KR20160079174A - 전기변색-열변색 하이브리드 소자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전기변색-열변색 하이브리드 소자와 그 소자가 증착된 스마트 윈도우에 관한 것으로서, 전기변색층, 전해질층 및 이온저장층이 적층된 구조로 형성된 소자에 있어서 이온저장층이 바나듐다이옥사이드(VO2)를 반드시 포함하는 복합소재로 구성되도록 함으로써, 전기변색과 열변색에 따라 가시광과 적외선 영역의 빛의 투과율을 조절할 수 있도록 하는 전기변색-열변색 하이브리드 스마트 윈도우를 제공할 수 있도록 한다.

Description

전기변색-열변색 하이브리드 소자 {ELECTROCHROMIC-THERMOCHROMIC HYBRID DEVICE}
본 발명은 통과하는 빛의 투과성을 변화시킬 수 있는 스마트 윈도우 및 그 스마트 윈도우를 형성하는 소자에 관한 것으로서, 구체적으로는, 유리기판에 증착되어 투과하는 가시광 또는 적외선 영역의 투과율이 가역적으로 변할 수 있도록 하는 소자에 관한 것이다.
건축물에 있어서 에너지 손실의 방지 등을 위하여 빛의 투과율을 조절할 수 있는 유리인 스마트 윈도우에 대한 연구, 개발이 지속적으로 진행되고 있으며, 스마트 윈도우로 사용될 수 있는 소자로는 전기변색 소자(Electrochromic Device)와 열변색 소자(Thermochromic Device)가 있다.
전기변색 소자는 전기와 같은 외부 자극에 의하여 변색물질의 산화-환원 반응이 일어나고 가시광 영역의 투과율이 가역적으로 변화하는 소자이다.
도 1은 종래의 전기변색 소자의 구조를 나타낸 것으로서, 종래의 전기변색 소자는 투명전극(110) 사이에 전기변색층(120), 전해질층(130) 및 이온저장층(140)이 적층된 구조로 이루어져 있다.
전기변색 소자의 이온저장층(140)은 전기변색 반응에 관여하는 이온과 반대 극성의 이온을 저장하거나 그 이온과 산화-환원 반응을 통하여 직접 전기변색 효과에 기여하기도 한다.
일반적으로 NiO, Ni(OH)2, Cr2O3, MnO2, RH2O3, CoOx, Ir(OH)x, Fe2O3, V2O5 등의 물질이 이온저장층(140)을 구성하는 소재로 사용되며, 전기변색 소재로 가장 많이 사용되는 텅스텐옥사이드(WO3)의 경우 환원시 착색되기 때문에 산화시 착색되는 Ir(OH)x, Ni(OH)2, RH2O3, CoOx 등으로 이온저장층(140)을 구성하여 투과율 변환에 기여하도록 한다.
열변색 소자는 온도 변화에 따라 적외선 영역의 빛을 투과 또는 차폐시키는 소자로서, 바나듐다이옥사이드(VO2, Vanadium Dioxide)로 대표되며 340K(68℃) 부근에서 나타나는 금속-절연체 간 상전이(MIT, Metal-Insulator Transition) 특성을 이용하여 적외선 영역의 투과율이 변화하도록 한다.
즉, 68℃ 이상에서는 금속 형태로 존재하여 적외선을 차폐하고, 68℃ 미만에서는 절연체 형태로 존재하여 적외선을 투과시킨다.
그러나 종래에는 전기변색 또는 열변색 중 하나의 기능만 가지고 있는 스마트 윈도우만 제공되고 있어, 전기변색 소자를 이용한 스마트 윈도우의 경우 사용자의 조작이 없으면 빛의 투과율을 조절할 수 없으며, 열변색 소자를 이용한 스마트 윈도우의 경우에는 특정 온도를 기준으로 온도가 변화되지 않으면 빛의 투과율을 조절할 수 없어 상황에 적절하게 가시광 또는 적외선 영역의 빛을 차단하지 못하는 문제점이 존재한다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여, 전기변색 소자를 형성하는 전기변색층, 전해질층 및 이온저장층 중에서 이온저장층에 열변색 소자의 기능을 가지는 바나듐다이옥사이드(VO2)를 혼합함으로써 전기변색 소자의 레이어의 수를 증가시키지 않으면서 전기변색과 열변색의 특성을 가지는 전기변색-열변색 하이브리드 소자 및 하이브리드 스마트 윈도우를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일면에 따르면, 전기변색층, 전해질층 및 이온저장층이 적층된 구조로 형성된 소자에 있어서, 상기 이온저장층은 바나듐다이옥사이드(VO2)를 포함하는 복합소재로 구성된 것을 특징으로 하는 전기변색-열변색 하이브리드 소자를 제공한다.
상기 이온저장층은 상기 이온저장층을 구성하는 소재 매트릭스에 상기 바나듐다이옥사이드가 임베딩된 것일 수 있고, 상기 이온저장층을 구성하는 소재 매트릭스와 상기 바나듐다이옥사이드가 적층된 구조로 형성된 것일 수 있으며, 상기 이온저장층을 구성하는 소재 매트릭스에 상기 바나듐다이옥사이드가 기둥 형태로 형성된 것일 수 있다.
본 발명의 다른 일면에 따르면, 유리기판; 상기 유리기판 위에 형성된 투명전극; 상기 투명전극 위에 형성되며 바나듐다이옥사이드를 포함하는 이온저장층; 상기 이온저장층 위에 형성된 전해질층; 상기 전해질층 위에 형성되며 전기장 인가에 따라 변색되는 전기변색층; 및 상기 전기변색층 위에 형성된 투명전극을 포함하는 전기변색-열변색 하이브리드 스마트 윈도우를 제공한다.
본 발명에 따르면, 전기장 ON/OFF에 따라 가시광-적외선 영역의 빛을 능동적으로 투과/흡수할 수 있는 소자와 외부의 온도에 따라 수동적으로 적외선 영역의 빛을 투과/반사할 수 있는 소자를 하이브리드한 소자를 제공함으로써, 전기장에 따른 전기변색 ON/OFF와 외부 온도 변화에 따른 열변색 ON/OFF 등 총 4가지 광학 상태를 조절할 수 있도록 한다.
또한, 일반적인 전기변색 소자의 경우 구동시 외부의 가시광-적외선 투과율을 감소시켜 여름철 냉방 부하 감소의 효과를 나타내며 겨울철 내부 열선 유입의 외부 유출을 막아 난방 부하 감소의 효과도 볼 수 있는데, 본 발명을 통하여 전기변색 소자의 구동 전 외부의 조망을 유지하면서 열선만 선택적으로 차단할 수 있는 기능을 추가함으로써 사용자의 선택성을 넓힐 수 있도록 한다.
도 1은 종래의 전기변색 소자의 구조를 나타낸 도면이다.
도 2a, 2b, 3a, 3b, 4a 및 4b는 본 발명의 일실시예에 따른 전기변색-열변색 하이브리드 소자가 증착된 스마트 윈도우의 구조를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 전기변색-열변색 하이브리드 소자가 적용된 스마트 윈도우를 통과하는 빛의 투과율이 변화하는 실시예를 나타낸 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술 되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 기재에 의해 정의된다.
한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자에 하나 이상의 다른 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가함을 배제하지 않는다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 일실시예에 따른 전기변색-열변색 하이브리드 소자는 전기변색층, 전해질층 및 이온저장층이 적층된 구조로 이루어진 전기변색 소자에 있어서, 전기변색 소자의 이온저장층에 열변색 기능을 가지는 바나듐다이옥사이드(VO2)를 반드시 포함하는 것을 특징으로 한다.
따라서 본 발명에 따르면, 종래의 전기변색 소자의 레이어의 수를 증가시키지 않으면서 전기변색의 기능과 열변색의 기능을 모두 제공하는 소자를 제공할 수 있도록 한다.
도 2a 내지 도 4b는 본 발명의 일실시예에 따른 전기변색-열변색 하이브리드 소자가 증착된 스마트 윈도우의 다양한 실시예를 나타낸 것이다.
본 발명의 일실시예에 따른 전기변색-열변색 하이브리드 스마트 윈도우는 유리기판(100), 투명전극(110), 전기변색층(120), 전해질층(130), 이온저장층(140) 및 바나듐다이옥사이드(150)를 포함한다.
본 발명은 종래의 전기변색 소자에 포함된 이온저장층(140)을 바나듐다이옥사이드(150)가 반드시 포함되는 복합소재로 구성하는 것을 특징으로 하며, 일반적으로 전기변색 소자의 이온저장층(140)의 구성물질로 사용되는 NiO, Ni(OH)2, Cr2O3, MnO2, Rh2O3, CoOx, Ir(OH)x, Fe2O3 등을 바나듐다이옥사이드(140)와 복합화할 수 있다.
또한, 바나듐다이옥사이드(140)와 산화수가 다른 V2O5, V2O3, VO 등의 VOx 상도 복합화할 수 있다.
이온저장층(140)을 구성하는 소재와 바나듐다이옥사이드(150)는 다양한 형태로 복합화될 수 있으며, 도 2a 내지 도 4b는 이온저장층(140)을 구성하는 소재에 바나듐다이옥사이드(150)가 복합화된 다양한 실시예를 나타낸 것이다.
도 2a와 도 2b는 이온저장층(140)을 구성하는 소재와 바나듐다이옥사이드(150) 중 어느 하나가 다른 하나의 물질에 임베딩된 형태를 나타낸 것으로서, 도 2a는 이온저장층(140)을 구성하는 소재 매트릭스에 바나듐다이옥사이드(150)가 임베딩된 형태를 나타낸 것이며, 도 2b는 바나듐다이옥사이드(150) 매트릭스에 이온저장층(140)을 구성하는 소재가 임베딩된 형태를 나타낸 것이다.
도 3a와 도 3b는 이온저장층(140)을 구성하는 소재와 바나듐다이옥사이드(150)가 서로 적층된 구조로 형성된 형태를 나타낸 것으로서, 도 3a는 바나듐다이옥사이드(150)의 상단에 이온저장층(140)을 구성하는 소재가 적층된 형태, 도 3b는 이온저장층(140)을 구성하는 소재의 상단에 바나듐다이옥사이드(150)가 적층된 형태를 나타낸 것이다.
도 4a와 도 4b는 이온저장층(140)을 구성하는 소재와 바나듐다이옥사이드(150) 중 어느 하나가 기둥 형태로 존재하는 실시예를 나타낸 것으로서, 도 4a는 이온저장층(140)을 구성하는 소재 매트릭스에 바나듐다이옥사이드(150)가 기둥 형태로 형성된 것을 나타낸 것이며, 도 4b는 바나듐다이옥사이드(150) 매트릭스에 이온저장층(140)을 구성하는 소재가 기둥 형태로 형성된 것을 나타낸 것이다.
따라서 본 발명의 일실시예에 따른 전기변색-열변색 하이브리드 스마트 윈도우의 이온저장층(140)은 다양한 형태로 형성될 수 있으며, 이러한 이온저장층(140)을 포함하는 전기변색-열변색 하이브리드 스마트 윈도우를 통과하는 빛의 투과율이 변화하는 실시예를 도 5를 참조하여 설명한다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 전기변색-열변색 하이브리드 소자가 증착된 스마트 윈도우가 빛의 투과율을 조절하는 실시예를 나타낸 것으로서, ITO가 코팅된 유리 위에 스퍼터링법으로 VO2와 V2O5가 같이 존재하는 복합소재를 제조하고 그 위에 고체전해질, 전기변색물질, 투명전극의 순서로 박막을 증착한 소자의 투과율이 변화하는 것을 나타낸 것이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 전술한 방법에 의하여 제조된 소자는 전기변색 전후, 온도변화 전후의 투과율 변화가 나타나는 것을 알 수 있다.
예컨대, Breached @RT와 Colored @RT를 비교하면, 상온에서 전기변색 전후 가시광과 적외선 영역의 빛의 투과율이 급격하게 떨어지는 것을 확인할 수 있다.
또한, Bleached @RT와 Bleached @80℃을 비교하면, 변색되기 전 온도변화 전후에 따라 적외선 영역의 빛의 투과율이 감소하는 것을 확인할 수 있다.
따라서 본 발명에 따른 전기변색-열변색 하이브리드 소자에 의하면, 종래의 전기변색 소자의 이온저장층(140)을 구성하는 소재와 바나듐다이옥사이드(150)를 혼합한 복합소재로 전기변색-열변색 하이브리드 소자의 이온저장층(140)으로 구성하도록 함으로써, 전기변색과 열변색에 따라 가시광, 적외선 영역의 빛의 투과율을 조절할 수 있도록 하는 스마트 윈도우를 제공할 수 있도록 한다.
이상의 설명은 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명의 본질적 특성을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명에 표현된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것이 아니라, 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 해석되어야 하고, 그와 동등하거나, 균등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 유리기판 110: 투명전극
120: 전기변색층 130: 전해질층
140: 이온저장층 150: 바나듐다이옥사이드(VO2)

Claims (8)

  1. 전기변색층, 전해질층 및 이온저장층이 적층된 구조로 형성된 소자에 있어서, 상기 이온저장층은 바나듐다이옥사이드(VO2)를 포함하는 복합소재로 구성된 것을 특징으로 하는 전기변색-열변색 하이브리드 소자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 이온저장층은 상기 이온저장층을 구성하는 소재 매트릭스에 상기 바나듐다이옥사이드가 임베딩된 것을 특징으로 하는 전기변색-열변색 하이브리드 소자.
  3. 제1항에 있어서, 상기 이온저장층은 상기 이온저장층을 구성하는 소재 매트릭스와 상기 바나듐다이옥사이드가 적층된 구조로 형성된 것을 특징으로 하는 전기변색-열변색 하이브리드 소자.
  4. 제1항에 있어서, 상기 이온저장층은 상기 이온저장층을 구성하는 소재 매트릭스에 상기 바나듐다이옥사이드가 기둥 형태로 형성된 것을 특징으로 하는 전기변색-열변색 하이브리드 소자.
  5. 유리기판;
    상기 유리기판 위에 형성된 투명전극;
    상기 투명전극 위에 형성되며 바나듐다이옥사이드를 포함하는 이온저장층;
    상기 이온저장층 위에 형성된 전해질층;
    상기 전해질층 위에 형성되며 전기장 인가에 따라 변색되는 전기변색층; 및
    상기 전기변색층 위에 형성된 투명전극
    을 포함하는 전기변색-열변색 하이브리드 스마트 윈도우.
  6. 제5항에 있어서, 상기 이온저장층은
    상기 이온저장층을 구성하는 소재 매트릭스에 상기 바나듐다이옥사이드가 임베딩되어 있는 것
    인 전기변색-열변색 하이브리드 스마트 윈도우.
  7. 제5항에 있어서, 상기 이온저장층은
    상기 이온저장층을 구성하는 소재 매트릭스와 상기 바나듐다이옥사이드가 적층된 구조로 형성된 것
    인 전기변색-열변색 하이브리드 스마트 윈도우.
  8. 제5항에 있어서, 상기 이온저장층은
    상기 이온저장층을 구성하는 소재 매트릭스에 상기 바나듐다이옥사이드가 기둥 형태로 형성된 것
    인 전기변색-열변색 하이브리드 스마트 윈도우.
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