KR101492842B1 - 전기 변색 소자와 유기 발광 소자를 구비하는 스마트 윈도우 - Google Patents

전기 변색 소자와 유기 발광 소자를 구비하는 스마트 윈도우 Download PDF

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최동철
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경희대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 서로 대응되는 제1 전극과 제2 전극, 그리고 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 위치하며 유기 발광 물질을 포함하는 발광층을 구비하는 유기 발광 소자; 및 서로 대응되는 제3 전극과 제4 전극, 그리고 상기 제3 전극과 제4 전극 사이에 위치하며 전기 변색 물질을 포함하는 전기 변색층을 구비하는 전기 변색 소자를 포함하고, 상기 유기 발광 소자와 상기 전기 변색 소자는 서로 접합되어 있으며, 상기 제1 전극은 투명 전극 또는 반투명 전극으로 형성되고, 상기 제2 전극은 고반사 반투명 전극으로 형성된 스마트 윈도우를 제공한다. 본 발명에 따른 스마트 윈도우는 유기 발광 소자의 전극 중 하나를 고반사 반투명 전극으로 형성함으로써 투과도를 크게 떨어뜨리지 않으면서도 광 효율과 명암비를 높일 수 있다.

Description

전기 변색 소자와 유기 발광 소자를 구비하는 스마트 윈도우 {Smart window with electrochromic device and organic light emitting device}
본 발명은 전기 변색 소자와 유기 발광 소자를 구비하는 스마트 윈도우에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유기 발광 소자에 전기 변색 소자를 접합시키고 전기 변색 소자의 색상을 제어함으로써 유기 발광 소자를 일면 발광형 또는 양면 발광형의 조명이나 디스플레이로 사용할 수 있는 스마트 윈도우에 관한 것이다.
유기 발광 소자(Organic Light Emitting Device: OLED)는 일반적으로 양극(anode), 상기 양극 상에 위치하는 발광층 및 상기 발광층 상에 위치하는 음극(cathode)을 포함한다. 상기 양극과 상기 음극 간에 전압을 인가하면 정공은 상기 양극으로부터 상기 발광층 내로 주입되고, 전자는 상기 음극으로부터 상기 발광층 내로 주입된다. 상기 발광층 내로 주입된 정공과 전자는 재결합하여 여기자(exciton)를 생성하고, 이러한 여기자가 여기 상태에서 기저 상태로 전이하면서 빛을 방출한다.
이러한 유기 발광 소자는 상기 발광층에서 방출된 빛이 양극 측의 하부 기판을 투과하는 배면 발광(Bottom Emission)형과 음극 측의 상부 기판을 투과하는 전면 발광(Top Emission)형으로 구분될 수 있다. 그리고, 투명한 양극과 투명한 음극을 이용하여 전면과 배면으로 모두 발광시키는 양면 발광형으로도 구현할 수 있다.
상기 양면 발광형으로 구현되는 투명 유기 발광 소자는 스마트 윈도우로 구현될 수 있으며, 특히 투명 유기 발광 소자의 일 측면에 전기 변색 소자를 접합시키고 상기 전기 변색 소자의 색상을 제어하여 빛을 차단하거나 투과시킴으로써 일면 발광 또는 양면 발광을 선택적으로 실시할 수도 있다[한국 특허 제10-0732849호 참조].
그러나, 유기 발광 소자를 투명한 양극과 투명한 음극을 이용하여 양면 발광형으로 구현할 경우 상기 전기 변색 소자의 색상을 제어하여 일면 발광 또는 양면 발광을 선택적으로 구현할 수 있지만, 일면 발광 시에는 전면 발광형 및 배면 발광형보다 광 효율이 크게 떨어지게 되며 또한 명암비도 낮아지게 되는 문제점이 존재한다.
한국 특허 제10-0732849호
본 발명자들은 전기 변색 소자와 유기 발광 소자를 결합하여 스마트 윈도우를 구현할 때 유기 발광 소자의 광 효율을 향상시키기 위해 예의 연구 검토한 결과, 기존의 유기 발광 소자의 투명 전극들 중 전기 변색 소자 측에 위치하는 투명 전극을 투과도를 크게 떨어뜨리지 않으면서도 반사도가 높은 고반사 반투명 전극으로 대체함으로써 유기 발광 소자의 광 효율과 명암비를 크게 향상시킬 수 있음을 발견하고, 본 발명을 완성하게 되었다.
따라서 본 발명의 한 목적은 광 효율과 명암비가 높은 스마트 윈도우를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 유기 발광 소자의 전극 중 하나를 고반사 반투명 전극으로 형성함으로써 투과도를 크게 떨어뜨리지 않으면서도 광 효율과 명암비를 높일 수 있는 스마트 윈도우를 제공하는 것이다.
한편으로, 본 발명은 서로 대응되는 제1 전극과 제2 전극, 그리고 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 위치하며 발광 물질을 포함하는 발광층을 구비하는 유기 발광 소자; 서로 대응되는 제3 전극과 제4 전극, 그리고 상기 제3 전극과 제4 전극 사이에 위치하며 전기 변색 물질을 포함하는 전기 변색층을 구비하는 전기 변색 소자; 및 상기 유기 발광 소자와 상기 전기 변색 소자를 접합시키는 접합층을 포함하고, 상기 제1 전극은 투명 전극 또는 반투명 전극으로 형성되고, 상기 제2 전극은 고반사 반투명 전극으로 형성된 스마트 윈도우를 제공한다.
다른 한편으로, 본 발명은 제1 투명 기판; 상기 제1 투명 기판 상에 위치하는 제1 전극; 상기 제1 전극 상에 위치하며 유기 발광 물질을 포함하는 발광층; 상기 발광층 상에 위치하는 제2 전극; 상기 제2 전극 상에 위치하는 접합층; 상기 접합층 상에 위치하는 제3 전극; 상기 제3 전극 상에 위치하며 전기 변색 물질을 포함하는 전기 변색층; 상기 전기 변색층 상에 위치하는 제4 전극; 및 상기 제4 전극 상에 위치하는 제2 투명 기판을 포함하고, 상기 제1 전극은 투명 전극 또는 반투명 전극으로 형성되고, 상기 제2 전극은 고반사 반투명 전극으로 형성된 스마트 윈도우를 제공한다.
본 발명에 따른 스마트 윈도우는 기존의 유기 발광 소자의 투명 전극들 중 전기 변색 소자 측에 위치하는 투명 전극을 고반사 반투명 전극으로 대체함으로써 전기 변색 소자에 의한 광 흡수를 최소화하여 유기 발광 소자의 광 효율을 향상시키고 명암비를 높일 수 있다.
아울러, 본 발명에 따른 스마트 윈도우는 전기 변색 소자에 류코 다이(leuco dye)를 사용하여 전압을 인가할 때와 인가하지 않을 때의 투과도 특성을 향상시킬 수 있다.
따라서 본 발명에 따른 스마트 윈도우는 일면 발광형 또는 양면 발광형의 조명이나 디스플레이로 효과적으로 사용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 스마트 윈도우를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 스마트 윈도우를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 3은 전기 변색 물질로 류코 다이(leuco dye)를 사용할 경우 가시광선 영역에서의 투과도 특성을 나타낸 그래프이다.
도 4(a) 및 도 4(b)는 각각 전기 변색 소자에 전압을 인가하지 않은 경우와 전압을 인가한 경우의 스마트 윈도우 사진이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 스마트 윈도우를 개략적으로 도시한 단면도이다. 참고로, 도 1에 도시된 스마트 윈도우는 전기 변색 소자(200)에 전기를 인가하여 광 차단막을 형성하고 유기 발광 소자(100)를 일면 발광시킬 경우 양극(anode) 측의 하부 기판을 투과하여 배면 발광(Bottom Emission)형으로 구현되는 형태를 예시한 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 스마트 윈도우는 제1 투명 기판(10); 상기 제1 투명 기판 상에 위치하며 제1 전극(110), 정공 수송층(120), 발광층(130), 전자 수송층(140), 제2 전극(150)을 포함하는 유기 발광 소자(100); 상기 유기 발광 소자와 전기 변색 소자를 접합시키기 위한 접합층(30); 상기 접합층 상에 위치하며 제3 전극(210), 전기 변색층(230), 제4 전극(250)을 포함하는 전기 변색 소자(200); 및 상기 전기 변색 소자 상에 위치하는 제2 투명 기판(20)을 포함한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제1 투명 기판(10)은 광 투과성이 우수한 투명 유리, 투명 플라스틱 등이 사용될 수 있다.
상기 제1 투명 기판(10) 상에는 제1 전극(110), 정공 수송층(120), 발광층(130), 전자 수송층(140), 제2 전극(150)을 포함하는 유기 발광 소자(100)가 형성된다.
상기 제1 전극(110)은 상기 제1 투명 기판(10) 상에 형성되는 것으로, 투과도와 전도성이 좋은 ITO, IZO, Ag, Al 투명 전극을 사용하거나 또는 이들이 포함된 다층(multi layer) 구조의 투명 전극을 사용할 수 있다. 참고로, 본 실시형태에서는 제1 전극을 양극(anode)으로 구현하였다.
상기 정공 수송층(120)은 상기 제1 전극(110) 상에 형성되는 것으로서, NPB, TPD, m-MTDATA, NPD, TMTPD, TDATA, TAPC, CBP, HMTPD, TPBI, TCTA 등이 사용될 수 있다.
상기 발광층(130)은 상기 정공 수송층(120) 상에 형성되는 것으로, 인광 호스트: 도판트 시스템을 가지고 있다. 상기 발광층의 호스트 재료는 TCTA, CBP, TAZ, mCP, TPD 등이 사용될 수 있고, 도판트 재료는 Firfic, Fir6, Ir(ppy)3 Ir(ppy)(acac) 등이 사용될 수 있다.
상기 전자 수송층(140)은 상기 발광층(130) 상에 형성되는 것으로, TmPypb, BCP, Alq3, TPBI, Bphen 등이 사용될 수 있다.
상기 제2 전극(150)은 상기 전자 수송층(140) 상에 형성되는 것으로, 광 반사성과 전도성이 좋은 Ag, Al의 고반사 반투명 전극을 사용하거나 또는 이들이 포함된 다층(multi layer) 구조의 고반사 반투명 전극을 사용할 수 있다. 상기 고반사 반투명 전극은 예컨대, 전극의 두께와 개구율을 조절하여 50% 이상의 광 반사율을 가지며 반투명 상태가 되도록 제조될 수 있다. 또 다른 방법으로는 ITO, IZO, AZO 등과 같은 산화물 투명 전극과 그 뒤에 저굴절 고굴절 물질을 다층으로 활용한 유전체 거울(dielectric mirror)을 이용한 전극을 사용할 수 있다. 참고로, 본 실시형태에서는 제2 전극을 음극(cathode)으로 구현하였다.
참고로, 상기 유기 발광 소자(100)는 필요에 따라 새로운 층을 더 추가하거나 제외시켜 구현할 수도 있으며, 상기 정공 수송층(120)과 전자 수송층(140)의 위치는 서로 바뀔 수 있다. 이 경우, 물론 제1 전극(110)과 제2 전극(150)의 극성도 달라지게 된다.
상기 접합층(30)은 상기 제2 전극(150) 상에 형성되어 상기 유기 발광 소자(100)와 상기 전기 변색 소자(200)를 접합시킨다. 상기 접합층(30)은 투과도가 좋은 폴리머 필름(polymer film), 투명 기판, 밀도가 높은 무기물/유기물 다층막, WO3, Al2O3 등이 사용될 수 있다.
상기 접합층(30) 상에는 제3 전극(210), 전기 변색층(230), 제4 전극(250)을 포함하는 전기 변색 소자(200)가 형성된다.
상기 제3 전극(210)은 상기 전기 변색층(230)에 전기를 인가하기 위하여 상기 접합층(30) 상에 형성되는 것으로, 투과도와 전도성이 좋은 ITO, IZO, Ag, Al 투명 전극을 사용하거나 또는 이들이 포함된 다층(multi layer) 구조의 투명 전극을 사용할 수 있다.
상기 전기 변색층(230)은 상기 제3 전극(210) 상에 형성되는 것으로, 전기 변색 물질과 전기 변색 물질의 산화-환원 반응을 가속시킬 수 있는 물질로 구성된다. 상기 전기 변색층(230)은 다층박막상태나 용액상태로 구현될 수 있으며, 또는 다층박막상태와 용액상태가 혼합된 상태로 구현될 수 있다. 예컨대, 다층박막상태의 전기 변색층에는 WO3 혹은 IrO2 같은 금속산화물이 전기 변색 물질로 사용될 수 있고, 용액상태의 전기 변색층에는 류코 다이(leuco dye)가 전기 변색 물질로 사용될 수 있다. 그리고, 상기 전기 변색 물질의 산화-환원 반응을 가속시킬 수 있는 물질로는 전도성이 우수한 전해질염이 사용될 수 있으며, 전자 수용성 분자가 전기 화학적 촉매(Electrocatalst)로 사용될 수 있다. 상기 전기 변색층에 사용될 수 있는 물질에 관하여는 하기에서 별도로 설명하도록 한다.
상기 제4 전극(250)은 상기 전기 변색층(230)에 전압을 인가하기 위하여 상기 전기 변색층(230) 상에 형성되는 것으로, 투과도와 전도성이 좋은 ITO, IZO, Ag, Al 투명 전극을 사용하거나 또는 이들이 포함된 다층(multi layer) 구조의 투명 전극을 사용할 수 있다.
그리고, 상기 제2 투명 기판(20)은 상기 제4 전극(250) 상에 형성되어 소자 전체를 봉지할 수 있는 것으로, 광 투과성이 우수한 투명 유리, 투명 플라스틱 등이 사용될 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 스마트 윈도우를 개략적으로 도시한 단면도이다. 참고로, 도 2에 도시된 스마트 윈도우는 전기 변색 소자(200')에 전기를 인가하여 광 차단막을 형성하고 유기 발광 소자(100')를 일면 발광시킬 경우 음극(cathode) 측의 상부 기판을 투과하여 전면 발광(Top Emission)형으로 구현되는 형태를 예시한 것이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 다른 실시형태에 따른 스마트 윈도우는 제1 투명 기판(10'); 상기 제1 투명 기판 상에 위치하며 제2 전극(150'), 정공 수송층(120'), 발광층(130'), 전자 수송층(140'), 제1 전극(110')을 포함하는 유기 발광 소자(100'); 상기 유기 발광 소자 상에 위치하는 제3 투명 기판(30'); 상기 제1 투명 기판(10') 하부에 위치하며 제3 전극(210'), 전기 변색층(230'), 제4 전극(250')을 포함하는 전기 변색 소자(200'); 및 상기 전기 변색 소자 하부에 위치하는 제2 투명 기판(20')을 포함한다.
본 발명의 다른 실시형태에서, 상기 제2 투명 기판(20')은 광 투과성이 우수한 투명 유리, 투명 플라스틱 등이 사용될 수 있다.
상기 제2 투명 기판(20') 상에는 제3 전극(210'), 전기 변색층(230'), 제4 전극(250')을 포함하는 전기 변색 소자(200')가 형성된다.
상기 제4 전극(250')은 상기 전기 변색층(230')에 전기를 인가하기 위하여 상기 제2 투명 기판(20') 상에 형성되는 것으로, 투과도와 전도성이 좋은 ITO, IZO, Ag, Al 투명 전극을 사용하거나 또는 이들이 포함된 다층(multi layer) 구조의 투명 전극을 사용할 수 있다.
상기 전기 변색층(230')은 상기 제4 전극(250') 상에 형성되는 것으로, 전기 변색 물질과 전기 변색 물질의 산화-환원 반응을 가속시킬 수 있는 물질로 구성된다. 상기 전기 변색층(230')은 다층박막상태나 용액상태로 구현될 수 있으며, 또는 다층박막상태와 용액상태가 혼합된 상태로 구현될 수 있다. 예컨대, 다층박막상태의 전기 변색층에는 WO3 혹은 IrO2 같은 금속산화물이 전기 변색 물질로 사용될 수 있고, 용액상태의 전기 변색층에는 류코 다이(leuco dye)가 전기 변색 물질로 사용될 수 있다. 그리고, 상기 전기 변색 물질의 산화-환원 반응을 가속시킬 수 있는 물질로는 전도성이 우수한 전해질염이 사용될 수 있으며, 전자 수용성 분자가 전기 화학적 촉매(Electrocatalst)로 사용될 수 있다. 상기 전기 변색층에 사용될 수 있는 물질에 관하여는 하기에서 별도로 설명하도록 한다.
상기 제3 전극(210')은 상기 전기 변색층(230')에 전기를 인가하기 위하여 상기 전기 변색층(230') 상에 형성되는 것으로, 투과도와 전도성이 좋은 ITO, IZO, Ag, Al 투명 전극을 사용하거나 또는 이들이 포함된 다층(multi layer) 구조의 투명 전극을 사용할 수 있다.
상기 제1 투명 기판(10')은 상기 전기 변색 소자(200') 상에 형성되는 것으로, 광 투과성이 우수한 투명 유리, 투명 플라스틱 등이 사용될 수 있다.
상기 제1 투명 기판(10') 상에는 제2 전극(150'), 정공 수송층(120'), 발광층(130'), 전자 수송층(140'), 제1 전극(110')을 포함하는 유기 발광 소자(100')가 형성된다.
상기 제2 전극(150')은 상기 제1 투명 기판(10') 상에 형성되는 것으로, 광 반사성과 전도성이 좋은 Ag, Al의 고반사 반투명 전극을 사용하거나 또는 이들이 포함된 다층(multi layer) 구조의 고반사 반투명 전극을 사용할 수 있다. 상기 고반사 반투명 전극은 예컨대, 전극의 두께와 개구율을 조절하여 50% 이상의 광 반사율을 가지며 반투명 상태가 되도록 제조될 수 있다. 또 다른 방법으로는 ITO, IZO, AZO 등과 같은 산화물 투명 전극과 그 뒤에 저굴절 고굴절 물질을 다층으로 활용한 유전체 거울(dielectric mirror)을 이용한 전극을 사용할 수 있다. 참고로, 본 실시형태에서는 제2 전극을 양극(anode)으로 구현하였다.
상기 정공 수송층(120')은 상기 제2 전극(150') 상에 형성되는 것으로서, NPB, TPD, m-MTDATA, NPD, TMTPD, TDATA, TAPC, CBP, HMTPD, TPBI, TCTA 등이 사용될 수 있다.
상기 발광층(130')은 상기 정공 수송층(120') 상에 형성되는 것으로, 인광 호스트: 도판트 시스템을 가지고 있다. 상기 발광층의 호스트 재료는 TCTA, CBP, TAZ, mCP, TPD 등이 사용될 수 있고, 도판트 재료는 Firfic, Fir6, Ir(ppy)3 Ir(ppy)(acac) 등이 사용될 수 있다.
상기 전자 수송층(140')은 상기 발광층(130') 상에 형성되는 것으로, TmPypb, BCP, Alq3, TPBI, Bphen 등이 사용될 수 있다.
상기 제1 전극(110')은 상기 전자 수송층(140') 상에 형성되는 것으로, 투과도와 전도성이 좋은 ITO, IZO, Ag, Al 투명 전극을 사용하거나 또는 이들이 포함된 다층(multi layer) 구조의 투명 전극을 사용할 수 있다. 참고로, 본 실시형태에서는 제1 전극을 음극(cathode)으로 구현하였다.
참고로, 본 발명의 또 다른 실시형태에서는 상기 제1 전극(110')을 반투명 전극으로 구현할 수 있다. 제1 전극인 음극(cathode)을 반투명 전극으로 구현할 경우, 상기 고반사 반투명 전극인 양극(anode)과 반투명 전극인 음극(cathode) 사이에 발생하는 공진효과를 이용하여 높은 색감과 광 효율을 얻을 수 있다. 반투명 전극은 Ag, Al의 반투명 전극을 사용하거나 또는 이들이 포함된 다층(multi layer) 구조의 반투명 전극을 사용할 수 있다.
참고로, 상기 유기 발광 소자(100')는 필요에 따라 새로운 층을 더 추가하거나 제외시켜 구현할 수도 있으며, 상기 정공 수송층(120')과 전자 수송층(140')의 위치는 서로 바뀔 수 있다. 이 경우, 물론 제1 전극(110')과 제2 전극(150')의 극성도 달라지게 된다.
그리고, 상기 제3 투명 기판(30')은 상기 제1 전극(110') 상에 형성되어 소자 전체를 봉지할 수 있는 것으로, 광 투과성이 우수한 투명 유리, 투명 플라스틱 등이 사용될 수 있다.
본 발명의 전기 변색층은 전기 변색 물질, 전해질염, 용매 및 전자 수용성 분자를 포함하는 용액을 사용하여 형성될 수 있으며, 각각의 성분의 구체적 예는 다음과 같다.
[전기 변색 물질]
상기 전기 변색 물질로는 이소벤조퓨라논(isobenzofuranone)계 화합물, 바람직하게는 아미노기(amino group)를 전자 도너 유니트(electron donor unit)로 포함하는 이소벤조퓨라논계 화합물, 보다 바람직하게는 류코 다이(leuco dye)를 사용할 수 있다. 또한, WO3 및 IrO2와 같은 금속 산화물도 사용할 수 있다.
예를 들면, 검은색을 띄는 류코 다이인 하기 화학식 1의 Black 100, 화학식 2의 ETAC, 화학식 3의 Black 400, 화학식 4의 Black 305, 화학식 5의 S-205, 화학식 6의 NIR Black 78, 파란색을 띄는 류코 다이인 화학식 7의 CVL(Crystal Violet Lactone), 빨간색을 띄는 류코 다이인 화학식 8의 Red 500 및 화학식 9의 Red 520으로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상을 사용할 수 있다.
[화학식 1]
Figure 112013082608608-pat00001

[화학식 2]
Figure 112013082608608-pat00002

[화학식 3]
Figure 112013082608608-pat00003

[화학식 4]
Figure 112013082608608-pat00004

[화학식 5]
Figure 112013082608608-pat00005

[화학식 6]
Figure 112013082608608-pat00006

[화학식 7]
Figure 112013082608608-pat00007

[화학식 8]
Figure 112013082608608-pat00008

[화학식 9]
Figure 112013082608608-pat00009

[전해질염]
상기 전해질염으로는, 예를 들면 LiClO4, NaClO4, KClO4, RbClO4와 같은 과염소산의 알칼리금속염, NH4ClO4, HClO4, 테트라-n-부틸암모늄 브로마이드, 테트라-n-부틸암모늄 클로라이드, 테트라-n-부틸암모늄 테트라플루오로보레이트, 테트라-n-부틸암모늄 헥사플루오로포스페이트, 테트라-n-부틸암모늄 디하이드로젠트리플루오라이드, 테트라-n-부틸암모늄 요오다이드 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
[용매]
상기 용매로는, 구체적으로 N,N-디에틸아세트아미드, 디메틸아세트아미드(Dimethylacetamide), 디메틸포름아미드(Dimethylformamide), N-메틸-2-피롤리돈(N-Methyl-2-pyrrolidone), N-메틸포름아미드(N-Methylformamide), N-비닐피롤리돈(N-Vinylpyrrolidone), 포름아미드(Formamide), 2-피롤리돈(2-pyrrolidone)과 같은 아미드(amide)를 포함하는 유기 용매; 벤질 벤조에이트(Benzyl benzoate), 부틸 아세테이트(Butyl actate), 에틸 아세테이트(Ethyl acetate), 에틸 아세토아세테이트(Ethyl acetoacetate), 에틸 부티레이트(Ethyl butyrate), 에틸 락테이트(Ethyl lactate), 이소프로필 아세테이트(Isopropyl acetate), 메틸 아세테이트(Methyl acetate), 메틸 부티레이트(Methyl butyrate), 메틸 페닐아세테이트(Methyl phenylacetate), 메틸 프로피오네이트(Methyl propionate), 디옥틸 테레프탈레이트(Dioctyl terephthalate), 헥실 아세테이트(Hexyl acetate), 이소아밀 아세테이트(Isoamyl acetate), 이소부틸 아세테이트(Isobutyl acetate), 프로필 아세테이트(Propyl acetate), 트리아세틴(Triacetin)와 같은 에스테르(Ester)를 포함하는 유기 용매; 프로필렌 카보네이트(Propylene carbonate), 에틸렌 카보네이트(ethylene carbonate), 비닐렌 카보네이트(Vinylene carbonate)와 같은 카보네이트(Cabonate)를 포함하는 고리 화합물 유기 용매 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
[전자 수용성 분자]
상기 전자 수용성 분자로는, 구체적으로 하이드로퀴논, 메틸하이드로퀴논(Methylhydroquinone), 메톡시하이드로퀴논(Methoxyhydroquinone), 아세틸하이드로퀴논(Acethylhydroquinone), 디메틸하이드로퀴논(Dimethylhydroquinone), 트리메틸하이드로퀴논(Trimethylhydroquinone), 에틸하이드로퀴논(Ethylhydroquinone), 부틸하이드로퀴논(Butylhydroqunone), t-부틸하이드로퀴논(t-butylhydroquinone)과 같은 하이드로퀴논계 화합물; 벤질(Benzil); 페로센, 메틸페로센(Methylferrocene), 디메틸페로센(Dimethylferrocene), 아세틸페로센(Acethylferrocene), 에틸페로센(Ethylferrocene), 비닐페로센(Vinylferrocene), 디페닐페로센(Diphenylferrocene), 메톡시-메틸페로센(Methoxy-methylferrocene), 부틸페로센(butylferrocene), t-부틸페로센(t-butylferroce), 클로로메틸페로센(Chloro methyl ferrocene)과 같은 페로센계 화합물 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이하에서는 본 발명과 관련된 실험예를 설명한다.
[실험예 1]
<유기 발광 소자의 제작>
제1 투명 기판(10)으로 사용 된 유리 기판 위에 ITO가 투명 전극(110)으로 150nm의 두께로 형성되어 있으며, 그 위에 증착된 유기물층을 2.5×10-7 torr이하의 진공도에서 열 증착을 이용하여 형성하였다. 투명 전극(110) 위에 정공 수송층(120)으로 NPB(30nm)/TCTA(10nm), 발광층(130)으로 CBP:Ir(ppy)3[5%](20nm), 전자 수송층(140)으로 Bphen(35nm), Lithum qinolate(1nm)를 형성하였고, 그 위에 고반사 반투명 전극(150)으로 Ag(12nm), WO3(30nm)을 형성하여 녹색(Green) 유기 발광 소자를 제작하였다.
<전기 변색 용액 제조>
전해질염으로 테트라-n-부틸암모늄 테트라플루오로보레이트( Tetra-n-butylamonium tetrafluoroborate)을 5.1wt%, 전기 변색 물질로 사용된 Black 100을 10.0wt%로 구비하였다. 전자 수용성 분자로 사용되는 디메틸하이드로퀴논(Dimethylhydroquinone), 페로센(Ferrocene), 벤질(Benzil)을 각각 2.9wt%, 0.5wt%, 14.9wt%로 구비하였다. 상기 기술된 전해질염, 전기 변색 물질, 전자 수용성 분자를 N,N-디에틸아세트아미드(N,N-diethylacetamide) 유기 용매와 스터러(Stirrer)를 이용하여 40℃에서 60분간 혼합하여 전기 변색층(230)으로 쓰일 전기 변색 용액을 제조하였다.
<유기 발광 소자와 전기 변색 소자의 결합>
상기 고반사 반투명 전극(150) 위에 전기 변색층(230)을 형성시키기 위하여 접합층(30)을 투과도가 우수한 투명 기판으로 구비하고, 그 위에 ITO가 EC(ElectroChromic)용 제3 투명 전극(210)으로 150nm 형성되었다. 그리고 상기 EC용 제3 투명 전극(210) 위에 스페이서(spacer)를 형성시켜서 그 위에 150nm의 ITO EC용 제4 투명 전극(250)과, 상기 EC용 제3 투명 전극(210) 사이에 상기 전기 변색 용액이 주입될 공간의 높이 10 ~ 50μm를 확보하였다. 상기 전기 변색 용액을 상기 스페이서(spacer)에 의해 생긴 공간으로 주입시킨 후 소자를 봉지하였다.
[ 비교예 1]
본 비교예 1은 상기 실험예 1과 비교할 때 고반사 반투명 전극(150)을 대신하여 투과도가 높은 투명 전극을 구비하였다. 저손상 스퍼터링 공정(Low damage sputtering process)을 통해 60nm 두께의 ITO로 상기 투과도가 높은 음극을 형성하였다.
[ 비교예 2]
본 비교예 2는 상기 실험예 1과 비교할 때 EC용 제3 투명 전극(210), 전기 변색층(230), EC용 제4 투명 전극(250), 제2 투명 기판(20)을 제1 투명 기판(10) 하부에 차례로 형성하는 것이다.
이에 따라, 상기 전기 변색 소자는 사람이 직접 유기 발광 소자를 보는 면에 형성되게 된다.
소자의 투과도
(%)		 유기 발광 소자의
광 효율 (lm/W)		 명암비
(400lux 기준)
실험예 1 60.7 14.6 45140:1
비교예 1 63.8 5.3 8065:1
비교예 2 60.1 0.006 4:1
상기 실험에서, 소자의 투과도는 550nm에서 측정하였으며, 유기 발광 소자의 광 효율은 1000nit에서 측정하였고, 이때의 구동 전압은 5V이다. 단, 비교예 2는 충분한 휘도를 내지 못했기 때문에 유기 발광 소자의 최대 광 효율을 기재하였다.
상기 표 1 에서부터 알 수 있듯이, 비교예 1은 실험예 1에 비해 소자의 투과도는 높지만 유기 발광 소자의 광 효율이 낮다. 실험예 1, 비교예 1, 비교예 2 중에 비교예 1의 투과도가 가장 높게 측정되었고, 실험예 1의 유기 발광 소자의 광 효율이 가장 높게 측정되었다. 실험예 1은 비교예 1보다 약 3% 정도 투과도가 낮지만, 유기 발광 소자의 광 효율이나 소자의 명암비(contrast ratio)가 월등히 높게 측정되었다. 따라서, 유기 발광 소자의 양극을 고반사 반투명 전극으로 구현한다면 약 60%의 투과도를 확보하면서도 높은 광 효율과 명암비(contrast ratio)를 확보할 수 있다.
한편, 도 3은 전기 변색 물질로 류코 다이(leuco dye)를 사용할 경우 가시광선 영역에서의 투과도 특성을 나타낸 그래프이다. 도 3은 Black 100을 류코 다이(leuco dye)로 썼을 때 보이는 투과도 특성을 나타낸 것으로, 전압을 인가하여 컬러 모드(colored mode)가 되었을 때 다른 전기 변색 물질(일반적으로 WO3나 비올로겐(Viologen))보다 가시광선 영역에서 높은 색 변화율을 보이는 것을 알 수 있다. 참고로, 빛을 차단하는 검은색 전기 변색 소자(Electrochromic device)를 구현하기 위해 검은색을 띄는 류코 다이(leuco dye)를 쓰거나, 파란색, 빨간색 류코 다이(leuco dye)를 혼합해서 사용할 수 있다.
마지막으로, 도 4(a) 및 도 4(b)는 각각 전기 변색 소자에 전압을 인가하지 않은 경우와 전압을 인가한 경우의 스마트 윈도우 사진이다.
도 4(a)는 전기 변색 소자에 전압을 인가하지 않아 투명하게 되며, 이에 따라 본 발명에 따른 스마트 윈도우를 양면 발광형으로 사용할 수 있다. 그리고, 도 4(b)는 전기 변색 소자에 전압을 인가하여 검은색을 띠게 되며, 이에 따라 본 발명에 따른 스마트 윈도우를 일면 발광형(배면 발광형 또는 전면 발광형)으로 사용할 수 있다.
이상으로 본 발명의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적인 기술은 단지 바람직한 구현예일 뿐이며, 이에 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아님은 명백하다. 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
따라서, 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 특허청구범위와 그의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.
10, 10': 제1 투명 기판 20, 20': 제2 투명 기판
30: 접합층 30': 제3 투명 기판
100, 100': 유기 발광 소자 110, 110': 제1 전극
120, 120': 정공 수송층 130, 130': 발광층
140, 140': 전자 수송층 150, 150': 제2 전극
200, 200': 전기 변색 소자 210, 210': 제3 전극
230, 230': 전기 변색층 250, 250': 제4 전극

Claims (11)

  1. 서로 대응되는 제1 전극과 제2 전극, 그리고 상기 제1 전극과 제2 전극 사이에 위치하며 유기 발광 물질을 포함하는 발광층을 구비하는 유기 발광 소자;
    서로 대응되는 제3 전극과 제4 전극, 그리고 상기 제3 전극과 제4 전극 사이에 위치하며 전기 변색 물질을 포함하는 전기 변색층을 구비하는 전기 변색 소자; 및
    상기 유기 발광 소자의 제2 전극과 상기 전기 변색 소자의 제3 전극을 서로 접합시키는 접합층을 포함하고,
    상기 제1 전극은 투명 전극 또는 반투명 전극으로 형성되고, 상기 제2 전극은 고반사 반투명 전극으로 형성되며,
    상기 접합층은 투명 기판 및 다층 박막 중 적어도 하나로 형성된 것을 특징으로 하는 스마트 윈도우.
  2. 제1 투명 기판;
    상기 제1 투명 기판 상에 위치하는 제1 전극;
    상기 제1 전극 상에 위치하며 유기 발광 물질을 포함하는 발광층;
    상기 발광층 상에 위치하는 제2 전극;
    상기 제2 전극 상에 위치하는 접합층;
    상기 접합층 상에 위치하는 제3 전극;
    상기 제3 전극 상에 위치하며 전기 변색 물질을 포함하는 전기 변색층;
    상기 전기 변색층 상에 위치하는 제4 전극; 및
    상기 제4 전극 상에 위치하는 제2 투명 기판을 포함하고,
    상기 제1 전극은 투명 전극 또는 반투명 전극으로 형성되고, 상기 제2 전극은 고반사 반투명 전극으로 형성되며,
    상기 접합층은 투명 기판 및 다층 박막 중 적어도 하나로 형성된 것을 특징으로 하는 스마트 윈도우.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 고반사 반투명 전극은 은(Ag) 전극, 알루미늄(Al) 전극, 은(Ag)과 알루미늄(Al) 중 적어도 하나를 포함하는 다층(multi layer) 구조 전극, 또는 산화물 투명 전극과 유전체 거울(dielectric mirror)을 조합한 전극으로 형성된 것을 특징으로 하는 스마트 윈도우.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 전극과 상기 발광층 사이에 정공 수송층 또는 전자 수송층이 추가로 구비되고, 상기 제2 전극과 상기 발광층 사이에 전자 수송층 또는 정공 수송층이 추가로 구비된 것을 특징으로 하는 스마트 윈도우.
  5. 삭제
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 전기 변색층은 다층박막상태, 용액상태, 또는 다층박막상태와 용액상태가 혼합된 상태인 것을 특징으로 하는 스마트 윈도우.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 전기 변색층은 전기 변색 물질, 전해질염, 용매 및 전자 수용성 분자를 포함하는 용액을 사용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 스마트 윈도우.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 전기 변색 물질은 이소벤조퓨라논(isobenzofuranone)계 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 스마트 윈도우.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 전기 변색 물질은 아미노기(amino group)를 전자 도너 유니트(electron donor unit)로 포함하는 이소벤조퓨라논계 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 스마트 윈도우.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 전기 변색 물질은 류코 다이를 포함하는 것을 특징으로 하는 스마트 윈도우.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 전기 변색 물질은 금속 산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 스마트 윈도우.
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