KR102108565B1 - 전기변색필름 및 전기변색소자 - Google Patents

전기변색필름 및 전기변색소자 Download PDF

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Abstract

본 출원은 전기변색필름에 관한 것이다. 본 출원의 전기변색필름은, 도전층 및 서로 상이한 색좌표를 갖는 전기변색층과 색보정층을 포함한다.

Description

전기변색필름 및 전기변색소자 {Electrochromic film and Electrochromic device}
본 출원은 전기변색필름 및 전기변색소자에 관한 것이다.
전기변색소자란, 전기변색물질이 전기화학적으로 산화 또는 환원 반응을 일으킬 때 나타나는 가역적인 색 변화를 이용하는 소자를 말한다. 이러한 전기변색소자는 적은 비용으로도 넓은 면적의 소자를 제조할 수 있고, 소비전력이 낮기 때문에 스마트 윈도우, 스마트 거울, 전자 종이 또는 차세대 건축 창호 소재와 같이 다양한 분야에서 주목 받고 있다.
일반적으로 전기변색소자는 특정 전위가 전극에 인가될 경우, 전기변색물질의 산화 또는 환원 반응에 의해 착색(colored) 또는 탈색(bleached)이 이루어진다. 즉, 전기변색소자에서 발현되는 색상은 전기변색물질 고유의 착색-탈색에 따라 좌우되게 된다.
따라서, 전기변색소자의 다양한 색상을 구현하기 위해서는 전기변색물질의 착색 색상이 다양할 필요가 있으나, 대표적으로 사용되는 전기변색 물질, 예를 들어, WO3, PB 및 viologen 등은 대부분 청색 계열의 착색 색상을 가지고 있기 때문에 다양한 색상의 구현이 자유롭지 못하다는 문제점이 있다.
또한, 이를 극복하기 위한 방안으로 분자의 구조변경이 자유로운 유기물을 전기변색물질로서 활용하는 방안 등의 다양한 연구가 진행되고 있지만, 전기변색물질은 전자 이동의 안정성과 우수한 전기 변색 특성 등이 요구되므로 신뢰성 있는 전기변색물질의 제조가 쉽지 않기 때문에 전기변색소자의 색상 다변화를 위한 다른 접근 방식이 필요하다.
본 출원의 목적은, 전기변색소자의 우수한 내구성을 유지하면서도 다양한 색을 구현할 수 있는 전기변색 필름 및 전기변색 소자를 제공하는 것이다.
본 출원의 상기 목적 및 기타 그 밖의 목적은 하기 상세히 설명되는 본 출원에 의해 모두 달성될 수 있다.
본 출원에 관한 일례에서, 본 출원은 전기변색필름에 관한 것이다. 본 출원의 전기변색필름은 제1 도전층, 전기변색층 및 색보정층을 포함할 수 있다. 본 출원은 전기변색필름 내에 색보정층을 포함함으로써, 전기변색층의 착색 및 탈색으로 인해 나타내는 색좌표를 이동시켜, 원하는 광학적 발색을 갖는 전기변색필름을 제공할 수 있다.
하나의 예시에서, 본 출원의 전기변색필름은 전기변색층과 색보정층이 서로 상이한 색좌표를 가질 수 있다. 색좌표란, 색상을 표준적으로 나타내기 위한 좌표로서 예를 들어, RGB (Red, Green, Blue), CMY (Cyan, Magenta, Yellow) 색좌표를 의미할 수 있으며, 광학적 성질이 상이한 경우, 색좌표가 상이할 수 있다.
하나의 예시에서, 본 출원의 전기변색필름은 색보정층, 제1 도전층 및 전기변색층을 순차적으로 포함할 수 있다. 전기변색필름이 상기 층들을 순차적으로 포함한다는 것은, 색보정층, 색보정층 상에 제1 도전층, 제1 도전층 상에 전기변색층이 위치하도록 포함하는 것을 의미할 수 있다. 또한, 본 출원에서 구성 간 위치에 관하여 사용되는 「상」이라는 용어는 “위” 또는 “상부”에 대응하는 의미로 사용되며, 특별히 다르게 기재되지 않는 이상, 해당 위치를 갖는 구성이 다른 구성에 직접 접하면서 그 위에 존재하는 경우를 의미할 수도 있고, 이들 사이에 다른 구성이 존재하는 경우를 의미할 수도 있다. 상기 색보정층은 전기변색층과 직접 접하지 않도록 위치함으로써 전기변색필름 내의 전자이동을 방해하지 않을 수 있다.
하나의 예시에서, 본 출원의 전기변색필름은 투광성 기재층을 더 포함할 수 있다. 투광성 기재층이란, 예를 들어, 가시광선에 대한 투과율이 60% 내지 95%인 기재층을 의미할 수 있다. 또 하나의 예시에서, 투광성 기재층은 천연 및 합성 중합체 수지, 플라스틱, 및/또는 폴리에스테르(예컨대 PET), 폴리이미드(PI), 폴리탄산염, 폴리설폰, 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN), 에틸렌 비닐 아세테이트(EVA), 아크릴레이트 중합체, 폴리아미드 및 시클릭 올레핀 중합체(COP) 중 하나 이상을 포함하는 기재일 수 있고, 가시 광선영역에서 투명 또는 실질적으로 투명인 기재라면 특별히 제한되지 않는다.
하나의 예시에서, 상기 투광성 기재층를 포함하는 경우, 전기변색필름은 투광성 기재층, 색보정층, 제1 도전층 및 전기변색층을 순차적으로 포함할 수 있고, 또는, 전기변색필름은 색보정층, 투광성 기재층, 제1 도전층 및 전기변색층을 순차적으로 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
하나의 예시에서, 본 출원의 전기변색필름은 색보정층을 2개 이상 포함할 수 있다. 상기 색보정층을 2개 이상 포함하는 경우, 상기 색보정층들은 제1 색보정층, 제2 색보정층 등으로 명칭될 수 있고, 색보정층들은 각각 전기변색층과 상이한 색좌표를 가질 수 있다. 또한, 상기 색보정층들은 서로 동일한 색좌표를 가질 수도 있고, 상이한 색좌표를 가질 수도 있다.
하나의 예시에서, 색보정층을 2개 포함하는 경우, 전기변색필름은 제1 색보정층, 제2 색보정층, 제1 도전층 및 전기변색층을 순차적으로 포함할 수 있고, 또는, 제1 색보정층, 투광성 기재층, 제2 색보정층, 제1 도전층 및 전기변색층을 순차적으로 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
하나의 예시에서, 본 출원의 색보정층은 색보정제를 포함할 수 있다. 상기 색보정제는 전기변색층에서 나타내는 색좌표와 상이한 색좌표를 갖는 물질이라면 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 안료, 염료, 형광물질 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 상기 색보정제를 포함하는 색보정층의 형성방법은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어 색보정제를 포함하는 코팅액의 도포 및 건조에 의해 이루어질 수 있고, 단일층으로 형성되거나, 또는, 투광성 기재에 적층되어 이층의 구조를 형성할 수 있다.
보다 구체적으로, 전기변색층에 착색 시 시안색(색좌표 (1,0,0))을 갖는 산화텅스텐(WO3)을 포함하는 경우, 색보정층은 황색(색좌표 (0,0,1))을 갖는 안료를 색보정제로서 포함할 수 있다. 상기 전기변색필름에 일정 전압을 인가하면, 전기변색필름은, 감산혼합에 의해 산화텅스텐(WO3)의 착색 시 녹색(색좌표 (1,0,1))을 나타내며, 산화텅스텐(WO3)의 탈색 시 황색(색좌표 (0,0,1))을 나타내게 된다. 또한, 상기 전기변색필름은 인가되는 구동전압의 크기에 따라 색상의 농도가 달라질 수 있다.
본 출원의 색보정층의 헤이즈(Haze) 값은 특별히 제한되지 않으나, 10% 이하, 7%이하, 5%이하 또는 3%이하일 수 있다. 색보정층이 상기 범위의 헤이즈값을 가질 때, 색보정층으로서 역할을 수행할 수 있는 유용한 투명도를 가질 수 있다.
상기 헤이즈 값은 빛이 시료를 통과할 때 나타나는 흐림의 정도로서, 확산투과광(Diffuse Transmittance, Td)을 총투과광(Total Transmittance, Tt)으로 나눈 비율을 의미한다. 여기서 확산투과광(Td)은 시료를 투과한 빛 중 산란된 빛의 양이며, 총투과광(Tt)은 시료를 투과한 모든 빛의 양을 말한다. 한편, 평행투과광(Tp)은 투과된 빛 중 산란을 일으키지 않고 투과된 빛의 양으로, 총투과광(Tt)에서 확산투과광(Td)을 뺀 값으로 나타낼 수 있다. 본 출원의 헤이즈 값은 JIS K7105 규격에 의해 측정하며, HM150 등과 같은 헤이즈미터를 사용하여 측정할 수 있다.
또 하나의 예시에서, 본 출원의 색보정층의 가시광선에 대한 투과율은, 그 상한이, 90% 이하, 85%이하, 80%이하일 수 있으며, 그 하한은 1% 이상, 10%이상, 20%이상일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 본 출원에서 가시광선이란, 약 350 nm 내지 750nm 범위의 파장을 갖는 광을 의미할 수 있으며, 보다 구체적으로는 550 nm 파장의 광을 의미할 수 있다. 또한, 상기 색보정층의 두께는 10nm 내지 500μm 범위 내에서, 30nm 이상, 50nm 이상, 또는 100nm이상일 수 있으며, 300μm이하, 200μm이하, 또는 100μm이하일 수 있다. 색보정층이 상기 범위의 투과율 또는 두께를 가질 때, 전기변색필름의 색좌표를 이동시켜 원하는 광학적 발색을 갖도록 할 수 있다.
하나의 예시에서, 본 출원의 전기변색층은 산화성 변색물질 또는 환원성 변색물질을 포함할 수 있다. 전기변색물질을 포함하는 전기변색층의 형성방법은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 증착에 의해 이루어질 수 있다. 산화성 변색물질이란, 산화반응이 일어날 경우 변색되는 물질을 의미할 수 있고, 환원성 변색물질이란, 환원반응이 일어날 경우 변색되는 물질을 의미할 수 있다. 따라서, 전기변색층은 변색물질의 산화반응 또는 환원반응에 의해 착색 또는 탈색이 일어날 수 있으므로 색좌표를 가질 수 있다.
하나의 예시에서, 산화성 변색물질로는 프러시안블루(PB)와 Co, Rh, Ir, Ni, Cr, Mn 및 Fe의 산화물, 예를 들어, LiNiO2, IrO2, NiO, V2O5, LixCoO2, Rh2O3 또는 CrO3 등이 있고, 환원성 변색물질로는 Ti, V, Nb, Ta, Mo 및 W의 산화물, 예를 들어 WO3, MoO3, Nb2O5, Ta2O5 또는 TiO2 등이 있으나, 상기 물질들로 본 출원의 변색물질이 제한되는 것은 아니다.
상기 도전층은 전기변색층에 전하를 공급할 수 있는 구성을 의미할 수 있다. 하나의 예시에서, 상기 도전층은 ITO(Indium Tin Oxide), FTO(Fluor doped Tin Oxide), AZO(Aluminium doped Zinc Oxide), GZO(Galium doped Zinc Oxide), ATO(Antimony doped Tin Oxide), IZO(Indium doped Zinc Oxide), NTO(Niobium doped Titanium Oxide), ZnO, OMO(Oxide/Metal/Oxide) 및 CTO로 구성된 그룹 중에서 선택되는 하나 이상의 투명 전도성 화합물; 전도성 고분자; 은 나노와이어(Agnanowire); 또는 메탈메쉬(Metal mesh)를 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또 다른 예시에서, 상기 도전층은 2 이상의 도전성 물질이 복수개의 층으로 적층된 구조를 가질 수 있다. 도전층을 형성하는 방법은 특별히 제한되지 않으며, 공지된 방법이 제한 없이 사용될 수 있다.도전층의 형성방법은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 스퍼터링 공정을 통해, 투명 전도성 산화물 입자를 포함하는 전극 재료를, 투명한 유리 기판상에 박막형태로 형성함으로써 마련될 수 있다.
본 출원의 다른 일례에서, 본 출원은 전기변색소자에 대한 것이다. 보다 구체적으로, 상기 전기변색소자는 본 출원의 일례에 따른 전기변색 필름, 전해질층, 이온저장층 및 제2 도전층을 포함할 수 있다. 본 출원은 전기변색소자 내에 색보정층을 포함함으로써, 전기변색층 또는 이온저장층의 착색 및 탈색으로 인해 나타내는 색좌표를 이동시켜, 원하는 광학적 발색을 갖는 전기변색소자를 제공할 수 있다.
하나의 예시에서, 제2 도전층은 상기 언급한 제1 도전성층과 동일하게 구성될 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 전해질층은 변색 반응에 관여하는 이온을 제공할 수 있는 구성일 수 있다. 상기 전해질층에 사용되는 전해질의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 액상 전해질, 겔 폴리머 전해질 또는 무기 고체 전해질이 사용될 수 있다.
하나의 예시에서, 본 출원의 전기변색소자는 색보정층을 하나 이상 더 포함할 수 있다. 상기 전기변색소자가 색보정층을 하나 이상 더 포함하는 경우, 전기변색필름의 색보정층을 포함하여, 제1 색보정층, 제2 색보정층, 제3 색보정층 등으로 명칭될 수 있다. 또한, 상기 색보정층들은 각각 전기변색층과 상이한 색좌표를 가질 수 있고, 색보정층들은 서로 동일한 색좌표를 가질 수도 있고, 상이한 색좌표를 가질 수도 있다. 상기 전기변색소자가 포함할 수 있는 색보정층의 상한은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 20개 이하일 수 있다.
하나의 예시에서, 본 출원의 전기변색소자는 상기 전기변색 필름, 전해질층, 이온저장층, 제2 도전층 및 색보정층을 순차적으로 포함할 수 있다. 전기변색소자가 상기 층들을 순차적으로 포함한다는 것은, 전기변색필름, 전기변색필름 상에 전해질층, 전해질층 상에 이온저장층, 이온저장층 상에 제2 도전층, 제2 도전층 상에 색보정층이 위치하도록 포함하는 것을 의미한다. 상기 색보정층은 이온저장층과 직접 접하지 않도록 위치함으로써 이온저장층과 제2 도전층 사이의 전자 이동을 방해하지 않도록 할 수 있다. 또한, 상기 색보정층은 전해질층과 직접 접하지 않도록 위치함으로써 전해질층과 전기변색층의 사이, 또는 전해질층과 이온저장층의 사이의 전자 이동을 방해하지 않도록 할 수 있다.
하나의 예시에서, 본 출원의 전기변색소자는 투광성 기재층을 더 포함할 수 있다. 상기 전기변색소자가 투광성 기재층을 더 포함하는 경우, 예를 들어, 전기변색소자는 전기변색필름, 전해질층, 이온저장층, 제2 도전층, 색보정층 및 투광성 기재층을 순차적으로 포함할 수 있고, 또는, 전기변색필름, 전해질층, 이온저장층, 제2 도전층, 투광성 기재층 및 색보정층을 순차적으로 포함할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
또 하나의 예시에서, 본 출원의 전기변색소자는 전기변색필름, 전해질층, 이온저장층, 제2 도전층, 색보정층, 투광성 기재층 및 색보정층을 순차적으로 포함할 수 있다.
하나의 예시에서, 본 출원의 이온저장층은 전기변색층에 포함되는 변색물질과는 발색 특성이 상보적인 변색물질을 포함할 수 있다. 상보적인 발색특성이란, 전기변색물질이 착색될 수 있는 반응의 종류가 서로 상이 경우를 말하는 것으로, 예를 들어, 산화성 변색물질이 이온저장층에 사용될 경우, 환원성 변색물질이 전기변색층에 사용되는 경우를 의미한다. 상보적 발색특성을 갖는 변색물질이 전기변색층과 이온저장층에 각각 포함됨에 따라, 예를 들어 환원반응에 의한 전기변색층의 착색과, 산화반응에 의한 이온저장층의 착색이 동시에 이루어질 수 있고, 그 반대의 경우에는 전기변색층과 이온저장층의 탈색이 동시에 이루어질 수 있다. 그 결과, 소자 전체의 착색 및 탈색이 동시에 이루어질 수 있다. 상기와 같은 착색 및 탈색은, 소자에 인가되는 전압의 극성에 따라 교대될 수 있다.
하나의 예시에서, 본 출원의 전기변색소자는 가시광선에 대한 투과율이 1% 내지 85% 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 구체적으로 전기변색소자는, 착색 시 가시광선에 대한 투과율이 1% 이상, 5%이상, 또는 10%이상이고, 75%이하, 70%이하, 또는 60%이하일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 전기변색소자는 탈색 시 가시광선에 대한 투과율이 40%이상, 50%이상, 또는 60%이상이고, 85%이하, 80%이하, 또는 75%이하일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 전기변색소자는 색보정층을 포함함으로써, 색보정층을 포함하지 않은 일반적인 전기변색소자에 비해 낮은 투과율을 달성할 수 있다.
본 출원의 다른 일례에서, 본 출원은 스마트 윈도우에 대한 것이다. 보다 구체적으로 본 출원의 스마트 윈도우는 본 출원의 전기변색필름 포함할 수 있다. 또한, 본 출원의 스마트 윈도우는 본 출원의 전기변색소자를 포함할 수 있다.
본 출원의 전기변색필름 및 전기변색소자에 따르면 신뢰성이 확보한 전기변색물질을 사용하여 우수한 내구성을 유지하면서도 다양한 색을 구현할 수 있는 전기변색소자를 제공할 수 있다.
도 1은 본 출원의 일 실시예와 관련된 전기변색필름을 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 출원의 일 실시예에서 사용된 색보정제의 투과도 그래프이다.
이하, 실시예를 통해 본 출원을 상세히 설명한다. 그러나, 본 출원의 보호범위가 하기 설명되는 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
본 출원의 전기변색소자의 실시예에서, 하기 도 2의 투과도를 갖는 황색 안료(yellow pigment)를 포함하는 코팅액을 PET 필름의 양면 상에 도포 후 건조하여 제1 색보정층 및 제2 색보정층을 형성하였다. 상기 제2 색보정층 상에 ITO도전층(제1 도전층), WO3를 포함하는 전기변색층을 형성하여, 전기변색층/제1도전층/제1색보정층/투광성 기재층/제2 색보정층을 순차적으로 포함하는 전기변색필름을 제조하였다.
또한, 상기 전기변색필름상에 전해질층, PB를 포함하는 이온저장층, ITO도전층(제2 도전층), 도 2의 투과도를 갖는 황색 안료(yellow pigment)를 포함하는 제3 색보정층, PET 필름 및 도 2의 투과도를 갖는 황색 안료(yellow pigment)를 포함하는 제4 색보정층을 형성하여, 전기변색필름/전해질층/이온저장층/제2도전층/제3색보정층/투광성기재층/제4색보정층을 순차적으로 포함하는 전기변색소자를 제조하였다. 상기 제조된 전기변색소자에 전압을 인가하여 색차계장비(D65광원, 모델명: COH-400)를 이용하여 색좌표측정 및 그에 따른 색상을 확인하였다. 또한, UV/Vis-spectrometer를 사용하여 투과율을 측정하였다. 결과는 하기 표 1과 같다.
Figure 112017045323706-pat00001
상기 표 1에서, 상기 전기변색소자는 전기변색층 및 이온저장층의 착색(Colored)상태에서 전기변색층 및 이온저장층의 시안색과 색보정층의 황색이 감산혼합되어 최종적으로 녹색을 나타내고, 전기변색층 및 이온저장층의 탈색(Bleached)상태에서 색보정층의 색인 황색을 나타냄을 확인할 수 있다.
본 출원의 전기변색소자의 또 다른 실시예에서, 제1 색보정층 및 제3 색보정층에서는 도 2의 투과도를 갖는 마젠타색 안료(magenta pigment)를 포함하고, 제2 색보정층 및 제4 색보정층에서 도 2의 투과도를 갖는 황색 안료(yellow pigment)를 포함하도록 색보정층을 형성한 것을 제외하고 상기와 동일하게 전기변색소자를 제조하였다. 결과는 하기 표 2와 같다.
Figure 112017045323706-pat00002
상기 표 2에서, 전기변색소자는 전기변색층 및 이온저장층의 착색(Colored)상태에서 전기변색층 및 이온저장층의 시안색과 색보정층의 황색 및 마젠타색이 감산혼합되어 최종적으로 검정색을 나타내고, 전기변색층 및 이온저장층의 탈색(Bleached)상태에서 제1 색보정층 및 제3 색보정층의 색인 마젠타색과 제2 색보정층 및 제4 색보정층의 색인 황색이 감산혼합되어 적색을 나타냄을 확인할 수 있다.
또한, 본 출원의 전기변색소자는 색보정층을 포함함으로써, 안정적으로 구동하면서도 다양한 색을 구현할 수 있는 전기변색소자를 제공할 수 있음을 확인할 수 있다.
110: 제1 색보정층
120: 제2 색보정층
210: 투광성 기재층
220: 제1 도전층
230: 전기변색층

Claims (16)

  1. 제1 도전층, 전기변색층 및 색보정층을 포함하고, 상기 전기변색층과 색보정층은 서로 상이한 색좌표를 가지며, 상기 색보정층의 헤이즈 값이 10% 이하인 전기변색필름.
  2. 제1항에 있어서, 색보정층, 제1 도전층 및 전기변색층을 순차적으로 포함하는 전기변색필름.
  3. 제1항에 있어서, 투광성 기재층을 더 포함하는 전기변색필름.
  4. 제1항에 있어서, 상기 색보정층을 2개 이상 포함하는 전기변색필름.
  5. 제1항에 있어서, 상기 색보정층은 색보정제를 포함하는 전기변색필름.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서, 상기 전기변색층은 산화성 변색물질 또는 환원성 변색물질을 포함하는 전기변색필름.
  8. 제7항에 있어서, 상기 산화성 변색물질은 프러시안블루(PB)와 Co, Rh, Ir, Ni, Cr, Mn, V 및 Fe의 산화물 중 1 이상이고, 상기 환원성 변색물질은 Ti, Nb, Ta, Mo 및 W의 산화물 중 1 이상인 전기변색필름.
  9. 제1항에 있어서, 상기 제1 도전층은 ITO(Indium Tin Oxide), FTO(Fluor doped Tin Oxide), AZO(Aluminium doped Zinc Oxide), GZO(Galium doped Zinc Oxide), ATO(Antimony doped Tin Oxide), IZO(Indium doped Zinc Oxide), NTO(Niobium doped Titanium Oxide), ZnO, OMO(Oxide/Metal/Oxide) 및 CTO로 구성된 그룹 중에서 선택되는 하나 이상의 투명 전도성 화합물; 전도성 고분자; 은 나노와이어(Agnanowire); 또는 메탈메쉬(Metal mesh) 를 포함하는 전기변색필름.
  10. 제1항 내지 제5항, 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 전기변색 필름, 전해질층, 이온저장층 및 제2 도전층을 포함하는 전기변색소자.
  11. 제10항에 있어서, 색보정층을 하나 이상 더 포함하는 전기변색소자.
  12. 제11항에 있어서, 상기 전기변색 필름, 전해질층, 이온저장층, 제2 도전층 및 색보정층을 순차적으로 포함하는 전기변색소자.
  13. 제10항에 있어서, 투광성 기재층을 더 포함하는 전기변색소자.
  14. 제10항에 있어서, 이온저장층은 전기변색층에 포함되는 변색물질과는 발색 특성이 상보적인 변색물질을 포함하는 전기변색소자.
  15. 제10항에 있어서, 가시광선에 대한 투과율이 1% 내지 85% 인 전기변색소자.
  16. 제1항의 전기변색필름을 포함하는 스마트 윈도우.
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