KR20170063322A - 전기 변색 소자 - Google Patents

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KR20170063322A
KR20170063322A KR1020160037870A KR20160037870A KR20170063322A KR 20170063322 A KR20170063322 A KR 20170063322A KR 1020160037870 A KR1020160037870 A KR 1020160037870A KR 20160037870 A KR20160037870 A KR 20160037870A KR 20170063322 A KR20170063322 A KR 20170063322A
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electrochromic
electrochromic layer
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nanoparticles
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조성목
김태엽
송주희
김용해
류호준
황치선
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한국전자통신연구원
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Abstract

본 발명의 실시예들에 따른 전기 변색 소자는, 하부 전극, 상기 하부 전극과 대향되는 상부 전극, 상기 하부 전극 상에 배치되는 제 1 전기 변색층, 상기 상부 전극 아래에 배치되는 제 2 전기 변색층 및 상기 제 1 전기 변색층 및 상기 제 2 전기 변색층 사이에 개재되는 전해질을 포함하되, 상기 제 1 전기 변색층 및 상기 제 2 전기 변색층 중 적어도 하나는, 나노 입자 및 상기 나노 입자에 고정화된 전기 변색 물질을 포함한다.

Description

전기 변색 소자{Electrochromic device}
본 발명은 전기 변색 소자에 관한 것으로, 보다 구체적으로 산화/환원 반응을 이용한 전기 변색 소자에 관한 것이다.
전기 변색 소자(electrochromic device)는 전기 화학 반응에 의하여 색상과 투과율이 변화하는 특성을 가지는 소자이다. 전기 변색 소자에서 외부의 전기 자극에 의해 전위차가 발생하면, 전해질에 포함되어 있는 이온이나 전자가 전기 변색층 내부로 이동하여 산화/환원 반응이 일어난다. 전기 변색층의 산화/환원 반응에 의해, 전기 변색 소자의 색깔이 변하고, 전기 변색 물질의 변색에 의해 가시광 혹은 적외선을 투과할 수 있는 정도가 변화한다. 따라서, 전기 변색 소자는 광 셔터, 반사형 디스플레이, 자동차용 변색 거울 및 스마트 윈도우 등으로 응용된다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 흑색, 청색 등의 다양한 색상을 구현하고, 색 번짐 특성 방지 및 원하는 영역에서의 변색 특성이 우수한 전기 변색 소자를 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제들에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 실시예들에 따른 전기 변색 소자는, 하부 전극, 상기 하부 전극과 대향되는 상부 전극, 상기 하부 전극 상에 배치되는 제 1 전기 변색층, 상기 상부 전극 아래에 배치되는 제 2 전기 변색층 및 상기 제 1 전기 변색층 및 상기 제 2 전기 변색층 사이에 개재되는 전해질을 포함하되, 상기 제 1 전기 변색층 및 상기 제 2 전기 변색층 중 적어도 하나는, 나노 입자 및 상기 나노 입자에 고정화된 전기 변색 물질을 포함한다.
일 실시예에 따르면, 상기 제 1 전기 변색층 및 상기 제 2 전기 변색층 중 어느 하나는 상기 나노 입자 및 상기 나노 입자에 고정화된 제 1 전기 변색 물질을 포함하고, 상기 제 1 전기 변색층 및 상기 제 2 전기 변색층 중 다른 하나는 제 2 전기 변색 물질을 포함하되, 상기 제 1 전기 변색 물질은 유기 분자를 포함하고 상기 제 2 전기 변색 물질은 무기 분자를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 나노 입자는, TiO2(Titanium dioxide) 또는 ZnO(Zinc oxide)을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제 1 전기 변색 물질은, 트리아릴아민(triarylamine), 트리페닐아민 (triphenylamine), 페노시아진 (phenothiazine), 트리아릴아민(triarylamine) 유도체, 트리페닐아민 (triphenylamine) 유도체, 페노시아진 (phenothiazine) 유도체 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제 2 전기 변색 물질은 텅스텐 산화물(Wox)을 포함할 수 있다.
상기 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 실시예들에 따른 전기 변색 소자는, 제 1 전극 및 상기 제 1 전극 상에 배치되는 제 1 전기 변색층, 상기 제 1 전극과 대향되는 제 2 전극 및 상기 제 2 전극 아래에 배치되는 제 2 전기 변색층 및 상기 제 1 전기 변색층 및 제 2 전기 변색층 사이에 개재되는 전해질을 포함하되, 상기 제 1 전기 변색층은 금속 산화물 입자 및 유기 물질을 포함하고, 상기 제 2 전기 변색층은 무기 물질을 포함한다.
일 실시예에 따르면, 상기 금속 산화물 입자는 이산화티타늄(TiO2)를 포함하고, 상기 유기 물질은 트릴아릴아민(triarylamine) 또는 트리아릴아민 유도체를 포함하며, 상기 무기 물질은 산화 텅스텐(WO3)을 포함할 수 있다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 나노 입자와 나노 입자에 고정화된 유기 분자를 제 1 전기 변색층 및 무기 분자를 포함하는 제 2 전기 변색층을 갖는 전기 변색 소자를 제공하여, 전기 변색 소자에 의해 흑색, 청색 등의 다양한 색상이 구현되고, 원하는 변색 영역에서의 변색 특성을 나타내고, 변색 영역과 인접한 영역에서의 색 번짐 현상을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 변색 소자의 단면도이다.
도 2a 및 도 2b는 전기 변색 소자의 전기 변색 물질들이 탈색되었을 때를 보여주는 도면들이다.
도 3a 및 도 3b는 전기 변색 소자의 전기 변색 물질들이 착색되었을 때를 보여주는 도면들이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
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 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
또한, 본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 변색 소자(1)의 단면도이다. 도 1을 참조하면, 전기 변색 소자(1)는 하부 기판(10), 하부 전극(20), 제 1 전기 변색층(30), 전해질(40), 제 2 전기 변색층(50), 상부 전극(60), 상부 기판(70), 그리고 격벽(sealant, 80)을 포함한다. 전기 변색 소자(1)는 투명하게 제공될 수 있다. 제 1 방향(x), 제 1 방향(x)과 수직하는 제 2 방향(y), 그리고 제 1 방향(x) 및 제 2 방향(y)과 수직한 제 3 방향(z)이 제공될 수 있다. 이 때, 전기 변색 소자(1)는 x-y 평면 상에 제공될 수 있다.
하부 기판(10)은 상부 기판(70)과 서로 이격되어, 대향될 수 있다. 하부 기판(10)과 상부 기판(70)은 투명 기판일 수 있다. 예를 들어, 하부 기판(10)과 상부 기판(70)은 유리 기판을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
하부 전극(20)은 하부 기판(10) 상에 배치될 수 있다. 상부 전극(60)은 상부 기판(70) 아래에 배치될 수 있다. 상부 전극(60)과 하부 전극(20)은 서로 대향될 수 있다. 상부 전극(60)과 하부 전극(20)은 투명 전극으로 제공될 수 있다. 예를 들어, 상부 전극(60) 및 하부 전극(20)은 ITO 또는 FTO를 포함할 수 있다. 하부 전극(20)은 패터닝되어, 복수 개의 서브 하부 전극들(22a,22b,22c)을 포함할 수 있다. 상부 전극(60)은 패터닝되어, 복수 개의 서브 상부 전극들(62a,62b,62c)을 포함할 수 있다. 도 1에서는 상부 전극(60)과 하부 전극(20)이 각각 3개의 서브 전극들을 포함하는 것을 도시하였으나, 패터닝된 서브 전극들의 개수 및 배치는 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 상부 전극(60)과 하부 전극(20) 중 어느 하나만이 패터닝되어, 복수 개의 서브 전극들을 포함할 수 있다.
제 1 전기 변색층(30)은 하부 전극(20) 상에 배치될 수 있다. 제 2 전기 변색층(50)은 상부 전극(60) 아래에 배치될 수 있다. 제 2 전기 변색층(50)은 제 1 전기 변색층(30)과 대향될 수 있다. 도시되지 않았으나, 제 1 전기 변색층(30) 및 제 2 전기 변색층(50)은 각각 전기 변색 물질들(미도시)을 포함할 수 있다. 전기 변색 물질들(미도시)은 전자 및 이온의 주입과 이탈에 따른 산화/환원 과정에 의해, 전기 변색을 일으키는 물질이다. 이 때, 제 1 전기 변색층(30)과 제 2 전기 변색층(50)은 서로 대응되는 상호 반응을 수행할 수 있다. 일 예로, 제 1 전기 변색층(30)은 산화 변색 전극층이고, 제 2 전기 변색층(50)은 환원 변색 전극층일 수 있다. 그러나, 이에 제한되지 않고, 제 1 전기 변색층(30)은 환원 변색 전극층이고 제 2 전기 변색층(50)은 산화 변색 전극층일 수 있다.
제 1 전기 변색층(30)은 나노 입자 및 제 1 전기 변색 물질을 포함할 수 있다. 제 1 전기 변색층(30)은 나노 입자 및 나노 입자에 고정화된 제 1 전기 변색 물질을 포함할 수 있다. 나노 입자는 금속 산화물 입자로서, 일 예로, TiO2(Titanium dioxide) 또는 ZnO(Zinc oxide)을 포함할 수 있다. 제 1 전기 변색 물질은 유기 분자로서, 일 예로, 트리아릴아민(triarylamine), 트리페닐아민 (triphenylamine), 페노시아진 (phenothiazine), 트리아릴아민(triarylamine) 유도체, 트리페닐아민 (triphenylamine) 유도체, 페노시아진 (phenothiazine) 유도체 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 제 2 전기 변색 물질은 무기 분자로서, 텅스텐 산화물(Wox)을 포함할 수 있다. 일 예로, 제 1 전기 변색층(30)은 이산화타이타늄(TiO2)에 고정화된 트릴아릴아민(triarylamine) 구조체를 포함하고, 제 2 전기 변색층(50)은 산화 텅스텐(WO3)을 포함할 수 있다. 그러나, 이와 달리, 제 1 전기 변색 물질은 무기 분자를 포함할 수 있고, 제 2 전기 변색 물질은 유기 분자를 포함할 수 있다.
전해질(40)은 제 1 전기 변색층(30) 및 제 2 전기 변색층 (50) 사이에 개재될 수 있다. 전해질(40)은 액체, 젤(gel), 또는 고체 상태일 수 있다. 전해질(40)은 수소 이온(H+) 또는 리튬 이온(Li+)을 포함하는 화합물 전해질을 포함할 수 있다. 이와 달리, 전해질(40)은 고분자 또는 고체 다공성 전해질로 제공될 수 있다. 전해질(40)은 제 1 전기 변색층(30) 및 제 2 전기 변색층(50) 사이에서, 이온을 전달할 수 있다. 상부 및 하부 전극들(20,60)에 인가되는 전압에 따라, 전해질(40) 내에 포함되어 있는 수소 이온(H+) 또는 리튬 이온(Li+)이 제 1 전기 변색층(30) 및 제 2 전기 변색층(50)으로 삽입 또는 탈리된다. 이 때, 화합물 내의 전하 중성 조건을 만족시키기 위해, 제 1 전기 변색층(30) 및 제 2 전기 변색층(50)의 산화수가 변화되어, 제 1 전기 변색층(30) 및 제 2 전기 변색층(50) 자체의 광학적 특성(예를 들어, 색상, 투과도)이 변하게 된다.
격벽(80)은 상부 및 하부 전극들(20,60)과 결합되어, 서로 분리된 상부 및 하부 전극들(20,60)과 전해질(40)을 결합시킬 수 있다. 일 예로, 도 1과 같이, 격벽(80)은 전해질(40)의 측면을 감싸도록 제공될 수 있다.
도 2a 내지 도 3b는 도 1의 전기 변색 소자(1)의 전기 변색 특성을 보여주는 도면들이다. 보다 구체적으로, 도 2a 및 도 2b는 전기 변색 소자(1)의 전기 변색 물질들이 탈색되었을 때를 보여주는 도면들이고, 도 3a 및 도 3b는 전기 변색 소자(1)의 전기 변색 물질들이 착색되었을 때를 보여주는 도면들로서, 도 2b 및 도 3b는 도 1의 전기 변색 소자(1)의 평면도들이다. 전기 변색 소자(1)의 상부 및 하부 전극들은 각각 3개의 서브 전극들을 포함하고, 평면적으로 어레이(array) 형태의 셀들(C)을 포함할 수 있다. 도 2b 및 도 3b을 참조하면, 3X3 배열의 셀들(C)을 포함할 수 있다. 전기 변색 소자(1)는 상술한 바와 같이, 하부 및 상부 전극들(20,60)은 ITO, 제 1 전기 변색층(30)은 트리아릴아민(triarylamine)이 고정화된 이산화티타늄(TiO2) 나노 구조체, 제 2 전기 변색층(50)은 산화 텅스텐(WO3), 그리고 전해질은 과염소산리튬(LiClO4)을 포함할 수 있다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 전기 변색 소자(1)에 약 3V 이내의 전압을 인가하면, 전기 변색층들(30,50)이 탈색되어 외부로부터 인가되는 광을 투과시키는 투명 상태를 나타낼 수 있다. 일 예로, 약 0.5V의 전압을 인가하면, 전기 변색층들(30,50)이 탈색되어 외부로부터 인가되는 광을 투과시키는 투명 상태를 나타낼 수 있다. 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 전기 변색 소자(1)에 약 -0.5V 내지 -3V의 이내의 전압을 인가하면, 전기 변색층들(30,50)이 착색되어 외부로부터 인가되는 광을 차단하는 차단 상태를 나타낼 수 있다. 일 예로, 약 -1.1V의 전압을 인가하면, 전기 변색층들(30,50)이 착색되어 외부로부터 인가되는 광을 차단하는 차단 상태를 나타낼 수 있다. 일 예로, 홀수 열들의 셀들(C)만이 광을 차단하고, 짝수 열의 셀들(C)은 광을 투과할 수 있다. 이와 같이, 외부로부터 인가되는 광의 인가 영역을 조절하여, 전기 변색 소자(1)의 일부분만의 변색 특성을 구현할 수 있다. 또한, 인가되는 전압을 조절하여, 착색과 탈색, 그리고 투명도를 조절할 수 있다.
본 발명의 개념에 따르면, 나노 입자와 나노 입자에 고정화된 유기 분자를 제 1 전기 변색층(30) 및 무기 분자를 포함하는 제 2 전기 변색층(50)을 갖는 전기 변색 소자(1)를 제공할 수 있다. 이러한 전기 변색 소자(1)의 전기 변색층들(30,50)의 물질들로 인해, 흑색, 청색 등 다양한 색상의 구현이 가능하고, 인접하는 셀들간의 간섭(blurring), 즉, 색 번짐 현상이 감소하는 우수한 특성을 갖는 전기 변색 소자(1)를 제공할 수 있다.
Triarylamine, triphenylamine, phenothiazine, triarylamine 유도체, triphenylamine 유도체, phenothiazine 유도체등은 다양한 형태로 제조될 수 있다. 예를 들어, 하기의 [화합물 1], 즉, 3-[4-(diphenylamino)phenyl]methylphosphonic aci,의 triaryalmine(TAA)를 사용한 경우, 본 발명의 전기변색 소자는 흑색 구현이 가능하고, 하기의 [화합물 2], 즉, 3-(4-(bis(4-methoxyphenyl)amino)phenoxy)propylphosphonic acid,의 triarylamine를 사용한 경우, 본 발명의 전기변색 소자는 청색 구현이 가능할 수 있다. 이 밖에도, Triarylamine에 다양한 작용기가 도입된 triarylamine 유도체 변형에 의해 흑색, 청색외의 다양한 색상을 구현할 수 있다.
Figure pat00001
[화합물 1]
Figure pat00002
[화합물 2]
본 발명의 개념에 따른 전기 변색 소자(1)는, 산화 변색 물질, 예를 들어, triaryalmine(TAA)를 3차원 다공성 TiO2 나노 구조체에 고정화하여 산화 변색층을 형성할 수 있다. 보다 구체적으로, 3차원 다공성 TiO2 나노 구조체에 고정화하기 위해, 인산기(phosphate group)를 갖는 triaryalmine(TAA)를 준비하고, 3차원 다공성 TiO2 나노 구조체를 표면 처리하였다. 예를 들어, 3차원 다공성 TiO2 박막은 doctor blade 방법으로 형성될 수 있다. 또한, 진공 증착법 또는 습식 방법을 이용하여 환원 변색 물질, 예를 들어, WO3 박막을 형성할 수 있다. 이 때, WO3 박막은 약 200~300 nm 두께를 가질 수 있으나, 이에 제한되지 않으며, 예를 들어, 20~3000 nm의 두께를 가질 수 있다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (7)

  1. 하부 전극;
    상기 하부 전극과 대향되는 상부 전극;
    상기 하부 전극 상에 배치되는 제 1 전기 변색층;
    상기 상부 전극 아래에 배치되는 제 2 전기 변색층; 및
    상기 제 1 전기 변색층 및 상기 제 2 전기 변색층 사이에 개재되는 전해질을 포함하되,
    상기 제 1 전기 변색층 및 상기 제 2 전기 변색층 중 적어도 하나는, 나노 입자 및 상기 나노 입자에 고정화된 전기 변색 물질을 포함하는, 전기 변색 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전기 변색층 및 상기 제 2 전기 변색층 중 어느 하나는 상기 나노 입자 및 상기 나노 입자에 고정화된 제 1 전기 변색 물질을 포함하고, 상기 제 1 전기 변색층 및 상기 제 2 전기 변색층 중 다른 하나는 제 2 전기 변색 물질을 포함하되,
    상기 제 1 전기 변색 물질은 유기 분자를 포함하고 상기 제 2 전기 변색 물질은 WO3를 포함하는 전기 변색 소자.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 나노 입자는 TiO2(Titanium dioxide) 또는 ZnO(Zinc oxide) 를 포함하는, 전기 변색 소자.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 전기 변색 물질은, 트리아릴아민(triarylamine), 트리페닐아민 (triphenylamine), 페노시아진 (phenothiazine), 트리아릴아민(triarylamine) 유도체, 트리페닐아민 (triphenylamine) 유도체, 페노시아진 (phenothiazine) 유도체 중 적어도 하나를 포함하는, 전기 변색 소자.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 전기 변색 분자는, 텅스텐 산화물(WOx)을 포함하는, 전기 변색 소자.
  6. 제 1 전극 및 상기 제 1 전극 상에 배치되는 제 1 전기 변색층;
    상기 제 1 전극과 대향되는 제 2 전극 및 상기 제 2 전극 아래에 배치되는 제 2 전기 변색층; 및
    상기 제 1 전기 변색층 및 제 2 전기 변색층 사이에 개재되는 전해질을 포함하되,
    상기 제 1 전기 변색층은 금속 산화물 입자 및 유기 물질을 포함하고, 상기 제 2 전기 변색층은 무기 물질을 포함하는, 전기 변색 소자.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 금속 산화물 입자는 이산화티타늄(TiO2)를 포함하고,
    상기 유기 물질은 트릴아릴아민(triarylamine)을 포함하며,
    상기 무기 물질은 산화 텅스텐(WO3)을 포함하는, 전기 변색 소자.
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