KR20160083236A - 전기변색 물질, 이를 포함하는 광투과 가변 패널 및 디스플레이장치 - Google Patents

전기변색 물질, 이를 포함하는 광투과 가변 패널 및 디스플레이장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 하기 화학식으로 표시되고 투명도와 차광도가 높은 전기변색 물질과 이를 이용한 투과도 가변 패널 및 디스플레이장치를 제공한다.
Figure pat00026

Description

전기변색 물질, 이를 포함하는 광투과 가변 패널 및 디스플레이장치{Electrochromic material and Light-transmittance variable panel and display device including the same}
본 발명은 디스플레이장치에 관한 것으로, 우수한 투과도와 차광도를 갖는 전기변색 물질과 이를 포함하는 광투과 가변 패널 및 디스플레이장치에 관한 것이다.
정보화 사회가 발전함에 따라 화상을 표시하기 위한 표시장치에 대한 요구가 다양한 형태로 증가하고 있으며, 근래에는 액정표시장치(LCD : liquid crystal display), 플라즈마표시장치(PDP : plasma display panel display device), 유기발광다이오드 표시장치 (OLED : organic light emitting diode display device)와 같은 여러가지 평판표시장치(flat display device)가 활용되고 있다.
이들 평판표시장치 중에서, 액정표시장치와 유기발광다이오드 표시장치가 널리 사용되고 있다.
액정표시장치는, 액정 분자의 광학적 이방성과 분극성질을 이용하여 영상을 표시한다. 예를 들어, 액정표시장치는 화소 전극과 공통 전극이 제 1 기판 상에 교대로 배열되고 제 1 기판과 마주하는 제 2 기판 사이에 액정 분자를 포함하는 액정층이 개재되어 구성된다.
한편, 유기발광다이오드 표시장치는 애노드 및 캐소드 사이에 유기발광층을 구성하여 발광하게 된다. 애노드로부터 주입된 정공과 캐소드로부터 주입된 전자가 유기발광층에서 결합하여 엑시톤(exciton)을 형성하고 엑시톤이 여기상태에서 기저상태로 전이되면서 빛을 발하게 된다.
최근에는 전면이 투명하여 빛을 투과하는 투명 디스플레이장치에 대한 관심이 증가하고 있다. 이와 같은 투명 디스플레이장치는 소위 스마트 윈도우(smart window)에 적용되고 있다.
그런데, 투명 디스플레이장치는 블랙 상태를 갖지 못하기 때문에, 명암비가 저하되고 영상의 시인성이 좋지 않은 단점을 갖게 된다. 이를 개선하기 위해, 표시패널의 일면에 차광판을 사용하는 방법이 제안되었다.
예를 들어, 차광판으로는 투과도를 변경할 수 있는 액정패널, 전기영동패널 또는 전기습윤패널 등이 이용되고 있다.
도 1은 전기영동패널을 차광판으로 이용하는 종래 디스플레이장치의 개략적인 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 디스플레이장치(10)는 투명 표시패널(20)과, 투명 표시패널(20)의 일측에 위치하는 투과도 가변 패널(30)을 포함한다.
투명 표시패널(20)은 다수의 화소를 포함하고, 각각의 화소는 표시부(22)와, 회로부(24) 및 투명부(26)를 포함한다. 표시부(22)는 회로부(24)를 통해 공급되는 전압 또는 신호에 의해 구동되어 영상을 표시한다. 투명 표시패널(20)은 액정패널 또는 발광다이오드 패널일 수 있다.
예를 들어, 투명 표시패널(20)이 발광다이오드 패널인 경우, 서로 마주하는 제 1 기판(20a) 및 제 2 기판(20b)을 포함하고, 제 1 및 제 2 기판(20a, 20b) 사이에는 표시소자(미도시)가 형성된다.
즉, 표시부(22)에는 서로 마주하는 제 1 전극 및 제 2 전극과, 제 1 및 제 2 전극 사이에 위치하는 유기 발광층이 형성되고, 회로부(24)에는 스위칭 박막 트랜지스터, 구동 박막트랜지스터, 스토리지 캐패시터를 포함하는 구동 소자가 형성될 수 있다.
스위칭 박막트랜지스터에 게이트신호가 인가되면 스위칭 박막트랜지스터가 온(on) 되고, 데이터신호가 스위칭 박막트랜지스터를 통해 구동 박막트랜지스터의 게이트전극과 스토리지 캐패시터의 일전극으로 인가된다. 스토리지 캐패시터는 데이터 신호에 대응되는 전하를 일 프레임(frame) 동안 유지하여 발광다이오드를 흐르는 전류의 양을 일정하게 하고 발광다이오드가 표시하는 계조를 일정하게 유지시키는 역할을 한다.
구동 박막트랜지스터를 통해 발광다이오드의 제 1 전극에 전압이 인가되면, 정공과 전자가 제 1 및 제 2 전극으로부터 유기발광층으로 각각 주입되고 발광다이오드가 발광하여 영상을 표시하게 된다.
투과도 가변 패널(30)은, 서로 마주하는 제 3 및 제 4 기판(32, 34)과, 표시패널(20)의 투명부(26)에 대응하여 형성되는 투명 전극(36)과, 제 3 및 제 4 기판(32, 34) 사이에 위치하고 흑색 전기영동 입자(37)를 포함하는 잉크층(38)을 포함한다. 도 1에서는, 제 3 기판(32)과 제 2 기판(20b)을 하나로 도시하였으나, 별도의 기판이 서로 부착될 수 있다.
투명 전극(36)에 전압이 인가되면 흑색 전기영동 입자(37)가 투명 전극(36)으로 모이게 되어 투명부(26)의 광투과가 차단된다. 즉, 투과도 가변 패널(30)의 전압의 인가에 따라 투과모드와 차단모드를 갖게 된다.
따라서, 투명부(26)에서의 빛 투과를 선택적으로 조절할 수 있다.
그런데, 전기영동패널인 투과도 가변 패널(10)의 경우, 흑색 전기영동 입자(37)를 균일하게 분산시키기 어렵고 유체(fluid) 상태의 잉크층(38)이 누설(leakage)되는 문제가 발생한다.
또한, 액정패널을 투과도 가변 패널로 이용하는 경우, 투과모드에서의 투과율이 낮기 때문에, 디스플레이장치의 휘도가 저하되고 차광 효율이 좋지 않기 때문에 명암비가 낮은 문제가 있다.
또한, 전기습윤패널을 투과도 가변 패널로 이용하는 경우, 흑색 오일을 이용한 패널 제조가 쉽지 않고 흑색 염로 또는 안료의 석출, 유체의 누설 문제 등이 발생한다.
본 발명은, 높은 투과율과 우수한 차광 특성을 갖는 전기변색 물질과 투과도 가변 패널을 제공하고자 한다.
위와 같은 과제의 해결을 위해, 본 발명은, 하기 화학식으로 표시되고 R은 치환 또는 비치환된 알킬 그룹, 치환 또는 비치환된 방향족 그룹으로부터 선택되는 전기변색 물질을 제공한다.
Figure pat00001
본 발명의 전기변색 물질은 하기 화합물 중 어느 하나이다.
Figure pat00002
Figure pat00003
Figure pat00004
Figure pat00005
Figure pat00006

다른 관점에서, 본 발명은, 서로 마주하는 제 1 및 제 2 기판과, 상기 제 1 기판 상에 위치하는 제 1 투명 전극과, 상기 제 2 기판 상에 위치하는 제 2 투명 전극과, 상기 제 1 투명과 상기 제 2 투명 전극 사이에 위치하며 코어와 쉘의 전기변색 입자를 포함하는 전기변색 입자층과, 상기 제 2 투명 전극과 상기 전기변색 입자층 사이에 위치하는 전해질층을 포함하고, 상기 쉘은 전술한 전기변색 물질을 포함하는 투과도 가변 패널을 제공한다.
본 발명의 투과도 가변 패널에 있어서, 상기 전해질층은 리튬염을 포함하는 고체 전해질이다.
또 다른 관점에서, 본 발명은, 전술한 투과도 가변 패널과; 상기 투과도 가변 패널의 일측에 위치하며 표시부와 투명부를 포함하는 표시패널을 포함하는 디스플레이장치를 제공한다.
본 발명의 전기변색 물질은 페녹시페닐과 인산기가 결합되어 있는 비올로겐 유도체 코어의 화합물로 이루어짐으로써, 우수한 투과도와 차광 효율을 갖는다.
또한, 코어와 전기변색 물질의 쉘로 이루어지고 전기변색 입자를 제공하며, 이를 포함하는 투과도 가변 패널은 우수한 투과도와 차광 효율을 갖는다. 또한, 코어와 쉘이 화학적으로 결합된 상태를 갖기 때문에, 구동 안정성이 향상된다.
이와 같은 전기변색 입자는 구 형태의 나노 입자이기 때문에 비표면적이 증가한다. 따라서, 투과도 가변 패널의 차광 효율이 향상된다.
또한, 고체 전해질을 이용하여 필름화할 수 있기 때문에, 종래 투과도 가변 패널에서의 유체 누설과 같은 문제를 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 투과도 가변 패널을 포함하는 디스플레이장치의 시인성과 명암비가 증가한다.
도 1은 전기영동패널을 차광판으로 이용하는 종래 디스플레이장치의 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전기변색 입자의 개략적인 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전기변색 입자의 NMR 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 투과도 가변 패널의 개략적인 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 투과도 가변 패널을 포함하는 디스플레이장치의 개략적인 단면도이다.
도 6은 도 5의 표시패널의 개략적인 단면도이다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전기변색 입자의 개략적인 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 전기변색 입자(100)는 코어(110)와 코어(110)를 감싸는 쉘(120)을 포함한다.
코어(110)는 유전체 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 코어(110)는 인듐-틴-옥사이드(indium-tin-oxide, ITO) 또는 산화티타늄(titanium oxide, TiO2)으로 이루어질 수 있다.
쉘(120)은 코어(110)를 감싸며 하기 화학식1에 표시된 전기변색 물질로 이루어진다.
[화학식1]
Figure pat00007
화학식1에서, R은 치환 또는 비치환된 알킬 그룹, 치환 또는 비치환된 방향족 그룹으로부터 선택될 수 있다.
예를 들어, R은 페녹시페닐(phenoxyphenyl), 벤질(benzyl), 헥실(hexyl), 나프틸(naphthyl), 페닐벤질(phenylbenzyl) 중 어느 하나일 수 있다.
즉, 본 발명의 전기변색 물질은, 페녹시페닐(phenoxyphenyl)이 치환된 제 1 비올로겐(viologen)과 알킬포스포네이트(alkylphophonate)가 치환된 제 2 비올로겐과, 치환 또는 비치환된 알킬 그룹, 치환 또는 비치환된 방향족 그룹 (예를 들어, 페녹시페닐, 페닐, 헥실, 나프틸 또는 페닐벤질)이 치환된 제 3 비올로겐이 벤젠 링에 결합된 구조를 갖는다. 이와 같은 전기변색 물질이 코어를 감싸는 구조의 전기변색 입자는, 우수한 광 투과 및 광 차단 특성을 갖는다. 특히 차광 모드에서 블랙을 구현하기 때문에, 차광율이 향상된다.
또한, 전기변색 물질의 포스포네이트기가 코어와 화학적으로 결합되기 때문에, 구동 안정성이 향상된다.
예를 들어, 화학식1의 전기변색 물질은 하기 화학식2-1 내지 화학식2-5의 물질로부터 선택될 수 있다.
[화학식2-1]
Figure pat00008
[화학식2-2]
Figure pat00009
[화학식2-3]
Figure pat00010
[화학식2-4]
Figure pat00011
[화학식2-5]
Figure pat00012
이와 같은 전기변색 물질이 코어를 감싸는 구조의 전기변색 입자는, 투명성이 좋기 때문에 전계가 인가되지 않은 경우 광투과도가 증가한다. 또한, 본 발명의 전기변색 입자는 구 형태의 코어-쉘 구조의 나노 입자이기 때문에, 판 형태인 경우에 비해 비표면적이 증가한다. 따라서, 전기변색 입자에 전계가 인가되는 경우 차광 효율이 증가한다.
또한, 전기변색 물질이 화학적으로 결합된 상태이기 때문에, 구동 안정성이 향상된다.
이하에서는, 본 발명에 따른 전기변색 물질의 합성예를 설명한다.
1. 제 1 합성예 (화학식2-1 전기변색 물질의 합성)
질소분위기의 3구 플라스크에, 바이피리딘 15.6그램(0.1몰)과 브로모에틸포스포네이트 24.5그램(0.1몰)을 메탄올과 물이 1:1로 혼합되어있는 용액에 첨가한 후 80℃에서 12시간동안 환류시켰다. 용매를 증류시키고 정제하여 흰색의 고체를 얻었다.
상기의 흰색 고체 40.0그램과 1,3,5-트리브로모벤젠 35.6그램(0.1몰)을 에탄올과 톨루엔이 8:2로 혼합된 용매에 넣은 후 3일 동안 반응을 시켰다. 반응물을 정제하여 엷은 황색의 물질을 얻었다. 상기의 황색 물질 70그램을 3옥소-3(4-페녹시페닐)프로피오닉 엑시드 메틸에스터 7.1그램(0.1몰), 바이피리딘 31.2그램(0.2몰) 및 메탄올 300그램에 넣고 80℃에서 12시간동안 반응시켰다. 반응물을 HCl(38중량%)수용액으로 1차 처리하였고 재결정을 통해 불순물을 제거하여 화학식2-1의 전기변색 물질을 합성하였다.
합성된 화학식2-1 전기변색 물질의 NMR 그래프를 도 3에 도시하였다.
2. 제 2 합성예 (화학식2-2 전기변색 물질의 합성)
Figure pat00014
제 1 합성예에서 3옥소-3(4-페녹시페닐)프로피오닉 엑시드 메틸에스터 대신 3옥소-3(4-페녹시페닐)프로피오닉 엑시드 메틸에스터 0.1몰 과 벤질브로마이드 0.1몰을 넣은 것 이외에는 제 1 합성예과 동일한 방법으로 화학식2-2의 전기변색 물질을 합성하였다.
3. 제 3 합성예 (화학식2-3 전기변색 물질의 합성)
Figure pat00015
제 1 합성예에서 3옥소-3(4-페녹시페닐)프로피오닉 엑시드 메틸에스터 대신 3옥소-3(4-페녹시페닐)프로피오닉 엑시드 메틸에스터 0.1몰 과 브로모 헥산 0.1몰을 넣은 것 이외에는 제 1 합성예과 동일한 방법으로 화학식2-3의 전기변색 물질을 합성하였다.
4. 제 4 합성예 (화학식2-4 전기변색 물질의 합성)
Figure pat00016
제 1 합성예에서 3옥소-3(4-페녹시페닐)프로피오닉 엑시드 메틸에스터 대신 3옥소-3(4-페녹시페닐)프로피오닉 엑시드 메틸에스터 0.1몰 과 2-브로모메틸-나프탈렌 0.1몰을 넣은 것 이외에는 제 1 합성예과 동일한 방법으로 화학식2-4의 전기변색 물질을 합성하였다.
5. 제 5 합성예 (화학식2-5 전기변색 물질의 합성)
Figure pat00017
제 1 합성예에서 3옥소-3(4-페녹시페닐)프로피오닉 엑시드 메틸에스터 대신 3옥소-3(4-페녹시페닐)프로피오닉 엑시드 메틸에스터 0.1몰 과 3-페닐-벤질브로마이드 0.1몰을 넣은 것 이외에는 제 1 합성예과 동일한 방법으로 화학식2-5의 전기변색 물질을 합성하였다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 투과도 가변 패널의 개략적인 단면도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 투과도 가변 패널(200)은, 서로 마주하는 제 1 및 제 2 기판(210, 220)과, 제 1 및 제 2 기판(210, 220) 사이에 위치하며 전기변색 입자(100)와 전해질(130)을 포함하는 전기변색층(240)과, 제 1 기판(210)과 전기변색층(240) 사이에 위치하는 제 1 투명 전극(240)과, 제 2 기판(220)과 전기변색층(240) 사이에 위치하는 제 2 투명 전극(250)을 포함한다.
제 1 기판(210)과 제 2 기판(220) 각각은 유리 또는 플라스틱으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제 1 기판(210)과 제 2 기판(220) 각각은 polyethylene terephthalate (PET) 또는 polyethylene naphthalate (PEN)으로 이루어질 수 있다.
제 1 투명 전극(230)과 제 2 투명 전극(250) 각각은 투명 도전성 물질로 이루어진다. 예를 들어, 제 1 투명 전극(230)과 제 2 투명 전극(250) 각각은 인듐-틴-옥사이드 (indium-tin-oxide, ITO) 또는 인듐-징크-옥사이드(indium-zinc-oxide, IZO)로 이루어질 수 있다. 본 발명의 투과도 가변 패널은 투과모드시에 투과도가 높아야 하기 때문에 투명 도전성 물질로 형성하며, 이와 달리 알루미늄과 같은 저저항 금속 물질로 형성하는 경우 빛이 투과될 수 있도록 얇은 두께를 가질 수 있다.
전기변색층(240)은 제 1 및 제 2 기판(210, 220) 사이, 즉 제 1 및 제 2 투명 전극(230, 250) 사이에 위치하며, 전기변색 입자(100)와 전해질층(130)을 포함한다.
도 2를 참조하면, 전기변색 입자(100)는 코어(110)와 쉘(120) 구조를 갖고, 쉘(120)은 화학식1로 표시되는 전기변색 물질로 이루어진다.
즉, 전기변색 입자(100)는 코어(110)를 감싸는 쉘(120)이 페녹시페닐(phenoxyphenyl)이 치환된 제 1 비올로겐(viologen)과 알킬포스포네이트(alkylphophonate)가 치환된 제 2 비올로겐과, 치환 또는 비치환된 알킬 그룹, 치환 또는 비치환된 방향족 그룹 (예를 들어, 페녹시페닐, 페닐, 헥실, 나프틸 또는 페닐벤질)이 치환된 제 3 비올로겐이 벤젠 링에 결합된 구조의 전기변색 물질로 이루어지며, 이에 따라 전기변색 입자(100)의 투과도가 증가한다.
또한, 전압이 인가되면 전기변색 물질로 이루어지는 쉘(120)이 변색되어 광 차단 효율이 증가한다. 본 발명의 전기변색 물질은 전압 인가에 의해 흑색으로 변하기 때문에, 다른 물질과의 혼합 없이 우수한 차광 효율을 갖는다.
전해질층(130)은 이온 전도체인 이온성 염과, 가소제와, 고분자 바인더를 포함하는 고체 전해질일 수 있다. 예를 들어, 이온성 염은 리튬(Li) 염일 수 있다.
도시하지 않았으나, 전해질층(130)과 제 2 투명 전극(250) 사이에는 전기변색층(240)에서의 산화-환원 반응을 원활히 하기 위한 대향전극(counter layer)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 대향전극은 PEDOT, 페로센, 트리페닐 아민, 다이페닐 아민, 페노티아진, 페녹사진 계 고분자 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
이와 같은 구성의 투과도 가변 패널(200)은 전압의 인가에 의해 투과 상태 또는 차단 상태를 갖는다.
즉, 제 1 및 제 2 투명 전극(230, 250)에 전압이 인가되지 않은 상태에서, 전기변색 입자(100)가 투명하기 때문에 투과도 가변 패널(200)은 빛을 투과시킨다. 한편, 제 1 및 제 2 투명 전극(230, 250)에 전압이 인가되면, 화학식1의 전기변색 물질로 이루어지는 쉘(120)이 변색되어 투과도 가변 패널(200)은 빛을 차단한다.
다시 말해, 본 발명의 투과도 가변 패널(200)은 전압 인가 여부에 따라 투과도를 달리하며, 후술하는 바와 같이 투명 디스플레이장치에 적용되어 투명 디스플레이장치의 시인성과 명암비를 향상시킬 수 있다.
[전기변색 입자의 합성]
제 1 내지 제 5 합성예를 통해 합성된 화학식2-1 내지 화학식2-5의 전기변색 물질 각 2.0그램을 메탄올 20그램에 용해시킨 후, 50℃의 온도에서 초음파를 이용하여 3시간동안 교반하여 투명한 용액을 얻었다. 또한 250ml 광구병에 ITO 파우더(입자 크기 > 15nm, solvay社) 50그램과 2,4펜탄다이온(2, 4 Peantadion) 0.5그램, BYK160 0.05그램을 이소프로필 알코올 120그램에 넣은 후 1시간동안 교반하고, 상기의 투명 용액 50그램과 0.1mm크기의 지르코니아 비드 200그램을 첨가하여 밀봉하였다. 600rpm으로 움직이는 볼밀을 이용하여 24 시간동안 분산함으로써 전기변색 입자 용액을 제조하였다.
[고체 전해질 제조]
교반기가 부착된 플라스크에 아세토니트릴 300그램, 폴리에틸렌옥사이드(분자량 600K) 10.0그램, 에틸렌옥사이드가 0.8몰 부가된 실록산 15.0그램을 첨가하여 60분동안 교반하였다. LiTFSi 1.77그램, 첨가제로 S104(Air product社) 0.5그램과 광개시제로 OXE01(BASF社) 0.05그램을 첨가하여 50도의 온도에서 6시간동안 교반하여 투명한 고분자 전해질 용액을 제조하였다. 이와 같이 제조한 고체전해질을 1mm의 gap으로 분리된 전극 위에 코팅한 후 용매를 건조시켰다. 0.1J/cm2의 UV를 조사하여 임피던스를 측정한 결과, 고체 전해질층의 이온전도도는 5.4*10-5 S/cm였다.
[대향 전극의 제조]
교반기가 부착된 플라스크에 비닐 페로센 30그램과 클로로벤젠 300그램을 넣고 교반하여 녹였다. 온도를 60도까지 상승시킨 후 라디칼 중합을 위한 개시제를 0.05g/min의 속도로 첨가하여 23시간 동안 반응시켜 분자량 8000인 비닐 페로센 고분자를 얻었다. 합성된 고분자를 다이클로로벤젠에 녹여 기재에 1000rpm으로 스핀코팅을 하여 대향 전극(counter layer)을 제조하였다.
[투과도 가변 패널의 제조]
[실험예1]
제 1 합성예를 통해 합성된 전기변색 물질을 이용하여 제조된 전기변색 입자 용액을 면저항이 40Ω/sq인 ITO PET 필름 위에 최종 두께가 2미크론이 되도록 코팅을 진행한 후 80도의 온도에서 30분간 건조하여 전기변색 입자층을 형성하였다.
면저항이 동일한 다른ITO PET 필름 위에 고체 전해질을 코팅하여 약 100미크론 두께의 고체 전해질층을 형성하였다. 이후, 100도의 온도에서 3분간 건조한 후 0.1J/cm2의 UV광량을 조사하여 고체 전해질층을 경화시켰다.
전기변색 입자층이 형성된 PET 필름과, 고체 전해질층을 대향 전극이 형성된 필름과 함께 40도의 온도에서 접합하여, 투과도 가변 패널을 제조하였다.
투과도 가변 패널에 +1.3, -1.3볼트의 전압을 인가하여 10초 간격으로 50회 에이징하고, DMS803(코니카미놀타社 분광광도계)를 이용하여 on(흑색)/off(투명)에서의 투과율, 차광율 및 색좌표를 측정하였다.
[실험예2]
제 2 합성예를 통해 합성된 전기변색 물질을 이용하여 실험예1과 동일한 방법으로 투과도 가변 패널을 제조하고 투과율, 차광율 및 색좌표를 측정하였다.
[실험예3]
제 3 합성예를 통해 합성된 전기변색 물질을 이용하여 실험예1과 동일한 방법으로 투과도 가변 패널을 제조하고 투과율, 차광율 및 색좌표를 측정하였다.
[실험예4]
제 4 합성예를 통해 합성된 전기변색 물질을 이용하여 실험예1과 동일한 방법으로 투과도 가변 패널을 제조하고 투과율, 차광율 및 색좌표를 측정하였다.
[실험예5]
제 5 합성예를 통해 합성된 전기변색 물질을 이용하여 실험예1과 동일한 방법으로 투과도 가변 패널을 제조하고 투과율, 차광율 및 색좌표를 측정하였다.
[비교예]
하기 화학식3의 전기변색 물질을 이용하여 실험예1과 동일한 방법으로 투과도 가변 패널을 제조하고 투과율, 차광율 및 색좌표를 측정하였다.
[화학식3]
Figure pat00018

실험예1 내지 실험예5와 비교예의 측정 결과를 아래 표1에 기재하였다.
Figure pat00019
표1에서 보여지는 바와 같이, 본 발명의 전기변색 물질을 이용하는 경우, 높은 투과도와 차광도를 갖는다.
즉, 페녹시페닐(phenoxyphenyl)이 치환된 제 1 비올로겐(viologen)과 알킬포스포네이트(alkylphophonate)가 치환된 제 2 비올로겐과, 치환 또는 비치환된 알킬 그룹, 치환 또는 비치환된 방향족 그룹 (예를 들어, 페녹시페닐, 페닐, 헥실, 나프틸 또는 페닐벤질)이 치환된 제 3 비올로겐이 벤젠 링에 결합된 구조를 갖는 화학식1의 전기변색 물질을 포함하는 코어-쉘 구조의 전기변색 입자를 이용함으로써, 우수한 광 투과 및 광 차단 특성을 갖는다.
특히, 페녹시페닐 치환기에 의해 광 투과 및 광 차단 특성이 크게 향상된다.
페녹시페닐 치환기를 갖지 않는 비교예와 비교할 때, 특히 차광율이 향상된다. 즉, 페녹시페닐 치환기를 갖지 않는 비교예의 전기변색 물질은 차광 모드에서 블랙을 구현하지 못하기 때문에, 차광율이 저하된다.
또한, 본 발명의 전기변색 물질에서는, 포스포네이트기가 코어와 화학적으로 결합되기 때문에, 구동 안정성이 향상된다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 투과도 가변 패널을 포함하는 디스플레이장치의 개략적인 단면도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 디스플레이장치(300)는 투명 표시패널(310)과, 투명 표시패널(310)의 일측에 위치하는 투과도 가변 패널(200)을 포함한다.
투명 표시패널(310)은 다수의 화소를 포함하고, 각각의 화소는 표시부(312)와, 회로부(314) 및 투명부(316)를 포함한다. 표시부(312)는 회로부(314)를 통해 공급되는 전압 또는 신호에 의해 구동되어 영상을 표시한다. 투명 표시패널(310)은 액정패널 또는 발광다이오드 패널일 수 있다.
투명 표시패널(310)이 발광다이오드 패널인 경우에 대하여 간략히 설명한다.
도 5의 표시패널의 개략적인 단면도인 도 6을 참조하면, 투명 표시패널(310)은, 서로 마주하는 제 3 기판(401) 및 제 4 기판(402)을 포함하고, 제 3 및 제 4 기판(401, 402) 사이에는 표시소자(미도시)가 형성되며, 표시소자는 발광다이오드(D)이다.
제 3 기판(401)과 제 2 기판(402) 각각은 유리 또는 플라스틱으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제 3 기판(401)과 제 2 기판(402) 각각은 polyethylene terephthalate (PET) 또는 polyethylene naphthalate (PEN)으로 이루어질 수 있다.
제 3 기판(401) 상에는 서로 교차하여 화소 영역(P)을 정의하는 게이트 배선(미도시)과 데이터 배선(미도시)이 형성되고, 게이트 배선(미도시) 또는 데이터 배선(미도시)과 평행하게 이격하는 전원배선(미도시)이 형성된다. 표시부(312), 구동부(314) 및 투명부(316)는 각 화소영역(P)에 정의된다.
게이트 배선(미도시)과 데이터 배선(미도시)의 교차지점에는 스위칭 박막트랜지스터(미도시)가 각 화소 영역(P)에 형성된다.
또한, 스위칭 박막트랜지스터(미도시) 및 전원배선(미도시)에 연결되며, 구동 박막트랜지스터(DTr)가 형성된다.
구동 박막트랜지스터(DTr)는, 반도체층(410)과, 게이트 전극(420)과, 소스 전극 및 드레인 전극(431, 433)을 포함한다. 스위칭 박막트랜지스터는, 이와 같은 구동트랜지스터(DTr)와 유사한 구조를 갖게 될 수 있다.
반도체층(410)은, 채널영역(CR)과 채널영역(CR) 양측에 위치하는 소스영역 및 드레인영역(SR, DR)을 포함한다. 이와 같은 반도체층(410)은 다결정실리콘으로 이루어질 수 있다.
한편, 반도체층(410)과 제 3 기판(401) 사이에는 버퍼층(미도시)이 형성될 수 있다.
반도체층(410) 상에는, 게이트 절연막(415)이 형성된다. 게이트 절연막(415)는 산화실리콘 또는 질화실리콘과 같은 무기절연물질로 이루어질 수 있다.
그리고, 게이트 절연막(415) 상에는, 채널영역(CR)에 대응하여 게이트 전극(420)이 형성된다. 게이트 전극(420)은 구리, 알루미늄과 같은 저저항 금속물질로 이루어질 수 있다.
게이트 전극(420) 상에는, 층간 절연막(425)이 형성된다. 층간 절연막(225)과 게이트 절연막(415)에는, 소스영역(SR)과 드레인영역(DR) 각각을 노출하는 반도체 콘택홀(435)이 형성될 수 있다. 층간 절연막(425)은 산화실리콘 또는 질화실리콘과 같은 무기절연물질로 이루어질 수 있다.
층간 절연막(425) 상에는, 소스전극 및 드레인전극(431, 433)이 형성된다. 소스 전극 및 드레인 전극(231, 233)은, 대응되는 반도체 콘택홀(235)을 통해, 반도체층(410)의 소스 영역 및 드레인 영역(SR, DR)과 각각 접촉하게 된다.
소스 전극 및 드레인 전극(431, 433) 상에는, 보호층(440)이 형성될 수 있다. 보호층(440)은 산화실리콘 또는 질화실리콘과 같은 무기절연물질 또는 포토아크릴과 같은 유기절연물질로 이루어질 수 있다. 보호층(440)에는 드레인 전극(433)을 노출하는 드레인 콘택홀(441)이 형성된다.
발광다이오드(D)는 보호층(440) 상에 위치하며 드레인 콘택홀(441)을 통해 구동 박막트랜지스터(DTr)와 전기적으로 연결된다.
전술한 바에서는, 결정질실리콘으로 이루어진 반도체층(410)을 사용한 트랜지스터가 형성된 경우를 예로 들었다. 다른 예로서, 비정질실리콘(amorphous silicon)을 반도체층으로 사용한 역 스태거드(inverted staggered) 구조의 트랜지스터가 사용될 수도 있다. 또 다른 예로서, 산화물반도체를 사용한 산화물트랜지스터가 사용될 수도 있다.
또한, 도시하지 않았으나, 각 화소영역(P)에는 스토리지 캐패시터가 형성된다.
발광다이오드(D)는, 제 1 및 2 전극(451, 453)과, 제 1 및 2 전극(451, 453) 사이에 형성된 유기발광층(452)을 포함할 수 있다.
여기서, 제 1 및 2 전극(451, 453)은 투명한 특성을 갖도록 구성된다. 이와 관련하여, 제1 및 2전극(251, 253)은 투명 도전성물질로 형성될 수 있는데, 예를 들면, ITO, IZO, GZO, IGZO와 같이 산화물계열의 투명도전성 물질 중 하나가 사용될 수 있다. 이때, 제 1 및 제 2 전극(451, 453) 중 하나는 양극이고 다른 하나는 음극이다. 양극은 일함수 값이 비교적 큰 물질로 이루어지고, 음극은 일함수 값이 비교적 작은 물질로 이루어진다.
제 1 전극(451)은 드레인 콘택홀(441)을 통해 구동 박막트랜지스터(DTr)의드레인 전극(433)과 연결되며 화소영역(P) 단위로 패터닝된다. 제 2 전극(453)은 표시패널(도 5의 310)의 전체 화소영역(P)에 대응하여 일체로 형성된다.
한편, 제 1 전극(451) 상에는, 화소영역(P) 마다 개구부를 갖는 뱅크(460)가 형성될 수 있다. 이와 같은 뱅크(460)는 서로 이웃하는 화소영역(P)을 구분하는 역할을 하게 된다.
뱅크(460)의 개구부에 대응하여 유기발광층(452)이 화소영역(P) 마다 형성된다. 유기발광층(452)은, 제 1 및 2 전극(451, 453)으로부터 공급되는 정공과 전자의 결합에 의해 빛을 발광하는 기능을 하게 된다.
이와 같은 유기발광층(452)은, 실질적으로 빛을 발광하는 기능을 하는 발광물질층을 포함할 수 있다. 한편, 발광 효율을 높이기 위해, 유기발광층(452)은 다층 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 유기발광층은 발광물질층 외에 정공주입층, 정공수송층, 전자주입층, 전자수송층을 더 포함할 수 있다.
전술한 바와 같은 구성을 갖는 발광다이오드(D)는, 구동 박막트랜지스터(DTr)의 게이트 전극(420)에 인가된 신호에 따라 대응되는 휘도의 빛을 발생시키게 된다.
또한, 제 4 기판(402)는 인캡슐레이션 기판으로, 구동 박막트랜지스터(DTr)를 덮는다. 도시하지 않았으나, 제 4 기판(402)과 구동 박막트랜지스터(DTr) 사이에는 수분 등의 침투를 방지하기 위한 베리어층이 형성될 수 있다.
도 6에서, 구동 박막트랜지스터(DTr) 등 구동 소자가 형성된 영역이 구동부(도 5의 314)에 대응되고, 발광다이오드(D)가 형성된 영역이 표시부(도 5의 312)에 대응된다. 한편, 투명부(도 5의 316)에는 구동소자와 표시소자가 형성되지 않고 빛이 투과된다. 또한, 표시부(312)와 구동부(314)는 서로 중첩된 영역일 수 있다.
다시 도 5를 참조하면, 투과도 가변 패널(200)은, 서로 마주하는 제 1 및 제 2 기판(210, 220)과, 제 1 및 제 2 기판(210, 220) 사이에 위치하며 전기변색 입자(100)와 전해질층(130)을 포함하는 전기변색층(240)과, 제 1 기판(210)과 전기변색층(240) 사이에 위치하는 제 1 투명 전극(240)과, 제 2 기판(220)과 전기변색층(240) 사이에 위치하는 제 2 투명 전극(250)을 포함한다. 투과도 가변 패널(200)은, 전해질층(130)과 제 2 투명 전극(250) 사이에 위치하며 전기변색층(240)에서의 산화-환원 반응을 원활히 하기 위한 대향전극(counter layer)을 더 포함할 수 있다.
제 1 기판(210)과 제 2 기판(220) 각각은 유리 또는 플라스틱으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제 1 기판(210)과 제 2 기판(220) 각각은 polyethylene terephthalate (PET) 또는 polyethylene naphthalate (PEN)으로 이루어질 수 있다.
도 5와 도 6에서, 투과도 가변 패널(200)의 제 1 기판(210)과 표시패널(310)의 제 4 기판(402)이 동일한 구성인 것으로 도시되고 있으나, 서로 다른 기판이 이용되고 이들이 부착되어 투과도 가변 패널(200)과 표시패널(310)이 적층될 수 있다.
제 1 투명 전극(230)과 제 2 투명 전극(250) 각각은 투명 도전성 물질로 이루어진다.
전기변색층(240)은 제 1 및 제 2 기판(210, 220) 사이, 즉 제 1 및 제 2 투명 전극(230, 250) 사이에 위치하며, 전기변색 입자(100)와 전해질층(130)을 포함한다.
전기변색 입자(100)는 코어(도 2의 110)와 쉘(도 2의 120) 구조를 가지며, 쉘(120)은 화학식1로 표시되는 전기변색 물질로 이루어진다.
즉, 전기변색 입자(100)는 코어(110)를 감싸는 쉘(120)이 페녹시페닐(phenoxyphenyl)이 치환된 제 1 비올로겐(viologen)과 알킬포스포네이트(alkylphophonate)가 치환된 제 2 비올로겐과, 치환 또는 비치환된 알킬 그룹, 치환 또는 비치환된 방향족 그룹 (예를 들어, 페녹시페닐, 페닐, 헥실, 나프틸 또는 페닐벤질)이 치환된 제 3 비올로겐이 벤젠 링에 결합된 구조의 전기변색 물질로 이루어지며, 이에 따라 전기변색 입자(100)의 투과도가 증가한다.
또한, 전압이 인가되면 전기변색 물질로 이루어지는 쉘(120)이 변색되어 광 차단 효율이 증가한다. 본 발명의 전기변색 물질은 전압 인가에 의해 흑색으로 변하기 때문에, 다른 물질과의 혼합 없이 우수한 차광 효율을 갖는다.
전해질층(130)은 이온 전도체인 이온성 염과, 가소제와, 고분자 바인더를 포함하는 고체전해질일 수 있다. 예를 들어, 이온성 염은 리튬(Li) 염일 수 있다.
이와 같은 구성의 투과도 가변 패널(200)은 전압의 인가에 의해 투과 상태 또는 차단 상태를 갖는다.
즉, 제 1 및 제 2 투명 전극(230, 250)에 전압이 인가되지 않은 상태에서, 전기변색 입자(100)가 투명하기 때문에 투과도 가변 패널(200)은 빛을 투과시킨다. 한편, 제 1 및 제 2 투명 전극(230, 250)에 전압이 인가되면, 화학식1의 전기변색 물질로 이루어지는 쉘(120)이 변색되어 투과도 가변 패널(200)은 빛을 차단한다.
다시 말해, 제 1 및 제 2 투명 전극(230, 250)에 전압이 인가되지 않은 상태에서, 전기변색 입자(100)의 쉘(도 2의 120)은 투명 상태를 갖기 때문에, 투과도 가변 패널(200)은 투과 모드가 되고 통해 투명부(316)의 빛이 투과된다.
그러나, 제 1 및 제 2 투명 전극(230, 250)에 전압이 인가되면, 전기변색 입자(100)의 쉘(도 2의 120)이 흑색으로 변하기 때문에, 투과도 가변 패널(200)은 차단 모드가 되어 빛을 차단한다.
따라서, 투과도 가변 패널(200)을 포함하는 본 발명의 디스플레이장치(300)는 소위 투명 디스플레이장치로 이용된다.
전술한 바와 같이, 화학식1에 표시된 전기변색 물질은, 페녹시페닐(phenoxyphenyl)이 치환된 제 1 비올로겐(viologen)과 알킬포스포네이트(alkylphophonate)가 치환된 제 2 비올로겐과, 치환 또는 비치환된 알킬 그룹, 치환 또는 비치환된 방향족 그룹 (예를 들어, 페녹시페닐, 페닐, 헥실, 나프틸 또는 페닐벤질)이 치환된 제 3 비올로겐이 벤젠 링에 결합된 구조를 갖고, 이를 이용한 전기변색층(240)은 높은 투과도와 우수한 차광 효율을 갖는다. 따라서, 시인성과 명암비가 향상된 투명 디스플레이장치를 제공할 수 있다.
또한, 쉘과 코어가 화학적 결합 상태를 갖기 때문에, 구동 안정성이 향상된다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 통상의 기술자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 전기변색 입자 110: 코어
120: 쉘 130: 전해질층
200: 투과도 가변 패널 210, 220, 401, 402: 기판
230, 250: 투명 전극 300: 디스플레이장치
310: 표시패널

Claims (5)

  1. 하기 화학식으로 표시되고 R은 치환 또는 비치환된 알킬 그룹, 치환 또는 비치환된 방향족 그룹으로부터 선택되는 전기변색 물질.
    Figure pat00020

  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기변색 물질은 하기 화합물 중 어느 하나인 전기변색 물질.
    Figure pat00021

    Figure pat00022

    Figure pat00023

    Figure pat00024

    Figure pat00025

  3. 서로 마주하는 제 1 및 제 2 기판과;
    상기 제 1 기판 상에 위치하는 제 1 투명 전극과;
    상기 제 2 기판 상에 위치하는 제 2 투명 전극과;
    상기 제 1 투명과 상기 제 2 투명 전극 사이에 위치하며 코어와 쉘의 전기변색 입자를 포함하는 전기변색 입자층과;
    상기 제 2 투명 전극과 상기 전기변색 입자층 사이에 위치하는 전해질층을 포함하고,
    상기 쉘은 제 1 항 또는 제 2 항의 전기변색 물질을 포함하는 투과도 가변 패널.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 전해질층은 리튬염을 포함하는 고체 전해질인 투과도 가변 패널.
  5. 제 3 항의 투과도 가변 패널과;
    상기 투과도 가변 패널의 일측에 위치하며 표시부와 투명부를 포함하는 표시패널
    을 포함하는 디스플레이장치.
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