WO2022103099A1 - 스마트 윈도우용 광투과 조절 패널 및 이를 구비하는 차량용 스마트 윈도우 - Google Patents

스마트 윈도우용 광투과 조절 패널 및 이를 구비하는 차량용 스마트 윈도우 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a light transmission control device, and more particularly, to a light transmission control panel for a smart window that can implement a light blocking mode and a transmission mode.
  • a smart window refers to a window that can freely adjust the transmittance of sunlight, and is also called an electronic curtain, variable transmittance glass, or dimming glass.
  • the smart window is an active product that can artificially control light transmittance, etc. to solve these conventional problems, and is currently recognized as one of the next-generation products in the glass field.
  • Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-1998-038075 discloses a light-shielding film that blocks external light using a liquid crystal display and a device that blocks sunlight transmitted into the room with a power switch.
  • Korean Patent Application Laid-Open No. 10-1998-038075 has a light transmittance of 10% or less as two polarizing plates are used, and thus, it is difficult to secure a driver's field of vision, so it is difficult to apply it to a smart window for a vehicle.
  • Korean Patent Nos. 10-2097815 and 10-2010760 disclose a light transmittance variable device using a polarizing plate and liquid crystal, and Korean Patent No. 10-1396235 uses two polarizing plates to automatically or manually control transmittance Disclosed is a device having a function of
  • Such a conventional light transmittance control device basically uses a polarizing plate, requires liquid crystal alignment, and requires spacer insertion and liquid crystal layer sealing for adjusting the upper and lower plate spacing, and these factors ultimately affect light transmittance, viewing angle and There was a problem in that it leads to a decrease in haze characteristics, and the manufacturing cost increases as the number of processes increases.
  • the present invention is to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a light transmittance control panel for a smart window capable of actively adjusting light transmittance as needed, and a smart window for a vehicle having the same.
  • the present invention can omit the polarizing plate, liquid crystal alignment (alignment film), spacer insertion, and sealing process required in the conventional liquid crystal-based light transmittance control device, thereby dramatically simplifying the manufacturing process and greatly improving the light blocking performance. It is an object of the present invention to provide a light transmission control panel for a smart window capable of realizing performance conforming to the optical characteristics required for a smart window for a vehicle, and a smart window for a vehicle having the same.
  • a light transmission control panel for a smart window for achieving the above object, a first substrate formed on one surface of the first electrode; a second substrate having a second electrode formed on one surface thereof; and a liquid crystal capsule layer provided between the first substrate and the second substrate.
  • the liquid crystal capsule layer a plurality of nano liquid crystal capsules; and a polymer matrix in which the plurality of nano liquid crystal capsules are disposed.
  • the nano liquid crystal capsule may include a core material including a plurality of liquid crystals having positive dielectric anisotropy and a dichroic dye; and a shell material forming an outer wall of the core material.
  • the average particle size of the plurality of nano liquid crystal capsules is 50 nm to 200 nm.
  • the dichroic dye is composed of 2.0 to 12.0 wt% based on the total weight of the core material.
  • the refractive index anisotropy ( ⁇ n) of the liquid crystal is 0.01 to 0.18.
  • the plurality of liquid crystals are arranged in various directions in a state in which no voltage is applied, and preferably may be arranged radially.
  • the light transmission control panel According to the light transmission control panel according to the present invention, it is possible to realize a very high light blocking rate, and also to satisfy the light characteristics essential for a smart window for a vehicle.
  • the light transmission control panel according to the present invention there is an effect that can implement more improved viewing angle characteristics and intermediate gray (Gray) driving characteristics compared to the conventional light transmission control device.
  • the light transmission control panel it is possible to omit the polarizing plate, liquid crystal alignment (alignment film), spacer insertion and sealing process, etc. required for the conventional liquid crystal-based light transmittance control device, so that the manufacturing process can be dramatically simplified, There is an effect that can greatly reduce the manufacturing cost.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a light transmission control panel for a smart window according to the present invention.
  • Figure 3 (a) is a scanning electron microscope (SEM) photograph of analyzing the surface of the liquid crystal capsule layer according to the present invention.
  • Figure 3 (b) is analysis data showing the particle size distribution of the nano liquid crystal capsule of Figure 3 (a).
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing the liquid crystal arrangement of the nano liquid crystal capsule according to the present invention.
  • 5 is a contour chart measuring the bidirectional light transmission function of the light transmission control panel for a smart window according to the present invention.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing the light blocking mode operation of the light transmission control panel for a smart window according to the present invention.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view showing the transmission mode operation of the light transmission control panel for a smart window according to the present invention.
  • FIG. 8 is a process flow chart showing a method of manufacturing a light transmission control panel for a smart window according to the present invention.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view of a smart window for a vehicle having a light transmission control panel of the present invention.
  • dichroic dye 15 shell material
  • first electrode 50 second substrate
  • on or on top of means to be located above or below the target part, which does not necessarily mean to be located above with respect to the direction of gravity. That is, the term “on or on top of” referred to in the present specification includes not only cases located above or below the target part, but also cases located in front or behind the target part.
  • a component when referred to as “connected” or “connected” with another component, the component may be directly connected or directly connected to the other component, but in particular It should be understood that, unless there is a description to the contrary, it may be connected or connected through another element in the middle.
  • the present invention particularly relates to a light transmission control panel for a smart window that is attached to a window of a vehicle and can selectively drive a light blocking mode for blocking light incident to the window and a transmission mode for transmitting incident light.
  • the present invention relates to a light transmission control panel for a smart window that can significantly increase the light blocking rate and sufficiently secure the light transmittance and visibility in the front/side/rear/top (sunroof) direction of the vehicle driver.
  • a light transmission control panel for a smart window according to the present invention includes a first substrate 30 , a first electrode 40 , a second substrate 50 , a second electrode 60 , and a liquid crystal capsule layer. (100).
  • the first substrate 30 is a thin plate body made of a transparent material, and may be formed of a plastic substrate as well as a glass substrate.
  • the first substrate 30 is formed of a plastic substrate, preferably the first substrate 30 is triacetylcellulose (TAC), polyimide (PI), polyethersulfone (PES), polyethylene terephthalate ( PET), polyethylene naphthalate (PEN), and polyarylate (PAR) may be formed of at least one selected from the group consisting of.
  • TAC triacetylcellulose
  • PI polyimide
  • PES polyethersulfone
  • PET polyethylene terephthalate
  • PEN polyethylene naphthalate
  • PAR polyarylate
  • the first electrode 40 is a conductive material formed on one surface of the first substrate 30 , and forms a vertical electric field together with the second electrode 60 , and may preferably be formed of a transparent conductive material.
  • the first electrode 40 is indium tin oxide (ITO, Indium Tin Oxide), indium zinc oxide (IZO, Indium Zinc, Oxide), zinc oxide (Zinc Oxide), tin oxide (Tin Oxide), It may be formed of at least one selected from fluorine-doped tin oxide (FTO), silver nanowire (Ag NW), graphene, and PEDOT:PSS.
  • ITO Indium Tin Oxide
  • IZO Indium Zinc, Oxide
  • Zinc Oxide zinc oxide
  • Tin Oxide tin oxide
  • FTO fluorine-doped tin oxide
  • Ag NW silver nanowire
  • graphene graphene
  • PEDOT:PSS PEDOT:PSS
  • the first electrode 40 may be formed in the form of a thin film on the upper surface of the first substrate 30 in a vacuum state through a deposition or sputtering process.
  • the second substrate 50 is made of a thin plate made of a transparent material, and may be formed of a plastic substrate as well as a glass substrate.
  • the second electrode 60 is a conductive material formed on one surface of the second substrate 50 and forms a vertical electric field together with the first electrode 40 .
  • the second electrode 60 may be formed of a transparent conductive material.
  • the liquid crystal capsule layer 100 is formed between the first substrate 30 and the second substrate 50 to transmit or block most of the incident light, thereby controlling the transmittance of the incident light.
  • the liquid crystal capsule layer 100 may have a thickness of 5.0 to 15.0 ⁇ m, preferably 8.0 to 12.0 ⁇ m.
  • the thickness of the liquid crystal encapsulation layer 100 is less than 5 ⁇ m, durability is greatly reduced, and when it exceeds 15.0 ⁇ m, haze and light transmission characteristics are greatly reduced, making it unsuitable for a smart window.
  • the liquid crystal capsule layer 100 includes a plurality of nano liquid crystal capsules 10 and a polymer matrix 20 in which the plurality of nano liquid crystal capsules 10 are disposed.
  • the nano liquid crystal capsule 10 is made of a core material 11 and 13 and a shell material 15 .
  • the core material includes a plurality of liquid crystals 11 and a dichroic dye 13 .
  • the shell material 15 forms the outer wall of the core material.
  • the liquid crystal 11 of the nano liquid crystal capsule 10 has optical isotropy when no voltage is applied, and optical anisotropy proportional to the square of the electric field E when voltage is applied.
  • the liquid crystal of the core material may be formed of at least one selected from nematic, smectic, cholesteric, and chiral smectic, and is preferably composed of nematic liquid crystal.
  • the dichroic dye 13 of the core material has dichroism with a large difference in absorbance in the long-axis direction and the short-axis direction of the molecule, dyeability with high affinity for the liquid crystal, which is a host material, and interlocks with the arrangement of liquid crystals according to voltage application Thus, it is possible to use a material having an orientation that can be easily arranged, and a durability that can be sufficiently endured under the manufacturing process and conditions of use.
  • the dichroic dye 13 may be made of a dye having a color, and may include black, red, green, blue, yellow, magenta, and cyan. ) may have any one color or may have a color consisting of a mixture thereof.
  • the light transmission control panel of the present invention may be installed in a vehicle window.
  • the light transmittance control panel should maximize the light transmittance control effect and prevent light in a specific wavelength band from being reflected by the dichroic dye 13 and obstructing the driver's view in the transmission mode.
  • the dichroic dye 13 is preferably formed of a black dye 13 .
  • the shell material 15 initially surrounds the outer surface of the core material in the form of a spherical droplet, and the core material is present in a state trapped inside the shell material 15 .
  • the shell material 15 may be largely formed of a water-soluble polymer or a fat-soluble polymer.
  • the shell material 15 when the shell material 15 is formed of a water-soluble polymer, polyvinyl alcohol (Polyvinyl alcohol, PVA), starch (Starch), carboxyl methyl cellulose (Carboxyl methyl cellulose, CMC), methyl Among Methyl cellulose, Ethyl cellulose, Polyvinyl pyrrolidone, Gelatin, Alginate, Casein and Gum Arabia It can be formed with at least one selected.
  • the shell material 15 when the shell material 15 is formed of a fat-soluble polymer, polymethylmethacryate (PMMA), polyurea (Polyurea), polyurethane (Polyurethane), urea formaldehyde (Urea formaldehyde, UF) ), melamine formaldehyde (Melamine formaldehyde, MF) may be formed with at least one selected from among amino (Amino) resins.
  • PMMA polymethylmethacryate
  • Polyurea Polyurea
  • Polyurethane Polyurethane
  • Urea formaldehyde, UF urea formaldehyde
  • melamine formaldehyde melamine formaldehyde, MF
  • the shell material 15 ie, the outer wall
  • the shell material 15 may be formed in a double shell structure.
  • different kinds of shell materials are configured to form an inner shell and an outer shell.
  • the double shell structure has superior solvent resistance and ease of control of anchoring energy of liquid crystal molecules compared to the single shell structure.
  • the inner shell material may be formed of at least one selected from a water-soluble polymer having a soft property, for example, gelatin, arabic gum, and polyvinyl alcohol.
  • the outer shell material may be formed of at least one selected from amino resin, polyamide-epichlorohydrin resin, and formaldehyde resin, which are oil-soluble polymers. .
  • these nanocapsules can be manufactured using complex coacervation, membrane emulsification, in-situ polymerization, interfacial polymerization, and the like.
  • the polymer matrix 20 of the present invention is constrained so that a plurality of nano liquid crystal capsules 10 can be fixed in a dispersed state therein.
  • the polymer matrix 20 provides a binder function for fixing the nano liquid crystal capsules 10 in a dispersed state on the first substrate 30 .
  • the polymer matrix 20 may be largely formed of a water soluble polymer binder or a water dispersible binder.
  • Water-soluble polymer binder is polyvinyl alcohol (Polyvinyl alcohol, PVA), starch (Starch), methoxy cellulose (Methoxy cellulose), hydroxy ethyl cellulose (Hydroxy ethylcellulose), carboxyl methyl cellulose (Carboxyl methyl) cellulose, CMC), methyl cellulose, ethyl cellulose, polyacrylate soda, acryl amide/acrylate copolymer, acrylamide/ Acryl amide/acrylate/methacrylic acid terpolymer, Polyacrylamide, Alginate soda, Polyvinyl pyrrolidone, Gelatin, Algi It may be at least one selected from nate (Alginate), casein (Casein), and gum Arabia (Gum Arabia).
  • Water-dispersible binders are Alkyd resin, Polyamide epichlorohydrin resin, Polyurethane resin, Urea-formaldehyde resin, Melamine-formaldehyde resin formaldehyde resin), melamine-urea-formaldehyde resin, acrylate copolymer latex, styrene/butadiene copolymer latex, tyrene/butadiene/acrylic copolymer Latex (Styrene/butadiene/acryl copolymer latex), Vinyl acetate resin emulsion, Vinyl acetate/acrylate copolymer emulsion, Styrene/acrylate copolymer emulsion ( Styrene/acrylate copolymer emulsion) and acrylate resin emulsion (Acrylate resin emulsion) may be formed with at least one selected from the group consisting of.
  • the liquid crystal capsule layer 100 is prepared by mixing a plurality of nano liquid crystal capsules 10 with a polymer binder to prepare a coating solution, which is then applied to the first substrate 30 on which the first electrode 40 is formed. It can be formed by coating on and curing.
  • FIG. 8 is a process flowchart illustrating a method of manufacturing a light transmission control panel for a smart window according to the present invention.
  • a first substrate 30 having a first electrode 40 formed on one surface and a second substrate 50 having a second electrode 60 formed on one surface are prepared (FIGS. 8(a), (b)) reference).
  • a coating solution in which a plurality of nano liquid crystal capsules 10 and a polymer binder are mixed is coated on the first substrate 30 (see FIGS. 8(c) and (d)).
  • bar coating, slot-die coating, knife coating, or the like may be applied as a method of coating the coating solution on the first substrate 30 .
  • the first substrate 30 and the second substrate 50 are bonded through a hot lamination process (see FIG. 8(e)).
  • the roll temperature of the hot lamination process is preferably set to 90 ⁇ 180 °C. This is because, when the roll temperature is higher than 180° C., wrinkles are generated on the first and second substrates made of plastic material, and when the roll temperature is lower than 90° C., the adhesion force may be lowered in the bonding process of the first and second substrates.
  • the liquid crystal capsule layer 100 is disposed between the first substrate 30 on which the first electrode 40 is formed and the second substrate 50 on which the second electrode 60 is formed, as shown in FIG. 8(f). ) interposed light transmission control panel is completed.
  • the smart window for a vehicle should be designed to have optical characteristics that can ensure safe driving of the driver, considering that the installation target is a car. If the light characteristics of the smart window are bad, it may interfere with the driver's driving of the vehicle, which may lead to an automobile safety accident.
  • the optical characteristic that can ensure the driver's safe driving means a characteristic that can ensure sufficient visibility in the front and side directions of the driver (hereinafter, referred to as a 'required optical characteristic').
  • the required optical characteristic may be a minimum light transmittance, haze characteristic, and viewing angle characteristic that must be ensured in the transmission mode.
  • the smart window for a vehicle should be able to sufficiently implement the light blocking characteristics along with the required light characteristics for its purpose. For example, in the case of a rear seat window and a sunroof on the upper surface that are irrelevant to securing the driver's visibility, such a light blocking characteristic may be further required.
  • the required optical characteristics of a smart window for a vehicle should be capable of realizing a light transmittance of about 30% or more in the transmission mode, and at the same time have a haze characteristic of less than 7.0%, and an excellent viewing angle characteristic.
  • the haze is a characteristic related to opacity, and the lower the value, the better the optical characteristic.
  • the excellent viewing angle characteristic refers to a characteristic in which the light transmittance in the front direction and the side direction of the smart window is almost the same when looking at the smart window.
  • the smart window for a vehicle has value as a product when it can sufficiently secure the transmittance and visibility of the vehicle driver in the front/side/rear/top direction in the transmission mode, and at the same time realize a high light blocking rate in the light blocking mode.
  • the high light blocking rate means a light transmittance of about 10% or less.
  • the light transmittance control panel of the present invention can implement a much higher light blocking rate than the conventional liquid crystal-based light transmittance control device in the light blocking mode, and also implement the light transmittance that meets the required light characteristics in the transmission mode.
  • the light transmission control panel of the present invention can implement more improved haze characteristics, viewing angle characteristics, and intermediate gray characteristics compared to the conventional light transmission control device.
  • the above-described optical performance of the light transmission control panel according to the present invention is the size of the nano liquid crystal capsule 10, the concentration of the dichroic dye 13, the refractive index anisotropy ( ⁇ n) value of the liquid crystal, and the arrangement of the liquid crystal. It is realized by organically combining. Hereinafter, this will be described in detail.
  • a plurality of nano liquid crystal capsules 10 constituting the liquid crystal capsule layer 100 are formed to have an average particle size of 50 nm to 200 nm.
  • the plurality of nano liquid crystal capsules 10 have a particle size distribution of various sizes, and the average value (ie, average particle size) of various particle sizes of these nano liquid crystal capsules 10 is configured to be included in 50 nm to 200 nm.
  • nano liquid crystal capsules 10 are disposed to be dispersed in the polymer matrix 20 at a filling rate of 30 to 70%.
  • the nano liquid crystal capsule 10 is formed to have the same size and filling rate, thereby expressing differentiated optical properties compared to the conventional liquid crystal.
  • Figure 2 is a comparative experimental example of the nano-emulsion and the micro-emulsion
  • the sample contained in the vial bottle on the left of Figure 2 is a nano-emulsion (Nano Emulsion) in which the nano liquid crystal capsule 10 is transformed to an average diameter size of 100 nm.
  • the sample contained in the right vial bottle is a micro emulsion composed of liquid crystal capsules having an average diameter size of 1.0 ⁇ m.
  • the nano-emulsion sample on the left looks transparent, while the micro-emulsion sample on the right looks white and opaque.
  • the inventor of the present invention can confirm the fact that, through a comparative experiment as shown in FIG. 2, light is scattered when passing through the medium depending on the size of the particles contained in the medium, or passes as it is without any influence. there was.
  • the liquid crystal capsule when the liquid crystal capsule is formed in a nano size smaller than the wavelength of visible light (specifically, the average diameter size is smaller than 1/4 of the maximum wavelength of visible light), it can be seen that part of the visible light incident on the sample is completely transmitted.
  • the nano liquid crystal capsule 10 is formed with an average diameter size of 100 nm or less, scattering hardly occurs, it can be seen that most of the incident light is transmitted as it is.
  • FIG. 3 (a) is a scanning electron microscope (SEM) photograph of the surface of the nano liquid crystal layer according to the present invention, and those dispersed in the form of a plurality of holes correspond to the nano liquid crystal capsule 10 of the present invention. do.
  • Figure 3 (b) is analysis data showing the particle size distribution of the nanocapsules of Figure 3 (a).
  • the reason that the size of the nano liquid crystal capsules 10 is not constant and appears variously is that the size of the nano liquid crystal capsules 10 has a certain size particle size distribution.
  • the average particle size of the nano liquid crystal capsules 10 is about 120 nm, some small-sized nano liquid crystal capsules are about 80 nm, and some Large-sized nanocapsules have a particle size distribution composed of about 300 nm.
  • nano-liquid crystal capsules 10 are not attached to each other or are concentrated, and most are disposed in a structure in which they are dispersed in the polymer matrix 20 at a certain distance from each other.
  • the light transmission control panel of the present invention has a configuration in which the nano liquid crystal capsules 10 are formed with an average diameter size of 200 nm or less, and each nano liquid crystal capsule 10 is not attached to each other and is separated by a certain distance.
  • the dispersion arrangement in a state of being, most of the light incident on the liquid crystal encapsulation layer 100 can be transmitted without being scattered.
  • the distance between the nano liquid crystal capsules 10, that is, the filling rate of the nano liquid crystal capsules is concentrated to 80% or more as in the conventional electrophoretic method or micro liquid crystal capsule method. If configured, the scattering degree is increased to show an opaque state in the initial state, and thus the required optical properties are lowered.
  • the nano liquid crystal capsule 10 has a filling rate within the range of 30 to 70% in the polymer matrix 20, and when dispersing, it is possible to implement a transparent initial state could check
  • the term 'filling rate or density' used in the present invention is a fraction of the space occupied by the nano liquid crystal capsule 10 in the polymer matrix 20, and the nano liquid crystal capsule ( 10) means the volume % occupied by
  • the reason for limiting the maximum average particle size of the nano liquid crystal capsule 10 to 200 nm is the change in the filling rate of the nano liquid crystal capsule 10 when the average particle size of the nano liquid crystal capsule 10 increases to 200 nm or more as a result of the experiment according to the average particle size change This is because the degree of scattering of the liquid crystal encapsulation layer 100 is greatly increased irrespective of the condition, and thus the optical properties are remarkably deteriorated.
  • conventional liquid crystal-based light control devices for smart windows typically form a cell gap thickness of 5 to 15 ⁇ m, and in this case, the concentration of the dichroic dye 13 is generally made up to 1.5 wt% or less. This is because the conventional liquid crystal-based light control device for smart windows cannot satisfy the above-described required optical characteristics when the concentration of the dichroic dye 13 exceeds 1.5 wt%. Accordingly, there was a limit in that it was not possible to implement a light-shielding performance that satisfies the needs of consumers.
  • the thickness of the cell gap has to be formed to be thinner than 5 ⁇ m.
  • the thickness of the cell gap is formed to be less than 5 ⁇ m, there is a problem in that the durability of the light control device is greatly reduced.
  • the light transmission control panel mixes the concentration of the dichroic dye 13 at a thickness of 5.0 to 15.0 ⁇ m of the liquid crystal encapsulation layer 100 (that is, the cell gap) at a much higher level than in the prior art. It can satisfy the required optical characteristics.
  • the dichroic dye 13 of the present invention may be composed of 2.0 to 12.0 wt% based on the total weight of the core material.
  • the light transmission control panel according to the present invention can sufficiently secure the transmittance and visibility of the vehicle driver in the front/side/rear/top direction in the transmission mode, and greatly increase the light blocking rate in the light blocking mode, so that a smart window product value can be maximized.
  • the performance of the light transmission control panel for the smart window is the size of the nano liquid crystal capsule 10 described above, the concentration of the dichroic dye 13, the refractive index anisotropy value of the liquid crystal to be described later, the arrangement shape of the liquid crystal, and the liquid crystal capsule layer. This is made possible by controlling the coating thickness.
  • the liquid crystal 11 constituting the nano liquid crystal capsule 10 of the present invention is made of a liquid crystal having a positive dielectric anisotropy ( ⁇ ) property.
  • the liquid crystal 11 constituting the nano liquid crystal capsule 10 is characterized in that the refractive index anisotropy ( ⁇ n) is 0.01 to 0.18.
  • the present inventor forms the particle size of the nano liquid crystal capsule 10 to 50 nm to 200 nm, and when the concentration of the dichroic dye 13 is 2.0 to 12.0 wt%, the liquid crystal 11 constituting the nano liquid crystal capsule 10 ) by forming the refractive index anisotropy ( ⁇ n) of 0.01 to 0.18, it was found that the above-mentioned required optical properties can be satisfied.
  • the refractive index anisotropy ( ⁇ n) of the liquid crystal 11 constituting the nano liquid crystal capsule 10 is 0.01 to 0.16, more preferably 0.01 to 0.14, even more preferably 0.01 to 0.12. there is.
  • the haze value increases proportionally to 7.0% or more as the value increases, and the transmittance value becomes significantly lower than 30.0% in the transmission mode. , it becomes impossible to implement excellent visibility.
  • the refractive index anisotropy ( ⁇ n) of the liquid crystal 11 constituting the nano liquid crystal capsule 10 is less than 0.01, the shape of the liquid crystal molecules 11 is deformed.
  • the dichroic dye 13 is not easily arranged in conjunction with the arrangement of the liquid crystal molecules 11 according to the voltage application, making it difficult to implement the smart window function (ie, control of the light blocking mode and the transmission mode).
  • the light transmission control panel for smart windows of the present invention controls the size of the nano liquid crystal capsule 10, the concentration of the dichroic dye 13, and the refractive index anisotropy ( ⁇ n) of the liquid crystal 11 under the above-described conditions, It is possible to satisfy the best optical characteristics required for a smart window for a vehicle, and has the effect and advantage of technological superiority compared to the conventional liquid crystal-based smart window.
  • the light transmission control device when the light transmission control device is installed in a vehicle, the light transmission control device must be manufactured in the form of a film, and accordingly, a plastic substrate made of a polymer resin must be used for the substrate of the light transmission control device.
  • the liquid crystal molecules 11 of the liquid crystal capsule layer 100 of the present invention are characterized in that they are provided in an unaligned state.
  • the conventional liquid crystal-based light transmittance control device is formed in a state in which the liquid crystal molecules are aligned in a specific direction using an alignment layer. That is, the conventional liquid crystal-based light transmission control device is configured to form an alignment layer on one surface of a substrate and rub the liquid crystal molecules to align in a specific direction.
  • the liquid crystal 11 of the liquid crystal encapsulation layer 100 of the present invention is formed without alignment treatment by the alignment layer of the conventional liquid crystal-based light transmission control device as described above.
  • liquid crystal molecules 11 of the nano liquid crystal capsule 10 may be arranged in a number of different directions as shown in FIGS. 1 or 4,5 in an initial state (ie, no voltage applied state).
  • liquid crystal molecules 11 of the nano liquid crystal capsule 10 may be arranged in a symmetrical structure in an initial state.
  • liquid crystal molecules 11 of the nano liquid crystal capsule 10 may be arranged in a radial shape as shown in FIGS.
  • the liquid crystals 11 are not aligned, but are arranged in various directions, thereby realizing superior viewing angle characteristics compared to the conventional liquid crystal-based light transmission control device.
  • the excellent viewing angle characteristic means that the light transmittance in the side direction of the smart window is not significantly different from the front direction.
  • the excellent viewing angle characteristics of the light transmission control panel of the present invention are also due to the differentiated optical characteristics according to the size and filling rate of the nano liquid crystal capsule 10 described above.
  • 5 is a contour chart measuring the bidirectional light transmission function of the light transmission control panel for a smart window according to the present invention.
  • BDTF Bi-directional transmission function
  • the light transmittance control panel according to the present invention has excellent viewing angle characteristics with respect to light transmittance.
  • Table 1 below is experimental data showing haze, light transmittance in light blocking mode, and light transmittance in transmission mode of Embodiments 1 to 7 according to the present invention.
  • Table 1 shows that the decimal point is rounded off from the result value of each measurement item.
  • the type of the dichroic dye 13, the average particle size of the nano liquid crystal capsule 10, the thickness of the liquid crystal capsule layer 100, the refractive index anisotropy ( ⁇ n) of the liquid crystal 11 and the liquid crystal ( 11) was formed to be the same, but only the concentration of the dichroic dye 13 was formed differently.
  • the dichroic dye 13 used Mitsui Fine Chemical's S-428 (black), and the average particle size of the nano liquid crystal capsule 10 was 150 nm, and the liquid crystal capsule
  • the thickness of the layer 100 was formed to be 10 ⁇ m
  • the refractive index anisotropy ( ⁇ n) of the liquid crystal 11 was formed to be 0.17
  • the liquid crystal molecules 11 of the nano liquid crystal capsule 10 were in an initial state (ie, no voltage applied). state) to be arranged in a radial shape.
  • the concentration of the dichroic dye 13 in embodiment 1 is 4% by weight
  • the concentration of the dichroic dye 13 in embodiment 2 is 5% by weight
  • the concentration of the dichroic dye 13 in embodiment 3 is 6% by weight
  • the dichroic dye 13 concentration of embodiment 4 is 7 wt%
  • the dichroic dye 13 concentration of embodiment 5 is 8 wt%
  • the dichroic dye 13 concentration of embodiment 6 is 9 wt%
  • the dichroic dye 13 concentration of 7 is 10% by weight.
  • 'T on (Sat.)' in Table 1 is a voltage applied for driving the transmission mode, and as the applied voltage increases, the light transmittance gradually increases. it means.
  • Embodiments 1 to 7 of Table 1 show the characteristics of the saturation voltage at 70V. Therefore, 'T on (Sat.)' in Table 1 indicates the light transmittance at an applied voltage of 70V.
  • the item 'T on (0V)' in Table 1 shows the light transmittance (ie, light blocking mode) in a state where no voltage is applied.
  • the haze also represents a very low value of 5%.
  • the smart window for a vehicle in the transmission mode It is possible to implement a performance that meets the required optical characteristics of , and further improved viewing angle characteristics and intermediate gray driving characteristics compared to the conventional smart window.
  • the refractive index anisotropy ( ⁇ n) of the liquid crystal 11 was formed as 0.17. This could be further improved.
  • Table 2 below is experimental data showing haze, light transmittance in light blocking mode, and light transmittance in transmission mode of Comparative Examples 1 to 3. For reference, Table 2 shows that the decimal point is rounded off from the result value of each measurement item.
  • Comparative Examples 1 to 3 of Table 2 formed differently the refractive index anisotropy ( ⁇ n) of the liquid crystal 11 in comparison with Embodiments 1 to 7 of Table 1. Specifically, in Comparative Examples 1 to 3 of Table 2, the refractive index anisotropy ( ⁇ n) of the liquid crystal 11 was all formed to 0.27.
  • the concentration of the dichroic dye 13 of Comparative Example 1 is 6 wt%
  • the concentration of the dichroic dye 13 of Comparative Example 2 is 7 wt%
  • the concentration of the dichroic dye 13 of Embodiment 3 is 8% by weight.
  • the haze also exhibits a very high value of 9%, which is similar to the haze of the conventional liquid crystal-based light transmission control device.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing the light blocking mode operation of the light transmission control panel for a smart window according to the present invention.
  • 7 is a cross-sectional view showing the transmission mode operation of the light transmission control panel for a smart window according to the present invention.
  • the dichroic dye 13 is also arranged along the electric field direction to drive the transmission mode in which incident light is transmitted (refer to FIG. 7).
  • the light transmittance is gradually increased as the applied voltage is gradually increased, and thus excellent intermediate gray characteristics can be realized.
  • the light transmittance does not increase any more and stops.
  • the light transmission control panel of the present invention as described above may be applied to a smart window for a vehicle in the following form.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view of a smart window for a vehicle having a light transmission control panel of the present invention.
  • the light transmission control panel of the present invention may be installed in a structure interposed between windows having a double structure as shown in FIG. 9 .
  • the vehicle smart window includes a plate-shaped first window 200 , a plate-shaped second window 210 bonded to the first window 200 , and between the first window 200 and the second window 210 . It may be composed of a light transmission control panel 500 of the present invention interposed in the.
  • the smart window for a vehicle further includes a first adhesive layer 300 formed on one surface of the first window 200 , and a second adhesive layer 310 formed on one surface of the second window 210 .
  • a first adhesive layer 300 formed on one surface of the first window 200
  • a second adhesive layer 310 formed on one surface of the second window 210 .
  • first window 200 , the light transmission control panel 500 , and the second window 210 may be mutually bonded and fixed by the first and second adhesive layers 300 and 310 .
  • first adhesive layer 300 and the second adhesive layer 310 is PVB (Polyvinyl Butyral), EVA (Ethylene Vinyl Acetate), PSA (Pressure Sensitive Adhesive), OCA (Optically Clear Adhesive), and UV (Ultra-) Violet) may be formed of at least one selected from adhesives.
  • first window 200 , the second window 210 , and the light transmission control panel 500 may be bonded and fixed to each other by exposing the first and second adhesive layers 300 and 310 to a high-temperature and high-pressure environment.
  • the automobile glass manufacturing process may be one in which a high temperature of 100° C. or more and a high pressure process of 5 atmospheres or more are performed.
  • first window 200 and the second window 210 may be tempered glass, transparent engineering plastic, or bulletproof glass.
  • the light transmission control panel 500 for a smart window of the present invention may be attached to one surface of a window installed in a vehicle.
  • the light transmission control panel of the present invention can be particularly suitably applied to a smart window for a vehicle. This is because the light transmittance control panel of the present invention can realize a very high light blocking rate, and also satisfy the light characteristics essential for a smart window for a vehicle (ie, the required light characteristics described above).
  • the light transmission control panel of the present invention can be applied to other objects as well as a vehicle.

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Abstract

본 발명에 따른 스마트 윈도우용 광투과 조절 패널은 제1전극이 형성된 제1기판, 제2전극이 형성된 제2기판, 및 상기 제1기판과 상기 제2기판 사이에 구비되는 액정 캡슐층을 포함하고, 상기 액정 캡슐층은 다수의 나노 액정 캡슐 및 고분자 매트릭스를 포함하고, 상기 나노 액정 캡슐은 양의 유전율 이방성을 갖는 다수의 액정과 이색성 염료를 포함한 코어 물질 및 상기 코어 물질의 외벽을 형성하는 쉘 물질로 이루어지고, 상기 다수의 나노 액정 캡슐의 평균 입도는 50nm~200nm이고, 상기 이색성 염료는 상기 코어 물질의 총중량 대비 2.0~12.0 중량%로 이루어지고, 상기 액정의 굴절률 이방성(Δn)은 0.01~0.18인 것을 특징으로 한다.

Description

스마트 윈도우용 광투과 조절 패널 및 이를 구비하는 차량용 스마트 윈도우
본 발명은 광투과 조절 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 차광 모드와 투과 모드를 구현할 수 있는 스마트 윈도우용 광투과 조절 패널에 관한 것이다.
스마트 윈도우는 태양광의 투과율을 자유롭게 조절할 수 있는 윈도우를 말하는 것으로, 전자 커튼, 투과도 가변유리, 조광 유리 등으로도 불린다.
종래에는 유리를 통해 실내로 유입되는 태양광의 투과율을 조절하기 위해, 유리 조성에 착색 산화물을 첨가하여 착색 유리를 만들거나, 유리 표면에 특정 투과율을 가지는 필름지를 부착하는 방식 등이 사용되어 왔다.
그러나, 이러한 종래 방법들은 태양광에 대한 능동적인 조절 기능이 없고, 단지 일정한 광 파장 영역에 한해 선택적으로 차폐 또는 투과를 수행하는 수동적인 방식이었다.
스마트 윈도우는 이러한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 광 투과율 등을 인위적으로 조절할 수 있는 능동형 제품으로, 현재 유리 분야의 차세대 제품 중 하나로 인식되고 있다.
이러한 스마트 윈도우를 구현하기 위해 액정을 이용한 광투과 조절 장치가 제안되었다.
한국공개특허 제10-1998-038075호는 액정표시장치를 이용하여 외부 빛을 차단하는 차광막과 실내로 투과되는 태양광을 전원 스위치로 차단하는 장치를 개시하고 있다. 그런데, 한국공개특허 제10-1998-038075호는 편광판을 2장 사용함에 따라 광 투과율이 10% 이하이고, 이에 따라 운전자의 시야 확보가 어려워 차량용 스마트 윈도우에 적용하기 어려운 한계가 있었다.
한국등록특허 제10-2097815호 및 제10-2010760호은 편광판과 액정을 이용한 광 투과율 가변 장치를 개시하고 있고, 한국등록특허 제10-1396235호는 2장의 편광판을 이용하여 자동 또는 수동으로 투과율을 조절하는 기능을 가진 장치를 개시하고 있다.
그러나 이러한 종래 광 투과율 조절 장치는 기본적으로 편광판을 사용하고 있고, 액정의 배향이 필요하고, 상ㆍ하판 간격조절을 위한 스페이서 삽입 및 액정층 실링 등이 요구되며, 이러한 요소들은 결국 광 투과율, 시야각 및 헤이즈(haze) 특성 저하로 이어지고, 또한 공정수 증가에 따라 제조 비용이 높아지는 문제점이 있었다.
한편, 이러한 문제를 해결하기 위해, 캡슐형태로 이루어진 PDLC(Polymer Dispersed Liquid Crystal)를 이용한 차량용 투과율 조절필름이 제시되었다. 그러나, 종래 PDLC 방식의 투과율 조절필름의 경우, PDLC를 통과한 광이 산란된 광으로 변환되어 운전자의 가시성이 부자연스럽게 되고, 이로 인해 운전자의 안전 운전을 저해할 수 있어 차량용 스마트 윈도우에 실제 적용하기 어려운 한계가 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 광 투과율을 필요에 따라 능동적으로 조절할 수 있는 스마트 윈도우용 광투과 조절 패널 및 이를 구비하는 차량용 스마트 윈도우를 제공하는 것이다.
특히, 본 발명은 종래 액정 기반 광 투과율 조절 장치에 필요하였던 편광판, 액정 배향(배향막), 스페이서 삽입, 및 실링 공정 등을 생략할 수 있어 제조 공정을 획기적으로 단순화할 수 있고, 차광 성능을 크게 높이더라도 차량용 스마트 윈도우의 요구 광특성에 부합하는 성능을 구현할 수 있는 스마트 윈도우용 광투과 조절 패널 및 이를 구비하는 차량용 스마트 윈도우를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 스마트 윈도우용 광투과 조절 패널은, 일면 상에 제1 전극이 형성된 제1 기판; 일면 상에 제2 전극이 형성된 제2 기판; 및 상기 제1 기판과 상기 제2 기판 사이에 구비되는 액정 캡슐층을 포함한다.
상기 액정 캡슐층은, 다수의 나노 액정 캡슐; 및 상기 다수의 나노 액정 캡슐이 내부에 배치되어 있는 고분자 매트릭스를 포함한다.
상기 나노 액정 캡슐은, 양의 유전율 이방성을 갖는 다수의 액정과 이색성 염료를 포함한 코어 물질; 및 상기 코어 물질의 외벽을 형성하는 쉘 물질로 이루어진다.
상기 다수의 나노 액정 캡슐의 평균 입도는 50nm ~ 200nm로 이루어진다.
상기 이색성 염료는 상기 코어 물질의 총중량 대비 2.0 ~ 12.0 중량%로 이루어진다.
상기 액정의 굴절률 이방성(Δn)은 0.01 ~ 0.18로 이루어진다.
상기 다수의 액정은 전압 비인가 상태에서는 다양한 방향으로 배열되어 있고, 바람직하게는 방사상으로 배열될 수 있다.
본 발명에 따른 광투과 조절 패널에 의하면, 매우 높은 차광률을 구현할 수 있으면서, 또한 차량용 스마트 윈도우에 필수적으로 요구되는 광 특성도 함께 만족시킬 수 있다.
본 발명에 따른 광투과 조절 패널에 의하면, 종래 광투과 조절 장치 대비 더욱 향상된 시야각 특성 및 중간 그레이(Gray) 구동 특성을 구현할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 따른 광투과 조절 패널에 의하면, 종래 액정 기반 광 투과율 조절 장치에 필요하였던 편광판, 액정 배향(배향막), 스페이서 삽입 및 실링 공정 등을 생략할 수 있어 제조 공정을 획기적으로 단순화할 수 있고, 제조 비용을 크게 절감할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 스마트 윈도우용 광투과 조절 패널의 단면도.
도 2는 나노 이멀젼과 매크로 이멀젼의 비교 실험예.
도 3(a)는 본 발명에 따른 액정 캡슐층의 표면을 분석한 주사전자현미경(SEM) 사진.
도 3(b)는 도 3(a)의 나노 액정 캡슐의 입도 분포를 나타낸 분석 데이터.
도 4는 본 발명에 따른 나노 액정 캡슐의 액정 배열 형태를 나타낸 단면도.
도 5는 본 발명에 따른 스마트 윈도우용 광투과 조절 패널의 양방향 광 투과 기능을 측정한 contour chart.
도 6은 본 발명에 따른 스마트 윈도우용 광투과 조절 패널의 차광 모드 동작을 나타낸 단면도.
도 7은 본 발명에 따른 스마트 윈도우용 광투과 조절 패널의 투과 모드 동작을 나타낸 단면도.
도 8은 본 발명에 따른 스마트 윈도우용 광투과 조절 패널의 제조 방법을 나타낸 공정 순서도.
도 9는 본 발명의 광투과 조절 패널을 구비하는 차량용 스마트 윈도우의 단면도.
[부호의 설명]
10: 나노 액정 캡슐 11: 액정
13: 이색성 염료 15: 쉘 물질
20: 고분자 매트릭스 30: 제1 기판
40: 제1 전극 50: 제2 기판
60: 제2 전극 100: 액정 캡슐층
500: 광투과 조절 패널
본 명세서에서 사용하는 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 명세서에서, "포함하다" 또는 "갖다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 명세서에서, "~ 상에 또는 ~ 상부에" 라 함은 대상 부분의 위 또는 아래에 위치함을 의미하는 것인데, 이는 반드시 중력 방향을 기준으로 상측에 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다. 즉, 본 명세서에서 지칭하는 "~ 상에 또는 ~ 상부에" 라 함은 대상 부분의 위 또는 아래에 위치하는 경우뿐만 아니라 대상 부분의 앞 또는 뒤에 위치하는 경우도 포함한다.
또한, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에 또는 상부에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 상에 또는 상부에" 접촉하여 있거나 간격을 두고 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
또한, 본 명세서에서, 일 구성요소가 다른 구성요소와 "연결된다" 거나 "접속된다" 등으로 언급된 때에는, 상기 일 구성요소가 상기 다른 구성요소와 직접 연결되거나 또는 직접 접속될 수도 있지만, 특별히 반대되는 기재가 존재하지 않는 이상, 중간에 또 다른 구성요소를 매개하여 연결되거나 또는 접속될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
또한, 본 명세서에서, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예, 장점 및 특징에 대하여 상세히 설명하도록 한다.
본 발명은 특히 차량의 윈도우에 부착되어 윈도우로 입사되는 빛을 차단하는 차광 모드와 입사되는 빛을 투과시키는 투과 모드를 선택적으로 구동할 수 있는 스마트 윈도우용 광투과 조절 패널에 관한 것이다.
특히, 본 발명은 차광률을 크게 높일 수 있으면서도 또한 차량 운전자의 정면/측면/후면/상면(썬루프) 방향의 광 투과도와 시인성을 충분히 확보할 수 있는 스마트 윈도우용 광투과 조절 패널에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 스마트 윈도우용 광투과 조절 패널의 단면도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 스마트 윈도우용 광투과 조절 패널은 제1 기판(30), 제1 전극(40), 제2 기판(50), 제2 전극(60), 및 액정 캡슐층(100)을 포함한다.
제1 기판(30)은 투명한 재질로 이루어진 얇은 판체로서, 유리 기판은 물론 플라스틱 기판으로 형성될 수 있다.
제1 기판(30)을 플라스틱 기판으로 형성할 경우, 바람직하게는 제1 기판(30)은 트리아세틸셀룰로우스(TAC), 폴리이미드(PI), 폴리에테르설폰(PES), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN), 및 폴리아릴레이트(PAR) 중에서 선택된 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다.
제1 전극(40)은 제1 기판(30)의 일면 위에 형성되는 도전성 물질로서 제2 전극(60)과 함께 수직 전계를 형성하고, 바람직하게는 투명한 도전성 물질로 형성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제1 전극(40)은 인듐 주석 산화물(ITO, Indium Tin Oxide), 인듐 아연 산화물(IZO,Indium Zinc, Oxide), 아연 산화물(Zinc Oxide), 주석 산화물(Tin Oxide), 불소가 도핑된 주석 산화물(FTO,Fluorine-doped Tin Oxide), 은나노 와이어(Ag NW), 그래핀(Graphene), 및 PEDOT:PSS 중에서 선택된 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다.
그리고, 제1 전극(40)은 진공 상태에서 제1 기판(30)의 상면에 증착(Deposition) 또는 스퍼터링(Sputtering) 공정을 통해 얇은 박막 형태로 형성될 수 있다.
제2 기판(50)은 제1 기판(30)과 마찬가지로 투명한 재질로 이루어진 얇은 판체로 이루어지고, 유리 기판은 물론 플라스틱 기판으로 형성될 수 있다.
제2 전극(60)은 제2 기판(50)의 일면 위에 형성되는 도전성 물질로서 제1 전극(40)과 함께 수직 전계를 형성한다.
이러한 제2 전극(60)은 제1 전극(40)과 마찬가지로 투명한 도전성 물질로 형성될 수 있다.
액정 캡슐층(100)은 제1 기판(30)과 제2 기판(50) 사이에 형성되어, 입사광의 대부분을 투과시키거나 또는 차단함으로써 입사광의 투과율을 조절하는 구성이다.
액정 캡슐층(100)의 두께는 5.0 ~ 15.0㎛로 형성되고, 바람직하게는 8.0 ~ 12.0㎛로 형성될 수 있다.
액정 캡슐층(100)의 두께가 5㎛ 미만이면 내구성이 크게 저하되고, 15.0㎛를 초과하면 헤이즈(haze) 및 광 투과 특성이 크게 저하되어 스마트 윈도우용으로 부적합하게 된다.
액정 캡슐층(100)은 다수의 나노 액정 캡슐(10), 및 상기 다수의 나노 액정 캡슐(10)이 내부에 배치되어 있는 고분자 매트릭스(20)를 포함한다.
나노 액정 캡슐(10)은 코어 물질(11,13)과 쉘 물질(15)로 이루어진다. 코어 물질은 다수의 액정(11)과 이색성 염료(13)를 포함한다. 쉘 물질(15)은 코어 물질의 외벽을 형성한다.
나노 액정 캡슐(10)의 액정(11)은 전압 비인가 시에는 광학적 등방성(Isotropic)을 갖고, 전압 인가시에는 전기장 세기(Electric field, E)의 제곱에 비례하는 광학적 이방성을 나타낸다.
코어 물질의 액정은 네마틱(Nematic), 스멕틱(Smectic), 콜레스터릭 (Cholesteric) 및 카이랄 스멕틱(Chiral Smectic)중에서 선택된 적어도 어느 하나로 형성될 수 있고, 바람직하게는 네마틱 액정으로 구성될 수 있다.
코어 물질의 이색성 염료(13)는 분자의 장축 방향과 단축 방향의 흡광도의 차이가 큰 이색성과, 호스트(host) 물질인 액정에 대해 친화력이 큰 염색성과, 전압 인가에 따른 액정의 배열에 연동하여 쉽게 배열될 수 있는 배향성과, 제조 공정 및 사용 조건하에서 충분히 견딜 수 있는 내구성을 지니는 것을 사용한다.
이색성 염료(13)는 색을 가지는 염료로 이루어질 수 있으며, 블랙(black), 레드(red), 그린(green), 블루(blue), 옐로우(yellow), 마젠타(magenta), 및 시안(cyan) 중 어느 하나의 색을 가지거나 이들의 혼합으로 이루어지는 색을 가질 수 있다.
본 발명의 광투과 조절 패널은 차량용 윈도우에 설치될 수 있다. 상기 경우, 광투과 조절 패널은 광 투과율 조절 효과를 극대화할 수 있고, 투과 모드시 특정 파장대 빛이 이색성 염료(13)에 의해 반사되어 운전자의 시야를 방해하는 것을 방지할 수 있어야 한다. 이러한 점을 고려할 때, 이색성 염료(13)는 블랙(black) 염료(13)로 형성하는 것이 바람직하다.
쉘 물질(15)은 초기에 구형의 드롭렛(Droplet) 형태로 이루어진 코어 물질의 외면을 둘러싸게 되어, 코어 물질은 이러한 쉘 물질(15) 내부에 갇힌 상태로 존재하게 된다.
이러한 쉘 물질(15)은 크게 수용성 고분자 또는 지용성 고분자로 형성할 수 있다.
바람직한 실시예에 따르면, 쉘 물질(15)을 수용성 고분자로 형성할 경우, 폴리비닐아코올 (Polyvinyl alcohol, PVA), 스타치(Starch), 카복실메틸셀룰로우스(Carboxyl methyl cellulose, CMC), 메틸셀룰로우스(Methyl cellulose), 에틸셀룰로우 스(Ethyl cellulose), 폴리비닐피롤리돈(Polyvinyl pyrrolidone), 젤라틴 (Gelatin), 알기네이트(Alginate), 카제인(Casein) 및 검아라비아(Gum Arabia) 중에서 선택된 적어도 어느 하나로 형성할 수 있다.
바람직한 실시예에 따르면, 쉘 물질(15)을 지용성 고분자로 형성할 경우, 폴리메틸메타크릴레이트 (Polymethylmethacryate, PMMA), 폴리우레아(Polyurea), 폴리우레탄 (Polyurethane), 우레아 포름알데하이드(Urea formaldehyde, UF), 멜라민 포름알데히드(Melamine formaldehyde, MF)와 같은 아미노(Amino) 레진 중에서 선택된 적어도 어느 하나로 형성할 수 있다.
바람직한 실시예에 따르면, 쉘 물질(15)(즉, 외벽)은 이중 쉘(double shell) 구조로 형성될 수 있다. 상기 경우, 상이한 종류의 쉘(shell) 물질이 내부 쉘(Inner shell)과 외부 쉘(Outer shell)을 형성하도록 구성된다.
구체적으로 내부 쉘(shell)을 먼저 형성한 후에 그 다음 순차적으로 외부 쉘(shell)을 형성하는 방식으로 이루어진다. 이중 쉘 구조는 단일 쉘(single shell) 구조에 비해 액정분자의 앵커링 에너지(Anchoring energy) 조절의 용의성 및 우수한 내용매성 특성을 갖는다.
내부 쉘(inner shell) 물질은 소프트한 성질을 갖는 수용성 폴리머, 예를 들어, 젤라틴(gelatin), 아라비아 검(arabic gum), 폴리비닐 알코올(polyvinyl alcohol) 중에서 선택된 적어도 어느 하나로 형성할 수 있다.
외부 쉘(outer shell) 물질은 지용성(oil-soluble) 폴리머인 아미노(amino) 레진, 폴리아미드 에피클로하이드린(polyamide-epichlorohydrin) 레진, 포름알데하이드(formaldehyde) 레진 중에서 선택된 적어도 어느 하나로 형성할 수 있다.
한편, 이러한 나노 캡슐은 복합상분리법(Complex Coacervation), 멤브레인 (Membrane) 유화법, 동시 중합법(In-situ Polymerization), 계면 중합법 (Interfacial Polymerization) 등을 이용하여 제조 가능하다.
본 발명의 고분자 매트릭스(20)는 내부에 다수의 나노 액정 캡슐(10)이 분산 배치된 상태로 고정될 수 있도록 구속한다. 고분자 매트릭스(20)는 제1 기판(30) 상에 나노 액정 캡슐(10)이 분산 배치된 상태로 고정시키는 바인더 기능을 제공한다.
고분자 매트릭스(20)는 크게 수용성(Water soluble) 고분자 바인더 또는 수분산(Water dispersible) 바인더로 형성할 수 있다.
수용성 고분자 바인더는 폴리비닐아코올 (Polyvinyl alcohol, PVA), 스타치(Starch), 메톡시 셀룰로우스(Methoxy cellulose), 하이드록시 에틸셀룰로우스(Hydroxy ethylcellulose), 카복실 메틸셀룰로우스(Carboxyl methyl cellulose, CMC), 메틸셀룰로우스(Methyl cellulose), 에틸셀룰로우스(Ethyl cellulose), 폴리아크릴레이트 소다(Polyacrylate soda), 아크릴아미드/아크릴레이트 코폴리머(Acryl amide/acrylate copolymer), 아크릴아미드/아크릴레이트/메타크릴산 터폴리머(Acryl amide/acrylate/methacrylic acid terpolymer), 폴리아크릴아미드(Polyacrylamide), 알기네이트 소다(Alginate soda), 폴리비닐피롤리돈(Polyvinyl pyrrolidone), 젤라틴(Gelatin), 알기네이트(Alginate), 카제인(Casein) 및 검아라비아(Gum Arabia) 중에서 선택된 적어도 어느 하나일 수 있다.
수분산 바인더는 알키드 레진(Alkyd resin), 폴리아미드 에피클로로하이드린 레진(Polyamide epichlorohydrin resin), 폴리우레탄 레진(Polyurethane resin), 우레아 포름알데하이드 레진(Urea-formaldehyde resin), 멜라민 포름알데하이드 레진(Melamine-formaldehyde resin), 멜라민 우레아 포름알데하이드 레진(Melamine-urea-formaldehyde resin), 아크릴레이트 코폴리머 라텍스(Acrylate copolymer latex), 스티렌/부타디엔 코폴리머 라텍스 (Styrene/butadiene copolymer latex), 티렌/부타디엔/아크릴 코폴리머 라텍스 (Styrene/butadiene/ acryl copolymer latex), 비닐아세테이트 레진 이멀젼(Vinyl acetate resin emulsion), 비닐아세테이트/아크릴레이트 코폴리머 이멀젼(Vinyl acetate/acrylate copolymer emulsion), 스티렌/아크릴레이트 코폴리머 이멀젼 (Styrene/acrylate copolymer emulsion) 및 아크릴레이트 레진 이멀젼(Acrylate resin emulsion) 중에서 선택된 적어도 어느 하나로 형성할 수 있다.
전술한 바와 같은 액정 캡슐층(100)은 다수의 나노 액정 캡슐(10)을 고분자 바인더와 혼합하여 코팅용액을 제조한 후, 이를 제1 전극(40)이 형성되어 있는 제1 기판(30) 상에 코팅하고 경화시킴으로써 형성될 수 있다.
도 8은 본 발명에 따른 스마트 윈도우용 광투과 조절 패널의 제조 방법을 나타낸 공정 순서도이다.
먼저, 일면 상에 제1 전극(40)이 형성된 제1 기판(30)과 일면 상에 제2 전극(60)이 형성된 제2 기판(50)을 준비한다(도 8(a),(b) 참조).
다수의 나노 액정 캡슐(10)과 고분자 바인더가 혼합된 코팅용액을 제1 기판(30) 상에 코팅한다(도 8(c),(d) 참조).
이때, 제1 기판(30) 상에 코팅용액을 코팅하는 방법은 바코팅, 슬롯다이 (Slot-die) 코팅, 나이프 코팅 등을 적용할 수 있다.
제1 기판(30) 상에 코팅용액이 코팅되면, 핫라미네이션 공정을 통해 제1 기판(30)과 제2 기판(50)을 합착한다(도 8(e) 참조).
이때, 핫라미네이션 공정의 롤 온도는 90 ~ 180℃로 설정하는 것이 바람직하다. 이는, 롤 온도가 180℃보다 더 높을 경우 플라스틱 소재의 제1,2 기판에 주름이 발생되고, 90℃보다 더 낮을 경우 제1,2 기판의 합착 공정에서 밀착력이 저하될 수 있기 때문이다.
전술한 공정이 완료되면, 도 8(f)와 같이 제1 전극(40)이 형성된 제1 기판(30)과 제2 전극(60)이 형성된 제2 기판(50) 사이에 액정 캡슐층(100)이 개재된 광투과 조절 패널이 완성된다.
이하에서는, 본 발명의 액정 캡슐층(100)을 구성하는 나노 액정 캡슐(10)의 코어 물질의 특징에 대하여 보다 상세히 설명하도록 한다.
참고로, 차량용 스마트 윈도우는 이의 설치 대상이 자동차임을 고려할 때, 운전자의 안전 운전을 보장할 수 있는 광 특성을 갖도록 설계되어야 한다. 만약 스마트 윈도우의 광 특성이 나쁘면 운전자의 차량 운전을 방해할 수 있고, 이는 자동차 안전 사고로 이어질 수 있기 때문이다.
여기서, 운전자의 안전 운전을 보장할 수 있는 광 특성이란, 운전자의 정면 및 측면 방향으로 충분한 가시성 확보할 수 있는 특성(이하, '요구 광특성' 이라 함)을 의미한다. 예컨대, 요구 광특성은 투과 모드시 보장되어야 하는 최소한의 광 투과율, 헤이즈(haze) 특성, 및 시야각 특성일 수 있다.
또한, 차량용 스마트 윈도우는 이의 용도 상 상기 요구 광특성과 함께 차광 특성도 충분히 구현할 수 있어야 한다. 예컨대, 운전자의 시인성 확보와 무관한 뒷좌석 윈도우 및 상면의 썬루프 등의 경우 이러한 차광 특성이 더욱 필요할 수 있다.
결국, 실질적으로 판매 가능한 스마트 윈도우를 제조하기 위해서는 전술한 바와 같이 운전자의 안전 운전을 보장할 수 있는 요구 광특성을 갖추어야 한다.
현업 기준으로, 차량용 스마트 윈도우의 요구 광특성은 투과 모드에서 약 30% 이상의 광 투과율을 구현할 수 있어야 하고, 동시에 7.0% 미만의 헤이즈(haze) 특성, 및 우수한 시야각 특성을 갖추어야 한다.
여기서, 상기 헤이즈(haze)는 불투명도와 관련된 특성으로서 그 수치가 낮을수록 광 특성이 좋다. 그리고, 상기 우수한 시야각 특성이란 스마트 윈도우를 바라볼 때 이의 정면 방향과 측면 방향에서의 광 투과율이 거의 동일한 특성을 의미한다.
또한, 차량용 스마트 윈도우는 이처럼 투과 모드일 때 차량 운전자의 정면/측면/후면/상면 방향의 투과도와 시인성을 충분히 확보할 수 있으면서, 동시에 차광 모드에서는 높은 차광률을 구현할 수 있어야 상품으로서 가치를 갖게 된다. 여기서, 상기 높은 차광률이란 약 10% 이하의 광 투과율을 의미힌다.
본 발명의 광투과 조절 패널은 차광 모드에서는 종래 액정 기반 광투과 조절 장치보다 훨씬 높은 차광률을 구현할 수 있으면서도, 또한 투과 모드에서는 요구 광특성에 부합하는 광 투과율을 구현할 수 있다.
더 나아가, 본 발명의 광투과 조절 패널은 종래 광투과 조절 장치 대비 더욱 향상된 헤이즈(haze) 특성, 시야각 특성, 및 중간 그레이(Gray) 특성을 구현할 수 있다.
그리고, 본 발명에 따른 광투과 조절 패널의 전술한 광학 성능은 나노 액정 캡슐(10)의 사이즈, 이색성 염료(13)의 농도, 액정의 굴절률 이방성(Δn) 값, 및 액정의 배열 형태 등이 유기적으로 조합됨으로써 구현된다. 이하에서는 이에 대해 상세히 설명하도록 한다.
(1) 나노 액정 캡슐(10)의 사이즈
액정 캡슐층(100)을 구성하는 다수의 나노 액정 캡슐(10)은 50nm ~ 200nm의 평균 입도를 갖도록 형성된다. 환언하면, 다수의 나노 액정 캡슐(10)은 다양한 크기의 입도 분포를 갖되, 이러한 나노 액정 캡슐들(10)의 다양한 입도의 평균값(즉, 평균 입도)는 50nm ~ 200nm에 포함되도록 구성된다.
그리고, 나노 액정 캡슐들(10)은 고분자 매트릭스(20) 내부에 30 ~ 70%의 충진률로 분산되게 배치된다.
본 발명의 액정 캡슐층(100)은 나노 액정 캡슐(10)이 이와 같은 크기 및 충진율로 형성됨으로써 종래 통상의 액정 대비 차별화된 광학적 특성을 발현하게 된다.
도 2 및 도 3을 참조하여, 본 발명에 따른 액정 캡슐층(100)의 차별화된 광학적 특성에 대해 상세히 설명하도록 한다.
도 2는 나노 이멀젼과 마이크로 이멀젼의 비교 실험예로서, 도 2의 좌측 바이알 병에 담겨있는 시료는 나노 액정 캡슐(10)을 100㎚의 평균 직경 사이즈로 변형시킨 나노 이멀젼(Nano Emulsion)이고, 우측 바이알 병에 담겨있는 시료는 1.0㎛의 평균 직경 사이즈를 갖는 액정 캡슐로 이루어진 마이크로 이멀젼(Micro Emulsion)이다.
도 2의 비교 실험 예에서 명확히 나타나듯이, 좌측의 나노 이멀젼 시료는 투명하게 보이는 반면, 우측의 마이크로 이멀젼 시료는 백색으로 불투명하게 보이는 것을 알 수 있다.
본 발명의 발명자는 도 2와 같은 비교 실험을 통해, 어떤 매질 속에 포함되어 있는 입자의 크기에 따라 그 매질을 통과할 때 빛은 산란되기도 하고 또는 아무런 영향도 받지 않고 그대로 통과하기도 한다는 사실을 확인할 수 있었다.
특히, 액정 캡슐을 가시광선의 파장보다 작은 나노 사이즈(구체적으로, 가시광선 최대 파장의 1/4 이하로 작은 평균 직경 사이즈)로 형성하게 되면 해당 시료로 입사되는 가시광선의 일부가 온전히 투과됨을 알 수 있었고, 바람직하게는 나노 액정 캡슐(10)을 100nm 이하의 평균 직경 사이즈로 형성하였을 때 산란이 거의 일어나지 않아, 대부분의 입사광이 그대로 투과됨을 알 수 있었다.
도 3(a)는 본 발명에 따른 나노 액정층의 표면을 분석한 주사전자현미경 (SEM) 사진으로서, 다수의 구멍(Hole) 형태로 분산되어 있는 것들이 본 발명의 나노 액정 캡슐(10)에 해당한다. 그리고, 도 3(b)는 도 3(a)의 나노 캡슐의 입도 분포를 나타낸 분석 데이터이다.
도 3(a)에서, 나노 액정 캡슐(10)의 크기가 일정하지 않고 다양하게 나타나는 이유는 나노 액정 캡슐들(10)의 사이즈가 어느 정도의 사이즈 입도 분포를 가지고 있기 때문이다.
즉, 도 3(b)의 나노 액정 캡슐 입도 분포 데이터에서 알 수 있듯이, 나노 액정 캡슐들(10)의 평균 입도는 약 120㎚ 정도이고, 일부 작은 사이즈의 나노 액정 캡슐은 80㎚ 정도이며, 일부 큰 사이즈의 나노 캡슐은 300nm 정도로 구성되는 입도 분포를 갖는다.
이러한 나노 액정 캡슐들(10)은 서로 붙어있거나 밀집되어 있지 않고 대부분이 상호 어느 정도의 간격을 두고 고분자 매트릭스(20) 내부에 분산되어 있는 구조로 배치된다.
본 발명의 광투과 조절 패널은 이처럼 나노 액정 캡슐들(10)을 200nm 이하의 평균 직경 사이즈로 형성하는 구성과, 각 나노 액정 캡슐들(10)이 서로 붙어있지 않고 어느 정도의 거리를 두고 떨어져 있는 상태로 분산 배치되게 구성함으로써, 액정 캡슐층(100)으로 입사되는 광이 산란되지 않고 대부분 투과할 수 있게 된다.
만약 나노 액정 캡슐(10)의 평균 입도를 200nm 이하로 구성하였는데, 나노 액정 캡슐(10) 간의 거리 즉, 나노 액정 캡슐의 충진율을 종래 전기영동 방식 또는 마이크로 액정캡슐 방식과 같이 80% 이상으로 밀집되게 구성한다면, 산란도가 증가하여 초기 상태가 불투명한 상태를 나타내게 되어 전술한 요구 광특성이 저하된다.
구체적으로, 본 발명 출원인은 다수 회의 실험을 통해, 나노 액정 캡슐(10)이 고분자 매트릭스(20) 내부에 30 ~ 70 % 범위 내의 충진율을 갖으며 분산되게 배치할 경우 투명한 초기 상태를 구현할 수 있음을 확인할 수 있었다.
참고로, 본 발명에서 사용하는 용어 '충진율 내지 조밀도'란 고분자 매트릭스(20) 내부에서 나노 액정 캡슐(10)이 차지하는 공간의 분율로서, 액정 캡슐층(100)의 총부피 대비 나노 액정 캡슐(10)이 차지하는 부피%를 의미한다.
그리고 나노 액정 캡슐(10)의 최대 평균 입도를 200nm로 한정한 이유는 평균입도 변화에 따른 실험결과 나노 액정 캡슐(10)의 평균 입도가 200nm 이상으로 커지게 되면 나노 액정 캡슐(10)의 충진율 변화와 무관하게 액정 캡슐층(100)의 산란도가 크게 증가하여 광 특성이 현저히 떨어지기 때문이다.
(2) 이색성 염료(13)의 농도
참고로, 종래 액정 기반 스마트 윈도우용 광 조절 장치는 통상적으로 셀 갭 두께를 5 ~ 15㎛로 형성하고, 이때 이색성 염료(13)의 농도는 최대 1.5 중량% 이하로 이루어지는 것이 일반적이었다. 이는, 종래 액정 기반의 스마트 윈도우용 광 조절 장치는 이색성 염료(13)의 농도가 1.5 중량%를 초과하면 전술한 요구 광특성을 만족시킬 수 없기 때문이다. 이에 따라 소비자 요구에 부합하는 차광 성능을 구현할 수 없는 한계가 있었다.
만약, 요구 광특성을 만족하면서 동시에 이색성 염료(13)의 농도가 1.5 중량%보다 많기 위해서는 셀 갭의 두께를 5㎛보다 얇게 형성해야 했다. 그런데, 셀 갭의 두께를 이처럼 5㎛미만으로 형성하면 광 조절 장치의 내구성이 크게 저하되는 문제점이 발생한다.
반면, 본 발명에 따른 광투과 조절 패널은 액정 캡슐층(100)(즉, 셀 갭)의 두께 5.0 ~ 15.0㎛에서 이색성 염료(13)의 농도를 종래보다 훨씬 많은 수준으로 혼합하더라도, 전술한 요구 광특성을 만족시킬수 있다.
구체적으로, 본 발명의 이색성 염료(13)는 코어 물질의 총중량 대비 2.0 ~ 12.0 중량%로 이루어질 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 광투과 조절 패널은 투과 모드일 때는 차량 운전자의 정면/측면/후면/상면 방향의 투과도와 시인성을 충분히 확보할 수 있으면서, 차광 모드에서는 차광률을 크게 높일 수 있어 스마트 윈도우 상품으로서 가치를 극대화할 수 있게 되었다.
이와 같이 스마트 윈도우용 광투과 조절 패널의 성능은 전술한 나노 액정 캡슐(10)의 사이즈, 이색성 염료(13)의 농도, 후술할 액정의 굴절률 이방성값, 액정의 배열 형태, 및 액정 캡슐층의 코팅 두께를 제어함으로써 가능해지는 것이다.
(3) 액정의 굴절률 이방성값(Δn) 및 액정의 배열 형태
본 발명의 나노 액정 캡슐(10)을 구성하는 액정(11)은 양(Positive)의 유전율 이방성(Dielectric Anisotropy, Δε) 성질을 갖는 액정으로 이루어진다.
그리고, 나노 액정 캡슐(10)을 구성하는 액정(11)은 굴절률 이방성(Δn)이 0.01 ~ 0.18 인 것을 특징으로 한다.
본원 발명자는 나노 액정 캡슐(10)의 입도를 50nm ~ 200nm로 형성하고, 이색성 염료(13)의 농도를 2.0 ~ 12.0 중량%로 형성할 때, 나노 액정 캡슐(10)을 구성하는 액정(11)의 굴절률 이방성(Δn)을 0.01 ~ 0.18로 형성함으로써, 전술한 요구 광특성을 만족시킬 수 있음을 알아냈다.
바람직하게는, 나노 액정 캡슐(10)을 구성하는 액정(11)의 굴절률 이방성(Δn)은 0.01 ~ 0.16이고, 보다 바람직하게는 0.01 ~ 0.14이고, 보다 더 바람직하게는 0.01 ~ 0.12로 형성될 수 있다.
이는, 나노 액정 캡슐(10)을 구성하는 액정(11)의 굴절률 이방성(Δn)이 0.18을 초과하면, 전술한 요구 광특성을 만족할 수 없게 되기 때문이다.
즉, 액정(11)의 굴절률 이방성(Δn)이 0.18을 초과하면, 그 값이 커질 수록 이에 비례하여 헤이즈값이 7.0% 이상으로 커지게 되고, 투과 모드에서 투과율값이 30.0%보다 크게 낮아지게 되며, 우수한 시인성을 구현할 수 없게 된다.
그리고, 나노 액정 캡슐(10)을 구성하는 액정(11)의 굴절률 이방성(Δn)이 0.01보다 작으면 액정 분자(11) 모양의 변형이 발생된다. 상기 경우 이색성 염료(13)는 전압 인가에 따른 액정 분자(11)의 배열에 연동하여 쉽게 배열되지 못하여 스마트 윈도우 기능(즉, 차광모드 및 투과모드의 제어)을 구현하기 어렵게 된다.
결국, 본 발명의 스마트 윈도우용 광투과 조절 패널은 나노 액정 캡슐(10)의 사이즈, 이색성 염료(13)의 농도 및 액정(11)의 굴절률 이방성(Δn)을 전술한 조건으로 제어할 때, 차량용 스마트 윈도우에 요구되는 최선의 광특성을 만족시킬 수 있게 되고, 종래 액정 기반 스마트 윈도우와 대비하여 기술적 우위의 효과 및 장점을 갖게 된다.
참고로, 광투과 조절 장치를 차량에 설치할 경우, 이러한 광투과 조절 장치는 필름 형태로 제작되어야 하고, 이에 따라 광투과 조절 장치의 기판은 고분자 수지 재질의 플라스틱 기판이 사용되어야 한다.
그런데, 종래 액정 기반 스마트 윈도우용 광 조절 장치는 이러한 플라스틱 기판을 사용할 경우, 액정셀 갭 유지를 위한 스페이서 삽입 등의 이유로 헤이즈 특성이 8.5 ~ 9.5% 수준으로 크게 증가하여 스마트 윈도우의 광 특성이 저하되는 문제점이 있었다.
본 발명의 액정 캡슐층(100)의 액정 분자들(11)은 배향 처리되지 않은 상태로 구비되는 것을 특징으로 한다.
참고로, 종래 액정 기반 광투과 조절 장치는 배향막을 이용하여 액정 분자가 특정 방향으로 배향하도록 처리한 상태로 형성된다. 즉, 종래 액정 기반 광투과 조절 장치는 기판의 일면에 배향막을 형성하고 러빙하여 액정 분자들이 특정 방향으로 배향되도록 구성된다.
반면, 본 발명의 액정 캡슐층(100)의 액정(11)은 이처럼 종래 액정 기반 광투과 조절 장치의 배향막에 의한 배향 처리 없이 형성된다.
구체적으로, 나노 액정 캡슐(10)의 액정 분자들(11)은 초기 상태(즉, 전압 비인가 상태)에서는 도 1 또는 도 4,5와 같이 다수의 상이한 방향으로 배열되어 될 수 있다.
바람직하게는, 나노 액정 캡슐(10)의 액정 분자들(11)의 적어도 일부는 초기 상태에서는 대칭 구조로 배열될 수 있다.
보다 바람직하게는, 나노 액정 캡슐(10)의 액정 분자들(11)의 적어도 일부는 초기 상태(즉, 전압 비인가 상태)에서는 도 4,5와 같이 방사형(radial shape)으로 배열될 수 있다.
본 발명의 액정 캡슐층(100)은 이처럼 액정들(11)이 배향 처리되지 않고, 다양한 방향으로 배열된 형태로 구성됨으로써, 종래 액정 기반 광투과 조절 장치 대비 우수한 시야각 특성을 구현할 수 있게 된다. 여기서, 상기 우수한 시야각 특성은 스마트 윈도우의 측면 방향에서의 광 투과율이 정면 방향과 큰 차이가 없는 것을 의미한다. 또한, 본 발명의 광투과 조절 패널의 우수한 시야각 특성은 전술한 나노 액정 캡슐(10)의 크기 및 충진율에 따른 차별화된 광학적 특성에도 기인한다.
도 5는 본 발명에 따른 스마트 윈도우용 광투과 조절 패널의 양방향 광 투과 기능을 측정한 contour chart이다.
구체적으로, 도 5(a)는 인가전압 0V, 도 5(b)는 인가전압 20V, 도 5(c)는 인가전압 40V, 도 5(d)는 인가전압 70V일 때, 본 발명에 따른 광투과 조절 패널의 양방향 광 투과율 특성(Bi-directional Transmission Function; BDTF) 측정 결과를 각각 나타낸 것이다.
도 5에서 유추할 수 있듯이, 본 발명에 따른 광투과 조절 패널은 광 투과율에 대한 시야각 특성이 우수한 것을 알 수 있다.
다음의 표 1은 본 발명에 따른 embodiment 1 ~ 7의 헤이즈(haze), 차광모드시 광 투과율, 및 투과모드시 광 투과율을 나타낸 실험 데이터이다. 참고로, 표 1은 각 측정 항목의 결과값에서 소수점 버림한 것을 나타낸 것이다.
No. Haze(0V) Toff(0V) Ton(Sat.)
embodiment 1 5% 7% 42%
embodiment 2 5% 6% 40%
embodiment 3 5% 5% 39%
embodiment 4 5% 4% 37%
embodiment 5 5% 3% 35%
embodiment 6 5% 2% 33%
embodiment 7 5% 2% 32%
표 1의 embodiment 1 ~ 7에서, 이색성 염료(13)의 종류, 나노 액정 캡슐(10)의 평균 입도, 액정 캡슐층(100)의 두께, 액정(11)의 굴절률 이방성(Δn) 및 액정(11)의 배열 형태는 모두 동일하게 형성하였고, 다만 이색성 염료(13)의 농도만 각각 다르게 형성하였다.
구체적으로, 표 1의 embodiment 1 ~ 7에서, 이색성 염료(13)는 Mitsui Fine Chemical 사의 S-428(블랙)을 사용하였고, 나노 액정 캡슐(10)의 평균 입도는 150nm로 형성하였고, 액정 캡슐층(100)의 두께는 10㎛로 형성하였고, 액정(11)의 굴절률 이방성(Δn)은 0.17로 형성하였으며, 나노 액정 캡슐(10)의 액정 분자들(11)은 초기 상태(즉, 전압 비인가 상태)에서 방사형(radial shape)으로 배열되게 형성하였다.
표 1에서 embodiment 1의 이색성 염료(13) 농도는 4중량%이고, embodiment 2의 이색성 염료(13) 농도는 5중량%이고, embodiment 3의 이색성 염료(13) 농도는 6중량%이고, embodiment 4의 이색성 염료(13) 농도는 7중량%이고, embodiment 5의 이색성 염료(13) 농도는 8중량%이고, embodiment 6의 이색성 염료(13) 농도는 9중량%이고, embodiment 7의 이색성 염료(13) 농도는 10중량%이다.
표 1의 'Ton(Sat.)'는 투과 모드의 구동을 위해 인가된 전압으로서, 인가 전압이 높아질수록 광 투과율가 점차 증가하다 더 이상 높아지지 않은 수준의 전압 즉, 포화 전압(Saturation Voltage)을 의미한다. 표 1의 embodiment 1 ~ 7은 70V에서 포화 전압의 특성을 나타냈다. 따라서, 표 1의 'Ton(Sat.)'은 인가전압 70V에서의 광 투과율을 나타낸 것이다.
표 1의 'Ton(0V)' 항목은 전압을 인가하지 않은 상태에서의 광 투과율(즉, 차광 모드)을 나타낸 것이다.
표 1에서 확인할 수 있듯이, 차광 모드에서는 광 투과율 7% 이하의 높은 차광률을 나타내고, 특히 광 투과율 2 ~ 4%의 높은 차광률을 구현하더라도 투과 모드에서는 차량용 스마트 윈도우의 요구 광특성에 부합하는 최소 투과율(30%) 이상의 특성을 나타내는 것을 알 수 있다.
또한, 헤이즈(Haze) 역시 5% 수준의 매우 낮은 값을 나타내는 것을 알 수 있다.
결국, 본 발명에 따른 스마트 윈도우용 광투과 조절 패널에 의하면, 종래 액정 기반 광투과 조절 장치보다 훨씬 많은 양의 이색성 염료(13)를 사용하여 차광 성능을 크게 높이더라도, 투과 모드에서 차량용 스마트 윈도우의 요구 광특성에 부합하는 성능을 구현할 수 있고, 더 나아가 종래 스마트 윈도우 대비 더 향상된 시야각 특성, 및 중간 그레이(Gray) 구동 특성을 구현할 수 있다.
한편, 표 1의 embodiment 1 ~ 7에서, 액정(11)의 굴절률 이방성(Δn)은 0.17로 형성하였는데, 만약 0.17보다 더 낮은 값으로 형성할 경우 표 1의 Haze 특성 및 투과 모드에서의 광 투과율 특성이 더 향상될 수 있다.
다음의 표 2는 비교예 1 ~ 3의 헤이즈(haze), 차광모드시 광 투과율, 및 투과모드시 광 투과율을 나타낸 실험 데이터이다. 참고로, 표 2는 각 측정 항목의 결과값에서 소수점 버림한 것을 나타낸 것이다.
No. Haze(0V) Toff(0V) Ton(Sat.)
comparative example 1 9% 4% 29%
comparative example 2 9% 3% 27%
comparative example 3 9% 2% 26%
표 2의 비교예 1 ~ 3에서, 이색성 염료(13)의 종류, 나노 액정 캡슐(10)의 평균 입도, 액정 캡슐층(100)의 두께, 및 액정(11)의 배열 형태는 표 1의 embodiment 1 ~ 7과 모두 동일하게 형성하였다.
특히, 표 2의 비교예 1 ~ 3은 표 1의 embodiment 1 ~ 7과 대비하여 액정(11)의 굴절률 이방성(Δn)을 다르게 형성하였다. 구체적으로, 표 2의 비교예 1 ~ 3에서, 액정(11)의 굴절률 이방성(Δn)은 모두 0.27로 형성하였다.
그리고, 표 2에서 비교예 1의 이색성 염료(13) 농도는 6중량%이고, 비교예 2의 이색성 염료(13) 농도는 7중량%이고, embodiment 3의 이색성 염료(13) 농도는 8중량%이다.
표 2에서 확인할 수 있듯이, 광 투과율 2 ~ 4%의 높은 차광률을 구현하면, 투과 모드에서 광 투과율이 30%이하로 떨어져 차량용 스마트 윈도우의 요구 광특성에 부합하는 최소 투과율(30%)을 만족하지 못하게 된다.
또한, 헤이즈(Haze) 역시 9% 수준의 매우 높은 값을 나타내는 것을 알 수 있으며, 이는 종래 액정 기반 광투과 조절 장치의 헤이즈와 유사한 값이다.
도 6은 본 발명에 따른 스마트 윈도우용 광투과 조절 패널의 차광 모드 동작을 나타낸 단면도이다. 도 7은 본 발명에 따른 스마트 윈도우용 광투과 조절 패널의 투과 모드 동작을 나타낸 단면도이다.
이하에서는, 도 6 및 도 7을 참조하여 차광 모드 및 투과 모드 동작에 대하여 설명하도록 한다.
제1 전극(40)과 제2 전극(60)에 전압이 인가되지 않은 상태일 경우, 입사광의 대부분이 이색성 염료(13)에 의해 흡수되어 차광 모드가 구동된다(도 6 참조).
제1 전극(40)과 제2 전극(60)에 전압이 인가될 경우, 나노 액정 캡슐(10) 내의 다수의 액정(11)과 이색성 염료(13)에 수직 전계가 인가되어 액정 분자(11)들이 전계 방향을 따라 배열된다.
그리고, 액정 분자(11)의 배열에 연동하여, 이색성 염료(13) 역시 전계 방향을 따라 배열되어 입사광을 투과시키는 투과 모드가 구동된다(도 7 참조).
참고로, 인가전압의 크기에 따른 투과 모드의 구동 특성을 살펴보면, 인가 전압이 점차 높아질수록 광 투과율이 점진적으로 증가하는 특성을 나타내고, 이에 따라 우수한 중간 그레이(Gray) 특성을 구현할 수 있다.
이후, 인가전압이 포화 전압(Saturation Voltage)에 도달하면 광 투과율이 더 이상 증가하지 않고 멈추게 된다.
전술한 바와 같은 본 발명의 광투과 조절 패널은 다음과 같은 형태로 차량용 스마트 윈도우에 적용될 수 있다.
도 9는 본 발명의 광투과 조절 패널을 구비하는 차량용 스마트 윈도우의 단면도이다.
일 실시예에 따르면, 본 발명의 광투과 조절 패널은 도 9와 같이 2중 구조의 윈도우 사이에 개재되는 구조로 설치될 수 있다.
상기 경우, 차량용 스마트 윈도우는 판형의 제1 윈도우(200), 상기 제1 윈도우(200)와 합착되는 판형의 제2 윈도우(210), 및 제1 윈도우(200)와 제2 윈도우(210) 사이에 개재되는 본 발명의 광투과 조절 패널(500)로 구성될 수 있다.
바람직하게는, 차량용 스마트 윈도우는 제1 윈도우(200)의 일면 상에 형성되는 제1 점착층(300), 및 제2 윈도우(210)의 일면 상에 형성되는 제2 점착층(310)을 더 포함할 수 있다.
상기 경우, 제1 윈도우(200), 광투과 조절 패널(500), 및 제2 윈도우(210)는 제1,2 점착층(300,310)에 의해 상호 접합 고정될 수 있다.
그리고, 제1 점착층(300) 및 제2 점착층(310)은 PVB(Polyvinyl Butyral), EVA(Ethylene Vinyl Acetate), PSA(Pressure Sensitive Adhesive), OCA (Optically Clear Adhesive), 및 UV(Ultra-Violet) 점착제 중에서 선택된 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다.
그리고, 제1 윈도우(200), 제2 윈도우(210), 및 광투과 조절 패널(500)은 제1,2 점착층(300,310)을 고온 고압의 환경에 노출시킴으로써 상호 접합 고정될 수 있다. 이때, 자동차 유리제조 공정은 100℃ 이상의 고온과, 5기압 이상의 고압 공정이 진행되는 것일 수 있다.
그리고, 제1 윈도우(200) 및 제2 윈도우(210)는 강화 유리, 투명한 엔지니어링 플라스틱, 또는 방탄 유리일 수 있다.
또 다른 실시예에 따르면, 본 발명의 스마트 윈도우용 광투과 조절 패널(500)은 차량에 설치되는 윈도우의 일면 상에 부착될 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 광투과 조절 패널은 특히 차량용 스마트 윈도우에 매우 적합하게 적용될 수 있다. 이는 본 발명의 광투과 조절 패널은 매우 높은 차광률을 구현할 수 있으면서, 또한 차량용 스마트 윈도우에 필수적으로 요구되는 광 특성(즉, 앞서 설명한 요구 광특성)도 함께 만족시킬 수 있기 때문이다.
따라서, 차량용 스마트 윈도우 이외에 다른 대상(예컨대, 특정 건축물의 스마트 윈도우)이 이러한 요구 광특성을 필요로 한다면, 본 발명의 광투과 조절 패널은 차량뿐만 아니라 이와 같은 다른 대상에도 적용될 수 있음은 물론이다.
상기에서 본 발명의 바람직한 실시예가 특정 용어들을 사용하여 설명 및 도시되었지만 그러한 용어는 오로지 본 발명을 명확히 설명하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 실시예 및 기술된 용어는 다음의 청구범위의 기술적 사상 및 범위로부터 이탈되지 않고서 여러가지 변경 및 변화가 가해질 수 있는 것은 자명한 일이다. 이와 같이 변형된 실시예들은 본 발명의 사상 및 범위로부터 개별적으로 이해되어져서는 안되며, 본 발명의 청구범위 안에 속한다고 해야 할 것이다.

Claims (18)

  1. 일면 상에 제1 전극이 형성된 제1 기판; 일면 상에 제2 전극이 형성된 제2 기판; 및 상기 제1 기판과 상기 제2 기판 사이에 구비되는 액정 캡슐층;을 포함하고,
    상기 액정 캡슐층은, 다수의 나노 액정 캡슐; 및 상기 다수의 나노 액정 캡슐이 내부에 배치되어 있는 고분자 매트릭스;를 포함하고,
    상기 나노 액정 캡슐은, 양의 유전율 이방성을 갖는 다수의 액정과 이색성 염료를 포함한 코어 물질; 및 상기 코어 물질의 외벽을 형성하는 쉘 물질로 이루어지며,
    상기 다수의 나노 액정 캡슐의 평균 입도는 50nm ~ 200nm이고,
    상기 이색성 염료는 상기 코어 물질의 총중량 대비 2.0 ~ 12.0 중량%로 이루어지며,
    상기 액정의 굴절률 이방성(Δn)은 0.01 ~ 0.18인 것을 특징으로 하는 스마트 윈도우용 광투과 조절 패널.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 다수의 액정의 적어도 일부는 전압 비인가 상태에서는 다수의 상이한 방향으로 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 스마트 윈도우용 광투과 조절 패널.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 다수의 액정의 적어도 일부는 전압 비인가 상태에서는 방사형으로 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 스마트 윈도우용 광투과 조절 패널.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 액정의 굴절률 이방성(Δn)은 0.01 ~ 0.16인 것을 특징으로 하는 스마트 윈도우용 광투과 조절 패널.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 액정의 굴절률 이방성(Δn)은 0.01 ~ 0.14인 것을 특징으로 하는 스마트 윈도우용 광투과 조절 패널.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 이색성 염료는 상기 코어 물질의 총중량 대비 4.0 ~ 10.0 중량%로 이루어지는 것을 특징으로 하는 스마트 윈도우용 광투과 조절 패널.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 액정 캡슐층의 두께는 5.0 ~ 15.0㎛인 것을 특징으로 하는 스마트 윈도우용 광투과 조절 패널.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 액정 캡슐층의 두께는 8.0 ~ 12.0㎛인 것을 특징으로 하는 스마트 윈도우용 광투과 조절 패널.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 나노액정캡슐은 상기 고분자 매트릭스 내부에 30 ~ 70%의 충진율로 분산되게 배치된 것을 특징으로 하는 스마트 윈도우용 광투과 조절 패널.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 고분자 매트릭스는 투명한 고분자 바인더로 형성된 것인 스마트 윈도우용 광투과 조절 패널.
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 기판과 상기 제2 기판은 투명한 플라스틱 기판인 것을 특징으로 하는 스마트 윈도우용 광투과 조절 패널.
  12. 제1 항에 있어서,
    상기 쉘 물질은 고분자 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 스마트 윈도우용 광투과 조절 패널.
  13. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극에 전압이 인가될 경우,
    상기 다수의 액정에 수직 전계가 인가되고,
    상기 다수의 액정은 상기 수직 전계 방향을 따라 배열되는 것을 특징으로 하는 스마트 윈도우용 광투과 조절 패널.
  14. 제1 윈도우;
    상기 제1 윈도우와 합착되는 제2 윈도우; 및
    상기 제1 윈도우와 상기 제2 윈도우 사이에 개재되는 제1 항 내지 제13 항 중 어느 한 항의 스마트 윈도우용 광투과 조절 패널;을 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 스마트 윈도우.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 제1 윈도우의 일면 상에 형성되는 제1 점착층; 및 상기 제2 윈도우의 일면 상에 형성되는 제2 점착층;을 더 포함하고,
    상기 제1 윈도우, 상기 스마트 윈도우용 광투과 조절 패널, 및 상기 제2 윈도우는 상기 제1,2 점착층에 의해 상호 접합 고정된 것인 차량용 스마트 윈도우.
  16. 제15 항에 있어서,
    상기 제1 점착층 및 상기 제2 점착층은,
    PVB, EVA, PSA, OCA, 및 UV 점착제 중에서 선택된 적어도 어느 하나로 형성된 것인 차량용 스마트 윈도우.
  17. 제14 항에 있어서,
    상기 제1 윈도우 및 상기 제2 윈도우는, 강화 유리, 투명한 엔지니어링 플라스틱, 또는 방탄유리인 것인 차량용 스마트 윈도우.
  18. 판형의 윈도우; 및
    상기 윈도우에 부착되는 제1 항 내지 제13 항 중 어느 한 항의 스마트 윈도우용 광투과 조절 패널;을 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 스마트 윈도우.
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