KR20220024570A - 메타표면을 이용한 발광 장치 및 그 발광 방법 - Google Patents

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하미드 팔레바니네자드
아리아 모아벤
마지드 팔레바니네자드
샘 셰르비츠
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10644137 캐나다 인코포레이티드
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Abstract

하나 이상의 식물의 성장을 용이하게 하기 위한 발광 장치에 관한 것이다. 상기 장치는 광을 방출하기 위한 하나 이상의 발광 다이오드를 포함하는 발광 층, 및 하나 이상의 광학-변환 유닛을 갖는 적어도 하나의 광학-변환 층을 포함한다. 각각의 광학-변환 유닛은 발광 층으로부터 방출된 광의 하나 이상의 매개변수를 조정하기 위한 메타표면을 갖는다. 일부 실시예에서, 발광 장치는 발광 층과 광학-변환 층 사이에 개재된 편광-제어 층을 더 포함할 수 있다.

Description

메타표면을 이용한 발광 장치 및 그 발광 방법
관련 출원에 대한 교차 참조
본 출원은 2019년 6월 18일에 출원된 미국 가특허 출원 제 62/862,853호 및 2020년 1월 15일에 출원된 미국 가특허 출원 제 62/961,317호의 이익을 주장하며, 이들 각각의 내용 전체가 인용에 의해 본원에 포함된다.
개시의 분야
본 개시는 발광 방법, 장치, 및 시스템에 관한 것으로, 특히 방출된 광을 제어하기 위해 메타표면(metasurface)을 사용하는 발광 방법, 장치, 및 시스템에 관한 것이다.
발광 다이오드(Light-Emitting Diodes; LEDs)가 공지되어 있으며 많은 산업 분야에서 주로 저전력 광 표시기로 널리 사용되었다. 최근에는 출력을 높이거나 광도를 높인 LED가 개발되어 조명용 광원으로 사용되고 있다. 예를 들어, 에너지 효율성, 안전성, 및 신뢰성이 향상되면서, LED 조명은 백열등, 소형 형광등(CFL) 등과 같은 시장의 다른 유형의 조명을 대체하고 있다. 일상적인 라이팅 시스템은 전력망에 대한 부담을 크게 증가시키고 전반적인 발전 요구 사항을 크게 증가시키기 때문에, LED의 에너지 효율은 미래 에너지 절약에 중요한 역할을 할 것이다. LED는 뛰어난 에너지 효율성으로 인해 조명 시장을 지배할 가능성이 높다.
고효율 LED는 손전등, 휴대용 조명, 램프, 가로등 등과 같은 다양한 응용 분야에서 기존의 조명 해결책을 대체하고 있다. LED는 배터리, 기존 전력망, 재생 에너지 시스템 및 에너지 저장 시스템, 예를 들어, 광기전(PV) 패널 및 배터리 뱅크,등을 사용하는 시스템과 같은 다양한 유형의 전원에 의해 전력을 공급받을 수 있어, 특정 사용 시나리오에 조명 해결책을 적용하는 데 큰 유연성을 제공한다.
많은 조명 해결책에서, LED 광원과 같은 광원이 지향성 광을 방출하도록, 예를 들면, 향상된 조명 강도를 얻기 위해 수렴 빔(beam)을 형성하고 미리 정의된 영역에 초점을 맞추도록, 원거리에서 표적에 도달하기 위해 시준된 빔을 형성하도록, 넓은 지역을 조명하기 위해 발산 빔을 형성하는 등을 구성하는 것이 바람직할 수 있다. 일부 조명 해결책에서, 광원의 광 방향은 바람직하게 조정 가능하다. 종래 기술에서, 광원은 일반적으로 지향성 광을 형성하기 위해 거울 또는 반사 표면을 사용하고, 기계적 수단은 종종 광 방향을 조정하기 위해 거울 또는 반사 표면을 돌리는 데 사용된다. 이러한 지향성 조명 수단은 일반적으로 상대적으로 크기가 크고 반응이 느리고 효율성이 떨어진다.
증가된 전력 출력 및/또는 증가된 광도를 갖는 LED는 또한 식물 등을 재배하기 위한 광원으로서 사용되어 왔다. LED 생장 촉진 램프(grow light)라고도 불리는 이러한 LED는 정확한 파장의 광을 생성할 수 있고, 고강도, 고효율 등 다양한 이점을 제공한다. LED 생장 촉진 램프는 위험과 기타 원치 않는 실외 변수가 훨씬 적은 통제된 환경에서 식물을 재배하는 과정을 수행할 수 있으므로 실내 식물 재배에도 유리하다.
식물 성장은 "광합성(photosynthesis)" 과정의 결과로 발생한다. 당업계에 공지된 바와 같이, 광합성 공정은 광으로부터의 에너지를 사용하여 이산화탄소(CO2)를 유기 재료로 전환시킨다. 구체적으로, 엽록체라고 하는 광합성 세포막에 존재하는 엽록소 색소를 함유한 특수 단백질을 통해 광학 에너지를 흡수한다. 광합성 세포는 주로 식물 잎에 있다.
그러나 엽록소는 광 스펙트럼의 특정 부분이나 색상에서만 에너지를 흡수한다. 효과적인 스펙트럼은 파란색과 빨간색 스펙트럼에 걸쳐 있다. 광 스펙트럼의 녹색 부분은 반사되기 때문에 식물의 잎은 일반적으로 녹색이다. 잎의 광합성 세포가 죽고 엽록소가 분해되면 잎의 다른 색소 분자가 광의 반사를 지배하는 반면 잎은 갈색만 보일 정도로 분해된다.
따라서, 엽록체의 다른 색소는 특정 파장의 광을 흡수하여 광합성에 기여하는 것으로 알려져 있으며, 광합성 효율이나 속도는 조명의 스펙트럼과 강한 상관 관계가 있다.
예를 들어, 파란색과 빨간색 조명 아래에서 자란 벼 식물은 빨간색 조명에서만 키운 것보다 광합성 효율이 더 높다. 적색 LED 조명 아래에서 자란 완두콩 잎은 청색 또는 백색 LED 조명 아래에서 자란 것보다 더 높은 수준의 β-카로틴을 함유하고 있다.
광도는 스트레스 효과를 줄이기 위해 높은 광도에 대한 광합성 유기체의 반응으로 인해 광합성에 영향을 미치는 또 다른 요소이다. 적색 LED 조명 아래에서, 밀 묘목은 100 μmol m-2s-1에서 엽록소를 축적하지만 500 μmol m-2s-1에서는 축적하지 않는다.
식물은 일반적으로 초기 성장 동안 청색광 스펙트럼을 흡수한 다음 성숙하고 개화 단계에 따라 적색광 스펙트럼을 점점 더 흡수하는 것으로 관찰된다. 또한 일부 식물에는 편광과의 상호 작용을 민감하게 만드는 고도로 정렬된 구성 요소가 있는 것으로 관찰된다. 예를 들어, 그러한 식물은 다른 편광 상태의 광보다 특정 편광 상태의 광을 더 효율적으로 흡수하거나 반사할 수 있다.
또한, 식물은 조명 기간과 시간을 감지하고 그에 따라 성장 속도를 변경할 수 있다.
일정하거나 보편적으로 정의된 조명 구성을 사용하는 식물 재배는 에너지 효율적이지도 않고 광합성에 최적이지도 않다. 종래 기술의 LED 생장 촉진 램프는 일반적으로 앞서 언급한 요인을 고려하지 않고 식물에 광을 제공하기 때문에 식물을 재배하는 생리학적 과정을 최적화하기 위한 최적화된 조명 구성을 제공하지 못한다. 더욱이, 서로 다른 식물은 최상의 성장 성능을 달성하기 위해 서로 다른 광 특성(예: 강도, 스펙트럼, 편광, 시간 등)이 필요하다. 그러나, 종래 기술의 LED 생장 촉진 램프는 식물의 필요에 적응하지 못하고 적절한 조명 특성을 제공하지 못한다.
예를 들어, 실내 식물 성장에 사용되는 LED 패널과 같은 기존 라이팅 시스템은 일반적으로 식물 전체에 균일한 광 분포를 생성하지 않는다. 그들은 종종 중심에서 강도가 가장 강하고 중심에서 멀어질수록 점점 감소한다.
도 1a는 거리에서 정사각형 이미지 평면(14)을 향해 광선(light beam; 12)을 방출하는 종래의 광원(10)을 도시한다. 도 1b는 이미지 평면(14) 상의 광도 분포(16)를 도시한다. 알 수 있는 바와 같이, 종래의 광원(10)은 이미지 평면(14) 상에서 균일한 광 분포를 생성하지 않는다. 오히려, 이미지 평면(14) 상의 광도 분포(16)는 중앙에서 가장 강하고 중앙에서 멀어질수록 점차 감소한다. 더욱이, 강도 광 분포(16)는 이미지 평면(14) 상의 광선(12)의 입사점에 대해 대칭이다.
도 2a 및 도 2b는 LED 패널(10)이 광선 추적을 사용하여 얻은 패널(10)로부터 약 3미터(m) 떨어진 6×6 제곱미터(m2) 이미지 평면(14)에서 생성하는 조명 패턴을 도시한다. 강도 분포는 분명히 균일하지 않다.
따라서, 식물 주변에 충분한 광을 제공하는 이러한 광원(10)을 사용하는 생장 촉진 램프는 식물의 중앙에 과도한 조명을 일으켜 식물의 성장을 저해할 수 있다. 반면에 식물 중심에 충분한 조명을 제공하면 식물 주변에 비효율적인 조명이 발생하여 식물 성장이 좋지 않다. 이러한 강도 분포는 발광체에 대한 이미지 평면 중심의 대칭으로 인한 것이다.
그러한 광원(10)은 다른 응용에서 바람직하지 않을 수 있다. 예를 들어, 이러한 광원(10)을 사용하는 가로등은 눈부심 및 전반적으로 비효율적인 조명을 유발할 수 있다.
LED는 또한 빠른 응답으로 강도, 편광, 시간, 등과 같은 다양한 광 특성을 신중하게 제어해야 하는 실내 및 실외 디스플레이에도 사용된다.
따라서, 제어된 광 특성을 갖는 LED 장치, 시스템, 및 방법에 대한 요구가 항상 있다.
본 개시의 하나의 양태에 따라, 발광 장치(light-emitting apparatus)가 제공된다. 발광 장치는, 광을 방출하는 발광 층; 및 상기 발광 층에 커플링(coupling)된 광학-변환 층을 포함하고, 상기 광학-변환 층은 하나 이상의 광학-변환 유닛을 포함하고, 각각의 광학-변환 유닛은 상기 광학-변환 층으로부터 방출된 광의 하나 이상의 매개변수를 조정하기 위한 메타표면을 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 발광 층은 광을 방출하기 위한 하나 이상의 발광 다이오드(LED)를 포함한다.
일부 실시예에서, 광학-변환 층은 발광 층 상에 인쇄된다.
일부 실시예에서, 발광 층은 하나 이상의 발광 유닛을 포함하고; 광학-변환 층은 하나 이상의 메타표면을 수용하기 위한 하나 이상의 리셉터클(receptacle)을 갖는 하우징을 포함하고; 하나 이상의 리셉터클은 하나 이상의 메타표면을 하나 이상의 발광 유닛과 정렬하기 위해 하나 이상의 발광 유닛의 위치에 대응하는 위치에 있다.
일부 실시예에서, 하나 이상의 리셉터클 각각은 발광 층으로부터 방출된 광을 수신하기 위한 내부 개구 및 수신된 광을 통과시키기 위한 외부 개구를 갖는 외측으로 확장되는 내부 표면을 포함하고, 외부 개구는 내부 개구의 면적 보다 더 큰 면적을 갖는다.
일부 실시예에서, 하나 이상의 리셉터클 각각의 내부 표면은 반사성이다.
일부 실시예에서, 하나 이상의 리셉터클 각각의 내부 표면의 단면은 포물면 형상을 갖는다.
본 개시의 하나의 양태에 따라, 발광 장치가 제공된다. 발광 장치는, 광을 방출하는 발광 층; 및 하나 이상의 광학 변환 유닛을 포함하는 광학-변환 층을 포함하고, 각각의 광학 변환 유닛은 메타표면을 포함하고, 적어도 하나의 메타표면은 미리 정의된 편광 상태를 갖는 발광 층으로부터 방출된 광을 선택적으로 통과시키기 위해 편광 선택적이다.
일부 실시예에서, 하나 이상의 메타표면의 각각은 비대칭 베이스 기하학적 구조(asymmetric base geometry)로 배열된 복수의 나노-스케일(nano-scale) 구조를 포함한다.
일부 실시예에서, 발광 장치는 발광 층으로부터 방출된 광을 편광하기 위해 발광 층과 광학-변환 층 사이에 개재진(sandwiched) 편광-제어 층을 더 포함한다.
일부 실시예에서, 발광 장치는 하나 이상의 식물의 성장을 용이하게 하기 위한 생장 촉진 램프이다.
본 개시의 하나의 양태에 따라, 하나 이상의 식물의 성장을 용이하게 하기 위한 발광 장치가 제공된다. 발광 장치는, 광을 방출하는 발광 층; 및 하나 이상의 광 변환 유닛을 포함하는 적어도 하나의 광학-변환 층을 포함하고, 각각의 광 변환 유닛은 하나 이상의 식물의 조명 구성을 최적화하기 위해 발광 층으로부터 방출된 광의 하나 이상의 매개변수를 조정하기 위한 메타표면을 포함한다.
본 개시의 하나의 양태에 따라, 디스플레이 장치가 제공된다. 디스플레이 장치는, 광을 방출하는 발광 층; 및 하나 이상의 광학-변환 유닛을 포함하는 적어도 하나의 광학-변환 층을 포함하고, 각각의 광학-변환 유닛은 하나 이상의 이미지를 디스플레이하기 위해 발광 층으로부터 방출된 광의 하나 이상의 매개변수를 조정하기 위한 메타표면을 포함한다.
본 개시의 하나의 양태에 따라, 발광 장치가 제공된다. 발광 장치는, 광을 방출하는 발광 층; 상기 발광 층에서 방출된 광을 편광시키기 위해 상기 발광 층에 커플링된 편광-제어 층; 및 편광-제어 층에 커플링된 적어도 하나의 광학-변환 층을 포함하고, 적어도 하나의 광학-변환 층은 하나 이상의 광학-변환 유닛을 포함하고, 각각의 광학-변환 유닛은 적어도 하나의 메타표면을 포함하고, 적어도 하나의 메타표면은 서로 다른 조명 패턴 또는 이미지 사이를 전환하기 위한 편광-제어 층으로부터 편광된 광이 선택적으로 통과하기 위해 편광-선택적이다.
본 개시의 하나의 양태에 따라, 발광 장치가 제공된다. 발광 장치는, 광을 방출하는 발광 층; 상기 발광 층에서 방출된 광을 편광시키기 위해 상기 발광 층에 커플링된 편광-제어 층; 및 편광-제어 층에 커플링된 적어도 하나의 광학-변환 층을 포함하고, 적어도 하나의 광학-변환 층은 하나 이상의 광학-변환 유닛을 포함하고, 각각의 광학-변환 유닛은 적어도 하나의 메타표면을 포함하고, 적어도 하나의 메타표면은 서로 다른 위치에서 다수의 서로 다른 조명 패턴 또는 이미지를 생성하기 위해 편광-제어 층으로부터 편광된 광을 선택적으로 통과시키기 위해 편광-선택적이다.
본 개시의 일 측면에 따르면, 발광 장치가 제공된다. 발광 장치는: 소스 시야(field of view; FOV)를 향해 광을 방출하기 위한 발광 층; 및 발광 층으로부터 방출된 광을 소스 FOV의 각도 스팬(span)보다 작은 각도 스팬을 갖는 제 1 FOV를 향해 지향시키기 위한 발광 층 전방에 있는 적어도 하나의 메타표면 층을 포함한다.
일부 실시예에서, 발광 장치는 발광 층과 적어도 하나의 광학-변환 층 사이에 개재된(sandwiched) 편광-제어 층을 더 포함하고; 편광-제어 층은 제어 신호에 응답하여 발광 층으로부터 방출된 광을 제 1 편광 상태 또는 제 2 편광 상태로 편광시키도록 구성되고; 적어도 하나의 광학-변환 층은 제 1 편광 상태의 편광-제어 층으로부터의 광을 소스 FOV의 각도 스팬보다 작은 각도 스팬을 갖는 제 1 FOV를 향해 지향시키고 제 2 편광 상태의 편광-제어 층으로부터의 광을 제 1 FOV의 각도 스팬보다 더 큰 각도 스팬을 갖는 제 2 FOV를 향하여 지향시키도록 구성된다.
본 개시의 하나의 양태에 따라, 발광 장치가 제공된다. 발광 장치는, 광을 방출하는 발광 층; 및 상기 발광 층 전방에 있는 광학-변환 층을 포함하고, 상기 광학-변환 층은 복수의 광학-변환 유닛을 포함하고, 각각의 광학-변환 유닛은 발광 층으로부터 방출된 광을 미리 정의된 광-분포 패턴을 형성하기 위한 표적 영역을 향해 지향시키는 메타표면을 포함한다.
일부 실시예에서, 미리 정의된 광-분포 패턴은 표적 영역 상의 실질적으로 균일한 광-에너지 분포이다.
일부 실시예에서, 복수의 메타표면은 발광 층으로부터 방출된 광을 표적 영역의 경계를 향해 지향시키기 위한 제 1 메타표면 세트, 및 발광 층으로부터 방출된 광을 표적 영역의 중심을 향하여 지향시키고 표적 영역에 실질적으로 균일한 광 에너지 분포를 생성하기 위한 제 2 메타표면 세트를 포함한다.
본 개시의 하나의 양태에 따라, 태양광-에너지 수확 장치(solar-energy harvesting apparatus)가 제공된다. 태양광-에너지 수확 장치는 복수의 광기전 셀(photovoltaic cell)를 갖는 광기전 층; 및 광기전 층 상에서 반사를 야기하지 않으면서 실질적으로 광기전 층에 광을 지향시키기 위한 광기전 층의 전방에 있는 적어도 하나의 메타표면 층을 포함한다.
일부 실시예에서, 태양광-에너지 수확 장치는 광기전 층에 수직으로 충돌하도록 미리 정의된 범위 내의 입사각으로 광을 지향시키기 위한 복수의 메타표면 층을 포함한다.
본 개시의 하나의 양태에 따라, 발광 장치가 제공된다. 발광 장치는, 광을 방출하는 발광 층; 및 제 1 편광 상태의 발광 층으로부터 방출된 광을 제 1 FOV를 향해 지향시키고 제 2 편광 상태의 발광 층으로부터 방출된 광을 제 2 FOV를 향해 지향하기 위한 발광 층 전방에 있는 적어도 하나의 메타표면 층을 포함하고, 제 1 및 제 2 FOV는 서로 다른 편광 상태의 렌즈를 가진 안경을 착용하는 사용자에게 3차원(3D) 지각을 형성하기 위해 중첩되고 서로 측방향으로 오프셋된다.
본 개시의 하나의 양태에 따라, 발광 장치가 제공된다. 발광 장치는, 광을 방출하는 발광 층; 및 제 1 편광 상태의 발광 층으로부터 방출된 광을 제 1 FOV를 향해 지향시키고 제 2 편광 상태의 발광 층으로부터 방출된 광을 제 2 FOV를 향해 지향시키기 위한 발광 층 전방에 있는 적어도 하나의 메타표면 층을 포함하고, 사용자에게 3D 지각을 형성하기 위해, 제 1 및 제 2 FOV는 미리 정의된 거리에서 사용자의 제 1 눈에만 볼 수 있고 제 2 FOV는 미리 정의된 거리에서 사용자의 제 2 눈에만 볼 수 있도록 제 1 및 제 2 FOV는 서로 측방향으로 오프셋되어 있다.
도 1a는 거리를 두고 정사각형 이미지 평면을 향해 광선을 방출하는 종래 기술의 광원을 나타내는 개략도이고,
도 1b는 도 1a에 도시된 종래 기술의 광원으로부터 방출된 광의 이미지 평면 상의 광도 분포를 나타내고,
도 2a는 거리에서 정사각형 이미지 평면을 향해 광선을 방출하는 종래 기술의 발광 다이오드(LED) 패널을 나타내는 개략도이고,
도 2b는 광선 추적을 사용하여 얻은 종래 기술 LED 패널에서 방출된 광의 이미지 평면 상의 조명 패턴을 보여주고,
도 3은 본 개시의 일부 실시예에 따른 발광 장치의 구조를 나타내는 개략도로서, 발광 장치는 LED 발광 층 및 하나 이상의 메타표면을 갖는 광학-변환 층을 포함하고,
도 4는 도 3에 도시된 발광 장치의 개략적인 분해도이고,
도 5는 도 3에 도시된 발광 장치의 광학-변환 층의 광학-변환 유닛을 나타내고,
도 6은 도 5에 도시된 광학-변환 유닛을 형성하기 위한 메타표면의 구조의 일 예를 도시하고,
도 7은 본 개시내용의 일부 실시예에 따른 발광 장치의 개략적인 분해도로서, 상기 발광 장치는 LED 발광 층, 편광-제어 층, 및 메타표면 광학-변환 층을 포함하고,
도 8a는 본 개시의 일부 실시에에 따라 도 7에 도시된 라이팅 장치의 편광-제어 층의 화소를 나타내는 개략도이고,
도 8b는 도 8a에 도시된 편광-제어 층의 화소에 해당하는, 도 7에 도시된 라이팅 장치의 광학-변환 층의 화소를 나타내는 개략도이고,
도 9a는 본 개시의 또 다른 일부 실시예에 따라, 도 7에 도시된 라이팅 장치의 편광-제어 층의 화소를 나타내는 개략도이고,
도 9b는 도 9a에 도시된 편광-제어 층의 화소에 해당하는, 도 7에 도시된 라이팅 장치의 광학-변환 층의 화소를 나타내는 개략도이고,
도 10a는 본 개시의 또 다른 일부 실시예에 따라, 도 7에 도시된 라이팅 장치의 편광-제어 층의 화소를 나타내는 개략도이고,
도 10b는 도 10a에 도시된 편광-제어 층의 화소에 해당하는, 도 7에 도시된 라이팅 장치의 광학-변환 층의 화소를 나타내는 개략도이고,
도 11a 및 도 11b는 도 8a 및 도 8b, 또는 도 9a 및 도 9b에 도시된 실시예에 따라, 2개의 이미지를 2개의 방향으로 디스플레이하는, 도 7에 도시된 라이팅 장치를 보여주는 개략도이고,
도 12는 도 8a 및 도 8b, 도 9a 및 도 9b, 또는 도 10a 및 도 10b에 도시된 실시예에 따라, 2개의 이미지를 2개의 방향으로 디스플레이하는 도 7에 도시된 라이팅 장치를 보여주는 개략도이고,
도 13은 본 개시의 일부 실시예에 따른, 복수의 광섬유 케이블을 갖는 발광 장치의 개략적인 분해도이고,
도 14는 도 3에 도시된 발광 장치의 광학-변환 층의 인쇄를 나타내는 개념도이고,
도 15는 본 개시의 일부 실시예에 따른 식물의 성장을 용이하게 하기 위한 라이팅 시스템의 개략도이고,
도 16은 본 개시의 일부 실시예에 따른 식물의 성장을 용이하게 하기 위한 라이팅 시스템의 개략도로서, 라이팅 시스템은 식물의 성장을 모니터링하기 위한 센서를 포함하고;
도 17은 도 3에 도시된 발광 장치에 통합된 태양-셀 층의 구조를 도시하는 개략도이고,
도 18은 본 개시의 일부 실시예에 따른 제어된 조명 패턴을 갖는 조명 또는 광원으로서 사용하기 위한 라이팅 시스템의 구조를 도시하는 개략도이고,
도 19는 조명 패턴을 생성하기 위한 도 18에 도시된 라이팅 시스템이 사용하는 비용 함수를 형성하는 예를 나타내고,
도 20은 경사 하강 법을 사용하여 비용 함수의 전역(또는 거의 전역) 최소 값을 찾기 위해 도 18에 도시된 라이팅 시스템의 처리 구조에 의해 실행되는 공정의 단계를 보여주는 흐름도이고,
도 21 내지 도 25는 다양한 조명 패턴을 생성하기 위해 도 20에 도시된 공정의 최적 결과를 나타내고,
도 26은 본 개시의 일부 실시예에 따른 제어된 조명 패턴을 갖는 조명 또는 광원으로서 사용하기 위한 라이팅 시스템의 구조를 도시하는 개략도이고,
도 27a는 이미지 평면에서 강도 분포의 경계를 생성하기 위한 분할 메타표면을 나타내는 개략도이고,
도 27b는 도 27a에 도시된 수직 분할 메타표면에 의해 생성된 이미지 평면의 조명 패턴을 도시하고, 여기서 광학 에너지는 표적 영역의 수직 경계를 따라 실질적으로 집중되고,
도 27c는 도 27a에 도시된 수평 분할 메타표면에 의해 생성된 이미지 평면의 조명 패턴을 도시하고, 여기서, 광학 에너지는 표적 영역의 수평 경계를 따라 실질적으로 집중되고;
도 28은 도 27a에 도시된 수평 및 수직 분할 메타표면을 사용하여 표적 영역의 수평 및 수직 경계를 따라 실질적으로 집중된 광 분포의 개념적 표현을 도시하고,
도 29a는 이미지 평면의 중앙에 실질적으로 집중된 광 분포를 생성하기 위한 수렴 메타표면을 도시하는 개략도이고,
도 29b는 도 29a에 도시된 수렴 메타표면에 의해 생성된 이미지 평면의 조명 패턴을 도시하고,
도 30은 도 27a 및 도 29a에 도시된 분할 및 수렴 메타표면을 생성한 이미지 평면상의 실질적으로 균일한 광 분포의 개념적 표현을 도시하고,
도 31은 상이한 거리에서 이미지 평면 상의 실질적으로 균일한 광 분포를 도시하고,
도 32는 본 개시의 일부 실시예에 따른 메타표면의 어레이를 사용하는 토포센트릭 벡터 제어 패널(topocentric vector control panel; TVCP)의 예시적인 구현을 도시하며, TVCP는 발광 층에 커플링된 메타표면 하우징을 포함하고, 메타표면 하우징은 그 안에 복수의 메타표면 유닛을 수용하는 복수의 리셉터클을 포함하고,
도 33은 도 32에 도시된 TVCP의 발광 층에 커플링된 메타표면 하우징을 나타내는 사진이고,
도 34는 특정 편광 상태를 갖는 식물을 조명하기 위한 비대칭 베이스 기하학적 구조를 갖는 메타표면의 나노-규모 구조를 도시하고,
도 35는 종래 기술의 광기전 셀의 표면에서 발생하는 광 반사를 나타내는 개략도이고,
도 36은 광기전 패널의 표면에서 광 반사를 감소시키기 위해 광기전 패널 전방에 있는 메타표면 기반의 토포센트릭 벡터 제어 패널(TVCP)을 갖는 태양광-패널 장치를 도시하는 개략도이고,
도 37은 광기전 패널의 크기를 줄이기 위해 광기전 패널 전방에 있는 메타표면 기반 TVCP를 갖는 태양광-패널 장치를 도시하는 개략도이고,
도 38은 도 37에 도시된 태양광-패널 장치와 비교하기 위해 TVCP가 없는 광기전 패널을 갖는 종래 기술의 태양광-패널 장치를 도시하는 개략도이고,
도 39는 넓은 각도 범위를 갖는 시야(FOV)를 갖는 종래 기술의 디스플레이를 도시하는 개략도이고,
도 40은 본 개시의 일부 실시예에 따른, 메타표면을 사용하는 초지향성 스크린 또는 디스플레이를 나타내는 개략도이고,
도 41은 본 개시의 일부 실시예에 따른 가변 시야(VFOV) 스크린 또는 디스플레이를 나타내는 개략도이고,
도 42는 본 개시의 일부 다른 실시예에 따른 VFOV 스크린 또는 디스플레이를 나타내는 개략도이고,
도 43a 내지 도 43g는 제 2 이미지가 제 1 FOV에서만 위치된 사용자에게 가시적이지 않도록 넓은 각도 범위를 갖는 제 1 FOV로 디스플레이되는 제 1 이미지 및 좁은 각도 범위를 갖는 제 2 FOV에서 디스플레이되는 제 2 이미지를 갖는 두 개의 이미지를 동시에 디스플레이하도록 도 42에 도시된 VFOV 스크린을 사용하는 일 예를 도시하고,
도 44는 본 개시의 일부 실시예에 따른, 편광 렌즈를 갖는 안경으로 볼 수 있는 메타표면을 사용하는 3차원(3D) 디스플레이를 나타내는 개략도이고,
도 45는 본 개시의 일부 실시예에 따른, 편광 렌즈를 갖는 안경 없이 볼 수 있는 메타표면을 사용하는 3D 디스플레이를 보여주는 개략도이고,
도 46 및 도 47은 광 반사 문제를 갖는 종래 기술의 태양광 패널을 나타내는 개략도이고,
도 48 및 도 49는 본 개시의 일부 실시예에 따른, 광 반사 문제를 완화하거나 제거하기 위해 메타표면을 사용하는 태양광 패널을 보여주는 개략도이다.
발광 층 및 광학-변환 층을 갖는 발광 장치
지금부터 도 3 및 도 4를 참조하면, 본 개시의 일부 실시예에 따른 발광 장치("라이팅 장치(lighting apparatus)" 또는 "라이트 장치(light apparatus)"라고도 함)가 도시되고 일반적으로 참조 번호 100을 사용하여 식별된다. 여기서, 발광 장치는 조명을 위한 장치, 식물의 생장 촉진을 위한 장치, 또는 그 위에 이미지 또는 동영상을 디스플레이하는 장치일 수 있다.
이들 실시예의 발광 장치(100)는 기판(102)과 광학-변환 층(106)을 통해 발광 층(104)으로부터 광(108)을 방출하기 위한 광학-변환 층(106) 사이에 개재된 발광 층(104)을 포함한다. 방출된 광(108)이 광학-변환 층(106)을 통과하면, 광학-변환 층(106)은 진폭 또는 강도, 위상, 편광, 패턴, 방향 등과 같은 광(108)의 하나 이상의 매개변수를 조정한다.
발광 층(104)은 임의의 적절한 라이팅 장치일 수 있다. 이들 실시예에서, 비록 다른 배열의 LED(110)가 또한 용이하게 이용가능하지만, 발광 층(104)은 기판(102)에 인쇄, 코팅 또는 커플링되고 매트릭스 형태로 배열된 복수의 발광 다이오드(LED)(110)를 포함한다. 여기서, LED(110)는 통상적인 LED, 양자점(QD) LED, 유기 LED(OLED) 등과 같은 임의의 적합한 LED일 수 있다.
광학-변환 층(106)은 인쇄, 코팅, 또는 발광 층(104)으로부터 방출된 광의 매개변수를 조정하거나 그렇지 않으면 변환하기 위해 발광 층(104)에 커플링된다(나중에 더 상세히 설명됨).
광학-변환 층(106)은 메타표면을 포함하는 각각의 광학 변환 유닛(122)과 함께 미리 정의된 패턴으로 배열된 하나 이상의 광학 변환 유닛(122)을 포함한다. 여기서, 메타표면은 서브파장 간격을 갖는 나노구조의 2차원 어레이로서 전자기파 변조에 사용될 수 있다. 메타표면의 세부 사항은 Nanfang Yu, Patrice Genevet, Mikhail A. Kats, Francesco Aieta, Jean-Philippe Tetienne, Federico Capasso 및 Zeno Gaburro에 의한, 사이언스 334권, 6054호, 333-337페이지(2011)의 "위상 불연속성이 있는 광의 전파: 반사 및 굴절의 일반 법칙(LIGHT PROPAGATION WITH PHASE DISCONTINUITIES: GENERALIZED LAWS OF REFLECTION AND REFRACTION)의 제목을 가진 학술 논문에 기재되어 있다.
도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 각각의 메타표면 유닛(122)은 서브파장 두께(즉, 그 두께가 발광 층(104)로부터 방출된 광의 파장보다 더 작은 두께)를 갖고 입사 광의 특성 또는 매개변수(예: 진폭 또는 강도, 위상, 편광, 패턴, 방향 등)를 정밀하게 조정하거나 변환하기 위한 특정 순서를 갖는 주기적 방식으로 배열된 복수의 나노-규모 구조(124)를 포함하는 메타표면을 포함하여 메타표면으로부터 출력되는 광의 특성을 정밀하게 제어할 수 있다.
일부 실시예에서, 나노-규모 구조(124)("나노 구조(nano-structures)"로도 표시됨)는 발광 층(104)으로부터 방출된 광의 파장보다 작은 하나 이상의 치수를 갖는 적절한 금속 또는 유전체 재료로 제조된 서브파장 구조일 수 있다. 일부 실시예에서, 나노-규모 구조(124)는 복수의 나노로드("안테나(antennas)"로도 지칭됨, 도 6 참조)를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 나노-규모 구조(124)는 복수의 V-형 나노로드를 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이, 나노규모 구조(124)는 주기적 또는 반복적인 패턴을 형성하고, 각각의 패턴은 상이한 형상 및 치수의 복수의 나노규모 구조(124)를 포함할 수 있다.
나노구조(124)의 기하학적 구조 및 분포에 따라, 광학-변환 층(106)은 입사 광의 하나 이상의 매개변수를 조정하거나 변환하도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 광학-변환 층(106)의 메타표면 유닛(122A)은 입사 광(108A)의 위상 변환 및 수렴 방향을 수정하여 광학-변환 층(106)으로부터 이격된 원하는 지점에 집속되는 수렴 광선을 형성하도록 구성될 수 있다.
다른 예로서, 광학-변환 층(106)의 메타표면 유닛(122B)은 입사 광(108B)의 위상 변환 및 시준될 방향을 수정함으로써 원거리에서 표적에 도달하기 위한 시준된 광선을 형성하도록 구성될 수 있다.
추가 예로서, 광학-변환 층(106)의 메타표면 유닛(122C)은 입사 광(108C)의 위상 변환 및 발산 방향을 수정하여 넓은 영역을 조명하기 위한 발산 광선을 형성하도록 구성될 수 있다.
종래의 생장 촉진 램프 응용에서, 식물의 성장을 용이하게 하기 위해 식물을 향하여 광을 방출하기 위해 하나 이상의 라이팅 장치(생장 촉진 램프 장치라고도 함)가 사용된다. 이러한 응용 분야에서, 생장 촉진 램프 장치의 주변 영역에서 방출된 광과 같은 생장 촉진 램프 장치에서 방출된 광의 일부는 광선의 발산 특성으로 인해 부분적으로만 식물에 충돌하여 광학 에너지를 낭비할 수 있다. 이러한 문제는 식물이 서로 떨어져 있는 경우 더 중요할 수 있다.
일부 실시예에서, 발광 장치(100)는 상술한 문제가 없거나 적어도 완화시키는 생장 촉진 램프 장치로서 사용될 수 있다. 이들 실시예에서, 광학-변환 층(106) 또는 그의 적어도 일부 메타표면 유닛(122)은 식물을 향한 입사 광(108)의 방향을 수정하도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 광학-변환 층(106)은 발광 층(104)의 중앙 영역으로부터 방출된 광을 식물를 향해 더 발산시키는 동안 식물을 향하는 발광 층(104)의 주변 영역으로부터 방출된 광을 조정하도록 설계될 수 있어 식물의 더 많은 영역을 커버하여 훨씬 더 효율적인 조명을 제공한다.
일부 실시예에서, 광학-변환 층(106) 또는 그의 적어도 일부 메타표면 유닛(122)은 식물의 조명 구성을 최적화하고 식물의 성장-요구에 적응하기 위해 발광 층(104)으로부터 방출된 광의 매개변수를 조정하도록 설계될 수 있다.
일부 실시예에서, 광학-변환 층(106) 또는 그의 적어도 일부 메타표면 유닛(122)은 원하는 방향으로 발광 층(104)으로부터 방출된 광을 조정하여 높거나 낮은 광 농도를 갖는 영역을 형성함으로써 표적 조명 영역에 고온 또는 저온 지점을 생성한다. 이러한 고온 또는 저온 지점은 식물의 손상된 부분을 처리하거나 식물의 깨지기 쉬운 부분을 조명하기 위해 생성될 수 있다.
도 7은 본 개시의 일부 실시예에 따른 발광 장치(200)의 개략적인 분해도이다. 이들 실시예에서, 발광 장치(200)는 발광 장치(200)가 발광 층(104)과 광학-변환 층(106) 사이에 개재된 편광-제어 층(202)을 더 포함하는 것을 제외하고는 도 3 및 도 4에 도시된 실시예의 발광 장치(100)와 유사하다.
더욱이, 이들 실시예에서, 광학-변환 층(106)은 편광-선택적일 수 있다. 특히, 각각의 메타표면 유닛(122)은 특정 편광을 선택할 수 있으며, 즉 특정 편광 상태를 갖는 광만이 통과하도록 허용하고 다른 편광 상태를 갖는 광을 차단할 수 있다. 광학-변환 층(106)의 상이한 메타표면 유닛(122)은 구현에 따라 동일하거나 상이한 편광-선택성 설정을 가질 수 있다.
편광-제어 층(202)은 입사 광이 통과할 때 입사 광을 편광시키는 적절한 재료로 제조된다(도 7에서 원형 화살표(204, 206)로 표시됨). 일부 실시예에서, 편광-제어 층(202)은 단일 편광-제어 유닛을 형성하고 입사 광을 미리 정의된 편광 상태로 편광시킬 수 있다.
일부 다른 실시예에서, 편광-제어 층(202)은 단일 편광-제어 유닛을 형성할 수 있고 전압-제어 지연을 갖는 액정을 포함할 수 있다. 따라서, 편광-제어 층(202)에 인가되는 전압을 조절하여 편광-제어 층(202)의 편광을 조절할 수 있다.
또 다른 일부 실시예에서, 편광-제어 층(202)은 광학-변환 층(106)의 복수의 메타표면 유닛(122)에 대응하는 복수의 편광-제어 유닛(도시안됨)을 포함할 수 있다. 적어도 일부 편광-제어 유닛은 액정으로 제조될 수 있고 그 편광은 편광-제어 유닛에 인가되는 전압을 조절하여 제어할 수 있다.
따라서, 광학-변환 층(106)은 별개의 편광 상태의 광에 대해 선택적인 응답을 나타낸다. 일부 실시예에서, 발광 장치(200)는 광원(예를 들어, 발광 층(102))을 조정할 필요 없이 상이한 이미지를 디스플레이하는 것 사이에서 신속하게 전환할 수 있는 디스플레이로서 사용될 수 있다. 스위칭-디스플레이 또는 조명 패턴은 자동 패턴-스위칭을 위해 광학-변환 층(106)의 편광 패턴 및/또는 그 전압 패턴으로 인코딩될 수 있다.
예를 들어, 일부 실시예에서, 발광 장치(200)는 디스플레이로서 사용될 수 있고, 편광-제어 층(202) 및 그의 광학-변환 층(106)은 각각 대응하는 픽셀(232 및 234)을 형성하는 복수의 유닛을 포함할 수 있고 각각의 픽셀은 하나 이상의 서브픽셀을 포함한다(도 8a 내지 도 10b 참조).
일 실시예에서, 도 8a 및 도 8b에 도시된 바와 같이, 편광-제어 층(202)의 각각의 픽셀(232)은 복수의 서브픽셀(예를 들어, 2개의 서브픽셀(242A, 242B))을 포함한다. 따라서, 편광-제어 층(202)은 복수의 서브픽셀 세트(또한 참조 번호 242A 및 242B를 사용하여 식별됨)를 포함하며, 각각의 세트는 각각의 픽셀(232)의 각각의 서브픽셀(242A 또는 242B)을 포함한다. 각각의 서브픽셀 세트는 특정 편광 설정으로 구성된다(도 8a 참조).
도 8b에 도시된 바와 같이, 광학-변환 층(106)의 각각의 픽셀(234)은 2개의 편광 선택도와 위상 변환 설정(기호 246으로 표시됨) 사이를 전환하도록 제어되는 하나의 메타표면 서브픽셀(참조 번호 234로도 표시됨)을 갖는다.
동작 동안, 발광 층(104)은 광(도시안됨)을 방출한다. 적절한 편광 설정으로, 편광-제어 층(202)의 각각의 서브픽셀 세트는 발광 층(104)으로부터 방출된 광을 조정하고 상이한 편광 상태를 갖는 2개의 광선(도시안됨)을 형성한다. 두 개의 광선이 중첩되어 광학-변환 층(106)으로 입사된다.
광학-변환 층(106)의 메타표면 서브픽셀(234)은 제 1 서브픽셀 세트(242A)로부터의 광선이 통과하도록 하기에 적합한 제 1 편광-선택성 설정 및 제 2 서브픽셀 세트(242B)로부터의 광선이 통과하도록 하기에 적합한 제 2 편광-선택성 설정으로 2개의 편광-선택성 및 위상-변환 설정(246) 사이를 전환하도록 제어된다. 결과적으로, 발광 장치(200)는 2개의 이미지(222, 224)(도 11a 및 도 11b 참조)를 두 개의 방향으로 교대로 디스플레이한다. 위상 변환 설정에 따라, 2개의 방향은 도 11a 및 도 11b에 도시된 바와 같은 두 개의 상이한 방향일 수 있거나 동일한 방향일 수 있다.
광학-변환 층(106)의 편광-선택성 및 위상-변환 설정의 스위칭(재생률로도 표시됨)은 제 1 이미지(222)를 제 1 위치에서 몇 초 동안 디스플레이한 다음, 제 2 이미지(224)를 또 다른 몇 초 동안 제 2 위치에서 디스플레이하는 것과 같은 명백한 방식으로 두 개의 이미지(222, 224)를 교대로 디스플레이하기 위해 느린 속도 또는 주파수일 수 있다(도 11a 및 도 11b). 대안적으로, 광학-변환 층(106)의 재생률은 2개의 이미지(222 및 224)가 인간의 눈에 2개의 위치에서 효과적으로 동시에 디스플레이되도록 고주파수(예를 들어, 초당 60 프레임 이상)일 수 있다. (도 12 참조).
도 9a 및 도 9b에 도시된 바와 같은 일 실시예에서, 편광-제어 층(202)의 각각의 픽셀(232)은 2개의 편광 설정(도 9a 참조, 기호 248로 표시) 사이를 전환하도록 제어되는 하나의 메타표면 서브픽셀(참조 번호 232를 사용하여 표시됨)을 갖는다.
도 9b에 도시된 바와 같이, 광학-변환 층(106)의 각각의 픽셀(234)은 복수의 서브픽셀(예를 들어, 2개의 서브픽셀(244A 및 244B))을 포함한다. 따라서, 광학-변환 층(106)은 복수의 서브픽셀 세트(또한 참조 번호 244A 및 244B를 사용하여 식별됨)를 포함하며, 각각의 세트는 각각의 픽셀(234)의 각각의 서브픽셀(244A 또는 244B)을 포함한다. 각각의 서브픽셀 세트는 특정 편광 선택도 및 위상 변환 설정으로 구성된다.
동작 동안, 발광 층(104)은 광(도시안됨)을 방출한다. 편광-제어 층(202)은 발광 층(104)으로부터 방출된 광을 조정하고 광학-변환 층(106)의 제 1 서브픽셀 세트(244A)를 통과하거나 제 2 서브픽셀 세트(244B)를 통과하도록 편광 상태를 전환하는 광선(도시안됨)을 형성한다. 광학-변환 층(106)의 재생률에 따라, 발광 장치(200)는 2개의 이미지(222, 224)를 교대로 2개의 위치에 사람 눈에 명백한 방식으로 또는 효과적으로 동시에 디스플레이할 수 있다(도 11a, 도 11b, 및 도 12 참조).
도 10a 및 도 10b에 도시된 바와 같은 일 실시예에서, 편광-제어 층(202)의 각각의 픽셀(232)은 복수의 서브픽셀(예를 들어, 2개의 서브픽셀(242A 및 242B))을 포함한다. 따라서, 편광-제어 층(202)은 복수의 서브픽셀 세트(또한 참조 번호 242A 및 242B를 사용하여 식별됨)를 포함하며, 각각의 세트는 각각의 픽셀(232)의 각각의 서브픽셀(242A 또는 242B)을 포함한다. 각각의 서브픽셀 세트는 특정 편광 설정(도 10a 참조)으로 구성된다.
이에 상응하여 그리고 도 10b에 도시된 바와 같이, 광학-변환 층(106)의 각각의 픽셀(234)은 복수의 서브픽셀(예를 들어, 2개의 서브픽셀(244A 및 244B))을 포함한다. 따라서, 광학-변환 층(106)은 복수의 서브픽셀 세트(또한 참조 번호 244A 및 244B를 사용하여 식별됨)를 포함하며, 각각의 세트는 각각의 픽셀(234)의 각각의 서브픽셀(244A 또는 244B)을 포함한다. 각각의 서브픽셀 세트는 특정 편광 선택도 및 위상 변환 설정으로 구성된다. 각각의 서브픽셀 세트(244A 또는 244B)의 편광 선택도 설정은 각각의 서브픽셀 세트(242A 또는 242B)의 편광 설정과 일치한다(즉, 대응하는 서브픽셀(242A 또는 242B)로부터의 광이 통과하도록 허용).
동작 동안, 발광 층(104)은 광(도시안됨)을 방출한다. 편광-제어 층(202)의 각각의 서브픽셀 세트(242A 또는 242B)는 발광 층(104)으로부터 방출된 광을 조정하고 상이한 편광 상태를 갖는 2개의 광선(도시안됨)을 형성한다. 2개의 광선은 중첩되어 광학-변환 층(106)에 입사된다. 편광-제어 층(202)으로부터의 각각의 광선은 광학-변환 층(106)의 대응하는 서브픽셀 세트(244A 또는 244B)를 통과하여, 동시에 2개의 이미지(222 및 224)를 2개의 방향에서 형성한다(도 12 참조).
일부 실시예에서, 발광 장치(200)는 상이한 조명 패턴 사이를 신속하게 전환할 수 있는 라이팅 장치로 사용될 수 있다. 또한, 발광 장치(200)는 편광에 민감한 고차 성분을 갖는 식물에 적합한 맞춤형 편광 패턴을 갖는 생장 촉진 램프 장치로 사용될 수 있다. 예를 들어, 일부 식물은 특정 편광 상태의 광을 다른 편광 상태의 광보다 훨씬 더 효율적으로 흡수하거나 반사할 수 있다. 따라서, 발광 장치(200)는 식물의 광합성 과정을 최적화하기 위한 식물의 요구에 적응하는 맞춤형 편광 패턴을 갖는 생장 촉진 램프 장치로 사용될 수 있다. 다양한 실시예에서 라이팅 장치(200)의 구조는 도 8a 내지 도 10b에 도시된 것과 유사할 수 있다.
광학-변환 층(106)에서 메타표면을 사용함으로써, 본 명세서에 개시된 라이팅 장치는 광 에너지를 광섬유 케이블에 효율적으로 커플링할 수 있다. 예를 들어, 도 13은 본 개시의 일부 실시예에 따른 발광 장치(300)의 개략적인 분해도이다. 이들 실시예에서, 발광 장치(300)는 도 3 및 도 4에 도시된 실시예의 발광 장치(100)와 유사하고 각각의 메타표면 유닛(122)에 인접한 복수의 광섬유 케이블(302)을 더 포함한다. 각각의 메타표면 유닛(122)은 대응하는 광섬유 케이블(302)에 입사하는 수렴 광선을 형성하도록 구성된다. 이러한 라이팅 장치(300)가 효율적인 실내 조명, 식물의 국부적으로 최적화된 조명, 및 표적 영역에 대한 효율적인 광학 에너지 분배와 같은 다양한 응용 분야에서 사용될 수 있다.
비록 도 13에 도시된 실시예에서, 발광 장치(300)는 발광 장치(100)와 유사하지만(즉, 3개의 층(102, 104, 및 106)을 가짐), 일부 실시예에서 발광 장치(300)는 발광 장치(200)와 유사할 수 있다(즉, 4개의 층(102, 104, 202, 106)을 가짐).
위의 실시예에서, 라이팅 장치(100, 200, 300)는 하나의 광학-변환 층(106)만을 포함한다. 일부 실시예에서, 라이팅 장치는 복수의 광학-변환 층(106)을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 복수의 광학-변환 층 중 적어도 일부는 편광-선택적일 수 있고, 상이한 광학-변환 층(106)은 구현에 따라 동일하거나 상이한 편광-선택성 설정을 가질 수 있다.
전술한 바와 같이, 광학-변환 층(106)과 같은 발광 장치(100)의 다양한 층들은 임의의 적합한 인쇄 기술을 사용하여 기판(102)에 또는 서로 상에 인쇄될 수 있다.
예를 들어, 도 14는 일부 실시예에서 광학-변환 층(106) 및 발광 층(104)과 같은 일부 층의 인쇄를 나타내는 개념도이다.
도시된 바와 같이, 기판(102)(발광 층(104)이 인쇄되거나 그 위에 커플링됨)이 플랫폼(342)의 평평한 표면에 배열된다. 슬롯-다이 헤드(344)를 구비한 인쇄 장치(도시안됨)는 서브 층/층을 인쇄하기 위해 사용된다. 슬롯-다이 헤드(344)는 각각의 "잉크(ink)"로 채워진 잉크 카트리지(346)를 포함하고 잉크 카트리지(346)로부터 메타표면 재료를 증착하기 위해 기판(102)(또는 특히 인쇄된 발광 층(104)) 상에서 이동(화살표 348로 표시)하여 하나 이상의 메타표면 광학-변환 유닛(122)을 형성한다.
여기서, "잉크"는 층 제조를 위한 전구체로 사용되는 용액, 겔, 또는 분말과 같은 적절한 형태의 서브 층/층 재료를 의미한다. 각각의 층의 슬롯-다이 제작 동안, 일반적으로 열처리는 용매를 증발시키거나 분말을 용융시켜 제작된 층을 고화시키는 데 사용된다.
도 15는 본 개시의 일부 실시예에 따른 하나 이상의 식물(410)의 성장을 용이하게 하기 위한 라이팅 시스템(400)의 개략도이다. 도시된 바와 같이, 시스템(400)은 제어 회로(404)에 전력을 공급하는 전원(402) 및 전술한 발광 장치(100, 200 또는 300) 중 임의의 것일 수 있는 발광 장치(406)를 포함한다. 제어 회로(404)는 식물의 성장을 용이하게 하도록 식물(410)을 조명하기 위한 맞춤형 매개 변수로 광(408)을 방출하기 위한 발광 장치(406)을 제어한다.
도 16은 본 개시의 일부 실시예에 따른 식물의 성장을 용이하게 하기 위한 라이팅 시스템(500)의 개략도이다. 이러한 실시예의 라이팅 시스템(500)은 도 14에 도시된 라이팅 시스템(400)과 유사하고 식물(410)의 성장을 모니터링하기 위한 센서(412), 예를 들어 식물(410)로부터 반사된 광(414)을 모니터링하기 위한 광 센서를 더 포함하고, 식물(410)의 성장을 더 용이하게 하기 위한 조명 구성을 최적화하기 위해 위에서 설명된 바와 같이 광 매개변수를 조정하기 위해 제어 회로(404)에 피드백을 제공한다.
일부 실시예에서, 발광 층(104)은 투명한 LED 층일 수 있고, 발광 장치(100, 200, 300)는 광 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위한 하나 이상의 광기전 셀을 갖는 발광 층(104) "뒤에"(즉, 기판(102)과 발광 층(104) 사이에) 태양-셀 층, 및 태양-셀 층 뒤에 전자-전력 변환기 층을 더 포함할 수 있다. 태양 셀 층 및 전자 전력 변환기 층의 세부 사항은 출원인의 동시 계류 중이고 발명의 명칭이 "하이브리드 에너지 장치, 시스템, 및 그 방법(HYBRID-ENERGY APPARATUS, SYSTEM, AND METHOD THEREFOR)"인 미국 가특허 출원 제 62/831,828호에 설명되며, 그 내용은 전체가 인용에 의해 본원에 포함된다.
예를 들어, 도 17은 복수의 서브 층을 포함하는 태양-셀 층(540)의 예를 도시한다. 도시된 바와 같이, 이 예에서 태양-셀 층(500)은 인듐 주석 산화물(ITO)과 같은 적절한 재료로 제조된 아노드 서브층(542), 아연 산화물(ZnO)의 서브층(544), 폴리(에틸렌이민) 및 폴리( 에틸렌이민) 에톡실화(즉, PEIE)의 서브층(546), 벌크 이종접합(BHJ)의 서브층과 같은 폴리머 태양 셀의 서브층과 같은 유기 태양-셀의 서브층(548), 삼산화 몰리브덴(MoO3)의 서브층(550), 및 은(Ag) 또는 알루미늄(Al)과 같은 적절한 재료로 제조된 캐소드 서브층(552)을 포함한다. 애노드(542) 및 캐소드(552)는 전력 변환기 층과 같은 다른 층에 전기적으로 연결된다.
제어된 조명 패턴이 있는 라이팅 시스템
도 18은 메타표면 또는 다른 광 제어 구조를 사용하여 광 편향 각도를 정밀하게 제어함으로써 제어된 조명 패턴을 갖는 조명 또는 광원으로서 사용하기 위한 일부 실시예의 발광 장치(600)를 도시한다. 라이팅 시스템(600)으로부터의 조명은 하나 이상의 식물과 같은 하나 이상의 물체가 내부에 위치하는 이미지 평면(612)에 특정 패턴에 따라 분포된다.
주석의 용이함을 위해, 축선(x 및 y)은 이미지 평면(612)을 정의하는 직교 축선을 나타내고, z축선은 제어 가능한 조명 구조(100) 및 이미지 평면(612)을 따른 축선이고 축선(x 및 y)에 직교하고(즉, 이미지 평면(612)에 직교하고), y-편향 각도(θ)는 y-축선과 이미지 평면(612) 상의 광선(610) 투영 사이의 각도이고, z-편향 각도(φ)는 z-축선과 x-z 평면 상의 광선(610)의 투영 사이의 각도이다.
발광 장치(600)는 도 4에 도시된 발광 장치(100)와 유사하고 하나 이상의 LED(도시안됨)를 갖는 발광 층(104) 및 발광 층(104) 전방에 있는, 이러한 실시예에서, 토포센트릭 벡터 제어 패널(topocentric vector control panel; TVCP) 층과 같은 광학-변환 층(106)을 포함한다. 도 18에 도시되지는 않았지만, 발광 장치(600)는 또한 발광 층(104)(도 4에 도시된 발광 장치(100)와 유사)을 지지하기 위한 기판(102)을 포함할 수 있다.
발광 층(104)은 광원으로서 LED 어레이를 포함하고 TVCP(106)를 통과하여 이미지 평면(612)을 향해 복수의 광선(610)을 방출한다.
TVCP(106)는 메타표면을 포함하는 각각의 광학 변환 유닛(122)과 함께 미리 정의된 패턴으로 배열된 하나 이상의 광학 변환 유닛(122)(이러한 실시예에서는 "렌즈(lenses)"로도 표시됨; 도 18에는 도시되지 않음)을 포함한다. TVCP(106)의 각각의 광학 변환 유닛(122)은 이미지 평면(612)에서 원추형 광(610)의 방위각, 고도, 및 각도를 조정하기 위해 편향각(θ 및 φ)을 제어함으로써 통과하는 광선(610)의 방향을 제어한다.
TVCP(106)는 그렇지 않으면 이미지 평면(612)에 존재하는 광 분포의 대칭을 효과적으로 깨뜨린다(도 2 참조). 더욱이, 편향각(θ 및 φ)의 작은 변화는 이미지 평면(612)의 광도 분포에 상당한 변화를 일으킬 것이다. 따라서, 신중하게 구성된 TVCP(106)를 사용하여, 라이팅 시스템(600)은 이미지 평면(612)에 분포된 복수의 미리 정의된 입사점을 향하여 TVCP(106)를 통하여 발광 층(104)으로부터 방출되는 복수의 광선을 사용할 수 있어 필요에 따라 그 위의 표적 조명 영역에서 거의 모든 광도 분포를 생성한다.
조명 패턴(예: 표적 조명 영역의 크기 및 모양 및 그 안의 광도 분포)과 광원(예: LED)의 수는 모든 입사점이 표적 조명 영역 내에 있어야 한다는 제약으로 적절한 비용 함수를 최적화하기 위한 적절한 최적화 방법을 사용하여 계산될 수 있는 미리 정의된 입사점의 위치를 결정한다.
예를 들어, 균일하게 분포된(또는 보다 정확하게는 거의 균일하게 분포된) 광도 분포, 광도 분포의 정규화된 평균 제곱 오차(NMSE)를 얻기 위하여,
Figure pct00001
는 비용 함수로 사용될 수 있으며, 여기서 μ는 이미지 평면(612)에 대한 광도의 평균값이고, I(xi)는 i번째 픽셀의 광도이고, N은 이미지 평면(612) 상에 표적 조명 영역의 화소의 총 개수이다. 적절한 최적화 방법을 사용하여 모든 입사점이 표적 조명 영역 내에 있어야 한다는 제약 하에서 NMSE를 최소화하는 각각의 광선(610)(이의 입사점의 위치를 결정)의 편향 각도(θ 및 φ)를 계산할 수 있다.
도 19는 이미지 평면(612) 상의 원형 표적 조명 영역(622) 내의 균일한 조명 패턴이 생성되어야 하는 일 예에서 비용 함수의 형성을 예시한다. 당업자는 다른 조명 패턴에 대한 비용 함수가 유사하게 형성될 수 있음을 이해할 것이다.
도 19에 도시된 예에서. 라이팅 시스템(600)은 균일한 각도 간격으로 이미지 평면(612)의 원형 영역(622) 내의 2개의 동심원(626A 및 626B)(각 원 상의 4개 지점)에 분포된 각각의 입사점(624)을 향해 방출하는 8개의 광선을 사용할 수 있다.
인공 지능(AI) 알고리즘, 기계 학습 알고리즘, 경사 하강(GD)법, 시뮬레이션된 어닐링(SA) 등과 같은 적절한 최적화 방법을 사용하여 방정식의 NMSE의 전역(또는 거의-전역) 최소값 및 각각의 광선(610)의 해당 편향각(θ 및 φ)를 찾기 위해 사용될 수 있다.
도 20은 최적화에서 다음의 미리 정의된 매개변수를 사용하는 GD 방법을 사용하여 수학식 1의 NMSE의 전역(또는 거의 전역) 최소값을 찾기 위한 공정(640)의 단계를 보여주는 흐름도이다.
ㆍ 발광 층(104)의 LED 수;
ㆍ 각각의 LED의 시야(FOV) 방향 및 각도 범위;
ㆍ 이미지 평면(612) 상의 표적 조명 영역의 형상;
ㆍ 표적 조명 영역의 크기;
ㆍ 광원과 표적 조명 영역 사이의 거리;
ㆍ GD의 학습률; 및
ㆍ 최대 반복 횟수.
당업자는 상술한 매개변수가 사용자에 의해 맞춤화될 수 있거나 공정(640)이 시작되기 전에 시스템(600)의 설정에 의해 결정될 수 있음을 이해할 것이다.
도 20에 도시된 바와 같이, 공정(640)이 시작된 후(단계 642), 상술된 매개변수가 로딩되고(단계(644)) 각각의 광 빔(610)의 초기 상태(예를 들어, 상태 변수(θ, φ)에 대한 값의 초기 세트)가 무작위로 선택된다(단계 646).
단계(648)에서, 모든 광선(610)의 상태 변수(θ, φ)에 대한 현재 상태에서의 비용 함수의 기울기가 계산된다. 그런 다음, 모든 광선(610)의 상태 변수(θ, φ)는 학습률에 의해 곱해진 현재 상태의 기울기 값의 반대 방향으로 "이동(moved)"(즉, 상태 변수(θ, φ)의 값을 변경)된다(단계 650).
단계(652)에서, 공정(640)은 반복 횟수가 최대 반복 횟수(시스템 또는 사용자에 의해 미리 정의됨)에 도달했는지를 확인한다. 반복 횟수가 최대 반복 횟수에 도달하면, 최적화가 완료되고 공정(640)이 종료된다(단계 654).
단계(652)에서, 반복 횟수가 최대 반복 횟수에 도달하지 않은 경우, 공정(640)은 단계(656)로 진행하여 임의의 광선(610)의 입사점이 표적 조명 영역 밖에 있는지 확인한다. 그렇지 않다면, 공정(640)은 단계(648)로 돌아가서 광선(610)의 상태 변수(θ, φ)를 추가로 "이동(move)"시킨다.
단계(656)에서, 하나 이상의 광선(610)의 입사점이 표적 조명 영역 밖에 있다고 결정되면, 공정(640)은 하나 이상의 광선(610)의 상태 변수(θ, φ)의 값을 재계산하여 기울기 값의 반대 방향을 따라 표적 조명 영역의 경계에서 입사점을 위치시키고 하나 이상의 광선을 고정 빔으로 정의한다(즉, 상태 변수(θ, φ)는 더 이상 최적화를 위해 사용되지 않음)(단계 658). 그 다음, 공정(640)은 나머지 광선(610) 각각의 초기 상태(예를 들어, 상태 변수(θ, φ)에 대한 초기 값 세트)를 무작위로 선택하고(단계 660), 추가 최적화를 위해 단계(648)로 돌아간다.
공정(640)은 위에 설명된 단계를 한 번 이상 반복할 수 있고, 최대 반복 횟수에 따라 결국 시도를 중지하고 NMSE의 전역(또는 거의 전역) 최소값이 달성된다. 각각의 광선(610)의 상태 변수(θ, φ)의 대응하는 값은 그 다음 TVCP(106)의 광학-변환 유닛(122)을 구성하는데 사용된다.
일부 실시예에서, 최적화 공정은 광선을 복수의 그룹으로 분할할 수 있다. 예를 들어, 도 19에 도시된 예에서, 최적화 공정은 입사점이 원(626A 또는 626B)에 있는 4개의 광선을 각각 포함하는 2개의 그룹으로 광선을 분할할 수 있다. 그 다음, 최적화 공정은 NMSE를 최소화하기 위한 제어 변수가 원(626A, 626B)의 반경 및 회전 정도인 비용 함수를 형성할 수 있다.
도 21 내지 도 25는 삼각형 조명 영역(도 21), 정사각형 조명 영역(도 22), 오각형 조명 영역(도 23), 원형 조명 영역(도 24), 및 도넛형 또는 링형 조명 영역(도 25)을 포함하는 이미지 평면 상에서 서로 다른 형태의 표적 조명 영역 내에서 균일한 광도 분포를 생성하기 위한 GD 방법을 사용한 최적화 결과를 보여준다.
메타표면의 제조 기술
메타표면-기반 TVCP(106)는 전자빔 리소그래피와 같은 임의의 적절한 방법을 사용하여 제조될 수 있다. 그러나 이 기술은 비용이 많이 들고 속도가 느려 작은 메타표면의 제작에만 적합하다. 위에서 설명한 TVCP(106)는 일반적으로 센티미터 규모의 직경을 갖는 메타표면을 필요로 하므로 기존의 전자빔 리소그래피 기술은 빠르고 비용 효율적이지 않을 수 있다.
일부 실시예에서, 심자외선(UV) 리소그래피 기술은 전술한 메타표면-기반 TVCP(106)와 같은 메타표면을 제조하기 위해 사용된다. 심자외선(deep UV) 리소그래피 기술은 반도체 영역에서 사용되는 잘 정립된 기술이지만 출원인이 아는 한 메타표면을 제조하는 데 사용되지 않았다.
이 기술을 사용하면, 유리 웨이퍼에 크롬 층이 증착된다. 그런 다음 웨이퍼를 레지스트로 스핀 코팅하고 UV 노출 및 현상을 수행한다. 마지막으로, 메타표면 패턴은 크롬 층을 식각하여 정의된다. 이러한 기술은 단일 공정을 통해 대형 웨이퍼에 복수의 메타표면을 제조할 수 있게 하여 신속하고 비용 효율적인 제조를 가능하게 한다. 또한, 심자외선 리소그래피 기술을 사용하면 실리카, 이산화티타늄 또는 비정질 실리콘을 사용하여 가시광선 및 적외선 파장 범위에 대한 메타표면을 제작할 수 있다.
균일한 조명 패턴을 구비한 라이팅 시스템
위에서 설명한 바와 같이, 실내 식물 성장에 사용되는 LED 패널과 같은 기존 라이팅 시스템은 일반적으로 식물 전체에 균일한 광 분포를 생성하지 않는다.
도 4 및 도 18에 도시된 것과 유사한 일부 실시예에서, 생장 촉진 램프 시스템과 같은 라이팅 시스템(700)의 균일하거나 거의 균일한 조명은 발광 층(104) 전방에 있는 TVCP 층과 같은 각도 제어 광학-변환 층(106)을 오버레이함으로써 얻어질 수 있다. 도 26에 도시된 바와 같이, 발광 층(104)은 TVCP(106)를 통과하는 복수의 광선(702)을 이미지 평면(도시안됨)을 향해 방출한다. 각각의 광선(702)의 공간 분포는 각도(β, θ, 및 φ)에 의해 특징지어질 수 있고, 여기서 각도(β)는 광선(702)의 각도 스팬을 결정하고, 각도(θ 및 φ)는 광선(702)의 방향을 결정한다.
TVCP(106)는 메타표면을 포함하는 각각의 광학-변환 유닛(122)과 함께 미리 정의된 패턴으로 배열된 하나 이상의 광학-변환 유닛(122)을 포함한다. TVCP(106)의 각각의 광학 변환 유닛(122)은 대응하는 광선(702)의 각도(β, θ, 및 φ)를 정밀하게 제어하여 이미지 평면에서 광의 원뿔의 각도 범위, 고도 및 위도를 임의로 변경하도록 구성된다. TVCP(106)는 그렇지 않으면 이미지 평면에 존재하는 광 분포의 대칭을 효과적으로 깨뜨린다(예를 들어, 도 2 참조). TVCP(106)의 사용은 각도(β, θ 및/또는 φ)의 작은 변화가 이미지 평면의 강도 분포에 상당한 차이를 만들 수 있다는 점에서 강력하다. 따라서 거의 모든 임의의 강도 분포가 생성될 수 있다.
라이팅 시스템(700)은 이미지 평면에서 균일한 조명 패턴을 생성하기 위해 사용될 수 있고 생장 촉진 램프로 사용될 수 있다. 제작 및 구현의 용이성을 위해, 다른 디자인을 가진 메타표면의 수를 최소화해야 한다.
일부 실시예에서, 균일-조명 라이팅 시스템(700)의 TVCP(106)는 분할 메타표면의 세트와 수렴 메타표면의 세트를 포함하는 두 가지 유형의 메타표면만을 포함할 수 있다.
분할 메타표면은 두 개의 직교 편광 상태의 광을 반대 방향으로 향하게 하여 광선의 각도(β, θ, φ)를 수정하는 편광에 민감한 메타표면이다. 이들 실시예에서, 발광 층(104)(예를 들어, LED 발광 층)은 분할 메타표면에서 2개의 반대 방향으로 동일한 전력 분할을 보장하는 편광되지 않은 광을 방출한다.
도 27a에 도시된 바와 같이, TVCP(106)의 분할 메타표면(122A 및 122B)은 이미지 평면(도시안됨) 상의 의도된 조명 패턴의 경계에서 광선(702A 및 702B)을 각각 분배하도록 구성된다.
도 27b는 수직 경계를 따라 크게 분포된 광학 에너지를 갖는 이미지 평면 상의 조명 패턴(704A)(지향된 광은 이하 "수직 경계 초점 광(vertical-border-focused lights)"으로 표시됨)을 도시하며, 이는 발광 층으로부터의 광을 분할하기 위해 분할 메타표면을 사용함으로써 생성되어 광을 해당 경계에 수직으로 향하게 한다.
유사하게, 도 27c는 발광 층으로부터의 광을 분할하여 광을 대응하는 경계에 수평으로 지향시키기 위해 90°회전된 분할 메타표면(도 27b에서 사용된 분할 메타표면과 유사하지만 광학 에너지 분포의 90°회전함)을 사용하여 생성된 수평 경계를 따라 크게 분포된 광학 에너지를 갖는 이미지 평면의 조명 패턴(704B)(지향광은 이하 "수평 경계 초점 조명"으로 표시됨)을 보여준다.
도 27b에 도시된 바와 같은 수평/수직 경계 초점 조명은 상기 조명으로부터 지향된 광이 중첩되고 영역의 4개의 경계를 따라 실질적으로 집중된 광학 에너지를 갖는 조명 패턴(706)을 형성하도록 하기 위해 이미지 평면 상의 동일한 표적 영역으로 지향될 수 있고; 도 28의 개념적 표현을 참조한다.
도 29a 및 도 29b에 도시된 바와 같이, 수렴 메타표면(122C)은 광선(702C)의 원추 방향의 변화 없이 광선(702C)의 각도(β)를 수정하도록 구성된다. 따라서 수렴 메타표면(122C)은 이미지 평면 상의 표적 영역의 중심에서 광선(702C)을 분배함으로써 그 중심에 실질적으로 초점이 맞춰진 광학 에너지를 갖는 조명 패턴을 생성한다.
도 30에 도시된 개념적 표현에 의해 예시된 바와 같이, 분할 메타표면(122A 및 122B) 및 수렴 메타표면(122C)을 사용하여 광선을 동일한 표적 영역으로 지향함으로써, 조명 패턴(706(이는 도 28에 도시된 조명 패턴(704A 및 704B)의 조합임) 및 708)이 표적 영역에서 균일한 광 분포를 얻도록 조합될 수 있다.
이러한 균일한 광 분포는 메타표면-기반 TVCP(106)와 이미지 평면(712) 사이의 거리와 실질적으로 무관하다. 도 31에 도시된 바와 같이, 광 분포는 분포의 균일성을 손상시키지 않고 단지 상이한 거리에서 크기 조정된다.
도 32는 메타표면(122)의 어레이를 사용하는 TVCP(106)의 예시적인 구현을 도시한다. 예시의 편의를 위해, 2개의 메타표면(122)만이 도시된다.
이러한 실시예에서, TVCP(106)는 발광 층(104)의 인쇄 회로 기판(PCB)(724)에 장착된 LED(110)를 오버레이하는 메타표면 하우징(722)을 포함한다. 메타표면 하우징(722)은 LED(110)에 대응하는 위치에서 복수의 리셉터클(726)을 포함한다. 각각의 리셉터클(726)은 발광 층(104)으로부터 방출된 광을 수신하기 위한 내부 개구 및 수신된 광을 통과시키기 위한 외부 개구를 갖는 외측으로 확장되는 내부 표면을 포함하며, 외부 개구는 내부 개구의 면적보다 큰 면적을 갖는다.
이러한 실시예에서, 리셉터클(726)의 내부 표면은 전체 조명에 기여하도록 높은 각도로 광선(내부의 LED(110)로부터 방출됨)을 반사하기 위해 반사되어 전체 조명의 효율성을 증가시킨다. 내부 표면의 단면이 포물선 모양이고 LED가 초점에 위치할 때 최대 광 처리량이 달성된다. 도 33은 발광 층(104)에 커플링된 메타표면 하우징(722)을 보여주는 사진이다.
복수의 메타표면 유닛(122)은 에폭시, 접착제 등과 같은 적절한 체결 수단을 사용하여 메타표면 하우징(722)의 리셉터클(726)에 고정되거나 커플링되어 LED(110)와 메타표면 유닛(122)의 정렬을 보장한다.
편광-선택 조명(Polarization-Selective Illumination)
식물은 종종 조직화된 배열을 가진 구성 요소로 구성된다. 결과적으로 식물의 광 흡수는 종종 편광에 민감하다. 다시 말해, 식물은 특정 편광 상태에서 다른 편광 상태의 광보다 더 많은 광을 흡수할 수 있다. 따라서 특정 편광 상태의 조명을 사용하여 광합성을 최적화할 수 있다.
일부 실시예에서, 본 명세서에 개시된 생장 촉진 램프의 메타표면 기반 광학-변환 층(106)은 편광 선택적일 수 있으며, 이는 메타표면의 나노규모 구조(124)가 도 34에 도시된 바와 같이 비대칭 베이스 기하학적 구조(732)를 갖도록 배열함으로써 구현될 수 있다. 따라서, 이러한 메타표면 기반 광학-변환 층(106)을 갖는 생장 촉진 램프는 광합성을 위한 광을 최적화하기 위해 특정 편광 상태의 광으로 식물을 조명하는 데 사용될 수 있다. 일반적으로, 광학-변환 층(106)의 메타표면은 선형, 원형 및 일반적으로 타원 편광 상태를 포함하는 다양한 편광 상태로 식물을 조명하도록 설계될 수 있다. 선형 편광 조명은 특정 방향으로 배향된 섬유로 제조된 식물의 광합성을 최적화하는 데 사용할 수 있고 원형 편광 조명은 나선을 가진 구성 요소로 제조된 식물의 광합성을 최적화하는 데 사용할 수 있다.
광기전 셀용 메타표면 -기반 TVCP ( Metasurface -Based TVCP for Photovoltaic Cells)
태양 셀에서, 항상 바람직하지만, 입사 광의 스펙트럼과 광기전 셀의 스펙트럼 응답 사이의 불일치로 인해 태양 셀의 광기전 셀에 의한 완벽한 광 흡수를 달성하기가 어렵다. 도 35에 도시된 바와 같이, 광기전 셀(844)의 표면에서 발생한 광 반사(842)는 또한 그렇지 않으면 광기전 셀(844)에 의해 흡수될 수 있는 태양 에너지의 손실을 야기한다.
일부 실시예에서, 메타표면 기반 TVCP는 예를 들어, 하나 이상의 실리콘 기반 및/또는 하나 이상의 양자점 광기전 셀을 갖는 광기전 패널에 통합될 수 있으며, 여기서 메타표면-기반 TVCP는 효율적으로 특정 파장의 광을 광기전 셀에 전달하도록 구성될 수 있다. 또한 메타표면-기반 TVCP는 광기전 패널의 크기를 크게 줄일 수 있다.
당업자가 이해할 수 있는 바와 같이, 메타표면은 나노규모 구조를 포함한다. 그 나노규모 구조의 기하학적 구조 및 분포는 특정 응용의 요건을 충족하도록 설계되거나 달리 구성될 수 있다. 예를 들어, 메타표면은 타겟 스펙트럼의 입사 광의 일부를 통과하거나 투과하도록 설계될 수 있고 타겟 스펙트럼 외부의 입사 광의 다른 부분을 완전히 반사할 수 있다.
일부 실시예에서, 도 36에 도시된 바와 같이, 메타표면 기반 TVCP(106)는 예를 들어, 하나 이상의 실리콘 기반 및/또는 양자점 광기전 셀을 갖는 광기전 패널(852) 전방에 배열될 수 있다. 메타표면 기반 TVCP(106)는 광기전 셀의 스펙트럼 응답과 일치하는 스펙트럼 응답을 갖는 복수의 메타표면 유닛(도시안됨)을 포함한다. 따라서, 메타표면 기반 TVCP(106)와 광기전 패널(852)의 조합은 광기전 패널(852) 단독에 비해 훨씬 더 효율적인데, 이는 광기전 패널(852)이 홀로 사용될 때, 충분히 흡수되지 않는 스펙트럼이 열 및 광기전 패널의 성능을 저하시키는 다른 원하지 않는 효과로 될 수 있다. 이러한 배열 또는 조합은 메타표면 유닛이 광원의 특정 조명 스펙트럼과 일치하고 광기전 셀에 의해 효율적으로 흡수될 수 없는 다른 광을 차단하도록 설계될 수 있는 LED와 같은 인공 광원에서 광 에너지를 수확하는 실내 광기전 셀에 특히 중요하다.
메타표면의 또 다른 중요한 응용은 광선을 다른 방향으로 재지향시키는 위에서 설명한 능력에 있다. 도 37에 도시된 바와 같이, 전방에 있는 메타표면 기반 TVCP(106)는 광기전 패널(852)일 수 있으며, 메타표면 기반 TVCP(106)는 입사 광선(854)을 광기전 패널(852)의 작은 영역으로 수렴하고 이에 따라 광기전 패널(852)의 크기가 상당히 감소될 수 있다. 도 38은 비교를 위해 메타표면 기반 TVCP(106)가 없는 종래 기술의 광기전 패널(844)을 도시한다.
메타표면을 사용한 초지향성 스크린(Ultra-Directional Screens Using Metasurfaces)
기존의 스크린이나 디스플레이는 일반적으로 시야(FOV)의 넓은 각도 범위를 가지고 있다. 그러나, 일부 애플리케이션에서는 디스플레이의 FOV를 제한하는 것이 바람직할 수 있다.
여기에서, FOV라는 용어는 구성요소(예를 들어, LED 층, 메타표면 층 등)로부터 방출된 조명의 각도 범위(예를 들어, 원뿔 형상 또는 다른 형상에서)를 지칭하며, 여기서 다양한 실시예에서, 광은 조명이나 하나 이상의 이미지를 디스플레이하는 데 사용할 수 있다. FOV는 구성 요소에서 방출되는 광의 방향 및 3차원(3D) 각도 범위로 특징지어질 수 있다.
예를 들어, 차량이나 비행기의 디스플레이는 일반적으로 개인만이 볼 수 있다. 그러나, 도 39에 도시된 바와 같이, 차량 또는 비행기(도시안됨)에서 넓은 FOV(868)(즉, 넓은 각도 범위를 갖는 FOV(868))를 갖는 디스플레이(862)는 주변 영역에 불필요하게 광을 방출하여 전면에서 사용자(864)의 밝기를 낮출 수 있고 광 에너지의 낭비, 및 이에 인접하는 사람들(866)에 대한 방해를 초래할 수 있다.
마찬가지로, 가정이나 극장에서 사용되는 광시야각(wide-FOV) 디스플레이는 벽과 천장과 같은 주변 영역을 밝게 하여 앞에 있는 사용자의 밝기를 낮추고 광학 에너지를 낭비하게 된다.
또한, ATM 디스플레이, 은행 디스플레이, 민감한 작업에 사용하는 랩톱 디스플레이와 같이, 밝기 감소, 광학 에너지 낭비 및/또는 인접한 사람들에 대한 방해와 같은 위에서 설명한 문제 외에, 향상된 보안 또는 개인 정보 보호가 필요한 일부 응용에서는 이러한 응용의 넓은 FOV 디스플레이가 보안 또는 개인 정보 위험이 유발할 수 있으므로 지향성이 높은 디스플레이가 필요할 수 있다.
도 40은 본 개시의 일부 실시예에 따른 메타표면을 사용하는 초지향성 스크린 또는 디스플레이(870)를 도시한다. 초지향성 스크린(870)은 디스플레이 또는 디스플레이 층(872) 및 그 전면의 메타표면 패널 또는 층(874)을 포함한다.
이전에 설명된 광학-변환 층(106)과 유사하게, 메타표면 패널(874)은 디스플레이(872)의 FOV(876)보다 작은 미리 정의된 FOV(878) 내에서 디스플레이(872)로부터 방출된 광을 제한하기 위해 원하는 방향으로 광을 유도하는 나노규모 구조의 어레이로 구성된 복수의 메타표면 유닛을 포함하여, 가상 시각 장벽을 생성하여 의도된 사람(864)만이 디스플레이(872)에 표시된 콘텐츠를 볼 수 있다.
이 초지향성 스크린(870)은
* 더 작은 영역에 집중된 광 에너지 분포로 인한 우수한 밝기,
* 의도하지 않은 영역에 조명을 비추는 것을 방지하고 의도한 영역에 균일하게 광 에너지를 분배하여 개선된 전력 효율성, 및
* 시각 정보는 앞에 있는 의도된 사람만 볼 수 있어 강화된 보안 및 개인 정보 보호를 포함하는 다수의 장점을 갖는다.
전술한 바와 같이, 메타표면은 비대칭 기하학적 구조를 갖는 메타표면의 나노구조를 제조함으로써 달성되는 상이한 편광 상태의 광과 다르게 상호작용하도록 설계될 수 있다.
도 41은 일부 실시예에서 가변 시야(VFOV) 스크린 또는 디스플레이(880)를 도시한다. MFOV 디스플레이(880)는 디스플레이(872), 디스플레이(872) 전방의 편광 제어 패널(884), 및 편광 제어 패널(884) 전방의 편광-감지 메타표면 패널(886)을 포함한다.
이들 실시예에서, 편광 제어 패널(884)은 액정 편광 회전자를 사용하여 구현될 수 있고 디스플레이(872)로부터 방출된 광의 편광을 2개의 직교 편광 상태 중 하나로 제어하기 위해 조정 가능한 제어 신호(V)에 의해 제어된다.
MFOV 디스플레이(880)는 도 11a 및 도 11b에 도시된 발광 장치 또는 디스플레이(200)와 유사하지만, 이러한 실시예의 MFOV 디스플레이(880)는 도 11a 및 도 11b에 도시된 발광 장치 또는 디스플레이(200)와 같이 상이한 편광 상태를 갖는 광을 상이한 방향의 FOV로 지향시키지 않는다. 오히려, 이러한 실시예에서 편광-감지 메타표면 패널(886)은 제 1 편광 상태의 광을 제 1 각도 범위(888)를 갖는 제 1 FOV로 지향시키고 제 2 편광 상태의 광을 제 2 각도 범위(890)를 갖는 제 2 FOV를 형성하도록 지향시키기 위해 편광된 광과 상호 작용한다. 예를 들어, 제 1 각도 범위(888)는 디스플레이된 콘텐츠를 보기 위해 MFOV 디스플레이(880)에 대한 다수의 사용자(864 및 866)에 적합한 광각 범위일 수 있고, 제 2 각도 범위(890)는 단지 사용자(864)가 디스플레이된 콘텐츠를 볼 수 있도록 하기 위한 제 1 각도 범위(888)보다 작은 좁은 각도 범위일 수 있다.
상기 실시예에서, 편광 제어 패널(884)은 제어 신호가 제 1 전압일 때 통과하는 모든 광을 제 1 편광 상태로 편광시키고, 제어 신호가 제 2 전압일 때 통과하는 모든 광을 제 2 편광 상태로 편광시킨다. 이러한 방식으로, 사용자(864)는 디스플레이된 콘텐츠를 인접한 사람들과 공유하고 다른 사람들이 디스플레이된 콘텐츠를 보는 것을 방지하기 위해 가상 시각적 장벽을 생성하기 위해 각각 제 1 및 제 2 각도 범위 사이에서 MFOV 디스플레이(880)의 FOV를 전환할 수 있다.
도 42에 도시된 다른 실시예에서, MFOV 디스플레이(880)는 도 10a 및 도 10b에서 설명된 디스플레이와 유사하다. 구체적으로, 디스플레이(872)는 2개의 세트 유닛(디자인에 따라 픽셀 또는 서브픽셀)을 포함하며, 여기서 유닛의 각각의 세트는 이미지를 디스플레이하기 위해 사용될 수 있다.
상응하게, 편광-제어 패널(884) 및 편광-감지 메타표면 패널(886) 각각은 또한 디스플레이(872)의 2개 세트의 유닛에 대응하는 2개의 세트 유닛을 포함한다. 편광 제어 패널(884)의 각각의 세트의 유닛은 별도의 제어 신호(V1 또는 V2)에 의해 제어되고, 편광-감지 메타표면 패널(886)의 각각의 유닛 세트는 특정 편광 상태와 일치하고 편광 상태를 갖는 광을 특정 FOV로 지향시킨다.
따라서, 디스플레이(872)는 2개의 픽셀/유닛 세트를 사용하여 2개의 이미지를 동시에 디스플레이할 수 있고 편광-제어 패널(884)은 제 1 및 제 2 이미지의 광을 제 1 및 제 2 편광 상태로 편광시킨다. 그런 다음, 편광-감지 메타표면 패널(886)은 제 1 편광 상태(즉, 제 1 이미지)의 광을 여러 사람(864, 866)과 제 1 이미지를 공유하기 위해 넓은 각도 범위를 갖는 제 1 FOV로 그리고 제 2 편광 상태(즉, 제 2 이미지)의 광을 사람들(866)이 제 2 이미지를 보는 것을 방지하기 위해 좁은 각도 범위를 갖는 제 2 FOV로 지향한다.
예를 들어, 도 43a 및 도 43b에 도시된 바와 같이, 디스플레이는 광각 범위의 제 1 FOV에 디스플레이될 이미지(892A) 및 좁은 각도 범위의 제 2 FOV에 디스플레이될 이미지(892B)와 함께 두 개의 이미지(892A 및 892B)를 동시에 디스플레이하는 것이다.
도 43c에 도시된 바와 같이, 디스플레이(872)는 이미지(892A, 892B)를 동시에 그리고 나란히 디스플레이하기 위해 나란히 배열된 제 1 픽셀 세트(894A) 및 제 2 픽셀 세트(894B)로 픽셀을 분할한다.
도 43d에 도시된 바와 같이, 편광 제어 패널(884)은 디스플레이(872)의 픽셀에 대응하는 복수의 편광 유닛(894)을 포함하고 제 1 세트의 편광 유닛(896A)은 1 편광 상태로 통과하는 광을 편광하기 위한 제 1 세트의 픽셀(894A)에 대응하고 제 2 세트의 편광 유닛(896B)은 제 2 편광 상태로 통과하는 광을 편광하기 위한 제 2 세트의 픽셀(894B)에 대응한다.
도 43e에 도시된 바와 같이, 편광-감지 메타표면 패널(886)은 편광-제어 패널(884)의 편광 유닛(894)에 대응하고 제 1 편광 상태에서 그를 통과하는 광을 제 1 FOV(광각 범위를 가짐)로 지향시키고 제 2 편광 상태에서 그를 통과하는 광을 제 2 FOV(좁은 각도 범위를 가짐)로 지향시키는 복수의 메타표면 유닛(898)을 포함한다.
결과적으로, 제 1 이미지(892A)는 제 1 FOV로 지향되고 제 2 이미지(892B)는 제 2 FOV로 지향된다. 도 43f에 도시된 바와 같이, 이미지(892A, 892B)는 제 1 및 제 2 FOV 모두에 위치한 사용자(864)에게 가시적이고, 제 1 FOV(광각 범위를 가짐)에만 위치한 사용자(866)는 제 1 이미지(892A)만을 볼 수 있다. 즉, 이미지(892B)는 제 1 FOV에만 위치한 사용자(866)에게 보이지 않는다.
메타표면을 사용한 3차원(3D) 디스플레이
도 44는 본 개시의 일부 실시예에 따른 메타표면을 사용하는 3D 디스플레이(900)를 도시한다. 도시된 바와 같이, 3D 디스플레이(900)는 디스플레이(872) 및 그 전면의 편광-감지 메타표면 패널(886)을 포함한다. 디스플레이(872)는 (일반적으로 두 편광 상태를 모두 포함하는) 비편광 광을 방출함으로써 이미지를 디스플레이한다. 편광-감지 메타표면 패널(886)은 제 1 편광 상태의 광을 제 1 FOV(888)로 지향시키고 제 2 편광 상태의 광을 제 1 FOV(888)로부터 측방향으로 약간 오프셋된 제 2 FOV(890)로 지향시키도록 구성된다. 렌즈가 서로 다른 편광 상태로 편광된 안경을 착용한 사용자(864)는 한쪽 눈에서 제 1 이미지를 보고 다른 쪽 눈에서 제 2 이미지를 보고, 여기서 제 2 이미지는 제 1 이미지에서 약간의 원근 왜곡을 가져서 표시된 이미지의 3D 인식을 생성한다.
일부 실시예에서, 3D 디스플레이(900)는 또한 디스플레이(872)와 편광-감지 메타표면 패널(886) 사이에 개재된 편광 제어 패널(884)을 포함할 수 있다. 편광 제어 패널(884)은 작동 중 디스플레이(872)로부터의 광을 제 1 및 제 2 편광 상태로 교대로 편광시킨다.
도 45는 본 개시의 일부 실시예에 따른 메타표면을 사용하는 3D 디스플레이(920)를 도시한다. 3D 디스플레이(920)는 도 44에 도시된 것과 유사하다. 그러나, 편광 감지 메타표면 패널(886)은 제 1 편광 상태의 광을 사용자(864)의 제 1 눈만을 덮는 제 1 FOV(888)로 지향시키고 제 2 편광 상태의 광을 사용자(864)의 제 2 눈만을 덮는 제 2 FOV(890)로 지향시키도록 구성된다. 따라서 사용자(864)는 편광 렌즈가 있는 안경을 착용하지 않고 한쪽 눈에서는 제 1 이미지를 보고 다른 쪽 눈에서는 제 2 이미지를 볼 수 있으며, 여기서 제 2 이미지는 제 2 이미지로부터 약간 원근 왜곡되어 디스플레이된 이미지의 3D 인식을 생성한다.
일부 실시예에서, 3D 디스플레이(920)는 또한 디스플레이(872)와 편광-감지 메타표면 패널(886) 사이에 개재된 편광 제어 패널(884)을 포함할 수 있다. 편광 제어 패널(884)은 작동 중 광을 디스플레이(872)로부터 제 1 및 제 2 편광 상태로 교대로 편광시킨다.
태양-셀 각도 보정
종래 기술에서, 태양광 패널은 햇빛 반사 문제를 경험할 수 있다.
당업자가 이해하는 바와 같이, 태양광 입사각은 광기전 셀의 효율에 상당한 영향을 미칠 수 있다. 도 46에 도시된 바와 같이, 태양광 패널(942)의 광기전 셀은 태양광(944)이 광기전 셀에 수직으로 충돌할 때 가장 높은 효율을 갖는다.
도 47에 도시된 바와 같이, 태양광(944)이 태양광 패널(942)의 광기전 셀에 수직이 아닌 각도가 되는 다른 시간에, 태양광의 일부(946)가 반사되어 광기전 셀의 효율이 감소된다. 따라서 고정형 태양광 패널의 광기전 셀은 하루 중 다른 시간과 일년 중 다른 날에 다른 효율을 갖는다. 태양 추적 시스템이 태양광 패널을 회전시켜 태양을 따라가며 태양광 패널의 효율성을 개선하는 데 사용되어 왔지만 이러한 시스템에는 추적 시스템과 움직이는 부품이 필요하므로, 제조 및 사용 비용이 많이 든다.
도 48 및 도 49는 하나 이상의 광기전 셀 및 그 전면에 복수의 TVCP(974)를 갖는 태양광 패널(972)을 포함하는 태양광-에너지 수확 장치(970)를 도시한다. 내장된 편광 제어 패널을 사용하여 각각의 TVCP(974)의 응답이 변할 수 있는 편광에 민감한 메타표면을 사용함으로써, 복수의 TVCP(974)는 미리 정의된 범위 내의 입사각에서 태양광 패널(972)에 충돌할 때 입사 태양광(944)이 광기전 셀에 대해 수직이 되도록 태양광(944)의 방향을 변경할 수 있어, 태양 추적 시스템이나 움직이는 부품에 대한 요구 없이 효율성을 향상시킨다.
전술한 일부 실시예에서, 발광 장치 및/또는 시스템은 실내 또는 실외 식물 성장과 같은 식물 성장에 사용된다. 그러나, 당업자는 여기에 개시된 발광 장치 및/또는 시스템이 가로등과 같은 다른 응용에서 대안적으로 사용될 수 있음을 이해할 것이다.
실시예가 첨부된 도면을 참조하여 위에서 설명되었지만, 당업자는 첨부된 청구범위에 의해 정의된 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 변형 및 수정이 이루어질 수 있음을 이해할 것이다.

Claims (24)

  1. 발광 장치(light-emitting apparatus)로서,
    광을 방출하기 위한 발광 층; 및
    상기 발광 층에 커플링(coupling)된 광학-변환 층을 포함하고,
    상기 광학-변환 층은 하나 이상의 광학-변환 유닛을 포함하고, 각각의 광학-변환 유닛은 상기 발광 층으로부터 방출된 광의 하나 이상의 매개변수를 조정하기 위한 메타표면(metasurface)을 포함하는, 발광 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 발광 층은 광을 방출하기 위한 하나 이상의 발광 다이오드(Light-Emitting Diodes; LEDs)를 포함하는, 발광 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 광학-변환 층은 상기 발광 층 상에 인쇄되는, 발광 장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 발광 층은 하나 이상의 발광 유닛을 포함하고;
    상기 광학-변환 층은 하나 이상의 메타표면을 수용하기 위한 하나 이상의 리셉터클(receptacle)을 포함하는 하우징을 포함하고; 그리고
    상기 하나 이상의 리셉터클은 하나 이상의 메타표면을 하나 이상의 발광 유닛과 정렬하기 위해 하나 이상의 발광 유닛의 위치에 대응하는 위치에 있는, 발광 유닛.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 리셉터클 각각은 상기 발광 층으로부터 방출된 광을 수신하기 위한 내부 개구 및 수신된 광을 통과시키기 위한 외부 개구를 갖는 외측으로 확장되는 내부 표면을 포함하고, 상기 외부 개구는 상기 내부 개구의 면적보다 더 큰 면적을 갖는, 발광 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 리셉터클 각각의 내부 표면은 반사성인, 발광 장치.
  7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 리셉터클 각각의 내부 표면의 단면은 포물면 형상을 갖는, 발광 장치.
  8. 발광 장치로서,
    광을 방출하기 위한 발광 층; 및
    하나 이상의 광학-변환 유닛을 포함하는 광학-변환 층을 포함하고,
    각각의 광학-변환 유닛은 메타표면을 포함하고, 적어도 하나의 메타표면은 미리 정의된 편광 상태를 갖는 발광 층으로부터 방출된 광을 이를 통해 선택적으로 통과시키기 위해 편광-선택적인, 발광 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 메타표면 각각은 비대칭 베이스 기하학적 구조(asymmetric base geometry)로 배열된 복수의 나노-스케일(nano-scale) 구조를 포함하는, 발광 장치.
  10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 발광 층으로부터 방출된 광을 편광시키기 위해 상기 발광 층과 상기 광학-변환 층 사이에 개재된(sandwiched) 편광-제어 층을 더 포함하는, 발광 장치.
  11. 제 8 항 또는 제 10 항에 있어서,
    상기 발광 장치는 하나 이상의 식물의 성장을 용이하게 하기 위한 생장 촉진 램프(grow light)인, 발광 장치.
  12. 하나 이상의 식물의 성장을 용이하게 하기 위한 발광 장치로서,
    광을 방출하기 위한 발광 층; 및
    하나 이상의 광학 변환 유닛을 포함하는 적어도 하나의 광학-변환 층을 포함하고,
    각각의 광학 변환 유닛은 하나 이상의 식물의 조명 구성을 최적화하기 위해 상기 발광 층으로부터 방출된 광의 하나 이상의 매개변수를 조정하기 위한 메타표면을 포함하는, 발광 장치.
  13. 디스플레이 장치로서,
    광을 방출하기 위한 발광 층; 및
    하나 이상의 광학-변환 유닛을 포함하는 적어도 하나의 광학-변환 층을 포함하고,
    각각의 광학-변환 유닛은 하나 이상의 이미지를 디스플레이하기 위해 발광 층으로부터 방출된 광의 하나 이상의 매개변수를 조정하기 위한 메타표면을 포함하는, 디스플레이 장치.
  14. 발광 장치로서,
    광을 방출하기 위한 발광 층;
    상기 발광 층으로부터 방출된 광을 편광시키기 위해 상기 발광 층에 커플링된 편광-제어 층; 및
    편광-제어 층에 커플링된 적어도 하나의 광학-변환 층을 포함하고,
    상기 적어도 하나의 광학-변환 층은 하나 이상의 광학-변환 유닛을 포함하고, 각각의 광학-변환 유닛은 적어도 하나의 메타표면을 포함하고, 적어도 하나의 메타표면은 서로 다른 조명 패턴 또는 이미지 사이를 전환(switching)하기 위해 편광-제어 층으로부터 편광된 광을 이를 통해 선택적으로 통과시키기 위해 편광-선택적인, 발광 장치.
  15. 발광 장치로서,
    광을 방출하기 위한 발광 층;
    상기 발광 층으로부터 방출된 광을 편광시키기 위해 상기 발광 층에 커플링된 편광-제어 층; 및
    상기 편광-제어 층에 커플링된 적어도 하나의 광학-변환 층을 포함하고,
    상기 적어도 하나의 광학-변환 층은 하나 이상의 광학-변환 유닛을 포함하고, 각각의 광학-변환 유닛은 적어도 하나의 메타표면을 포함하고, 적어도 하나의 메타표면은 서로 다른 위치에서 다수의 서로 다른 조명 패턴 또는 이미지를 생성하기 위해 편광-제어 층으로부터 편광된 광을 이를 통해 선택적으로 통과시키기 위해 편광-선택적인, 발광 장치.
  16. 발광 장치로서,
    소스 시야(field of view; FOV)를 향해 광을 방출하기 위한 발광 층; 및
    소스 FOV의 각도 스팬(span)보다 작은 각도 스팬을 갖는 제 1 FOV를 향해 발광 층으로부터 방출된 광을 지향시키기 위해 발광 층 전방에 있는 적어도 하나의 메타표면 층을 포함하는, 발광 장치.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 발광 층과 적어도 하나의 광학-변환 층 사이에 개재된 편광-제어 층을 더 포함하고,
    상기 편광-제어 층은 제어 신호에 응답하여 상기 발광 층으로부터 방출된 광을 제 1 편광 상태 또는 제 2 편광 상태로 편광시키도록 구성되고; 그리고
    적어도 하나의 광학-변환 층은 상기 제 1 편광 상태의 편광-제어 층으로부터의 광을 상기 소스 FOV의 각도 스팬보다 작은 각도 스팬을 갖는 제 1 FOV를 향해 지향시키고, 상기 제 2 편광 상태의 편광-제어 층으로부터의 광을 상기 제 1 FOV의 각도 스팬보다 더 큰 각도 스팬을 갖는 제 2 FOV를 향해 지향시키도록 구성되는, 발광 장치.
  18. 발광 장치로서,
    광을 방출하기 위한 발광 층; 및
    상기 발광 층 전방에 있는 광학-변환 층을 포함하고,
    상기 광학-변환 층은 복수의 광학-변환 유닛을 포함하고, 각각의 광학-변환 유닛은 상기 발광 층으로부터 방출된 광을 미리 정의된 광-분포 패턴을 형성하기 위해 표적 영역으로 지향시키는 메타표면을 포함하는, 발광 장치.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 미리 정의된 광-분포 패턴은 상기 표적 영역 상에서 실질적으로 균일한 광 에너지 분포인, 발광 장치.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 복수의 메타표면은, 표적 영역에 실질적으로 균일한 광 에너지 분포를 생성하기 위해 상기 발광 층으로부터 방출된 광을 표적 영역의 경계를 향해 지향시키기 위한 제 1 메타표면 세트, 및 발광 층으로부터 방출된 광을 표적 영역의 중심을 향해 지향시키기 위한 제 2 메타표면 세트를 포함하는, 발광 장치.
  21. 태양광-에너지 수확 장치(solar-energy harvesting apparatus)로서,
    복수의 광기전 셀(photovoltaic cell)을 갖는 광기전 층; 및
    상기 광기전 층 상에서 반사를 야기하지 않고 실질적으로 상기 광기전 층으로 광을 지향시키기 위해 상기 광기전 층 전방에 있는 적어도 하나의 메타표면 층을 포함하는, 태양광-에너지 수확 장치.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 광기전 층에 수직으로 충돌시키기 위해 미리 정의된 범위 내의 입사각으로 광을 지향시키기 위한 복수의 메타표면 층을 포함하는, 태양광-에너지 수확 장치.
  23. 발광 장치로서,
    광을 방출하기 위한 발광 층; 및
    제 1 편광 상태의 발광 층으로부터 방출된 광을 제 1 FOV를 향해 지향시키고 제 2 편광 상태의 발광 층으로부터 방출된 광을 제 2 FOV를 향하여 지향시키기 위한 상기 발광 층의 전방에 있는 적어도 하나의 메타표면 층을 포함하고,
    상기 제 1 및 제 2 FOV는, 서로 다른 편광 상태의 렌즈를 갖는 한 쌍의 안경을 착용하는 사용자에게 3차원(3D) 지각을 형성하기 위해 서로 중첩되고 측방향으로 오프셋되는, 발광 장치.
  24. 발광 장치로서,
    광을 방출하기 위한 발광 층; 및
    제 1 편광 상태의 발광 층으로부터 방출된 광을 제 1 FOV를 향해 지향시키고 제 2 편광 상태의 발광 층으로부터 방출된 광을 제 2 FOV를 향하여 지향시키기 위해 상기 발광 층의 전방에 있는 적어도 하나의 메타표면 층을 포함하고,
    상기 제 1 및 제 2 FOV는, 사용자에게 3D 지각을 형성하기 위해, 제 1 FOV가 사전 정의된 거리에서 사용자의 제 1 눈에만 볼 수 있고 제 2 FOV가 상기 사전 정의된 거리에서 사용자의 제 2 눈에만 볼 수 있도록 서로 측방향으로 오프셋되는, 발광 장치.
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