KR20150085213A - 전기변색소자 - Google Patents

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Abstract

개시된 발명은 산화-환원 반응을 촉진하는 촉매가 고르게 분산된 활성층을 포함하는 전기변색소자를 제공하고자 한다.
일 실시 예에 따른 전기변색소자는 기판 및 수소화에 의한 투명 상태와 탈수소화에 의한 반사 상태가 가역적으로 구현되는 적어도 하나의 활성층을 포함하고,활성층은 투명 상태와 반사 상태의 가역적 전환 속도를 촉진하는 촉매를 포함한다.
　

Description

전기변색소자{ELECTROCHROMIC DEVICE}
본 발명은 전기변색소자에 관한 발명으로, 상세하게는 투명 상태와 반사 상태 전환의 반복 내구성이 우수한 반사형 전기변색소자에 관한 발명이다.
전압 인가에 따라 광 투과 모드와 광 반사 모드의 가역적인 전환이 일어나는 소자를 반사 타입 전기변색소자(ECD, Electrochrimic Device)라 한다.
반사 타입 전기변색소자는 일반적으로 투명 기판, 투명 전극, 이온 저장층, 전해질층, 촉매층, 활성층의 기능을 하는 물질들의 적층 구조를 포함한다.
이온 저장층은 전이금속 산화물 형태이며 이온 저장층에 저장되어 있던 프로톤(proton)이 전압 인가에 따라 활성층으로 이동한다.
활성층은 프로톤의 이동에 따라 반사상태에서 투과상태로 광 특성이 전환된다. 한편, 반대 전압을 인가하게 되면 프로톤이 원래의 위치였던 이온 저장층으로 이동하고 활성층은 다시 반사상태로 광 특성이 전환된다. 이와 같이 가역적인 산화-환원 반응이 일어나면서 투과모드 및 반사모드로 광 특성이 전환된다.
아울러, 전해질층은 이온 저장층과 활성층 사이에 위치하여 이온의 이동을 용이하게 하며, 촉매층은 주로 활성층과 전해질층 사이에 위치하여 활성층의 산화-환원 반응을 촉진시키는 역할을 한다.
종래에는, 촉매층이 활성층의 계면에 형성되는 것이 일반적이었으나, 이와 같은 구조를 가지는 전기변색소자는 활성층과 촉매층의 계면 반대쪽에서의 산화-환원 반응 속도가 활성층과 촉매층의 계면 쪽에서의 산화-환원 반응 속도에 비해 느리고, 메탈(metal) 소재인 촉매층이 레이어(layer) 형태로 형성되어 투과 모드에서 광의 투과율이 낮은 문제가 있었다. 　
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로 활성층에서의 산화-환원 반응을 촉진하는 촉매가 고르게 분산된 활성층을 포함하는 전기변색소자를 제공하고자 한다.
여기서, 촉매는 파우더(powder) 형태, 파티클(particle) 형태 또는 아일랜드(island) 형태로 활성층 내부 또는 활성층과 전해질층의 계면에 고르게 분포될 수 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 개시된 발명의 일 실시 예에 따른 전기변색소자는 기판 및 수소화에 의한 투명 상태와 탈수소화에 의한 반사 상태가 가역적으로 구현되는 적어도 하나의 활성층을 포함하고, 활성층은 투명 상태와 반사 상태의 가역적 전환 속도를 촉진하는 촉매를 포함한다.
또한, 촉매는 활성층에 포함된 금속 합금과 수소의 결합 및 탈착을 촉진하도록 마련될 수 있다.
또한, 촉매는 활성층에 파우더(powder) 형태로 포함될 수 있다.
또한, 촉매는 활성층에 파티클(particle) 형태로 포함될 수 있다.
또한, 촉매는 활성층에 아일랜드(island) 형태로 포함될 수 있다.
또한, 활성층은 마그네슘 합금(Mg alloy) 재료를 포함할 수 있다.
또한, 마그네슘 합금(Mg alloy)은 마그네슘(Mg)과 합금 재료(alloy material)의 원자수비 Mg/Alloy material 가 2 내지 8 범위 내인 것을 포함할 수 있다.
또한, 촉매는 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 은(Ag) 및 금(Au)을 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 활성층에 공급할 수소를 저장하는 이온 저장층을 더 포함할 수 있다.
또한, 이온 저장층은 광 투과성 및 광 흡수성을 가지는 전이금속 산화물(transition metal oxide)을 포함할 수 있다.
또한, 전이금속 산화물은 수소(H), 리튬(Li), 나트륨(Na), 티타늄(Ti), 몰리브덴(Mo) 및 나이오븀(Nb)을 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 이온 저장층은 수소 텅스텐 산화물(HxWO3, tungsten oxides with hydrogen),　티타늄 산화물(TiO2), 산화몰리브덴(MoO3) 및 나이오븀(Nb2O5)을 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 수소 이온을 이동시키는 전해질층을 더 포함할 수 있다.
또한, 전해질층은 액체(liquid), 겔(Gel) 또는 고체(Solid) 상태로 마련된 것을 포함할 수 있다.
또한, 전해질층은 탄탈륨옥사이드(Ta2O5)를 포함할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 구성되는 전기변색소자 의하면 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.
먼저, 촉매 성분이 레이어 형태가 아닌 파우더 형태, 파티클 형태 또는 아일랜드 형태로 활성층 내부, 활성층과 전해질층, 또는 복수의 활성층의 계면에 고르게 분포되도록 함으로써 투과 모드에서 광의 투과율을 향상시킬 수 있다.
또한, 촉매를 활성층에 고르게 분포시킴으로써 활성층 전체에서 반응이 균일하게 일어나도록 함으로써 반응 속도를 향상시킬 수 있다.
또한, 촉매를 활성층에 분포시킴으로써 활성층의 결정 구조가 보다 느슨한 형태로 변형되고, 결과적으로 프로톤의 이동도가 증가하여 반응 속도를 향상시킬 수 있다.
도 1은 전기변색소자의 기본적인 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 전하의 주입/방출에 의해 수소 이온(H+) 저장층으로부터 활성층으로 혹은 활성층으로부터 이온 저장층으로 이동하는 과정을 도시한 도면이다.
도 3는 촉매가 파우더(powder) 형태로 분포된 활성층을 포함하는 일 실시 예에 따른 전기변색소자의 구조를 도시한 도면이다.
도 4는 종래 기술에 따른 전기변색소자 및 일 실시 예에 따른 전기변색소자의 촉매 분포를 비교하여 도시한 도면이다.
이하, 도 5a 내지 도 5d는 도 4의 전기변색소자의 동작을 도시한 도면이다.
도 6은 촉매가 파티클(particle) 형태로 분산된 활성층을 포함하는 다른 실시 예에 따른 전기변색소자의 구조를 도시한 도면이다.
도 7은 촉매가 아일랜드(island) 형태로 분포된 활성층을 포함하는 또 다른 실시 예에 따른 전기변색소자의 구조를 도시한 도면이다.
도 8은 촉매가 아일랜드(island) 형태로 분포된 활성층이 다층막 형태로 마련된 또 다른 실시 예의 일 예에 따른 전기변색소자의 구조를 도시한 도면이다.
본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 예에 불과할 뿐이며, 본 출원의 출원시점에 있어서 본 명세서의 실시 예와 도면을 대체할 수 있는 다양한 변형　예들이 있을 수 있다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 개시된 발명에 따른 전기변색소자에 대해 상세하게 설명한다.
개시된 발명의 전기변색소자는 전하 이동 성능을 개선하여 우수한 변색 효과를 나타내도록 활성층에 촉매를 포함하는 것을 특징으로 한다. 우선, 전기변색소자의 기본적인 구성을 도 1을 참조하여 설명하고, 전기변색소자의 동작 원리를 도 2를 참조하여 설명한다.
전기변색소자는 도 1에 도사된 바와 같이 활성층(M1)과 이온 저장층(M2)을 포함하는 적층 구조를 포함하고, 활성층(M1)의 광 반사율이 외부 자극에 응답하여 변화한다.
활성층(M1)은 특정 원소의 농도에 따라 광학적 특성이 변화하는 조광 재료를 포함한다. 조광 재료로는 마그네슘 합금(Mg alloy) 재료가 사용될 수 있으며, 마그네슘 합금 재료는 수소 이온(H+) 농도에 따라 반사 상태와 투과 상태 사이에서 변환된다. 수소 이온(H+) 농도가 낮은 마그네슘 합금 재료는 입사되는 광을 반사함으로써 금속 색상이 구현되도록 하고, 수소 이온(H+)이 결합되어 수소 이온(H+)의 풍부한 마그네슘 합금 재료는 투과율이 높아 투명 상태를 구현한다.
이온 저장층(M2)은 수소 등의 특정 원소를 함유할 수 있는 재료(이하 변환 재료라고 칭함)를 포함한다. 변환 재료는 전하(electric charge)(전자(electron)나 정공(positive hole))의 주압/방출 또는 광조사 등의 외부 자극에 따라 특정 원소(예를 들면 수소)를 방출 또는 흡수한다.
이하, 도 2를 참조해 전하의 주입/방출에 의해 수소 이온(H+)이 이온 저장층(M2)으로부터 활성층(M1)으로, 혹은 활성층(M1)으로부터 이온 저장층(M2)으로 이동하는 동작 원리를 설명한다. 이 과정의 특징점은 활성층(M1)의 광학적 특성을 변화시키는 특정 원소(수소)의 이온을 전기 화학적인 반응이 아닌 전하의 이동을 매개로 하여 이동시키는 점에 있다.
활성층(M1) 및 이온 저장층(M2)은 모두 수소를 흡수/방출하는 특성을 가짐과 동시에 전하(전자 또는 정공) 및 이온을 이동시킬 수 있는 전기전도성을 가진다.
도 2의 (a)를 참조하면, 도 2의 (a)는 도 1에 도시된 활성층(M1) 및 이온 저장층(M2)의 초기 상태가 도시되어 있다. 활성층(M1)과 이온 저장층(M2)의 초기 상태에서는, 수소를 실질적으로 저장하고 있지 않은 활성층(M1)과 미리 수소를 저장한 이온 저장층(M2) 사이에서 평형 상태가 형성되어 있다. 활성층(M1)에는 충분한 농도의 수소가 존재하지 않기 때문에 광을 반사하며 이에 활성층(M1)은 본래의 금속 광택을 나타낸다.
이어, 도 2의 (b)에서 도시한 바와 같이, 활성층(M1) 측에 마이너스 전위를 부여하고 이온 저장층(M2) 측에 플러스 전위를 부여하면, 활성층(M1)에 전자가 유입되어 전자가 풍부한 상태가 된다. 한편 이온 저장층(M2)에는 전자가 유출되며 동시에 정공이 주입된다.
이온 저장층(M2)에 주입된 정공은 이온 저장층(M2)에서 활성층(M1)으로 이동한다. 결과적으로, 이온 저장층(M2)에서는 수소 이온(H+)을 방출하기 쉬운 상태로 되는 한편 활성층(M1)에서는 이온 저장층(M2)으로부터 유입된 수소 이온(H+)의 양이 증가하여 수소 이온(H+)을 다량 보유하게 된다.
이 때문에, 활성층(M1)과 이온 저장층(M2) 사이에 성립되어 있던 수소 이온(H+) 평형 상태가 무너져 활성층(M1)이 수소를 보유하기 쉬운 상태로 되고, 이온 저장층(M2)으로부터 방출된 수소 이온(H+)이 활성층(M1)으로 이동하게 된다. 결과적으로 도 2의 (c)에 도시한 바와 같이 새로운 평형 상태가 형성되고, 이 상태에서는 활성층(M1)으로 이동한 수소 이온(H+)과 조광 재료가 결합하여 활성층(M1)이 투명하게 된다.
전술한 반응을 요약하면, M1 + M2(H) → M1(H) + M2로 나타낼 수 있다. 여기서 M1(H) 및 M2(H)는 각각 활성층(M1)에 수소가 결합된 상태, 및 이온 저장층(M2)에 수소가 결합된 상태를 나타낸다. 이와 같이, 활성층(M1)과 이온 저장층(M2) 사이에서는 수소 이온(H+)의 교환이 행해지는 것만으로 다른 이온이 관여하는 반응은 발생하고 있지 않다.
이어 도 2의 (d)에 도시된 바와 같이 인가 전압의 극성을 반전하면, 역방향으로 반응이 진행되기 때문에 도 2의 (a)에 도시된 원래의 평형 상태로 복귀된다.
보다 상세하게, 이온 저장층(M2) 측에 마이너스 전위를 부여하고 활성층(M1) 측에 플러스 전위를 부여하면, 이온 저장층(M2)에 전자가 유입되어 전자가 풍부한 상태가 된다. 한편 이온 저장층(M2)에는 전자가 유출되며 동시에 정공이 주입된다.
활성층(M1)에 주입된 정공은 활성층(M1)에서 이온 저장층(M2)으로 이동한다. 결과적으로 활성층(M1)에서는 수소 이온(H+)을 방출하기 쉬운 상태로 되는 한편 이온 저장층(M2)에서는 활성층(M1)으로부터 유입된 수소 이온(H+)의 양이 증가하여 수소 이온(H+)을 다량 보유하게 된다.
이 때문에, 활성층(M1)과 이온 저장층(M2) 사이에 성립되어 있던 새로운 평형 상태가 무너져 이온 저장층(M2)이 다시 수소를 보유하기 쉬운 상태로 되고, 활성층(M1)으로부터 방출된 수소 이온(H+)이 이온 저장층(M2)으로 이동하게 된다. 결과적으로 도 2의 (d)에 도시된 바와 같이 본래의 평형 상태로 되돌아가게 되고, 이 상태에서는 활성층(M1)에 충분한 농도의 수소가 존재하지 않기 때문에 본래의 금속 광택을 나타내게 된다.
이하, 개시된 발명의 전기변색소자의 보다 구체적인 구성을 설명한다.
개시된 발명의 일 측면에 따른 전기변색소자는 전술한 산화-환원 반응 속도를 촉진하기 위해 촉매 재료를 포함한다. 종래에는 촉매 재료를 레이어 형태로 가공해 활성층(M1) 주위에 배치시켰으나, 이 경우 투과 모드에서 광 투과율을 저하시키고 활성층(M1)에서 반응 속도가 균일하지 못하게 되는 등의 문제점이 있었다. 이에, 촉매 재료가 파우더 형태, 파티클 형태 또는 아일랜드 형태로 균일하게 분포된 활성층(M1)을 포함하는 전기변색소자를 제공하고자 한다.
도 3은 촉매가 파우더 형태로 분포된 활성층(M1)을 포함하는 일 실시 예에 따른 전기변색소자(10a)의 구조를 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 일 실시 예에 따른 전기변색소자(10a)는 기판(M5)과, 기판(M5) 상부에 마련된 투명전극(M4), 투명전극(M4) 상부에 마련된 이온 저장층(M2), 이온 저장층(M2) 상부에 마련된 전해질층(M3), 전해질층(M3) 상부에 마련된 촉매를 포함하는 활성층(M1)을 포함한다. 아울러, 일 실시 예의 일 예에 따른 전기변색소자(10a)는 활성층(M1)에 포함된 금속 성분의 산화를 방지하도록 버퍼층을 더 포함할 수 있으며, 버퍼층은 활성층(M1)과 전해질층(M3) 사이에 마련될 수 있다.
기판(M5)은 투명전극(M4)과, 이온 저장층(M2)과, 전해질층(M3)과, 활성층(M1)을 지지하도록 마련되고, 투명 재질의 기판(M5)이 사용될 수 있다. 　
이온 저장층(M2)은 수소를 함유할 수 있는 변환 재료를 포함하고 있다. 이 변환 재료는 광 투과성 및 광 흡수성을 가지는 전이금속 산화물(transition metal oxide)을 포함한다. 전이금속 산화물은 수소(H), 리튬(Li), 나트륨(Na), 티타늄(Ti), 몰리브덴(Mo) 및 나이오븀(Nb)을 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 보다 상세하게 수소 텅스텐 산화물(HxWO3, tungsten oxides with hydrogen),　티타늄 산화물(TiO2), 산화몰리브덴(MoO3) 및 나이오븀(Nb2O5)을 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
이온 저장층(M2)은 위와 같은 변환 재료를 이용해 전극에서 전자를 받아 수소 이온(H+)의 방출/흡수를 행할 수 있다.
이온 저장층(M2)은　변환 재료 외에 전기 전도성 재료를 포함할 수 있다. 전기 전도성 재료가 이온 저장층(M2)에 포함된 경우, 활성층(M1)과 이온 저장층(M2) 간의 이온 교환을 신속하게 행할 수 있다. 전기 전도성 재료로서는, 액체 또는 고체 전해질과 같이 이온 전도를 행할 수 있는 재료, 전하(전자 또는 정공)를 전도시키는 도전성 고분자 등을 이용할 수 있다. 아울러, 이온 저장층(M2)에는 전술한 변환 재료나 전기 전도성 재료 외에 필요에 따라 바인더 수지 등의 결합 재료를 첨가할 수 있다.
전해질층(M3)은 이온 저장층(M2)과 활성층(M1)간에 이온 교환이 원활하게 일어나도록 마련될 수 있다. 보다 상세하게, 전해질층(M3)은 이온 저장층(M2)과 활성층(M1) 간에 전하나 이온의 교환을 행하기 위해 이온 저장층(M2)과 활성층(M1) 사이에 마련될 수 있다. 전해질층(M3)을 배치하면, 수소 이온(H+)의 이동이 전해질을 통해 발생하기 쉬우므로 전기변색소자(10a)의 특성을 향상시킬 수 있다. 전해질층(M3)은 액체(liquid), 겔(Gel) 또는 고체(Solid) 상태로 마련될 수 있으며, 탄탈륨옥사이드(Ta2O5)를 포함할 수 있다.
아울러, 일 실시 예의 일 예에 따른 전기변색소자(10a)는 전해질층(M3) 대신 도전성 고분자 재료를 포함하는 막을 배치할 수 있다. 도전성 고분자 재료는 도전성을 부여하기 위한 이온이 도핑되기 때문에, 전해질층(M3)의 기능도 함께 가질 수 있다.
활성층(M1)은 수소 이온(H+) 농도에 따라 광학적 특성이 변화하는 조광 재료를 포함하고, 활성층(M1)의 전체 또는 일부가 단일층 또는 다층의 조광 재료로 형성될 수 있다. 보다 상세하게, 활성층(M1)은 마그네슘 합금(Mg alloy) 재료를 포함할 수 있으며, 마그네슘 합금(Mg alloy)은 마그네슘(Mg)과 합금 재료(alloy material)의 원자수비 Mg/Alloy material 가 2 내지 8 범위 로 혼합될 수 있다.
일 실시 예에 따른 전기변색소자(10a)는 활성층(M1)에 파우더 형태로 마련된 촉매가 고르게 분포된다. 촉매는 활성층(M1)에서의 산화-환원 반응을 촉진하여 전기변색소자(10a) 전체의 전환 속도를 향상 시키기 위해 적용되는데, 그 종류로 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 은(Ag) 및 금(Au)을 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나가 사용될 수 있다.
도 4는 종래 기술에 따른 전기변색소자(10a’) 및 일 실시 예에 따른 전기변색소자(10a)의 촉매 분포를 비교하여 도시한 도면이다.
도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, 종래 기술에 따른 전기변색소자(10a’)의 경우 촉매가 활성층(M1’)과 전해질층(M3’) 사이에 레이어 형태로 형성되어 촉매층(C’)과 활성층(M1) 계면 주위(A1)의 전환 속도는 빠르나 반대 방향(A2)의 전환 속도는 상대적으로 느리고 결과적으로 전체 전기변색소자(10a’)의 전환 속도 측면에서 유리하지 않은 측면이 있었다.
반면 일 실시 예에 따른 전기변색소자(10a)는 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이 활성층(M1)에 파우더 형태의 촉매(C-1)를 고르게 분포시킴으로써 활성층(M1) 전체에서 균일하고 빠르게 산화-환원반응이 일어나도록 할 수 있다.
또한, 종래 기술에 따른 전기변색소자(10a’)의 경우 촉매가 레이어 형태로 형성되어 투과 모드에서 광의 투과율이 저하되는 문제점이 있었으나(도 4의 (a) 참조), 일 실시 예에 따른 전기변색소자(10a)는 활성층(M1)에 파우더 형태의 촉매(C-1)를 고르게 분산시킴으로써 투과 모드의 투과율이 향상되도록 할 수 있다(도 4의 (b) 참조). 아울러, 일 실시 예에 따른 전기변색소자(10a)는 파우더 형태의 촉매(C-1)가 활성층(M1)에 첨가됨으로써 마그네슘 합금의 결정 구조를 느슨한 형태로 변형시키고, 이에 수소 이온(H+)의 이동도가 증가하여 전체적인 전환 속도를 향상시킬 수 있다.
이하, 도 5a 내지 도 5d를 참조해 도 4에 도시된 전기변색소자(10a)의 동작을 설명한다.
도 5a 내지 도 5d는 도 4에 도시된 전기변색소자(10a)의 동작을 도시한 도면으로, 도 5에서는 활성층(M1)이 마그네슘과 니켈 합금(Mg2Ni)으로 마련되고, 전해질층(M3)이 고체로 마련되고, 이온 저장층(M2)은 HxWO3으로 마련되고, 투명전극(M4)은 ITO 재질로 마련된 경우를 예로 들어 설명하도록 한다.
도 5a를 참조하면, 일 실시 예에 따른 전기변색소자(10a)는 활성층(M1)에 전원공급장치(20)의 마이너스 전극이 연결되고, 투명전극(M4)에 플러스 전원이 연결된다. 일 실시 예에 따른 전기변색소자(10a)는 활성층(M1)이 금속 재질로 이루어져 있으므로, 활성층(M1) 주위에 별도의 전극을 마련하지 않고 활성층(M1)에 직접 마이너스 전원을 연결할 수 있다. 아울러 활성층(M1)에는 수소가 실질적으로 저장되어 있지 않고 이온 저장층(M2)에는 수소가 실질적으로 저장되어 있으며 양 층 사이에는 평형 상태가 형성되어 있다. 이에, 활성층(M1)은 Mg2Ni 형태로 존재하면서 표면에서 광을 반사시키며 본래의 금속 광택을 나타낸다.
이와 같이 평형 상태를 유지하고 있는 전기변색소자(10a)에 전원공급장치(20)를 통해 전원을 공급한다. 도 5b에 도시된 바와 같이, 활성층(M1)에 마이너스 전위를 부여하고 ITO 전극에 플러스 전위를 부여하면 활성층(M1)에 전자가 유입된다. 이에, 활성층(M1)은 전자가 풍부한 상태가 되고 이온 저장층(M2)은 상대적으로 수소 이온(H+)의 농도가 풍부한 상태가 된다.
이 때문에, 활성층(M1)과 이온 저장층(M2) 사이에 성립되어 있던 수소 이온(H+) 평형 상태가 무너져 활성층(M1)이 수소 이온(H+)을 보유하기 쉬운 상태로 되고, 이온 저장층(M2)으로부터 방출된 수소 이온(H+)이 전해질층(M3)을 통해 활성층(M1)으로 이동하게 된다.
이를 종합하면, 이온 저장층(M2)에서는 산화 반응(이하 화학반응식 1)이 수행되고 활성층(M1)에서는 환원 반응(이하 화학반응식 2)이 수행된다.
화학반응식 1
HxWO3 → WO3 + xH+ + xe-
화학반응식 2
Mg2Ni + 4H+ + 4e- → Mg2NiH4
이에, 활성층(M1)의 마그네슘-니켈 합금(Mg2Ni)은 수소 이온(H+)과 결합하게 되고 도 5c에 도시된 바와 같이 투과 상태로 광 특성이 전환된다.
이어, 광 특성이 전환되어 평형 상태를 유지하고 있는 전기변색소자(10a)가 다시 금속 외관을 구현하도록 하기 위해 전원공급장치(20)를 통해 전원을 공급한다. 도5d에 도시된 바와 같이, 활성층(M1)에 플러스 전위를 부여하고 ITO 전극에 마이너스 전위를 부여하면 ITO 전극을 통해 이온 저장층(M2)에 전자가 유입된다. 이에 이온 저장층(M2)은 전자가 풍부한 상태가 되고 활성층(M1)은 상대적으로 수소 이온(H+)의 농도가 풍부한 상태로 된다.
이 때문에, 활성층(M1)과 이온 저장층(M2) 사이에 성립되어 있던 새로운 수소 이온(H+) 평형 상태가 무너져 이온 저장층(M2)이 수소 이온(H+)을 보유하기 쉬운 상태로 되고, 활성층(M1)으로부터 방출된 수소 이온(H+)이 전해질을 통해 이온 저장층(M2)으로 이동하게 된다.
이에, 이온 저장층(M2)에서는 환원 반응(이하 화학반응식 3)이 수행되고 활성층(M1)에서는 산화 반응(이하 화학반응식4)이 수행된다.
화학반응식 3
WO3 + xH+ + xe- → HxWO3
화학반응식 4
Mg2NiH4 → Mg2Ni + 4H+ + 4e-
이에, 활성층(M1)의 마그네슘-니켈 합금은 수소 이온(H+)이 불충분한 상태가 되어 다시 도 5a에 도시된 바와 같이 반사 상태로 되돌아가게 된다.
이하, 보다 다양한 개시된 발명의 실시 예에 대해 검토한다.
도 6은 파티클(particle) 형태로 분산된 촉매(C-2)를 포함하는 활성층(M1)을 포함하는 다른 실시 예에 따른 전기변색소자(10b)의 구조를 도시한 도면이다.
도 6을 참조하면, 다른 실시 예에 따른 전기변색소자(10b)는 기판(M5)과, 기판(M5) 상부에 마련된 투명전극(M4), 투명전극(M4) 상부에 마련된 이온 저장층(M2), 이온 저장층(M2) 상부에 마련된 전해질층(M3), 전해질층(M3) 상부에 마련되고 파티클 형태로 분산된 촉매(C-2)를 포함하는 활성층(M1)을 포함한다. 아울러, 다른 실시 예의 일 예에 따른 전기변색소자(10b)는 활성층(M1)에 포함된 금속 성분의 산화를 방지하도록 버퍼층을 더 포함할 수 있으며, 버퍼층은 활성층(M1)과 전해질층(M3) 사이에 마련될 수 있다.
기판(M5)과, 투명전극(M4)과, 이온 저장층(M2)과, 전해질층(M3)은 도 3에 도시된 구성과 동일하며 이하 이와 관련한 중복되는 설명은 생략하고, 활성층(M1)과 관련한 차이점을 설명하도록 한다.
다른 실시 예에 따른 전기변색소자(10b)는 활성층(M1)에 파티클 형태로 마련된 촉매(C-2)가 고르게 분포된다. 촉매(C-2)는 활성층(M1)에서의 산화-환원 반응을 촉진하여 전기변색소자(10b) 전체의 전환 속도를 향상 시키기 위해 적용되는데, 그 종류로 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 은(Ag) 및 금(Au)을 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나가 사용될 수 있다.
도 7은 아일랜드(island) 형태로 분포된 촉매(C-3)를 포함하는 활성층(M1)을 포함하는 또 다른 실시 예에 따른 전기변색소자(10c)의 구조를 도시한 도면이다.
도 7을 참조하면, 다른 실시 예에 따른 전기변색소자(10c)는 기판(M5)과, 기판(M5) 상부에 마련된 투명전극(M4), 투명전극(M4) 상부에 마련된 이온 저장층(M2), 이온 저장층(M2) 상부에 마련된 전해질층(M3), 전해질층(M3) 상부에 마련되고 아일랜드 형태의 촉매(C-3)를 포함하는 활성층(M1)을 포함한다. 아울러, 다른 실시 예의 일 예에 따른 전기변색소자(10c)는 활성층(M1)에 포함된 금속 성분의 산화를 방지하도록 버퍼층을 더 포함할 수 있으며, 버퍼층은 활성층(M1)과 전해질층(M3) 사이에 마련될 수 있다.
기판(M5)과, 투명전극(M4)과, 이온 저장층(M2)과, 전해질층(M3)은 도 3에 도시된 구성과 동일하며 이하 이와 관련한 중복되는 설명은 생략하고, 활성층(M1)과 관련한 차이점을 설명하도록 한다.
다른 실시 예에 따른 전기변색소자(10c)는 활성층(M1)과 전해질층(M3)의 계면에 아일랜드 형태로 마련된 촉매(C-3)를 포함할 수 있다. 아일랜드 형태는 도 7에 도시된 바와 같이 반구 형상일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며 당해 업계에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 생각할 수 있는 범위의 형상을 포함하는 개념으로 넓게 이해되어야 할 것이다.
아일랜드 형태로 마련된 촉매(C-3)는 산화-환원 반응 속도 촉진이라는 촉매 본래의 기능을 수행함과 동시에 레이어 형태로 촉매층(C’)을 형성한 경우와 대비해 투과 모드에서 광의 투과율이 향상되도록 할 수 있다.
도 8은 촉매가 아일랜드(island) 형태로 분포된 활성층(M1)이 다층막 형태로 마련된 또 다른 실시 예의 일 예에 따른 전기변색소자(10d)의 구조를 도시한 도면이다.
도 8을 참조하면, 또 다른 실시 예의 일 예에 따른 전기변색소자(10d)는 활성층(M1a, M1b)이 다층막 형태로 마련되고, 각 층과 층의 계면에 아일랜드 형태로 마련된 촉매(C-4)가 분포될 수 있다. 다층막은 마그네슘 합금으로 마련될 수 있으며, 마그네슘과 합금 금속의 함유량이 각각 다르도록 마련될 수 있다. 아울러, 일 실시 예의 일 예에 따른 전기변색소자(10d)는 활성층(M1)에 포함된 금속 성분의 산화를 방지하도록 버퍼층을 더 포함할 수 있으며, 버퍼층은 활성층(M1)과 전해질층(M3) 사이에 마련될 수 있다.
이상, 촉매가 활성층(M1)에 분포되어 반응 속도를 향상시키고, 투과 모드에서 광의 투과도를 향상시킬 수 있는 전기변색장치에 대해 설명하였다.
본 명세서에서는 수소 이온(H+)의 이동을 통해 활성층(M1)이 가역적으로 광 투과-반사 특성을 보이는 경우를 예로 들어 설명하였으나, 수소 이온(H+) 외에 리튬 이온(Li+)이나 나트륨 이온(Na+)이 활성층(M1)과 이온 저장층(M2) 사이를 이동하며 투과-반사 모드의 전환이 이루어지도록 할 수 있다.
또한, 촉매가 활성층(M1)에 분포되는 예는, 전술한 예에 한정되는 것은 아니며 당해 업계에서 통상의 지식을 지닌 자가 용이하게 생각할 수 있는 범위를 포함하는 개념으로 넓게 이해되어야 할 것이다. 　　
10a, 10b, 10c, 10d : 전기변색소자 　
20 : 전원공급장치
M1 : 활성층
M2 : 이온 저장층
M3 : 전해질층
M4 : 전극
M5 : 기판
C' : 촉매층
C-1 : 파우더(powder) 형태의 촉매
C-2 : 파티클(particle) 형태의 촉매
C-3, C-4 : 아일랜드(island) 형태의 촉매
　

Claims (15)

  1. 기판; 및
    수소화에 의한 투명 상태와 탈수소화에 의한 반사 상태가 가역적으로 구현되는 적어도 하나의 활성층;을 포함하고,
    상기 활성층은 상기 투명 상태와 상기 반사 상태의 가역적 전환 속도를 촉진하는 촉매를 포함하는 전기변색소자.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 촉매는 상기 활성층에 포함된 금속 합금과 수소의 결합 및 탈착을 촉진하도록 마련된 것인 전기변색소자.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 촉매는 상기 활성층에 파우더(powder) 형태로 포함된 전기변색소자.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 촉매는 상기 활성층에 파티클(particle) 형태로 포함된 전기변색소자.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 촉매는 상기 활성층에 아일랜드(island) 형태로 포함된 전기변색소자.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 활성층은 마그네슘 합금(Mg alloy) 재료를 포함하는 전기변색소자.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 마그네슘 합금(Mg alloy)은 마그네슘(Mg)과 합금 재료(alloy material)의 원자수비 Mg/Alloy material 가 2 내지 8 범위 내인 전기변색소자.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 촉매는 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 은(Ag) 및 금(Au)을 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 전기변색소자.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 활성층에 공급할 수소를 저장하는 이온 저장층;을 더 포함하는 전기변색소자.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 이온 저장층은 광 투과성 및 광 흡수성을 가지는 전이금속 산화물(transition metal oxide)을 포함하는 전기변색소자.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 전이금속 산화물은 수소(H), 리튬(Li), 나트륨(Na), 티타늄(Ti), 몰리브덴(Mo) 및 나이오븀(Nb)을 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 전기변색소자.
  12. 제 9항에 있어서,
    상기 이온 저장층은 수소 텅스텐 산화물(HxWO3, tungsten oxides with hydrogen),　티타늄 산화물(TiO2), 산화몰리브덴(MoO3) 및 나이오븀(Nb2O5)을 포함하는 군에서 선택된 적어도 하나를 포함하는 전기변색소자.
  13. 제 1항에 있어서,
    수소 이온을 이동시키는 전해질층;을 더 포함하는 전기변색소자.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 전해질층은 액체(liquid), 겔(Gel) 또는 고체(Solid) 상태로 마련된 것을 포함하는 전기변색소자.
  15. 제 13항에 있어서,
    상기 전해질층은 탄탈륨옥사이드(Ta2O5)를 포함하는 전기변색소자.
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