KR20030037100A - 전기변색소자 및 그의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 미세 홀을 갖는 전기 변색 소자 및 그의 제조 방법에 관한 것으로, 제 1 유리기판상에 형성된 제 1 전극부와, 상기 제 1 전극부상에 형성되며, 일정 간격의 미세 홀들이 형성된 전기변색층과, 제 2 유리기판 하부에 상기 형성된 제 2 전극부와, 상기 제 2 전극부와 상기 전기 변색층 사이에 형성된 전해질층으로 구성된 것을 특징으로 하여 제 1, 제 2 전극부에 전원을 공급하면 전기변색층에서 균일한 전기 변색 및 소색이 가능하며, 전기변색층으로 무기전기변색층을 사용하면 전기변색층의 변색 및 소색 속도 역시 증가시킬 수 있다.

Description

전기변색소자 및 그의 제조 방법{Electrochromic Device and Method for fabricating thereof}

본 발명은 전기변색소자 및 그의 제조 방법에 관한 것으로 특히 전기변색소자의 표면에 다수의 미세홀을 형성하여 변색 및 소색시 속도를 향상함은 물론 균일한 변색 및 소색이 가능하기에 적당하도록 한 전기변색소자 및 그의 제조 방법에 관한 것이다.

전기변색소자(Electrochromic Device : ECD)는 일렉트로크로미즘(electrocromism)의 표시나 기억에 이용되는 소자로 전기장을 인가하면 전류의 흐름에 따라 색이 변하는 물질을 말하며, 이러한 원리를 이용하여 창문이나 거울 등에서 광의 투과도나 반사도를 조절하는 용도로 사용되고 있다.

이와 같은 전기 변색 물질은 무기전기 변색물질(Inorganic ECD : IECD)과, 유기전기 변색물질(Organic ECD : OECD)로 크게 두 가지로 나눌 수 있다.

대표적인 무기전기 변색물질(IECD)로는 WO3, NiOxHy, Nb2O5, V2O5, TiO2, MoO3등이 있고, 유기전기 변색물질(OECD)로는 다양한 종류가 있지만 그 중 대표적으로 폴리아닐린(polyaniline)이 있다.

이 중에서 최근 많이 사용되고 있는 산화텅스텐(WO3)은 용액 속의 이온이나 전자와 반응하여 다음 화학식 1의 과정을 거쳐서 색을 나타낸다.

WO3(bleached, 투명색) + xe^-+ xM⁺⇔ MxWO3(dark blue color, 진한청색)

여기서 M은 리튬(lithium : Li)이나 프로톤(proton), 칼슘(calcium : Ca) 등을 나타내며, 일반적으로 리튬을 가장 많이 사용한다. 리튬이온은 WO₃와 반응함으로써 위와 같은 전기변색효과를 가지게 된다. 따라서 리튬이온을 공급하기 위하여 전기변색소자에는 전해질이 필요한데, 전해질은 전기변색물질과 항상 접촉함으로써 이와 같은 전기화학반응을 가능하게 한다.

전기변색소자(ECD)에 있어서 비올로겐(viologen) 계통의 유기 변색 물질은 전원을 차단하였을 때에도 이미지 또는 착색 상태가 남아 있는 메모리 효과를 가지고 있지는 않지만, 비교적 빠른 변색과 소색 속도로 인해 자동차용 후사경(rear mirror)과 같은 응용 제품에 이용되고 있다. 그러나 비올로겐은 액체이기 때문에 누수가 발생할 수도 있다는 단점을 가지고 있고, 동작을 위한 전력 소모가 무기변색물질에 비해 비교적 높아서 자동차내의 전원(12v)을 이용하고 있다.

이하 종래 기술에 따른 전기 변색소자에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 1은 종래 기술에 따른 전기 변색소자의 단면 구조도로서, 산화텅스텐과 같은 무기변색물질을 이용하여 제작한 비교적 간단한 구조를 갖는 전기변색소자의 단면도이다.

이와 같은 전기변색소자는 제 1 유리기판인 하부 유리기판(11)상에 형성된 제 1 전극인 하부전극(12)과, 하부전극(12) 상에 형성된 산화 텅스텐층(13)과, 산화 텅스텐층(13)상에 형성된 전해질층(14)과, 전해질층(14)상에 형성된 산화 티타늄층(15)과, 산화 티타늄층(15)상에 형성된 제 2 전극인 상부전극(16)과,상부전극(17)상에 형성된 제 2 유리기판인 상부 유리기판(17)으로 구성된다.

여기서 하부 유리기판(11) 상에 형성된 하부전극(12)은 하부 유리기판(11) 상에서 일정간격을 갖고 바(bar) 형상으로 다수개가 형성되며, 상부 유리기판(17) 하부에 형성된 상부전극(16) 역시 상부 유리기판(17) 하부에 일정간격을 갖고 바(bar)형으로 다수개 형성되며, 하부전극(12)들과는 교차하도록 형성된다.

이때, 하부 유리기판(11)상에 하부전극(12)과 산화 텅스텐층(13)을 형성하고, 상부 유리기판(17)상에 상부전극(16)과 산화 티타늄층(15)을 형성한 후, 하부 유리기판(11)과 상부 유리기판(17)의 하부전극(12)과 상부전극(16)이 직교하는 방향으로 마주 보게 위치시키고 기판(11,17)사이에 일정한 갭(gap)이 생기도록 스페이서(spacer)를 두고, 기판(11,17)의 사방을 용액을 주입할 만큼의 공간을 남겨둔 채 에폭시(epoxy)(도시하지 않음)로 막은 다음 남겨둔 공간을 통해 전해물질(electrolyte)을 주입하여 전해질층(14)을 형성한다. 이러한 공정을 거쳐서 제작된 전기변색소자(ECD)를 구동하기 위하여 하부전극(12)과 상부전극(16)의 각 일측을 전원공급부(18)와 연결한다.

전원공급부(18)에서 하부전극(12)과 상부전극(16)에 전원을 인가하면 상기 전해질층(14)에 포함되어 있는 리튬이온(Lithium Ion)등이 전기변색소자(ECD)인 산화텅스텐층(13)의 WO3과 반응하여 상기 화학식 1과 같은 전기 변색효과를 나타낸다. 즉 상하부에서 각각 일정간격을 갖고 직교하도록 형성된 하부전극(12)들과 상부전극(16)들에 전압을 인가하면 전압이 인가된 하부전극(12)과 상부전극(16)이 교차하는 부분의 산화 텅스텐층(15)이 도트(dot)를 구성하여 색이 디스플레이된다.따라서 단순 매트릭스 형태의 전극을 만드는 것이 가능해진다. 이때, 산화 텅스텐층(15) 제조시 산화 텅스텐층(15) 표면 중 크랙(crack)이 발생한 부분에서부터 전기 변색효과가 발생하면서 변색된다.

그리고 산화티타늄(15)층은 변색 및 소색시의 이온 스토리지(ion storage)층으로써, 도 1에서는 나타내었지만 필요에 따라서 형성하지 않을 수도 있다.

그리고 하부전극(12)과 상부전극(16)은 전기 전도성을 가진 투명도전막인 ITO(Indium Tin Oxide)를 이용하여 형성한다.

이와 같은 종래 기술에 따른 전기변색소자에 있어서는 이때, 전기변색소자인 산화텅스텐은 무기물질이며, 고체 전해질을 사용하여 비올로겐과 같은 액체 물질로 전기변색소자를 형성하는 경우에 비해 누수에 대한 걱정이 필요없고, 이미지 및 착색 상태에 대한 메모리 효과로 인해 전력 소모가 적고 동작전원도 3v 미만이기 때문에 배터리로 동작이 가능한 포터블(portable)형 전기변색소자로의 제품 응용이 가능하지만, 비올로겐(viologen)과 같은 유기변색물질에 비해서는 변색과 소색에 따른 속도가 느리고, 변속상태가 변색물질의 표면에 형성된 크랙에서부터 변색이 발생하므로 변색과정이 연속적이지 못하며 부드럽지 못한 문제점이 있다.

본 발명은 이와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 저전력 소모가 가능한 무기 전기변색 물질에 일정간격의 홀을 형성함으로써 전기변색 물질의 변색시 일정간격 형성된 홀주변에서 변색이 발생되도록 하여 균일한 변색속도를 갖는 전기변색소자 및 그의 제조 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 전기변색소자의 단면 구조도

도 2는 도 2는 본 발명에 따른 전기변색소자에 일정간격의 미세 홀을 형성하기 위한 미세 홀 패턴을 갖는 마스크의 평면 구조도

도 3은 본 발명에 따른 전기변색소자의 제조 방법을 설명하기 위한 도면

도 4는 본 발명에 따른 미세 홀을 갖는 전기변색소자의 변색진행 상태를 설명하기 위한 도면

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

11 : 하부 유리기판12 : 하부전극

13 : 산화 텅스텐층14 : 전해질층

15 : 산화 티타늄층16 : 상부전극

17 : 상부 유리기판18 : 전원공급부

20 : 마스크21 : 마스크 미세 홀

22 : 미세 홀

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 특징에 따르면, 전기변색 소자는 제 1 유리기판상에 형성된 제 1 전극부와, 상기 제 1 전극부상에 형성되며, 일정 간격의 미세 홀들이 형성된 전기변색층과, 제 2 유리기판 하부에 상기 형성된 제 2 전극부와, 상기 제 2 전극부와 상기 전기 변색층 사이에 형성된 전해질층으로 구성된 것을 특징한다.

바람직하게, 상기 제 1, 제 2 전극부는 일정간격 일방향으로 바형 형상을 갖거나 또는 매트릭스(matrix) 형상을 갖도록 형성됨을 특징으로 한다.

그리고 상기 미세 홀은 상기 전기변색층의 두께를 1이라 했을 때, 0.25에서 1의 비율을 갖고 형성됨을 특징으로 한다.

또한 상기 제 2 전극부와 상기 전해질층 사이에 이온 스토리지층이 더 형성됨을 특징으로 한다.

그리고 상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 특징에 따르면, 제 1 유리기판상에 제 1 전극부를 형성하는 단계와, 상기 제 1 전극부상에 전기 변색층을 형성하는 단계와, 상기 전기 변색층에 일정 간격의 미세 홀들을 형성하는 단계와, 제 2 유리기판 상에 제 2 전극부를 형성하는 단계와, 상기 전기 변색층과 제 2 전극부가 일정 갭(gap)을 갖고 마주보도록 상기 제 1 유리기판과 제 2 유리기판을 형성하고, 상기 갭에 전해층을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징한다.

바람직하게 상기 제 1, 제 2 전극부를 상기 제 1, 제 2 유리기판 상에 형성한 후 일정간격 일방향으로 바형 형상을 갖도록 패터닝하거나, 매트릭스(matrix) 형상을 갖도록 패터닝하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 미세 홀은 상기 전기변색층의 두께를 1이라 했을 때, 0.25에서 1의 비율을 갖도록 형성함을 특징으로 한다.

또한 상기 제 2 전극부상에 이온 스토리지층을 더 형성한다.

바람직하게, 상기 미세 홀은 상기 전기변색층을 상기 제 1 전극상에 형성한 후, 상기 미세 홀형상을 갖는 마스크를 이용한 건식 식각 또는 LiOH 희석 용액을 이용한 습식식각법을 이용하여 형성함을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 목적, 특징 및 이점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 보다 명백해질 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 전기변색 소자의 제조방법을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명에 따른 전기변색소자에 일정간격의 미세 홀을 형성하기 위한 미세 홀 패턴을 갖는 마스크의 평면 구조도를 나타낸 도면이고, 도 3은 본 발명에 따른 전기변색소자의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.

우선 본 발명에 따른 전기변색소자 제조 방법은 도 1에 나타낸 바와 같은 상부 유리기판(17)상에 상부전극(16)을 형성하고, 상부전극(16)을 포함한 상부 유리기판(17)을 세척한다(S10).

그 다음 상부전극(16)을 상부 유리기판(17)상에서 일방향으로 일정간격을 갖는 바형으로 패터닝하여 복수개의 상부전극(16) 패턴을 형성한다(S11).

그리고, 스페이서(spacer)와 보더 라인(border line)을 형성한다(S12). 여기서 스페이서와 보더라인은 하부 유리기판(11)과 상부 유리기판(17)을 접착할 때 이용된다. 또한 상부전극(16)상에 이온 스토리지층으로써 산화 티타늄층을 형성할 수도 있다. 여기서 산화 티타늄층은 전원을 차단하였을 때에도 이미지 또는 착색 상태가 남아 있는 메모리 효과가 있는 물질이다.

이어서 하부 유리기판(11)상에 하부전극(12)을 형성하고, 하부전극(12)을 포함한 하부 유리기판(11)을 세척한다(S20).

그 다음 전기변색층을 형성하기 위하여 예를 들면 산화 텅스텐의 졸-겔(Sol-gel) 코팅을 위해 용액을 준비한다(S21). 이때, 산화 텅스텐의 경우는 하이드로퍼옥사이드(hydroperoxide) 용액에서 금속인 텅스텐은 산화가 되면서 산화텅스텐의 졸 상태가 되므로, 필터링을 통해 하이드로퍼옥사이드(hydroperoxide) 용액내의 불순물을 걸러낸 다음, 백금 촉매를 이용하여 남아 있는 하이드로퍼옥사이드(hydroperoxide)를 수소와 물로 분해시키고 수소는 대기 중으로 날려버린다.

이렇게 준비된 졸-겔(Sol-Gel)용액을 스핀 코팅이나 딥 코팅(dip coating)을 통하여 하부전극(12)상에 코팅한다. 졸-겔 용액 코팅후 100∼200℃ 사이에서 열처리하면 비정질 산화 텅스텐층이 형성된다(S22).

형성된 산화텅스텐 박막은 도 2에 나타낸 바와 같은 마스크 미세 홀(21) 패턴을 갖는 마스크(20)를 이용하여 산화 텅스텐층(13)을 식각하여 마스크(20)에 일정간격으로 형성된 마스크 미세 홀(21) 패턴과 동일한 크기의 미세 홀을 형성함으로써 산화 텅스텐층(13)을 완성한다.

이때, 마스크(20)를 이용한 식각법으로는 반응성 이온식각(RIE)법을 이용한 건식식각 또는 희석용액을 이용한 습식식각이 가능하다.

희석용액은 LiOH 희석 용액(1:100)을 이용하여, 현장 경험(field)과 같은 실험 결과에 따라 전기변색층으로 이용되는 산화 텅스텐층의 미세 홀 깊이를 조절할 수 있다. 이때 하부전극(12) 상에 형성된 산화 텅스텐층(13)의 두께를 1이라 하는 경우 미세홀의 깊이는 산화텅스텐(13) 두께의 0.25 내지 1의 비율로 형성되도록 하며, 바람직하게는 0.25 내지 0.75의 비율을 갖도록 한다.

그 다음 산화 텅스텐층(13)을 포함한 하부전극(12)을 통상의 포토리소그래피 공정을 통해 패터닝한다(S24). 이와 같은 산화 텅스텐층(13)과 하부전극(12)의 패터닝은 패시브 매트릭스 표시(passive matrix display) 소자를 형성하기 위한 공정이다. 물론 자동차 후사경의 표시소자로 이용하고자 하는 경우에는 산화 텅스텐층(13)을 포함한 하부전극(12)의 패터닝 공정이 생략된다.

이어서 종래 기술에서 설명한 바와 같은 통상의 제조 공정으로 하부 유리기판(11)의 상측으로 상부전극(16)이 하부 유리기판(11)의 하부전극(12)과 마주보도록 상부 유리기판(17)을 형성하고 기판(11,17)의 사방을 용액을 주입할 공간을 남겨둔 채 에폭시로 막은 다음 남겨둔 공간을 통해 전해물질을 충진하여 전해질층(14)을 형성한다(S30). 이때, 전해질층(14)을 형성하는 물질로는 LiClO4(lithium perchlorate)를 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate)에 용해시킨 용액 또는 CF₃SO₃Li(lithium trifluoromethanethanesulfonate)를 프로필렌 카보네이트(propylene carbonate)에 용해시킨 용액을 사용한다.

이어서 기판을 어셈블리하고, 실링하여 전기변색 소자를 완성한다(S31).

도 4는 본 발명에 따른 미세홀을 갖는 전기변색소자의 변색진행 상태를 설명하기 위한 도면이다.

즉 도 1에 나타낸 전원공급부(18)에서 하부 전극(12)과 상부전극(16)으로 전원을 공급하면 전해질층(14)에 포함되어 있는 리튬이온(Lithium Ion)등이 전기변색소자(ECD)인 산화 텅스텐층(13)의 WO3과 반응하여 상기 화학식 1과 같은 전기 변색효과를 나타낼 때 일반적으로 산화 텅스텐층(13)의 크랙부분에서부터 변색이 발생하듯이 도 4에 나타낸 바와 같이 산화 텅스텐층(13)에 형성된 미세 홀(22)이 크랙의 역할을 하여 미세 홀(22)의 사방 측면으로 균일한 전기변색 효과가 발생하게 된다.

본 발명에 따른 전기변색 소자 및 그의 제조 방법은 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 전기변색물질에 일정간격을 갖는 미세 홀을 형성함으로써 전기변색 동작이 일정함은 물론 전기변색속도가 향상되므로 특히 저전력 소모의 전기변색 소자로서 그 응용을 확대할 수 있다.

둘째, 변색을 균일하게 할 수 있으므로 디스플레이소자로서의 이미지를 향상시킬 수 있다.

Claims (9)

1. 제 1 유리기판상에 형성된 제 1 전극부와;

   상기 제 1 전극부상에 형성되며, 일정 간격의 미세 홀들이 형성된 전기변색층과;

   제 2 유리기판 하부에 상기 형성된 제 2 전극부와;

   상기 제 2 전극부와 상기 전기 변색층 사이에 형성된 전해질층으로 구성된 것을 특징으로 하는 전기변색소자.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1, 제 2 전극부는 일정간격 일방향으로 바형 형상을 갖거나 또는 매트릭스(matrix) 형상을 갖도록 형성됨을 특징으로 하는 전기변색소자.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 미세 홀은 상기 전기변색층의 두께를 1이라 했을 때, 0.25에서 1의 비율을 갖고 형성됨을 특징으로 하는 전기변색소자.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 전극부와 상기 전해질층 사이에 이온 스토리지층이 더 형성됨을 특징으로 하는 전기변색소자.
5. 제 1 유리기판상에 제 1 전극부를 형성하는 단계와;

   상기 제 1 전극부상에 전기 변색층을 형성하는 단계와;

   상기 전기 변색층에 일정 간격의 미세 홀들을 형성하는 단계와;

   제 2 유리기판 상에 제 2 전극부를 형성하는 단계와;

   상기 전기 변색층과 제 2 전극부가 일정 갭(gap)을 갖고 마주보도록 상기 제 1 유리기판과 제 2 유리기판을 형성하고, 상기 갭에 전해층을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기변색소자 제조 방법.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 제 1, 제 2 전극부를 상기 제 1, 제 2 유리기판 상에 형성한 후 일정간격 일방향으로 바형 형상을 갖도록 패터닝하거나, 매트릭스(matrix) 형상을 갖도록 패터닝하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기변색소자 제조 방법.
7. 제 5 항에 있어서, 상기 미세 홀은 상기 전기변색층의 두께를 1이라 했을 때, 0.25에서 1의 비율을 갖도록 형성함을 특징으로 하는 전기변색소자 제조 방법.
8. 제 5 항에 있어서, 상기 제 2 전극부상에 이온 스토리지층을 더 형성함을 특징으로 하는 전기변색소자 제조 방법.
9. 제 5 항에 있어서, 상기 미세 홀은 상기 전기변색층을 상기 제 1 전극상에 형성한 후, 상기 미세 홀형상을 갖는 마스크를 이용한 건식 식각 또는 LiOH 희석용액을 이용한 습식식각법을 이용하여 형성함을 특징으로 하는 전기변색소자 제조 방법.