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KR20210116614A - 고분자 네트워크 액정 스마트 윈도우 장치 및 이의 제조 방법 - Google Patents

고분자 네트워크 액정 스마트 윈도우 장치 및 이의 제조 방법 Download PDF

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KR20210116614A
KR20210116614A KR1020217026570A KR20217026570A KR20210116614A KR 20210116614 A KR20210116614 A KR 20210116614A KR 1020217026570 A KR1020217026570 A KR 1020217026570A KR 20217026570 A KR20217026570 A KR 20217026570A KR 20210116614 A KR20210116614 A KR 20210116614A
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KR
South Korea
Prior art keywords
liquid crystal
optical shutter
transparent
polymer network
electric field
Prior art date
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Ceased
Application number
KR1020217026570A
Other languages
English (en)
Inventor
피오트르 포포브
Original Assignee
닛토덴코 가부시키가이샤
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 닛토덴코 가부시키가이샤 filed Critical 닛토덴코 가부시키가이샤
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Abstract

초저 소비 전력을 갖는 고분자 네트워크 액정(PNLC) 전환가능한 광 셔터가 개시되어 있다. 액정 배합물 및 중합가능한 반응성 메조겐 조성물을 갖는 중합가능한 혼합물로서, 여기서 중합가능한 반응성 메조겐 조성물이 고분자 네트워크를 형성하고 0-전기장의 존재 하에 액정이 광학적으로 불투명한 포컬 코닉 상태에 있는, 중합가능한 혼합물이 기재되어 있다.

Description

고분자 네트워크 액정 스마트 윈도우 장치 및 이의 제조 방법
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 2019년 1월 22일에 출원된, 미국 가출원 제62/795,488호의 이익을 주장하며, 이의 전문은 본원에 참조로 포함된다.
기술분야
본 개시내용은 광학적으로 불투명한 포컬 코닉 상태(focal conic state)에서 넓은 시야각을 갖는 광학적으로 투명한 상태로 전환될 수 있는, 고분자 네트워크 액정을 포함하는 광 셔터(light shutter)에 관한 것이다. 추가적으로, 광 셔터는 전하를 저장하고 천천히 방전하는 능력을 가져서, 짧은 DC 펄스에 의해 전기적으로 구동되는 경우 μW/m2 규모 정도의 소비 전력을 가능하게 한다.
윈도우의 분야에서, 스마트 윈도우는 종래의 기계적 셔터, 블라인드, 또는 유압식 음영 방법에 대한 매력적인 대안이다. 윈도우를 통과하는 광파(예를 들어, 자외선, 가시광선 및 적외선)를 제어하기 위하여 스마트 윈도우를 최적화하기 위한 노력이 있었다. 이러한 제어는 프라이버시를 제공하고, 주위 태양광으로부터의 열을 감소시키고, 자외선의 유해한 영향을 제어하기 위한 것일 수 있다. 현재, 스마트 윈도우 응용 분야에는 고분자 분산 액정(PDLC), 고분자 완정화 콜레스테릭 텍스처(PSCT) 및 금속 산화물 전기변색(EC)의 세 가지의 주요 기술이 있다.
PDLC 광 셔터는 투명 전극이 있는 두 개의 평행 기판 사이에 배치된 액정과 고분자의 균질한 혼합물로부터 네마틱 액정의 상 분리를 수반한다. 상 분리된 네마틱 액정은 고분자 매트릭스 내에 분산된 마이크로 도메인/액적을 형성한다. 오프(off) 상태에서, 이러한 마이크로 액적 내에 함유된 액정은 무작위로 배향되어, 고분자 매트릭스와 액정 사이의 굴절률의 불일치를 야기하여 불투명하게 된다(광 산란 상태). 외부 전기장이 광 셔터에 인가되는 경우, 액정은 고분자 매트릭스와 액정 사이의 굴절률이 일치하여 투명한 상태를 생성하도록 배향된다.
PDLC 광 셔터의 한 가지 단점은 굴절률 불일치로 인해 유발되는 고유한 헤이즈(haze)이고, 이는 투명한 상태에서 좁은 시야각을 야기한다. 추가로, PDLC는 광학 상태 중 하나를 유지하기 위해 크고 연속적인 전압을 필요로 하므로, 비용이 증가된다.
EC는 전기 변색 코팅의 광학 스택(optical stack)에 걸쳐 인가되는 사용자-제어된 전위를 기반으로 윈도우를 통과하는 빛 및/또는 열의 양을 제어하기 위해 사용될 수 있다. 전기 변색 코팅 또는 물질에 의해 제공된 제어는 공간을 가열하거나 냉각시키는데 필요한 에너지의 양을 감소시킬 수 있고, 이는 프라이버시를 제공할 수 있다. 예를 들어, 약 60% 내지 80%의 광 투과를 갖는 전기 변색 코팅 또는 물질의 투명 상태(clear state)는, 공간으로의 에너지 흐름이 제한되고 추가의 프라이버시가 제공되는, 0.1% 내지 10%의 광 투과를 갖는 어두운 상태(darkened state)로 전환될 수 있다.
몇몇 문제는 현재의 EC를 특정 응용 분야에 바람직하지 못하게 만든다. 종래의 고체 상태 EC는 온(ON)-상태/어두운 상태에서 낮은 투과율(%T)을 달성하기 위해 예를 들어 1μm의 두꺼운 전기변색막을 필요로 한다. 낮은 %T를 달성하기 위한 두꺼운 막에 대한 요구는 물질 소비를 증가시키고, 가공 시간을 증가시키고 생산 속도를 늦추며, 이들 모두는 제작 비용을 증가시킨다. 이러한 제작 비용의 증가(약 $100/m2)는, EC 윈도우 시장을 상업용 건물에만 국한시켰다.
PSCT 광 셔터는 콜레스테릭 액정과 고분자의 복합재로 제조된다. 콜레스테릭 액정과 고분자의 혼합물은 투명 전극이 있는 두개의 평행한 기판(예를 들어, 유리 및/또는 플라스틱 플레이트 또는 필름) 사이에 끼여 있다. PSCT는 정규 모드 및 쌍안정(bistable) 모드의 두 가지 모드로 작동할 수 있다. 정규 모드에서, 외부 전기 전압이 인가되면, PSCT 물질은 하나의 광학 상태로부터 다른 광학 상태로 전환된다(예를 들어, 불투명한 포컬 코닉 상태에서 투명한 수직 방향 또는 평면 상태 또는 이의 역). 그러나, 정규 상태의 문제점은 전압이 하나의 광학 상태를 유지하기 위해 연속적으로 인가되어야 하므로, 전압이 장기간 동안 인가되어야 하는 경우 많은 에너지 소비를 초래한다. 쌍안정 모드는 인가된 전압의 부재 하에 두 가지의 안정 상태를 갖는다. 쌍안정 광 셔터는 매우 매력적인 개념이지만, 넓은 범위의 작동 조건 내에서 그리고 특히 예를 들어 장치의 영역 전반에 걸친 온도 및 온도 구배의 급격한 변화로 인해 외부 조건이 빠르게 변화하는 경우, 두 광학 상태의 정교한 안정성을 유지하는 데 있어 여전히 과제가 존재한다. 쌍안정 형의 광 셔터는 또한 액정과 고분자 배합물에 사용된 성분의 농도와 관련하여 매우 엄격한 요건 및 제작 공정 중 변수와 관련된 엄격한 요건을 갖는다.
따라서, (배터리 전력공급(powering)이 가능한) 저소비 전력, 산란 상태에서의 높은 헤이즈, 투명한 상태에서의 넓은 시야각을 갖고, 넓은 범위의 작동 조건 전반에 걸친 우수한 안정성을 갖는 광 셔터에 대한 필요가 여전히 남아있다.
본 개시내용은 윈도우용 광 셔터와 같이 기능하는 데 유용할 수 있는 고분자 네트워크 액정 장치를 포함한다. 일부 실시양태에서, 본원에 기재된 광 셔터는 한 쌍의 대향하는 투명 전극을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 대향하는 투명 전극은 전극면을 획정할 수 있다. 일부 실시양태에서, 광 셔터는 액정과 고분자를 포함하는 고분자 복합재를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 고분자는 고분자 네트워크, 예컨대 고분자 섬유의 네트워크의 형태일 수 있다. 일부 실시양태에서, 고분자 복합재를 포함하는 광 셔터는 포컬 코닉 배치의 액정을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 고분자 복합재는 고분자 네트워크로 형성된 도메인을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 고분자 네트워크는 전극면에 수직으로 배향될 수 있다. 일부 실시양태에서, 고분자 네트워크는 대향하는 투명 전극 사이에 배치될 수 있다. 일부 실시양태에서, 고분자 네트워크는 대향하는 투명 전극과 전기적으로 연통될 수 있다. 일부 실시양태에서, 고분자 네트워크에 전기장을 인가하면 포컬 코닉 상태의 액정을 수직방향으로 배향된 투명한 상태의 액정으로 전환시킬 수 있다. 일부 실시양태에서, 고분자 네트워크는 적어도 하나의 액정 화합물을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 고분자 네트워크는 키랄 도펀트를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 고분자 네트워크는 반응성 메조겐(reactive mesogen) 조성물을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 반응성 메조겐 조성물은 적어도 하나의 반응성 메조겐을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 반응성 메조겐 조성물은 적어도 하나의 중합가능한 단량체를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 반응성 메조겐 조성물은 광-개시제를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 적어도 하나의 액정 화합물 및 키랄 도펀트가 콜레스테릭 액정을 형성한다. 일부 실시양태에서, 콜레스테릭 액정은 약 0.38 μm 내지 한 쌍의 대향하는 투명 전극 사이 치수의 길이의 약 절반(예를 들어 10 μm 셀 갭 중 5 μm)의 콜레스테릭 피치를 가질 수 있다. 일부 실시양태에서, 광 셔터는 투명 전극과 전기적으로 연통되는 전원을 추가로 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 광 셔터는 적어도 하나의 배향막(alignment layer)을 추가로 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 광 셔터는 적어도 하나의 유전막(dielectric layer)을 추가로 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 적어도 하나의 유전막은 투명성 무기 물질을 포함할 수 있다. 일부 실시양태는 배향막 또는 유전막 내의 스페이서(spacer)를 포함한다. 일부 실시양태에서, 고분자 복합재는 이온-포획 나노입자를 추가로 포함한다. 일부 실시양태에서, 고분자 네트워크는 이온-포획 나노입자를 추가로 포함한다. 일부 실시예에서, 이온-포획 나노입자는 NiO 및/또는 TiO2를 포함한다. 본원에 기재된 광 셔터는 자외선, 가시광선 및 적외선의 제어에 유용할 수 있다. 일부 실시양태에서, 본원에 기재된 광 셔터는 프라이버시를 제공하고, 주위 태양광으로부터의 열을 감소시키고, 자외선의 유해한 영향을 제어하는 데 유용할 수 있다.
일부 실시양태는 약 60분의 RC 시상수(τ)를 갖는 광 셔터를 포함한다. 일부 실시양태에서, 광 셔터는 반대 극성 DC 펄스의 주기적 인가로 인해 투명한 상태를 유지할 수 있다. 일부 실시양태에서, 광 셔터는 AC 구동 신호의 60 Hz 아래에서 3 V/μm에서 약 0.037 W/m2을 소비한다. 일부 실시양태에서, 광 셔터는 외부 전기장에 의해 투명한 상태를 유지한다. 일부 실시양태에서, 광 셔터는 내부에 저장된 전기장으로 투명한 상태를 적어도 약 10분, 적어도 약 20분, 적어도 약 30분, 최대 40분, 또는 그 이상 동안 유지한다. 일부 실시양태에서, 액정 성분은 양의 유전 이방성이 있는 화합물이다. 일부 실시양태는 광 셔터를 포함하고, 여기서 광 셔터는 완속 방전 커패시터로서 기능한다. 일부 실시양태에서, 적어도 하나의 반응성 메조겐의 농도는 0.1 중량% 내지 약 40 중량%이다. 일부 실시양태에서, 투명도에 영향을 미치기 위한 충분한 전압의 양은 60 Hz AC 아래의 주파수에서 3 V/μm 미만이다.
일부 실시양태는 광 셔터를 제조하는 방법을 포함한다. 이러한 방법은 다음 단계를 포함할 수 있다: 미경화 고분자 복합재에 적어도 하나의 반응성 메조겐, 적어도 하나의 액정 화합물, 및 키랄 도펀트 및 광-개시제를 배치하는 단계; 60 Hz에서 약 50 mV/μm 내지 약 50 V/μm 범위의 외부 전기장의 존재 하에 고분자 복합재를 중합하여 고분자 네트워크를 형성하는 단계로서, 여기서 적어도 하나의 액정 화합물 및 키랄 도펀트가 콜레스테릭 액정을 형성하는, 단계; 경화 후 외부 전기장을 제거하는 단계로서, 여기서 콜레스테릭 액정이 포컬 코닉 산란 상태로 재배향되는, 단계. 일부 실시양태에서, 반응성 메조겐을 중합하는 단계는 경화된 액정 및 고분자 복합재 내에 고분자 네트워크를 형성하는 것을 포함한다. 일부 실시양태에서, 고분자 네트워크를 형성하는 단계는 네트워크를 인가된 외부 전기장에 평행하게 배향하는 것을 포함한다. 본 개시내용의 광 셔터는 본원에 기재된 바와 같은 임의의 실시양태를 따를 수 있다.
이들 및 기타 실시양태가 하기에 보다 상세하게 기재된다.
도 1a는 본 개시내용의 개념에 따른 광학적으로 투명한 상태의 광 셔터를 도시하는 광 셔터의 단면도이다.
도 1b는 본 개시내용의 개념에 따른 광학적으로 불투명한 포컬 코닉 상태의 광 셔터를 도시하는 광 셔터의 단면도이다.
도 2는 본원에 기재된 광 셔터의 자가-방전 및 이의 투명에서 불투명한 광학 상태로의 전이를 나타내는 그래프이다.
도 3은 본원에 기재된 광 셔터의 초저 소비 전력을 위해 역 극성의 간헐적 DC 펄스를 사용한 전기 구동 방식을 나타내는 그래프이다.
도 4는 외부 전원 공급의 부재 하에 불투명한 및 투명한 광학 상태의, 본원에 기재된, 광 셔터 장치의 사진이다.
도 5는 본원에 기재된 광 셔터 장치의 헤이즈 수준 측정을 도시하는 그래프이다.
도 6은 본원에 기재된 광 셔터 장치의 소비 전력을 결정하는 데 필요한 인가된 AC 전압 및 생성된 전류의 측정을 나타내는 그래프이다.
본 개시내용의 일부 실시양태는 고분자 네트워크 액정 광 셔터를 포함하고, 이는 에너지 효율 및 프라이버시를 위한 윈도우 유형 응용 분야에서 사용될 수 있다. 본 개시내용의 광 셔터는 전자기장 또는 전기장의 인가에 의해 불투명한 광 산란 상태에서 투명한 상태로 전환될 수 있다. 일부 광 셔터는 불투명한 광 산란 상태에 있는 경우 전기장을 필요로 하지 않을 수 있다. 일부 실시양태는 투명한 상태에 있는 경우, 투명한 상태를 유지하기 위해 1초, 또는 바람직하게는 1분 또는 보다 바람직하게는 약 1시간의 주기로 인가된, 단지 짧은 역 극성 DC 펄스만을 필요로 하는, 완속 방전 커패시터로서 작동하는 광 셔터를 포함한다. 따라서, 본 개시내용의 광 셔터는 에너지 절약형이다.
본원에 사용된 바와 같은 용어 "투명한"은, 예를 들어, 유의한 양의 가시광선을 흡수하지 않거나, 유의한 양의 가시광선을 반사시키지 않거나, 유의한 양의 가시광선을 산란시키지 않는 구조를 지칭한다.
본원에 사용된 용어 "콜레스테릭 피치"는, 콜레스테릭 액정(CLC) 분자가 나선 축으로 공지된 직교 축을 중심으로 360˚ 완전히 회전하는 길이를 지칭한다.
용어 "고분자 복합재"는 적어도 하나의 반응성 메조겐, 적어도 하나의 액정 화합물, 키랄 도펀트, 및 광-개시제(들)의 점성 조성물 또는 혼합물을 지칭하는 본원에 사용되는 기술 용어이다. 고분자 복합재는 또한 용매, 이온-포획 나노입자, 추가의 중합가능한 단량체, 예컨대 가교결합제, 및 기타 기능성 성분을 함유할 수 있다.
본 개시내용은 한 쌍의 대향하는 투명 전극을 포함하는 광 셔터를 포함한다. 일부 실시양태에서, 대향하는 투명 전극은 전극면을 획정할 수 있다. 일부 실시양태는 광 셔터를 포함하고, 여기서 광 셔터는 고분자 복합재로부터 형성된 고분자 네트워크를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 고분자 네트워크는 포컬 코닉 배치의 액정을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 액정 및 고분자 복합재는 고분자 네트워크에 의해 형성된 도메인을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 고분자 네트워크는 투명 전극면에 수직으로 배향될 수 있다. 일부 실시양태에서, 고분자 네트워크는 투명 전극 사이에 배치될 수 있다. 일부 실시양태에서, 고분자 네트워크는 투명 전극과 전기적으로 연통될 수 있다. 일부 실시양태에서, 고분자 네트워크는 적어도 하나의 액정 화합물을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 고분자 네트워크는 키랄 도펀트를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 액정 및 고분자 복합재는 반응성 메조겐 조성물을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 액정 및 고분자 복합재에 전기장을 인가하면 포컬 코닉 상태의 액정을 수직 배향된 투명한 상태의 액정으로 전환할 수 있다. 일부 실시양태에서, 광 셔터는 0- 전기장인 경우 광학적으로 불투명한 포컬 코닉 상태로 무한정 유지될 수 있다.
광 셔터는 불투명한 상태와 투명한 상태 사이에서 전기적으로 전환되는 구조를 포함한다. 투명한 상태에서, 액정은 수직방향으로 배향되므로 광을 산란시키지 않는다(도 1a의 107 참조). 불투명한 상태에서, 액정은 무작위로 배향된 축이 있는 나선형으로 비틀린 포컬 코닉 도메인으로 인해 광을 산란시킨다. 콜레스테릭 액정 도메인의 이러한 무작위 배향은 포컬 코닉 상태 배치로서 공지되어 있다(도 1b의 108 참조).
도 1a 및 1b를 참조하면, 본 개시내용의 광 셔터의 예시적인 제1 실시양태가 도시되어 있다. 광 셔터 구조는 일반적으로, 각각 내부 및 외부 표면을 포함하는, 한 쌍의 실질적으로 투명한 기판, 예컨대 기판(103A 및 103B)에 의해 지지되는, 전극면을 획정하는, 한 쌍의 대향하는 투명 전극, 예컨대 전극(102A 및 102B) 사이에 삽입된, 고분자 네트워크, 예컨대 고분자 복합재 막(100)을 포함한다. 복수의 스페이서, 예컨대 스페이서(104)는 대향하는 투명 전극 사이의 셀 갭, 예컨대 셀 갭(111)을 유지하는 것을 보조하기 위해 고분자 네트워크 내에 존재할 수 있다. 광 셔터는 배향막, 예컨대 배향막(101A 및 101B)을 추가로 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 광 셔터는 유전막, 예컨대 막(101A 및 101B)을 추가로 포함한다. 막(101)은 배향막이 있는 실시양태에서 배향막을 나타낼 수 있거나, 배향막이 없고 오히려 유전막이 있는 실시양태에서 유전막을 나타낼 수 있다. 일부 실시양태에서, 배향막은 유전막으로서 기능할 수 있다. 전극 막에 부착된 전기 리드 선(110A 및 110B)은 광 셔터를 외부 전원에 연결하는 데 사용된다.
일부 실시양태에서, 한 쌍의 대향하는 투명 전극은 실질적으로 투명한 기판 상에 개별적으로 배치된다. 임의의 적합한 투명한 기판이 선택될 수 있다. 기판의 일부 비제한적인 예는 유리, 및 고분자 필름을 포함한다. 전형적인 고분자 필름은 폴리올레핀, 폴리에스테르, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리비닐 클로라이드, 폴리비닐 플루오라이드, 폴리비닐리덴 디플루오라이드, 폴리비닐 부티랄, 폴리아크릴레이트, 폴리카보네이트, 폴리우레탄 등, 및 이의 조합을 포함한다.
일부 실시양태에서, 광 셔터는 한 쌍의 대향하는 투명 전극을 포함한다. 한 쌍의 대향하는 투명 전극은 인듐 주석 산화물(ITO), 불소 도핑된 산화주석(FTO), 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜) 폴리스티렌 설포네이트(PEDOT:PSS), 산화은, 산화아연, 또는 기타 투명한 전도성 고분자 또는 이와 유사한 필름 코팅을 포함할 수 있다. 화학적 진공 증착, 화학적 기상 증착, 증발, 스퍼터링(sputtering) 또는 기타 적절한 코팅 기술이 기판 상에 전극을 적용하기 위해 사용될 수 있다. 일부 실시양태에서, 기판 및 전극은 상업적으로 이용가능한, 단일 구성체로 제공된다.
전기 리드 선, 예컨대 리드 선(110)은, 전극에 부착될 수 있다. 외부 전압원은 전기 리드에 연결되어 광 셔터를 불투명한 포컬 코닉 상태에서 투명한 상태로 전환시킬 수 있다. 또한 외부 전압원은 광 셔터를 재충전하여 광학적으로 투명한 상태를 유지하는 데 도움이 되도록 전기장을 펄스하기 위해 사용될 수 있다. 전압원은 AC 전압원일 수 있다. 전압원은 AC-DC 인버터 및 배터리일 수 있다. 일부 실시양태에서, 전압원은 DC 배터리, 예컨대 박형 전지일 수 있다.
일부 실시양태에서, 광 셔터는 스페이서, 예컨대 스페이서(104)를 포함한다. 일부 실시양태에서, 스페이서는 배향막으로 혼입될 수 있다. 일부 경우에, 스페이서는 유전막으로 혼입될 수 있다. 일부 실시예에서, 스페이서는 액정 및 고분자 복합재로 혼입될 수 있다.
본 개시내용은 임의의 적합한 스페이서를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 스페이서는 NanoMicro HT100 마이크로스피어 스페이서를 포함할 수 있다. 다른 실시양태에서, 스페이서는 Sekisui SP210 스페이서를 포함할 수 있다. 스페이서에 대해 임의의 적합한 크기가 선택될 수 있고, 이는 일반적으로 직경으로 측정된다. 일부 실시양태에서, 스페이서는 약 1 μm 내지 약 20 μm, 약 1 μm 내지 약 2 μm, 약 2 μm 내지 약 3 μm, 약 3 μm 내지 약 4 μm, 약 4 μm 내지 약 5 μm, 약 5 μm 내지 약 6 μm, 약 6 μm 내지 약 7 μm, 약 7 μm 내지 약 8 μm, 약 8 μm 내지 약 9 μm, 약 9 μm 내지 약 10 μm, 약 10 μm 내지 약 11 μm, 약 11 μm 내지 약 12 μm, 약 12 μm 내지 약 13 μm, 약 13 μm 내지 약 14 μm, 약 14 μm 내지 약 15 μm, 약 15 μm 내지 약 16 μm, 약 16 μm 내지 약 17 μm, 약 17 μm 내지 약 18 μm, 약 18 μm 내지 약 19 μm, 약 19 μm 내지 약 20 μm, 또는 약 10 μm의 크기를 갖는다.
일부 실시양태에서, 본 개시내용의 배향막, 유전막, 또는 액정 및 고분자 복합재는 임의의 적합한 양의 스페이서를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 스페이서는 배향막, 유전막, 또는 액정 및 고분자 복합재의 총 중량에 대해 약 0.1 중량% 내지 약 1 중량%, 약 0.1 중량% 내지 약 0.2 중량%, 약 0.2 중량% 내지 약 0.3 중량%, 약 0.3 중량% 내지 약 0.4 중량%, 약 0.4 중량% 내지 약 0.5 중량%, 약 0.5 중량% 내지 약 0.6 중량%, 약 0.6 중량% 내지 약 0.7 중량%, 약 0.7 중량% 내지 약 0.8 중량%, 약 0.8 중량% 내지 약 0.9 중량%, 약 0.9 중량% 내지 약 1 중량%, 또는 약 0.25 중량%의 중량 백분율을 구성한다.
일부 실시양태에서, 광 셔터는 액정 및 고분자 복합재(100)를 포함한다. 고분자 복합재는 적어도 하나의 액정 화합물 및 키랄 도펀트를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 액정 화합물은 네마틱 액정 물질을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 액정 화합물은 양의 유전성 액정 화합물을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 액정 화합물 및 키랄 도펀트는 콜레스테릭 액정을 형성할 수 있다. 본 광 셔터에 사용될 수 있는 액정 화합물의 일부 비제한적인 예는 MLC-2109, MLC-2125, MLC-2132, MLC-2133, MCL-2134 MLC-15600-000, MLC-15600-100, MLC-3003, MLC-3012 및 MLC-3016(Merck, 독일 소재)을 포함한다. 액정 화합물의 농도는 100에서 키랄 도펀트(들), 반응성 메조겐(들), 및 UV 광-개시제(들)의 총량을 차감하여 계산할 수 있다.
액정 화합물(들)의 중량%는 고분자 복합재의 총 중량의 약 50 중량% 내지 약 99 중량%의 범위일 수 있거나, 약 50 중량% 내지 약 55 중량%, 약 55 중량% 내지 약 60 중량%, 약 60 중량% 내지 약 65 중량%, 약 65 중량% 내지 약 70 중량%, 약 70 중량% 내지 약 75 중량%, 약 75 중량% 내지 약 80 중량%, 약 80 중량% 내지 약 85 중량%, 약 85 중량% 내지 약 90 중량%, 약 90 중량% 내지 약 95 중량%, 약 95 중량% 내지 약 99 중량%, 약 52 중량%, 약 53 중량%, 약 54 중량%, 약 71 중량%, 약 72 중량%, 약 73 중량%, 약 74 중량%, 약 82 중량%, 약 83 중량%, 약 84 중량%, 약 85 중량%, 약 86 중량%, 약 87 중량%, 약 88 중량%, 또는 이러한 값으로 경계가 설정된 범위 내의 임의의 중량% 일 수 있다.
일부 실시양태에서, 액정 및 고분자 복합재는 키랄 도펀트를 포함할 수 있다. 키랄 도펀트 및 액정 화합물(들)은 조합되어 콜레스테릭 액정을 형성할 수 있다. 일부 실시양태에서, 콜레스테릭 액정은 약 0.38 μm 내지 한 쌍의 대향하는 투명 전극 사이 치수의 길이의 약 절반의 콜레스테릭 피치를 가질 수 있다. 콜레스테릭 피치(p)는 하기 방정식을 사용하여 계산할 수 있다:
Figure pct00001
상기 식에서 c는 키랄 도펀트의 농도이고, HTP는 액정 화합물 중 키랄 도펀트의 나선형 비틀림 전력이며, 이 숫자는 사용된 키랄 도펀트 및 어떤 액정 화합물에서 키랄 도펀트가 혼합되는지에 따라 달라지므로, MLC-2132에서 약 10 μm-1의 HTP 를 갖고 c 가 5 중량%인 R-811의 경우, p 는 약 2 μm일 것이다. 일부 실시양태에서, 콜레스테릭 액정은 콜레스테릭 피치가 약 0.78 μm 내지 셀 갭의 길이의 약 절반 범위인 포컬 코닉 도메인을 형성한다. 사용될 수 있는 키랄 도펀트의 일부 실시예는 R-811, S-811, R-1011, S-1011, R5011 및 S5011(Merck, 독일 소재)을 포함하나 이에 제한되지는 않는다.
일부 실시양태에서, 콜레스테릭 액정은 약 0.1 μm 내지 약 5 μm, 약 0.1 μm 내지 약 0.2 μm, 약 0.2 μm 내지 약 0.4 μm, 약 0.4 μm 내지 약 0.6 μm, 약 0.6 μm 내지 약 0.8 μm, 약 0.8 μm 내지 약 1 μm, 약 1 μm 내지 약 2 μm, 약 2 μm 내지 약 3 μm, 약 3 μm 내지 약 4 μm, 약 4 μm 내지 약 5 μm, 약 0.38 μm, 약 0.78 μm, 약 5 μm, 또는 임의의 이러한 값으로 경계가 설정된 범위 내의 임의의 콜레스테릭 피치를 가질 수 있다.
일부 실시양태에서, 키랄 도펀트는 단일 거울상 이성질체를 포함할 수 있거나, 한 쌍의 거울상 이성질체를 포함할 수 있다. 0.1 중량% 내지 약 10 중량%, 약 1 중량% 내지 약 10 중량%, 약 2 중량% 내지 약 9 중량%, 약 3 중량% 내지 약 8 중량%, 약 4 중량% 내지 약 7 중량%, 약 5 중량% 내지 약 6 중량%, 약 7 중량% 내지 9 중량%의 범위, 약 1 중량%, 약 2 중량%, 약 3 중량%, 약 4 중량%, 약 5 중량%, 약 6 중량%, 약 7 중량%, 약 7.8 중량%, 약 8 중량%, 약 8.5 중량%, 약 9 중량%, 약 10 중량%, 또는 임의의 이러한 값으로 경계가 설정된 범위 내의 임의의 중량%를 포함하여, 임의의 적합한 양의 키랄 도펀트가 사용될 수 있다.
일부 실시양태에서, 액정 및 고분자 복합재는 반응성 메조겐 조성물을 포함한다. 일부 실시양태에서, 반응성 메조겐 조성물은 적어도 하나의 반응성 메조겐을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 반응성 메조겐 조성물 적어도 하나의 중합가능한 단량체를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 반응성 메조겐 조성물은 광-개시제를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 적어도 하나의 반응성 메조겐은 LC242(Millipore Sigma)일 수 있다. 일부 실시양태에서, 적어도 하나의 반응성 메조겐은 RM 257(Millipore Sigma)일 수 있다. 반응성 메조겐 또는 중합가능한 단량체의 선택은 특히 제한되지 않으며 당해 분야 기술자는 임의의 적합한 반응성 메조겐 또는 중합가능한 단량체를 결정할 수 있다.
일부 실시양태에서, 반응성 메조겐 조성물은 고분자 네트워크를 포함할 수 있다. 중합 동안, UV 방사선 및 외부 전기장이 액정 셀에 인가되고, 광-개시제와 결합된 적어도 하나의 반응성 메조겐이 고분자 네트워크를 형성한다. 외부 전기장은 고분자 네트워크를 구성하는 고분자 섬유를 수직방향으로 배향하는 데 도움이 된다. 외부 전기장의 인가는 또한 액정의 키랄 나선의 풀림을 촉진하여, 전극면에 대한 액정 및 고분자 네트워크의 수직 배향을 보장한다. 반응성 메조겐(들)의 농도는 약 0.1 중량% 내지 최대 임계 부피 농도 범위이다. 임계 부피 농도는 중합 동안 인가된 외부 및/또는 내부 전기장이 제거되면 콜레스테릭 액정이 광학적으로 투명한 수직방향 상태에서 콜레스테릭 나선 상태로 더 이상 이완되지 않는 반응성 메조겐(들)의 농도이다. 반응성 메조겐(들)이 임계 농도를 초과하면 콜레스테릭 액정은 나선형으로 풀린 상태로 남아, 중합 후 포컬 코닉 상태로 돌아갈 수 없어, 광 셔터가 광학적으로 투명한 상태로 유지되게 한다. 임계 부피 농도는 수직방향의 광학적으로 투명한 상태에서 경화한 후, 외부(및 내부) 전기장을 제거하여 콜레스테릭 액정이 포컬 코닉 상태로 돌아갈 수 있도록 보장하는 데 필요한 반응성 메조겐(들)의 농도이다. 임계 부피 농도는 방정식 C = 2π3R2/p2를 사용하여 계산할 수 있으며, 상기 식에서 C는 반응성 메조겐(들)의 농도이고; R은 고분자 섬유의 평균 단면 반경이고; p는 액정의 콜레스테릭 피치 길이이다.
반응성 메조겐(들)의 중량%는 액정 및 고분자 복합재의 총 중량의 0.1 중량% 내지 약 40 중량%의 범위일 수 있다. 일부 실시양태에서, 반응성 메조겐(들)은 약 1 중량% 내지 약 35 중량%, 약 4 중량% 내지 약 15 중량%, 약 1 중량%, 약 1 중량% 내지 약 5 중량%, 약 5 중량% 내지 약 10 중량%, 약 10 중량% 내지 약 15 중량%, 약 15 중량% 내지 약 20 중량%, 약 20 중량% 내지 약 25 중량%, 약 25 중량% 내지 약 30 중량%, 약 30 중량% 내지 약 35 중량%, 약 35 중량% 내지 약 40 중량%, 약 1 중량%, 약 2 중량%, 약 3 중량%, 약 4 중량%, 약 4.6 중량%, 약 4.7 중량%, 약 5 중량%, 약 6 중량%, 약 7 중량%, 약 8 중량%, 약 9 중량%, 약 10 중량%, 약 11 중량%, 약 12 중량%, 약 13 중량%, 약 14 중량%, 약 15 중량%, 약 16 중량%, 약 17 중량%, 약 18 중량%, 약 19 중량%, 약 20 중량%, 약 21 중량%, 약 22 중량%, 약 23 중량%, 약 24 중량%, 약 25 중량%, 약 26 중량%, 약 27 중량%, 약 28 중량%, 약 29 중량%, 약 30 중량%, 약 31 중량%, 약 32 중량%, 약 33 중량%, 약 34 중량%, 약 35 중량%, 약 36 중량%, 약 37 중량%, 약 38 중량%, 약 39 중량%, 약 40 중량%, 또는 임의의 이러한 값으로 경계가 설정된 범위 내의 임의의 중량%의 농도를 가질 수 있다.
일부 실시양태에서, 액정 및 고분자 복합재는 광-개시제를 추가로 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 광-개시제는 자외선(UV) 광-개시제일 수 있다. 일부 실시양태에서, UV 광-개시제는 IrgaCure® 651(BASF Chemical Co., 독일 루트비히스하펜 소재)을 포함할 수 있다. 개시제의 선택은 특히 제한되어 있지 않고; 개시제는 UV 또는 열 활성화 개시제 등일 수 있고, 당해 분야 기술자는 광 셔터의 가공 조건 및 응용 분야에 따라 적절한 개시제를 선택할 수 있다.
UV 광-개시제의 중량 백분율(중량%)은 반응성 메조겐(들)의 총 중량에 대한 중량%이므로, 1 중량%는 반응성 메조겐(들)의 총량의 1%를 지칭한다. 예를 들어, UV 광-개시제가 1 중량%이고 반응성 메조겐(들)이 4.7 중량%이면 UV 광-개시제는 4.7 중량%의 1%이고, 이는 전구체 배합물의 총 중량의 약 0.047 중량%이다. UV 광-개시제의 중량%는 약 0.035 중량% 내지 약 5 중량%, 약 0.03 중량% 내지 약 4 중량%, 약 0.035 내지 약 3 중량%, 약 0.4 중량% 내지 약 2 중량%, 약 0.5 내지 약 1 중량%, 약 0.04 중량% 내지 약 0.05 중량%의 범위, 약 0.046 중량%, 약 0.047 중량%, 약 0.1 중량%, 약 0.15 중량%, 약 0.2 중량%, 약 0.25 중량%, 약 0.3 중량%, 약 0.35 중량%, 약 0.4 중량%, 약 0.45 중량%, 약 0.5 중량%, 약 0.55 중량%, 약 0.6 중량%, 약 0.65 중량%, 약 0.7 중량%, 약 0.75 중량%, 약 0.8 중량%, 약 0.85 중량%, 약 0.9 중량%, 약 0.95 중량%, 약 1 중량%, 약 2 중량%, 약 3 중량%, 약 4 중량%, 약 5 중량%, 또는 임의의 이러한 값으로 경계가 설정된 범위 내의 임의의 중량%일 수 있다.
일부 실시양태에서, 광 셔터는 적어도 하나의 배향막을 추가로 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 배향막[들]은 폴리이미드, 폴리비닐 알코올, 폴리(메틸 메타크릴레이트)(PMMA) 및/또는 이의 조합을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 배향막은 SE-5661(Nissan Chemicals, 일본 도쿄 소재)를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 액정 배합물의 배향은 인가된 전기장 하에 경화되는 동안, 형성된 고분자 네트워크 및 고분자 표면 구조로 인한 고분자 지속 배향에 의해 제공될 수 있다.
일부 실시양태에서, 광 셔터는 적어도 하나의 유전막을 추가로 포함할 수 있다. 유전막은 투명성 무기 물질을 포함할 수 있다. 당해 분야 기술자는 본 개시내용의 범위에 속하는 임의의 적합한 유전 물질을 선택할 수 있다. 특정 장치 성분의 선택 및 변형은 본원에 기재된 견해를 벗어나지 않고 결정될 수 있다. 일부 실시양태에서, 유전막은 산화 규소(SiOx)를 포함할 수 있다. 다른 실시양태에서, 유전막은 산화 알루미늄(Al2O3)을 포함할 수 있다.
본 개시내용의 광 셔터는 임의의 적합한 두께의 배향 및/또는 유전막[들]을 가질 수 있다. 일부 실시양태에서, 배향막[들] 및/또는 유전막[들]은 약 1 nm 내지 약 1 μm, 약 1 nm 내지 약 50 nm, 약 50 nm 내지 약 100 nm, 약 100 nm 내지 약 200 nm, 약 200 nm 내지 약 300 nm, 약 300 nm 내지 약 400 nm, 약 400 nm 내지 약 500 nm, 약 500 nm 내지 약 600 nm, 약 600 nm 내지 약 700 nm, 약 700 nm 내지 약 800 nm, 약 800 nm 내지 약 900 μm, 약 900 nm 내지 약 1 μm, 약 50 nm, 100 nm, 약 150 nm, 약 200 nm, 또는 임의의 이러한 값으로 경계가 설정된 범위 내의 임의의 두께일 수 있다.
일부 실시양태에서, 광 셔터는 잔상 없이 직류(DC)에 의해 포컬 코닉 상태에서 투명한 상태로 유도될 수 있다. 본 개시내용의 광 셔터가 DC 모드에서 작동되는 경우, 원하지 않은 잔상 시각 현상의 가능성을 더욱 낮추기 위하여 반대 극성의 펄스를 인가하는 것이 권장된다. 도 3은 역 극성의 주기적 DC 펄스를 인가하여 투명한 광학 상태를 유지하기 위한 구동 방식을 도시하는 그래프이다.
일부 실시양태에서, 광 셔터는 완속 방전 커패시터로 작동할 수 있다.
일부 실시양태에서, 광 셔터는 저장된 내부 전기장으로 최대 40분 동안 투명한 상태를 유지할 수 있다. 일부 실시양태에서, 광 셔터는 저장된 내부 전기장으로 최대 60분 동안 투명한 상태를 유지할 수 있다. 일부 실시양태에서, 광 셔터는 저장된 내부 전기장으로 최대 90분 동안 투명한 상태를 유지할 수 있다.
일부 실시양태에서, 광 셔터는 약 50분 내지 70분 또는 약 60분의 RC 시상수(τ)를 가질 수 있다. 일부 실시양태에서, 광 셔터는 역 극성의 짧은 DC 펄스로 투명한 상태를 유지할 수 있다. 도 2는 내부에 저장된 전기장을 사용하는 동안 투명한 상태의, τ = 60분인, 장치 성능의 그래프적 표현이다:
Figure pct00002
는 장치를 불투명한 상태에서 투명한 상태로 전환하기 위해 요구되는 최소 전압이다:
Figure pct00003
는 초기 충전 전압이다(
Figure pct00004
보다 2배 더 높음):
Figure pct00005
은 장치가 내부에 저장된 전기장으로 투명도를 유지하는 시간이다. 따라서, τ = 60분인 장치는, 투명한 광학 상태를 유지하기 위해 짧은 DC 펄스를 대략 40분 마다 필요로 한다. 도 3은 τ = 60분인 장치에서 반대 극성 DC 펄스를 나타내는 그래프이다. DC 펄스가
Figure pct00006
보다 짧은 시간 간격 내로 인가되는 한, 장치는 투명한 상태를 유지할 것이다.
본 개시내용의 광 셔터는 10 μm 셀 갭을 갖는 장치에서 60 Hz 아래의 주파수에서 3 V/μm의 AC 전기장에서 약 0.037 W/m2 의 전력을 소비할 수 있다. 광 셔터가 간헐적 반대 극성 DC 전기장 펄스에 의해 구동되는 경우, 소비 전력을 μW/m2 범위로 효과적으로 낮출 수 있다.
일부 실시양태에서, 액정 화합물은 양의 유전 이방성 물질일 수 있다. 반응성 메조겐 조성물은 적어도 하나의 반응성 메조겐을 포함할 수 있다.
일부 실시양태에서, 액정 및 고분자 복합재는 한 쌍의 대향하는 투명 전극 사이에 형성되고 이와 전기적으로 연통되는 획정된 전극면 내에 배치된다. 전극과 기능화된 배향막 또는 유전막 사이에 물리적 접촉이 있는 경우에, 고분자 복합재 전구체 조성물은 배향막 또는 유전막과 물리적으로 접촉하고 이와 전기적으로 연통된다. 일부 실시양태에서, 고분자 복합재는 반응성 메조겐 조성물을 포함한다. 일부 실시양태에서, 반응성 메조겐 조성물은 적어도 하나의 반응성 메조겐 및 광-개시제를 포함한다. 일부 실시양태에서, 액정 및 고분자 복합재는 외부 전기장의 존재 하에 자외선 하에 경화된다. 외부 전기장은 전극면에 대한 수직 배향, 및 고분자 네트워크의 형성을 촉진하면서, 또한 경화 동안 액정 물질을 투명한 수직방향 상태로 배향한다(도 1a의 107 참조). 일부 실시양태에서, 적어도 하나의 반응성 메조겐 및 광-개시제는 한 쌍의 대향하는 부분적으로 투명한 전극(도 1a 및 도 1b의 102A 및 102B 참조)에 대해 실질적으로 수직으로 배향된, 고분자 네트워크(도 1a 및 도 1b의 106 참조)를 형성할 수 있다. 일부 실시양태에서, 광 셔터는 고분자 네트워크가 수직으로 배향되는 동안(도 1b의 108 참조), 0-전기장에서 광학적으로 포컬 코닉 산란 상태에 있을 수 있다. 일부 실시양태는 투명도에 영향을 미치는데 충분한 전압의 양이 60 Hz 아래의 주파수에서 3 V/μm 미만일 수 있는 광 셔터를 포함한다.
일부 실시양태는 광 셔터를 포함하고, 여기서 광 셔터는 배향막(도 1a 및 도 1b의 102A 및 102B 참조)을 추가로 포함한다. 배향막은 특히 제한되지 않고 임의의 적합한 배향막이 사용될 수 있다. 일부 실시양태에서, 배향막은 폴리이미드를 포함할 수 있다. 폴리이미드 배향막은 상업적으로 이용 가능한, 예를 들어, SE-6551(Nissan Chemical Corp., 일본 도쿄 소재)일 수 있다. 다른 실시양태에서, 광 셔터는 유전막을 포함할 수 있다. 다른 실시양태에서, 배향막은 없고, 오히려 유전막이 있다. 일부 시양태에서 배향막은 배향막 및 유전막 둘 모두로서 기능하는, 이중 역할을 가질 수 있다. 따라서 도 1a 및 도 1b의 요소(101)는 배향막 또는 유전막일 수 있다. 다른 적합한 배향/유전막은 SE-4811, SiOx, 및 Al2O3을 포함한다.
일부 실시양태에서, 전구체 액정/반응성 메조겐 혼합물은 이온-포획 나노입자를 추가로 포함한다. 일부 실시양태에서, 이온-포획 나노입는 NiO를 포함한다. 일부 예에서, 이온-포획 나노입자는 TiO2를 포함한다. 일부 실시양태에서, 이온-포획 나노입자는 NiO 및 TiO2를 포함한다. 임의의 적합한 양의 이온-포획 나노입자가 사용될 수 있다. 일부 실시양태에서, 이온-포획 나노입자의 총량은 전구체 액정/반응성 메조겐 혼합물의 총 중량의 약 0.01 중량% 내지 약 2 중량%일 수 있다. 일부 실시양태에서, 나노입자는 약 0.01 중량% 내지 약 0.05 중량%, 약 0.05 중량% 내지 약 0.1 중량%, 약 0.1 중량% 내지 약 0.25 중량%, 약 0.25 중량% 내지 약 0.5 중량%, 약 0.5 중량% 내지 약 0.75 중량%, 약 0.75 중량% 내지 약 1 중량%, 약 1 중량% 내지 약 1.25 중량%, 약 1.25 중량% 내지 약 1.5 중량%, 약 1.5 중량% 내지 약 1.75 중량%, 약 1.75 중량% 내지 약 2 중량%, 또는 약 0.05 중량%, 약 0.1 중량%, 또는 임의의 이러한 값으로 경계가 설정된 임의의 중량 백분율로 존재한다.
일부 실시양태에서, 이온-포획 나노입자의 크기는 약 1 nm 내지 약 100 nm일 수 있다. 이온-포획 나노입자의 크기는 일반적으로 이의 직경으로 측정된다. 이온-포획 나노입자의 크기는 약 1 nm 내지 약 10 nm, 약 1 nm 내지 약 2 nm, 약 2 nm 내지 약 3 nm, 약 3 nm 내지 약 4 nm, 약 4 nm 내지 약 5 nm, 약 5 nm 내지 약 6 nm, 약 6 nm 내지 약 7 nm, 약 7 nm 내지 약 8 nm, 약 8 nm 내지 약 9 nm, 약 9 nm 내지 약 10 nm, 약 10 nm 내지 약 25 nm, 약 25 nm 내지 약 50 nm, 약 50 nm 내지 약 75 nm, 약 75 nm 내지 약 100 nm, 또는 약 1 nm, 약 5 nm, 약 10 nm, 또는 임의의 이러한 값으로 경계가 설정된 범위 내의 임의의 크기일 수 있다.
일부 실시양태에서, 광 셔터는 약 50분 내지 70분 또는 약 60분의 RC 시상수를 가질 수 있다. 방전 시상수는 식 τ = R*C 로 계산할 수 있고, 상기 식에서 τ는 시상수이고, R은 전체 장치의 저항이고 C는 장치의 전기용량(capacitance)이다. 본 개시내용에서 임의의 배향막이 유전막으로 기능하는 것으로 여겨진다. 유전막은 장치를 전기적 단락으로부터 방지하고, 장치가 충분하게 충전된 경우 광학 상태의 안정성에 영향을 끼칠 수 있다. 특정 폴리이미드 배향막, 예컨대 SE-6551(Nissan)이, 존재 하는 경우, 투명한 상태가 연속적인 전력 공급 없이 최대 40분 동안 유지될 수 있다는 것이 밝혀졌다. 본 개시내용의 광 셔터는 인가된 외부 정기장이 꺼진 경우 내부 전기장을 저장하고 RC 시상수에 의해 제어되는 기간에 걸쳐 천천히 방전되는 것으로 여겨진다. 광 셔터는 평평한 전극 배치를 갖는 완속 방전 커패시터와 유사하게 작동한다고 여겨진다. 본 개시내용의 광 셔터는 저장된 내부 전기장으로 최대 40분 동안 광학적으로 투명한 상태를 유지할 수 있다. 내부 전기장의 이러한 저장 및 느린 방전 속도는 광 셔터가 초저전력을 소비하는 것을 가능하게 한다. 광 셔터는 내부에 저장된 전기장으로 광학적으로 투명한 상태를 유지할 수 있으며, 광 셔터는 투명한 상태를 유지하기 위해 단지 반대 극성의 짧은 DC 펄스만을 필요로 한다. 광 셔터는 단순히 장치를 전기적으로 단락시키거나(여기서 전환은 밀리초 내에 발생함), 내부에 저장된 전기장이 완전히 방전되도록 함으로써, 투명한 상태에서 포컬 코닉 상태로 전환될 수 있다. 따라서, 광 셔터는 투명한 상태로 작동하기 위해 짧은 주기의 전기 펄스만을 필요로 한다. 광 셔터는 불투명한 포컬 코닉 상태로 무한정 유지하기 위해 어떠한 전기장도 필요로 하지 않는다. 일부 실시양태에서, 광 셔터는 AC 전원으로 작동될 수 있다. 일부 실시양태에서, 광 셔터는 DC 전원으로 작동될 수 있다. 일부 실시양태에서, 광 셔터는 완속 방전 커패시터를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 10 μm의 셀 갭을 갖는 광 셔터는 60 Hz 아래의 주파수에서 약 3 V/μm에서 약 0.02-0.06 W/m2, 약 0.03-0.04 W/m2, 또는 약 0.037 W/m2의 전력을 소비한다. 이러한 소비 전력의 측정은 광 셔터가 AC 전기장으로 작동될 때와 관련이 있으며 짧은 DC 펄스로 작동될 때 소비 전력은 훨씬 더 낮을 수 있다. 광 셔터가 간헐적 역 극성 직류(DC) 펄스에 의해 구동되는 경우, 시간 평균 유효 소비 전력은 μW/m2 단위가 될 수 있다.
일부 실시양태에서, 본 개시내용의 광 셔터는 충전된 상태에서 매우 투명하다. 일부 실시예에서, 투명한 상태의 헤이즈는 약 5% 미만이다. 일부 실시양태에서, 투명한 상태의 헤이즈는 약 0.1% 내지 약 0.5%, 약 0.1% 내지 약 0.5%, 약 0.5% 내지 약 1%, 약 1% 내지 약 2%, 약 2% 내지 약 3%, 약 3% 내지 약 4%, 약 4% 내지 약 5%, 또는 약 2%, 약 4%, 또는 임의의 이러한 값으로 경계가 설정된 범위 내의 임의의 헤이즈일 수 있다.
일부 실시양태에서, 본 개시내용의 광 셔터는 충전되지 않은, 디폴트 상태에서 매우 불투명하다. 일부 실시예에서, 불투명한 상태의 헤이즈는 약 80% 초과이다. 일부 실시양태에서, 불투명한 상태의 헤이즈는 약 80% 내지 약 82%, 약 82% 내지 약 84%, 약 84% 내지 약 86%, 약 86% 내지 약 88%, 약 88% 내지 약 90%, 약 90% 내지 약 92%, 약 92% 내지 약 94%, 약 94% 내지 약 96%, 약 96% 내지 약 98%, 약 98% 내지 약 100%, 또는 약 85%, 약 86%, 약 86.5%, 약 87% 약 87.3%, 약 88 중량%, 또는 임의의 이러한 값으로 경계가 설정된 범위 내의 임의의 헤이즈일 수 있다.
일부 실시양태는 본 개시내용의 광 셔터를 제조하는 방법을 포함한다. 이러한 방법은 다음 단계를 포함한다: 한 쌍의 대향하는 전극 사이의 고분자 복합재용 미경화 전구체에 반응성 메조겐 조성물, 적어도 하나의 액정 화합물 및 키랄 도펀트를 배치하는 단계; 60 Hz에서 약 50 mV/μm 내지 약 50 V/μm의 범위의 외부 전기장의 존재 하에서 액정 및 고분자 복합재를 중합하는 단계로서, 여기서 액정 화합물(들) 및 키랄 도펀트는 콜레스테릭 액정을 형성하는 단계; 경화 후 외부 전기장을 제거하는 단계로서, 여기서 콜레스테릭 액정이 포컬 코닉 산란 상태로 재배향되는, 단계. 일부 방법에서, 반응성 메조겐 조성물의 중합은 경화된 고분자 복합재 내에 고분자 네트워크를 형성할 수 있다. 일부 방법에서, 고분자 네트워크는 인가된 외부 전기장에 평행하게 배향될 수 있다. 액정 및 고분자 복합재 내에 고분자 네트워크를 첨가하면 액정을 고분자 네트워크와 평행한 방향으로 배향하는 유효 배향 필드(field)가 생성되어, 투명한 상태를 야기하는 것으로 여겨진다. 액정 배향을 투명한 상태에서 불투명한 포컬 코닉 산란 상태로 전환하기 위해, 인가된 전기장은 일반적으로 고분자 네트워크의 유효 배향 필드보다 크다. 본 개시내용에서, 반응성 메조겐의 농도는 임계 농도 바로 아래이고, 여기서 인가된 외부 전기장으로 중합하는 동안, 액정은 고분자 네트워크와 평행한 방식으로 배향되지만, 중합 후, 외부 전기장이 제거되는 경우, 고분자 네트워크 유효 배향 필드는 액정을 풀린 평행(투명한) 상태로 고정시키기에 유의하게 충분하지 않으므로, 액정은 이의 이완된 포컬 코닉 산란(불투명한) 상태로 되돌아가는 것으로 여겨진다. 또한 반응성 메조겐 농도를 이러한 임계 역치 바로 아래로 유지하여, 본 셔터 장치는 매우 낮은 소비 전력을 달성하는 것으로 여겨진다. 일부 실시양태에서, 이러한 방법은 적어도 하나의 반응성 메조겐의 농도가 약 0.1 중량% 내지 약 40 중량%인 것으로 포함하고, 여기서 중량%는 중합가능한 전구체 혼합물의 총 중량을 기반으로 한다. 일부 실시양테에서, 이러한 방법은 투명도에 영향을 미치는 전압이 60 Hz 미만의 주파수에서 3 V/μm 미만인, 광 셔터를 기재한다. 본원에 개시된 방법의 일부는 약 50 내지 70분 또는 약 60분의 RC 시상수(τ)를 갖는 광 셔터를 기재한다. 다른 방법은 완속 방전 커패시터를 포함할 수 있는 광 셔터를 포함한다. 본원에 기재된 바와 같이, 광 셔터에 배향막을 첨가하면, 내부 전기 충전을 유지하는데 도움이되는 것으로 여겨진다. 추가로 배향막으로 인해 광 셔터가 완속 방전 커패시터와 유사하게 작동하는 것으로 여겨진다. 여전히 추가로 완속 방전 커페시터의 기능이 DC 전기장의 역 극성 펄스의 도움으로 장치를 반-안정 투명한 상태로 무한정 유지하는데 도움이 되는 것으로 여겨진다. 또한 역 극성 펄스로 인해, 광 셔터가 다른 장치와 관련된 이미지 잔상 문제를 나타내지 않고 본 개시내용의 광 셔터의 전체 소비 전력을 낮추는데 도움이 되는 것으로 여겨진다. 일부 실시양태에서, 이러한 방법은 60 Hz 미만의 AC 전기장에서 3 V/μm에서 약 0.037 W/m2을 소비할 수 있는 광 셔터를 포함한다.
일부 실시양태에서, 이러한 방법은 임의의 상기된 광 셔터의 제조를 포함한다.
본원에 기재된 광 셔터는 윈도우를 통과하는 빛 및/또는 열의 양을 제어하는 방법에 유용하다. 본원에 기재된 광 셔터는 프라이버시를 제공하고, 주위 태양광으로부터의 열을 감소시키고, 자외선의 유해한 영향을 제어하기 위한 노력에 추가로 유용할 수 있다.
이하, 예시적인 실시양태 및 방법이 보다 상세하게 설명될 것이다.
실시양태
실시양태 1 광 셔터로서,
전극면을 획정하는 한 쌍의 대향하는 투명 전극;
포컬 코닉 상태의 액정 및 투명 전극면에 수직으로 배향된 복수의 고분자 네트워크를 포함하는 고분자 네트워크를 포함하는 고분자 복합재를 포함하며,
고분자 복합재는 투명 전극 사이에 배치되고 이와 전기적으로 연통되며, 고분자 복합재는 적어도 하나의 액정 화합물, 키랄 도펀트 및 적어도 하나의 반응성 메조겐 조성물을 포함하며;
여기서 액정 및 고분자 복합재에 대한 전기장의 인가는 포컬 코닉 상태 액정 배치를 수직방향으로 배향된 투명한 상태의 액정 배치로 전환시키는, 광 셔터.
실시양태 2 실시양태 1에 있어서, 포컬 코닉 상태 액정이 약 0.38 μm 내지 한 쌍의 대향하는 투명 전극 사이의 치수의 길이의 약 절반의 콜레스테릭 피치를 갖는, 광 셔터.
실시양태 3 실시양태 1에 있어서, 반응성 메조겐 조성물이 적어도 하나의 반응성 메조겐 및 광-개시제를 포함하는, 광 셔터.
실시양태 4 실시양태 1에 있어서, 투명 전극과 전기적으로 연통되는 전원을 추가로 포함하는, 광 셔텨.
실시양태 5 실시양태 1에 있어서, 적어도 하나의 배향막을 추가로 포함하는, 광 셔터.
실시양태 6 실시양태 1에 있어서, 적어도 하나의 유전막을 추가로 포함하는, 광 셔터.
실시양태 7 제6 실시양태에 있어서, 적어도 하나의 유전막이 투명성 무기 물질을 포함하는, 광 셔터.
실시양태 8 실시양태 1에 있어서, 약 60분의 RC 시상수(τ)를 갖는, 광 셔터.
실시양태 9 실시양태 1에 있어서, 짧은(1초 이하) 반대 극성 DC 펄스의 주기적 인가로 인해 투명한 상태를 유지하는, 광 셔터.
실시양태 10 실시양태 1에 있어서, 60 Hz AC 아래의 주파수에서 3 V/μm에서 약 0.037 W/m2를 소비하는, 광 셔터.
실시양태 11 실시양태 1에 있어서, 투명한 상태가 외부 전기장에 의해 유지되는, 광 셔터.
실시양태 12 실시양태 1에 있어서, 내부에 저장된 전기장으로 최대 40분 동안 투명한 상태를 유지하는, 광 셔터.
실시양태 13 실시양태 1에 있어서, 적어도 하나의 액정 화합물이 양의 유전 이방성 액정 화합물인, 광 셔터.
실시양태 14 실시양태 1에 있어서, 완속 방전 커패시터로서 기능하는, 광 셔터.
실시양태 15 실시양태 1에 있어서, 적어도 하나의 반응성 메조겐의 농도가 약 0.1 중량% 내지 약 40 중량%인, 광 셔터.
실시양태 16 실시양태 1에 있어서, 투명도에 영향을 미치기에 충분한 전압의 양이 60 Hz AC 아래의 주파수에서 3 V/μm 미만인, 광 셔터.
실시양태 17 광 셔터의 제조 방법으로서,
콜레스테릭 액정 피치 길이 및 고분자 네트워크 섬유의 평균 단면(반경)에 의존하는 임계 농도 미만의 수준에서 전구체 액정 배합물 내 반응성 단량체의 함량을 결정하는 단계;
한 쌍의 대향하는 투명 전극 사이의 미경화 고분자 복합재에 반응성 메조겐 조성물, 적어도 하나의 액정 화합물 및 키랄 도펀트를 배치하는 단계;
60 Hz에서 약 50 mV/μm 내지 약 50 V/μm 범위의 외부 전기장의 존재 하에 액정 및 고분자 복합재를 중합하는 단계로서, 여기서 적어도 하나의 액정 화합물 및 키랄 도펀트가 콜레스테릭 액정을 형성하는, 단계; 및
경화 후 외부 전기장을 제거하는 단계로서, 여기서 콜레스테릭 액정이 포컬 코닉 산란 상태로 재배향되는, 단계를 포함하는, 광 셔터의 제조 방법.
실시양태 18 실시양태 18에 있어서, 반응성 메조겐을 중합하는 단계가 콜레스테릭 액정 환경 내에 고분자 네트워크를 형성하는 것을 포함하는, 제조 방법.
실시양태 19 실시양태 18에 있어서, 고분자 네트워크를 형성하는 단계가 고분자 네트워크를 인가된 외부 전기장에 평행하게 배향하는 것을 포함하는, 제조 방법.
실시양태 20 실시양태 1에 있어서, 전구체 액정/반응성 메조겐 혼합물에 약 0.01 중량% 내지 약 2.0 중량%의 이온-포획 나노입자를 추가로 포함하고; 여기서 이온-포획 나노입자가 NiO 및 TiO2를 포함하고; 여기서 나노입자의 첨가는 광셔터의 저소비 전력 및 작동 안정성을 유지하는, 제조 방법.
실시예
본원에 기재된 고분자 네트워크 액정 광 셔터의 실시양태가 다른 형태의 광 셔터와 비교하여 개선된 성능을 갖는 것으로 밝혀졌다. 이러한 이점은 하기 실시예에 의해 추가로 입증되며, 이는 단지 본 개시내용을 예시하기 위한 것이고 어떠한 방식으로든 범위나 기본 원리를 제한하도록 의도되지 않는다.
중합가능한 액정 혼합물 PLC-1부터 PLC-5까지의 생성:
PLC-1의 경우, 87.5부(중량%)의 네마틱 액정 물질 MLC-2132(Millipore Sigma Inc. Burlington, 미국 매사추세츠주 소재), 7.8부(중량%)의 키랄 도펀트 R-811(Millipore Sigma), 4.7부(중량%)의 중합가능한 반응성 메조겐 조성물(99부 LC242(Millipore Sigma), 1부 UV 광-개시제 IrgaCure® 651(Ciba Specialty Chemicals, Inc., 스위스 바젤 소재)의 혼합물을 100mL 유리 플라스크에 혼합하였다. 시럽을 투명점(clearing point) 바로 위까지 가열하고 볼텍스 믹서를 사용하여 혼합하여 균질한 혼합물을 형성하였다. 다음으로, 과량의 공기를 혼합물로부터 배출시키는 것을 보장하기 위해 이 혼합물을 실온(RT)에서 탈기시켰다.
구성성분의 질량비가 표 1에 나타낸 바와 같이 변화된 것을 제외하고는 추가의 혼합물 PLC-2부터 PLC-5까지에 대해 배합 공정을 반복하였다.
중합가능한 액정 혼합물 PCL-6의 생성:
PLC-6의 경우, PLC-3의 물질에 따라, PLC-1(상기)의 절차를 따랐으며, 추가로 니켈(NiO) 및 티타늄(TiO2) 나노입자의 혼합물을 볼텍싱 혼합 전에 각각 0.05 중량%의 양으로 최종 시럽에 첨가하는 것을 포함하였다. 니켈 및 티타늄 나노입자는 액정의 높은 저항력을 유지하고 따라서 장치의 작동 수명 전체에 걸쳐 소비 전력을 낮게 유지하기 위해 이온을 포획할 목적으로 첨가되었다. 사용된 TiO2 나노입자는 5 nm 직경을 가지며 사용된 NiO 나노입자는 10-20 nm 직경을 갖는다. 두 가지 유형의 나노 입자 모두는 US Research Nanomaterials에서 구입했다.
Figure pct00007
*NiO(0.05 중량%) 및 TiO2(0.05 중량%)도 혼합 전에 첨가함
고분자 네트워크 액정 광 셔터의 제작:
ITO 유리 기판(3.00 인치 × 3.00 인치, Thin Film Devices, Anaheim, 미국 캘리포니아주 소재)은 제조업체로부터 직접 구할 수 있다. 대안적으로, 전도성 기판을 생성하기 위해 ITO 전자 전도막을 유리 표면에 제작할 수 있다. ITO 기판은 가압 질소 가스를 표면 상에 흐르게하여 먼지 입자를 청소한 후 반사광 아래에서 검사하여 눈에 보이는 먼지 입자가 남아있지 않도록 하였다. 샘플에 배향막이 사용된 경우, ITO 기판을 ITO 코팅된 표면이 위로 향하게 하여 스핀 코터(Mikasa Spin Coater 1H-DX2, Mikasa Co. Led., 일본 도쿄 소재)에 놓았다. 희석 없이, 배향막을 2,000 rpm으로 20초 동안으로 설정하여 ITO 기판 위에 코팅하였다. ITO 기판 중 하나에, 10μm NanoMicro HT100 마이크로스피어 스페이서가 배향막의 중량에 대해 약 0.25 중량%로 배향막에 혼입되고, ITO 표면에 코팅된다. 다음으로, 코팅된 기판을 금속판 위에 놓고 이를 이후 오븐 랙(oven rack)에 직접 놓아, 기판으로의 균일한 열 전달을 보장하였고 제조업체가 권장하는 온도와 기간에서 배향막을 경화시키기 위해 베이킹하였다.
예를 들어 유전막이 있는 경우, 유전막이 기판 상의 전도성 ITO 막 바로 위에 스퍼터링되었다. Sekisui SP210 스페이서를 1 중량%의 2-프로판올에 혼합한 다음 유전체 표면에 대략 100 스페이서/mm2의 표면 밀도를 생성하도록 휴대용 Preval Sprayer(Chicago Aerosol, 일리노이주 콜시티 소재)를 사용하여 습식 분무하였다. 다음으로, 코팅된 기판을 실온에서 5분 동안 건조되도록 하고, 스페이서만 전체 표면에 분산되도록 하였다.
다음으로, 하나는 스페이서를 포함하고 다른 하나는 스페이서가 없는, 제조된 기판을, ITO 표면이 대향하여 약 10 μm의 에어 갭을 형성하도록 서로 포개어 놓았다. 이후 4개의 종이 클립을 4개의 모서리에 고정하여 기판을 함께 고정시켰다. 다음으로, 기판 스택(셀)은 기판을 뜨거운 플레이트 상에서 5분 동안 100℃로 소프트 베이킹(soft baking)하여 예열하였다. 이후, 중합가능한 액정 혼합물을 에어 갭에 캐필러리 충전하였다. 이후 충전된 셀을 실온에서 냉각시켰다. 셀 갭 왜곡을 방지하기 위해 셀의 활성 영역을 밀어서 과량의 중합가능한 액정 혼합물을 제거했다.
조립체를 UV선 조명으로 15 mW/cm2 강도로 15분 동안 조사하였다(Larson Electronics Co., model DCP-11-DP, Kemp, 미국 텍사스주 소재). 경화 동안 60V의 AC 전압 및 60 Hz가 유지되었고, 이는 액정을 수직방향으로 완전히 배향하고 투명한 상태를 유도하기 위해 필요한 전압 보다 대략 2배 더 높았다. 경화하고 외부 전압을 제거한 후, 장치는 반응성 메조겐의 농도를 임계 농도 바로 아래로 선택하였기 때문에 불투명한 광 산란 상태로 되돌아 갔다.
UV-경화 후, 모서리를 밀봉제(예를 들어, NOA68 UV 접착제)로 밀봉하여 액정 요소를 보호할 수 있다. 알루미늄 호일로 덮인 장치의 활성 영역과 동일한 UV 조명 하에, 접착제를 경화시키기 위해 셀을 1시간 동안 경화시켰다.
그 후, 고분자 네트워크 액정 광 셔터의 두 기판 모두는 각각의 전도성 기판이 전압원과 전기적으로 연통되도록 ITO 단자에 대한 납땜 와이어에 의해 전기적으로 연결될 수 있고, 여기서 전압원이 인가된 경우 전기장이 장치 전체에 생성되도록 연통이 이루어 진다. 전압원은 장치 전체에 필요한 전압을 제공하여 투명한 상태로 전환할 수 있도록 할 것이다.
광학(헤이즈) 측정:
광 셔터의 광학적 특성은 존재하는 전기장이 있는 경우와 없는 경우 모두, 각각의 제조된 셔터를 통과하도록 허용된 빛을 측정함으로써 특성화되었고, 불투명한 상태 및 투명한 상태의 장치의 대표 이미지에 대해서 도 4를 참조한다. 샘플에 대한 광 투과율 데이터는 각 대표 샘플을 장치 내부에 놓은 상태에서 헤이즈 미터기(Nippon Denshoku NDH 7000; NDK, 일본 소재)를 사용하여 측정되었다. 광원은 투과된 총 빛의 기준선 측정을 제공하기 위해 존재하는 샘플 없이 직접 측정되었다. 이후, 방출된 빛이 샘플을 통과하도록, 샘플을 광학 경로에 직접 배치하였다. 이후, 전압원이 통전(energizing)되거나, 전압이 인가되는 경우에, 장치 전체에 전기장이 인가되도록 장치 상의 각 단자 및 각 ITO 유리 기판에 연결된 하나의 선인, 전선을 통해 전압원(3PN117C Variable Transformer; Superior Electric, Farmington, 미국 코네티컷주 소재)에 연결된 샘플을, 헤이즈 미터기에 놓았다. 이후, 샘플을 통해 투과되는 방출된 빛을, 처음에는 전압이 인가되지 않은 상태에서 측정하였고, 다음에는 5 볼트 증분으로 수행된 측정으로 0 볼트 내지 최대 60 볼트 범위의, 다양한 전압 진폭에서 측정하였고; 헤이즈 측정은 다른 시간에 수행하였다. 인가된 전압에 대한 헤이즈 수준의 측정된 곡선의 대표적인 예에 대해 도 5 참조.
소비 전력 측정:
소비 전력 P는 광 셔터에 인가된 전압 VRMS의 진폭, 셔터를 통과하는 생성된 전류 진폭 IRMS 및 전압과 전류 사이의 위상 편이 θ를 측정하여 결정되었다. 소비 전력은 P = VRMS * IRMS * Cos(θ)로 계산된다. 소비 전력을 결정하는 데 필요한 측정된 전압 및 전류 신호의 대표적인 예에 대해 도 6 참조.
측정 결과는 표 2에 요약되어 있다(PLC-3의 경우 도 5에 나타냄).
Figure pct00008
본 개시내용이 실시양태와 관련하여 도시되고 기재되었지만, 첨부된 실시양태에 의해 정의된 본 개시내용의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 수정 및 변형이 이루어질 수 있음이 당해 분야 기술자에게 명백할 것이다.
본 개시내용을 설명하는 맥락에서(특히 다음 청구범위의 맥락에서) 사용된 용어 단수 표현("a", "an", "the") 및 유사한 지시는 본원에서 달리 나타내지 않거나 문맥에 의해 명확하게 모순되지 않는 한, 단수 및 복수를 모두 포함하는 것으로 해석되어야 한다. 본원에 기재된 모든 방법은 본원에 달리 나타내지 않거나 문맥에 의해 모순되지 않는 한, 임의의 적절한 순서로 수행될 수 있다. 본원에 제공된 임의의 및 모든 예 또는 예시적인 언어 (예를 들어, "~와 같은")의 사용은 단지 본 개시내용을 더 잘 설명하기 위한 것이며 어떠한 청구범위의 범위도 제한하지 않는다. 본 명세서의 어떤 언어도 본 개시내용의 실시에 필수적인 임의의 청구되지 않은 요소를 나타내는 것으로 해석되어서는 안 된다.
본원에 개시된 대안적인 요소 또는 실시양태의 그룹화는 제한으로 해석되어서는 안 된다. 각 그룹 구성요소는 개별적으로 또는 그룹의 다른 구성요소 또는 본원에서 발견되는 다른 구성요소와 임의의 조합으로 참조 및 청구될 수 있다. 편의상 그룹 중 하나 이상의 구성요소가 그룹에 포함되거나, 그룹에서 삭제될 수 있음이 예상된다.
본 개시내용을 수행하기 위해 본 발명자들에게 공지된 최상의 모드를 포함하여, 특정 실시양태가 본원에 기재된다. 물론, 이러한 기재된 실시양태에 대한 변형은, 전술한 설명을 읽을 때 당해 분야 기술자에게 명백해질 것이다. 본 발명자는 숙련된 기술자가 그러한 변형을 적절하게 사용하기를 기대하며, 본 발명자는 본 개시내용이 본원에 구체적으로 기재된 것과 다르게 실시되도록 의도한다. 따라서, 청구범위는 모든 수정 및 등가물, 또는 해당 법률에서 허용되는 청구범위에 언급된 청구 대상이 포함된다. 더욱이, 본원에 달리 나타내지 않거나 문맥 상 명백히 모순되지 않는 한, 모든 가능한 변형에서 상기 기재된 요소의 임의의 조합이 고려된다.
끝으로, 본원에 개시된 실시양태는 청구범위의 원리를 예시하는 것임을 이해해야 한다. 따라서, 제한이 아닌 예로서, 대안적인 실시양태가 본원의 교시에 따라 이용될 수 있다. 따라서, 청구범위는 정확히 도시되거나 기재된 실시양태로 제한되지 않는다.

Claims (21)

  1. 광 셔터(light shutter)로서,
    전극면을 획정하는 한 쌍의 대향하는 투명 전극;
    포컬 코닉 상태(focal conic state)의 액정 및 전극면에 수직으로 배향된 복수의 고분자 네트워크 도메인을 포함하는 고분자 네트워크를 포함하는 고분자 복합재를 포함하며,
    고분자 복합재는 투명 전극 사이에 배치되고 투명 전극과 전기적으로 연통되며, 고분자 복합재는 적어도 하나의 액정 화합물, 키랄 도펀트 및 적어도 하나의 반응성 메조겐(reactive mesogen) 조성물을 포함하며;
    여기서 고분자 복합재에 대한 전기장의 인가는 액정을 포컬 코닉 상태에서 수직방향으로 배향된 투명한 상태로 전환시키는, 광 셔터.
  2. 제1항에 있어서, 포컬 코닉 상태 액정이 약 0.38 μm 내지 한 쌍의 대향하는 투명 전극 사이의 갭의 길이의 약 절반의 콜레스테릭 피치(cholesteric pitch)를 갖는, 광 셔터.
  3. 제1항에 있어서, 반응성 메조겐 조성물이 적어도 하나의 반응성 메조겐 및 광-개시제를 포함하는, 광 셔터.
  4. 제1항에 있어서, 한 쌍의 대향하는 투명 전극과 전기적으로 연통되는 전원을 추가로 포함하는, 광 셔텨.
  5. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 배향막(alignment layer)을 추가로 포함하는, 광 셔터.
  6. 제1항에 있어서, 유전막(dielectric layer)을 추가로 포함하는, 광 셔터.
  7. 제6항에 있어서, 유전막이 투명성 무기 물질을 포함하는, 광 셔터.
  8. 제1항에 있어서, 약 50분 내지 약 70분의 RC 시상수(τ)를 갖는, 광 셔터.
  9. 제1항에 있어서, 반대 극성 DC 펄스의 주기적 인가로 인해 투명한 상태를 유지하는, 광 셔터.
  10. 제1항에 있어서, 60 Hz AC의 주파수 아래에서 3 V/μm에서 약 0.03 W/m2 내지 약 0.04 W/m2를 소비하는, 광 셔터.
  11. 제1항에 있어서, 투명한 상태가 외부 전기장에 의해 유지되는, 광 셔터.
  12. 제1항에 있어서, 내부에 저장된 전기장으로 적어도 약 30분 동안 투명한 상태를 유지하는, 광 셔터.
  13. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 액정 화합물이 양의 유전 이방성 액정 화합물인, 광 셔터.
  14. 제1항에 있어서, 완속 방전 커패시터로서 기능하는, 광 셔터.
  15. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 반응성 메조겐의 농도가 약 0.1 중량% 내지 약 40 중량%인, 광 셔터.
  16. 제1항에 있어서, 투명도에 영향을 미치기에 충분한 전압의 양이 60 Hz AC의 주파수 아래에서 3 V/μm 미만인, 광 셔터.
  17. 제1항에 있어서, 고분자 네트워크가 약 0.01 중량% 내지 약 2.0 중량%의 이온-포획 나노입자를 추가로 포함하고; 여기서 이온-포획 나노입자가 NiO 및 TiO2를 포함하고; 여기서 이온-포획 나노입자의 첨가는 광 셔터의 저소비 전력 및 작동 안정성을 유지하는, 광 셔터.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항의 광 셔터의 제조 방법으로서,
    한 쌍의 대향하는 투명 전극 사이의 미경화 고분자 복합재에 반응성 메조겐 조성물, 적어도 하나의 액정 화합물 및 키랄 도펀트를 배치하는 단계;
    60 Hz에서 약 50 mV/μm 내지 약 50 V/μm 범위의 외부 전기장의 존재 하에 고분자 복합재를 중합하여 고분자 네트워크를 형성하는 단계로서, 여기서 적어도 하나의 액정 화합물 및 키랄 도펀트가 콜레스테릭 액정을 형성하는, 단계; 및
    경화 후 외부 전기장을 제거하는 단계로서, 여기서 콜레스테릭 액정이 포컬 코닉 산란 상태로 재배향되는, 단계
    를 포함하는, 광셔터의 제조 방법.
  19. 제18항에 있어서, 고분자 네트워크가 이온-포획 나노입자를 추가로 포함하고, 여기서 이온-포획 나노입자가 NiO 및 TiO2를 포함하는, 제조 방법.
  20. 제18항에 있어서, 반응성 메조겐을 중합하는 단계가 경화된 고분자 복합재 내에 고분자 네트워크를 형성하는 것을 포함하는, 제조 방법.
  21. 제18항에 있어서, 고분자 네트워크를 형성하는 단계가 고분자 네트워크를 인가된 외부 전기장에 평행하게 배향하는 것을 포함하는, 제조 방법.
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