KR20170076620A - 태양 전지를 포함하는 장식 복합체 - Google Patents

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KR20170076620A
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마티아스 마이르
프란츠 렉서
안드레아스 컬츠
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데. 스바로프스키 카게
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Abstract

본 발명에 따른 장식 요소는, (볼록한 곡선(convex curved) 부위를 포함하는 면 표면(faceted surface)을 가지는 투명원석, (b) 파장 선택 층(wavelength-selective layer) 및 (c) 광전지를 포함한다.

Description

태양 전지를 포함하는 장식 복합체 {DECORATIVE COMPOSITE BODY COMPRISING A SOLAR CELL}
본 발명은 볼록한 곡선 부위들(convex curved regions), 파장 선택성 층 및 광 전지를 포함하는 패싯 투명체를 함유하는 장식 요소(decorative element)에 관한 것이다. 상기 장식 요소은 웨어러블 전자기기 분야를 포함하는 에너지 공급원용으로 적합하게 사용될 수 있다.
최근까지, 패싯 원석(faceted gemstone)은 악세서리 및 섬유 부문에서 순수 미용 목적을 위해 거의 독점적으로 사용되어 왔으나, 기능적인 효과를 나타내지는 못하였다. 웨어러블 전자기기 분야(일명 "착용기술(wearable technologie)")에서, 놀랄만한 성장이 이루어졌음에도, 장식성보다는 기능성을 가진 사용자들과 관련하여 아직 미흡하다. 신체 센서, 스마트 와치 또는 데이터 안경(data glasses)와 같은 착용기술 분야에서 하나의 큰 시도가 에너지 소스이고, 급작스런 고장은 예상하지 못한 시점에 기계적인 불능을 만들게 된다.
특허출원 US 2013/0329402에서, 장식 요소의 태양 전지를 통한 에너지 소스는 잘알려져 있다.
특허출원 US 4,173,229에 따르면, 보석 착용자의 신체를 통한 치료 목적의 효과적인 전류를 발생시키도록 태양 전지가 팔찌 및 목걸이에 적용된 내용을 개시하고 있다.
독일 실용신안 DE 203 03 952 U1는 보석 도난 방지를 위해 "알람 잠금"으로 태양 전지의 사용을 개시하였다.
유럽특허 EP 2458457 A1 (Casio)는 투명 부재(2), 장식 플레이트(7), 및 태양 패널(5)이 개구가 형성되어 있는 단부로부터 금속 케이스(1a)에 배치되어 있고, 상기 장식 플레이트는 광 투과를 갖고 상기 태양 페널의 일면의 요철 표면 부위를 형성하는 광 굴절부(70)을 갖으며, 광 투과성과 광 굴절성을 모두 갖는 반투과 굴절 플레이트(6)는 상기 장식 플레이트와 상기 태양 페널 사이에 제공된다. 상기 반 투과 굴절 플레이트는 비금속 증기(metal-free vapor) 증착된 필름(61)을 갖는다. 단면도는 시계가 일면이 양면으로부터 지면에 대해 평평한 광 투과 플레이트를 갖고 패싯(facet)이 없는 것을 나타낸다. 이어서 요철 표면 구조를 가지는 장식 프레이트는 이들의 하면이 상기 태양 페널에 결합되어 있다. 상기 요철 구조의 층은 돌출된 연속체, 즉 상기 시계 자체는 연장된 볼록 곡선 부위가 없다.
최근까지, 장식 방법의 요구에서 디자인된 태양 전지의 기술적 해결안이 부족하였으며, 원석으로 제조하는 방법이 고려되었다. 본 발명의 목적은 높은 광택의 장식 요소을 얻는 방법으로 태양 전지(광전지)를 적용시키는 것이다.
하나의 예로서, 본 발명은 하기를 포함하는 장식 요소과 관련된다.
(a) 볼록한 곡선(convex curved) 부위를 포함하는 면 표면(faceted surface)을 가지는 투명원석,
(b) 파장 선택 층(wavelength-selective layer) 및
(c) 광전지(photovoltaic cell)
하나의 바람직한 예에서, 요소 (a) 내지 (c)는, 상기 전술한 순서로, 접착제로 상호 결합되어 있다. 다른 예에서, 상기 장식 요소은, 바람직하게는 상기 순서로, 상호 접착제로 결합되어 있는 요소(a) 내지 (c)로 구성되어 있다.
더불어, 본 발명은, 본 발명에 따른, 특히, 웨어러블 전자 기기의 에너지 소스로서, 장식 요소의 사용과 관련된다, 본 발명은 또한 장식 요소을 포함하는 물건과 관련된다. 예를 들어, 본 발명에 따른 장식 요소은 소위 "엑티비티 트렉커(activity tracker)"에서 장점을 나타낸다.
또한, 하기에서는 적용 가능한 어플리케이션을 서술한다.
놀랍게도, 파장 선택 층을 갖는 볼록 곡선 부위를 포함하는 패싯 표면을 갖는 투명 원석 및 광전지는 다양한 목적으로 에너지 소스로서 적절하다. 본 발명에 따르면, 용어 "광전지(photovoltaic cell)", "광발전(photovoltaic) 요소" 및 "태양 전지"는 상호 교환하여 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 복합체는 에너지 공급 특성 향상 뿐만 아니라 동시에 높은 광택의 원석이다. 따라서, 본 발명은 에너지 공급 기능적 원석을 제공한다. 여기서, 상기 원석은 높은 광택 뿐만 아니라 오직 평면 유리시트인 태양전지보다 우수한 에너지 수득률을 제공한다.
본 발명에 따른 조합은, 에너지 소스와 원석으로써, 디자인 분야 및 기술 분야에서 다양한 사용 가능성을 제공한다. 하기에서는, 볼폭 곡선 부위를 포함하는 패싯 표면을 가지는 투명 원석은 또한 "광학적 요소"를 나타낸다. 상기 장식 요소들은 높은 광택으로 에너지 소스로서 뿐만 아니라 장식 요소로서도 사용이 가능하다. 상기 용어 "투명"은 전자기 파장이 투과할 수 있는 능력을 의미한다. 이상 또는 이하의 넓은 주파수 범위의 입사 전자기 방사선에 대해 물질이 투명한 경우, 상기 방사건은 상기 물질을 거의 완전히 관통할 수 있다. 즉, 반사 및 흡수가 거의 일어나지 않는다. 본 발명에서, "투과도(transparency)"는 입사광의 적어도 70%를 투과하는 것을 의미하고, 바람직하게는 80% 이상, 더욱 바람직하게는 90% 이상을 의미한다. 본 발명에 따르면, "패싯(faceting)"은 다각형(polygon) 또는 소위 n-gons (n > 3)를 갖는 원석의 표면 디자인을 의미한다; 일반적으로, 패싯(facet)은 거친 결정을 연삭(grinding)하여 형성되거나 가압 방식을 사용하여 형성시킨다. 상기 용어 "볼록(convex)" 및 "오목(concave)"은 상기 패싯(facet)의 상부 또는 하부의 가상의 엔벨럽 부위(enveloping area)와 관련되며 안과의 렌즈를 포함하는 유사물로 이해되어야 한다. 상기 볼록 및 오목 부위(요철)은 대칭형 또는 비대칭형이다.
장식 요소(복합체)의 가능한 구조는 하기의 도 (1a) 내지 도 1(c)에 나타나 있고, 도면 부호는 하기와 같다:
(1) 볼록 곡선 부위를 포함하는 패싯 표면을 갖는 투명 원석;
(2) 광전지(태양 전지);
(3) 파장 선택 코팅;
(4) 파장 선택 필름;
(5) 접착제;
(6) 파장 선택 필름의 위치와 관련한 다른 구조;
(7) 장식 요소
본 발명의 바람직한 예에서, 상기 파장 선택 코팅(하기 참조)은 상기 패싯(facet)의 대향하는 평평한 면에 직접 배치된다, 즉, 태양 전지에 접착제로 결합되는 평요철 또는 평철(도 1a 참조)의 배면에 배치된다. 본 발명의 다른 예에서, 파장 선택 코팅은 원석(1)에 접착적으로 결합되어 있는 태양 전지 상에 배치된다(도 1b 참조). 본 발명의 또 다른 예에서(도 1(c)), 파장 선택 필름은 2개의 접착 층(도 1(c) 참조)에 의해 상기 태양 전지 및 원석(1)에 결합 된다. 각 부분의 접착제 결합은 강제되지 않는다.
본 발명에 따르면, 파장 선택 층은 이론적으로 상기 패싯 표면에 적용된다. 그러나, 이는 상기 층의 기계적 마모 가능성 때문에 덜 바람직하다. 상기 광전지(photovoltaic cell)는 반도체 물질을 상기 광학적 요소에 직접 증착 또는 진공 증착시켜 준비할 수 있다. 즉, 접착제가 필요없이 결합될 수 있다.
한편으로, 본 발명은 또한 장식 요소의 사용과 관련되며, 특히, 웨어러블 전자 장치에서의 에너지 소스와 본 발명에 따른 적어도 하나의 장식 요소을 함유하는 반지, 목걸이, 팔치 및 이와 유사한 것들과 같은 보석류에서의 물건과도 관련된다.
본 발명에 따른 복합체는 에너지 공급 특성 향상 뿐만 아니라 동시에 높은 광택의 원석이다. 따라서, 본 발명은 에너지 공급 기능적 원석을 제공한다. 여기서, 상기 원석은 높은 광택 뿐만 아니라 오직 평면 유리시트인 태양전지보다 우수한 에너지 수득률을 제공한다.
도 1a는 패싯에 대향하는 평면에서 파장 선택 코팅을 가진 장식 요소의 구조를 나타낸다.
도 1b는 태양 전지에서 파장 선택 코팅을 가진 장식 요소의 구조를 나타낸다.
도 1c는 파장 선택 필름을 가진 장식 요소의 구조를 나타낸다.
도 2a는 일면을 갖는 평요철 광학적 요소의 태양전지에 라이트빔이 집중(focusing)되는 모습을 나타낸다.
도 2b는 태양 전지의 평면을 커버하는 빔 경로를 나타낸다.
도 3a는 일면을 갖는 평요철 광학적 요소에서 라이트빔이 측면에서 유입되어 굴절되는 것을 나타낸다.
도 3b는 태양 전지의 평면을 커버하도록 측면에서 유입되는 빔 경로를 나타낸다.
도 4a는 Table 1; T = 투과; R = 반사에 따른, 파장 선택 필터 코팅의 스펙트럼이다.
도 4b는 파장 선택 필터 코팅;R = reflection에서 반사 각도 의존성(Angular dependence)을 나타낸다.
도 5a는 원근법에 의한 광학적 요소의 기하학적 구조를 나타낸다.
도 5b는 광학적 요소의 기본 크기; 상기 기본 크기에서 45°챔퍼(chamfer)를 나타낸다.
도 6은 측정 장치(Measuring set-up)을 모식적으로 나타낸다.
도 7a는 자외선 입사각의 기능으로써 최대 전력 지점에서 상대적인 전력 변화를 나타낸다.
도 7b는 평균 0~75°의 입사각을 갖는, 광학적 요소이 적용된 후의 상대적인 전력 변화를 나타낸다.
도 8은 시뮬레이션을 위한 광학적 요소의 기하학적 구조를 나타낸다.
도 9는 평요철 곡률(plano-concave curvature)을 갖는 광학적 요소의 기하학적 구조를 나타낸다.
도 10은 평철 곡률을 갖는 광학적 요소의 기하학적 구조를 나타낸다.
상기 장식 요소는 완전한 에너지 자가 방식의 "웨어러블 기술" 분야에서 다양한 장치를 작동시키거나 입사광 기능으로써의 충분한 런타임을 증가시키는 기회를 제공한다. 에너지 저장의 영구 충전은 특정 에너지 레벨을 나타낸다. 이는 전하 운반 용량의 감소가 가능하게 하고 결과적으로 에너지 저장의 용량을 나타낸다. 이러한 결과는 제품의 설계에 장법을 제공하고, 예를 들어, 더 컴팩트한 설계로 제품 비용을 감소시키는데 공헌하게 된다. 종래의 외부 전원 공급을 통한 에너지 저장의 완전한 충전 및 방전이 생략되므로, 최근 사용되는 에너지 저장 장치의 수명을 분명기 증가시킨다.
상기 장식 요소의 하나의 어플리케이션으로, 예를 들어, 원석의 반지 및 귀걸이를 나타내며, 동시에 투과 유닛을 포함하는 내장 센서 시스템(integrated sensor system)의 필요한 에너지를 제공한다. 이러한 시스템은, 예를 들어, 혈액 내의 젖산(lactate), 포도당(glucose) 또는 멜라토닌의 경피성(transcutaneous) 광학 측정에 제공된다. 특정 박막 필름 배터리 및 높은 소형화 전자기기와 관련하여, 최초에 상기 장식 요소는 센서 시스템을 보석의 컴팩트 일부(compact piece)에 내장되도록 할 수 있다. 따라서, 예를 들어, 본 발명에 따른 장식 요소를 포함하는 장치화된 반지는 배터리 충전없이 특정 신체 기능의 지속적인 측정을 위해 사용될 수 있다.
또한, 직렬 또는 병렬 연결이 가능한 다수의 장식 요소로 인하여, 휴대 전화기, 렙탑, GPS 시스템 또는 타블렛 컴퓨터과 같은 이동 장치의 일부 충전이 가능하다. 많은 수의 이러한 장식 요소들이 직물 및 예를 들어, 핸드백 및 배낭(rucksack)과 같은 엑세서리에 적용될 경우, 이들을 일부로 포함하는 이동 장치들은 유도적(inductively)으로 충전될 수 있다. 본 발명에 따른 장식 요소를 함유하고 마이크로 USB 플러그를 가지는 소위 "에너지 팔치"는 이동 충전소(mobile charging stations)으로써 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 장식 요소는 소위 전환 가능한 효과를 위한, 예를 들어, 원석의 색변환, 또는 예를 들어, 소위 "스마트 시계"의 디스플레이 기능을 위한 에너지를 제공할 수 있다.
장식 요소 또는 다수의 장식 요소는 예를 들어, 스마트 시계 또는 엑티브 센서에 에너지를 공급하기 위하여 팔찌에 내장될 수 있다. 상기 장식 요소들이 특정 장치를 통해 연결되는 경우에 장식 요소들의 신뢰성 있는 전기적 연결을 획득할 수 있다. 장식 요소로부터 에너지가 요구되는 제품 일부로 에너지 전환이 가능하다. 예를 들어, 특정 스프링 바(주로 시계에 적용)를 통해 또는 포고 핀(pogo pin)에 의해 에너지 전환이 가능하다.
볼록 곡선 부위를 포함하는 패싯 표면을 갖는 투명 원석
상기 원석은 다양한 물질들, 예를 들어, 투명 유리, 플라스틱, 투명 세라믹 또는 투명 보석(gem) 또는 준보석 스톤(semi-precious stones)으로부터 제조된다.
본 발명의 바람직한 예에 따르면, 비용이 저렴하고 패싯을 가지면서 가장 꾸준히 제공될 수 있다는 점에서, 패싯 투명 원석은 유리 또는 플라스틱으로 제조된다. 본 발명에 따르면, 유리의 사용은 특히 바람직하다. 상기 원석은 볼록 곡선 또는 요청 곡선 부위를 포함한다. 이는 오목 커버 부위도 패싯 면의 볼록 곡선 부위를 추가하여 나타날 수 있다. 패싯 면에 대향하는 원석의 일면은 평평(바람직하게)하거나 볼록할 수 있다. 본 발명에 따르면, 결정질의 태양 전지의 가장 비용 효율적인 어플리케이션을 가능하게 하므로, 평철(plano-convex) 또는 평요철(plano-convexo-concave)의 기하학적 구조를 가지는 원석이 바람직하다. 특히 바람직하게는 볼록한 원석, 특히, 평철, 기하학적 구조이다.
유리
본 발명은 유리 복합체와 관련하여, 투명하다면 특별히 제한되지 않는다. "유리"는 무정형 고체를 형성하는 과냉각 액체 상태로 냉각된 것을 의미한다. 본 발명에 따르면, 유리 산화물(oxidic glasse)와 칼코게나이드 유리, 비정질 유리(metallic glasse) 또는 비금속성 유리(non-metallic glasses)가 모두 사용될 수 있다. 옥시나이트라이드 유리(Oxynitride glass)도 또한 적합하다. 이러한 유리는 하나의 요소(예를 들어, 쿼츠 유리) 또는 2개의 요소(예를 들어, 알칼리성 붕산염 유리(alkali borate glass)) 또는 멀티 요소(소다석회유리(soda lime glass)) 유리일 수 있다. 상기 유리는 당업자에게 공지된 졸겔 법(sol-gel process) 또는 충격파(shock waves) 방식으로 준비될 수 있다. 본 발명에 따르면, 무기 유리, 특히, 유리 산화물이 바람직하다. 이들은 실리케이트 유리(silicate glasses), 붕산염 유리(borate glasses) 또는 인산유리(phosphate glasses)를 포함한다. 납이 첨가되지 않은 유리가 특히 바람직하다.
패싯 투명 원석을 준비하기 위하여, 실리카 유리(silica glasses)가 바람직하다. 실리카 유리는 이산화규소(silicon dioxide:SiO2)에 의해 주로 형성되는 구조를 공통적으로 갖는다. 알루미나(alumina) 또는 다양한 알칼리 산화물(alkali oxides), 알루모실리케이트(alumosilicate) 또는 알칼리 실리케이트 유리와 같은 산화물을 추가하여 형성시킨다. 만약 오산화인(phosphorus pentoxide) 또는 삼산화이붕소(boron trioxide)가 유리의 주요 형성체가 되는 경우, 추가로 산화물을 첨가하여 조정할 수 있는 특성을 갖는 각각의 인산염 유리(phosphate glass) 또는 붕산염 유리(borate glass)를 나타낸다. 이러한 유리들은 본 발명명에 따라 사용될 수 있다. 상기 유리들은 일반적으로 유리 산화물들(oxidic glasses)로 불리는 산화물로 구성되어 있다.
본 발명의 바람직한 예에서, 상기 유리 복합물은 하기의 성분들을 포함한다:
(a) 약 35% 내지 85%의 SiO2 중량%;
(b) 0 내지 약 20%의 K2O 중량%;
(c) 0 내지 약 20%의 Na2O 중량%;
(d) 0 내지 약 5%의 Li2O 중량%;
(e) 0 내지 약 13%의 ZnO 중량%;
(f) 0 내지 약 11%의 CaO 중량%;
(g) 0 내지 약 7%의 MgO 중량%;
(h) 0 내지 약 10%의 BaO 중량%;
(i) 0 내지 약 4%의 Al2O3 중량%;
(j) 0 내지 약 5%의 ZrO2 중량%;
(k) 0 내지 약 6%의 B2O3 중량%;
(l) 0 내지 약 3%의 F 중량%;
(m) 0 내지 약 2.5%의 Cl 중량%.
모든 언급된 양들은 총 100% 중량에 대한 것으로, 선택적으로 추가 성분들을 함께 포함할수 있다. 준보석(gemstone)의 패싯은 공지된 연삭(grinding) 및 연마(polishing) 기술에 의해 형성될 수 있다.
예를 들어, 납이 첨가되지 않은 유리, 특히 유리는, 380~1200nm에서 >　95% 의 투과도를 나타내는 Swarovski사의 Chessboard Flat Backs (catalogue No. 2493)를 사용하는 것이 본 발명에 적합하다.
플라스틱
패싯 투명 원석(a)의 준비를 위한 다른 원료 물질로써, 투명 플라스틱이 사용될 수 있다. 모노머를 큐어링(curing)한 후에 투명해지는 모든 플라스틱은 본 발명에 적합하다. 다른 것들 사이에서, 하기의 물질들이 사용된다:
- 아클릴릭 글라스 (acrylic glass (polymethyl methacrylates, PMMA)),
- 폴리카보네이트 (polycarbonate (PC)),
- 폴리비닐 클로라이드(polyvinyl chloride (PVC)),
- 폴리스틸렌(polystyrene (PS)),
- 폴리페닐렌 에테르(polyphenylene ether (PPO)),
- 폴리에틸렌(polyethylene (PE)),
- 폴리-N-메틸메타크릴이미드(poly-N-methylmethacrylimide (PMMI)).
유리에 대한 투명 플라스틱의 장점은 낮은 비중(specific weight), 특히, 대략 유리의 절반이라는 점이다. 또, 다른 물질 특성도 선택적으로 조정될 수 있다. 추가로, 유리와 비교하여 플라스틱은 더욱 용이하게 제조된다. 단점으로 탄력의 낮은 모듈러스 및 낮은 표면 경도와 약 70℃에서 큰 폭의 강도 저하를 포함한다. 본 발명에 따른 바람직한 플라스틱은 예를 들어, Pleximid® TT70라는 이름의 Evonik사에서 판매하는 폴리-N-메틸메타크릴이미드이다. Pleximid® TT70 는 1.54의 굴절률(refractive index) 및 D65 standard light를 사용한 ISO 13468-2에 의해 측정된 91%의 투과도를 갖는다.
기하학적 구조
패싯 투명 원석의 기하학적 디자인은 일반적인 디자인 형상에 따른 이론적인 한계로 제한되지 않는다. 상기 원석은 바람직하게 사각형, 직사각형(rectangular) 또는 라운드(round)일 수 있다. 상기 패싯 투명 원석은 바람직하게 볼록, 특히 평철 기하학적 구조(도 2(a)와 비교)를 갖는다. 바람직하게는, 상기 원석은 볼록 곡선 면에 다수개의 패싯 면을 함유하고; 직사각형, 특히 사각형, 면을 포함하며, 이는 에너지 수득률의 최적화에 공헌한다. 볼록을 갖는 원석의 기하학적 구조 및 선택적으로 추가되는 볼록 부위는 평균 표면을 증가시켜 광 수득률(light yield)을 증가시킨다. 입사광의 일부가 반사되므로 파장 선택 층(하기 참조)은 광 수득률에 부정적인 영향을 미치는 반면, 이러한 손실은 패싯 면과 볼록 및 선택적 볼록 곡선 부위를 갖는 특정 기하학적 구조의 조합에 의한 보상보다 크다. 특히, 원석의 볼록 기하학적 구조는 태양 전지의 에너지 수득률의 각도 의존성(angular dependence)의 감소에 기여한다. 특히, 웨어러블 전자기기 측면에서, 광 소스로의 방향성은 거의 불가능하므로 각도 의존성의 감소는 매우 중요하다. 볼록 및 패싯(도 2a 참조)의 조합은 광활성 요소(photovoltaic element)의 표면에서의 라이트빔에 초점이 맞춰져 있고, 평평한 구조(도 2b 참조)와 비교하여 매우 크게 에너지 수득률을 증가시킨다. 동시에, 도 3a에 나타난 바와 같이, 각도 의존성는 캡슐화(encapsulating) 태양전지(도 3b 참조)에 보통 사용되는 박막 플레이트와 비교하여 크게 감소한다. 패싯을 갖는 조합의 보록 곡선 구조 및 이로부터 형성되는 추가 부위 때문에, 장식 요소의 라이트빔 입사는 정상적인 태양전지에서 굴절된다. 이러한 패싯은 광 빔의 다중 반사(multiple reflection )의 결과를 나타내고, 따라서, 광 수득률을 증가시킨다.
본 발명의 바람직한 예에서, 볼록 부위의 표면 비율은 원석의 총 패싯 표면의 거의 1/3이다. 이 경우, 요철 기하학적 구조의 광 수득률은 독점적으로 볼록 기하학적 구조의 광 수득률과 유사하다. 이를 모의실험으로 나타냈다(하기 참조).
패싯의 형상은 광학적 요소의 기하학적 구조와 유사하게 관련되어 있다. 이론적으로, 패싯의 기하학적 형상은 제한되지 않는다. 본 발명에 바람직한 예로, 이러한 형상은 사각형 또는 직사각형의 패싯, 특히 사각형 또는 직사각형 모양 및 평철 기하학적 구조의 조합이다. 그러나, 라운드된 패싯의 기하학적 구조도 사용될 수 있다.
파장 선택 층
파장 선택 층은 장식 요소가 여하튼 원석으로 사용될 수 있도록 한다. 장식 요소는 이들로부터 광택 외형을 얻는다. 파장 선택 층은 바람직하게 볼록 곡선 부위를 포함하는 투명 패싯 원석와 광활성 요소 사이에 제공된다. 볼 발명의 바람직한 예에 따르면, 두 가지 방법이 고려될 수 있다: PVD, CVD 또는 습식 케미칼(wet-chemical) 방법으로 준비되는 파장 선택 필름 또는 파장 선택 코팅에 의한 방법. 그러나, 파장 선택 층은 또한 미세구조된 표면으로부터 얻을 수 있다. 이러한 미세구조에 의한 방법은 당업자에게 잘알려져 있다.
가시광선의 정의된 범위(=필터링)의 반사 결과에 따라, 광학적 요소는 광택(brilliance)을 획득하고 광학적인 특정 색상을 나타낸다. 이러한 광택은 추가적으로 원석의 패싯에 의해 형성된다. 본 발명의 바람직한 예에서, 파장 선택 층은 380 내지 850 nm의 범위, 즉 가시광 영역에서 광 일부(fraction of the light)를 반사한다. 반사된 광 일부는 가시광 영역, 전형적으로 50 내지 250 nm 이하의 폭을 가지는 범위에서 최대한 좁게 나타난다. 한편으로, 상기 일부는 우수한 광택을 갖는 원석으로서의 장식 요소을 갖기 충분하다. 반면에, 파장 범위의 반사로 인한 에너지 수득율의 손실은 최소화된다. 따라서, 본 발명의 바람직한 예에 따르면 파장 선택 층은 380 내지 850 nm의 범위 내에서 50 내지 250nm의 넓은 반사 간격(reflection interval)의 입사각의 적어도 50%를 반사한다. 바람직하게는 반사 간격은 50 내지 200nm 넓이, 더욱 바람직하게는 50 내지 150nm이다. 다른 예에서, 0°의 라이트빔의 입사각 하에서 측정된 400 내지 1200 nm 파장 범위 내(도 4a와 비교)에서 반사 간격 밖(outside the reflection interval)에서, 파장 선택 층은 >　60%의 평균 투과도를 갖고, 바람직하게는 >　80%을 갖는다. 바람직하게는, 파장 선택 층은 패싯에 대향하는 원석의 일면에 적용된다; 대안적으로, 광활성 요소에도 직접 적용된다.
광전지(태양전지)는 태양 스펙트럼의 오직 일부에 사용될 수 있다. 필터로 사용되는 파장 선택 층은, 바람직하게 추가적으로 IR 범위 내의 스펙트럼의 일부를 반사하고 태양 전지에 의해 더 이상 사용되지 않을 수 있다. 따라서, 태양 전지의 추가적인 가열을 방지할 수 있다.
일반적으로, 태양전지는 가열되는 섭씨 온도(degree centigrade)당 에너지 수득율의 0.47% 손실을 가지므로, 코팅의 정확한 선택은 매우 중요하다. 입사 파장이 작을수록 광자의 에너지는 높아진다((E = h··n [eV]). 실리콘 태양 전지에서, P/N 접합의 외측의 전자-양공쌍(electron-hole pair)을 끊기 위해 1.1　eV 의 에너지가 요구되고; 초과 에너지는 열로 전환된다. 예를 들어, 3.1　eV 를 갖는 광자, 대응하는 400nm에서의 에너지,가 상기 전지에 영향을 주는 경우에, 2　eV 가 열적 에너지로 전환되어 에너지 수득량의 감소를 가져온다. 따라서, 본 발명에 따르면, 대부분의 열이 발생되므로, 특히 짧은 파장의 파란색 또는 녹색 일부(파장:380~490nm)를 반사하는 장점이 있다. 이론적으로, 파장 선택 층은 넓은 다양한 색상을 가지는 장식 요소가 생성되도록 할 수 있다. 그러나, 에너지 수득률을 최대화하기 위하여, 파장 선택 층은 가시 스펙트럼의 짧은 파장 범위의 일부를 반사하는 것이 바람직하다.
파장 선택 층은 각-의존 반사(angle-dependent reflection)를 나타낸다(도 4a 및 도 4b 참조). 반사 간격은 패싯에 대한 입사광 각도의 기능으로써 이동된다. 패싯의 위치에 따라서, 다른 색상 일부들이 거의 모든 이리데슨트 효과(iridescent effect), 즉 패싯이 없는 평철 렌즈에 의해 달성될 수 없는 패싯(facet)에서 패싯으로 색상이 점진적으로 변화되는 효과를 발생시키도록 반사된다. UV-처리된(curing) 접착제를 가지는 장식 요소의 개별 성분들의 결합이 가능하도록, 바람직하게 UV 광에서 적어도 일부가 투명하다.
파장 선택 필름
파장 선택 필름은 디자인된 "복사광 필름(Radiant Light Film)" 하에서 상업적으로 이용가능하다. 이러한 다층 구조의 고분자 필름은 다른 물질들에도 적용 가능하다. 이러한 광학적 필름들은 브레그 거울(Bragg mirrors)이고 가시광의 높은 비율을 반사하고 광택 색상 효과를 나타낸다. 수 백 나노미터의 범위 내의 미세구조와 같은 요철구조는 다른 광 파장을 반사하고 , 시야각의 기능으로써 색상 변화의 상호 간섭 현상이 발생된다.
특히, 본 발명의 바람직한 예로서, 필름은 최외각 층이 폴리에스테르(polyester)인 다층 구조의 고분자 필름으로 구성된다. 이러한 필름들은, 예를 들어, 3M사의 Radiant Color Film CM 500 및 CM 590라는 이름으로 판매된다. 이러한 필름들은 590-740　nm 또는 500-700　nm의 반사 간격을 갖는다.
바람직하게, 파장 선택 필름은 접착제 방식으로 패싯 투명 원석과 광전지와 함께 결합 된다. 상기 접착제도 투명하다. 바람직한 예에서, 접착제의 굴절율은 볼록한 기하학적 구조를 갖는 패싯 투명 몸체의 굴절율로부터 ±20% 이하의 오차범위를 갖는다. 특히 바람직한 예에서, 오차범위는 <　10%, 더욱 바람직하게는 <　5%이다. 이는 다른 굴절율(refractive indices)들이 최소화될 수 있기 때문에 반사 손실을 확인할 수 있는 유일한 방법이다. 상기 굴절율(refractive indice)은 각 경계층(모스 아이 효과(moth eye effect))의 거칠기에 의해 다른 것과 매칭시킬 수 있다. 소위 "모스 아이 표면들"은 이상적인 경우에 급작스럽지 않으면서 연속적으로 광의 굴절 거동(refraction behavior)을 변화시키는 미세 냅 구조(fine nap structures)로 구성되어 있다. 다른 굴절율들 사이의 경계들 형상은 제거될 수 있으므로 전이(transition)가 대부분 영향을 미치고 상기 광은 간섭없이 투과될 수 있다. 구조적 크기는 반드시 300　nm 미만이여야 한다. 모스 아이 효과(Moth eye effects)는 상기 경계층에서 반사를 최소화하게 할 수 있으므로, 상기 경계 층들을 통한 통로에서 높은 광 수득률이 달성된다.
UV 방사선 방식에 의해 처리(curing)될 수 있는 접착제는 본 발명의 바람직하게 적용될 수 있다. UV-처리된 접착제와 굴절율을 결정하는 방법은 모두 당업자에 공지되어 있다. 본 발명의 특별한 예는, 특히 우레탄 아클릴레이트 접착제로 개질된 아크릴레이트 접착제(acrylate adhesives)의 사용이다. 이는 많은 회사에서 판매되고 있으며, 에를 들어, 320-42　nm의 범위 내에서의 UV 광에 의해 처리될 수 있는 접착제로서, Delo-Photobond® PB 437의 Delo 가 있다.
파장 선택 코팅
코팅 물질들은 당업자에게 잘 알려져 있다. 본 발명의 바람직한 예에서, 파장 선택 코팅은 금속 산화물, 금속 질화물(metal nitrides), 불화금속(metal fluoride), 금속 카바이드(metal carbide) 또는 일반적인 코팅 방법 중 하나의 의해 패싯 원석에 적용되는 이러한 화합물들의 모든 배열의 조합과 같은 적어도 하나의 금속 및/또는 화합물을 함유한다. 다른 금속 또는 금속 화합물들의 연속적인 층들도 적용될 수 있다. 코팅을 준비하는 방법 및 코팅 자체는 당업자에게 공지되어 있다. 이들은, 다른 것들 사이에서도, 종래의 PVD (physical vapor deposition) 방법, CVD (chemical vapor deposition) 방법, 페인트-코팅 방법(paint-coating methods) 및 습식 케미칼(wet-chemical) 방식을 포함한다. PVD 방법은 본 발명에 바람직하게 적용될 수 있다.
상기 PVD 방법은 진공 기반의 코팅 방법들 또는 박막 층 기술로 이루어진 그룹을 포함하는 방법으로 당업자에게 공지된 기술이며 광학적 보석 산업, 특히 유리 및 플라스틱 코팅에 사용된다. PVD 방법에서, 코팅 물질은 가스 상태로 전환된다. 이러한 가스 상태의 물질은 후에 응축(condense)되고 타겟 층을 형성하는 기재(substrate)를 통과하여 코팅된다. 이러한 PVD 방법의 일부 예에서(마그네트론 스퍼터링(magnetron sputtering), 전자빔 증착(laser beam evaporation), 열 증착(thermal evaporation 등)), 매우 낮은 공정 온도가 적용된다. 매우 다양한 금속들이 박막 층에서 매우 순수 형상으로 이러한 방법에 의해 증착될 수 있다. 만약 프로세스가 산소와 같은 활성 가스 환경에서 수행되는 경우에 금속 산화물도 증착될 수 있다. 본 발명의 바람직한 예로 스퍼터링 방식에 의해 코팅이 수행된다. 일반적인 레이져 시스템은, 기능 및 광학적인 외형의 요구조건에 따라, 하나의 층 및 다층 구조로 구성될 수 있다. 예를 들어, 다층 구조는 최대 1 내지 25 개 사이로 제한된다. 일반적인 층의 두께는 5 내지 800nm로 다양하다. 본 발명에 따르면, 적합한 코팅 물질은, 특히, 크롬(Cr), 산화크롬(Cr2O3), 니켈(Ni), 니크롬(NiCr), 철(Fe), 산화철(Fe2O3), 알루미늄(Al), 산화알루미늄(Al2O3), 규소산화물(SiOx), 망간(Mn), 규소(Si), 질화규소(Si3N4), 타이타늄 산화물(TiOx), 구리(Cu), 은(Ag), 타이타늄(Ti), 플루오르화세륨(CeF3), 플루오르화마그네슘(MgF2), 나이오븀산(Nb2O5), 탄탈럼(Ta2O5), 산화주석(SnO2), 산화아연(ZnO2), 산화마그네슘(MgO), 산화세슘(CeO2), 삼산화텅스텐(WO3), 산화프라세오디뮴(Pr2O3), 산화이트륨(Y2O3); 플루오르화바륨(BaF2), 플루오르화칼슘(CaF2), 플루오르화란탄(LaF3), 플루오르화네오디뮴(NdF3), 플루오르화화이트륨(YF3); 산화지르코늄(ZrO2), 산화하프늄(HfO2), 황화아연(ZnS), 알루미늄(Al), 규소(Si)의 산질화물(Oxynitrides) 및 SnZnO 를 포함한다.
파장 선택 코팅을 얻기 위하여, 예를 들어, 파장 선택 방법에서 가시광의 오직 특정 비율의 투과 또는 반사로, 흡수 거동 특성 및 이로 인한 색상을 가지므로, 흡수 물질이 사용될 수 있다. 본 발명의 바람직한 예로서 따른 유전체 물질로 구성된 레이어 시스템(layer systems)에서, 상호간섭 현상에 의한 색상을 나타내기 때문에, 예를 들어, TiO2 and SiO2의 다중 연속, 오직 가시관의 특정 일부만을 투과 또는 반사한다. 본 발명에 따른 특히 바람직한 파장 선택 코팅은 12개 층의 TiO2 및 SiO2 가 교대 배열로 연속(alternate sequence)되는 구성으로 이루어져 있고, 층의 두께는 약 20 내지 145 nm 사이로 다양하다. 본 발명의 바람직한 예로서 380 내지 480nm, 즉 광의 주요 부분이 380 내지 480nm 내(=반사 간격; 도 4a와 비교)에서 반사되는 가장 자리(edge position)를 갖는 소위 대역 소거 필터(band-stop filter)가 있다. 다른 가장 자리의 대역 소거 필터(band-stop filter)의 경우, 상기 층들의 수와 두께는 다양하다. 상업적으로 이용 가능한 다양한 기계들, 예를 들어, Evatek사의 BAK1101 모델,이 PVD 층 제조(PVD layer production)을 위해 사용될 수 있다.
광활성 요소( photovoltaic element)
광활성 요소(태양전지)는 짧은 파의 방사선 에너지, 보통 태양광,을 전기적 에너지로 전환하는 전기적 성분(component)이다. 요구되는 에너지 공급 및 특정 어플리케이션 목적에 따라 태양전지의 종류가 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 상기 어플리케이션의 목적에서, 무기 태양 전지(inorganic solar cells)가 특히 적합하다. 이들은 반도체 물질, 가장 흔한 실리콘으로부터 합성된다. 추가적으로, 그 중에서(inter alia) 텔루르화카드뮴(cadmium telluride), 구리 인듐 갈륨 디셀레나이드(copper indium gallium diselenide:CIGS) 및 갈륨 비소(gallium arsenide)가 사용된다. 소위 텐덤 태양 전지(tandem solar cells)에서, 다른 반도체층들이 사용되며, 예를 들어, 인듐 갈륨 비소(indium gallium arsenide)이 인듐 갈륨 인화물(indium gallium phosphide)과 조합으로 사용된다.
물질에 추가하여, 태양 전지 구조는 중요하다. 예를 들어, 평균 어셈블리의 효율성을 향상시키기 위해 물질 조합의 적층 기술이 사용된다. 상기 물질들은 입사 태양 스펙트럼(incident solar spectrum)이 최대로 사용되는 방법으로 선택될 수 있다. 이론적으로 수득할 수 있는 효율은 약 43%인 반면에, 실질적으로는 약 15 내지 20%의 효율이 기준 태양 전지에서 수득 된다. 손실은 열 발생을 동반하는 대전입자(charge carrier)의 재조합, 반사(reflection) 및 직렬 저항(serial resistance)에 의해 발생 된다. 최대 전력에서의 전압은 일반적인 전지(결정질 실리콘 전지(crystalline silicon cells))에서 약 0.5V이다.
최근에, 태양 전지의 구조가 최적화됨으로써, 최대한 많은 광(light)이 흡수될 수 있고 활성 층에서 최대한 많은 대전입자가 생성될 수 있다. 따라서, 반사방지 층(anti-reflective layer)이 태양 전지의 상부면에 적용되고 배면은 거울이다. 상기 반사방지 층은 태양 전지의 일반적인 푸르스름한 흑색으로 제공된다.
실시예
물질들
다른 물질들의 다른 장식 요소들 및 기하학적 구조를 가지고 실험하였다. 장식 요소들은 태양전지와 광학적 요소들로부터 조립하였다. 본 발명에 따른 실험은 파장 선택 층과 함께 추가적으로 수행되었다.
태양 전지
Sunpower C60 (10　mm x 10　mm) 타입의 태양전지를 사용하였다.
코팅 처리된 또는 코팅 처리되지 않은 광학적 요소들
유리의 광학적 요소들은 Swarovski사의 "Chessboard Flat Back" 2493 elements (30　mm x 30　mm)를 사용하여 공지된 제조방법을 사용하여 제조하였다.
Pleximid® TT70 의 광학적 요소들은 조립식 금형에서 플라스틱 인젝션 몰딩 방법(plastic injection molding)에 의해 제조하였다. 이 방법의 경우, Engel 사의 e-victory 80/50 타입의 인젝션 몰딩 장치를 사용하였다; 배럴 온도(temperature of barrel): 210℃에서 280℃까지 승온, 노즐 280℃; 금형 온도:180°노즐 사이드, 140°이젝터 사이드; 인젝션 압력 제한:1200 bar; 인젝션 속도: 약 15　cm3/s; 엠보싱 압력(embossing pressure):약 800 bar; 용매는 없음.
기하학적 구조
본 발명의 실시예 1 및 실시예 2의 광학적 요소들 및 비교예 C2 및 C3은 12mm 엣지 길이(edge length)를 갖는 패싯체들과 모서리가 약간 라운드진 사각형 베이스 부위였다(도 5 및 도 5b 참조). 45°각도의 챔퍼(chamfer)를 사각형 베이스 부위에 배치하여 실제로 남아있는 베이스 부위는 10　mm x 10　mm였다(도 5a 및 도 5b와 비교). 사각형 배열구조에서 25 면들을 갖는 패싯의 상부 부위는 볼 세그먼트(ball segment)를 형성하였다. 고형체의 총 높이는 5.56　mm, 모서리 엣지의 높이는 1.93　mm이었다.
실시예와 비교예의 설명
비교예 C1: 0.5　mm 두께를 가지는 12　mm x 12　mm 의 유리시트; 굴절율 n=1.52.
비교예 C2: 도 5a 및 도 5b에 따른 유리로부터 광학적 요소를 제조하였다; 전술한 크기(dimension)(기학적적 구조); 파장 선택 코팅 없음.
실시예 1: 도 5a 및 도 5b에 따른 유리로부터 광학적 요소를 제조하였다; 전술한 크기(dimension)(기학적적 구조); 하기와 같이 파장 선택정 코팅 있음.
비교예 C3: 도 5a 및 도 5b에 따라 n = 1.54를 갖는 Pleximid® TT70 로부터 광학적 요소를 제조하였다; 전술한 크기(dimension)(기학적적 구조); 파장 선택 코팅 없음.(비교예).
실시예 2: 도 5a 및 도 5b에 따라 n = 1.54를 갖는 Pleximid® TT70 로부터 광학적 요소를 제조하였다; 전술한 크기(dimension)(기학적적 구조); 하기와 같이 파장 선택정 코팅 있음.
파장 선택 층
실시예 1 및 실시예 2에 따른 광학적 요소들을 PVD 장치에 코팅하였다(하기 참조). 파장 선택 코팅 구조는 하기의 표 1에 나타내었다.
파장 선택 코팅의 층 구조
N Material Physical layer thickness [nm]
1 TiO2 23.9
2 SiO2 43.2
3 TiO2 64.8
4 SiO2 28.7
5 TiO2 61.5
6 SiO2 33.7
7 TiO2 57.7
8 SiO2 37.5
9 TiO2 66.1
10 SiO2 30.5
11 TiO2 42.6
12 SiO2 141.4
측정장치 및 측정
측정은 광학적 요소의 영향 및 라이트빔의 입사각의 기능으로써 태양전지의 에너지 수득량에 대한 코팅의 효과를 실험하였다.
장식 요소
실시예들 및 비교예들에 따른 광학적 요소들로부터 5개의 다른 장식 요소들을 조립하였고, Sunpower C60 (10　mm x 10　mm)의 태양전지를 실험하였다.
측정은 Keithley 2602A Sourcemeter 및 대응하는 픽스쳐(fixture)를 포함하는 라이노스 로터리 서포트(Linos rotary support)를 사용하는 Oriel Instruments LED sun simulator Verasol-2 (class AAA)를 가지고 수행하였다.
측정장치의 모식도는 도 6에 나타내었다. 도면 부호는 하기와 같다:
(7) 장식 요소(decorative element);
(8) 썬 시뮬레이터(sun simulator);
(9) 회전 지지부(rotary support);
(10) 소스미터(sourcemeter).
class AAA (spectral matching, spatial uniformity, time stability)에 따라 공인된 시뮬레이터(8)을 사용하여, 일련의 실험을 완성(the complete experimental series)하기 위하여 1000　W/m2 의 방사조도 상수를 선택하였다. 샘플들(specimens)의 광소스로부터 방사선 입사각은 실시예 1 및 실시예 2에 따라 측정하였고, 비교예 C1~C3도 샘플들이 배치되어 있는 회전 지지부(9) 수단에 따라 달랐다. 태양전지의 중심과 썬 시뮬레이터 사이의 거리(z)는 동일하게 유지하였다(도 6 참조).
소스미터를 사용하여, 각 태양전지들의 전류-전압 특성은 방사조도 1000　W/m2에서 측정하였고, 전력은 최대 전력 지점의 전력으로 결정하였다.
각각의 5개 태양전지들은 광학적 요소없이 첫번째로 수행되었다. 라이트 빔의 입사각은 0°내지 75°로부터 15°단계들에 따라 달랐다(도 6과 비교). 이어서, 파장 선택 코팅(표 1)을 갖는 광학적 요소(하기 참조)를 굴절율(n=1.461)를 갖는 UV-처리된 접착제를 사용하여 각각의 태양전지에 적용시키고, 일련의 실험 완성(the complete measuring series)을 반복하였다. 각각의 측정은 3번 반복 수행하였고; 이로부터, 산술평균(arithmetic mean)이 결정되었으며, 상대적 표준편차(relative standard deviation)를 계산하였고; 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.
전술한 실험장치에 대한 라이트 빔의 입사각의 기능으로써 최대 전력지점에서 태양전지 전력의 상대적 변화
Incident angle C1 C2 1 C3 2
0° -11.5% 38.2% 12.7% 9.4% -5.1%
15° -12.8% 50.3% 45.5% 16.0% -5.0%
30° -0.6% 56.4% 42.5% 19.4% 10.9%
45° 0.1% 79.9% 27.2% 15.5% 9.4%
60° 4.7% 84.0% 43.3% 48.8% 47.4%
75° -18.5% 140.0% 99.5% 76.1% 68.1%
mean of 0-75° -6.4% 60.8% 35.9% 19.7% 8.7%
표 2의 결과에 대한 그래픽 평가는 도 7a 및 도 7b에서 찾을 수 있다. 의미:
Figure pct00001
검정: C1,
Figure pct00002
회색: C2;
Figure pct00003
이중 해칭(double hatching): 1;
Figure pct00004
좌측 상부로부터 우측 하부로 방향의 해칭(hatching): C3;
Figure pct00005
좌측 하부로부터 우측 상부 방향의 해칭(hatching).
결과 설명
한편으로, 전환 유리/UV 처리된 접착제(transitions glass/UV-curable adhesive) 및 UV 처리된 접착제/태양전지에 대한 다른 굴절율들로 인하여, 실시예 C1 결과에서 전력이 손실되었다. 반면에, 유리시트에 영향을 주는 경우에 라이트 빔의 일부가 반사에 의해 손실되었다. 기본적으로, 모든 광학적 요소들에서 두 가지 종류의 전력 모두 손실이 발생 되었으나, 평평한 유리시트를 가지는 경우에 보다 더 컸다.
도 2a/2b 및 도 3a/3b에 나타난 바와 같이, 최대 전력 지점(maximum power point)에서 태양전지의 전력 향상은 기하학적 구조의 영향에 의해 대부분 결정되었다. 패싯(facet)을 갖는 볼록한 기하학적 구조의 관련성은 라이트 빔의 입사각이 상승되는 것으로 확인되었다. 장식 요소의 전력은 높게 상승하였다(비교예 C2 및 비교예C3). 유리의 경우, Pleximid® TT70로부터 준비된 광학적 요소들과 비교하여 더 현저하였다.
파장 선택 코팅으로부터(실시예 1 및 실시예 2), 가시광선 일부의 반사로 인하여 비교예 C2와 비교예 C3와 비교하여, 예측한데로, 에너지 수득율에서 손실이 발생되었다. 그러나, 이러한 손실은, 상기 표 2에서 확인되는 바와 같이, 패싯의 조합에서 볼록한 기하학적 구조에 의해 더 많이 보상되었다.
유리의 광학적 요소들과 Pleximid® TT70 사이의 다른 점은, 제조상의 이유로, 유리의 투과 거동의 향상과 유리 샘플들의 보다 우수한 표면 품질 향상으로부터 기인한 것이다.
컴퓨터 시뮬레이션
태양전지의 전력에서의 원석의 평요철 기하학적 구조의 영향 또는 평철(plano-convex) 기하학적 구조의 영향을 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 실험하였다. 이러한 시뮬레이션은 Optis사의 Speos 프로그램을 사용한 물리적 광선 추적(physical ray tracing)에 의해 수행되었다.
컴퓨터 모델
측정(상기 참조)으로부터 대응되는 원석의 CAD 데이터를 원석 모델(gemstone model)로 사용하였다. 원석 표면은 이상적인 것으로 가정하였다(거칠기가 없는, 즉, 표면 결합이 없는 것으로 가정). 시뮬레이션에서, 실시예 1에서 유리의 굴절율(1.56, μ = 550　nm)을 사용하였다.
원석과 태양전지 사이의 파장 선택 층 또는 원석과 태양전지 사이의 일반적인 경계층은 복합한 이유로 포함하지 않았다. 시뮬레이션에서, 광 수득률에서 원석의 다른 기하학적 구조(볼록, 오목)의 영향은 거의 관측되지 않았다. 파장 선택 층 또는 경계층의 포함(inclusion)은 여기에서 관련이 없을 것이다.
태양 전지는 광의 입사각과 독립적으로 1.3%의 반사도를 가지는 반사표면을 가지고 시뮬레이션을 하였다. 태양전지의 흡수도는 98.7%였다.
광을 가지는 원석의 조사(irradiation)는 시뮬레이션에서의 측정, 즉 상부로부터 중심적으로 유추되었다, 광 소스의 크기(dimension)는 30　mm x 30　mm였다. 원석의 시트 부위(seat area)의 중심으로부터 광 소스의 거리는 15mm 였다. 구경 각도(aperture angle)는 2 x 8°였다. 배광(light distribution)은 가우스(Gaussian)에 의해 추정되었다. 광 소스는 1　W의 방사선량(radiation power)을 갖는다. Speos 프로그램의 보통 광 소스 D65를 광 소스로 사용하였다. 광의 입사각도에 따라, 오직 광의 일부만 원석과 충돌하였다.
시뮬레이션 및 결과
시뮬레이션 S1: 평철 기하학적 구조(plano-convex geometry)를 갖는 원석, 도 8. 이러한 원석은 측정(도 5a 참조)의 원석과 부합하였다.
시뮬레이션 S2: 평요철 기하학적 구조(plano-convexo-concave geometry)를 갖는 원석, 도 9. 볼록한 리세스(concave recess)는 구형(spherical)이었다. 18mm의 직경을 갖는 구형을 얻었다. 이러한 구형의 중심은 원석 시트 부위(seat area)의 중심을 통해 나타나는 보통의 부위에 배치되었다. 볼록한 리세스(concave recess)는 높이 0.558　mm를 갖는 볼 세그먼트(ball segment)와 부합하였다.
시뮬레이션 S3: 평철 기하학적 구조(plano-convex geometry)를 갖는 원석, 도 10. 원석의 오목한 곡선 곡률(concave curvature)는 오리지널 원석의 볼록 곡선 곡률cbonvex curvature)과 일치하였다.
시뮬레이션은 흡수 거동(absorption behavior) 및 라이트 빔의 입사각의 기능으로써 태양전지의 에너지 수득률(energy yield)에서 광학적 요소(원석)의 기하학적 구조(오목, 볼록)의 영향을 실험하였다.
라이트 빔의 입사각은 측정(상기 참조)된 유추에 의해 시뮬레이션에서 달랐다. 모형의 태양전지에서 방사선 흡수선량(absorbed radiation power)이 와트(Watt)로 계산되었다. 방사선 흡수선량의 상대적 편차는 100 x (S2 - S1)/S1 또는 100 x (S3 - S1)/S1에 따라 퍼센트(percent)로 얻었고, 다른 입사각들에서 설정되었다(표 3 참조).
전술한 시뮬레이션 모형에서 라이트 빔의 입사각의 기능으로써의 태양전지의 흡수 전력, 및 100 x (S2 - S1)/S1 또는 100 x (S3 - S1)/S1에서 시뮬레이션 값(value)의 상대적 편차.
Incident angle S1 [mW] S2 [mW] Deviation in %: 100 x
(S2 - S1)/S1		 S3 [mW] Deviation in %: 100 x
(S3 - S1)/S1
0? 598.2 598.3 0.017 414.9 -30.642
15? 584.7 584.0 -0.12 433.3 -25.894
30? 526.8 527.2 0.076 451.1 -14.37
45? 454.6 449.9 -1.034 412.2 -9.327
60? 364.6 353.7 -2.99 320.8 -12.013
75? 219.8 214.3 -2.502 147.7 -32.803
결과에 대한 고찰
S1에서 S3의 상기 값(Values)의 상대 편차(컬럼 6), 표 3은 순수한 볼록 기하학적 구조에서 방사선 흡수선량이 강하게 감소하는 것을 나타내었다. 이는 볼록 기하학적 구조는 분산 효과(scattering effect)를 가진다는 점에서 예측되었다.
반대로, 만약 볼록 곡선 구조의 표면 비율이 곡선 부위(시뮬레이션 2; 표 3의 컬럼 4와 비교)의 최대 1/3인 경우(도 9 참조), 전력값의 편차는 미비하다.
상대 편차(표 3, 컬럼 4 및 컬럼 6과 비교)는 입사각과 관련하여 지속적으로 감소하지는 않았다. 이는 라이트 빔도 원석의 비곡선 부위에 영향을 미쳤고, 따라서, 추가적인 반사가 원적 내에서 발생될 수 있다.
이러한 시뮬레이션의 결과는 곡선으로 이루어진 원석 표면의 최대 1/3의 비율 부위를 갖는 볼록 곡률의 영향이 태양 전지의 효율과 관련하여 미비하다는 것을 나타낸다.
(1) 볼록 곡선 부위를 포함하는 패싯 표면을 갖는 투명 원석
(2) 광전지(태양 전지)
(3) 파장 선택 코팅
(4) 파장 선택 필름
(5) 접착제
(6) 파장 선택 필름의 위치와 관련한 다른 구조
(7) 장식 요소(decorative element)
(8) 썬 시뮬레이터(sun simulator)
(9) 회전 지지부(rotary support)
(10) 소스미터(sourcemeter)

Claims (15)

  1. 하기를 포함하는 장식 요소;
    (a) 볼록한 곡선(convex curved) 부위를 포함하는 패싯 표면(faceted surface)을 가지는 투명원석(transparent gemstone),
    (b) 파장 선택 층(wavelength-selective layer) 및
    (c) 광전지(photovoltaic cell).
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 원석은 유리 또는 플라스틱으로 제조되는 것을 특징으로 하는 장식 요소.
  3. 상기 청구항들 중 적어도 하나에 따른 장식 요소에서, 상기 원석은 평철(plano-convex) 또는 평요철 기하학적 구조(plano-convexo-concave geometry)인 것을 특징으로 하는 장식 요소.
  4. 상기 청구항들 중 적어도 하나에 따른 장식 요소에서, 상기 파장 선택 층(wavelength-selective layer)은 파장 선택 코팅(wavelength-selective coating) 또는 파장 선택 필름(wavelength-selective film)에서 선택되는 것을 특징으로 하는 장식 요소.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 파장 선택 코팅은 적어도 하나의 금속 및/또는 금속 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 장식 요소.
  6. 상기 청구항들 중 적어도 하나에 따른 장식 요소에서, 상기 파장 선택 층은 380 내지 850 nm의 범위 내에서 광의 일부(fraction of the light)를 반사하는 것을 특징으로 하는 장식 요소.
  7. 상기 청구항들 중 적어도 하나에 따른 장식 요소에서, 상기 파장 선택 층은 380 내지 850 nm 범위 내에서 50 내지 250nm의 넓은 반사 간격(wide reflection interval)에서 적어도 50%의 입사각(incident light)을 반사하는 것을 특징으로 하는 장식 요소.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 파장 선택 층은, 0°의 라이트 빔(light beam)의 입사각 하에서 측정시에, 400 내지 1200 nm 범위 내의 반사 간격(outside the reflection interval) 외측에서 >　80% 의 평균 투과도를 갖는 것을 특징으로 하는 장식 요소.
  9. 상기 청구항들 중 적어도 하나에 따른 장식 요소에서,
    상기 파장 선택 층은,
    (a) 상기 패싯 측(faceted side)에 대향하는 측면, 또는
    (b) 상기 광전지;에 적용되는 것을 특징으로 하는 장식 요소.
  10. 상기 청구항들 중 적어도 하나에 따른 장식 요소에서, 상기 파장 선택 코팅은 크롬(Cr), 산화크롬(Cr2O3), 니켈(Ni), 니크롬(NiCr), 철(Fe), 산화철(Fe2O3), 알루미늄(Al), 산화알루미늄(Al2O3), 규소산화물(SiOx), 망간(Mn), 규소(Si), 질화규소(Si3N4), 타이타늄 산화물(TiOx), 구리(Cu), 은(Ag), 타이타늄(Ti), 플루오르화세륨(CeF3), 플루오르화마그네슘(MgF2), 나이오븀산(Nb2O5), 탄탈럼(Ta2O5), 산화주석(SnO2), 산화아연(ZnO2), 산화마그네슘(MgO), 산화세슘(CeO2), 삼산화텅스텐(WO3), 산화프라세오디뮴(Pr2O3), 산화이트륨(Y2O3); 플루오르화바륨(BaF2), 플루오르화칼슘(CaF2), 플루오르화란탄(LaF3), 플루오르화네오디뮴(NdF3), 플루오르화화이트륨(YF3); 산화지르코늄(ZrO2), 산화하프늄(HfO2), 황화아연(ZnS), 알루미늄(Al)의 산질화물(Oxynitrides), 규소(Si)의 산질화물(Oxynitrides) 및 SnZnO 으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나의 화합물, 또는 모든 연속 층에서 상기 화합물들의 모든 조합으로 이루어진 것을 특징으로 하는 장식 요소.
  11. 상기 청구항들 중 적어도 하나에 따른 장식 요소에서, 상기 광전지는 배면-접촉(backside-contacted) 태양전지인 것을 특징으로 하는 장식 요소.
  12. 상기 청구항들 중 적어도 하나에 따른 장식 요소에서, 장식 요소의 (a), (b) 및 (c)는 접착방식으로 결합되는 것을 특징으로 하는 장식 요소.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 접착제의 굴절율(refractive index)은 상기 원석의 굴절율로부터 ±20% 이하로 벗어나는 것을 특징으로 하는 장식 요소.
  14. 에너지 소스, 특히 웨어러블 전자기기에서의 에너지원로써, 상기 제 1 항 내지 제 13 항 중 적어도 하나에 따른 장식 요소의 사용(Use).
  15. 상기 제 1 항 내지 제 13 항 중 적어도 하나에 따른 적어도 하나의 장식 요소을 포함하는 물건(Object).
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