KR102536742B1 - 전기변색장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기변색장치에 관한 것으로, 이온저장층과 전해질층 및 전기변색층을 포함하는 변색층의 상하부에 각각 전도층을 형성하여 전기변색 유도가 용이한 전기변색장치인 것을 특징으로 한다.

Description

전기변색장치{ELECTROCHROMIC APPARATUS}

본 발명은 전기변색장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 이온저장층과 전해질층 및 전기변색층을 포함하는 변색층의 상하부에 각각 전도층을 형성하여 전기변색 유도가 용이한 전기변색장치에 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.

한국특허공개 제2011-0043595호에는 전기적으로 제어가능한 패널, 특히 창유리를 형성하도록 의도된 제어된 적외선 반사를 갖는 전기변색 디바이스가 기재되어있고, 미국공개특허 제2007-0058237호에는 이온저장층, 투명 고체전해질층, 전기변색층 및 반사층을 포함하는 다층 시스템의 전기변색 소자가 기재되어 있다.

그러나, 한국특허공개 제2011-0043595호에서는 이온저장층의 주원료로서 이리듐이 단독으로 사용될 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.

본 발명의 과제는 상술한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 박막 적층 및 식각에 의해 제조가능하여 제조공정을 단순화할 수 있는 전기변색장치를 제공함에 있다.

또한, 전기변색층과 전해질층 및 이온저장층을 포함하는 변색층의 상하부에 제1 전도층과 제2 전도층이 형성되어 전기변색 유도가 더 용이한 전기변색장치를 제공함에 있다.

상기 과제는, 본 발명에 따라, 대향배치되는 제1 전도층과 제2 전도층; 이온저장층과 전해질층 및 전기변색층을 포함하여, 상기 제1 전도층과 상기 제2 전도층 사이에 형성되는 변색층; 상기 제2 전도층의 외측으로부터 상기 전해질층을 관통하도록 형성되어, 상기 전해질층을 외부영역과 내부영역으로 분리하는 분리홈; 및, 상기 외부영역에 상기 제1 전도층의 내측면을 외측으로 노출시키도록 형성되는 배선홈;을 포함하는 전기변색장치에 의해 달성될 수 있다.

여기서, 상기 배선홈의 적어도 일부를 충진하여 상기 제1 전도층의 내측면과 연결되는 연결패턴을 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 연결패턴은 상기 분리홈에 의해 분리되는 외부영역의 외측면을 덮도록 형성될 수 있다.

또한, 상기 이온저장층과 상기 전기변색층은 상기 전해질층을 사이에 두고 위치하도록 형성될 수 있다.

또한, 상기 제1전도층과 상기 제2전도층은 투명 전극일 수 있다.

또한, 상기 제1전도층은 투명 전극이고, 상기 제2전도층은 빛을 반사하는 반사막일 수 있다.

한편, 상술한 전기변색장치의 제조방법은, 기판 상에 제1전도층을 형성하는 단계; 상기 제1전도층의 일면에 이온저장층과 전해질층 및 전기변색층으로 구성된 변색층을 형성하는 단계; 상기 제1전도층의 내측면을 외부로 노출시키는 배선홈을 형성하는 단계; 상기 배선홈을 충진하면서 상기 변색층의 외측면을 덮도록 제2 전도 층을 형성하는 단계; 및, 상기 배선홈의 내측에 형성되며, 상기 제2 전도층의 외측으로부터 상기 전해질층을 관통하는 분리홈을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 변색층은 상기 전해질층을 사이에 두고 상기 이온저장층과 상기 전기변색층이 위치하도록 각각 형성할 수 있다.

또한, 상기 제1 전도층과 상기 제2 전도층은 투명 재질로 형성할 수 있다.

또한, 상기 제1 전도층은 반사 재질이고, 상기 제2 전도층은 투명 재질로 형성할 수 있다.

본 발명에 따르면, 박막 적층 및 식각에 의해 제조가능하여 제조공정을 단순화할 수 있는 전기변색장치가 제공된다.

또한, 전기변색층과 전해질층 및 이온저장층을 포함하는 변색층의 상하부에 제1 전도층과 제2 전도층이 형성되어 전기변색 유도가 더 용이한 전기변색장치가 제공된다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 전기변색장치의 개략도,
도 2는 도 1의 Ｉ-Ｉ'을 따라 절단한 단면도,
도 3 내지 도 7은 도 2의 제조공정도이다.

설명에 앞서, 여러 실시예에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 제1 실시예에서 설명하고, 그 외의 실시예에서는 제1 실시예와 다른 구성에 대해서 설명하기로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 전기변색장치에 대하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 전기변색장치의 개략도이고, 도 2는 도 1의 Ｉ-Ｉ'을 따라 절단한 단면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 전기변색장치는 제1 전도층(10)과 제2 전도층(20) 및 변색층(30)을 포함한다.

상기 제1 전도층(10)과 상기 제2 전도층(20)은 유리 등의 투명 재질로 마련되는 상부기판(미도시)과 하부기판(미도시)의 사이에 위치하고, 서로 대향되도록 형성된다.

여기서, 제1 전도층(10)과 제2 전도층(20)은 스퍼터링 증착방법 등을 이용하여 형성되며, 전력공급이 가능하고, 전기변색을 유도할 수 있는 박막형 산화물 전도층이다.

또한, 제1 전도층(10)은 산화인듐주석(ITO), 산화인듐아연(IZO), 알루미늄 도핑된 산화아연(AZO), 붕소 도핑된 산화아연(BZO), 텅스텐 도핑된 산화아연(WZO) 및 텅스텐 도핑된 산화주석(WTO) 등의 투명 재질일 수 있다.

제2 전도층(20)은 투명전극인 경우에는 제1전도층(10)과 같은 재질일 수 있고, 반사막으로 사용되는 경우에는 알루미늄(Aluminum), 루테늄(Ruthenium) 크롬(Chromium), 은(Ag), 루비듐(Rubidium), 몰리브덴(Molybdenum), 금(Au), 구리(Cu), 니켈(Ni), 납(Pb), 주석(Sn), 인듐(In) 및 아연(Zn) 등의 빛을 반사하는 반사 재질일 수 있다. 즉, 제2 전도층(20)은 선택적으로 투명전극이거나 반사막으로 형성될 수 있다.

상기 제2 전도층(20)이 반사막으로 형성되는 경우, 후술할 변색층(30)의 전기변색층(33)(30)을 통과하여 입사한 빛을 반사하는 반사판 역할과 함께 제1 전도층(10)의 상대전극 역할을 한다.

즉, 종래기술에서 반사층은 다공성으로 만들어 물 또는 물분자가 통과할 수 있어야 하나, 본 발명에서는 이미 후술할 변색층(30)의 이온저장층(32)과 전기변색층(33) 중 적어도 어느 하나에서 수소화 금속산화물을 포함하고 있으므로, 본 발명의 제2전도층(20)은 비다공성의 순수 금속막으로만 이루어질 수 있다.

상기 변색층(30)은 전해질층(31)과 이온저장층(32) 및 전기변색층(33)을 포함하여 구성된다. 먼저, 상기 전해질층(31)은 스퍼터링 증착방법 등을 이용하여 제1 전도층(10)과 제2 전도층(20)의 사이에 형성되어 이온전달의 역할을 수행한다.

그 재질은 막의 물리적 성질에 따라서 액상 전해질과 고상 전해질로 구분되고, 이온전달 물질의 종류에 따라서 프로톤 전해질과 알칼리 이온 전해질로 구분될 수 있으며, 상기 전해질층(31)은 탄탈룸, 더욱 바람직하게는 산화탄탈륨(Ta2O5)을 포함할 수 있다.

상기 이온저장층(32)은 스퍼터링 증착방법 등을 이용하여 제1 전도층(10)과 전해질층(31) 사이에 위치하도록 형성된다. 이때, 이온저장층(32)은 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 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.

상기 전기변색층(33)은 스퍼터링 증착방법 등을 이용하여 제2 전도층(20)과 전해질층(31) 사이에 위치하도록 형성되며, 전기 인가에 의해 색의 변화율이 커서 변색을 담당하는 층이다.

더욱 상세히 설명하면, 상기 전기변색층(33)은 액상 또는 고상의 전기변색 물질로 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.

또한, 상기 전기변색층(33)은 전해질층(31)과 제1 전도층(10)사이에 형성되어 제1 전도층(10)에서 인가된 전기를 전달받아 산화반응 또는 환원반응을 통해 착색 또는 소색될 수 있다.

상기 전기변색층(33)은 텅스텐을 포함하는데, 상기 텅스텐은 수소화 텅스텐일 수 있으며, 상기 수소화 텅스텐은 화학식 HcWO3(여기서, 0＜c＜3)로 나타낼 수 있다.

본 발명에서는 전기변색층(33)에 수소화된 텅스텐을 사용할 경우, 전기변색층(33)에서의 산화 환원반응을 위해 이온을 주입할 필요가 없어 바람직하다.

상술한 본 실시예에서는 전해질층(31)의 상부에 전기변색층(33)이 형성되고, 전해질층(31)의 하부에 이온저장층(32)이 형성되나, 필요에 따라 전해질층(31)의 상부에 이온저장층(32)이 형성되고, 전해질층(31)의 하부에 전기변색층(33)이 형성될 수 있다.

한편, 제2 전도층(20)의 외측으로부터 전해질층(31)을 관통하도록 형성되어, 상기 전해질층(31)을 외부영역과 내부영역으로 분리하는 분리홈(40)이 형성된다.

이때, 분리홈(40)은 전해질층(31)을 내부와 외부로 분리함으로써, 외부영역으로부터 공급되는 전기가 내부영역으로 전달되는 것을 차단할 수 있다. 즉, 외부영역의 전기로 인해 내부영역에서의 이온 흐름이 방해를 받지 않을 수 있어 정확한 전기변색 효과를 담보할 수 있다.

도시된 바는 분리홈(40)이 전해질층(31)을 관통하여 전기변색층(33) 중 일부까지 형성된 것에 대하여 도시하고 있으며, 분리홈(40)이 전해질층(31)을 관통하도록만 형성하면 되므로 전기변색층(33)까지 형성되지 않을 수도 있다.

그리고, 분리홈(40)에 의해 구획된 외부영역에는 제2 전도층(20)의 내측면을 외부로 노출시키는 배선홈(50)이 형성되고, 배선홈(50)의 적어도 일부를 충진하여 제2 전도층(20)의 내측면과 연결되는 연결패턴(21)이 형성된다.

이때, 연결패턴(21)은 분리홈(40)에 의해 분리되는 외부영역의 외측면 즉, 전기변색층(33)의 상부면을 덮도록 형성될 수 있다. 통상적으로 전기 배선의 가장 작은 직경의 크기는 수mm이므로 직접 배선홈(50)에 삽입하여 제1 전도층(10)과 배선을 연결하는 것은 실질적으로 불가능하므로, 상기 연결패턴(21)을 통해 제1 전도층(10)이 전기적 접속되도록 하는 것이 바람직하다.

제1 전도층(10)의 상부면에는 제1 배선(A)이 연결되고, 연결패턴(21)의 상부면에는 제2 배선(B)이 연결되며, 이때 접합방법은 용접 등의 공지된 각종 접합방법이 사용될 수 있다.

상술한 바와 같은 구조를 가지는 본원발명의 전기변색장치에 의하면, 종래 변색층을 감싸도록 형성되어 적외선 범위에서 투명한 금속 그리드를 구비하지 않아도 되며, 이에 따라 단순히 적층 및 식각에 의해 구조 형성이 가능하여 간편한 공정을 제공한다.

또한, 전기변색을 유도하는 산화물전도층인 제1 전도층(10)과 제2 전도층(20)이 상하로 배치되어 전기변색유도가 더 쉽게 가능하다.

다음으로, 본 발명의 제1 실시예에 따른 전기변색장치의 제조방법에 대하여 설명한다. 도 3 내지 도 7은 도 2의 제조공정도이다. 먼저, 도 3을 참조하면, 투명 재질인 하부기판(미도시) 상에 스퍼터링 등의 방법을 이용하여 제1전도층(10)을 증착하고, 도 4에서와 같이 이온저장층(32), 전해질층(31), 전기변색층(33)을 순차적으로 증착형성한다. 이때, 변색층(30)을 구성하는 각 층은 스퍼터링 등의 방법으로 형성할 수 있다.

그리고, 도 5에서와 같이, 스크라이빙, 레이저 식각 또는 에칭 등의 방법으로 제1 전도층(10)의 내측면이 노출되도록 배선홈(50)을 형성한다.

이어, 도 6에서와 같이, 스퍼터링 등의 방법으로 배선홈(50)을 충진하면서 전기변색층(33)의 외측면을 덮도록 도전층(20A)을 형성한다.

그리고, 도 7에서와 같이, 배선홈(50)의 내측 영역에 제2 전도층(20)의 외측으로부터 전해질층(31)을 관통하는 분리홈(40)을 형성한다. 상기 분리홈(40)에 의해 전해질층(31)은 내부영역과 외부영역으로 분리구획되어, 상호 간에 전기 전달이 차단될 수 있다.

또한, 상기 분리홈(40)을 기준으로 도전층(20A)은 내측으로는 제2 전도층(20)이 형성되고, 외측으로는 연결패턴(21)이 형성된다.

그리고, 도 2에서와 같이, 제2 전도층(20)에는 전기 인가가 가능한 제1 배선(A)이 연결되고, 연결패턴(21)에는 전기 인가가 가능한 제2 배선(B)이 각각 용접 등의 방법으로 연결된다.

상기와 같은 제2 전도층(20) 및 연결패턴(21)을 형성한 후, 소정의 방법을 통해 그 상부에 상부기판(미도시)을 적층하여 제조가 완료된다.

상술한 바와 같은, 본 발명에 따른 전기변색장치는 단순히 적층 및 식각 공정에 의해서 형성이 가능하여 제조공정을 단순화시킬 수 있다.

아울러, 종래와 비교하여 상하로 산화물 전도층인 제1 전도층(10)과 제2 전도층(20)이 형성되어 전기 변색 유도가 더욱 용이할 수 있다.

본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.

※도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명※
10 : 제1전도층 20 : 제2전도층
20A : 도전층 21 : 연결패턴
30 : 변색층 31 : 전해질층
32 : 이온저장층 33 : 전기변색층
40 : 분리홈 50 : 배선홈

Claims (8)

1. 기판;
   상기 기판 상에 위치되는 제1 전도층;
   상기 제1 전도층 상에 위치되며, 산화 및/또는 환원에 기반하여 변색 가능한 적어도 하나의 물질을 포함하는 적어도 하나의 층; 및
   상기 적어도 하나의 층 상에 위치되는 제2 전도층;을 포함하고,
   상기 제2 전도층은 전기적으로 분리되는 제1 부분 및 제2 부분을 포함하고,
   상기 적어도 하나의 층은 전기적으로 분리되는 제3 부분 및 제4 부분을 포함하고,
   상기 제2 전도층의 상기 제1 부분은 상기 적어도 하나의 층의 상기 제3 부분과 접촉되며,
   상기 제2 전도층의 상기 제1 부분은 상기 제1 전도층과 전기적으로 연결되는,
   전기변색소자.
   
2. 제1 항에 있어서,
   상기 적어도 하나의 층은 제1 기능층을 포함하고,
   상기 제1 기능층은 전기적으로 분리되는 제3-1 부분 및 제3-2 부분을 포함하고,
   상기 제1 부분은 상기 제3-1 부분의 측면과 접촉하는 영역 및 상기 제3-2 부분의 측면과 접촉하는 영역을 포함하는,
   전기변색소자.
   
3. 제2 항에 있어서,
   상기 적어도 하나의 층은 전해질층을 포함하고,
   상기 전해질층은 전기적으로 분리되는 제5 부분 및 제6 부분을 포함하고,
   상기 제1 부분은 상기 제5 부분의 측면과 접촉하는 영역 및 상기 제6 부분의 측면과 접촉하는 영역을 포함하는,
   전기변색소자.
   
4. 제3 항에 있어서,
   홈이 상기 기판 상에 형성된 상기 적어도 하나의 층에의 레이저 식각 공정을 통해 형성되는,
   전기변색소자.
   
5. 제1 항에 있어서,
   상기 제1 부분의 상면에 제1 배선이 연결되고, 상기 제2 부분의 상면에 제2 배선이 연결되는,
   전기변색소자.
   
6. 제1 항에 있어서,
   상기 제1 전도층과 상기 제2 전도층은 투명 전극인,
   전기변색소자.
   
7. 제1 항에 있어서,
   상기 제1 전도층은 투명 전극이고, 상기 제2 전도층은 빛을 반사하는 반사막인,
   전기변색소자.
   
8. 제1 항에 있어서,
   상기 제1 전도층, 상기 적어도 하나의 층 및 상기 제2 전도층은 스퍼터링 공정으로 형성되는,
   전기변색소자.
   

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