JP6932141B2 - 電気変色素子 - Google Patents
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Description
本発明は電気変色素子に関するものである。
本出願は２０１６年６月１３日付韓国特許出願第１０−２０１６−００７２９３２に基づいた優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示されたすべての内容は本明細書の一部として含まれる。
電気変色素子とは、電気変色物質が電気化学的に酸化または還元反応を起こす時に現れる可逆的な色の変化を利用する素子を意味する。このような電気変色素子は応答速度が遅い短所があるものの、少ない費用でも広い面積の素子を製造することができ、特に消費電力が低いという長所がある。そのため、スマートウインドウ、スマート鏡、電子ペーパーまたは次世代建築窓戸素材のように、多様な分野で電気変色素子が注目されている。
通常の電気変色素子は、第１電極（例えば、ＩＴＯ電極）、前記第１電極上に設けられた電気変色層、前記電気変色層上に設けられた電解質層、前記電解質層上に設けられたイオン貯蔵層、および前記イオン貯蔵層上に設けられた第２電極（例えば、ＩＴＯ電極）を含んで形成される。前記電気変色層および／またはイオン貯蔵層は、電気変色物質を含むことができ、印加される電圧により色が変わり得る。また、第１電極および／または第２電極の一面には、ガラスまたは高分子樹脂から形成された透明基材がさらに設けられ得る。
従来の電気変色素子は遅い反応速度を克服するために、低い抵抗を有する透明電極の導入が必要であった。特に、既存のＩＴＯ電極は高い抵抗のため、広い面積の電気変色素子で発生する電圧降下（ｖｏｌｔａｇｅ ｄｒｏｐ）による変色反応の速度差を引き起こしており、これを克服するための技術として、メタルメッシュ（ｍｅｔａｌ ｍｅｓｈ）、ＯＭＯのように低い抵抗を有する透明電極の開発が活発に進められている。
また、電気変色素子の反応速度を向上させるための多様な形態の補助電極の開発が進められている。
本発明は反応速度を向上させることによって、高速駆動が可能な電気変色素子を提供することを解決課題とする。
また、本発明は補助電極からの金属の溶出を防止できる電気変色素子を提供することを解決課題とする。
また、本発明は補助電極を通じて反応速度を向上させるとともに、着色および脱色時に透過率の範囲を調節できる電気変色素子を提供することを解決課題とする。
前記の課題を解決するために、本発明の一側面によると、第１電極層と、第１電極層上に設けられる第１電気変色層と、第１電気変色層上に設けられる電解質層と、電解質層上に設けられる第２電気変色層、および第２電気変色層上に設けられる第２電極層を含む電気変色素子であって、前記電気変色素子は、電解質層を挟んで互いに向き合う第１電気変色層および第２電気変色層のそれぞれの対向面にそれぞれ設けられた第１補助電極層および第２補助電極層を含む、電気変色素子が提供される。
このとき、前記電気変色素子は、第１および第２補助電極層を第１電極層上にそれぞれ投影させた場合、第１および第２補助電極層で覆われた第１電極層の面積に基づいて、着色および脱色時に、透過率が調節できるように設けられる。
また、前記電気変色素子は、第１および第２補助電極層を第１電極層上にそれぞれ投影させた場合、投影前の第１電極層の面積に対する投影後の第１および第２補助電極層で覆われていない第１電極層の面積の比率である第１電極層の開口率に基づいて、着色および脱色時に、電気変色素子の特定位置での透過率が調節できるように設けられ得る。
また、前記電気変色素子は前記開口率が増加するほど透過率が増加し、前記開口率が低くなるほど透過率が減少するように設けられ得る。
また、それぞれの補助電極層はメタルメッシュまたはメタルストリップパターンに形成され得る。
また、それぞれの補助電極層は、金属材質で形成された電極部および前記電極部を絶縁させるように前記電極部を取り囲む絶縁部を含むことができる。
前記絶縁部はイオンまたは電子の浸透を防止するように設けられ、前記絶縁部は樹脂材質で形成され得る。
また、前記絶縁部はアクリレートまたはエポキシ系列の樹脂で形成され得る。
また、前記絶縁部は無機フィラーまたは無機充填剤をさらに含むことができる。
また、前記絶縁部は幅が５ｍｍ以下であり、厚さが２ｍｍ以下であり得る。
また、前記電極部は幅が３ｍｍ以下であり、厚さが１ｍｍ以下であり得る。
また、第１および第２補助電極層は、電解質層を基準として対称的に配列され得る。
また、第１および第２補助電極層は、電解質層を基準として非対称的に配列され得る。
また、開口率は、第１および第２補助電極層の線幅およびピッチにより決定され得る。
また、本発明のさらに他の側面によると、第１電極層と、第１電極層上に設けられる第１電気変色層と、第１電気変色層上に設けられる電解質層と、電解質層上に設けられる第２電気変色層；および第２電気変色層上に設けられる第２電極層を含む電気変色素子であって、電解質層を挟んで互いに向き合う第１電極層および第２電極層のそれぞれの対向面にそれぞれ設けられた第１補助電極層および第２補助電極層を含む電気変色素子が提供される。
ここで、前記電気変色素子は、第１および第２補助電極層を第１電極層上にそれぞれ投影させた場合、投影後の第１および第２補助電極層で覆われた第１電極層の面積に基づいて、着色および脱色時に、透過率を調節できるように設けられる。
以上で詳察した通り、本発明の一実施例と関連した電気変色素子は次のような効果を有する。
一対の補助電極を向き合うようにするか、すれ違うように配列することによって、電気変色素子の反応速度を向上させることができ、これにより、高速駆動が可能な長所を有する。また、絶縁を通じて前記補助電極から金属が溶出することを防止することができる。また、前記補助電極を通じて着色および脱色時に、透過率の範囲を調節することができる。
以下、本発明の一実施例に係る電気変色素子を、添付された図面を参照して詳細に説明する。
また、図面符号にかかわらず同一又は対応する構成要素は同一または類似する参照番号を付与し、これに対する重複説明は省略し、説明の便宜のために図示された各構成部材の大きさおよび形状は誇張されたり縮小され得る。
図１は本発明の第１実施例と関連した電気変色素子１００を示す概念図であり、図２は本発明の第２実施例と関連した電気変色素子２００を示す概念図である。
また、図３〜図７は第１補助電極層１８０を示す概念図である。
図１を参照すると、第１実施例と関連した電気変色素子１００は、第１電極層１３０と第１電極層１３０上に設けられる第１電気変色層１５０と第１電気変色層１５０上に設けられる電解質層１７０と電解質層１７０上に設けられる第２電気変色層１６０および第２電気変色層１６０上に設けられる第２電極層１４０を含む。
また、符号１１０は第１電極層１３０が設けられる第１基板を示し、符号１２０は第２電極層１４０が設けられる第２基板を示す。
また、電気変色素子１００は電解質層１７０を挟んで互いに向き合う第１電気変色層１５０および第２電気変色層１６０のそれぞれの対向面にそれぞれ設けられた第１補助電極層１８０および第２補助電極層１９０を含む。
図２を参照すると、第２実施例と関連した電気変色素子２００は、第１電極層１３０と第１電極層１３０上に設けられる第１電気変色層１５０と第１電気変色層１５０上に設けられる電解質層１７０と電解質層１７０上に設けられる第２電気変色層１６０および第２電気変色層１６０上に設けられる第２電極層１４０を含む。
また、電気変色素子２００は、電解質層１７０を挟んで互いに向き合う第１電極層１３０および第２電極層１４０のそれぞれの対向面にそれぞれ設けられた第１補助電極層１８０および第２補助電極層１９０を含む。
図１および図２を参照すると、第１実施例の電気変色素子１００と第２実施例の電気変色素子２００は第１補助電極層１８０および第２補助電極層１９０の形成位置でのみ差を有し、それぞれの補助電極層１８０、１９０は同じ構造を有する。
すなわち、図１と図２において、同じ符号で表示された構成要素は同一である。
すなわち、図１と図２において、同じ符号で表示された構成要素は同一である。
前記第１基板１１０と第２基板１２０は、ガラスまたは高分子樹脂（例えば、ＰＥＴ、ＰＥＳなど）で形成され得る。
前記第１および第２電極層１３０、１４０は電気変色層１５０、１７０に電荷を供給する要素であって、それぞれＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）、ＦＴＯ（Ｆｌｕｏｒ ｄｏｐｅｄ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）、ＡＺＯ（Ａｌｕｍｉｎｉｕｍ ｄｏｐｅｄ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）、ＧＺＯ（Ｇａｌｉｕｍ ｄｏｐｅｄ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）、ＡＴＯ（Ａｎｔｉｍｏｎｙ ｄｏｐｅｄ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）、ＩＺＯ（Ｉｎｄｉｕｍ ｄｏｐｅｄ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ）、ＮＴＯ（Ｎｉｏｂｉｕｍ ｄｏｐｅｄ Ｔｉｔａｎｉｕｍ Ｏｘｉｄｅ）、ＺｎＯ、ＯＭＯ（Ｏｘｉｄｅ／Ｍｅｔａｌ／Ｏｘｉｄｅ）およびＣＴＯで構成されたグループから選択される透明伝導性酸化物（ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ ｏｘｉｄｅ）；銀ナノワイヤー（Ａｇ ｎａｎｏｗｉｒｅ）；メタルメッシュ（Ｍｅｔａｌ ｍｅｓｈ）；またはＯＭＯ（ｏｘｉｄｅ ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅ）のうちいずれか一つを含んで形成され得る。また、前記第１および第２電極層１３０、１４０はそれぞれ透明電極層であって、光に対して高い透過率を有し、低い面抵抗を有し、耐浸透性を有する材料を含んで構成され得、電極プレート状に構成され得る。
それぞれの電極層１５０、１７０の形成方法は特に制限されず、公知の方法を制限なく使うことができる。例えば、スパッタリング、または印刷（スクリーン印刷、グラビア印刷、インクジェット印刷など）等の工程を通じて、ガラス基材層上に透明伝導性酸化物粒子を含む薄膜の電極層を形成することができる。このように製造された電極層は、真空方式の場合、１０ｎｍ〜５００ｎｍ範囲の厚さを有することができ、印刷方式の場合、０．１μｍ〜２０μｍ範囲の厚さを有することができる。一つの例示において、前記電極層を含んだ電気変色素子は、可視光線に対する透過率が７０％〜９５％であり得る。本明細書において、電気変色素子の透過率とは、電極層を含んだ透過率であって、可視光線に対する透過率を意味する。
また、第１電気変色層１５０は、第２電気変色層１６０に含まれる電気変色物質とは相補的な発色特性を有する変色物質を含むことができる。相補的な発色特性とは、電気変色物質が着色され得る反応の種類が互いに異なる場合を指すもので、例えば、酸化性変色物質が第２電気変色層１６０に使われる場合、還元性変色物質が第１電気変色層１５０に使われる場合を意味する。相補的発色特性を有する変色物質が第１電気変色層１５０と第２電気変色層１６０にそれぞれ含まれることによって、例えば還元反応による第１電気変色層１５０の着色と、酸化反応による第２電気変色層１６０の着色を同時に行うことができ、その反対の場合には第１電気変色層１５０と第２電気変色層１６０の脱色を同時に行うことができる。その結果、素子全体の着色および脱色を同時に行うことができる。前記のような着色および脱色は、素子に印加される電圧の極性により交代され得る。
一つの例示において、第２電気変色層１６０に酸化性変色物質が使われる場合、第１電気変色層１５０はタングステンオキサイド（ＷＯｘ）のような還元性変色物質を電気変色物質として含むことができる。電気変色物質を含む第１および第２電気変色層１５０、１７０の形成方法は特に制限されず、例えば蒸着によって行われ得る。
酸化性変色物質とは、酸化反応が起きる場合に変色する物質を意味し得、還元性変色物質とは、還元反応が起きる場合に変色する物質を意味し得る。酸化性変色物質としては、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｎｉ、Ｃｒ、ＭｎおよびＦｅの酸化物、例えばＬｉＮｉＯ２、ＩｒＯ２、ＮｉＯ、Ｖ２Ｏ５、ＬｉｘＣｏＯ２、Ｒｈ２Ｏ３またはＣｒＯ３等があり、還元性変色物質としては、Ｔｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、ＭｏおよびＷの酸化物、例えばＷＯ３、ＭｏＯ３、Ｎｂ２Ｏ５、Ｔａ２Ｏ５またはＴｉＯ２等があるが、前記酸化物に本出願の変色物質が制限されるものではない。
電解質層１７０は電気変色物質の変色や脱色のために水素イオンやリチウムイオンの移動環境を提供する物質であって、電解質層に使われる電解質の種類は特に制限されず、液状電解質、ゲルポリマー電解質または無機個体電解質が使われ得る。
前記電解質は、例えばＨ＋、Ｌｉ＋、Ｎａ＋、Ｋ＋、Ｒｂ＋、またはＣｓ＋を含む化合物のうち一つ以上の化合物を含むことができる。一つの例示において、電解質層は、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＢＦ４、ＬｉＡｓＦ６、またはＬｉＰＦ６のようなリチウム塩化合物を含むことができる。電解質に含まれる前記イオンは、印加される電圧の極性により、第１電気変色層１５０または第１電気変色層１７０に挿入されるか、それから脱離すると共に素子の変色または光透過率の変化に関与することができる。
一つの例示において、前記電解質はカーボネート化合物をさらに含むことができる。カーボネート系化合物は誘電率が高いので、リチウム塩が提供するイオン伝導度を高めることができる。カーボネート系化合物としては、ＰＣ（ｐｒｏｐｙｌｅｎｅ ｃａｒｂｏｎａｔｅ）、ＥＣ（ｅｔｈｙｌｅｎｅ ｃａｒｂｏｎａｔｅ）、ＤＭＣ（ｄｉｍｅｔｈｙｌ ｃａｒｂｏｎａｔｅ）、ＤＥＣ（ｄｉｅｔｈｙｌ ｃａｒｂｏｎａｔｅ）およびＥＭＣ（ｅｔｈｙｌｍｅｔｈｙｌ ｃａｒｂｏｎａｔｅ）のうちいずれか一つ以上が使われ得る。
一つの例示において、電解質層に無機固体電解質が使われる場合、前記電解質はＬｉＰＯＮまたはＴａ２Ｏ５を含むことができる。また、前記無機固体電解質はＬｉＰＯＮまたはＴａ２Ｏ５にＢ、Ｓ、Ｗのような成分が添加された電解質であり得る。
また、電気変色素子１００、２００は各電気変色層１５０、１７０に電圧を印加するための電源（駆動部）をさらに含むことができる。
また、第１および第２補助電極層１８０、１９０は、それぞれ電気伝導性が高い金属材質で形成され得、例えば、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）などの高い電気伝導性を有する材料で形成され得る。また、第１補助電極層１８０と第２補助電極層１９０は、それぞれメタルメッシュ（ｍｅｔａｌ ｍｅｓｈ）またはメタルストリップ（ｍｅｔａｌ ｓｔｒｉｐ）パターンを有することができる。また、第１および第２補助電極層１９０、１８０は同じ構造を有するため、第１補助電極層を例にして説明する。図４および図５を参照すると、メタルメッシュパターン１８０−１は、第１方向に延びた第１成分と、第１成分と交差するように第２方向に延びた第２成分を含むことができる。この時、複数個の第１成分と第２成分の交差構造によって複数個の開口部を有する。また、メタルストリップパターン１８０−２は一方向に延びた帯の形状となっている。
また、第１補助電極層１８０と第２補助電極層１９０は、それぞれ金属材質の電極部および電気変色素子１００、２００の作動時に前記電極部の溶出を防止するために電極部を絶縁させる絶縁部を含むことができる。具体的には、イオンまたは電子の浸透によって、電極部の溶出の問題が発生する可能性がある。前記絶縁部は前記電極部を取り囲む層構造であり得る。例えば、図１で、絶縁部は電極部を電解質層１７０と絶縁させるように電極部を取り囲むことができる。また、図２で、絶縁部は電極部をそれぞれ第１および第２電気変色層１５０、１７０と絶縁させるように電極部を取り囲むことができる。
前記絶縁部はイオンまたは電子の浸透を防止する材料であって、樹脂材料を含んで構成され得る。
図３は、第１補助電極層１８０を示す概念図であって、図３を参照すると、電極部１８１および絶縁部１８２のそれぞれに対して、一つの例示において、ａ（絶縁部の幅）は５ｍｍ以下であり得、ｂ、ｃ（電極部の幅）、ｄはそれぞれ３ｍｍ以下であり得、ｅ（電極部の厚さ）は１ｍｍ以下であり得、ｆ（絶縁部の厚さ）は２ｍｍ以下であり得る。また、ｃ／ａは０．９以下であり得、ｂ／ｄは１．５以下であり得る。
図８および図９は、補助電極層による電気変色素子の反応速度の変化を説明するためのグラフである。具体的には、図８および図９は、電極層と５００ピッチと１０μｍの線幅を有する補助電極層をすべて形成した場合（Ｃａｓｅ２）と電極層（ＩＴＯ）だけを形成した場合（Ｃａｓｅ１）との着色（図８）および脱色（図９）時の、反応速度の差を説明するためのグラフである。図８および図９を参照すると、ＩＴＯ電極層のみを用いた場合（Ｃａｓｅ１）と補助電極層を共に用いた場合（Ｃａｓｅ２）とを比較して、約８０％の反応時点の速度が着色時には約２．７倍上昇し、脱色時には約４倍上昇することを確認することができる。
図１０および図１１は、開口率と透過率の関係を説明するための表である。
電気変色素子１００、２００は、第１および第２補助電極層１８０、１９０を第１電極層１３０（または第２電極層）上にそれぞれ投影させた場合、第１および第２補助電極層１８０、１９０で覆われた第１電極層１３０（または第２電極層）の面積に基づいて、着色および脱色時に、透過率が調節できるように設けられる。具体的には、第１および第２補助電極層１８０、１９０を第１電極層１３０上にそれぞれ投影させた場合、投影前の第１電極層１３０の面積に対する投影後の第１および第２補助電極層１８０、１９０で覆われていない第１電極層の面積の比率である第１電極層１３０の開口率に基づいて、着色および脱色時に、電気変色素子の特定位置での透過率が調節できるように設けられ得る。
図１０はメタルメッシュタイプにおいてピッチおよび線幅による開口率および透過率の関係を説明するための表である。図１０を参照すると、前記開口率が増加するほど透過率が増加し、前記開口率が低くなるほど透過率が減少することを確認することができる。すなわち、投影後の第１電極層１３０（または第２電極層）上の第１および第２補助電極層１８０、１９０で覆われた面積が増加するほど透過率は低下し、逆に、第１電極層１３０（または第２電極層）上の第１および第２補助電極層１８０、１９０で覆われた面積が減少するほど透過率が増加する。
図１１を参照すると、単面適用とは、電気変色素子の全体層の構成の半分の領域である、ＰＥＴ／ＩＴＯ／ＷＯ３構造における測定結果であり、両面適用とは、電気変色素子の全体層の構成の全体の領域である、ＰＥＴ／ＩＴＯ／ＷＯ３／ＧＰＥ／ＰＢ／ＩＴＯ／ＰＥＴ構造における測定結果を意味する。図１１を参照すると、開口率および透過率は、第１および第２補助電極層１８０、１９０の線幅およびピッチにより決定されることを確認することができる。
図１２〜図１４は第１および第２補助電極層の配列を説明するための概念図である。本図面において、図面番号３００は第１補助電極層が形成され得る第１電極層または第１電気変色層を示し、図面番号４００は第２補助電極層が形成され得る第２電極層または第２電気変色層を示す。
第１および第２補助電極層１８０、１９０は電解質層を基準として対称的に配列され得る。これとは異なり、図１２〜図１４を参照すると、第１および第２補助電極層１８０、１９０は電解質層を基準として非対称的に配列され得る。すなわち、第１および第２補助電極層１９０、１８０は電解質層１７０を基準としてすれ違いに配列され得る。
図１３および図１４のように、電場の密集程度によって特定の透過率までに到達するのにかかる時間の差が発生し得る。
また、一つの例示において、前記電気変色素子１００、２００は第１および第２補助電極層１９０、１８０の形成面積を考慮して、素子の開口率が約５０〜９５％であり、透過率が約４０〜９３％となるように設けられ得る。
以上で説明された本発明の好ましい実施例は例示の目的のために開示されたものであって、本発明に対する通常の知識を有する当業者であれば、本発明の思想と範囲内で多様な修正、変更、付加が可能であり、このような修正、変更および付加も下記の特許請求の範囲に属するものとみなされるべきである。
本発明によると、電気変色素子の反応速度を向上させることができ、これに伴い、高速駆動が可能な長所を有する。
また、前記補助電極を通じて着色および脱色時に、透過率の範囲を調節することができる。
１００ 電気変色素子
１１０ 第１基板
１２０ 第２基板
１３０ 第１電極層
１４０ 第２電極層
１５０ 第１電気変色層
１６０ 第２電気変色層
１７０ 電解質層
１８０ 第１補助電極層
１８０−１ メタルメッシュパターン
１８０−２ メタルストリップパターン
１８１ 電極部
１８２ 絶縁部
１９０ 第２補助電極層
２００ 電気変色素子
１１０ 第１基板
１２０ 第２基板
１３０ 第１電極層
１４０ 第２電極層
１５０ 第１電気変色層
１６０ 第２電気変色層
１７０ 電解質層
１８０ 第１補助電極層
１８０−１ メタルメッシュパターン
１８０−２ メタルストリップパターン
１８１ 電極部
１８２ 絶縁部
１９０ 第２補助電極層
２００ 電気変色素子
Claims (10)
- 第１電極層；第１電極層上に設けられる第１電気変色層；第１電気変色層上に設けられる電解質層；電解質層上に設けられる第２電気変色層；および第２電気変色層上に設けられる第２電極層を含む電気変色素子であって、
前記電気変色素子は、電解質層を挟んで互いに向き合う第１電気変色層および第２電気変色層のそれぞれの対向面にそれぞれ設けられた第１補助電極層および第２補助電極層を含み、
それぞれの補助電極層は、金属材質で形成された電極部および前記電極部を絶縁させるように前記電極部を取り囲む絶縁部を含み、
第１および第２補助電極層を第１電極層上にそれぞれ投影させた場合、投影前の第１電極層の面積に対する投影後の第１および第２補助電極層で覆われていない第１電極層の面積の比率である第１電極層の開口率に基づいて、着色および脱色時に、透過率が調節されるように設けられ、
開口率は第１および第２補助電極層の線幅およびピッチにより決定される、電気変色素子。 - 前記開口率が増加するほど透過率が増加し、前記開口率が低くなるほど透過率が減少する、請求項１に記載の電気変色素子。
- それぞれの補助電極層はメタルメッシュまたはメタルストリップパターンに形成された、請求項１に記載の電気変色素子。
- 前記絶縁部は樹脂材質で形成された、請求項１に記載の電気変色素子。
- 前記絶縁部はアクリレートまたはエポキシ系列の樹脂で形成された、請求項４に記載の電気変色素子。
- 前記絶縁部は無機フィラーまたは無機充填剤をさらに含む、請求項４に記載の電気変色素子。
- 前記絶縁部は幅が５ｍｍ以下であり、厚さが２ｍｍ以下である、請求項１に記載の電気変色素子。
- 前記電極部は幅が３ｍｍ以下であり、厚さが１ｍｍ以下である、請求項１に記載の電気変色素子。
- 第１および第２補助電極層は電解質層を基準として対称的に配列された、請求項１に記載の電気変色素子。
- 第１および第２補助電極層は電解質層を基準として非対称的に配列された、請求項１に記載の電気変色素子。
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