KR20180035344A - 전기변색 모듈 및 전기변색 소자의 구동방법 - Google Patents

전기변색 모듈 및 전기변색 소자의 구동방법 Download PDF

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이수희
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Abstract

본 출원은 전기변색 모듈 및 전기변색소자의 구동방법에 관한 것으로, 본 출원의 일례에 따르면, 인가되는 구동 전압에 따라 착색 또는 탈색되도록 마련된 전기변색소자; 전기변색소자의 외부 온도를 감지하는 감지부; 감지된 외부 온도에 따라 하기 관계식 1을 만족하는 전압의 인가시간을 결정하는 제어부 및 결정된 인가시간만큼 전기변색소자에 전압을 인가하기 위한 전원 공급부를 포함하는 전기변색 모듈이 제공된다.

Description

전기변색 모듈 및 전기변색 소자의 구동방법 {Electrochromic module and Driving method for Electrochromic device}
본 출원은 전기변색 모듈 및 전기변색 소자의 구동방법에 관한 것이다.
전기변색소자란, 전기 화학적 산화/환원 반응에 의해 전기변색물질의 색이 가역적으로 변하는 특성을 이용한 소자를 말한다. 전기변색소자는 기존의 액정 디스플레이, 발광다이오드에 비교하여 응답속도가 느린 단점이 있지만, 적은 비용으로도 넓은 면적의 소자를 제조할 수 있고, 소비전력이 낮다는 장점이 있기 때문에 스마트 윈도우, 스마트 거울, 전자 종이 등의 다양한 분야에 응용될 수 있다.
한편, 전기변색소자는 전기변색물질을 포함하는 전기변색층이 서로 대향하는 전극층 사이에 마련된 구조를 가질 수 있다. 상기 전극층에 일정시간 동안 교대되는 환원 및 산화 전위가 인가되는 경우, 전기변색물질로 전하 입자가 삽입 또는 탈리되면서 전기변색층이 착색 또는 탈색되는 등의 광학적 특성 변화가 소자에 나타난다.
그러나, 구동 전압보다 높은 전위가 인가되거나 또는 전압의 인가 시간이 필요 이상으로 증가하는 등의 이유로, 소자의 광학 특성 변화에 필요한 수준이상으로 과량의 전하가 전기변색층에 공급되는 경우에는, 부가반응으로 인해 전기변색층과 전극층 또는 이들 계면의 저항이 크게 증가하게 되면서 소자의 내구성이 저하될 수 있다. 따라서, 적정 전하량이 공급될 수 있도록 소자를 제어할 필요가 있다.
본 출원의 일 목적은, 내구성이 개선된 전기변색소자 및 이를 포함하는 전기변색모듈을 제공하는 것이다.
본 출원의 다른 목적은, 전기변색소자의 내구성을 개선할 수 있는 전기변색소자의 구동방법을 제공하는 것이다.
본 출원의 상기 목적 및 기타 그 밖의 목적은 하기 상세히 설명되는 본 출원에 의해 모두 달성될 수 있다.
본 출원에 관한 일례에서, 본 출원은 전기변색 모듈에 관한 것이다. 본 출원의 전기변색 모듈은 전기변색소자에 대한 구동전압의 인가 시간을 외부 온도에 따라 제어할 수 있다.
상기 전기변색모듈은 전기변색소자의 외부 온도를 감지하는 온도 감지부를 포함할 수 있다. 본 출원에서 전기변색소자의 외부 온도란, 전기변색소자 내부가 아닌 소자 외부, 예를 들어, 소자 외부로서 소자와 가까운 주변부의 온도를 의미할 수 있다. 외부 온도를 감지하는 방법은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 상기 온도 감지부에 포함된 온도 센서에 의해 온도가 직접 감지되거나, 별도의 장치를 통해 감지된 외부 온도가 상기 온도 감지부에 입력 또는 기록되는 등의 방식을 통해 외부 온도가 감지될 수 있다.
상기 전기변색모듈은 전압의 인가 시간을 결정하는 제어부를 포함할 수 있다. 상기 제어부는, 상기 온도 감지부에서 감지된 외부 온도에 따라 소정의 관계식을 만족하도록 전기변색소자에 대한 구동 전압의 인가시간을 제어할 수 있다.
본 출원에서, 구동전압의 인가시간은 소자에 공급되는 전하량 제어와 관련된다. 구체적으로, 상기 언급된 바와 같이, 과량의 전하 공급은 소자의 내구성을 저하시킬 수 있으므로, 최적 반응 전하량을 공급하는 것이 필요하다. 전하 공급량과 관련하여, 구동전압을 제어하는 방법을 생각해 볼 수도 있으나, 전기변색이 가능한 물질 별로 최소의 환원 또는 산화 전위가 정해져 있으므로, 구동전압 자체를 제어하여 전하량을 조절하는 방법에는 한계가 있다. 이에 본 발명자들은, 온도에 따라 전기변색층에 공급되는 전하량이 변화하는 것을 확인하고, 변색소자의 내구성을 저하시키지 않으면서 변색반응을 위해 필요한 만큼의 전하를 공급할 수 있도록, 외부 온도에 따라 전압의 인가 시간을 제어할 수 있는 전기변색모듈을 발명하게 되었다.
상기 제어부는 하기 관계식 1을 만족하도록 전압의 인가시간을 제어할 수 있다.
[관계식 1]
Figure pat00001
상기 관계식 1에서, x는 감지된 외부 온도(℃)이고, y는 전압의 인가 시간(sec)을 의미한다. 상기 관계식 1은 하기 실시예서 언급된 모델링을 통해 도출 될 수 있다.
상기 외부 온도 x는 -40℃ 내지 150℃ 범위일 수 있다. 상기 온도 범위를 벗어나는 경우, 소자의 정상적인 구동을 기대할 수 없기 때문에, 상기 관계식 1을 만족할 수 없다.
상기 y는 전기변색소자에서 공급 전압을 인가하는 시간으로서, 착색이 완료된 전기변색소자를 탈색상태로 변경하거나, 탈색이 완료된 전기변색소자를 착색상태로 변경하기 위해 필요한 산화 또는 환원 전위가 인가되는 각각의 시간을 의미할 수 있다.
상기 전기변색모듈은 전기변색소자를 포함할 수 있다. 상기 전기변색소자는 대향하는 2개의 전극층 사이에, 전기변색층, 전해질층 및 이온저장층을 포함할 수 있다.
상기 전기변색층과 이온저장층은 서로 상보적인 변색특성을 갖는 전기변색물질을 포함할 수 있다. 본 출원에서 상보적인 변색특성이란, 전기변색층에 포함되는 전기변색물질이 환원 반응에 의해 변색되는 경우, 이온저장층에 포함되는 전기변색물질은 산화반응에 의해 변색되는 경우를 의미할 수 있다. 반대로, 상기 전기변색층이 산화 반응에 의해 변색되는 전기변색물질을 포함하는 경우, 상기 이온저장층은 환원 반응에 의해 변색되는 전기변색물질을 포함할 수도 있다.
하나의 예시에서, 전기변색층 또는 이온저장층에 사용되는 변색물질로는 환원성 변색물질이 사용될 수 있다. 환원성 변색물질로는 전이금속의 산화물이 사용될 수 있다. 보다 구체적으로, 물질은 Ti, V, Nb, Ta, Mo 및 W의 산화물 중 1 이상의 산화물이 사용될 수 있으나, 환원성 변색물질의 종류가 상기 나열된 산화물로 특별히 제한되는 것은 아니다.
또 하나의 예시에서, 전기변색층 또는 이온저장층에 사용되는 변색물질로는 산화성 변색물질이 사용될 수 있다. 산화성 변색물질로는 프러시안 블루(PB)나, Co, Rh, Ir, Ni, Cr, Mn 및 Fe의 산화물 중 1 이상이 사용될 수 있으나, 산화성 변색물질의 종류가 상기 나열된 물질들로 특별히 제한되는 것은 아니다.
상기 전기변색층 및/또는 이온저장층을 마련하는 방법은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 증착(deposition)이나 코팅과 같은 공지된 방법이 사용될 수 있다. 하나의 예시에서, 스핀코팅(spin coating), 딥코팅(dip coating), 스크린 인쇄, 그라비아 코팅, 졸겔(sol-Gel)법, 또는 슬롯 다이 코팅(slot die coating) 방식을 이용하여 전기변색층 또는 이온저장층이 전극층 상에 마련될 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 제시된 코팅 방식을 통해 전기변색층 또는 이온저장층이 마련될 경우, 상기 전기변색물질은 입자 형태로 전기변색층 또는 이온저장층 내에 존재할 수 있다.
상기 전기변색물질이 입자 형태를 갖는 경우, 상기 입자 형태의 전기변색물질은 예를 들어, 200 nm 이하의 직경을 가질 수 있다. 보다 구체적으로, 입자 형태 전기변색물질의 직경의 상한은 150 nm 이하, 100 nm 이하, 또는 50 nm 이하일 수 있고, 그 하한은 10 nm 이상일 수 있다. 상기 전기변색물질 입자가 구형 입자가 아닌 경우, 상기 직경은, 입자의 어느 한 차원에서 가장 크게 측정되는 길이를 의미할 수 있다.
상기 전해질층은 전기변색층과 이온저장층의 사이에 마련될 수 있다. 상기와 같이 마련된 전해질층을 통해, 전기변색물질의 산화 또는 환원 반응에 필요한 전해질 이온이 전기변색층과 이온저장층 사이를 오갈 수 있고, 상기 전해질 이온이 각 변색물질의 산화 또는 환원 반응에 관여할 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 전기변색층 및/또는 이온저장층의 두께는 예를 들어, 100 nm 내지 500 nm 일 수 있다. 상기 두께 범위를 만족하지 못할 경우, 변색물질의 변색 반응에 필요한 전하가 충분히 삽입되지 못할 수 있고, 또한 상기 두께가 전하의 삽입 및/또는 탈리에 장애물로 작용할 수 있기 때문에, 상기 관계식 1을 만족하기 어려울 수 있다.
상기 전해질층은 액상 전해질, 고분자 전해질 또는 무기 고체전해질을 포함할 수 있다. 상기 전해질을 구성하는 구체적인 성분은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, Li+와 같은 전해질 이온을 제공할 수 있는 물질이 적절히 선택될 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 전기변색모듈은 상기 결정된 인가시간만큼 전기변색소자에 전압을 인가하기 위한 전원 공급부를 포함할 수 있다. 상기 전원 공급부와 전기변색소자를 전기적으로 연결하는 방법은 특별히 제한되지 않는다. 상기 전원 공급부에 의해 소자에 인가되는 구동전압의 크기는, 전기변색층과 이온저장층에 포함되는 전기변색물질에 따라 제어될 수 있다. 상기 언급된 전기변색물질이 사용될 경우, 상기 전원 공급부가 소자에 인가하는 구동전압은 (±) 0.5 V 내지 (±) 3.0 V 범위 일 수 있다.
본 출원에 관한 또 다른 일례에 따르면, 본 출원은 전기변색소자의 구동방법에 관한 것이다. 본 출원의 전기변색소자의 구동방법은 전기변색소자에 대한 구동전압의 인가 시간을 외부 온도에 따라 제어할 수 있고, 앞서 설명된 전기변색모듈을 이용하여 이루어 질 수 있다.
상기 구동방법의 전기변색소자는 대향하는 2개의 전극층 사이에, 전기변색층, 전해질층 및 이온저장층을 포함할 수 있으며, 구체적 구성 및 각 구성의 물성은 상기 언급한 바와 같다.
하나의 예시에서, 전기변색소자의 구동방법은 전기변색소자의 외부 온도를 감지하는 단계를 포함할 수 있다. 외부온도를 감지하는 방법은 특별히 제한되지 않으며, 구체적인 방법이나 외부온도의 범위는 상기 언급한 바와 같다.
상기 전기변색소자의 구동방법은 전압의 인가시간을 결정하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 인가시간을 결정하는 단계는, 상기 감지된 외부 온도에 따라 하기 관계식 1을 만족하도록 전기변색소자에 대한 구동 전압의 인가시간을 제어할 수 있다.
[관계식 1]
Figure pat00002
상기 관계식 1에서 x는 감지된 외부 온도(℃)이고, y는 전압의 인가 시간(sec)을 의미한다. 상기 전압의 인가시간, y의 구체적 의미는 상기 언급한 바와 같다.
상기 전기변색소자의 구동방법은 결정된 인가 시간만큼 전기변색소자에 전압을 인가하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 전기변색소자에 전압을 인가하는 방법은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어 전기변색소자와 공급 전압을 인가하는 전원 공급부를 전기적으로 연결할 수 있고, 전원 공급부의 구체적 내용은 상기 언급한 바와 같다.
본 출원은 전기변색소자 외부의 온도 변화에 따라 상기 전기변색소자에 대한 구동전압의 인가 시간을 조절하여, 과량의 전하가 전기변색층 또는 이온저장층에 공급되는 것을 제한할 수 있다. 그에 따라, 전기변색소자의 내구성을 개선할 수 있다.
도1은 제조예1의 온도에 따른 전하량 변화를 나타내는 그래프이다.
도2는 제조예2의 온도에 따른 전하량 변화를 나타내는 그래프이다.
도3은 전기변색소자의 외부 온도에 따른 공급 전압의 인가시간을 나타내는 그래프이다.
이하, 실시예를 통해 본 출원을 상세히 설명한다. 그러나, 본 출원의 보호범위가 하기 설명되는 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
제조예 1: 전극의 제조(half-cell)
ITO/PET 기재에 WO3입자를 포함하는 코팅 용액을 도포 및 열처리 하여, 300 nm 두께의 전기변색층을 형성하였다. 상기 코팅 용액은 바코팅 방식으로 도포 한 후, 130℃에서 3분간 열처리하였다. 이때 전극의 면적은 20 cm2 (4cm X 5cm)으로 하였다. 상기 제조된 half-cell은 전압 0.7V 및 상온(RT)에서 탈색 상태에서 착색된 경우, 착색 시 광 투과도가 70~80 %까지 변화될 수 있다.
제조예 2: 상대전극의 제조(half-cell)
PB입자를 포함하는 이온저장층을 형성한 것을 제외하고, 제조예 1과 동일하게 전극을 제조하였다. 상기 제조된 half-cell은 전압 0.7V 및 상온(RT)에서 탈색 상태에서 착색된 경우, 착색 시 광 투과도가 70~80 %까지 변화될 수 있다.
최적 반응 전하량의 측정
전기변색 물질의 변색 완료 후에도 계속 전압을 인가하는 경우, 추가적인 반응 및 화학적 열화(degradation)가 발생하여 전기변색소자의 내구성을 떨어뜨리게 되므로, 전기변색물질의 변색이 완료되는 시점에 공급되는 전하량을 최적 반응 전하량으로 볼 수 있다. 이때, 상기 전기변색물질의 변색이 완료되는 시점이란, 하기 제조된 각 half-cell이 탈색 상태에서 착색된 경우, 착색 시 최소 광 투과도의 90%에 도달하는 시점을 의미할 수 있다.
제조예 1 및 제조예 2의 half-cell 각각에 대하여 상온(RT)에서 동일전압(0.7V)을 인가하였을 때, 인가 시간에 따라 변화하는 반응 전하량을 Potentiostat 이용하여 측정하였다. 상기 측정은 소자의 착색 및 탈색을 3회가량 반복하여 소자의 착색 및 탈색 정도가 안정화 된 후 이루어졌으며, 측정된 결과는 표 1과 같다.
[표 1]
Figure pat00003
상기 표 1에서, 외부 온도 및 인가 전압이 동일할 때, 인가시간이 길어질수록 반응 전하량이 증가함을 확인할 수 있다.
제조예 1의 경우, 100초에서 WO3의 변색이 완료되었으므로(67%) 최적 반응 전하량은 20 mC/cm2 수준임을 확인할 수 있다.
제조예 2의 경우, 100초에서 PB의 변색이 완료되었으므로(67%) 최적 반응 전하량은 15 mC/cm2 수준임을 확인할 수 있다.
온도변화에 따른 전하량 측정
외부온도 40℃, 50℃ 및 60℃일 때의 반응 전하량을 측정하여 최적 전하량에 도달하는 시간을 비교하였다. 제조예 1의 결과는 도 1, 제조예 2의 결과는 도 2에서 나타난 바와 같다.
제조예 1의 half-cell에서 최적 반응 전하량인 20mC/cm2 수준에 도달하는 시간을 비교할 때, 고온으로 갈수록 최적 반응 전하량인 20mC/cm2 에 도달하는 시간이 짧아짐을 확인할 수 있다.
제조예 2의 half-cell에서 외부온도 40℃, 50℃ 및 60℃에서 최적 반응 전하량인 15mC/cm2 수준에 도달하는 시간을 비교할 수 있다. 고온으로 갈수록 최적 반응 전하량인 15mC/cm2 에 도달하는 시간이 짧아짐을 확인할 수 있다.
온도변화에 따른 인가시간을 나타내는 그래프 및 관계식1의 도출
공급 전압이 일정한 상태(0.7V)에서 제조예 1의 WO3의 착색-탈색 및 제조예 2의 PB의 착색-탈색을 위해 최적 반응 전하량 공급을 위한 외부 온도에 따른 전압의 인가시간을 감지하고, 그 결과를 도 3에서 나타내었고, 각 그래프의 관계식을 도 4에서 나타내었다(origin 프로그램 사용). 상기 도 3의 그래프 영역에서 PB의 착색에 따른 그래프와 WO3의 탈색에 따른 그래프의 사이에 있는 영역을 최적 반응 전하량을 공급하기 위한 인가시간의 범위로 볼 때 표 2를 통해 관계식 1을 도출할 수 있다.
[관계식 1]
Figure pat00004
상기 관계식 1에서 x는 감지된 외부 온도(℃) 이고, y는 전압의 인가 시간(sec)이다.

Claims (16)

  1. 인가되는 구동 전압에 따라 착색 또는 탈색되도록 마련된 전기변색소자; 전기변색소자의 외부 온도를 감지하는 온도 감지부; 감지된 외부 온도에 따라 하기 관계식 1을 만족하는 전압의 인가시간을 결정하는 제어부; 및 결정된 인가시간만큼 전기변색소자에 전압을 인가하기 위한 전원 공급부를 포함하는 전기변색 모듈:
    [관계식 1]
    Figure pat00005

    상기 관계식 1에서 x는 감지된 외부 온도(℃) 이고, y는 구동 전압의 인가 시간(sec)이며, x는 -40℃ 내지 150℃ 이다.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전기변색소자는 제1 전극, 전기변색물질을 포함하는 전기변색층, 전해질층, 상기 전기변색물질과 발색 특성이 상보적인 전기변색물질을 포함하는 이온저장층 및 제2 전극을 포함하는 전기변색 모듈.
  3. 제2항에 있어서, 상기 전기변색층은 환원성 변색물질 또는 산화성 변색물질을 포함하는 전기변색 모듈.
  4. 제3항에 있어서, 상기 환원성 변색물질은 Ti, V, Nb, Ta, Mo 및 W의 산화물 중 1 이상의 산화물인 전기변색 모듈.
  5. 제3항에 있어서, 상기 산화성 변색물질은 프러시안블루(PB)와 Co, Rh, Ir, Ni, Cr, Mn 및 Fe의 산화물 중 1 이상의 산화물인 전기변색 모듈.
  6. 제2항에 있어서, 상기 전기변색층에 포함되는 전기변색물질은 프러시안블루(PB)이고, 상기 이온저장층에 포함되는 전기변색물질은 WO3인 전기변색 모듈.
  7. 제3항에 있어서, 상기 환원성 변색 물질 및 산화성 변색 물질의 직경은 200nm 이하인 전기변색 모듈.
  8. 제2항에 있어서, 상기 전기변색층 및 이온저장층의 두께는 100 nm 내지 500 nm인 전기변색 모듈.
  9. 전기변색소자의 외부 온도를 감지하는 단계; 감지된 외부 온도에 따라 하기 관계식 1을 만족하는 전압의 인가시간을 결정하는 단계; 및 결정된 인가 시간만큼 전기변색소자에 전압을 인가하는 단계를 포함하는 전기변색소자의 구동방법:
    [관계식 1]
    Figure pat00006

    상기 관계식 1에서 x는 감지된 외부 온도(℃) 이고, y는 구동 전압의 인가 시간(sec)이며, x는 -40℃ 내지 150℃ 이다.
  10. 제8항에 있어서, 전기변색소자는 제1 전극, 전기변색물질을 포함하는 전기변색층, 전해질층, 상기 전기변색물질과 발색 특성이 상보적인 전기변색물질을 포함하는 이온저장층 및 제2 전극을 포함하는 전기변색소자의 구동방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 전기변색층은 환원성 변색물질 또는 산화성 변색물질을 포함하는 전기변색소자의 구동방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 환원성 변색 물질은 Ti, V, Nb, Ta, Mo 및 W의 산화물 중 1 이상의 산화물인 전기변색소자의 구동방법.
  13. 제11항에 있어서, 상기 산화성 변색 물질은 프러시안블루(PB)와 Co, Rh, Ir, Ni, Cr, Mn 및 Fe의 산화물 중 1 이상의 산화물인 전기변색소자의 구동방법.
  14. 제10항에 있어서, 상기 전기변색층에 포함되는 전기변색물질은 프러시안블루(PB)이고, 상기 이온저장층에 포함되는 전기변색물질은 WO3인 전기변색소자의 구동방법.
  15. 제11항에 있어서, 상기 환원성 변색 물질 및 산화성 변색 물질의 직경은 200nm 이하인 전기변색소자의 구동방법.
  16. 제10항에 있어서, 상기 전기변색층 및 이온저장층의 두께는 100 nm 내지 500 nm인 전기변색소자의 구동방법.
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