KR101109253B1 - 플렉서블 전기변색 소자 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 플렉서블 전기변색 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 감광성 절연막을 프린팅하여 절연층을 형성하고, 전기영동을 이용하여 소정의 패턴으로 정착된 반도체층을 가압하여 압축함으로써 표시소자의 콘트라스트 및 구동특성이 향상된 플렉서블 전기변색 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.

전기변색 소자, 감광성 절연막, 프린팅, 절연층, 전기영동, 가압, 반도체층

Description

플렉서블 전기변색 소자 및 그 제조방법{Flexible electro chromic device and manufacturing method thereof}

도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 전기변색 소자의 단면 개략도이고,

도 2는 본 발명의 일실시예에서 행해지는 투명전극 상에 절연층, 반도체층 및 전기변색 단분자층을 단계적으로 형성하는 과정을 나타내는 개략도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

10: 플렉서블 투명전극 11: 투명 플라스틱 기판

12: 투명 전도성 물질 20: 절연층

30: 반도체층 40: 전기변색 단분자층

50: 대향전극 51: 금속 박막

52: 반사판 60: 전해질

본 발명은 플렉서블 전기변색 소자 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 절연성 감광 재료에 의한 패턴 형성법 혹은 절연막 재료를 프린팅하여 패턴이 형성된 절연층을 형성하고, 전기영동을 이용하여 소정의 패턴으로 흡착된 나노 결정의 반도체층을 가압하여 압축한 뒤 전기 변색 물질을 자기 조립 방식에 의해 흡착시켜 표시소자의 콘트라스트 및 구동특성이 향상된 플렉서블 전기변색 소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.

전기변색 소자(electrochromic device)는 전기와 같은 외부 자극에 의하여 변색 물질이 자극되어 화학적 또는 물리적으로 분자구조에 변화가 일어나고, 가시적으로 변색 효과가 발생하는 소자이다. 이는 투명전극 및 대향전극 사이에 전해질을 넣고 외부의 전기 자극에 의해 양 전극간에 전위차가 발생하면, 전해질에 포함되어 있는 이온이나 전자가 전기변색 물질층 내부로 이동하여 산화?환원반응을 함으로써 가시적으로 색깔이 변하거나 색의 농담이 변하게 되는 원리를 이용한 것이다. 이러한 전기변색 소자는 광학 특성의 제어가 가능하여 정보 기록, 표시, 정보 출력 등의 정보 처리 용도로 이용되고 있다.

이러한 전기변색 소자로서, 국제특허공개 WO 97/035227호는 나노결정의 반도체물질 표면에 비올로겐(viologen)과 같은 전기적 활성 물질을 흡착시킨 나노 전기변색 디스플레이를 개시하고 있으며, 국제특허공개 WO98/035267호 및 미국특허 제6,870,657호는 산화 환원 발색단이 흡착된 반도체성 금속 산화물을 포함하는 전기변색 소자를 개시하고 있다. 그러나 상기의 나노 결정의 반도체 물질은 450 ? 이상의 고온에서 형성되어야 특성이 제대로 발휘되어 플렉서블한 투명 기판에 적용하기는 곤란한 문제점이 있다. 플렉서블 나노 결정 전기 변색 소자는 플라스틱 등의 플렉서블한 투명 기판을 사용하는 표시 소자로써 상기 플렉서블한 특성으로 인해 적용 분야가 넓다는 점에서 더욱 관심의 초점이 되어 왔다. 그러나 플렉서블 기판을 이용할 경우 반도체 전극을 이루는 TiO₂ 등의 금속 산화물 형성 공정이 200 ℃ 이하의 저온에서만 가능하여 TiO₂의 높은 신뢰성을 확보하지 못함으로써 충분한 표시 성능을 나타내지 못하는 문제점이 있었다.

또한, 일본특허공개 제2002-100416호는 반도체 미립자층이 전기 영동의 의하여 도전성 지지체의 도전층상에 부착시켜 형성되는 광전변환 소자에 관하여 개시하고 있다.

그러나, 상기와 같은 종래 기술은 플렉서블 기판 상에 나노결정의 패턴 형성을 위한 기술은 거의 알려져 있지 않으며 낮은 콘트라스트와 긴 응답 시간의 문제점이 있다.

본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 하나의 목적은 표시소자의 패턴 이외의 부분에 프린팅된 절연층 및 전기영동 후 가압하여 압축된 반도체층을 구비함으로써 구동특성이 향상된 플렉서블 전기변색 소자를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 프린팅 및 전기영동을 이용한 상기 전기변색 소자의 제조방법을 제공하는 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하나의 양상은,

플렉서블 투명전극;

상기 투명전극 상에 소정의 패턴 이외의 부분에 형성된 절연층;

상기 투명전극 상에 상기 소정의 패턴 부분에 전기영동 (electrophoretic deposition)을 이용하여 형성된 나노 결정의 반도체층;

상기 반도체층 상에 형성된 전기변색 단분자층;

상기 투명전극과 마주보도록 배치된 플렉서블 대향전극; 및

상기 투명전극과 대향전극 사이의 공간에 형성된 전해질;

을 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 전기변색 소자에 관한 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 양상은,

투명전극 상에 소정의 패턴이 노출되도록 절연층을 형성하는 단계;

상기 노출된 소정의 패턴 상에 반도체층을 전기영동을 이용하여 정착하는 단계;

상기 반도체층을 가압하여 압축하는 단계;

상기 반도체층 상에 전기변색 단분자층을 형성하는 단계;

상기 투명전극과 마주보도록 대향전극을 형성하는 단계; 및

상기 투명전극과 대향전극 사이에 전해질을 형성하는 단계;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 전기변색 소자의 제조방법에 관한 것이다.

이하에서 첨부 도면을 참고하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전기변색 소자의 단면 개략도이다.

이에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 전기변색 소자는 플렉서블 투명전극; 상기 투명전극 상에 소정의 패턴 이외의 부분에 형성된 절연층; 상기 투명전극 상에 상기 소정의 패턴 부분에 전기영동 (electrophoretic deposition)을 이용하여 형성된 나노 결정의 반도체층; 상기 반도체층 상에 형성된 전기변색 단분자층; 상기 투명전극과 마주보도록 배치된 플렉서블 대향전극; 및 상기 투명전극과 대향전극 사이의 공간에 형성된 전해질을 포함한다.

본 발명의 전기변색 소자에서 플렉서블 투명전극(10)은 투명 플라스틱 기판(11) 상에 투명 전도성 물질(12)이 코팅되어 형성된다. 상기 기판(11)으로는 플렉서블(flexible)한 표시소자에 적합하고 투명성을 갖고 있는 것이면 특별히 한정되지 않는다. 구체적인 예로는 폴리에틸렌테레프탈레이트 (PET; polyethylene terephthalate), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN; polyethylene naphathalate), 폴리카보네이트, 폴리스티렌계, 폴리아크릴계, 폴리에테르 설폰(PES; Polyether sulfone) 등의 고분자 재료를 이용한 기판을 사용할 수 있다. 또한, 상기 기판 상에 코팅되는 투명 전도성 물질(12)로는 인듐틴 옥사이드(ITO), 플로린 도핑된 틴 옥사이드(FTO), ZnO-Ga₂O₃, ZnO-Al₂O₃, SnO₂-Sb₂O₃ , 폴리티오펜계 와 같은 투명 전도성 고분자 물질 등을 예로 들 수 있다.

본 발명의 전기변색 소자에서 절연층(20)은 상기 투명전극 상에 소정의 패턴을 형성하도록 상기 패턴 이외의 부분에 형성된다. 상기 절연층은 표시소자의 소정의 패턴 부분에 전기영동을 이용한 반도체층의 형성이 용이하도록 네거티브 타입의 감광성 절연막을 프린팅하여 형성되며, 상기 감광성 절연막으로는 전기영동 증착시 사용되는 용매 및 전해질 용액에 녹지 않는 물질을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 절연층은 투명전극의 광투과도가 저하되지 않도록 투명한 절연재료를 사용하는 것이 바람직하다. 구체적으로는 아크릴계 화합물로서 광개시제 및 2 관능기 이상의 광경화성 물질을 함유하여 자외선 경화 후 용매에 불용성을 나타내는 물질들을 사용한다. 본 발명에는 감광성 유기 절연막이 아닌 일반적인 고분자 용액을 스크린 프린팅 등의 인쇄법에 의해서도 형성할 수 있으나, 패턴의 해상도 및 막질의 투과도 등을 고려할 때 투명한 감광성 유기 절연막을 사용하는 것이 보다 적절하다. 이와 같은 투명한 감광성 유기 절연막으로는 액정표시 소자용으로 최근 개발된 감광성 스페이서 재료를 사용하는 것이 용이하나 전해질과의 반응성 등을 고려하여 광경화 밀도를 조절하여 사용하게 된다.

이와 같은 절연층은 투명전극과 전해질의 직접적인 접촉을 방지하여 전기변색 소자의 구동 특성을 향상시킬 수 있다. 즉, 종래의 전기변색 소자의 경우 투명전극 상에 표시 소자의 패턴을 형성하지 아니하는 부분이 전해질에 그대로 노출되어 있어, 투명전극의 외부에서 주입된 전자가 대향전극에서 산화된 양이온과 결합하는 등의 부반응(side reaction)이 발생하여 표시 소자의 구동 특성을 저하시키는 원인이 되었다. 이에 반하여, 본 발명에서는 투명전극 상에 소정의 패턴 이외의 부분에 절연층을 형성함으로써 투명전극과 전해질 사이의 직접적인 접촉을 방지하여 투명전극으로 이동한 전자가 다시 전해질 내의 산화 환원 커플과 결합하는 등의 부반응을 억제할 수 있다.

본 발명의 전기변색 소자에서 반도체층(30)은 투명전극 상에 소정의 패턴 부분에 전기영동(electrophoretic deposition)을 이용하여 상온에서 형성된다. 상기 반도체층 형성에 사용되는 금속 산화물로는 티타늄 산화물, 지르코늄 산화물, 스트론듐 산화물, 니오븀 산화물, 하프늄 산화물, 인듐 산화물, 주석 산화물 및 아연 산화물로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 사용할 수 있으며, 이들을 단독 또는 두 가지 이상 혼합하여 사용할 수 있다. 바람직하게는 티타늄 산화물(TiO2)을 사용할 수 있다. 이때 상기 반도체층은 금속 산화물 입자의 크기가 작고, 기공도가 높을수록 소자의 효율은 향상되는데, 상기 금속 산화물 입자 크기는 5 내지 30 nm인 것이 바람직하다.

이와 같은 금속 산화물은 전기영동을 통하여 투명전극 상에 노출된 소정의 패턴 부분에 증착된다. 구체적으로는 100 내지 300 V의 전압 또는 50 내지 200 V/cm의 전기장에서 1 내지 10 분 동안 전기영동을 수행하는 것이 바람직하다. 또한, 이와 같이 증착된 금속 산화물은 가압, 압축하여 결정밀도를 높임으로써 표시소자의 특성을 향상시킬 수 있다. 이때 상기 반도체층은 500 내지 5000 ㎏_f/㎠의 압력으로 가압하는 것이 바람직하다.

본 발명의 전기변색 소자에서 전기변색 단분자층(40)은 상기 나노 결정의 반도체층(30) 상에 형성된다. 전기변색 단분자층은 반도체 층 표면에 n-형 전기변색 재료가 흡착되어 반도체 층으로부터 이동하는 전자를 받아 분자 구조의 변화를 일으킴으로써 변색효과를 나타내게 된다. 이와 같은 전기변색 재료로는 전기변색 소자 분야에 일반적으로 사용되는 것이라면 아무 제한 없이 사용할 수 있으나, 비오로겐 화합물이 바람직하다. 이와 같은 화합물은 국제특허공개 WO98/035267 및 미국특허 제6,870,657호에 기공지된 화합물이 이용될 수 있다.

본 발명의 전기변색 소자에서 플렉서블 대향전극(50)은 투명전극(10)과 마주 보도록 배치된다. 상기 대향전극(50)으로는 도전성 물질이면 어느 것이나 사용가능하며, 일함수(work function)를 향상시키기 위하여 전도성 물질을 더 포함할 수 있다. 또한, 절연성 물질이라도 투명 전극에 마주보고 있는 측에 전도성 물질이 포함되어 있으면 이것도 사용가능하다. 또한 전기 화학적으로 안정한 재료를 전극으로 사용할 수 있으며, 구체적으로는 백금, 금 또는 카본 등을 사용할 수 있다. 대향 전극 상에는 투명전극 상의 n-형 전기 변색 물질이 환원될 때, 반대로 산화되어 전기적인 중성 상태를 유지하기 위한 산화-환원 물질, 혹은 p-형 전기변색 물질이 흡착되어질 수 있다. 이와 같은 p-형 전기변색 물질은 전해질에 함유될 수도 있으며 전해질과 대향전극 상에 동시에 형성될 수도 있다. 대향전극 상에 p-형 전기변색 물질 혹은 산화-환원 물질이 보다 잘 흡착되기 위해 투명전극과 마주보고 있는 측은 미세구조로 표면적이 증대되는 것이 바람직한데, 나노 결정의 티타늄 산화물, 지르코늄 산화물, 스트론듐 산화물, 니오븀 산화물, 하프늄 산화물, 인듐 산화물, 주석 산화물 및 아연 산화물로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이 상을 사용할 수 있으며, 이들을 단독 또는 두 가지 이상 혼합하여 사용할 수 있다. 이들 산화물에는 비소(As), 불소(F) 등이 도핑되어 사용될 수 있다. 바람직하게는 나노 결정의 티타늄 산화물(TiO2), 비소(As) 도핑된 SnO2 등이 사용할 수 있다. 이때 상기 반도체층은 금속 산화물 입자의 크기가 작고, 기공도가 높을수록 소자의 효율은 향상되는데, 상기 금속 산화물 입자 크기는 5 내지 30 nm인 것이 바람직하다. 대향전극에 사용되는 p-형 전기 변색 물질, 산화-환원 물질로는 프러시안 블루, 페로센 화합물 유도체, 페노티아진 화합물 유도체 등이 사용될 수 있으며, 국제공개특허 WO98/035267 및 미국특허 제6,870,657호에 기공지된 화합물이 이용될 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 대향전극(50)은 도 1에서 보는 바와 같이 플렉서블(flexible) 필름형의 전기변색 소자에 적합하도록 스테인레스 스틸, 니켈, 티타늄과 같은 금속 박막(metal foil)(51)으로 형성되며, 이러한 경우 금속 박막(51) 상에 반사판(52)을 더 형성함으로써 투명전극을 투과하여 통과한 빛을 산란시켜 반도체층의 콘트라스트를 향상시킬 수 있다. 이와 같은 반사판(52)으로는 티타늄 산화물, 지르코늄 산화물, 스트론듐 산화물, 니오븀 산화물, 하프늄 산화물, 인듐 산화물, 주석 산화물 및 아연 산화물로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 금속 산화물을 사용할 수 있으나, 반드시 이들로 한정되는 것은 아니며, 이들을 단독 또는 두 가지 이상 혼합하여 사용할 수 있다. 또한, 이와 같은 반사판의 금속 산화물 입자크기는 100 내지 500 nm 것이 바람직하다.

한편, 본 발명의 전기변색 소자에서 전해질(50)은 액체형, 용융염 형, 고체 형이 이용될 수 있으며, 전기화학적으로 비활성 염을 하나 이상 포함하는 전해질로 이루어진다. 구체적으로 예를 들면 프로필렌 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 디에틸 카보네이트, 에틸 메틸 카보네이트, 메틸 프로필 카보네이트, 부틸렌 카보네이트, 벤조니트릴, 아세토니트릴, 테트라히드로퓨란, 2-메틸테트라히드로퓨란, γ-부티로락톤, 디옥소란, 4-메틸디옥소란, N,N-디메틸포름아미드, 디메틸아세트아미드, 디메틸설폭사이드, 디옥산, 1,2-디메톡시에탄, 설포란, 디클로로에탄, 클로로벤젠, 니트로벤젠, 디메틸카보네이트, 메틸에틸카보네이트, 디에틸카보네이트, 메틸프로필카보네이트, 메틸이소프로필카보네이트, 에틸프로필카보네이트, 디프로필카보네이트, 디부틸카보네이트, 디에틸렌글리콜 또는 디메틸에테르 등의 용매, 트리알킬이미다졸륨과 같은 이미다졸륨계 용융염 또는 이들의 혼합 물질에 LiPF₆, LiBF₄, LiSbF₆, LiAsF₆, LiClO₄, LiCF₃SO₃, Li(CF₃SO₂)₂N, LiC₄F₉SO₃, LiSbF₆, LiAlO₄, LiAlCl₄, LiN(C_xF_2x+1SO₂)(C_yF_2y+1SO₂)(단, x, y는 자연수), LiCl, LiI 등의 리튬 염으로 이루어진 전해질 중의 1종 또는 이들을 2종 이상 혼합한 것을 용해하여 사용할 수 있다. 상기 리튬 염과 같은 비활성 염은 바람직하게는 0.01 내지 1.0 M, 더욱 바람직하게는 0.05 내지 0.2M의 농도로 전해질에 존재할 수 있다. 또한 산화-환원 물질로서 페로센계 화합물, 페노치아진계 화합물이 0.01 내지 0.2M의 농도로 전해질에 존재할 수 있다.

상술한 바와 같은 전기변색 소자의 제조방법은,

투명전극 상에 소정의 패턴이 노출되도록 절연층을 형성하는 단계;

상기 노출된 소정의 패턴 상에 전기영동을 이용하여 반도체층을 정착하는 단계;

상기 반도체층을 가압하여 압축하는 단계;

상기 반도체층 상에 전기변색 단분자층을 형성하는 단계;

상기 투명전극과 마주보도록 대향전극을 형성하는 단계; 및

상기 투명전극과 대향전극 사이에 전해질을 형성하는 단계;를 포함한다.

도 2는 이와 같은 본 발명의 전기변색 소자의 제조방법 중 투명전극 상에 절연층, 반도체층 및 전기변색 단분자층을 단계적으로 형성하는 과정을 개략적으로 도시한 것이다.

먼저 투명전극 상에 소정의 패턴이 노출되도록 절연층을 형성하기 위한 방법으로는, 네거티브 타입의 투명 감광성 절연막을 이용하여 필름으로 코팅하는 것이 바람직하다. 이는 다음 과정에서 소정의 패턴 부분에 전기영동법을 이용하여 반도체층이 형성될 수 있게 하기 위함이다. 상기 투명 감광성 절연막으로는 반도체층의 전기영동 증착시 사용되는 용매 및 전해질 용액에 용해되지 않는 물질을 사용하여야 한다.

다음으로, 상기 노출된 소정의 패턴 부분에 전기영동(electrophoretic deposition)을 이용하여 반도체층을 정착하게 된다. 반도체층 형성에 사용되는 금속 산화물 입자는 전기영동시 투명전극 표면에 부착될 수 있도록 입자 표면을 양이온으로 처리하여 이온 상태로 만드는 것이 바람직하다. 상기 금속 산화물 입자를 이온 상태로 만드는 방법으로는 본 기술분야에서 통상적으로 사용되는 방법이라면 제한 없이 사용할 수 있으며, 구체적인 예를 들면, Mg(NO₂)₂?H₂O를 포함하는 탈이온수 및/또는 유기 용매에 금속 산화물 입자를 일정시간 분산시켜 입자 표면을 Mg(NO₂)⁺으로 처리하여 사용할 수 있다. Mg(NO₂)⁺으로 표면처리된 TiO₂ 입자의 경우 제타포텐셜(zeta potential)은 약 25mV에 이른다.

전기영동 과정은 이와 같이 표면 처리된 금속 산화물 입자가 포함된 유기용매 속에 투명전극을 담근 후 투명전극의 외부 단자는 DC 전원의 음극에 접속하고, DC 전원의 양극은 반대 전극판에 접속하여 일정한 전압 또는 전기장을 가하여 수행한다. 일반적인 조건으로 100 내지 300 V의 전압 또는 50 내지 200 V/cm의 전기장에서 1 내지 10 분 동안 전기영동을 수행하는 것이 바람직하다. 외부의 전압이 가해지는 순간 양전하를 띠는 금속 산화물 입자는 전원의 음극에 접속된 투명전극으로 흘러가서 투명전극 상에 노출된 소정의 패턴 부분에 부착된다. 전기영동시 자기 진동을 이용하여 금속 산화물 입자의 이동 및 증착을 용이하게 할 수도 있다. 이러한 반도체층의 전기영동 증착이 완료되면 투명기판을 세척하고 건조시킨다.

상기와 같이 전기영동 증착된 반도체층은 가압하여 압축하는 과정을 통하여 결정밀도를 높임으로써 표시소자의 특성을 향상시킬 수 있다. 이때 압력조건은 500 내지 5000 ㎏_f/㎠의 압력으로 1 내지 10분 동안 가압하는 것이 바람직하다.

이와 같이 전기영동 과정 및 압축 과정을 통하여 반도체층을 형성하는 경우 일반적인 코팅 방법과는 달리 별도의 소성 과정을 거칠 필요가 없이, 저온 공정으로 고품위의 패턴 형성이 가능하게 된다.

상기 형성된 반도체 층 상에 전기변색 단분자층을 형성하는 단계는 종래 기술분야에서 널리 알려져 있는 방법에 따라 반도체층이 적층된 투명전극을 전기변색 재료를 함유하는 용액에 함침하여 수행될 수 있다.

투명전극 상에 절연층, 반도체층 및 전기변색 단분자층이 적층되고 나면, 종래의 기술분야에서 널리 알려져 있는 방법에 따라 상기 투명전극과 마주보도록 대향전극을 형성한 후, 상기 투명전극과 대향전극 사이에 전해질을 형성함으로써 전기변색 소자를 완성시킨다. 이때 전해액을 형성하는 방법은 여러 가지가 있을 수 있으며, 예를 들어 접착제를 사용하여 투명전극과 대향전극을 서로 면 접합시킨 후, 상기 투명전극과 대향전극을 관통하는 미세 홀을 형성하고 그 홀을 통하여 두 전극 사이의 공간에 전해질 용액을 주입한 다음, 다시 홀의 외부를 접착제로 밀봉할 수 있다.

본 발명에 따른 전기변색 소자의 제조방법은 특별히 한정되는 것은 아니며, 종래기술에 알려져 있는 어느 방법이나 제한 없이 사용할 수 있다.

이하에서, 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하고자 하나, 하기의 실시예는 단지 설명의 목적을 위한 것으로 본 발명의 보호범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.

실시예

인듐틴 옥사이드(ITO) 및 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN)로 구성된 투명전극 상에 네거티브 타입의 감광성 절연막 필름(동진 semichem, LCD column spacer용 감 광성 절연막)으로 코팅하여 패턴이 노출되도록 절연층을 형성하였다. 한편, 평균 입경 25nm의 TiO₂ 입자를 탈이온수 2 부피%를 포함하여 5×10^-4 M(0.128 g/l)의 Mg(NO₃)₂?H₂O를 포함하는 이소프로필 알코올에 분산시켜 TiO₂ 0.25 g/l의 서스펜젼을 제조하였다. 스테인레스 스틸을 애노드로 사용하고, 상기 투명전극과 애노드의 간격을 2cm로 유지하여 150 V의 전류를 3분 동안 인가하여 TiO₂ 반도체층을 전기영동 증착하였다. 반도체층이 전기영동 증착된 투명전극을 이소프로필 알코올로 세척하고 50℃에서 건조시킨 뒤, 5000 파운드의 하중으로 2분간 가압하여 TiO₂ 반도체층을 압축하였다. 이어서, 반도체층이 형성된 투명전극을 2%의 비올로겐(viologen, bis-(2-phosphonoethyl)-4,4'-bipyridinium dichloride) 수용액에 상온에서 30분간 침지한 후, 2-프로판올로 세척하고 건조시켜 TiO₂ 표면에 전기변색 단분자층을 형성하였다.

한편, 스테인레스 스틸 기판 위에 두께 100 nm의 ITO를 형성한 후 이를 스크린 프린팅 장치에 고정시킨 후 평균 입경이 300nm인 TiO₂ 페이스트 (Solaronix SAT nanoxide 300)를 프린팅하여 반사층을 형성하였다. 사용된 씨브(sieve)의 메쉬 사이즈는 86㎛를 사용하였다. 이어서, 유기 용매를 증발시키기 위하여 70℃ 온도에서 20분간 가열한 뒤, 대기중에서 450℃ 온도에서 1시간 소성하여 대향전극을 완성하였다.

이어서, 전해질 주입을 위해 0.75㎜ 직경의 드릴을 이용하여 대향전극 표면 에 미세 구멍을 형성한 뒤, 상기 구멍을 통하여 두 전극 사이의 공간에 전해질을 충진하여 전기변색 소자를 제조하였다. 상기 전해질 용액은 LiClO₄ 0.05M 및 페로센 0.05M을 포함하는 γ(감마)-부티로락톤을 사용하였다.

비교예 1

상기 실시예에서 감광성 절연층을 형성하지 않고, 스크린 프린터 에 의해 나노 결정의 TiO2 페이스트 (Solaronix, Ti-Nanoxide HT)에 의해 패턴을 형성하고 150 ℃에서 소성한 것을 제외하고는 동일한 과정을 수행하여 전기변색 소자를 제조하였다.

비교예 2

상기 실시예 1에서 생성된 절연막 패턴을 TiO2 나노 결정의 정착, 압착 후 강한 알칼리 수용액(0.1N KOH)으로 제거한 후 동일 과정을 수행하여 전기 변색 소자를 제조한 뒤, 절연막의 존재 여부의 효과를 측정하였다.

[전기변색 소자의 특성 평가]

상기 실시예에서 제조한 전기변색 소자의 전기적 특성을 측정하기 위하여 구동전압(V_op) 및 구동전류(I_op)를 측정하였다. 장비는 Keithley 2400 소스미터를 사용하였으며, 전압을 점차 증가시켜 변색이 포화되는 지점을 구동전압(V_op)으로 결정 하였고 이때의 소모되는 전류를 구동 전류(I_op)로 하였다.

그 결과 구동전압(V_op)은 30mm×30mm 크기의 샘플에서 1.5V 미만이었고, 구동전류(I_op)는 2 mA로 나타났다.

상기 실시예에서 제조한 전기변색 소자에 있어서 30mm×30mm 투명전극 상의 응답 속도는 V_op인 1.5V의 전압을 가하여 Autronic 사의 DMS-803으로 측정하였다. 발색 (Coloring) 하는데 걸린 시간은 300 msec, 전압 해제 시 퇴색 (Bleaching) 시간은 700msec의 응답시간을 나타내었다.

또한, 상기 전기변색 소자에 있어서 콘트라스트는 백색 복사 용지 대비해서 백색 (완전 Bleaching 후) 상태의 반사도와 발색 상태의 반사도의 비로서 측정하였으며 백색 반사도는 60 % 수준, 발색 상태의 반사도는 20 % 수준으로서 콘트라스트 비율이 3: 1 로 높은 반사도 및 콘트라스트 특성을 나타내어 선명한 색상 대비를 보여주고 있음을 알 수 있었다.

상기 실시예에서 제조한 전기변색 소자에 있어서 절연막의 효과를 알아보기 위하여, 상기 실시예 및 비교예 1-2에서 제조한 전기변색 소자의 샘플 사이즈를 30mm×30mm으로 하여 구동전압(V_op)과 구동 전류 값을 측정하였다.

상기 실시예에서 제조한 전기변색 소자의 경우 구동전압(V_op) 및 구동전류(I_op)가 각각 1.5 V 및 2 mA로 측정되었고, 비교예 1에서 제조한 전기변색 소자의 경우 각각 2.5 V 및 10 mA로 측정되었다. 또한 비교예 1에서와 같이 나노 결정의 TiO2 페이스트를 저온 소성할 경우 유기 물질의 잔류에 의해 황변 현상이 심해 색 변화가 자연스럽지 못했다. 비교예 2에서 제조한 샘플은 1.7 V, 5 mA의 구동 특성을 나타내었다.

상기 결과로부터 본 발명에 따른 전기변색 소자는 저온 공정에 의해 구동 특성이 우수한 플렉서블 표시 소자의 제조가 가능해졌고, 투명전극 상에 절연막을 형성함으로써 대향전극에서 산화된 양이온이 투명전극으로 주입된 전자와 결합하여 환원되는 부반응이 억제되어 표시소자의 구동특성이 향상된 것을 알 수 있다.

이상에서 바람직한 구현예를 예로 들어 설명하였으나, 본 발명은 본 발명의 보호범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형 실시될 수 있으므로, 이러한 다양한 변형 예도 본 발명의 보호 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 전기변색 소자는 투명전극 상에 절연막을 형성하여 전기변색 소자의 구동특성을 향상시키고, 전기영동 및 압축 공정과 같은 저온 공정을 통하여 고품위의 패턴 형성이 가능하여 표시소자로서의 특성이 양호한 플렉서블 전기변색 소자를 제공할 수 있다.

Claims (16)

1. 플렉서블 투명전극;

   상기 투명전극 상에 소정의 패턴 이외의 부분에 형성된 절연층;

   상기 투명전극 상에 상기 소정의 패턴 부분에 전기영동 (electrophoretic deposition)을 이용하여 형성된 나노 결정의 반도체층;

   상기 반도체층 상에 형성된 전기변색 단분자층;

   상기 투명전극과 마주보도록 배치된 플렉서블 대향전극; 및

   상기 투명전극과 대향전극 사이의 공간에 형성된 전해질;

   을 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 전기변색 소자.
2. 제 1항에 있어서, 상기 절연층은 투명한 감광성 절연물질로 코팅된 것을 특징으로 하는 전기변색 소자.
3. 제 1항에 있어서, 상기 반도체층은 티타늄 산화물, 지르코늄 산화물, 스트론듐 산화물, 니오븀 산화물, 하프늄 산화물, 인듐 산화물, 주석 산화물 및 아연 산화물로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전기변색 소자.
4. 제 1항에 있어서, 상기 나노 결정의 반도체층은 전기영동을 이용하여 증착한 후 가압하여 압축된 것을 특징으로 하는 전기변색 소자.
5. 제 4항에 있어서, 상기 반도체층은 500 내지 5000 ㎏_f/㎠의 압력으로 가압되는 것을 특징으로 하는 전기변색 소자.
6. 제 1항에 있어서, 상기 나노 결정의 반도체층은 입자크기가 5 내지 30 nm인 것을 특징으로 하는 전기변색 소자.
7. 제 1항에 있어서, 상기 전기변색 단분자층은 n-형 전기변색 재료로서 비올로겐 (Viologen) 화합물 유도체인 것을 특징으로 하는 전기변색 소자.
8. 제 1항에 있어서, 상기 투명전극은 투명 플라스틱 기판 상에 투명 전도성 물질이 코팅되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기변색 소자.
9. 제 1항에 있어서, 상기 대향전극은 금속 박막 및 상기 금속 박막 상에 형성된 반사판을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기변색 소자.
10. 제 9항에 있어서, 상기 대향전극은 상기 금속 박막과 반사판 사이에 개재된 전도성 물질을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기변색 소자.
11. 제 9항에 있어서, 상기 반사판은 티타늄 산화물, 지르코늄 산화물, 스트론듐 산화물, 니오븀 산화물, 하프늄 산화물, 인듐 산화물, 주석 산화물 및 아연 산화물로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 전기변색 소자.
12. 제 9항에 있어서, 상기 반사판의 입자크기는 100 내지 500nm인 것을 특징으로 하는 전기변색 소자.
13. 제 1항에 있어서, 상기 대향전극 또는 전해질 상에 p-형의 전기변색 단분자층이나 산화-환원 (redox) 화합물을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기변색 소자.
14. 제 13항에 있어서, 상기 전기변색 단분자층은 p-형 전기변색 화합물로서 프러시안 블루, 페노티아진계 화합물 유도체 또는 페로센 유도체 화합물과 같은 산화-환원 화합물로 이루어진 것을 특징으로 하는 전기변색 소자.
15. 투명전극 상에 소정의 패턴이 노출되도록 절연층을 형성하는 단계;

    상기 노출된 소정의 패턴 상에 반도체층을 전기영동을 이용하여 정착하는 단계;

    상기 반도체층을 가압하여 압축하는 단계;

    상기 반도체층 상에 전기변색 단분자층을 형성하는 단계;

    상기 투명전극과 마주보도록 대향전극을 형성하는 단계; 및

    상기 투명전극과 대향전극 사이에 전해질을 형성하는 단계;

    를 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 전기변색 소자의 제조방법.
16. 제 15항에 있어서, 상기 반도체층은 500 내지 5000 ㎏_f/㎠의 압력으로 가압되는 것을 특징으로 하는 전기변색 소자의 제조방법.

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