KR102305919B1 - 능동형 전기변색 소자 및 이를 이용한 능동형 전기변색 윈도우 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 온도감응소재를 포함한 전극을 통하여 주변 온도 변화에 따라 투과도, 반사도, 흡수도를 능동적으로 제어할 수 있고, 소자나 윈도우의 구조를 간소화할 수 있는 능동형 전기변색 소자 및 이를 이용한 능동형 전기변색 윈도우를 제공함에 있다. 이를 위한 본 발명은 제1 전극; 상기 제1 전극 상에 배치되는 이온저장층; 상기 이온저장층 상에 배치되는 전해질층; 상기 전해질층 상에 배치되며, 전기장이 인가됨에 따라 변색되는 전기변색층; 및 상기 전기변색층 상에 배치되는 제2 전극;을 포함하며, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은, 전이온도보다 높은 온도범위에서는 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극의 전기전도도를 상대적으로 높여 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 전기장을 형성시킴으로써 상기 전기변색층이 변색되도록 하거나, 상기 전이온도보다 낮은 온도범위에서는 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극의 전기전도도를 상대적으로 낮춰 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 전기장을 소멸시킴으로써 상기 전기변색층의 변색이 소멸되도록 하는 온도감응소재를 포함하는 특징을 개시한다.

Description

능동형 전기변색 소자 및 이를 이용한 능동형 전기변색 윈도우{ACTIVE TYPE ELECTRO-CHROMIC DEVICE AND ACTIVE TYPE ELECTRO-CHROMIC WINDOW USING THE SAME}
본 발명은 능동형 전기변색 소자 및 이를 이용한 능동형 전기변색 윈도우에 관한 것으로, 상세하게는 주변 온도 변화에 따라 투과도나 색을 능동적으로 제어할 수 있는 능동형 전기변색 소자 및 이를 이용한 능동형 전기변색 윈도우에 관한 것이다.
전압을 인가할 때 전기장 방향에 의해 가역적으로 색상이 변하는 현상을 전기변색(Electrochromic)이라 하며, 이러한 특성을 지닌 전기 화학적 산화 환원 반응에 의해서 재료의 광 특성이 가역적으로 변할 수 있는 물질을 전기변색 물질이라고 한다.
즉, 전기변색 물질은 외부에서 전기장이 인가되지 않는 경우에는 색을 띠지 않고 있다가 전기장이 인가되면 색을 띠게 되거나, 반대로 외부에서 전기장이 인가되지 않는 경우에는 색을 띠고 있다가 전기장이 인가되면 색이 소멸하는 특성을 가진다.
이러한 전기변색 원리를 이용한 전기변색 소자는, 가시성을 확보할 수 있을 뿐만 아니라 사용자가 능동적으로 투과율을 조절할 수 있기 때문에, 다양한 색 변화가 가능하여 건물 및 자동차의 창문, 자동차의 룸미러, 노트북, 휴대폰, 장식 디자인 등 광범위한 분야에 적용될 수 있다.
도 1은 종래 전기변색 소자를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래 전기변색 소자(10)는 투명 전기전도성의 제1 전극(11), 제1 전극(11) 상에 배치되는 이온저장층(12), 이온저장층(12) 상에 배치되는 전해질층(13), 전해질층(13) 상에 배치되며 전기장이 인가됨에 따라 변색되는 전기변색층(14), 및 전기변색층(14) 상에 배치되는 제2 전극(15)을 포함할 수 있다.
이온저장층(12)을 구성하는 소재로는 NiO, Ni(OH)2, Cr2O3, MnO2, RH2O3, CoOx, Ir(OH)x, Fe2O3, V2O5 등이 사용될 수 있고, 전기변색층(14)을 구성하는 소재로는 WO3가 주로 사용될 수 있다.
이러한 종래 전기변색 소자(10)의 제1 전극(11) 및 제2 전극(15)은 전원스위치(2)의 온오프 조작에 따라 전원공급부(1)와 전기적으로 연결될 수 있다. 즉, 전원스위치(2)의 오프 상태에서는 제1 전극(11) 및 제2 전극(15) 사이에 전기장이 소멸되어 전기변색층(14)은 탈색 즉, 변색이 소멸된 상태를 이루고, 전원스위치(2)가 온 상태에서는 제1 전극(11) 및 제2 전극(15) 사이에 전기장이 인가되어 전기변색층이 변색된다.
즉, 종래 전기변색 소자는 사용자가 전원스위치를 조작하는 시점에만 투과도나 색이 조절될 수 있고, 전원스위치의 조작이 없으면 제1 전극 및 제2 전극 사이에 전기장이 인가되지 않기 때문에 투과도나 색을 조절할 수가 없다는 문제가 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-1501104호(2015.03.10.공고)
본 발명의 목적은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 온도감응소재를 포함한 전극을 통하여 주변 온도 변화에 따라 투과도, 반사도, 흡수도를 능동적으로 제어할 수 있고, 소자나 윈도우의 구조를 간소화할 수 있는 능동형 전기변색 소자 및 이를 이용한 능동형 전기변색 윈도우에 관한 것이다.
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 능동형 전기변색 소자는, 제1 전극; 상기 제1 전극 상에 배치되는 이온저장층; 상기 이온저장층 상에 배치되는 전해질층; 상기 전해질층 상에 배치되며, 전기장이 인가됨에 따라 변색되는 전기변색층; 및 상기 전기변색층 상에 배치되는 제2 전극;을 포함하며, 이때 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은, 전이온도보다 높은 온도범위에서는 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극의 전기전도도를 상대적으로 높여 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 전기장을 형성시킴으로써 상기 전기변색층이 변색되도록 하거나, 상기 전이온도보다 낮은 온도범위에서는 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극의 전기전도도를 상대적으로 낮춰 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 전기장을 소멸시킴으로써 상기 전기변색층의 변색이 소멸되도록 하는 온도감응소재를 포함하고, 상기 온도감응소재는 상기 제1 전극에 구비되며 제1 전이온도를 가지는 제1 온도감응소재와, 상기 제2 전극에 구비되며 상기 제1 전이온도와 다른 제2 전이온도를 가지는 제2 온도감응소재를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때 본 발명에 따른 능동형 전기변색 소자에 있어서, 상기 온도감응소재는 상기 전이온도를 기준으로 투과도가 상대적으로 변화되는 열변색소재일 수 있다.
또한 본 발명에 따른 능동형 전기변색 소자에 있어서, 상기 온도감응소재는 바나듐산화물을 포함할 수 있으며, 이때 상기 온도감응소재는 상기 전이온도의 온도 영역이 변경되도록 하는 도핑소재를 더 포함할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 능동형 전기변색 소자에 있어서, 상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극은, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극을 각각 구성하는 전극소재와 상기 온도감응소재가 적층된 구조로 형성될 수 있다.
혹은 본 발명에 따른 능동형 전기변색 소자에 있어서, 상기 온도감응소재는 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극을 각각 구성하는 전극소재 내부에 입자 형태로 형성될 수 있다.
이때 본 발명에 따른 능동형 전기변색 소자에 있어서, 상기 온도감응소재의 부피는 상기 전극소재의 부피보다 큰 것이 바람직하다.
혹은 본 발명에 따른 능동형 전기변색 소자에 있어서, 상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극은 상기 온도감응소재로만 구성된 것일 수도 있다.
한편 본 발명에 따른 능동형 전기변색 윈도우는, 기판 및 상기 기판 상에 배치되는 전술한 능동형 전기변색 소자를 포함하는 것도 특징으로 한다.
본 발명에 따른 능동형 전기변색 소자 및 이를 이용한 능동형 전기변색 윈도우는, 주변 온도에 따라 전극의 전기전도도를 변화시킴으로써, 주변 온도에 따라 능동적인 전기변색이 가능하고, 이로 인하여 보다 효율적이고 지능적인 스마트 윈도우를 제공할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 능동형 전기변색 소자 및 이를 이용한 능동형 전기변색 윈도우는, 전기변색 소자에 구비되는 소자의 층 수량이 증가되지 않기 때문에, 소자의 구조가 매우 간단해질 수 있고, 전기변색 소자에 구비되는 전원스위치를 배제할 수 있기 때문에, 소자뿐만 아니라 윈도우의 구조적인 간소화가 가능하다.
또한 본 발명에 따른 능동형 전기변색 소자 및 이를 이용한 능동형 전기변색 윈도우는, 전기전도도에 따라 열 변색되는 온도감응소재를 포함하는 제1 전극 및 제2 전극을 구성함으로써, 전기 변색 및 열 변색을 조합하여 투과도를 상대적으로 높이거나 낮추는 등 투과 범위를 넓힐 수 있고, 변색의 응답속도도 향상시킬 수 있으며, 다양한 색으로 변색될 수도 있다.
또한 본 발명에 따른 능동형 전기변색 소자 및 이를 이용한 능동형 전기변색 윈도우는, 만약 전원스위치를 추가로 구성할 경우에는, 전원스위치의 온오프 제어에 따라 열 변색만으로 능동형의 윈도우를 제공할 수 있고, 열 변색 및 전기 변색을 조합한 능동형 윈도우를 제공할 수 있는 등 사용처에 따라 보다 스마트한 윈도우의 변색 제어가 가능하다.
또한 본 발명에 따른 능동형 전기변색 소자를 이용한 전기변색 윈도우는, 건물이나 차량의 윈도우뿐만 아니라, 자동차의 룸미러, 노트북, 휴대폰, 장식 디자인 등 다양한 디스플레이 환경에 적용되어, 주변 온도에 따라 능동적으로 선명도나 색감을 변화시키는 등 사용의 편의를 제공할 수 있다.
도 1은 종래 전기변색 소자를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 능동형 전기변색 소자를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 온도감응소재의 온도별 빛의 반사율(a) 및 온도별 전기 저항값(b)을 보이는 도면이다.
도 4는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 전극을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 능동형 전기변색 윈도우를 설명하기 위한 도면이다.
이하 상술한 해결하고자 하는 과제가 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 설명된다. 본 실시예들을 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 생략된다.
도 2는 본 발명에 따른 능동형 전기변색 소자를 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 능동형 전기변색 소자(100)는, 제1 전극(110), 이온저장층(120), 전해질층(130), 전기변색층(140) 및 제2 전극(150)을 포함할 수 있다.
제1 전극(110)은 전기 전도성을 가지며, 박막, 필름 구조일 수 있다.
제1 전극(110)은 예를 들면, ITO(indium tin oxide), 투명 전도성 산화물(transparent conductive oxide; TCO), 전도성 고분자, 금속 격자(metal grid), 탄소 나노튜브(carbon nano tube; CNT), 그래핀(graphene) 및 탄소나노와이어 등을 단독 혹은 혼합하여 사용할 수 있다.
제1 전극(110)은 기판(200) 상에 증착 또는 도포되어 형성될 수 있으며, 투명성을 가질 수 있다.
제1 전극(110)에는 양의 전압이 인가될 수 있다.
이온저장층(120)은 제1 전극(110) 상에 배치될 수 있다.
이온저장층(120)은 전기변색에 관여하는 이온과 반대되는 극성의 이온을 잘 저장할 수 있는 전도성 물질이 사용될 수 있는데, 예를 들면 NiO, Ni(OH)2, Cr2O3, MnO2, RH2O3, CoOx, Ir(OH)x, Fe2O3, V2O5 등이 적용될 수 있다.
이온저장층(120)은 양의 전압이 인가되었을 때 색이 발현되는 거동을 보이는 산화변색소재일 수 있는데, 구체적인 예를 들면, 후술되는 전기변색층(140) 소재로 대표되는 텅스텐산화물(WO3)이 환원 착색될 때, 이온저장층(120)의 소재인 Ir(OH)x, Ni(OH)2, RH2O3, CoOx는 산화 착색되면서, 투과도, 반사도 및 흡수도에 관여할 수도 있다.
전해질층(130)은 이온저장층(120) 상에 배치될 수 있다.
전기변색층(140)은 전해질층(130) 상에 배치될 수 있으며, 전기장이 인가됨에 따라 변색될 수 있다.
전기변색층(140)은 음의 전압이 인가되었을 때 색이 발현되는 거동을 보이는 환원변색소재일 수 있는데, 전술한 바와 같이, 이온저장층(120)의 소재인 Ir(OH)x, Ni(OH)2, RH2O3, CoOx 등이 산화 착색될 때, 전기변색층(140) 소재인 텅스텐산화물(WO3)은 환원 착색될 수 있다.
이러한 전기변색층(140)은 인가되는 전기장 방향에 따라 정렬되어 투과되는 빛의 방향과 일치하게 되어 빛을 투과시킬 수 있고, 전기장이 소멸되면 불규칙하게 배열되어 투과하는 빛의 방향과 일치되지 않게 되어 빛을 반사(차폐)시킬 수 있다.
반대로 전기변색층(140)은 전기장이 인가되면 불규칙하게 배열되어 투과하는 빛의 방향과 일치되지 않게 되어 빛을 반사(차폐)시킬 수 있고, 전기장이 소멸되면 빛의 방향과 일치하게 되어 빛을 투과시킬 수도 있다.
제2 전극(150)은 전기변색층(140) 상에 배치될 수 있으며, 제1 전극(110)과 마찬가지로, 전기 전도성을 가지며, 박막, 필름 구조일 수 있고, 투명성을 가질 수 있다.
제2 전극(150)에는 음의 전압이 인가될 수 있다.
한편 본 발명에 따른 능동형 전기변색 소자(100)는 온도감응소재(113)를 더 포함할 수 있다.
온도감응소재(113)는 제1 전극(110) 및 제2 전극(150)에 구비될 수 있다. 또한 온도감응소재(113)는 제1 전극(110)에만 구비되거나 제2 전극(150)에만 구비될 수도 있다. 즉, 제1 전극(110) 및 제2 전극(150)은 온도감응소재(113)가 혼합된 복합소재로 구성될 수 있다.
온도감응소재(113)는 일정 온도 영역에서 전기전도도를 급격히 변화시키는 전이온도를 가질 수 있다.
즉, 온도감응소재(113)는 전이온도보다 높은 온도범위에서는 제1 전극(110) 및 제2 전극(150)의 전기전도도를 상대적으로 높여 제1 전극(110) 및 제2 전극(150) 사이에 전기장을 형성시킬 수 있고, 전이온도보다 낮은 온도범위에서는 제1 전극(110) 및 제2 전극(150)의 전기전도도를 상대적으로 낮춰 제1 전극(110) 및 제2 전극(150) 사이에 전기장을 소멸시킬 수 있다.
따라서 온도감응소재(113)는 전이온도보다 높은 온도범위에서는 제1 전극(110) 및 제2 전극(150) 사이에 전기장을 형성시킴으로써 전기변색층(140)이 변색되도록 할 수 있고, 전이온도보다 낮은 온도범위에서는 제1 전극(110) 및 제2 전극(150) 사이에 전기장을 소멸시킴으로써 전기변색층(140)의 변색이 소멸되도록 할 수 있다.
온도감응소재(113)로는 바나듐산화물(Vanadium oxide)을 포함할 수 있다.
바나듐산화물은 전이온도 영역에서 전기 저항이 급격하게 상전이 소재 특성을 가진다. 즉, 전이온도보다 높은 온도 영역에서는 전기 저항이 급격히 감소하여 전기전도도를 가질 수 있고, 전이온도보다 낮은 온도 영역에서는 전기 저항이 급격히 증가하여 절연성이 유지될 수 있다.
도 3b는 본 발명에 따른 온도감응소재에 대한 온도별 전기 저항값을 보이는 도면이다.
바나듐산화물은 도 3 (b)에 나타낸 바와 같이, 68도 내지 80도 영역에서 전기 저항이 급격하게 변화되는 전이 영역을 가지며, 80도 보다 높은 온도 영역에서는 상대적으로 낮은 전기 저항으로 인하여 전기전도도를 가지고, 68도 보다 낮은 온도 영역에서는 상대적으로 큰 전기 저항으로 인하여 전기전도도가 소멸된다.
따라서 주변 온도가 전이온도보다 낮은 경우에는, 온도감응소재(113)가 포함된 제1 전극(110) 및 제2 전극(150)은 전기전도도가 소멸되고, 제1 전극(110) 및 제2 전극(150) 사이에는 전기장이 소멸된다. 따라서 전기변색층(140)의 변색이 소멸되어 투과도가 조절될 수 있다.
반대로 주변 온도가 전이온도보다 높은 경우에는, 온도감응소재(113)가 포함된 제1 전극(110) 및 제2 전극(150)은 전기전도도가 회복되고, 이로 인하여 제1 전극(110) 및 제2 전극(150) 사이에는 전기장이 인가된다. 따라서 전기변색층(140)은 변색되어 투과도가 조절될 수 있다.
한편 온도감응소재(113)는 열변색소재일 수 있다. 즉, 온도감응소재(113)는 전이온도를 기준으로 투과도가 상대적으로 변화되는 열변색소재일 수 있다.
열 변색 기능이 부여된 온도감응소재(113)는 소재가 가지는 절연성과 비절연성(전기전도도) 간의 상전이(Metal Insulator Transition) 특성으로 인한, 빛의 반사 여부에 따라 투과도가 조절될 수 있다.
열 변색을 위한 온도감응소재(113) 역시 바나듐산화물(Vanadium oxide)을 포함할 수 있다.
전술한 바와 같이, 바나듐산화물은 일정 온도 영역에서 상전이 되는 전이온도 영역을 가지며, 주변 온도 변화에 따라 빛의 투과도를 높이거나 감소시킬 수 있다. 즉, 전이온도를 기준으로 빛을 투과시키거나 차폐시킬 수 있다.
예를 들면, 전이온도보다 높은 온도 영역에서는 투과도를 급격히 감소시켜 빛을 차폐시킬 수 있고, 전이온도보다 낮은 온도 영역에서는 투과도를 급격히 높여 빛을 투과시킬 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 온도감응소재(113)에 대한 온도별 빛의 반사율(a) 및 온도별 전기 저항값(b)을 보이는 도면이다. 이때 순수 바나듐산화물은 도면에서 최 우측에 붉은색으로 표시된 반사율과 전기 저항값을 보인다.
붉은색 표시된 순수 바나듐산화물은 도 3 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이, 80 ~ 85도 영역에서 빛의 반사율 및 전기 저항값이 급격하게 변화되는 전이온도 영역을 가질 수 있다.
구체적으로, 도 3 (a)에 도시된 바와 같이, 바나듐산화물은 전이온도 보다 높은 온도 영역에서, 상대적으로 높은 반사율을 가지며, 이에 따라 상대적으로 낮은 투과도를 가진다.
또한 도 3 (b)에 도시된 바와 같이, 바나듐산화물은 전이온도 보다 높은 온도 영역에서, 상대적으로 낮은 전기 저항값을 가지며, 이에 따라 제1 전극(110) 및 제2 전극(150)은 상대적으로 높은 전기전도도가 유지된다.
따라서 바나듐산화물은 전이온도 보다 높은 온도 영역에서는 빛의 투과도를 감소시킬 수 있고, 전이온도 보다 낮은 온도 영역에서는 빛의 투과도를 증가시킬 수 있다.
결국 바나듐산화물을 포함한 온도감응소재(113)는, 주변 온도가 전이온도보다 높은 경우에는 상대적으로 높은 전기전도도와 낮은 투과도를 가짐으로써, 빛을 차폐할 수 있다. 예를 들면 적외선 파장대의 빛을 차폐할 수 있다.
이때 주변 온도가 전이온도보다 높은 경우, 제1 전극(110) 및 제2 전극(150) 역시 높은 전기전도도를 유지함으로써, 제1 전극(110) 및 제2 전극(150) 사이의 전기장이 인가되고, 이에 따라 전기변색층(140) 역시 변색된다.
또한 바나듐산화물을 포함한 온도감응소재(113)는, 주변 온도가 전이온도보다 낮은 경우에는 상대적으로 낮은 전기전도도와 높은 투과도를 가짐으로써, 빛을 투과시킬 수 있다. 예를 들면 적외선 파장대의 빛을 투과시킬 수 있다.
이때 주변 온도가 전이온도보다 낮은 경우, 제1 전극(110) 및 제2 전극(150) 역시 낮은 전기전도도를 유지함으로써, 제1 전극(110) 및 제2 전극(150) 사이의 전기장이 소멸되고, 이에 따라 전기변색층(140) 역시 변색이 소멸된다.
여기서 전기변색층(140)은 전기장이 인가되지 않아 변색이 소멸된 상태에서 상대적으로 낮은 투과도를 가질 수 있고, 전기장이 인가되어 변색된 상태에서 상대적으로 높은 투과도를 가질 수 있다.
혹은 반대로 전기변색층(140)은 전기장이 인가되지 않아 변색이 소멸된 상태에서 상대적으로 높은 투과도를 가질 수 있고, 전기장이 인가되어 변색된 상태에서 상대적으로 낮은 투과도를 가질 수도 있다.
이처럼 전기장의 인가 여부에 따라, 전기변색층(140)의 투과도를 증가시킬 것인지 감소시킬 것인지는 전기변색 소자(100)가 사용되는 사용처(자동차, 건물, 디스플레이 등)에 따라 달리 설정될 수 있다.
한편 본 발명의 실시예에 따르면, 제1 전극(110)에는 제1 온도감응소재가 구성될 수 있고, 제2 전극(150)에는 제2 온도감응소재가 구성될 수 있다.
이때 제1 온도감응소재는 제1 전이온도를 가질 수 있고, 제2 온도감응소재는 상기 제1 전이온도와 다른 제2 전이온도를 가질 수 있다.
예를 들어, 제1 전이온도가 제2 전이온도 보다 낮게 설정된 경우, 만약 주변 온도가 제1 전이온도보다 낮을 때에는, 제1 전극(110) 및 제2 전극(150) 모두 절연 상태가 유지된다. 이때 전기변색층(140), 제1 전극(110) 및 제2 전극(150)은 모두 변색이 소멸된 상태를 유지할 수 있다.
또한 만약 주변 온도가 제1 전이온도보다는 높고, 제2 전이온도보다는 낮을 때에는, 제1 전극(110)의 전기전도도만이 증가되기 때문에, 제1 전극(110)만이 열변색되고, 제2 전극(150)은 열변색이 소멸되며, 전기변색층(140) 역시 전기변색이 소멸된 상태를 유지할 수 있다.
또한 만약 주변 온도가 제2 전이온도보다는 높을 때에는, 제1 전극(110) 및 제2 전극(150)의 전기전도도가 모두 급격히 증가되기 때문에, 제1 전극(110) 및 제2 전극(150) 모두 열 변색되고, 제1 전극(110) 및 제2 전극(150) 사이에 전기장이 인가되어 전기변색층(140) 역시 전기 변색될 수 있다.
따라서 서로 다른 전이온도를 가지는 제1 온도감응소재와 제2 온도감응소재를 제1 전극(110)과 제2 전극(150)에 각각 구성함으로써, 주변 온도 변화에 따른 투과도를 보다 세분화할 수 있다.
예를 들어, 서로 다른 전이온도를 가지는 제1 온도감응소재와 제2 온도감응소재를 제1 전극(110)과 제2 전극(150)에 각각 구성하는 경우, 특정 온도 영역에서는 대부분의 빛을 투과시킬 수 있고, 다른 특정 온도 영역에서는 적외선 영역의 빛만을 차단할 수 있으며, 또 다른 특정 온도 영역에서는 적외선 및 가시광 영역의 빛을 모두 차단할 수도 있다.
한편 온도감응소재(113)는 전이되는 온도영역이 변경되도록 하는 도핑소재를 포함할 수 있다. 도핑소재는 텅스텐이 사용될 수 있다.
온도감응소재(113)에 도핑(Doping)되는 도핑소재의 함량에 따라 온도감응소재(113)의 전이온도는 변경될 수 있다.
다시 도 3을 참조하면, 붉은색의 온도감응소재(113)는 텅스텐이 전혀 도핑되지 않은 순수 바나듐산화물이고, 검은색의 온도감응소재(113)는 1%(부피기준)의 텅스텐이 도핑된 바나듐산화물이며, 분홍색의 온도감응소재(113)는 1.3%(부피기준)의 텅스텐이 도핑된 바나듐산화물이고, 녹색의 온도감응소재(113)는 1.6%(부피기준)의 텅스텐이 도핑된 바나듐산화물이며, 파란색의 온도감응소재(113)는 1.9%(부피기준)의 텅스텐이 도핑된 바나듐산화물을 보인다.
도시된 바와 같이, 순수 바나듐산화물(붉은색)은 대략 80 ~ 85도의 전이온도 범위를 가지며, 1%의 텅스텐이 도핑된 바나듐산화물(검은색)은 대략 70 ~ 75도의 전이온도 범위를 가지고, 1.3%의 텅스텐이 도핑된 바나듐산화물(분홍색)은 대략 50 ~ 60도의 전이온도 범위를 가지며, 1.6%의 텅스텐이 도핑된 바나듐산화물(녹색)은 40 ~ 50도의 전이온도 범위를 가지고, 1.9%의 텅스텐이 도핑된 바나듐산화물은 25 ~ 35도의 전이온도 범위를 가지는 것을 확인할 수 있다.
따라서 바나듐산화물로 구성되는 온도감응소재(113)의 도핑소재(텅스텐) 함량을 조절함으로써, 온도감응소재(113)가 포함된 제1 전극(110) 및 제2 전극(150)이 열 변색되는 시점의 전이온도를 다르게 설정할 수 있다. 즉, 제1 전극(110) 및 제2 전극(150)을 통하여 빛이 투과되거나 차폐되는 기준이 되는 주변 온도를 다르게 설정할 수 있다.
또한 온도감응소재(113)의 도핑소재(텅스텐) 함량을 조절함으로써, 온도감응소재(113)가 포함된 제1 전극(110) 및 제2 전극(150) 사이의 전기장이 인가되는 시점의 전이온도를 다르게 설정할 수 있다. 즉, 전기변색층(140)을 통하여 빛이 투과되거나 차폐되는 기준이 되는 주변 온도를 다르게 설정할 수 있다.
도 4는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 전극을 설명하기 위한 도면이다.
도 4 (a)를 참조하면, 본 발명에 따른 제1 전극(110) 및 제2 전극(150)은, 각 전극을 형성하는 전극소재(111)와 온도감응소재(113)가 적층된 구조로 형성될 수 있다.
이때 온도감응소재(113)에는 전압이 인가되는 단자가 전기적으로 연결될 수 있다. 결국 온도감응소재(113)는 주변 온도에 따라 전기전도도가 상대적으로 높은 상태에서는 일측 전극소재(111)를 향해 전원공급부(1)로부터 인가되는 전압을 균일하게 전달하고, 전기전도도가 상대적으로 낮은 상태에서는 일측 전극소재(111)를 향해 전원공급부(1)로부터 인가되는 전압을 차단하게 된다.
도 4 (b)를 참조하면, 본 발명에 따른 온도감응소재(113)는 제1 전극(110) 및 제2 전극(150)을 각각 구성하는 전극소재(111)에 입자 형태로 형성될 수 있다.
입자 형태의 온도감응소재(113)는 전극소재(111) 상에 함침하여 입자 형태로 제작될 수 있고, 도 5에 도시된 바와 같이 전기변색 윈도우를 제작하는 과정에서 기판(200) 상에 입자 형태의 온도감응소재(113)를 먼저 배치하고, 입자 형태의 온도감응소재(113)가 배치된 기판(200) 상에 전극을 증착하는 방식으로도 제작할 수도 있다.
이와 같이 제1 전극(110) 및 제2 전극(150)을 각각 구성하는 전극소재(111)에 온도감응소재(113)가 입자 형태로 구성되는 경우, 온도감응소재(113)의 부피는 전극소재(111)의 부피보다 큰 것이 바람직하다. 전극소재(111)의 부피보다 온도감응소재(113)의 부피를 크게 유지함으로써, 전이온도를 기준으로 제1 전극(110) 및 제2 전극(150)의 전기전도도의 변화폭을 보다 크게 만들 수 있다.
한편 도시되진 않았지만, 제1 전극(110) 및 제2 전극(150)은 온도감응소재(113)로만 구성될 수도 있다.
도 5는 본 발명에 따른 능동형 전기변색 윈도우를 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면 본 발명에 따른 능동형 전기변색 윈도우는, 기판(200) 및 기판(200) 상에 배치되는 전술한 전기변색 소자(100)를 포함할 수 있다.
도시된 스마트 윈도우는 전기변색 소자(100)의 일면에만 기판(200)을 구비하고 있으나, 이와 달리 전기변색 소자(100)의 타면에도 기판(200)이 구비될 수 있다.
본 발명에 따른 능동형 전기변색 윈도우는 건물이나 차량의 윈도우에 적용되는 경우, 주변 온도에 따라 투과도를 완전 차단하여 사생활을 보호하거나 여름철 냉방 효율을 높일 수 있고, 투과도를 증가시켜 조망을 확보하거나 겨울철 난방 효율을 높일 수 있는 등 능동형의 스마트 윈도우를 제공할 수 있다.
뿐만 아니라, 본 발명에 따른 능동형 전기변색 윈도우는 자동차의 룸미러, 노트북, 휴대폰, 장식 디자인 등에 적용 시, 주변 온도에 따라 선명도 및 색감이 능동적으로 변화되기 때문에, 사용의 편의를 제공할 수 있다.
이상과 같이 기존 전기변색 소자는 전극과 전원공급부(1)를 전기적으로 연결하는 전원스위치(2:도 1)를 사용자가 온오프 조작함에 따라 전기변색층의 변색이 발현되도록 하는 것인데 반해, 본 발명에 따른 능동형 전기변색 소자(100)는 온도감응소재(113)가 포함된 제1 전극(110) 및 제2 전극(150)을 통하여, 주변 온도 변화에 따라 제1 전극(110) 및 제2 전극(150)의 전기전도도가 변화됨으로써, 전기변색층(140)의 변색이 능동적으로 제어될 수 있는 것이다.
결국 본 발명에 따른 능동형 전기변색 소자(100)는 차량이나 건물의 윈도우에 적용 시, 추가적인 온도센서나 전원스위치를 배제하고서도 주변 온도 조건에 따라 능동적인 스마트 윈도우의 변색 제어를 수행할 수 있으며, 이에 따라 보다 효율적이고 지능적인 스마트 윈도우의 투과도 및 색 조절이 가능하다.
또한 본 발명에 따른 능동형 전기변색 소자(100)는 전기변색층(140)의 변색과 함께 제1 전극(110) 및 제2 전극(150)의 열 변색을 조합함으로써, 빛의 투과도를 상대적으로 높이거나 낮추는 등 투과 범위를 넓힐 수 있고, 변색의 응답속도도 향상시킬 수 있으며, 다양한 색으로 변색될 수도 있다.
예를 들면, 온도 조건에 따라 가시광 및 적외선 영역의 빛을 모두 투과 혹은 차폐시킬 수 있고, 또는 온도 조건에 따라 가시광은 투과하고 적외선은 차폐시키는 등 설치 장소 및 사용자의 요구에 따라 투과도 및 색의 선택적인 제어가 가능하다.
또한 본 발명에 따른 능동형 전기변색 소자 및 이를 이용한 능동형 전기변색 윈도우는, 전기변색 소자에 구비되는 소자의 층 수량이 증가되지 않기 때문에, 소자의 구조가 매우 간단해질 수 있고, 전기변색 소자에 구비되는 전원스위치를 배제할 수 있기 때문에, 소자뿐만 아니라 윈도우의 구조적인 간소화가 가능하다.
상술한 바와 같이 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면, 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변경시킬 수 있다.
100: 전기변색 소자
110: 제1 전극
111: 온도감응소재
120: 이온저장층
130: 전해질층
140: 전기변색층
150: 제2 전극

Claims (9)

  1. 제1 전극;
    상기 제1 전극 상에 배치되는 이온저장층;
    상기 이온저장층 상에 배치되는 전해질층;
    상기 전해질층 상에 배치되며, 전기장이 인가됨에 따라 변색되는 전기변색층; 및
    상기 전기변색층 상에 배치되는 제2 전극;을 포함하며,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 전이온도보다 높은 온도범위에서는 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극의 전기전도도를 상대적으로 높여 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 전기장을 형성시킴으로써 상기 전기변색층이 변색되도록 하거나, 상기 전이온도보다 낮은 온도범위에서는 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극의 전기전도도를 상대적으로 낮춰 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 사이에 전기장을 소멸시킴으로써 상기 전기변색층의 변색이 소멸되도록 하는 온도감응소재를 포함하고,
    상기 온도감응소재는 상기 제1 전극에 구비되며 제1 전이온도를 가지는 제1 온도감응소재와, 상기 제2 전극에 구비되며 상기 제1 전이온도와 다른 제2 전이온도를 가지는 제2 온도감응소재를 포함하는 것을 특징으로 하는 능동형 전기변색 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 온도감응소재는 상기 전이온도를 기준으로 투과도가 상대적으로 변화되는 열변색소재인 것을 특징으로 하는 능동형 전기변색 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 온도감응소재 및 상기 제2 온도감응소재는 바나듐산화물을 포함하고,
    상기 제1 온도감응소재 및 상기 제2 온도감응소재 중 어느 하나는 텅스텐으로 도핑된 것을 특징으로 하는 능동형 전기변색 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 온도감응소재 및 상기 제2 온도감응소재는 바나듐산화물을 포함하고,
    상기 제1 온도감응소재 및 상기 제2 온도감응소재는 서로 다른 함량의 텅스텐으로 도핑된 것을 특징으로 하는 능동형 전기변색 소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극은,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극을 각각 구성하는 전극소재와 상기 온도감응소재가 적층된 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 능동형 전기변색 소자.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 온도감응소재는 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극을 각각 구성하는 전극소재 내부에 입자 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 능동형 전기변색 소자.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 온도감응소재의 부피는 상기 전극소재의 부피보다 큰 것을 특징으로 하는 능동형 전기변색 소자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극은 상기 온도감응소재로만 구성된 것을 특징으로 하는 능동형 전기변색 소자.
  9. 기판; 및
    상기 기판 상에 배치되는 제1항에 기재된 전기변색 소자;를 포함하는 것을 특징으로 하는 능동형 전기변색 윈도우.
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