KR20140041708A - 가시 영역 투명성을 갖는 ｉｒ―모듈레이팅 전기 활성 디바이스 - Google Patents

가시 영역 투명성을 갖는 ｉｒ―모듈레이팅 전기 활성 디바이스 Download PDF

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KR20140041708A
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존 알. 레이놀즈
오브리 린 다이어
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유니버시티 오브 플로리다 리서치 파운데이션, 인크.
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Abstract

전기 변색 전지는 최소로 색이 변하는 폴리머 (minimally color changing polymer, MCCP) 및 색이 변하지 않는 폴리머 (non-color changing polymer, NCCP)를 포함하고, 중성 상태 또는 산화된 상태는 NIR에 매우 투과적이고, 산화된 상태 또는 중성 상태 각각은 NIR에서 현저히 덜 투과적이다. 전기 변색 디바이스 (ECD)는 전기 변색 전지 또는 전기 변색 전지의 조합을 포함할 수 있다. ECD는 창문을 통해 IR 투과율을 제어하기 위한 라미네이트 또는 창문의 일부일 수 있다.

Description

가시 영역 투명성을 갖는 ＩＲ―모듈레이팅 전기 활성 디바이스{INFRARED-MODULATING ELECTROACTIVE DEVICE WITH VISIBLE REGION TRANSPARENCY}
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 2011년 6월 30일에 출원한 미국 가출원 제61/502,999호의 이익을 주장하는 것이며, 이 내용은 도식, 표 또는 도면을 포함하는 전체가 여기에 참조로 인용된다.
집, 사무용 빌딩, 항공기 및 자동차와 같은 구조에서 창문을 통한 적외 및 열 방사의 투과를 제어하려는 노력은 에너지 절약 및 온도 모듈레이션 분야에서 최고의 관심사이다. 이러한 창문에 대한 최신 기술은 일반적으로 전기 변색, 열 변색 및 광 변색 물질을 포함하고, 선택된 방사를 모듈레이션시키는 물질 및 로우(low)-e 유리를 기반으로 한다. 활성적으로 제어되는 방법으로, 에너지 절약에 가장 적용 가능한 어플리케이션은 전기 변색을 기반으로 한다. 이러한 창문은, 전기 변색 활성 물질이 코팅될 때, 상기 코팅된 전기 변색 물질을 분리하는 전해질을 갖는 2개의 투명한 전극을 기반으로 한다. 탐구될 전기 변색 물질은 금속 산화물, 작은 유기 분자 및 콘쥬게이팅된 폴리머를 포함한다. 이러한 창문은 가시 영역 모듈레이션과 독립적으로 IR 투과의 조정 가능한 제어를 할 수 없다.
전기 변색 전지의 작동 원리는 배터리와 유사하고, 예컨대 하나의 전기 변색 코팅된 전극은 애노드이고, 다른 것은 카운터 전극, 캐소드로 작용한다. 대부분의 높은 콘트라스트 전지는 애노드에 활성적인 착색 물질을, 캐소드에 전하 균형 물질을 포함하고, 상기 전하 균형 물질은 착색 물질에 상보적인 착색성을 보이거나 색 변화가 거의 없거나 색 변화가 전혀 없는 것을 보여준다. 일반적으로, 전기 변색 전지에 전압이 인가되지 않으면, 방사의 흡수는 가시 영역에서 일어나고, 전지는 착색 상태가 된다. 상기 전지에 포지티브 전압이 인가되면, 가시 영역에서 높은 투과율을 갖는 탈색 상태가 얻어진다.
전지의 작동은 하나가 산화되고, 다른 하나는 환원되는, 상보적인 물질을 필요로 한다. 최신 전기 변색 창문의 상태는 보다 높은 가시 영역 광학 모듈레이션을 가지고, 디바이스 작동 시에 항상 적어도 하나의 매우 IR이 흡수되는 물질을 가져, 긴 파장 (NIR 및 IR) 광학 변화가 최소이다(State of the art electrochromic windows have a visible region optical modulation that is rather high, where long wavelength (NIR and IR) optical changes are minimal with at least one of the materials being highly IR absorptive during device operation at all times). 그로써, 열 방사를 활성적으로 모듈레이팅하기 위한 능력을 거의 들이지 않고, 제한된 프라이버시 및 눈부심 감소를 제공하고, 색조가 더해진 상태와 색조가 더해지지 않은 상태 사이를 스위칭하는 창문을 갖는 많은 양의 가시광 모듈레이션이 존재한다. 도 1은 하나의 전극 (ECP-블랙)에 콘쥬게이팅된 폴리머 전기 변색계 및 카운터 전극에 최소로 색이 변하는 재료 (minimally coloring material, MCCP)를 기반으로 하는 일반적인 전기 변색 디바이스의 모듈레이션을 도시하고, 상기 디바이스는 가시 영역에서 높은 콘트라스트(555 nm에서 40% ΔT), NIR에서 적은 콘트라스트(1200 nm에서 18% ΔT 및 2000 nm에서 4.2%)를 갖는다. 이러한 한 쌍의 물질은 디바이스가 최소 가시광 투과적인 경우에 NIR 방사의 투과율이 최대가 되도록 하는데, 이는, 따뜻한 날에 태양광으로부터 열을 약화시키고, 추운 날에 NIR 방사를 투과시키고, 가시광 모듈레이션이 중요한 것이 아닌 저녁에 열 제어를 하도록 창문에 대해 소망하는 것과는 반대의 행태이다.
따라서, 빌딩, 자동차 및 항공기를 포함하는 구조물 및 차량에서 열 제어를 위해 IR 방사를 모듈레이팅할 수 있는 디바이스에 대한 요구는 여전히 남아있다. 일반적으로, 더운 날 동안, 최소의 비용으로 실내를 시원하게 유지하는 것이 바람직하다. 따라서, 낮은 IR 투과율을 갖는 창문이 바람직하다. 반대로, 추운 날, 최소의 비용으로 실내를 따뜻하게 유지하도록 높은 IR 투과율을 갖는 창문을 갖는 것이 유리하다. 따라서, 가시광 변이가 거의 없이 내지 전혀 없이 IR 투과를 제어시킬 수 있는 전기 변색 전지가 바람직하다.
본 발명의 실시예는 전지를 통해 가시 투과의 변화가 거의 없이 IR 투과의 제어를 위한 IR 모듈레이팅 전기 변색 전지에 관한 것이다. 상기 전지는, 예컨대 중성에서 산화된 상태로 변화하는 동안, 근적외선(near IR) 및/또는 적외선에서 투과가 20% 초과로 변화하지만, 가시광에서 15% 미만으로 변화하는 최소로 색이 변하는 폴리머 (minimally color changing polymer, MCCP)를 포함한다. MCCP는 적어도 하나의 전극과 전기적으로 접촉하고, 적어도 하나의 카운터 전극과 전기적으로 접촉하는 색이 변하지 않는 폴리머 (non-color changing polymer, NCCP)와 전기적으로 접촉한다. NCCP는, 중성과 산화된 상태 사이를 스위칭하는 경우에, 가시광, 근적외선 또는 적외선에서 거의 변화를 보이지 않는다. MCCP는 폴리(N-알킬 치환된 에틸렌디옥시피롤), 폴리(N-알킬 치환된 프로필렌디옥시피롤), 또는 이들의 코폴리머와 같은 폴리(N-치환된 알킬렌디옥시피롤)일 수 있다. NCCP는 일부 또는 모든 반복 단위에 레독스-활성 2,2,6,6-테트라메틸피페리딘-N-옥실 (TEMPO) 기를 갖는 폴리머일 수 있다. 폴리(2,2,6,6-테트라메틸피페리디닐옥시-4-일 메타크릴레이트) (PTMA)가 NCCP로 사용될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 전기 변색 디바이스 (ECD)는 IR 모듈레이팅 전기 변색 전지를 포함한다. ECD는 단일 전극 상에 MCCP 및 단일 카운터 전극 상에 NCCP를 가질 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에서, ECD는 2개의 결합된 전기 변색 전지를 포함하고, 2개의 MCCP는 2개의 애노드 상에 존재하고, NCCP는 2개의 애노드 사이에 위치하는 단일 캐소드 상에 또는 내에 존재한다. 단일 캐소드는 다공성일 수 있고, 캐소드의 기공 내에 위치하거나 또는 캐소드의 한쪽 또는 양쪽면 상에 위치하는 NCCP를 갖는다. ECD는 빌딩 또는 차량용 창문일 수 있고, 창문 부착용 라미네이트일 수 있다.
도 1은 탈색된 상태 및 착색된 상태에서 선행 기술의 흑색에서 투명으로(black-to-clear) 스위칭 전기 변색 디바이스의 파장에 대한 투과율 플롯을 도시하고, 상기 디바이스는, 유리 지지된 ITO 애노드 상에 ECP-black (black to transmissive electrochromic polymer) 및 유리 지지된 ITO 캐소드 상에 PProDOP-C18 (MCCP)를 이용하여 구성된다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전지의 사용을 위한, 중화 및 산화 전위에서 ITO 전극 상에 A) 폴리(N-옥타데실-프로필렌디옥시피롤) (PProDOP-N-C18) 및 B) 폴리(2,2,6,6-테트라메틸피페리디닐옥시-4-일 메타크릴레이트) (PTMA)의 스프레이-캐스트 막의 파장에 대한 퍼센트 투과율의 플롯을 도시한다.
도 3은 A) 본 발명의 실시예에 따르는, IR 활성 애노드 전기 변색 물질로서 MCCP 및 캐소드 물질로서 NCCP를 갖는 2-전극 전지(2-electrode cell), B) 본 발명의 실시예에 따르는, 한쌍의 애노드 상에 MCCP 및 이중-측 투과적 캐소드 상에 NCCP를 갖는 3-전극 전기 변색 디바이스(3-electrode electrochromic device) (ECD)를 도시한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라, 도 3A에 나타낸 바와 같이 A) 2-전극 전지, 도 3B에 나타낸 바와 같이 B) 3-전극 디바이스에 대한 중성 및 산화 상태에서의 MCCP (PProDOP-N-C18) 애노드 및 NCCP (PTMA) 캐소드 물질의 합성 스펙트럼을 도시한다.
본 발명의 실시예는 중성과 산화 상태 사이에서 스위칭되는 경우에 크게 적용 가능한 NIR 및 IR 변화를 갖지만, 중성 및 산화 상태에서 스위칭 동안 가시 영역에서 투과율이 거의 변화되지 않는(전기 변색이 거의 없거나 또는 전혀 없는) 전기 변색 전지에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 따르면, 전기 화학 전지는, 애노드 상에 IR 전기 변색 증착되는 MCCP (minimally-color changing polymer) 및 전지의 캐소드 상에 증착되는, 가시광 및 IR에서 비활성적인 NCCP (non-color changing polymer)인, 디바이스의 활성 성분의 사용에 의해 이러한 NIR 및 IR 전기 변색 행태를 달성한다. 본 발명의 실시예에서, MCCP는 폴리(N-치환된 알킬렌디옥시피롤)이다. 상기 폴리(N-치환된 알킬렌디옥시피롤)은 폴리(N-알킬디옥시피롤)일 수 있고, 여기서 N-알킬기는 알킬, 설포네이트, 아릴, 또는 니트릴 기능(functionality)으로 종결되는 C1 내지 C30 알킬기일 수 있다. N-치환은 올리고 또는 폴리에테르 치환기, 예컨대 N-[(CH2CH2O)x-(CHCH3CH2O)y]nR이고, 여기서 x 및 y는 각각 평균하여 0 내지 20이고, n은 1 내지 20이고, R은 H, 알킬, 아릴, 니트릴, 또는 프로필설포네이트이고, 여기서 프로필설포네이트는 알칼리 금속 또는 암모늄 이온과 이온 쌍이되거나, C1 내지 C20 알킬기로 알킬화된다. 알킬렌디옥시피롤은 치환 또는 미치환 에틸렌디옥시피롤, 프로필렌디옥시피롤, 부틸렌디옥시피롤 또는 유사 유도체일 수 있다. NCCP는 폴리노르보렌(polynorborene), 폴리메타크릴레이트(polymethacrylate), 폴리아크릴아미드(polyacrylamide), 또는 폴리락타이드(polylactide)와 같은 레독스-활성 2,2,6,6-테트라메틸피페리딘-N-옥실 (TEMPO) 기를 함유하는 폴리머, 그 중에서도, 예컨대 폴리(2,2,6,6-테트라메틸피페리디닐옥시-4-일 메타크릴레이트) (PTMA)일 수 있다.
본 발명의 실시예에서, MCCP는 폴리(N-옥타데실-프로필렌디옥시피롤)(PProDOP-N-C18)일 수 있고, NCCP는 PTMA일 수 있다. 예시적인 전기 변색 전지용 애노드성 착색 MCCP의 분광전기화학 특성을 도 2a에 도시하고, 중성과 산화 상태 사이에서 가시 영역 모듈레이션(555 nm에서 7.5% ΔT)은 거의 일어나지 않지만, 1600 nm의 NIR에서 34%의 확연히 커진 차이(difference)가 관측된다. 도 2b에 나타낸 바와 같이, NCCP, PTMA는 스펙트럼의 가시광 또는 IR 부분에서 광학 모듈레이션이 보이지 않는다.
본 발명의 실시예에서, MCCP 및 NCCP는, PProDOP-N-C18 및 PTMA를 포함하는 전지에 대해 도 3A에 개략적으로 도시된 바와 같이, 단순한 2-전극 전기 변색 디바이스(ECD)와 조합될 수 있다. 도 2의 중성 및 산화 스펙트럼의 합은 도 3A에 나타낸 바와 같이, ECD가 1600 nm에서 26%의 NIR 콘트라스트, 555 nm의 가시광에서 10% 콘트라스트를 갖는, 도 4A에 나타낸 스펙트럼 특성을 갖는다. 이러한 ECD에서, 산화 상태에서 가시광과 NIR 방사 모두의 흡수는 중성 상태의 흡수보다 더 크다.
본 발명의 다른 실시예에서, 도 3B에 나타낸 바와 같이, 3-전극 전기 변색 디바이스는 전지의 콘트라스트를 증가시키도록 구성될 수 있다. 3-전극 ECD는 각각의 측에 NCCP (PTMA)로 코팅된 중앙의 캐소드와 커플링되는 2개의 MCCP (PProDOP-N-C18) 코팅된 애노드를 갖는다. 3-전극 ECD는 일반적인 카운터 전극을 이용함으로써 2개의 커플링된 2-전극 전기 변색 전지의 광학 등가물이다(is the optical equivalent of two coupled 2-electrode electrochromic cells). 이러한 방법으로, 도 4B에서 볼 수 있는 것과 같이, IR 및 NIR에서의 콘트라스트는 단일 2-전극 전기 변색 전지와 비교하여 증가하였고, 도 4A에 나타낸 바와 같이, 1600 nm에서의 NIR 콘트라스트는 52%로 2배지만, 555 nm에서의 콘트라스트는 3-전극 디바이스에서 단지 14% 증가했다.
본 발명의 실시예에 따라서, 전기 변색 전지 및 디바이스는 애노드 및 캐소드 상의 폴리머들 사이에 위치하는 적어도 하나의 전해질층을 포함한다. 전해질층은 겔 전해질, 고형 전해질 또는 이온 액체일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 전해질층은 폴리(메틸 메타크릴레이트) 및 염 LiClO4를 함유하는 프로필렌 카보네이트 (PC) 용액과 같은 겔 전해질이다. 본 발명의 다른 실시예에서, 전해질층은 고형 상태의 전해질이다. 고형 전해질은 폴리(에틸렌옥시드), 폴리(프로필렌옥시드), 메톡시에톡시에톡시 치환된 폴리포스파젠(methoxyethoxyethoxy substituted polyphosphazene), 폴리에테르계 폴리우레탄, 및 금속염을 용해하고 이온 전도 복합체를 제공할 수 있는 다른 유사한 폴리머와 같은 극성 폴리머 호스트를 포함한다. 일반적인 금속염은 그것에 한정되지 않지만 테트라플루오로보레이트, 퍼클로레이트, 트리플레이트 및 비스(트리플루오로메틸설포닐)이미드를 포함하는 비친핵 음이온과, Li+, Na+, K+, 및 Cs+를 포함하는 알칼리 양이온을 포함한다. 10-5 내지 10-4 S/cm의 실온 전도성이 일반적으로 얻어지고, 본 발명의 대부분의 어플리케이션에 적합하다.
본 발명의 실시예에서, MCCP 및 NCCP와 접촉하는 전극은 인듐-주석 산화물 (ITO)를 포함하고, ITO가 낮은 표면 저항을 갖는 경우에, NIR 및 미드-IR에서 투과율을 제한한다. 도 2에서 관측되는 바와 같이, 작지만 NIR 및 IR의 일부 투과율의 부족은 박형 ITO 전극에 의한 반사율로부터 발생한다.
본 발명의 실시예에 따라, ECD는 창문의 일부일 수 있고, 전극의 한쪽 또는 양쪽용 기판은 가시광 및 NIR 광에 투과율이 높은 유리일 수 있다. ECD는 도 3A에 나타낸 바와 같이 2-전극 디바이스, 도 3B에 나타낸 바와 같이 3-전극 디바이스일 수 있다. 기판은 유리 또는 플라스틱 물질일 수 있다. 본 발명의 실시예에서, 창문은 2개 이상의 ECD를 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, ECD는 플렉서블한 라미네이트이고, 상기 전극용 기판은 플렉서블한 플라스틱이다. 플렉서블한 플라스틱은 폴리에틸렌 (PE), 폴리프로필렌 (PP), 폴리(에틸렌 테레프탈레이트) (PET), 폴리(에틸렌 나프탈레이트) (PEN), 폴리(페닐렌 설파이드) (PPS), 폴리카보네이트 (PC), 폴리설폰, 폴리에테르설폰, 폴리(메틸메타크릴레이트) (PMMA), 폴리부타디엔, 폴리이소프렌 및/또는 실리콘을 포함한다.
여기에 기재되는 실시예 및 실시형태는 오직 설명을 위한 것이고, 이의 관점에서 다양한 변형 또는 변경은 당업자에게 제안될 것이고, 본 출원의 사상 또는 범위 내에 포함되도록 하는 것을 이해해야 한다.

Claims (15)

  1. 적어도 하나의 전극과 접촉하는 최소로 색이 변하는 폴리머 (minimally color changing polymer, MCCP) 및 적어도 하나의 카운터 전극과 접촉하는 색이 변하지 않는 폴리머 (non-color changing polymer, NCCP)를 포함하는 IR 모듈레이팅 전기 변색 전지로서:
    상기 MCCP의 투과율은 중성에서 산화된 상태까지 변화 시에, 근적외선 및/또는 적외선에서 20% 초과로 변화하지만, 가시광에서 15% 미만으로 변화하고,
    상기 NCCP는 중성에서 산화된 상태까지 변화 시에 가시광, 근적외선, 또는 적외선에서 투과율의 변화를 거의 겪지 않거나 또는 전혀 겪지 않는 것인, 전기 변색 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 MCCP는 폴리(N-치환된 알킬렌디옥시피롤)인 것인, 전기 변색 전지.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 폴리(N-치환된 알킬렌디옥시피롤)은 폴리(N-알킬 치환된 에틸렌디옥시피롤), 폴리(N-알킬 치환된 프로필렌디옥시피롤), 또는 이들의 코폴리머인 것인, 전기 변색 전지.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 폴리(N-치환된 알킬렌디옥시피롤)은 폴리(N-옥타데실-프로필렌디옥시피롤) (PProDOP-N-C18)인 것인, 전기 변색 전지.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 NCCP는 레독스-활성 2,2,6,6-테트라메틸피페리딘-N-옥실 (TEMPO) 기를 포함하는 폴리머인 것인, 전기 변색 전지.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 레독스-활성 2,2,6,6-테트라메틸피페리딘-N-옥실 (TEMPO) 기를 포함하는 폴리머는 폴리(2,2,6,6-테트라메틸피페리디닐옥시-4-일 메타크릴레이트) (PTMA)인 것인, 전기 변색 전지.
  7. 제1항의 적어도 하나의 전기 변색 전지를 포함하는 전기 변색 디바이스 (ECD).
  8. 제7항에 있어서,
    상기 전기 변색 전지는 단일 전극 상에 MCCP, 단일 카운터 전극 상에 상기 NCCP를 포함하는 것인, 전기 변색 디바이스(ECD).
  9. 제7항에 있어서,
    2개의 전기 변색 전지는 결합되고, 2개의 전극 상에 2개의 MCCP 및 상기 2개의 전극 사이에 위치한 단일 카운터 전극 상에 또는 내에 NCCP를 포함하는, 전기 변색 디바이스(ECD).
  10. 제9항에 있어서,
    상기 카운터 전극은 다공성이고, 상기 NCCP는 기공 내에 및/또는 상기 카운터 전극의 한쪽 또는 양쪽면 상에 위치하는 것인, 전기 변색 디바이스(ECD).
  11. 제7항에 있어서,
    2개의 전기 변색 전지는 결합되고, 2개의 전극 상에 2개의 NCCP 및 상기 2개의 전극 사이에 위치하는 단일 카운터 전극 상에 또는 내에 MCCP를 포함하는, 전기 변색 디바이스(ECD).
  12. 제11항에 있어서,
    상기 카운터 전극은 다공성이고, 상기 MCCP는 기공 내에 및/또는 상기 카운터 전극의 한쪽 또는 양쪽면 상에 위치하는 것인, 전기 변색 디바이스(ECD).
  13. 제7항에 있어서,
    상기 MCCP는 폴리(N-알킬 치환된 알킬렌디옥시피롤)을 포함하고, 상기 NCCP는 PTMA를 포함하는 것인, 전기 변색 디바이스(ECD).
  14. 제7항에 있어서,
    상기 디바이스는 빌딩 또는 차량용 창문인 것인, 전기 변색 디바이스(ECD).
  15. 제7항에 있어서,
    상기 디바이스는 창문용 라미네이트인 것인, 전기 변색 디바이스(ECD).

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