KR101793651B1 - 전기변색 디바이스 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 공동증착된 수소화된 화합물을 포함하고, 비다공성인 반사층, 또는 투명전도층을 포함함으로써 균일한 변색 및 탈색이 가능한 전기변색 디바이스에 관한 것이다.

Description

전기변색 디바이스{Electrochromic Device}
본 발명은 전기변색 디바이스에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 공동증착된 수소화된 화합물을 포함하고, 비다공성인 반사층, 또는 투명전도층을 포함함으로써 균일한 변색 및 탈색이 가능한 전기변색 디바이스에 관한 것이다.
전기변색(Electrochromism)이란 전압을 인가하면 전계방향에 의해 가역적으로 색상이 변하는 현상으로서, 이러한 특성을 지닌 전기화학적 산화 환원 반응에 의해서 재료의 광특성이 가역적으로 변할 수 있는 물질을 전기변색물질이라고 한다. 이러한 전기변색물질은 외부에서 전기적 신호가 인가되지 않는 경우에는 색을 띠지 않고 있다가 전기적 신호가 인가되면 색을 띠게 되거나, 반대로 외부에서 신호가 인가되지 않는 경우에는 색을 띠고 있다가 신호가 인가되면 색이 소멸하는 특성을 갖는다.
전기변색 장치는 전압의 인가에 따라 전기적인 산화환원반응에 의해 전기변색 물질의 색상이 변함으로써, 광투과특성이 변하는 장치이다. 현재 다양한 기술 분야에서 선택적으로 빛을 투과시킬 수 있는 전기변색 장치의 수요가 증가하고 있다. 이러한 전기변색 장치는 스마트 윈도우, 스마트 미러, 디스플레이 장치, 위장 장치 등 다양한 분야에 적용될 수 있다.
전기변색 디바이스는 이온 및 전자를 가역적으로 그리고 동시에 삽입할 수 있는 전기변색 물질의 층을 포함하고, 이온 및 전자의 산화 상태는 삽입 및 배출된 상태에 대응하여, 이들이 적합한 전원을 통해 공급될 때 별개의 컬러를 갖고, 이들 상태들 중 하나는 다른 상태보다 더 높은 광 투과율을 갖는다. 전기변색 물질은 일반적으로 텅스텐 산화물을 주원료로 하고, 예를 들어, 투명 전기 전도성층과 같은 전자 소스와, 이온 전도성 전해질과 같은 이온(양이온 또는 음이온) 소스와 접촉되어야 한다. 또한 양이온을 가역적으로 삽입할 수 있는 대항-전극은, 거시적으로, 전해질이 단일 이온 매질로서 나타나도록 전기변색 물질의 층에 대해 대칭적으로 전기변색물질의 층과 연관되어야 한다는 것이 알려져 있다. 대항-전극은, 컬러가 중성이거나, 전기변색층이 채색된 상태일 때 적어도 투명이거나 거의 채색되지 않는 층을 주원료로 해야 한다.
텅스텐 산화물이 양이온 전기변색 물질이기 때문에, 즉, 그 채색된 상태가 가장 감소된 상태에 대응하기 때문에, 니켈 산화물 또는 이리듐 산화물을 주원료로 한 음이온 전기변색 물질은 일반적으로 대항-전극에 사용된다. 또한, 예를 들어 전기적으로 전도성 폴리머(폴리아닐린) 또는 프러시안 블루(Prussian blue)와 같은 세륨 산화물 또는 유기 물질과 같은 해당 산화 상태에서 광학적으로 중성인 물질을 사용하는 것이 제안되기도 하였다.
한국특허공개 제2011-0043595호에는 전기적으로 제어가능한 패널, 특히 창유리를 형성하도록 의도된 제어된 적외선 반사를 갖는 전기변색 디바이스가 기재되어 있고, 미국공개특허 제2007-0058237호에는 이온저장층, 투명 고체전해질층, 전기변색층 및 반사층을 포함하는 다층 시스템의 전기변색 소자가 기재되어 있다.
그러나, 한국특허공개 제2011-0043595호에서는 이온저장층의 주원료로서 이리듐이 단독으로 사용되는데, 이러한 경우에 이리듐이 UV나 수분에 약해 분해되고, 또한 이리듐이 텅스텐과 직접 접촉시 단락이 발생되는 등의 문제점이 있고, 미국공개특허 제2007-0058237호에서는 물 또는 물분자가 통할 수 있도록 반사층을 반드시 다공성으로 해야 하는 복잡한 공정을 거쳐야 하는 등의 문제점이 있다.
한국특허공개 제2011-0043595호 미국공개특허 제2007-0058237호
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 이리듐과 탄탈룸, 바람직하게는 수소화 이리듐과 수소화 탄탈룸을 동시에 증착시킴으로써 이리듐을 단독으로 이용했을 때에 이리듐이 UV나 수분에 약해 분해되고, 텅스텐과 직접 접촉시 단락이 나타나는 등의 문제점을 해결하고, 또한, 공동증착된 수소화 화합물을 이용함으로써, 물분자를 이동시켜 전기변색에 필요한 이온을 주입하기 위해 복잡한 공정으로 다공성 반사층을 형성할 필요없이, 간편한 공정으로 비다공성 반사층이 형성가능한 전기변색 디바이스를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전기변색 디바이스는,
투명전도층, 이온저장층, 전해질층, 전기변색층, 및 반사층 또는 투명전도층을 포함하는 전기변색 디바이스로서,
상기 이온저장층은 이리듐 및 탄탈룸을 포함하고,
상기 전해질층은 탄탈룸을 포함하고,
상기 전기변색층은 텅스텐을 포함하고,
상기 이온저장층의 이리듐 및 탄탈룸, 및 상기 전기변색층의 텅스텐 중 적어도 하나는 수소화되고,
상기 반사층은 비다공성일 수 있다.
상기 투명전도층은 산화인듐아연(IZO), 산화인듐주석(ITO), 알루미늄 도핑된 산화아연(AZO), 붕소 도핑된 산화아연(BZO), 텅스텐 도핑된 산화아연(WZO) 및 텅스텐 도핑된 산화주석(WTO), 불소 도핑된 산화주석(FTO), 갈륨 도핑된 산화아연(GZO), 안티몬 도핑된 산화주석(ATO), 인듐 도핑된 산화아연(IZO) 및 니오븀 도핑된 산화티타늄(ZnO)으로부터 선택되는 1종 이상의 산화물을 포함할 수 있다.
상기 이온저장층은 이리듐을 20∼38중량% 포함할 수 있다.
상기 이온저장층에 있어서, 상기 이리듐은 화학식 HaIrO2(여기서, 0＜a＜2)의 수소화 이리듐이고, 상기 탄탈룸은 화학식 HbTa2O5(여기서, 0＜b＜5)의 수소화 탄탈룸일 수 있다.
상기 전기변색층에 있어서, 상기 텅스텐은 화학식 HcWO3(여기서, 0＜C＜3)의 수소화 텅스텐일 수 있다.
상기 반사층은 알루미늄, 은, 루비듐, 몰리브덴, 크롬, 루테늄, 금, 구리, 니켈, 납, 주석, 인듐 및 아연으로부터 선택되는 1종 이상으로 이루어질 수 있다.
상기 투명전도층의 두께는 150∼800nm이고, 상기 이온저장층의 두께는 50∼500nm이며, 상기 전해질층의 두께는 180∼800nm이고, 상기 전기변색층의 두께는 140∼650nm이며, 상기 반사층의 두께는 30∼280nm일 수 있다.
본 발명에 따른 전기변색 디바이스에 의하면, 이리듐과 탄탈룸, 바람직하게는 수소화 이리듐과 수소화 탄탈룸을 동시에 증착시킴으로써 이리듐을 단독으로 이용했을 때에 이리듐이 UV나 수분에 약해 분해되고 텅스텐과 직접 접촉시 단락이 나타나는 등의 문제점을 해소하는 효과가 있고, 또한 공동증착된 수소화 화합물을 이용함으로써 반사층에서 물분자를 이동시켜 전기변색에 필요한 이온을 주입할 필요없이, 공정 중에 직접 수소 이온을 주입시킴으로써 간편한 공정으로 비다공성 반사층을 형성할 수 있는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 일 구체예에 따른 전기변색 디바이스의 구조를 나타내는 도면이다.
도 2는 다공성 수소화 텅스텐 박막의 표면 사진이다.
도 3은 수소화 텅스텐 박막의 두께 측정 사진이다.
도 4는 수소화 탄탈룸 및 수소화 이리듐이 공동증착된 박막 표면의 사진이다.
도 5는 수소화 탄탈룸 및 수소화 이리듐이 공동증착된 박막의 두께 측정 사진이다.
도 6은 공동증착된 수소화 탄탈룸 및 수소화 이리듐 박막의 투과율을 측정한 그래프이다.
도 7은 공동증착된 수소화 탄탈룸 및 수소화 이리듐 박막의 투과율 측정의 작동시 전력 인가 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8은 수소화 텅스텐 박막의 투과율을 측정한 그래프이다.
도 9는 수소화 텅스텐 박막의 투과율 측정의 작동시 전력 인가 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
이하, 본 발명에 따른 전기변색 디바이스에 대하여 상세히 설명한다.
도 1에서 나타낸 바와 같이, 본 발명의 일 구체예에 따른 전기변색 디바이스는 투명전도층(110), 이온저장층(120), 전해질층(130), 전기변색층(140), 및 반사층(150) 또는 투명전도층(160)의 순서로 적층되는 전기변색 디바이스로서,
상기 이온저장층은 이리듐 및 탄탈룸을 포함하고,
상기 전해질층은 탄탈룸을 포함하고,
상기 전기변색층은 텅스텐을 포함하고,
상기 이온저장층의 이리듐 및 탄탈룸, 및 상기 전기변색층의 텅스텐 중 적어도 하나는 수소화되고,
상기 반사층은 비다공성일 수 있다.
본 발명에 따른 전기변색 디바이스에 있어서, 상기 투명전도층(110, 130)은 전력공급이 가능하고, 전기변색을 유도할 수 있는 박막형 투명 산화물 전도층으로서, 특별히 한정이 없고, 예를 들면 산화인듐아연(IZO), 산화인듐주석(ITO), 알루미늄 도핑된 산화아연(AZO), 붕소 도핑된 산화아연(BZO), 텅스텐 도핑된 산화아연(WZO) 및 텅스텐 도핑된 산화주석(WTO), 불소 도핑된 산화주석(FTO), 갈륨 도핑된 산화아연(GZO), 안티몬 도핑된 산화주석(ATO), 인듐 도핑된 산화아연(IZO) 및 니오븀 도핑된 산화티타늄(ZnO)으로부터 선택되는 1종 이상의 산화물을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 전기변색 디바이스에 있어서, 상기 이온저장층(120)은 전해질(130)에 부족한 이온을 공급하기 위한 층으로서, 상기 이온저장층은 이리듐 및 탄탈룸을 포함할 수 있는데, 이리듐을 단독으로 사용했을 시, 텅스텐과 접촉할 경우, 단락이 발생할 수 있고, 또한, 이리듐 단독으로 존재하는 층에 다른 물질을 적층할 경우, 에너지를 뺏길 수 있으며, 이리듐은 수분에 약하여 수분이 스며들 경우 문제가 생기고, 이리듐끼리의 결합이 UV에 의해 분해될 수 있어, 이리듐 및 탄탈룸을 공동증착시켜 상기와 같은 문제점을 해소하고, 강도(내구성)를 확보할 수 있어 바람직하다.
상기 이온저장층은 이리듐을 20∼38중량% 포함하는 것이 바람직하고, 23∼33중량% 포함하는 것이 더욱 바람직한데, 20중량% 미만이면 전기변색 작용이 일어나지 않아 바람직하지 않고, 38중량%를 초과하면 자외선과 반응하여 열화하여 변색효과가 떨어지거나, 붉은색으로 고착화가 될 수 있고, 또한 내구성에 문제가 생길 수 있어 바람직하지 않다.
상기 이온저장층에 있어서, 상기 이리듐은 화학식 HaIrO2(여기서, 0＜a＜2)의 수소화 이리듐이고, 상기 탄탈룸은 화학식 HbTa2O5(여기서, 0＜b＜5)의 수소화 탄탈룸일 수 있으며, 상기와 같이 수소화 이리듐 및 탄탈룸을 포함함으로써 산화환원 반응을 위해 수소 이온을 별도의 공정으로 주입할 필요가 없다.
본 발명에 따른 전기변색 디바이스에 있어서, 상기 전해질층은 이온전달의 역할을 수행하게 되는데, 막의 물리적 성질에 따라서 액상 전해질과 고상 전해질로 구분되고, 이온전달 물질의 종류에 따라서 프로톤 전해질과 알칼리 이온 전해질로 구분될 수 있으며, 상기 전해질층은 탄탈룸, 더욱 바람직하게는 산화탄탈룸(Ta2O5)을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 전기변색 디바이스에 있어서, 상기 전기변색층은 변색을 담당하는 층으로, 전기 인가에 의해 색의 변화율이 큰 층이다. 더욱 상세히 설명하면, 상기 전기변색층은 액상 또는 고상의 전기변색물질로 이루어질 수 있고, 이 전기변색물질은 전기화학적 산화, 환원 반응에 의하여 광흡수도가 변화하는 전기변색특성을 갖는 물질로, 전압의 인가 여부 및 전압의 세기에 따라서 가역적으로 전기변색물질의 전기 화학적 산화, 환원 현상이 일어나고, 이에 의하여 전기변색물질의 투명도 및 흡광도가 가역적으로 변경될 수 있다.
도 1에서 나타낸 바와 같이, 상기 전기변색층(140)은 전해질층(130)과 반사층(150) 또는 투명전도막(160) 사이에 형성되어 투명전극(130)과 반사층(150)에서 인가된 전기를 전달받아 산화반응 또는 환원반응을 통해 착색 또는 탈색할 수 있다.
상기 전기변색층은 텅스텐을 포함하는데, 상기 텅스텐은 수소화 텅스텐일 수 있으며, 상기 수소화 텅스텐은 화학식 HcWO3(여기서, 0＜C＜3)로 나타낼 수 있다.
본 발명에서는 전기변색층에 수소화된 텅스텐을 사용할 경우, 전기변색층에서의 산화 환원반응을 위해 이온을 주입할 필요가 없어 바람직하다.
본 발명에 따른 전기변색 디바이스에 있어서, 상기 반사층(150)은 전기변색층을 통과하여 입사한 빛을 반사하는 반사판과 투명전극(110)의 상대전극 역할을 하는 것으로, 종래기술에서 일반적으로 반사층은 다공성으로 만들어 물 또는 물분자가 통과할 수 있어야 하나, 본 발명에서는 이미 이온저장층(120)과 전기변색층(140) 중 적어도 하나에서 수소화 금속산화물을 포함하기 때문에, 본 발명에서의 반사층(150)은 비다공성의 순수 금속막으로만 이루어질 수 있다.
상기 반사층은, 특별히 한정이 없고, 예를 들면, 알루미늄, 은, 루비듐, 몰리브덴, 크롬, 루테늄, 금, 구리, 니켈, 납, 주석, 인듐 및 아연으로부터 선택되는 1종 이상으로 이루어질 수 있다.
상기 투명전도층의 두께는 150∼800nm이고, 상기 이온저장층의 두께는 50∼500nm이며, 상기 전해질층의 두께는 180∼800nm이고, 상기 전기변색층의 두께는 140∼650nm이며, 상기 반사층의 두께는 30∼280nm인 것이 바람직한데,
상기 투명전도층의 두께가 150nm 미만이면 전기전도도가 충분하지 않게 되어 바람직하지 않고, 800nm를 초과하면 불투명해지거나 투명도가 낮아져 바람직하지 않으며,
상기 이온저장층의 두께가 50nm 미만이면 이온의 저장량이 충분하지 못하여 변색효과 발현이 어렵게 되어 바람직하지 않고, 500nm를 초과하면 이온 이동시 이온저장층이 너무 두꺼워 그 두께로 인해 충분한 시간 내에 이온이 이온저장층을 벗어날 수 없어 바람직하지 않으며,
상기 전해질층의 두께가 180nm 미만이면 전해질층의 상하에 존재하는 전기변색층과 이온저장층 간의 접촉이 발생할 수 있어 바람직하지 않고, 800nm를 초과하면 이온의 이동을 가로막게 되어 전기변색효과 발현이 어려워 바람직하지 않으며,
상기 전기변색층의 두께가 140nm 미만이면 이온과 충분하게 반응할 수 없어 변색현상이 매우 약해지게 되어 바람직하지 않고, 650nm를 초과하면 전기장의 세기를 약화시켜 이온의 움직임을 방해할 수 있어 바람직하지 않으며,
상기 반사층의 두께가 30nm 미만이면 반사와 투과가 동시에 나타나게 되어 반사층으로의 역할이 어려워 바람직하지 않고, 280nm를 초과하면 전기저항이 높아져 디바이스 전체의 전력 사용량이 증가하게 되어 바람직하지 않다.
도면에는 도시하지 않았지만, 투명전도층(130)의 일 끝단에 제1 기판 및 투명전도층의 일 끝단에 제2 기판이 형성될 수 있고, 또한, 상기 제1 및 제2 기판의 일 끝단에 전극 속부가 추가로 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 전기변색 디바이스에 있어서, 이온저장층의 공동증착된 수소화 탄탈룸 및 수소화 이리듐의 박막의 투과율을 측정하여 파장에 따른 탈색과 변색의 결과를 하기 표 1 및 도 6에 나타내었고, 작동시 전력 인가의 범위 측정 결과는 하기 표 2 및 도 7에 나타내었다.
Figure 112016021802598-pat00001
Figure 112016021802598-pat00002
또한, 본 발명에 따른 전기변색 디바이스에 있어서, 전기변색층의 수소화 텅스텐의 투과율을 측정하였고, 파장에 따른 탈색과 변색의 결과를 하기 표 3 및 도 8에 나타내었고, 작동시 전력 인가의 범위 측정 결과는 하기 표 4 및 도 9에 나타내었다.
Figure 112016021802598-pat00003
Figure 112016021802598-pat00004
이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 바람직한 구체예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것은 아니며, 기술적 사상의 범주를 일탈함 없이 본 발명에 대해 다수의 적절한 변형 및 수정이 가능함을 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 그러한 모든 적절한 변형 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
110: 투명전도층
120: 이온저장층
130: 전해질층
140: 전기변색층
150: 반사층
160: 투명전도층

Claims (7)

  1. 투명전도층, 이온저장층, 전해질층, 전기변색층, 및 반사층을 포함하는 전기변색 디바이스로서,
    상기 이온저장층은 화학식 HaIrO2(여기서, 0＜a＜2)의 수소화 이리듐 및 화학식 HbTa2O5(여기서, 0＜b＜5)의 수소화 탄탈룸이 공동증착되어 형성되고, 상기 이온저장층에서 이리듐은 20∼38중량% 포함되며,
    상기 전해질층은 탄탈룸을 포함하고,
    상기 전기변색층은 텅스텐을 포함하고,
    상기 반사층은 비다공성 금속막으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기변색 디바이스.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 투명전도층은 산화인듐아연(IZO), 산화인듐주석(ITO), 알루미늄 도핑된 산화아연(AZO), 붕소 도핑된 산화아연(BZO), 텅스텐 도핑된 산화아연(WZO) 및 텅스텐 도핑된 산화주석(WTO), 불소 도핑된 산화주석(FTO), 갈륨 도핑된 산화아연(GZO), 안티몬 도핑된 산화주석(ATO), 인듐 도핑된 산화아연(IZO) 및 니오븀 도핑된 산화티타늄(ZnO)으로부터 선택되는 1종 이상의 산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기변색 디바이스.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전기변색층에 있어서, 상기 텅스텐은 화학식 HcWO3(여기서, 0＜C＜3)의 수소화 텅스텐인 것을 특징으로 하는 전기변색 디바이스.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 반사층은 알루미늄, 은, 루비듐, 몰리브덴, 크롬, 루테늄, 금, 구리, 니켈, 납, 주석, 인듐 및 아연으로부터 선택되는 1종 이상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기변색 디바이스.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 투명전도층의 두께는 150∼800nm이고, 상기 이온저장층의 두께는 50∼500nm이며, 상기 전해질층의 두께는 180∼800nm이고, 상기 전기변색층의 두께는 140∼650nm이며, 상기 반사층의 두께는 30∼280nm인 것을 특징으로 하는 전기변색 디바이스.
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