KR20070047538A - 전기변색소자의 전극구조 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 제1기판의 제1영역 상에 제 1 전극이 형성되고 제1기판의 제2영역 상에 제 2전극이 형성되어 있으며, 상기 제1전극 상에 전기변색층이 형성되어 있고, 상기 전기변색층과 제2전극 상에 공통으로 전해질층이 형성되어 있으며, 상기 전해질층 상에 제2기판이 형성된 것이 특징인 전기변색소자 및 상기 전기변색소자가 구비된 디스플레이 장치를 제공한다.

Description

전기변색소자의 전극구조 {ELECTRODE STRUCTURE OF ELECTROCHROMIC DEVICE}
도 1은 종래 전기변색소자의 기본적인 단면 구조를 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 2a는 7-세그먼트 패턴의 숫자를 표시하기 위한 전기변색층의 레이아웃을 나타낸 도면이다. 도 2b는 도 2a의 전기 변색층에 전기 신호를 인가하기 위한 종래 직접구동방식의 하부 전극의 레이아웃을 나타낸 도면이다.
도 3a는 일반적인 능동구동방식의 전기변색소자에 있어서 박막 트랜지스터(TFT)의 전극구조를 나타낸 도면이다. 도 3b는 도 3a의 TFT의 단면 구조도이다. 도 3c는 도 3b의 TFT 위에 도 1의 전기변색소자를 적층한 능동구동방식의 전기변색소자의 구조도이다.
도 4a 및 b는 본 발명의 일실시예에 따른 전기변색소자의 기본적인 단면 구조를 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 5는 본 발명에 따른 전기변색소자 구조를 능동구동방식에 적용한 경우 바람직한 일 실시예를 나타낸 것으로, 도 5a는 본 발명의 능동구동방식 전기변색소자에서 전기변색층 및 이온스토리지층의 배치를 나타낸 도면이고, 도 5b는 본 발명의 능동구동방식 전기변색소자의 단면구조도이고, 도 5c는 본 발명의 능동구동방식 전기변색소자 우측 단면구조도이고, 도 5d는 반사층을 TFT의 기판 밑에 측 셀 외부에 배치시킨 전기변색소자 구조도이다.
도 6a는 이온스트리지층을 두껍게 하여 면적을 줄이고 전기변색층이 차지하는 면적을 늘린 본 발명의 변형예이다. 도 6b는 전기변색층이 차지하지 않는 공간에 이온스트리지층을 형성시킴으로써 전기변색층이 차지하는 면적을 늘린 본 발명의 또다른 변형예이다.
본 발명은 전기신호를 인가하면 색이 변하는 전기변색소자(Electro-chromic device) 및 상기 전기변색소자가 구비된 디스플레이 장치에 관한 것이다.
통상, 디스플레이 장치에는 CRT, PDP, LED, OLED 등과 같은 발광형 디스플레이 장치와, LCD 등과 같은 수광형 디스플레이 장치로 대별될 수 있다. 전자는 응답 속도가 빠르지만 밝은 곳에서는 영상이 희미하다는 단점이 있고, 후자는 밝은 곳에서 잘 보이지만 응답 속도가 느리다는 단점이 있다. 그 중, 전기변색 표시소자(ECD; Electro-chromic display)는 LCD와 같은 수광형 표시소자의 일종으로서 전기신호를 인가하여 화학 반응을 조절함으로써 전기변색 물질의 색을 조절하는 표시소자이다.
한편, 도 1은 전기변색소자의 기본적인 단면 구조를 개략적으로 도시한 구성도이다. 도 1을 참조하면, 상기 전기변색소자 (1)은 제1유리 기판(10) 위에 형성된 제1전극(11)과, 제2유리 기판 (17) 위에 형성된 제2 전극(16)이 서로 마주 보도록 이격되어 있으며, 상기 제1 전극의 상면에 형성되며 인가되는 전기 신호에 따라 색이 변하는 전기변색물질이 포함된 전기 변색층(12)과, 상기 전기 변색층의 상부에 형성되며 전기변색 반응에 관여하는 이온이 포함된 전해질층(13)과, 상기 전해질층 상부에 형성되며 전기변색 반응에 관여하는 이온과 반대 극성의 이온을 모으는 이온 스토리지(ion storage)(15)로 구성된다.
상기 제1전극(11) 및 제2 전극(16) 중 적어도 하나는 투명전극, 예컨대 ITO(Indium tin oxide) 전극을 채용하는 것이 일반적이다. 상기 이온스토리지층(Ion storage)(15)은 생략가능하다.
상기 전기변색소자 (1)에 전압이 인가되어 전기 변색층에서 이온 스토리지쪽으로 전류가 흐르면 상기 전기 변색층 (12)이 착색되고, 반대 방향으로 전류가 흐르면 상기 전기 변색층 (12)에서 탈색이 일어난다. 한편, 전기변색층의 물질에 따라 반대 방향의 전류 흐름에서 착색 및 탈색 반응이 일어나기도 한다.
도 2a는 7-세그먼트 패턴의 숫자를 표시하기 위한 전기 변색층의 레이아웃을 나타낸 도면이고, 도 2b는 도 2a의 전기 변색층에 전기 신호를 인가하기 위한 종래 하부 전극의 레이아웃을 나타낸 도면이다. 이는 직접구동방식의 한 예시로서 세그먼트나 픽셀마다 하나의 전극을 연결하는 방식이다.
한편, 능동구동방식의 전기변색 디스플레이 장치의 일례는 화소 각각에 스위칭 소자가 실장된 구조의 패널위에 다수의 전기변색표시 화소를 구현한 구조를 가지는 바, 각 화소의 온/오프(on/off) 동작을 독립적으로 제어함에 따라 상대적으로 고화질, 빠른 응답속도를 얻을 수 있으며, 해상도 및 동영상 구현능력이 뛰어난 장 점을 가지고 있다. 이때 스위칭 소자로 박막트랜지스터(Thin-Film Transistor : TFT)를 사용한 것이 잘 알려져 있다.
도 3a는 일반적인 능동구동방식의 전기변색소자에 있어서 박막 트랜지스터(Thin film transistor, TFT)의 전극구조를 나타낸다. 화소에 직접 신호를 인가하는 전극(21)이 도 1의 제1전극(11)에 대응한다.
도 3b는 도 3a의 단면 구조이다. 제1전극 밑에 TFT가 존재하는 점을 제외하면 직접구동(Direct driving)과 능동구동(Active matrix driving)의 소자구조가 비슷하다.
도 3c는 도 3b의 TFT 위에 도 1의 전기변색소자를 적층했을 때 가능한 가장 간단한 구조의 예시이다.
한편, 전기변색소자에서 관찰자의 시선이 위치하는 곳은 제2기판(27) 방향이다. 따라서, 표시된 색을 보려면 이온스토리지층(25) 및 제2전극(26)을 통과하여야 하는데, 그만큼 Contrast ratio가 나빠진다.
특히 이온스토리지층(25)는 유색인 경우도 있으므로 Contrast ratio 뿐만 아니라 색재현율에도 악영향을 미친다.
본 발명은, 제1기판, 제1전극, 전기변색층, 전해질층, 이온스토리지층, 제2전극 및 제2기판이 순차적으로 적층된 종래 전기변색소자에서, 관찰자의 시선이 제2기판 쪽에서 위치할 때 이온스토리지층 및/또는 제2전극에 의한 콘트라스트비(Contrast ratio) 저하를 억제하는 것을 목적으로 한다.
이를 위해, 본 발명은 이온스토리지층 및/또는 제2전극을 전기변색층이 존재하는 영역 상에 적층하지 아니하고 제1기판 상의 별도의 영역 상에 형성시키고, 관찰자의 시야와 전기변색층 사이에 제2기판과 전해질층만을 위치시킨 구조의 전기변색소자를 제공하고자 한다.
본 발명은 제1기판의 제1영역 상에 제 1 전극이 형성되고 제1기판의 제2영역 상에 제 2전극이 형성되어 있으며, 상기 제1전극 상에 전기변색층이 형성되어 있고, 상기 전기변색층과 제2전극 상에 공통으로 전해질층이 형성되어 있으며, 상기 전해질층 상에 제2기판이 형성된 것이 특징인 전기변색소자 및 상기 전기변색소자가 구비된 디스플레이 장치를 제공한다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
도 4a 및 b를 참조하여 설명하면, 본 발명의 전기변색소자는 제1기판(30)의 제1영역 상에 제 1 전극(31)이 형성되고 제1기판(30)의 제2영역 상에 제 2전극(36)이 형성되어 있으며, 상기 제1전극 상에 전기변색층(32)이 형성되어 있고, 상기 전기변색층과 제2전극 상에 공통으로 전해질층(33)이 형성되어 있으며, 상기 전해질층 상에 제2기판(37)이 형성되어 있다.
선택적으로 제2전극(36)과 전해질층(33) 사이에 이온스토리지층(35) 형성이 가능하다.
이온스토리지층 및/또는 제 2 전극은 전기변색층이 차지하지 않는 빈 공간, 예컨대 상기 제2영역에 형성되어 있는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 전기변색소자 구조에서는 제1기판 상에 영역을 달리하여 전기변색반응에 전기신호를 인가하는 2개의 전극, 즉 제1전극, 제2전극이 형성되어 있다. 이때, 제1전극 및 전기변색층이 형성된 영역은 표시 영역을 형성하고, 제2전극 및/또는 이온스토리지층이 형성된 영역은 비표시영역을 형성할 수 있다. 이때, 제1전극과 제2전극은 공간적으로 이격되도록 패터닝됨으로써 절연되어 있다.
본 발명의 특징은 전기변색층(32)을 가리지 않도록 제2전극 (36) 및/또는 이온스트리지층 (35)을 전기변색층(32)과 같은 면에 형성시키는 것이다.
따라서, 본 발명에 따른 전기변색소자는 관찰자의 시야와 전기변색층 사이에 제2기판과 전해질층만이 위치하므로, 이온스토리지층 및/또는 제2전극에 의한 콘트라스트비(Contrast ratio) 저하를 억제할 수 있다.
또, 본 발명에서 제1전극, 제2전극 및 이온스토리지층은 관찰자의 시야와 전기변색층 사이에 위치하지 아니하므로 투명성 요건을 만족하기 아니하여도 된다.
제1전극은 TFT에, 제2전극은 외부구동회로와 직접 연결되어 있는 것이 바람직하다. TFT를 사용하지 않는 경우에는 제 1 전극도 외부구동회로와 직접 연결될 수 있다.
전기변색물질은 반도체 산화물로서 기재 상에 피복된 전극 위에 연속된 층으로 증착되어 전기변색층을 형성할 수 있다. 대표적인 전기변색물질로는 텅스텐 산화물(WO3), 니켈 산화물(NiO), 티타늄 산화물(TiO2) 등의 무기물 금속 산화물과 비피리디늄염 (비올로겐) 유도체, 안트라퀴논 등의 퀴논계 유도체, 페노사이아진 등 의 아진계 유도체 등의 유기물이 있다.
제 1 전극 및 제2전극은 ITO, FTO등 투명전극을 사용할 수 있으나, 여기에 제한되지 않는다.
전해질은 액체, 고체등 다양한 상이 가능하며, 이온성액체(Ionic liquid)가 포함된 이온성액체층으로 대체가능하다.
이온스토리지층으로는 ATO(antimony-doped tin oxide)와 같은 금속산화물 나노 입자막이나, 전기변색물질로서 제 1 전극상에 사용된 것과 반대 극성의 물질 등이 사용 가능하다.
본 발명의 전기변색소자에서 반사층을 전기변색소자 내부 또는 전기변색소자 외부에 추가로 형성할 수 있다. 본 발명에 따른 전기변색소자에서 관찰자의 시선이 위치하는 곳은 제2기판(37) 방향이다. 따라서, 흰색바탕이 필요한 경우 반사면(34)은 전기변색층(32)보다 아래 형성시켜야 한다.
본 발명에 따른 전기변색소자에서는, 전기변색층 - 제 1 전극 - 구동회로 - 제 2 전극 - (이온스토리지) 사이에 흐르는 전류가 있고, 전해질 내에서 이온들의 움직임이 있고, 제 1 전극, 전기변색층, 제 2 전극, (이온스토리지)와 전해질사이에서 일어나는 화학반응 내지는 전류의 흐름이 있다.
도 5는 본 발명에 따른 전기변색소자 구조를 능동구동방식에 적용한 경우 바람직한 일 실시예를 나타낸 도면들이다.
본 발명은 도 5a, b, c와 같이, 전기변색층(32)과 이온스토리지층(35)을 영역을 달리하여 같은 면에 패터닝하여 형성시킴으로써 관찰자의 시선과 전기변색층 사이에 제2기판(37)과 전해질층(33)만을 위치시킬 수 있다.
도 5 a, b, c를 참조하면, 전기변색소자 (3)는 TFT와 그 위에 보호막(Passivation layer)이 형성된 제1기판(30) 상부에 형성된 반사층(34)과 상기 반사층 상부에 형성된 제 1 전극(31)과, 상기 제1전극의 상부에 형성되며 인가되는 전기 신호에 따라 색이 변하는 전기변색물질이 포함된 전기변색층(32)과, 상기 전기변색층(32) 상부에 형성되며 전기 변색 반응에 관여하는 이온이 포함된 전해질층(33)과, 상기 전해질층 하부에 형성되며 전기변색반응에 관여하는 이온과 반대 극성의 이온을 모으는 이온스토리지층(Ion storage)(35)과, 상기 이온스토리지층 하부에 형성되며 상기 이온스토리지층에 전하를 공급하는 제 2 전극(36)과, 맨 위에 형성된 제2기판(37)으로 구성된다.
이때, 제1전극은 각 표시영역에 1개씩 구비되어 있으며 각 표시영역의 온/오프(on/off) 동작을 제어하는 스위칭 소자(예, TFT)와 연결될 수 있다. 제1전극, 전기변색층 각각은 각 표시영역에 적어도 하나씩 존재한다.
이때, 제1기판, 전해질층, 이온스토리지층, 제2전극, 제2기판 각각은 1 이상의 화소(pixel) 모두에 걸쳐 공간적으로 공통되게 하나의 층으로 형성될 수 있다. 또, 전해질층, 이온스토리지층, 제 2 전극은 각 화소에 맞추어 패터닝될 수도 있다.
상기 전기변색소자(3)에 전압이 인가되어 이온스토리지층(35)쪽에서 전기변색층 (32) 방향으로 전류가 흐르면 상기 전기변색층 (32)이 착색되고, 반대 방향으로 전류가 흐르면 상기 전기변색층 (32)에서 탈색이 일어난다. 한편, 전기변색층의 물질에 따라 반대 방향의 전류 흐름에서 착색 및 탈색 반응이 일어나기도 한다.
상기 전기변색소자에서 이온스토리지층, 반사층, 보호막은 경우에 따라 생략할 수 있다.
도 5d는 흰색배경을 이루는 반사층을 TFT의 기판 밑에 측 셀 외부, 즉 전기변색 소자 외부에 배치시킨 전기변색소자 구조로서, 공정을 더욱 단순화시키는 실시예이다.
한편, 전기변색층이 차지하는 면적이 클수록 패널에 표시되는 색은 선명하다. 전기변색층(32)과 이온스트리지층(35)은 서로 비슷한 양의 전하를 축적하여야 디스플레이의 성능이 좋아지는데 물질, 층의 넓이, 두께 등의 영향을 받는다.
도 5a는 비슷한 두께로 비슷한 넓이의 전기변색층(32)과 이온스트리지층(35)을 형성한 전기변색소자의 예시도이다.
그러나, 이온스토리지층을 전기변색층보다 두껍게 하여 전기변색층이 차지하는 면적을 크게 하는 것이 바람직하다. 도 6a는 이온스트리지층(35)을 두껍게 하여 면적을 줄이고, 실제 색을 표현하는 전기변색층(32)이 차지하는 면적을 늘린 실시예이다.
또, 전기변색층이 차지하지 않는 빈 공간에 이온스토리지층을 형성시켜 전기변색층이 차지하는 면적을 크게 하는 것이 바람직하다. 도 6b는 전기변색층(32)이 차지하지 않는 모든 공간, 예컨대 비표시영역에 이온스트리지층(35)을 형성시키므로서 실제 색을 표현하는 전기변색층(32)이 차지하는 면적을 늘린 실시예이다.
또한, 본 발명에 따른 전기변색 소자(Electro-chromic device)를 이용하여 디스플레이 장치를 제공할 수 있다. 특히 직접구동(Direct driving)이나 능동구동(Active matrix driving) 표시장치에서 본 발명에 따른 전기변색 소자를 사용하면, 간편한 공정으로 성능을 개선시킬 수 있다. 예컨대, 본 발명은 기존 방식과 비슷한 공정을 사용하면서 이온스토리지층(25) 및 상부전극(26)의 투명도가 떨어지더라도 선명한 디스플레이를 구현할 수 있다.
본 발명에 따른 전기변색소자는 관찰자의 시야와 전기변색층 사이에 제2기판과 전해질층만이 위치하므로, 이온스토리지층 및/또는 제2전극에 의한 콘트라스트비 저하를 억제할 수 있다.

Claims (11)

  1. 제1기판의 제1영역 상에 제 1 전극이 형성되고 제1기판의 제2영역 상에 제 2전극이 형성되어 있으며, 상기 제1전극 상에 전기변색층이 형성되어 있고, 상기 전기변색층과 제2전극 상에 공통으로 전해질층이 형성되어 있으며, 상기 전해질층 상에 제2기판이 형성된 것이 특징인 전기변색소자.
  2. 제1항에 있어서, 제2전극과 전해질층 사이에 이온스토리지층이 형성되어 있는 것이 특징인 전기변색소자.
  3. 제1항에 있어서, 제 2 전극은 전기변색층이 차지하지 않는 빈 공간에 형성되어 있는 것이 특징인 전기변색소자.
  4. 제2항에 있어서, 이온스토리지층은 전기변색층이 차지하지 않는 빈 공간에 형성되어 있는 것이 특징인 전기변색소자.
  5. 제2항에 있어서, 이온스토리지층의 두께를 전기변색층보다 두껍게 하여 전기변색층이 차지하는 면적을 크게 한 것이 특징인 전기변색소자
  6. 제1항에 있어서, 전해질층은 전기변색반응에 관여하는 이온이 포함된 이온 성액체층인 것이 특징인 전기변색소자.
  7. 제 1항에 있어서, 제1전극 및 제2전극은 외부구동회로와 직접 연결되는 있는 것이 특징인 전기변색소자
  8. 제1항에 있어서, 제 1전극은 박막트랜지스터(Thin Film Transistor, TFT) 위에 형성되고 제2전극은 외부구동회로와 직접 연결되는 있는 것이 특징인 전기변색소자.
  9. 제1항에 있어서, 전기변색소자 내부 또는 전기변색소자 외부에 반사층이 형성되어 있는 것이 특징인 전기변색소자.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 기재된 전기변색소자가 구비된 디스플레이 장치.
  11. 제10항에 있어서, 전기변색소자가 직접구동방식 또는 능동구동방식으로 구비된 디스플레이 장치.
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