KR102622556B1 - 전기변색소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 한 실시예에 따른 전기변색소자는 하부기판, 상기 하부기판 위에 배치되는 제1 전극층, 상기 제1전극층 위에 배치되는 금속 배선 전극, 상기 금속 배선 전극과 인접하여 배치되는 변색물질층, 상기 변색물질층 위에 배치되는 전해질층, 상기 전해질층 위에 배치되는 제2전극층, 그리고 상기 제2전극층 위에 배치되는 상부기판을 포함하며, 상기 금속 배선 전극의 표면에 배치되는 산화층을 더 포함한다.
Description
본 발명은 전기변색소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전기변색소자에 포함되는 전극에 관한 것이다.
전기변색(Electrochromism)이란 전압을 인가하면 전계방향에 의해 가역적으로 색상이 변하는 현상으로서, 이러한 특성을 지닌 전기화학적 산화환원반응에 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 전기적 신호가 인가되면 색이 소멸하는 특성을 가진다.
전기변색소자는 전기화학적 산화환원반응에 의하여 전기변색물질의 광투과도가 변하는 현상을 이용한 소자로서, 건축용 창유리나 자동차 미러의 광투과도 또는 반사도를 조절하는 용도로 이용되고 있으며, 최근에는 가시광선 영역에서의 색변화뿐만 아니라 적외선 차단효과까지 있다는 것이 알려지면서 에너지 절약형 제품으로의 응용 가능성에 대해서도 큰 관심을 받고 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 전기변색소자 및 그의 전극을 제공하는 데 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 전기변색소자는 하부기판, 상기 하부기판 위에 배치되는 제1 전극층, 상기 제1전극층 위에 배치되는 금속 배선 전극, 상기 금속 배선 전극과 인접하여 배치되는 변색물질층, 상기 변색물질층 위에 배치되는 전해질층, 상기 전해질층 위에 배치되는 제2전극층, 그리고 상기 제2전극층 위에 배치되는 상부기판을 포함하며, 상기 금속 배선 전극의 표면에 배치되는 산화층을 더 포함한다.
상기 금속 배선 전극은 구리를 포함할 수 있다.
상기 산화층은 아산화구리(Cu2O) 및 산화구리(CuO)를 포함할 수 있다.
상기 산화층은 흑색 또는 흑갈색일 수 있다.
상기 금속 배선 전극의 한 면은 상기 제1 전극층과 접촉면을 이루며, 상기 접촉면은 비산화층일 수 있다.
상기 금속 배선 전극은 단위 면적 당 0.4 내지 10%의 면적을 차지할 수 있다.
상기 금속 배선 전극의 폭(W)은 10 내지 3000㎛일 수 있다.
상기 금속 배선 전극의 폭(W)에 대한 두께(T)의 비(T/W)는 0.02이상일 수 있다.
상기 금속 배선 전극은 0.1 내지 100mm의 간격으로 배치될 수 있다.
상기 산화층의 밀도 및 두께 중 적어도 하나는 상기 제 1 전극층의 밀도 및 두께 중 적어도 하나보다 클 수 있다.
상기 변색물질층은 제 1 전극층 상에 배치되며, 상기 제 1 전극층의 노출 영역을 커버할 수 있다.
상기 변색물질층은 상기 금속 배선 전극 및 상기 산화층의 측면에 배치될 수 있다.
상기 산화층의 일부는 상기 변색물질층 위에 배치될 수 있다.
상기 금속 배선 전극은 복수의 선이 평행하게 배치되는 형상일 수 있다.
상기 금속 배선 전극은 격자 형상으로 배치될 수 있다.
상기 금속 배선 전극은 평행하는 복수의 가로 전극과 평행하는 복수의 세로 전극을 포함하며, 상기 평행하는 복수의 가로 전극과 상기 평행하는 복수의 세로 전극 간의 각도(θ)는 45˚ 내지 135˚일 수 있다.
상기 제 1 전극층 및 제 2 전극층은 ITO(Indium Tin Oxide), IZO(Indium Zinc Oxide) 및 FTO(Fluorine Tin Oxide) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 상부기판과 상기 하부기판 사이에 배치되는 댐(dam), 그리고 상기 제 1 전극층과 제 2 전극층의 사이에 배치되는 이온저장층을 더 포함할 수 있다.
상기 제2 전극층에 배치되는 보조 전극, 그리고 상기 제2 전극층에 배치되며, 상기 보조 전극의 노출 영역을 커버하는 제2 변색물질층을 더 포함할 수 있다.
상기 보조 전극 상에 배치되는 산화층을 더 포함할 수 있다.
상기 보조 전극은 구리를 포함할 수 있다.
상기 보조 전극은 복수의 선이 평행하게 배치되는 형상일 수 있다.
상기 보조 전극은 격자 형상으로 배치될 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 전기변색장치는 하부 기판, 상기 하부 기판 위에 배치되는 제 1 전극층, 상기 제 1 전극층 위에 배치되는 변색물질층, 상기 변색물질층 위에 배치되는 전해질층, 상기 전해질층 위에 배치되는 제 2 전극층, 상기 제 2 전극층 위에 배치되는 상부 기판, 상기 상부 기판과 상기 하부 기판 사이에 배치되는 댐(dam), 그리고 상기 댐의 내부에 배치되는 이온저장층을 포함하며, 상기 제 1 전극층에는 금속 배선 전극이 더 배치되고, 상기 제2 전극층에는 보조 전극이 더 배치되며, 상기 금속 배선 전극 및 상기 보조 전극 중 적어도 하나에는 산화층이 더 배치되고, 상기 금속 배선 전극 및 상기 보조 전극은 각각 접속 리드와 연결된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 변색 속도가 높은 전기변색소자를 얻을 수 있다. 특히, 본 발명의 실시예에 따른 전기변색소자의 전극은 반복 구동에도 불구하고 용이하게 산화되지 않으며, 이에 따라 신뢰도가 높은 전기변색소자를 얻을 수 있다.
도 1은 전기변색소자의 단면도이다.
도 2는 격자 형상의 전극의 일 예이다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 전기변색소자의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 금속 배선 전극의 산화층 형성 방법을 나타내는 방법을 나타내는 순서도이다.
도 5는 구리 배선의 산화처리 시간에 따른 변화를 나타낸다.
도 6 내지 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기변색소자의 일부의 단면도이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기변색소자의 단면도이다.
도 12는 서로 대향하여 배치되는 금속 배선 전극을 나타낸다.
도 2는 격자 형상의 전극의 일 예이다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 전기변색소자의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 금속 배선 전극의 산화층 형성 방법을 나타내는 방법을 나타내는 순서도이다.
도 5는 구리 배선의 산화처리 시간에 따른 변화를 나타낸다.
도 6 내지 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기변색소자의 일부의 단면도이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기변색소자의 단면도이다.
도 12는 서로 대향하여 배치되는 금속 배선 전극을 나타낸다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제2, 제1 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 전기변색소자의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 전기변색소자(100)는 서로 대향하여 배치되는 제1 기판(110) 및 제2 기판(120), 제1 기판(110) 및 제2 기판(120) 상에 각각 배치되며, 서로 대향하여 배치되는 제1 전극층(130) 및 제2 전극층(140), 제1 전극층(130) 및 제2 전극층(140) 중 어느 하나 상에 배치되는 변색물질층(150), 제1 전극층(130) 및 제2 전극층(140) 중 나머지 하나 상에 배치되는 이온저장층(160), 그리고 변색물질층(150) 및 이온저장층(160) 사이에 배치되는 전해질층(170)을 포함한다. 도시되지 않았으나, 제1 전극층(130) 및 제2 전극층(140) 사이에는 실링재(sealant)가 더 배치되며, 실링재에 의하여 형성된 공간 내에 변색물질층(150), 이온저장층(160) 및 전해질층(170)이 배치될 수도 있다. 또한, 여기서는 변색물질층(150) 및 전해질층(170)이 서로 분리되는 구조인 것으로 도시되어 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 전해질층(170) 내에 변색물질이 분산되는 구조일 수도 있다.
여기서, 제1 기판(110) 및 제2 기판(120)은 투과도(T%)가 98%이상인 투명 기판이며, 유리 또는 플라스틱일 수 있다.
그리고, 변색물질층(150)은 유기물 및 무기물에서 선택된 전도성 고분자 및 비전도성 물질을 포함할 수 있다. 전도성 고분자는 산화/환원이 가능한 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리티오펜(polythiophene)의 단량체로부터 중합된 전도성 고분자 또는 단량체의 유도체일 수 있다.
비전도성 물질은 산화/환원 반응이 가능한 방향족 화합물을 포함할 수 있다. 예를 들어 비올로겐(viologen)을 포함한 비스테르피리딘(bisterpyridine) 유도체, 비페닐(biphenyl)유도체, 티오펜(thiophene) 유도체 등 내부 전자 이동이 가능하며, 산화/환원 상태에 따라 색변화가 가능한 유기물일 수 있다.
본 발명의 실시예로서 변색물질층(150)은 텅스텐 옥사이드(tungsten oxide), 몰리브데늄 옥사이드(molybdenum oxide), 티타늄 옥사이드(titanium oxide) 및 바나듐 옥사이드(vanadium oxide)로 이루어진 그룹에서 선택될 수도 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 이러한 변색물질층(150)은 다층 박막의 형태로 이루어질 수 있다. 또한, 이온저장층(160)은 이온 전도성 고분자, 예를 들어 아크릴아미도프로판 설포닉산(acrylamidopropane sulfonic acid) 및 아크릴산(acrylic acid)로 이루어진 그룹에서 선택될 수 있으나, 이에 한정되는 것을 아니다.
그리고, 제1 전극층(130) 및 제2 전극층(140) 중 적어도 하나는 투명 전극을 포함할 수 있으며, 투명 기판인 제1 기판(110) 및 제2 기판(120) 위에 각각 투명 전극이 배치되는 경우, 그 투과도(T%)는 85%이상일 수 있다. 투명 전극은 ITO(Indium Tin Oxide), FTO(Fluorine Tin Oxide), IZO(Indiun Zinc Oxide), Ag(Silver), 및 Al(Alluminium) 중 를 포함할 수 있다. 이때, 제1 전극층(130) 및 제2 전극층(140) 중 적어도 하나는 투명 전극이 격자 형상의 전극으로 대체되거나, 투명 전극 상에 소정 간격으로 이격된 금속 배선 전극이 평행하는 형상, 또는 격자 형상의 전극이 추가로 배치될 수 있다. 본 명세서에서, 설명의 편의를 위하여 금속 배선이 평행하는 형상의 전극 또는 격자 형상의 전극을 버스 전극이라 지칭할 수도 있다. 금속 배선 전극은, 예를 들어 구리(Cu), 니켈(Ni) 및 은(Ag) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
제1 전극층(130) 및 제2 전극층(140) 중 적어도 하나가 구리(Cu), 니켈(Ni) 및 은(Ag) 중 적어도 하나를 포함하는 금속 배선 전극을 포함하면, 전극층의 전체 저항이 낮아지게 되므로, 변색 속도가 빨라지게 된다. 특히, 금속 배선 전극의 간격(pitch)이 좁을수록, 변색 속도는 빨라질 수 있다. 전극은 도 2에서 예시되어 있다. 도 2(a)에서는 평행하는 복수의 가로 전극과 평행하는 복수의 세로 전극이 거의 직각을 이루는 형상으로 배치되는 것을 예로 들고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 평행하는 복수의 가로 전극과 평행하는 복수의 세로 전극 간의 각도(θ)는 45˚ 내지 135˚일 수 있다. 평행하는 복수의 가로 전극과 평행하는 복수의 세로 전극 간의 각도(θ)가 이러한 수치 범위 이내인 경우, 무아레(moire)를 방지할 수 있다. 또는, 복수의 가로 전극 또는 복수의 세로 전극은 서로 평행하지 않을 수도 있으며, 랜덤하게 배치 되는 무정형 그물 형상일 수도 있다. 도 2(b)에서는 복수의 금속 배선 전극이 평행하는 형상이 도시되어 있다. 이때, 복수의 선 간의 간격(D1, D2)은 모두 동일하거나, 서로 다를 수 있으며, 전극 폭 대비 전극 간격의 비율은 5 내지 1000이 될 수 있다.
또한, 금속 배선 전극의 형상이 복수의 선, 격자, 무정형의 그물형에 관계 없이, 단위 면적 당 금속 배선 전극이 실제로 차지하는 면적은 0.4 % 내지 10 %일 수 있다. 예를 들어, 10*10cm2당 금속 배선 전극이 실제로 차지하는 면적은 0.4 내지 10cm2일 수 있고, 10*10mm2당 금속 배선 전극이 실제로 차지하는 면적은 0.4 내지 10mm2일 수 있다. 다만, 금속 배선 전극이 전해질층(170)에 노출되는 경우, 금속 배선 전극 내 양이온은 전해질층(170)의 산소와 결합하여 산화될 수 있다. 격자 형상의 전극이 산화되는 경우, 전기변색소자의 신뢰성에 영향을 줄 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 금속 배선 전극 상에 산화층을 배치하여 금속 배선 전극이 산화되는 것을 방지하고자 한다.
도 3은 본 발명의 한 실 시예에 따른 전기변색소자의 단면도이다.
도 3을 참조하면, 전기변색소자(100)는 서로 대향하여 배치되는 제1 투명기판(110) 및 제2 투명기판(120), 제1 투명기판(110) 및 제2 투명기판(120) 상에 각각 배치되며, 서로 대향하여 배치되는 제1 전극층(130) 및 제2 전극층(140), 제1 전극층(130) 및 제2 전극층(140) 중 하나 상에 배치되는 변색물질층(150), 제1 전극층(130) 및 제2 전극층(140) 중 나머지 하나 상에 배치되는 이온저장층(160), 그리고 변색물질층(150) 및 이온저장층(160) 사이에 배치되는 전해질층(170)을 포함한다. 여기서, 변색물질층(150), 이온저장층(160) 및 전해질층(170)의 총 두께는 50 내지 200㎛일 수 있다. 변색물질층(150), 이온저장층(160) 및 전해질층(170)의 총 두께가 50㎛ 미만인 경우, 제1 전극층(130) 및 제2 전극층(140) 간의 맞닿음으로 인해 합선이 될 가능성이 있고, 변색물질층(150), 이온저장층(160)) 및 전해질층(170)의 총 두께가 200㎛를 초과하는 경우, 전도도가 감소하여 반응 속도가 느릴 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제1 전극층(130) 상에는 금속 배선 전극(180)이 더 배치되며, 금속 배선 전극(180)의 표면에는 산화층(182)이 더 배치된다.
여기서, 제1 전극층(130)은 투명 전극일 수 있으며, ITO(Indium Tin Oxide) FTO(Fluorine Tin Oxide), IZO(Indiun Zinc Oxide), Ag(Silver), 및 Al(Alluminium) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
그리고,금속 배선 전극(180)은 도 2에서 예시한 바와 같은 복수의 금속 배선이 서로 평행하는 형상 또는 격자 형상의 버스 전극일 수 있으며, 구리(Cu), 니켈(Ni), 알루미늄(Al) 및 은(Ag) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
금속 배선 전극(180)이 선, 격자 또는 무정형의 그물형의 형상을 가질 때, 단위 면적 당 금속 배선 전극(180)이 실제로 차지하는 면적은 0.4 내지 10% 일 수 있다. 예를 들어, 10*10mm2 내에 금속 배선 전극(180)이 실제로 차지하는 면적은 0.4 내지 10mm2일 수 있고, 10*10cm2 내에 금속 배선 전극(180)이 실제로 차지하는 면적은 0.4 내지 10cm2일 수 있다 다. 금속 배선 전극(180)의 면적이 0.4 % 미만일 경우에는 버스 전극으로서의 효과가 미비할 수 있다. 또한, 금속 배선 전극의 면적이 10 % 를 초과하면 시인성이 저하될 수 있다.
다시 도 2의 (a)를 참조하면, 금속 배선 전극(180)이 격자 형상으로 배치되는 경우, 평행하는 복수의 세로 전극 또는 평행하는 복수의 세로 전극의 단위 전극은 서로 교차된다. 상기 단위 전극의 폭(W)은 0.1 내지 100㎛, 바람직하게는 1 내지 50㎛, 더욱 바람직하게는 10 내지 30㎛일 수 있고, 간격(D1, D2)은 0.1 내지 100mm, 바람직하게는 1 내지 50mm, 더욱 바람직하게는 10 내지 20mm일 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 요구되는 변색 속도 및 애플리케이션의 스케일에 따라 다양하게 변형될 수 있다. 금속 배선 전극(180)의 폭 및 간격을 조절하여 전기변색소자의 시인성을 개선할 수 있다.
다시 도 2의 (b)를 참조하면, 금속 배선 전극(180)이 선의 형상으로 배치된다. 금속 배선 전극의 폭(W)은 10㎛ 내지 3000㎛의 범위로 구현이 가능하며, 복수의 선은 서로 평행하게 배치된다. 이때 복수의 선은 50㎛ 내지 100,000 ㎛ 거리를 두고 배치될 수 있다. 바람직하게는, 금속 배선 전극의 단면적이 20 ㎛2 이상이어야 하며, 금속 배선 전극의 폭(W)에 대한 두께(T)의 비(T/W)가 0.02이상일 경우 시인성이 확보 된다. 선 폭(W)이 10㎛ 보다 작은 경우 선저항이 높아지고, 3000㎛보다 큰 경우 시인성이 저하될 수 있다.
이때, 도 2의 (a)와 (b)를 참조하면, 금속 배선 전극(180)의 형상이 선, 격자의 형태일 때와 무정형의 그물형상일 때를 포함하여, 금속 배선 전극(180)은 10ⅹ10cm2 단위 면적 당 실제로 4 내지 10cm2의 면적을 차지할 수 있다. 금속 배선 전극(180)의 면적이 0.4 % 이하일 경우에는 버스 배선으로서의 효과가 미비할 수 있다. 또한, 금속 배선 전극의 면적이 10 % 이상 이면 시인성이 저하된다.
한편, 변색물질층(150)은 제1 전극층(130) 상에 배치되며, 금속 배선 전극(180) 및 산화층(182)을 덮을 수 있다. 또한, 변색물질층(150)은 금속 배선 전극(180) 및 산화층(182)의 측면에 배치될 수도 있다. 이에 따라, 변색물질층(150)과 제1 전극층(130) 간의 접촉 면적을 최대화할 수 있으며, 변색물질층(150)의 반응 속도를 높일 수 있다.
그리고, 산화층(182)은 금속 배선 전극(180) 상에 배치되며, 금속 배선 전극(180)을 커버할 수 있다. 이에 따라, 금속 배선 전극(180)은 전해질층(170)과 직접 접촉하지 않을 수 있다. 또한, 산화층(182)은 금속 배선 전극(180) 상에 배치되며, 제 1 전극층(130)과 직접 접촉하지 않을 수도 있다. 이러한 산화층(182)은 스핀코팅(Spin-coating), 딥핑(Dipping), 드롭코팅(drap coating), 젯팅(jetting), 프린팅(pringing), 화학증착(Chemical vapor deposition), 물리증착(Physical vapor deposition), 전해도금(electroplating), 무전해도금(electroless plating)의 방법으로 형성될 수 있다. 산화층(182)의 형성 방법에 따라 산화층의 형상이 달라질 수 있다.
이때, 산화층(182)은 ITO(Indium Tin Oxide), FTO(Fluorine Tin Oxide), 산화 금속 및 절연 물질 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 전기변색소자(100)를 반복 구동하더라도, 금속 배선 전극(180)의 금속이 전해질층(170)의 산소와 반응하여 산화되는 문제를 방지할 수 있다.
특히, 산화층(182)의 밀도 및 두께 중 적어도 하나는 제1 전극층(130)의 밀도 및 두께 중 하나보다 클 수 있다. 이에 따라, 산화층(182)은 외력에 의하여 제1 기판(110) 측의 제1 전극층(130) 및 제2 기판(120) 측의 제2 전극층(140)이 서로 접촉하여 쇼트되는 문제를 방지할 수 있으며, 패시베이션(passivation)의 역할을 할 수 있다.
한편, 산화층(182)이 산화 금속을 포함하는 경우, 산화 금속은, 예를 들어 아산화 구리(Cu2O) 또는 산화 구리(CuO)를 포함할 수 있다. 즉, 금속 배선 전극(180)이 구리(Cu)를 포함하는 경우, 산화층(182)은 Cu2O 또는 CuO를 포함할 수 있다.
산화층(182)에 포함되는 CuO의 함량이 많아질수록, 산화층(182)은 흑색을 띨 수 있으며, 두께가 두꺼워질 수 있고, 강도가 높아질 수 있다.
한편, 산화층(182)이 절연 물질을 포함하는 경우, 절연 물질은, 예를 들어 에폭시 수지일 수 있으며, 에폭시 수지는 UV 경화형 수지일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 전극 표면에의 화성피막 처리, 즉 산화처리를 통하여 산화층(182)을 형성할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 코팅층 형성 방법을 나타내는 방법을 나타내는 순서도이다.
도 4를 참조하면, 투명 전극 상에 구리 배선을 인쇄한다(S400). 여기서, 투명 전극은 도 3의 제1 전극층(130)의 일 예이고, 구리 배선은 도 3의 구리 배선 전극(180)의 일 예일 수 있다. 이때, 구리 배선은 선, 격자 형상 또는 메쉬 형상으로 형성될 수 있다.
다음으로, 구리 배선의 표면을 산화처리한다(S410). 구리 배선의 표면을 산화처리하기 위하여, NaOH 및 NaClO2 용액을 이용할 수 있다. 예를 들어, NaOH 용액 및 NaClO2 용액 각각의 농도를 330mL/L로 맞춘 후 혼합하고, 구리 배선을 이동시키며, 혼합한 용액을 75℃ 에서 소정의 압력으로 분사한다. 이후, 온도 30 내지 40℃의 수세액을 분사하여 수 차례 수세한 후, 건조시킨다.
구리 배선의 표면은 NaOH 및 NaClO2와 다음과 같은 원리로 반응할 수 있다.
혼합 용액과 Cu의 산화 및 환원 반응에 따라, 구리 배선의 표면에는 Cu2O 및 CuO 중 적어도 하나를 포함하는 산화층(182)이 형성될 수 있다. Cu2O는 흑갈색이고, CuO는 흑색이며, 이들은 침상 조작으로 기계적 강도 및 내열성이 우수하고 접착성 및 열충격에 강한 특성이 있으며, 시인성이 우수하고, 비표면적의 증가로 인해 전기 변색 속도가 빨라질 수 있다. 구리 배선의 표면을 산화처리하는 시간, 온도, NaOH 용액과 NaClO2 용액의 농도 등에 따라 Cu2O 및 CuO의 함량이 달라질 수 있다. 일반적으로, 구리 배선의 표면을 산화처리하는 시간이 길어지거나 온도가 높아질수록 CuO의 함량이 높아지며, 구리 배선의 내부로부터 구리 배선의 표면으로 갈수록 Cu2O의 함량이 낮아지며, CuO의 함량이 높아지게 된다.
도 5 는 0분, 3분, 4분 및 5분 동안 680nm 두께의 구리 배선의 표면을 도 4의 단계 S410에서 설명한 방법으로 산화처리한 후 촬영한 이미지로 구리 배선의 산화처리 시간에 따른 변화를 나타낸다.
도 5 를 참조하면, 산화처리한 시간이 길어질수록 구리 배선의 표면은 갈색, 흑갈색 및 흑색으로 변화하였다. 이로부터, 산화처리한 시간이 길어질수록 구리 배선의 표면에는 CuO의 함량이 높아짐을 알 수 있다. 이때, 구리 배선의 표면을 산화처리하여 Cu2O의 형태로 흑화되더라도, 구리 배선의 표면에 대한 전기 저항은 크게 변화하지 않는다. 본 발명의 실시 예에 따라 구리 배선의 표면을 산화처리하기 전 전기 저항은 1 내지 50 m/□의을 가질 수 있다. 구체적으로 20 내지 40 m/□의 범위를 가지며, 바람직하게는 29 내지 33 m/□의 범위를 가질 수 있다. 구리 배선의 표면을 산화처리한 후의 전기저항은 14 m/□ 내지 67 m/□의 범위를 가지며, 구체적으로 30 m/□ 내지 42 m/□의 범위를 가질 수 있다. 바람직하게는 32 m/□ 내지 37 m/□의 범위를 가질 수 있다. 예를 들어, 구리 배선의 표면을 산화처리하기 전과 도 4와 같이 산화처리한 후, 구리 배선의 표면에 대한 전기 저항을 측정하면 31m/□로부터 35 m/□까지 증가하였다. 이와 같이, 구리 배선의 표면을 산화처리하더라도, 전기 저항의 변화량은 15% 이내이므로, 변색 속도에 영향을 미치지 않음을 알 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 산화층은 다양하게 변형되어 형성될 수 있다.
도 6 내지 10 은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기변색소자의 일부의 단면도이다.
도 6 내지 10을 참조하면, 전기변색소자는 제1 전극(132), 금속 배선 전극(134), 산화층(136) 및 변색물질층(150)을 포함한다.
도 6 (a) 를 참조하면, 제 1 전극층(130)의 일부 상에 금속 배선 전극(180)이 배치되며, 금속 배선 전극(180) 상에는 산화층(182)이 배치될 수 있다. 이때, 산화층(182)은 제1 전극층(130)과 금속 배선 전극(180)이 접촉하는 면을 제외한 전면에배치될 수 있다. 그리고, 변색물질층(150)은 제 1 전극층(130) 상에 배치될 수 있다. 변색물질층(150)은 금속 배선 전극(180)의 산화층(182)과 측면에 인접하여, 산화층(182)의 두께보다 작게 배치될 수 있다. 이에 따라 산화층(182)의 상면 및 측면의 일부가 전해질층(170)으로 노출될 수 있다. 한편, 도 6 (b)를 참조하면, 변색 물질층(150)의 두께는 산화층(182)의 두께보다 높을 수도 있다. 이에 따라, 변색 물질층(150)은 산화층(182)을 모두 덮을 수 있다. 도7을 참조하면, 제1 전극층(130)의 일부 상에 금속 배선 전극(180)이 배치되며, 제1 전극층(130)의 나머지 일부 상에 변색물질층(150)이 배치되고, 산화층(182)은 금속 배선 전극(180)의 노출 영역, 즉 금속 배선 전극(180)이 전해질층(170)에 노출되는 영역에 배치될 수 있다. 이에 따라, 산화층(182)이 절연 물질을 포함하는 경우에도, 제1 전극층(130) 및 금속 배선전극(180)과 변색물질층(150) 간의 접촉 면적으로 인하여 빠른 반응 속도를 얻을 수 있다.
한편, 도 8을 참조하면, 산화층(182)은 금속 배선 전극(180)의 상면, 하면 및 양 측면에 모두 배치될 수도 있다. 이러한 경우, 제1 전극층(130)과 금속배선 전극(180) 사이에도 산화층(182)이 배치되므로, 전기변색소자의 시인성이 개선될 수 있다.
또는, 도 9을 참조하면, 산화층(182)은 금속 배선 전극 전극(180)의 상면에만 배치될 수도 있다. 금속 배선 전극(180)과 변색물질층(150)의 높이가 같거나, 금속 배선 전극(180)의 높이가 변색물질층(150)의 높이보다 작은 경우, 산화층(182)이 금속 배선 전극(182)의 상면에만 배치되더라도 충분한 패시베이션 효과를 얻을 수 있다.
또는, 도 10를 참조하면, 산화층(182)은 금속 배선전극(180)의 상면 및 하면에만 배치될 수도 있다. 이러한 구조는 금속 배선전극(180)과 변색물질층(150)의 높이가 같거나, 금속 배선전극(180)의 높이가 변색물질층(150)의 높이보다 작고, 시인성의 개선이 필요한 경우에 적용될 수 있다.
이하, 실시예 및 비교예를 이용하여 더욱 상세하게 설명하고자 한다.
실시예 및 비교예를 위하여, ITO 전극 상에 200㎛ 두께의 구리 배선을 형성한 후, 도 4의 단계 S410의 방법으로 산화처리를 수행하였다. 표 1은 실시예 및 비교예에 따른 전극층을 포함하는 전기변색소자의 광 투과율 및 변색속도를 나타낸다.
| 실험번호 | 선폭(㎛) | 선간격(mm) | 산화처리여부 | 착색시간(s) | 투과율(T%) | 변색속도(%/s) |
| 실시예 1 | 30 | 10 | O | 30 | 40~82 | 1.33 |
| 비교예 1 | 30 | 10 | X | 40 | 35~81 | 0.88 |
| 실시예 2 | 10 | 10 | O | 30 | 44~80 | 1.47 |
| 비교예 2 | 10 | 10 | X | 30 | 38~83 | 1.27 |
| 실시예 3 | 30 | 20 | O | 23 | 40~70 | 1.74 |
| 비교예 3 | 30 | 20 | X | 30 | 41~82 | 1.37 |
| 실시예 4 | 10 | 20 | O | 25 | 40~82 | 1.60 |
| 비교예 4 | 10 | 20 | X | 45 | 40~82 | 0.89 |
| 비교예 5 | 0 | 0 | X | 45 | 40~84 | 0.89 |
표 1을 참조하면, 구리 배선이 형성되지 않은 비교예 5와 구리 배선이 형성된 비교예 1 내지 4를 비교하면, 구리 배선이 형성된 비교예 1 내지 4의 변색 속도가 비교예 5에 비하여 유사하거나 높음을 알 수 있다. 또한, 구리 배선의 선폭 및 선간격을 동일하게 설정한 실시예 1과 비교예 1, 실시예 2와 비교예 2, 실시예 3과 비교예 3 및 실시예 4와 비교예 4를 각각 비교하면, 산화처리한 실시예 1 내지 4의 변색 속도가 산화처리하지 않은 비교예 1 내지 4의 변색속도보다 현저하게 빠름을 알 수 있다.
이상에서는 설명의 편의를 위하여 제1 기판(110) 상에 배치된 제1 전극층(130) 측에만 금속 배선 전극(180) 및 산화층(182)이 더 배치되는 것으로 예시되어 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 제2 기판(120)에 배치되는 제2 전극층(140) 측도 이와 동일한 구조를 가질 수 있다. 즉, 제2 기판(120)에 배치되는 제2 전극층(140) 측에도 금속배선 전극(200) 및 산화층(202)이 더 배치될 수 있다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기변색소자의 단면도이다.
도 11을 참조하면, 전기변색소자는 서로 대향하여 배치되는 제1 기판(110) 및 제2 기판(120), 제1 기판(110) 및 제2 기판(120) 사이에 서로 대향하여 배치되는 제1 전극층(130) 및 제2 전극층(140), 제1 전극층(130) 및 제2 전극층(140) 사이에 서로 대향하여 배치되는 제1 변색물질층(152) 및 제2 변색물질층(154), 그리고 전해질층(170)을 포함한다. 제1 전극층(130) 및 제2 전극층(140) 사이에는 실링재로 이루어진 댐(190)이 더 배치될 수 있다.
제1 전극층(130) 측 및 제2 전극층(140) 측에 각각 제1 변색물질층(152) 및 산화되는 제2 변색물질층(154)이 배치되는 경우, 제1 전극층(130) 및 제2 전극층(140)에는 모두 금속 배선 전극(180, 200) 및 산화층(182, 202)이 더 배치될 수 있다. 본 명세서에서, 제2 전극층(140) 측에 배치되는 금속 배선 전극(200)은 보조 전극이라 지칭될 수도 있다. 제2 전극층(140) 측에 배치되는 금속 배선 전극 및 산화층은 제1 전극층(130) 측에 배치되는 금속 배선 전극 및 산화층과 동일하므로, 중복되는 설명을 생략한다. 다만, 제1 전극층(130) 및 제2 전극층(140) 측에 모두 금속 배선 전극(180, 200) 및 산화층(182, 202)이 더 배치되는 경우, 제1 전극층(130) 측 및 제2 전극층(140) 측에 배치되는 금속 배선 전극(180, 200)은 평행하는 금속 배선 형상, 격자 형상 및 그물 형상으로 이루어진 그룹에서 선택되어 조합될 수 있다.
즉, 대향하여 배치되는 제 1전극층(130) 및 제 2 전극층(140)에 형성된 금속 배선 전극(180, 200)은 평행하는 배선 형상, 격자 형상 및 그물 형상으로 이루어진 그룹에서 선택되며, 양 측의 금속 배선 전극(180, 200)이 동일한 형상을 가지거나, 서로 다른 형상을 가질 수 있다.
또한, 제1 전극층(130) 측의 금속 배선 전극(180) 및 산화층(182)과 제2 전극층(140) 측의 금속 배선 전극(200) 및 산화층(202)은 동일한 방향으로 배치되거나, 서로 다른 방향으로 배치될 수 있다.
예를 들어, 제1 전극층(130) 측의 금속 배선 전극(180) 및 제2 전극층(140) 측의 금속 배선 전극(200)이 모두 평행하는 배선 형상인 경우, 도 12(a)에 도시한 바와 같이, 금속 배선 전극(180) 및 금속 배선 전극(200)은 선폭이 서로 겹치도록 배치될 수 있다. 또는, 도 12(b)에 도시된 바와 같이, 금속 배선 전극(180) 및 금속 배선 전극(200)은 선폭이 서로 교차하도록 배치될 수도 있다.
여기서, 제1 기판(110) 또는 제2 기판(120)의 투과도는 98%이상인 투명 기판일 수 있으며, 제1 기판(110) 또는 제2 기판(120) 위에 각각 배치된 제1 전극층(130) 또는 제2 전극층(140)이 투명 전극인 경우, 투명 기판 및 투명 전극의 투과도는 85%이상일 수 있다. 또한, 투명 기판, 투명 전극, 전해질층 및 이온 저장층을 포함하는 전기 변색 소자의 투과율(T %)은 75%이상일 수 있다.
한편, 제1 기판(110) 및 제2 기판(120)의 1면 내지 4면에는 접속 리드(미도시)가 연결될 수 있다.
접속 리드는 제 1 기판(110) 및 제 2 기판(120) 위에 배치되는 제 1 전극층(130), 제 2전극층(140), 금속 배선 전극(180), 금속 배선 전극(200) 등의 연장부에 연결되어 배치될 수 있다. 접속 리드는 금속 배선 전극(180) 및 금속 배선 전극(200)과 연결되어 전원을 인가할 수 있다. 전원을 인가한 경우 전기변색소자의 투과율(T%)은 10 내지 75 %의 범위를 가질 수 있으며, 변색이 완료된 전기변색소자의 투과율(T%)은 10%이하이나 이에 한정되지 않는다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 전기변색소자
110, 제1기판
120: 제2기판
130: 제1전극층
140: 제 2전극층
150: 변색물질층
160: 이온저장층
170: 전해질층
180: 금속 배선 전극
182: 산화층
190: 댐
110, 제1기판
120: 제2기판
130: 제1전극층
140: 제 2전극층
150: 변색물질층
160: 이온저장층
170: 전해질층
180: 금속 배선 전극
182: 산화층
190: 댐
Claims (24)
- 제1 기판,
상기 제1 기판 상에 배치되는 제1 전극층,
상기 제1 전극층 상에 배치되는 금속 배선 전극,
상기 제1 전극층 상에서 상기 금속 배선 전극의 측면의 일부와 직접 접촉하도록 배치되는 변색물질층,
상기 변색물질층 상에 배치되는 전해질층,
상기 전해질층 상에 배치되는 제2 전극층, 그리고
상기 제2 전극층 상에 배치되는 제2 기판을 포함하며,
상기 금속 배선 전극의 측면의 나머지 일부 및 상면에 배치되는 패시베이션층을 더 포함하고,
상기 패시베이션층은 에폭시 수지를 포함하며,
상기 패시베이션층의 밀도는 상기 제1 전극층의 밀도보다 큰 전기변색소자. - 제1항에 있어서,
상기 금속 배선 전극은 구리를 포함하는 전기변색소자. - 제2항에 있어서,
상기 금속 배선 전극의 한 면은 상기 제1 전극층과 접촉면을 이루는 전기변색소자. - 제2항에 있어서,
상기 금속 배선 전극은 상기 제1 전극층의 단위 면적 당 0.4 내지 10%의 면적을 차지하며, 복수의 선이 평행하게 배치되는 형상 또는 격자 형상으로 배치되는 전기변색소자. - 삭제
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 제1 기판과 상기 제2 기판 사이에 배치되는 댐(dam), 그리고
상기 제1 전극층과 제2 전극층의 사이에 배치되는 이온저장층
을 더 포함하는 전기변색소자. - 제 1 항에 있어서,
상기 제2 전극층에 배치되는 보조 전극, 그리고
상기 제2 전극층 상에서 상기 제2 전극층의 노출 영역을 커버하며 상기 보조 전극의 측면에 배치되는 제2 변색물질층
을 더 포함하는 전기변색소자. - 제1 기판,
상기 제1 기판 상에 배치되는 제1 전극층,
상기 제1 전극층 상에 배치되는 변색물질층,
상기 변색물질층 상에 배치되는 전해질층,
상기 전해질층 상에 배치되는 제2 전극층,
상기 제2 전극층 상에 배치되는 제2 기판,
상기 제1 기판과 상기 제2 기판 사이에 배치되는 댐(dam), 그리고
상기 댐의 내부에 배치되는 이온저장층을 포함하며,
상기 제1 전극층에는 금속 배선 전극이 더 배치되고, 상기 제2 전극층에는 보조 전극이 더 배치되며,
상기 변색물질층은 상기 금속 배선 전극의 측면의 일부와 직접 접촉하도록 배치되고,
상기 금속 배선 전극의 측면의 나머지 일부 및 상면에는 패시베이션층이 더 배치되며,
상기 패시베이션층은 에폭시 수지를 포함하고,
상기 패시베이션층의 밀도는 상기 제1 전극층의 밀도보다 크고,
상기 금속 배선 전극 및 상기 보조 전극은 각각 접속 리드와 연결되는 전기변색장치. - 삭제
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