KR102052077B1 - 단일 투명전도성 기판을 가지는 전기변색소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 단일 투명전도성 기판을 가지는 전기변색소자에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 기존 전기변색소자에 구비되는 2개소의 투명전도성 기판을 하나의 투명전도성 기판으로 구현함에 따라 생산 원가 절감 및 작업 공수를 감소시키며 액체 전해질을 주입하는 방식의 한계인 대면적 전기변색소자 구현의 어려움을 해소할 수 있는 단일 투명전도성 기판을 가지는 전기변색소자에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은 기재 상에 일측이 식각되어 제1투명전극층이 형성되는 투명전도성 기판과; 상기 제1투명전극층 상에 적층되는 제1변색물질을 포함하는 제1변색물질층과; 상기 제1변색물질층 상에 배치되는 전해질층과; 상기 전해질층 상에 배치되며 제2변색물질을 포함하는 제2변색물질층과; 상기 제2변색물질층 상에 일측이 배치되고 상기 투명전도성 기판 상에서 제1투명전극층이 식각된 영역에 타측이 형성되되 일측과 타측이 서로 연결되어 배치되는 제2투명전극층; 및 상기 제1투명전극층과 제2투명전극층 상에 각각 배치되어 외부로부터 전원이 공급되도록 하는 버스전극층;을 포함한다.
이를 위해 본 발명은 기재 상에 일측이 식각되어 제1투명전극층이 형성되는 투명전도성 기판과; 상기 제1투명전극층 상에 적층되는 제1변색물질을 포함하는 제1변색물질층과; 상기 제1변색물질층 상에 배치되는 전해질층과; 상기 전해질층 상에 배치되며 제2변색물질을 포함하는 제2변색물질층과; 상기 제2변색물질층 상에 일측이 배치되고 상기 투명전도성 기판 상에서 제1투명전극층이 식각된 영역에 타측이 형성되되 일측과 타측이 서로 연결되어 배치되는 제2투명전극층; 및 상기 제1투명전극층과 제2투명전극층 상에 각각 배치되어 외부로부터 전원이 공급되도록 하는 버스전극층;을 포함한다.
Description
본 발명은 단일 투명전도성 기판을 가지는 전기변색소자에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 기존 전기변색소자에 구비되는 2개소의 투명전도성 기판을 하나의 투명전도성 기판으로 구현함에 따라 생산 원가 절감 및 작업 공수를 감소시키며 액체 전해질을 주입하는 방식의 한계인 대면적 전기변색소자 구현의 어려움을 해소할 수 있는 단일 투명전도성 기판을 가지는 전기변색소자에 관한 것이다.
전기변색(Electrochromism)이란 전압을 인가하면 전계방향에 의해 가역적으로 색상이 변하는 현상으로서, 이러한 특성을 지닌 소자를 전기변색소자 (Electrochromic Devices)라고 한다. 전기변색소자는 전계방향에 따라 환원 물질은 전자를 얻고, 산화 물질은 전자를 잃어 색을 띠게되고, 환원 물질이 전자를 잃고 산화 물질이 전자를 얻으면 색을 띠지 않게 된다.
이러한 전기변색소자는 전기를 조절하여 평소에는 투명한 상태를 유지하고 있다가 필요할 경우 가역적으로 가시광 및 자외선을 선택적으로 조절할 수 있기 때문에 에너지 절약과 같은 친환경에 대한 요구와 프라이버시에 대한 요구 그리고 미적인 설계에 대한 관심이 증가하면서 건축용 창호, 병원 파티션, 회의실 창문, 자동차 유리 외 투명디스플레이, 스포츠 고글 등 적용에 관심이 높아지고 있다.
도 1은 일반적인 전기변색소자를 나타내는 도면이다.
이와 같이 전기변색소자는 두 장의 투명전극 (TCO: transparent conductive oxide) 사이에 변색물질과 전해질을 끼워 넣은 형태로 제작되는데, 변색물질이 전해질에 혼합된 용액형(Solution type), 도 1과 같이 변색물질이 양쪽 투명전극에 각각 형성되거나, 한쪽에 변색물질 다른 한쪽에는 이온저장층이 형성되는 전지형 (Battery-like type) 그리고 투명전극 한쪽에만 변색물질이 형성되고, 전해질에는 다른 변색물질이 혼합된 하이브리드형 (Hybrid type)으로 나눌 수 있다.
이와 같은 전기변색소자는 양쪽 투명전도성 기판에 산화, 환원 물질을 각각 형성시킨 막 사이에 전해질 채우는 형태의 구조로 이루어짐에 따라 액체 전해질을 주입하게 될 경우 50 X 50mm과 같은 작은 크기의 전기변색소자 제조는 가능하지만 ㄷ대면적인 100 X 100mm이상의 전기변색소자 제조에는 적합하지 않은 문제점이 발생된다.
아울러 액체전해질의 경우 Solvent팽창에 의해 전해질의 기밀에 어려움이 있으며, 파손되었을 경우 전해질의 누액에 따른 문제점을 고려하여야 하며 점도가 높은 고분자 및 이온성액체를 포함하는 전해질의 경우는 점도가 높아 홀을 통한 전해질 주입 공정에 용이하지 않은 문제가 있다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서 제1변색물질층 상에 UV 경화 및 열 경화를 통해 전해질층을 형성하여 기존 액체 전해질의 주입에 따른 문제점을 제거할 수 있으며 기존 상, 하 기판으로 이루어지는 2개소의 기판을 단일 투명전도성 기판으로 대체 가능함에 따라 생산 원가 및 작업 공수를 감소시킬 수 있는 단일 투명전도성 기판을 가지는 전기변색소자를 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위해 아래와 같은 특징을 갖는다.
본 발명은 기재 상에 일측이 식각되어 제1투명전극층이 형성되는 투명전도성 기판과; 상기 제1투명전극층 상에 적층되는 제1변색물질을 포함하는 제1변색물질층과; 상기 제1변색물질층 상에 배치되는 전해질층과; 상기 전해질층 상에 배치되며 제2변색물질을 포함하는 제2변색물질층과; 상기 제2변색물질층 상에 일측이 배치되고 상기 투명전도성 기판 상에서 제1투명전극층이 식각된 영역에 타측이 형성되되 일측과 타측이 서로 연결되어 배치되는 제2투명전극층; 및 상기 제1투명전극층과 제2투명전극층 상에 각각 배치되어 외부로부터 전원이 공급되도록 하는 버스전극층;을 포함한다.
아울러 본 발명의 다른 형태로 기재 상에 일측이 식각되어 분리된 2개소의 제1투명전극층이 형성되는 투명전도성 기판과; 상기 어느 하나의 제1투명전극층 상에 적층되는 제1변색물질을 포함하는 제1변색물질층과; 상기 제1변색물질층 상에 배치되는 전해질층과; 상기 전해질층 상에 배치되며 제2변색물질을 포함하는 제2변색물질층과; 상기 제2변색물질층 상에 일측이 배치되고 상기 다른 하나의 제1투명전극층상에 타측이 형성되되 일측과 타측이 서로 연결되어 배치되는 제2투명전극층; 및 상기 제1투명전극층과 제2투명전극층 상에 각각 배치되어 외부로부터 전원이 공급되도록 하는 버스전극층;을 포함한다.
여기서 상기 제1변색물질층은 산화물질 또는 환원물질 중 어느 하나로 이루어지며, 상기 제2변색물질층은 산화물질 또는 환원물질 중 제1변색물질층과 다른 어느 하나로 이루어지고, 상기 제1변색물질층 및 제2변색물질층은 각각 제1투명전극층과 전해질층 상에 코팅 후 건조되고, 제1변색물질층은 건조 후 고온소성이 수행된다.
본 발명에 따르면 제1변색물질층 상에 UV 경화 및 열 경화를 통해 전해질층을 형성하여 기존 액체 전해질의 주입에 따른 다양한 문제점을 제거할 수 있는 효과가 있다.
아울러 기존 상, 하 기판으로 이루어지는 2개소의 기판을 단일 투명전도성 기판으로 대체 가능함에 따라 생산 원가 및 작업 공수를 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 전기변색소자를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전기변색소자를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기변색소자를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전기변색소자를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기변색소자를 나타내는 도면이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 설명하기 위하여 이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하고 이를 참조하여 살펴본다.
먼저, 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니며, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 또한 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전기변색소자를 나타내는 도면이다.
도면을 참조하면 본 발명의 일실시예에 따른 전기변색소자(100)는 기재(10) 상에 일측이 식각되어 제1투명전극층(20)이 형성되는 투명전도성 기판과, 상기 제1투명전극층(20) 상에 적층되는 제1변색물질을 포함하는 제1변색물질층(30)과, 상기 제1변색물질층 상에 배치되는 전해질층(40)과, 상기 전해질층(40) 상에 배치되며 제2변색물질을 포함하는 제2변색물질층(50)과, 상기 제2변색물질층(50) 상에 일측이 배치되고 상기 투명전도성 기판 상에서 제1투명전극층이 식각된 영역에 타측이 형성되되 일측과 타측이 서로 연결되어 배치되는 제2투명전극층(60) 및 상기 제1투명전극층(20)과 제2투명전극층(60) 상에 각각 배치되어 외부로부터 전원이 공급되도록 하는 버스전극층(70)을 포함하여 이루어진다.
여기서 상기 기재(10)는 투과도(T%)가 98%이상인 투명 재질로 유리, 플라스틱 또는 연성의 고분자 필름일 수 있다. 예를 들어, 연성의 고분자 필름은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(Polyethylene Terephthalate, PET), 폴리카보네이트(Polycabonate, PC), 아크릴로니트릴-부타디엔-스티렌 수지(acrylonitrile-butadiene-styrene copolymer, ABS), 폴리메틸메타아크릴레이트(Polymethyl Methacrylate, PMMA), 폴리에틸렌나프탈레이트(Polyethylene Naphthalate, PEN), 폴리에테르술폰(Polyether Sulfone, PES), 고리형 올레핀 고분자(Cyclic Olefin Copolymer, COC), TAC(Triacetylcellulose) 필름, 폴리비닐알코올(Polyvinyl alcohol, PVA) 필름, 폴리이미드(Polyimide, PI) 필름, 폴리스틸렌(Polystyrene, PS) 중 어느 하나로 이루어질 수 있으며, 이는 하나의 예시일 뿐 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
이와 같은 기재(10) 상에 제1투명전극층(20)이 형성되어 투명전도성 기판을 구성하는데, 제1투명전극층(20)은 광의 투과를 방해하지 않으면서 전기가 흐를 수 있는 투명 전도성 재료를 포함할 수 있다. 투명 전도성 재료는, 예를 들어 ITO(Indium Tin Oxide), FTO(Fluorine Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide), 구리 산화물(Copper oxide), 아연 산화물(zinc oxide), 티타늄 산화물(titanium oxide) 등의 금속 산화물을 포함할 수 있다.
아울러 투명 전도성 재료로 나노와이어, 감광성 나노와이어 필름, CNT(Carbon Nano Tube), 그래핀(graphene) 또는 이들의 혼합물과 같은 나노 파우더 합성체를 포함할 수도 있다. 여기서, 나노 파우더의 함량 제어를 통해 전기전도도를 확보하면서, 색 및 반사율 제어가 가능하다.
또 다른 예로 투명 전도성 재료는 크롬(Cr), 니켈(Ni), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 은(Ag), 몰리브덴(Mo), 금(Au), 티타늄(Ti) 및 이들의 합금 중 적어도 하나를 포함할 수도 있다.
이와 같은 상기 제1투명전극층(20)은 기재(10) 전면에 적층된 후 일정 영역이 물리적 또는 화학적인 방법으로 식각되어 제1투명전극층(20)이 형성되는 영역과 제1투명전극층(20)이 식각되어 형성되지 않은 영역으로 분리된다.
이에 따라 제1투명전극층(20)이 형성되는 영역 상에 산화물질 또는 환원물질 중 어느 하나로 선택된 제1변색물질층(30)이 적층 형성되는데, 이때 제1변색물질층(30)은 제1투명전극층(20)의 전 영역에 형성하지 않고 후술할 버스전극층(70)의 형성을 위해 일정 영역상에만 적층된다.
제1변색물질층(30)의 형성은 산화물질 또는 환원물질 중 어느 하나를 적층할 영역에 코팅한 후 건조하고 고온소성을 수행하게 되며, 상기 제1변색물질층(30) 상으로 전해질층(40) 및 제2변색물질층(50)이 각각 순차적으로 형성된다.
그리고, 제1변색물질층(30), 제2변색물질층(50) 및 전해질층(40)은 전압을 가하면 색상이 변하는 전기변색원리를 이용하여 외부로부터의 전압 인가에 의해 가역적으로 색이 변하거나 투과율이 변하는 소자를 포함한다.
제1변색물질층(30), 제2변색물질층(50) 및 전해질층(40)의 총 두께는 10 내지 500㎛, 바람직하게는 20 내지 300㎛, 더욱 바람직하게는 50 내지 200㎛일 수 있다. 제1변색물질층(30), 제2 변색물질층(50) 및 전해질층(40)의 총 두께가 10㎛ 미만인 경우, 제1투명전극층(20) 및 제2투명전극층(60) 간의 맞닿음으로 인해 합선이 될 가능성이 있고, 제1변색물질층(30), 제2변색물질층(50) 및 전해질층(40)의 총 두께가 500㎛를 초과하는 경우, 전기전도도가 감소하여 반응 속도가 느려질 수 있다.
제1변색물질층(30) 및 제2변색물질층(50)은 변색 또는 소색 성능이 우수하고, 응답속도가 우수하며, 내구성을 유지할 수 있고, 메모리 효과가 있는 재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1변색물질층(30)은 산화반응을 하는 산화물질로 이루어지고, 제2변색물질층(50)은 환원반응을 하는 환원물질로 구성될 수 있다.
물론 제1변색물질층(30)이 환원물질로 구성되고 제2변색물질층(50)이 산화물질로 구성될 수 있음은 물론이다.
제1변색물질층(30) 및 제2변색물질층(50)은 유기계 변색물질 및 무기계 변색물질 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 본 명세서에서, 변색물질은 전기화학적 산화, 환원 반응에 의하여 광흡수도가 변화하는 전기변색특성을 갖는 물질을 의미하며, 전압의 인가 여부 및 전압의 세기에 따라 가역적으로 전기변색물질의 전기 화학적 산화, 환원 현상이 일어나고, 이에 의하여 변색물질의 투명도 및 흡광도가 가역적으로 변경될 수 있다. 유기계 변색물질은, 예를 들어 비올로겐, 안트라퀴논, 폴리피롤 및 폴리싸이오펜, 폴리안트라센, 폴리플루오렌, 폴리카바졸, 폴리페닐비닐렌 및 이들의 유도체로 이루어진 그룹에서 선택될 수 있으며, 무기계 변색물질은, 예를 들어 텅스텐, 이리듐, 니켈, 바나듐, 몰리브덴, 망간, 티타튬, 세륨 및 니오븀의 산화물로 이루어진 그룹에서 선택될 수 있다. 또는, 변색물질은 프루시안 블루(Prussian blue, PB), 프루시안 블루 아날로그(PB analog, PBA)일 수도 있다.
WO3는 환원 변색층에 포함되는 변색물질이고, NiO는 산화 변색층에 포함되는 변색물질일 수 있다.
그리고, 전해질층(40)은 높은 이온전도도, 우수한 내온성, 우수한 적층 밀착성을 갖는 젤, 고체 또는 액체 전해질 재료를 포함할 수 있다. 전해질 재료는, 예를 들어 PMMA(poly(methyl methacrylate)) 수지, PC(polycarbonate) 수지 또는 아크릴계 수지를 포함할 수 있다.
여기서 전해질층(40)의 경우 본 발명에서는 제1변색물질층(30) 상에 코팅 후 UV 경화 및 열경화를 통해 형성한다.
형성된 전해질층(40) 상으로 적층되는 제2변색물질층(50)은 제1변색물질층(30)과 달리 전해질층(40) 상에 코팅 후 건조로만 형성과정을 완료한다.
제1변색물질층(30)은 고온소성을 통해 열경화 과정을 수행하지만 제2변색물질층(50)은 전해질층(40)의 파괴를 방지하기 위해 고온소성 과정을 생략한다.
한편 상기 제2변색물질층(50) 상에 제2투명전극층(60)이 형성하는데, 제2투명전극층(60)은 일측은 상기 제2변색물질층(50) 상에 형성되고 타측이 일측으로부터 연장되어 기재 상에 제1투명전극층(20)이 형성되지 않은 영역에 형성된다.
이에 따라 제1투명전극층(20)과 제2투명전극층(60)은 기재(10) 상에서 서로 접하지 않고 분리하여 위치되며 제1변색물질층(30), 전해질층(40), 제2변색물질층(50)을 사이에 두고 마주하게 된다.
이와 같이 제2투명전극층(60)이 형성되면 제1투명전극층(20) 및 제2투명전극층(60) 상에 버스전극층(70)을 형성하고 이 한쌍의 버스전극층(70)을 통해 외부 전원이 연결되어 전원이 공급됨에 따라 전기변색이 이루어지게 된다.
이와 같은 본 발명의 일실시예에 따라 전해질층의 UV 경화 및 열경화를 통해 기존 주입식 전해질층의 문제를 제거할 수 있고 단일 투명전도성 기판으로 구성되어 생산원가의 감소 효과를 유도할 수 있게 된다.
도 3는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기변색소자를 나타내는 도면이다.
본 실시예에 따른 전기변색소자(100)는 전술한 실시예에 달리 제1투명전극층이 물리적 또는 화학적 식각에 의해 2개소의 영역으로 형성되고, 제1변색물질층(30), 전해질층(40), 제2변색물질층(50)이 형성되지 않는 제1투명전극층(21)에 제2투명전극층(60)이 연결된다.
전술한 실시예와 본 실시예는 전기변색소자의 형성시 작업과정 상에 상황에 따라 선택적으로 제1투명전극층(20)을 식각을 통해 1개소로 구성하거나 2개소로 구성할 수 있는 것이다.
이와 같이 본 발명은 도면에 도시된 일실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
10 : 기재 20, 21 : 제1투명전극층
30 : 제1변색물질층 40 : 전해질층
50 : 제2변색물질층 60 : 제2투명전극층
70 : 버스전극층 100 : 전기변색소자
30 : 제1변색물질층 40 : 전해질층
50 : 제2변색물질층 60 : 제2투명전극층
70 : 버스전극층 100 : 전기변색소자
Claims (4)
- 기재(10) 상에 일측이 식각되어 분리된 2개소의 제1투명전극층(20, 21)이 형성되는 투명전도성 기판과;
어느 하나의 제1투명전극층(20) 상에 적층되는 제1변색물질을 포함하는 제1변색물질층(30)과;
상기 제1변색물질층(30) 상에 배치되는 전해질층(40)과;
상기 전해질층(40) 상에 배치되며 제2변색물질을 포함하는 제2변색물질층(50)과;
상기 제2변색물질층(50) 상에 일측이 배치되고 다른 하나의 제1투명전극층(21)상에 타측이 형성되되 일측과 타측이 서로 연결되어 배치되는 제2투명전극층(60); 및
상기 제1투명전극층(20)과 제2투명전극층(60) 상에 각각 배치되어 외부로부터 전원이 공급되도록 하는 버스전극층(70);을 포함하고,
상기 제1변색물질층(30)은 산화물질 또는 환원물질 중 어느 하나로 이루어지며, 상기 제2변색물질층(50)은 산화물질 또는 환원물질 중 제1변색물질층(30)과 다른 어느 하나로 이루어지며, 상기 제1변색물질층(30) 및 제2변색물질층(50)은 각각 제1투명전극층(20)과 전해질층(40) 상에 코팅 후 건조되고, 제1변색물질층(30)은 건조 후 고온소성이 수행되는 것을 특징으로 하는 단일 투명전도성 기판을 가지는 전기변색소자.
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