KR20220142968A - 레이저 조사를 이용하는 스마트 윈도우 디스플레이 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 제 1 면과 제 2 면을 구비하며 투명한 재질로 형성되는 제 1 기판과, 제 1 면과 제 2 면을 구비하며, 상기 제 1 기판의 제 2 면에 형성되며 적외선 또는 근적외선을 흡수하여 발열하는 흡수 발열층과, 제 1 면과 제 2 면을 구비하고 투명한 재질로 형성되며 상기 제 1 면이 상기 흡수 발열층의 제 2면과 소정 거리로 이격되어 충진 공간을 형성하는 제 2 기판 및 열에 의하여 투명 상태와 불투명 상태로 가역적으로 변환되는 정보 표시 물질이 상기 충진 공간에 충진되어 형성되는 정보 표시층을 포함하는 스마트 윈도우 디스플레이를 개시한다.
Description
본 발명은 레이저 조사에 의하여 정보를 표시하는 스마트 윈도우 디스플레이에 관한 것이다.
스마트 윈도우는 외부에서 유입되는 전자기파인 자외선, 가시광선 또는 적외선의 투과율을 자유롭게 조절하여 에너지 효율을 향상시키거나 눈부심을 방지할 수 있다. 또한, 상기 스마트 윈도우는 사용자에게 필요한 정보를 제공할 수 있는 디스플레이용 윈도우로 사용될 수 있다. 상기 스마트 윈도우는 유리 또는 투명 필름 형태를 가지며, 자동차, 버스, 항공기 또는 기차와 같은 수송 분야, 주택 또는 인테리어과 같은 건축 분야, 사무실 또는 식당과 같은 상업 분야, 디스플레이 또는 반도체과 같은 정보 표시 분야에 적용될 수 있다. 예를 들면, 상기 스마트 윈도우는 커튼이 필요없는 건축용 창호에 적용하여 실내의 조명 부하와 냉·난방 부하를 줄일 수 있다.
상기 스마트 윈도우는 수동형 스마트 윈도우 (Passive smart window)와 능동형 스마트 윈도우 (Active smart window)로 구분될 수 있다. 상기 수동형 스마트 윈도우는 박막 형태의 물질을 유리 또는 필름에 형성시킴으로써 일정 파장의 태양광을 차폐 또는 투과시킬 수 있다. 상기 수동형 스마트 윈도우는 전기/전자적 시스템을 사용하지 않기 때문에 별도의 구동 픽셀, 구동 회로 및 전원 공급 장치가 필요 없다. 상기 수동형 스마트 윈도우는 유리뿐만 아니라 필름화 기술을 통해 건축 분야, 산업 분야 및 교통 분야로 다양하게 응용될 수 있다. 하지만 상기 수동형 스마트 윈도우는 제한된 반응 매개체 (태양광 및 열), 낮은 반응 속도, 불필요한 색변화, 낮은 안정성 때문에 사용자가 원하는 시점에 즉각적으로 사용하기가 어려운 측면이 있다.
상기 능동형 스마트 윈도우는 polyCo, LiClO4-PC, Fe(CN)6, WO3 소재로 제작된 박막에 전압을 걸어 햇빛을 차단 또는 투과시킬 수 있다. 상기 능동형 스마트 윈도우는 전자기적 장치를 사용하므로 사용자의 필요에 따라 스위치 전환만으로도 햇빛의 차단 또는 투과를 구현할 수 있다. 다만, 상기 능동형 스마트 윈도우는 제작하는데 증착 공정, 패터닝 공정과 같은 비싸고 복잡한 반도체 공정이 필요할 뿐만 아니라, 구동시 소비 전력이 높고 반응 속도가 느리다는 측면이 있다.
상기 수동형 스마트 윈도우는 일부 영역만을 선택적으로 투명 또는 불투명하게 하는 것이 어렵지만, 능동형 스마트 윈도우는 픽셀 형성 및 구동 방식 제어를 통해 일부 영역만을 선택적으로 투명 또는 불투명하게 하는 것이 가능할 수 있다. 하지만, 상기 수동형 스마트 윈도우와 능동형 스마트 윈도우는 유리를 투명 또는 불투명하게 하여 내부 공간의 에너지 효율 향상, 눈부심 방지, 사생활 보호와 같은 차단막 역할에 기능이 한정되어 있다는 점은 동일하다.
본 발명은 윈도우 역할을 하면서 레이저 조사를 이용하여 사용자에게 필요한 정보를 실시간으로 제공할 수 있는 스마트 윈도우 디스플레이를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 사용자가 원하는 위치에 다양한 색감의 글자 및 이미지를 표시할 수 있는 스마트 윈도우 디스플레이를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 윈도우 디스플레이는 제 1 면과 제 2 면을 구비하며 투명한 재질로 형성되는 제 1 기판과, 제 1 면과 제 2 면을 구비하며, 상기 제 1 기판의 제 2 면에 형성되며 적외선 또는 근적외선을 흡수하여 발열하는 흡수 발열층과, 제 1 면과 제 2 면을 구비하고 투명한 재질로 형성되며 상기 제 1 면이 상기 흡수 발열층의 제 2면과 소정 거리로 이격되어 충진 공간을 형성하는 제 2 기판 및 열에 의하여 투명 상태와 불투명 상태로 가역적으로 변환되는 정보 표시 물질이 상기 충진 공간에 충진되어 형성되는 정보 표시층을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제 1 기판과 제 2 기판은 평면 또는 곡면으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 제 1 기판과 제 2 기판은 유리 기판 또는 수지 필름으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 수지 필름은 폴리에틸렌 나프탈레이트 (Polyethylene Naphthalate; PEN), 폴리이미드 (Polyimide), 폴리에틸렌테레프탈레이트 (Ployethylene Terephthalate; PET), 폴리에틸렌에테르프탈레이트 (polyethylene ether phthalate), 폴리카보네 이트 (polycarbonate), 폴리아릴레이트 (polyarylate), 폴리에테르이미드 (polyether imide), 폴리에테르술폰산 (polyether sulfonate), 폴리이미드 (polyimide) 및 폴리아크릴레이트(polyacrylate)에서 선택되는 어느 하나의 재질로 형성될 수 있다.
또한, 상기 흡수 발열층에 코팅된 흡수 발열 물질은 적외선 및 근적외선을 흡수 또는 반사하는 역할을 하는 무기산화물 (Zn, Cu, Sn, Ni, Pt, Sb, Mo의 산화물 또는 ITO, CTO) 또는 적외선 및 근적외선을 흡수하는 유기염료(시아닌계, 디이모늄계, 니켈금속착체 또는 디카복시마이드계 유기 염료에서 선택되는 어느 하나의 물질)에서 선택되는 어느 하나의 재질로 형성될 수 있다.
또한, 상기 정보 표시층은 10 ~ 10,000㎛의 두께로 형성될 수 있다.
또한, 상기 정보 표시 물질은 모노머(monomer)인 N-isopropylacrylamide(NIPAM)와 가교제(crosslinker)와 촉매(catalyst)와 개시제(initiator) 및 물을 포함할 수 있다.
또한, 상기 가교제는 N,N'-methylenebis(acrylamide)(BIS)이며, 상기 촉매는 N,N,N'N'-Tetramethylethylenediamine(TEMED)이며, 상기 개시제는 ammonium peroxydisulfate (APS)일 수 있다.
또한, 상기 정보 표시 물질은 에스터, 알코올 및 아마이드계에서 선택되는 어느 하나의 작용기를 포함하는 열감응성 고분자와 물을 포함하는 하이드로겔일 수 있다.
또한, 상기 스마트 윈도우 디스플레이는 상기 흡수 발열층의 제 2 면과 상기 제 2 기판의 제 1 면 사이에서 가장 자리를 따라 링 형상으로 형성되어 상기 정보 표시층의 외측면을 밀봉하는 밀봉링을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 스마트 윈도우 디스플레이는 윈도우 역할을 하면서도 레이저 조사를 이용하여 사용자에게 필요한 정보를 실시간으로 제공하는 디스플레이로 역할을 할 수 있다.
또한, 본 발명의 스마트 윈도우 디스플레이는 수동형 스마트 윈도우의 장점인 저렴하고 간단한 공정에 의한 제조 가능성, 능동형 스마트 윈도우의 장점인 필요한 영역에 대한 선택적 차단과 투과 기능 및 투명 디스플레이의 장점인 투명한 기판에 실시간 정보 제공 기능을 모두 구비할 수 있다.
또한, 본 발명의 스마트 윈도우 디스플레이는 프로젝터와 함께 사용하여 사용자가 원하는 위치에 다양한 색감의 글자 및 이미지를 표시할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 윈도우 디스플레이의 수직 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 윈도우 디스플레이의 동작 모식도이다.
도 3은 도 2의 정보 표시층을 구성하는 하이드로겔 형태의 crosslinked pNIPAM 분자 구조 및 온도에 따른 crosslinked pNIPAM 분자 구조의 형태변화 모식도이다.
도 4는 실시예의 스마트 윈도우 디스플레이의 구성도이다.
도 5는 흡수 발열층(각각 CR20, CR70, CR90) 및 PEN 필름의 조사되는 광의 파장에 따른 광투과율과 광흡수율을 나타내는 그래프이다.
도 6은 흡수 발열층(각각 CR20, CR70 및 CR90)에 대한 근적외선(1064nm) 조사 시간에 따른 발열 특성을 나타내는 그래프이다.
도 7은 스마트 윈도우 디스플레이에 근적외선이 조사될 때 조사 시간에 따른 정보 표시층의 측면 사진이다.
도 8은 흡수 발열층으로 각각 CR70 또는 CR20으로 제작한 스마트 윈도우 디스플레이의 사진이다.
도 9는 정보 표시층을 구성하는 일 실시예인 crosslinked pNIPAM을 합성하기 위한 반응 메커니즘에 대한 모식도이다.
도 10은 crosslinked pNIPAM과 CR70으로 형성되는 스마트 윈도우 디스플레이의 온도에 따른 가시광선 영역의 광투과율 변화 그래프이다.
도 11은 crosslinked pNIPAM과 CR20으로 형성되는 스마트 윈도우 디스플레이의 온도에 따른 가시광선 영역의 광투과율 변화 그래프이다.
도 12는 레이저 조사시에 crosslinked pNIPAM과 CR70으로 형성되는 스마트 윈도우 디스플레이의 정보 표시층의 두께에 따른 라인 패턴에 대한 가시광 및 적외선 카메라 이미지이다.
도 13은 도 12의 스마트 윈도우 디스플레이에서 레이저 조사시에 스마트 윈도우 디스플레이의 정보 표시층 두께에 따른 실제 기판 온도를 나타내는 그래프이다.
도 14는 도 12의 스마트 윈도우 디스플레이에서 근적외선 레이저를 조사시 스마트 윈도우 디스플레이의 정보 표시층 두께에 따른 라인 패턴 이미지의 밝기 그래프이다
도 15는 crosslinked pNIPAM과 CR20으로 형성되는 스마트 윈도우 디스플레이의 정보 표시층 두께에 따른 라인 패턴에 대한 가시광 및 적외선 카메라 이미지이다.
도 16은 도 15의 스마트 윈도우 디스플레이에서 근적외선 레이저 조사 시 스마트 윈도우 디스플레이의 정보 표시층 두께에 따른 실제 기판 온도를 나타내는 그래프이다.
도 17는 도 15의 스마트 윈도우 디스플레이에서 근적외선 레이저 조사시 스마트 윈도우 디스플레이의 정보 표시층 두께에 따른 라인 패턴 이미지의 밝기 그래프이다.
도 18은 정보 표시층 두께가 다르게 제작된 스마트 윈도우 디스플레이에서 근적외선 레이저 조사 회수에 따라 형성되는 라인 패턴 사진과 라인 패턴 이미지 밝기 그래프이다.
도 19는 스마트 윈도우 디스플레이에서 근적외선 레이저 조사 시간과 휴지기 시간을 변화시키면서 형성시킨 라인 패턴 이미지의 온도 균일도 및 패턴 밝기 그래프이다.
도 20은 (a)-(c)는 평면 형태의 스마트 윈도우 디스플레이의 구동 모식도와 2가지 타입의 근적외선 흡수 발광층을 사용하여 제작한 스마트 윈도우 디스플레이에 형성된 다양한 흰색 도형 및 글자 이미지들이며. (d)-(f)는 곡면 형태의 스마트 윈도우 디스플레이의 구동 모식도와 2가지 타입의 근적외선 흡수 발광층을 사용하여 제작한 스마트 윈도우 디스플레이에 형성된 다양한 흰색 도형 및 글자 이미지들이며, (g)-(i)는 근적외선 레이저 및 프로젝터를 동시에 조사함으로서 윈도우 디스플레이에 칼라 형상의 이미지를 형성할 수 있는 방법을 보여주는 모식도와 윈도우 디스플레이에 형성된 다양한 칼라의 프로젝션 이미지들이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 윈도우 디스플레이의 동작 모식도이다.
도 3은 도 2의 정보 표시층을 구성하는 하이드로겔 형태의 crosslinked pNIPAM 분자 구조 및 온도에 따른 crosslinked pNIPAM 분자 구조의 형태변화 모식도이다.
도 4는 실시예의 스마트 윈도우 디스플레이의 구성도이다.
도 5는 흡수 발열층(각각 CR20, CR70, CR90) 및 PEN 필름의 조사되는 광의 파장에 따른 광투과율과 광흡수율을 나타내는 그래프이다.
도 6은 흡수 발열층(각각 CR20, CR70 및 CR90)에 대한 근적외선(1064nm) 조사 시간에 따른 발열 특성을 나타내는 그래프이다.
도 7은 스마트 윈도우 디스플레이에 근적외선이 조사될 때 조사 시간에 따른 정보 표시층의 측면 사진이다.
도 8은 흡수 발열층으로 각각 CR70 또는 CR20으로 제작한 스마트 윈도우 디스플레이의 사진이다.
도 9는 정보 표시층을 구성하는 일 실시예인 crosslinked pNIPAM을 합성하기 위한 반응 메커니즘에 대한 모식도이다.
도 10은 crosslinked pNIPAM과 CR70으로 형성되는 스마트 윈도우 디스플레이의 온도에 따른 가시광선 영역의 광투과율 변화 그래프이다.
도 11은 crosslinked pNIPAM과 CR20으로 형성되는 스마트 윈도우 디스플레이의 온도에 따른 가시광선 영역의 광투과율 변화 그래프이다.
도 12는 레이저 조사시에 crosslinked pNIPAM과 CR70으로 형성되는 스마트 윈도우 디스플레이의 정보 표시층의 두께에 따른 라인 패턴에 대한 가시광 및 적외선 카메라 이미지이다.
도 13은 도 12의 스마트 윈도우 디스플레이에서 레이저 조사시에 스마트 윈도우 디스플레이의 정보 표시층 두께에 따른 실제 기판 온도를 나타내는 그래프이다.
도 14는 도 12의 스마트 윈도우 디스플레이에서 근적외선 레이저를 조사시 스마트 윈도우 디스플레이의 정보 표시층 두께에 따른 라인 패턴 이미지의 밝기 그래프이다
도 15는 crosslinked pNIPAM과 CR20으로 형성되는 스마트 윈도우 디스플레이의 정보 표시층 두께에 따른 라인 패턴에 대한 가시광 및 적외선 카메라 이미지이다.
도 16은 도 15의 스마트 윈도우 디스플레이에서 근적외선 레이저 조사 시 스마트 윈도우 디스플레이의 정보 표시층 두께에 따른 실제 기판 온도를 나타내는 그래프이다.
도 17는 도 15의 스마트 윈도우 디스플레이에서 근적외선 레이저 조사시 스마트 윈도우 디스플레이의 정보 표시층 두께에 따른 라인 패턴 이미지의 밝기 그래프이다.
도 18은 정보 표시층 두께가 다르게 제작된 스마트 윈도우 디스플레이에서 근적외선 레이저 조사 회수에 따라 형성되는 라인 패턴 사진과 라인 패턴 이미지 밝기 그래프이다.
도 19는 스마트 윈도우 디스플레이에서 근적외선 레이저 조사 시간과 휴지기 시간을 변화시키면서 형성시킨 라인 패턴 이미지의 온도 균일도 및 패턴 밝기 그래프이다.
도 20은 (a)-(c)는 평면 형태의 스마트 윈도우 디스플레이의 구동 모식도와 2가지 타입의 근적외선 흡수 발광층을 사용하여 제작한 스마트 윈도우 디스플레이에 형성된 다양한 흰색 도형 및 글자 이미지들이며. (d)-(f)는 곡면 형태의 스마트 윈도우 디스플레이의 구동 모식도와 2가지 타입의 근적외선 흡수 발광층을 사용하여 제작한 스마트 윈도우 디스플레이에 형성된 다양한 흰색 도형 및 글자 이미지들이며, (g)-(i)는 근적외선 레이저 및 프로젝터를 동시에 조사함으로서 윈도우 디스플레이에 칼라 형상의 이미지를 형성할 수 있는 방법을 보여주는 모식도와 윈도우 디스플레이에 형성된 다양한 칼라의 프로젝션 이미지들이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 레이저 조사를 이용하는 스마트 윈도우 디스플레이에 대하여 설명한다.
먼저, 본 발명의 실시예들에 따른 레이저 조사를 이용하는 스마트 윈도우 디스플레이에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 윈도우 디스플레이의 수직 단면도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 윈도우 디스플레이(100)는, 도 1을 참조하면, 제 1 기판(110)과 흡수 발열층(120)과 제 2 기판(130) 및 정보 표시층(140)을 포함할 수 있다. 또한, 상기 스마트 윈도우 디스플레이(100)는 밀봉링(150)을 더 포함할 수 있다.
상기 스마트 윈도우 디스플레이(100)는 필요로 하는 면적을 갖는 평판 형상의 윈도우 형상으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 스마트 윈도우 디스플레이(100)는 소정의 곡률을 갖는 곡면 형상의 윈도우 형상으로 형성될 수 있다. 상기 스마트 윈도우 디스플레이(100)는 윈도우 역할을 하면서도 레이저 조사를 통하여 사용자에게 필요한 정보를 실시간으로 제공하는 디스플레이로 역할을 할 수 있다. 또한, 상기 스마트 윈도우 디스플레이(100)는 프로젝터와 함께 사용하여 사용자가 원하는 위치에 다양한 색감의 글자 및 이미지를 표시할 수 있다. 또한, 상기 스마트 윈도우 디스플레이(100)는 수동형 스마트 윈도우의 장점인 저렴하고 간단한 공정에 의한 제조 가능성, 능동형 스마트 윈도우의 장점인 필요한 영역에 대한 선택적 차단과 투과 기능 및 투명 디스플레이의 장점인 투명한 기판에 실시간 정보 제공 기능을 모두 구비할 수 있다.
한편, 이하의 설명에서 제 1 면은 도 1에서 상부 방향을 향하는 면을 의미하며, 제 2 면은 그 반대면을 의미할 수 있다. 따라서, 상기 스마트 윈도우 디스플레이(100)를 구성하는 각 구성 요소들은 각각 제 1 면과 제 2 면을 구비할 수 있다.
상기 제 1 기판(110)은 투명한 재질로 형성되며, 리지드(rigid)한 평판 기판, 리지드한 커브드(curved) 기판 또는 플렉서블(flexible)한 기판으로 형성될 수 있다. 상기 제 1 기판(110)은 유리 기판 또는 수지 필름으로 형성될 수 있다. 상기 수지 필름은 폴리에틸렌 나프탈레이트 (Polyethylene Naphthalate; PEN), 폴리이미드 (Polyimide), 폴리에틸렌테레프탈레이트 (Ployethylene Terephthalate; PET), 폴리에틸렌에테르프탈레이트 (polyethylene ether phthalate), 폴리카보네 이트 (polycarbonate), 폴리아릴레이트 (polyarylate), 폴리에테르이미드 (polyether imide), 폴리에테르술폰산 (polyether sulfonate), 폴리이미드 (polyimide) 및 폴리아크릴레이트(polyacrylate)에서 선택되는 어느 하나의 재질로 형성될 수 있다. 또한, 상기 수지 필름은 유연성을 가지는 다양한 유기 물질로 형성될 수 있다.
상기 제 1 기판(110)은 제 1 면과 제 2 면을 구비하며, 제 1 면은 스마트 윈도우 디스플레이(100)의 상측 또는 외측을 향하며, 제 2 면은 제 2 기판(130)을 향하는 하측 또는 내측을 향할 수 있다.
상기 흡수 발열층(120)은 적외선 또는 근적외선을 흡수하여 발열하는 흡수 발열 물질을 포함할 수 있다. 또한, 상기 흡수 발열 물질은 적외선 또는 근적외선을 흡수하여 발열하는 알려진 다양한 물질을 포함할 수 있다. 또한, 상기 흡수 발열층(120)은 조사되는 적외선 또는 근적외선의 일부를 반사하고 일부를 흡수할 수 있다. 따라서, 상기 흡수 발열층(120)은 적외선 또는 근적외선의 일부를 흡수하고 일부를 반사하면서 발열할 수 있다.
상기 흡수 발열층(120)은 적외선 또는/및 근적외선에 대한 투과율이 5%이하이고, 가시광선에 대한 투과율이 20% ~ 70%인 물질일 수 있다. 여기서, 상기 흡수 발열층(120)의 적외선 또는 근적외선에 투과율이 10%이하라는 의미는 적외선에 대한 흡수율 또는/및 반사율이 95%이상일 수 있다.
또한, 상기 흡수 발열층(120)은 흡수 발열 물질이 투명 필름에 코팅되어 형성될 수 있다. 상기 투명필름은 폴리에틸렌 나프탈레이트 (Polyethylene Naphthalate; PEN), 폴리이미드 (Polyimide), 폴리에틸렌테레프탈레이트 (Ployethylene Terephthalate; PET), 폴리에틸렌에테르프탈레이트 (polyethylene ether phthalate), 폴리카보네 이트 (polycarbonate), 폴리아릴레이트 (polyarylate), 폴리에테르이미드 (polyether imide), 폴리에테르술폰산 (polyether sulfonate), 폴리이미드 (polyimide) 및 폴리아크릴레이트(polyacrylate)에서 선택되는 어느 하나의 재질로 형성될 수 있다.
또한, 상기 흡수 발열 물질은 적외선 또는 근적외선을 흡수 또는 반사하는 역할을 하는 무기산화물(Zn, Cu, Sn, Ni, Pt, Sb 또는 Mo의 산화물 또는 ITO, CTO) 또는 적외선 및 근적외선을 흡수하는 유기 염료(시아닌계, 디이모늄계, 니켈금속착체, 디카복시마이드계 등 유기 염료)에서 선택되는 어느 하나의 물질을 포함할 수 있다. 또한, 상기 흡수 발열 물질은 무기 산화물 또는 유기 염료와 수지가 혼합되어 형성되는 복수의 필름층으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 흡수 발열층(120)은 한국특허출원 제10-2011-7017057호, 제10-2014-7013055호, 제10-2017-7012740호, 10-2021-7032089호에서 개시되는 물질을 포함할 수 있다.
또한, 상기 흡수 발열층은 적외선 또는 근적외선을 차단 또는 반사시키기 위하여 사용되는 다양한 차단 필름을 포함할 수 있다. 상기 차단 필름은 건물 또는 집의 창문, 차량의 창문에 사용되는 필름일 수 있다.
상기 흡수 발열층(120)은 제 1 기판(110)에 대응되는 면적으로 형성될 수 있다. 상기 흡수 발열층(120)은 제 1 면과 제 2 면을 구비하며 제 1 면이 제 1 기판(110)의 제 2 면에 결합될 수 있다.
상기 제 2 기판(130)은 제 1 기판(110)과 동일한 재질과 형상으로 형성될 수 있다. 상기 제 2 기판(130)은 제 1 면이 흡수 발열층(120)의 제 2 면과 소정 거리로 이격되어 위치할 수 있다. 따라서, 상기 제 2 기판(130)의 제 1 면과 흡수 발열층(120)의 제 2 면 사이에는 소정의 충진 공간이 형성될 수 있다.
상기 정보 표시층(140)은 흡수 발열층(120)의 제 2 면과 제 2 기판(130)의 제 1 면 사이에 위치할 수 있다. 상기 정보 표시층(140)은 제 2 기판(130)과 흡수 발열층(120) 사이의 충진 공간에 정보 표시 물질이 충진되어 형성될 수 있다. 상기 정보 표시 물질은 열에 의하여 가역적으로 상태가 변환되는 물질일 수 있다. 상기 정보 표시 물질은 온도에 따라 상태(phase)가 변하는 하이드로겔 소재를 사용할 수 있다. 상기 정보 표시층(140)에 사용되는 열 감응성 고분자(에스터, 알코올, 아마이드계 등의 작용기를 포함한 고분자)에 물이 포함되는 하이드로겔에서 선택되는 어느 하나의 소재로 형성될 수 있다. 상기 하이드로겔 소재는 개시제와 가교제를 이용하여 가교된(crosslinked) 형태로 합성된 crosslinked pNIPAM일 수 있다. 상기 정보 표시층(140)은 10 ~ 10,000㎛의 두께로 형성될 수 있다.
상기 crosslinked pNIPAM은 모노머(monomer)인 N-isopropylacrylamide(NIPAM)와 가교제(crosslinker)와 촉매(catalyst)와 개시제(initiator) 및 물을 포함할 수 있다. 상기 가교제는 N,N'-methylenebis(acrylamide)(BIS)일 수 있다. 또한, 상기 촉매는 N,N,N'N'-Tetramethylethylenediamine(TEMED)일 수 있다. 상기 개시제는 ammonium peroxydisulfate (APS)일 수 있다. 여기서 상기 물은 deionized (DI) water일 수 있다.
상기 crosslinked pNIPAM은 다음과 같이 제조될 수 있다. 먼저, 상기 N-isopropylacrylamide (NIPAM)와 N,N
(BIS)이 물에 용해되어 NIPAM-BIS 용액으로 제조될 수 있다. 이때, 상기 NIPAM과 BIS는 mmol 비율로 10: 0.1 ~ 0.2로 혼합될 수 있다. 또한, 상기 물은 NIPAM 10mmol에 대하여 5 ~ 10mL로 혼합될 수 있다.
상기 TEMED는 먼저 물에 용해되어 TEMED 용액으로 제조될 수 있다. 상기 물은 TEMED 1mmol에 대하여 2 ~ 3mL로 혼합될 수 있다. 상기 TEMED 용액과 NIPAM-BIS 용액은 혼합되어 NIPAM-BIS-TEMED 용액으로 제조될 수 있다. 이때, 상기 TEMED는 NIPAM 10mmol에 대하여 0.3 ~ 0.5mmol로 혼합될 수 있다. 상기 APS는 먼저 물에 용해되어 APS 용액으로 제조될 수 있다. 상기 물은 APS 1mmol에 대하여 1.2 ~ 1.8mL로 혼합될 수 있다. 상기 NIPAM-BIS-TEMED 용액과 APS 용액은 부비피로 1: 1.0 ~ 3.0의 비율로 혼합되어 NIPAM-BIS-TEMED-APS 용액으로 제조될 수 있다. 상기 NIPAM-BIS-TEMED-APS 용액은 소정의 반응 시간동안 자유 라디칼 중합과 가교 반응을 진행하여 가교된 pNIPAM으로 제조될 수 있다. 상기 pNIPAM은 제 2 기판(130)과 흡수 발열층(120) 사이의 충진 공간에 주입될 수 있다. 상기 pNIPAM은 자유 라디칼 중합과 가교 반응이 종료되기 전에 충진 공간에 주입되며, 하이드로겔(hydrogel) 상태인 crosslinked pNIPAM으로 채워질 수 있다.
상기 밀봉링(150)은 흡수 발열층(120)의 제 2 면과 제 2 기판(130)의 제 1 면 사이에서 가장 자리를 따라 링 형상으로 형성될 수 있다. 상기 밀봉링(150)은 흡수 발열층(120)과 제 2 기판(130) 사이에 충진 공간을 형성할 수 있다. 상기 밀봉링(150)은 양면 테이프 또는 접착제로 형성될 수 있다. 상기 밀봉링(150)은 정보 표시층(140)의 두께에 대응되는 두께로 형성될 수 있다. 상기 밀봉링(150)은 충진 공간의 외측을 밀폐하여 충진 공간의 내부에 충진되는 정보 표시 물질이 외부로 누출되지 않도록 할 수 있다.
다음은 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 윈도우 디스플레이의 작용에 대하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 윈도우 디스플레이의 동작 모식도이다. 도 3은 도 2의 정보 표시층의 온도에 따른 분자 및 구조 모식도이다.
상기 스마트 윈도우 디스플레이(100)는, 도 2에서 보는 바와 같이, 제 2 기판(130)/정보 표시층(140)(crosslinked pNIPAM)/흡수 발열층(120)/제 1 기판(110)이 적층되는 구조로 형성될 수 있다. 상기 스마트 윈도우 디스플레이(100)는 제 2 기판(130)과 정보 표시층(140)과 흡수 발열층(120) 및 제 1 기판(110)이 모두 가시광 영역에서 투명하여 뒤의 배경이 육안으로 확인할 수 있도록 한다.
상기 근적외선 레이저(대략 1064nm)는 제 2 기판(130)의 외측에서 조사하면 제 2 기판(130)과 정보 표시층(140)을 투과하여 흡수 발열층(120)에 도달될 수 있다. 상기 근적외선 레이저는 레이저 빔의 초점이 흡수 발열층(120)에 위치하도록 조사될 수 있다. 상기 흡수 발열층(120)은 근적외선 레이저가 조사되는 영역에서 근적외선 레이저를 흡수하여 열을 발산할 수 있다.
상기 정보 표시층(140)은 흡수 발열층(120)과 접하여 위치하므로 흡수 발열층(120)에서 발산되는 열을 전달받을 수 있다. 상기 정보 표시층(140)은 crosslinked pNIPAM으로 형성되며, 도 3에서 보는 바와 같이, 흡수 발열층(120)에서 전도되는 열에 의하여 투명(transparent) 상태에서 불투명(opaque) 상태로 전환될 수 있다. 상기 정보 표시층(140)은 자체 온도가 하부 임계 공용 온도(lower critical solution temperature: LCST)보다 낮은 경우에 투명 상태를 유지할 수 있다. 상기 정보 표시층(140)은 하부 임계 공용 온도에 도달하면 물을 흡수하고 있는 하이드로겔 상태인 crosslinked pNIPAM의 상(phase) 전이가 유도될 수 있다. 따라서, 상기 정보 표시층(140)은 근적외선 레이저가 조사되는 영역만 선택적으로 불투명한 하얀색으로 변환될 수 있다.
상기 정보 표시층(140)의 crosslinked pNIPAM는, 도 3에서 보는 바와 같이, pNIPAM의 하부 임계 공용 온도인 30 ~ 32℃를 기준으로, 투명 또는 불투명하게 변화할 수 있다. 상기 pNIPAM은 대표적인 열민감 폴리머(thermosensitive polymer)이며, 대략 32℃의 하부 임계 공용 온도에서 폴리머 체인(polymer chains)의 친수성 특성이 변화되는 과정을 거쳐, 부푼 코일(swollen coil) 형태에서 구형 (globular) 형태로 변화할 수 있다. 즉, 상기 crosslinked pNIPAM은 가역적인 코일-구형 변환이 나타날 수 있다. 상기 pNIPAM은 친수성 부분(hydrophilic segment)인 acrylamide groups과 소수성 부분(hydrophobic segments)인 main chain and isopropyl groups을 모두 가지고 있는 양친매성 (amphiphilic) 고분자다. 상기 pNIPAM 수용액은 하부 임계 공용 온도에서 용매로 작용하는 물(bulk water)과 pNIPAM과 결합된 물을 포함한 하이드로겔 형태일 수 있다. 상기 crosslinked pNIPAM과 결합된 물은 pNIPAM의 친수성 부분인 C=O or N-H functions과 수소 결합을 하여 pNIPAM이 코일과 같은(coil-like) 형태로 부풀어 질 수 있다. 이때, 상기 crosslinked pNIPAM은 용매인 물의 양과 대비 매우 소량일 뿐 만 아니라, 물에 수화(hydration)되어 있어 가시광 영역에서 투명하게 용해되어 있다. 반면, 상기 crosslinked pNIPAM은 하부 임계 공용 온도 이상의 온도에서는 수소 결합하고 있던 물 분자가 부분적으로 탈수되면서, C-H, C=O와 N-H bonds의 "inter- 와 intra-chain 수소 결합"으로 인해 "소수성 부분의 응집 현상"이 발생한다. 따라서, 상기 crosslinked pNIPAM는 응집된 구형 형태로 변화되면서 가시광선을 차단 및 산란시켜 시각적으로 불투명한 하얀색으로 보이게 된다. 상기 정보 표시층(140)은 하얀색으로 바뀌는 영역에 의하여 정보를 표시할 수 있다.
상기 스마트 윈도우 디스플레이(100)는 표시하고자 하는 정보의 형태에 따라 근적외선 레이저를 조사하여 정보를 표시할 수 있다. 상기 스마트 윈도우 디스플레이(100)는 글자, 도형 또는 이미지를 표시할 수 있다.
다음은 본 발명의 스마트 윈도우 디스플레이에 대한 보다 구체적인 실시예에 대하여 설명한다.
도 4는 실시예의 스마트 윈도우 디스플레이의 구성도이다. 도 5는 흡수 발열층(각각 CR20, CR70, CR90) 및 PEN 필름의 조사되는 광의 파장에 따른 광투과율과 광흡수율을 나타내는 그래프이다. 도 6은 흡수 발열층(각각 CR20, CR70 및 CR90)에 대한 근적외선(1064nm) 조사 시간에 따른 발열 특성을 나타내는 그래프이다. 도 7은 스마트 윈도우 디스플레이에 근적외선이 조사될 때 조사 시간에 따른 정보 표시층의 측면 사진이다. 도 8은 흡수 발열층으로 각각 CR70 또는 CR20으로 제작한 스마트 윈도우 디스플레이의 사진이다. 도 9는 정보 표시층을 구성하는 일 실시예인 crosslinked pNIPAM을 합성하기 위한 반응 메커니즘에 대한 모식도이다. 도 10은 crosslinked pNIPAM과 CR70으로 형성되는 스마트 윈도우 디스플레이의 온도에 따른 가시광선 영역의 광투과율 변화 그래프이다. 도 11은 crosslinked pNIPAM과 CR20으로 형성되는 스마트 윈도우 디스플레이의 온도에 따른 가시광선 영역의 광투과율 변화 그래프이다. 도 12는 레이저 조사시에 crosslinked pNIPAM과 CR70으로 형성되는 스마트 윈도우 디스플레이의 정보 표시층의 두께에 따른 라인 패턴에 대한 가시광 및 적외선 카메라 이미지이다. 도 13은 도 12의 스마트 윈도우 디스플레이에서 레이저 조사시에 스마트 윈도우 디스플레이의 정보 표시층 두께에 따른 실제 기판 온도를 나타내는 그래프이다. 도 14는 도 12의 스마트 윈도우 디스플레이에서 근적외선 레이저를 조사시 스마트 윈도우 디스플레이의 정보 표시층 두께에 따른 라인 패턴 이미지의 밝기 그래프이다. 도 15는 crosslinked pNIPAM과 CR20으로 형성되는 스마트 윈도우 디스플레이의 정보 표시층 두께에 따른 라인 패턴에 대한 가시광 및 적외선 카메라 이미지이다. 도 16은 도 15의 스마트 윈도우 디스플레이에서 근적외선 레이저 조사 시 스마트 윈도우 디스플레이의 정보 표시층 두께에 따른 실제 기판 온도를 나타내는 그래프이다. 도 17는 도 15의 스마트 윈도우 디스플레이에서 근적외선 레이저 조사시 스마트 윈도우 디스플레이의 정보 표시층 두께에 따른 라인 패턴 이미지의 밝기 그래프이다. 도 18은 정보 표시층 두께가 다르게 제작된 스마트 윈도우 디스플레이에서 근적외선 레이저 조사 회수에 따라 형성되는 라인 패턴 사진과 라인 패턴 이미지 밝기 그래프이다. 도 19는 스마트 윈도우 디스플레이에서 근적외선 레이저 조사 시간과 휴지기 시간을 변화시키면서 형성시킨 라인 패턴 이미지의 온도 균일도 및 패턴 밝기 그래프이다. 도 20은 (a)-(c)는 평면 형태의 스마트 윈도우 디스플레이의 구동 모식도와 2가지 타입의 근적외선 흡수 발광층을 사용하여 제작한 스마트 윈도우 디스플레이에 형성된 다양한 흰색 도형 및 글자 이미지들이며. (d)-(f)는 곡면 형태의 스마트 윈도우 디스플레이의 구동 모식도와 2가지 타입의 근적외선 흡수 발광층을 사용하여 제작한 스마트 윈도우 디스플레이에 형성된 다양한 흰색 도형 및 글자 이미지들이며, (g)-(i)는 근적외선 레이저 및 프로젝터를 동시에 조사함으로써 윈도우 디스플레이에 칼라 형상의 이미지를 형성할 수 있는 방법을 보여주는 모식도와 윈도우 디스플레이에 형성된 다양한 칼라의 프로젝션 이미지들이다.
본 발명의 스마트 윈도우 디스플레이는, 도 4에서 보는 바와 같이, 제 1 기판과 제 2 기판으로 PEN 수지 기판을 사용하였으며, 흡수 발열층으로 CR70과 CR20을 사용하였다. 한편, 비교예로 흡수 발열층이 CR90로 형성되는 스마트 윈도우 디스플레이에 대하여 비교 평가를 하였다. 상기 정보 표시층은 crosslinked pNIPAM으로 형성하였다. 여기서, 상기 CR70과 CR20 및 CR90은 3M사의 제품으로 적외선 차단을 위한 필름이다. 상기 CR70과 CR20은 적외선 또는/및 근적외선에 대한 흡수율이 96%이상이며, 가시광선에 대한 투과율이 20 ~ 70%인 필름이다. 또한, 상기 CR90은 적외선 또는/및 근적외선에 대한 흡수율이 95%이하이며, 가시광선에 대한 투과율이 72%이상인 필름이다.
상기 CR20과 CR70은, 도 5에서 보는 바와 같이 조사되는 광의 파장에서 따라 광투과율(a)과 광흡수율(b)이 변하게 되며, 근적외선 영역에서 광투과율이 낮으며, 광흡수율이 높은 것으로 확인된다. 또한, 상기 CR20과 CR70은 가시광선 영역에서 광흡수율이 낮은 것으로 확인된다. 따라서, 상기 CR20과 CR70은 흡수 발열층에서 필요한 특성을 구비하는 것으로 확인된다 다만, 상기 CR90은 근적외선 영역에서 광투과율은 낮으나, 광흡수율도 낮은 것으로 확인된다. 또한, 상기 CR90은 가시광선 영역에서도 광흡수율도 낮은 것으로 확인된다. 상기 CR90, CR70 및 CR20의 광투과율은 400 ~ 800nm영역에서 55.26 ~ 86.19%, 24.33 ~ 53.22%, 5.28 ~ 30.18%이었고, CR90, CR70 및 CR20의 광흡수율은 900 ~ 1100 nm영역에서 0.00 ~ 0.87%, 68.32 ~ 83.72%, 82.45 ~ 78.73%으로 확인되었다.
상기 CR90, CR70 및 CR20은, 도 6에서 보는 바와 같이, 광 조사 시간에 따라 온도 변화가 다르게 나타나고 있다. 상기 CR70 및 CR20은 근적외선의 조사 시간이 증가됨에 따라 온도가 상승하는 것으로 확인된다. 그러나, 상기 CR90은 근적외선의 조사 시간에 관계 없이 온도 변화가 없는 것으로 확인된다. 도 5는 CR90, CR70 및 CR20에 1064nm 파장의 레이저를 동그란 링 모양으로 조사한 후, 시간에 따라 레이저가 조사된 링 패턴 영역에서의 온도 변화를 측정한 결과이다. 상기 링 패턴의 직경은 15 mm였으며, 근적외선 레이저의 파워(power)와 속도(speed) 및 주기(repetition)은 각각 7.5kW, 2000mm/s, 20kHz였다. 상기 CR90, CR70 및 CR20의 1064nm 파장에 대한 광흡수율은 각각 0.56%, 82.20%, 79.06%로 측정되었으며, 근적외선 영역인 900-1100 nm 파장 영역에서 CR90은 90%이상의 반사율을 보였다. 상기 CR70 및 CR20의 발열 최대 온도가 95℃ 및 78℃인 반면, CR90은 발열이 되지 않았다. 또한, 도 5의 inset에서 보이는 적외선 이미지를 보면, CR70 및 CR20은 링 패턴 모양이 선명히 형성된 반면, CR90은 링 패턴 모양이 보이지 않는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 상기 CR90은 가시광 투과율이 매우 좋으나 근적외선 흡수율이 낮은 것을 확인할 수 있다. 따라서, 상기 CR90은 CR20과 CR70와 대비하여 상대적으로 흡수 발열층에서 필요한 특성이 저하되는 것으로 확인된다. 따라서, 적외선 및 근적외선을 흡수 발열하는 소재가 포함된 흡수 발열층중 CR20과 CR70 및 CR90은 정보 표층에 사용된 crosslinked pNIPAM 소재의 상(phase) 전이를 야기시킬 수 있을 정도로 기판 온도를 변화시킬 수 있는 CR20과 CR70를 사용한 흡수 발열층을 사용하는게 적절하다.
또한, 상기 PEN 필름은 전체 파장 영역에 대하여 광투과율이 높고 광흡수율이 낮은 것으로 확인된다. 따라서, 상기 PEN 필름은 스마트 윈도우 디스플레이에서 필요한 특성을 구비한 것으로 확인된다.
상기 스마트 윈도우 디스플레이는 도 4에서 보는 바와 같이, PEN 필름으로 형성되는 제 1 기판과 제 2 기판의 사이에 crosslinked pNIPAM으로 형성되는 정보 표시층과 흡수 발열층이 삽입된 샌드위치 구조로 형성되었다. 필요한 정보를 디스플레이하기 위하여 정보 패턴에 대응되도록 근적외선 레이저를 crosslinked pNIPAM이 형성된 방향쪽에서 조사를 하였다. 흡수 발열층(CR70 및 CR20)의 높은 1064 nm 파장 흡수율로 인해 급격히 상승된 열이 흡수 발열층과 직접적으로 접촉되어 있는 정보 표시층에 빠르게 전달되었다. 정보 표시층과 흡수 발열층의 이중 구조에서 정보 표시층이 위치한 방향쪽으로 근적외선 레이저를 조사한 이유는 근적외선 레이저가 조사된 흡수 발열층의 표면에서 열이 발생되어 정보 표시층으로 열이 빠르게 전달시킬 수 있기 때문이다. 흡수 발열층이 위치한 방향쪽에서 근적외선 레이저를 조사시키면 흡수 발열층을 형성하는 유기물 다층 구조로 인해 흡수 발열층의 표면에서 발생한 열이 반대쪽에 위치한 정보 표시층까지 열을 효율적으로 전달하지 못할 수 있다.
상기 스마트 윈도우 디스플레이는, 도 7에서 보는 바와 같이, 근적외선 레이저가 조사된 영역에 존재하는 crosslinked pNIPAM의 온도가 상승되면서 입체 구조 전이(conformational transition) 현상이 발생된다. 상기 정보 표시층은 근적외선 레이저를 조사하고 ~1초가 지난 시점부터 crosslinked pNIPAM의 입체 구조 전이가 일어나며 가시적으로 하얗게 변하는 패턴이 형성되는 것을 확인할 수 있다. 또한, 상기 정보 표시층은 이후에 근적외선 레이저의 조사를 중단한 후에 하얀 패턴이 사라지면서 다시 투명하게 되는 것을 확인할 수 있다. 상기 스마트 윈도우 디스플레이는, 도 8에서 보는 바와 같이, 흡수 발열층이 각각 CR70 또는 CR20으로 형성되는 경우에 모두 뒤에 위치한 배경의 글자들이 선명히 인식되는 것을 확인할 수 있다.
상기 정보 표시층을 형성하는 crosslinked pNIPAM은, 도 9에서 보는 바와 같이, 물과 함께 순차적으로 투입되는 NIPAM와 BIS, TEMED 및 APS들의 반응에 의하여 형성될 수 있다. 상기 crosslinked pNIPAM은 반응 과정에서 가교제 첨가를 통해 열감응성을 높일 수 있으며, 가교 반응의 비율이 증가할수록 가열/냉각 싸이클동안 하부 임계 공용 온도의 히스테리시스(hysteresis)가 감소할 수 있다. 상기 pNIPAM은 가교반응 없이 자유 라디칼 중합으로 합성한 pNIPAM 만으로도 하부 임계 공용 온도인 32℃에서 입체 구조 전이가 나타나는 것으로 확인된다. 다만, 가열/냉각 싸이클동안 하부 임계 공용 온도에서 crosslinked pNIPAM의 전이가 가교제를 첨가하지 않은 pNIPAM 보다 더 균일해질 수 있다.
따라서, 상기 crosslinked pNIPAM은 열감응성을 최대로 높이기 위해 모노머인 N-isopropylacrylamide(NIPAM)의 10mol%에 해당하는 가교제를 첨가하여 하부 임계 공용 온도가 32℃로 되도록 하였다. 상기 가교제의 비율이 너무 높으면 자체 투명도도 감소할 뿐만 아니라 큰 분자량에 의해 코일-구형 전이(coil-to-global transition)가 느려져, 결과적으로는 열감응성이 감소할 수 있다.
상기 스마트 윈도우 디스플레이는, 도 10에서 보는 바와 같이, 하이드로겔 상태의 crosslinked pNIPAM과 CR70으로 형성되는 경우 온도가 23.3℃에서 31.4℃로 증가함에 따라 400 ~ 800nm의 가시광 영역에서의 투과율이 27.87 ~ 50.81%에서 0.73 ~ 15.30%로 낮아졌다. 또한, 상기 스마트 윈도우 디스플레이는, 도 11에서 보는 바와 같이, crosslinked pNIPAM과 CR20으로 형성되는 경우에 온도가 25.7℃에서 30.2℃로 증가함에 따라 400 ~ 800 nm의 가시광 영역에서의 투과율이 4.56 ~ 29.75%에서 0.02-0.63%로 낮아졌다 따라서, 상기 스마트 윈도우 디스플레이는 CR70과 CR20의 근적외선 레이저 흡수율 및 흡수에 따른 발열 특성으로 인해 온도에 따른 crosslinked pNIPAM의 투과도 변화율에는 차이가 발생한다. 다만, 상기 스마트 윈도우 디스플레이는 투과도 변화율에 차이가 발생하더라도 crosslinked pNIPAM의 분자 사슬이 응집되고 시각적으로 하얗게 보이게 되는 현상이 동일하게 나타나는 것을 확인할 수 있다.
다음은 본 발명의 스마트 윈도우 디스플레이에서 정보 표시층의 두께에 따른 평가 결과를 설명한다.
상기 정보 표시층은 각각 340μm (NTD-1), 420μm (NTD-2), 610μm (NTD-3), 730μm (NTD-4)로 형성하였다. 상기 정보 표시층은 하이드로겔 상태의 crosslinked pNIPAM으로 제조하였다. 또한, 상기 흡수 발열층은 CR70과 CR20으로 각각 형성하였다. 본 평가에서는 근적외선 레이저를 조사한지 30초되는 시점에서 이미지를 촬영하였다. 이하에서 도 12 내지 도 14는 흡수 발열층이 CR70으로 형성된 스마트 윈도우 디스플레이에 대한 결과이다. 또한, 도 15내지 도 17은 흡수 발열층이 CR20으로 형성된 스마트 윈도우 디스플레이에 대한 결과이다.
상기 스마트 윈도우 디스플레이는, 도 12에서 보는 바와 같이, 근적외선 레이저가 조사되는 영역의 온도가 증가하여 라인 패턴(대략 폭: 4mm, 길이 20mm)이 형성되는 것을 확인할 수 있다. 또한, 상기 스마트 윈도우 디스플레이는, 도 13에서 보는 바와 같이, 별표가 표시된 지점에서의 온도가 각각 56.93℃(NTD-1), 47.92℃(NTD-2), 44.11℃(NTD-3), 41.26℃(NTD-4)로 측정되었다.
상기 crosslinked pNIPAM로 형성되는 정보 표시층은 두께가 두꺼워질수록 근적외선 레이저가 조사된 영역에서 발생하는 온도가 낮아짐을 알 수 있다. 상기 정보 표시층의 조사 영역이 온도가 낮아지는 것은 하이드로겔 형태의 crosslinked pNIPAM에 포함되어 있는 물의 량과 관련이 있다. 즉, 상기 하이드로겔 형태의 crosslinked pNIPAM은 두께가 두꺼운 경우에 물의 량이 두께가 얇은 경우에 포함되는 물의 량보다 많기 때문에 발열 온도가 낮은 것으로 판단된다.
또한, 상기 스마트 윈도우 디스플레이는, 도 14에서 보는 바와 같이, 근적외선 레이저가 조사된 후 30초가 되는 시점에서의 라인 패턴 이미지의 밝기는 148.81 (NTD-1), 144.04 (NTD-2), 152.86 (NTD-3), 130.42 (NTD-4) cd/m2로 측정되었다. 상기 스마트 윈도우 디스플레이는 NTD-1와 NTD-2와 NTD-3의 경우는 ±2.7% 편차로 비슷한 라인 패턴 이미지 밝기를 보였다. 다만, 레이저 조사가 멈춘 후 시각적으로 인식되는 라인 패턴 이미지가 완전히 사라지는 시점의 경우를 보면, NTD-1은 30초가 지나도 완전히 사라지지 않았으며, NTD-2와 NTD-3와 NTD-4에서 패턴이 사라지기까지의 소요 시간(relaxation time)은 대략 23초였다. 그 이유는 측정된 온도는 41.26 ~ 56.93℃으로서, 하부 임계 공용 온도인 30 ~ 32℃에 비해 높기 때문에 하부 임계 공용 온도이하의 온도로 떨어지는데 오래걸리는 것으로 판단된다.
상기 스마트 윈도우 디스플레이는, 도 15에서 보는 바와 같이, 근적외선 레이저가 조사되는 영역의 온도가 증가하여 라인 패턴(대략 폭: 4mm, 길이 20mm)이 형성되는 것을 확인할 수 있다. 또한, 상기 스마트 윈도우 디스플레이는, 도 16에서 보는 바와 같이, 별표가 표시된 지점에서의 온도가 각각 51.94℃(NTD-1), 43.26℃(NTD-2), 37.54℃(NTD-3), 34.07℃(NTD-4)로 측정되었다. 또한, 상기 스마트 윈도우 디스플레이는, 도 17에서 보는 바와 같이, 근적외선 레이저가 조사된 후 30초가 되는 시점에서의 라인 패턴 이미지의 밝기는 66.63 (NTD-1), 83.16 (NTD-2), 89.48 (NTD-3), 64.07 (NTD-4) cd/m2로 측정되었다. 상기 crosslinked pNIPAM의 두께가 610μm인 NTD-3에서 가장 밝은 밝기를 보였다. 그 이유는 레이저 조사된 후 30초가 되는 시점에서 NTD-1 및 NTD-2의 온도가 각각 51.94℃ 및 43.26℃까지 상승하여 crosslinked pNIPAM이 갈라지는 현상을 발생시켜 패턴이 명확히 형성되지 않기 때문이다. 반면 NTD-3 및 NTD-4의 온도는 각각 37.54℃ 및 34.07℃로 비교적 낮은 온도로, 안정적으로 입체 구조 전이(conformational transition)가 가능하기 때문에 패턴이 명확히 형성되었다. 다만, NTD-3의 측정 온도가 NTD-4에 비해 높게 나오는 것은 crosslinked pNIPAM에 포함된 물의 양이 적어 열이 더 잘 전달되기 때문이다. 결과적으로 더 많은 입체 구조 전이가 발생하고 crosslinked pNIPAM의 갈라지는 현상이 발생하지 않는 NTD-3에서 가장 밝은 하얀색을 띄게 되었다.
또한, 상기 스마트 윈도우 디스플레이에서 한 개의 영역에 레이저 조사가 누적되어도 crosslinked pNIPAM의 패턴이 정상적으로 형성되는지를 확인하기 위해 3가지 다른 두께들 (NTD-1, NTD-2, NTD-3)을 가진 crosslinked pNIPAM으로 구성된 스마트 윈도우 디스플레이 소자들에 선패턴 형태로 레이저를 조사하면서 선 패턴 모양을 관찰하였다, 상기 근적외선 레이저는 첫번째 조사후 30초 후에 두번째 레이저를 조사하였다. 도 18의 (a)에서 보는 바와 같이 NTD-1에서 첫 번째 하얀색 라인 패턴의 중심부에 하얀색으로 변하지 않는 어두운 영역이 생기고, 두번째 하얀색 라인 패턴에서는 어두운 영역이 더 넓게 형성되는 것을 볼 수 있다. 이는 crosslinked pNIPAM에 열이 누적되면서 균열이 생기기 현상이 발생하기 때문이다. 도 18의 (b)에서 보는 바와 같이 NTD-2에서 첫번째에서는 하얀색 라인 패턴에 균열이 없어 보이지만, 두번째부터 하얀색 라인패턴 중심에 어두운 색으로 보이는 균열이 발생하였다. 이와 같이 crosslinked pNIPAM에 균열이 발생하는 이유는 레이저 반복 조사에 의해 누적된 열로 인해 crosslinked pNIPAM에 순간적인 갈라지는 현상이 발생하기 때문이다. 한편, 온도를 낮춘 후에 다시 하부 임계 공용 온도이상으로 상승시키면 crosslinked pNIPAM이 다시 하얗게 변하게 되며 crosslinked pNIPAM에 영구적인 손상이 발생한 것은 아니라고 판단된다. 또한, 도 18의 (c)에서 보는 바와 같이 NTD-3에서 첫번째 및 두번째 라인 모두 균일한 밝기를 보였다. 이는 crosslinked pNIPAM의 두께가 얇아짐에 따라 crosslinked pNIPAM에 열이 축적되기 전에 빠르게 방출되기 때문이다. NTD-4의 경우도 NTD-3과 같이 균일한 라인을 형성시킬 수 있었다. 다만, 라인의 밝기 측면에서 NTD-3이 NTD-4보다 높기 때문에, 반복적인 레이저 조사에도 안정적인 발광특성 및 높은 밝기 특성을 보이는 NTD-3가 정보제공 능동형 윈도우 디스플레이 소자로 제일 적합하였다.
또한, 상기 스마트 윈도우 디스플레이에서 이미지 패턴들이 안정적으로 turn-on, turn-off되는 특성을 평가하였다. 따라서, 상기 스마트 윈도우 디스플레이에서 crosslinked pNIPAM (NTD-3)/CR20를 적용한 윈도우 디스플레이를 이용하여 "라인 패턴이 형성되어 가시적으로 명확히 보이는 시간 (timage-on)" 및 "라인 패턴이 완전히 사라지는 시간 (timage-off)"을 변경해 가면서 안정적인 패턴 이미지가 형성되는지를 확인하였다, 도 19에서 보는 바와 같이 패턴은 20mm의 직선형이며, 근적외선 레이저의 파워, 속도, 반복 주기는 7.5kW, 2000mm/s, 20kHz였다. 평가에서 사람의 눈으로 하얀색 패턴 이미지를 명확히 확인하기 위해서는 최소 5초 이상의 레이저 조사가 필요하였다. "timage-on"을 5초로 고정하고, "timage-off "을 5초 또는 7초로 하였을 때는 패턴이 완전히 사라지기 전에 레이저가 다시 조사됨에 따라 열이 누적되면서 패턴 중첩 현상이 발생하였다. "timage-off"을 8초로 하였을 때는, 라인 패턴이 초기에는 안정적으로 보였지만, 시간이 지날수록 열이 누적되면서 패턴 중첩 현상이 발생하였다. 반면 "timage-on"을 5초로 하고, "timage-off"을 10초 이상으로 하였을 때부터는 해당 패턴영역이 충분히 식을 수 있는 시간을 제공할 수 있어 안정적인 온도 및 발광 패턴 형성이 가능하였다. 또한 "timage-on"을 10 초 및 20초로 늘리더라도 "timage-off"을 10초 이상으로 할 경우, 안정적으로 반복적인 온도 및 발광 패턴 형성이 가능함을 확인하였다. 이에 CR20 및 NTD-3을 적용한 윈도우 디스플레이의 경우, 안정적인 반복패턴을 형성하기 위해서는 최소 5초의 레이저 조사시간 및 최소 10초 이상의 휴식시간이 주어져야만 했다.
또한, 상기 스마트 윈도우 디스플레이가 구동될 때 표시되는 정보에 대하여 확인하였다. 도 20의 (a)에서 보는 바와 같이 평면 형태를 가지는 스마트 윈도우 디스플레이는 Crosslinked pNIPAM (NTD-3)/CR20(b) 및 crosslinked pNIPAM (NTD-3)/CR70 (c) 구조를 가지며 50 Х 50 mm2 크기의 제작하였다. 도 20의 (d)에서 보는 바와 같이, 곡면(곡률반경 15 mm) 형태를 가지는 스마트 윈도우 디스플레이(d)는 Crosslinked pNIPAM (NTD-3)/CR20(e) 및 crosslinked pNIPAM (NTD-3)/CR70 (h) 구조를 가지며 50 Х 50 mm2 크기의 제작하였다. 상기 스마트 윈도우 디스플레이는, 평면 또는 곡면 형태를 가지는 경우에 하얀색의 다양한 이미지(별, 태극, 천사날개, 글자))와 글자를 형성시킬 수 있었다. 또한, 상기 스마트 윈도우 디스플레이는 높은 투명도로 뒷 배경의 프린트 된 red, green, and blue 색으로 프린트된 "transparent" 글자가 명확하게 보였다. 상기 스마트 윈도우 디스플레이 구동을 위해 사용된 근적외선 레이저의 조사 조건 (power, speed, and repetition)은 10.5 kW, 2000 mm/s, and 20 kHz였다.
또한, 도 20의 (g)에서 보는 바와 같이, 스마트 윈도우 디스플레이 표면에 넓은 면 발광을 시킨 후 프로젝터를 이용하여 표면에 다양한 칼라 이미지를 구현시킬 수 있었다. 또한, 도 20의 (h)와 (i)에서 보는 바와 같이, 스마트 윈도우 디스플레이의 중앙에 45 Х 30 mm2 크기의 불투명한 하얀색 면을 형성하고 그 위에 빔프로젝터를 이용하여 다양한 프로젝션 이미지들 (RGB 픽셀 패턴, 오렌지쥬스 그림과 글자, 사과 이미지)를 형성시킬 수 있었다.
지금까지 본 발명에 대하여 도면에 도시된 바람직한 실시예들을 중심으로 상세히 살펴보았다. 이러한 실시예들은 이 발명을 한정하려는 것이 아니라 예시적인 것에 불과하며, 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 전술한 설명이 아니라 첨부
100: 스마트 윈도우 디스플레이
110: 제 1 기판 120: 흡수 발열층
130: 제 2 기판 140: 정보 표시층
150: 밀봉링
110: 제 1 기판 120: 흡수 발열층
130: 제 2 기판 140: 정보 표시층
150: 밀봉링
Claims (10)
- 제 1 면과 제 2 면을 구비하며 투명한 재질로 형성되는 제 1 기판과,
제 1 면과 제 2 면을 구비하며, 상기 제 1 기판의 제 2 면에 형성되며 적외선 또는 근적외선을 흡수하여 발열하는 흡수 발열층과,
제 1 면과 제 2 면을 구비하고 투명한 재질로 형성되며 상기 제 1 면이 상기 흡수 발열층의 제 2면과 소정 거리로 이격되어 충진 공간을 형성하는 제 2 기판 및
열에 의하여 투명 상태와 불투명 상태로 가역적으로 변환되는 정보 표시 물질이 상기 충진 공간에 충진되어 형성되는 정보 표시층을 포함하는 것을 특징으로 하는 스마트 윈도우 디스플레이. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 기판과 제 2 기판은 평면 또는 곡면으로 형성되는 것을 특징으로 하는 스마트 윈도우 디스플레이. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 기판과 제 2 기판은 유리 기판 또는 수지 필름으로 형성되는 것을 특징으로 하는 스마트 윈도우 디스플레이. - 제 3 항에 있어서,
상기 수지 필름은 폴리에틸렌 나프탈레이트 (Polyethylene Naphthalate; PEN), 폴리이미드 (Polyimide), 폴리에틸렌테레프탈레이트 (Ployethylene Terephthalate; PET), 폴리에틸렌에테르프탈레이트 (polyethylene ether phthalate), 폴리카보네 이트 (polycarbonate), 폴리아릴레이트 (polyarylate), 폴리에테르이미드 (polyether imide), 폴리에테르술폰산 (polyether sulfonate), 폴리이미드 (polyimide) 및 폴리아크릴레이트(polyacrylate)에서 선택되는 어느 하나의 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 스마트 윈도우 디스플레이. - 제 1 항에 있어서,
상기 흡수 발열층에 코팅된 흡수 발열 물질은 적외선 및 근적외선을 흡수 또는 반사하는 역할을 하는 무기산화물 (Zn, Cu, Sn, Ni, Pt, Sb, Mo의 산화물 또는 ITO, CTO) 또는 적외선 및 근적외선을 흡수하는 유기염료(시아닌계, 디이모늄계, 니켈금속착체 또는 디카복시마이드계 유기 염료에서 선택되는 어느 하나의 물질)에서 선택되는 어느 하나의 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 스마트 윈도우 디스플레이. - 제 1 항에 있어서,
상기 정보 표시층은 10 ~ 10,000㎛의 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 스마트 윈도우 디스플레이. - 제 1 항에 있어서,
상기 정보 표시 물질은 모노머(monomer)인 N-isopropylacrylamide(NIPAM)와 가교제(crosslinker)와 촉매(catalyst)와 개시제(initiator) 및 물을 포함하는 것을 특징으로 하는 스마트 윈도우 디스플레이. - 제 7 항에 있어서,
상기 가교제는 N,N'-methylenebis(acrylamide)(BIS)이며, 상기 촉매는 N,N,N'N'-Tetramethylethylenediamine(TEMED)이며, 상기 개시제는 ammonium peroxydisulfate (APS)인 것을 특징으로 하는 스마트 윈도우 디스플레이. - 제 1 항에 있어서,
상기 정보 표시 물질은 에스터, 알코올 및 아마이드계에서 선택되는 어느 하나의 작용기를 포함하는 열감응성 고분자와 물을 포함하는 하이드로겔인 것을 특징으로 하는 스마트 윈도우 디스플레이. - 제 1 항에 있어서,
상기 스마트 윈도우 디스플레이는 상기 흡수 발열층의 제 2 면과 상기 제 2 기판의 제 1 면 사이에서 가장 자리를 따라 링 형상으로 형성되어 상기 정보 표시층의 외측면을 밀봉하는 밀봉링을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스마트 윈도우 디스플레이.
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| KR20130044245A (ko) * | 2010-06-01 | 2013-05-02 | 라벤브릭 엘엘씨 | 다기능 건축 부품 |
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