KR102633570B1 - 텅스텐산화막을 이용한 전기변색미러 및 이를 포함하는 광모듈레이터 - Google Patents

텅스텐산화막을 이용한 전기변색미러 및 이를 포함하는 광모듈레이터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기변색미러 및 이를 포함하는 광모듈레이터에 관한 것으로, 더 상세하게는 전기 인가에 따른 광학상태 설계가 용이하며, 안정성을 향상시킬 수 있는 전기변색 및 이를 포함하는 광모듈레이터에 관한 것이다.
본 발명에 따른 전기변색미러는 제1전극복합체; 상기 제1전극에 이격 대향하는 제2전극복합체; 및 상기 제1전극복합체와 제2전극복합체 사이에 개재된 중간적층체;를 포함하며,
상기 중간적층체는 다공성 반사막 및 상기 다공성 반사막의 적어도 일면 상에 위치하며 변색이온을 전도하는 이온전도층을 포함하고, 상기 제1전극복합체는 제1 투명전극, 및 상기 제1 투명전극 상에 위치하고 상기 변색이온에 의해 환원 또는 산화될 시 변색하는 제1변색물질을 함유하는 제1전기변색층을 포함하고,
상기 제2전극복합체는 제2 투명전극, 및 상기 제2 투명전극 상에 위치하고 상기 제1전극복합체의 상기 제1변색물질과 동종 또는 이종의 제2변색물질을 함유하는 제2전기변색층을 포함하며,
상기 제1변색물질 및 상기 제2변색물질은 전이금속 산화물을 함유한다.

Description

텅스텐산화막을 이용한 전기변색미러 및 이를 포함하는 광모듈레이터 { Electrochromic mirror using tungsten oxide film and optical modulator including same}
본 발명은 텅스텐산화막을 이용한 전기변색미러 및 이를 포함하는 광모듈레이터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 설계 및 제조가 용이하며 작동 안정성이 향상된 전기변색 미러 및 이를 포함하는 광모듈레이터에 관한 것이다.
광모듈레이터(optical modulator)는 입사되는 광의 투과도, 진폭, 반사도 및 굴절률 등과 같은 상태를 변화시킬 수 있는 모든 장치를 일컫는 것으로, 좁게는 반사 혹은 투과되는 광의 상태를 전기적으로 조절가능한 광학 장치를 의미한다.
한편, 전기변색(Electrochromism)이란 전압을 인가하면 전계방향에 의해 가역적으로 색상이 변하는 현상으로서, 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.
전기변색소자는 전기변색을 이용한 광모듈레이터 중 하나로, 전기화학적 산화 환원 반응에 의하여 전기변색물질의 광투과도가 변하는 현상을 이용한 소자이다. 보통, 전기변색소자는 건축용 창유리나 자동차 미러의 광투과도 또는 반사도를 조절하는 용도로 이용되고 있으며, 최근에는 가시광선 영역에서의 색변화 뿐만 아니라 적외선 차단효과까지 있다는 것이 알려지면서 에너지 절약형 제품으로의 응용 가능성에 대해서도 큰 관심을 받고 있다.
특히, 전기변색미러(Electrochromic Mirror:ECM)는 광반사도를 전기적으로 조절하는 것으로, 주간이나 야간에 자동차 룸미러에 비추어지는 자동차의 강한 불빛을 자동으로 감지함과 동시에 룸미러의 변색에 의한 반사율의 변화를 통하여 운전자의 시야를 안정적으로 보호하는 룸미러용 미러에 적용되어 왔으며, 이에 대한 수요가 꾸준히 증가하고 있는 추세이다.
종래 전기변색미러는 도 1에 도시된 바와 같이, 입사되는 광 방향을 따라 제1전극-이온저장층-전해질-산화/환원변색층-반사판(-제2전극) 순으로 적층된 구조로, 투명한 제1전극을 통해 반사판으로 입사된 광은 반사판에 의해 다시 제1전극 측으로 반사된다. 즉, 입사광 및 반사광이 이온저장층과 산화/환원변색층을 통과한다.
이에, 전기변색미러의 변색 및 탈색 등의 광학상태를 설정 하기 위해서는 이온저장층 및 산화/환원변색층에 함유된 변색이온의 초기 이온농도가 매우 정교하게 설정되어야 함에 따라 전기변색미러의 설계 및 제조 자체가 어렵다. 또한, 외부환경에 의해 변색이온이 이탈되어 쉽게 광학상태가 변경됨에 따라, 사용시 요구하는 광학상태를 벗어나는 결함상태의 발생비율이 높아 안정성이 낮다.
(특허 문헌1) : 대한민국 등록특허공보 제10-1955163호
본 발명의 목적은 설계 및 제조가 용이하며 작동 안정성이 향상된 전기변색 미러 및 이를 포함하는 광모듈레이터를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 전기변색미러는 제1전극복합체; 상기 제1전극에 이격 대향하는 제2전극복합체; 및 상기 제1전극복합체와 제2전극복합체 사이에 개재된 중간적층체;를 포함하며, 상기 중간적층체는 다공성 반사막 및 상기 다공성 반사막의 적어도 일면 상에 위치하며 변색이온을 전도하는 이온전도층을 포함하고, 상기 제1전극복합체는 제1 투명전극, 및 상기 제1 투명전극 상에 위치하고 상기 변색이온에 의해 환원 또는 산화될 시 변색하는 제1변색물질을 함유하는 제1전기변색층을 포함하고, 상기 제2전극복합체는 제2 투명전극, 및 상기 제2 투명전극 상에 위치하고 상기 제1전극복합체의 상기 제1변색물질과 동종 또는 이종의 제2변색물질을 함유하는 제2전기변색층을 포함하며, 상기 제1변색물질 및 상기 제2변색물질은 전이금속 산화물을 함유한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기변색미러에 있어서, 상기 다공성 반사막은 상기 다공성 반사막의 두께방향으로 관통되어 상기 변색이온이 통과할 수 있는 복수개의 핀홀을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기변색미러에 있어서, 상기 다공성 반사막은 기공율이 10 내지 40%일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기변색미러에 있어서, 상기 다공성 반사막의 두께는 10 내지 500㎚일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기변색미러에 있어서, 상기 다공성 반사막은 상기 핀홀이 형성되지 않은 영역의 표면 거칠기가 RMS(Root means square) 값 10 nm 이하일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기변색미러에 있어서, 상기 다공성 반사막은 632㎚의 파장의 레이저 2mW 조사 시, 레이저 투과도가 0.001 내지 0.5%일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기변색미러에 있어서, 상기 다공성 반사막은 Cu, Au, Ag, Ni, Al, Cr, Ru, Re, Pb, Pd, Sn, In 및 Zn으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 또는 둘 상의 금속 또는 이들의 금속을 함유하는 합금을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기변색미러에 있어서, 상기 제1변색물질과 상기 제2변색물질은 동일한 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기변색미러에 있어서, 상기 제1변색물질 및 제2변색물질은 텅스텐산화물일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기변색미러에 있어서, 상기 이온전도층은 SiO2, Al2O3, Nb2O3, Ta2O5, LiTaO3, LiNbO3, SiO2, La2TiO7, SrZrO3, ZrO2, Y2O3, Nb2O5, HfO2, 및 LaTiO3 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전기변색미러에 있어서, 상기 변색이온은 수소 이온 및 알칼리 금속 이온일 수 있다.
본 발명에 따른 광모듈레이터는 상술한 전기변색미러; 및 상기 전기변색미러의 제1전극복합체 및 제2전극복합체와 전기적으로 연결되어 전원을 공급하는 전원부;를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광모듈레이터에 있어서, 상기 전원부에 의한 전원 공급에 따라, 완전 탈색된 광모듈레이터가 완전 착색 시 걸리는 시간이 5초 이하일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광모듈레이터에 있어서, 상기 전원부에 의한 전원 공급에 따라, 완전 착색된 광모듈레이터가 완전 탈색 시 걸리는 시간이 1초 이하일 수 있다.
본 발명에 따른 광모듈레이터 작동방법은 전기변색미러; 및 상기 전기변색미러의 제1전극복합체 및 제2전극복합체와 전기적으로 연결되어 전원을 공급하는 전원부;를 포함하는, 광모듈레이터의 작동방법으로,
상기 전원부에 의해 제1전원이 공급되어 상기 제1전기변색층으로부터 변색이온이 탈락되어 상기 제2전기변색층에 도핑되는 제1광학모드; 및 상기 전원부에 의해 상기 제1전원과 반대방향의 제2전원이 공급되어 상기 제2전기변색층으로부터 변색이온이 탈락되어 상기 제2전기변색층이 도핑되는 제2광학모드;를 포함하고, 상기 제1광학모드 및 상기 제2광학모드는 선택적으로 이루어진다.
본 발명에 따른 전기변색미러는 반사막이 제1 및 제2 전기변색층 사이에 위치한 구조로, 입사광 및 반사광이 하나의 변색물질층을 통과함에 따라 각 변색물질층의 초기 이온농도 설계가 용이하여, 설계 및 제조가 용이하다.
또한 본 발명에 따른 전기변색미러는 변색물질이 전이금속산화물을 포함함에 따라, 변색이온 이탈에 의한 결함상태 발생을 방지하여 작동 안정성을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 광모듈레이터는 상기 전기변색미러를 포함하여 더욱 안정적인 작동이 가능하며, 작동 속도가 향상될 수 있다.
도 1은 종래, 전기변색미러를 포함하는 광모듈레이터의 단면 모식도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기변색미러를 포함하는 광모듈레이터를 도시한 단면의 모식도,
도 3은 도 2에 도시된 광모듈레이터의 다공성 반사막 레이저 투과도 실험결과이다.
본 명세서에서 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 단수 형태는 문맥에서 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 의도할 수 있다.
또한, 본 명세서에서 특별한 언급 없이 사용된 단위는 중량을 기준으로 하며, 일 예로 % 또는 비의 단위는 중량% 또는 중량비를 의미하고, 중량%는 달리 정의되지 않는 한 전체 조성물 중 어느 하나의 성분이 조성물 내에서 차지하는 중량%를 의미한다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 수치 범위는 하한치와 상한치와 그 범위 내에서의 모든 값, 정의되는 범위의 형태와 폭에서 논리적으로 유도되는 증분, 이중 한정된 모든 값 및 서로 다른 형태로 한정된 수치 범위의 상한 및 하한의 모든 가능한 조합을 포함한다. 본 발명의 명세서에서 특별한 정의가 없는 한 실험 오차 또는 값의 반올림으로 인해 발생할 가능성이 있는 수치범위 외의 값 역시 정의된 수치범위에 포함된다.
본 명세서의 용어, '포함한다'는 '구비한다', '함유한다', '가진다' 또는 '특징으로 한다' 등의 표현과 등가의 의미를 가지는 개방형 기재이며, 추가로 열거되어 있지 않은 요소, 재료 또는 공정을 배제하지 않는다.
본 명세서의 용어, ‘광학상태’는 광과 관련된 특성을 포괄하는 의미로, 변색(color), 탈색(bleach), 반사도, 굴절률, 투과도, 칼라이피션시(color efficeiency), 흡광도(optical density) 및 색지수에서 하나 이상 선택된 물성의 상태를 의미한다.
본 명세서의 용어, ‘전원’은 전류, 전압 등을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 전기변색미러는 제1전극복합체; 상기 제1전극에 이격 대향하는 제2전극복합체; 및 제1전극복합체와 제2전극복합체 사이에 개재된 중간적층체;를 포함하며, 중간적층체는 다공성 반사막 및 상기 다공성 반사막의 적어도 일면 상에 위치하며 변색이온을 전도하는 이온전도층을 포함하고, 제1전극복합체는 제1 투명전극, 및 상기 제1 투명전극 상에 위치하고 상기 변색이온에 의해 환원 또는 산화될 시 변색하는 제1변색물질을 함유하는 제1전기변색층을 포함하고, 제2전극복합체는 제2 투명전극, 및 제2 투명전극 상에 위치하고 제1전극복합체의 제1변색물질과 동종 또는 이종의 제2변색물질을 함유하는 제2전기변색층을 포함하며, 제1변색물질 및 상기 제2변색물질은 전이금속 산화물을 함유하는 것을 특징으로 한다.
도 1은 종래 전기변색미러(10)를 포함하는 광모듈레이터(1)가 도시되어 있으며, 종래 전기변색미러(10)는 도 1에 도시된 바와 같이, 입사되는 광 방향을 따라 제1전극(11)-이온저장층(13)-전해질(15)-산화/환원변색층(17)-반사판(19)(-제2전극) 순으로 적층된 구조이다. 이와 같은 종래 전기변색미러(10)는, 산화 또는 환원에 따라 투과도가 달라지는 이온저장층(13) 및 산화 또는 환원에 따라 탈색 또는 착색되는 변색물질을 함유하는 산화/환원변색층(17)을 통해 광학상태 효과를 얻을 수 있는 것으로, 투명한 제1전극(11)을 통해 반사판으로 입사된 광은 반사판(19)에 의해 다시 제1전극(11) 측으로 반사된다.
구체적으로, 종래 전기변색미러(10)의 산화/환원변색층(17)이 환원 시 착색되는 환원변색층(17)일 시, 환원변색층(17)에 H+ 또는 Li+등과 같은 변색이온 도핑되면 환원변색층(17)이 착색되어 투과도가 낮아지고, 환원변색층(17)에 변색이온이 탈착되면 환원변색층(17)이 탈색되어 투과도가 높아진다. 이때, 이온저장층(13)은 비교적 투명한 물질이나 환원 시 투과도가 더욱 높아지는 것으로, 이온저장층(13)에 변색이온이 도핑되면 투과도가 높아지고, 이온저장층(13)에 변색이온이 탈착되면 변색이온 도핑 시보다 투과도가 낮아진다.
이하, 도 1을 참조하여, 종래 광모듈레이터(1)의 광학상태 변경에 따른 작동에 대해 상세히 설명한다. 도 1a는 반사판(19)에 의한 광학상태, 즉, 반사판 고유의 반사도를 그대로 얻고자 하는 제1광학모드에 따른 광모듈레이터(1)가 도시되어 있다. 도 1a를 참조하면, 제1광학모드 시, 제1전극(11) 및 제2전극(19)(반사판)에 전원이 인가되면, 환원변색층(17)의 변색이온이 탈락되어 전해질(15)을 통해 이온저장층(13)으로 이동함에 따라 환원변색층(17) 및 이온저장층(13)이 투명하게 되어 반사판(19)에 의한 반사도를 그대로 반영할 수 있다.
이와 달리, 도 1b는 변색을 통해 반사판에 의한 반사도를 줄이고자 하는 제2광학모드에 따른 광모듈레이터(1)가 도시되어 있다. 도 2b를 참조하면, 제2광학모드 시, 제1광학모드 시와 반대방향의 전원이 인가되면, 이온저장층(13)의 변색이온(H+)이 탈락되어 전해질을 통해 환원변색층(17)으로 이동함에 따라, 환원변색층(17)이 변색되고, 이온저장층(13)의 투과도가 저하되어 입사된 광이 그대로 반사되지 못하여, 반사도가 저하될 수 있다.
이처럼, 종래 전기변색미러(10)는 즉, 입사광 및 반사광이 이온저장층(13)과 환원변색층(17)을 통과해야 전기변색에 의한 탈색, 착색 및 투과도 등과 같은 광학상태 조절 효과를 얻을 수 있다.
이에, 종래 전기변색미러(10)는 광학상태를 설정하기 위해서는 이온저장층(13) 및 환원변색층(17)간 변색이온의 초기 이온농도가 매우 정교하게 설정되어야 함에 따라 설계 및 제조 자체가 어렵다는 문제점이 있다. 또한, 햇빛 및 수분 등과 같은 외부인자에 의해 변색물질로부터 쉽게 변색이온이 탈락되어 초기 광학상태에서 벗어나는 결함상태의 발생비율이 높아, 광학상태 작동에 있어 안정성이 낮다는 단점이 있다.
그러나 본 발명의 전기변색미러는 반사막이 변색물질을 함유하는 제1 및 제2전기변색층 사이에 위치한 구조로, 입사광 및 반사광이 하나의 전기변색층을 통과하여도 광학상태 효과를 얻을 수 있다. 이에, 각 전기변색층 간의 초기 이온농도 설계가 용이하여, 초기 광학상태 설계 및 조절이 쉽다. 또한, 변색물질이 전이금속 산화물을 함유함에 따라 초기 광학상태에서 벗어나는 결함상태의 발생비율이 낮아 안정성이 높다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 전기변색미러에 대해 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기변색미러(100)를 포함하는 광모듈레이터(2)가 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 전기변색미러(100)는 제1전극복합체(20)-중간적층체(30)-제2전극복합체(40) 순으로 적층된 층상구조로, 중간적층체(30)는 다공성 반사막(31) 및 다공성 반사막(31)의 적어도 일면 상에 위치하며 변색이온을 전도하는 이온전도층(33)을 포함한다. 또한, 제1전극복합체(20)는 제1투명전극(21), 및 제1투명전극(21) 상에 위치하며 제1변색물질을 함유하는 제1전기변색층(23)을 포함하고, 제2전극복합체(40)는 제2투명전극(41), 및 제2투명전극(41) 상에 위치하며 제2변색물질을 함유하는 제2전기변색층(43)을 포함한다.
이와 같은 구조의 전기변색미러(100)는 상술한 바와 같이 다공성 반사막(31)이 제1전기변색층(23)과 제2전기변색층(43) 사이에 위치함에 따라, 입사광 및 반사광이 하나의 전기변색층만을 통과하여도 광학상태 조절 효과를 얻을 수 있다.
구체적으로, 전기변색미러(100)는 제1 및 제2변색물질을 각각 함유하는 제1전기변색층(23) 및 제2전기변색층(43) 사이에 다공성 반사막(31)이 위치한 구조라면 한정되지 않는다. 일 예로, 도 2에 도시된 바와 같이, 입사되는 광방향을 따라 “제1투명전극(21)-제1전기변색층(23)-다공성 반사막(31)-이온전도층(33)-제2전기변색층(43)-제2투명전극(41)” 순으로 적층된 것일 수 있다. 이와 같은 광모듈레이터는 이온전도층(33)의 투과도를 고려할 필요가 없어 더욱 더 초기 광학상태 조절이 용이할 수 있다.
또한, 전기변색미러(100)는 도 2에 있어서, 입사되는 광방향과 반대방향으로 입사되는 광방향을 따라 적층된 구조인, “제2투명전극(41)-제2전기변색층(43)-이온전도층(33)-다공성 반사막(31)-제1전기변색층(23)-제1투명전극(21)” 순으로 적층된 구조일 수 있다. 즉, 전기변색미러(100)는 양방향으로 모두 광학상태 효과를 얻을 수 있으며, 이에, 스마트형 창문 등 다양한 전기변색소자 분야에서 적용이 가능할 수 있다.
이와 달리, 전기변색미러(100)는 이온전도층이 다공성 반사막의 상하면에 접하도록 위치하여, “제1투명전극(21)-제2전기변색층(23)-제1이온전도층(미도시)-다공성반사막(31)-제2이온전도층(33)-제2전기변색층(43)-제2투명전극(41)” 순으로 적층된 구조일 수 있으며, 필요에 따라 다양한 구조로 구비될 수 있다.
이하, 도 2를 참조하여, 본 발명의 전기변색미러(100)의 작동에 대해 상세히 설명한다.
구체적으로, 도 2a는 다공성 반사막(31)의 고유 반사도에 의한 반사도를 반영할 수 있는 광학상태 즉, 제1광학모드에 따른 전기변색미러(100)가 도시되어 있으며, 도 2b는 전기변색을 이용하여 반사도를 저하 시킬 수 있는 제2광학모드에 따른 전기변색미러(100)가 도시되어 있다.
도 2a를 참조하면, 제1광학모드 시, 제1투명전극(21) 및 제2투명전극(41)에 제1전원이 인가되면, 제1변색물질에 의해 제1전기변색층(23)에 도핑된 변색이온이 탈락되어 다공성 반사막(31) 및 이온전도층(33)을 통해 제2전기변색층(43)으로 이동되고, 제2변색물질에 의해 제2전기변색층(43)에 변색이온이 도핑될 수 있다. 이에, 제1전기변색층(23)이 투명해져 다공성 반사막(31)에 의한 반사도를 그대로 반영할 수 있다.
이와 달리, 도 2b를 참조하면, 제2광학모드 시, 제1광학모드 시와 달리 제1전원과 반대 방향의 제2전원이 인가되면, 제2변색물질에 의해 제2전기변색층(43)에 도핑된 변색이온이 탈락되어 다공성 반사막(31) 및 이온전도층(33)을 통해 제1전기변색층(23)으로 이동되고, 제1변색물질에 의해 제1전기변색층(23)에 변색이온이 도핑될 수 있다. 이에, 제1전기변색층(23)이 착색되어 투과도가 저하되며, 입사된 광이 그대로 반사되지 못하여, 반사도가 저하될 수 있다.
이하, 각 층들에 대해 구체적으로 설명한다.
제1전극복합체(20)는 제1투명전극(21) 및 제1투명전극(21) 상에 위치하며, 제1변색물질을 함유하는 제1전기변색층(12)을 포함하는 것이며, 제2전극복합체(40)는 제2투명전극(41) 상에 제2변색물질을 함유하는 제2전기변색층(43)을 포함한다.
제1투명전극(21) 및 제2투명전극(41)은 판 상의 구조의 전도성을 가지는 소재로, 제1투명전극(21) 및 제2투명전극(41) 중 입사광 및 반사광이 통과하는 어느 하나의 전극은 높은 투과도를 광투과성 소재이되, 입사광 및 반사광이 통과하지 않는 제2투명전극(41)은 광학적으로 투명할 필요가 없어 낮은 투과도 가지거나 불투명한 소재일 수 있으나, 바람직하게는 제1투명전극(21) 및 제2투명전극(41) 동일한 광투과성 소재로 구비될 수 있다. 제1투명전극(21) 및 제2투명전극(41)이 동일한 광투과성 소재로 구비됨에 따라, 각 전극의 전원 인가 방향이 바뀌더라도 일정한 전원을 인가할 수 있다.
광투과성 소재는 전도성을 가지는 광투과성 소재라면 한정되지 않으나, 구체적으로, 틴옥사이드(tin oxide: SnO2), 안티모니 틴옥사이드(antimony tin oxide: ATO), 플루오로 틴 옥사이드(fluoro tinoxide: FTO), 아연 산화물(ZnO), 알루미늄징크옥사이드(aluminum zinc oxide, AZO), 아연갈륨산화물(GZO, Gallium Zinc Oxide), BZO(Boron Zinc Oxide), SZO(SiO₂-ZnO), 인듐 산화물(In2O3), 인듐주석산화물(ITO, Indium Tin Oxide), 및 인듐아연산화물(IZO, Indium Zinc Oxide)으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있다.
제1투명전극(21) 및 제2투명전극(41)의 두께는 판상 구조를 유지할 수 있는 두께라면 한정되지 않으나, 제1투명전극(21) 및 제2투명전극(41)의 비저항이 3x10-4 Ωcm 일 시를 기준으로, 제1투명전극(21) 및 제2투명전극(41)의 두께는 100∼800nm, 구체적으로 150 내지 500 nm일 수 있다.
제1투명전극(21) 및 제2투명전극(41) 상에 각각 위치하는 제1전기변색층(23)과 제2전기변색층(43)은 각각 제1변색물질 및 제2변색물질을 함유하는 것으로, 제1변색물질과 제2변색물질은 전이금속 산화물을 함유하는 것일 수 있다. 이때, 제1변색물질과 제2변색물질은 동종 또는 이종일 수 있다.
이와 같은 제1전극복합체(20) 및 제2전극복합체(40)는 전이금속 산화물을 함유하는 제1변색물질 및 제2변색물질을 함유함에 따라, 전원인가 외의 외부자극에 의해 쉽게 변색이온의 이탈이 일어나지 않는다.
특히, 제1변색물질 및 제2변색물질이 동일한 것이 바람직하다. 제1변색물질 및 제2변색물질이 동일할 경우, 이를 각각 포함하는 제1전기변색층(23)과 제2전기변색층(43) 간에 동일한 변색물질을 동일한 양으로 위치시키는 것 만으로, 제1전기변색층(23)과 제2전기변색층(43)을 오가는 변색이온의 초기 이온농도 설정을 정밀하게 할 수 있다. 이에, 광변색미러(100)의 설계 및 제조가 매우 용이해질 수 있다.
구체적으로, 전이금속 산화물은 4족 내지 10족의 전이금속의 산화물일 수 있으며, 더욱 구체적으로 텅스텐, 이리듐, 니켈, 바나듐, 몰리브덴, 망간, 티타튬, 세륨 및 니오븀으로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상의 금속의 산화물일 수 있다. 이때 산화물은 수화물 상태를 포함할 수 있다.
더욱 유리하게, 제1변색물질 및 제2변색물질은 텅스텐산화물(WOx), 텅스텐산화물의 수화물, 또는 이들의 혼합물일 수 있다. 텅스텐산화물은 전기 에너지에 의한 탈색이온의 착탈 속도가 높아, 광학상태 변경속도가 높을 수 있다. 또한, 가격 경쟁에 있어서도 우위에 있어, 경제성이 높아 산업상 이용 가능성이 더욱 높을 수 있다.
텅스텐산화물은 산화 개질정도에 따라 WO1 내지 WO5, 구체적으로, WO2 내지 WO4, 더욱 구체적으로 삼산화텅스텐(WO3)이 선택될 수 있다. 특히, 제1변색물질 및 제2변색물질이 삼산화텅스텐일 경우, 종래 광변색미러의 변색물질로 사용되는 이산화이리듐(IrO2) 또는 이산화이리듐(IrO2)과 오산화탄탈럼(Ta2O5)의 화합물과 달리 자외선에 의해 쉽게 분해되지 않고, 수분에 강함에 따라, 햇빛 및 수분 등과 같은 외부환경에 의해 변색이온이 쉽게 이탈되는 것을 방지하여, 더욱 안정적인 광학상태 작동이 가능하다. 텅스텐산화물의 구체 물질에 있어, 화학양론비에 따른 텅스텐산화물을 구체예로 제시하였으나, 이때, 텅스텐산화물이 화학양론비를 벗어나 산소 부족상태일 수 있음은 물론이며, 화학양론비에 따른 텅스텐 1몰당 산소의 몰수를 n이라 할때, 산소 부족 상태의 산소 몰수는 0.80n이상 내지 1.00n 미만, 0.90 내지 0.99n 수준일 수 있다. 실질적인 일 예로, 구체 텅스텐산화물이 WO3일 때, WO3는 WO3-x(0<x≤0.6)의 산소부족상태를 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
제1전기변색층(23) 및 제2전기변색층(43)은, 두께를 특별히 한정하지 않으나, 비한정적인 예로, 제1전기변색층(23) 및 제2전기변색층(43)의 두께는 50∼700nm일 수 있다.
중간적층체(30)는 상술한 제1전극복합체(20)와 제2전극복합체(40) 사이에 개재된 것으로, 다공성 반사막(31) 및 다공성 반사막(31)의 적어도 일면 상에 위치하며 변색이온을 전도하는 이온전도층(33)을 포함한다.
변색이온은 다공성 반사막(31)을 통과하고, 이온전도층(33)에서 전도되어 제1전기변색층(23)과 제2전기변색층(43)을 오갈 수 있다. 구체적으로, 변색이온은 제1전기변색층(23) 및 제2전기변색층(43)에 도핑될 시 제1변색물질 및 제2변색물질을 착색 또는 탈색시킬 수 있는 것이라면 한정되지 않는다. 구체적으로, 변색이온은 수소 이온 또는 알칼리 금속 이온이거나 수소 이온 및 알칼리 금속 이온 모두 일 수 있다. 알칼리 금속 이온은 나트륨 이온 및 칼륨 이온에서 선택되는 하나 또는 둘 이상의 이온일 수 있다. 이와 같은 변색이온은 전원인가에 따라 상술한 제1변색물질 및 제2변색물질로부터 탈착 속도가 빨라 광변색미러의 광학상태 변경 속도, 즉, 작동속도를 높일 수 있다. 특히, 제1변색물질 및 제2변색물질이 동일한 텅스텐산화물일 경우, 이와 같은 변색이온을 포함할 시, 전기변색미러의 작동속도를 극대화시킬 수 있다.
다공성 반사막(31)은 광이 입사될 시 높은 광 반사도를 가지는 금속이 다공성의 막 구조로 구비된 것으로, 금속에 의해 가시광 영역에서 높은 반사도를 가질 수 있다. 구체적으로, 다공성 반사막(31)은 가시광 영역에서 높은 반사도를 가지는 금속이라면 한정되지 않으나, Cu, Au, Ag, Ni, Al, Cr, Ru, Re, Pb, Sn, In 및 Zn으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 어느 하나 또는 둘이상의 금속 또는 이들의 금속을 함유하는 합금을 포함할 수 있다.
또한, 다공성 반사막(31)은 변색이온이 통과할 수 있는 다공질 구조라면 한정되지 않으며, 바람직하게는, 다공성 반사막(31)의 두께방향으로 관통되어 변색이온이 통과할 수 있는 복수개의 핀홀(미도시)이 형성된 것일 수 있다.
핀홀은 내부에 이온전도가 가능한 이온전도성 물질이 충진되어 변색이온이 다공성 반사막(31)을 통과할 수 있는 통로로서 사용될 수 있다. 이온전도성 물질은 이온전도가 가능한 것이라면 한정되지 않으나, 후술할 이온전도층(33)을 이루는 물질 및 변색물질 중 선택된 어느 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있다.
핀홀은 다공성 반사막(31)을 두께방향으로 관통하여 형성됨에 따라 변색이온이 다공성 반사막을 최단 거리로 통과할 수 있는 통로를 제공할 수 있다. 이에 더욱 원활한 변색이온의 통과가 가능할 수 있다.
핀홀의 크기는 변색이온의 통과가 가능하고, 상술한 이온전도성 물질이 충진될 수 있는 크기라면 한정되지 않으나, 바람직하게 핀홀의 직경이 50 nm 내지 200 μm, 더욱 바람직하게 100 nm 내지 100 μm 인 것이 변색이온의 원활한 통과에 있어서 유리하다.
이와 같은 핀홀에 의해 다공성으로 구비되는 다공성 반사막(31)은 기공율이 5 내지 50% 구체적으로, 10 내지 40%, 더욱 구체적으로 15 내지 30%인 것이 높은 반사도를 갖되 변색이온의 원활한 통과가 가능할 수 있다.
다공성 반사막(31)은 핀홀이 형성되지 않은 영역의 표면 거칠기가 RMS(Root means square) 값 10 nm 이하, 구체적으로 6 nm 이하, 더욱 구체적으로 1 내지 5 nm 인 것이 바람직하다. 상기 범위에서 표면 거칠기에 의한 굴절에 의해 육안에 인식되는 상의 흔들림 방지하고, 금속 특유의 높은 광 반사도를 유지할 수 있다.
다공성 반사막(31)은 가시광 영역의 광에 대해 반사도가 높으나, 다수의 핀홀이 형성되어 있어, 적외선 영역의 광에 대해 일정한 투과도를 가질 수 있다. 구체적으로, 다공성 반사막(31)은 632㎚의 파장의 레이저 2mW 조사 시, 레이저 투과도가 0.001 내지 0.5% 구체적으로, 0.05 내지 0.3%일 수 있다. 상기 범위에서 상술한 적절한 기공율을 가짐에 따라, 높은 반사도를 갖되 변색이온의 원활한 통과가 가능할 수 있다.
다공성 반사막(31)의 두께는 가시광 영역에서 95%이상의 반사도를 가지는 것이라면 한정되지 않으며, 구체적으로 10 내지 500㎚, 더욱 구체적으로 50 내지 200㎚일 수 있다. 상기 범위에서 두께 대비 높은 반사도를 유지할 수 있다.
다공성 반사막(31)의 적어도 일면에 접하여 위치하는 이온전도층(33)은 상술한 바와 같이 변색이온을 전도한다. 구체적으로, 이온전도층(33)은 이온의 이동통로로, 이온을 전달하는 역할을 할 수 있고, 전자이동을 차단할 수 있다. 구체적으로, 이온전도층(33)은 전자의 이동을 금지하되, 이온의 이동은 가능할 수 있도록 SiO2, Al2O3, Nb2O3, Ta2O5, LiTaO3, LiNbO3, SiO2, La2TiO7, SrZrO3, ZrO2, Y2O3, Nb2O5, HfO2, 및 LaTiO3 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광모듈레이터(2)가 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 광모듈레이터(2)는 상술한 전기변색미러(100) 및 전기변색미러(100)의 제1전극복합체(20) 및 제2전극복합체(40)와 전기적으로 연결되어 전원을 공급하는 전원부(200);를 포함한다. 이와 같은 광모듈레이터(2)는 전원부(200)에 의해 전원을 공급받는 경우, 광학상태가 변경될 수 있다. 일 예로, 전원부(200)에 의해 전원이 공급됨에 따라 전기변색미러(100)가 착색 또는 탈색될 수 있으며, 빛에 대한 투과도, 반사도 및 흡수도가 변경될 수 있다. 이와 같은 광모듈레이터(2)는 광투과도 또는 광반사도를 조절할 필요가 있는 차량룸미러, 사이드미러 또는 스마트윈도우에 이용될 수 있다.
구체적으로, 전원부(200)는 제1투명전극(21) 및 제2투명전극(41)과 전기적으로 연결되어 전류 또는 전압 등의 전원을 공급하는 것으로, 이와 같은 전원부(200)에 의해 전원이 공급됨에 따라 광모듈레이터(2)의 광학상태가 변경될 수 있다.
광모듈레이터(2)는 전기변색미러(100)가 전이금속산화물을 포함함에 따라, 변색이온 이탈에 의한 결함상태 발생을 방지하여 작동 안정성을 향상시킬 수 있으며, 우수한 작동속도를 나타낸다.
상세하게, 광모듈레이터(2)는 전원부(200)의 전원 공급에 따라, 완전 탈색된 전기변색미러(100)가 완전 착색 시 걸리는 시간이 7초 이하, 구체적으로, 5초 이하, 더욱 구체적으로 3초 이하로, 매우 빠른 착색속도를 가진다.
또한, 광모듈레이터(2)는 전원부(200)의 전원 공급에 따라, 완전 착색된 전기변색미러(100)가 완전 탈색 시 걸리는 시간이 3초 이하, 구체적으로, 1초 이하, 더욱 구체적으로, 0.8초 이하로, 매우 우수한 탈색속도를 가진다.
본 발명에 따른 광모듈레이터 작동방법은 상술한 전기변색미러 및 전기변색미러의 제1전극복합체 및 제2전극복합체와 전기적으로 연결되어 전원을 공급하는 전원부;를 포함하는, 전기변색장치의 작동방법으로, 전원부에 의해 제1전원이 공급되어 제1전기변색층로부터 변색이온이 탈락되어 제2전기변색층에 변색이온이 도핑되는 제1광학모드; 및 전원부에 의해 상기 제1전원과 반대방향의 제2전원이 공급되어 상기 제2전기변색층으로부터 변색이온이 탈락되어 제1전기변색층에 변색이온이 도핑되는 제2광학모드;를 포함하고, 제1광학모드 및 상기 제2광학모드는 선택적으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
구체적으로, 제1광학모드 및 제2광학모드는 광학상태를 의미하는 것으로, 요구되는 광학상태에 따라 적절히 조절될 수 있다. 비한정적인 일 예로, 제1광학모드가 탈색일 경우, 제2광학모드는 착색인 광학상태를 의미할 수 있다.
이하, 도 2를 참조하여 본 발명에 따른 전기변색 장치 작동방법에 대해 상세히 설명한다. 구체적으로, 도 2a는 제1광학모드에 따른 광모듈레이터(2), 도 2b는 제2광학모드에 따른 광모듈레이터(2)가 도시되어 있는 것으로, 제1광학모드는 제1전기변색층(23)이 탈색되어 다공성 반사막(31)의 고유 반사도를 유지하는 상태이며, 제2광학모드는 제1전기변색층(23)이 착색되어 반사도가 저하된 상태이다.
구체적으로, 도 2a에 도시된 바와 같이, 제1광학모드 시에는 제1투명전극(21) 및 제2투명전극(41)에 제1전원이 인가되고, 제1변색물질에 의해 제1전기변색층(23)에 도핑된 변색이온이 탈락되어 다공성 반사막(31) 및 이온전도층(33)을 통해 제2전기변색층(43)으로 이동되며, 제2변색물질에 의해 제2전기변색층(43)에 변색이온이 도핑된다. 이에, 제1전기변색층(23)이 투명해짐에 따라, 제1투명전극(21) 측에서 다공성 반사막 측으로 입사된 광은 높은 반사도로 광을 반사하며, 다공성 반사막(31)에 의한 반사도를 그대로 반영할 수 있다.
이와 달리, 도 2b에 도시된 바와 같이, 제2광학모드 시에는, 제1투명전극(21) 및 제2투명전극(41)에 제1전원과 반대방향의 제2전원이 인가되고, 제2변색물질에 의해 제2전기변색층(43)에 도핑된 변색이온이 탈락되어 이온전도층(33) 및 다공성 반사막(31)을 통해 제1전기변색층(23)으로 이동되며, 제1변색물질에 의해 제1전기변색층(23)에 변색이온이 도핑된다. 이에, 제1전기변색층(23)이 착색됨에 따라, 제1투명전극(21) 측에서 다공성 반사막(31) 측으로 입사된 광이 그대로 반사되지 못하여, 반사도가 저하될 수 있다.
(제조예)_다공성 반사막 레이저 투과도 조사
투명 아크릴기판(광 투과도≥99%, 2X2㎝) 상에 130㎚ 두께의 Ag 박막을 증착시켜 다공성 반사막이 형성된 반사판을 제조하였다.
제조한 반사판에 레이저 포인터를 통해 632㎚의 파장의 레이저 2mW를 조사하였으며, 투과되는 레이저 파워를 포토다이오드를 통해 측정하여 도 3에 결과를 도시하였다.
도 3을 참조하면, 투과된 레이저 파워는 1.234㎼임을 확인할 수 있었다.
이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
2 : 광모듈레이터 20 : 제1전극복합체
21 : 제1투명전극 23 : 제1전기변색층
30 : 중간적층체 31 : 다공성 반사막
33 : 이온전도층 40 : 제2전극복합체
41 : 제2투명전극 43 : 제2전기변색층

Claims (15)

  1. 제1전극복합체; 상기 제1전극에 이격 대향하는 제2전극복합체; 및
    상기 제1전극복합체와 제2전극복합체 사이에 개재된 중간적층체;를 포함하며,
    상기 중간적층체는 다공성 반사막 및 상기 다공성 반사막의 적어도 일면 상에 위치하며 변색이온을 전도하는 이온전도층을 포함하고,
    상기 제1전극복합체는 제1 투명전극, 및 상기 제1 투명전극 상에 위치하고 상기 변색이온에 의해 환원 또는 산화될 시 변색하는 제1변색물질을 함유하는 제1전기변색층을 포함하고,
    상기 제2전극복합체는 제2 투명전극, 및 상기 제2 투명전극 상에 위치하고 상기 제1전극복합체의 상기 제1변색물질과 동종 또는 이종의 제2변색물질을 함유하는 제2전기변색층을 포함하며,
    상기 제1변색물질 및 상기 제2변색물질은 전이금속 산화물을 함유하는, 전기변색미러에 있어,
    상기 다공성 반사막은 Cu, Au, Ag, Ni, Al, Cr, Ru, Re, Pb, Pd, Sn, In 및 Zn으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 금속 또는 이들의 금속을 함유하는 합금을 포함하는, 전기변색미러.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 반사막은
    상기 다공성 반사막의 두께방향으로 관통되어 상기 변색이온이 통과할 수 있는 복수개의 핀홀을 포함하는, 전기변색미러
  3. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 반사막은 기공율이 10 내지 40%인, 전기변색미러
  4. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 반사막의 두께는 10 내지 500㎚인, 전기변색미러
  5. 제2항에 있어서,
    상기 다공성 반사막은 상기 핀홀이 형성되지 않은 영역의 표면 거칠기가 RMS(Root means square) 값 10 nm 이하인, 전기변색미러
  6. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 반사막은 632㎚의 파장의 레이저 2mW 조사 시, 레이저 투과도가 0.001 내지 0.5%인, 전기변색미러
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1변색물질과 상기 제2변색물질은 동일한 것인, 전기변색미러
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1변색물질 및 제2변색물질은 텅스텐산화물인, 전기변색미러
  10. 제1항에 있어서,
    상기 이온전도층은 SiO2, Al2O3, Nb2O3, Ta2O5, LiTaO3, LiNbO3, SiO2, La2TiO7, SrZrO3, ZrO2, Y2O3, Nb2O5, HfO2, 및 LaTiO3 중 적어도 하나를 포함하는, 전기변색미러
  11. 제1항에 있어서,
    상기 변색이온은 수소 이온 및 알칼리 금속 이온인, 전기변색미러
  12. 제1항 내지 제 6항 및 제 8항 내지 제11항 중 어느 항의 전기변색미러; 및
    상기 전기변색미러의 제1전극복합체 및 제2전극복합체와 전기적으로 연결되어 전원을 공급하는 전원부;를 포함하는, 광모듈레이터
  13. 제12항에 있어서,
    상기 전원부에 의한 전원 공급에 따라, 완전 탈색된 광모듈레이터가 완전 착색 시 걸리는 시간이 5초 이하인, 광모듈레이터
  14. 제12항에 있어서,
    상기 전원부에 의한 전원 공급에 따라, 완전 착색된 광모듈레이터가 완전 탈색 시 걸리는 시간이 1초 이하인, 광모듈레이터
  15. 제1항 내지 제6항 및 제 8항 내지 제11항 중 어느 항의 전기변색미러; 및
    상기 전기변색미러의 제1전극복합체 및 제2전극복합체와 전기적으로 연결되어 전원을 공급하는 전원부;를 포함하는, 광모듈레이터 작동방법에 있어서,
    상기 전원부에 의해 제1전원이 공급되어 상기 제1전기변색층으로부터 변색이온이 탈락되어 상기 제2전기변색층에 도핑되는 제1광학모드; 및
    상기 전원부에 의해 상기 제1전원과 반대방향의 제2전원이 공급되어 상기 제2전기변색층으로부터 변색이온이 탈락되어 상기 제2전기변색층이 도핑되는 제2광학모드;를 포함하고,
    상기 제1광학모드 및 상기 제2광학모드는 선택적으로 이루어지는 광모듈레이터 작동방법.
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