KR102030010B1 - 전기변색 소자, 이의 제조 방법, 및 상기 전기변색 소자를 포함하는 능동위장용 팬크로매틱형 전기변색 전자 피부 - Google Patents

전기변색 소자, 이의 제조 방법, 및 상기 전기변색 소자를 포함하는 능동위장용 팬크로매틱형 전기변색 전자 피부 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기변색 소자, 이의 제조 방법, 및 상기 전기변색 소자를 포함하는 능동위장용 팬크로매틱형 전기변색 전자 피부를 제공한다.

Description

전기변색 소자, 이의 제조 방법, 및 상기 전기변색 소자를 포함하는 능동위장용 팬크로매틱형 전기변색 전자 피부 {ELECTROCHROMIC DEVICE, METHOD OF PREPARING THE SAME, AND PANCHROMATIC TYPE OF ELECTROCHROMIC SKIN FOR ACTIVE CAMOUFLAGE}
본 발명은 전기변색 소자, 이의 제조 방법, 및 상기 전기변색 소자를 포함하는 능동위장용 팬크로매틱형 전기변색 전자 피부 관련 기술에 관한 것이다.
전기변색이란 전압이 인가되면 전기화학적 반응에 의해 색이 변화되는 현상이다.
전기변색이 가능한 물질을 포함하는 전기변색 소자는 다양한 어플리케이션에 적용되어 왔다. 전기변색 소자는 광투과도가 전기적으로 조절되는 스마트 윈도우(Smart window), 광반사도가 전기적으로 조절되는 스마트 미러(Smart mirror) 등의 구현에 이용되어 왔다. 이에 따라, 전기변색 소자에 대한 수요는 꾸준히 증대되고 있는 실정이다.
한편, 군사 분야에서 군인들은 적군의 눈에 띄지 않기 위하여 위장 기술을 사용하여 왔고, 그 예로서 얼굴에 분칠을 하거나 위장복을 착용하는 등 주변 환경과 동일하거나 유사한 색을 갖도록 노력해 왔다.
이러한 위장 기술과 관련하여 자연에 존재하는 생물로부터 다양한 위장 모티브가 발견되어 왔는데, 최근 연구 결과에 따르면, 갑오징어와 같은 두족류 생물은 위기 상황에 대한 뛰어난 위장 능력을 가지고 있으며, 황색, 적색, 갈색 기반의 적층형 구조의 색소세포들이 근육의 수축/팽창 운동을 통해 면적 변화를 가짐으로써 피부를 다양한 색상으로 구현할 수 있다는 사실이 밝혀졌다.
대한민국 공개특허공보 제10-2018-0178233호
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 전기변색 소자, 이의 제조 방법, 및 상기 전기변색 소자를 포함하는 능동위장용 팬크로매틱형 전기변색 전자 피부를 제공하는 것이다.
구체적으로, 본 발명의 목적은 두족류 생물의 위장 능력을 모사하여, 일상 생활 또는 전시와 같은 위급한 상황에서 사용자가 효과적으로 신체의 적어도 일부를 은폐할 수 있도록 하는 의류 또는 전자 피부를 제공하기 위함이다.
본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 이하의 실시예들로부터 또 다른 기술적 과제들이 유추될 수 있다.
본 발명의 제 1 측면에 따른 전기변색 소자는, 기판 상에 위치되는 제 1 전극부; 상기 제 1 전극부 상에 위치되고, 이온성 재료를 포함하는 이온 펌프부; 상기 이온 펌프부 상에 위치되는 고분자 반도체; 및 상기 고분자 반도체 상에 위치되는 제 2 전극부를 포함하는 것이고, 상기 전기변색 소자는 군인의 장비의 적어도 일부에 배치되어 외부환경에 대하여 위장을 가능하게 하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 전기변색 소자는, 기판 상에 위치되는 제 1 전극부; 상기 제 1 전극부 상에 위치되는 고분자 반도체; 상기 고분자 반도체 상에 위치되고, 이온성 재료를 포함하는 이온 펌프부; 및 상기 이온 펌프부 상에 위치되는 제 2 전극부를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따른 전기변색 소자는, 상기 제 1 전극부 또는 상기 제 2 전극부는 각각 서로 독립적으로 금, 은, 구리, 탄소계 재료, ITO, 폴리싸이오펜(PEDOT:PSS) 및 이들의 조합을 포함하는 것이다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따른 전기변색 소자의 상기 이온성 재료는 열가소성 탄성 고분자, 및 이온성 분자체를 포함하는 것이다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따른 전기변색 소자의 상기 이온성 재료는, 열가소성 탄성 고분자 100 중량부를 기준으로 이온성 분자체 20 중량부 내지 80 중량부를 포함하는 것이다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따른 전기변색 소자의 상기 고분자 반도체는 상기 이온성 재료에 반응하여 변색되는 것이다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따른 전기변색 소자는, 전기 자극을 통해 능동위장을 수행하기 위한 것이다.
본 발명의 제 2 측면에 따른 전기변색 소자의 제조 방법은, 기판 상에 위치되는 제 1 전극부를 패턴화하는 단계; 상기 제 1 전극부 상에 위치되고, 이온성 재료를 포함하는 이온 펌프부를 형성하는 단계; 상기 이온 펌프부 상에 고분자 반도체를 전사하는 단계; 및 상기 고분자 반도체 상에 제 2 전극부를 패턴화하는 단계를 포함하는 것이다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따른 전기변색 소자의 제조 방법은, 상기 이온 펌프부 상에 상기 고분자 반도체를 전사하는 단계 이전에 플라즈마 반응성 이온 에칭을 이용하여 상기 고분자 반도체를 패턴화하는 단계를 더 포함하는 것이다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따른 전기변색 소자의 제조 방법에서, 상기 이온성 재료는 열가소성 탄성 고분자, 및 이온성 분자체를 포함하는 것이다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따른 전기변색 소자의 제조 방법에서, 상기 이온성 재료는, 열가소성 탄성 고분자 100 중량부를 기준으로 이온성 분자체 20 중량부 내지 80 중량부를 포함하는 것이다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따른 전기변색 소자의 제조 방법에서, 상기 고분자 반도체는 상기 이온성 재료에 반응하여 변색되는 것이다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따른 전기변색 소자의 제조 방법에서, 상기 전기변색 소자는 전기 자극을 통해 능동위장을 수행하기 위한 것이다.
본 발명의 제 3 측면에 따른 능동위장용 팬크로매틱형 전기변색 전자 피부는, 상기 전기변색 소자를 포함하는 것이다.
본 발명은, 상기한 바와 같은 과제의 해결수단들에 의하여 한정되지 않으며, 이하의 기재로부터 다른 과제의 해결수단들이 유추될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기변색 소자에 의하면, 열변색이나 역학변색에 의하지 않으므로 외부 환경에 영향을 받지 않고 사용자가 원하는 때에 전압를 인가함으로써 능동적인 변색이 가능한 장점이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기변색 소자에 의하면, 팬크로매틱 구조의 다양한 색상(빨강, 파랑, 자주, 초록 등)을 구현하는 것이 가능한 장점이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기변색 소자에 의하면, 소자의 빛에 대한 투과도가 향상되고, 변색 속도가 약 1-2초 내에 이루어져 매우 신속하며, 변색횟수에 따른 소자 안정성(장기 안정성 등)이 뛰어나고, 이온 펌프부의 인장 (0% 내지 100% 인장) 후에 변색거동에도 불구하고 투과도의 차이가 거의 없어 기계적 물성, 안정성 등이 뛰어난 장점이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기변색 소자의 제조 방법에 의하면, 전사 공정 및/또는 용액 공정에 의함으로써 상기 전기변색 소자 제조 비용이 절감되고, 대량 생산이 용이해지는 장점이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 능동위장용 팬크로매틱형 전기변색 전자 피부에 의하면, 복수 개의 전기변색 소자를 패턴화하여 일반 의류 또는 군복에 사용이 가능하며, 전압을 인가함으로써 능동적으로 다양한 색상을 구현하는 것이 가능하고, 이에 따라 사용자가 외부 환경에서 신체의 적어도 일부 또는 전부를 용이하게 은폐가능한 장점이 있다.
본 발명의 효과는 상술한 효과로 제한되는 것이 아니며, 언급되지 아니한 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 전기변색 소자의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 전기변색 소자의 모식도 및 상기 전기변색 소자를 포함하는 전자 피부의 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 전기변색 소자의 변색 및 재변색 과정을 나타낸 사진이다.
도 4는 본 발명의 일 구현예에 따른 전기변색 소자의 제조 방법에 관한 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기변색 소자의 제조 방법에 관한 모식도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기변색 전자 피부의 이온 펌프부의 작동 메커니즘을 나타낸 모식도이다.
도 7a는 이온성 액체 함량별 i-TPU의 파장에 따른 투과율 변화 그래프를, 도 7b는 i-TPU 두께에 따른 투과율 변화 그래프를, 도 7c는 이온성 액체 함량에 따른 i-TPU 필름의 이온 전도도를 나타낸 실험결과에 관한 그래프를, 도 7d는 IL의 다양한 농도에서 i-TPU의 스트레스-스트레인 곡선(stress-strain curve)을 나타낸다.
도 8a는 전기변색 소자의 굽힘 수(곡률반경 r=8mm)에 따른 변색 이후의 투과도 변화값(△T/△T0)을 나타낸 그래프이다. 도 8b는 압축 굽힘(bending) 하에서 변색(bleach) 및 재변색(color) 상태의 P3HT 전기변색 소자들의 사진이다.
도 9a는 일 실시예에 따른 고분자 반도체 P3HT의 천연(pristine), 도핑(doping), 및 디도핑(dedoping) 상태에서 파장별 흡수도를 나타낸 그래프 및 도핑 및 디도핑 상태의 사진이다. 도 9b는 MEH-PPV, 도 9c는 폴리티오펜 화합물, 도 9d는 PEDOT:PSS에 대한 파장별 흡수도를 나타낸 그래프 및 도핑 및 디도핑 상태의 사진이다.
도 10a는 두 차례 에칭 사이클을 진행한 이후 패턴화된 P3HT의 광학 현미경 이미지이다. 도 10b는 P3HT의 전기변색 층의 두께 프로파일을 나타낸 그래프이다.
도 10c 및 도 10d는 각각 첫 번째, 두 번째 에칭시 패턴화된 P3HT의 파장별 흡수도를 중성(0V), 도핑(3.5V), 디도핑(-3.5V) 상태에 대하여 측정한 그래프이다.
도 11a는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기변색 소자의 시간에 따른 투과도를 나타낸 그래프이고, 도 11b는 변색/재변색 시간을 나타낸 그래프이다. 도 11c는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기변색 소자의 변색 사이클에 따른 투과율 변화를 나타낸 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기변색 소자의 인장 정도에 따른 투과율 변화를 나타낸 그래프이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 전기변색 소자를 포함하는 능동위장용 팬크로매틱형 전기변색 전자 피부의 모식도이다.
본 실시예들에서 사용되는 용어는 본 실시예들에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서, 본 실시예들에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 실시예들 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
본 실시예들은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 일부 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 실시예들을 특정한 개시형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 실시예들의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 명세서에서 사용한 용어들은 단지 실시예들의 설명을 위해 사용된 것으로, 본 실시예들을 한정하려는 의도가 아니다.
본 실시예들에 사용되는 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 실시예들이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 실시예들에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.
본 발명 명세서 전체에서, "A 및/또는 B"은 A 및 B 중에서 적어도 어느 하나를 의미한다.
본 발명 명세서 전체에서, "~상에"는 어떤 부재의 상단 또는 하단 영역을 의미하며, 접촉하는 것 및 접촉하지 않는 것을 모두 포함한다.
본 발명 명세서 전체에서, "고분자"는 동일한 화학 구조 부분이 반복되어 결합된 중합체를 의미한다.
본 발명 명세서 전체에서, "ITO"는 인듐-주석 산화물을 의미한다.
본 발명 명세서 전체에서, "능동위장"은 사용자의 선택에 의하여 위장여부를 결정한다는 것을 의미한다.
본 발명 명세서 전체에서, "팬크로매틱"은 다색성 또는 2 이상의 색상을 사용한다는 것을 의미한다.
이하에서는 도면들을 참조하여 본 실시예들을 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 전기변색 소자의 개략도이며, 도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 전기변색 소자의 모식도 및 상기 전기변색 소자를 포함하는 전자 피부의 모식도이다.
본 발명의 일 측면에 따른 전기변색 소자(100)는, 기판(110) 상에 위치되는 제 1 전극부(130); 상기 제 1 전극부(130) 상에 위치되고, 이온성 재료를 포함하는 이온 펌프부(150); 상기 이온 펌프부(150) 상에 위치되는 고분자 반도체(170); 및 상기 고분자 반도체(170) 상에 위치되는 제 2 전극부(190)를 포함하고, 상기 전기변색 소자는 군인의 장비에 배치되어 외부환경에 대하여 위장을 가능하게 하는 것일 수 있다.
기판(110)은 본 기술분야에서 통상적으로 사용되는 투명 재료를 포함할 수 있으며, 예를 들어 폴리이미드, 폴리우레탄, PET(polyethylene terephthalate), 또는 PDMS(poly dimethyl siloxane) 등을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 일 측면에 따른 전기변색 소자(100)는, 상기 제 1 전극부(130) 또는 상기 제 2 전극부(190)는 각각 서로 독립적으로 금, 은, 구리, 탄소계 재료, ITO, 폴리싸이오펜, 및 이들의 조합을 포함할 수 있다. 상기 탄소계 재료는, 예를 들어, 흑연, 그래파이트, 탄소나노튜브, 탄소나노입자, 및 그래핀 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 제 1 전극부(130) 또는 상기 제 2 전극부(190)는 각각 서로 독립적으로 약 50 μm 내지 약 400 μm의 두께를 가질 수 있다. 제 1 전극부(130) 또는 제 2 전극부(190)는 상기한 범위의 두께를 가짐으로써, 전극으로서 적합한 전기저항값을 가질 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 전기변색 소자(100)의 상기 이온 펌프부(150)는 약 200 μm 내지 약 500 μm의 두께를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 이온 펌프부(150)의 두께는 약 200 μm 내지 약 500 μm, 약 200 μm 내지 약 400 μm, 약 200 μm 내지 약 300 μm, 약 300 μm 내지 약 500 μm, 약 300 μm 내지 약 400 μm, 약 400 μm 내지 약 500 μm일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 도 15를 참조하면, 상기 이온 펌프부(150)의 두께가 상기와 같은 수치범위를 가짐으로써, 본 발명의 전기변색 소자(100)는 550 nm 파장광에 대하여 약 89% 내지 약 99%의 현저한 투과율을 가질 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 일 측면에 따른 전기변색 소자(100)의 상기 이온 펌프부(150)의 상기 이온성 재료는 열가소성 탄성 고분자, 및 이온성 분자체를 포함할 수 있으며, 용매를 더 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
실시예들에 있어서, 상기 열가소성 탄성 고분자는 폴리에스터계, 폴리우레탄계, 또는 폴리아미드계 고분자일 수 있다. 바람직하게는, 상기 열가고성 탄성 고분자는 열가소성 폴리우레탄일 수 있다.
상기 열가소성 폴리우레탄(TPU)은 폴리우레탄의 일종으로, 투명, 반투명, 또는 불투명할 수 있고, -45℃ 내지 75℃의 온도범위에서 유연한 특성을 가질 수 있다.
상기 용매는 본 기술분야에서 통상적으로 사용되는 유기 용매일 수 있으며, 예를 들어, 디메틸설폭사이드(DMSO), 디메틸포름아미드(DMF), N-메틸-피롤리돈(NMP), N-N'-디메틸 아세트아미드(DMAc), 아세톤, 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran), 메틸에틸케톤(methylethylketone) 등일 수 있고, 바람직하게는 디메틸포름아미드(DMF)일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
상기 이온성 분자체는, 이온성 단분자 또는 이온성 고분자일 수 있으며, 바람직하게는 이온성 단분자를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
상기 이온성 분자체는 고상, 또는 액상일 수 있으며, 양이온, 또는 음이온 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 상기 이온성 분자체는, 예를 들어, [EMIM]+ (1-ethyl-3-methylimidazolium), [BMIM]+(1-buthyl-3-methylimidazolium), [TFSI]-(bis-trifluromethylsulfonylimide), [PF6]-(hexafluorophosphate), [BF4]-(tetrafluroborate), [Br]- 및 이들의 조합을 포함할 수 있다. 상기 이온성 분자체는 [EMIM][TFSI], [EMIM][PF6], [EMIM][BF4], [EMIM][Br], [BMIM][TFSI], [BMIM][PF6], [BMIM][BF4], 및 [BMIM][Br] 중에서 1종 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는, [EMIM][TFSI]을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 일 측면에 따른 전기변색 소자에서, 상기 이온성 재료는 열가소성 탄성 고분자 100 중량부를 기준으로 이온성 분자체 20 중량부 내지 80 중량부를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 이온성 분자체는 20 중량부 내지 80 중량부, 20 중량부 내지 60 중량부, 20 중량부 내지 50 중량부, 20 중량부 내지 40 중량부, 20 중량부 내지 30 중량부, 30 중량부 내지 80 중량부, 30 중량부 내지 60 중량부, 30 중량부 내지 50 중량부, 30 중량부 내지 40 중량부, 40 중량부 내지 80 중량부, 40 중량부 내지 60 중량부, 40 중량부 내지 50 중량부, 50 중량부 내지 80 중량부, 또는 50 중량부 내지 60 중량부가 포함될 수 있다. 상기와 같은 수치범위를 가짐으로써, 상기 이온성 재료를 포함하는 이온성 펌프부는 본 발명의 전기변색 소자의 투과도, 기계적 물성, 장기안정성, 및 내구성 중 어느 하나 이상의 특성이 향상될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상기 이온성 분자체가 20 중량부 미만인 경우 이온 전도도가 저하될 수 있고, 상기 이온성 분자체가 60 중량부 초과인 경우 제조되는 전기변색 소자의 유연성 또는 기계적 물성이 저하될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 일 측면에 따른 전기변색 소자(100)의 상기 이온 펌프부(150)의 상기 이온성 재료는 용매, 열가소성 탄성 고분자, 및 이온성 분자체를 포함하는 이온성 조성물로부터 건조되거나 경화되어 형성될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상기 이온성 조성물은 열가소성 탄성 고분자 100 중량부를 기준으로, 용매 100 중량부 내지 1000 중량부, 및 이온성 분자체 20 중량부 내지 80 중량부를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 일 측면에 따른 전기변색 소자(100)에서, 상기 고분자 반도체(170)는 상기 이온성 재료에 반응하여 변색되는 것일 수 있다. 상기 고분자 반도체(170)는 상기 이온성 재료에 의하여 도핑(doping) 또는 디도핑(dedoping)됨으로써, 변색(bleaching) 또는 재변색(recoloration)되는 것일 수 있다. 상기 고분자 반도체(170)는 상기 변색 또는 재변색 과정이 가역적으로 일어날 수 있고, 특히 완전 가역적으로 일어날 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기변색 소자(100)의 상기 고분자 반도체(170)는, 상기 이온성 재료와 산화 또는 환원 반응하여 상기 고분자 반도체(170)의 밴드갭(Bandgap) 내부의 새로운 밴드갭이 생성됨으로써, 흡수하는 빛의 파장이 조절되어 변색 또는 재변색될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 전기변색 소자(100)는 3 mm x 3 mm 픽셀단위로 제조될 수 있으며, 복수의 전기변색 소자들이 1 mm 간격으로 패턴화되어 배열될 수 있고, 전압을 인가하여 전기변색 소자들이 변색/재변색 되는 것을 확인할 수 있다. 다만, 상기 픽셀단위 및 배열간격은 사용자의 편의에 따라 적절하게 조절될 수 있고, 상기와 같은 수치에 의하여 본 발명이 제한되지 않는다.
상기 고분자 반도체(170)는 상기 이온성 재료에 의하여 도핑되어 제 1 색상에서 제 2 색상으로 변색되는 것이 가능하고, 디도핑되어 제 2 색상에서 제 1 색상 또는 제 3 색상으로 변색되는 것이 가능하나, 이에 제한되지 않는다. 예를 들어, 상기 제 1 색상, 제 2 색상, 및 제 3 색상은 각각 서로 독립적으로 빨강, 파랑, 초록, 자주, 주황, 노랑, 하양, 검정 등일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
바람직하게는, 상기 고분자 반도체(170)는 상기 이온성 재료에 의하여 도핑되어 제 1 색상에서 제 2 색상으로 변색되는 것이 가능하고, 디도핑되어 제 2 색상에서 제 1 색상으로 변색될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 고분자 반도체(170)는 완전 가역적 변화가 가능하다.
상기 고분자 반도체(170)는 특정한 색상을 나타내고, 산화 또는 환원 반응을 통해 변색이 가능한 물질이면 어떤 종류의 것을 사용해도 무방하며, 이 기술분야의 통상의 기술자가 채용할 수 있는 공지의 것을 제조 또는 구입하여 사용하여도 무방하다. 예를 들어, 상기 고분자 반도체(170)는 산화텅스텐, 산화니켈, 산화티타늄, 산화바나듐, 프러시안 블루, WO3, V2O5, TiO2, NiO, LiNiOx, LiNiOx (여기에서, 0<x<6) 및 프러시안 블루로 이루어진 군으로부터 선택되는 1 종 이상의 무기물계 물질; 폴리피롤, 폴리아닐린, 폴리피리딘, 폴리인돌, 폴리카바졸, 폴리아진, 폴리싸이오펜, 폴리에틸렌 다이옥신 싸이오펜(PEDOTs), 비올로겐, 안트라퀴논, 및 페노사이아진로 이루어진 군으로부터 선택되는 1 종 이상의 유기물계 물질을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
또한, 상기 고분자 반도체(170)는, 예를 들어, MEH-PPV (poly[2-methoxy-5-(2-ethylhexyloxy)-1,4-phenylenevinylene], 빨강), P3HT (poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl), 자주), PEDOT: PSS (poly(3,4-ehtylenedioxythiophene) : poly(styrenesulfonate), 파랑), 폴리티오펜 화합물(polythiophene derivate, 초록), P3BT (poly(3-butylthiophene-2,5-diyl)), P3OT (poly(3-octylthiophene-2,5-diyl)), P3DT (poly(3-decylthiophene-2,5-diyl)), 및 P3DDT (poly(3-dodecylthiophene-2,5-diyl)) 중 1 종 이상을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 일 측면에 따른 전기변색 소자(100)는, 전기 자극을 통해 능동위장을 수행하기 위한 것일 수 있다. 상기 전기변색 소자(100)는 사용자가 전압을 인가하여 원하는 때에 위장이 가능하도록 하는 능동위장을 위한 용도로 사용될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
도 4는 본 발명의 일 구현예에 따른 전기변색 소자(100)의 제조 방법에 관한 순서도이다.
본 발명의 일 측면에 따른 전기변색 소자의 제조 방법은, 기판 상에 위치되는 제 1 전극부를 패턴화하는 단계(S100); 상기 제 1 전극부 상에 위치되고, 이온성 재료를 포함하는 이온 펌프부를 형성하는 단계(S200); 상기 이온 펌프부 상에 고분자 반도체를 전사하는 단계(S300); 및 상기 고분자 반도체 상에 제 2 전극부를 패턴화하는 단계(S400)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 전기변색 소자의 제조 방법에 대하여, 본 발명의 일 측면에 따른 전기변색 소자(100)의 구성 및 효과에 대한 기재가 적용될 수 있으며, 중복되는 부분의 기재를 생략하였다고 해서, 그 적용이 배제되는 것은 아니다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기변색 소자의 제조 방법은 이온 펌프부를 형성하는 단계(S200) 및 고분자 반도체를 전사하는 단계(S300) 이후에, 제 1 전극부를 형성하는 단계(S100) 및 제 2 전극부를 형성하는 단계(S400)의 순서로도 진행할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기변색 소자의 제조 방법에서, 제 1 전극부를 형성하는 단계(S100) 또는 제 2 전극부를 형성하는 단계(S400)는, 각각 서로 독립적으로 증착(evaporation), 스프레이 코팅(Spray-coating), 또는 잉크젯 프린팅(Inkjet-printing)하는 방법을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기변색 소자의 제조 방법에서, 이온성 재료를 포함하는 이온 펌프부를 형성하는 단계(S200)는 용매, 열가소성 탄성 고분자, 및 이온성 분자체를 포함하는 이온성 조성물로부터 건조되거나 경화되어 형성될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상기 이온성 조성물은 열가소성 폴리우레탄 100 중량부를 기준으로, 용매 100 중량부 내지 1000 중량부, 및 이온성 분자체 20 중량부 내지 80 중량부를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기변색 소자의 제조 방법에서, 상기 제 1 전극부 상에 위치되고 이온성 재료를 포함하는 이온 펌프부를 형성하는 단계(S200)는, 용매, 열가소성 탄성 고분자, 및 이온성 분자체를 포함하는 이온성 조성물을 건조 또는 경화하는 단계를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따른 전기변색 소자의 제조 방법은, 상기 이온 펌프부 상에 상기 고분자 반도체를 전사하는 단계 이전에 플라즈마 반응성 이온 에칭을 이용하여 상기 고분자 반도체를 패턴화하는 단계를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 실리콘 옥사이드 웨어퍼에 SAMs 공정을 거친 뒤, 자주색을 띄는 고분자 반도체인 P3HT를 스핀코팅으로 형성하고, 플라즈마 반응성 이온 에칭(Plasma reactive ion etching) 또는 플라즈마 방사(Plasma irradiation)를 통하여 상기 고분자 반도체를 패턴화하거나 또는 상기 고분자 반도체의 적어도 일부를 제거하고, 이온 펌프부로 전사한 후, 제 1 전극부 또는 제 2 전극부에 부착할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기변색 전자 피부의 이온 펌프부의 작동 메커니즘을 나타낸 모식도이다.
본 발명의 일 측면에 따른 전기변색 소자의 제조 방법에서, 상기 이온성 재료는 열가소성 탄성 고분자, 및 이온성 분자체를 포함하는 것이다. 상기 이온성 재료는 용매를 더 포함할 수 있다.
상기 용매는 본 기술분야에서 통상적으로 사용되는 유기 용매일 수 있으며, 예를 들어, 디메틸설폭사이드(DMSO), 디메틸포름아미드(DMF), N-메틸-피롤리돈(NMP), N-N'-디메틸 아세트아미드(DMAc), 아세톤, 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran), 메틸에틸케톤(methylethylketone) 등일 수 있고, 바람직하게는 디메틸포름아미드(DMF)일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
상기 열가소성 폴리우레탄(TPU)은 폴리우레탄의 일종으로, 투명, 반투명, 또는 불투명할 수 있고, -45℃ 내지 75℃의 온도범위에서 유연한 특성을 가질 수 있다.
상기 이온성 분자체는 고상, 또는 액상일 수 있으며, 양이온, 또는 음이온 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 상기 이온성 분자체는, 예를 들어, [EMIM]+ (1-ethyl-3-methylimidazolium), [BMIM]+(1-buthyl-3-methylimidazolium), [TFSI]-(bis-trifluromethylsulfonylimide), [PF6]-(hexafluorophosphate), [BF4]-(tetrafluroborate), [Br]- 및 이들의 조합을 포함할 수 있다. 상기 이온성 분자체는 [EMIM][TFSI], [EMIM][PF6], [EMIM][BF4], [EMIM][Br], [BMIM][TFSI], [BMIM][PF6], [BMIM][BF4], 및 [BMIM][Br] 중에서 1종 이상을 포함할 수 있고, 바람직하게는, [EMIM][TFSI]을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 일 측면에 따른 전기변색 소자의 제조 방법에서, 상기 이온성 재료는 열가소성 탄성 고분자 100 중량부를 기준으로 이온성 분자체 20 중량부 내지 80 중량부를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 이온성 분자체는 20 중량부 내지 80 중량부, 20 중량부 내지 60 중량부, 20 중량부 내지 50 중량부, 20 중량부 내지 40 중량부, 20 중량부 내지 30 중량부, 30 중량부 내지 80 중량부, 30 중량부 내지 60 중량부, 30 중량부 내지 50 중량부, 30 중량부 내지 40 중량부, 40 중량부 내지 80 중량부, 40 중량부 내지 60 중량부, 40 중량부 내지 50 중량부, 50 중량부 내지 80 중량부, 또는 50 중량부 내지 60 중량부가 포함될 수 있다. 상기와 같은 수치범위를 가짐으로써, 상기 이온성 재료를 포함하는 이온성 펌프부는 본 발명의 전기변색 소자의 투과도, 기계적 물성, 장기안정성, 및 내구성 중 어느 하나 이상의 특성이 향상될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상기 이온성 분자체가 20 중량부 미만인 경우 이온 전도도가 저하될 수 있고, 상기 이온성 분자체가 60 중량부 초과인 경우 제조되는 전기변색 소자의 기계적 물성 또는 투과도가 저하될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 일 측면에 따른 전기변색 소자의 제조 방법에서, 상기 이온 펌프부(150)의 상기 이온성 재료는 용매, 열가소성 탄성 고분자, 및 이온성 분자체를 포함하는 이온성 조성물로부터 건조되거나 경화되어 형성될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상기 이온성 조성물은 열가소성 탄성 고분자 100 중량부를 기준으로, 용매 100 중량부 내지 1000 중량부, 및 이온성 분자체 20 중량부 내지 80 중량부를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 일 측면에 따른 전기변색 소자의 제조 방법에서, 상기 고분자 반도체(170)는 상기 이온성 재료에 반응하여 변색되는 것이다. 상기 고분자 반도체(170)는 상기 이온성 재료에 의하여 도핑(doping) 또는 디도핑(dedoping)됨으로써, 변색(bleaching) 또는 재변색(recoloration)되는 것일 수 있다. 상기 고분자 반도체(170)는 상기 변색 또는 재변색 과정이 가역적으로 일어날 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따른 전기변색 소자의 제조 방법에서, 상기 전기변색 소자는 전기 자극을 통해 능동위장을 수행하기 위한 것이다. 상기 전기변색 소자(100)는 사용자가 전압을 인가하여 원하는 때에 위장이 가능하도록 하는 능동위장을 위한 용도로 사용될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 일 측면에 따른 능동위장용 팬크로매틱형 전기변색 전자 피부는, 1 개 이상의 본 발명의 일 실시예에 따른 전기변색 소자를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 능동위장용 팬크로매틱형 전기변색 전자 피부에 대하여, 본 발명의 일 측면에 따른 전기변색 소자(100)의 구성 및 효과에 대한 기재가 적용될 수 있으며, 중복되는 부분의 기재를 생략하였다고 해서, 그 적용이 배제되는 것은 아니다.
도 13을 참조하면, 본 발명의 일 측면에 따른 능동위장용 팬크로매틱형 전기변색 전자 피부는, 복수 개의 본 발명의 일 실시예에 따른 전기변색 소자 및 직물을 포함할 수 있다.
상기 직물은 통상적으로 사용되는 일반 의류일 수 있으며, 예를 들어, 일반 섬유, 또는 군복일 수 있으며, 1 개 이상의 전기변색 소자와 사용자의 신체 사이에 위치될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 여기에서, 상기 전기변색 소자들은 전원부 및 스위치와 전기적으로 연결될 수 있으며, 스위치를 ON으로 작동시킴으로써 변색되고, OFF로 작동시킴으로써 재변색되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 일 측면에 따른 능동위장용 팬크로매틱형 전기변색 전자 피부는, 각각 서로 독립적으로 빨강, 파랑, 초록, 또는 노랑 등의 색을 띠는 본 발명의 일 측면에 따른 1개 이상의 전기변색 소자를 포함할 수 있고, 상기 소자들을 배열함으로써 전자 피부를 사계절용, 시가지용, 또는 산림지용으로 제작하는 것이 가능하다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 능동위장용 팬크로매틱형 전기변색 전자 피부는 3 mm x 3 mm 픽셀단위로 제조될 수 있으며, 복수의 전기변색 소자들이 1 mm 간격으로 패턴화되어 배열될 수 있고, 전압을 인가하여 전기변색 소자들이 변색/재변색 되는 것을 확인할 수 있다. 다만, 상기 픽셀단위 및 배열간격은 사용자의 편의에 따라 적절하게 조절될 수 있고, 상기와 같은 수치에 의하여 본 발명이 제한되지 않는다.
이하에서는 본 발명의 제조예 및 실시예에 대하여 구체적으로 설명한다.
<제조예 및 실시예>
1. 이온성 재료를 포함하는 이온 펌프부 제조
디메틸포름아마이드(DMF), 열가소성 폴리우레탄, 및 이온성 분자체 [EMIM][TFSI]를 12 : 4 : 1 내지 16의 중량비로 혼합하여 이온성 조성물을 제조하였다. 상기 이온성 분자체는 열가소성 폴리우레탄를 기준으로 약 20wt% 내지 약 80wt%로 조절될 수 있다. 이후, 상기 이온성 조성물은 듀란 보틀(Duran bottle)에서 12시간 동안 80℃, 80 rpm으로 교반되었다. 상기 이온성 조성물이 완전히 용해된 뒤에, 15 cm x 15 cm PDMS 기판에 이온성 조성물 15g을 스핀코팅 하였다(150 rpm으로 5초, 350 rpm으로 90초). 스핀코팅 이후, 상기 이온성 조성물을 상온에서 2시간 동안 두었고, 그 이후 승온속도 10℃/hour로 40℃에서 80℃까지, 승온속도 5℃/hour로 80℃에서 100℃까지, 승온속도 10℃/hour로 100℃에서 120℃까지 승온하였다. 이후, 상기 이온성 조성물을 120℃에서 12시간 동안 건조시켜 이온성 재료를 포함하는 이온 펌프부를 제조하였다.
2. 기판 제조
실리콘 옥사이드 웨이퍼를 일정한 간격으로 절단한 이후, 아세톤/이소프로필 알코올을 이용하여 초음파 세척기를 통해 각각 15분 동안 세척하였다. 산소 플라즈마 (Oxygen plasma) 장비를 이용하여 100W에서 60초 동안 웨이퍼 기판 표면을 활성화하였다. Trichloroethylene(TCE) 20 mL, Octadecyltrichlorosilane(ODTS) 40 μL를 혼합한 용액으로 상기 실리콘 옥사이드 웨이퍼를 45분 동안 디핑하였다. 디핑 이후, 톨루엔으로 웨이퍼를 세척하고, 140℃에서 30분 동안 열처리하였다. 열처리 이후, 웨이퍼 표면을 면봉으로 세척하였고, 톨루엔으로 초음파 세척기에서 10분 동안 세척하였다.
3. 고분자 반도체 물질 제조
빨강, 자주, 파랑, 초록의 총 4가지 색상의 고분자 반도체를 사용하였다. 그러나, 본 발명은 상기 4가지 색상의 고분자 반도체 물질에 제한되는 것은 아니며, 이 기술분야에서 통상적으로 사용되는 물질을 제조 또는 구입하여 사용하여도 무방하다.
- 붉은색의 MEH-PPV
Chlorobenzene(CB) 용매를 이용하여 6.5 mg/ml 의 농도로 용액을 제작하고, 70℃의 온도로 12시간 동안 용해하였다. 이후, PVDF 0.45 um 의 필터를 이용하여 필터링을 한 후 70도의 온도로 30분 동안 다시 용해하였다. 앞서서 제작한 ODTS 웨이퍼 기판에 용액을 180 um 부은 이후 2분 30초간 대기하였다. 상기 용액을 500 rpm으로 3초, 1500 rpm으로 60초의 기준으로 기판에 스핀코팅하였다. 그리고 나서, 140℃, 2시간 동안 열을 가하여 붉은 색의 MEH-PPV 고분자 반도체 물질을 제조하였다.
- 자주색의 P3HT
Chlorobenzene(CB) 용매를 이용하여 11 mg/ml 의 농도로 용액을 제작하고, 70℃의 온도로 12시간 동안 용해하였다. PVDF 0.45um 의 필터를 이용하여 필터링을 한 후 70℃의 온도로 30분 더 용해하였다. 앞서서 제작한 ODTS 웨이퍼 기판에 용액을 180um 부은 후 4분 30초간 대기하였다. 이후, 500 rpm으로 3초, 1000 rpm으로 60초의 기준으로 스핀코팅하였다. 180℃, 3시간 동안 열을 가하여 자주색의 P3HT 고분자 반도체 물질을 제조하였다.
- 파란색의 PEDOT:PSS
PEDOT:PSS 와 증류수를 1:5 중량비로 혼합하고, 초음파세척기에 30분동안 교반하였다. 앞서 제작하였던 TPU 필름에 원하는 크기의 마스크를 올리고, 80℃ 온도 기준으로 스프레이 코팅 방식을 이용하여 0.2 ml/s의 분출 속도로 필름을 코팅한다. 이때 두께는 스프레이 코팅 횟수, 분출 속도에 따라 제어가 가능하다. 이후, 100℃, 30분 동안 열을 가하여 파란색의 PEDOT:PSS 고분자 반도체 물질을 제조하였다.
- 초록색의 폴리티오펜 화합물 (주문합성)
Chloroform(CF) 용매를 이용하여 8 mg/ml 의 농도로 용액을 제작하고, 50℃의 온도로 24시간 용해하였다. PVDF 0.45um 의 필터를 이용하여 필터링을 진행하였다. 앞서서 제작한 ODTS 웨이퍼 기판에 용액을 200um 부은 후 30초간 대기하였다. 이후, 500 rpm으로 3초, 1000 rpm으로 60초 동안 스핀코팅하였고, 180℃, 3시간 동안 열을 가하여 폴리티오펜 화합물을 제조하였다.
4. 전극 형성 및 전기변색 소자 제조
상기와 같이 제조된 고분자 반도체 물질을 필름 형태로 형성한 이후, 필름 상에 마스크를 위치시키고, 패턴화 시키기 위하여 플라즈마 RIE 에칭 공정을 통하여 불필요한 부분을 제거하였다. 이후, 일정한 패턴으로 형성된 고분자 반도체 물질을 상기에 제조된 이온 펌프부에 부착하여 전사(Transfer)하였다.
이후, 제 1 전극부 및 제 2 전극부를 형성하였다. 전극부 형성은 다음과 같은 4 가지 방법으로 이루어졌다.
(1) ODTS 기판 위에 금을 증착한 후, TPU 분자체 필름에 전사
(2) PEDOT:PSS를 TPU 분자체 필름 위에 스프레이 코팅
(3) 은 나노와이어를 TPU 분자체 필름 위에 스프레이 코팅
(4) 투명 유연전극(시중구매)인 ITO 전극을 PET 필름 위에 코팅
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기변색 전자 피부의 이온 펌프부의 작동 메커니즘을 나타낸 모식도이다. 전기변색 물질과 전기적으로 연결된 전극에 (+) 전압을 인가하면, 분자체 이온 펌프부에 존재하는 이온이 전기변색 물질 쪽으로 이동하여 도핑이 일어나게 되고, 이에 따라 전기변색 소자는 변색될 수 있다.
이후, 전기변색 물질과 전기적으로 연결된 전극에 (-) 전압을 인가하게 되면(역전압 인가), 도핑된 전기변색 물질이 디도핑되어 본래의 색으로 돌아오게 된다.
<실험예>
- 전기변색 소자의 특성 평가
도 7a는 이온성 액체 함량별 i-TPU의 파장에 따른 투과율 변화 그래프를 나타낸다. 그래프에 따르면, 이온성 분자체의 함량 20wt%일 때 파장별 투과율이 40wt% 및 60wt%일 때의 파장별 투과율보다 높다는 것을 확인할 수 있다.
이온성 재료 함량별 550 nm 광에 대한 이온 투과도 실험결과를 표로 정리하면 아래 표 1의 내용과 같다.
함유량 (wt%) 투과도 (%)
20 93.5
40 87.8
60 80.0
상기 표 1의 내용을 참고하면, 이온 펌프부의 이온성 분자체가 약 20 wt% 내지 약 60 wt% 함유됨으로써, 전기변색 소자의 투과율이 약 80.0% 내지 약 93.5%로 달성될 수 있음을 확인할 수 있다.도 7b는 i-TPU 두께에 따른 투과율 변화 그래프를 나타낸다. 상기 i-TPU의 두께는 약 100 μm, 약 200 μm, 약 300 μm, 약 400 μm로 조절되었고, 약 100 μm 두께일 때 약 90% 이상의 투과율에 도달할 수 있음을 확인하였다.
상기 이온 펌프부의 두께에 따른 투과율(550 nm)의 실험결과를 표로 정리하면 아래 [표 2]의 내용과 같다.
두께(μm) 투과도(%)
100 97.2%
200 93.5%
300 93.0%
400 89.7%
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 i-TPU는 약 100 μm 내지 약 400 μm의 두께를 가짐으로써, 약 89.7% 내지 약 97.2%의 현저한 광투과율(550nm 광)을 갖는 장점이 있다.도 7c는 이온성 분자체 함량에 따른 i-TPU 필름의 이온 전도도를 나타낸 실험결과에 관한 그래프를, 도 7d는 이온성 분자체의 함량별 인장 정도에 따른 i-TPU의 스트레스-스트레인 곡선(stress-strain curve)을 나타낸다.
도 7c에 따르면, 이온성 분자체의 함량이 높아질수록 이온전도도가 약 2 mS/cm까지 향상되는 것을 확인할 수 있다. 이에 따라, 실시예의 이온성 분자체의 함량을 조절하여, 적절한 이온전도도를 선택할 수 있는 장점이 있다.
도 7d에 따르면, 이온성 분자체의 ?랑이 높아질수록 같은 스트레인에 대응하는 스트레스의 크기가 작음을 확인할 수 있다.
다시 말해, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기변색 소자는 이온성 분자체를 포함하지 않는 이온 펌프부를 포함하는 소자에 비하여, 낮은 탄성계수(Young's modulus)를 나타내는 것으로 확인되었다. 도 7d의 삽입도를 참고하면, 제조된 전기변색 소자는 유연하고, 인장 강도가 강한 것을 육안으로 확인할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기변색 소자는 준수한 약 20wt% 내지 약 80wt%의 이온성 분자체 [EMIM][TFSI]를 포함함으로써 약 0.054 mS/cm 내지 약 2.0 mS/cm의 준수한 이온 전도도를 갖는 것으로 확인되었다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기와 같이 이온 펌프부의 두께 및/또는 이온성 분자체의 함량을 조절함으로써, 전기변색 소자의 기계적 물성 및/또는 광투과도를 조절할 수 있다.
도 8a는 전기변색 소자의 굽힘 수(곡률반경 r=8mm)에 따른 변색 이후의 투과도 변화값(△T/△T0)을 나타낸 그래프이다. 이에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기변색 소자는 곡률반경 r=8mm의 굽힘에 대하여 100 내지 10000번의 굽힘 수에도 불구하고, 안정적인 성능을 나타내는 것을 확인할 수 있다.
도 8b는 압축 굽힘(bending) 하에서 변색(bleach) 및 재변색(color) 상태의 P3HT 전기변색 소자들의 사진이다.
도 9a 내지 도 9d는 다양한 바이어스 전압 하에서 순서대로 고분자 반도체 P3HT, MEH-PPV, 폴리티오펜 화합물, 및 PEDOT:PSS를 포함하는 전기변색 소자의 자외선-가시광선 스펙트럼을 나타낸 그래프이다. 상기 도 9a 내지 도 9d로부터 4 종류의 고분자 반도체의 파장에 따른 흡수도를 파악할 수 있고, 실제 도핑/디도핑 시의 색변화를 사진을 통해 확인할 수 있다. 자주색을 띠는 고분자 반도체 물질인 P3HT와 마찬가지로, 본 발명의 실시예에서 제조한 다른 고분자 반도체 물질들 모두 도핑/디도핑 이후에 파장에 따른 흡수도 변화가 거의 없는 것을 확인하여, 변색/재변색이 완전히 가역적으로 이루어지는 것을 확인하였다.
도 9a를 참조하면, 고분자 반도체 P3HT의 광학 밴드갭(Bandgap)은 약 1.85 eV이지만, P 타입 도핑에 의하여 폴라론 및 바이폴라론의 형태로 변화하는 경우, 광학 밴드갭이 원래의 밴드갭인 약 1.85 eV에서 그 내부로 보다 작은 새로운 밴드갭이 형성되는 것을 확인할 수 있다.
도 10a는 수차례 에칭 사이클을 진행한 이후 패턴화된 P3HT의 광학 현미경 이미지이다. 도 10b는 P3HT의 전기변색 층의 두께 프로파일을 나타낸 그래프이다.
도 10c 및 도 10d는 각각 첫 번째, 두 번째 에칭시 패턴화된 P3HT의 파장별 흡수도를 중성(0V), 도핑(3.5V), 디도핑(-3.5V) 상태에 대하여 측정한 그래프이다.
이에 따르면, 플라즈마 에칭 공정에 의하는 경우, 전기변색 소자가 수차례의 에칭을 통한 뒤에도, 고분자 반도체가 변색되는 광학적 성질에는 영향을 거의 주지 않음을 확인할 수 있다. 이에 따라, 상기 플라즈마 에칭 공정을 이용하는 경우, 장기안정성이 높은 전기변색 소자를 제조하는 것이 가능하다는 장점이 있다는 것을 확인하였다.
도 11a는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기변색 소자의 시간에 따른 투과도를 나타낸 그래프이고, 도 11b는 변색/재변색 시간을 나타낸 그래프이다. 도 11c는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기변색 소자의 변색 사이클에 따른 투과율 변화를 나타낸 그래프이다.
도 11a에 따르면, 제조된 전기변색 소자는 약 35000초까지 변색 거동을 진행시킨 후에도 투과도의 감소가 거의 없어 장기적 안정성이 뛰어남을 확인할 수 있다. 도 11b에 따르면, 제조된 전기변색 소자는 변색 시간이 약 1.75초, 재변색 시간이 약 1.5초이므로, 신속하게 변색/재변색이 가능한 장점이 있다. 도 11c에 따르면, 제조된 전기변색 소자는 약 900 사이클의 변색/재변색을 거치더라도, 광투과율의 변화가 거의 없어 소자의 장기 안정성이 매우 뛰어남을 확인할 수 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기변색 소자의 인장 정도에 따른 투과율 변화를 나타낸 그래프이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기변색 소자는, 각각 0%, 30%, 50%, 100% 인장된 상태에서, 변색 구동을 하였을 때 투과율 변화가 거의 없어 소자의 기계적 물성, 안정성이 매우 뛰어남을 확인할 수 있다.
한편, 본 실시예와 관련된 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상기된 기재의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 방법들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 전기변색 소자
110: 기판
130: 제 1 전극부
150: 이온 펌프부
170: 고분자 반도체
190: 제 2 전극부

Claims (13)

  1. 기판 상에 위치되는 제 1 전극부;
    상기 제 1 전극부 상에 위치되고, 이온성 재료를 포함하는 이온 펌프부;
    상기 이온 펌프부 상에 위치되는 고분자 반도체; 및
    상기 고분자 반도체 상에 위치되는 제 2 전극부를 포함하는,
    능동위장을 위한 전기변색 소자로서,
    상기 전기변색 소자는 군인의 장비의 적어도 일부에 배치되어 외부환경에 대하여 위장을 가능하게 하고,
    상기 이온성 재료는 열가소성 탄성 고분자 및 이온성 분자체를 포함하고, 상기 열가소성 탄성 고분자 100 중량부를 기준으로 상기 이온성 분자체 20 중량부 내지 80 중량부를 포함하는, 능동위장을 위한 전기변색 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전극부 또는 상기 제 2 전극부는 각각 서로 독립적으로 금, 은, 구리, 탄소계 재료, ITO, 폴리싸이오펜 및 이들의 조합을 포함하는 것인, 능동위장을 위한 전기변색 소자.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 고분자 반도체는 상기 이온성 재료에 반응하여 변색되는 것인, 능동위장을 위한 전기변색 소자.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기변색 소자는 전기 자극을 통해 능동위장을 수행하기 위한 것인, 능동위장을 위한 전기변색 소자.
  7. 기판 상에 위치되는 제 1 전극부를 패턴화하는 단계;
    상기 제 1 전극부 상에 위치되고, 이온성 재료를 포함하는 이온 펌프부를 형성하는 단계;
    상기 이온 펌프부 상에 고분자 반도체를 전사하는 단계; 및
    상기 고분자 반도체 상에 제 2 전극부를 패턴화하는 단계를 포함하고,
    상기 이온성 재료는 열가소성 탄성 고분자 및 이온성 분자체를 포함하고, 상기 열가소성 탄성 고분자 100 중량부를 기준으로 상기 이온성 분자체 20 중량부 내지 80 중량부를 포함하는,
    능동위장을 위한 전기변색 소자의 제조 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 전기변색 소자의 제조 방법은, 상기 이온 펌프부 상에 상기 고분자 반도체를 전사하는 단계 이전에 플라즈마 반응성 이온 에칭을 이용하여 상기 고분자 반도체를 패턴화하는 단계를 더 포함하는 것인, 능동위장을 위한 전기변색 소자의 제조 방법.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 고분자 반도체는 상기 이온성 재료에 반응하여 변색되는 것인, 능동위장을 위한 전기변색 소자의 제조 방법.
  12. 제 7 항에 있어서,
    상기 전기변색 소자는 전기 자극을 통해 능동위장을 수행하기 위한 것인, 능동위장을 위한 전기변색 소자의 제조 방법.
  13. 제 1 항, 제 2 항, 제 5 항, 및 제 6 항 중 어느 한 항에 따른 전기변색 소자를 포함하는, 능동위장용 팬크로매틱형 전기변색 전자 피부.
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