KR20180125324A - 전기 변색 소자 - Google Patents

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KR20180125324A
KR20180125324A KR1020170060094A KR20170060094A KR20180125324A KR 20180125324 A KR20180125324 A KR 20180125324A KR 1020170060094 A KR1020170060094 A KR 1020170060094A KR 20170060094 A KR20170060094 A KR 20170060094A KR 20180125324 A KR20180125324 A KR 20180125324A
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이인회
손문영
박진경
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엘지이노텍 주식회사
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 기판; 상기 제1 기판 상에 배치되는 제1 투명전극; 상기 제1 투명전극 상에 배치되며 Zn 및 Ni중 적어도 하나와 C 및 N을 포함하는 제1 전기변색층; 상기 제1 전기변색층 상에 배치되는 전해질층; 상기 전해질층 상에 배치되는 제2 전기변색층; 상기 제2 전기변색층 상에 배치되는 제2 투명전극; 및 상기 제2 투명전극 상에 배치되는 제2 기판을 포함하는 전기 변색 소자를 제공한다.

Description

전기 변색 소자{ELECTROCHROMISM ELEMENT AND ELECTROCHROMISM APPARATUS}
본 발명의 일실시예는 전기 변색 소자에 관한 것으로 보다 상세하게는 다양한 표시장치 등에 적용될 수 있는 전기 변색 소자에 관한 것이다.
전기 변색(Electrochromism)이란 전압을 인가하면 전계방향에 의해 가역적으로 색상이 변하는 현상으로서, 이러한 특성을 지닌 전기화학적 산화환원반응에 의해서 재료의 광특성이 가역적으로 변할 수 있는 물질을 전기 변색 물질이라고 한다. 이러한 전기 변색 물질은 외부에서 전기적 신호가 인가되지 않는 경우에는 색을 띠지 않고 있다가 전기적 신호가 인가되면 색을 띠게 되거나, 반대로 외부에서 신호가 인가되지 않는 경우에는 색을 띠고 있다가 전기적 신호가 인가되면 색이 소멸하는 특성을 가진다.
전기 변색 소자는 전기화학적 산화환원반응에 의하여 전기변색물질의 광투과도가 변하는 현상을 이용한 소자로서, 건축용 창유리나 자동차 미러의 광투과도 또는 반사도를 조절하는 용도로 이용되고 있으며, 최근에는 가시광선 영역에서의 색변화뿐만 아니라 적외선 차단효과까지 있다는 것이 알려지면서 에너지 절약형 제품으로의 응용 가능성에 대해서도 큰 관심을 받고 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 다양한 표시장치에 적용될 수 있는전기 변색 소자를 제공하는데 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 기판; 상기 제1 기판 상에 배치되는 제1 투명전극; 상기 제1 투명전극 상에 배치되며 Zn 및 Ni중 적어도 하나와 C 및 N을 포함하는 제1 전기변색층; 상기 제1 전기변색층 상에 배치되는 전해질층; 상기 전해질층 상에 배치되는 제2 전기변색층; 상기 제2 전기변색층 상에 배치되는 제2 투명전극; 및 상기 제2 투명전극 상에 배치되는 제2 기판을 포함하는 전기 변색 소자를 제공한다.
상기 제1전기 변색층은 Ni-PBA(Prussian Blue Analogue) 및Zn-PBA 중 적어도 하나를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 제2전기 변색층은 Co-PBA를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 Co-PBA는 Co, C 및 N을 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 제1전기 변색층은 산화시 노란색을 나타내며, 환원시 투명 무색을 나타내고, 상기 제2전기 변색층은 환원시 자주색을 나타내고, 환원시 투명 무색을 나타낼 수 있다.
상기 제1전기 변색층은 산화시에 있어서, CIE 1931 색도 좌표상에서0.40≤ccx≤0.56, 0.43≤ccy≤0.55의 좌표값을 가지며, 상기 제2전기 변색층은 환원시에 있어서, CIE　1931 색도 좌표상에서 0.25≤ccx≤0.65, 0.05≤ccy≤0.25의 좌표값을 가질 수 있다(여기서, ccx는　CIE　1931 색도 좌표의 x 좌표를 나타내고, ccy는　CIE　1931 색도 좌표의 y 좌표를 나타낸다).
상기 전기 변색 소자는 제1전압에서 적색을 나타내며, 제2전압에서 투명 무색을 나타낼 수 있다.
상기 전기 변색 소자는 상기 제1전압에 있어서, CIE 1931 색도 좌표상에서0.54≤ccx≤0.74, 0.23≤ccy≤0.30의 좌표값을 가질 수 있다(여기서, ccx는　CIE　1931 색도 좌표의 x 좌표를 나타내고, ccy는　CIE　1931 색도 좌표의 y 좌표를 나타낸다).
본 발명인 전기 변색 소자는 선명한 적색을 나타낼 수 있다.
또한, 시인성이 향상된 시각적 이미지를 표현할 수 있다.
또한, 내구성이 강화되어 자연 변색을 예방할 수 있다.
도1은 본 발명의 일실시예에 따른 전기 변색 소자의 단면도이고,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전기 변색 소자의 동작을 나타내기 위한 도면이고,
도3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기 변색 소자의 동작을 나타내기 위한 도면이고,
도4 는 본 발명의 일실시예에 따른 전기 변색 소자의 CIE색도 좌표를 설명하기 위한 도면이고,
도5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기 변색 소자의 단면도이고,
도6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전기 변색 소자의 단면도이고,
도7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전기 변색 소자의 단면도이고,
도8 내지 도9는 금속 배선 전극을 설명하기 위한 도면이고,
도10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전기 변색 소자의 단면도이고,
도11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전기 변색 소자의 단면도이고,
도12는 본 발명의 일실시예에 따른 전기 변색 소자의 제조 공정에 대한 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제2, 제1 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
실시예들의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조들이 기판, 각층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "상/위(on)"에 또는 "하/아래(under)"에 형성된다는 기재는, 직접(directly) 또는 다른 층을 개재하여 형성되는 것을 모두 포함한다. 각 층의 상/위 또는 하/아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다. 또한, 도면에서 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들의 두께나 크기는 설명의 명확성 및 편의를 위하여 변형될 수 있으므로, 실제 크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도1은 본 발명의 일실시예에 따른 전기 변색 소자의 단면도이다.
도1 을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 전기 변색 소자(1)는 제1 기판(11), 제1 기판(11) 상에 배치되는 제1 투명전극(12), 제1 투명전극(12) 상에 배치되며 Zn-PBA 또는 Ni-PBA(Prussian Blue Analogue)를 포함하는 제1 전기변색층(13), 제1 전기변색층(13) 상에 배치되는 전해질층(14), 전해질층(14) 상에 배치되며 Co-PBA를 포함하는 제2 전기변색층(15), 제2 전기변색층(15) 상에 배치되는 제2 투명전극(16) 및 제2 투명전극(16) 상에 배치되는 제2 기판(17)을 포함하여 구성될 수 있다.
제1 기판(11) 및 제2 기판(17) 중 적어도 하나는 광 투과도(T%)가 98%이상이며, 유리, 플라스틱 또는 PET(polyethylene terephthalate) 필름일 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 제1 기판(11) 및 제2 기판(17)의 광 투과도(T%)가 98%이상인 경우를 일예로 들어 설명하기로 한다.
제1 투명전극(12) 및 제2 투명전극(16)은 각각 광의 투과를 방해하지 않으면서 전기가 흐를 수 있는 투명 전도성 재료를 포함할 수 있다. 제1 기판(11) 및 제2 기판(17) 위에 각각 투명 전극이 배치되는 경우, 그 투과도(T%)는 85%이상일 수 있다. 투명 전도성 재료는, 예를 들어 ITO(Indium Tin Oxide), FTO(Fluorine Tin Oxide), IZO(Indiun Zinc Oxide), 구리 산화물(tin oxide), 아연 산화물(zinc oxide), 티타늄 산화물(titanium oxide) 등의 금속 산화물을 포함할 수 있다. 또는, 투명 전도성 재료는, 나노와이어, 감광성 나노와이어 필름, CNT(Carbon Nano Tube), 그래핀(graphene), 전도성 폴리머 또는 이들의 혼합물과 같은 나노 파우더 합성체를 포함할 수도 있다. 여기서, 나노 파우더의 함량 제어를 통해 전기전도도를 확보하면서, 색 및 반사율 제어가 가능하다. 또는, 투명 전도성 재료는 크롬(Cr), 니켈(Ni), 구리(Cu), 알루미늄(Al), 은(Ag), 몰리브덴(Mo), 금(Au), 티타늄(Ti) 및 이들의 합금 중 적어도 하나를 포함할 수도 있다.
투명 전극은 투명 전도성 재료가 기판 상에 코팅되어 형성될 수 있다.
제1전기변색층(13)은 유기물 및 무기물에서 선택된 전도성 고분자 및 비전도성 물질을 포함할 수 있다. 전도성 고분자는 산화/환원이 가능한 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리티오펜(polythiophene)의 단량체로부터 중합된 전도성 고분자 또는 단량체의 유도체일 수 있다.
비전도성 물질은 산화/환원 반응이 가능한 방향족 화합물을 포함할 수 있다. 예를 들어 비올로겐(viologen)을 포함한 비스테르피리딘(bisterpyridine) 유도체, 비페닐(biphenyl)유도체, 티오펜(thiophene) 유도체 등 내부 전자 이동이 가능하며, 산화/환원 상태에 따라 색변화가 가능한 유기물일 수 있다.
또는, 제1 전기변색층(13)은 텅스텐 옥사이드(tungsten oxide), 몰리브데늄 옥사이드(molybdenum oxide), 티타늄 옥사이드(titanium oxide) 및 바나듐 옥사이드(vanadium oxide)로 이루어진 그룹에서 선택된 물질을 포함할 수도 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 이러한 제1 전기변색층(13)은 다층 박막의 형태로 이루어질 수 있다.
제2 전기변색층(15)은 이온 전도성 고분자, 예를 들어 아크릴아미도프로판 설포닉산(acrylamidopropane sulfonic acid) 및 아크릴산(acrylic acid)로 이루어진 그룹에서 선택되는 물질을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것을 아니다. 제2 전기변색층(15)은 이온저장층과 혼용될 수 있다.
여기서, 제1 전기변색층(13) 및 전해질층(14)이 서로 분리되는 구조인 것으로 도시되어 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 전해질층(14) 내에 변색물질이 분산되는 구조일 수도 있다.
본 발명의 일실시예에서 제1전기 변색층(13) 및 제2전기 변색층(15)은 각각 제1 투명전극(12) 및 상기 제2투명전극(16)의 전면에 배치될 수 있다. 제1전기 변색층(13) 및 제2전기 변색층(15)에는 양각 또는 음각 형태의 패턴이 형성되어 있지 않고 투명전극의 전면을 따라 배치될 수 있다.
제1 전기변색층(13)은 Ni-PBA를 포함하여 구성될 수 있으며, Ni, C 및 N을 포함하여 구성될 수 있다.
제1 전기변색층(13)은 Zn-PBA를 포함하여 구성될 수 있으며, Zn, C 및 N을 포함하여 구성될 수 있다.
제2전기변색층(15)의 Co-PBA는 Co, C 및 N을 포함하여 이루어질 수 있다.
프루시안 블루 유사체(PBA, Prussian Blue Analogue)는 배위 고분자로서, 분자 자석, 센서, 리륨이온배터리의 전극 등으로 사용되며 전기변색 특성으로 인하여 많은 분야에 사용되고 있다. 또한, 프루시안 블루 유사체는 하소(calcination)에 의해 전이금속 산화물로 전환하는데 템플레이트로서 중간체 역할을 할 수 있다. 이 전이 금속 산화물은 높은 표면적과 이금속간 거리가 가까워 리튬이온배터리의 음극물질로 사용되고 있다.
제1전기변색층(13)은 프러시안 블루의 기본 구조인 Fe4[Fe(CN)6]3의 하나 또는 두 개의 철 원자 가 니켈 원소로 치환되어 합성될 수 있다. 금속유기골격체의 결정성장속도는 핵 형성 속도에 비해 상대적으로 빠를 수 있으며, 금속유기골격체의 결정성장속도를 조절하기 위해 질산, 염산, 불산 등의 산을 사용할 수 있다. 불산을 사용하는 공정은 테프론 이외의 반응기를 사용하는데 제한이 있고, 불산이 포함된 반응물에서는 금속이온과 불소이온 간의 강한 결 합특성으로 인하여 상대적으로 핵형성 속도가 늦어 결정 크기가 작은 나노입자를 얻을 수 없다. 따라서 불산 이외의 산으로 pH를 산성영역에서 결정성장속도를 조절할 수 있다. 또한, PBA 합성에 사용되는 첨가제로는 입자의 형상과 크기를 조절하기 위하여 PVP, PDDA, CTAB와 같은 분산제 또는 형상 조절제가 사용될 수 있다. 제1전기변색층(13)은 pH, 반응시간, 농도, 반응온도를 변수로 하여 입자의 특성을 제어 할 수 있다. 또한, 제1전기변색층(13)은 온도, 압력, 농도 및 pH 등의 변수에 의해 입자의 형상을 조절할 수 있고, 미세기공의 크기를 제어하여 비표면적을 조절할 수 있다.
제1전기변색층(13)을 합성하기 위한 방법으로는 마이크로파, 초음파, Autoclave 장치 등을 이용하는 수열 합성법이 이용될 수 있다. 이 합성법은 액상법으로 고온·고압의 조건 하에서 물 또는 수용액에서 물질을 합성하는 방법이다. 수열합성법은 전구체를 물 또는 수용액에 고르게 분산시켜 승온·승압하여 결정성을 높이는 방법으로, 금속염 수용액의 온도, 압력, 농도 및 pH 등의 조건들을 제어하여 변수의 조절이 용이하다.
제1전기변색층(13)의 철의 전구체로 황혈염 삼수화물(K4[Fe(CN)6]·3H2O, 99%, DC chemical Co.,Ltd., Korea)이 사용될 수 있으며, 분산제로는 폴리비닐피롤리돈((C6H9　NO)n, K-30)이 사용될 수 있다. pH 조절제로는 염산 (HCl, 35-37%), 용매로 증류수, 수세에는 에탄올이 사용될 수 있다.
본 실시에에서 제1전기변색층(13) 및 제2전기변색층(15)을 합성하기 위하여 먼저 전구체와 분산제인 PVP를 증류수에 용해시킨다. 염산을 이용하여 전구 용액을 산성으로 맞추고 일정시간동안 80℃ 온도조건하에서 2시간 동안 교반시킨다. 반응이 진행됨에 따라 초기용액의 색깔이 파란색으로 변색되므로 반응 여부를 확인 할 수 있다. 반응이 완료되면 안정화시키기 위해 상온에서 24시간 냉각시킨 후, 원심분리 시킨다. 얻어진 고체 생성물은 48시간, 40℃에서 건조시킨 후 500℃의 소성 범위에서 4시간의 열처리 과정을 통해 전기변색층을 제조할 수 있다.
제1전기 변색층(13)은 10-20nm의 입자 크기를 가지는 Ni 나노 파티클 또는 Zn파티클을 포함하여 구성될 수 있다. 제2전기 변색층(15)은 10-20nm의 입자 크기를 가지는 Co 나노 파티클을 포함하여 구성될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전기 변색 소자의 동작을 나타내기 위한 도면이고, 도3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기 변색 소자의 동작을 나타내기 위한 도면이다.
도2 및 도3을 참고하면, 제1전기 변색층(13)은 산화시 노란색을 나타내며, 환원시 투명 무색을 나타낼 수 있다. 제1전기 변색층(13)은 제1전압이 인가되는 경우 산화되어 전자를 잃게 되며, 노란색을 나타낸다.
제2전기변색층(15)은 환원시 자주색을 나타내고, 환원시 투명 무색을 나타낼 수 있다. 제2전기 변색층(15)은 제1전압이 인가되는 경우 환원되어 전자를 얻게 되며, 자주색을 나타낸다.
제1전기변색층(13)은 제2전압이 인가되는 경우 환원되어 전자를 얻게 되며 투명 무색을 나타내고, 제2전기 변색층(15)은 제2전압이 인가되는 경우 산화되어 전자를 잃게 되며 투명 무색을 나타낸다. 따라서, 전기 변색 소자(1)는 제2전압 인가시 투명 무색을 나타낸다.
도4 및 표1은 본 발명의 일실시예에 따른 전기 변색 소자의 CIE색도 좌표를 설명하기 위한 도면이다. 도4 및 표1을 참고하면, 제1전기 변색층은 산화시에 있어서, CIE 1931 색도 좌표상에서0.40≤ccx≤0.56, 0.43≤ccy≤0.55의 좌표값을 가질 수 있다. 제2전기 변색층은 환원시에 있어서, CIE　1931 색도 좌표상에서 0.25≤ccx≤0.65, 0.05≤ccy≤0.25의 좌표값을 가질 수 있다. 여기서, ccx는　CIE　1931 색도 좌표의 x 좌표를 나타내고, ccy는　CIE　1931 색도 좌표의 y 좌표를 나타낸다.
[표 1]
Figure pat00001
전기 변색 소자는 제1전압에서 적색을 나타내며, 제2전압에서 투명 무색을나타낼 수 있다. 전기 변색 소자는 제1전압에서 제1전기 변색층의 노란색과 제2전기 변색층의 자주색이 혼합되어 적색을 나타낼 수 있다. 전기 변색 소자는 제1전압에 있어서, CIE 1931 색도 좌표상에서0.54≤ccx≤0.74, 0.23≤ccy≤0.30의 좌표값을 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에서 제1전압은 +2[V]이고, 제2전압은 -2[V]일 수 있다. 그러나 이에 한정되지는 않으며 PBA로 이루어진 전기 변색층의 산화·환원 반응을 일으킬 수 있는 충분한 전압이 적용될 수 있다.
또한, 제1전기변색층(13)을 Co-PBA를 포함하도록 형성하고, 제2전기변색층(15)을 Zn-PBA 또는 Ni-PBA를 포함하도록 구성할 수 있다. 이 경우 전기 변색 소자(1)는 제1전압에서 투명 무색을 나타내고, 제2전압에서 적색을 나타낼 수 있다.
다시, 도1을 참고하면, 전해질층(14)은 액체, 고체등 다양한 상이 가능하며, 이온성액체(Ionic liquid)가 포함된 이온성액체층으로 대체될 수 있다.
제1전기변색층(13), 제2전기변색층(15) 및 전해질층(14)의 총 두께는 10 내지 500㎛, 바람직하게는 20 내지 300㎛, 또는 50 내지 200㎛일 수 있다. 제1전기변색층(13), 제2전기변색층(15) 및 전해질층(14)의 총 두께가 10㎛ 미만인 경우, 제1 투명전극(12) 및 제2 투명전극(16) 간의 맞닿음으로 인해 합선이 될 가능성이 있고, 제1전기변색층(13), 제2전기변색층(15) 및 전해질층(14)의 총 두께가 500㎛를 초과하는 경우, 전도도가 감소하여 반응 속도가 느릴 수 있다.
제1전기변색층(13)과 제2전기변색층(15)의 두께는 서로 상이할 수 있다. 제1전기변색층과(13)과 제2전기변색층(15)의 두께는 전기 변색 소자(1)를 통하여 구현하고자 하는 적색의 색도에 따라 상이하게 결정될 수 있다. 예를 들어, 연한 적색 계열의 전기 변색 소자 구현시에는 제1전기변색층(13)의 두께를 제2전기변색층(15) 보다 두껍게 형성할 수 있으며, 진한 적색 계열의 전기 변색 소자 구현시에는 제2전기변색층(15)의 두께를 제1전기변색층(13) 보다 두껍게 형성할 수 있다.
한편, 제1 기판(11) 및 제2 기판(17)의 1면 내지 4면에는 접속 리드(미도시)가 연결될 수 있다.
접속 리드는 제 1 기판(11) 및 제 2 기판(17) 위에 배치되는 제 1 투명전극(11), 제 2투명전극(17), 버스 전극(30) 등의 연장부에 연결되어 배치될 수 있다. 접속 리드는 제 1 투명전극(11), 제 2투명전극(17), 버스 전극(30)과 연결되어 전원을 인가할 수 있다.
또한, 전해질층(14)의 측면을 따라 실링부(미도시)가 배치될 수 있다. 실링부가 전해질층(14)의 측면을 둘러싸도록 배치되는 경우, 전해질층(14)은 공기에 노출되지 않으므로, 전해질층(14)에 포함된 전해질의 증발 및 산화로 인한 성능 저하를 방지할 수 있다.
도5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기 변색 소자(2)의 단면도이다.
도5를 참고하면, 제1기판(11) 또는 제2기판(17) 중 적어도 하나의 표면에는 패턴층(20)이 배치될 수 있다. 패턴층(20)에는 광 투과 영역(22) 및 광 차단 영역(21)에 따른 패턴이 형성될 수 있다. 패턴층(20)은 예를들면, 불투명 소재로 형성되고, 광 투과 영역(22)에는 개구부가 형성될 수 있다. 패턴층(20)은 전기변색층에서 생성된 광을 차단할 수 있도록 불투명 소재로 이루어지되, 광 투과 영역(22)을 따라 개구부가 형성됨으로써 전기변색층에서 생성된 광이 광 투과 영역을 따라 외부로 표출될 수 있다. 이 때, 버스 전극(30)의 금속 배선은 광 차단 영역(21) 하부의 적어도 일부에 배치될 수 있다. 버스 전극(30)은 제1 기판(11)과 제1 투명전극(12) 사이, 제1투명전극(12)과 제1 전기변색층(13) 사이, 제1전기변색층(13)과 전해질층(14) 사이, 전해질층(14)과 제2전기변색층(15) 사이, 제2전기변색층(15)과 제2투명전극(16) 사이 및 제2투명전극(16)과 제2기판(17) 사이 중 적어도 하나에 배치될 수 있다. 버스 전극(30)은 광 차단 영역(21)과 동일 수직선상에 배치됨으로써 광 투과 영역(22)을 통하여 외부로 표출되는 광이 차단되지 않도록 한다. 이에 따라, 버스 전극(30)을 통하여 전류 이동 경로를 제공하여 전기 변색 속도를 향상시킴과 동시에 전기 변색 소자(1)의 표시 면적(변색 면적)을 최대화 할 수 있다.
도6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전기 변색 소자(3)의 단면도이다.
도6을 참고하면, 전기변색층(13, 14)과 전해질층(14) 사이에는 버퍼층(41, 42)이 배치될 수 있다. 버퍼층(41, 42)은 제1전기변색층(13)과 전해질층(14) 사이 및 제2전기변색층(15)과 전해질층(15) 사이 중 적어도 하나에 배치될 수 있다. 제1전기변색층(13)과 전해질층(14) 또는 전해질층(14)과 제2전기변색층(15)은 극성이 상이하므로, 결합력이 낮으며, 이에 따라 층 간의 경계면에는 공기층이 존재할 수 있다. 층 간의 경계면에 존재하는 공기층은 전기변색소자(1)의 이온전도도를 낮추는 역할을 하며, 이에 따라 전기변색소자(1)의 중요한 성능 중 하나인 변색속도가 낮아질 수 있는데, 본 발명의 실시예에서는 층 간의 경계면에 버퍼층(41, 42)을 추가하여, 층 간의 결합력을 향상시킬 수 있다. 버퍼층(41, 42)은 각각 전기변색층(13, 15)과 전해질층(14) 간의 경계면에서의 결합력 및 점착력을 높일 수 있다. 버퍼층(41, 42)은 전기변색층(13, 15)에 포함되는 변색물질 및 전해질층(14)에 포함되는 전해질을 포함할 수 있다. 이에 따라, 버퍼층(41, 42)은 각각 전기변색층(13, 15)과 전해질층(14) 간의 극성 차를 줄여 주어, 경계면에서의 에어 갭을 방지하고, 결합력 및 점착력을 높일 수 있다.
도7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전기 변색 소자(4)의 단면도이고, 도8 내지 도9는 금속 배선 전극을 설명하기 위한 도면이다.
도7을 참고하면, 제1투명전극(12) 및 제2 투명전극(16) 중 적어도 하나의 표면을 따라 금속 배선 전극(51, 52)이 추가로 배치될 수 있다. 여기서, 금속 배선 전극(51, 52)은, 예를 들어 구리(Cu), 니켈(Ni) 및 은(Ag) 중 적어도 하나를 포함할 수 있으며, 격자 형상이거나, 평행하는 복수의 배선을 포함하는 형상이거나, 무정형 그물 형상일 수 있다. 금속 배선 전극(51, 52)을 포함하여 구성되는 경우, 전극층의 저항이 낮아지게 되므로, 변색 속도가 빨라지게 되며, 투명 전극(12, 16)의 두께를 박형화할 수 있고, 투명 전극(12, 16)의 리지드한 특성으로 인하여 투명 전극(12, 16)에 크랙이 생기는 문제를 최소화할 수 있다. 금속 배선 전극(51, 52)은 투명 전극(12, 16)보다 전기전도도가 크고 저항이 낮은 금속으로 이루어질 수 있다. 본 실시예에서 금속 배선 전극(51, 52)은 전도 전극, 전도 패턴, 도전 전극, 도전 패턴, 금속 전극, 금속 패턴, 배선 전극 등과 혼용될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 금속 배선 전극(51, 52)은 도 8 및 도 9에서 예시되어 있다.
도 8에서는 평행하는 복수의 가로 전극과 평행하는 복수의 세로 전극이 거의 직각을 이루는 형상으로 배치되는 것을 예로 들고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 평행하는 복수의 가로 전극과 평행하는 복수의 세로 전극 간의 각도(θ)는 45˚ 내지 135˚일 수 있다. 평행하는 복수의 가로 전극과 평행하는 복수의 세로 전극 간의 각도(θ)가 이러한 수치 범위 이내인 경우, 무아레(moire)를 방지할 수 있다. 또는, 복수의 가로 전극 또는 복수의 세로 전극은 서로 평행하지 않을 수도 있으며, 랜덤하게 배치될 수도 있다.
또한, 금속 배선 전극의 형상이 복수의 선, 격자, 무정형의 그물형에 관계 없이, 단위 면적 당 금속 배선 전극은 실제로 0.4 % 내지 10 %의 면적을 차지할 수 있다. 예를 들어, 10ⅹ10cm2 내에서 금속 배선 전극이 실제로 차지하는 면적은 0.4 내지 10cm2 일 수 있고, 10ⅹ10mm2 내에서 금속 배선 전극이 실제로 차지하는 면적은 0.4 내지 10mm2 일 수 있다. 금속 배선 전극이 실제로 차지하는 면적이 0.4 % 미만일 경우에는 버스 배선으로서의 효과가 미비할 수 있다. 또한, 금속 배선 전극이 실제로 차지하는 면적이 10 %를 초과하면 시인성이 저하된다.
도 9에서는 평행하는 복수의 배선을 예로 들고 있다.
평행하는 복수의 배선 중 하나의 배선의 폭(W)은 10㎛ 내지 3000㎛의 범위로 구현이 가능하며, 이때 복수의 선은 서로 50㎛ 내지 100,000 ㎛의 선 간 거리(D1, D2)를 두고 배치될 수 있다. 이때, 복수의 선 간의 거리(D1, D2)은 모두 동일하거나, 서로 다를 수 있으며, 폭(W) 대비 선 간 거리(D)의 비율(D/W)은 5 내지 1000이 될 수 있다.
바람직하게는, 금속 배선 전극의 단면적이 20㎛2 이상이어야 하며, 배선의 선폭 대비 두께(T)의 비(T/W)가 0.02이상일 경우 시인성이 확보 된다. 선 폭이 10㎛ 보다 작은 경우 선저항이 높아지고, 3000㎛보다 큰 경우 시인성이 저하된다.
도10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전기 변색 소자(5)의 단면도이다.
도10을 참고하면, 도7을 참고하면, 제1투명전극(12) 및 제2 투명전극(16) 중 적어도 하나는 금속 배선 전극(60)을 포함하여 구성될 수 있다. 이 때, 금속 배선 전극(60)의 표면에는 패시베이션층(passivation layer)(70)이 배치될 수 있다. 패시베이션층(70)은 금속 배선 전극(60)의 패턴에 대응하도록 금속 배선 전극(60) 상에 배치될 수 있다. 이에 따르면, 금속 배선 전극(60)이 전해질층(14)에 직접 노출되지 않으므로, 금속 배선 전극(60) 내 양이온이 전해질층(14)의 산소와 결합하여 산화되는 문제를 방지할 수 있다. 이에 따라, 전기변색소자의 신뢰성을 높일 수 있다.
이때, 패시베이션층(70)은 감광물질 및 폴리머를 포함할 수 있다. 여기서, 감광물질은 빛과 반응하면 변형되는 PAC(Photo Active Compound)를 포함하며, 폴리머는 노볼락 수지 및 에폭시 수지 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
이에 따르면, 포토리소그래피 공정을 이용하여 패시베이션층(70)을 형성할 수 있으므로, 패시베이션층(70)을 형성하는 공정이 간소화 될 수 있다 또한, 포토리소그래피 공정을 이용하면, 패시베이션층(70)을 금속 배선 전극(60)의 패턴에 대응하도록 형성하는 것이 가능하다. 이에 따라, 금속 배선 전극(60)이 미세한 폭(W), 예를 들어 1 내지 50㎛를 가지더라도, 금속 배선 전극(60)의 폭에 대응하도록 패시베이션층(70)을 형성하는 것이 가능하며, 전기변색소자의 시인성이 개선될 수 있다.
여기서, 패시베이션층(70)의 밀도 및 두께 중 적어도 하나는 제1 투명전극(12)의 밀도 및 두께 중 하나보다 클 수 있다. 이에 따라, 패시베이션층(70)은 외력에 의하여 제1기판(11) 측의 제1 투명전극(12) 및 제2기판(17) 측의 제2투명전극(16)이 서로 접촉하여 쇼트되는 문제를 방지할 수도 있다. 이때, 패시베이션층(70)은 UV 및 열에 의하여 경화되는 소재를 포함할 수 있다. 예를 들어, 패시베이션층(70)은 UV 경화형 감광물질 및 열 경화성 폴리머를 포함할 수 있다. 이에 따라, 패시베이션의 역할을 할 수 있다.
한편, 패시베이션층(70)은 절연 성능을 가질 수 있다.
한편, 제1전기변색층(13)은 제1 투명전극(12) 상에서 금속 배선 전극(60) 및 패시베이션층(70)을 제외한 영역 상에 배치될 수 있다. 예를 들어, 제1전기변색층(13)은 금속 배선 전극(60)의 적어도 일부, 예를 들어 금속 배선 전극(60)의 측면과 접촉하도록 배치될 수 있다. 이에 따라, 전기변색층의 반응 속도를 높일 수 있다.
도11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기 변색 소자(6)의 단면도이다.
도11을 참고하면, 전기 변색 소자는 제1 기판(11), 제1 기판(11) 상에 배치되는 제1 투명전극(12), 제1 투명전극(12) 상에 배치되며 Zn-PBA 또는 Ni-PBA(Prussian Blue Analogue)를 포함하는 제1 전기변색층(13), 제1 전기변색층(13) 상에 배치되는 전해질층(14), 전해질층(14) 상에 배치되며 Co-PBA를 포함하는 제2 전기변색층(15), 제2 전기변색층(15) 상에 배치되는 제2 투명전극(16) 및 제2 투명전극(16) 상에 배치되는 제2 기판(17)을 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시에에서 전기 변색 소자는 수평 단면상에서 표시 영역(A)과 비표시영역(B)으로 구분될 수 있다. 표시 영역(A)은 전기 변색 소자에 의하여 문자, 그림, 숫자 등의 시각적 이미지가 표시되는 영역으로 정의될 수 있다. 이 때, 제1전기변색층(13), 전해질층(14) 및 제2전기변색층(15)은 표시영역(A)상에 배치될 수 있다. 즉, 제1전기변색층(13), 전해질층(14) 및 제2전기변색층(15)은 산화, 환원 반응에 의하여 착색 상태와 투명 상태로 변화함으로써 표시 영역상에서 다양한 시각적 이미지를 표시할 수 있다. 표시 영역(A)과 비표시영역(B)은 사용자의 사용 목적에 따라 다양하게 구분될 수 있다. 또한, 각각의 표시영역의 수평 단면적은 표시하고자 하는 시각적 이미지에 따라 각각 상이할 수 있으며, 이에 따라 하나의 표시영역에 배치되는 제1전기변색층, 전해질층 및 제2전기변색층과 또 다른 표시영역에 배치되는 제1전기변색층, 전해질층 및 제2전기변색층의 단면적은 상호간 상이할 수 있다.
도12은 본 발명의 일실시예에 따른 전기 변색 소자의 제조 공정에 대한 도면이다. 도12(a)를 참고하면, 우선, 제 1 기판(11)을 준비한다. 본 실시예에서는 유리기판이나 플라스틱 기판은 전극에 적용하기 적합한 상태로 준비한다.
도12(b)를 참고하면, 제 1 기판(11) 상에 제 1 투명전극(12)을 코팅하는 단계를 거친다. 본 실시예에서는 전자 사이크로트론 공명 플라즈마 화학 기상 증착법 및 스퍼터링 제막 시스템을 이용하여 불소가 첨가된 주석 산화막 (FTO), 인듐 주석 산화막(ITO), 알루미늄이 도핑된 산화 아연막(AZO)과 같은 투명 도전성 금속 산화막(20)을 코팅할 수 있다.
다음으로, 도12(c)를 참고하면, 제 1 투명전극(12) 표면에 전기변색 물질을 도금하여 제1전기 변색층(13)을 형성하는데, 제 1 투명전극(12) 표면에 전기도금법으로 전기변색 물질을 전착하여 제1전기 변색층(13)을 형성한다. 제1전기변색층(13)은 Ni-CN-Ni을 포함하는 Ni-PBA로 이루어진다.
제1전기변색층(13)은 전기도금법으로 형성될 수 있다. 예컨대 Lithium chloride, Iron chloride, Potassium ferricyanide(III)를 deionized water에 넣은 프루시안블루(Prussian　Blues) 전착 용액을 이용하여 전기도금법으로 형성할 수 있다. 전기도금법은 제 1 투명전극(12)을 작업 전극, 구리선 또는 백금선을 상대전극 및 기준전극으로 사용하여 Potentiostat/Galvanostat 장비를 이용해 일정 전류 법으로 10 ~ 30 μA/cm2　범위 내의 단위 면적당 전류량으로 5 ~ 10 분동안 프루시안블루를 전착하는 벙법으로 시행할 수 있다. 만일, 단위 면적당 전류량이 10 μA/cm2　이하일 경우에는 제1전기변색층(13)을 증착하는데 시간이 너무 오래 걸리는 문제점이 있으며, 단위 면적당 전류량이 30μA/cm2　이상일 경우에는 제1전기변색층(13)에 다수의 미세한 금이 생겨, 전기변색층으로 사용시 문제가 될 수 있다. 제1전기 변색층(13)은 Prussian Blue에 10-20nm의 입자 크기를 가지는 Ni 나노 파티클을 혼합하여 이루어질 수 있다.
도12(d)를 참고하면, 제1전기 변색층이 형성되면 상부에는 전해질층이 배치된다. 전해질층(14)은 액체, 고체등 다양한 상이 가능하며, 이온성액체(Ionic liquid)가 포함된 이온성액체층으로 대체될 수 있다.
도12(e)를 참고하면, 제2전기변색층(15)은 제1전기변색층과 마찬가지로, 우선 제 2 기판(17)을 준비한다. 이때의 제 2 기판(17)은 제 1 기판(11)과 마찬가지로 유리 또는 플라스틱 기판을 사용할 수 있다.
도12(f)를 참고하면, 제 2 기판(17) 상에 제 2 투명전극(16)을 코팅하는 단계는 역시 제 1 투명전극(12)과 동일한 방법으로 형성할 수 있다.
다음으로, 도12(g)를 참고하면, 제 2 투명전극(16) 표면에 전기변색 물질을 도금하여 제2전기 변색층(15)을 형성하는데, 제 1 투명전극(12) 표면에 전기도금법으로 전기변색 물질을 전착하여 제2전기 변색층(15)을 형성한다. 제2전기변색층(15)은 Co-CN-Co을 포함하는 Co-PBA로 이루어진다.
제2전기변색층(15)은 전기도금법으로 형성될 수 있다. 전기도금법은 제 2 투명전극(16)을 작업 전극, 구리선 또는 백금선을 상대전극 및 기준전극으로 사용하여 Potentiostat/Galvanostat 장비를 이용해 일정 전류 법으로 10 ~ 30 μA/cm2　범위 내의 단위 면적당 전류량으로 5 ~ 10 분 동안 프루시안블루를 전착하는 벙법으로 시행할 수 있다. 만일, 단위 면적당 전류량이 10μA/cm2　이하일 경우에는 제2전기변색층(15)을 증착하는데 시간이 너무 오래 걸리는 문제점이 있으며, 단위 면적당 전류량이 30μA/cm2　이상일 경우에는 제2전기변색층(15)에 다수의 미세한 금이 생겨, 전기변색층으로 사용시 문제가 될 수 있다. 제2전기 변색층(15)은 Prussian Blue에 10-20nm의 입자 크기를 가지는 Co 나노 파티클을 혼합하여 이루어질 수 있다.
다음으로, 도12(h)를 참고하면 전해질층(14)상에는 제2전기변색층(15)이 배치된다.
도12에서는 Ni-PBA를 이용하여 제1전기 변색층을 구현하였으나, Zn-PBA를 이용하여 구현될 수 있으며, 구현하기 위한 제조 공정은 도6와 동일하다.
이와 같이 적색 계열의 전기 변색 소자 구현을 위해서는 2종의 색상 혼합 산화 변색 소재(Margent: Co-PBA)와 환원 변색 소재(Yellow: Ni-PBA or Zn-PBA가 짝을 이루어 배치되어야 한다. 예를 들어, NaxWO3의 경우에는 자주색 계열의(Magenta) 색상을 구현할 수 있지만 환원 변색 소재이므로 Ni-PBA 또는 Zn-PBA와 결합하여 사용할 수 없다는 문제가 있다.
또한, 적색 계열의 색상을 낼 수 있는 재료로 Vanadium oxide 계열이 있으나, 산화환원에 따라 Red상태와 green 상태로 변화하므로 해당 구조로 사용할 수 없다.
또한, PBA계열의 소재를 사용하는 경우에도 예를 들어, Cu-PBA의 경우에는 흑색(black)색상을 구현하는데 사용될 수 있으며, 본 발명과 같이 적색 계열을 구현하기 위해서는 Ni-PBA 또는 Zn-PBA를 이용하여야 한다.
본 발명에 따른 전기 변색 소자는 산화 변색 소재(Margent: Co-PBA)와 환원 변색 소재(Yellow: Ni-PBA or Zn-PBA)가 짝을 이루어 배치됨으로써 산화·환원에 따라 착색상태와 투명상태로 변화될 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
11: 제1기판
12: 제1투명전극
13: 제1전기 변색층
14: 전해질층
15: 제2전기 변색층
16: 제2투명전극
17: 제2기판

Claims (8)

  1. 제1 기판;
    상기 제1 기판 상에 배치되는 제1 투명전극;
    상기 제1 투명전극 상에 배치되며 Zn 및 Ni중 적어도 하나와 C 및 N을 포함하는 제1 전기변색층;
    상기 제1 전기변색층 상에 배치되는 전해질층;
    상기 전해질층 상에 배치되는 제2 전기변색층;
    상기 제2 전기변색층 상에 배치되는 제2 투명전극; 및
    상기 제2 투명전극 상에 배치되는 제2 기판을 포함하는 전기 변색 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1전기변색층은 Ni-PBA(Prussian Blue Analogue) 및 Zn-PBA 중 적어도 하나를 포함하는 전기 변색 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2전기변색층은 Co-PBA를 포함하는 전기 변색 소자.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 Co-PBA는 Co, C 및 N을 포함하는 전기 변색 소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1전기 변색층은 산화시 노란색을 나타내며, 환원시 투명 무색을 나타내고,
    상기 제2전기 변색층은 환원시 자주색을 나타내고, 환원시 투명 무색을 나타내는 전기 변색 소자.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1전기 변색층은 산화시에 있어서, CIE 1931 색도 좌표상에서0.40≤ccx≤0.56, 0.43≤ccy≤0.55의 좌표값을 가지며,
    상기 제2전기 변색층은 환원시에 있어서, CIE　1931 색도 좌표상에서 0.25≤ccx≤0.65, 0.05≤ccy≤0.25의 좌표값을 가지는 전기 변색 소자.
    (여기서, ccx는　CIE　1931 색도 좌표의 x 좌표를 나타내고, ccy는　CIE　1931 색도 좌표의 y 좌표를 나타낸다)
  7. 제5항에 있어서,
    상기 전기 변색 소자는 제1전압에서 적색을 나타내며, 제2전압에서 투명 무색을 나타내는 전기 변색 소자.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 전기 변색 소자는 상기 제1전압에 있어서, CIE 1931 색도 좌표상에서0.54≤ccx≤0.74, 0.23≤ccy≤0.30의 좌표값을 가지는 전기 변색 소자.
    (여기서, ccx는　CIE　1931 색도 좌표의 x 좌표를 나타내고, ccy는　CIE　1931 색도 좌표의 y 좌표를 나타낸다)
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