KR20160039433A - 광반응 스마트 윈도우 - Google Patents

광반응 스마트 윈도우 Download PDF

Info

Publication number
KR20160039433A
KR20160039433A KR1020140132490A KR20140132490A KR20160039433A KR 20160039433 A KR20160039433 A KR 20160039433A KR 1020140132490 A KR1020140132490 A KR 1020140132490A KR 20140132490 A KR20140132490 A KR 20140132490A KR 20160039433 A KR20160039433 A KR 20160039433A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
group
substituted
unsubstituted
liquid crystal
solar cell
Prior art date
Application number
KR1020140132490A
Other languages
English (en)
Inventor
고두현
민병권
권현근
이규태
고형덕
한일기
Original Assignee
한국과학기술연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국과학기술연구원 filed Critical 한국과학기술연구원
Priority to KR1020140132490A priority Critical patent/KR20160039433A/ko
Priority to US14/842,029 priority patent/US20160097236A1/en
Priority to CN201510639878.4A priority patent/CN105489380B/zh
Publication of KR20160039433A publication Critical patent/KR20160039433A/ko

Links

Images

Classifications

    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E06—DOORS, WINDOWS, SHUTTERS, OR ROLLER BLINDS IN GENERAL; LADDERS
    • E06B—FIXED OR MOVABLE CLOSURES FOR OPENINGS IN BUILDINGS, VEHICLES, FENCES OR LIKE ENCLOSURES IN GENERAL, e.g. DOORS, WINDOWS, BLINDS, GATES
    • E06B9/00—Screening or protective devices for wall or similar openings, with or without operating or securing mechanisms; Closures of similar construction
    • E06B9/24—Screens or other constructions affording protection against light, especially against sunshine; Similar screens for privacy or appearance; Slat blinds
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
    • G02F1/137—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells characterised by the electro-optical or magneto-optical effect, e.g. field-induced phase transition, orientation effect, guest-host interaction or dynamic scattering
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES OR LIGHT-SENSITIVE DEVICES, OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G9/00—Electrolytic capacitors, rectifiers, detectors, switching devices, light-sensitive or temperature-sensitive devices; Processes of their manufacture
    • H01G9/004—Details
    • H01G9/14—Structural combinations or circuits for modifying, or compensating for, electric characteristics of electrolytic capacitors
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E06—DOORS, WINDOWS, SHUTTERS, OR ROLLER BLINDS IN GENERAL; LADDERS
    • E06B—FIXED OR MOVABLE CLOSURES FOR OPENINGS IN BUILDINGS, VEHICLES, FENCES OR LIKE ENCLOSURES IN GENERAL, e.g. DOORS, WINDOWS, BLINDS, GATES
    • E06B7/00—Special arrangements or measures in connection with doors or windows
    • E06B7/28—Other arrangements on doors or windows, e.g. door-plates, windows adapted to carry plants, hooks for window cleaners
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/0009—Materials therefor
    • G02F1/0045—Liquid crystals characterised by their physical properties
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES OR LIGHT-SENSITIVE DEVICES, OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G9/00—Electrolytic capacitors, rectifiers, detectors, switching devices, light-sensitive or temperature-sensitive devices; Processes of their manufacture
    • H01G9/20—Light-sensitive devices
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01G—CAPACITORS; CAPACITORS, RECTIFIERS, DETECTORS, SWITCHING DEVICES OR LIGHT-SENSITIVE DEVICES, OF THE ELECTROLYTIC TYPE
    • H01G9/00—Electrolytic capacitors, rectifiers, detectors, switching devices, light-sensitive or temperature-sensitive devices; Processes of their manufacture
    • H01G9/20—Light-sensitive devices
    • H01G9/2068—Panels or arrays of photoelectrochemical cells, e.g. photovoltaic modules based on photoelectrochemical cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/042—PV modules or arrays of single PV cells
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02S—GENERATION OF ELECTRIC POWER BY CONVERSION OF INFRARED RADIATION, VISIBLE LIGHT OR ULTRAVIOLET LIGHT, e.g. USING PHOTOVOLTAIC [PV] MODULES
    • H02S10/00—PV power plants; Combinations of PV energy systems with other systems for the generation of electric power
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E06—DOORS, WINDOWS, SHUTTERS, OR ROLLER BLINDS IN GENERAL; LADDERS
    • E06B—FIXED OR MOVABLE CLOSURES FOR OPENINGS IN BUILDINGS, VEHICLES, FENCES OR LIKE ENCLOSURES IN GENERAL, e.g. DOORS, WINDOWS, BLINDS, GATES
    • E06B3/00—Window sashes, door leaves, or like elements for closing wall or like openings; Layout of fixed or moving closures, e.g. windows in wall or like openings; Features of rigidly-mounted outer frames relating to the mounting of wing frames
    • E06B3/70—Door leaves
    • E06B2003/7049—Specific panel characteristics
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E06—DOORS, WINDOWS, SHUTTERS, OR ROLLER BLINDS IN GENERAL; LADDERS
    • E06B—FIXED OR MOVABLE CLOSURES FOR OPENINGS IN BUILDINGS, VEHICLES, FENCES OR LIKE ENCLOSURES IN GENERAL, e.g. DOORS, WINDOWS, BLINDS, GATES
    • E06B9/00—Screening or protective devices for wall or similar openings, with or without operating or securing mechanisms; Closures of similar construction
    • E06B9/24—Screens or other constructions affording protection against light, especially against sunshine; Similar screens for privacy or appearance; Slat blinds
    • E06B2009/2476—Solar cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/52—PV systems with concentrators
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/542—Dye sensitized solar cells

Abstract

광반응 스마트 윈도우가 제공된다. 상기 광반응 스마트 윈도우는 자외선 우무에 따라 투과도가 조절되는 액정층을 태양전지와 결합하여 새로운 형태의 전기생산 스마트 윈도우로서, 자외선이 있는 낮에는 투명해져서 창문에 노출되는 태양광을 전기에너지로 변환할 수 있고, 자외선이 없는 저녁에는 불투명해져서 커튼 없는 창문으로 사용될 수 있다.

Description

광반응 스마트 윈도우 {Photo-reactive smart window}
광반응 스마트 윈도우에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 외부에너지 없이 자외선의 유무에 따라 투과도를 조절할 수 있고, 태양전지와 결합되어 새로운 형태의 전기 생산 스마트 윈도우에 관한 것이다.
태양광으로부터 직접적으로 전기를 생산할 수 있는 태양전지는 청정에너지를 안전하게 생산할 수 있다는 점에서 가장 주목 받는 미래 에너지 생산 방법이라고 할 수 있다.
태양전지는 BIPV (Building Integrated Photovoltaics) 형태의 기술로 발전이 가능하며, 특히 최근에는 제로에너지 건축 및 탄소배출제한과 관련된 유럽 EU RoHS REACH, Halogen Free, WEEE, 미국 Cal. RoHS, 중국 China RoHS, 일본 J-Moss, 및 한국 전기, 전자 제품 및 자동차의 자원순환에 관한 법률 등 국내외 환경규제에 대응하기 위한 친환경 건축 기술 및 정책에 적용되고 있으며, 신재생에너지 적용, 특히 태양전지 적용 건축물 및 산업시설이 증대될 것으로 예상된다.
한편, 조절가능한 광학 투과성을 가진 스마트 윈도우는 커튼 없는 창문으로광범위하게 연구되고 있으며, 건축, 자동차 윈도우 및 선루프 등에 적용되고 있다. 전환가능 윈도우 기술은 사용된 물질, 예를 들어 전기변색 물질, 액정, 및 전기영동/부유입자에 따라 크게 분류될 수 있다. 각 기술은 그들의 고유한 특성 및 장점을 갖는다. 전형적인 스마트 윈도우는 전기변색 시스템에 기초하며, 여기서 투명 및 불투명 상태 사이를 전환하기 위하여 외부 에너지가 필요하다.
이와 같이, 기존 스마트 윈도우는 외부에서 따로 전력을 공급하여 투과도를 조절하며, 태양전지의 투과도 조절을 위해 사용되고 있다.
본 발명의 일 측면은 외부에너지 없이 자외선의 유무에 따라 투과도를 조절할 수 있고, 태양전지와 결합되어 전기를 생산할 수 있는 광반응 스마트 윈도우를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에서는,
서로 이격되어 배치되는 상부 편광판 및 하부 편광판;
상기 상부 편광판 및 하부 편광판 사이에 배치되는 것으로서, 비카이랄 네마틱 액정(achiral nematic liquid), 광반응성 아조벤젠 화합물, 및 카이랄 도펀트(chiral dopant)를 포함하는 액정층; 및
태양전지;를 포함하는 광반응 스마트 윈도우를 제공한다.
상기 태양전지는 상부 편광판의 상부면, 상기 하부 편광판의 하부면, 또는 상기 상부 또는 파부 편광판과 액정층 사이에 배치될 수 있다.
일 구현예에 따른 상기 광반응 스마트 윈도우는 외부에너지 없이 자외선의 유무에 따라 투과도를 조절할 수 있고, 태양전지와 결합되어 전기를 생산할 수 있다. 상기 광반응 스마트 윈도우는 자외선이 있는 낮에는 투명해져서 창문에 노출되는 태양광을 전기에너지로 변환할 수 있고, 자외선이 없는 저녁에는 불투명해져서 커튼 없는 창문으로 사용될 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 광반응 스마트 윈도우에 사용되는 액정층의 빛 투과 및 차단 원리를 설명하는 도면이다.
도 2는 일 실시예에서 사용된 아조벤젠 화합물의 트랜스(trans), 시스(cis) 및 트랜스-시스 사이의 중간 전이상태 에너지를 보여주는 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 광반응 스마트 윈도우의 수직 단면도이다.
도 4는 다른 실시예에 따른 광반응 스마트 윈도우의 수직 단면도이다.
도 5는 또 다른 실시예에 따른 광반응 스마트 윈도우의 수직 단면도이다.
도 6은 일 실시예에 따른 광반응 스마트 윈도우에 사용될 수 있는 염료감응 태양전지의 일예를 보여주는 수직 단면도이다.
도 7은 실시예 1에서 제조된, 교차된 편광판 사이에 삽입된 액정층의 UV 노출 전후를 보여주는 사진이다.
도 8은 실시예 1에서 제조된 스마트 윈도우, 즉 액정층과 DSSC와 결합된 상태에서, UV 노출 전후를 보여주는 사진이다.
도 9는 실시예 1에서 제조된, 교차된 편광판 사이에 삽입된 액정층의 광 투과율을 사용된 염료의 흡수파장과 비교한 그래프이다.
도 10은 실시예 1에서 제조된 스마트 윈도우의 '밤 모드'에서 '낮 모드'로 전환 성능을 평가한 그래프이다.
이하, 도면을 참조하여 일 구현예에 따른 광반응 스마트 윈도우에 대해 상세히 설명하고자 한다. 첨부된 도면은 본 발명의 예시적인 구현 예를 도시한 것으로서, 이는 본 발명의 이해를 돕도록 하기 위해 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되는 것은 아니다.
일 측면에 따른 광반응 스마트 윈도우는,
서로 이격되어 배치되는 상부 편광판 및 하부 편광판;
상기 상부 편광판 및 하부 편광판 사이에 배치된 것으로서, 아조벤젠 화합물, 비카이랄 네마틱 액정(achiral nematic liquid) 및 카이랄 도펀트(chiral dopant)를 포함하는 액정층; 및
상부 편광판의 상부면, 상기 하부 편광판의 하부면, 또는 상기 상부 또는 파부 편광판과 액정층 사이에 배치되는 태양전지;을 포함한다.
상기 광반응 스마트 윈도우는 자외선 우무에 따라 투과도가 조절될 수 있는 액정층을 태양전지와 결합하여, 주변 및 빛 조건에 따라 자동으로 투명 상태에서 불투명 상태로 형태를 변화시킬 수 있다. 상기 광반응 스마트 윈도우는 광학 변환 액정층을 사용하여 자외선이 있는 낮에는 투명해져서 이를 투과되는 태양광을 태양전지를 통하여 전기에너지로 변환할 수 있고, 자외선이 없는 저녁에는 불투명해져서 커튼 없는 창문으로 사용될 수 있다.
상기 상부 편광판과 상기 하부 편광판은 직각으로 교차된 상태이며, 이들 두 편광판 사이에 액정층이 삽입된다.
상기 액정층은 광학 변환가능한 액정 조성으로서, 비카이랄 네마틱 액정(achiral nematic liquid), 광반응성 아조벤젠 화합물, 및 카이랄 도펀트(chiral dopant) 를 포함한다.
상기 비카이랄 네마틱 액정은 상기 액정층의 두께 방향으로 나선축을 갖는 나선구조를 가지며, 자외선의 유무에 따라 광반응성 아조벤젠 화합물에 의하여 나선 구조의 피치가 조절될 수 있다.
상기 광반응성 아조벤젠 화합물은 외부의 빛, 예를 들어 자외선에 따라 시스-트랜스 이성질체 반응이 가능하며, 자외선이 없을 때 주된 구조가 트렌스(trans) 이성질체가 되고, 자외선에 노출될 때 주된 구조가 시스(cis) 이성질체가 된다.
트랜스 이성질체 구조를 갖는 상기 아조벤젠 화합물은 상기 비카이랄 네마틱 액정의 나선 구조의 피치를 짧게 하여, 상부 편광판을 통하여 들어온 외부의 빛을 차단할 수 있다. 따라서, 자외선이 없을 때 상기 스마트 윈도우는 어두운 상태(dark state)가 될 수 있다. 이 경우를 "밤 모드 (night mode)"라 지칭한다.
시스 이성질체 구조를 갖는 상기 아조벤젠 화합물은 상기 비카이랄 네마틱 액정의 나선 구조의 피치를 길게 하여, 상부 편광판을 통하여 들어온 외부의 빛이 액정층을 통과하도록 할 수 있다. 따라서, 자외선에 노출될 때 상기 스마트 윈도우는 투명한 상태(transparent state)가 될 수 있다. 이 경우를 "낮 모드 (day mode)"라 지칭한다.
상기 액정층의 빛 투과 및 차단 원리를 도 1에 나타내었다.
도 1에서 보는 바와 같이, 자외선이 없을 때, 상기 아조벤젠 화합물은 트랜스 이성질체(trans isomer)가 주된 구조가 되며, 피치가 짧아진 액정은 상부 편광판을 통하여 들어온 외부의 빛을 차단하여 "밤 모드"가 된다. 한편, 자외선 노출시, 상기 아조벤젠 화합물은 시스 이성질체(cis isomer)가 주된 구조가 되며, 피치가 짧아진 액정은 외부의 빛을 통과시키게 되므로 "낮 모드"가 된다. UV 노출 조절을 통하여 두 모드 사이의 전환은 반복될 수 있다.
도 8은 하기 실시예에 따라 제조된, 이러한 액정층과　투명 태양전지를 적층한 스마트 윈도우로서 도 8의 (c)에서는 빛이 차단되어 있다가 외부의 빛을 받게 되면 도 8의 (d)와 같이 빛이 통과하는 구조로 변경이 되는 것을 확인할 수 있다.
이러한 광학적 변환을 가능하게 하는 상기 아조벤젠 화합물은, 아조벤젠 골격구조를 가진 화합물이라면 특별히 한정되지 않는다.
일 실시예에 따르면, 상기 아조벤젠 화합물은 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함할 수 있다.
[화학식 1]
Figure pat00001
상기 식중, R1 및 R2는 서로 독립적으로 수소, 비치환된 또는 치환된 C1-C30 알킬기, 비치환된 또는 치환된 C1-C30 알콕시기, 비치환된 또는 치환된 C6-C30 아릴기, 비치환된 또는 치환된 C6-C30 아릴옥시기, 비치환된 또는 치환된 C3-C30 헤테로아릴기, 비치환된 또는 치환된 C3-C30 헤테로아릴옥시기, 비치환된 또는 치환된 C4-C30 사이클로알킬기 또는 비치환된 또는 치환된 C3-C30 헤테로사이클로알킬기이며,
여기서 상기 아릴기, 상기 아릴옥시기, 상기 헤테로아릴기, 및 상기 헤테로아릴옥시기는 결합된 벤젠고리의 2 이상의 탄소원자와 연결되어 혼성화될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 아조벤젠 화합물은 하기 화학식 2로 표시되는 화합물을 포함할 수 있다.
[화학식 2]
Figure pat00002
상기 식중, R3 내지 R6는 서로 독립적으로 수소, 비치환된 또는 치환된 C1-C30 알킬기, 비치환된 또는 치환된 C1-C30 알콕시기, 비치환된 또는 치환된 C6-C30 아릴기, 비치환된 또는 치환된 C6-C30 아릴옥시기, 비치환된 또는 치환된 C3-C30 헤테로아릴기, 비치환된 또는 치환된 C3-C30 헤테로아릴옥시기, 비치환된 또는 치환된 C4-C30 사이클로알킬기 또는 비치환된 또는 치환된 C3-C30 헤테로사이클로알킬기이며,
여기서 상기 아릴기, 상기 아릴옥시기, 상기 헤테로아릴기, 및 상기 헤테로아릴옥시기는 결합된 벤젠고리의 2 이상의 탄소원자와 연결되어 혼성화될 수 있다.
화학식에서 사용되는 치환기의 정의에 대하여 살펴 보면 다음과 같다.
화학식에서 사용되는 용어 “알킬”은 완전 포화된 분지형 또는 비분지형 (또는 직쇄 또는 선형) 탄화수소를 말한다.
상기 “알킬”의 비제한적인 예로는 메틸, 에틸, n-프로필, 이소프로필, n-부틸, 이소부틸, sec-부틸, n-펜틸, 이소펜틸, 네오펜틸, iso-아밀, n-헥실, 3-메틸헥실, 2,2-디메틸펜틸, 2,3-디메틸펜틸, n-헵틸 등을 들 수 있다.
상기 “알킬”중 하나 이상의 수소 원자는 할로겐 원자, 할로겐 원자로 치환된 C1-C20의 알킬기(예: CCF3, CHCF2, CH2F, CCl3 등), C1-C20의 알콕시, C2-C20의 알콕시알킬, 히드록시기, 니트로기, 시아노기, 아미노기, 아미디노기, 히드라진, 히드라존, 카르복실기나 그의 염, 술포닐기, 설파모일(sulfamoyl)기, 술폰산기나 그의 염, 인산이나 그의 염, 또는 C1-C20의 알킬기, C2-C20 알케닐기, C2-C20 알키닐기, C1-C20의 헤테로알킬기, C6-C20의 아릴기, C6-C20의 아릴알킬기, C6-C20의 헤테로아릴기, C7-C20의 헤테로아릴알킬기, C6-C20의 헤테로아릴옥시기, C6-C20의 헤테로아릴옥시알킬기 또는 C6-C20의 헤테로아릴알킬기로 치환될 수 있다.
용어 “할로겐 원자”는 불소, 브롬, 염소, 요오드 등을 포함한다.
용어 “할로겐 원자로 치환된 C1-C20 알킬기”는 하나 이상의 할로 그룹(halo group)이 치환된 C1-C20 알킬기를 말하며, 비제한적인 예로서, 모노할로알킬, 디할로알킬 또는 퍼할로알킬을 함유한 폴리할로알킬을 들 수 있다.
모노할로알킬은 알킬기내에 하나의 요오드, 브롬, 염소 또는 불소를 갖는 경우이고, 디할로알킬 및 폴리할로알킬은 두개 이상의 동일하거나 또는 상이한 할로 원자를 갖는 알킬기를 나타낸다.
화학식에서 사용되는 용어 “알콕시”는 알킬-O-를 나타내며, 상기 알킬은 상술한 바와 같다. 상기 알콕시의 비제한적인 예로서 메톡시, 에톡시, 프로폭시, 2-프로폭시, 부톡시, 터트-부톡시, 펜틸옥시, 헥실옥시, 사이클로프로폭시, 사이클로헥실옥시 등이 있다. 상기 알콕시기중 하나 이상의 수소 원자는 상술한 알킬기의 경우와 동일한 치환기로 치환가능하다.
화학식에서 사용되는 용어“알콕시알킬”은 알킬기가 상술한 알콕시에 의하여 치환된 경우를 말한다. 상기 알콕시알킬중 하나 이상의 수소 원자는 상술한 알킬기의 경우와 동일한 치환기로 치환가능하다. 이와 같이 상기 용어 “알콕시알킬”은 치환된 알콕시알킬 모이어티를 포함한다.
화학식에서 사용되는 용어“알케닐”기는 적어도 하나의 탄소-탄소 이중결합을 갖는 분지형 또는 비분지형 탄화수소를 말한다. 알케닐기의 비제한적인예로는 비닐, 알릴, 부테닐, 이소프로페닐, 이소부테닐 등을 들 수 있고, 상기 알케닐중 하나 이상의 수소 원자는 상술한 알킬기의 경우와 동일한 치환기로 치환될 수 있다.
화학식에서 사용되는 용어 “알키닐”기는 적어도 하나의 탄소-탄소 삼중결합을 갖는 분지형 또는 비분지형 탄화수소를 말한다. 상기 “알키닐”의 비제한적인 예로는 에티닐, 부티닐, 이소부티닐, 이소프로피닐 등을 들 수 있다.
상기 “알키닐”중 하나 이상의 수소 원자는 상술한 알킬기의 경우와 동일한 치환기로 치환될 수 있다.
화학식에서 사용되는 용어 “아릴”기는 단독 또는 조합하여 사용되어, 하나 이상의 고리를 포함하는 방향족 탄화수소를 의미한다.
상기 용어 “아릴”은 방향족 고리가 하나 이상의 사이클로알킬고리에 융합된 그룹도 포함한다.
상기 “아릴”의 비제한적인 예로서, 페닐, 나프틸, 테트라히드로나프틸 등이 있다.
또한 상기 “아릴”기중 하나 이상의 수소원자는 상술한 알킬기의 경우와 마찬가지의 치환기로 치환가능하다.
용어 “아릴알킬”은 아릴로 치환된 알킬을 의미한다. 아릴알킬의 예로서 벤질 또는 페닐-CH2CH2-을 들 수 있다.
화학식에서 사용되는 용어 “아릴옥시”는 -O-아릴을 의미하며, 아릴옥시기의 예로서 페녹시 등이 있다. 상기 “아릴옥시”기중 하나 이상의 수소 원자는 상술한 알킬기의 경우와 마찬가지의 치환기로 치환가능하다.
화학식에서 사용되는 용어 “헤테로아릴”기는 N, O, P 또는 S 중에서 선택된 하나 이상의 헤테로원자를 포함하고, 나머지 고리원자가 탄소인 모노사이클릭(monocyclic) 또는 바이사이클릭(bicyclic) 유기 화합물을 의미한다. 상기 헤테로아릴기는 예를 들어 1-5개의 헤테로원자를 포함할 수 있고, 5-10 고리 멤버(ring member)를 포함할 수 있다. 상기 S 또는 N은 산화되어 여러가지 산화 상태를 가질 수 있다.
상기 “헤테로아릴”중 하나 이상의 수소원자는 상술한 알킬기의 경우와 마찬가지의 치환기로 치환가능하다.
용어 “헤테로아릴알킬”은 헤테로아릴로 치환된 알킬을 의미한다.
용어 “헤테로아릴옥시”는 -O-헤테로아릴 모이어티를 의미한다. 상기 헤테로아릴옥시중 하나 이상의 수소원자는 상술한 알킬기의 경우와 마찬가지의 치환기로 치환가능하다.
용어 “헤테로아릴옥시알킬”는 -O-헤테로아릴옥시로 치환된 알킬을 의미한다. 상기 헤테로아릴옥시알킬중 하나 이상의 수소원자는 상술한 알킬기의 경우와 마찬가지의 치환기로 치환가능하다.
화학식에서 사용되는 “탄소고리”기는 포화 또는 부분적으로 불포화된 비방향족(non-aromatic) 모노사이클릭, 바이사이클릭 또는 트리사이클릭 탄화수소기를 말한다.
상기 모노사이클릭 탄화수소의 예로서, 사이클로펜틸, 사이클로펜테닐, 사이클로헥실, 사이클로헥세닐 등이 있고, 바이사이클릭 탄화수소의 예로서, bornyl, decahydronaphthyl, bicyclo[2.1.1]hexyl, bicyclo[2.2.1]heptyl, bicyclo[2.2.1]heptenyl, 또는 bicyclo[2.2.2]octyl이 있다.
상기 트리사이클릭 탄화수소의 예로서, 아다만틸(adamantly) 등이 있다.
상기 “탄소고리”중 하나 이상의 수소 원자는 상술한 알킬기의 경우와 마찬가지의 치환기로 치환가능하다.
화학식에서 사용되는 “헤테로고리”기는 질소, 황, 인, 산소 등과 같은 헤테로원자를 함유하고 있는 5 내지 10 원자로 이루어진 고리기를 지칭하며, 구체적인 예로서 피리딜 등이 있고, 이러한 헤테로고리기중 하나 이상의 수소 원자는 상술한 알킬기의 경우와 마찬가지로 치환가능하다.
용어 “헤테로고리옥시”는 -O-헤테로고리를 의미하며, 헤테로고리옥시기중 하나 이상의 수소 원자는 상술한 알킬기의 경우와 마찬가지로 치환가능하다.
용어 “술포닐”은 R”-SO2-를 의미하며, R”은 수소, 알킬, 아릴, 헤테로아릴, 아릴-알킬, 헤테로아릴-알킬, 알콕시, 아릴옥시, 사이클로알킬기 또는 헤테로고리기이다.
용어 “설파모일”기는 H2NS(O2)-, 알킬-NHS(O2)-, (알킬)2NS(O2)- 아릴- NHS(O2)-, 알킬-(아릴)-NS(O2)-, (아릴)2NS(O)2, 헤테로아릴-NHS(O2)-, (아릴-알킬)- NHS(O2)-, 또는 (헤테로아릴-알킬)-NHS(O2)-를 포함한다.
상기 설파모일중 하나 이상의 수소 원자는 상술한 알킬기의 경우와 마찬가지로 치환가능하다.
상기 용어 "아미노기"는 질소원자가 적어도 하나의 탄소 또는 헤테로원자에 공유결합된 경우를 나타낸다. 아미노기는 예를 들어 -NH2 및 치환된 모이어티(substituted moieties)를 포함한다. 그리고 질소 원자가 적어도 하나의 부가적인 알킬기에 결합된 알킬아미노, 질소가 적어도 하나 또는 둘 이상이 독립적으로 선택된 아릴기에 결합된 "아릴아미노" 및 "디아릴아미노"기를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 상기 아조벤젠 화합물로서 하기 화학식 3 및 4로 표시되는 화합물을 사용할 수 있다. 예를 들어, 하기 화학식 3으로 표시되는 화합물을 단독으로 사용하거나, 하기 화학식 3으로 표시되는 화합물 및 하기 화학식 4로 표시되는 화합물을 혼합하여 사용할 수 있다.
[화학식 3]
Figure pat00003
[화학식 4]
Figure pat00004
상기 화학식 3의 화합물은 도 2에서 보는 바와 같이, 트랜스(trans) 및 90° 형태 사이의 전이상태 에너지가 화학식 4의 화합물에 비하여 상대적으로 낮기 때문에, 외부 동력 (즉, UV 노출)에 의해 트랜스(trans)에서 시스(cis)로 상대적으로 쉽게 형태 변화를 할 수 있다.
반면, 화학식 4의 화합물은 더 높은 에너지 장벽을 가지므로, UV 노출 하에서도 트랜스(trans) 형태가 여전히 보존될 수 있다. 따라서, 상기 화학식 4의 화합물은 화학식 3의 화합물과 함께 첨가되어, UV가 없는 조건 하에서 비카이랄 네마틱 액정의 초기 상태, 즉 어두운 상태로의 복원력을 향상시킬 수 있다.
상기 화학식 3 및 4의 화합물의 비는 차단되는 빛의 파장의 영역에 따라 비율을 조정하여 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 화학식 3의 화합물 및 상기 화학식 4의 화합물은 1:100 내지 100:1의 몰비로 포함될 수 있다. 구체적으로 예를 들어, 상기 화학식 3의 화합물 및 상기 화학식 4의 화합물은 1:50 내지 50:1, 1:10 내지 10:1, 또는 1:2 내지 2:1의 몰비로 포함될 수 있다. 보다 구체적으로 예를 들어 1:1의 몰비로 포함될 수 있다. 상기 함량 범위에서 UV가 없는 조건 하에서 안정적으로 비카이랄 네마틱 액정의 초기 상태, 즉 어두운 상태로 복원될 수 있다.
한편, 상기 카이랄 도펀트(chiral dopant)는 광 둔감성(photo-insensitive)이며, 상기 비카이랄 네마틱 액정의 나선 구조에 충분히 짧은 피치를 유도하기 위하여 첨가된다. 상기 카이랄 도펀트는 상기 비카이랄 네마틱 액정의 네마틱 규칙성을 손상시키지 않으면서 나선 구조를 유발할 수 있는 것이라면, 특별히 제한되지 않고 사용될 수 있다.
이와 같이 상기 액정층은 비카이랄 네마틱 액정, 광반응성 아조벤젠 화합물, 및 카이랄 도펀트를 포함하여, 외부 전원의 인가 없이 자외선 유무에 따라 투명-불투명 상태 사이로 광학적으로 변환할 수 있으며, 태양전지와의 결합을 통하여 낮에는 투명하여 전기를 생산하고, 밤에는 프라이버시를 위하여 셔터로 작용하여 커튼없는 창문으로 활용될 수 있다.
일 실시예에 따른 광반응 스마트 윈도우들의 수직 단면 구조를 도 3 내지 5에 도시하였다.
도 3 내지 5에서 보는 바와 같이, 광반응 스마트 윈도우(100)는 상부 편광판(10), 하부 편광판(20), 액정층(30) 및 태양전지(40)를 포함하는 적층 구조를 갖는다. 여기서, 태양전지(40)는 도 3과 같이 상부 편광판(10)의 상부면에 배치될 수 있고, 도 4와 같이 하부 평광판(20)의 하부면에 배치될 수도 있으며, 도 5와 같이 상부 편광판(10)과 액정층(30) 사이, 또는 하부 편광판(20)과 액정층(30) 사이에 배치될 수도 있다. 상기 적층 구조를 통하여, 상기 태양전지(40)는 액정층(30)과 일체화된다.
각각의 적층 구조는 그들 고유의 장점을 가질 수 있다. 예를 들어, 도 3과 같이 태양전지(40)가 액정층(30) 상부에 배치된 구조는, 입사광이 액정층을 통한 손실 없이 태양전지(40)에서 완전히 수집될 수 있으므로, 상대적으로 높은 전력 생산이 예상된다.
도 4와 같이 상기 액정층(30)이 태양전지(40) 상부에 배치되는 구조는 입사광이 액정층을 통과하면서 손실되어 투과율이 낮아질 수 있지만, 태양전지로 입사되는 자외선을 차단하여 자외선 조사에 따른 태양전지의 수명 저하 문제를 해결할 수 있다는 부가적인 장점을 갖는다.
도 5와 같이 액정층(30)과 태양전지(40)가 교차된 편광판(10, 20) 사이에 샌드위치된 구조는, 하부 편광판(20)이 태양전지(40) 아래에 존재함으로써 편광판 자체의 흡수에 의한 입사광의 세기 감소를 막을 수 있다는 부가적인 장점을 갖는다.
상기 태양전지(40)는 예를 들어 염료감응 태양전지, 유기 태양전지, 무기 박막 태양전지, 또는 화합물 반도체 태양전지를 포함할 수 있다. 상기 태양전지(40)는 커튼없는 창문으로 활용되기 위하여, 외부 광을 투과할 수 있는 투명 태양전지이어야 한다. 이러한 측면에서 유기물 기반의 염료감응 태양전지나 유기 태양전지가 더 선호될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 태양전지(40)는 염료감응 태양전지일 수 있다.
상기 염료감응 태양전지는 당해 기술분야에서 일반적으로 사용되는 구조라면 특별히 제한되지 않는다.
예를 들어, 상기 염료감응 태양전지의 일예를 도 6에 도시하였다. 이와 같은 태양전지는 제1전극(11), 광흡수층(12), 전해질(13) 및 제2전극(14)을 구비하며, 상기 광흡수층(12)은 반도체 미립자 및 염료 분자를 포함할 수 있다. 제1전극(11) 및 광흡수층(12)을 합쳐서 반도체 전극이라고도 한다.
상기 제1전극(11)에는 투명 기판이 사용되고, 상기 투명 기판은 투명성을 갖고 있는 것이라면 특별히 한정되는 것은 아니며, 예를 들면 유리 기판 등을 사용할 수 있다. 상기 투명 기판에 전도성을 부여하기 위한 재료로서 도전성 및 투명성을 갖고 있는 것이면 어떠한 것이라도 사용할 수 있으며, 예를 들면 도전성, 투명성, 특히 높은 내열성을 갖는 주석계 산화물(예를 들어 SnO2)을 사용할 수 있고, 상대적으로 비용이 저렴한 인듐 틴 옥사이드(ITO)를 사용할 수 있다.
광흡수층(12)은 반도체 미립자 및 염료를 포함하며 그 두께는 15㎛ 이하, 예를 들면 1 내지 15㎛일 수 있다. 광흡수층(12)은 구조상의 이유로 직렬 저항이 크고, 직렬 저항의 증가는 변환효율의 저하를 초래하는 바, 막 두께를 15㎛ 이하로 함으로써 그 기능을 유지하면서 직렬저항을 낮게 유지하여 변환 효율 저하를 방지할 수 있다.
상기 광흡수층(12)에 포함되는 반도체 미립자는 실리콘으로 대표되는 단체 반도체 외에 화합물 반도체 또는 페로브스카이트 구조를 갖는 화합물 등을 사용할 수 있다. 이들 반도체는 광 여기하에서 전도대 전자가 캐리어로 되어 음극 전류를 제공하는 n형 반도체일 수 있다. 구체적으로 TiO2(이산화티탄), SnO2, ZnO, WO3, Nb2O5, TiSrO3 등이 있으며, 예를 들면 아나타제형의 TiO2가 있다. 반도체 종류는 이들에 한정되는 것은 아니며, 이들을 단독 또는 두 가지 이상 혼합하여 사용할 수 있다. 이와 같은 반도체 미립자는 표면에 흡착된 염료가 보다 많은 빛을 흡수하도록 하기 위하여 표면적을 크게 할 수 있으며, 이를 위해 반도체 미립자의 입경은 20㎚ 이하일 수 있다.
상기 광흡수층(12)에 포함되는 염료로는 태양 전지 분야에서 일반적으로 사용되는 것이라면 아무 제한 없이 사용할 수 있으나, 루테늄 착물이 바람직하다. 그렇지만 전하 분리기능을 갖고 감응 작용을 나타내는 것이면 특별히 한정되는 것은 아니며, 루테늄 착물 이외에도 예를 들어 로다민 B, 로즈벤갈, 에오신, 에리스로신 등의 크산틴계 색소; 퀴노시아닌, 크립토시아닌 등의 시아닌계 색소; 페노사프라닌, 카프리블루, 티오신, 메틸렌블루 등의 염기성 염료; 클로로필, 아연 포르피린, 마그네슘 포르피린 등의 포르피린계 화합물; 기타 아조 색소; 프탈로시아닌 화합물, Ru 트리스비피리딜 등의 착화합물; 안트라퀴논계 색소; 다환 퀴논계 색소 등을 들 수 있으며, 이들은 단독 또는 Ru 복합체와 혼합 사용하여 장파장의 가시광 흡수를 개선함으로써 광전 변환 효율을 보다 향상시킬 수 있다. 상기 루테늄 착물로서는 RuL2(SCN)2, RuL2(H2O)2, RuL3, RuL2 등을 사용할 수 있다(식중 L은 2,2'-비피리딜-4,4'-디카르복실레이트 등을 나타낸다).
상기 광흡수층(12)에 염료를 흡착시키기 위하여, 예를 들어 상기 염료를 분산시킨 용액을 제조하여 상기 광흡수층을 침적시켜 염료를 흡착시킬 수 있다. 상기 염료의 농도는 염료의 흡착이 가능한 범위라면 모두 사용될 수 있다. 이때 사용되는 용매로는 에탄올, 아이오프로판올, 아세토니트릴, 발레로니트릴이 사용될 수 있으나 반드시 이들로 한정되지 않으며 당해 기술분야에서 사용되는 용매라면 모두 사용될 수 있다.
상기 광흡수층(12)의 제조방법은 다음과 같다. 반도체 미립자 표면에 상기 화학식 1로 표시되는 유기 금속 착물을 용매에 분산시킨 용액을 분사, 도포 또는 침지한 후, 세척 및 건조하여 광흡수층(12)을 제조하게 된다. 상기 광흡수층은 상기 반도체 미립자를 제1전극(11) 상에 미리 형성시킨 후 제조할 수 있다. 유기 금속 착물을 분산시키는 용매로서는 특별히 한정하는 것은 아니나 아세토니트릴, 디클로로메탄, 알콜계 용매 등을 사용할 수 있다.
상기 전해질(13)은 전해액으로 이루어지고, 상기 광흡수층(12)을 포함하거나 또는 전해액이 광흡수층(12)에 침윤되도록 형성될 수 있다. 전해액은 예를 들면 요오드의 아세토나이트릴 용액 등을 사용할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 홀 전도 기능이 있는 것이라면 어느 것이나 제한 없이 사용할 수 있다.
상기 제2전극(14)은 도전성 물질이면 어느 것이나 제한 없이 사용가능하며, 절연성의 물질이라도 반도체 전극에 마주보고 있는 측에 도전층이 설치되어 있으면 이것도 사용 가능하다. 단, 전기화학적으로 안정한 재료를 전극으로서 사용할 수 있으며 구체적으로는 백금, 금, 및 카본 등이 있다. 또한 산화환원의 촉매 효과를 향상시킬 목적으로 반도체 전극과 마주보고 있는 측은 미세구조로 표면적이 증대하고 있는 것일 수 있으며, 예를 들면 백금이면 백금흑 상태로, 카본이면 다공질 상태로 되어 있을 수 있다. 백금흑 상태는 백금의 양극 산화법, 염화백금산 처리 등에 의해 형성될 수 있으며, 다공질 상태의 카본은 카본 미립자의 소결이나 유기 폴리머의 소성 등의 방법에 의해 형성될 수 있다.
상술한 구조를 갖는 염료감응 태양전지의 제조 방법은 당해 분야에 널리 알려져 있어 당해 분야에 종사하는 사람들에게는 충분히 이해될 수 있는 내용이므로 본 명세서에서 상세한 설명은 생략한다.
이하의 실시예 및 비교예를 통하여 예시적인 구현예들이 더욱 상세하게 설명된다. 단, 실시예 및 비교예는 기술적 사상을 예시하기 위한 것으로서 이들만으로 본 발명의 범위가 한정되는 것이 아니다.
실시예 1
상기 화학식 1로 표시되는 화합물 및 상기 화학식 2로 표시되는 화합물을 10:1 몰비로 혼합한 아조벤젠 화합물 7wt%를 카이랄 도펀트 R2011(Merck KGaA) 7wt% 와 혼합하고, 상기 혼합물을 네마틱 호스트 E7 (Merck KGaA) 내에 분산시켰다. 상기 결과의 카이랄 네마틱 LC 혼합물을 5μm 두께의 셀에 채우고 직각으로 교차된 편광판 사이에 삽입하였다. 상기 셀은 유리 기판 내면에 역평행으로 마모된 폴리이미드 얼라인먼트 레이어로 코팅되어 있다.
DSSC (Dye Sensitized Solar Cells) 제조는 아래와 같다.
플루오린 도핑된 주석산화물 투명 전도체 위에 입경 15 내지 20㎚ 크기의 티타늄산화물 입자 분산액을 닥터블레이드법을 이용하여 0.18㎠ 면적으로 코팅하고, 500℃에서 30분간 열처리 소성공정을 통해 15㎛ 두께의 다공성 티타늄산화물 후막을 제작하였다. 상기 다공성 티타늄산화물 후막을 에탄올에 용해된 0.2mM N719 염료액에 18시간 이상 흡착처리하였다. 그 후 염료가 흡착된 다공성 티타늄산화물 후막을 에탄올을 이용하여 세척하고 건조하여 반도체 전극을 제조하였다.
대향 전극으로는 플루오린 도핑된 주석산화물 투명 전도체 상에 스퍼터를 이용하여 Pt층을 증착하였다. 대향 전극은 전해액 주입을 위해 0.6㎜ 직경의 드릴을 이용하여 만든 미세 구멍을 포함하였다.
60㎛ 두께의 열가소성 고분자 필름을 반도체 전극과 대향 전극 사이에 두고 90℃에서 10초 압착시킴으로써 두 전극을 접합시켰다. 이때 사용된 금속전극은 투과도를 높이기 위하여 얇은 두께(5nm)로 증착하였다. 대향 전극에 형성된 미세 구멍을 통하여 산화-환원 전해질을 주입시키고, 커버 글라스와 열가소성 고분자 필름을 이용하여 미세 구멍을 밀봉함으로써 염료 감응 태양 전지를 제작하였다. 이때 산화-환원 전해질은 0.62M의 1-메틸-3-프로필이미다졸리움 요오드(1-methyl-3-propylimidazolium iodide), 0.1M의 LiI, 0.5M의 I2, 0.5M의 4-tert-부틸피리딘(4-tert-butylpyridine)을 아세토니트릴에 용해시킨 것을 이용하였다.
이와 같이 제조된 DSSC는, 도 4와 같이 상기 액정층의 아래에 놓고 일체화시켜 광반응 스마트 윈도우를 제조하였다.
제조된 소자의 특성 및 성능은 아래와 같이 측정하였다.
광원으로는 300 W Xe lamp 및 AM 1.5G filter를 구비한 SAN-EI ELECTRIC solar simulator를 이용하여 AM 1.5G solar spectrum을 측정하였다. 100 mWcm-2 irradiation intensity는 standard silicon solar cell로 보정하였다. 전류 밀도는 Keithely 2400 장비를 이용하여 측정하였다. 투과도는 VARIAN 5000 UV-Vis Spectrophotometer로 측정하였다.
평가예 1: 액정층의 UV 노출에 따른 모드 전환 실험
상기 실시예 1에서 제조한, 교차된 편광판 사이에 삽입된 액정층을 DSSC가 없는 상태에서 solar simulator (AM1.5G, 100 mW cm-2 1 sun condition)에 60초간 노출하였다. UV 노출 전후의 액정층의 상태를 도 7에 나타내었다.
도 7에서 보는 바와 같이, UV에 노출되기 전(a)에는 상기 액정층은 어두운 상태이고, UV 노출후(b) 상기 액정층은 투명 상태로 전환된 것을 알 수 있다. 상기 UV 노출에 의한 투명 상태로의 전환은 상대적으로 낮은 UV 세기의 실내 광원에 의해서는 유발되지 않았다.
한편, 상기 실시예 1에서 제조한 스마트 윈도우, 즉 상기 액정층을 DSSC와 결합된 상태에서, 동일한 조건으로 UV 노출시키고, UV 노출 전후의 상기 스마트 윈도우의 상태를 도 8에 나타내었다.
도 8에서 보는 바와 같이, UV에 노출되기 전(c)에는 상기 스마트 윈도우는 어두운 상태이고, UV 노출후(d) 상기 스마트 윈도우는 투명 상태인 것을 알 수 있다. 이는 상기 스마트 윈도우의 어두운 상태 및 투명 상태는 상기 액정층의 모드 전환에 의존하는 것을 의미한다.
평가예 2: 액정층의 광 투과율 평가
상기 실시예 1에서 제조한 교차된 편광판 사이에 삽입된 액정층의 광 투과율을 UV-Vis spectrometer를 이용하여 측정하고, 그 결과를 도 9에 나타내었다.
도 9에서 보는 바와 같이, 상기 액정층의 광 투과율은 DSSC에서 염료, 트라이머 루테늄 복합체가 대체로 흡수하는 550 nm 근방에서 향상되고 있음을 알 수 있다.
평가예 3: 스마트 윈도우의 성능 평가
상기 실시예 1에서 제조된 스마트 윈도우가 '밤 모드'에서 '낮 모드'로 전환하는 것을 확인하기 위하여, 다음과 같이 평가하였다.
먼저 UV 요소가 없는 밤 모드에서 소자가 그대로 있는 것을 확인하기 위하여, 395nm cut-off long pass filter를 사용하여 solar simulator로부터 UV 파장을 차단하였다. 상기 액정층은 어두운 상태로 유지하였고, 상기 스마트 윈도우는 단지 어두운 광다이오드 거동 (dark photodiode behavior)을 나타냈다.
이어서, 상기 스마트 윈도우가 '밤 모드'에서 '낮 모드'로 전환하는 것을 확인하기 위하여, 395nm filter를 solar simulator로부터 제거하고 상기 스마트 윈도우의 광전류를 2초 간격으로 측정하였다. 상기 스마트 윈도우의 전류밀도를 시간의 함수로 평가한 결과를 도 10에 나타내었다.
도 10에서 보는 바와 같이, 상기 스마트 윈도우는 UV 노출 시간이 길어질수록 전류밀도가 증가하였으며, 60초 안에 광전류가 포화되는 것을 통하여 상기 스마트 윈도우가 빠르게 밤 모드에서 낮 모드로 전환된 것을 알 수 있다.
이상에서는 도면 및 실시예를 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 구현예가 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 구현예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
100: 스마트 윈도우
10: 상부 편광판
20: 하부 편광판
30: 액정층
40: 태양전지
11: 제1전극
12: 광흡수층
13: 전해질
14: 제2전극

Claims (15)

  1. 서로 이격되어 배치되는 상부 편광판 및 하부 편광판;
    상기 상부 편광판 및 하부 편광판 사이에 배치되는 것으로서, 비카이랄 네마틱 액정(achiral nematic liquid), 광반응성 아조벤젠 화합물, 및 카이랄 도펀트(chiral dopant)를 포함하는 액정층; 및
    상기 상부 편광판의 상부면에 배치되는 태양전지;를 포함하는 광반응 스마트 윈도우.
  2. 서로 이격되어 배치되는 상부 편광판 및 하부 편광판;
    상기 상부 편광판 및 하부 편광판 사이에 배치된 것으로서, 비카이랄 네마틱 액정(achiral nematic liquid), 광반응성 아조벤젠 화합물, 및 카이랄 도펀트(chiral twist dopant)를 포함하는 액정층; 및
    상기 하부 편광판의 하부면에 배치되는 태양전지;를 포함하는 광반응 스마트 윈도우.
  3. 서로 이격되어 배치되는 상부 편광판 및 하부 편광판;
    상기 상부 편광판 및 하부 편광판 사이에 배치된 것으로서, 비카이랄 네마틱 액정(achiral nematic liquid), 광반응성 아조벤젠 화합물, 및 카이랄 도펀트(chiral twist dopant)를 포함하는 액정층; 및
    상기 상부 또는 하부 편광판과 상기 액정층 사이에 배치되는 태양전지;를 포함하는 광반응 스마트 윈도우.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 상부 편광판과 상기 하부 편광판은 직각으로 교차된 상태인 광반응 스마트 윈도우.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 비카이랄 네마틱 액정은 상기 액정층의 두께 방향으로 나선축을 갖는 나선구조를 가지며, 자외선의 유무에 따라 상기 아조벤젠 화합물에 의하여 나선 구조의 피치가 조절되는 광반응 스마트 윈도우.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 비카이랄 네마틱 액정의 나선 구조의 피치가 자외선이 없을 때 감소되고, 자외선에 노출될 때 증가하는 광반응 스마트 윈도우.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 아조벤젠 화합물은 자외선에 노출되지 않을 때 트렌스(trans) 이성질체를 가지고, 자외선에 노출될 때 시스(cis) 이성질체를 갖는 광반응 스마트 윈도우.
  8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 아조벤젠 화합물은 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는 광반응 스마트 윈도우:
    [화학식 1]
    Figure pat00005

    상기 식중, R1 및 R2는 서로 독립적으로 수소, 비치환된 또는 치환된 C1-C30 알킬기, 비치환된 또는 치환된 C1-C30 알콕시기, 비치환된 또는 치환된 C6-C30 아릴기, 비치환된 또는 치환된 C6-C30 아릴옥시기, 비치환된 또는 치환된 C3-C30 헤테로아릴기, 비치환된 또는 치환된 C3-C30 헤테로아릴옥시기, 비치환된 또는 치환된 C4-C30 사이클로알킬기 또는 비치환된 또는 치환된 C3-C30 헤테로사이클로알킬기이고,
    여기서 상기 아릴기, 상기 아릴옥시기, 상기 헤테로아릴기, 및 상기 헤테로아릴옥시기는 결합된 벤젠고리의 2 이상의 탄소원자와 연결되어 혼성화될 수 있다.
  9. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 아조벤젠 화합물은 하기 화학식 2로 표시되는 화합물을 포함하는 광반응 스마트 윈도우:
    [화학식 2]
    Figure pat00006

    상기 식중, R3 내지 R6는 서로 독립적으로 수소, 비치환된 또는 치환된 C1-C30 알킬기, 비치환된 또는 치환된 C1-C30 알콕시기, 비치환된 또는 치환된 C6-C30 아릴기, 비치환된 또는 치환된 C6-C30 아릴옥시기, 비치환된 또는 치환된 C3-C30 헤테로아릴기, 비치환된 또는 치환된 C3-C30 헤테로아릴옥시기, 비치환된 또는 치환된 C4-C30 사이클로알킬기 또는 비치환된 또는 치환된 C3-C30 헤테로사이클로알킬기이며,
    여기서 상기 아릴기, 상기 아릴옥시기, 상기 헤테로아릴기, 및 상기 헤테로아릴옥시기는 결합된 벤젠고리의 2 이상의 탄소원자와 연결되어 혼성화될 수 있다.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 아조벤젠 화합물은 하기 화학식 3으로 표시되는 화합물, 또는 하기 화학식 3으로 표시되는 화합물 및 하기 화학식 4로 표시되는 화합물의 혼합물을 포함하는 광반응 스마트 윈도우:
    [화학식 3]
    Figure pat00007

    [화학식 4]
    Figure pat00008
  11. 제10항에 있어서,
    상기 화학식 3의 화합물 및 상기 화학식 4의 화합물은 1:100 내지 100:1의 몰비로 포함되는 광반응 스마트 윈도우.
  12. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광반응 스마트 윈도우는 자외선이 없을 때 불투명해지고, 자외선에 노출될 때 투명해지는 광반응 스마트 윈도우.
  13. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 태양전지는 투명 태양전지인 광반응 스마트 윈도우.
  14. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 태양전지는 염료감응 태양전지, 유기 태양전지, 무기 박막 태양전지, 또는 화합물 반도체 태양전지를 포함하는 광반응 스마트 윈도우.
  15. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 태양전지는 염료감응 태양전지인 광반응 스마트 윈도우.
KR1020140132490A 2014-10-01 2014-10-01 광반응 스마트 윈도우 KR20160039433A (ko)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020140132490A KR20160039433A (ko) 2014-10-01 2014-10-01 광반응 스마트 윈도우
US14/842,029 US20160097236A1 (en) 2014-10-01 2015-09-01 Photoreactive smart window
CN201510639878.4A CN105489380B (zh) 2014-10-01 2015-09-30 光反应性智能窗

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020140132490A KR20160039433A (ko) 2014-10-01 2014-10-01 광반응 스마트 윈도우

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020170079819A Division KR101787012B1 (ko) 2017-06-23 2017-06-23 광반응 스마트 윈도우

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20160039433A true KR20160039433A (ko) 2016-04-11

Family

ID=55632460

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020140132490A KR20160039433A (ko) 2014-10-01 2014-10-01 광반응 스마트 윈도우

Country Status (3)

Country Link
US (1) US20160097236A1 (ko)
KR (1) KR20160039433A (ko)
CN (1) CN105489380B (ko)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20180129384A (ko) * 2017-05-26 2018-12-05 조선대학교산학협력단 스마트 윈도우 장치
KR20190002126A (ko) 2017-06-29 2019-01-08 코오롱인더스트리 주식회사 유기 태양전지 모듈을 포함하는 스마트 윈도우

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9702183B1 (en) 2016-02-26 2017-07-11 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Smart sunshade for a vehicle window
CN106094075A (zh) * 2016-07-28 2016-11-09 张家港康得新光电材料有限公司 光转向膜及光转向膜的透光性调控方法
CN106833680B (zh) * 2017-01-03 2020-12-18 复旦大学 一种光响应三稳态手性分子材料及其制备方法和应用
KR101787012B1 (ko) 2017-06-23 2017-10-18 한국과학기술연구원 광반응 스마트 윈도우
US10877301B2 (en) 2018-04-16 2020-12-29 GM Global Technology Operations LLC Photochromic film
CN109085706B (zh) * 2018-07-23 2021-12-14 华南师范大学 一种基于叶绿素掺杂的光响应器件
CN109161385A (zh) * 2018-07-24 2019-01-08 华中科技大学 一种可见光调控颜色的胆甾相液晶材料
CN109164626B (zh) * 2018-10-16 2021-09-24 京东方科技集团股份有限公司 光响应智能窗

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4217416A1 (de) * 1992-05-14 1994-02-03 Interpane Entw & Beratungsges Verfahren zur Herstellung und Anordnung zum Betrieb mikrogekapselter Flüssigkristall-Systeme mit elektrisch schaltbarer optischer Transmission
DE4215868A1 (de) * 1992-05-14 1993-11-18 Interpane Entw & Beratungsges Verfahren zur Herstellung und Anordnung zum Betrieb mikrogekapselter Flüssigkristall-Systeme mit elektrisch schaltbarer optischer Transmission
JP3718234B2 (ja) * 1996-04-11 2005-11-24 チッソ株式会社 キラル化合物とネマチック液晶を含有する組成物およびそれを使用するデバイス
JP3816477B2 (ja) * 2003-10-29 2006-08-30 日立電子サービス株式会社 自動調光用ガラス素材
JP2008098540A (ja) * 2006-10-16 2008-04-24 Meidensha Corp 発電装置
US20130050599A1 (en) * 2010-07-08 2013-02-28 Sharp Kabushiki Kaisha Solar panel, liquid crystal display system, and method for controlling solar panel
WO2012027883A1 (zh) * 2010-08-30 2012-03-08 孙亚凯 一种自动控光玻璃及幕墙
KR20120045543A (ko) * 2010-10-29 2012-05-09 엘지전자 주식회사 스마트 윈도우 장치
KR101083672B1 (ko) * 2011-04-25 2011-11-16 주식회사 이건창호 염료감응형 태양전지와 전기변색 창이 포함된 스마트 윈도우
WO2013082380A1 (en) * 2011-11-30 2013-06-06 Alphamicron Incorporated Adaptive liquid crystal structural interface
CN103388440A (zh) * 2012-05-09 2013-11-13 上海市闵行中学 一种玻璃窗
CN103275736B (zh) * 2013-06-05 2015-02-04 浙江星星光学材料有限公司 一种具有宽波反射的聚合物稳定液晶薄膜材料的制备方法

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20180129384A (ko) * 2017-05-26 2018-12-05 조선대학교산학협력단 스마트 윈도우 장치
KR20190002126A (ko) 2017-06-29 2019-01-08 코오롱인더스트리 주식회사 유기 태양전지 모듈을 포함하는 스마트 윈도우

Also Published As

Publication number Publication date
US20160097236A1 (en) 2016-04-07
CN105489380B (zh) 2018-05-29
CN105489380A (zh) 2016-04-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR20160039433A (ko) 광반응 스마트 윈도우
Huaulmé et al. Photochromic dye-sensitized solar cells with light-driven adjustable optical transmission and power conversion efficiency
Roy et al. Color comfort evaluation of dye-sensitized solar cell (DSSC) based building-integrated photovoltaic (BIPV) glazing after 2 years of ambient exposure
Zhang et al. Influence of 4-guanidinobutyric acid as coadsorbent in reducing recombination in dye-sensitized solar cells
KR100696529B1 (ko) 금속원소를 포함하는 광전변환소자용 전극 및 이를 채용한염료감응 태양전지
Katoh et al. Effects of 4-tert-butylpyridine and Li ions on photoinduced electron injection efficiency in black-dye-sensitized nanocrystalline TiO2 films
Koh et al. Influence of 4-tert-butylpyridine in DSCs with CoII/III redox mediator
KR100751331B1 (ko) 고분자 전해액 및 이를 포함하는 염료감응 태양전지
EP2716855A1 (en) Glass sheet for window
KR101787012B1 (ko) 광반응 스마트 윈도우
Murakami et al. An alkyloxyphenyl group as a sterically hindered substituent on a triphenylamine donor dye for effective recombination inhibition in dye-sensitized solar cells
Lee et al. Phenomenally high molar extinction coefficient sensitizer with “donor− acceptor” ligands for dye-sensitized solar cell applications
Costa et al. Impact of the architecture of dye sensitized solar cell-powered electrochromic devices on their photovoltaic performance and the ability to color change
Zhao et al. Enhanced electron lifetimes in dye-sensitized solar cells using a dichromophoric porphyrin: the utility of intermolecular forces
JP5535718B2 (ja) 複合体、光電極、色素増感型太陽電池及び色素増感型太陽電池モジュール
CA2879197C (en) Photoelectric conversion layer composition and photoelectric conversion element
Riquelme et al. Characterization of photochromic dye solar cells using small-signal perturbation techniques
KR101507300B1 (ko) 태양전지-전기변색부 일체형 소자 및 이의 제조방법
Kato et al. Demonstration of 12 Years Outdoor Working of Highly Durable Dye-Sensitized Solar Cell Modules Employing Hydrophobic Surface Passivation and Suppression of Biased Distribution of Iodine Ions
Roiati et al. Beneficial Role of a Bulky Donor Moiety in π-Extended Organic Dyes for Mesoscopic TiO2 Sensitized Solar Cells
JP2014186995A (ja) 透明色素増感太陽電池および色素増感太陽電池モジュール
Dewalque et al. Stability of templated and nanoparticles dye-sensitized solar cells: photovoltaic and electrochemical investigation of degradation mechanisms at the photoelectrode interface
KR101264083B1 (ko) 신규한 비대칭 퀴나크리돈 염료와 이를 이용한 염료감응 태양전지
JP2013058424A (ja) 光増感色素、色素増感光電変換素子、電子機器および建築物
KR101465454B1 (ko) 염료감응 태양전지용 유기염료 및 이를 포함하는 염료감응 태양전지

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
AMND Amendment
E601 Decision to refuse application
AMND Amendment
A107 Divisional application of patent