KR20180077992A - 멀티 영상 모드를 구현할 수 있는 투과도 가변 패널 및 이를 포함하는 표시장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전기변색입자와, 전해질과, 반사성 금속 양이온을 포함하는 전기변색층을 가지는 투과도 가변 패널 및 이를 포함하는 표시장치에 관한 것이다. 본 발명의 투과도 가변 패널은 인가되는 전압의 크기에 따라, 빛을 차단하는 차광 모드, 빛을 투과하는 투과 모드, 배경 영상을 표현할 수 있는 반사 모드 등 다양한 영상 모드를 구현할 수 있다. 단순한 반사 모드를 구현한 경우에 표시장치에서 표현하는 영상과 배경 영상이 중첩적으로 표시되는 것과 달리, 본 발명에 따르면 필요에 따라 다양한 영상 모드를 구현할 수 있다. 표시 모드를 전환하여 배경 영상이 표시되는 것을 방지하고, 표시장치에서 표현하는 영상만을 선택적으로 표시하여 시인성을 향상시킬 수 있다.
Description
본 발명은 표시장치용 패널에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 멀티 영상 모드를 용이하게 구현할 수 있는 투과도 가변 패널 및 이를 포함하는 표시장치에 관한 것이다.
정보화 사회가 진전되면서 영상 품질이 우수한 다양한 평판표시장치(flat panel display)에 대한 관심이 높아지고 있다. 평판표시장치 중에서도 액정 표시장치(liquid crystal display, LCD)와 유기발광다이오드(organic light emitting diode, OLED) 표시장치가 널리 활용되고 있다.
액정표시장치는, 액정 분자의 광학적 이방성과 분극 성질을 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 개재된다. 한편, 유기발광다이오드 표시장치는 애노드(anode) 및 캐소드(cathode) 사이에 유기발광층을 구성하여 발광한다. 애노드로부터 주입된 정공과 캐소드로부터 주입된 전자가 유기발광층에서 결합하여 엑시톤(exciton)을 형성하고 엑시톤이 여기 상태에서 기저 상태로 전이되면서 빛을 발하게 된다.
최근에는 액정표시장치나 유기발광다이오드 표시장치를 대신하여 전원의 인가에 따른 입자의 변색이나 입자의 이동에 따라 영상을 표시하는 표시장치가 제안되고 있다. 이러한 표시장치로서 전기영동 방식, 전기변색(electrochromic) 입자를 이용한 방식 등을 채택하여 반사/거울 모드(reflective/mirror mode)를 구현할 수 있는 반사형 표시장치가 알려져 있다.
그런데, 종래의 반사형 표시장치에서 구현하고자 하는 영상에 배경 영상이 중첩적으로 비치게 되어 시인성이 저하된다. 따라서 종래의 반사형 표시장치는 텍스트 위주의 정보 전달을 위주로 하고 있으며, 고화질의 동영상을 제공하기 곤란하다.
이러한 종래의 반사형 표시장치의 문제점과 관련해서, 대한민국공개특허 제2016-003997호는 OLED 기반의 미러 디스플레이 패널 상부에 가변형 리타더를 부착한 미러 디스플레이를 제안하고 있다. 하지만, 상기 공개특허에서 제시한 미러 디스플레이는 외부 광원에 의한 시인성을 개선하기 위한 것으로 표시장치의 시인성이 개선된 것이라고 볼 수 없다. 또한, 차량 내부의 백미러나 사이드 미러에 적용될 수 있고, 일반적인 실내 환경에서의 표시장치로 활용되기에는 부적절하다.
본 발명의 목적은 다양한 멀티 영상 모드를 용이하게 구현할 수 있는 투과도 가변 패널 및 표시장치를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 표시장치에서 제공하는 영상에 대한 시인성을 향상시킬 수 있는 투과도 가변 패널 및 표시장치를 제공하고자 하는 것이다.
전술한 목적을 가지는 본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 2개의 투명 전극 사이에 위치하는 전기변색층이 전기변색입자와, 상기 전기변색입자의 산화-환원 반응을 매개하는 전해질과, 반사성 금속 양이온을 포함하는 투과도 가변 패널을 제공한다.
일례로, 반사성 금속 양이온은 반사성 금속(예를 들어, 은, 알루미늄, 구리 또는 팔라듐)의 염화물, 황산화물, 질산화물 또는 탄산화물인 금속염으로부터 전해질에서 해리될 수 있다.
금속염은 상기 전해질 중에 0.1 내지 5 중량%의 비율로 포함될 수 있다.
하나의 예시적인 실시형태에서, 상기 전기변색입자는 제 1 전압에서 환원되고, 상기 반사성 금속 양이온은 상기 제 1 전압보다 낮은 제 2 전압에서 상기 제 2 투명 전극으로 이동할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 본 발명은 상기 투과도 가변 패널과, 상기 투과도 가변 패널의 일측에 위치하며, 표시부와 투명부를 포함하는 표시패널로 이루어지는 표시장치를 제공한다.
본 발명에 따른 투과도 가변 패널은, 투명한 전극 사이에 위치하는 전기변색층을 포함하고, 전기변색층은 전기변색입자와 전해질은 물론이고, 반사성 금속 양이온을 포함한다.
인가되는 전압에 따라, 투과도 가변 패널은 외광을 차단하는 차광(블랙) 모드, 외광을 투과하는 투과(투명) 모드는 물론이고, 외광을 반사시키는 반사 모드(거울 모드) 등의 멀티 영상 모드를 용이하게 구현할 수 있다.
반사 모드에서, 투과도 가변 패널로 인가되는 전압의 세기를 변경하는 것만으로 투과 모드를 신속하게 구현하여 배경 영상이 표시장치에서 표시되는 것을 방지하여, 표시장치로부터 제공되는 영상만을 표시할 수 있으므로 시인성이 향상된다.
한편, 전기변색 물질로서 신속한 컬러 변이가 가능한 유기물질을 사용하고 코어-쉘 구조를 가지는 전기변색입자를 사용하여 차광 모드와 투과 모드의 변화를 신속하게 구현할 수 있다.
아울러, 본 발명의 투과도 가변 패널은 고체상 전해질을 이용하여 필름화할 수 있으므로, 종래 액상 전해질을 사용하는 투과도 가변 패널에서의 유체 누설의 문제를 방지할 수 있으며, 박형의 투과도 가변 패널을 제조할 수 있다.
뿐만 아니라, 본 발명의 투과도 가변 패널을 포함하는 표시장치의 경우 우수한 투과도, 반사율 및 차광 특성에 기인하여 시인성과 명암 대조비를 개선할 수 있다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시형태에 따라 다양한 영상 모드를 구현할 수 있는 투과도 가변 패널을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2와 도 3은 각각 본 발명의 예시적인 실시형태에 따라 사용될 수 있는 전기변색입자를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따라 차광 모드(블랙 모드)가 구현된 투과도 가변 패널을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따라 투과 모드(투명 모드)가 구현된 투과도 가변 패널을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 예시적인 실시형태에 따라 반사 모드(미러 모드)가 구현된 투과도 가변 패널을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 예시적인 실시형태에 따라 투과도 가변 패널을 포함하는 표시장치를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 8은 본 발명의 예시적인 실시형태에 따라 투명 표시패널을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 9는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 제작된 투과도 가변 패널인 단위 전기변색 소자의 시간 경과에 따른 구동 전압의 세기, 투과율 및 반사율을 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 다른 예시적인 실시예에 따라 제작된 단위 전기변색 소자의 반사 모드를 촬영한 사진이다.
도 2와 도 3은 각각 본 발명의 예시적인 실시형태에 따라 사용될 수 있는 전기변색입자를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따라 차광 모드(블랙 모드)가 구현된 투과도 가변 패널을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따라 투과 모드(투명 모드)가 구현된 투과도 가변 패널을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 예시적인 실시형태에 따라 반사 모드(미러 모드)가 구현된 투과도 가변 패널을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 예시적인 실시형태에 따라 투과도 가변 패널을 포함하는 표시장치를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 8은 본 발명의 예시적인 실시형태에 따라 투명 표시패널을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 9는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 제작된 투과도 가변 패널인 단위 전기변색 소자의 시간 경과에 따른 구동 전압의 세기, 투과율 및 반사율을 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 다른 예시적인 실시예에 따라 제작된 단위 전기변색 소자의 반사 모드를 촬영한 사진이다.
이하, 필요한 경우에 첨부하는 도면을 참조하면서 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 예시적인 실시형태에 따라 다양한 영상 모드를 구현할 수 있는 투과도 가변 패널을 개략적으로 도시한 단면도이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 예시적인 실시 형태에 따른 투과도 가변 패널(100)은, 서로 마주하는 제 1 및 제 2 기판(110, 120)과, 제 1 기판(110) 상에 위치하는 제 1 투명 전극(130)과, 제 2 기판(120) 상에 위치하는 제 2 투명 전극(140)과, 제 1 및 제 2 투명전극(130, 140) 사이에 위치하며, 전기변색 입자(160), 전해질(170) 및 반사성 금속 양이온(180)을 포함하는 전기변색층(150)과, 카운터 전극(190)을 포함한다.
제 1 기판(110)과 제 2 기판(120)은 각각 유리 또는 플라스틱으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제 1 기판(110)과 제 2 기판(120) 각각은 폴리에테르술폰(Polyethersulfone; PES), 폴리아크릴레이트(polyacrylate; PAR), 폴리에테르이미드(polyetherimide; PEI), 폴리페닐렌설파이드(polyphenylene sulfide; PPS), 폴리이미드(polyimide; PI), 폴리카보네이트(polycarbonate; PC), 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethyeleneterepthalate, PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(polyethylenenaphthalate, PEN), 셀룰로오스 트리 아세테이트(cellulose triacetate; TAC) 및/또는 셀룰로오스 아세테이트 프로피오네이트(cellulose acetate propinonate; CAP) 등으로 이루어지는 플라스틱 소재로 이루어질 수 있다.
제 1 투명 전극(130)과 제 2 투명 전극(140) 각각은 투명 도전성 물질로 이루어진다. 예를 들어, 제 1 투명 전극(130)과 제 2 투명 전극(140) 각각은 인듐-주석-산화물(indium-tin-oxide, ITO), 인듐-아연-산화물(indium-zinc-oxide, IZO), 아연산화물(ZnO), 주석산화물(SnO2), 알루미늄-도핑 아연산화물(Al:ZnO, AZO), 안티몬-도핑 주석산화물(SnO2:Sb, ATO)과 같은 투명 도전성 소재로 이루어질 수 있다. 본 발명에 따른 투과도 가변 패널(100)은 투과 모드(투광 모드) 시에 광 투과도가 높아야 하기 때문에 제 1 및 제 2 투명 전극(130, 140)은 투명 도전성 물질로 형성하는 것이 바람직할 수 있다. 이와 달리, 제 1 및 제 2 투명 전극(130, 140)을 알루미늄, 구리, 팔라듐 및 이들의 혼합물과 같은 저-저항 금속 물질로 형성하는 경우 빛이 투과될 수 있도록 얇은 두께를 가질 수 있다.
필요한 경우에, 제 1 및 제 2 투명 전극(130, 140)은 알루미늄, 구리, 팔라듐 및 이들의 혼합물과 같은 저-저항 금속에 ITO, IZO, ZnO, SnO2, AZO, ATO와 같은 투명 도전성 물질을 증착한 것을 사용할 수도 있다. 이때, 저-저항 금속은 메쉬 형태를 가질 수 있다. 메쉬 형태의 저-저항 금속에 투명 도전성 물질이 증착된 투명 전극을 사용하는 경우에, 전기변색입자(160)의 응답 속도가 크게 향상되므로, 전원의 인가에 따라 신속한 컬러 변이를 구현할 수 있다.
전기변색층(150)은 제 1 및 제 2 기판(110, 120) 사이, 즉, 제 1 및 제 2 투명 전극(130, 140) 사이에 위치하며, 전기변색입자(160), 전해질(170) 및 반사성 금속 양이온(180)을 포함한다. 뒤에서 살펴보는 바와 같이, 전기변색입자(160)는 코어-쉘(core-shell) 구조를 가질 수 있다. 일례로, 코어-쉘 구조를 가지는 전기변색 입자(160)는 투명한 전해질 유체에 분산하여 사용하거나 투명한 고체 전해질 또는 고분자/겔 전해질과 혼합하여, 코팅 또는 필름 형태로 형성될 수 있다.
본 발명에 따라 코어-쉘 구조를 가지는 전기변색입자(160)에 대해서 설명한다. 도 2는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따라 단일 코어로 구성되는 코어-쉘 구조의 전기변색 입자(160A)를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 예시적인 실시형태에 따른 전기변색입자(160A)는 코어(162)와, 코어(162)를 감싸는 쉘(164)을 포함한다.
코어(162)는 가시광선에 대하여 우수한 투과도를 보이는 도전성 금속 산화물, 비표면적이 우수한 비-도전성 금속 산화물 및 이들의 혼합물로 이루어질 수 있다. 도전성 금속 산화물은 예를 들어 30 내지 200 nm의 평균 직경을 갖는 금속 산화물의 나노 입자일 수 있다. 도전성 금속 산화물은 ITO, IZO, AZO, ATO, 불소- 도핑 주석-산화물(fluorine-doped tin-oxide; FTO), 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택될 수 있다. 한편, 비-도전성 금속 산화물은 예를 들어 비표면적이 100 ㎡/g 이상이며 평균 직경이 10 내지 100 nm인 금속 산화물의 나노 입자일 수 있다. 비-도전성 금속 산화물은 티타니아(TiO2), 실리카(SiO2), 산화아연(ZnO), 지르코니아(ZrO2) 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택될 수 있다.
코어(162)는 전술한 물질로 한정되는 것은 아니며, 그 외에도 가시광선에 대하여 높은 투과율을 가지며 전기 전도성이 우수한 다른 유기물질, 무기물질 또는 유-무기 혼합물질 및/또는 비표면적이 비교적 넓은 비전도성 유기물질, 무기물질 또는 유-무기 혼합물질도 적용될 수 있다.
한편, 쉘(164)은 전기 인가에 따라 변색될 수 있는 물질로 이루어질 수 있다. 하나의 예시적인 실시형태에서, 쉘(164)은 산화-환원 반응에 의하여 변색이 가능한 환원 변색 물질이다. 일례로, 쉘(164)은 산화텅스텐(WO3), 산화몰리브데늄(MoO3), 산화니오비움(Nb205), 티타니아(TiO2), 산화탄탈륨(Ta2O5), 산화니켈(NiO2), 산화니켈텅스텐(NixW1 - xOy), 산화이리듐(IrO3), 산화크롬(CrO3), 산화망간(MnO2), 산화철(Fe02), 산화코발트(CoO2), 산화로듐(RhO2) 및/또는 산화바나듐(V2O5)과 같은 금속 산화물로 이루어질 수 있다.
다른 선택적인 실시형태에서, 쉘(164)은 유기물인 전기변색 물질로 이루어질 수 있다. 일례로, 쉘(164)은 폴리아닐린 또는 폴리티오펜과 같은 전도성 고분자로 이루어질 수 있다.
선택적으로, 쉘(164)은 바이피리디늄염이 연결된 비올로겐 구조를 가지는 유기물인 전기변색 물질로 이루어질 수 있다. 비올로겐 구조를 가지는 유기 전기변색 물질로서 1-에틸-1'-(2-포스포노에틸)-4,4'-바이피리디늄 디클로라이드 (1-ethyl-1'-(2-phosphonoethyl)-4,4'-bipyridinum dichloride)를 들 수 있다. 선택적으로, 비올로겐 구조를 가지는 유기 전기변색 물질은 하기 화학식 1 또는 하기 화학식 2로 표시될 수 있다.
화학식 1
화학식 2
(화학식 1과 2에서, X는 할로겐 음이온, PF6 -, BF4 -, BH4 -, ClO4 -, CF3SO3 - 또는 (CF3SO2)2N-임; 화학식 1에서 R1은 수소 원자, C1~C30 알킬기, C2~C30 알케닐기, C2~C30 알키닐기, C1~C30 알콕시기, C4~C30 사이클로알킬기, C4~C30 헤테로 사이클로알킬기, C5~C30 아릴기, C5~C30 헤테로아릴기, C5~C30 아랄킬기, C5~C30 헤테로아랄킬기, C5~C30 아릴옥시기 및 C5~C30 헤테로아릴옥시기로 구성되는 군에서 선택됨; R2 및 R3은 각각 독립적으로 직접 또는 C1~C20 알킬기를 통하여 연결된 카르복실산(-COOH), 술폰산(-SO3H2), 보론산(B(OH)2), 포스폰산(PO3H2) 및 포스핀산(PO2H2)으로 구성되는 군에서 선택됨; R4는 할로겐으로 치환된 C1~C10 알킬기 또는 할로겐으로 치환된 C1~C10 알콕시기임)
화학식 1과 2로 표시되는 화합물을 포함하여 비올로겐 구조를 가지는 전기변색 물질을 쉘(164)로 사용하는 경우, 전계가 인가되지 않은 경우에 광 투과도가 향상되며, 낮은 전압에서도 쉘(164)이 블랙으로 변색되어 차광 효율을 향상시킬 수 있다.
전기변색입자(160A)가 구형의 코어-쉘 구조를 가지는 경우에, 판상 형태에 비하여 비표면적이 증가할 수 있다. 따라서 전계 인가에 대한 반응 속도가 향상될 수 있으며, 낮은 구동 전압에서도 변색 반응이 일어날 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 예시적인 실시형태에 따라 2개의 코어로 구성되는 코어-쉘 구조의 전기변색 입자를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 다른 예시적인 실시형태에 다른 전기변색입자(160B)는 제 1 코어(162a) 및 제 2 코어(162b)로 구성되는 코어(162)와, 코어(162)를 감싸는 쉘(164)을 포함한다.
예를 들어, 제 1 코어(162a)는 가시광선에 대하여 우수한 투과도를 보이며 전자 이동도가 양호한 도전성 금속 산화물이다. 제 1 코어(162a)는 예를 들어 평균 직경이 30 내지 200 nm인 도전성 금속 산화물의 나노 입자일 수 있다. 제 1 코어(112)로 사용될 수 있는 도전성 금속 산화물은 ITO, IZO, ATO, FTO, AZO 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택될 수 있다. 제 1 코어(162a)는 전술한 물질로 한정되는 것은 아니며, 그 외에도 가시광선에 대하여 높은 투과율을 가지며 전기 전도성이 우수한 다른 유기물질, 무기물질 또는 유-무기 혼합물질을 더욱 포함할 수도 있다.
제 2 코어(162b)는 제 1 코어(162a)를 에워싸며 비표면적이 상대적으로 크며, 가시광선에 대한 투과율이 높은 비-도전성 금속 산화물이다. 제 2 코어(162b)는 예를 들어 비표면적이 100 ㎡/g 이상이며 평균 직경이 10 내지 100 nm인 비-도전성 금속 산화물의 나노 입자일 수 있다. 제 2 코어(162b)로 사용될 수 있는 비-도전성 금속 산화물은 TiO2, SiO2, ZnO, ZrO2 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택될 수 있다. 제 2 코어(162b)는 전술한 물질로 한정되는 것은 아니며 비표면적이 비교적 넓은 비전도성 유기물질, 무기물질 또는 유-무기 혼합물질을 포함할 수 있다.
전기변색입자(160B)를 구성하는 코어(162)를 도전성의 제 1 코어(162a)와 비-도전성의 비표면적이 넓은 제 2 코어(162b)의 2중 코어로 구성하는 경우에 투광도 및 차광도가 향상되고 저-소비 전력의 이점을 갖는다. 일례로, 제 1 코어(162a)가 전자 이동 특성이 우수한 ITO로 이루어지는 경우, 온(ON) 상태에서 쉘(164)로의 전자 이동도가 증가하여, 쉘(164)에서의 변색이 용이해진다.
또한, 제 2 코어(162b) 가시광선에 대하여 높은 투과율을 갖는 TiO2 등으로 이루어지기 때문에, 오프(OFF) 상태에서 높은 투과도를 갖는다. 뿐만 아니라, 제 2 코어(162b)를 구성하는 비-도전성 금속 산화물은 비표면적이 크기 때문에, 제 2 코어(162b)는 쉘(164)과 결합 상태를 이루어 쌍안정성을 향상시킨다. 이에 따라 전기변색입자(160B)의 구동을 위한 소비전력을 또한 낮출 수 있다. 즉, 높은 쌍안정성으로 인하여 전압의 인가가 중단된 상태에서도 차광 상태를 일정 시간 유지할 수 있기 때문에, 소비전력에서도 장점을 갖게 된다. 한편, 쉘(164)은 산화텅스텐 등의 금속 산화물이거나, 폴리아닐린 등의 전도성 고분자이거나, 화학식 1 또는 화학식 2로 표시하는 화합물을 포함하는 비올로겐 구조를 갖는 유기물일 수 있다.
또한, 전기변색층(150)에는 전기변색입자(160) 이외에도 전해질(170)이 포함되어 있다. 예를 들어, 전해질(170)은 고체상 전해질로 구성될 수 있다. 액상의 전해질을 채택하는 경우에 유체 형태의 전해질 액이 누설될 우려가 있다. 예를 들어, 전해질(170)은 용해된 리튬 염을 포함하는 겔-타입 또는 고분자계 전해질이 사용된다. 바람직하게는 전해질(170)의 매질은 열 경화 또는 광 경화가 가능하며, 전기전도성은 비교적 낮고 이온전도성은 우수한 고체상 전해질(solid state electrolyte, SSE)로 이루어질 수 있다.
예시적인 실시형태에서, 겔-타입 전해질을 구성할 수 있는 겔-형성 고분자 또는 고분자계 전해질을 구성할 수 있는 고분자는 폴리(비닐리덴 플루오라이드-co-헥사플루오로프로필렌)(poly(vinylidenefluoride-co-hexafluropro propylene); PVDF-HFP), 폴리아크릴로니트릴(PAN), 폴리(메틸메타크릴레이트)(PMMA), 폴리아크릴산, 개질되지 않거나 개질된 폴리아크릴레이트 또는 폴리우레탄아크릴레이트, 폴리(2-아크릴아미도-2-메틸-1-프로판술폰산)(poly(2-acrylamido-2-methyl-1-propanesulfonic acid, Poly-AMPS), 개질되지 않거나 개질된 폴리에틸렌옥사이드(PEO) 또는 폴리에틸렌글리콜(PEG) 및/또는 폴리비닐클로라이드 등을 사용할 수 있다.
겔-타입 전해질 또는 고분자계 전해질은 0.1 내지 1 mol/ℓ의 농도의 리튬 염을 함유할 수 있다. 전해질에 포함될 수 있는 리튬 염은 예를 들어 리튬비스(트리플루오로메틸)술포닐)아마이드(lithium bis((trifluoromethyl)sulfonyl)amide, LfTf2N), 리튬 트리플루오로메탄술포네이트(lithium trifluoromethanesulfonate, LiTfO, LiCF3SO3), 리튬비스(트리플루오로메탄)술폰이미드(lithium bis(trifluoromethane)sulfonamide, LiTFSI) 또는 리튬 퍼클로레이트(LiClO4)를 포함하지만, 본 발명이 이에 한정되지 않는다.
한편, 전기변색층(150)은 반사성 금속 양이온(180)을 포함할 수 있다. 반사성 금속 양이온(180)은, 반사성 금속인 은(Ag), 알루미늄(Al), 구리(Cu) 또는 팔라듐(Pd) 등의 반사성 금속을 함유하는 금속염이 전해질(170)에서 해리되어 생성될 수 있다. 반사성 금속 양이온(180)을 생성할 수 있는 금속염은 특별히 한정되지는 않지만, 반사성 금속의 염화물(chloride), 황산염(sulfate), 질산염(nitrate) 또는 탄산염(carbonate)일 수 있다.
하나의 예시적인 실시형태에서, 반사성 금속 양이온(180)으로 해리될 수 있는 금속염은 질산은(AgNO3), 염화은(AgCl), 황산은(Ag2SO4), 탄산은(Ag2CO3) 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 어느 하나인 은염(silver salt)일 수 잇지만, 본 발명이 이에 한정되지 않는다.
후술하는 바와 같이, 투과도 가변 패널(100)로 인가되는 전압의 세기에 따라, 반사성 금속염이 해리되어 생성되는 반사성 금속 양이온(180)이 투과도 가변 패널(100)을 상하 이동하면서 다양한 모드를 구현할 수 있다.
이때, 반사성 금속 양이온(180)으로 해리될 수 있는 금속염은 전해질(170) 중에 0.1 내지 5 중량%, 바람직하게는 0.5 내지 3 중량%의 비율로 첨가될 수 있다. 전해질(170) 중에 금속염의 함량이 0.1 중량% 미만인 경우, 해리되는 반사성 금속 양이온(180)의 양이 적어서, 반사성 금속 양이온(180)의 이동에 따른 다양한 표시 모드를 구현하기 어렵다. 또한, 금속염의 함량이 5 중량%를 초과하는 경우, 전해질(170)에서 다른 성분의 함량이 감소하기 때문에, 전해질(170)에서의 산화-환원 반응에 따라 전기변색입자(160)의 컬러 변이가 원활하게 수행되지 않을 수도 있다. 또한, 반사성 금속 양이온(180)이 응집(aggregation)되어, 전해질(170) 내에서 이동하지 못하게 되면서 다양한 표시 모드를 구현하지 못할 우려가 있다.
예를 들어, 전기변색입자(160), 전해질(170) 및 반사성 금속 양이온(180)을 포함하는 전기변색층(150)은 제 1 투명 전극(130) 또는 제 2 투명 전극(140) 상에 20 내지 200 ㎛의 두께로 형성된다. 전기변색층(150)의 두께가 20 ㎛ 미만인 경우, 투과도 가변 패널(100)의 소자 구동 특성이 저하될 수 있다. 또한, 전기변색층(150)의 두께가 200 ㎛을 초과하는 경우, 소자의 응답 속도가 느려질 수 있으며, 인접 화소로의 번짐이 발생할 수 있다.
한편, 제 2 투명 전극(140)과 전기변색층(150) 사이에 카운터 전극(counter electrode, 190)이 위치한다. 카운터 전극(190)은 전기변색층(150)에서의 전계에 의한 산화-환원 반응을 촉진하여 전해질(170)에 존재하는 이온의 이동을 원활하게 하여 전기변색입자(160)를 환원시킨다. 카운터 전극(190)은 이온 전도도는 높지만 전기 전도도는 낮은 물질, 예를 들어 전자 수용성 물질을 사용할 수 있다.
예를 들어, 카운터 전극(190)은 산화세륨(CeO2), TiO2, 산화텅스텐(WO3), 산화니켈(NiO), 산화몰리브덴(MoO3), 산화바나듐(V2O5) 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 금속 산화물로 이루어질 수 있다. 이때, 이들 금속 산화물의 분산 용액을 제 2 투명 전극(140) 상에 도포한 다음, 건조, 소결(sintering)하는 방법으로 카운터 전극(180)을 형성할 수 있다. 선택적으로, 카운터 전극(190)은 이들 금속 산화물의 증기상으로부터의 증착, 예를 들어 화학기상증착(chemical vapor deposition, CVD) 또는 물리기상증착(physical vapor deposition, PVD) 등의 방법으로 제 2 투명 전극(140) 상에 적층될 수 있다.
다른 선택적인 실시형태에서, 카운터 전극(190)은 하이드로퀴논, 메틸하이드로퀴논, 메톡시하이드로퀴논, 아세틸하이드로퀴논, 디메틸하이드로퀴논, 트리메틸하이드로퀴논, 에틸하이드로퀴논, 부틸하이드로퀴논, t-부틸하이드로퀴논과 같은 하이드로퀴논계 화합물; 메탈로센, 메틸메탈로센, 디메틸메탈로센, 아세틸메탈로센, 에틸메탈로센, 비닐메탈로센, 디페닐메탈로센, 톡시-메틸메탈로센, 부틸메탈센, t-부틸메탈로센, 클로로메틸메탈로센과 같은 메탈로센계 화합물 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
다른 선택적인 실시형태에서, 카운터 전극(190)은 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜) (Poly(3,4-ethylenedioxythiophene), PEDOT), 페로센(ferrocene)계 고분자와 같은 메탈로센계(metallocene) 고분자나 유도체, 디페닐아민, 트리페닐아민, 페노티아진(phenothiazine)계 고분자 및/또는 페녹사진(phenoxazine)계 고분자로 구성되는 군에서 선택되는 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 카운터 전극(190)은 대한민국공개특허 제10-2016-0055352호에 기재되어 있는 메탈로센 모이어티와, 트리아릴아민을 함유하는 아크릴계 공중합체로 이루어질 수도 있다. 다른 선택적인 실시형태에서, 카운터 전극(190)은 하기 화학식 3 내지 화학식 4로 표시되는 반복단위를 가지는 메탈로센계 고분자이거나, 화학식 5로 표시되는 반복단위를 가지는 메탈로센계 고분자(예를 들어 비닐페로센 고분자)로 이루어질 수 있다.
화학식 3
화학식 4
화학식 5
(화학식 3 내지 화학식 5에서, M은 전이금속, 일례로 티타늄(Ti), 바나듐(V), 크롬(Cr), 망간(Mn), 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 루테늄(Ru), 오스뮴(Os) 및 팔라듐(Pd)으로 구성되는 군에서 선택되고, 화학식 3에서 R5는 C1~C10 직쇄 또는 측쇄 알킬기임)
하나의 예시적인 실시형태에서, 카운터 전극(190)은 200 내지 800 nm의 두께로 이루어진다. 카운터 전극(190)의 두께가 200 nm 미만이면 전기변색층(150)의 구동 특성이 저하될 수 있고, 카운터 전극(190)의 두께가 800 nm를 초과하면 저항의 증가로 인하여 전기변색층(150)에서의 응답 속도가 저하될 수 있다.
전술한 구성을 가지는 투과도 가변 패널(100)은 전압의 인가에 따라 다양한 표시 모드를 구현할 수 있다. 이하에서, 제 2 투명 전극(140)을 중심으로 전압의 세기를 설명하지만, 이는 설명의 편의를 위한 것일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 일례로, 도 4는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따라 차광 모드(블랙 모드)가 구현된 투과도 가변 패널을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 4에 도시한 바와 같이, 차광 모드를 구현하기 위하여, 투과도 가변 패널(100)에 제 1 전압이 인가된다. 일례로, 제 2 투명 전극(140)에 양(+)의 전압이 인가되고, 제 1 투명 전극(130)에 음(-)의 전압이 인가된다. 전자가 제 1 투명 전극(130)에 공급되면서, 제 1 투명 전극(130)에 근접하게 위치하는 전기변색입자(160)에 전자가 공급되는 환원 반응이 일어나고, 전기변색입자(160)는 투명 상태에서 소정의 컬러로 변색된다.
예를 들어, 제 1 전압은 제 2 투명 전극(140)을 기준으로 +1.0 내지 +3.0V일 수 있다. 제 1 전압의 세기가 +1.0V 미만인 경우에 전기변색입자(160)에서의 환원 변색이 충분하지 않아 효율적인 차광 모드가 구현되지 않을 수 있다. 반면, 제 1 전압의 세기가 +3.0V를 초과하는 경우, 전기변색 물질이 2차 환원되면서 전기변색 특성이 저하될 우려가 있다.
반사성 금속 양이온(180)은 투과도 가변 패널(100)을 구성하는 제 1 및 제 2 투명 전극(130, 140) 사이에 인가되는 전압에 의해 생성되는 전기장을 따라 반대 극성을 띠는 전극 쪽으로 이동할 수 있다. 차광 모드를 구현할 때, 반사 물질로 기능할 수 있는 반사성 금속 양이온(180)은 (-) 전압이 인가되어, 반대 하전 입자인 전자가 풍부하게 존재하는 제 1 투명 전극(130)쪽의 전기변색입자(160) 근처까지 이동한다. 전기변색입자(160)는 대략 수십 내지 수백 nm의 크기를 가지는 반면, 이온 상태인 반사성 금속 양이온(180)은 수 옹스트롬(Å) 정도의 크기에 불과하다. 또한, 반사성 금속 양이온(180)은 이온 상태이기 때문에, 전기변색입자(160) 표면에 흡착되거나 결합을 이루지 않는다.
따라서 전기변색입자(160) 부근으로 이동한 반사성 금속 양이온(180)은 전기변색입자(160) 사이의 공극을 통하여, 반대 극성을 가지는 전극, 즉, 전자가 풍부하게 존재하는 제 1 투명 전극(130)의 계면 쪽으로 이동한다. 반사성 금속 양이온(180)이 전기변색입자(160)의 공극 사이로 침투하여, 제 1 투명 전극(130) 상부에 위치하고 있기 때문에, 투과도 가변 패널(100)의 외부에서 입사되는 외광은 반사성 금속 양이온(180)으로 도달하지 못한다. 외광은 블랙 등으로 변색된 전기변색입자(160)에 의하여 차단되어 차광 모드를 구현할 수 있다.
이때, 전기변색입자(160)의 환원 변색을 야기하는 제 1 전압의 크기는 환원 변색 물질의 종류, 카운터 전극(190)의 산화 전압, 전해질(170)의 이온 전달 능력, 제 1 투명 전극(130)의 저항과 관련이 있다. 즉, 카운터 전극(190)의 산화 전압이 낮을수록, 전해질(170)의 이온 전달 능력이 좋을수록, 제 1 투명 전극(130)의 저항이 낮을수록 소자(device) 자체의 구동 전압이 낮아지기 때문에, 전기변색입자(160)의 환원 변색에 요구되는 제 1 전압의 크기는 달라질 수 있다.
일례로, 전기변색 물질로서 금속 산화물을 사용하는 경우, 환원 변색을 위한 제 1 전압의 세기는 1.1 내지 3V이다. 전기변색 물질로서 폴리아닐린과 같은 고분자를 사용하는 경우, 환원 변색을 위한 제 1 전압의 세기는 1 내지 1.5V이다. 반면, 전기변색 물질로서 비올로겐 구조를 가지는 물질을 사용하는 경우, 환원 변색을 위한 제 1 전압의 세기는 1.1 내지 1.3V일 수 있다. 하지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 도 5는 본 발명의 예시적인 실시형태에 따라 투과 모드(투명 모드)가 구현된 투과도 가변 패널을 개략적으로 도시한 단면도이다. 투과도 가변 패널(100)에 전압이 인가되지 않은 OFF 상태에서, 전기변색입자(160)에서의 환원 변색은 일어나지 않아 전기변색입자(160)는 산화되어 초기의 투명한 컬러로 변환된다. 반사성 금속 양이온(180)은 전기변색층(160), 구체적으로 전해질(170)에 균일하게 분산된다. 투과도 가변 패널(100)로 입사된 외광은 전해질(170)과 전기변색입자(160)를 통과하여 투과 모드를 구현할 수 있다.
도면에서는 설명의 편의를 위하여, 제 1 투명 전극(130)과 제 2 투명 전극(140)에 전압이 인가되지 않은 상태로 도시하였다. 하지만, 투과 모드를 구현하기 위해서 소정의 전압이 인가될 수 있다. 예를 들어, 제 1 투명 전극(130)과 제 2 투명 전극(140) 사이에 전기변색입자(160)의 환원 변색을 위한 제 1 전압보다 낮고, 후술하는 반사성 금속 양이온(180)이 제 2 투명 전극(140)쪽으로 이동하는데 요구되는 제 2 전압(도 6 참조)보다 높은 전압이 인가되는 경우에도 투과 모드가 구현될 수 있다. 일례로, 투과도 가변 패널(100)의 투과 모드를 구현할 때 제 1 투명 전극(130)과 제 2 투명 전극(140)에 인가되는 전압은 -0.5 내지 +0.5V, 바람직하게는 -0.2 내지 +0.2V, 더욱 바람직하게는 -0.2 내지 0V일 수 있다.
또한, 도 6은 본 발명의 예시적인 실시형태에 따라 반사 모드(미러 모드)가 구현된 투과도 가변 패널을 개략적으로 도시한 단면도이다. 도 4에 도시한 차광 모드와 반대 전위를 가지는 제 2 전압이 투과도 가변 패널(100)을 구성하는 제 1 투명 전극(130)과 제 2 투명 전극(140)에 인가된다. 구체적으로, 제 1 투명 전극(130)에 양(+)의 전압이 인가되고, 제 2 투명 전극(140)에 음(-)의 전압이 인가된다. 따라서 전자는 제 2 투명 전극(140)쪽으로 이동한다.
환원 변색이 일어나지 않기 때문에, 전기변색입자(160)는 투명한 상태를 갖는다. 한편, 반사성 금속 양이온(180)은 반대 극성, 즉 음(-)으로 하전된 상부의 제 2 투명 전극(140)쪽으로 이동하여, 제 2 투명 전극(140)을 따라 배열되면서 일종의 '반사 전극' 또는 '반사판'을 형성한다. 이에 따라, 투과도 가변 패널(100)로 입사된 외광은 상부의 제 2 투명 전극(140)쪽에 배열된 반사성 금속 양이온(180)에서 반사되고, 반사 모드가 구현될 수 있다.
제 2 투명 전극(140)을 기준으로 제 2 전압은 -1.0 내지 -1.3V일 수 있다. 제 2 전압이 -1.0V를 초과하는 경우(예를 들어 -0.5V인 경우), 반사성 금속 양이온(180)이 제 2 투명 전극(140) 쪽으로 충분히 이동하지 않아 반사 모드가 효율적으로 구현되지 않을 수 있다. 반면, 제 2 전압이 -1.3V 미만인 경우(예를 들어 -2.0V인 경우), 제 2 투명 전극(140)쪽으로 이동한 반사성 금속 양이온(180) 사이의 강한 상호작용에 의하여 반사성 금속 양이온(180)이 응집(aggregation)된다. 이에 따라, 전압의 변환에 따라 차광 모드, 투과 모드, 반사 모드로 이루어지는 구동 사이클이 반복됨에 따라, 멀티 표시 모드의 전환이 어려워지거나, 모드 변환에 따른 응답 속도가 저하될 우려가 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 투과도 가변 패널(100)은 인가되는 전압에 따라 컬러 변이가 가능한 전기변색입자(160)와, 전해질(170) 내에서 하부의 제 1 투명 전극(130) 및 상부의 제 2 투명 전극(140)으로 이동하는 반사성 금속 양이온(180)을 포함하고 있다. 이에 따라 인가되는 전압을 조정하여, 차광 모드(블랙 모드), 투과 모드(투명 모드) 및 반사 모드(미러 모드)를 용이하게 구현할 수 있다. 종래의 반사형 표시장치는 표시장치에서 나타내고자 하는 영상과 배경 영상이 중첩적으로 비치면서 시인성이 저하되는 문제가 있다.
하지만, 본 발명에 따른 투과도 가변 패널(100)은 다양한 표시 모드가 가능하기 때문에, 투명 표시장치는 물론이고 반사형 표시장치를 구현할 수 있다. 예를 들어, 표시장치에서 표현하고자 하는 영상을 구동할 때, 반사 모드에 의하여 배경 영상이 비침으로 인한 시인성 저하가 문제될 경우, 인가되는 전압의 크기를 조절하여 차광 모드 또는 투명 모드로 전환하여 배경 영상이 표시장치에 비치는 것을 방지하여, 표시장치에서 표현하고자 하는 영상에 대한 시인성을 향상시킬 수 있다.
계속해서, 본 발명에 따라 멀티 표시 모드를 구현할 수 있는 투과도 가변 패널이 적용된 표시장치에 대해서 설명한다. 도 7은 본 발명에 따라 투과도 가변 패널을 포함하는 표시장치를 개략적으로 도시한 단면도이고, 도 8은 표시장치를 구성하는 표시패널에 대한 개략적인 단면도이다.
도 7에 도시한 바와 같이, 표시장치(200)는 투명 표시패널(300)과, 투명 표시패널(300)의 일측에 위치하는 투과도 가변 패널(100)을 포함한다. 투명 표시패널(300)은 다수의 화소를 포함하고, 각각의 화소는 표시부(312)와, 구동부(314) 및 투명부(316)를 포함한다. 일례로, 투명부(316)는 전체 표시패널(300) 면적 중에 40 내지 60%를 차지할 수 있지만, 본 발명이 이에 한정되지 않는다. 표시부(312)는 구동부(314)를 통해 공급되는 전압 또는 신호에 의해 구동되어 영상을 표시한다. 투명 표시패널(300)은 액정패널 또는 발광다이오드 패널일 수 있다.
투명 표시패널(300)이 발광다이오드 패널인 경우에 대하여 간략히 설명한다. 도 7에 도시한 표시패널의 개략적인 단면도인 도 8을 참조하면, 투명 표시패널(300)은, 서로 마주하는 제 3 기판(401) 및 제 4 기판(402)을 포함하고, 제 3 및 제 4 기판(401, 402) 사이에는 표시소자로서 발광다이오드(D)가 위치한다.
제 3 기판(401)과 제 4 기판(402) 각각은 유리 또는 플라스틱으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제 3 기판(401)과 제 4 기판(402) 각각은 PES, PAR, PEI, PPS, PI, PC, PET, PEN, TAC 및/또는 CAP 등으로 이루어지는 플라스틱 소재로 이루어질 수 있다.
제 3 기판(401) 상에는 서로 교차하여 화소영역(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 화소영역(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 구동 박막트랜지스터(DTr)와 유사한 구조를 가질 수 있다.
반도체층(410)은, 채널영역(CR)과 채널영역(CR) 양측에 위치하는 소스 영역 및 드레인 영역(SR, DR)을 포함한다. 이와 같은 반도체층(410)은 다결정 실리콘 또는 산화물 반도체로 이루어질 수 있다. 한편, 반도체층(410)과 제 3 기판(401) 사이에는 산화실리콘(SiO2) 또는 질화실리콘(SiNx)으로 이루어질 수 있는 버퍼층(미도시)이 형성될 수 있다.
반도체층(410) 상에는, 게이트 절연막(415)이 형성된다. 게이트 절연막(415)은 산화실리콘(SiO2) 또는 질화실리콘(SiNx)과 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 저-저항 금속 물질로 이루어질 수 있다.
게이트 전극(420) 상에는, 층간 절연막(425)이 형성된다. 게이트 절연막(415)과 층간 절연막(425)에는, 반도체층(410)의 소스 영역(SR)과 드레인 영역(DR) 각각을 노출하는 반도체층 컨택홀(435)이 형성될 수 있다. 층간 절연막(425)은 산화실리콘(SiO2) 또는 질화실리콘(SiNx)과 같은 무기절연물질로 이루어질 수 있다.
층간 절연막(425) 상에는, 소스 전극 및 드레인 전극(431, 433)이 형성된다. 소스 전극 및 드레인 전극(431, 433)은, 각각 대응되는 반도체층 컨택홀(435)을 통해, 반도체층(410)의 소스 영역 및 드레인 영역(SR, DR)과 각각 접촉하게 된다. 소스 및 드레인 전극(431, 433)은 게이트 전극(420)과 동일한 소재로 이루어질 수 있다.
소스 전극 및 드레인 전극(431, 433) 상에는, 보호층(440)이 형성될 수 있다. 보호층(440)은 산화실리콘(SiO2) 또는 질화실리콘(SiNx)과 같은 무기절연물질 또는 포토아크릴과 같은 유기절연물질로 이루어질 수 있다. 보호층(440)에는 드레인 전극(433)을 노출하는 드레인 컨택홀(441)이 형성된다.
도 8에서는 결정질 실리콘으로 이루어진 반도체층(410)을 사용한 구동 박막트랜지스터(DTr)가 형성된 경우를 일예로서 설명하였다. 다른 실시형태에서, 비정질실리콘(amorphous silicon)을 반도체층으로 사용한 역 스태거드(inverted staggered) 구조의 구동 박막트랜지스터가 사용될 수도 있다. 또 다른 예로서, 산화물 반도체를 사용한 산화물 트랜지스터가 사용될 수도 있다. 또한, 도시하지 않았으나, 각 화소영역(P)에는 스토리지 캐패시터가 형성된다.
발광다이오드(D)는 보호층(440) 상에 위치하며 드레인 컨택홀(441)을 통해 구동 박막트랜지스터(DTr)와 전기적으로 연결된다. 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 2 전극(451, 453)은 투명 도전성 물질로 형성될 수 있는데, 예를 들면, ITO, IZO, GZO, IGZO와 같이 산화물 계열의 투명 도전성 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 컨택홀(441)을 통해 구동 박막트랜지스터(DTr)의 드레인 전극(433)과 연결되며 화소영역(P) 단위로 패터닝 된다. 제 2 전극(453)은 표시패널(300)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, 유기발광층(453)은 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)은 인캡슐레이션 기판으로, 구동 박막트랜지스터(DTr)와 발광다이오드(D)를 덮는다. 제 4 기판(402)과 발광다이오드(D) 사이에 수분 등의 침투를 방지하기 위한 배리어층(480)이 형성될 수 있다.
도 8에서, 구동 박막트랜지스터(DTr) 등의 구동 소자가 형성된 영역이 구동부(도 7의 314)에 대응되고, 발광다이오드(D)가 형성된 영역이 표시부(도 7의 312)에 대응된다. 한편, 투명부(도 7의 316)에는 구동 소자와 표시 소자가 형성되지 않고 빛이 투과된다. 또한, 표시부(312)와 구동부(314)는 서로 중첩된 영역일 수 있다.
다시 도 7을 참조하면, 투과도 가변 패널(100)은, 서로 마주하는 제 1 및 제 2 기판(110, 120)과, 제 1 기판(110) 상에 위치하는 제 1 투명 전극(130)과, 제 2 기판(120) 상에 위치하는 제 2 투명 전극(140)과, 제 1 및 제 2 기판(110, 120) 사이에 위치하며 전기변색 입자(160), 전해질(170) 및 반사성 금속 양이온(180)을 포함하는 전기변색층(150)과, 전기변색층(150)과 제 2 투명 전극(140) 사이에 위치하며 전기변색층(150)에서의 산화-환원 반응을 원활히 하기 위한 카운터 전극(190)을 포함한다.
제 1 기판(110)과 제 2 기판(120)은 각각 유리 또는 플라스틱으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제 1 기판(110)과 제 2 기판(120) 각각은 PES, PAR, PEI, PPS, PI, PC, PET, PEN, TAC 및/또는 CAP 등으로 이루어지는 플라스틱 소재로 이루어질 수 있다.
도 7과 도 8에서 투과도 가변 패널(100)의 제 1 기판(110)과 표시패널(300)의 제 4 기판(402)이 동일한 구성인 것으로 도시되고 있으나, 서로 다른 기판이 이용되고 이들이 부착되어 투과도 가변 패널(100)과 표시패널(300)이 적층될 수 있다. 제 1 투명 전극(130)과 제 2 투명 전극(140) 각각은 투명 도전성 물질로 이루어진다.
전기변색층(150)은 제 1 및 제 2 투명 전극(130, 140) 사이에 위치하고 전기변색입자(160), 전해질(170) 및 반사성 금속 양이온(180)을 포함한다. 전기변색입자(160)는 코어-쉘 구조를 가질 수 있다. 일례로, 전기변색입자(160)는 환원 반응에 의하여 블랙 등으로 변색되는 전기변색 물질을 포함한다. 전기변색층(150)을 구성할 수 있는 전해질(170)은 용해된 리튬 염을 포함하는 겔-타입 또는 고분자계 전해질이 사용된다. 바람직하게는 전해질(170)을 구성하는 매질은 열 경화 또는 광 경화가 가능하며, 전기전도성은 비교적 낮고 이온전도성은 우수한 고체상 전해질(solid state electrolyte, SSE)로 이루어질 수 있다.
반사성 금속 양이온(180)은, 은(Ag), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 팔라듐(Pd)과 같은 반사성 금속의 염화물, 황산염, 질산염, 탄산염과 같은 금속염이 해리되면서 생성될 수 있다. 반사성 금속 양이온(180)은 투과도 가변 패널(100)에 인가되는 전압의 세기에 따라 제 1 및 제 2 투명 전극(130, 140)쪽으로 이동한다. 투과도 가변 패널(100)에 인가되는 전압의 세기에 따른 전기변색입자(160)의 컬러 변색 및 반사성 금속 양이온(180)의 이동에 의하여, 투과도 가편 패널(100)은 차광 모드(블랙 모드), 투과 모드(투명 모드), 반사 모드(미러 모드) 등 다양한 표시 모드를 구현할 수 있다.
한편, 카운터 전극(190)은 금속 산화물, 전도성 고분자 및/또는 메탈로센계 단분자 또는 고분자 등과 같은 전자 수용성 물질로 이루어질 수 있다.
이와 같은 구성의 투과도 가변 패널(100)은 전압의 인가에 의해 다양한 표시 모드를 구현한다. 일례로, 제 1 투명 전극(130)에 음(-)의 전압이 인가되고, 제 2 투명 전극(140)에 양(+)의 전압이 인가되는 경우(제 1 전압이 인가되는 경우)에 전기변색입자(160)의 컬러 변이와, 반사성 금속 양이온(180)의 제 1 투명 전극(130)으로의 이동에 의한 차광 모드를 구현할 수 있다(도 4 참조). 또한, 제 1 및 제 2 투명 전극(130, 140)에 전압이 인가되지 않는 경우에는 전기변색입자(160)가 산화되고, 반사성 금속 양이온(180)이 전해질(170) 내에 균일하게 분산되면서 투과 모드가 구현된다(도 5 참조). 반면, 제 1 투명 전극(130)에 양(+)의 전압이 인가되고, 제 2 투명 전극(140)에 음(-)의 전압이 인가되는 경우(제 2 전압이 인가되는 경우)에, 반사성 금속 양이온(180)이 제 2 투명 전극(140)쪽으로 이동하여 반사 전극으로 기능하면서 반사 모드를 구현한다(도 6 참조).
예를 들어, 제 1 및 제 2 투명 전극(130, 140)에 전압이 인가되지 않으면, 투과도 가변 패널(100)은 투광 모드가 되고, 투명부(316)에서의 빛이 투과된다. 반면, 제 1 및 제 2 투명 전극(130, 140)에 제 1 전압이 인가되면, 전기변색입자(160)의 쉘(164, 도 2 및 도 3 참조)이 블랙으로 변하기 때문에, 투과도 가변 패널(100)은 차광 모드가 되어 빛을 차단한다. 따라서, 투과도 가변 패널(100)을 포함하는 표시장치(200)는 소위 투명 표시장치로 이용된다. 반대로, 제 1 및 제 2 투명 전극(130, 140)에 제 2 전압이 인가되면 반사성 금속 양이온(180)이 반사 전극으로 기능하여 빛을 반사시킨다. 이에 따라, 투과도 가변 패널(100)을 포함하는 표시장치(200)는 소위 반사형 표시장치로 이용될 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 표시장치(200)를 구성하는 투과도 가변 패널(100)은 인가되는 전압의 세기에 따라 다양한 표시 모드를 원활하게 구현할 수 있다. 인가되는 전압을 조정하여, 투과 모드-차광 모드-반사 모드 등 멀티 표시 모드로 신속하게 전환될 수 있다. 반사 모드 구현시에 표시장치에서 표시하고자 하는 영상에 대한 시인성이 문제가 될 경우, 인가 전압을 조정하여 차광 모드 등으로 전환함으로써, 배경 영상이 표시장치에 중첩적으로 표시되는 것을 방지하여, 표시장치에서 표시하고자 하는 영상에 대한 시인성이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
이하, 예시적인 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하지만, 본 발명이 하기 실시예에 기재된 기술사상으로 한정되지 않는다.
실시예 1: 투과도 가변 패널로서의 단위 전기변색 소자 제작
2인치 크기의 단일 소자의 구성은 다음과 같다. 전기 변색층은 Vlachopoulos group이 연구한 Vio2+/TiO2(viologen modified high-surface area TiO2 electrodes; 전기변색 물질은 1-ethyl-1'-(2-phosphonoethyl)-4,4'-bipyridinium dichloride 사용)를 사용하였으며, 스핀-코팅으로 4~6 ㎛ 두께로 형성하였다. 카운터 전극으로 SnO2를 사용하여 두께 300~800 nm로 적층한 뒤, 300℃에서 열 소성하여 높은 변색 효율(colorant efficiency)이 구현되도록 하였다 (Electrochimica Acta vol. 53, p. 4065, 2008). 전해질 구성은 다음과 같다. PEG[Mw. 200, 400, H(OCH2-CH2)nOH, Aldrich] 10 g에 hexamethylene diisocyanate(HMDI) 20g 을 교반시켜 1시간 동안 60~70℃에서 반응시켰다.
이 후에 caprolactone-modified hydroxyethyl acrylate(FA2D)[Mw. 344 CH2CHCOOCH2CH2O(CO-(CH2)5O)2H, Daicel Chemical Indus-tries) 20 g을 0.5시간 동안 60~70℃에서 반응시킨 뒤에, 80~90℃에서 3시간 동안 교반시켰다. 위의 반응으로 polyureathane acraylate를 합성한 후, 1M LiCF3SO3/Acetonitrile(ACN) 용액과 Irgacure 184을 각각 120 g, 0.2 g을 넣고 상온에서 2시간 교반하였다. 상기 전해질은 광경화로 polymerization을 시켜 gel polymer 전해질로 사용가능하며, 전해질 내부에 반사 물질로 AgNO3를 첨가하기 위하여 30 wt% AgNO3/Acetonitrile 용액 3.7 g(전체 전해질 중에 AgNO3 함량 0.5 wt%)을 넣고 2시간 상온에서 교반하여 전해질을 제조하였다.
전극 필름은 면저항 25 Ω/sq, 투과율 84%의 ITO/PET를 사용하였으며, cell gap은 약 500 ㎛로 설정하여 투과도 가변 패널로서의 단위 전기변색 소자를 제작하였다.
실시예 2: 투과도 가변 패널로서의 단위 전기변색 소자 제작
전해질 중에 해리되지 않은 AgNO3의 함량이 0.9 wt%가 되도록 30 wt% AgNO3/Acetonitrile 용액 7.4 g을 사용한 것을 제외하고 실시예 1의 절차를 반복하여 단위 전기변색 소자를 제작하였다.
실시예 3: 투과도 가변 패널로서의 단위 전기변색 소자 제작
전해질 중에 해리되지 않은 AgNO3의 함량이 1.8 wt%가 되도록 30 wt% AgNO3/Acetonitrile 용액 14.8 g을 사용한 것을 제외하고 실시예 1의 절차를 반복하여 단위 전기변색 소자를 제작하였다.
실시예 4: 투과도 가변 패널로서의 단위 전기변색 소자 제작
전해질 중에 해리되지 않은 AgNO3의 함량이 2.6 wt%가 되도록 30 wt% AgNO3/Acetonitrile 용액 22.2 g을 사용한 것을 제외하고 실시예 1의 절차를 반복하여 단위 전기변색 소자를 제작하였다.
비교예: 투과도 가변 패널로서의 단위 전기변색 소자 제작
전해질 중에 반사성 금속 염이 포함되지 않은 전기변색 소자를 제작하였다. 전기변색층을 구성하는 전기변색 입자와 카운터 전극, 전극 및 기판은 실시예 1과 동일하게 사용하였으며, 전해질 구성은 다음과 같다.
전해질은 Methoxy poly(ethylene glycol) 1000 monomethacrylate (MPEGM), poly(ethyleneglycol)dimethylether(PEGDMe), Triallyl-1,3,5-triazine-2,4,6-(1H,3H,5H)-trione (TATT), Irgacure 784로 구성하여 광경화 고분자 Gel polymer matrix를 사용했으며, 염은 Lithium trifluoromethanesulfate (LiCF3SO3)를 사용하여 열 안전성 및 구동 안정성을 확보하였다(Journal of Nanoscience and Nanotechnology Vol. 10, p. 263, 2010).
실험예 1: 초기 광 특성 평가
실시예 1 내지 4와, 비교예에서 각각 제작된 단위 전기변색 소자의 초기 광 특성을 평가하였다. 투과율을 측정하기 위하여 detector로 입사되는 빛의 휘도를 측정하는 장비인 CA-210(Minolta사)을 사용하였으며, 투과율을 측정하기 위하여 뒷면에 백라이트를 위치시킨 후 각각의 단위 소자에 투과되는 빛과 단위 소자가 없을 때 투과되는 빛(참고용)의 휘도로 투과율을 계산하였다. Zive SP2(WonA Tech사)를 사용하여 인가된 정전압을 일정시간 균일하게 출력하여 단위 소자에 연결한 후 투과율을 위해 사용한 CA-210로 응답 시간을 측정하였다. 반사율은 CM5(Konical Minolta사)를 사용하여 측정하였다.
상기와 같이 구성된 구동 보드에 각각의 전기변색 소자를 연결한 후, 전압 인가 조건을 sequency로 작성하여 반복 구동 후 특정 시간에서 차광/투과/반사 상태의 광 특성을 평가하였다. 차광 모드를 구현하기 위하여 1.5V의 전압을 11초 동안 인가하였고, 투명 모드를 구현하기 위하여 -0.2V의 전압을 17초 동안 인가하였으며, 반사 모드를 구현하기 위하여 -1.1V의 전압을 11초 동안 인가하였다.
본 실험예에 따른 측정 결과를 하기 표 1에 나타낸다. 한편, 도 9는 실시예 2에서 제작된 단위 전기변색 소자에 대한 시간 경과에 따른 구동 전압의 세기, 투과율 및 반사율을 측정한 결과를 나타내는 그래프이다. 반사성 금속 이온의 소스로 제공된 AgNO3가 포함되어 초기 반사율 7.8%에서 대략 80% 가량의 반사율이 얻어졌으며(도 9 참조), AgNO3의 함량이 증가할수록 반사율이 향상된 것을 알 수 있다. 반면, 비교예에서 제작된 전기변색 소자는 반사율이 낮아서 반사 모드에 적용할 수 없다는 것을 확인하였다.
[표 1]
실험예 2: 100회 구동 후 광 특성 평가
실시예 1 내지 4에서 각각 제조된 단위 전기변색 소자에 대하여 차광 모드(+1.5V, 11초), 투과 모드(-0.2V, 17초), 반사 모드(-1.1V, 11초)로 이루어진 구동 모드의 변환 사이클을 100회 반복한 후에, 실험예 1의 절차를 반복하여 광 특성을 평가하였다. 평가 결과를 하기 표 2에 나타낸다. 반사성 금속 이온의 소스로 제공된 AgNO3가 포함된 전기변색 소자는 100회 구동 후에도 비교적 양호한 투과율과 반사율을 유지하였으며, 특히 AgNO3의 함량이 0.5 wt%나 0.9 wt%인 경우에 반사율의 변화가 거의 없이 유지되는 것을 확인하였다.
[표 2]
실시예 5: 투과도 가변 패널로서의 단위 전기변색 소자 제작
단위 전기변색 소자의 크기를 1 ㎠(1 x 1 ㎝)로 한 것을 제외하고 실시예 2의 절차를 반복하여 단위 전기변색 소자를 제작하였다.
실시예 6: 투과도 가변 패널로서의 단위 전기변색 소자 제작
단위 전기변색 소자의 크기를 9 ㎠(3 x 3 ㎝)로 한 것을 제외하고 실시예 2의 절차를 반복하여 단위 전기변색 소자를 제작하였다.
실시예 7: 투과도 가변 패널로서의 단위 전기변색 소자 제작
단위 전기변색 소자의 크기를 25 ㎠(5 x 5 ㎝)로 한 것을 제외하고 실시예 2의 절차를 반복하여 단위 전기변색 소자를 제작하였다.
실험예 3: 전기변색 소자의 광 특성 평가
실시예 5 내지 6에서 각각 제조된 단위 전기변색 소자에 대하여 실험예 1의 절차를 반복하여 광 특성을 평가하였다. 평가 결과를 하기 표 3에 나타낸다. 단위 소자를 구성하는 전극의 크기가 증가할수록 반사율이 감소하기는 하였으나, 여전히 양호한 투과율과 반사율을 보여주었다. 도 10은 실시예 6에서 제작된 단위 전기변색 소자의 반사 보드를 촬영한 사진이다. 단위 소자의 면적이 작아지면서 전극의 전체 면적 대비 edge 부분이 차지하는 면적이 커지게 되고, 전극 edge에 전기장 크기가 증가하면서 상부 전극 면에 Ag+ 농도가 밀집하게 되어 반사율이 증가하는 것으로 추론되었다.
[표 3]
상기에서는 본 발명의 예시적인 실시형태 및 실시예에 기초하여 본 발명을 설명하였으나, 본 발명이 상기 실시형태 및 실시예에 기재된 기술사상으로 한정되지 않는다. 오히려 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 전술한 실시형태 및 실시예에 기초하여 다양한 변형과 변경을 용이하게 추고할 수 있을 것이다. 하지만, 이러한 변형과 변경은 모두 본 발명의 권리범위에 속한다는 사실은, 첨부하는 청구범위에서 분명하다.
100: 투과도 가변 패널 110: 제 1 기판
120: 제 2 기판 130: 제 1 투명 전극
140: 제 2 투명 전극 150: 전기변색층
160, 160A, 160B: 전기변색 입자
162, 162a, 162b: 코어 164: 쉘
170: 전해질 180: 금속 양이온
190: 카운터 전극
200: 표시장치 300: 표시패널
120: 제 2 기판 130: 제 1 투명 전극
140: 제 2 투명 전극 150: 전기변색층
160, 160A, 160B: 전기변색 입자
162, 162a, 162b: 코어 164: 쉘
170: 전해질 180: 금속 양이온
190: 카운터 전극
200: 표시장치 300: 표시패널
Claims (11)
- 서로 마주하는 제 1 및 제 2 기판;
상기 제 1 기판 상에 위치하는 제 1 투명 전극;
상기 제 2 기판 상에 위치하는 제 2 투명 전극; 및
상기 제 1 투명 전극과 상기 제 2 투명 전극 사이에 위치하는 전기변색층을 포함하고,
상기 전기변색층은 전기변색입자와, 상기 전기변색입자의 산화-환원 반응을 매개하는 전해질과, 반사성 금속 양이온을 포함하는 투과도 가변 패널.
- 제 1항에 있어서,
상기 반사성 금속 양이온은, 은(Ag), 알루미늄(Al), 구리(Cu) 또는 팔라듐(Pd)인 반사성 금속의 양이온을 포함하는 투과도 가변 패널.
- 제 2항에 있어서,
상기 반사성 금속 양이온으로 해리되는 금속염은 질산은(AgNO3), 염화은(AgCl), 황산은(Ag2SO4), 탄산은(Ag2CO3) 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 어느 하나의 화합물인 투과도 가변 패널.
- 제 2항에 있어서,
상기 반사성 금속 양이온으로 해리되는 금속염은 상기 전해질 중에 0.1 내지 5 중량%의 비율로 포함되는 투과도 가변 패널.
- 제 1항에 있어서,
상기 전기변색입자는 환원 반응에 의하여 착색되는 투과도 가변 패널.
- 제 1항에 있어서,
상기 전기변색입자는 제 1 전압에서 환원되고, 상기 반사성 금속 양이온은 상기 제 2 투명 전극을 기준으로 상기 제 1 전압보다 낮은 제 2 전압에서 상기 제 2 투명 전극으로 이동하는 투과도 가변 패널.
- 제 6항에 있어서,
상기 제 2 투명 전극을 기준으로 상기 제 1 전압은 +1.0 내지 +3 V이고, 상기 제 2 전압은 -1.0 내지 -1.3V인 투과도 가변 패널.
- 제 1항에 있어서,
상기 전기변색입자는 코어(core)와 쉘(shell)로 이루어지는 투과도 가변 패널.
- 제 8항에 있어서,
상기 쉘은 비올로겐계 화합물로 이루어지는 투과도 가변 패널.
- 제 1항에 있어서,
상기 제 2 투명 전극과 상기 전기변색층 사이에 위치하며, 상기 전기변색층에서의 산화-환원 반응을 촉진하는 카운터 전극을 더욱 포함하는 투과도 가변 패널.
- 제 1항 내지 제 10항 중 어느 하나의 항에 기재된 투과도 가변 패널; 및
상기 투과도 가변 패널의 일측에 위치하며, 표시부와 투명부를 포함하는 표시패널
을 포함하는 표시장치.
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| KR1020160182917A KR102666775B1 (ko) | 2016-12-29 | 2016-12-29 | 멀티 영상 모드를 구현할 수 있는 투과도 가변 패널 및 이를 포함하는 표시장치 |
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