KR20170142364A - Flexible electrochromic device having an electrode with high quality graphene complex and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 고품질 그래핀 복합전극을 한쪽 전극부로 이용한 유연전기변색소자 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고품질의 그래핀 및 투명전도성층을 소자의 전기변색부 혹은 이온저장부에 이용한 우수한 특성의 유연전기변색소자 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a flexible electrochromic device using a high-quality graphene composite electrode as one electrode and a method of manufacturing the same, and more particularly to a flexible electrochromic device using a high-quality graphene and a transparent conductive layer in an electrochromic unit or an ion storage unit And a method of manufacturing the same.
전기변색소자(electrochromic device)는 전기와 같은 외부 자극에 의하여 변색 물질이 자극되어 화학반응이 일어나고, 가시적으로 변색 효과가 발생하는 소자이다. 전기변색소자는 제1기판 상에 형성된 제1전극과 제2기판 상에 형성된 제2전극이 마주보도록 구성되고, 제1 및 제2전극 사이에 이온저장층, 전해질층 및 전기변색층이 적층된 구조를 갖는다. 또한, 복수의 층을 외부로부터 보호하기 위해 복수의 층들 외측, 제1 및 제2기판 사이에 폴리머 등을 이용한 격벽 등이 마련된다.An electrochromic device is a device in which a discoloration substance is stimulated by an external stimulus such as electricity, a chemical reaction occurs, and a discoloring effect occurs visually. In the electrochromic device, a first electrode formed on a first substrate and a second electrode formed on a second substrate are opposed to each other, and an ion storage layer, an electrolyte layer and an electrochromic layer are laminated between the first and second electrodes Structure. Further, in order to protect the plurality of layers from the outside, a barrier or the like using a polymer or the like is provided between the outer side of the plurality of layers, and between the first and second substrates.
전기변색소자는 제1 및 제2전극에 사이에 전위차가 발생되면, 전해질층에 포함되어 있는 이온이 전기변색층 내부로 이동하여 산화/환원 반응을 함으로써 가시적으로 색이 변하거나 색의 농담이 변하게 되는 원리를 이용한 소자이다. 예를 들어, 전기변색층이 환원반응에 의하여 착색되는 소자의 경우, 전기변색층에서 이온저장층으로 전류가 흐르면 전기변색층이 착색되고, 이와 반대로 이온저장층에서 전기변색층으로 전류가 흐르면 전기변색층에서 탈색이 일어나게 된다. 물론, 전기변색층이 산화반응에 의하여 착색되는 물질일 경우에는 예시와는 반대방향의 전류 흐름에서 착색 및 탈색 반응이 일어난다.In the electrochromic device, when a potential difference is generated between the first electrode and the second electrode, ions contained in the electrolyte layer migrate into the electrochromic layer and undergo oxidation / reduction reaction so that the color changes visually or the color hue changes Is a device using the principle that For example, in the case of a device in which the electrochromic layer is colored by a reduction reaction, the electrochromic layer is colored when a current flows from the electrochromic layer to the ion storage layer. On the contrary, when an electric current flows from the ion storage layer to the electrochromic layer, Discoloration occurs in the discoloration layer. Of course, when the electrochromic layer is a substance that is colored by the oxidation reaction, coloration and decolorization reaction occur in the current flow in the direction opposite to the example.
이러한 전기변색소자는 광 투과 특성을 이용하는 스마트 윈도우(smart window), 자동차용 룸미러, 투명 디스플레이의 차광판, 표시 소자 등으로 광범위하게 이용되고 있다. Such an electrochromic device is widely used as a smart window that utilizes light transmission characteristics, a room mirror for an automobile, a shield plate for a transparent display, and a display device.
전기변색소자의 이용 범위 및 용이성 등을 고려할 때, 전기변색소자는 유연성(flexibility)을 갖도록 제조될 필요가 있으며, 전극의 투명도가 매우 중요하다. 따라서, 산화인듐주석과 같은 투명한 전도성산화물이 주로 사용되는데, 전극소재로 사용하기 위한 전도도 달성을 위해서는 일정 두께 이상으로 산화인듐주석이 형성되어야만 한다. 하지만, 산화인듐주석의 두께가 두꺼워질수록 전극의 유연성 및 투명도가 낮아진다는 문제점이 있다.Considering the range and ease of use of the electrochromic device, the electrochromic device needs to be fabricated to have flexibility, and transparency of the electrode is very important. Therefore, a transparent conductive oxide such as indium tin oxide is mainly used. In order to achieve conductivity for use as an electrode material, indium tin oxide must be formed to a thickness of more than a certain thickness. However, as the thickness of indium tin oxide is increased, the flexibility and transparency of the electrode are lowered.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 고품질의 그래핀 복합전극을 전기변색소자의 한쪽 전극으로 이용한 우수한 특성의 고신뢰성 전기변색소자 및 이의 제조방법을 제공함에 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide a high-reliability electrochromic device having excellent characteristics using a high quality graphene composite electrode as one electrode of an electrochromic device and a method of manufacturing the same. .
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 전기변색소자 제조방법은 성장기판 상에서 그래핀을 성장시키는 그래핀성장단계; 그래핀층 상에 원자층 증착공정을 수행하여 원자층을 형성하는 단계; 원자층 상에 투명전도성층을 형성하는 제1 형성단계; 제1투명전도성층 상에 이온저장층, 전해질층 및 전기변색층을 순차적으로 형성하는 단계; 및 전기변색층 상에 투명전도성층을 형성하는 제2투명전도성층 형성단계;를 포함한다. According to another aspect of the present invention, there is provided a method of fabricating an electrochromic device, including: growing graphene on a growth substrate; Performing an atomic layer deposition process on the graphene layer to form an atomic layer; A first forming step of forming a transparent conductive layer on the atomic layer; Sequentially forming an ion storage layer, an electrolyte layer, and an electrochromic layer on the first transparent conductive layer; And a second transparent conductive layer forming step of forming a transparent conductive layer on the electrochromic layer.
원자층을 형성하는 단계는 그래핀층 상에 그래핀층의 결함을 치유하도록 원자층을 증착하는 것일 수 있다. 원자층은 금속 또는 금속산화물의 원자의 층일 수 있다. The step of forming the atomic layer may be to deposit the atomic layer to heal the defects of the graphene layer on the graphene layer. The atomic layer may be a layer of atoms of a metal or metal oxide.
본 발명에 따른 전기변색소자 제조방법은 성장기판을 제거하는 단계; 및 그래핀층을 연성기판에 접착하는 단계;를 더 포함할 수 있다. A method of manufacturing an electrochromic device according to the present invention includes: removing a growth substrate; And bonding the graphene layer to the flexible substrate.
연성기판은 폴리메틸메타크릴레이트(poly(methyl methacrylate), PMMA), 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate, PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(polyethylenenaphthalate, PEN), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC) 및 폴리이미드(polyimide, PI) 등의 투명 고분자 필름 중 어느 하나를 포함할 수 있다. The flexible substrate may be formed of a material such as polymethyl methacrylate (PMMA), polyethyleneterephthalate (PET), polyethylenenaphthalate (PEN), polycarbonate (PC), and polyimide ), And the like.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 연성기판; 연성기판 상에 형성된 그래핀층; 그래핀층 상에 형성된 원자층; 및 원자층 상에 형성된 제1투명전도성층; 제1투명전도성층 상에 이온저장층, 전해질층 및 전기변색층을 순차적으로 포함하는 전기변색부; 및 전기변색부 상에 형성된 제2투명전도성층;을 포함하는 전기변색소자가 제공된다. According to another aspect of the present invention, there is provided a flexible substrate comprising: a flexible substrate; A graphene layer formed on the flexible substrate; An atomic layer formed on the graphene layer; And a first transparent conductive layer formed on the atomic layer; An electrochromic unit sequentially comprising an ion storage layer, an electrolyte layer, and an electrochromic layer on the first transparent conductive layer; And a second transparent conductive layer formed on the electrochromic portion.
이온저장층 및 전기변색층은 전기화학반응에 의하여 박막의 변색 및 탈색이 이루어지는 전이 금속 산화물 또는 고분자를 포함할 수 있다. 또한, 전해질층은 고체전해질을 포함할 수 있다. The ion storage layer and the electrochromic layer may include a transition metal oxide or a polymer that undergoes discoloration and discoloration of the thin film by an electrochemical reaction. Further, the electrolyte layer may include a solid electrolyte.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 전기변색소자에 적용되는 고품질 그래핀 복합전극은 그래핀이 보유하는 결함을, 결함과 유사한 크기의 원자층을 도포하여 치유하므로 고품질의 그래핀을 전극 기판으로 사용할 수 있고, 이후 투명전도성층, 예를 들면 ITO층 형성공정과 같은 높은 에너지를 적용하는 공정에서도 결함에 의한 품질저하를 최소화 할 수 있어서 전기변색소자에 사용되는 투명 전극의 품질을 유지할 수 있는 효과가 있다. As described above, the high-quality graphene composite electrode applied to the electrochromic device according to the embodiments of the present invention heats graphene defects by applying an atomic layer having a size similar to that of the defects, It can be used as an electrode substrate, and quality deterioration due to defects can be minimized even in a process of applying a high energy such as a transparent conductive layer, for example, an ITO layer forming process, so that the quality of a transparent electrode used in an electrochromic device can be maintained There is an effect that can be.
아울러, 고품질 그래핀으로 인하여 전극의 전도도가 보장되어 투명전도성층의 두께가 최소화되고, 이를 통해 구성된 전기변색소자의 유연성 및 투명성이 증대될 수 있다. 또한, 그래핀이 투명전도성층과 성장기판 사이의 배리어 역할을 하여, 성장기판의 구성성분이 투명전도성층으로 확산되는 것을 방지하여 투명전도성층의 전도도 및 투명도가 유지되어 고품질 고신뢰성 투명전극을 포함하는 전기변색소자의 제작이 가능하다.In addition, the conductivity of the electrode is ensured due to high-quality graphene, so that the thickness of the transparent conductive layer is minimized, and the flexibility and transparency of the electrochromic device formed thereby can be increased. Also, since graphene acts as a barrier between the transparent conductive layer and the growth substrate, the components of the growth substrate are prevented from diffusing into the transparent conductive layer, so that the conductivity and transparency of the transparent conductive layer are maintained, It is possible to manufacture an electrochromic device.
도 1 내지 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 전기변색소자의 제조방법의 설명에 제공되는 도면들이다. FIGS. 1 to 6 are views provided for explaining a method of manufacturing an electrochromic device according to an embodiment of the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 첨부된 도면에서 특정 패턴을 갖도록 도시되거나 소정두께를 갖는 구성요소가 있을 수 있으나, 이는 설명 또는 구별의 편의를 위한 것이므로 특정패턴 및 소정두께를 갖는다고 하여도 본 발명이 도시된 구성요소에 대한 특징만으로 한정되는 것은 아니다.DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, the embodiments of the present invention can be modified into various other forms, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below. The embodiments of the present invention are provided to enable those skilled in the art to more fully understand the present invention. It should be understood that while the present invention may be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein, The present invention is not limited thereto.
도 1 내지 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 전기변색소자의 제조방법의 설명에 제공되는 도면들이다. 본 실시예에 따른 전기변색소자 제조방법은 성장기판(110) 상에서 그래핀층(120)을 성장시키는 그래핀성장단계; 그래핀층(120) 상에 원자층(130) 증착공정을 수행하여 원자층(130)을 형성하는 단계; 원자층(130) 상에 투명전도성층을 형성하는 제1투명전도성층(140) 형성단계; 제1투명전도성층(140) 상에 이온저장층(151), 전해질층(152) 및 전기변색층(153)을 순차적으로 형성하는 단계; 및 전기변색층(153) 상에 투명전도성층을 형성하는 제2투명전도성층(160) 형성단계;를 포함한다. FIGS. 1 to 6 are views provided for explaining a method of manufacturing an electrochromic device according to an embodiment of the present invention. A method of fabricating an electrochromic device according to an embodiment of the present invention includes a graphene growth step of growing a
본 발명에서는 투명전도성층을 전극으로 포함하는 전기변색소자에서 어느 하나의 투명전도성층에 그래핀층이 형성되어 투명전도성층의 물성을 보완한 전극을 포함하는 전기변색소자(100)를 제조하는 방법이 개시된다. In the present invention, a method of manufacturing an
그래핀은 복수개의 탄소원자들이 서로 공유결합으로 연결되어 폴리시클릭 방향족 분자를 형성하여 층 또는 시트 형태를 형성한 것이다. 그래핀층 내부에서 공유결합으로 연결된 탄소원자들은 기본 반복단위로서 6 원환을 형성하나, 그래핀층은 5 원환 또는 7 원환을 더 포함하는 것도 가능하다. 특히, 그래핀의 도메인 경계에서 그래핀의 성장방향이 다른 경우, 각각의 도메인이 충돌하여 5 원환이나 7 원환을 형성하기도 하고 이러한 비규칙적 결정배열은 그래핀의 품질저하의 원인이 된다. Graphene is formed by connecting a plurality of carbon atoms to each other through a covalent bond to form a polycyclic aromatic molecule to form a layer or a sheet form. The carbon atoms covalently bonded in the graphene layer form a 6-membered ring as a basic repeating unit, but the graphene layer may further include a 5-membered ring or a 7-membered ring. In particular, when the growth direction of graphene differs at the domain boundary of graphene, the respective domains collide to form a 5-membered ring or a 7-membered ring, and this irregular arrangement of crystals causes degradation of graphene quality.
그래핀의 도메인은 어느 한 지점에서부터 그래핀이 성장함에 따라 결정이 증가되고 이로 인한 수평팽창이 일어나는 영역을 지칭한다. 즉, 어느 한 지점에서부터 형성된 그래핀의 영역과 이와 다른 지점에서 형성된 그래핀의 영역이 만나는 지점에서 형성되는 경계 내의 그래핀을 도메인이라고 한다. 그래핀 도메인의 경계면에서는 서로 다른 도메인의 성장방향의 차이로 인하여 도메인 간의 접촉 시, 전술한 바와 같이 비규칙적 결정배열이 발생하게 되고, 이러한 비규칙성은 그래핀의 결함(defect)으로 작용하게 된다. The domain of graphene refers to the region where crystals increase as the graphene grows from one point and the resulting horizontal expansion occurs. That is, a graphene within a boundary formed at a point where a region of graphene formed at a certain point and a region of graphene formed at another point meet, is called a domain. Due to the difference in the growth directions of the different domains at the interface of the graphene domain, irregular crystal arrays occur as described above when the domains are contacted, and this irregularity acts as a defect of graphene.
그래핀은 서로 공유 결합된 탄소원자들(통상 sp2 결합)의 단일층이다. 그래핀은 다양한 구조를 가질 수 있으며, 이와 같은 구조는 그래핀 내에 포함될 수 있는 5 원환 및/또는 7 원환의 함량에 따라 달라질 수 있다. 그래핀은 상술한 바와 같은 그래핀의 단일층으로 이루어질 수 있으나, 이들이 여러개 서로 적층되어 복수층을 형성하는 것도 가능하며, 통상 그래핀의 측면 말단부는 수소원자로 포화될 수 있다.Graphene is a single layer of covalently bonded carbon atoms (usually sp2 bonds). The graphene may have a variety of structures, and such a structure may vary depending on the content of the five-membered ring and / or the seven-membered ring which may be contained in the graphene. The graphene may be composed of a single layer of graphene as described above, but it is also possible to form a plurality of layers by stacking a plurality of these graphenes, and usually the lateral end portions of the graphene can be saturated with hydrogen atoms.
본 발명에 따라 전기변색소자를 제조하기 위해서는 먼저 성장기판(110) 상에서 그래핀층(120)을 성장시키는 그래핀성장단계가 수행된다(도 1). 그래핀은 다양한 방식으로 합성될 수 있는데, 본 실시예에서는 성장기판 상에서 직접 그래핀이 합성되는 직접성장법에 의해 합성된다. 성장기판(110)은 그래핀을 성장시키기 위한 베이스(seed layer)로 기능하는 것으로, 특정 재료로 한정되지 않는다. 예를 들어 성장기판(110)은 Ni, Co, Fe, Pt, Au, Al, Cr, Cu, Mg, Mn, Mo, Rh, Si, Ta, Ti, W, U, V, Zr, 황동, 청동, 백동, 스테인리스 스틸 및 Ge로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 금속 또는 이들의 합금을 포함할 수 있다. 또는, 성장기판(110)은 SiO2 기판 또는 유리 기판일 수 있다. In order to manufacture an electrochromic device according to the present invention, a graphene growth step is performed in which a
성장기판(110)은 그래핀의 성장을 용이하게 하기 위하여 탄소를 잘 흡착하는 촉매층(미도시)을 더 포함할 수 있다. 촉매층은 특정 재료로 한정되지 않으며, 성장기판(110)과 동일 또는 상이한 물질로 형성될 수 있다. 한편, 상기 촉매층의 두께 역시 제한되지 않으며, 형태 역시 박막이나 후막일 수 있다. The
성장기판이 준비되면, 성장기판(110) 상에서 그래핀을 성장시키는 그래핀 성장단계가 수행된다. 성장기판(110) 상에 그래핀층(120)을 형성시키는 방법으로는 화학기상증착법(CVD, chemical vapor deposition)이 이용될 수 있다. 여기에서 화학기상증착법은 고온화학기상증착(RTCVD), 유도결합플라즈마 화학기상증착(ICP-CVD), 저압 화학기상증착(LPCVD), 상압화학기상증착(APCVD), 금속 유기화학기상증착(MOCVD) 또는 화학기상증착(PECVD) 등으로 세분될 수 있다. When the growth substrate is prepared, a graphen growth step is performed in which graphene is grown on the
성장기판(110)이 반응기에 투입되고, 탄소원(carbon source)으로 활용되는 반응가스의 공급 조건 하에서, 상압 열처리를 통하여 그래핀을 성장, 그래핀층(120)을 형성할 수 있다.The
그래핀 성장을 위한 열처리 온도는 300℃ 내지 2,000℃ 일 수 있다. 이와 같이 성장기판(110)을 고온 및 상압에서 탄소원과 반응시키면 공급된 탄소가 성장기판(110)에 용해 또는 흡착되고, 이후 용해, 흡착된 탄소원자들이 성장기판(110) 표면에서 결정화됨으로써 그래핀 결정 구조를 형성하게 된다.The heat treatment temperature for growth of graphene may be 300 ° C to 2,000 ° C. When the
한편, 상술한 공정에 있어 성장기판(110)의 종류 및 두께(촉매층을 포함함), 반응시간, 냉각속도, 반응 가스 농도 등을 조절함으로써 그래핀층(120)의 층수를 조절할 수 있다.Meanwhile, the number of layers of the
탄소원으로는 일산화탄소, 이산화탄소, 메탄, 에탄, 에틸렌, 에탄올, 아세틸렌, 프로판, 부탄, 부타디엔, 펜탄, 펜텐, 사이클로펜타디엔, 헥산, 사이클로헥산, 벤젠, 또는 톨루엔 등이 있을 수 있다.The carbon source may be carbon monoxide, carbon dioxide, methane, ethane, ethylene, ethanol, acetylene, propane, butane, butadiene, pentane, pentene, cyclopentadiene, hexane, cyclohexane, benzene or toluene.
탄소원을 포함하는 반응 가스를 기체상으로 공급하면서, 온도를 제어함으로써 반응 가스의 탄소 원자가 성장기판(110) 표면에서 6각형의 판상 구조를 형성하면서 그래핀이 합성된다(도 1).By controlling the temperature while supplying the reaction gas containing the carbon source to the gas phase, the carbon atoms of the reaction gas form a hexagonal plate-like structure on the surface of the
그래핀층(120)이 형성되면, 그래핀층(120) 상에 원자층(130) 증착공정을 수행하여 원자층(130)을 형성하는 단계가 수행된다. 도 1을 참조하면, 그래핀층(120) 상에 육각형 구조의 그래핀 결정구조(121)가 형성되어 있고, 3개의 그래핀 도메인이 충돌하여 그래핀 도메인 경계(122)가 형성되어 있다. 이러한 그래핀 도메인 경계(122)는 그래핀층(120)의 이상적인 육각구조의 결정구조를 파괴하게 되고 이는 곧 그래핀의 결함으로 작용한다. 즉, 그래핀층(120)의 전도성이 열화되고 누설전류가 발생하여 그래핀층(120)을 이용한 투명전극 등의 제조시 제품신뢰성이 악화되는 문제가 발생한다. 또한, 그래핀 결함(122)은 후공정 수행시 고온 고압조건에서 에너지 등이 응집하는 영역이 되어 그래핀층(120)을 더욱 손상시키게 된다. When the
본 발명에 따른 전기변색소자 제조방법에서는 이러한 그래핀 결함(122)을 치유하는 방법으로써, 그래핀층 상에 원자층 증착공정을 수행하여 원자층(130)을 형성하는 단계가 수행된다. 도 2를 참조하면, 그래핀 결함(122)에 원자층이 증착되어 있다. 본 발명에서 그래핀층(120) 상에 원자층(130)이 형성되어 있다는 것은 원자층이 1층, 2층 등 층으로 배열되어 있는 상태를 포함하여, 그래핀층(120)의 상면에 위치하는 그래핀 결함(122) 부분에 원자 라인(line)이 결함을 도포하도록 배열되어 있는 상태, 즉 한 층의 일부를 형성하는 원자배열을 포함하는 개념이다. 이러한 원자배열의 형태는 원자층 증착(atomic layer deposition, ALD) 공정수행에 의해 구현가능하다.In the method of manufacturing an electrochromic device according to the present invention, a step of forming an
ALD공정은 증착하고자 하는 원자의 전구체 가스를 주입하고 반응가스를 함께 주입하여 증착대상기판에 원자를 층으로 적층하여 박막을 형성시키는 공정이다. The ALD process is a process in which a precursor gas of an atom to be deposited is injected and a reactive gas is injected together to form a thin film by layering atoms on a substrate to be deposited.
예를 들어, 통상적으로 다 회의 ALD 공정을 통하여 그래핀층(120) 상에 1층의 원자층(130)이 형성된다. 그러나, 그래핀층(120) 상에 존재하는 그래핀 결함(122)으로 인하여 ALD 공정 수행에 따라 원자층(130)이 그래핀층(120) 전반에 1층으로 형성되는 것이 아니라 원자들이 그래핀 결함(122)을 따라 배열된다. 즉, 도 2에서와 같이 그래핀 결함(122)을 따라 ALD에 의한 원자층이 형성된다. For example, a single layer of
도 3은 도 2에서 원자층이 형성된 그래핀층의 단면도이다. 원자층(130)은 그래핀층(120)의 그래핀 결함(122)에 집중적으로 배열되는데, 이는 ALD 공정에 따른 원자의 배열이 상대적으로 에너지가 응집된 그래핀 결함(122)부분에 우선적으로 증착되기 때문으로 해석될 수 있다. 3 is a cross-sectional view of the graphene layer formed with the atomic layer in FIG. The
원자층(130)으로는 금속 또는 금속산화물의 원자층이 형성될 수 있는데, 예를 들면, 산화알루미늄 또는 산화아연 등의 금속산화물 원자층이 형성될 수 있다. 산화알루미늄의 경우, 원자층의 직경이 약 0.67Å이므로 두께가 1 내지 10nm의 그래핀층(120)의 경우, 그래핀 결함(122)의 내부에 산화알루미늄 원자층이 형성되거나, 그래핀 결함(122) 근처로 모여 그래핀 도메인 경계(122)를 따라 라인형태로 형성될 수 있다. As the
이와 같이 그래핀 결함(122) 주위로 원자층(130)이 형성되면 제1투명전도성층(140)을 형성하는 고온·고에너지 공정, 예를 들어 진공증착공정/플라즈마 증착공정 등이 수행될 때 그래핀 결함(122) 쪽으로 에너지가 과잉집중되는 것을 억제할 수 있다. 따라서, 제1투명전도성층(140) 형성 시에 그래핀 결함(122) 확대 및 이로 인한 그래핀층(120)의 물성저하를 방지할 수 있다. When the
원자층(130)은 원자층 증착공정이 복수회 반복되어 형성될 수 있다. 원자층의 증착횟수는 그래핀층(120)의 두께와 그래핀 결함(122)의 크기나 빈도 등을 고려하여 선택될 수 있다. The
원자층 증착공정이 다수회 반복되어 수행되면, 원자층(130)은 하나의 층으로 구현될 수도 있다.If the atomic layer deposition process is repeated many times, the
원자층(130)은 전술한 바와 같이 금속 또는 금속산화물을 포함할 수 있으나, 그래핀층(120) 또는 제1투명전도성층(140)의 전도성에 불리한 영향을 미치지 않도록 형성될 수 있다. 즉, 산화물 종류의 이종물질의 도입으로 인한 그래핀층(120)에 약간의 전도도 저하가 일어날 수는 있으나, 원자단위의 층이므로 제1투명전도성층(140)의 전도성에는 불리한 영향을 미치지 않으며 제1투명전도성층(140)을 형성하면서 생기는 결함을 최소화하므로 원자층이 그래핀 복합전극에 미치는 영향은 무시할 수 있다. The
원자층(130)이 형성되면, 원자층(130) 상에 투명전도성층을 형성하여 제1투명전도성층(140)을 형성하게 되고, 이들은 하나의 전극으로서 기능하게 된다(도 4). 투명전도성층(140)은 투명한 재질의 전도성 물질로 구현되는데, 예를 들면, ITO(indium tin oxide), IZO(indium zinc oxide), FTO(F-doped tin oxide), ATO(antimony tin oxide), AZO(ZnO:Al), GZO(ZnO:Ga), a-IGZO(In2O3:Ga2O3:ZnO), MgIn2O4, Zn2SnO4, ZnSnO3, (Ga,In)2O3, Zn2In2O5, InSn3O12, In2O3, SnO2, Cd2SnO4, CdSnO3 및 CdIn2O4 중에서 선택되는 1 이상의 금속산화물이거나, Cu, Al, Sn, Ni, W, Ti, Cr, Co, Zn, Ta, V, Au, Ag, TiN 및 Pt 중에서 선택되는 1 이상의 금속이거나, Cu 또는 Ag 등의 나노와이어를 포함할 수 있다.Once the
투명전도성층(140)은 열증착(thermal deposition), 화학기상증착 또는 스퍼터링 등의 물리적 또는 화학적 증착 공정을 이용하여 형성하거나, 코팅공정을 이용하여 형성할 수 있다. The transparent
본 발명에 따른 성장기판(110) 상의 그래핀층(120), 원자층(130) 및 제1투명전도성층(140)은 전기변색소자의 투명전극으로 사용될 수 있다. 그래핀층(120)의 유연성 및 투명성과 두께가 얇다는 장점을 이용하여 단독으로 투명전극으로 사용할 수는 있으나, 전극으로서 요구되는 수준의 전도도를 달성하기가 어려워 단독사용이 어렵다. 제1투명전도성층(140)은 높은 투명도와 전도도를 나타내나 유연성이 낮아 유연전극으로 구현되기 어려우며, 높은 전도도를 확보하기 위해서는 전극의 두께가 두꺼워지게 되고, 이에 따라 투명도와 유연성이 저하되어 단독 사용시 원하는 품질을 달성하기에 어려움이 있다. The
본 발명에 따른 전기변색소자의 전극 중 어느 하나는 그래핀층(120) 상에 제1투명전도성층(140)을 함께 포함하여 그래핀층(120)의 낮은 전도성을 보완하고, 제1투명전도성층(140)의 두께를 줄여 투명도를 높이고 전극의 유연성을 확보한다. 아울러, 성장기판(110)과 제1투명전도성층(140) 사이의 그래핀층(120)이 투명전도성층(140)을 열처리하는 과정에서 발생하는 성장기판(110)으로부터의 불순물 유입을 방지하여 투명전도성층(140)의 전도도와 투명성을 유지할 수 있다. Any one of the electrodes of the electrochromic device according to the present invention may include a first transparent
제1투명전도성층(140) 상에는 전압인가를 통하여 변색이 가능한 전기변색부(150)가 형성된다. 제1투명전도성층(140) 상에는 이온저장층(151), 전해질층(152) 및 전기변색층(153)이 순차적으로 형성될 수 있다. 이와 달리 전기변색부(150)는 제1투명전도성층(140) 상에 전기변색층(153), 전해질층(152) 및 이온저장층(151)의 순서로 형성될 수도 있다. An
이온저장층(151)은 전기 변색 반응에 관여하는 이온의 입출입에 관여한다. 전기변색층(153)에서 이온을 내보내는 반응을 할 경우에는 전기변색층(153)으로부터 나온 이온을 이온저장층(151)에서 수용하고, 전기변색층(153)에서 이온을 받아들이는 반응을 할 경우에는 이온저장층(151)에서 해당 이온을 제공한다. 이온저장층(151)은 수소 이온 또는 리튬 이온 등과 같은 복수의 양이온 또는 전기변색에 참여하는 다른 종류의 이온을 저장하기 위한 이온 저장 소재 또는 산화/환원 착색 소재가 이용될 수 있다. The
이온저장층(151)은 전기변색층(153)과 더불어 소자의 변색효율을 증대시키기 위한 또 다른 전기변색층의 기능을 할 수 있다. 전기변색소자의 이온저장층(151)은 전기변색층(153)과 산화환원반응에서 대응되는 반응을 가지는 전기 변색 물질로 구성될 수 있다. 즉, 전기변색층(153)이 환원 변색 물질의 경우, 이온저장층(151)은 산화 변색 물질일 수 있으며, 반대의 경우도 가능하다. 전기변색소자의 이온저장층(151)이 또 다른 전기변색층으로 구성될 경우, 소자의 착색 투과도가 감소하여 변색 효율이 증대된다.The
전해질층(152)은 이온저장층(151) 상에 형성되며, 전기 변색 반응에 관여하는 이온이 포함된 물질을 이용할 수 있다. 예를 들어, 전해질층(152)은 Ta2O5, LiClO4, LiNbO3, Li3 + xPO4 - xNx(LiPON), LiVO3/SiO2/Li4SiO4-Li3VO4 (LVSO), LiPF6, Li3PO4 등으로부터 선택된 적어도 하나를 이용하여 형성할 수 있다. 전해질은 고체전해질일 수 있다. 전해질층(152)은 단일 물질을 이용한 단일층이거나 이종물질이 교번하여 형성된 다층구조일 수 있다. The
전기변색층(153)은 전해질층(152) 상에 형성된다. 전기변색층(153)은 전기 신호에 따라 색이 변화하는 전기 변색 물질을 이용하여 형성할 수 있으며, 전기 변색 물질은 무기물이나 유기물일 수 있다.The
이온저장층(151) 및 전기변색층(153)으로 사용되는 전기변색물질은 산화반응 또는 환원반응 중 어느 반응에 의하여 변색되느냐에 따라 유동적으로 선택될 수 있으며, 이온저장층과 전기변색층이 소자로 연결되었을 때 산화환원반응이 완성될 수 있도록 선택될 수 있다. 이온저장층(151) 및 전기변색층(153)으로 사용되는 전기변색물질이 무기물인 경우에 박막 형태로 증착되는 전이 금속 산화물이 이용될 수 있는데, NiO, Cr2O3, MnO2, Rh2O3, CoOx, Ir(OH)x, Fe2O3, WO3, ZnO, NbO5, V2O5, TiO2 및 MoO3으로부터 선택된 적어도 하나가 이용될 수 있다. 또한, 유기물인 전기변색물질에는 비올로겐(viologen) 화합물, 프타로시아닌(diphtahlocyanine) 화합물 또는 테트라티아풀발렌(tetrathiafulvalene) 화합물 등과 polyaniline, polythiophene, PEDOT(3,4-ethylenedioxythiophene) 등을 기반으로 한 다양한 고분자 화합물이 있다. 유기 전기변색물질은 햇빛에 분해되어 수명이 단축될 수 있는 단점이 있지만, 이들을 적절히 섞으면 원하는 색을 낼 수 있기 때문에 광범위하게 이용될 수 있다.The electrochromic material used as the
전기변색부(150)가 형성되면, 제1투명전도성층(140)에 대향하는 전극으로서 제2투명전도성층(160)을 형성한다(도 5). 제2투명전도성층(160)은 제1투명전도성층(140)와 동일 또는 유사한 투명하고 전도성 있는 금속산화물 등으로 구현될 수 있다. When the
제2투명전도성층(160)에는 제1투명전도성층(140)과 달리 그래핀층(120)이 함께 형성되어 있지 않다. 따라서, 제2투명전도성층(160)은 필요에 의하여 제1투명전도성층(140)보다 큰 두께로 형성되거나 전도성이 더 높은 재질로 형성될 수 있다. Unlike the first transparent
최종적으로 제2투명전도성층(160)이 형성되어, 그래핀층(120), 제1투명전도성층(140), 전기변색부(150) 및 제2투명전도성층(160)에 이르는 전기변색 소자의 필수 요소가 완성되면, 그래핀의 성장을 위한 성장기판(110)을 제거하고, 연성기판(170)을 그래핀층(120)에 부착시킨다(도 6). A second transparent
본 발명에 따른 전기변색소자(100)는 연성기판(170); 연성기판(170) 상에 형성된 그래핀층(120); 그래핀층(120) 상에 형성된 원자층(130); 및 원자층(130) 상에 형성된 제1투명전도성층(140); 제1투명전도성층(140) 상에 이온저장층(151), 전해질층(152) 및 전기변색층(153)을 순차적으로 포함하는 전기변색부(150); 및 전기변색부(150) 상에 형성된 제2투명전도성층(160);을 포함한다. The
연성기판(150)은 유연성(flexibility)을 가지는 기판으로 플라스틱 기판, 예를 들면, 폴리메틸메타크릴레이트(poly(methyl methacrylate), PMMA), 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate, PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(polyethylenenaphthalate, PEN), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC) 및 폴리이미드(polyimide, PI) 등의 투명 고분자 필름 중 어느 하나의 기판일 수 있다. The
성장기판(110)의 제거는 성장기판(110)를 선택적으로 제거하는 에칭용액이 담긴 챔버 및 에칭용액이 담긴 챔버를 포함하는 롤투롤(roll to roll) 장치를 이용하여 이루어질 수 있다. 에칭용액은 성장기판(110)의 종류에 따라 대응되어 선택될 수 있으며, 예로는 불화수소(HF), BOE(buffered oxide etch), 염화 제2철(FeCl3) 용액, 또는 질산 제2철(Fe(NO3)3) 용액 등이 있다. The removal of the
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에서 전기변색소자의 전극을 투명전도성층을 이용하여 구현하면서, 어느 하나의 투명전도성층 전극에 결함이 치유된 그래핀층을 함께 사용하여 투명전도성층의 전도도 및 유연성을 보완하고, 그래핀층에 연성기판을 부착하여 유연전기변색소자를 제조할 수 있다. As described above, in the embodiments of the present invention, the electrode of the electrochromic device is implemented using the transparent conductive layer, and the conductivity of the transparent conductive layer is improved by using the defective healed graphene layer in any one of the transparent conductive layer electrodes And the flexible substrate can be attached to the graphene layer to produce a flexible electrochromic device.
이상, 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, many modifications and changes may be made by those skilled in the art without departing from the spirit and scope of the invention as defined in the appended claims. The present invention can be variously modified and changed by those skilled in the art, and it is also within the scope of the present invention.
100
전기변색소자
110
성장기판
120
그래핀층
121
그래핀결정구조
122
그래핀 결함
130
원자층
140
제1투명전도성층
150
전기변색부
151
이온저장층
152
전해질층
153
전기변색층
160
제2투명전도성층
170
연성기판100
120
122
140 first transparent
151
153
170 soft substrate
Claims (8)
상기 그래핀층 상에 원자층 증착공정을 수행하여 원자층을 형성하는 단계;
상기 원자층 상에 투명전도성층을 형성하는 제1투명전도성층 형성단계;
상기 제1투명전도성층 상에 이온저장층, 전해질층 및 전기변색층을 순차적으로 형성하는 단계; 및
상기 전기변색층 상에 투명전도성층을 형성하는 제2투명전도성층 형성단계;를 포함하는 전기변색소자 제조방법.
A graphene growth step of growing graphene on a growth substrate;
Performing an atomic layer deposition process on the graphene layer to form an atomic layer;
A first transparent conductive layer forming step of forming a transparent conductive layer on the atomic layer;
Sequentially forming an ion storage layer, an electrolyte layer, and an electrochromic layer on the first transparent conductive layer; And
And a second transparent conductive layer forming step of forming a transparent conductive layer on the electrochromic layer.
상기 원자층을 형성하는 단계는,
상기 그래핀층 상에 상기 그래핀층의 결함을 치유하도록 원자층을 증착하는 것인 전기변색소자 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein forming the atomic layer comprises:
Wherein an atomic layer is deposited on the graphene layer to heal defects of the graphene layer.
상기 원자층은 금속 또는 금속산화물의 원자의 층인 것인 전기변색소자 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the atomic layer is a layer of atoms of a metal or a metal oxide.
상기 성장기판을 제거하는 단계; 및
상기 그래핀층을 연성기판에 접착하는 단계;를 더 포함하는 전기변색소자 제조방법.
The method according to claim 1,
Removing the growth substrate; And
And bonding the graphene layer to the flexible substrate.
상기 연성기판은 폴리메틸메타크릴레이트(poly(methyl methacrylate), PMMA), 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate, PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(polyethylenenaphthalate, PEN), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC) 및 폴리이미드(polyimide, PI) 등의 투명 고분자 필름 중 어느 하나를 포함하는 것인 전기변색소자 제조방법.
The method of claim 4,
The flexible substrate may be formed of a material selected from the group consisting of poly (methyl methacrylate), PMMA, polyethyleneterephthalate (PET), polyethylenenaphthalate (PEN), polycarbonate (PC), and polyimide PI), and the like. The electrochromic device according to claim 1,
상기 연성기판 상에 형성된 그래핀층;
상기 그래핀층 상에 형성된 원자층;
상기 원자층 상에 형성된 제1투명전도성층;
상기 제1투명전도성층 상에 이온저장층, 전해질층 및 전기변색층을 순차적으로 포함하는 전기변색부; 및
상기 전기변색부 상에 형성된 제2투명전도성층;을 포함하는 전기변색소자.
A flexible substrate;
A graphene layer formed on the flexible substrate;
An atomic layer formed on the graphene layer;
A first transparent conductive layer formed on the atomic layer;
An electrochromic portion sequentially including an ion storage layer, an electrolyte layer, and an electrochromic layer on the first transparent conductive layer; And
And a second transparent conductive layer formed on the electrochromic portion.
상기 이온저장층 및 전기변색층은 전기화학반응에 의하여 박막의 변색 및 탈색이 이루어지는 전이 금속 산화물 또는 고분자를 포함하는 것인 전기변색소자.
The method of claim 6,
Wherein the ion storage layer and the electrochromic layer include a transition metal oxide or a polymer that undergoes discoloration and discoloration of a thin film by an electrochemical reaction.
상기 전해질층은 고체전해질을 포함하는 것인 전기변색소자.The method of claim 6,
Wherein the electrolyte layer comprises a solid electrolyte.
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