KR20170094627A - 전기변색소자 - Google Patents

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KR20170094627A
KR20170094627A KR1020160015618A KR20160015618A KR20170094627A KR 20170094627 A KR20170094627 A KR 20170094627A KR 1020160015618 A KR1020160015618 A KR 1020160015618A KR 20160015618 A KR20160015618 A KR 20160015618A KR 20170094627 A KR20170094627 A KR 20170094627A
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Abstract

본 출원은 패터닝된 차단층을 포함하는 전기변색 소자, 및 그 제조방법에 관한 것이다. 상기 전기변색소자는 광 투과율, 광 투과면적, 및 발광 형상이 제어되고, 심미적 가치가 높은 전기변색소자를 제공할 수 있다.

Description

전기변색소자{Electrochromic Device}
본 발명은 전기변색소자, 및 전기변색소자의 제조방법에 관한 것이다.
전기변색소자란, 전기변색 물질이 전기화학적으로 산화 또는 환원 반응을 일으킬 때 나타나는 가역적인 색 변화를 이용하는 소자를 말한다. 이러한 전기변색소자는 기존의 SPD(suspended particle display) 또는 PDLC(polymer-dispered liquid crystal) 등과 비교할 때 응답속도가 느린 단점이 있지만, 적은 비용으로도 넓은 면적의 소자를 제작할 수 있고, 무엇보다 소비전력이 낮다는 장점이 있다. 그에 따라 스마트 윈도우, 스마트 거울, 전자 종이 또는 차세대 건축 창호 소재와 같이 다양한 분야에서, 전기변색소자가 주목받고 있다.
일반적인 전기변색 소자의 광 특성은, 예를 들어 WO3를 전기변색 물질로 사용할 경우 착색시 딥블루(deep blue) 색상을 구현할 수 있는 것과 같이, 변색 물질의 고유 발광색에 의존했던 것이 대부분이다. 그러나, 소자의 광 특성을 변색물질 자체에만 의존하는 것은 소비자의 다양한 니즈를 만족시킬 수 없다. 특히, 최근에는, 일상 생활용품에 대해서도 미적 가치가 중시되고 있기 때문에, 변색물질의 변색 특성만을 이용해서는 전기변색 용품에 대해 구매 욕구를 불러일으키기가 어렵고, 소비자의 다양한 수요를 충족시킬 수 없다. 따라서, 광의 투과 정도, 투과 면적, 또는 발광 형상 등이 제어될 수 있어 심미적 가치가 높고, 다양한 용도에 적용될 수 있는 차별화된 전기변색소자가 필요하다.
본 출원의 목적은 광의 투과 면적이나 발광 형상 등이 제어된 전기변색소자를 제공하는 것이다.
본 출원의 다른 목적은 심미적 가치가 높은 전기변색소자를 제공하는 것이다.
본 출원의 또 다른 목적은 차단층에 대한 패터닝을 통해, 전기변색소자의 광 투과 정도, 투과면적, 또는 발광 형상을 제어할 수 있는 전기변색소자의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 출원의 상기 목적 및 기타 목적은 하기 상세히 설명되는 본 출원에 의해 모두 달성될 수 있다.
본 출원은 전기변색소자에 관한 것이다. 본 출원의 전기변색소자는 대향 배치된 2개의 전극층, 전기변색층, 전해질층, 및 이온저장층 이외에, 전자 또는 이온 차단층(blocking layer)을 추가로 포함할 수 있다. 본 출원에서 “차단층”이란, 전기변색 반응을 위하여 전기변색층 등에 삽입되거나 그로부터 탈리되는 이온이나 전자와 같은 전하입자의 이동을 물리적으로 방해할 수 있는 층을 의미할 수 있다.
전극층은 전기변색 층에 전하를 공급할 수 있는 구성으로서, 투명 전도성 산화물(transparent conductive oxide), 전도성 고분자, 은나노 와이어, 메탈메쉬(Metal mesh), 또는 OMO(oxide metal oxide) 중 어느 하나 이상을 포함하여 형성될 수 있다. 하나의 예시에서, ITO(Indium Tin Oxide), FTO(Fluor doped Tin Oxide), AZO(Aluminium doped Zinc Oxide), GZO(Galium doped Zinc Oxide), ATO(Antimony doped Tin Oxide), IZO(Indium doped Zinc Oxide), NTO(Niobium doped Titanium Oxide), ZnO, OMO(Oxide/Metal/Oxide) 또는 CTO 등이 전극 물질로서 사용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또 하나의 예시에서, 상기 전극층은, 상기 전극 물질 중 2 이상의 물질이 적층된 구조로 형성될 수 있다.
전극층의 형성 방법은 특별히 제한되지 않으며, 공지된 방법을 제한없이 사용하여 전극층을 형성할 수 있다. 예를 들어, 스퍼터링이나 디지털 프린팅 등의 공정을 통해, 유리 기재층상에 투명 전도성 산화물 입자를 포함하는 박막의 전극층을 형성할 수 있다. 이렇게 제조된 전극층은 1 nm 내지 400 nm 범위의 두께를 가질 수 있고, 가시광선에 대한 투과율이 80 % 내지 90 %일 수 있다. 특별히 제한하지 않는 이상, 본 출원에서 투과율이란, 예를 들어 400 nm 내지 800 nm 가시광선 파장에 대한 투과율을 의미할 수 있다.
상기 전극층에는 외부 회로를 통해 전압이 인가될 수 있다. 상기 전압은 직류 또는 교류 전원에 의해 인가될 수 있으며, 상기 전압을 인가하는 전원장치나 그 방식은 당업자에 의해 적절히 선택될 수 있다.
전기변색층은, 인가되는 전압에 따라 전기변색이 가능한 물질을 포함하는 층을 의미한다. 상기 전기변색물질은 비올로겐, 안트라퀴논과 같은 유기물 또는 무기 산화물일 수 있다. 하나의 예시에서, 전기변색층의 전기변색물질로는 환원성 전기변색물질, 예를 들어, Ti, Nb, Mo, Ta 또는 W 중에서 선택된 금속 중 어느 하나 이상의 산화물과 같은 무기물이 포함될 수 있다. 보다 구체적으로, WO3, MoO3, Nb2O5, Ta2O5 또는 TiO2 등과 같은 무기물질이 전기변색층에 사용될 수 있으나, 이에 제한되는 건은 아니다.
하나의 예시에서, 상기 전기변색층이 변색 물질로서 WO3를 포함하는 경우, 착색(coloration)과 탈색(bleaching)은 다음과 같은 반응에 의해 이루어질 수 있다.
[일반식 1]
WO3(탈색시, 투명) + xe- + xM+ ⇔ MxWO3(착색시, 파란색)
(상기 식에서, M+는 H+, 또는 Li+, Na+ 또는 K+와 같은 알칼리 금속의 이온일 수 있다.)
상기 일반식과 같이, 전기변색층에 음의 전압을 인가하면 전해질 또는 이온 저장 층의 M+가 전기장에 의해 산화텅스텐 박막으로 이동하면서 박막 내부로 주입되고, 동시에 같은 전하를 가진 전자가 도선을 통해 전기변색층으로 이동하는 환원 반응이 일어나게 되어, MxWO3 화합물을 형성하게 된다. 반대로, 전기변색층에 양의 전압을 인가하면, 전기변색층의 MxWO3는 산화반응을 통해 전자와 M+를 내어 놓게 되고 다시 원래의 투명한 색으로 돌아가는 산화 반응이 일어날 수 있다.
하나의 예시에서, 전기변색층은 적층구조로서, 2개 이상의 서브층(sub layer)을 포함할 수 있다. 이때, 각 서브층에 포함되는 전기변색 물질로는, 동일한 발색 특성, 예를 들어 환원성 변색 특성을 갖는 무기물질이 사용될 수 있다. 또한, 하나의 전기변색층을 형성하기 위하여 적층되는 각 서브층은, 변색시 동일한 색을 갖도록 동일한 변색물질을 포함하는 것이 바람직하다.
하나의 예시에서, 상기 전기변색층은 10 nm 내지 500 nm 범위의 두께를 가질 수 있고, 탈색시 가시광선 영역의 파장에 대한 투과율은 70% 이상일 수 있다. 상기 전기변색층의 두께가 10 nm 미만이면 전기변색 효과가 충분치 못할 수 있고, 500 nm를 초과하면 70% 이상의 투과율을 달성하기 어렵다.
이온저장층은, 상기 [일반식 1]과 같은 가역적 변색반응에 사용될 수 있도록, 이온저장층과 전기변색층 간의 전하 균형(charge balance)을 맞추기 위해 형성된 층을 의미할 수 있다. 이온저장층과 전기변색층 간의 전하 균형을 맞출 수 있는 경우, 이온저장층에 사용되는 물질의 종류는 특별히 제한되지 않는다. 하나의 예시에서, 상기 이온저장층은 산화성 전기변색 물질로서, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Rh, 및 Ir 중에서 선택된 금속 중 어느 하나 이상의 산화물을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 이온저장층에는 LiNiO2, IrO2, NiO, V2O5, LixCoO2 , Rh2O3 또는 CrO3 등이 사용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
하나의 예시에서, 산화텅스텐(WO3)이 전기변색 층에 사용된 경우, LiNiO2 와 같은 리튬 니켈 산화물이 이온저장 층에 사용될 수 있다. 상기와 같은 경우, 이온저장층은 다음과 같은 반응을 통해 변색반응에 참여할 수 있다.
[일반식 2]
LiNiO2 (착색: 갈색) + Li+ + e- ⇔ Li2NiO2 (탈색: 무색)
하나의 예시에서, 이온저장층은 적층구조로서, 2개 이상의 서브층(sub layer)을 포함할 수 있다. 이때, 각 서브층에 포함되는 물질로는, 상기 전기변색층에 포함되는 변색물질과 상반되는 발색 특성을 갖는 물질, 예를 들어 산화성 변색 특성을 갖는 무기물질이 사용될 수 있다. 또한, 하나의 이온저장층을 형성하기 위하여 적층되는 각 서브층은, 변색시 동일한 색을 갖도록 동일한 변색물질을 포함할 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 이온저장층은 10 nm 내지 500 nm 범위의 두께를 가질 수 있다. 또 하나의 예시에서, 상기 이온저장층에 산화성 변색 무기물이 사용되는 경우, 탈색시 이온저장층의 가시광선 영역 파장에 대한 투과율은 70% 이상일 수 있다. 상기 전기변색층의 두께가 10 nm 미만이면 변색 효과가 충분치 못할 수 있고, 500 nm를 초과하면 70% 이상의 투과율을 달성하기 어렵다.
전해질층은, 변색 반응에 관여하는 이온을 제공하기 위한 층을 의미할 수 있다. 전해질층에 사용되는 전해질의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 액상 타입, 겔타입 또는 무기 고체 전해질 일 수 있다. 무기 고체 전해질은 LiPON 또는 Ta2O5을 포함할 수 있다. 또한, 상기 무기 고체 전해질은 LiPON 또는 Ta2O5에 B, S, W와 같은 성분이 일부 첨가된 것일 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 겔 타입 전해질은, 예를 들어 H+, Li+, Na+, K+, Rb+, 또는 Cs+를 포함하는 화합물 중 하나 이상의 화합물을 포함할 수 있다. 비제한적인 일례로, 전해질층은 LiClO4, LiBF4, 또는 LiPF6 와 같은 리튬염 화합물을 전해질염으로 사용될 수 있다. 상기와 같이, Li+를 포함하는 화합물이 사용될 경우, 전극에 전압이 인가되면, 전해질층에 포함된 리튬이온(Li+)이 전기변색층 내부로 이동하여 WO3와 반응하고, 그에 따라 상기 일반식 1 또는 일반식 2와 같은 반응이 일어날 수 있다.
또 하나의 예시에서, 상기 겔 타입 전해질층은 카보네이트 화합물을 추가로 포함할 수 있다. 카보네이트계 화합물은 유전율이 높기 때문에, 리튬염이 제공하는 이온의 전도도를 높일 수 있다. 카보네이트계 화합물로는 PC(propylene carbonate), EC(ethylene carbonate), DMC(dimethyl carbonate), DEC(diethyl carbonate) 및 EMC(ethylmethyl carbonate) 중 어느 하나 이상을 사용할 수 있다.
하나의 예시에서, 전해질층은 적층구조로서, 2개 이상의 서브층(sub layer)을 포함할 수 있다. 각 서브층은 동일한 전해질 물질을 포함하여 형성될 수 있다.
하나의 예시에서, 전해질층은 30 ㎛ 내지 200 ㎛ 범위의 두께를 가질 수 있고, 상기 전해질 층의 투과율은 80 % 내지 95 % 범위일 수 있다.
종래 기술의 전기변색소자와 달리, 본 출원의 전기변색소자는, 전자 또는 이온 차단층을 추가로 포함할 수 있다. 상기 차단층은, 전해질층을 매개로, 전기변색층 또는 이온저장층사이에서 삽입 또는 탈리되는 이온 또는 전자의 이동을 물리적으로 방해하는 층을 의미할 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 차단층은, 전기변색층, 이온저장층, 또는 전해질층 중 어느 한 층의 일면에 마련될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 차단층은 전기변색층과 전해질층이 마주하는 차단층의 일면에 적층되거나, 이온저장층과 전해질층이 마주하는 이온저장층의 일면에 적층될 수 있다. 차단층을 마련하는 방법은 특별히 제한되지 않으며, 스퍼터링과 같이 공지된 방법을 사용할 수 있다.
또 하나의 예시에서, 상기 차단층은, 전기변색층, 이온저장층, 또는 전해질층의 내부에 마련될 수 있다. '차단층이 특정 층의 내부에 마련된다'는 것은, 예를 들어, 전기변색층이 동일한 변색 특성을 갖는 복수개의 서브층을 포함하는 경우에, 서브층 사이에 차단층이 마련되어 차단층이 전기변색층 내부에 포함된 상태로 적층구조를 형성하는 것을 의미할 수 있다.
상기 차단층은 패터닝층일 수 있다. 패터닝은 예를 들어, 프린팅(printing) 이나 포토리소그래피(Photolithography)와 같은 공지된 방법에 의해 이루어질 수 있다. 상기 패터닝에 의해, 차단층과 직접 적층된 인접층의 면적보다, 상기 차단층의 면적을 작게 형성할 수 있다. 본 출원에서 '면적'이란, 전기변색소자를 소자 표면의 법선 방향 상부에서 관찰하였을 때, 전극층, 전기변색층, 전해질층, 이온저장층, 또는 차단층과 같이 인지되는 대상물이 갖는 면적을 의미할 수 있다. 상기 패터닝은, 전기변색 반응에 관여하고자 각 층으로 이동하거나 삽입 또는 탈리되는 전하 입자의 이동범위를, 패터닝에 의해 제거된 차단층 면적 범위에 상응하는 인접층의 면적 범위로 제한할 수 있다. 이로써, 변색 반응을 특정 면적 범위에 대해서만 선택적으로 활성화 또는 억제할 수 있고, 그에 따라 전기변색소자의 발광형상이나 발광면적을 선택적으로 제어할 수 있다.
도 1(a)는 일반적인 전기변색소자의 단면도로서, 전자 및 전해질 이온의 이동을 개략적으로 도시한 것이다. 도 1(a)로부터, 종래 전기변색소자에서는 음극소재인 전기변색층 또는 양극소재인 이온저장층의 전 면적 범위에 대하여 전해질 이온이 이동 및 삽입 또는 탈리되는 것을 알 수 있다. 한편, 도 1(b)는 본 출원의 일례에 따른 전기변색소자의 단면도로서, 일부 면적이 패터닝된 차단층이 음극소재의 일면에 형성된 소자를 도시한다. 도 1(b)로부터, 패터닝을 통해 차단층이 제거된 면적 범위에 대해서만 리튬이온이 음극소재 내부로 삽입되는 것을 확인할 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 차단층은, 차단층이 직접 적층된 인접층의 면적을 기준으로 할 때, 상기 인접층 면적의 약 5 % 내지 50 % 의 면적을 갖도록 패터닝될 수 있다. 상기 패터닝된 차단층의 면적이 인접층 면적의 5 % 미만일 경우 전기변색 반응의 선택적 억제가 충분치 않고, 50 %를 초과할 경우 전기변색의 가시적 효과가 미미하다.
상기 차단층은 무기물 및/또는 유기물을 포함할 수 있다. 하나의 예시에서, 차단층에 포함되는 무기물로는 SiO2, Al2O3, CaO, Fe2O3, ZnO, P2O3, TiO2, ZrO2, Ce2O3, La2O3, Y2O3, Gd2O3, Nd2O3, Sm2O3, Pr2O3, ThO3, Dy2O3, 또는 SO3 와 같은 입자를 일례로 들 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 상기 입자는 40 nm 내지 110 nm의 크기를 가질 수 있으나, 그 크기는 차단층의 두께에 따라 적절히 조절될 수 있다.
또 하나의 예시에서, 상기 차단층은 LDPE(Low-density Polyethylene), HDPE(High-density Polyethylene), Polypropylene, Polystyrene, PMMA(Poly(methyl methacrylate)), ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene), PVC(Polyvinyl chloride), EVA(Ethylene vinyl acetate), PC(Polycarbonate), PA(Polyacrylate), EPOXY, PVT (polyvinyl toluene)과 같은 유기물을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
하나의 예시에서, 상기 차단층은 비저항 값이 103 Ω/m 이상일 수 있다. 상기 비저항 값이 103 Ω/m 미만일 경우, 차단층에 의한 변색반응의 선택적 제한이 충분히 일어나기 어렵다. 또한, 비저항 값이 상기 범위를 만족하는 경우, 전기변색 반응이 충분히 일어날 수 있기 때문에, 비저항 값의 상한은 특별히 제한되지 않다.
또 하나의 예시에서, 상기 차단층은 10-5 S/㎝ 이하의 이온 전도도를 가질 수 있다. 상기 이온 전도도가 10-5 S/㎝을 초과할 경우, 차단층이 전자 또는 이온의 이동을 방해하는 기능을 수행하기가 어렵고, 변색반응을 충분히 제한할 수 없다. 차단층의 기능을 고려할 때, 이온전도도의 하한은 특별히 제한되지 않는다.
또, 하나의 예시에서, 상기 차단층은 10 nm 내지 500 nm 의 두께를 가질 수 있다. 상기 두께가 10 nm 미만일 경우 변색 반응을 충분히 제한하기가 어려울 수 있고, 상기 두께가 500 nm를 초과할 경우에는 전기변색층과의 단차로 인해 고체 전해질 또는 겔 타입 전해질과의 적층시 공극이 발생할 수 있다.
또 하나의 예시에서, 상기 차단층은 60% 이상, 70% 이상, 또는 80% 이상의 투과율을 가질 수 있다. 상기 투과율이 60% 미만일 경우 투명성이 낮기 때문에, 착색된 전기변색층 또는 이온저장층의 색채를 충분히 전달하기 어렵다. 차단층 투과율은 높을수록 좋기 때문에, 그 상한은 특별히 제한되지 않으나, 예를 들어 97% 이하, 95% 이하, 또는 90% 이하의 투과율을 가질 수 있다.
본 출원에 관한 다른 일례에서, 본 출원은, 전원, 대향 배치된 2개의 전극층, 전기변색층, 전해질층, 및 이온저장층을 포함하는 전기변색소자의 제조방법에 관한 것이다.
하나의 예시에서, 상기 전기변색소자는 하나의 전극층, 전기변색층, 전해질층, 이온저장층 및 다른 하나의 전극층이 순서대로 적층된 구조를 가질 수 있고, 외부회로에 의해 전기적으로 연결된 전원을 포함할 수 있다. 전기변색소자에 포함되는 상기 각 층은 공지된 방법에 의해 서로 적층될 수 있다. 예를 들어, 전극상에 전기변색층을 마련하는 경우, 스퍼터링(sputtering), 졸겔(sol-Gel)법, 전자빔 증착(e-beam evaporation), 펄스레이저증착(pulsed laser deposition), CVD(chemical vapor deposition), 스핀코팅(spin coating) 또는 딥코팅(dip coating) 중 어느 하나의 방법을 이용될 수 있다.
하나의 예시에서, 본 출원의 제조방법은, 전기변색소자 내부에 전자 또는 이온 차단층을 마련하는 단계; 및 전기변색층, 전해질층 또는 이온저장층의 면적 대비, 상기 차단층의 면적이 5 % 내지 50%가 되도록 상기 차단층을 패터닝하는 단계;를 포함할 수 있다. 차단층에 조성이나 물성에 관한 특징은 상기 언급한 바와 같다.
하나의 예시에서, 차단층은 공지된 방법에 의해 마련될 수 있다. 비제한적인 일례로, 스퍼터링(sputtering), 졸겔(sol-Gel)법, 전자빔 증착(e-beam evaporation), 펄스레이저증착(pulsed laser deposition), CVD(chemical vapor deposition), 스핀코팅(spin coating) 또는 딥코팅(dip coating) 중 어느 하나의 방법을 사용하여, 차단층을 형성할 수 있다. 보다 구체적으로, 차단층은 상기 나열된 방법 중 어느 하나의 방법을 통해 전기변색층 또는 이온저장층 중 어느 한 층의 일면에 마련될 수 있고, 마련된 차단층에 대하여 패터닝이 이루어질 수 있다. 또한, 전해질층, 이온저장층 또는 전해질층 중 어느 하나 이상의 층이 복수 개의 서브층을 포함하는 적층구조인 경우에는, 상기 방법 중 어느 하나의 방법을 통해 차단층이 서브층 상에 마련되고, 상기 차단층이 패터닝된 이후에, 또 다른 서브층이 패터닝된 차단층 상부에 마련될 수 있다.
하나의 예시에서, 차단층에 대한 패터닝은 포토리소그래피(Photolithography) 또는 프린팅(pringting)에 의해 이루어질 수 있다. 상기 패터닝은 각 층으로 이동하거나 삽입 또는 탈리되는 전하 입자의 이동을 방해하는 면적을 형성하는 공정으로서, 차단층과 직접 적층된 인접층의 면적보다 상기 차단층의 면적을 작게 형성 시킬 수 있고, 변색 형상이 나타나는 범위를 패터닝된 형태로 제한할 수 있다. 하나의 예시에서, 상기 차단층의 면적이 직접 적층된 인접층 면적의 5 % 내지 50% 갖도록 패터닝이 이루어질 수 있다. 이로써, 변색 반응을 특정 면적 범위에 대해서만 선택적으로 활성화 또는 억제할 수 있다. 상기 차단층의 면적 범위를 만족하는 경우, 패터닝 형상은 특별히 제한되지 않으며, 필요에 따라 적절히 가공될 수 있다.
본 출원은 차단층을 포함함으로써, 광 투과율, 광 투과면적, 및 발광 형상이 제어되고, 심미적 가치가 높은 전기변색소자를 제공하는 발명의 효과를 갖는다.
도 1은 전기변색소자의 단면도로서, 소자 내에서 전자와 전해질 이온의 이동을 개략적으로 도시한 것이다. 도 1(a)는 일반적인 전기변색소자의 경우를 도시한 것이고, 도 1(b)는 본 출원의 일례에 따라 차단층을 갖는 전기변색소자 내 전자와 전해질 이온의 이동을 도시한 것이다.
도 2는, 본 출원의 일례에 따른 전기변색소자로서, 십자형태로 패터닝된 차단층을 포함함으로써, 십자형태의 일정 발광영역을 갖는 전기변색소자를 도시한다.
이하, 실시예를 통해 본 발명을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명의 보호범위가 하기 설명되는 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
실시예
전기변색 소자의 제조
음극 소재의 형성: 유리기재 일면에 형성된 ITO 전극 상에 DC sputter 방식을 이용하여, WO3로 형성된 전기변색층(음극소재)을 400 nm 두께로 증착하였다. 상기 전기변색층의 일면에 DC sputter 방식을 이용하여 Intrinsic ZnO 및 Al2O3를 포함하는 차단층을 형성하고, 상기 차단층의 면적이 전기변색층 면적의 50%가 되도록 포토리소그래피에 의해 십자 형태의 음각 패터닝을 진행하고, '차단층/WO3/ITO' 순으로 적층된 소재를 얻었다. 상기 차단층의 비저항성은 106 Ω/m를 초과하였고, 이온전도도는 10-5 S/cm 미만이었다. 또한, 상기 차단층의 투과율은 90%를 초과하였다.
양극 소재의 형성: 투명 전도성 산화물인 ITO 전극 상에 DC sputter 방식을 이용하여, LiNiOx로 형성된 이온저장 층을 30 nm 두께로 증착하였다.
음극 소재와 양극 소재의 합착
PC(propylene carbonate)와 LiClO4 의 혼합물을 포함하는 겔 폴리머 전해질을 이용하여, 상기 작업전극과 상기 상대 전극을 합착하였다.
비교예
상기 실시예와 동일하게 전기변색소자를 제조하되, 음극소재의 경우 차단층을 형성하지 않고, WO3/ITO 순으로 적층된 통상의 음극소재를 사용하였다.
발광특성 및 투과도 측정
제조된 실시예와 비교예의 전기변색소자 각각에 대하여, 투과도를 측정하였다. Shimadzu 社의 solidspec-3700 (UV-VIS NIR SPECTROPHOTOMETER)를 이용하여, 300 nm 내지 2,300 nm 파장대에 대한 투과율을 측정하였다. 측정된 결과는 하기 그래프 1과 같다.
[그래프 1]
Figure pat00001
상기 그래프 1에서와 같이, 음극소재로서 차단층/WO3/ITO를 포함하는 실시예는 비교예 대비, 탈색시의 투과율이 높은 것을 알 수 있다. 이는 사용되는 차단층에 의해 일부 파장에서 굴절률 차이에 의한 투과율 상승이 발생했기 때문으로 생각된다. 이는 실시예와 같이 차단층을 사용할 경우, 소자의 광투과도를 원하는 수치 범위로 제한할 수 있음을 의미한다.
또한, 도 2에서와 같이, 본 출원의 실시예의 소자는 착색시에도 변색에 참여하지 않으면서 투명성을 유지하는 것을 알 수 있고, 패터닝 형상에 따라 원하는 형태로 전기변색 영역을 디자인할 수 있음을 알 수 있다.

Claims (26)

  1. 전원; 대향 배치된 2개의 전극층; 전기변색층; 전해질층; 이온저장층; 및 전자 또는 이온 차단층;을 포함하는 전기변색소자이고,
    상기 차단층은 패터닝층이고, 상기 패터닝 층의 면적은 이온저장층의 면적, 전기변색층의 면적 또는 전해질층의 면적보다 작은 전기변색소자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 차단층은 전기변색층 또는 이온저장층 중 어느 한 층의 일면에 마련되는 전기변색소자.
  3. 제1항에 있어서, 상기 전해질층, 이온저장층 또는 전해질층 중 하나 이상의 층은 복수개의 서브층을 포함하는 적층구조를 갖고, 상기 차단층은 상기 서브층 중 어느 하나의 일면에 마련되는 전기변색소자.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 차단층의 면적은 전기변색층, 이온저장층, 또는 전해질층 면적의 5% 내지 50%인 전기변색소자.
  5. 제1항에 있어서, 상기 차단층은 비저항이 103 Ω/m 이상이고, 이온 전도도가 10-5 S/㎝ 이하인 전기변색소자.
  6. 제1항에 있어서, 상기 차단층은 10 nm 내지 500 nm 두께를 갖고, 가시광선 영역에 대한 광 투과율이 97% 이하인 전기변색소자.
  7. 제1항에 있어서, 상기 차단층은 무기물 또는 유기물을 포함하는 전기변색소자.
  8. 제7항에 있어서, 상기 무기물은 SiO2, Al2O3, CaO, Fe2O3, ZnO, P2O3, TiO2, ZrO2, Ce2O3, La2O3, Y2O3, Gd2O3, Nd2O3, Sm2O3, Pr2O3, ThO3, Dy2O3, 및 SO3 중 하나 이상인 전기변색소자.
  9. 제7항에 있어서, 상기 유기물은 LDPE(Low-density Polyethylene), HDPE(Highdensity Polyethylene), Polypropylene, Polystyrene, PMMA(Poly(methylmethacrylate)), ABS(Acrylonitrile Butadiene Styrene), PVC(Polyvinyl chloride), EVA(Ethylene vinyl acetate), PC(Polycarbonate), PA(Polyacrylate), EPOXY, 및 PVT(polyvinyl toluene) 중에서 하나 이상인 전기변색소자.
  10. 제1항에 있어서, 상기 전기변색층은 Ti, Nb, Mo, Ta 및 W 중에서 선택된 금속 중 어느 하나 이상의 산화물을 포함하는 전기변색소자.
  11. 제10항에 있어서, 상기 전기변색층은 그 두께가 10 nm 내지 500 nm이고, 탈색시 가시광선 영역의 파장에 대한 투과율이 70% 이상인 전기변색소자.
  12. 제1항에 있어서, 상기 이온저장층은 Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Rh, 및 Ir 중에서 선택된 금속 중 어느 하나 이상의 산화물을 포함하는 전기변색소자.
  13. 제12항에 있어서, 상기 이온저장층은 그 두께가 10 nm 내지 500 nm이고, 탈색시 가시광선 영역의 파장에 대한 투과율이 70% 이상인 전기변색소자.
  14. 제1항에 있어서, 상기 전해질층은 겔 타입 고분자 전해질 또는 무기 고체 전해질을 포함하는 전기변색소자.
  15. 제14항에 있어서, 상기 겔 타입 고분자 전해질은 H+, Li+, Na+, K+, Rb+, 또는 Cs+ 를 포함하는 화합물 중 하나 이상의 화합물을 포함하는 전기변색소자.
  16. 제15항에 있어서, 상기 겔 타입 고분자 전해질은 카보네이트 화합물을 추가로 포함하고, 상기 카보네이트 화합물은 PC(propylene carbonate), EC(ethylene carbonate), DMC(dimethyl carbonate), DEC(diethyl carbonate) 및 EMC(ethylmethyl carbonate) 중에서 선택되는 1 이상의 화합물을 포함하는 전기변색소자.
  17. 제14항에 있어서, 상기 무기 고체 전해질은 LiPON 또는 Ta2O5을 포함하는 전기변색소자.
  18. 제17항에 있어서, 상기 무기 고체 전해질은 B, S 또는 W를 추가로 포함하는 전기변색소자.
  19. 제1항에 있어서, 상기 전해질층은 그 두께가 30 ㎛ 내지 200 ㎛ 이고, 가시광선 영역의 파장에 대한 투과율이 80% 내지 95%인 전기변색소자.
  20. 제1항에 있어서, 상기 전극층은, ITO(Indium Tin Oxide), FTO(Fluor doped Tin Oxide), AZO(Aluminium doped Zinc Oxide), GZO(Galium doped Zinc Oxide), ATO(Antimony doped Tin Oxide), IZO(Indium doped Zinc Oxide), NTO(Niobium doped Titanium Oxide), ZnO, OMO(Oxide/Metal/Oxide) 및 CTO로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 전극물질을 포함하는 전기변색소자.
  21. 제1항에 있어서, 상기 전극층은 그 두께가 1 nm 내지 400 nm 이고, 가시광선 영역의 파장에 대한 투과율이 80% 내지 90% 인 전기변색소자.
  22. 전원, 대향 배치된 2개의 전극층, 전기변색층, 전해질층, 및 이온저장층을 포함하는 전기변색소자의 제조방법이고,
    전기변색소자 내부에 전자 또는 이온 차단층을 마련하는 단계; 및
    전기변색층, 전해질층 또는 이온저장층의 면적 대비, 상기 차단층의 면적이 5 % 내지 50%가 되도록 상기 차단층을 패터닝하는 단계;
    를 포함하는 전기변색소자의 제조방법.
  23. 제22항에 있어서, 상기 차단층은 스퍼터링(sputtering), 졸겔(sol-Gel)법, 전자빔 증착(e-beam evaporation), 펄스레이저증착(pulsed laser deposition), CVD(chemical vapor deposition), 스핀코팅(spin coating) 또는 딥코팅(dip coating) 중 어느 하나의 방법에 의해 마련되는 전기변색소자의 제조방법.
  24. 제22항에 있어서, 상기 차단층은 전기변색층 또는 이온저장층 중 어느 한 층의 일면에 마련되는 전기변색소자의 제조방법.
  25. 제22항에 있어서, 상기 전해질층, 이온저장층 또는 전해질층 중 하나 이상의 층은 복수개의 서브층을 포함하는 적층구조를 갖고, 상기 차단층은 상기 서브층 중 어느 하나의 일면에 마련되는 전기변색소자의 제조방법.
  26. 제22항에 있어서, 패터닝은 포토리소그래피(Photolithography) 또는 프린팅(pringting)에 의해 이루어지는 전기변색소자의 제조방법.
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