KR20140046445A - 가시광 및 ir 조정을 위한 다중 제어식 전기 변색 장치 - Google Patents

가시광 및 ir 조정을 위한 다중 제어식 전기 변색 장치 Download PDF

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KR20140046445A
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존 로버트 레이놀즈
라이언 마이클 왈잭
앤드류 가브리엘 린즐러
스베틀라나 바실예바
오브리 린 다이어
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유니버시티 오브 플로리다 리서치 파운데이션, 아이엔씨.
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Abstract

본 발명에 따른 전기 변색 장치(ECD)는 전기 변색 셀 그리고 선택적으로 1개 이상의 추가의 전기 변색 셀을 포함하고, 모든 셀은 평행하고, 셀 중 하나의 셀의 전극 중 적어도 하나는 단일-벽 탄소 나노튜브(SWNT) 필름을 포함한다. 전기 변색 셀은 ECD를 통해 전자기 스펙트럼의 2개 이상의 상이한 부분의 투과율의 제어를 가능케 한다. 하나의 셀이 가시 복사선의 투과율을 제어할 수 있고, 한편 다른 셀은 IR 복사선의 투과율을 제어할 수 있다. ECD는 창을 통해 열 및 광 투과율을 제어하는 "스마트 창"으로서 채용될 수 있다. ECD는 기존의 창에 추가될 수 있는 적층체의 형태를 취할 수 있다.

Description

가시광 및 IR 조정을 위한 다중 제어식 전기 변색 장치{MULTIPLE CONTROLLED ELECTROCHROMIC DEVICES FOR VISIBLE AND IR MODULATION}
[관련출원에 대한 교차-참조]
본 출원은 2011년 6월 30일자로 출원된 미국 가출원 제61/503,015호의 이익을 향유하며, 임의의 도표, 표 또는 도면을 포함하여 본 명세서에 전체로 참조로 합체된다.
매년, 전체의 미국 에너지 소비의 약 4%가 냉방 또는 난방 비용을 상승시키는 빌딩 내에서의 바람직하지 못한 열 이득 및 손실을 제공하는 불량한 단열 그리고 높은 태양 복사선 투과율로 인한 창 비효율성으로부터 기인된다. 창의 제거 또는 피복(covering)은 채광을 위한 비용 면에서의 상승을 요구하고, 미관 그리고 노동자의 생산성 및 행복감을 상승시키는 것으로 입증된 자연 채광의 다른 이익을 감소시킨다. 블라인드(blind)가 현란한 눈부심을 피하는 데 사용되는 경우에, 빈번하게 이들은 눈부심이 끝날 때에 재개방되지 않는다.
이들 단점을 해결하기 위해, 동적 창(dynamic window)이 에너지 효율적인 창 연구의 전면에 나서고 있다. 제어 전압의 인가 시에 가시 광 및/또는 열 유속 특성을 제어 가능하게 조정할 수 있는 전기 변색 창(electrochromic window)은 창의 열 유속 특성이 수동으로 또는 자동으로 제어될 수 있으므로 창에서의 비효율성을 완화시킬 유망한 후보이다. 그러나, 열 유동[근 적외선(NIR: near infrared) 및/또는 중 적외선(MIR: middle infrared) 투과율] 그리고 창의 가시광 투과율(visible transparency)을 독립적으로 그리고 동시에 변화시키는 시스템이 입증되지 못했다. 인듐 주석 산화물(ITO: Indium tin oxide)이 동적 창 내의 투과성 전극(들)으로서 사용될 수 있지만, 그 고유 성질은 가요성 전기 변색 장치(f-ECD: flexible electrochromic device)에서의 그 사용에 대해 많은 결점을 제시하고 있다. 예컨대, 플라스틱 상의 ITO는 반복적으로 굽혀질 때에 균열되어 사용 불가능해지고, 그에 의해 기존의 창을 보강하는 데 부적절해지게 한다. 나아가, ITO는 적외(IR: infrared) 광을 반사하고 그에 따라 요구될 수 있는 정도로 높은 수준에서의 IR 투과율을 허용하지 못한다.
스마트 창 적용 분야(smart window application)에 추가하여, 적절한 IR 투과 전도성 기판 상의 흡수성/투과성 IR f-ECD가 IR 검출기 및 촬영 시스템을 위한 굽힘 가능한 경량 IR 셔터 및 필터로서 사용될 수 있을 것이다. IR 기술 영역은 고비용의 무거운 기계식 상대물의 대체물로서 f-ECD를 도입하는 것으로부터 큰 이익을 얻을 것이다.
본 발명의 실시예는 ECD 내의 1개 이상의 전기 변색 셀의 조절에 의해 독립적인 열 및 광 제어를 동시에 가능케 하는 ECD에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 전기 변색 시스템은 적어도 1개의 전기 변색 셀을 포함하고, 복수개의 셀을 갖는 이들 ECD는 필름을 포함하는 단일 벽 탄소 나노튜브(SWNT: single walled carbon nanotube)를 포함하는 적어도 1개의 셀의 적어도 1개의 전극을 포함한다.
각각의 셀은 작동 전극, 전기 변색 층, 전해질 층 및 전하 균형 층을 포함한다. 하나의 실시예에서, 단일 전기 변색 셀은 가시광 및/또는 적외선 스펙트럼 영역 내에서의 그 흡수율/투과율 또는 반사율을 변화시키는 전기 변색 재료를 사용하고, 그에 의해 가시광 및 IR 조정의 동시 제어 또는 정확한 적외선 콘트라스트를 가능케 한다. ECD는 "스마트 창"으로서 또는 검출/촬영 시스템 내의 IR 셔터/필터로서 사용될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 복수개의 독립형 전기 변색 셀 중 하나가 가시광 내에서의 그 흡수율 또는 반사율을 변화시키는 전기 변색 재료를 사용하고, 한편 제2 셀이 적외선 내에서의 그 흡수율 또는 반사율을 변화시키는 전기 변색 재료를 사용한다. 그러므로, 전기 변색 셀에 인가되는 전위를 독립적으로 제어함으로써, 시스템이 "스마트 창"으로서 채용될 때에, 가열 복사선(IR) 및 가시 광 통과가 독립적으로 제어될 수 있다.
ECD는 자동 제어를 위한 온도 및/또는 광 센서를 추가로 포함할 수 있다. 하나의 실시예에서, 광 센서가 가시광 흡수성 또는 반사성 전기 변색 재료를 사용하여 셀에 대해 회로 내에 포함되고, 온도 센서가 적외선 흡수성 또는 반사성 전기 변색 재료를 사용하여 셀에 대해 회로 내에 포함된다.
ECD는 독립형일 수 있거나, 기존의 표면에 가해질 수 있는 적층체의 형태로 되어 있을 수 있다. ECD는 시스템을 통한 광 및 열(적외선)의 수동 또는 자동 제어를 가능케 한다.
도 1은 150-㎚ 두께의 독립형 SWNT 필름(상부 곡선), AM1.5G 태양 복사선 스펙트럼(λ최대 = 1.6485 W/m-2·㎚-1)(ASTM G173-03 기준 스펙트럼으로부터 우측 곡선) 그리고 플랑크 방정식을 사용하여 계산되는 23.9℃에서의 흑체 복사체로부터의 방출(λ최대 = 29.8 W·m-2·㎛-1)(좌측 곡선)의 투과 스펙트럼을 도시하고 있고, 상부 화살표는 공통의 전자기 스펙트럼 영역을 나타내고, 음영 영역은 적어도 1개의 전극의 투과율이 본 발명의 실시예에 따른 전기 변색 장치(ECD)에서 바람직한 스펙트럼의 부분을 나타낸다.
도 2는 MIR 영역 내에서의 SWNT/PE의 높은(70-80%) 투과율을 표시하는 폴리에틸렌(PE)(0.025 ㎜(0.001") 및 0.076 ㎜(0.003")의 두께) 상의 60 ㎚ SWNT 필름의 투과 스펙트럼을 도시하고 있다.
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 전극을 포함하는 2개의 SWNT가 중심 공통 기판의 2개의 측면 상에 피착되는 2개의 독립형 전기 변색 셀을 갖는 전기 변색 장치(ECD)를 도시하고 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 ECD 내의 SWNT 필름에 사용될 수 있는 "점착성-PF"의 화학적 구조를 도시하고 있다.
도 5는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 가시 광 및 IR이 전극을 포함하는 2개의 SWNT를 갖는 단일 전기 변색 셀 내에서 동시에 조정되는 단일 셀을 포함하는 ECD를 도시하고 있다.
도 6은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 관찰 가능한 변색 상태 및 관찰 가능한 표백 상태에서 2개의 PE 기판을 사용하여 SWNT 캐소드 상에 피착되는 흑색-투과성 전기 변색 중합체 그리고 SWNT 애노드 상에 피착되는 MCCP 전기 변색 중합체를 갖는 단일 셀 ECD에 대한 A) 가시광/NIR 영역 및 B) MIR 내에서의 투과 스펙트럼을 도시하고 있다.
본 발명의 실시예는 가시 광과 독립적으로 또는 가시광 조정과 동시에 IR 흡수율 또는 반사율의 제어를 가능케 하는 전기 변색 장치(ECD)로 지향된다. 이 장치는 독립형일 수 있거나, 또 다른 장치의 표면에 부착될 수 있는 적층체일 수 있다. 예컨대, 본 발명의 하나의 실시예에서, ECD가 피착되는 기판은 기존의 창의 대부분을 구성하는 유리 또는 플라스틱일 수 있다. 단일 벽 탄소 나노튜브(SWNT) 필름이 참조로 본 명세서에 합체되어 있는 미국 특허 제7,261,852호에 개시된 것과 같이 투과성 전도체로서의 적용을 위해 개발되었다. 도 1은 원(far) IR 내지 UV의 범위 내에서의 독립형 150 ㎚ 두께의 SWNT 필름의 투과 스펙트럼을 도시하고 있다. 대부분의 태양 열은 도 1에 표시된 것과 같이 400 내지 1250 ㎝-1(8-25 ㎛) 영역 내의 흡수된 태양 복사선으로부터 기인된다. 비교적 두꺼운 SWNT 필름은 중-IR 영역 내에서 50 내지 80% 투과율을 나타낸다. SWNT 필름은 ITO가 실질적으로 불투과성인 영역인 IR 영역 내에서 높은 투과율을 나타낸다. 가시광 내지 원 IR 내에서의 높은 동시 투과율은 SWNT 필름이 IR 열 유동 및 가시 광을 동시에 제어하는 ECD의 전극으로서의 사용을 위한 효과적인 전도체가 되게 한다. SWNT 필름의 또 다른 유리한 특징은 성질 면에서 손실을 갖지 않는 반복된 굽힘에 대한 강인성이다. 이들 특징은 SWNT 필름이 "스마트 창" 적용 분야에서 가시광 색상 밀도 및 열 발생 복사선을 제어하거나 검출/촬영 시스템에서 가시광 및 IR 콘트라스트를 제어하는 가요성 전기 변색 장치(f-ECD)에 대해 유용해지게 한다. 2개의 상이한 폴리에틸렌(PE) 시트 두께에 대한 SWNT 필름의 IR 스펙트럼이 도 2에 도시되어 있다. 이들 필름은 중-IR(MIR) 내에서 70-80% 투과율을 나타낸다.
본 발명의 하나의 실시예에 따른 ECD(16)는 전개되어 적층 해제된 형태로 도 3에 도시된 것과 같이 적층체의 형태로 된 2개의 독립형 셀을 포함한다. ECD는 창 또는 도시된 적층체가 부착되는 다른 장치로서 기능하는 기판을 포함할 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 이러한 예시 실시예에서, ECD를 포함하는 2개의 셀이 공통의 중심 기판(7)을 공유하지만; 당업자라면 2개의 별개의 기판(7', 7")이 공통의 기판(7)을 대체할 수 있다는 것을 용이하게 이해할 수 있다. 제1 셀(14)이 ECD를 통해 가시 광을 제어하고, 한편 기판(1)이 제1 셀을 위한 전극으로서 작용하는 SWNT 필름(2)을 갖는다. 선택 사항으로, SWNT 필름(2)은 참조로 여기에 합체되어 있는 PCT 특허 출원 공개 제WO/2008/046010호; 제WO/2008/103703호 또는 제WO/2009/023337호에 개시된 것과 같이 SWNT와의 강력한 착물화(complexation)를 제공하는 불완전 작용기(pendent group)를 갖는 비-공액, 부분 공액 또는 완전 공액 중합체를 포함할 수 있다. SWNT 필름(2)은 중성 및 산화 상태 사이에서 전기적으로 변환됨에 따라 가시 광의 그 흡수를 변화시키는 전기 변색 층(3)에 전기적으로 접촉된다. 전기 변색 층(3)은 전하 균형 중합체 층(5)에 전해질 층(4)에 의해 연결되고, 전하 균형 중합체 층(5)은 기판(7)의 양쪽 측면 상에 코팅되는 SWNT 필름(6, 8)을 포함하는 이중-측면 전극에 접촉되고, SWNT 필름(6)은 제1 셀(14)의 전극이고, SWNT 필름(8)은 제2 셀(15)의 전극이다. ECD(16) 내의 제2 셀(15)의 구조는 전기 변색 층(11)이 예컨대 중성(또는 산화) 상태에서 적외 광을 흡수 또는 반사하고 예컨대 산화(또는 중성) 상태에서 적외 광을 투과하는 전기 변색 중합체를 포함한다는 점을 제외하면 제1 셀(14)의 구조를 반영할 수 있다. SWNT 필름(8)은 제2 전하 균형 층(9)에 접촉되고, 제2 전하 균형 층(9)은 제2 전기 변색 재료(11)로부터 전하 균형 층을 분리하는 제2 전해질 층(10)에 접촉된다. 제2 셀(15) 및 장치(16)는 SWNT 필름(12)이 코팅된 기판(13)을 포함하는 제2 셀의 전극에 의해 완성된다.
본 발명의 실시예에서, 기판(1, 7 또는 13)은 투과성이고, 예컨대 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리(에틸렌 테레프탈레이트)(PET), 폴리(에틸렌 나프탈레이트)(PEN), 폴리(페닐렌 설파이드)(PPS), 폴리카보네이트(PC), 폴리술폰, 폴리에테르술폰, 폴리(메틸메타크릴레이트)(PMMA) 또는 임의의 다른 투과성 또는 투과성 UV-안정화 재료 등의 플라스틱일 수 있다. 본 발명의 또 다른 실시예에서, 기판(1, 7 또는 13)은 투과성이고, 탄성 중합체 예컨대 폴리디메틸실록산(PDMS) 또는 다른 실리콘, 폴리부타디엔, 폴리이소프렌, 또는 이들의 임의의 공중합체일 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에서, 기판(1, 7 또는 13)은 유리, 반도체 또는 요구된 전기 변색 파장 영역 내에서의 적절한 투과성의 다른 재료일 수 있다. 본 발명의 실시예에서, 이 장치가 새로운 또는 대체 창인 경우에, 투과성 기판(1, 7 또는 13)은 창의 주요 부분일 수 있다. 투과성 기판이 창의 외부 부분인 경우에, 강인한 플라스틱 예컨대 PC 또는 PET의 사용은 기존의 구조물에서 통상적으로 채용되는 유사한 두께의 유리 창에 비해 열 전도도를 감소시키고 내충격성을 상승시킬 수 있다.
필름(2, 6, 8, 12)을 포함하는 SWNT는 참조로 여기에 합체되어 있는 린즐러(Rinzler) 등의 미국 특허 제7,261,852호에 개시된 것과 같이 기판(1, 7 또는 13) 상에 형성될 수 있다. 기판 상의 필름을 포함하는 투과성 및 전도성 SWNT를 피착하는 임의의 다른 방법이 채용될 수 있다. 필름을 포함하는 SWNT는 제어 방식으로 금속 나노와이어(metal nanowire), 그래핀 시트(graphene sheet), 전도성 중합체 및/또는 다른 반도체성 또는 단열성 재료를 포함할 수 있다. SWNT는 도핑되지 않거나 도핑될 수 있다. SWNT 도펀트(dopant)는 예컨대 황산, 질산, 암모니아 또는 할로겐일 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에서, PCT 특허 출원 공개 제WO/2008/046010호에 설명된 것과 같은 소위 "점착성 푸트(stick foot)" 중합체가 공액 및/또는 전기 전도성 중합체의 합체를 촉진하도록 SWNT 필름(2, 6, 8, 12) 중 하나 이상 내에 포함된다. 이러한 "점착성 푸트" 중합체는 SWNT의 표면으로의 대략 단층으로서의 부착을 촉진한다. 작용기화된(functionalized) "점착성 푸트" 중합체는 SWNT 필름의 표면의 소수성을 증가 또는 감소시키는 불완전 치환기 예컨대 퍼플루오로알킬 체인, 에틸렌 산화물 체인, 알킬 체인, 실록산 체인 또는 이들의 조합을 가질 수 있다. 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 SWNT 필름에 대한 계면을 안정화시키는 데 사용될 수 있는 "점착성 푸트" 중합체 즉 "점착성 PF"의 구조를 도시하고 있다.
전하 균형 층(5, 9)은 색상을 변화시키지 않지만, 전환 중에 셀의 전하를 균형을 맞추는 전기 화학 산화 환원 반응을 경험한다. 공액 중합체에 추가하여, 다른 전기 활성 재료가 전환 중에 전하를 균형시키는 데 사용될 수 있다. 전하 균형 층(5, 또는 9)으로서 사용될 수 있는 중합체는 특정하게 공간적으로 그리고 정전기적으로 격리되는 상당한 국부화 전기 화학 활성 지점을 갖는 산화 환원 중합체를 포함한다. 전형적인 산화 환원 중합체는 불완전 작용기를 기반으로 하는 산화 환원-활성 전이 금속이 중합체 백본(polymer backbone)에 공유 결합되는 시스템으로 구성된다. 중합체 백본은 공액형 또는 비-공액형일 수 있다. 본 발명의 실시예에서 채용될 수 있는 산화 환원 활성 중합체의 비제한 예는, 폴리(비닐 페로센) 및 그 공중합체; 폴리(비닐트리피리딜 코발트 디클로라이드) 및 그 공중합체; 폴리(4-비닐피리딜 오스뮴 비스-비피리딜 디클로라이드) 및 그 공중합체; 폴리(피롤-co-N-벤질 루테늄 비스-비피리딜 클로라이드); 폴리(N-2-시아노에틸-3,4-프로필렌디옥시피롤); 그리고 폴리(2,2,6,6-테트라메틸피페리디닐옥시-4-yl 메타크릴레이트) 및 폴리[2,3-비스(2,2,6,6-테트라메틸피페리딘-N-옥시카르보닐)-노르보르넨] 등의 산화 환원-활성 2,2,6,6-테트라메틸피페리딘-N-옥실 작용기를 보유하는 중합체를 포함한다.
전해질 층(4, 10)은 젤 전해질, 고체 전해질 또는 이온성 액체일 수 있다. 본 발명의 하나의 실시예에서, 전해질 층(4 또는 10)은 아세토니트릴(ACN), 프로필렌 카보네이트(PC), 에틸렌 카보네이트(EC), 다른 알킬카보네이트 또는 폴리(메틸 메타크릴레이트)를 함유하는 혼합된 알킬카보네이트 용액 등의 젤 전해질 그리고 TBAPF6 또는 이온성 액체(IL) 등의 전해질 염이다. 전해질 염은 Li+, Na+, K+ 및 Cs+를 포함하는 테트라알킬암모늄 또는 알칼리 금속 양이온을 포함하지만 이들에 제한되지 않는 유기 양이온 그리고 테트라플루오로보레이트, 퍼클로레이트, 트리플레이트, 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드 또는 헥사플루오로안티모네이트를 포함하지만 이들에 제한되지 않는 비-친핵성 음이온을 포함한다. IL의 예는, 피리디늄 클로라이드; 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 디시안아미드; 비스(트리플루오로-메틸술포닐)이미드; 및 1-부틸-3,5-디메틸-피리디늄 브로마이드를 포함하지만 이들에 제한되지 않는다. 본 발명의 또 다른 실시예에서, 전해질 층(4, 10)은 고상 전해질일 수 있다. 고체 전해질은, 폴리(에틸렌 산화물); 폴리(프로필렌 산화물); 메톡시에톡시에톡시 치환형 폴리포스파젠; 폴리에테르 계열의 폴리우레탄; 그리고 금속 염을 용해시켜 이온 전도성 착물을 제공할 수 있는 다른 중합체 등의 극성 중합체 호스트(polar polymer host)를 포함한다. 10-5 내지 10-3 S/㎝의 실온 전도도가 전형적으로 달성된다. 더 높은 이온 전도도가 상승된 온도에서 이들 전해질로써 도달되는 경우에, 향상된 전기 변색 전환 속도가 달성될 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예에서, 전기 변색 층(3)은 가시광 영역 내에서의 흡수율을 변화시키고, 전기 변색 층(12)은 적외선 내에서의 흡수율 또는 반사율을 변화시킨다. 다른 실시예에서, 전기 변색 층(3) 및/또는 층(12)은 시스템의 특정한 적용 분야에 대해 설계되는 것에 따라 UV, 가시광, 근 IR, 단 IR, 중 IR, 원 IR 및 마이크로웨이브를 포함하는 EM 스펙트럼의 다른 영역 내에서의 투과율을 변화시킨다. 본 발명의 또 다른 실시예에서, 전기 변색 층(3) 및/또는 층(12)은 각각 가시 및 적외 광을 반사한다. 본 발명의 다른 실시예에서, 전기 변색 층(3 및/또는 12) 중 적어도 하나가 무기 반도체를 포함한다. 전기 변색 층(3)에 사용될 수 있는 전기 변색 중합체는 PProDOT, PEDOT, Ppy, PANI를 포함하는 것들 그리고 미국 특허 제7,807,758호 및 제6,791,738호 그리고 국제 특허 출원 공개 제WO/2011/003076호, 제WO/2010/138566호, 제WO/2010/062948호, 제WO/2009/058877호, 제WO/2009/117025호 및 제WO/2008/118704호에 개시된 중합체를 포함하고, 이들 특허 및 공개 특허 출원의 모두가 본 명세서에 참조로 합체되어 있다.
IR 내에서 흡수 또는 반사하고 전기 변색 층(12)에 본 발명의 실시예에 따라 사용될 수 있는 전기 변색 재료는, 루테늄(Ⅱ) 디옥솔렌 착물 그리고 그로부터 유도되는 중합체 및 공중합체; 트리스(피라졸릴)보라토-몰리브덴 착물 그리고 그로부터 유도되는 중합체 및 공중합체; 치환형 및 비치환형 N,N,N'N'-테트라페닐-p-페닐렌디아민(TPPA) 그리고 그로부터 유도되는 중합체 및 공중합체; 치환형 안트라퀴논 이미드 그리고 그로부터 유도되는 중합체 및 공중합체; 이핵 루테늄 착물을 함유하는 디카르보닐히드라진 그리고 그로부터 유도되는 중합체 및 공중합체; 폴리(N-알킬알킬렌디옥시피롤); 그리고 금속 산화물 반도체 예컨대 반도체를 포함하는 니켈 및/또는 텅스텐 산화물을 포함하지만 이들에 제한되지 않는다.
본 발명의 다른 실시예에서, ECD는 양면 SWNT 전극에 의해 결합되는 2개의 독립형 전기 변색 셀을 포함하고, 전기 변색, 전해질 및 전하 균형 층의 구성은 도 3의 구성과 상이하다. 예컨대, 전기 변색 층(3), 전하 균형 층(5) 및/또는 전기 변색 층(12) 및 전하 균형 층(9)의 상대 위치가 역전될 수 있다. 본 발명의 또 다른 실시예에서, ECD는 복수개의 양면 전극으로써 적층되는 다수개의 전기 변색 셀을 포함하고, 각각의 전기 변색 셀은 다른 셀로부터 전기적으로 격리된다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, ECD는 SWNT 필름을 포함하는 적어도 1개의 전극을 포함하고, 다른 전극은 투과성 전도체 산화물(TCO: transparent conducting oxide) 예컨대 인듐-주석-산화물(ITO), MWNT, DWNT, 그래핀 및 탄소 나노튜브 등의 투과성 전도체를 포함한다. 전도체를 포함하는 탄소는 도핑되거나 도핑되지 않을 수 있다. 본 발명의 또 다른 실시예에서, 기판에는 얇은 반투과성 금속화 층이 코팅되고, 그에 의해 복사선의 부분 반사/부분 투과를 가능케 한다. 본 발명의 또 다른 실시예에서, 기판에는 금속화 층 예컨대 금 층이 코팅되고, 그에 의해 복사선의 감쇠 반사를 가능케 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, ECD는 도 5에 도시된 것과 같이 단일 셀(28)을 포함하고, 가시 광 및 IR은 전해질 층(24)에 의해 분리되는 전기 변색 층(23, 25)에 의해 각각 동시에 조정된다. 본 발명의 이러한 실시예에서, 2개의 전극(22, 26)은 기판(21, 27) 상의 SWNT 필름 예컨대 폴리에틸렌 시트일 수 있다. 음 전압이 인가될 때에, ECD는 가시광 영역 내에서 흡수성이고 그에 의해 색상을 나타내고, NIR 및 MIR 내에서 낮은 흡수율을 갖는다. 양 전압이 인가될 때에, ECD는 가시광 내에서 상당한 투과성으로 되지만, NIR 및 MIR 내에서 비교적 높은 흡수율을 갖는다. 예시의 셀은, 점착성-PF가 코팅된 60 ㎚ SWNT 필름 캐소드에 접촉되는 전자-도너 3,4-프로필렌디옥시티오펜(ProDOT) 및 전자-억셉터 2,1,3-벤조티아디아졸(BTD)을 포함하는 흑색-투과성 전기 변색 도너-억셉터(DA) 공중합체; 점착성-PF가 코팅된 60 ㎚ SWNT 필름 애노드 상의 최소 변색 N-옥타데실 치환형 폴리(3,4-프로필렌디옥시피롤)에 결합되는 0.025 ㎜(0.001 인치) 폴리에틸렌(PE) 기판; 그리고 2개의 전기 변색 중합체를 분리하는 12 ㎖ 용매당 2 ㎎의 PE 비드(70 ㎛)를 갖는 7.2% 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 비스(트리플루오로메틸술포닐)이미드(EMI-BTI), 7.0%의 PMMA, 48.1% PC 그리고 37.7% Ec(중량%)의 젤 전해질을 갖는다. 이러한 ECD에 대한 가시광, NIR 및 중-IR 스펙트럼이 도 6에 도시되어 있다.
본 발명의 또 다른 실시예는 창의 적어도 1개의 표면 상에 적어도 1개의 ECD 적층체를 포함하는 창에 관한 것이다. 본 발명의 또 다른 실시예에서, 창 고정구(window fixture)는 창의 적어도 1개의 표면에 기본적으로 평행하게 위치되는 적어도 1개의 ECD 적층체를 포함하고, 전기 변색 적층체와 창 사이에 포위된 체적이 존재한다. 하나의 실시예에서, ECD 적층체와 창 사이의 체적에는 가스 일반적으로 건조 가스 예컨대 건조 공기, 또는 질소 또는 아르곤 등의 불활성 가스가 충전되거나, 창과 적층체 사이에 진공부를 형성하도록 진공화된다.
본 발명의 하나의 실시예에서, 창은 ECD를 포함하고, 창은 ECD의 투과성 기판이다. 본 발명의 이러한 실시예에서, ECD는 평판일 수 있거나, 임의의 다른 형상 예컨대 돔(dome)을 갖는 곡률을 나타낼 수 있다. 본 발명의 이러한 실시예에 따른 창은 빌딩이 아닌 구조물 예컨대 페이스 실드(face shield), 자동차 및 다른 차량을 위한 윈드 실드(wind shield), 또는 형상이 우선적으로 평판이 아니지만 가시 및 IR 복사선의 투과율의 독립적인 제어가 유리한 임의의 다른 적용 분야에 사용될 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예에서, ECD는 1개 이상의 광 센서를 포함할 수 있다. 광 센서는 ECD의 한쪽 또는 양쪽 표면 상에서 임의의 요구된 파장 또는 파장 범위를 검출할 수 있다. 센서는 전자기 스펙트럼의 가시광 및/또는 적외선 부분 내의 1개 이상의 파장 또는 파장 범위를 검출할 수 있다. 예컨대, ECD의 한쪽 측면 상에서 가시 및 IR 광의 양을 독립적으로 검출할 수 있는 2개의 센서가 포함될 수 있고, 그에 의해 ECD의 한쪽 또는 양쪽의 전기 변색 셀의 전극을 횡단하여 인가된 전위차는 센서에 의해 측정된 복사선의 강도를 기초로 하여 요구된 방식으로 ECD의 가시 또는 IR 복사선을 변화시키도록 감소 또는 증가될 수 있다. 본 발명의 또 다른 실시예에서, 1개 이상의 온도 센서가 ECD의 한쪽 또는 양쪽 표면 상에 포함될 수 있고, 그에 의해 측정된 온도는 ECD의 1개 이상의 전기 변색 셀의 전극을 횡단하여 인가된 전위차의 변화를 촉발하는 데 사용될 수 있다. 다른 센서, 예컨대 운동 검출기가 ECD와 접속될 수 있다. 광 및/또는 온도 센서로부터의 신호는 소정의 방식으로 ECD의 전기 변색 셀을 횡단하는 전위차의 조절을 가능케 하도록 마이크로프로세서 또는 다른 프로그래밍 가능한 장치에 입력될 수 있다. 광 및/또는 온도 센서는 ECD와 일체형일 수 있거나 ECD의 표면으로부터 멀리 떨어져 있을 수 있다. 이러한 방식으로, ECD는 외부 온도가 요구된 온도보다 낮을 때에 구조물 내에서의 태양열 난방을 촉진하고 외부 온도가 요구된 온도보다 높을 때에 태양열 난방을 중단하고 요구된 종종 최대의 양의 일광이 창을 독립적으로 통과하게 하는 "스마트 창"으로서 거동할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, ECD는 도 5에 도시된 것과 유사하게 단일 셀을 포함한다. 셀은 가시광 및 IR 흡수율/투과율 조정을 담당하는 단지 1개의 전기 변색 층, 젤 전해질 그리고 가요성 기판 상의 2개의 가시광/IR 투과성 전극 예컨대 SWNT 필름 또는 그래핀 시트를 포함한다. 상대 전극은 전기 변색 층을 갖는 작동 전극 상의 전하를 효과적으로 보상하는 더 두꺼운 전도성 층을 포함할 수 있다. 예컨대, 검출 및 촬영 시스템 적용 분야를 위한 효율적인 IR 셔터/필터에 요구되는 것에 따라, 음 전압이 인가될 때에, ECD는 가시광 영역 내에서 흡수성이고 그에 의해 색상을 표시하고 한편 NIR, MIR 및 원 IR 내에서 낮은 흡수성을 갖지만, 양 전압이 인가될 때에, ECD는 가시광 내에서 상당한 투과성이고 한편 NIR, MIR 및 원 IR 내에서 비교적 높은 흡수율을 갖는다.
여기에서 언급 또는 인용된 모든 특허 및 특허 출원은 이들이 본 명세서의 명확한 개시 내용과 일관되는 정도까지 모든 도면 및 표를 포함하여 온전히 참조로 합체되어 있다.
여기에서 설명된 예 및 실시예는 예시일 뿐이고, 그에 비추어 수행되는 다양한 변형 및 변화가 당업자에게 시사될 것이고 본 출원의 사상 및 권리 내에 포함되어야 한다는 것이 이해되어야 한다.

Claims (20)

  1. 전기 변색 장치(ECD)에 있어서, 제1 전기 변색 셀 그리고 선택적으로 1개 이상의 추가의 전기 변색 셀을 포함하고, 모든 셀은 서로에 평행하고, 서로로부터 전기적으로 분리되고, 각각의 셀은 독립적으로 제어되고, 적어도 1개의 셀이 단일-벽 탄소 나노튜브(SWNT) 필름을 포함하는 전극을 포함하고, 제1 셀은 전자기 스펙트럼의 제1 부분으로부터의 복사선의 투과율 면에서 변화되는 제1 전기 변색 층을 포함하고, 추가의 셀은 전자기 스펙트럼의 추가의 부분으로부터의 복사선의 투과율 면에서 개별적으로 변화되는 추가의 전기 변색 층을 포함하는, ECD.
  2. 제1항에 있어서, 각각의 전기 변색 셀은 기판 상의 전극과 제2 기판 상의 상대 전극 사이에 배치되는 전해질 층에 의해 전기 변색 층으로부터 분리되는 전하 균형 층을 추가로 포함하는 ECD.
  3. 제2항에 있어서, 제1 전기 변색 셀의 전극 또는 상대 전극은 추가의 전기 변색 셀들 중 하나의 전극 또는 상대 전극과 공통 기판을 공유하는 ECD.
  4. 제1항에 있어서, 제1 전기 변색 층은 가시광 내에서의 투과율을 변화시키는 제1 전기 변색 재료를 포함하고, 추가의 전기 변색 층은 적외선 내에서의 투과율을 변화시키는 추가의 전기 변색 재료를 포함하는, ECD.
  5. 제1항에 있어서, 제1 전기 변색 층은 제1 전기 변색 중합체를 포함하는 ECD.
  6. 제5항에 있어서, 제1 전기 변색 중합체는 헤테로사이클릭 공액 중합체를 포함하는 ECD.
  7. 제4항에 있어서, 추가의 전기 변색 재료는 반도체성 금속 산화물을 포함하는 ECD.
  8. 제7항에 있어서, 반도체성 금속 산화물은 텅스텐 산화물 또는 니켈 산화물을 포함하는 ECD.
  9. 제4항에 있어서, 추가의 전기 변색 재료는 추가의 전기 변색 중합체를 포함하는 ECD.
  10. 제9항에 있어서, 추가의 전기 변색 중합체는 루테늄(Ⅱ) 디옥솔렌 착물을 포함하는 중합체 또는 공중합체, 트리스(피라졸릴)보라토-몰리브덴 착물을 포함하는 중합체 또는 공중합체, N,N,N',N'-테트라페닐-p-페닐렌디아민을 포함하는 중합체 또는 공중합체, 안트라퀴논 이미드를 포함하는 중합체 또는 공중합체, 이핵 루테늄 착물을 함유하는 디카르보닐히드라진을 포함하는 중합체 또는 공중합체, 니트록시드 라디칼을 포함하는 중합체 또는 공중합체, 또는 폴리(2,2,6,6-테트라메틸피페리디닐옥시 메타크릴레이트)(PTMA)를 포함하는 ECD.
  11. 제1항에 있어서, 적어도 1개의 기판이 복사선의 부분 반사 또는 감쇠를 가능케 하는 금속화 층을 포함하는 ECD.
  12. 제1항에 있어서, 모든 기판은 중합체를 독립적으로 포함하는 ECD.
  13. 제12항에 있어서, 중합체는 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리(에틸렌 테레프탈레이트)(PET), 폴리(에틸렌 나프탈레이트)(PEN), 폴리(페닐렌 설파이드)(PPS), 폴리카보네이트(PC), 폴리술폰, 폴리에테르술폰, 폴리(메틸메타크릴레이트)(PMMA), 폴리이소프렌, 폴리부타디엔 및/또는 실리콘을 독립적으로 포함하는 ECD.
  14. 제1항에 있어서, 적어도 1개의 기판이 강성인 ECD.
  15. 제1항에 있어서, 모든 기판 및 전극은 가요성인 ECD.
  16. 제1항에 있어서, 제1 및 추가의 전기 변색 셀을 분리하는 가스가 충전되는 체적부를 추가로 포함하는 ECD.
  17. 제1항에 있어서, 적어도 1개의 광 센서 및/또는 적어도 1개의 온도 센서를 추가로 포함하는 ECD.
  18. 제17항에 있어서, 광 센서는 IR 복사선을 감지하는 ECD.
  19. 제17항에 있어서, 광 센서는 가시 복사선을 감지하는 ECD.
  20. 제17항에 있어서, 광 센서 및/또는 온도 센서로부터의 신호를 입력하고 제1 및 추가의 전기 변색 셀 중 하나 이상에 가해지는 전위를 조절하는 신호를 출력하는 마이크로프로세서를 추가로 포함하는 ECD.
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