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KR102266840B1 - 광 에너지의 통과를 조절하기 위한 2개의 액정 스위칭 층을 포함하는 장치 - Google Patents

광 에너지의 통과를 조절하기 위한 2개의 액정 스위칭 층을 포함하는 장치 Download PDF

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KR102266840B1
KR102266840B1 KR1020157034764A KR20157034764A KR102266840B1 KR 102266840 B1 KR102266840 B1 KR 102266840B1 KR 1020157034764 A KR1020157034764 A KR 1020157034764A KR 20157034764 A KR20157034764 A KR 20157034764A KR 102266840 B1 KR102266840 B1 KR 102266840B1
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미카엘 윤게
안드레아스 바이에르
우르술라 파트발
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메르크 파텐트 게엠베하
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Abstract

본 발명은, 에너지의 통과를 조절하기 위한 장치에 관한 것이며, 상기 장치는, 잇따라 배열된 2개 이상의 스위칭 층 S(1) 및 S(2)를 포함하는 것을 특징으로 하며, 상기 스위칭 층은 하나 이상의 이색성 화합물을 포함하는 액정 매질을 포함한다.

Description

광 에너지의 통과를 조절하기 위한 2개의 액정 스위칭 층을 포함하는 장치{DEVICE COMPRISING TWO LIQUID CRYSTAL SWITCHING LAYERS FOR REGULATING THE PASSAGE OF OPTICAL ENERGY}
본 발명은 에너지의 통과를 조절하기 위한 장치에 관한 것이며, 상기 장치는, 잇따라 배열된 2개 이상의 스위칭 층 S(1) 및 S(2)를 포함하는 것을 특징으로 하며, 상기 스위칭 층은 하나 이상의 이색성 화합물을 포함하는 액정 매질을 포함하고, 상기 장치의 하나 이상의 스위칭 상태에서 액정 매질의 분자의 배향은 층 S(1) 및 S(2)에서 다르다.
본 발명을 위하여, "에너지"라는 용어는 특히, UV-A, VIS 및 NIR 영역 내의 전자기 복사선에 의한 에너지를 의미한다. 이는 또한, 특히, 윈도우에 일반적으로 사용되는 물질(예를 들면, 유리)에 의해 흡수되지 않거나 또는 단지 무시할 수 있는 정도로만 흡수되는 복사선을 의미한다. 일반적으로 사용되는 정의에 따르면, UV-A 영역은 320 nm 내지 380 nm의 파장을 의미하고, VIS 영역은 380 nm 내지 780 nm의 파장을 의미하며, NIR 영역은 780 nm 내지 2000 nm의 파장을 의미한다. 대응적으로, "광"이라는 용어는 일반적으로 320 nm 내지 2000 nm의 파장을 갖는 복사선을 의미한다.
본 발명을 위하여, "액정 매질"이라는 용어는, 특정 조건 하에서 액정 특성을 갖는 물질을 의미한다. 이러한 물질은 바람직하게는 실온에서 및 실온 초과 또는 미만의 특정 온도 범위에서 액정 특성을 갖는다. 액정 매질은 단일 화합물을 포함할 수 있거나, 또는 복수의 상이한 화합물을 포함할 수 있다. 본 발명에 따른 액정 매질은 전형적으로, 분자들이 장방형인(즉, 다른 2개의 공간 방향보다 하나의 공간 방향으로 상당히 더 긴) 하나 이상의 화합물을 포함한다. 이러한 공간 방향은 분자의 종방향 축으로도 불린다.
본 발명을 위하여, "이색성 염료"는, 흡수 특성이 광의 편광 방향에 대한 분자의 배향에 의존하는 광-흡수성 화합물을 의미한다. 본 발명에 따른 이색성 화합물은 전형적으로 장방형이다(즉, 이러한 화합물은 다른 2개의 공간 방향보다 하나의 공간 방향으로 상당히 더 길다). 이러한 공간 방향은 화합물의 종방향 축으로도 불린다.
표면, 예를 들어 유리 표면을 통한 에너지의 통과를 조절하기 위한 스위칭 장치 분야에서는, 다수의 상이한 기술적 해결책이 지난 수년간 제안되었다. 하나의 유리한 해결책은, 하나 이상의 이색성 염료와 혼합된 액정 매질을 포함하는 스위칭 층을 사용하는 것이다. 전압을 인가함으로써, 이색성 화합물의 분자의 공간 배향의 변화가 이러한 스위칭 층에서 달성되어, 스위칭 층을 통한 투과율의 변화를 유발할 수 있다. 대응 장치는, 예를 들어 국제 특허 출원 공개 제 WO 2009/141295 호에 기술되어 있다.
다르게는, 이러한 유형의 투과율의 변화는 또한, 예를 들어 미국 특허 출원 공개 제 2010/0259698 호에 기술된 바와 같이, 전압 없이, 액정 매질의 등방성 상태로부터 액정 상태로의 온도-유도된 전이에 의해 달성될 수 있다.
상기 공보들은, 전술된 바와 같이 구성되고, 비교적 높은 투과율을 갖는 상태 및 비교적 낮은 투과율을 갖는 상태(장치의 명(bright) 상태 및 암(dark) 상태)로 스위칭 될 수 있는 단일 스위칭 층의 사용을 기술하고 있다. 이러한 원리에 기초하는 장치는, 명 상태와 암 상태 사이에서 에너지의 통과의 작은 차이만 갖는 것을 특징으로 한다. 이러한 차이는 투과율 범위로도 공지되어 있다.
이와 관련하여 중요한 관심은, 에너지 조절을 위한 가능한 가장 큰 용량을 갖는(즉, 스위칭에 의해 장치를 통한 에너지의 통과에서의 가능한 가장 큰 차이가 만들어지게 하는), 에너지의 통과를 조절하기 위한 장치를 제공하는 것이다. 따라서, 이러한 장치는, 예를 들어 내부로의 에너지의 투입을 조절하고 이에 따라 이의 내부의 온도를 효과적으로 조절할 수 있다. 따라서, 바람직한 장치는 가시광 형태의 에너지의 통과를 조절할 뿐만 아니라, 보이지 않는 열 복사선, 특히 780 nm 내지 2000 nm의 파장을 갖는 NIR 복사선 형태의 에너지의 통과도 조절한다.
다른 관심은, 매우 높은 에너지 투과율을 갖는 장치의 명 상태가 추가적으로 존재한다는 것이다. 이는, 외부로부터의 낮은 에너지 조사(irradiation)의 경우, 에너지 투입이 장치에 의해 조절되는 내부에서 편안한 상태를 달성할 수 있는 유일한 방법이다.
선행 기술(미국 특허 출원 공개 제 2010/0259698 호)는, 에너지의 통과를 조절하기 위한 스위칭 장치의 투과율 범위를 증가시키기 위해 편광기를 사용하는 것을 기술하고 있다. 그러나, 이는 장치의 명 투과율(bright transmission)을 상당히 감소시키며, 이는, 전술된 바와 같이 바람직하지 않다.
본 발명과 관련하여, 전술된 기술적 목적이, 신규 구조를 갖는 에너지 투과 조절 장치를 제공함으로써 달성될 수 있는 것으로 밝혀졌다.
도 1은, 본 발명에 따른 장치의 바람직한 층 순서를 도시한다.
도 2는, 상기 장치의 바람직한 실시양태의 경우에, 쌍촉 화살표를 사용하여, 배향 층 O(2) 및 O(3)에 직접 인접한 액정 매질의 분자의 상이한 배향 축을 도시한다.
도 3은, 상기 장치의 바람직한 실시양태의 경우에(A-1-1), 쌍촉 화살표를 사용하여, 배향 층 O(1), O(2), O(3) 및 O(4)에 직접 인접한 액정 매질의 분자의 상이한 배향 축을 도시하며, 이때 배향 축은 각각의 경우 O(1) 및 O(2)에 대해 동일하고, 각각의 경우 O(3) 및 O(4)에 대해 동일하다.
도 4는, 상기 장치의 바람직한 실시양태의 경우에(A-1-2), 쌍촉 화살표를 사용하여, 배향 층 O(1), O(2), O(3) 및 O(4)에 직접 인접한 액정 매질의 분자의 상이한 배향 축을 도시하며, 이때 배향 축은 각각의 경우 O(1) 및 O(2) 서로에 대해 90° 비틀려 있고, 각각의 경우 O(3) 및 O(4) 서로에 대해 90° 비틀려 있다.
도 5는, 상기 장치의 바람직한 실시양태의 경우에(A-1-3), 쌍촉 화살표를 사용하여, 배향 층 O(1), O(2), O(3) 및 O(4)에 직접 인접한 액정 매질의 분자의 상이한 배향 축을 도시하며, 이때 배향 축은 각각의 경우 O(1) 및 O(2)에 대해 동일하고, 각각의 경우 O(3) 및 O(4)에 대해 동일하다.
도 6은, 상기 장치의 바람직한 실시양태의 경우에(A-1-4), 쌍촉 화살표를 사용하여, 배향 층 O(1), O(2), O(3) 및 O(4)에 직접 인접한 액정 매질의 분자의 상이한 배향 축을 도시하며, 이때 배향 축은 각각의 경우 O(1) 및 O(2) 서로에 대해 90° 비틀려 있고, 각각의 경우 O(3) 및 O(4) 서로에 대해 90° 비틀려 있다.
따라서, 본 발명은, 표면을 통한 에너지의 통과를 조절하기 위한 장치에 관한 것이며, 이때 상기 장치는, 하나 이상의 이색성 화합물을 포함하는 액정 매질을 각각 포함하는 2개 이상의 스위칭 층 S(1) 및 S(2)를 포함하고, 상기 장치는 배향 층 O(1), O(2), O(3) 및 O(4)를 포함하고, 상기 스위칭 층 및 배향 층은 O(1), S(1), O(2), O(3), S(2), O(4)의 순서로 상호 평행한 평면으로 상기 장치 내에 존재하고, O(2)에 인접한 S(1)의 액정 매질의 분자의 배향 축 OA(1)*는 상기 장치의 하나 이상의 스위칭 상태에 존재하고, O(3)에 인접한 S(2)의 액정 매질의 분자의 배향 축 OA(2)*가 존재하고, 배향 축 OA(1)* 및 OA(2)*는 서로 평행하지 않고 상기 스위칭 층의 평면과 평행하다.
이러한 유형의 구조는 현재까지 당분야에서 제안되지 않았지만, 에너지의 통과를 조절하기 위한 장치에 대한 다수의 상이한 기술적 해결책이 오늘날 선행 기술에 공지되어 있다.
이는, 이러한 유형의 구조에 대한 기술적 편견이 극복되어야 한다는 사실에 기인할 것일 수 있다. 이러한 편견은, 건물 구조에 사용되는 장치(예컨대, 본 발명에 따른 장치)가 가능한 가장 단순한 구조를 가져야 한다는 것이다. 실제로, 덜 복잡한 구성요소와 동일한 긴 수명을 나타내는 경우에도, 고도의 복잡성은 일반적으로 피해야 한다.
토목공학 분야의 당업자의 이러한 견해는 널리 퍼져서, 기술 표준: DIN ISO 15686으로 통합되었다. 인자 구성요소 품질 및 구성요소 수명에 대한 이의 추정되는 효과 내에서의 하위-구성요소의 복잡성에 대한 논의는 또한, 문헌[F. Ritter, Lebensdauer von Bauteilen und Bauelementen-Modelling und praxisnahe Prognose [Lifetime of Components and Construction Element Modelling and Practical Prognosis], dissertation, Darmstadt 2011]을 참조한다.
그러나, 지나고 나서 보니, 본 발명에 따른 장치의 이점(큰 투과율 범위를 수반하는 높은 명 투과율)은 복잡한 구조의 단점을 분명히 상쇄한다. 현재까지, 수명과 관련된 단점은 발견되지 않았다.
본 발명의 위해, "배향 축"이라는 용어는, 네마틱 액정 매질의 경우, 공간 내에서 액정 매질의 분자의 종방향 축의 평균 배향을 나타내는데 사용된다. 액정 매질의 개별적인 분자의 종방향 축의 개별적인 배향은 각각의 개별적인 경우의 배향 축에 대응할 필요가 없다.
본 발명에 따르면, 상기 장치의 층 O(2) 및 O(3)은 서로 직접 뒤따를 필요가 없다. 본 발명의 바람직한 실시양태에서, 하나 이상의 층, 예를 들어 하나 이상의 유리 층이 이들 사이에 위치한다.
상기 장치는 바람직하게는 더 큰 2차원 구조 내의 개구부 내에 배열되며, 이때 2차원 구조 자체는 에너지의 통과를 허용하지 않거나, 단지 작은 정도로만 허용하고, 개구부는 비교적 높은 에너지 투과율을 가진다. 상기 2차원 구조는 바람직하게는 벽 또는 내부의 다른 외측 한계이다. 또한, 상기 2차원 구조는 바람직하게는, 내부에 본 발명에 따른 장치가 배열되는 개구부와 적어도 동일한 크기의 면적, 특히 바람직하게는 2배 이상 큰 면적을 커버한다.
상기 장치는 바람직하게는 0.05 m2 이상, 바람직하게는 0.1 m2 이상, 특히 바람직하게는 0.5 m2 이상, 매우 특히 바람직하게는 0.8 m2 이상의 면적을 갖는 것을 특징으로 한다.
상기 장치는 바람직하게는 건물, 용기, 차량 또는 다른 실질적으로 밀폐된 공간의 개구부 내에 설치된다. 이는 특히 바람직하게는 건물, 용기, 차량 또는 다른 실질적으로 밀폐된 공간의 개구부(이는, 전술된 바와 같이, 비교적 높은 에너지 투과율을 가짐) 내에 설치된다. 그러나, 특히 주위환경과의 제한된 환기만을 갖고, 광 에너지 형태로 외부로부터의 에너지 투입이 일어날 수 있는 광-투과성 경계면을 갖는 경우, 임의의 바람직한 내부 공간에 상기 장치가 사용될 수 있다. 상기 장치의 사용은, 광-투과성 영역(예를 들어, 윈도우 영역)을 통해 강한 일사량에 놓이는 내부 영역에 특히 적합하다.
따라서, 본 발명은, 실질적으로 에너지-투과성 영역을 통해 내부 공간 내로의 에너지의 통과, 바람직하게는 태양광 형태의 에너지의 통과를 조절하기 위한, 전술된 바와 같은 본 발명에 따른 장치의 용도에 관한 것이다.
그러나, 본 발명에 따른 장치는 미적 공간 설계, 예를 들어 광 및 칼라 효과를 위해서도 사용될 수 있다. 이의 신호 작용도 일어날 수 있다. 예를 들어, 회색 또는 칼라의 본 발명에 따른 장치를 포함하는 도어 및 벽 부재는 투명한 상태로 스위칭될 수 있다. 또한, 상기 장치는 휘도가 조절되는 백색 또는 칼라 면광원, 또는 다른 칼라(예컨대, 청색)의 게스트/호스트 디스플레이를 사용하여 휘도가 조절되는 칼라(예컨대, 황색) 면광원을 포함할 수 있다. 본 발명에 따른 장치와 조합된, 측면으로부터 빛나는 광원(예컨대, 백색 또는 칼라 LED 또는 LED 체인)의 도움으로 다른 미적 효과도 생길 수 있다. 이 경우, 광의 커플링-아웃(coupling-out) 및/또는 광 효과의 생성을 위해, 본 발명에 따른 장치의 유리 면들 중 하나 또는 둘 다가 편평하거나, 조면화 또는 구조화된 유리를 포함하는 표면 부재를 구비할 수 있다.
다른 대안적 용도(이 역시 본 발명의 청구 대상임)는, 예를 들어 보호용 고글, 얼굴 가리개 또는 썬글라스에서 눈에 대한 광의 입사를 조절하기 위한 용도이며, 이때 상기 장치는 하나의 스위칭 상태에서는 눈에 대한 광의 입사를 낮게 유지하고, 다른 스위칭 상태에서는 광의 입사를 덜 감소시킨다.
상기 장치는 스위칭가능한 장치를 제공한다. 본원에서 "장치의 스위칭"은, 장치를 통한 에너지의 통과의 변화를 의미한다. 이는, 뒤에 위치하는 공간으로의, 상기 장치를 통한 에너지의 투입을 조절하기 위해 본 발명에 따라 이용될 수 있다.
본 발명에 따른 장치는 바람직하게는 전기적으로 스위칭가능하다. 그러나, 이는 또한, 예를 들어 국제 특허 출원 공개 제 WO 2010/118422 호에 기술된 바와 같이, 에너지의 통과를 조절하기 위한 장치의 경우 순전히 열적으로 스위칭가능할 수 있다.
후자의 경우, 스위칭은 바람직하게는, 액정 매질을 포함하는 스위칭가능한 층의 온도 변화로 인해, 액정 매질의 네마틱 상태에서 등방성 상태로의 전이를 통해 일어난다.
네마틱 상태에서는, 배향 층의 작용으로 인해, 액정 매질의 분자 및 이에 따라 이색성 화합물도 배열된다(예를 들어, 상기 장치의 표면에 평행하게 배향된다). 등방성 상태에서는, 분자들이 비배열된 형태이다. 액정 매질의 분자의 배열은 이색성 염료의 배열을 유발한다. 이색성 염료의 배열된 존재와 비배열된 존재 간의 차이 자체가 본 발명에 따른 장치를 통한 에너지의 통과의 차이를 유발하며, 본 발명의 원리에 따르면, 이색성 염료 분자는 광의 진동면에 대한 배향에 따라 더 높거나 더 낮은 흡수 계수를 가진다.
상기 장치가 전기적으로 스위칭가능한 경우, 이는 전압에 의해 스위칭 층의 액정 매질의 분자를 배향하기 위한 수단을 포함한다. 이 경우, 이는 바람직하게는 4개의 전극을 포함하며, 이들 전극 중 하나는 스위칭 층 S(1)의 각 면(each side)에 설치되고, 이들 전극 중 하나는 스위칭 층 S(2)의 각 면에 설치된다. 전극은 바람직하게는 ITO 또는 박형, 바람직하게는 투명 금속 및/또는 금속-옥사이드 층, 예컨대, 은 또는 FTO(불소-도핑된 주석 옥사이드) 또는 이러한 용도를 위해 당업자에게 공지된 대안적 물질로 이루어진다. 전극은 바람직하게는 전기 접속부를 구비한다. 전력 공급은 바람직하게는 전지, 2차 전지, 수퍼커패시터 또는 외부 전력 공급에 의해 제공된다.
층의 액정 매질의 분자의 통상적인 공간적 배향에 의한 전기적 스위칭의 경우, 스위칭 작업은 전압의 인가에 의해 일어난다. 따라서, 상기 설명한 바와 같이, 이색성 화합물의 분자도 마찬가지로 배향되어, 상기 장치를 통한 에너지의 통과의 차이가 생긴다.
본 발명에 따르면, 스위칭 층은, 다르게는 S(1)만 또는 S(2)만 또는 이들 둘 다 전기장으로 처리되거나 이들 둘 다 전기장으로 처리되지 않을 수 있는 방식으로 개별적으로 스위칭 가능한 것이 바람직하다.
전기장의 인가는 바람직하게는 액정 매질의 분자의 수직 배향을 유발하며, 이때 "수직"은 스위칭 층의 평면에 대한 것으로 이해되어야 한다. 그러나, 스위칭 층의 평면에 대해 평행한 배향이 수행되는 것도 마찬가지로 가능하고, 특정 경우에는 또한 바람직하다. 전기장에 의해 분자의 목적하는 배향이 일어나도록 하기 위해 전기장이 어떻게 설계되어야 하는지 또는 액정 매질의 분자가 어떻게 설계되어야 하는지는 액정 매질 분야의 당업자에게 공지되어 있다.
바람직한 실시양태에서, 스위칭 층은, 전압 없이 존재하는 높은 흡수율을 갖는(즉, 에너지의 적은 통과) 상태로부터 더 낮은 흡수율을 갖는(즉, 에너지의 더 많은 통과) 상태로 전환된다. 상기 액정 매질은 바람직하게는 이들 두 상태에서 네마틱이다. 전압이 인가되지 않은 스위칭 상태는 바람직하게는, 액정 매질의 분자 및 이에 따른 이색성 화합물의 분자가 스위칭 층의 표면에 평행하게 배향되는 것(평면 배향)을 특징으로 한다. 이는 바람직하게는 대응적으로 선택된 배향 층에 의해 달성된다. 전압 하의 스위칭 상태는 바람직하게는, 액정 매질의 분자 및 이에 따른 이색성 화합물의 분자가 스위칭 층의 표면에 수직인 것(호메오트로픽 배향)을 특징으로 한다.
대안적인 또한 바람직한 실시양태에서, 스위칭 층은, 전압 없이 존재하는 낮은 흡수율을 갖는(즉, 에너지의 많은 통과) 상태로부터 더 높은 흡수율을 갖는(즉, 에너지의 더 적은 통과) 상태로 전환된다. 상기 액정 매질은 바람직하게는 이들 두 상태에서 네마틱이다. 전압이 인가되지 않은 스위칭 상태는 바람직하게는, 액정 매질의 분자 및 이에 따른 이색성 화합물의 분자가 스위칭 층의 표면에 수직인 것(호메오트로픽 배향)을 특징으로 한다. 이는 바람직하게는 대응적으로 선택된 배향 층에 의해 달성된다. 전압 하의 스위칭 상태는 바람직하게는, 액정 매질의 분자 및 이에 따른 이색성 화합물의 분자가 스위칭 층의 표면에 평행하게 배향되는 것(평면 배향)을 특징으로 한다.
상기 장치의 바람직한 실시양태에서, 스위칭 층 S(1) 및 S(2)는 전압이 인가되지 않은 스위칭 상태에서 이들의 배향 면에서 동일하다. 본원에서는 하기 2개의 경우를 생각할 수 있다: 하나의 경우, 상기 장치는 전압이 인가되지 않은 스위칭 상태에서 상기 스위칭 층 둘 다에서 평면 배향을 가질 수 있거나, 다른 경우, 상기 장치는 전압이 인가되지 않은 스위칭 상태에서 상기 스위칭 층 둘 다에서 호메오트로픽 배향을 가질 수 있다.
또한, 특정 경우에 바람직한 대안적 실시양태에 따르면, 예를 들어 전압이 인가되지 않은 스위칭 상태에서 하나의 스위칭 층에서는 액정 매질의 분자가 호메오트로픽 배향되고, 전압이 인가되지 않은 스위칭 상태에서 2개의 스위칭 층 중 나머지 하나에서는 평면 배향을 갖는 방식으로, 스위칭 층 S(1) 및 S(2)는 전압이 인가되지 않은 스위칭 상태에서 이들의 배향 면에서 상이하다.
또한, 예를 들어 전압 하의 스위칭 상태에서 스위칭 층들 중 하나가 호메오트로픽 배향되고, 전압 하의 스위칭 상태에서 2개의 스위칭 층 중 나머지 하나가 평면 배향을 갖는 방식으로, 전압 하의 스위칭 상태에서 스위칭 층들이 이들의 배향 면에서 상이한 것도 가능하고, 특정 경우에는 바람직하다. 이러한 경우는 바람직하게는, 스위칭 층 S(1) 및 S(2)가 전압이 인가되지 않은 스위칭 상태에서 이들의 배향 면에서 상이한, 전술된 경우와 조합된다.
하기 경우가 바람직하다:
실시양태 A-1:
전압이 인가되지 않은 암 상태: S(1) 평면, S(2) 평면,
S(1)에만 전압 인가: S(1) 호메오트로픽, S(2) 평면,
S(2)에만 전압 인가: S(1) 평면, S(2) 호메오트로픽,
전압이 인가된 명 상태: S(1) 호메오트로픽, S(2) 호메오트로픽.
실시양태 A-2:
전압이 인가되지 않은 명 상태: S(1) 호메오트로픽, S(2) 호메오트로픽,
S(1)에만 전압 인가: S(1) 평면, S(2) 평면,
S(2)에만 전압 인가: S(1) 호메오트로픽, S(2) 평면,
전압이 인가된 암 상태: S(1) 평면, S(2) 평면.
실시양태 A-3:
전압이 인가되지 않은 상태: S(1) 호메오트로픽, S(2) 평면,
S(1)에만 전압이 인가된 암 상태: S(1) 평면, S(2) 평면,
S(2)에만 전압이 인가된 명 상태: S(1) 호메오트로픽, S(2) 호메오트로픽.
실시양태 A-4:
전압이 인가되지 않은 상태: S(1) 평면, S(2) 호메오트로픽,
S(1)에만 전압이 인가된 명 상태: S(1) 호메오트로픽, S(2) 호메오트로픽,
S(2)에만 전압이 인가된 암 상태: S(1) 평면, S(2) 평면.
실시양태 A-3 및 A-4에서, 층 S(1) 및 S(2)는 서로 독립적으로 전기적으로 스위칭가능하다. 이들 실시양태는, 전압 없이 매질 투과의 상태가 존재한다는 이점을 가지며, 이로부터, 각각의 경우 2개의 스위칭 층 중 하나에만 전압을 인가함으로써 고-투과율 스위칭 상태로 또는 저-투과율 스위칭 상태로 스위칭하는 것이 가능하다.
실시양태 A-1 및 A-2의 경우, 층 S(1) 및 S(2)의 개별적인 스위칭이 가능한 것도 바람직하다. 이들 실시양태에서, 각각의 경우, 2개의 층 S(1) 및 S(2) 중 하나로부터의 스위칭에 의해 매질 투과의 스위칭 상태가 가능할 수 있다.
바람직한 실시양태에 따르면, 본 발명에 따른 장치는, 스위칭 층을 스위칭하는데 필요한 모든 에너지를 그 자체로 생성하는 특징을 가진다. 따라서, 상기 장치는 바람직하게는 자율적이며, 임의의 외부 공급되는 에너지를 필요로 하지 않는다. 이를 위하여, 이는 바람직하게는 광 에너지를 전기 에너지로 전환하기 위한 장치, 특히 바람직하게는 태양 전지를 포함한다.
본 발명의 바람직한 실시양태에서, 광 에너지를 전기 에너지로 전환하기 위한 이러한 장치는 본 발명에 따른 장치를 전기적으로 스위칭하기 위한 수단에 전기적으로 연결된다. 태양 전지에 의한 에너지 공급은 직접적으로 또는 간접적으로(즉, 전지 또는 2차 전지 또는 이들 사이에 연결된 에너지 저장용 다른 유닛을 통해) 일어날 수 있다. 태양 전지는 바람직하게는 상기 장치의 외부에 또는 상기 장치의 내부에, 예를 들어 국제 특허 출원 공개 제 WO 2009/141295 호에 개시된 바와 같이 적용된다. 태양 전지(이는 특히 확산 광의 경우 효율적임) 및 투명 태양 전지를 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 본 발명에 따른 장치에 실리콘 태양 전지 또는 유기 태양 전지를 사용하는 것이 가능하다.
본 발명에 따른 장치가 광 에너지를 전기 에너지로 전환시키기 위한 장치를 포함하는 경우, 광학 도파관 시스템(이는, 스위칭 층으로부터의 광을, 광 에너지를 전기 에너지로 전환시키는 유닛으로 유도함)을 포함하는 것이 바람직하다.
이러한 유형의 광학 도파관 시스템은 바람직하게는 국제 특허 출원 공개 제 WO 2009/141295 호에 기술된 바와 같이 구성된다. 이러한 광학 도파관 시스템은 상기 장치에 부딪히는 광을 모으고 농축한다. 이는 바람직하게는, 액정 매질을 포함하는 스위칭가능한 층 내에서 형광성 이색성 염료에 의해 방출되는 광을 모으고 농축한다. 광학 도파관 시스템은, 수집된 광이 농축된 형태로 상기 장치에 부딪히도록, 광 에너지를 전기 에너지로 전환시키기 위한 장치, 바람직하게는 태양 전지와 접촉한다. 광학 도파관 시스템은 바람직하게는 총 내부 반사를 통해 광을 유도한다. 상기 장치는 바람직하게, 광학 도파관 시스템이, 바람직하게는 하나 이상의 콜레스테릭 액정 층으로부터 선택되는 하나 이상의 파장-선택적 거울을 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 장치는, 다른 층의 상부에 편평한 하나의 층이 놓이는 복수개의 층으로부터 구성된다. 이는 바람직하게는 하기 순서의 층 구조를 가지며, 이때 층들은 특히 바람직하게는 서로 직접 인접한다:
- 바람직하게는 유리 또는 중합체를 포함하는, 기판 층,
- 전기 전도성 투명 층, 바람직하게는 ITO 층,
- 배향 층 O(1),
- 스위칭 층 S(1),
- 배향 층 O(2),
- 전기 전도성 투명 층, 바람직하게는 ITO 층,
- 바람직하게는 유리 또는 중합체를 포함하는, 기판 층(들),
- 전기 전도성 투명 층, 바람직하게는 ITO 층,
- 배향 층 O(3),
- 스위칭 층 S(2),
- 배향 층 O(4),
- 전기 전도성 투명 층, 바람직하게는 ITO 층,
- 바람직하게는 유리 또는 중합체를 포함하는, 기판 층.
이러한 유형의 층 구조는 도 1에 도시된다. 2개 이상의 기판 층이 또한 층 O(2)와 O(3) 사이에 존재하거나, 정확히 2개의 기판 층이 사이공간에 의해 분리될 수 있다.
층 O(1), S(1) 및 O(2)는 바람직하게는 서로 직접 뒤따른다. 또한, 층 O(3), S(2) 및 O(4)는 바람직하게는 서로 직접 뒤따른다.
바람직한 실시태양에서, 본 발명에 따른 장치는 윈도우, 특히 바람직하게는 하나 이상의 유리 표면을 포함하는 윈도우, 매우 특히 바람직하게는 다중판 단열 유리(multipane insulating glass)를 포함하는 윈도우의 구성요소이다.
본원에서 "윈도우"는, 특히, 프레임 및 이러한 프레임으로 둘러싸인 하나 이상의 유리 판(pane)을 포함하는 건물에서의 구조를 의미한다. 이는 바람직하게는 단열 프레임 및 2개 이상의 유리 판(다중판 단열 유리)을 포함한다.
바람직한 실시태양에 따르면, 본 발명에 따른 장치는 윈도우의 유리 표면에, 특히 바람직하게는 다중판 단열 유리의 2개의 유리 판의 사이공간에 직접 적용된다.
본 발명에 따른 장치가 윈도우 또는 필적하는 장치의 구성요소인 경우, 상기 장치를 포함하는 윈도우의 층 순서가 하기와 같도록, 윈도우의 제 1 유리 판은 상기 장치의 유리 판으로 형성되는 것이 바람직하다:
- 유리 층,
- 전기 전도성 투명 층, 바람직하게는 ITO 층,
- 배향 층 O(1),
- 스위칭 층 S(1),
- 배향 층 O(2),
- 전기 전도성 투명 층, 바람직하게는 ITO 층,
- 바람직하게는 유리 또는 중합체를 포함하는, 기판 층,
- 전기 전도성 투명 층, 바람직하게는 ITO 층,
- 배향 층 O(3),
- 스위칭 층 S(2),
- 배향 층 O(4),
- 전기 전도성 투명 층, 바람직하게는 ITO 층,
- 유리 층,
- 단열 기체(예컨대, 비활성 기체)로 충전된 밀봉된 사이공간,
- 유리 층.
윈도우는 바람직하게는, 맨 처음 언급된 층이 외부와 인접하고 맨 마지막에 언급된 층이 내부와 인접하도록 배열된다. 그러나, 역 배열도 가능하며, 특정 조건 하에 바람직할 수 있다.
윈도우의 전술된 층 순서는 추가의 층, 예를 들어 추가의 유리 층 또는 보호 층, 예컨대 UV 복사선, NIR 복사선, VIS 복사선 및/또는 물리적 충격에 대한 보호 층, 또는 예를 들어 NIR 광에 대해 반사 기능을 갖는 층에 의해 보충될 수 있다. 이들 층의 개별적인 기능은 또한 하나의 층에서 조합될 수 있다. 따라서, 예를 들어 전기 전도도 및 NIR 반사의 기능이 하나의 동일한 층에 의해 달성될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 장치를 포함하는 윈도우는 기본적으로 기존 윈도우를 개조함으로서 수득될 수 있다.
본 발명은 또한, 바람직하게는 전술된 바람직한 특징을 갖는 윈도우에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 하나 이상의 스위칭 상태에서 액정 매질의 분자의 배향 축 OA(1)* 및 OA(2)*는 서로 평행하게 배열되지 않는다. 배향 축 OA(1)* 및 OA(2)*의 경우, 이들은 하나 이상의 스위칭 상태에서 서로 바람직하게는 50 내지 90°의 각, 특히 바람직하게는 70 내지 90°의 각, 매우 특히 바람직하게는 85 내지 90°의 각을 형성한다.
바람직한 실시양태에 따르면, 액정 매질의 분자의 배향 축 OA(1)*는 스위칭 층 S(1) 전체에 걸쳐 균일하게 존재한다. 유사하게, 바람직한 실시양태에 따르면, 액정 매질의 분자의 배향 축 OA(2)*는 스위칭 층 S(2) 전체에 걸쳐 균일하게 존재한다. 그러나, 배향 축 OA(1)*가, 배향 층 O(2)에 인접한 스위칭 층 S(1)의 영역에만 존재하고/하거나, 배향 축 OA(2)*가, 배향 층 O(3)에 인접한 스위칭 층 S(2)의 영역에만 존재하는 경우도 생길 수 있다. 이러한 경우, 바람직하게는 배향 축의 비틀린 배열이 스위칭 층 내에 존재한다.
0A(1)* 및 OA(2)* 사이의 각(즉, 이들의 비-평행성)은 바람직하게는 상기 장치의 전압이 인가되지 않은 스위칭 상태에서, 즉, 전기장의 인가 없이 존재한다. 이러한 경우, 층 S(1) 및 S(2)에서 액정 매질의 분자의 배향 축들에 의해 서로에 대해 형성된 각은, 바람직하게는 상기 층에 인접한 배향 층에 의해, 즉, S(1)의 경우 O(1) 및 O(2) 따라서 OA(1)*에 의해, 및 S(2)의 경우 O(3) 및 O(4) 따라서 OA(2)*에 의해 만들어진다.
그러나, 이러한 각은 또한 상기 장치의 전압 하에, 즉, 전기장의 작용 하에 스위칭 상태에서 존재할 수 있다. 이러한 경우, 전기장은 스위칭 층의 평면에 대한 액정 매질의 분자 평면의 배향을 유발한다. 이를 위하여, 이는, 전압이 인가되지 않은 스위칭 상태에서, S(2)에 대한 배향 층 O(3) 및 O(4)에 비해, S(1)에 대한 배향 층 O(1) 및 O(2)의 정의되고 다르게 설정된 선경사각에 의해 본 발명에 따라 달성된다(액정 매질의 분자가 스위칭 층의 평면에 완전히 수직은 아니지만, 대신 약각의 각(선경사각)을 가짐). 이어서, 전기장의 인가에 의해 스위칭 층의 평면에 평행한 배향이 강제되는 경우, 이러한 배향은, 배향 축이 배향 축의 평면 내에 계속 존재하고 또한 선경사각의 존재 하에 호메오트로픽 상태로 존재하는 방식으로 일어난다. 따라서, S(1)에 대한 배향 층 O(1) 및 O(2) 및 S(2)에 대한 배향 층 O(3) 및 O(4)는 또한 이러한 실시양태에서 배향 축 OA(1)* 및 OA(2)*를 각각 간접적으로 명시한다.
다른 대안으로서, OA(1)*와 OA(2)* 사이의 각이 스위칭 상태로 존재하는 것이 가능하며, 이때 2개의 스위칭 층 중 하나는 전압이 인가되지 않은 스위칭 상태에 있고, 2개의 스위칭 층 중 나머지 하나는 전압 하에 스위칭 상태에 있다.
상기 장치의 배향 층 O(2) 및 O(3)은 바람직하게는, 이들이 각각, 배향 층에 인접한 액정 매질의 분자의 상이한 배향 축이 만들어지도록 하는 방식으로 설계된다.
이들은 바람직하게는 2가지 가능한 스위칭 상태 중 정확히 하나에서 이러한 배향이 만들어지게 한다. 이러한 스위칭 상태는 바람직하게는 상기 장치의 전압이 인가되지 않은 스위칭 상태이다. 또한, 이러한 상태의 액정 매질은 바람직하게는 액정 상, 바람직하게는 네마틱 액정 상으로 존재한다.
전압이 인가되지 않은 스위칭 상태에서 층 O(2) 및 O(3)은 바람직하게는 액정 매질에 인접한 분자의 평면 배향이 만들어지게 한다. 당분야의 일반 정의에 따르면, "평면 배향"은, 액정 매질의 분자의 최장축이 배향 층의 평면에 평행한 것을 의미한다.
그러나, 다르게는, 전압이 인가되지 않은 스위칭 상태에서 층 O(2) 및 O(3)이, 인접한 액정 매질의 분자의 호메오트로픽 배향이 만들어지게 하는 것도 가능하다. 당분야의 일반 정의에 따르면, "호메오트로픽 배향"은, 액정 매질의 분자의 최장축이 배향 층의 평면에 수직인 것을 의미한다.
또한, 2개의 배향 층 O(2) 및 O(3) 중 하나는, 인접한 액정 매질의 분자의 호메오트로픽 배향이 만들어지게 하고, 2개의 배향 층 O(2) 및 O(3) 중 나머지 하나는, 인접한 액정 매질의 분자의 평면 배향이 만들어지게 하는 경우도 가능하다.
상기 제시된 바와 같이, 실시양태 A-1의 특히 바람직한 변형은 하기에 더 자세히 기술된다.
대응하는 층에 인접한 액정 매질의 분자의 배향 축이 각각의 경우 50 내지 90°의 각, 특히 바람직하게는 70 내지 90°의 각, 매우 특히 바람직하게는 85 내지 90°의 각만큼 서로에 대해 비틀리는 방식으로, 배향은 층 O(2) 및 O(3)에 의해 만들어지는 것이 바람직하다. 이러한 유형의 특히 바람직한 배열이 도 2에 도시되며, 이때 배향 층에 인접한 각각의 액정 매질의 분자의 배향 축은 쌍촉 화살표로 표시된다.
쌍촉 화살표는, 배향 축이 방향을 갖지 않는 상황을 고려한다. 따라서, 90° 초과의 각은 90° 미만의 각에서 이의 등가의 대응각을 가진다.
이러한 정의에 따르면, 배향 축들 사이의 90° 초과의 각은 가능하지 않으며, 그 이유는, 화살표의 2개의 말단 사이에는 차이가 없기 때문이다(이는, 하나의 종방향 축과 2개의 횡축 사이에만 차이가 있는 액정 매질의 분자의 경우에 대응함).
본 발명의 바람직한 실시양태에서(A-1-1), 동일한 스위칭 층에 결합된 2개의 배향 층은 각각, 스위칭 층의 액정 매질의 분자의 동일한 배향 축이 본질적으로 만들어지도록 하는 방식으로 설계된다. 따라서, 이러한 유형의 바람직한 배열은, O(1)의 경우 0°에서 시작하는 배향 축의 하기 근사적 각이 만들어지게 한다:
O(1): 0°,
O(2): 0°,
O(3): 90°,
O(4): 90°.
이러한 유형의 배열이 도 2와 유사하게 도 3에 도표로 도시된다. 도시된 경우에서, OA(1)*의 각은 0°이고, OA(2)의 각은 90°여서, 이들이 90°의 각을 이룬다.
대안으로, 또한 본 발명의 바람직한 실시양태에서, 동일한 스위칭 층에 결합된 2개의 배향 층은, 이들에 의해 만들어지는, 액정 매질의 분자의 배향 축이 서로에 대해 비틀리는 방식으로 설계된다. 이들은 바람직하게는 서로 50 내지 90°의 각, 특히 바람직하게는 70 내지 90°의 각, 매우 특히 바람직하게는 85 내지 90°의 각을 형성한다.
이는 특히 바람직하게는, O(2) 및 O(3)에 의해 만들어지는 배향 축의 각과 관련된 전술된 바람직한 실시양태와 조합된다. 따라서, 이러한 유형의 바람직한 배열(A-1-2)은, O(1)의 경우 0°에서 시작하는 배향 축의 하기 근사적 각이 만들어지게 한다:
O(1): 0°,
O(2): 90°,
O(3): 0°,
O(4): 90°.
이러한 유형의 배열이 도 2와 유사하게 도 4에 도표로 도시된다. 도시된 경우에서, OA(1)*의 각은 90°이고, OA(2)의 각은 0°여서, 이들이 90°의 각을 이룬다. 90°의 비틀림 각 대신 유사한 크기의 각(예컨대, 80°)도 사용될 수 있음에 주목한다.
또한, O(1) 및 O(2)는 90°의 비틀림이 만들어지게 하지만, O(3) 및 O(4)가, 비틀림이 만들어지게 하지 않는 실시양태도 가능하고, 바람직하다. 따라서, 이러한 유형의 바람직한 배열(A-1-3)은, O(1)의 경우 0°에서 시작하는 배향 축의 하기 근사적 각이 만들어지게 한다:
O(1): 0°,
O(2): 90°,
O(3): 0°,
O(4): 0°.
이러한 유형의 배열이 도 2와 유사하게 도 5에 도표로 도시된다. 도시된 경우에서, OA(1)*의 각은 90°이고, OA(2)의 각은 0°여서, 이들이 90°의 각을 이룬다. 90°의 비틀림 각 대신 유사한 크기의 각(예컨대, 80°)도 사용될 수 있음에 주목한다.
최종적으로, O(3) 및 O(4)는 90°의 비틀림이 만들어지게 하지만, O(1) 및 O(2)가, 비틀림이 만들어지게 하지 않는 실시양태도 가능하고, 바람직하다. 따라서, 이러한 유형의 바람직한 배열(A-1-4)은, O(1)의 경우 0°에서 시작하는 배향 축의 하기 근사적 각이 만들어지게 한다:
O(1): 0°,
O(2): 0°,
O(3): 90°,
O(4): 0°.
이러한 유형의 배열이 도 2와 유사하게 도 6에 도표로 도시된다. 도시된 경우에서, OA(1)*의 각은 0°이고, OA(2)의 각은 90°여서, 이들이 90°의 각을 이룬다. 90°의 비틀림 각 대신 유사한 크기의 각(예컨대, 80°)도 사용될 수 있음에 주목한다.
스위칭 층 중의 하나 이상의 이색성 화합물이 분자는 바람직하게는 기본적으로 액정 매질의 분자와 동일한 방식으로 배향된다. 당업자는 이러한 동일한 배향이 일어나도록 하기 위해 액정 매질 및 이색성 화합물을 어떻게 선택해야 할지를 알고 있다.
전압 인가시의 스위칭 상태에서, 액정 매질의 분자는 바람직하게는 상기 층의 평면에 실질적으로 수직으로 배향된다. 당업자는, 이를 달성하기 위해, 선택된 액정 매질에 따라 전압을 어떻게 인가해야 할지를 알고 있다.
예를 들어, 미국 특허 출원 공개 제 2010/0259698 호에 기술된 바와 같이, 전술된 바와 같은 스위칭 층의 액정 매질의 분자의 등방성 상태로의 전이에 의해, 상기 장치의 암 상태로부터 출발하여 비교적 더 밝은 스위칭 상태를 달성하는 것도 가능하다. 여기서 전압의 인가는 필요하지 않다.
배향 층 O(1) 및 O(2)의 쌍의 경우, 이들 배향 층은 둘 다 액정 매질의 분자의 평면 배향이 만들어지도록 하거나, 이들 둘 다 액정 매질의 분자의 호메오트로픽 배향이 만들어지도록 하는 것이 바람직하다. 특히 바람직하게는, 이들 두 배향 층은, 상기 배향 층에 인접한 층 S(1)의 액정 매질의 분자의 동일한 배향 축이 정확히 만들어지게 한다. 그러나, 이들 두 배향 층이, 상이한 배향 축이 만들어지도록 하는 경우도 일어날 수 있다. 이는, 스위칭 층 S(1) 내에서 배향 축의 비틀린 배열의 형성을 유발한다.
배향 층 O(3) 및 O(4)의 쌍의 경우, 이들 두 배향 층이 액정 매질의 분자의 평면 배향이 만들어지도록 하거나, 이들 둘 다 액정 매질의 분자의 호메오트로픽 배향이 만들어지도록 하는 것이 바람직하다. 특히 바람직하게는, 이들 두 배향 층은, 상기 배향 층에 인접한 층 S(2)의 액정 매질의 분자의 동일한 배향 축이 정확히 만들어지게 한다. 그러나, 이들 두 배향 층이, 상이한 배향 축이 만들어지게 하는 경우도 일어날 수 있다. 이는, 스위칭 층 S(2) 내에서 배향 축의 비틀린 배열의 형성을 유발한다.
본 발명에 따른 장치에 사용되는 배향 층은 이러한 목적을 위해 당업자에게 공지된 임의의 바람직한 층일 수 있다. 폴리이미드 층, 특히 바람직하게는 러빙된(rubbed) 폴리이미드를 포함하는 층이 바람직하다. 분자가 배향 층과 평행한 경우(평면 배향), 당업자에게 공지된 특정 방식으로 러빙된 폴리이미드는 러빙 방향으로 액정 매질의 분자의 배향을 제공한다. 액정 매질의 분자가 배향 층 상에서 완전히 평면이 아니라, 대신 약간의 선경사각을 갖는 것이 바람직하다. 배향 층의 표면에 대한 액정 매질의 화합물의 수직 배향(호메오트로픽 배향)을 달성하기 위해서, 특정 방식으로 처리된 폴리이미드(매우 높은 선경사각을 위한 폴리이미드)가 바람직하게는 배향 층을 위한 물질로서 사용된다. 또한, 배향 축에 따라 액정 매질의 화합물의 배향(광배향)을 달성하기 위해, 편광된 광에 대한 노출 공정에 의해 수득된 중합체가 배향 층으로 사용될 수 있다.
하기 제시되는 스위칭 층의 바람직한 특징이 바람직하게는 스위칭 층 S(1) 및 스위칭 층 S(2) 둘 다에 적용된다.
또한, 일반적으로, 스위칭 층 S(1) 및 S(2)가 이들의 화학 조성에 대해 동일한 구조를 갖고, 이들이 동일한 물리적 특성을 갖는 것이 바람직하다.
스위칭 층 S(1) 및 S(2)는 바람직하게는, 0.7 내지 0.9, 특히 바람직하게는 0.7 내지 0.85, 매우 특히 바람직하게는 0.75 내지 0.8의 이방성도(R)를 갖는 것을 특징으로 한다.
스위칭 층의 이방성도(R)는, 편광된 광의 진동면에 평행한 분자의 배향의 경우에 흡광도에 대해 측정된 값(E(p)) 및 편광된 광의 진동면에 수직인 분자의 배향의 경우에 흡광도에 대해 측정된 값(E(s))으로부터 하기 수학식 1에 따라 계산된다.
[수학식 1]
R = [E(p)-E(s)] / [E(p) + 2×E(s)].
사용되는 정확한 방법은 작업 실시예에 제시된다.
또한, 스위칭 층은 바람직하게는 40% 이상, 바람직하게는 50% 이상, 특히 바람직하게는 60% 이상, 매우 특히 바람직하게는 70% 이상의 명 상태에서의 광 투과도(τv 명)를 가진다.
스위칭 층의 명 상태에서의 광 투과도(τv 명)는 %로 언급된다. 이는, 기준물로서의 염료를 갖지 않는 스위칭 층을 갖는 장치 대비, 상기 장치의 명 상태에서 스위칭 층의 광 투과도의 비로부터 계산된다. 이는, 표준 광원의 상대적 스펙트럼 분포 및 표준 관측기의 휘도 감도의 스펙트럼 정도를 고려하여 스펙트럼 투과도로부터 유럽 표준 EN410, 식(1)(판유리의 발광 특성 및 태양광 특성의 측정; Determination of luminous and solar characteristics of glazing)에 따라 계산된다. 사용되는 정확한 방법은 작업 실시예에 제시된다.
스위칭 층은 바람직하게는 1 내지 100 μm, 특히 바람직하게는 5 내지 50 μm의 두께를 가진다. 스위칭 층 S(1) 및 S(2)이 동일한 두께를 갖는 것이 또한 바람직하다.
상기 장치는 바람직하게는, 스위칭 층이 3종 이상의 상이한 이색성 화합물을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이색성 화합물 중 하나 이상이 발광성, 바람직하게는 형광성인 것이 바람직하다. 이는 특히, 상기 화합물에 의해 흡수되는 광 에너지가 재-방출되어야 하는 경우, 예를 들어 태양 전지에 의한 에너지 회수에 사용되기 위해서 바람직하다.
본원에서 "형광성"은, 화합물이, 특정 파장을 갖는 광을 흡수함으로써 전기적으로 여기된 상태에 놓이게 되고, 결과적으로 화합물이 기저 상태에서 발광 상태로 변환된다는 것을 의미한다. 방출된 광은 바람직하게는 흡수된 광보다 더 긴 파장을 갖는다. 또한 바람직하게는, 여기 상태에서 기저 상태로의 전이는 스핀-허용된(spin-allowed) 상태로(즉, 스핀의 변화없이) 일어난다. 또한, 형광성 화합물의 여기 상태의 수명은 바람직하게는 10-5 초 미만, 보다 바람직하게는 10-6 초 미만, 특히 바람직하게는 10-9 초 내지 10-7 초이다.
대안적 실시양태에 따르면, 특정 조건 하에, 이색성 화합물이 형광성이 아닌 것이 또한 바람직할 수 있다.
액정 매질 중의 이색성 염료의 흡수 스펙트럼들은 바람직하게는 검은색의 느낌이 눈에서 느껴지도록 서로를 보완한다. 액정 매질의 2 가지 이상의 이색성 염료는 바람직하게는 가시 스펙트럼의 대부분을 커버한다. 이는 바람직하게는 적색광을 흡수하는 하나 이상의 이색성 염료, 녹색 광 내지 황색 광을 흡수하는 하나 이상의 이색성 염료 및 청색 광을 흡수하는 하나 이상의 이색성 염료를 통하여 달성된다.
눈에 흑색 또는 회색으로 보이는 염료의 혼합물을 제조할 수 있는 정확한 방법은 당업자에게 공지되어 있으며, 예를 들면, 만프레드 리히터(Manfred Richter)의 문헌["Einfuhrung in die Farbmetrik [Introduction to Colorimetry]", 2nd Edition, 1981, ISBN 3-11-008209-8, Verlag Walter de Gruyter & Co.]에 기술되어 있다.
이색성 염료는 또한 바람직하게는 UV-VIS-NIR 영역, 즉 320 내지 2000㎚ 범위의 파장을 갖는 광을 주로 흡수한다. 여기에서, UV 광, VIS 광 및 NIR 광은 상기에서 정의된 바와 같다. 이색성 염료는 특히 바람직하게는 400 내지 1300㎚ 범위에서 최대 흡수값을 갖는다.
액정 매질 중에서의 모든 이색성 염료의 비율은 통틀어서 바람직하게는 0.01 내지 10 중량%, 보다 바람직하게는 0.1 내지 7 중량%, 특히 바람직하게는 0.2 내지 7 중량%이다. 개개의 이색성 염료의 비율은 바람직하게는 0.01 내지 10 중량%, 보다 바람직하게는 0.05 내지 7 중량%, 특히 바람직하게는 0.1 내지 7 중량%이다.
또한, 이색성 염료는 바람직하게는 문헌[B. Bahadur, Liquid Crystals - Applications and Uses, Vol. 3, 1992, World Scientific Publishing, Section 11.2.1]에 명시되어 있는 부류의 염료, 특히 바람직하게는 본원에 나타나 있는 표에 명시되어 있는 화합물 중에서 선택된다.
바람직하게는, 하나 이상의 이색성 화합물, 특히 바람직하게는 모든 이색성 화합물이 아조 화합물, 안트라퀴논, 메틴 화합물, 아조메틴 화합물, 메로시아닌 화합물, 나프토퀴논, 테트라진, 페릴렌, 터릴렌, 쿼터릴렌, 더 고급의 릴렌, 벤조티아다이아졸, 다이케토피롤로피롤, 스쿠아레인 및 파이로메텐, 예를 들어 붕소-다이파이로메텐(BODIPY)으로부터 선택된다.
특히 바람직하게는 하나 이상의 이색성 화합물, 매우 특히 바람직하게는 모든 이색성 화합물이 아조 염료, 페릴렌, 터릴렌, 벤조티아다이아졸 및 다이케토피롤로피롤로부터 선택된다.
바람직한 스쿠아레인 염료는 하기 화학식 I에 부합되며, 바람직한 붕소-다이파이로메텐 염료는 하기 화학식 II에 부합된다:
[화학식 I]
Figure 112015119455702-pct00001
[화학식 II]
Figure 112015119455702-pct00002
상기 식에서,
A1은, 각각의 경우, 동일하거나 상이하게, 하나 이상의 라디칼 R1로 치환될 수 있는, 지방족, 헤테로지방족, 방향족 또는 헤테로방향족 고리이고;
Z1은, 각각의 경우, 동일하거나 상이하게, 단일 결합, -C(=O)-O-, -O-(C=O)-, O, S, -CF2-CF2-, -CF2-O-, -O-CF2-, -CH2-CH2-, -CH=CH-, -CF=CF-, -CF=CH-, -CH=CF-, -CEC-, -OCH2- 및 -CH20-로부터 선택되고;
R1은, 각각의 경우, 동일하거나 상이하게, 임의의 바람직한 유기 라디칼이고;
n은, 각각의 경우, 동일하거나 상이하게, 1, 2, 3, 4 또는 5이다.
화학식 I 및 II의 구조는 각각의 경우 라디칼 R1로 임의의 위치에서 치환될 수 있다.
A1은 바람직하게는, 각각의 경우, 동일하거나 상이하게, 임의적으로 치환된 1,4-사이클로헥실렌 또는 1,4-페닐렌이다.
지수 n은 바람직하게는, 각각의 경우, 동일하거나 상이하게, 1, 2 또는 3이다.
R1은 바람직하게는, 각각의 경우, 동일하거나 상이하게, H, D, F, Cl, CN, R2-O-CO-, R2-CO-O-, 또는 탄소수 1 내지 10의 알킬 또는 알콕시 기 또는 탄소수 2 내지 10의 알켄일 기이고, 이때 R2는 탄소수 1 내지 10의 알킬 기 또는 탄소수 5 내지 20의 아릴 또는 헤테로아릴 기이다.
안트라퀴논 염료는, 예를 들어 유럽 특허 제 34832 호, 유럽 특허 제 44893 호, 유럽 특허 제 48583 호, 유럽 특허 제 54217 호, 유럽 특허 제 56492 호, 유럽 특허 제 59036 호, 영국 특허 제 2065158 호, 영국 특허 제 2065695 호, 영국 특허 제 2081736 호, 영국 특허 제 2082196 호, 영국 특허 제 2094822 호, 영국 특허 제 2094825 호, 일본 특허 출원 제 55-123673 호, 독일 특허 제 3017877 호, 독일 특허 제 3040102 호, 독일 특허 제 3115147 호, 독일 특허 제 3115762 호, 독일 특허 제 3150803 호 및 독일 특허 제 3201120 호에 기술되어 있고, 나프토퀴논 염료는, 예를 들어 독일 특허 제 3126108 호 및 독일 특허 제 3202761 호에 기술되어 있고, 아조 염료는 유럽 특허 제 43904 호, 독일 특허 제 3123519, 국제 특허 출원 공개 제 WO 82/2054 호, 영국 특허 제 2079770 호, 일본 특허 출원 제 56-57850 호, 일본 특허 출원 제 56-104984 호, 미국 특허 제 4308161 호, 미국 특허 제 4308162 호, 미국 특허 제 4340973 호, 및 문헌[T. Uchida, C. Shishido, H. Seki and M. Wada: Mol. Cryst. Lig. Cryst. 39, 39-52 (1977), and H. Seki, C. Shishido, S. Yasui and T. Uchida: Jpn. J. Appl. Phys. 21, 191-192 (1982)]에 기술되어 있고, 페릴렌은 유럽 특허 제 60895 호, 유럽 특허 제 68427 호 및 국제 특허 출원 공개 제 W0 82/1191 호에 기술되어 있고, 붕소-다이파이로메텐은 문헌[A. Loudet et al., Chem. Rev. 2007, 4891-4932]에 기술되어 있고, 스쿠아레인은 문헌[K. Law et al., Chem. Rev. 1993, 449-486]에 기술되어 있다.
예를 들어, 유럽 특허 제 2166040 호, 미국 특허 제 2011/0042651 호, 유럽 특허 제 68427 호, 유럽 특허 제 47027 호, 유럽 특허 제 60895 호, 독일 특허 제 3110960 호 및 유럽 특허 제 698649 호에 기술된 바와 같은 릴렌 염료가 매우 특히 바람직하다.
예를 들어, 아직 공개되지 않은 유럽 특허 출원 제 13002711.3 호에 개시된 바와 같은 벤조티아다이아졸이 매우 특히 바람직하다.
예를 들어, 아직 공개되지 않은 유럽 특허 제 13005918.1 호에 개시된 바와 같은 다이케토피롤로피롤이 매우 특히 바람직하다.
상기 액정 매질 중에 존재할 수 있는 바람직한 이색성 염료의 예는 하기 표에 제시된다.
Figure 112015119455702-pct00003
Figure 112015119455702-pct00004
Figure 112015119455702-pct00005
Figure 112015119455702-pct00006
Figure 112015119455702-pct00007
Figure 112015119455702-pct00008
Figure 112015119455702-pct00009
Figure 112015119455702-pct00010
Figure 112015119455702-pct00011
Figure 112015119455702-pct00012
본 발명에 따르면, 상기 장치의 스위칭 층은 액정 매질을 포함한다.
상기 액정 매질은 바람직하게는 상기 장치의 작동 온도에서 네마틱 액정이다. 이는 특히 바람직하게는 장치의 작동 온도의 ± 20℃ 위 및 아래 범위, 특히 바람직하게는 ± 30℃ 위 및 아래 범위에서 네마틱 액정이다.
상기 액정 매질은 또한 바람직하게는 70℃ 내지 170℃, 바람직하게는 90℃ 내지 160℃, 보다 바람직하게는 95℃ 내지 150℃, 특히 바람직하게는 105℃ 내지 140℃의 온도 범위에서 등명점, 바람직하게는 네마틱 액정 상태에서 등방성 상태로의 상 전이를 갖는다.
또한, 액정 매질의 유전 이방성(dielectric anisotropy)(Δε)은 바람직하게는 3 초과, 특히 바람직하게는 7 초과이다.
다르게는, 액정 매질의 유전 이방성(Δε)은 -2 미만, 바람직하게는 -3 미만인 것이 바람직할 수 있다.
액정 매질은 또한 바람직하게는 3 내지 20종의 상이한 화합물, 바람직하게는 8 내지 18종, 특히 바람직하게는 10 내지 16종의 상이한 화합물을 포함한다.
액정 매질은 또한 바람직하게는 0.01 내지 0.3, 특히 바람직하게는 0.04 내지 0.27의 광학 이방성(Δn)을 갖는다.
액정 매질은 또한 바람직하게는 1010 ohm·cm 초과의 고유 전기저항을 갖는다.
액정 매질의 구성 성분으로서 사용될 수 있는 화합물은 당업자에게 공지되어 있으며, 이로부터 자유롭게 선택될 수 있다.
또한, 액정 매질은 1,4-페닐렌 및 1,4-사이클로헥실렌을 기본으로 하는 하나 이상의 구조 요소(structural element)를 함유하는 하나 이상의 화합물을 포함하는 것이 바람직하다. 액정 매질은 1,4-페닐렌 및 1,4-사이클로헥실렌을 기본으로 하는 2개, 3개 또는 4개, 특히 바람직하게는 3개 또는 4개의 구조 요소를 함유하는 하나 이상의 화합물을 포함하는 것이 특히 바람직하다.
액정 매질은 하나 이상의 키랄성 도판트를 포함할 수 있다. 이는 바람직하게는 0.01 내지 3 중량%, 특히 바람직하게는 0.05 내지 1 중량%의 총 농도로 존재한다. 높은 비틀림 값을 수득하기 위하여, 키랄성 도판트의 총 농도는 3 중량%보다 높게, 바람직하게는 최대 10 중량% 이하로 선택될 수도 있다.
액정 매질은 바람직하게는 하나 이상의 안정화제를 포함한다. 안정화제의 총 농도는 바람직하게는 전체 혼합물 중량의 0.00001 내지 10 중량%, 특히 바람직하게는 0.0001 내지 1 중량%이다.
상기 장치는 바람직하게는, 중합체-기반의 편광기를 포함하지 않고, 특히 바람직하게는 고체 물질 상의 편광기를 포함하지 않고, 매우 특히 바람직하게는 편광기를 전혀 포함하지 않는 것을 특징으로 한다.
그러나, 다른 실시양태에 따르면, 상기 장치는 또한 하나 이상의 편광기를 포함할 수 있다. 이러한 경우, 선형 편광기가 바람직하다.
정확히 하나의 편광기가 존재하는 경우, 이의 흡수 방향은, 편광기가 상부에 위치하는 스위칭 층의 면 상에서 본 발명에 따른 장치의 액정 매질의 화합물의 배향 축에 수직이다.
본 발명에 따른 장치에서, 흡수형 편광기 및 또한 반사형 편광기가 모두 사용될 수 있다. 얇은 광학 필름 형태의 편광기를 사용하는 것이 바람직하다. 본 발명에 따른 장치에 사용될 수 있는 반사형 편광기의 예는 DRPF(확산 반사형 편광기 필름(diffusive reflective polariser film), 3M), DBEF(이중 휘도 향상 필름(dual brightness enhanced film), 3M), DBR(미국 특허 제 7,038,745 호 및 제 6,099,758 호에 기술되어 있는 바와 같은 적층-중합체 분산 브래그 반사기(layered-polymer distributed Bragg reflector)) 및 APF 필름(어드밴스드 편광기 필름(advanced polariser film), 3M, 문헌[Technical Digest SID 2006, 45.1], 미국 특허 출원 제 2011/0043732 호 및 미국 특허 7,023,602 호 참조)이다. 또한, 적외선을 반사하는 와이어 그리드 편광기(WGP, wire-grid polariser)를 기본으로 하는 편광기를 사용할 수도 있다. 본 발명에 따른 장치에 사용될 수 있는 흡수형 편광기의 예는 아이토스(Itos) XP38 편광기 필름 및 니토 덴코(Nitto Denko) GU-1220DUN 편광기 필름이다. 본 발명에 따라 사용될 수 있는 원형 편광기의 예는 APNCP37-035-STD 편광기(아메리칸 폴라라이저스(American Polarizers)사 제품)이다. 추가적인 예는 CP42 편광기(아이토스사 제품)이다.
상기 장치는 또한 보호 층, 예를 들어 UV 복사선, NIR 복사선, VIS 복사선 및/또는 물리적 손상에 대한 보호 층을 포함할 수 있다.
기판 층에 대해 전술된 유리 및 중합체 물질 대신, 유사한 특성을 갖는 다른 물질도 사용될 수 있다. 기판 층의 바람직한 물질은 유리 또는 중합체 PET, PEN, PVB 또는 PMMA이다.
본 발명에 따른 장치가, 반사방지 코팅을 갖는 하나 이상의 유리 층을 포함하는 것이 또한 바람직하다. 반사방지 코팅은, 박막 기술의 코팅 방법에 의해 생성된다. 이러한 방법은 물리적 기상 침착, 예를 들면 열 증착(thermal evaporation) 및 스퍼터링 침착을 포함한다. 반사방지 코팅은 단일-층 시스템 또는 다층 시스템에 의해 달성될 수 있다. 본 발명에 따른 장치에서 외부 환경에 인접한, 즉, 입사 태양광에 직접 노출되는 적어도 유리 층은 바람직하게는 반사방지 코팅을 가진다.
작업 실시예
본 출원에서, 액정 화합물의 구조는 약어(두문자어)로 재현된다. 이들 약어는 국제 특허 출원 공개 제 WO　2012/052100 호(pp. 63 - 89)에서 명확하게 제시되고 설명되어 있으며, 따라서 본 출원에서는 약어를 설명하기 위하여 상기 공보를 참조한다.
모든 물리적인 특성은 문헌[Merck Liquid Crystals, Physical Properties of Liquid Crystals", Status Nov. 1997, Merck KGaA, Germany]에 따라 측정되며, 20℃의 온도를 적용한다. 각각의 경우에 명확하게 달리 제시되지 않은 한, Δn 값은 589 ㎚에서 측정되며, Δε 값은 1 kHz에서 측정된다.
A) 장치의 제조 및 수득되는 결과
본 발명에 따른 장치 E-1 내지 E-15 및 비교용 장치 V-1 내지 V-15를 제조한다.
본 발명에 따른 장치는, 역평행하게 러빙된 2개의 교차된 게스트-호스트 셀(셀 1 및 셀 2)로 이루어진 하기 층 순서를 가진다.
셀 1
a) 1.1 mm 소다-석회 유리(코닝(Corning))를 포함하는 유리 층,
b) ITO 층, 200 Å,
c) 역평행하게 러빙된 폴리이미드 AL-054(JSR, 300 Å)를 포함하는 배향 층,
d) 액정 층(조성은 하기 제시됨)(24.3 μm),
e) c)와 같음,
f) b)와 같음,
g) a)와 같음.
셀 2
셀 1 바로 뒤에 배열되되, 층에 수직인 축에 대해 약 90° 회전된, 셀 1과 동일한 구조.
전기적으로 스위칭가능하도록 하기 위해 ITO 층들을 접촉하여 대응적으로 제공한다.
다르게는, 각각의 개별적인 셀의 배향 층의 쌍이 역평행하게 러빙되지 않지만, 대신 각각의 경우 서로에 대해 이들의 러빙 방향으로 90° 비틀린다는 사실만 전술된 배열과 다른, 등가의 배열(TN 셀)이 가능하다. 셀 1 의 제 2 배향 층의 러빙 방향은 셀 2의 제 1(즉, 후속) 배향 층의 러빙 방향에 대해 90° 회전한다. 따라서, 4개의 배향 층들 사이의 각은 다음과 같다: 셀 1의 2개의 배향 층들 사이 90° ; 셀 1의 배향 층 2와 셀 2의 배향 층 1 사이 90°; 셀 2의 2개의 배향 층들 사이 90°. 따라서, 달리 말하면, 본 발명의 배열은, 각각의 경우, 층에 수직인 축에 대해 셀 1 및 셀 2가 서로에 대해 회전하지 않도록 설계된다.
비교용 장치는 전술된 바와 같이 셀 1로 독점적으로 이루어진다.
[표 1]
Figure 112015119455702-pct00013
Figure 112015119455702-pct00014
Figure 112015119455702-pct00015
수득된 결과는, 동일한 명 투과율에서, 본 발명에 따른 장치(E-1 내지 E-15)를 갖는 모든 경우에, 단일 게스트-호스트 층만을 포함하는 장치(V-1 내지 V-5)에 비해 상당히 더 우수한 투과율 범위 값이 수득됨을 보여준다.
예를 들어, 본 발명에 따른 장치 E-3 및 E-13을 사용하면, 큰 범위와 함께(각각, 50.0% 및 54.0%) 탁월한 명 투과율(각각, 75.7% 및 80.9%)이 달성될 수 있다. 이러한 값은, 모든 비교예 중 가장 큰 투과율 범위를 갖는 실시예 V-4에 제시된 바와 같이, 비교용 장치를 사용해서는 달성될 수 없다. V-4의 경우, 명 투과율은 E-3의 경우와 유사하지만, 범위는 상당히 더 작다(33.3%).
심지어, 매우 높은 명 투과율의 경우, 실시예 E-2 및 E-12(36.7 및 38.2% 범위)에 제시된 바와 같이, 본 발명에 따른 장치를 사용하여 달성되는 범위는, 단지 20 내지 30%의 범위를 갖는 비교용 장치인 V-3, V-9 및 V-13에 비해 더 크다.
특히, 액정 층이 높은 이방성도를 갖는 경우, 투과율 범위에 대한 탁월한 값이 달성된다. 스위칭 층의 높은 이방성도와 2개의 스위칭 층의 사용의 조합은, 개별적인 효과의 합을 상당히 초과하는 효과를 가진다. 장치 V-10과 V-15의 비교는, 이방성 단독의 증가를 통해 24.6 내지 32.5%의 투과율 범위의 증가만이 달성됨을 보여준다(V-15의 경우 0.77%에 비해, V-10의 경우 0.49%). 장치 E-10/V-10의 경우, 단일 스위칭 층으로부터 본 발명에 따른 이중 스위칭 층으로의 변화를 통해, 비슷한 정도로의 증가만이 달성된다. 반면에, 높은 이방성도 및 본 발명에 따른 이중 층을 둘 다 사용하는 경우 투과율 범위는 24.6%에서 45.9%로 증가된다(즉, 실질적으로 2배가 된다)(E-15/V-10).
연구의 다른 놀라운 결과는, 실시예 E-1 내지 E-4, E-9, E-12 내지 E-5에 제시된 바와 같이, 2개의 스위칭 층이 본 발명에 따라 사용되는 경우, 심지어 높은 명 투과율(45% 초과, 바람직하게는 55% 초과, 특히 바람직하게는 65% 초과)과 함께, 투과율 범위에 대한 우수한 결과가 달성될 수 있다는 것이다. 게스트-호스트 셀에 기초하여 에너지의 통과를 조절하기 위한 스위칭 장치의 경우, 높은 명 투과율 및 큰 투과율 범위의 조합은 이제까지 보고되지 않았다. 그러나, 이러한 2개의 특성의 조합은 스위칭가능한 윈도우로서의 상기 장치의 용도를 위한 주요 관심사이다.
B) 액정 혼합물의 조성 및 사용되는 염료의 구조
[표 2]
Figure 112015119455702-pct00016
[표 3]
Figure 112015119455702-pct00017
C) 매개변수 τv 명(명 상태에서의 광 투과도), 투과율 범위 및 이방성도(R)의 결정에 사용되는 방법
1) 명 상태에서의 광 투과도(τv 명)는 %로 언급된다. 이는, 액정 매질 중에 기준물로서의 염료는 없지만 다른 것은 동일한 장치 대비, 상기 장치(배향 층을 갖는 2개의 유리 판, 및 이들 사이에 배열된, 이색성 염료를 포함하는 액정 매질을 각각 포함하는 2개의 유닛을 포함하는 장치)의 명 상태에서의 스펙트럼 투과도로부터 계산된다. 본원에서 스펙트럼 투과도는 퍼킨 앨머 람다(Perkin Elmer Lambda) 1050 UV 분광계를 사용하여 측정한다.
또한, 기준물로서 공기에 대해 측정할 수 있다. 이러한 경우, 명 및 암 상태의 광 투과도에 대한 감소된 값이 수득된다. 그러나, 본 발명의 정성적 효과는 변하지 않는다.
광 투과도(τv 명)는, 유럽 표준 EN410, 식(1)(판유리의 발광 특성 및 태양광 특성의 측정)에 따라 계산된다. 이러한 표준에 따른 광 투과도(τv 명)는, 표준 광원의 상대적 스펙트럼 분포 및 표준 관측기의 휘도 감도의 스펙트럼 정도를 고려한다.
2) 투과율 범위는 %로 언급된다. 이는, 상기 장치의 명 상태의 스위칭 층의 광 투과도(τv 명)와 상기 장치의 암 상태의 스위칭 층의 광 투과도(τv 암) 간의 차이를 나타낸다. τv 암 값은, 상기 장치를 암 상태로 스위칭하여, τv 명의 측정에 대해 전술된 방법으로 결정한다.
3) 스위칭 층의 이방성도(R)는, 배향 층을 갖는 2개의 유리, 및 이들 사이에 배열된 이색성 염료를 포함하는 액정 매질을 포함하고 염료 분자의 평행 배향을 갖는 장치의 흡광도 E(p)에 대한 값 및 염료 분자의 수직 배향을 갖는 동일한 장치의 흡광도 E(s)에 대한 값으로부터 550 nm에서 결정된다. 염료 분자의 평행 배향은 배향 층에 의해 달성된다. 상기 장치의 흡광도는, 염료는 포함하지 않지만 다른 것은 동일한 구성을 갖는 장치에 대해 측정된다. 이러한 측정은, 하나의 경우 광의 진동면이 배향 방향에 평행한 방향으로 진동(E(p))하고 후속 측정에서는 배향 방향과 수직인 방향으로 진동(E(s))하는 편광된 광을 이용하여 수행된다. 시료는 측정 도중에 스위칭되거나 회전되지 않는다. 따라서, E(p) 및 E(s)의 측정은 편광된 입사 광의 진동면을 회전시킴으로써 수행된다.
상세히, 후속 절차는 하기에 기술되는 바와 같다: E(s) 및 E(p)의 측정을 위한 스펙트럼은 퍼킨 엘머 람다 1050 UV 분광계를 이용하여 기록한다. 분광계에는 측정용 빔 및 기준 빔 모두에서 250㎚ 내지 2500㎚의 파장 범위용의 글랜-톰슨 편광기(Glan-Thompson polariser)가 장착되어 있다. 2개의 편광기는 스텝핑 모터(stepping motor)에 의해 제어되며, 동일한 방향으로 배향된다. 편광기의 편광기 방향에 있어서의 변화, 예를 들면 0°내지 90°의 전환은 측정용 빔 및 기준 빔에 대하여 항상 동기적으로 및 동일한 방향으로 수행된다. 개별 편광기의 배향은 뷔르츠부르크 대학교(University of Wurzburg)의 티. 카르스텐스(T. Karstens)의 1973년 학위 논문에 기술되어 있는 방법을 이용하여 측정할 수 있다. 이 방법에서, 편광기는 배향된 이색성 시료에 대해 5°씩 스텝으로 회전되며, 흡광도는 바람직하게는 최대 흡수 영역에서 고정된 파장에서 기록된다. 각각의 편광기 위치에 대해 새로운 기준선 영점(zero line)이 실행된다.
2개의 이색성 스펙트럼 E(p) 및 E(s)의 측정을 위하여, JSR 사의 폴리이미드 AL-1054로 코팅된 역평행-러빙된 시험 셀은 측정용 빔 및 기준 빔 모두 내에 위치된다. 이들 두 시험 셀은 동일한 층 두께, 전형적으로는 15 내지 25㎛ 두께로 선택되어야만 한다. 순수한 액정 매질을 함유하는 시험 셀은 기준 빔 내에 위치된다. 액정 매질 중에 이색성 염료의 용액을 함유하는 시험 셀은 측정용 빔 내에 위치된다. 측정용 빔 및 기준 빔에 대한 이들 두 시험 셀은 동일한 배향 방향에서 광선 경로(ray path)내에 설치된다. 분광계의 가능한 최대 정밀도를 보장하기 위하여, E(p)는 그의 최대 흡수 파장 범위, 바람직하게는 0.5 내지 1.5의 파장 범위내에 있어야 한다. 이는 30% 내지 5%의 투과율에 상응한다. 이는 층 두께 및/또는 염료 농도를 상응하게 조정함으로써 설정된다.
이방성도(R)는, 특히 문헌["Polarized Light in Optics and Spectroscopy", D. S. Kliger et al., Academic Press, 1990]에 제시된 바와 같은 하기 수학식 1에 따라 E(p) 및 E(s)에 대한 측정값으로부터 계산된다.
[수학식 1]
R = [E(p)-E(s)] / [E(p) + 2×E(s)]
1: 바람직하게는 유리 또는 중합체를 포함하는, 기판 층
2: 전기 전도성 층
3: 배향 층 O(1)
4: 스위칭 층 S(1)
5: 배향 층 O(2)
6: 배향 층 O(3)
7: 스위칭 층 S(2)
8: 배향 층 O(4)

Claims (20)

  1. 표면을 통한 에너지의 통과를 조절하기 위한 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 윈도우로서,
    상기 장치가, 하나 이상의 이색성 화합물을 포함하는 액정 매질을 각각 포함하는 2개 이상의 스위칭 층 S(1) 및 S(2)를 포함하고,
    상기 장치가 배향 층 O(1), O(2), O(3) 및 O(4)를 포함하고,
    상기 장치가 편광기(polariser)를 포함하지 않고,
    상기 스위칭 층이 3종 이상의 상이한 이색성 화합물을 포함하고,
    상기 액정 매질은 90℃ 내지 160℃의 온도 범위에서 등명점을 갖고,
    상기 스위칭 층 및 상기 배향 층이 O(1), S(1), O(2), O(3), S(2), O(4)의 순서로 상호 평행한 평면으로 상기 장치 내에 존재하고,
    O(2)에 인접한 S(1)의 액정 매질의 분자의 배향 축 OA(1)*가 상기 장치의 하나 이상의 스위칭 상태에서 존재하고, O(3)에 인접한 S(2)의 액정 매질의 분자의 배향 축 OA(2)*가 존재하고, 배향 축 OA(1)* 및 OA(2)*가 서로 평행하지 않고 상기 스위칭 층의 평면과 평행한, 윈도우.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 장치가 건물, 용기, 차량 또는 다른 실질적으로 밀폐된 공간의 개구부에 설치되는 것을 특징으로 하는, 윈도우.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 장치가 전기적으로 스위칭가능한 것을 특징으로 하는, 윈도우.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 장치가 4개의 전극을 갖고, 이들 전극 중 하나는 2개의 스위칭 층 각각의 각 면(each side)에 설치되는 것을 특징으로 하는, 윈도우.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 스위칭 층이 개별적으로 전기적으로 스위칭가능한 것을 특징으로 하는, 윈도우.
  6. 제 1 항에 있어서,
    액정 매질의 분자들이 전기장의 인가에 의해 상기 스위칭 층의 평면에 수직으로 배향되는 것을 특징으로 하는, 윈도우.
  7. 제 1 항에 있어서,
    전압이 인가되지 않은(voltage-free) 스위칭 상태에서 스위칭 층 S(1) 및 S(2)가 둘 다 액정 매질의 분자의 평면 배향을 갖거나, 전압이 인가되지 않은 스위칭 상태에서 스위칭 층 S(1) 및 S(2)가 둘 다 액정 매질의 분자의 호메오트로픽(homeotropic) 배향을 갖는 것을 특징으로 하는, 윈도우.
  8. 제 1 항에 있어서,
    전압이 인가되지 않은 스위칭 상태에서 2개의 스위칭 층 S(1) 및 S(2) 중 하나가 액정 매질의 분자의 호메오트로픽 배향을 갖고, 전압이 인가되지 않은 스위칭 상태에서 2개의 스위칭 층 S(1) 및 S(2) 중 나머지 하나가 액정 매질의 분자의 평면 배향을 갖는 것을 특징으로 하는, 윈도우.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 장치가 광 에너지를 전기 에너지로 전환하기 위한 장치를 갖는 것을 특징으로 하는, 윈도우.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 장치가 하기 순서의 층 구조를 갖는, 윈도우:
    - 기판 층,
    - 전기 전도성 투명 층,
    - 배향 층 O(1),
    - 스위칭 층 S(1),
    - 배향 층 O(2),
    - 전기 전도성 투명 층,
    - 기판 층(들),
    - 전기 전도성 투명 층,
    - 배향 층 O(3),
    - 스위칭 층 S(2),
    - 배향 층 O(4),
    - 전기 전도성 투명 층,
    - 기판 층.
  11. 제 1 항에 있어서,
    배향 축 OA(1)* 및 OA(2)*가 서로 50 내지 90°의 각을 형성하는 것을 특징으로 하는, 윈도우.
  12. 제 1 항에 있어서,
    배향 축 OA(1)* 및 OA(2)*가 서로 평행하지 않고 상기 스위칭 층의 평면에 대해 평행한 상기 장치의 하나 이상의 스위칭 상태가, 상기 장치의 전압이 인가되지 않은 스위칭 상태에서 존재하는 것을 특징으로 하는, 윈도우.
  13. 제 1 항에 있어서,
    배향 층 O(2) 및 O(3)은, 상기 배향 층에 인접한 액정 매질의 분자의 다른 배향 축이 만들어지도록 하는 방식으로 설계되는 것을 특징으로 하는, 윈도우.
  14. 제 1 항에 있어서,
    전압이 인가되지 않은 스위칭 상태에서 층 O(2) 및 O(3)은 액정 매질의 분자의 평면 배향이 만들어지게 하는 것을 특징으로 하는, 윈도우.
  15. 제 1 항에 있어서,
    배향 층 O(1) 및 O(2)는 둘 다 액정 매질의 분자의 평면 배향이 만들어지게 하거나, 배향 층 O(1) 및 O(2)는 둘 다 액정 매질의 분자의 호메오트로픽 배향이 만들어지게 하는 것을 특징으로 하는, 윈도우.
  16. 제 1 항에 있어서,
    스위칭 층 S(1) 및 S(2)가 0.7 내지 0.9의 이방성도(R)를 갖는 것을 특징으로 하는, 윈도우.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 이색성 화합물 중 하나 이상이 아조 화합물, 안트라퀴논, 메틴 화합물, 아조메틴 화합물, 메로시아닌 화합물, 나프토퀴논, 테트라진, 페릴렌, 터릴렌, 쿼터릴렌, 릴렌, 벤조티아다이아졸, 다이케토피롤로피롤, 스쿠아레인 및 파이로메텐으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 윈도우.
  18. 삭제
  19. 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 장치가 실질적으로 에너지-투과형인 표면을 통한 내부로의 에너지의 통과를 조절하기 위한 것인, 윈도우.
  20. 삭제
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