular substances
    • C08J7/04—Coating
    • C08J7/06—Coating with compositions not containing macromolecular substances
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08L—COMPOSITIONS OF MACROMOLECULAR COMPOUNDS
    • C08L83/00—Compositions of macromolecular compounds obtained by reactions forming in the main chain of the macromolecule a linkage containing silicon with or without sulfur, nitrogen, oxygen or carbon only; Compositions of derivatives of such polymers
    • C08L83/04—Polysiloxanes
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E06—DOORS, WINDOWS, SHUTTERS, OR ROLLER BLINDS IN GENERAL; LADDERS
    • E06B—FIXED OR MOVABLE CLOSURES FOR OPENINGS IN BUILDINGS, VEHICLES, FENCES OR LIKE ENCLOSURES IN GENERAL, e.g. DOORS, WINDOWS, BLINDS, GATES
    • E06B9/00—Screening or protective devices for wall or similar openings, with or without operating or securing mechanisms; Closures of similar construction
    • E06B9/24—Screens or other constructions affording protection against light, especially against sunshine; Similar screens for privacy or appearance; Slat blinds
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B1/00—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements
    • G02B1/04—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements made of organic materials, e.g. plastics
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03F—PHOTOMECHANICAL PRODUCTION OF TEXTURED OR PATTERNED SURFACES, e.g. FOR PRINTING, FOR PROCESSING OF SEMICONDUCTOR DEVICES; MATERIALS THEREFOR; ORIGINALS THEREFOR; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED THEREFOR
    • G03F7/00—Photomechanical, e.g. photolithographic, production of textured or patterned surfaces, e.g. printing surfaces; Materials therefor, e.g. comprising photoresists; Apparatus specially adapted therefor
    • G03F7/004—Photosensitive materials
    • G03F7/075—Silicon-containing compounds
    • G03F7/0757—Macromolecular compounds containing Si-O, Si-C or Si-N bonds
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03F—PHOTOMECHANICAL PRODUCTION OF TEXTURED OR PATTERNED SURFACES, e.g. FOR PRINTING, FOR PROCESSING OF SEMICONDUCTOR DEVICES; MATERIALS THEREFOR; ORIGINALS THEREFOR; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED THEREFOR
    • G03F7/00—Photomechanical, e.g. photolithographic, production of textured or patterned surfaces, e.g. printing surfaces; Materials therefor, e.g. comprising photoresists; Apparatus specially adapted therefor
    • G03F7/26—Processing photosensitive materials; Apparatus therefor

Abstract

개시된 신축성 투명도 조절 필름은, 주기적으로 정렬된 3차원 네트워크 형상을 가지며 폴리디메틸실록산을 포함하는 내부 탄성부, 상기 내부 탄성부를 둘러싸는 무기 박막 및 상기 무기 박막을 둘러싸며 폴리디메틸실록산을 포함하는 외부 탄성부를 포함한다.

Description

신축성 투명도 조절 필름, 투명도 조절 필름의 제조 방법 및 이를 이용한 스마트 윈도우{STRETCHABLE TRANSPARENCY-ADJUSTING FILM, METHOD FOR MANUFACTURING TRANSPARENCY-ADJUSTING FILM AND SMART WINDOW USING THE SAME}
본 발명은 투명도를 조절 가능한 필름에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 신축성 투명도 조절 필름, 투명도 조절 필름의 제조 방법 및 이를 이용한 스마트 윈도우에 관한 것이다.
기존의 전기 변색 소자 (Electrochromic Device)와 같이 외부에서 인가된 전기적ㅇ화학적 변화에 의한 투광성 제어 기술은 장기안정성, 큰 에너지 소비, 복잡하고 비싼 설치 및 유지 비용 등의 문제가 지적되고 있다. 따라서 비교적 간단한 기계적 변형(stretching/compressing)을 통해 가시광 투광성을 제어하는 기술이 최근 주목받기 시작했다.
예를 들어, 2차원 마이크로, 혹은 나노 구조체 (wrinkle, crack, pillar, hole, particle 등)에서 빛이 입사할 때 발생 되는 구조 계면에서의 빛 산란 효과를 이용하여, 투광성 제어가 가능한 신축성 광학 필름이 제안되었다.
일반적으로, 신축성 필름 위 표면에 존재하는 구조가 갖는 굴절률과 바깥 매질의 굴절률 차이에 의해 빛이 굴절, 반사되어 궁극적으로 산란 되면서 불투명하게 보이다가, 필름이 인장 되면서 구조의 정렬, 형태, 크기의 변형에 의해 투명해지는 것을 이용하여 스마트 윈도우로 응용되고 있다. 하지만, 이들 대부분의 표면에 위치한 구조에서 발생하는 산란 효과는 온도, 습도, 심한 기계적 변형을 포함하는 외부 환경에 취약하며, 이로 인한 심각한 성능 저하, 내구성 문제가 있다.
더 근본적인 문제는 현재까지의 기술은 연구실 수준의 작은 면적으로만 구현이 가능하기 때문에 실용적인 응용으로 이어지기에는 치명적인 한계가 있다. 또한, 대부분의 발명 혹은 연구는 공정 개발 및 이의 성능 평가에만 집중하고 있으며, 근본적으로 산란 메커니즘을 극대화 시킬 수 있는 재료의 설계에 대한 심도 있는 내용은 포함되고 있지 않다. 그 이유는 wrinkle, crack 등 비정렬 구조에 근거한 빛 산란 현상을 이용하기 때문에, 유한요소해석을 통한 unit-cell 모델링이 불가능하기 때문에 체계적인 해석이 불가능하다.
(1) 대한민국등록특허 10-1902380 (2) 대한민국등록특허 10-0596589 (3) 미국특허출원 15/553,805
(1) Advanced Materials 30, 43, 1803847 (2018) (2) Nature Communications 7, 11802 (2016) (3) Advanced Materials 27, 15, 2489-2495 (2015) (4) Advanced Materials 26, 4127 (2014)
본 발명의 일 과제는, 경제적인 재료를 사용하여 제작한 신축성 투명도 조절 필름을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 과제는, 상기 투명도 조절 필름의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 과제는, 상기 투명도 조절 필름을 이용한 스마트 윈도우를 제공하는 것이다.
상술한 본 발명의 일 과제를 달성하기 위한 본 발명의 예시적인 실시예들에 따르면, 신축성 투명도 조절 필름은, 주기적으로 정렬된 3차원 네트워크 형상을 가지며 폴리디메틸실록산을 포함하는 내부 탄성부, 상기 내부 탄성부를 둘러싸는 무기 박막 및 상기 무기 박막을 둘러싸며 폴리디메틸실록산을 포함하는 외부 탄성부를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 상기 무기 박막은 산화물을 포함한다.
일 실시예에 따르면, 상기 무기 박막은 알루미나를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 상기 무기 박막의 두께는 60nm 내지 80nm이다.
일 실시예에 따르면, 상기 무기 박막의 네트워크는 면심 입방(face centered cubic) 구조 또는 단순 입방(simple cubic) 구조를 갖는다.
본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 윈도우는, 신축성 투명도 조절 필름 및 상기 신축성 투명도 조절 필름의 단부를 고정하는 고정 클램프를 포함하는 윈도우부; 및 상기 신축성 투명도 조절 필름의 스트레인을 조절하기 위한 구동부를 포함한다. 상기 신축성 투명도 조절 필름은 스트레인에 의해 내부에 에어 갭을 형성함으로써 투명도가 감소한다.
일 실시예에 따르면, 상기 구동부는 상기 고정 클램프를 이동하기 위한 서보 모터 및 상기 서보 모터를 제어하는 제어부를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 상기 구동부는 광량을 감지하여 상기 제어부에 광량 정보 신호를 제공하는 광센서를 더 포함한다.
일 실시예에 따르면, 상기 구동부는 외부의 통신 장치로부터 제어 신호 또는 정보를 수신하기 위한 통신 모듈을 더 포함한다.
일 실시예에 따르면, 상기 에어 갭은 상기 외부 탄성부 및 상기 무기 박막 사이에 형성되며, 60nm 내지 120nm의 크기를 갖는다.
본 발명의 일 실시예에 따른 신축성 투명도 조절 필름의 제조 방법은, 주기적으로 정렬된 네트워크 형상을 갖는 3차원 다공성 주형을 형성하는 단계; 상기 3차원 다공성 주형의 기공을 충진하여 역상의 외부 탄성부를 형성하는 단계; 상기 3차원 다공성 주형을 제거하는 단계; 상기 외부 탄성부의 기공의 내벽에 무기 박막을 형성하는 단계; 및 상기 외부 탄성부의 기공을 충진하여 상기 무기 박막에 의해 둘러싸여지는 내부 탄성부를 형성하는 단계를 포함한다.상기 외부 탄성부 및 상기 내부 탄성부는 폴리디메틸실록산을 포함한다.
상술한 바와 같이 본 발명의 예시적인 실시예들에 따르면, 나노 두께로 증착된 산화물층과 신축성 있는 탄성 중합체의 인장에 대해 서로 다른 기계적 반응으로 인하여 공극이 발생하며, 이에 따라, 작은 굴절률(약 1)을 갖는 공기층과 고굴절률 물질인 산화물층 사이의 경계면이 산란경계로 작용하며, 인장을 풀어주게 되면 경계면이 완벽하게 콘포말 접촉하게 되면서 산란경계가 없어진다. 따라서 3차원 나노구조의 산란경계의 즉각적인 조절로 투광성 제어 폭을 극대화 시킬 수 있다. 이는 기존 기술이 표면에 존재하는 2차원 구조 (micro-, nanopillar, hole, wrinkle, crack 등등)에서의 산란 효과라는 점과 거친 외부 환경 (온도, 습도, 산도, 굽힘, 뒤틀림 등)에 취약한 점을 고려할 때, 본 발명에서 제안하는 필름 구조는 구조적 안정성, 내구성 및 산란 효과를 개선할 수 있다.
또한, 본 발명의 투명도 조절 필름에서, 스트레인에 의한 산란 입자는 필름 전체 내에 3차원으로 형성/분포된다. 따라서, 표면의 2차원 구조에 의해 산란 입자가 형성되는 종래의 신축성 투명도 조절 필름과 비교하여 산란 효과(투명도 감소)가 크다.
본 발명의 투명도 조절 필름에서, 스트레인에 의한 산란 입자는 정렬된 구조에 기반하므로, wrinkle, crack 등 비정렬 구조에 근거한 종래의 투명도 조절 필름과 다르게, 유한요소해석을 통한 unit-cell 모델링이 가능하다. 이로부터 빛 산란을 유도하는 공극의 크기 등을 제어함으로써 산란경계에서 발생하는 산란효율을 극대화 시킬 수 있으므로, 투명성 제어를 필요로 하는 다양한 응용(바이오 분야, 태양 에너지 분야, 광학 분야 등)에 각각 맞는 성능을 제공할 수 있다.
또한, 종래의 스마트 윈도우로서 널리 연구되고 있는 전기변색 소자 (electrochromic device)의 경우, 일부 상용 제품으로 등장하고 있지만, 장기 안정성 문제, 내부 포함되는 재료의 유해성, 비평면 구조에 적용하기 어렵다는 점, 느린 반응속도, 상을 유지하기 위해 지속적인 전기를 가해야 한다는 점에서 에너지 소비 문제 등이 지적되고 있다. 반면에 본 발명에 따르면, 간단한 인장을 통해서 투명성을 즉각적으로 제어할 수 있기 때문에, 인장시 필요한 에너지 소비를 제외하면 별도의 전원 공급 장치가 필요 없으며, 간단한 아두이노 회로 및 안드로이드 앱 등을 이용하여 쉽게 스마트 윈도우로 구현될 수 있다.
도 1 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 투명도 조절 필름의 제조 방법을 도시한 도면들이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 투명도 조절 필름의 투명도 조절 과정을 설명하기 위한 모식도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 윈도우의 윈도우부를 도시한 정면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 윈도우의 구동부를 도시한 회로도이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 윈도우의 실험 모형의 디지털 사진들이다.
도 11은 실시예 1의 시편(필름 두께: 13㎛, 알루미나 두께: 60nm)의 단계별 주사전자현미경 (Scanning Electron Microscope, SEM)의 표면 이미지이다.
도 12는 표면 처리되지 않은 PDMS, 표면 처리(UV/오존)된 PDMS, 표면 처리된 PDMS 위에 형성된 알루미나 및 표면 처리되지 않은 PDMS 위에 형성된 알루미나(Ref)의 접촉각을 도시한 그래프이다.
도 13은 실시예 1의 시편들의 산란 층수(필름 두께)에 대한 투과율 제어 변화에 대한 그래프이다.
도 14는 실시예 1의 시편들의 알루미나의 증착 두께 및 인장률에 대한 투과율 변화를 나타내는 그래프이다.
도 15는 실시예 1의 시편(알루미나 증착 두께 60 nm)의 600 nm 파장에서 약 40 % 인장(스트레인)에 대한 투과율 변화의 반복성 결과를 나타내는 그래프이다.
도 16은 실시예 1의 시편(알루미나 증착 두께 60 nm)의 600 nm 파장에서 약 40 % 인장(스트레인)일 때, 주변 온도에 대한 투과율 변화를 나타내는 그래프이다.
도 17은 실시예 1의 시편(필름 두께: 13㎛, 알루미나 두께: 60nm)의 물속에서의 인장 테스트에 대한 디지털 사진이다.
도 18은 실시예 1의 시편(필름 두께: 13㎛, 알루미나 두께: 60nm, 체심 정방 구조)의 인장 테스트에 대한 스트레스 변화를 도시한 시뮬레이션 결과이다.
도 19는 실시예 1의 시편(필름 두께: 13㎛, 알루미나 두께: 60nm, 체심 정방 구조)에서 1/8 유닛 셀의 인장에 대한 에어 갭 변화를 도시한 시뮬레이션 결과이다.
도 20a 내지 도 20c는 실시예 1의 시편(필름 두께: 13㎛, 알루미나 두께: 60nm, 체심 정방 구조)에서 전체 유닛 셀의 인장에 대한 에어 갭 변화를 도시한 시뮬레이션 결과이다.
도 21은 실시예 1의 시편(필름 두께: 13㎛, 알루미나 두께: 60nm)의 60 % 인장(스트레인)에 대한 투과율 변화의 측정 결과 및 제1 갭 영역의 투과율 변화 대한 시뮬레이션 결과를 도시한 그래프이다.
도 22는 실시예 1의 시편(필름 두께: 13㎛, 알루미나 두께: 60nm)의 60 % 인장(스트레인) 상태에서, 입사되는 광(484nm/683nm)에 대한 전기장 분포를 나타낸 이미지이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 신축성 투명도 조절 필름, 투명도 조절 필름의 제조 방법 및 이를 이용한 스마트 윈도우에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 발명은, 간단한 stretching/releasing 방법을 통하여 산란 경계를 조절함으로써, 파동 투광성을 효과적으로 제어할 수 있는 투명도 조절 필름을 제공한다. 이를 위하여 일 실시예로서, 신축성 있는 탄성 중합체와 알루미나로 이루어진 3차원 나노 복합체 및 그 제조 방법을 제공한다.
상기 주기적인 3차원 나노 복합체에 스트레인이 발생하면, 탄성 중합체와 알루미나의 서로 다른 기계적 거동으로 인해 공극(air-gap)이 발생한다. 이때 공기(refractive index: 1)가 알루미나(refractive index: 1.7)가 코팅된 BCT 유닛셀에서의 내부 탄성부를 고립시킴으로써 새로운 산란 입자(scattering particle)가 형성되며, 이 계면에서 가시광 전 파장에서 고른 빛의 산란 효과(Mie scattering)가 발생한다.
일 실시예에 따르면, 원자층 증착법을 통하여 알루미나의 증착 두께를 조절함으로써 상기 산란 입자의 effective 굴절률을 조절할 수 있고, 전체적인 3차원 구조의 산란 층수와 공극의 형태를 조절함으로써 빛 산란 정도를 연속적으로 조절할 수 있다.
상기 3차원 나노 복합체에 가해진 인장력이 제거되면, 탄성 중합체의 복원에 의해 공극이 제거된다. 따라서, 탄성중합체-알루미나-탄성중합체의 계면이 형성되고, 이에 따라 산란경계로 작용했던 경계면이 콘포멀 접촉(conformal contact)을 하면서 가시광에 대해 단일 매질로 거동한다. (일반적으로, 입사하는 파장의 약 1/10 크기보다 작은 스케일의 매질은 광학적으로 투명할 수 있다)
본 발명의 실시예들에 따른 투명도 조절 필름은, 주기적인 구조에 기반하였기 때문에, 효과적인 재료의 선정 및 신뢰성 있는 투명도 조절이 가능하다. 또한, 대면적 광학 패터닝 및 원자층 증착법 기술을 통해, 투명도 조절 필름 및 스마트 윈도우의 대면적화가 가능하며, 최근 고도화되고 있는 IoT(Internet of Things) 기술과의 접목을 통해 외부 환경에 스스로 투광성을 제어하는 스마트 윈도우 디바이스 구현이 가능하다.
본 발명의 실시예에 따르면, 주기적인 3차원 나노 복합체를 형성하기 위하여, 자가조립(Self-Assembly), 간섭 리소그라피(Interference Lithography), 스테레오 리소그라피(Stereo Lithography), 홀로그래픽 리소그라피(Holographic Lithography), 직접 잉크 라이팅(Direct Ink Writing), 3D 프린팅(3D Printing) 등 다양한 기술이 사용될 수 있다. 이를 설명하기 위하여 동 출원인의 한국특허출원 2018-0041150호, 2017-0041150호 및 2016-0116160호, 그리고 한국등록특허 1391730호, 1400363호, 1358988호, 1919906호 및 1902382호에 기술된 방법이 참조로 병합될 수 있다.
이하에서는 예시로서, 근접장 나노패터닝 기술(Proximity-Field Nanopatterning, PnP)을 이용한 실시예를 설명하기로 한다.
도 1 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 투명도 조절 필름의 제조 방법을 도시한 도면들이다. 구체적으로, 도 1 내지 4는 3차원 다공성 주형을 형성하는 단계를 도시한 단면도들이고, 도 5는 3차원 다공성 주형을 제거한 후, 제1 탄성부를, 무기 박막 및 제2 탄성부를 형성하는 단계를 도시한 사시도이다.
도 1을 참조하면, 베이스 기판(100) 위에 희생층(110)을 형성한다.
예를 들어, 상기 베이스 기판(110)은 실리콘, 유리, 쿼츠, 사파이어, 고분자, 금속 등을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 고분자는, 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리카보네이트(PC), 폴리이미드(PI), 폴리아미드(PA), 폴리프로필렌(PP) 등을 포함할 수 있다.
상기 희생층(110)은, 상기 베이스 기판(110)과 그 위에 형성되는 신축성 필름의 분리를 쉽게할 수 있다. 예를 들어, 상기 희생층(110)은, 포토레지스트 조성물 등을 도포하고 경화(노광 및 베이킹)하여 형성될 수 있다.
다음으로, 상기 희생층(110) 위에 감광성 필름(120)을 형성한다. 예를 들어, 상기 감광성 필름(120)은, 포토레지스트 조성물을 상기 희생층(110) 위에 코팅한 후, 예를 들면 약 50℃ 내지 약 100℃ 범위의 온도로 소프트 베이킹(soft baking) 처리하여 형성될 수 있다. 가열 시간은 적절하게 조절될 수 있으며, 예를 들어 약 5분 내지 3시간 동안 가열될 수 있다.
예를 들어, 상기 감광성 필름(120) 형성을 위한 포토레지스트 조성물은, 광가교성을 갖는 유-무기 하이브리드 물질, 하이드로 젤, 페놀릭 수지, 에폭시 수지 등을 포함할 수 있다. 구체적인 예로서, 상기 포토레지스트 조성물로는 SU-8 시리즈, KMPR 시리즈, ma-N 1400 (이상 MicroChem), NR5-6000p(Futurrex) 등이 사용될 수 있다.
도 2를 참조하면, 상기 감광성 필름(120)의 상면에 위상 마스크(130)를 접촉시키고, 상기 위상 마스크(130)를 통해, 3차원 분포를 갖는 광을 상기 감광성 필름(120)에 조사한다. 예를 들어, 상기 위상 마스크(130)의 접촉면은 요철 형상을 가질 수 있다.
상기 PnP 방법에 있어서, 예를 들면 엘라스토머(elastomer) 물질을 포함하는 위상 마스크에 투과되는 빛의 간섭 현상으로부터 발생된 주기적인 3차원 분포가 활용되어 상기 감광성 필름(120)이 패터닝될 수 있다. 예를 들면, 표면에 요철 격자 구조가 형성된 유연한 탄성체 기반의 위상 마스크(130)를 상기 감광성 필름(120)에 접촉시키면 반 데르 발스(Van der Waals) 힘에 기반하여 상기 위상 마스크(130)가 자연적으로 상기 감광성 필름(120)에 밀착(예를 들면, 콘포멀(conformal) 접촉)할 수 있다.
상기 위상 마스크(130)의 격자 주기와 유사한 범위의 파장을 갖는 레이저를 상기 위상 마스크(130) 표면에 조사하면 탈봇 효과에 의해 3차원적인 빛의 분포가 형성될 수 있다. 네거티브 톤의 포토레지스트를 사용하는 경우, 보강 간섭으로 빛이 강하게 형성된 부분만 선택적으로 포토레지스트의 가교가 일어나고 상대적으로 빛이 약한 나머지 부분은 가교를 위한 노광량이 충분하지 못하기 때문에 현상(developing) 과정에서 용해되어 제거될 수 있다. 최종적으로 건조(drying) 과정을 거치면 상기 레이저의 파장 및 상기 위상 마스크의 디자인에 따라 수 백 나노미터(nm) ~ 수 마이크로미터(㎛) 수준의 주기적인 3차원 구조가 네트워크로 연결된 다공성 주형이 형성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 PnP 방법에 사용되는 위상 마스크(130)의 패턴 주기 및 입사광의 파장을 조절하여 다공성 주형의 기공 사이즈 및 주기성을 조절할 수 있다.
예를 들어, 상기 PnP 방법에 사용되는 상기 위상 마스크는 폴리디메틸실록산(polydimetyl siloxane: PDMS), 폴리우레탄 아크릴레이트(polyurethane acrylate: PUA), 퍼플루오로폴리에테르(perfluoropolyether: PFPE) 등의 물질을 포함할 수 있다.
예를 들어, 노광량(exposing dose energy)은 막 두께에 따라 10 내지 300 mJ/cm2 일 수 있다.
예를 들어, 노광된 감광성 필름은, 약 50℃ 내지 약 100℃ 범위의 온도로 다시 베이킹될 수 있다. 가열 시간은 적절하게 조절될 수 있으며, 예를 들어 약 5분 내지 30분 동안 가열될 수 있다.
예를 들어, 상기 감광성 필름(120)이 네거티브 톤 포토레지스트로 형성된 경우, 현상액에 의해 비노광부가 제거되고 노광부가 잔류할 수 있다. 이에 따라, 3차원 나노 기공을 포함하는 다공성 주형이 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 사용되는 네거티브 톤 감광성 폴리머는 화학 증폭 레지스트(CAR)이기 때문에 노광 후 베이킹을 거쳐야 비로소 노광된 부분의 경화가 진행된다. 따라서, 노광 후 베이킹 단계를 거치기 전에 노광을 여러 차례 이어서 하게 되면 패턴을 대면적화 할 수 있다. 이러한 방법을 통해 예를 들어, 대각선 길이 3.5인치 이상의 대면적 패턴을 얻을 수 있다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 일 실시예에서, 상기 노광된 감광성 필름의 현상은 두 단계로 나누어질 수 있다. 예를 들어, 도 3에 도시된 것과 같이, 저농도의 제1 현상액으로 1차 현상을 수행한 후, 도 4에 도시된 것과 같이 고농도의 제2 현상액으로 2차 현상을 수행할 수 있다. 예를 들어, 1차 현상에 의해 감광성 필름의 상부가 먼저 현상되고, 2차 현상에 의해 감광성 필름이 전체적으로 현상되어 3차원 다공성 주형(124)이 형성될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 1차 현상 이후 2차 현상 전에 린싱(세정)을 수행할 수 있다.
상기 감광성 필름(120)의 두께를 증가시키고자 하는 경우, 균일한 현상이 어렵다. 예를 들어, 현상액에 대한 노출 시간이 길어지고 편차가 커짐으로써, 감광ㄱ성 필름의 상부 구조가 손상될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기와 같이 두 단계로 현상 과정을 나누어 수행함으로써, 감광성 필름의 상부 구조를 견고하게 하고, 고농도 현상액에 대한 노출 시간을 감소시킴으로써, 두께를 증가시킬 때, 3차원 다공성 주형(124)에서 상부 구조의 손상이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 결과적으로 3차원 나노 복합체의 균일성 및 신뢰성을 개선할 수 있다.
상기 현상액으로서 예를 들면, 프로필렌 글리콜 모노메틸 에테르 아세테이트(propylene glycol monomethyl ether acetate: PGMEA), 에틸 락테이트(ethyl lactate), 디아세톤알콜(diacetone alcohol), 테트라메틸암모늄 히드록시드(TMAH), Su-8용 현상액 등이 사용될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 현상액은 TMAH와 같은 알칼리를 포함할 수 있으며, 상기 저농도 현상액의 알칼리 농도는 고농도 현상액의 50% 이하, 예를 들어, 10% 내지 50%일 수 있다. 상기 저농도 현상액은 상기 고농도 현상액(예를 들어, 상업용 현상액 원액)을 탈이온수로 희석하여 얻어질 수 있다.
또한, 린싱을 위하여 에탄올 또는 이소프로필 알콜 등과 같은 알콜 또는 탈이온수가 사용될 수 있다.
이를 통해 얻어진 3차원 다공성 주형(124)은, 예를 들어, 약 1 nm 내지 약 2,000 nm 범위의 나노 스케일의 기공들이 3차원적으로 서로 연결되며, 주기성을 갖도록 정렬된 3차원 네트워크 구조를 가질 수 있다.
다음으로, 상기 3차원 다공성 주형(124)의 기공 내에 액상 실리콘 수지를 충진하고 경화하여 제1 탄성부를 형성한다. 일 실시예에 따르면, 상기 제1 탄성부는 폴리디메틸실록산(PDMS) 수지를 포함할 수 있다. 상기 액상 실리콘 수지는, 폴리디메틸실록산과 경화제를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 3차원 다공성 주형(124) 위에 액상 실리콘 수지를 제공하여 코팅하고, 데시케이터와 진공 펌프 등을 이용한 진공 처리를 통해, 상기 액상 실리콘 수지를 상기 기공 내에 충진할 수 있다. 다음으로, 가열 등을 통해 상기 액상 실리콘 수지를 경화한 후, 상기 3차원 다공성 주형(124)과 상기 희생층(110)을 제거할 수 있다.
상기 3차원 다공성 주형(124) 및 상기 희생층(110)을 제거하기 위하여, 리무버(remover)가 사용될 수 있다. 상기 리무버는 제거 대상 물질에 따라 다양한 유기 용매가 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 리무버는 아세톤, 에탄올, N-메틸피롤리돈(NMP), 디메틸설폭사이드(DMSO) 등을 포함할 수 있다.
상기 3차원 다공성 주형(124)이 제거됨에 따라, 도 5에 도시된 것과 같이 3차원 다공성 구조를 갖는 제1 탄성부(132)로 이루어진 신축성 필름이 형성된다. 상기 제1 탄성부(132)는 상기 3차원 다공성 주형(124)의 역상을 가질 수 있으며, 상기 3차원 다공성 주형(124)의 네트워크 형상에 대응되는 3차원적으로 서로 연결되며, 주기성을 갖도록 정렬된 기공을 포함할 수 있다.
다음으로, 상기 제1 탄성부(132)의 기공 내벽에 무기 박막(134)을 형성한다. 상기 무기 박막(134)은, 상기 제1 탄성부(132)의 기공 내벽에 형성되어, 상기 기공을 둘러싸는 형상을 가질 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 무기 박막(134)은 산화물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 무기 박막(134)은, 알루미나, 실리카, 티타니아, 텅스텐 산화물, 아연 산화물, 주석 산화물, 실리케이트 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 무기 박막(134)는 알루미나를 포함할 수 있다. 알루미나는 PDMS의 굴절률(약 1.4)과 상대적으로 근접한 굴절률(약 1.7)을 가짐으로써, 산란 효과를 높일 수 있다. 구체적으로, PDMS가 채워질 경우, 비교적 인덱스 매칭되어 (굴절률 차이가 0.3) 초기 투과율에 큰 방해가 없어 높은 투과율을 가질 수 있다. 또한, 인장에 의해 공극이 발생될 경우, oxide-elastomer의 기계적 물성 차이로 인하여 공극을 발생하게 함과 동시에, 공극이 발생될 경우 굴절률 차이가 (옥사이드 없을 경우 : 굴절률 차이가 air 1/ PDMS 1.4 해서 0.4, 반면 옥사이드 있을 경우: 굴절률 차이가 alumina 1.7/air 1로 굴절률 차이 약 0.7) 더 커져서 산란 효율이 커지게 된다.
또한, 알루미나는 PDMS에 대한 접착력이 낮아서, 계면 분리에 의한 에어 갭 형성에 유리하다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 이에 한정되지 않으며, 제1 탄성부(132)에 대한 접착력, 인장 강도 등 다른 물성을 고려하여 적합한 다른 물질이 선택될 수 있다.
예를 들어, 상기 무기 박막(134)은, 원자층 증착법(ALD) 등과 같은 화학 기상 증착(CVD)에 의해 형성될 수 있다. 예를 들어, 알루미나 박막은 트리메틸알루미늄 등과 같은 알루미늄 전구체를 이용한 ALD에 의해 형성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 무기 박막(134)을 형성하기 전에, 상기 제1 탄성부(132)의 표면을 개질한다. 예를 들어, 상기 제1 탄성부(132)를 UV/오존 처리함으로써, 기공 내벽에 실리카 박막을 형성할 수 있다. 상기 실리카 박막은 매우 작은 두께, 예를 들어, 20nm 이하, 바람직하게는 10nm 이하로 형성될 수 있다. 상기 표면 처리를 통해 제1 탄성부(132)의 표면이 친수성을 증가시킴으로써, 무기 박막(134)을 형성하기 위한 전구체의 흡착을 증가시킬 수 있다. 따라서, 무기 박막(134)의 형성 및 두께 조절이 용이해질 수 있다.
다음으로, 상기 무기 박막(134)이 둘러싼 기공 내에 제2 탄성부(136)를 형성한다. 상기 제2 탄성부(136)는 상기 제1 탄성부(132)와 동일한 물질, 예를 들어, PDMS 수지를 포함할 수 있다. 상기 제2 탄성부(136)는, 상기 제1 탄성부(132)와 유사한 방법을 통해 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 무기 박막(134)이 형성된 신축성 필름 위에 액상 실리콘 수지를 제공하여 코팅하고, 데시케이터와 진공 펌프 등을 이용한 진공 처리를 통해, 상기 액상 실리콘 수지를 상기 기공 내에 충진할 수 있다. 다음으로, 가열 등을 통해 상기 액상 실리콘 수지를 경화하여 상기 제2 탄성부(136)를 형성할 수 있다.
이에 따라, 상기 제1 탄성부(132), 상기 제2 탄성부(136) 및 상기 무기 박막(134)을 포함하는 투명도 조절 필름(130)이 얻어질 수 있다. 예를 들어, 일 단면에서, 상기 제1 탄성부(132)는 상기 제2 탄성부(136) 및 상기 무기 박막(134)을 둘러싸는 매트릭스 형상을 가질 수 있으며, 상기 무기 박막(134)은 상기 제2 탄성부(136)을 둘러싸는 형상을 가질 수 있다. 상기 제1 탄성부(132)는 외부 탄성부로 지칭되고, 상기 제2 탄성부(136)은 내부 탄성부로 지칭될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 투명도 조절 필름의 투명도 조절 과정을 설명하기 위한 모식도이다.
도 6을 참조하면, 인장력이 가해지지 않은 상태에서, 투명도 조절 필름은 산란 경계를 형성하지 않는다. 따라서, 높은 투과율 예를 들어, 90% 이상의 투과율을 가질 수 있다.
상기 투명도 조절 필름에 인장력이 가해지면, 스트레인이 발생한다. 구조적으로, 일 단면에서, 상기 제1 탄성부(132)는 상기 제2 탄성부(136) 보다 큰 인장력을 받을 수 있으며, 상기 제2 탄성부(136)의 신장은 상기 무기 박막(134)에 의해 구속된다. 따라서, 상기 제1 탄성부(132)와 상기 무기 박막(134) 사이에 에어 갭이 발생한다. 상기 에어 갭은 상기 제2 탄성부(136)를 고립시킴으로써 산란 입자를 형성한다. 따라서, 상기 투명도 조절 필름을 통과하는 광의 산란 증가에 의해 투명도가 낮아진다.
상기 투명도 조절 필름은 높은 신축성 및 복원성을 갖는다. 따라서, 상기 투명도 조절 필름으로부터 인장력이 제거되면, 상기 투명도 조절 필름은 복원되어 투명도가 증가할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 투명도 조절 필름의 두께는 약 5㎛ 이상일 수 있으며, 바람직하게는 10㎛ 이상일 수 있다. 상기 투명도 조절 필름의 두께가 과소한 경우, 인장-복원 시의 투명도 차이가 과소하여, 스마트 윈도우 등으로의 활용성이 낮아질 수 있다. 상기 투명도 조절 필름의 두께가 과다한 경우, 평시의 투명도가 과도하게 낮아질 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 무기 박막(134)의 두께는 40nm 초과 100nm 이하일 수 있으며, 보다 바람직하게는 60nm 내지 80nm일 수 있다. 상기 무기 박막(134)의 두께가 과도하게 작은 경우, 인장력이 인가되더라도, 계면 분리 및 에어 갭이 발생하지 않거나 과소할 수 있다. 또한, 상기 무기 박막(134)의 두께가 과도하게 큰 경우, 무기 박막 및 이에 의해 둘러싸여지는 제2 탄성부의 신축성이 감소하여, 산란 효과가 감소할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 가시광의 파장을 고려하였을 때, 상기 투명도 조절 필름이 인장되었을 때 산란 입자를 형성하기 위한 에어 갭의 크기는 약 60nm 이상일 수 있으며, 바람직하게는 120nm 이상일 수 있다.
또한, 상기의 에어 갭을 형성하기 위한 스트레인은 약 25% 이상일 수 있으며, 바람직하게는 약 48% 이상일 수 있다.
상기 투명도 조절 필름이 인장되었을 때, 상기 무기 박막(134)은 파편화되거나 크랙이 발생할 수 있다. 그러나, 상기 무기 박막(134)은 상기 탄성부에 반데르발스 힘 등에 의해 결합되거나 고정됨으로써, 파편화되거나 크랙이 발생하는 경우에도 전체적인 형태를 유지할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 무기 박막은 체심 정방(body-centered tetragonal cubic, BCT) 구조를 가질 수 있다. 근접장 나노패터닝으로 제작 되는 3차원 주형의 경우, 체심 정방 구조를 가질 수 있으며, 이 위에 무기 박막을 형성하고 3차원 주형을 제거하는 경우, 중공을 갖는 거시적으로는 BCT symmetry를 가질 수 있으며, 미시적으로는 나노 쉘 구조를 가질 수 있다.
그러나, 본 발명의 실시예들은 이에 한정되지 않으며, 상기 무기 박막의 네트워크는 면심 입방(face centered cubic) 구조 또는 단순 입방(simple cubic) 구조를 가질 수도 있다. 예를 들어, 본 발명의 투명도 조절 필름에서, 상기 구조의 x 축 방향으로 인장력이 가해진다고 가정할 때, 상기 무기 박막이 면심 입방 구조 또는 단순 입방 구조를 갖는 것이 스트레인 대비 갭 크기의 증가에 유리할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제1 탄성부 및 제2 탄성부는 PDMS를 포함할 수 있다, 그러나, 본 발명의 실시예들은 이에 한정되지 않는다. 상기 무기 박막이 연속적인 네트워크 구조를 갖는 경우, PDMS와 다른 포아송 비율을 갖는 물질을 사용하는 것이 에어 갭 발생에 유리할 수도 있다.
이하에서는, 본 발명의 투명도 조절 필름을 이용하는 스마트 윈도우 및 스마트 윈도우 시스템에 대하여 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 윈도우의 윈도우부를 도시한 정면도이다. 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 윈도우의 구동부를 도시한 회로도이다. 도 9 및 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 윈도우의 실험 모형의 디지털 사진들이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 윈도우는 윈도우부와 구동부를 포함한다.
도 7을 참조하면, 윈도우부는 신축성 투명도 조절 필름(130)과 상기 투명도 조절 필름(130)의 양단에 결합된 고정 클램프(142, 144)를 포함할 수 있다. 상기 고정 클램프(142, 144)중 적어도 하나는, 제어 신호에 따라 작동하는 구동 모터에 의해 이동함으로써, 상기 투명도 조절 필름(130)에 인장력을 가함으로써 스트레인을 발생시키거나, 신축된 투명도 조절 필름을 복원할 수 있다. 상기 신축성 투명도 조절 필름(130)의 구성은 기설명된 실시예와 동일할 수 있다.
상기 구동부는, 상기 윈도우부의 상기 고정 클램프를 이동시키기 위한 구동 모터 및 상기 구동 모터를 제어하기 위한 제어부를 포함할 수 있다. 또한, 상기 구동부는 필요에 따라, 센서부 및/또는 통신부를 포함할 수 있다.
예를 들어, 도 8을 참조하면, 상기 구동부는, 적어도 하나의 서보 모터(Servo Motor), 상기 서보 모터를 작동하기 위한 구동 신호를 제공하는 마이크로 콘트롤러(MCU), 광량을 감지하여 상기 마이크로 콘트롤러에 광량 정보 신호를 제공하는 광센서(Ambient Illumination Sensor) 및 무선 통신 모듈(Wireless Communication Module)을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 광센서는 주변의 광량을 센싱하여, 광량 정보 신호를 상기 마이크로 콘트롤러에 제공할 수 있다. 상기 마이크로 콘트롤러는 상기 광량 정보 신호가 특정 조건에 매치되는 경우, 상기 서보 모터를 작동하기 위한 구동 신호를 제공할 수 있다. 예를 들어, 상기 광량 정보 신호의 값이 레퍼런스 값보다 큰 경우, 투명도 조절 필름(130)을 인장하여 투명도를 감소시키고, 상기 레퍼런스 값보다 같거나 작은 경우, 상기 인장된 투명도 조절 필름을 복원하여 투명도를 증가시킬 수 있다.
상기 무선 통신 모듈은, 외부의 통신 장치, 예를 들면 스마트 폰으로부터 제어 신호, 업데이트 정보 등을 수신하여 상기 마이크로 콘트롤러에 제공할 수 있다. 이에 따라, 상기 구동부는 외부의 사용자 또는 외부의 구동 장치에 의해 구동될 수 있다. 본 발명이 구동부에 사용 가능한 통신 모듈은 무선 통신 모듈에 한정되지 않으며, 유선 통신 모듈이 사용될 수도 있다.
도 9의 실험 모형은, 본 발명의 스마트 윈도우를 자동화 시스템으로 구현한 모형이다. 예를 들어, 상기 스마트 윈도우는 건물의 창호로서 제공될 수 있다. 상기 스마트 윈도우는 주변 광을 센싱하기 위한 광센서를 포함할 수 있으며, 예를 들어, 상기 광센서는 건물 외부의 광량을 센싱할 수 있다. 상기 스마트 윈도우는, 오른쪽 사진에 도시된 것과 같이, 외부 광량이 증가하면 상기 광센서가 이를 감지하여, 윈도우부의 투명도를 감소시킬 수 있으며, 외부 광량이 감소하면 다시 윈도우부의 투명도를 증가시킬 수 있다. 상기 스마트 윈도우는, 스마트 폰 등과 같은 모바일 장치의 애플리케이션에 의해 제어 및 구동될 수 있다.
도 10의 실험 모형은, 본 발명의 스마트 윈도우를 스크린으로 활용한 실험 모형이다. 예를 들어, 상기 스마트 윈도우는 프로젝터와 연결될 수 있으며, 프로젝터의 동작 또는 외부 제어 신호에 따라 투명도를 감소시킴으로써, 프로젝터의 스크린으로 이용될 수도 있다.
이하에서는 본 발명의 효과에 대하여 구체적인 실시예 및 실험을 참조하여 설명하기로 한다.
실시예 1
3차원 다공성 주형
친수성으로 표면 개질을 위해, Air-plasma 처리된 cover glass를 기판으로 하여, Futurrex 사 포토레지스트인 NR7-80p를 이용하여 기판 위에 스핀 코팅하였다. 이후, 65도에서 2분, 95도에서 2분동안 2 단계 소프트 베이킹을 수행하고, 365 nm UV 램프에 노광한 후, 130 도에서 2분간 하드 베이킹을 하여 희생층을 형성하였다.
상기 희생층 위에 네거티브 톤 포토레지스트인 NR5-6000p(Futurrex 사)를 1,000 rpm - 3000 rpm 범위에서 스핀 코팅하여 코팅층을 형성하고, 65도에서 15분, 95도에서 9분, 130도에서 1분, 총 3단계 소프트 베이킹을 수행하여 감광성 필름을 형성하였다.
상기 감광성 필름 위에 위상 마스크를 콘포말 접촉시킨 후, 약 110 - 130 mJ/cm2 에너지로 노광하여 근접장 나노패터닝 공정을 수행하였다.
노광된 감광성 필름을 60도에서 약 7분간 베이킹 한 후, 물 베이스의 RD 6 developer를 2:1로 희석한 현상액을 이용하여 약 1분간 상기 감광성 필름의 표면부를 현상하고, RD 6 developer 원액을 이용하여 20 - 60 초 정도 시간으로 전체적으로 현상한 후, 탈이온수를 이용하여 린싱하여 3차원 다공성 주형을 형성하였다.
제1 탄성부 형성
상기 3차원 다공성 주형을 친수성 표면처리를 위하여, air-plasma 처리를 진행하고, 실리콘 기반 탄성 중합체인 Polydimethylsiloxane (PDMS)를 monomer:curing agent 비율 약 10:1로 혼합하여 3차원 다공성 주형을 충진하였다. 구체적으로, 약 기판 크기에 맞게 PDMS 혼합체 일정량을 부어 올리고, 약 500 - 3,000 rpm에서 스핀 코팅하였다. 이 후, 진공 데시케이터에 넣어 약 12시간 - 24시간 진공을 인가하여 주기적인 3차원 나노 기공에 PDMS를 채웠다. 이 후, 약 100도 오븐에서 24시간 정도 경화를 거친 뒤, 3차원 폴리머 템플릿 제거 용액 Dimethylsulfoxide (DMSO)를 이용하여 희생층과 3차원 다공성 주형을 제거함으로써, 역상의 3차원 나노구조를 갖는 제1 탄성부를 형성하였으며, 이를 탈이온수로 세정하고 자연 건조하였다.
무기 박막 형성
상기 제1 탄성부를 UV/오존 처리를 통하여 silica-like (SiOx) 표면을 형성하였다. 다음으로, 90도 공정에서 원자층 증착법(ALD) 및 전구체로서 트리메틸알루미늄을 이용하여 Al2O3를, 80nm 이하의 박막 두께로 증착하였다.
제2 탄성부 형성
제1 탄성부와 동일한 조성을 갖는 PDMS 조성물을 이용하여 알루미나가 코팅된 나노 구조체의 기공에 PDMS를 충진하였다. 구체적으로, 스핀 코팅으로 평탄화 과정을 거치고, 이후 진공 데시케이터에 넣어 약 3시간 정도 진공을 인가하여 기공에 PDMS를 충진하였다. 이후 약 65도 오븐에서 15시간 정도 경화시켜줌으로써 PDMS/Al2O3/PDMS로 이루어진 3차원 나노 구조의 복합체를 얻었다.
상기와 같은 방법을 통해, 대각선 길이가 3.5인치이고, 필름 두께가 약 5㎛ 내지 13㎛이고 알루미나 두께가 0nm 내지 80nm인 시편들을 얻었다.
도 11은 실시예 1의 시편(필름 두께: 13㎛, 알루미나 두께: 60nm)의 단계별 주사전자현미경 (Scanning Electron Microscope, SEM)의 표면 이미지이다. 도 11을 참조하면, 정렬된 나노 기공을 갖는 PDMS, 기공 내벽에 충진된 알루미나 및 상기 기공을 충진하는 PDMS를 포함하는 복합체 필름이 얻어진 것을 확인할 수 있다.
도 12는 표면 처리되지 않은 PDMS, 표면 처리(UV/오존)된 PDMS, 표면 처리된 PDMS 위에 형성된 알루미나 및 표면 처리되지 않은 PDMS 위에 형성된 알루미나(Ref)의 접촉각을 도시한 그래프이다. 도 12를 참조하면, 표면 처리를 통해 PDMS의 친수성을 증가시킴으로써, 알루미나 박막의 형성 및 조절을 용이하게 할 수 있음을 알 수 있다.
도 13은 실시예 1의 시편들의 산란 층수(필름 두께)에 대한 투과율 제어 변화에 대한 그래프이다. 왼쪽은 약 40% 인장에 대해 발생한 투과율 변화 그래프이고, 오른쪽은 600 nm 파장에 대한 산란 층수-투과율의 선형 관계식을 나타내는 그래프이다. 도 13을 참조하면, 실시예 1에 따라 얻어진 투명도 조절 필름은 가시광 전 영역에서 산란 효과가 균일하며, 두께의 증가에 따라 투과율 변화가 더 크다는 것을 알 수 있다.
도 14는 실시예 1의 시편들의 알루미나의 증착 두께 및 인장률에 대한 투과율 변화를 나타내는 그래프이다. 도 14를 참조하면, 알루미나 박막의 두께가 40nm 이하인 경우, 스트레인 증가에 따른 투과율 변화가 상대적으로 크지 않았으며, 60nm에서 투과율 변화가 가장 크고, 80nm에서 투과율 변화가 다시 감소한 것을 알 수 있다.
도 15는 실시예 1의 시편(알루미나 증착 두께 60 nm)의 600 nm 파장에서 약 40 % 인장(스트레인)에 대한 투과율 변화의 반복성 결과를 나타내는 그래프이다. 도 15를 참조하면, 인장-복원을 반복하여도 투과율 변화의 신뢰성이 상당히 유지되는 것을 알 수 있다.
도 16은 실시예 1의 시편(알루미나 증착 두께 60 nm)의 600 nm 파장에서 약 40 % 인장(스트레인)일 때, 주변 온도에 대한 투과율 변화를 나타내는 그래프이다. 도 16을 참조하면, 본 발명의 투명도 조절 필름은 전체적으로 내열성이 있으나, 60℃ 이상 범위에서 인장 상태에서의 투명도가 증가하는 것을 알 수 있다.
도 17은 실시예 1의 시편(필름 두께: 13㎛, 알루미나 두께: 60nm)의 물속에서의 인장 테스트에 대한 디지털 사진이다. 도 17을 참조하면, 본 발명의 투명도 조절 필름은 물속에서도 안정적으로 산란 거동을 할 수 있음을 알 수 있다.
도 18은 실시예 1의 시편(필름 두께: 13㎛, 알루미나 두께: 60nm, 체심 정방 구조)의 인장 테스트에 대한 스트레스 변화를 도시한 시뮬레이션 결과이다. 도 18을 참조하면, 스트레인(ε) 증가에 따라, 투명도 조절 필름에 가해지는 인장 방향에 따른 스트레스가 균일하게 증가함을 알 수 있다. 따라서, 본 발명의 투명도 조절 필름은 내부에서 응력의 편재화가 없는 안정적인 구조를 가짐을 알 수 있다.
도 19는 실시예 1의 시편(필름 두께: 13㎛, 알루미나 두께: 60nm, 체심 정방 구조)에서 1/8 유닛 셀의 인장에 대한 에어 갭 변화를 도시한 시뮬레이션 결과이다. 도 20a 내지 도 20c는 실시예 1의 시편(필름 두께: 13㎛, 알루미나 두께: 60nm, 체심 정방 구조)에서 전체 유닛 셀의 인장에 대한 에어 갭 변화를 도시한 시뮬레이션 결과이다. 도 19는, 에어 갭의 크기 순으로 제1 갭 영역(Gap 1), 제2 갭 영역(Gap 2) 및 제3 갭 영역(Gap 3)의 크기 변화를 나타내며, 도 20a는 전체 유닛 셀의 제1 갭 영역(Gap 1-1, Gap 1-2, Gap 1-3, Gap 1-4, Gap 1-5, Gap 1-6)의 크기 변화를 도시하고, 도 20b는 전체 유닛 셀의 제2 갭 영역의 서브 영역(Gap 2-1, Gap 2-2, Gap 2-3, Gap 2-4, Gap 2-5, Gap 2-6, 2-7, Gap 2-8, Gap 2-9, Gap 2-10, Gap 2-11, Gap 2-12)의 크기 변화를 도시하고, 도 20c는 전체 유닛 셀의 제3 갭 영역의 서브 영역(Gap 3-1, Gap 3-2, Gap 3-3, Gap 3-4, Gap 3-5, Gap 3-6, 3-7, Gap 3-8, Gap 3-9, Gap 3-10, Gap 3-11, Gap 3-12)의 크기 변화를 도시한다.
굴절률이 서로 다른 두 매질이 인접한 경계면에 수직으로 입사한 광의 산란은, 입사광의 파장 및 갭의 크기에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 상기 갭의 크기가 파장의 1/6보다 작은 경우, 산란이 일어나지 않거나 한쪽 계면에서만 일어날 수 있으며, 상기 갭의 크기가 파장의 1/6보다 큰 경우, 에어 갭의 양쪽 계면에서 산란이 일어날 수 있다. 따라서, 가시광의 파장 범위를 고려하였을 때, 산란 효율을 증가시키기 위한 에어 갭의 크기는 적어도 60nm 이상인 것이 바람직하며, 전 파장 범위에서 산란 효율을 증가시키기 위하여 약 120nm 이상인 것이 바람직하다.
도 19 및 도 20을 참조하면, 본 발명의 실시예에서, 제1 갭 영역, 제2 갭 영역 및 제3 갭 영역은, 1/8 유닛 셀과 전체 유닛 셀에서 모두 스트레인에 따라 선형적으로 증가함을 알 수 있다. 또한, 크기가 가장 큰 제1 갭 영역을 기준으로, 산란 효율을 증가시키기 위한 스트레인의 크기는 적어도 약 25%일 수 있으며, 바람직하게는 약 48% 이상일 수 있음을 알 수 있다.
도 21은 실시예 1의 시편(필름 두께: 13㎛, 알루미나 두께: 60nm)의 60 % 인장(스트레인)에 대한 투과율 변화의 측정 결과 및 제1 갭 영역의 투과율 변화 대한 시뮬레이션 결과를 도시한 그래프이다.
도 21을 참조하면, 400nm 내지 700nm 파장 영역 대에서 투과율이 일정하게 변하는 것으로 측정되었다. 시뮬레이션 결과에 따르면 제1 갭 영역(Gap 1)에 의한 투과율 변화는 파장이 증가할수록 감소하였으며, 이로부터 장파장 영역에서, 제2 갭 영역 및 제2 갭 영역에 의한 산란이 선형적으로 증가하는 것을 알 수 있다.
도 22는 실시예 1의 시편(필름 두께: 13㎛, 알루미나 두께: 60nm)의 60 % 인장(스트레인) 상태에서, 입사되는 광(484nm/683nm)에 대한 전기장 분포를 나타낸 이미지이다.
도 22를 참조하면, 입사되는 광의 파장에 따라 산란이 발생하는 영역과 형태가 다르다는 것을 알 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 예시적인 실시예들을 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 신축성 투명도 조절 필름과 스마트 윈도우는, 광학 장치, 창호, 프로젝터, 가변 투명 파티션, 차광 장치 등의 용도로 사용될 수 있으며, 건물, 이동 수단(자동차, 선박, 항공기 등), 가전 기구, 표시 장치 등에 적용될 수 있다.

Claims (16)

  1. 주기적으로 정렬된 3차원 네트워크 형상을 가지며 폴리디메틸실록산을 포함하는 내부 탄성부;
    상기 내부 탄성부를 둘러싸는 무기 박막; 및
    상기 무기 박막을 둘러싸며 폴리디메틸실록산을 포함하는 외부 탄성부를 포함하는 신축성 투명도 조절 필름.
  2. 제1항에 있어서, 상기 무기 박막은 산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 신축성 투명도 조절 필름.
  3. 제1항에 있어서, 상기 무기 박막은 알루미나를 포함하는 것을 특징으로 하는 신축성 투명도 조절 필름.
  4. 제1항에 있어서, 상기 무기 박막의 두께는 60nm 내지 80nm인 것을 특징으로 하는 신축성 투명도 조절 필름.
  5. 제1항에 있어서, 상기 무기 박막의 네트워크는 면심 입방(face centered cubic) 구조 또는 단순 입방(simple cubic) 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 신축성 투명도 조절 필름.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 하나의 신축성 투명도 조절 필름 및 상기 신축성 투명도 조절 필름의 단부를 고정하는 고정 클램프를 포함하는 윈도우부; 및
    상기 신축성 투명도 조절 필름의 스트레인을 조절하기 위한 구동부를 포함하고,
    상기 신축성 투명도 조절 필름은 스트레인에 의해 내부에 에어 갭을 형성함으로써 투명도가 감소하는 것을 특징으로 하는 스마트 윈도우.
  7. 제6항에 있어서, 상기 구동부는 상기 고정 클램프를 이동하기 위한 서보 모터 및 상기 서보 모터를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 스마트 윈도우.
  8. 제7항에 있어서, 상기 구동부는 광량을 감지하여 상기 제어부에 광량 정보 신호를 제공하는 광센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스마트 윈도우.
  9. 제8항에 있어서, 상기 구동부는 외부의 통신 장치로부터 제어 신호 또는 정보를 수신하기 위한 통신 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스마트 윈도우.
  10. 제6항에 있어서, 상기 에어 갭은 상기 외부 탄성부 및 상기 무기 박막 사이에 형성되며, 60nm 내지 120nm의 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 스마트 윈도우.
  11. 주기적으로 정렬된 네트워크 형상을 갖는 3차원 다공성 주형을 형성하는 단계;
    상기 3차원 다공성 주형의 기공을 충진하여 역상의 외부 탄성부를 형성하는 단계;
    상기 3차원 다공성 주형을 제거하는 단계;
    상기 외부 탄성부의 기공의 내벽에 무기 박막을 형성하는 단계; 및
    상기 외부 탄성부의 기공을 충진하여 상기 무기 박막에 의해 둘러싸여지는 내부 탄성부를 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 외부 탄성부 및 상기 내부 탄성부는 폴리디메틸실록산을 포함하는 신축성 투명도 조절 필름의 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 무기 박막은 산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 신축성 투명도 조절 필름의 제조 방법.
  13. 제11항에 있어서, 상기 무기 박막의 두께는 60nm 내지 80nm인 것을 특징으로 하는 신축성 투명도 조절 필름의 제조 방법.
  14. 제11항에 있어서, 상기 3차원 다공성 주형을 형성하는 단계는,
    베이스 기판 위에 감광성 필름을 형성하는 단계;
    상기 감광성 필름 위에 위상 마스크를 배치하는 단계;
    상기 위상 마스크를 통하여, 상기 감광성 필름에 3차원 분포를 갖는 광을 제공하는 단계;
    상기 노광된 감광성 필름에 저농도의 제1 현상액을 제공하는 단계; 및
    상기 세정된 감광성 필름에 고농도의 제2 현상액을 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 신축성 투명도 조절 필름의 제조 방법.
  15. 제11항에 있어서, 상기 무기 박막을 형성하기 전에, 상기 외부 탄성부를 UV/오존 처리하여 기공 내벽에 실리카 박막을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 신축성 투명도 조절 필름의 제조 방법.
  16. 제11항에 있어서, 상기 무기 박막의 네트워크는 면심 입방(face centered cubic) 구조 또는 단순 입방(simple cubic) 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 신축성 투명도 조절 필름의 제조 방법.
KR1020190153329A 2019-11-26 2019-11-26 신축성 투명도 조절 필름, 투명도 조절 필름의 제조 방법 및 이를 이용한 스마트 윈도우 KR102304949B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190153329A KR102304949B1 (ko) 2019-11-26 2019-11-26 신축성 투명도 조절 필름, 투명도 조절 필름의 제조 방법 및 이를 이용한 스마트 윈도우

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190153329A KR102304949B1 (ko) 2019-11-26 2019-11-26 신축성 투명도 조절 필름, 투명도 조절 필름의 제조 방법 및 이를 이용한 스마트 윈도우

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20210064760A true KR20210064760A (ko) 2021-06-03
KR102304949B1 KR102304949B1 (ko) 2021-09-27

Family

ID=76396845

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020190153329A KR102304949B1 (ko) 2019-11-26 2019-11-26 신축성 투명도 조절 필름, 투명도 조절 필름의 제조 방법 및 이를 이용한 스마트 윈도우

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102304949B1 (ko)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20230140764A (ko) 2022-03-30 2023-10-10 한국과학기술원 압축 변형을 이용한 투명도 조절 필름 및 투명도 조절 장치

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030175004A1 (en) * 2002-02-19 2003-09-18 Garito Anthony F. Optical polymer nanocomposites
KR100596589B1 (ko) 1998-06-10 2006-07-04 쌩-고벵 글래스 프랑스 가변적 광학 특성을 갖는 전기적으로 제어 가능한 시스템과 상기 시스템을 사용하는 방법
KR20120021647A (ko) * 2010-08-11 2012-03-09 서강대학교산학협력단 3차원 다공성 구조체 및 이의 제조 방법
KR20130060999A (ko) * 2011-11-30 2013-06-10 엘지이노텍 주식회사 패턴 형성 방법
KR101542684B1 (ko) * 2014-02-04 2015-08-06 한국기술교육대학교 산학협력단 스마트 윈도우 시스템 및 그 제어 방법
EP3351719A1 (en) * 2017-01-20 2018-07-25 VKR Holding A/S Screening arrangement with extensible screen and method for providing variable screening of a window
KR101887481B1 (ko) * 2016-09-19 2018-08-10 한국과학기술원 고신축성 3차원 전도성 나노 네트워크 구조체, 이의 제조 방법, 이를 포함하는 인장 센서 및 웨어러블 기기
KR101902380B1 (ko) 2014-12-29 2018-10-01 한국과학기술원 3차원 신축성 네트워크 구조체
KR20180118038A (ko) * 2017-04-20 2018-10-30 한국전자통신연구원 광 투과도 조절 필름 및 광 투과도 조절 필름 조성물

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100596589B1 (ko) 1998-06-10 2006-07-04 쌩-고벵 글래스 프랑스 가변적 광학 특성을 갖는 전기적으로 제어 가능한 시스템과 상기 시스템을 사용하는 방법
US20030175004A1 (en) * 2002-02-19 2003-09-18 Garito Anthony F. Optical polymer nanocomposites
KR20120021647A (ko) * 2010-08-11 2012-03-09 서강대학교산학협력단 3차원 다공성 구조체 및 이의 제조 방법
KR20130060999A (ko) * 2011-11-30 2013-06-10 엘지이노텍 주식회사 패턴 형성 방법
KR101542684B1 (ko) * 2014-02-04 2015-08-06 한국기술교육대학교 산학협력단 스마트 윈도우 시스템 및 그 제어 방법
KR101902380B1 (ko) 2014-12-29 2018-10-01 한국과학기술원 3차원 신축성 네트워크 구조체
KR101887481B1 (ko) * 2016-09-19 2018-08-10 한국과학기술원 고신축성 3차원 전도성 나노 네트워크 구조체, 이의 제조 방법, 이를 포함하는 인장 센서 및 웨어러블 기기
EP3351719A1 (en) * 2017-01-20 2018-07-25 VKR Holding A/S Screening arrangement with extensible screen and method for providing variable screening of a window
KR20180118038A (ko) * 2017-04-20 2018-10-30 한국전자통신연구원 광 투과도 조절 필름 및 광 투과도 조절 필름 조성물

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
(1) Advanced Materials 30, 43, 1803847 (2018)
(2) Nature Communications 7, 11802 (2016)
(3) Advanced Materials 27, 15, 2489-2495 (2015)
(4) Advanced Materials 26, 4127 (2014)

Also Published As

Publication number Publication date
KR102304949B1 (ko) 2021-09-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5597263B2 (ja) 微細構造積層体、微細構造積層体の作製方法及び微細構造体の製造方法
Peng et al. Flexible and stretchable photonic sensors based on modulation of light transmission
Jin et al. λ/30 inorganic features achieved by multi-photon 3D lithography
US8361339B2 (en) Antireflection structure formation method and antireflection structure
US11874480B2 (en) Plasmonic lithography for patterning high aspect-ratio nanostructures
US20110084424A1 (en) Mold for nanoimprinting, its production process, and processes for producing molded resin having fine concavo-convex structure on its surface and wire-grid polarizer
KR101457769B1 (ko) 반사형 편광판
US9550322B2 (en) Near-field exposure mask, resist pattern forming method, device manufacturing method, near-field exposure method, pattern forming method, near-field optical lithography member, and near-field nanoimprint method
JP2000071290A (ja) 反射防止物品の製造方法
EP2452214A1 (en) Light diffusers and displays comprising same
JP5710236B2 (ja) 微細構造積層体
KR20120123413A (ko) 나노패터닝 방법 및 장치
KR100764826B1 (ko) 반사형 표시소자 및 광도파로의 응용을 위한 픽셀화된 광결정 필름 및 그의 제조방법
JPWO2007026605A1 (ja) 微細パターン形成方法
KR102304949B1 (ko) 신축성 투명도 조절 필름, 투명도 조절 필름의 제조 방법 및 이를 이용한 스마트 윈도우
Yun et al. Superhydrophobic, antireflective, flexible hard coatings with mechanically ultra-resilient moth-eye structure for foldable displays
Que et al. Preparation and optical properties of patternable TiO2/ormosils hybrid films for photonics applications
KR102512747B1 (ko) 배향된 이종 계면을 갖는 신축성 투명도 조절 필름, 그 제조 방법 및 신축성 투명도 조정 필름을 포함하는 스마트 윈도우
Yamashita et al. Development of a High‐Performance, Anti‐Fouling Optical Diffuser Inspired by Morpho Butterfly's Nanostructure
Della Giustina et al. Doubly patternable epoxy based sol–gel structures by UV and soft lithography
Peng et al. CMOS-Compatible fabrication for photonic crystal-based nanofluidic structure
JP5130671B2 (ja) 有機高分子組成物及び光導波路並びに光導波路の製造方法
Jia et al. Preparation and optical properties of sol–gel derived photo-patternable organic–inorganic hybrid films for optical waveguide applications
KR102389546B1 (ko) 노광 각도가 조절된 근접장 패터닝을 이용한 나노구조의 조절 및 제작
Koyagura et al. Experimental Evaluation and Modeling of Adsorption Phenomena of Nanoliposomes on Poly (dimethylsiloxane) Surfaces

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant