KR102112043B1 - 전기변색 소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예는 제1 전기변색층을 포함하는 제1 전기변색부; 제2 전기변색층을 포함하는 제2 전기변색부; 및 상기 제1 전기변색부 및 제2 전기변색부 사이에 구비되는 전해질층;을 포함하며, 상기 제1 전기변색층 및 제2 전기변색층 각각은 전기전도성 물질 및 전기변색 물질을 포함하고, 상기 제1 전기변색층 및 제2 전기변색층 중 적어도 하나의 전기변색층에 외부전원 인가부가 직접 구비되는 전기변색 소자를 제공한다.

Description

전기변색 소자{ELECTROCHROMIC DEVICE}
본 발명은 전기변색 소자에 관한 것이다.
전기변색 소자(electrochromic device; ECD)는 외부에서 전압이 인가됨에 따라, 전기변색 소자 내의 전류의 흐름에 의해 산화/환원 반응이 진행되어 전기변색 물질의 색깔이 변하는 원리를 이용하는 소자로서, 광 셔터, 반사형 디스플레이, 자동차용 변색 거울 및 스마트 윈도우 등 다양한 분야에서 이용되고 있다.
일반적으로, 전기변색 소자는 외부로부터 전압이 인가되는 투명 전극층, 투명 전극층 상에 적층되고 인가된 전류에 의해 색깔이 변화되는 전기변색 물질층 및 이온전도를 위한 전해질을 포함하는 전해질층이 전기변색 물질층에 접하는 구조를 가지며, 외부로부터 공급되는 전압을 인가받기 위한 외부전원 인가부가 투명 전극층 상에 구비된다. 투명 전극층 상에 외부전원 인가부를 형성하기 위하여, 투명 전극층 상에 적층된 전기변색 물질층을 식각하고, 전기변색 물질층이 식각되어 노출된 투명 전극층의 부분에 외부전원 인가부를 형성할 수 있다. 또한, 마스킹 기법을 이용하여 투명 전극층 상에 전기변색 물질층을 형성함에 따라, 전기변색 물질층이 형성되지 않은 투명 전극층의 표면에 외부전원 인가부를 형성할 수 있다. 다만, 외부전원 인가부를 투명 전극층 상에 형성하기 위하여 전기변색 물질층을 식각하는 공정 또는 마스킹 기법을 이용하는 공정을 수행하는 경우, 전기변색 소자를 제조하는 과정이 복잡하고 제조 비용이 증가되는 문제가 있다. 또한, 외부전원 인가부를 투명 전극층 상에 형성하기 때문에, 외부전원 인가부의 위치 및 전기변색 소자의 구조를 다양하게 설계하는 것이 어려운 문제가 있다.
따라서, 전기변색 소자내의 외부전원 인가부의 위치를 다양하게 설정하고, 전기변색 소자의 구조를 다양하게 설계할 수 있는 기술이 필요한 실정이다.
본 발명은 전기변색 소자에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예는 제1 전기변색층을 포함하는 제1 전기변색부; 제2 전기변색층을 포함하는 제2 전기변색부; 및 상기 제1 전기변색부 및 제2 전기변색부 사이에 구비되는 전해질층;을 포함하며, 상기 제1 전기변색층 및 제2 전기변색층 각각은 전기전도성 물질 및 전기변색 물질을 포함하고, 상기 제1 전기변색층 및 제2 전기변색층 중 적어도 하나의 전기변색층에 외부전원 인가부가 직접 구비되는 전기변색 소자를 제공한다.
본 발명의 다른 실시예는 전기전도성 물질 및 제1 전기변색 물질을 포함하는 제1 조성물을 제1 투명 전도성 산화물층 상에 도포하고 상기 제1 조성물을 경화하여, 상기 제1 투명 전도성 산화물층 상에 형성된 제1 전기변색층을 포함하는 제1 전기변색부를 제조하는 단계; 전기전도성 물질 및 제2 전기변색 물질을 포함하는 제2 조성물을 제2 투명 전도성 산화물층 상에 도포하고 상기 제2 조성물을 경화하여, 상기 제2 투명 전도성 산화물층 상에 형성된 제2 전기변색층을 포함하는 제2 전기변색부를 제조하는 단계; 상기 제1 전기변색층 및 제2 전기변색층 사이에 전해질층을 형성하는 단계; 및 상기 제1 전기변색층 및 제2 전기변색층 중 적어도 하나의 전기변색층에 외부전원 인가부를 형성하는 단계;를 포함하는 전기변색 소자의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 전기변색층 및/또는 제2 전기변색층에 외부전원 인가부가 직접 구비될 수 있어, 전기변색 소자 내에 구비되는 외부전원 인가부의 위치를 다양하게 설정할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 전기변색 소자 내에 구비되는 외부전원 인가부의 위치를 다양하게 설정할 수 있으며, 구조의 다양한 설계가 가능한 전기변색 소자를 용이하게 제조할 수 있다.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기변색 소자의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 전기변색층 및 제2 전기변색층 각각에 외부전원 인가부가 구비된 것을 나타낸 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시예 1에 따른 전기변색층의 SEM(scanning electron microscope) 이미지이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 실시예 2에 따른 전기변색층의 SEM(scanning electron microscope) 이미지이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1 및 실시예 2에 따른 전기변색층과 비교예 1에 따른 전기변색층의 시간에 따른 전하량을 나타낸 도면이다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 본 명세서에서 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
이하, 본 명세서에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명의 일 실시예는 제1 전기변색층을 포함하는 제1 전기변색부; 제2 전기변색층을 포함하는 제2 전기변색부; 및 상기 제1 전기변색부 및 제2 전기변색부 사이에 구비되는 전해질층;을 포함하며, 상기 제1 전기변색층 및 제2 전기변색층 각각은 전기전도성 물질 및 전기변색 물질을 포함하고, 상기 제1 전기변색층 및 제2 전기변색층 중 적어도 하나의 전기변색층에 외부전원 인가부가 직접 구비되는 전기변색 소자를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 전기변색층 및 제2 전기변색층에 전기전도성 물질이 포함됨으로써, 외부전원 인가부가 제1 전기변색층 및/또는 제2 전기변색층에 직접 구비될 수 있다.
전기변색 소자는 투명 전극층, 전기변색 물질층, 전해질층, 전기변색 물질층, 투명 전극층이 순차적으로 적층된 구조를 가질 수 있고, 전기변색 소자에 전원을 인가하기 위한 2개의 외부전원 인가부가 2개의 투명 전극층에 각각 구비될 수 있다. 기존에는 투명 전극층 상에 적층된 전기변색 물질층을 식각하여 노출된 투명 전극층 표면에 외부전원 인가부를 형성하거나, 마스킹 기법을 이용하여 투명 전극층 상에 전기변색 물질층을 형성하되 마스킹 처리되어 전기변색 물질층이 형성되지 않은 투명 전극층 표면에 외부전원 인가부를 형성하였다. 다만, 투명 전극층 상에 적층된 전기변색 물질층을 식각하는 공정 및 마스킹 기법을 이용하여 전기변색 물질층을 형성하는 공정이 포함됨으로써, 전기변색 소자의 제조 과정이 복잡해지고 제조 비용이 증가하는 문제가 있었다. 또한, 종래와 같이 전기변색 소자를 제조하는 경우, 투명 전극층 상에만 외부전원 인가부가 형성됨에 따라, 전기변색 소자 내에 구비되는 외부전원 인가부의 위치를 설정하는 것이 어려우며, 전기변색 소자의 구조를 다양하게 설계하는 것이 어려운 문제가 있었다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시상태에 따른 전기변색 소자는 전기변색층에 직접 외부 전원 인가부를 구비하여, 전기변색 소자의 구조를 다양하게 할 수 있는 장점이 있다. 구체적으로, 본 발명의 일 실시상태에 따르면, 상기 제1 전기변색층 및/또는 제2 전기변색층에 외부전원 인가부가 직접 구비될 수 있어, 전기변색 소자 내에 구비되는 외부전원 인가부의 위치를 다양하게 설정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 전기변색층 및 제2 전기변색층 각각은 전기전도성 물질 및 전기변색 물질을 포함하고 있어, 전기 전도성을 보유함과 동시에 외부에서 인가되는 전원에 의해 변색될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 전기변색층에 포함되는 전기변색 물질의 종류와 상기 제2 전기변색층에 포함되는 전기변색 물질의 종류는 상이할 수 있다. 구체적으로, 전자를 공급받아 환원됨으로써 변색되는 전기변색 물질이 상기 제1 전기변색층에 포함될 수 있고, 전자를 잃고 산화됨으로써 변색되는 전기변색 물질이 상기 제2 전기변색층에 포함될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 전기변색층에 포함되는 전기변색 물질은 텅스텐옥사이드, 니오븀펜타옥사이드, 바나듐펜타옥사이드, 티타늄옥사이드 및 몰리브덴옥사이드 중 적어도 1종을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 전기변색층에 포함되는 전기변색 물질은 전자를 공급받아 환원됨으로써 변색될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제2 전기변색층에 포함되는 전기변색 물질은 프러시안 블루, 니켈옥사이드 및 이리듐옥사이드 중 적어도 1종을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 제2 전기변색층에 포함되는 전기변색 물질은 전자를 잃고 산화됨으로써 변색될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전해질층은 상기 제1 전기변색부 및 제2 전기변색부 사이에 구비될 수 있다. 구체적으로, 상기 전해질층은 상기 제1 전기변색층 및 제2 전기변색층 사이에 구비될 수 있으며, 상기 전해질층은 상기 제1 전기변색층 및 제2 전기변색층과 직접 접하고 있을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전해질층은 금속 이온을 함유한 고체 고분자 전해질, 무기계 수화물 등을 포함할 수 있다. 상기 전해질층은 리튬 이온(Li+), 나트륨 이온(Na+), 칼륨 이온(K+) 등을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 고체 고분자 전해질로는 Poly-AMPS, PEO/LiCF3SO3 등을 사용할 수 있고, 상기 무기계 수화물로 Sb2O5ㆍ4H2O 등을 사용할 수 있다.
상기 전기변색 소자 내에 구비된 외부전원 인가부를 통해 상기 전기변색 소자에 전원이 인가됨에 따라, 상기 전기변색 소자 내에서 전자 및 이온 등이 상기 전기변색 소자 내에서 이동할 수 있다. 구체적으로, 상기 전기변색 소자에 외부 전원이 인가됨으로써, 상기 제1 전기변색층으로 전자가 이동할 수 있고, 상기 전해질층에 포함된 금속 양이온이 상기 제1 전기변색층으로 이동할 수 있다. 상기 제1 전기변색층으로 전자 및 금속 양이온이 이동됨에 따라, 상기 제1 전기변색층에 포함된 전기변색 물질이 변색될 수 있다. 일 예로, 상기 제1 전기변색층에 포함되는 전기변색 물질로 텅스텐옥사이드(WO3)를 사용하는 경우, 상기 전기변색 소자에 전원이 인가됨에 따라 상기 제1 전기변색층 내에서 하기 반응식 1과 같이 텅스텐옥사이드가 변색될 수 있다.
[반응식 1]
WO3(투명) + xe- + xM+ ↔ MxWO3(진한 청색)
상기 반응식 1에서 M+는 상기 전해질층에 포함되는 금속 양이온이다. 상기 제1 전기변색층 내에 포함된 텅스텐옥사이드는 투명한 상태이나, 전자가 공급되어 환원됨에 따라 진한 청색으로 색이 변할 수 있다.
또한, 일 예로, 상기 제2 전기변색층에 포함되는 전기변색 물질로 프러시안 블루((FeⅢ)4[FeⅡ(CN)6]3)를 사용하는 경우, 상기 전기변색 소자에 전원이 인가됨에 따라 상기 제2 전기변색층 내에서 하기 반응식 2와 같이 프러시안 블루가 변색될 수 있다.
[반응식 2]
(FeⅢ)4[FeⅡ(CN)6]3(진한 청색) + 4K+ + 4e- ↔ 4K(FeⅡ)4[FeⅡ(CN)6]3(투명)
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 전기변색층 및/또는 제2 전기변색층에 외부전원 인가부가 직접 구비됨에 따라, 상기 전기변색층의 변색 속도가 향상될 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 전기변색층 상에 직접 구비된 외부전원 인가부를 통해 외부 전원이 상기 전기변색 소자에 인가됨에 따라, 전자가 상기 제1 전기변색층으로 보다 빨리 이동될 수 있다. 이에 의해, 상기 제1 전기변색층에 포함된 전기변색 물질이 빠르게 반응하여 변색될 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 전기변색층 및/또는 제2 전기변색층에 외부전원 인가부가 직접 구비된 상기 전기변색 소자는 빠른 전기변색 속도를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 전기변색층 및 제2 전기변색층 각각에 포함되는 상기 전기전도성 물질의 함량은 상기 전기전도성 물질 및 전기변색 물질 총 중량에 대하여 1 중량% 이상 10 중량% 이하일 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 전기변색층 및 제2 전기변색층 각각에 포함되는 상기 전기전도성 물질의 함량은 상기 전기전도성 물질 및 전기변색 물질 총 중량에 대하여 3 중량% 이상 8 중량% 이하, 5 중량% 이상 7 중량% 이하, 3 중량% 이상 5 중량% 이하일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 전기변색층은 제1 전기전도성 물질 및 제1 전기변색 물질을 포함할 수 있고, 상기 제2 전기변색층은 제2 전기전도성 물질 및 제2 전기변색 물질을 포함할 수 있다. 상기 제1 전기변색층에 포함되는 제1 전기전도성 물질의 함량은 제1 전기전도성 물질 및 제1 전기변색 물질 총 중량에 대하여 1 중량% 이상 10 중량% 이하일 수 있고, 상기 제2 전기변색층에 포함되는 제2 전기전도성 물질의 함량은 제2 전기전도성 물질 및 제2 전기변색 물질 총 중량에 대하여 1 중량% 이상 10 중량% 이하일 수 있다.
상기 전기변색층에 포함되는 전기변색 물질의 함량을 전술한 범위로 조절함으로써, 상기 전기변색층의 전기 전도도를 향상시킬 수 있다. 전기 전도도가 향상된 상기 전기변색층에 외부전원 인가부가 구비될 수 있다. 상기 전기변색층에 포함되는 전기변색 물질의 함량이 1 중량% 미만인 경우에는 상기 전기변색층에 상기 외부전원 인가부가 구비되어도 외부 전원이 상기 전기변색 소자 내로 효과적으로 인가되기 어려운 문제가 있다. 또한, 상기 전기변색층에 포함되는 전기변색 물질의 함량이 10 중량%를 초과하는 경우, 상기 전기변색층의 변색 효율이 감소되는 문제가 발생될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 전기변색층 및 제2 전기변색층 각각은 상기 전기전도성 물질 및 전기변색 물질을 포함하는 조성물의 경화물을 포함할 수 있다. 상기 제1 전기변색층은 상기 전기전도성 물질 및 전기변색 물질을 포함하는 제1 조성물의 경화물을 포함할 수 있고, 상기 제2 전기변색층은 상기 전기전도성 물질 및 전기변색 물질을 포함하는 제2 조성물의 경화물을 포함할 수 있다.
본 발명에서, “경화”는 액체가 화학 변화 또는 건조 등의 물리 변화에 의해서 유동성을 잃고 굳어지는 것을 의미할 수 있다.
상기 전기전도성 물질 및 전기변색 물질을 포함하는 액상의 조성물을 경화시켜, 상기 전기변색층을 제조할 수 있다. 상기 액상의 조성물에는 상기 전기전도성 물질 및 전기변색 물질이 고르게 혼합되어 있을 수 있어, 상기 액상의 조성물을 경화시켜 제조된 상기 전기변색층 내에는 상기 전기전도성 물질과 전기변색 물질이 고르게 분포할 수 있다. 따라서, 상기 전기전도성 물질 및 전기변색 물질을 포함하는 액상의 조성물로부터 경화된 경화물을 포함하는 상기 전기변색층은 우수한 전기 전도성 및 전기변색 효율을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 전기 전기변색층 및 상기 제2 전기변색층은 각각 고분자 매트릭스 내에 상기 전기전도성 물질이 분산되어 있을 수 있다. 상기 전기전도성 물질 각각은 서로 일부 접하며 상기 고분자 매트릭스 내에 분산되어, 상기 전기변색층이 전기전도성을 가지게 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전기전도성 물질은 도전성 금속 와이어, 도전성 금속 나노 입자, 도전성 탄소 나노 튜브 중 적어도 1종을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 도전성 금속은 은, 구리, 금, 알루미늄, 코발트, 팔라듐 또는 이들의 합금을 사용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 전기변색층 및 제2 전기변색층은 상기 전도성 물질을 포함함으로써, 다공성 구조를 가질 수 있다. 구체적으로, 제1 전기변색층 및 제2 전기변색층을 제조하는 과정에서, 크기가 상이한 전기변색 물질과 전기전도성 물질이 혼합됨에 따라, 상기 제1 전기변색층 및 제2 전기변색층은 다공성 구조를 가질 수 있다. 상기 제1 전기변색층 및 제2 전기변색층이 다공성 구조를 가짐에 따라, 상기 전해질층에 포함된 금속 양이온이 효과적으로 상기 전기변색층 내부로 이동할 수 있다. 또한, 상기 전기변색층이 다공성 구조를 가짐에 따라, 상기 전해질층에 포함된 금속 양이온이 상기 전기변색층으로 빠르게 이동할 수 있고, 금속 양이온이 상기 전기변색층 내부에 고르게 분포될 수 있어, 상기 전기변색층의 변색 효율 및 변색 속도가 증가될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 도전성 금속 나노 와이어의 직경은 5 nm 이상 50 nm 이하일 수 있다. 구체적으로, 상기 도전성 금속 나노 와이어의 직경은 10 nm 이상 40 nm 이하, 15 nm 이상 30 nm 이하일 수 있다. 또한, 상기 도전성 금속 나노 와이어의 길이는 1 ㎛ 이상 100 ㎛ 이하일 수 있고, 구체적으로, 5 ㎛ 이상 80 ㎛ 이하, 10 ㎛ 이상 50 ㎛ 이하일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전술한 범위의 직경 및 길이를 가지는 도전성 금속 나노 와이어가 상기 전기변색층에 포함됨으로써, 상기 전기변색층의 전기 전도도를 향상시킴과 동시에, 상기 전기변색층은 다공성 구조를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 탄소 나노 튜브의 직경은 5 nm 이상 20 nm 이하일 수 있다. 구체적으로, 상기 탄소 나노 튜브의 직경은 5 nm 이상 10 nm 이하일 수 있다. 직경이 5 nm 이상 20 nm 이하인 상기 탄소 나노 튜브를 포함하는 상기 전기변색층은 우수한 전기 전도도 및 다공성 구조를 가질 수 있다.
또한, 도전성 금속 나노 입자로 직경이 5 nm 이상 50 nm 이하인 나노 입자를 사용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 전기변색층 및 제2 전기변색층의 두께는 각각 50 nm 이상 5,000 nm 이하일 수 있다. 상기 제1 전기변색층의 두께는 50 nm 이상 5,000 nm 이하일 수 있고, 상기 제1 전기변색층의 두께는 50 nm 이상 5,000 nm 이하일 수 있다. 구체적으로, 상기 전기변색층의 두께는 200 nm 이상 3,000 nm 이하, 500 nm 이상 1,500 nm 이하일 수 있다.
상기 전기변색층의 두께가 50 nm 미만인 경우, 상기 전기변색층을 포함하는 전기변색 소자의 변색 범위가 저하되어, 목적하는 가시광 투과율의 변화 범위를 구현하기 어려운 문제가 발생될 수 있다. 또한, 상기 전기변색층의 두께가 5,000 nm를 초과하는 경우에는 상기 전기변색 소자 내에서 전자 및 금속 이온 등의 이동이 어려워, 상기 전기변색 소자의 작동 효율이 감소되는 문제가 발생될 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전기변색층의 두께를 50 nm 이상 5,000 nm 이하로 조절함으로써, 우수한 작동 효율을 가지는 전기변색 소자를 구현할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 전기변색부는 상기 제1 전기변색층에 직접 접하여 구비되는 제1 투명 전도성 산화물층을 포함하며, 상기 제2 전기변색부는 상기 제2 전기변색층에 직접 접하여 구비되는 제2 투명 전도성 산화물층을 포함하고, 상기 제1 전기변색층은 상기 제1 투명 전도성 산화물층과 상기 전해질층 사이에 구비되고, 상기 제2 전기변색층은 상기 제2 투명 전도성 산화물층과 상기 전해질층 사이에 구비될 수 있다.
상기 제1 투명 전도성 산화물층은 상기 제1 전기변색층의 면저항을 낮추어, 상기 제1 전기변색층의 전기 전도성을 향상시키는 역할을 할 수 있다. 마찬가지로, 상기 제2 투명 전도성 산화물층은 상기 제1 전기변색층의 면저항을 낮추어, 상기 제2 전기변색층의 전기 전도성을 향상시키는 역할을 할 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전기변색 소자는 상기 제1 투명 전도성 산화물층, 제1 전기변색층, 전해질층, 제2 전기변색층 및 제2 투명 전도성 산화물층이 순차적으로 적층된 구조를 가질 수 있다.
상기 제1 투명 전도성 산화물층 및 제2 투명 전도성 산화물층 각각은 전도성 물질을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 투명 전도성 산화물층 및 제2 투명 전도성 산화물층 각각은 인듐틴 옥사이드(ITO), 플로린 도핑된 틴 옥사이드(FTO), ZnO-Ga2O3, ZnO-Al2O3 및 SnO2-Sb2O3 중 적어도 1종을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 전기변색층에 제1 외부전원 인가부가 구비되고, 상기 제2 전기변색층 또는 상기 제2 투명 전도성 산화물층에 제2 외부전원 인가부가 구비될 수 있다. 또한, 상기 제2 전기변색층에 제2 외부전원 인가부가 구비되고, 상기 제1 전기변색층 또는 상기 제1 투명 전도성 산화물층에 제1 외부전원 인가부가 구비될 수 있다.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기변색 소자의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다. 구체적으로, 도 1a는 상기 제1 전기변색층(210) 상에 상기 제1 외부전원 인가부가 구비되고, 상기 제2 전기변색층(220) 상에 상기 제2 외부전원 인가부가 구비된 전기변색 소자를 나타낸 도면이다. 또한, 도 1b는 상기 제1 전기변색층(210) 상에 상기 제1 외부전원 인가부가 구비되고, 상기 제2 투명 전도성 산화물층(120) 상에 상기 제2 외부전원 인가부가 구비된 전기변색 소자를 나타낸 도면이다. 또한, 도 1c는 상기 제1 투명 전도성 산화물층(110) 상에 상기 제1 외부전원 인가부가 구비되고, 상기 제2 전기변색층(220) 상에 상기 제2 외부전원 인가부가 구비된 전기변색 소자를 나타낸 도면이다.
도 1a 내지 도 1c를 참고하면, 2개의 투명 전극층 상에 외부전원 인가부가 각각 구비되는 기존의 전기변색 소자와 달리, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기변색 소자에서는 외부전원 인가부가 상기 제1 전기변색층 및 제2 전기변색층 중 적어도 하나에 구비됨에 따라, 보다 다양한 구조를 가지는 전기변색 소자를 구현할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전기변색 소자 내에 구비되는 외부전원 인가부의 위치를 보다 다양하게 설정할 수 있으며, 상기 전기변색 소자의 구조를 다양하게 설계할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 전기변색층 및 제2 전기변색층 각각에 외부전원 인가부가 구비된 것을 나타낸 도면이다. 구체적으로, 도 2는 제1 전기변색층 상에 제1 외부전원 인가부가 구비되고, 제2 전기변색층 상에 제2 외부전원 인가부가 구비된 전기변색 소자를 나타낸 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전기변색층은 상기 투명 전도성 산화물층의 일면 전부 또는 일부에 구비될 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 전기변색층은 상기 제1 투명 전도성 산화물층의 일면 전부 또는 일부에 구비될 수 있고, 상기 제2 전기변색층은 상기 제2 투명 전도성 산화물층의 일면 전부 또는 일부에 구비될 수 있다.
도 2를 참고하면, 상기 제1 전기변색층 및 제2 전기변색층 각각은 상기 제1 투명 전도성 산화물층 및 제2 투명 전도성 산화물층의 일면 전부에 구비될 수 있다. 구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 전기변색층 상에 제1 외부전원 인가부가 구비되고, 제2 전기변색층 상에 제2 외부전원 인가부가 구비될 수 있어, 기존의 투명 전도성 산화물층에 외부전원 인가부를 형성하기 위하여 전기변색층을 식각 또는 패터닝하는 공정을 생략할 수 있는 바, 전기변색 소자의 제조 공정 효율을 향상시킬 수 있고, 제조 비용을 절감할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예는 전기전도성 물질 및 제1 전기변색 물질을 포함하는 제1 조성물을 제1 투명 전도성 산화물층 상에 도포하고 상기 제1 조성물을 경화하여, 상기 제1 투명 전도성 산화물층 상에 형성된 제1 전기변색층을 포함하는 제1 전기변색부를 제조하는 단계; 전기전도성 물질 및 제2 전기변색 물질을 포함하는 제2 조성물을 제2 투명 전도성 산화물층 상에 도포하고 상기 제2 조성물을 경화하여, 상기 제2 투명 전도성 산화물층 상에 형성된 제2 전기변색층을 포함하는 제2 전기변색부를 제조하는 단계; 상기 제1 전기변색층 및 제2 전기변색층 사이에 전해질층을 형성하는 단계; 및 상기 제1 전기변색층 및 제2 전기변색층 중 적어도 하나의 전기변색층에 외부전원 인가부를 형성하는 단계;를 포함하는 전기변색 소자의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 전기변색 소자 내에 구비되는 외부전원 인가부의 위치를 다양하게 설정할 수 있으며, 구조의 다양한 설계가 가능한 전기변색 소자를 용이하게 제조할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 전기변색 소자의 제조방법에서 사용되는 제1 전기변색층, 제2 전기변색층, 제1 투명 전도성 산화물층 및 제2 투명 전도성 산화물층 등은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기변색 소자에 포함되는 제1 전기변색층, 제2 전기변색층, 제1 투명 전도성 산화물층 및 제2 투명 전도성 산화물층 등과 동일한 것일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 제1 전기변색 물질은 텅스텐옥사이드, 니오븀펜타옥사이드, 바나듐펜타옥사이드, 티타늄옥사이드 및 몰리브덴옥사이드 중 적어도 1종을 포함할 수 있고, 상기 제2 전기변색 물질은 프러시안 블루, 니켈옥사이드 및 이리듐옥사이드 중 적어도 1종을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 전기전도성 물질은 도전성 금속 와이어, 도전성 금속 나노 입자, 도전성 탄소 나노 튜브 중 적어도 1종을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 제1 조성물 및 제2 조성물 각각에 포함되는 전기전도성 물질의 함량은 상기 전기전도성 물질 및 전기변색 물질 총 중량에 대하여 1 중량% 이상 10 중량% 이하일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 제1 조성물은 제1 전기전도성 물질 및 제1 전기변색 물질을 포함할 수 있고, 상기 제2 조성물은 제2 전기전도성 물질 및 제2 전기변색 물질을 포함할 수 있다. 상기 제1 조성물에 포함되는 제1 전기전도성 물질의 함량은 제1 전기전도성 물질 및 제1 전기변색 물질 총 중량에 대하여 1 중량% 이상 10 중량% 이하일 수 있고, 상기 제2 조성물에 포함되는 제2 전기전도성 물질의 함량은 제2 전기전도성 물질 및 제2 전기변색 물질 총 중량에 대하여 1 중량% 이상 10 중량% 이하일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 전기전도성 물질 및 전기변색 물질을 포함하는 조성물을 상기 투명 전도성 산화물층에 도포하는 방법으로 공지된 방법을 사용할 수 있다. 구체적으로, 스프레이 도포법, 그라비어 도포법, 마이크로그라비어 도포법, 롤 도포법, 플렉소 도포법, 스크린 도포법, 스핀 도포법, 플로우 도포법, 나이프 도포법, 노즐 도포법, 로터리 스크린 도포법, 리버스 로스 도포법, 콤마 도포법, 립 도포법, 다이도포법, 딥코터법, 플로우 도포법, 정전 도장법, 침지법 등을 사용할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 전기전도성 물질 및 전기변색 물질을 포함하는 조성물을 용액 코팅 방식으로 상기 투명 전도성 산화물층 상에 도포할 수 있어, 상기 조성물로부터 형성되는 상기 전기변색층의 두께를 용이하게 조절할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 전기전도성 물질 및 전기변색 물질을 포함하는 조성물을 상기 투명 전도성 산화물층에 대략 60 nm 이상 5,500 nm 이하의 두께로 도포할 수 있다. 상기 투명 전도성 산화물층 상에 도포된 상기 조성물을 경화시키는 과정에서 상기 조성물에 포함된 용제 등이 휘발됨에 따라, 제조되는 전기변색층의 두께가 줄어들 수 있다. 따라서, 용제 등이 휘발됨에 따라 감소되는 전기변색층의 두께를 고려하여, 상기 투명 전도성 산화물층 상에 도포되는 상기 조성물의 두께를 조절할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 전기전도성 물질 및 전기변색 물질을 포함하는 조성물을 경화시키는 방법으로 공지된 방법을 사용할 수 있다. 구체적으로, 상기 투명 전도성 산화물층 상에 도포된 상기 조성물을 100 ℃ 이상의 온도에서 5 분 이상 동안 건조시켜 경화시킬 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 제1 전기변색층 및 제2 전기변색층 중 적어도 하나의 전기변색층에 외부전원 인가부를 형성할 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 전기변색층 상에 제1 외부전원 인가부를 형성하고 상기 제2 전기변색층 상에 제2 외부전원 인가부를 형성할 수 있다. 또한, 상기 제1 전기변색층 상에 제1 외부전원 인가부를 형성하고 상기 제2 투명 전도성 산화물층 상에 제2 외부전원 인가부를 형성할 수 있다. 또한, 상기 제1 투명 전도성 산화물층 상에 제1 외부전원 인가부를 형성하고 상기 제2 전기변색층 상에 제2 외부전원 인가부를 형성할 수 있다.
따라서, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 전기변색 소자 내에 구비되는 외부전원 인가부의 위치를 보다 다양하게 설정할 수 있으며, 상기 전기변색 소자의 구조를 다양하게 설계할 수 있다.
이하 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 이들 실시예는 단지 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하는 것은 아니다.
실시예 1
전기 전도성 물질로 직경 20 nm의 탄소 나노 튜브(LG 화학社) 및 제1 전기변색 물질로 텅스텐옥사이드(WO3)를 포함하는 제1 조성물을 준비하고, 전기 전도성 물질로 상기 제1 조성물에 포함되는 전기 전도성 물질과 동일한 직경 20 nm의 탄소 나노 튜브 및 제2 전기변색 물질로 프러시안 블루를 포함하는 제2 조성물을 준비하였다. 상기 제1 조성물에 포함된 탄소 나노 튜브 및 텅스텐옥사이드 각각의 함량은 탄소 나노 튜브 및 텅스텐옥사이드 총 중량에 대하여, 5 중량%, 95 중량%이다. 또한, 상기 제2 조성물에 포함된 탄소 나노 튜브 및 프러시안 블루 각각의 함량은 탄소 나노 튜브 및 프러시안 블루 총 중량에 대하여, 5 중량%, 95 중량%이다.
제1 투명 전도성 산화물층 및 제2 투명 전도성 산화물층으로 두께 25 nm의 인듐틴 옥사이드(ITO) 박막을 준비하였다. 제1 투명 전도성 산화물층 상에 제1 조성물을 1,000 nm의 두께로 도포하고, 100 ℃의 온도에서 5 분 동안 건조시켜, 제1 투명 전도성 산화물층 상에 400 nm의 두께를 가지는 제1 전기변색층이 적층된 제1 전기변색부를 제조하였다. 이후, 제2 투명 전도성 산화물층 상에 제2 조성물을 1,000 nm의 두께로 도포하고, 100 ℃의 온도에서 5 분 동안 건조시켜, 제2 투명 전도성 산화물층 상에 300 nm의 두께를 가지는 제2 전기변색층이 적층된 제2 전기변색부를 제조하였다. 제조된 제1 전기변색층 및 제2 전기변색층 상에 외부전원 인가부로 납 전극을 형성하였다. 제1 전기변색층에 포함된 탄소 나노 튜브의 함량은 탄소 나노 튜브 및 텅스텐옥사이드 총 중량에 대하여 5 중량%이고, 제2 전기변색층에 포함된 탄소 나노 튜브의 함량은 탄소 나노 튜브 및 프러시안 블루 총 중량에 대하여 5 중량%이다. 이로써, 도 2와 같이, 제1 전기변색층 및 제2 전기변색층 각각에 외부전원 인가부가 구비된 전기변색 소자를 제조하였다.
실시예 2
전기 전도성 물질로 직경 20 nm, 길이 1,000 nm를 가지는 은 나노 와이어를 준비한 것을 제외하고, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 전기변색 소자를 제조하였다. 실시예 2에서 준비된 제1 조성물에 포함된 은 나노 와이어 및 텅스텐옥사이드 각각의 함량은 은 나노 와이어 및 텅스텐옥사이드 총 중량에 대하여 5 중량%, 95 중량%이다. 또한, 상기 제2 조성물에 포함된 은 나노 와이어 및 프러시안 블루 각각의 함량은 은 나노 와이어 및 프러시안 블루 총 중량에 대하여 5 중량%, 95 중량%이다. 또한, 실시예 2에서 제조된 제1 전기변색층에 포함된 은 나노 와이어의 함량은 은 나노 와이어 및 텅스텐옥사이드 총 중량에 대하여 5 중량%이고, 제2 전기변색층에 포함된 은 나노 와이어의 함량은 은 나노 와이어 및 프러시안 블루 총 중량에 대하여 5 중량%이다.
비교예 1
제1 전기변색 물질로 텅스텐옥사이드(WO3)를 포함하는 제1 조성물을 준비하고, 제2 전기변색 물질로 프러시안 블루를 포함하는 제2 조성물을 준비하고, 제1 투명 전도성 산화물층 및 제2 투명 전도성 산화물층으로 상기 실시예 1과 동일한 두께 25 nm의 인듐틴 옥사이드(ITO) 박막을 준비하였다.
이후, 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 전기변색 소자를 제조하였다.
전기변색층의 구조 분석
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 실시예 1에 따른 전기변색층의 SEM(scanning electron microscope) 이미지이다. 구체적으로, 도 3a는 주사 전자 현미경(scanning electron microscope)으로 10만배 비율로 실시예 1에 따른 제1 전기변색층의 표면을 관찰한 사진이고, 도 3b는 20만배 비율로 제1 전기변색층의 단면을 관찰한 사진이다.
도 3a 및 도 3b와 같이, 본 발명의 실시예 1에 따른 전기전도성 물질로 탄소 나노 튜브를 포함하는 전기변색층은 다공성 구조를 가지는 것을 확인할 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 실시예 2에 따른 전기변색층의 SEM(scanning electron microscope) 이미지이다. 구체적으로, 도 4a는 주사 전자 현미경으로 20만배 비율로 실시예 2에 따른 제1 전기변색층의 표면을 관찰한 사진이고, 도 3b는 20만배 비율로 제1 전기변색층의 단면을 관찰한 사진이다.
도 4a 및 도 4b와 같이, 본 발명의 실시예 2에 따른 전기전도성 물질로 은 나노 와이어를 포함하는 전기변색층은 다공성 구조를 가지는 것을 확인할 수 있다.
전기변색층의 전하량 및 투과도 분석
본 발명의 실시예 1 및 비교예 1에 따른 제1 전기변색층, 비교예 1에 따른 제1 전기변색층의 시간에 따른 전하량 측정을 하기와 같이 진행하였다.
작동 전극, 상대 전극, 기준 전극이 포함된 3-전극 시스템을 준비하였으며, 작동 전극으로 실시예 1, 실시예 2 및 비교예 1에 따라 제조된 제1 전기변색층에 외부전원 인가부가 구비된 것을 사용하였고, 상대 전극으로 Pt 전극, 기준 전극으로는 Ag/AgCl을 사용하였다. 상기 작동 전극을 1M의 LiClO4가 용해된 카버네이티드된 프로필렌(Propylene carbonated)인 액상 전해질 내에 위치시키고, 정전압 모드로 작동 전극에 전압 +1V를 100초동안 인가하고, 전압 -1V를 100초 동안 인가하는 방법을 반복하여 진행하였다.
도 5는 본 발명의 실시예 1 및 실시예 2에 따른 전기변색층과 비교예 1에 따른 제1 전기변색층의 시간에 따른 전하량을 나타낸 도면이다. 도 5를 참고하면, 본 발명의 실시예 1 및 실시예 2에 따른 제1 전기변색층은 외부로부터 인가되는 전압에 의해 산화 및 환원 반응이 진행되는 것을 확인할 수 있다. 반면 비교예 1에 따른 제1 전기변색층은 외부로부터 전압이 인가되는 경우에도, 산화 및 환원 반응이 진행되지 않는 것을 확인할 수 있다.
본 발명의 실시예 1 및 비교예 1에 따른 제1 전기변색층, 비교예 1에 따른 제1 전기변색층의 광 투과도 분석을 하기와 같이 진행하였다.
상기 전하량 측정 실험의 5번째 싸이클에서의 제1 전기변색층의 환원 전하량을 측정한 값과, 산화 및 환원 시에 가시광 영역인 550 nm 파장의 빛에 대한 투과도 변화값을 하기 표 1에 나타내었다.
제1 전기변색층 charge
(mC/20cm2, 5th cycle)		 광 투과도 차이
(%)
비교예 1 0 0
실시예 1 216 29
실시예 2 259 34
상기 표 1을 참고하면, 비교예 1에 따른 제1 전기변색층은 산화 및 환원 반응이 진행되지 않아, 산화되는 경우와 환원되는 경우의 광 투과도 차이가 발생되지 않는 것을 확인할 수 있다. 반면, 본 발명의 실시예 1 및 실시예 2에 따른 제1 전기변색층은 산화 및 환원 시에 광 투과도가 약 30% 차이 나는 것을 확인할 수 있다.
110: 제1 투명 전도성 산화물층
120: 제2 투명 전도성 산화물층
210: 제1 전기변색층
220: 제2 전기변색층
300: 전해질층
410: 제1 외부전원 인가부
420: 제1 외부전원 인가부
500: 외부 전원부

Claims (10)

  1. 제1 전기변색층 및 상기 제1 전기변색층에 직접 접하여 구비되는 제1 투명 전도성 산화물층을 포함하는 제1 전기변색부;
    제2 전기변색층 및 상기 제2 전기변색층에 직접 접하여 구비되는 제2 투명 전도성 산화물층을 포함하는 제2 전기변색부; 및
    상기 제1 전기변색부 및 제2 전기변색부 사이에 구비되는 전해질층;을 포함하며,
    상기 제1 전기변색층 및 제2 전기변색층 각각은 전기전도성 물질 및 전기변색 물질을 포함하고,
    상기 제1 전기변색층은 상기 제1 투명 전도성 산화물층과 상기 전해질층 사이에 구비되고, 상기 제2 전기변색층은 상기 제2 투명 전도성 산화물층과 상기 전해질층 사이에 구비되며,
    상기 제1 전기변색층은 상기 제1 투명 전도성 산화물층의 일면 전부에 구비되고, 상기 제2 전기변색층은 상기 제2 투명 전도성 산화물층의 일면 전부에 구비되고,
    상기 제1 전기변색층 상에만 제1 외부전원 인가부가 직접 구비되고, 상기 제2 전기변색층 상에만 제2 외부전원 인가부가 직접 구비되고,
    상기 제1 전기변색층 및 제2 전기변색층 각각에 포함되는 상기 전기전도성 물질의 함량은 상기 전기전도성 물질 및 전기변색 물질 총 중량에 대하여 3 중량% 이상 5 중량% 이하인 전기변색 소자.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 전기변색층 및 제2 전기변색층 각각은 상기 전기전도성 물질 및 전기변색 물질을 포함하는 조성물의 경화물을 포함하는 것인 전기변색 소자.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 전기전도성 물질은 도전성 금속 와이어, 도전성 금속 나노 입자, 도전성 탄소 나노 튜브 중 적어도 1종을 포함하는 것인 전기변색 소자.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 전기변색층에 포함되는 전기변색 물질은 텅스텐옥사이드, 니오븀펜타옥사이드, 바나듐펜타옥사이드, 티타늄옥사이드 및 몰리브덴옥사이드 중 적어도 1종을 포함하는 것인 전기변색 소자.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 전기변색층에 포함되는 전기변색 물질은 프러시안 블루, 니켈옥사이드 및 이리듐옥사이드 중 적어도 1종을 포함하는 것인 전기변색 소자.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 전기변색층 및 제2 전기변색층의 두께는 각각 50 nm 이상 5,000 nm 이하인 것인 전기변색 소자.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
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