Photonic Crystal Textiles

Abstract

Photonic crystals are man-made structures that can be used to manipulate the flow of light. They are classified as one-, two- and three-dimensional photonic crystals according to the periodic variation of the dielectric profile in space. Apart from artificial photonic crystals there are numerous examples of naturally occurring photonic crystals which have evolved mostly for structural coloration, such as wings of butterflies, natural opal gem stone, peacock feathers to name a few. Using photonic crystal structures the propagation of electromagnetic waves can entirely be prohibited by means of photonic band gap. Considering the fact that approximately two thirds of the heat loss of the human body occurs through electromagnetic radiation with a wavelength around 10 microns, it becomes important to consider photonic crystals for the purpose of reducing heat loss in textiles. We observe that the textile, by virtue of the fact that it has been produced by weaving, already has a periodic structure, and thus is a potential candidate for a photonic crystal. With the right fiber that the textile is woven and the right weave pattern, the textile itself would be a photonic crystal. The most common weave patterns used in the textile industry are plain weave, basket weave, dutch weave and twill weave. In this thesis, we used the finite-difference time-domain method to search for the optimum weave pattern to minimize heat loss by the human body.

Fotonik kristaller, elektromanyetik dalgaları (ışığı) manipüle etmek için kullanılabilen insan yapımı yapılardır. Uzayda dielektrik profilin periyodik değişimine göre bir, iki ve üç boyutlu fotonik kristaller olarak sınıflandırılırlar. Yapay fotonik kristallerin yanı sıra, kelebek kanadı, doğal opal değerli taşlar, tavus kuşu tüyü gibi çoğunlukla yapısal renklenme için evrimleşmiş doğal olarak oluşan fotonik kristallerin sayısız örneği vardır. Fotonik kristal yapılar kullanılarak elektromanyetik dalgaların yayılması fotonik bant aralığı vasıtasıyla tamamen engellenebilir. İnsan vücudundaki ısı kaybının yaklaşık üçte ikisinin dalga boyu 10 mikron civarında olan elektromanyetik radyasyon yoluyla gerçekleştiği göz önüne alındığında, tekstillerde ısı kaybını azaltmak amacıyla fotonik kristallerin dikkate alınması önem kazanmaktadır. Dokuma yoluyla üretilmiş olması nedeniyle kumas zaten periyodik bir yapıya sahiptir ve bu nedenle potansiyel bir fotonik kristaldir. Eğer kumaşın imal edildiği iplik gerekli elektriksel, optik ve geometrik özelliklere sahipse, kumaşın kendisi bir fotonik kristal gibi davranacaktır. Tekstil sektöründe en çok kullanılan örgü modelleri düz örgü, sepet örgü, hollanda örgü ve dimi örgüdür. Bu tezde, insan vücudunun ısı kaybını azaltmak için en uygun örgü modelini sonlu farklar (FDTD) yöntemini kullanrak araştırdık.