KR101535100B1

KR101535100B1 - 전기변색 스마트 윈도우 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR101535100B1
Application number: KR1020150008477A
Authority: KR
Inventors: 준영 허; 정준원
Original assignee: 준영 허; 정준원
Priority date: 2015-01-19
Filing date: 2015-01-19
Publication date: 2015-07-09

Abstract

본 발명은 전기변색 스마트 윈도우 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 전기 변색 스마트 윈도우는 하부기판; 상기 하부기판 상에 형성되는 전도층; 상기 전도층 상에 형성되는 하부 투명전극; 상기 하부 투명전극 상에 형성되는 음극 전기변색층; 상기 음극 전기변색층 상에 형성되는 이온 전도층; 상기 이온 전도층 상에 형성되는 양극 전기변색층; 상기 양극 전기변색층 상에 형성되는 상부 투명전극; 및 상기 상부 투명전극 상에 형성되는 상부기판;을 포함하고, 상기 이온 전도층은 상기 하부 투명전극 및 상기 상부 투명전극을 통해 전압이 가해지면 상기 음극 전기변색층과 상기 양극 전기변색층에 이온을 전이시켜 상기 음극 전기변색층에서는 환원 반응을 통해 변색이 이루어지도록 하고 상기 양극 전기변색층에서는 산화 반응을 통해 변색이 이루어지도록 한다. 반대로 상기 이온 전도층에 역전압이 가해지면 상기 이온 전도층은 이온을 전이시켜 상기 음극 전기변색층에서는 산화 반응을 통해 탈색이 이루어지도록 하고 상기 양극 전기변색층에서는 환원 반응을 통해 탈색이 이루어지도록 한다.

Description

전기변색 스마트 윈도우 및 그 제조 방법{ELECTROCHROMIC SMART WINDOW AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명의 실시예는 전기변색 스마트 윈도우 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로 전기변색 소자란 가해진 전압의 변화에 의해 색깔, 흡수성, 투과성, 반사율 등의 광학적 특성이 전기 화학적 반응에 의해 변화하는 것으로, 이러한 특성은 여러 무기재료 및 유기재료에서 관찰되고 있다.

일부 물질들의 전기 변색 특성은 1960년대에 이미 발견되었지만 이를 응용한 기술들은 그 잠재적 가치에 비해 상당히 제한적으로 이용되어 왔다.

예를 들어, 전기변색 소자 기술은 스마트 윈도우라는 이름으로 불리면서, 자동차백미러, 모터사이클의 헬멧, 소규모 건물 창문 등에 부분적으로 사용되어 왔으며, 일부 유럽의 고급자동차 메이커들이 선루프 등에 도입하기 시작했고, 대형 TV와 모니터 등의 평면디스플레이에 응용하기 위한 연구가 진행 중이다. 최근 미주지역을 중심으로 상업적 창호용 스마트 글라스가 양산 초기단계에 있으나 많은 기술적 문제점들 때문에 낮은 수율과 높은 생산 단가 때문에 제한적인 응용분야에만 사용되고 있다.

전기변색 기술의 한 예로서 이 기술을 채택한 백미러의 경우, 밤에는 코팅된 박막층이 반사율을 낮추어서 뒤에서 비추어지는 전조등이 운전자의 시야를 방해하지 않도록 할 수 있다.

전기변색 장치는 이온전도체(ion conductor)를 구성하는 재료에 따라 크게 두 종류로 나뉘어지는데, 첫째는 유기계의 액체, sol-gel, 혹은 고체중합체를 이용한 것이고, 다른 하나는 무기재료 박막층이다.

여기서, 상기 전기변색층은 무기계의 대표적 전기변색 물질인 산화텅스텐, 산화타이타니움, 산화탄탈룸, 산화니오비움(이상 음극형), 산화니켈, 산화이리디움(이상 양극형) 혹은 산화바나듐 (음극 및 양극형) 등을 사용하거나, 유기계의 전기변색 물질인 폴리아닐린, 폴리싸이오펜, 폴리피롤, 비올로진 중합유도체 중에서 선택적으로 사용된다.

고체 중합체를 이용한 일부 유기계의 전기변색 소자는 태양광에 노출될 경우 자외선(UV)에 민감하게 반응하는 등의 결점을 가지고 있다.

무기계의 전기변색물질은 유기계에 비하여 안정성 및 내구성 등에서 상대적으로 우수한 장점을 가지고 있으나, 투명전극층의 면저항 및 전기변색 물질의 자체 저항, 그리고 전기변색 물질층으로의 금속이온의 확산속도가 상대적으로 느려서 전기변색속도가 비례하여 느리고, 대형기판에 응용하는 경우 전압 인가점에서부터의 거리가 멀수록 도선 혹은 버스바 길이에 따른 전압강하가 발생하여, 전기변색층의 변색 첨두 파형이 균일하게 진행되지 못하는 단점이 있었다.

한편, 이와 같은 기술을 사용하는 관련 선행기술로는 "전기변색물질을 이용한 스마트 윈도우 및 그 제조방법(한국 공개특허공보 제2003-0073121호: 공개일자: 2003년 09월 19일)"이 있다.

본 발명은 전술한 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 대칭형 또는 직교형의 두 쌍의 버스바(busbar)를 통해서 낮은 직류전압을 상부 투명전극과 하부 투명전극에 인가하면 이온을 전도시키는 이온 전도층을 통해 음극 전기변색층에 환원반응을 발생시키고, 이때 양극 전기변색층은 이온을 저장하는 역할을 하거나 산화반응에 의해 음극 전기변색층과 동일한 변색이 가능하도록 하여, 태양광의 적외선(IR)에 의한 복사열에너지는 차단하고, 가시광선은 선택적 또는 부분적으로 투과시키는 스마트 윈도우를 제조하는 동시에 빠른 변색속도(switching speed)와 균일한 변색첨두파형을 구현하고자 한다.

전술한 문제를 해결하기 위한 본 실시예에 따른 전기변색 스마트 윈도우는 하부기판; 상기 하부기판 상에 형성되는 전도층; 상기 전도층 상에 형성되는 하부 투명전극; 상기 하부 투명전극 상에 형성되는 음극 전기변색층; 상기 음극 전기변색층 상에 형성되는 이온 전도층; 상기 이온 전도층 상에 형성되는 양극 전기변색층; 상기 양극 전기변색층 상에 형성되는 상부 투명전극; 및 상기 상부 투명전극 상에 형성되는 상부기판;을 포함하고, 상기 이온 전도층은 상기 하부 투명전극 및 상기 상부 투명전극을 통해 전압이 가해지면 상기 음극 전기변색층과 상기 양극 전기변색층에 이온을 전이시켜 상기 음극 전기변색층에는 환원 반응을 이루어지도록 하고 상기 양극 전기변색층에는 산화 반응을 이루어지도록 한다.

본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 상기 하부기판 및 상기 상부기판은 평면 또는 곡면의 0.2 mm 내지 12.5 mm의 두께의 강화유리(Tempered Glass), 비강화유리(Annealed Glass) 또는 0.02 mm 내지 12.5 mm의 플라스틱으로 형성되고, 상기 플라스틱의 재료는 polycarbonate, acrylic, allyl diglycol carbonate, poly 4-methyl-1-pentene, polyester, polymide, polystyrene 또는 styrene acrylonitrile copolymer로 형성되며, 상기 플라스틱의 표면에는 유사다이아몬드, 산화실리콘 또는 실리카 박막층이 형성되고, 상기 강화유리 또는 상기 비강화유리의 표면에도 복층의 보호막이 형성되고, 상기 하부 투명전극 및 상기 상부 투명전극은 산화 인디움주석(ITO), 산화아연(AZO) 또는 산화주석(FTO)으로 형성되고, 상기 전도층은 망사형 전도층, 자외선 흡수 박막층(UV Absorbing Layer) 또는 입사광(Incident Rays) 반사방지용(Anti-reflection) 박막으로 형성될 수 있다.

본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 상기 음극 전기변색층은 상기 음극 전기변색층은 환원반응시에 변색을 일으키는 산화텅스텐(WO₃), 산화몰리브데늄(MoO₃), 산화니오비움(Nb₂0₅), 산화타이타니움(TiO₂) 또는 산화탄탈룸(Ta₂O₅)을 선택적으로 포함하거나, 상기 양극 전기변색층은 산화반응시에 변색을 일으키는 산화니켈(NiO₂), 산화니켈텅스텐(NixW1-xOy) 또는 산화이리디움(IrO₃)을 선택적으로 포함하거나, 산화크롬(CrO₃), 산화망간(MnO₂), 산화철(Fe0₂), 산화코발트(CoO₂) 또는 산화로디움(RhO₂)을 포함하고, 또는 필요한 경우 상기 음극 전기변색층과 상기 양극 전기변색층은 산화바나듐(V₂O₅)을 선택적으로 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 상기 이온 전도층은 LiNbO₃, LiBO₂이나, Li이 도핑이 된 Al₂SiO₅, Ta₂O₃, WO 그리고 ZrO₂와 같은 무기질박막으로 형성되거나, SPE(Solid Polymer Electorlytes), GPE(Gel Polymer electrolytes), CGPE(Composite Gel Polymer electrolytes), CE(Composite Organic and Inorganic electrolytes), LE(Liquid electrolytes), PC(Propylene Carbonate)에용해된 LiTFS(Lithium Bismide - Trifluoromethylsulfone)염 또는 PMMA(Polymethyl Methacrylate)를 포함하는 중합체폴리머로 형성되거나, LiTFS, LiBF₄, LiPF₆, LiAsF₆, LiCF₃SO₃, LiB(C₆F₅)₄ 또는 LiClO₄ 리튬염으로 형성되고, 상기 이온 전도층이 중합체폴리머로 형성되는 경우, 상기 하부 투명전극 상에 형성되는 자외선흡수막층 또는 반사방지막층을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 상기 하부 투명전극 상에 배치되어 상기 하부 투명전극층에 전압을 인가하기 위한 하부 전극용 버스바(busbar); 및 상기 상부 투명전극 상에 배치되어 상기 상부 투명전극층에 전압을 인가하기 위한 상부 전극용 버스바(busbar); 상기 하부 전극용 버스바(busbar) 및 상부 전극용 버스바(busbar)는 30℃ 내지 450℃의 저온-고온-저온 열처리를 통해 소결되는 액상의 고전도 화합물 또는 170℃ 내지 300℃에서 용융되는 전도체를 이용해 선 또는 박막 테입 형태로 형성될 수 있다.

본 발명에 일실시예에 따른 전기변색 스마트 윈도우의 제조 방법은, 하부기판 상에 전도층을 형성하는 단계; 상기 전도층 상에 하부 투명전극을 형성하는 단계; 상기 하부 투명전극 상에 음극 전기변색층을 형성하는 단계; 상기 음극 전기변색층 상에 이온 전도층을 형성하는 단계; 상기 이온 전도층 상에 양극 전기변색층을 형성하는 단계: 상기 양극 전기변색층 상에 상부 투명전극을 형성하는 단계; 상기 하부 투명전극 상에 연결되는 하부 전극용 버스바 및 상기 상부 투명전극 상에 연결되는 상부 전극용 버스바를 형성하는 단계; 및 상기 상부 투명전극 상에 상부기판을 형성하는 단계;를 포함한다.

본 발명의 실시예에 따른 전기변색 스마트 윈도우는 대칭형 또는 직교형의 두 쌍의 버스바(busbar)를 통해서 낮은 직류전압을 상부 투명전극과 하부 투명전극에 인가하여 이온을 전도시키는 이온 전도층을 통해 음극 전기변색층에 환원반응을 발생시키고, 양극 전기변색층은 이온을 저장하는 역할을 하여 90% 이상의 가시광선 투과율을 유지하거나 음극 전기변색층과 동일한 변색이 가능하도록 하여, 하나 혹은 두 개의 변색층에서 적외선(IR)은 차단하여 태양열복사 에너지의 통과를 최소화 한다.

또한, 본 발명에 따르면 전기변색층의 나노입자들은 물리적 특성에 따라 색깔과 투과율이 변하게 되는데, 전기장의 크기에 따라 부분적 차광막을 형성하고 가시광선의 투과율을 자동 또는 수동으로 조절함으로써 인간공학적 시각 환경을 만족시키는 동시에 실내 냉방 공조 및 조명에 사용되는 에너지를 최소화할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면 유리기판 또는 플라스틱 기판의 크기가 증가함에 따라 발생하는 버스바의 도선 길이 방향의 전압 강하 문제를 최소화하고 투명전극의 전도성을 최대화할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면 투명전극의 증착 또는 도포 이전에 금속망사층이나 나노 입자층으로 구성되는 전도층을 형성하여 투명전극의 면저항(surface resistance)을 최대 10배 이상 개선하여 변색(tinting)과 탈색(bleaching) 과정의 천이 속도를 극대화하고 변색 첨두 파형의 진행을 최대한 고르게 할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면 레이저를 이용해 상부 투명전극과 하부 투명전극 간의 내부 연결회로를 구성하고 상부 투명전극과 하부 투명전극에 각각 한쌍의 대칭형 버스바 또는 직교형 버스바를 형성하여, 투명전극 당 하나의 버스바만을 사용하는 종래기술에 비하여 전기변색 스마트 윈도우의 변색 속도를 배가시켜 변색 소요시간을 두 배 이상 단축시키고 보다 균일한 변색 과정을 구현할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면 하부기판 상에 반사방지막(Anti-reflecting film)을 형성하여 특정 각도로 입사되는 태양광이 반사되는 것을 최소화하고 하부 투명전극 상에 자외선(UV) 흡수층을 형성하여 자외선을 차단할 수 있다.

따라서, 본 발명에 따르면 전기변색 스마트 윈도우를 날씨와 일출 시간, 일몰 시간 및 태양 입사각도 등을 전기변색 스마트 윈도우의 위치와 연계하여 변색 강도와 시간을 프로그램하여 단위 구역별로 조절함으로써 전력 사용을 최소화할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전기변색 스마트 윈도우의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전기변색 스마트 윈도우의 상면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 일실시예에 따른 전기변색 스마트 윈도우의 상면도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 전기변색 스마트 윈도우의 제조 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 바람직한 본 발명의 일실시예에 대해서 상세히 설명한다. 다만, 실시형태를 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략한다. 또한, 도면에서의 각 구성요소들의 크기는 설명을 위하여 과장될 수 있으며, 실제로 적용되는 크기를 의미하는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전기변색 스마트 윈도우의 단면도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 전기변색 스마트 윈도우는 유리 또는 플라스틱 재료의 하부기판(1)과 상부기판(12), 상기 하부기판(1)의 한면에 나노 와이어(14) 형태로 증착 또는 도포되어 하부 투명전극층(3)의 면저항을 낮추고 전기전도도는 향상시키는 전도층(2), 증착 또는 도포되어 전압이 인가되면 전기를 통전시키는 하부 투명전극층(3), 전기변색이 이루어지는 음극 전기변색층(4)과 양극 전기변색층(6), 전압이 인가되면 상기 음극 전기변색층(4)과 상기 양극 전기변색층(6)에 이온을 전이시켜 상기 음극 전기변색층(4)에서는 환원 반응을 이루어지도록 하고 상기 양극 전기변색층(6)에서는 산화 반응을 이루어지도록 하는 이온 전도층(5), 상기 양극 전기변색층(6)의 상부에 증착 또는 도포되어 전기를 통전시키는 상부 투명 전극(7)을 포함한다.

하부기판(1) 및 상부기판(12)은 평면 또는 곡면의 0.2 mm 내지 12.5 mm의 두께의 강화유리(Tempered Glass) 또는 비강화유리(Annealed Glass), 혹은 0.02 mm 내지 12.5 mm의 플라스틱으로 형성될 수 있으며, 상기 플라스틱의 재료는 polycarbonate, acrylic, allyl diglycol carbonate, poly 4-methyl-1-pentene, polyester, polymide, polystyrene 또는 styrene acrylonitrile copolymer로 형성되며, 그 표면에는 유사다이아몬드, 산화실리콘 또는 실리카 박막층이 형성되고, 상기 강화유리 또는 상기 비강화유리의 표면에도 복층의 보호막이 형성될 수 있다.

상기 하부 투명전극층(3)과 상기 상부 투명전극층(7)은 PVD(physical vapor deposition), solutions 또는 잉크젯 방식에 의해 증착 또는 도포되어 형성되어, 전압이 인가되면 전기적 신호를 상기 음극 전기변색층(4)과 양극 전기변색층(6)에 전달한다. 이때, 상기 하부 투명전극층(3)은 전도층(2) 위에 직접 증착될 수 있다.

또한, 상기 하부 투명전극층(3)은 표면 상에 자외선 흡수 박막층(UV Absorbing Layer) 또는 입사광(Incident Rays) 반사방지용(Anti-reflection) 박막을 더 포함하여 구성될 수 있다.

상기 하부기판(1) 상에는 전도층(2)을 증착 또는 도포하여 형성한다.

이때, 상기 전도층(2)은 망사형 전도층으로 구성되어, 예를 들어 평균 직경이 50nm인 은(Ag) 입자를 포함하는 자외선 감응형 수지(resin)을 포함하며, 높이가 최대 3㎛로 형성될 수 있으며, 나노 와이어(140) 간의 평균 간격은 200㎛로 형성될 수 있다.

상기 망사형 전도층의 투과율은 탈색(bleaching) 시에 순수 산화인디움 주석(ITO) 투명 전극 기준으로 평균 5%(500 nm 파장근처에서는 10%) 정도의 가시광선 투과율 감소를 발생시킨다.

상기 전도층(2)과 하부 투명전극층(3)에 의해, 하부 투명전극층(3)과 상부 투명전극층(7) 사이의 음극 전기변색층(4), 양극 전기변색층(6), 이온 전도층(5)에 인가되는 전기 전도도가 향상되므로, 산화와 환원 시에 음극 전기변색층(4), 양극 전기변색층(6), 이온 전도층(5)으로 전달되는 이온의 농도 변화를 단시간 내에 구현시킬 수 있도록 하여, 상기 음극 전기변색층(4)와 상기 양극 전기변색층(6)의 변색 속도를 크게 향상시킬 수 있다.

상기 전도층(2)이 망사형 전도층으로 구성되는 경우에 그 높이는 자외선 감응형 수지의 높이를 포함하여 최대 3 ㎛의 높이로 형성될 수 있으며, 하부 투명전극층(3), 음극 전기변색층(4), 이온 전도층(5), 양극 전기변색층(6) 및 상부 투명전극층(7)을 모두 합한 두께는 평균 2.5 ㎛ 내외에 불과하다.

하지만, 상기 망사형 전도층의 박막의 표면조도의 차이와 불순물(impurities) 때문에 발생하는 수직형 전기 단락(shorting)이 예견되므로, 이를 최소화하기 위해 유리나 플라스틱 기판(1)위에 마스킹(masking) 재료를 도포하고 레이저로 망사형 그리드 형태의 홈을 각인하며, 상기 홈을 따라 금속물질을 선택적으로 도포하여 마스킹 재료를 제거하는 공정을 사용할 수 있다.

한편, 상기 전도층(2)은 자외선 흡수 박막층(UV Absorbing Layer) 또는 입사광(Incident Rays) 반사방지용(Anti-reflection) 박막으로 구성될 수도 있다.

상기 하부 투명전극층(3) 및 상부 투명전극층(7)은 산화 인디움주석(ITO), 프로린이 첨가된 산화주석(FTO), 또는 알루미늄이 첨가된 산화아연(AZO) 중에서 선택적으로 사용할 수 있다.

또한, 상기 하부 투명전극층(3) 및 상부 투명전극층(7)의 두께는 80 nm 내지 800 nm로 형성될 수 있으며, 저항은 평균 10 Ω/sq 여야 하며, 저항 값이 적을수록 변색 적층 장치의 전기적 성능을 향상시킬 수 있다.

상기 하부 투명전극층(3) 및 상부 투명전극층(7)에 전압이 가해지면, 상기 이온 전도층(5)은 H+, Li+, Na+, K+와 같은 작은 질량 원소 이온을 음극 전기변색층(4) 또는 양극 전기변색층(6)으로 전이시키는 역할을 하되 낮은 전기 전도성을 갖는 물질로 구성되며, LiNbO₃, LiBO₂이나, Li이 도핑이된 Al₂SiO₅, Ta₂O₃, WO 그리고 ZrO₂와 같은 무기질박막을 사용하거나, SPE(Solid Polymer Electorlytes), GPE(Gel Polymer electrolytes), CGPE(Composite Gel Polymer electrolytes), CE(Composite Organic and Inorganic electrolytes), LE(Liquid electrolytes), PC(Propylene Carbonate)에 용해된 LiTFS(Lithium Bismide - Trifluoromethylsulfone)염 또는 PMMA(Polymethyl Methacrylate)를 포함하는 중합체폴리머로 형성되거나, 혹은 LiTFS, LiBF₄, LiPF₆, LiAsF₆, LiCF₃SO₃, LiB(C₆F₅)₄ 또는 LiClO₄ 리튬염으로 형성될 수 있다.

이온 전도층(5)은 PVD(physical vapor deposition), solutions 또는 잉크젯 방식에 의해 증착 또는 도포되어 형성될 수 있다.

또한, 상기 음극 전기변색층(4)과 상기 양극 전기변색층(6)은 상기 이온 전도층(5)에서 예를 들어 +1.5V의 정전압의 크기에 따라 유입되는 이온의 농도에 따른 변화에 의해 각각 환원 및 산화 반응을 일으키는데, 이때 가시광선 파장 대역의 투명도가 변화되면서 유색(tinting)으로 변화되는데 최종 변색 모듈의 가시광선 투과율은 4% 이하가 된다.

또한, 상기 음극 전기변색층(4)과 상기 양극 전기변색층(6)은 예를 들어 -1.5V의 역전압이 인가되면 원래의 투명상태로 돌아가게 되는데, 이때 최종 탈색(bleach) 상태에서 모듈의 가시광선 투과율은 90% 이상이 된다.

마찬가지로, 상기 음극 전기변색층(4)과 상기 양극 전기변색층(6)은 PVD(physical vapor deposition), solutions 또는 잉크젯 방식에 의해 증착 또는 도포되어 형성될 수 있다.

보다 구체적으로, 상기 음극 전기변색층(4)은산화텅스텐, 산화몰리브데늄(MoO₃), 산화니오비움(Nb₂0₅), 산화타이타니움(TiO₂) 또는 산화탄탈룸(Ta₂O₅)와 같이 환원반응시에는 변색, 산화반응시에는 탈색되는 금속산화물로 형성된다.

또한, 상기 양극 전기변색층(6)은 산화니켈(NiO₂), 산화니켈텅스텐(NixW1-xOy) 또는 산화이리디움(IrO₃)과 같이 산화반응시에는 변색, 환원반응시에는 탈색되는 금속산화물로 형성된다. 그 외에 가시광선영역에서 높은 투과율을 갖지는 않지만 특정 파장의 변색 색깔을 갖는 산화크롬(CrO₃), 산화망간(MnO₂), 산화철(Fe0₂), 산화코발트(CoO₂) 또는 산화로디움(RhO₂) 등도 선택적으로 사용될 수 있다.

산화바나듐(V2O5)은 상기 음극 전기변색층(4)과 상기 양극 전기변색층(6)에 모두 사용될 수 있으나 산화반응 시에 가시광선 투과율이 좋지 않은 단점이 있다.

상기 하부 투명전극층(3) 및 상부 투명전극층(7)에 전압을 가하기 위해 형성되는 버스바(8, 9)는 30℃ 내지 450℃ 범위의 저온-고온-저온의 열처리를 통해 소결되는 액상의 고전도 화합물, 예를 들어 은이 포함된 유리용액(fritted glass)을 사용하거나, 170℃ 내지 300℃ 정도에서 용융되는 고체 상태의 전도체를 선이나 박막 테이프 형태로 만든 후 용접 혹은 납땜(soldering) 과정을 거쳐 전극에 인가할 수 있으며, 이때 환경 영향을 고려하여 납성분이 없는 재료를 사용할 수도 있다.

한편, 상기 음극 전기변색층(4)과 상기 양극 전기변색층(6)을 모두 변색시키는 적층 구조를 구현하기 위해서는, 상부기판(12)에 상부 투명전극층(7)과 양극 전기변색층(6)을 미리 증착 또는 도포하고, 양극 전기변색층(6)과 음극 전기변색층(4)의 사이에 졸겔(sol-gel) 또는 액상의 중합체폴리머 또는 전해질(electrolyte)을 주입하여 이온 전도층(5)을 형성할 수 있다.

하부기판(1)과 상부기판(12)에 각각 증착 또는 도포된 하부 투명전극층(3) 및 상부 투명전극층(7)은 서로 마주보는 상태에서 대칭되는 4개의 변(side)의 끝단에 실리콘과 같은 접착 및 밀봉물질을 주입하여 표준에 맞게 소정의 높이로 응결시킴으로써 일차 절연 차단부(10)를 형성하고, 음극 전기변색층(4)과 양극 전기변색층(6)의 사이에 형성된 공간을 졸겔(sol-gel) 또는 액상의 중합체폴리머 또는 전해질을 주입하여 이온 전도층(5)을 형성한다.

하부기판(1)과 상부기판(12)은 하부 투명전극층(3), 음극 전기변색층(4), 이온 전도층(5), 양극 전기변색층(6) 및 상부 투명전극층(7)을 모두 합한 박막적층구조와 버스바(8, 9)를 사이에 두고, 진공 밀착 시켜 샌드위치 형태로 제작하거나, 박막이 적층된 하부기판(1)과 상부기판(12)에 밀봉(sealing) 물질로 일정한 거리를 유지하도록 형성한 일차 절연 차단부(10)와 이차 절연 차단부(11)를 이용해 이중 유리창(dual pane) 형태로 구성할 수도 있다.

또한, 하부기판(1)과 상부기판(12)의 사이의 공간은 비활성 가스(13)로 충전하거나 진공으로 형성할 수 있다.

그에 따라, 상기 이온 전도층(5)은 상기 하부 투명전극(3) 및 상기 상부 투명전극(7)을 통해 전압이 가해지면 상기 음극 전기변색층(4)과 상기 양극 전기변색층(6)에 이온을 전이시켜 상기 음극 전기변색층(4)에 환원 반응을 통한 변색이 이루어지도록 하고 상기 양극 전기변색층(6)에 산화 반응을 통한 변색이 이루어지도록 하며, 반대로 역전압이 가해지면 상기 이온 전도층(5)은 이온을 전이시켜 상기 음극 전기변색층(4)에서는 산화 반응을 통해 탈색이 이루어지도록 하고 상기 양극 전기변색층(6)에서는 환원 반응을 통해 탈색이 이루어지도록 할 수 있다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전기변색 스마트 윈도우의 상면도이고, 도 3은 본 발명의 다른 일실시예에 따른 전기변색 스마트 윈도우의 상면도이다.

보다 상세하게는 도 2와 도 3은 하부기판, 평행대칭형과 직교형 버스바들 및 투명전극들을 도시한 상면도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 하부 기판의 4개의 변(side)의 끝면에 두 개의 하부 전극용 버스바(9)가 한 조를 이루어 서로 평행하는 두 끝면에 배치되고, 상부 전극용 버스바(8)는 나머지 두 개의 서로 평행하는 끝면에 배치될 수 있다.

또 달리, 도 3에 도시된 바와 같이, 하부 기판의 4개의 변(side)의 끝면에 두 개의 하부 전극용 버스바(9)가 한 조를 이루어 서로 직교하는 두 끝면에 배치되고, 상부 전극용 버스바(8)는 나머지 두 개의 서로 직교하는 끝면에 배치될 수 있다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 전기변색 스마트 윈도우의 제조 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

이후부터는 도 4를 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 전기변색 스마트 윈도우의 제조 방법을 설명하기로 한다.

먼저, 하부기판을 적당한 크기로 자르고 세정한 이후에 상기 하부기판 상에 전도층을 형성한다(S41).

이때, 상기 전도층은 망사형 전도층, 자외선 흡수 박막층(UV Absorbing Layer) 또는 입사광(Incident Rays) 반사방지용(Anti-reflection) 박막으로 형성될 수 있다.

상기 망사형 전도층의 형성 시에는, 은(Ag) 나노 입자를 솔벤트에 용해된 액상의 에멀전(emersion) 상태로 만들고, 대기압 하에서 PET 기판 위에 상기 에멀전을 습착식으로 도포하고, 상기 망사 형태로 안착된 은(Ag) 나노입자 망사구조를 열(thermal) 또는 화학(chemical) 처리하여 높은 전도성 구조로 PET에 고착시킨 후, 자외선(UV) 감응 수지(resin)를 유리 기판 또는 플라스틱 시판 상에 Meyer 막대(rod)를 이용하여 얇게 도포한 이후, 은(Ag) 망사구조가 안착된 PET를 80℃로 가열된 기판의 자외선 감응 수지막 위에 은(Ag) 망사구조가 얹혀지는 형태로 구성하고, PET가 라미네이트(laminate)되도록 균일한 압력으로 누른 후, 자외선을 라미네이트된 PET 위에 조사하여 자외선 감응수지가 경화되고 은(Ag) 망사구조가 기판 위에 고착되면 PET를 제거한다. 그 상부에 투명전극을 증착 또는 도포할 경우 인디움이 포함된 산화주석(ITO)의 경우 총 가시광선투과율은 약 5% 이내로 저하되나 표면 저항치는 약 10배 정도로 감소하여 전기적 성능을 향상시킬 수 있다.

또한, 상기 망사형 전도층의 형성 시에는, 필요에 따라 하부 기판의 전체 면적이 아닌 특정 일부분에 일정한 폭, 높이와 간격으로 증착 또는 도포되어 형성될 수 있다.

이후, 상기 전도층 상에 하부 투명전극을 증착 또는 도포하여 형성한다(S42).

상기 하부 투명전극은 산화 인디움주석(ITO), 산화아연(AZO) 또는 산화주석(FTO)으로 형성할 수 있다.

이후에는 상기 하부 투명전극 상에 음극 전기변색층을 층착 또는 도포하여 형성하고(S43), 상기 음극 전기변색층 상에 이온 전도층을 증착 또는 도포하여 형성한다(S44).

이후, 상기 이온 전도층 상에 양극 전기변색층을 증착 또는 도포하여 형성하고(S45), 상기 양극 전기변색층 상에 상부 투명전극을 증착 또는 도포하여 형성할 수 있다(S46).

이때, 상기 상부 투명전극은 산화 인디움주석(ITO), 산화아연(AZO) 또는 산화주석(FTO)으로 형성할 수 있다.

이후에는 상기 하부 투명전극 상에 연결되는 하부 전극용 버스바 및 상기 상부 투명전극 상에 연결되는 상부 전극용 버스바를 형성한다(S47).

이후, 상기 상부 투명전극 상에 상부기판을 형성한다(S48).

이때, 상기 상부 투명전극은 상기 하부 투명전극과 동일한 크기와 곡률반경으로 구성된다.

또한, 상기 상부기판의 형성 이후에는 상기 하부기판과 상기 하부기판의 양 끝단을 일차 절연 차단부와 이차 절연 차단부를 이용해 밀폐할 수 있으며, 필요에 따라 상기 하부기판과 상기 하부기판의 사이의 공간은 진공으로 구성하거나, 공기 또는 N2, Ar, He 등의 비활성 가스로 충전할 수 있다.

전술한 바와 같은 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였다. 그러나 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능하다. 본 발명의 기술적 사상은 본 발명의 전술한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

1: 하부기판
2: 전도층
3: 하부 투명전극층
4: 음극 전기변색층
5: 이온 전도층
6: 양극 전기변색층
7: 상부 투명 전극
8, 9: 버스바
10: 일차 절연 차단부
11: 이차 절연 차단부
12: 상부기판

Claims

하부기판;
상기 하부기판 상에 형성되는 전도층;
상기 전도층 상에 형성되는 하부 투명전극;
상기 하부 투명전극 상에 형성되는 음극 전기변색층;
상기 음극 전기변색층 상에 형성되는 이온 전도층;
상기 이온 전도층 상에 형성되는 양극 전기변색층;
상기 양극 전기변색층 상에 형성되는 상부 투명전극;
상기 상부 투명전극 상에 형성되는 상부기판;
상기 하부 투명전극의 끝단 상에 배치되어, 상기 하부 투명전극층에 전압을 인가하기 위한 한 쌍의 하부 전극용 버스바(busbar); 및
상기 상부 투명전극의 끝단 상에 배치되어, 상기 상부 투명전극층에 전압을 인가하기 위한 한 쌍의 상부 전극용 버스바(busbar);
를 포함하고,
상기 이온 전도층은 상기 하부 투명전극 및 상기 상부 투명전극을 통해 전압이 가해지면 상기 음극 전기변색층과 상기 양극 전기변색층에 이온을 전이시켜 상기 음극 전기변색층에 환원 반응을 통한 변색이 이루어지도록 하고 상기 양극 전기변색층에 산화 반응을 통한 변색이 이루어지도록 하고,
상기 전도층은 나노 와이어를 포함하는 망사형 전도층으로 형성되는 전기변색 스마트 윈도우.
청구항 1에 있어서,
상기 하부기판 및 상기 상부기판은,
평면 또는 곡면의 0.2 mm 내지 12.5 mm의 두께의 강화유리(Tempered Glass), 비강화유리(Annealed Glass) 또는 0.02 mm 내지 12.5 mm의 플라스틱으로 형성되고,
상기 플라스틱의 재료는 polycarbonate, acrylic, allyl diglycol carbonate, poly 4-methyl-1-pentene, polyester, polymide, polystyrene 또는 styrene acrylonitrile copolymer로 형성되며, 그 표면에는 유사다이아몬드, 산화실리콘 또는 실리카 박막층이 형성되고,
상기 강화유리 또는 상기 비강화유리는 표면에 복층의 보호막이 형성되고,
상기 하부 투명전극 및 상기 상부 투명전극은,
산화 인디움주석(ITO), 산화아연(AZO) 또는 산화주석(FTO)으로 형성되고,
상기 전도층은,
망사형 전도층, 자외선 흡수 박막층(UV Absorbing Layer) 또는 입사광(Incident Rays) 반사방지용(Anti-reflection) 박막으로 형성되는 전기변색 스마트 윈도우.
청구항 1에 있어서,
상기 음극 전기변색층은,
환원반응시에 변색을 일으키는 산화텅스텐 (WO₃), 산화몰리브데늄(MoO₃), 산화니오비움(Nb₂0₅), 산화타이타니움(TiO₂) 또는 산화탄탈룸(Ta₂O₅)을 포함하거나,
상기 양극 전기변색층은,
산화반응시에 변색을 일으키는 산화니켈(NiO₂), 산화니켈텅스텐(NixW1-xOy) 또는 산화이리디움(IrO₃)을 포함하거나, 산화크롬(CrO₃), 산화망간(MnO₂), 산화철(Fe0₂), 산화코발트(CoO₂) 또는 산화로디움(RhO₂)을 포함하거나, 또는
상기 음극 전기변색층과 상기 양극 전기변색층은,
산화바나듐(V₂O₅)을 포함하는 전기변색 스마트 윈도우.
청구항 1에 있어서,
상기 이온 전도층은,
LiNbO₃, LiBO₂이나, Li이 도핑이 된 Al₂SiO5, Ta₂O₃, WO 및 ZrO₂와 같은 무기질박막으로 형성되거나,
SPE(Solid Polymer Electorlytes), GPE(Gel Polymer electrolytes), CGPE(Composite Gel Polymer electrolytes), CE(Composite Organic and Inorganic electrolytes), LE(Liquid electrolytes), PC(Propylene Carbonate)에용해된 LiTFS(Lithium Bismide - Trifluoromethylsulfone)염 또는 PMMA(Polymethyl Methacrylate)를 포함하는 중합체폴리머로 형성되거나,
LiTFS, LiBF₄, LiPF₆, LiAsF₆, LiCF₃SO₃, LiB(C₆F₅)₄ 또는 LiClO₄ 리튬염으로 형성되는 전기변색 스마트 윈도우.
청구항 1에 있어서,
상기 하부 전극용 버스바(busbar) 및 상부 전극용 버스바(busbar)는,
30℃ 내지 450℃의 저온-고온-저온 열처리를 통해 소결되는 액상의 고전도 화합물 또는 170℃ 내지 300℃에서 용융되는 전도체를 이용해 선 또는 박막 테입 형태로 형성하는 전기변색 스마트 윈도우.
하부기판 상에 전도층을 형성하는 단계;
상기 전도층 상에 하부 투명전극을 형성하는 단계;
상기 하부 투명전극 상에 음극 전기변색층을 형성하는 단계;
상기 음극 전기변색층 상에 이온 전도층을 형성하는 단계;
상기 이온 전도층 상에 양극 전기변색층을 형성하는 단계:
상기 양극 전기변색층 상에 상부 투명전극을 형성하는 단계;
상기 하부 투명전극의 끝단 상에, 상기 하부 투명전극층에 전압을 인가하기 위한 한 쌍의 하부 전극용 버스바(busbar)를 형성하고, 상기 상부 투명전극의 끝단 상에, 상기 상부 투명전극층에 전압을 인가하기 위한 한 쌍의 상부 전극용 버스바(busbar)를 형성하는 단계; 및
상기 상부 투명전극 상에 상부기판을 형성하는 단계;
를 포함하고,
상기 전도층은 나노 와이어를 포함하는 망사형 전도층으로 형성되는 전기변색 스마트 윈도우의 제조 방법.