KR20190010817A - 가역 전기화학 거울 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 가역 전기화학 거울을 제공한다. 이 가역 전기화학 거울은 서로 대향되는 제 1 기판과 제 2 기판; 상기 제 1 기판 상에 배치되며 상기 제 2 기판에 대향되는 제 1 투명전극; 상기 제 2 기판 상에 배치되며 상기 제 1 투명전극과 대향되는 제 2 투명전극; 상기 제 1 투명전극과 상기 제 2 투명전극 사이에 개재되는 전해질 용액; 및 상기 제 2 투명전극 상에 배치되며 상기 전해질 용액과 접하는 대향 전극 물질층을 포함한다.

Description

가역 전기화학 거울{Reversible electrochemical mirror}
본 발명은 가역 전기화학 거울에 관한 것이다.
가역 전착 (Reversible Electro-deposition) 기술을 이용한 가역 전기화학 거울은 전기화학적인 방법으로 은(Ag) 또는 비스무스(Bi) 등의 금속을 투명 전극에 가역적으로 전착(electro-deposition)하거나 제거하는 방법을 통해 거울과 투명으로 가역적인 전이가 가능한 소자이다. 가역 전착 기술을 기반으로 하는 가역 거울은 거울/투명 전환이라는 고유한 특징 때문에 스마트 윈도우 또는 전자 제품의 디자인 소자 등으로 다양한 활용 가능성이 기대되고 있다.
가역 전착 기술 기반의 가역 전기화학 거울은 일반적으로 두 개의 전극을 구비한 기판 사이에 전해질이 위치하는 형태로 구성된다. 전극에 전압의 인가 여부에 따라 전해질 안에 용해된 금속 이온이 전극의 표면 상에 전착(electrodeposition)되거나 전착된 금속이 재용해(re-dissolution)되어 거울이 되거나 투명해질 수 있다.
종래의 가역 전기화학 거울에서는 거울 상태를 유지하기 위하여 지속적으로 전압을 인가해야 해서 전력 소모가 많고 대면적화가 어려운 문제점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 저전력에서 운용이 가능하며 우수한 성능을 가지는 가역 전기화학 거울의 제조 방법을 제공하는데 있다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명에 실시예들에 따른 가역 전기화학 거울은, 서로 대향되는 제 1 기판과 제 2 기판; 상기 제 1 기판 상에 배치되며 상기 제 2 기판에 대향되는 제 1 투명전극; 상기 제 2 기판 상에 배치되며 상기 제 1 투명전극과 대향되는 제 2 투명전극; 상기 제 1 투명전극과 상기 제 2 투명전극 사이에 개재되는 전해질 용액; 및 상기 제 2 투명전극 상에 배치되며 상기 전해질 용액과 접하는 대향 전극 물질층(counter electrode material layer)을 포함한다.
상기 대향 전극 물질층은 이온저장물질 또는 전기변색물질을 포함할 수 있다.
상기 대향 전극 물질층은 텅스텐 산화물(WO3), 세륨산화물(CeO), 티타늄산화물(TiO2), 니켈산화물(NiO), 몰리브데늄산화물(MoO3), 코발트산화물(CoO2), 이리듐산화물(IrO2) 및 주석 산화물(SnO2) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 가역 전기화학 거울은 상기 제 1 투명 전극 상에 배치되며 상기 전해질 용액과 접하는 금속층을 더 포함할 수 있다.
상기 전해질 용액은 상기 금속층에 포함된 금속의 이온을 포함할 수 있다.
상기 금속층은 은(Ag) 또는 비스무스(Bi) 일 수 있으며, 상기 전해질 용액은 은 이온 또는 비스무스 이온을 포함할 수 있다.
상기 전해질 용액은 리튬 이온을 더 포함할 수 있으며, 상기 제 2 투명 전극에 음의 전압이 인가되면 상기 리튬 이온은 상기 대향 전극 물질층을 구성하는 물질과 결합할 수 있다.
상기 제 1 투명 전극에 음의 전압이 인가되면 상기 리튬 이온은 상기 대향 전극 물질층을 구성하는 물질로부터 분리될 수 있다.
상기 전해질 용액은 물, 디메틸설폭사이드(dimethyl sulfoxide, DMSO), 프로필렌 카르보네이트(propylene carbonate), 에틸렌 글리콜 중 선택되는 적어도 하나의 용매를 더 포함할 수 있다.
상기 전해질 용액은 바람직하게는 구리 이온을 포함하지 않을 수 있다.
상기 제 1 및 제 2 투명전극들은 ITO 또는 FTO를 포함할 수 있다.
상기 제 1 투명 전극에 음의 전압이 인가되면 상기 제 1 투명 기판 상에 금속층이 전착되어 거울 상태가 되고, 상기 제 2 투명전극에 음의 전압이 인가되면 상기 금속층이 상기 전해질 용액에 용해되어 투명 상태가 될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 가역 전기화학 거울은 쌍안정성이 우수하고 빠른 스위칭 특성을 가질 수 있다. 또한 본 발명의 실시예들에 따른 가역 전기화학 거울은 저전력에서 작동이 가능하며, 전원이 끊겨도 거울 상태 또는 투명 상태를 안정적으로 유지할 수 있다. 이로써 대면적화가 용이할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가역 전기화학 거울의 단면도이다.
도 2는 도 1과 도 4의 가역 전기화학 거울들의 전착 동작을 나타낸다.
도 3은 도 1의 가역 전기화학 거울의 소거 동작을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 가역 전기화학 거울의 단면도이다.
도 5는 도 4의 가역 전기화학 거울의 소거 동작을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 제조예에서 제조된 가역 전기화학 거울의 빛의 파장에 따른 반사율을 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 제조예에서 제조된 가역 전기화학 거울에 은의 용해 동작과 전착 동작을 반복하면서 측정한 반사율 변화 특성을 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 제조예에서 제조된 가역 전기화학 거울을 거울 상태로 만들고 전원을 제거한 후, 시간에 따른 반사율 변화를 나타내는 그래프이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서, 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 식각 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprise)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하, 도면들을 참조하여, 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가역 전기화학 거울의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 가역 전기화학 거울(100)은 서로 대향되는 제 1 기판(10)과 제 2 기판(20)을 포함한다. 상기 제 1 기판(10)과 상기 제 2 기판(20)은 투명할 수 있다. 예를 들면 상기 제 1 기판(10)과 상기 제 2 기판(20)은 유리 또는 플라스틱을 포함할 수 있다. 상기 제 1 기판(10) 상에는 상기 제 2 기판(20)과 대향되는 제 1 투명 전극(12)이 배치된다. 상기 제 2 기판(20) 상에는 상기 제 1 기판(10)과 대향되는 제 2 투명 전극(22)이 배치된다. 상기 제 1 투명 전극(12)과 상기 제 2 투명 전극(22)은 예를 들면 ITO(Indium Tin Oxide)나 FTO(Fluorine-doped Tin Oxide) 를 포함할 수 있다.
계속해서, 상기 제 2 투명 전극(22) 상에는 대향 전극 물질층(counter electrode, 30)이 배치된다. 상기 대향 전극 물질층(30)은 상기 제 1 투명 전극(12)과 대향될 수 있다. 상기 대향 전극 물질층(30)은 이온저장물질 또는 전기변색물질을 포함할 수 있다. 상기 이온저장물질 또는 상기 전기변색물질은 상기 가역 전기화학 거울(100)의 동작 과정에서 상기 전해질 용액(40)의 이온 및 전자를 받아들이거나 내놓는 환원 반응 또는 산화 반응에 참여할 수 있다. 이때 동작 원리는 동일하나 상기 이온저장물질은 상기 환원 반응과 상기 산화 반응에서 모두 투명한 상태를 유지할 수 있는 반면에 상기 전기변색물질은 상기 환원 반응 또는 상기 산화 반응에 의해 색이 변할 수 있다. 상기 대향 전극 물질층(30)이 상기 전기변색물질로 이루어진다면 색유리처럼 색을 띠면서 투명할 수 있다. 상기 대향 전극 물질층(30)은 텅스텐 산화물(WO3), 세륨산화물(CeO2), 티타늄산화물(TiO2), 니켈산화물(NiO), 몰리브데늄산화물(MoO3), 코발트산화물(CoO2), 이리듐산화물(IrO2) 및 주석 산화물(SnO2) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 텅스텐 산화물(WO3)과 상기 니켈산화물(NiO)은 예를 들면 상기 전기변색물질에 해당할 수 있다. 상기 세륨산화물(CeO2)과 상기 티타늄산화물(TiO2)은 예를 들면 상기 이온저장물질에 해당할 수 있다.
도시하지는 않았지만, 상기 제 1 기판(10)과 상기 제 2 기판(20) 사이에는 격벽 또는 스페이서가 배치될 수 있다. 이로써 상기 제 1 투명 전극(12)과 상기 대향 전극 물질층(30) 사이에는 공간이 존재할 수 있고 이 공간은 전해질 용액(40)으로 채워질 수 있다. 이로써 상기 제 1 투명 전극(12)과 상기 대향 전극 물질층(30)은 상기 전해질 용액(40)과 접할 수 있다. 상기 전해질 용액(40)은 은 이온(Ag+) 또는 비스무스 이온(Bi3+)을 포함할 수 있다. 상기 전해질 용액(40)은 리튬 이온을 더 포함할 수 있다. 구체적으로 상기 전해질 용액(40)은 물, 디메틸설폭사이드(dimethyl sulfoxide, DMSO), 프로필렌 카르보네이트(propylene carbonate), 에틸렌 글리콜 중 선택되는 적어도 하나의 용매를 포함할 수 있다. 상기 전해질 용액(40)은 상기 용매에 용해된 질산은(AgNO3)과 브롬화리튬(LiBr)을 더 포함할 수 있다. 상기 질산은(AgNO3)과 브롬화리튬(LiBr)은 용해되어 이온화되어 은이온(Ag+), 브롬 이온(Br-), 리튬 이온(Li+) 및 질산 이온(NO3 -)이 될 수 있다. 상기 전해질 용액(40)은 고분자를 더 포함할 수 있다. 상기 고분자는 전해질 보강재(electrolyte stiffener)로서의 기능을 할 수 있다. 상기 고분자는 예를 들면 폴리-비닐 부티랄(Poly-vinyl butyral, PVB)일 수 있다. 상기 전해질 용액(40)은 구리 이온을 포함하지 않는다.
도 1의 가역 전기화학 거울(100)은 소자 제조시에 투명한 상태일 수 있다.
도 1의 가역 전기화학 거울(100)의 동작 과정을 설명하기로 한다. 도 2는 도 1과 도 4의 가역 전기화학 거울들의 전착 동작을 나타낸다. 도 3은 도 1의 가역 전기화학 거울의 소거 동작을 나타낸다.
도 2를 참조하면, 상기 가역 전기화학 거울(100)이 거울 상태가 되기 위해, 도 1의 가역 전기화학 거울(100)에서 상기 1 투명 전극(12)에 음의 전압이 상기 제 2 투명 전극(22)에 양의 전압이 인가될 수 있다. 상기 제 2 투명 전극(22)에는 상기 제 1 투명 전극(12)에 대비하여 양의 전착(electro-deposition) 전압(V1)이 인가될 수 있다. 그러면 도 2의 상태에서, 상기 전해질 용액(40) 내의 금속 이온이 상기 제 1 투명 전극(12)으로부터 전자를 얻어 환원되어 도 3과 같이 상기 제 1 투명 전극(12) 상에 전착되어(electro-deposited) 금속층(52)이 형성될 수 있다. 이로써 상기 가역 전기화학 거울(100)은 거울 상태가 되고 상기 제 1 기판(10)을 통해 입사된 빛(L)은 상기 금속층(52)의 표면에서 반사될 수 있다.
도 3을 참조하면, 상기 가역 전기화학 거울(100)이 투명 상태가 되기 위해, 상기 제 1 투명 전극(12)에 양의 전압이 상기 제 2 투명 전극(22)에 음의 전압이 인가될 수 있다. 상기 제 2 투명 전극(22)에는 상기 제 1 투명 전극(12)에 대비하여(relative to) 음의 소거 전압(V2)이 인가될 수 있다. 이로써 도 2의 상기 금속층(52)이 상기 전해질 용액(40)에 용해될 수 있다. 소정의 시간 후에 상기 금속층(52)이 완전히 용해되어 상기 제 1 투명 전극(12)이 상기 전해질 용액(40)과 접할 수 있다. 상기 가역 전기화학 거울(100)은 투명 상태가 되고 상기 제 1 기판(10)을 통해 입사된 빛(L)은 상기 가역 전기화학 거울(100)을 통과할 수 있다.
만약 상기 대향 전극 물질층(30)이 텅스텐 산화물로 이루어지고, 상기 금속층(52)이 은으로 이루어지고, 상기 전해질 용액(40)이 질산은(AgNO3)과 브롬화리튬(LiBr)을 포함할 경우, 도 1의 가역 전기화학 거울(100) 내의 전착 동작은 다음과 같은 반응들에 의해 진행될 수 있다.
<반응식 1>
Figure pat00001
: Ag 전착(환원)
<반응식 2>
Figure pat00002
: Br- 의 산화
상기 반응식 1의 환원 반응은 상기 제 1 투명 전극(12) 상에서 이루어질 수 있고 상기 반응식 2의 산화 반응은 제 2 투명 전극(22) 상에서 이루어질 수 있다.
또한 도 2의 가역 전기화학 거울(100) 내의 소거 동작은 다음과 같은 반응들에 의해 진행될 수 있다.
<반응식 3>
Figure pat00003
: Ag의 용해 (산화)
<반응식 4>
Figure pat00004
: Br3 - 의 환원
상기 반응식 3의 산화 반응은 상기 금속층(52) 상에서 이루어지고 상기 반응식 4의 환원 반응은 상기 제 2 투명 전극(22) 상에서 이루어질 수 있다.
상기 대향 전극 물질층(30)은 은(Ag)의 용해 동작시 Br3 - 이온의 전극 도착을 기다리지 않고 우선 환원되어 Ag 용해(산화)시 발생하는 전자를 임시로 수용하였다가 천천히 Br3 - 이온과 전자를 주고 받는 매개자(mediator) 역할을 할 수 있다.
종래의 가역 전기화학 거울은 상기 대향 전극 물질층(30)을 포함하지 않고, 종래의 전해질 용액은 구리 이온을 포함하였다. 종래의 가역 전기화학 거울에서는 상기 구리 이온이 Br3 - 이온의 전극 도착을 기다리지 않고 Cu2 +에서 Cu+으로 우선 전자를 받아 환원되며 Ag를 용해시키고 후에 천천히 Br3 - 이온과 Cu+ 이온이 전하를 교환하였다. 종래의 가역 전기화학 거울에서 전착 동작이 완료된 후 전착 전압을 제거하면, 전해질 용액 안의 구리 이온이 전착된 은을 용해시켜 투명 상태로 바뀌었다. 종래의 가역 전기화학 거울이 거울상태를 유지하기 위해서는, 구리 이온에 의한 은 박막(즉, 금속층(52)에 해당)의 유실을 보상해주기 위해, 은을 지속적으로 전착해 주어야 하며, 이로써 전류의 지속적인 소모가 발생하였다. 이런 경우, 소자의 면적이 커질 경우, 소자 가장자리와 중심부 사이의 전압 강하가 유발되어 소자의 대형화가 어렵다는 문제가 있었다.
그러나 본 발명에서는 대향 전극 물질층(30)이 Br3 - 이온과 전자를 주고 받는 임시 매개자(mediator) 역할을 함으로써 구리 이온이 없이도 깨끗한 은의 용해가 가능하다. 또한 본 발명에 따른 전해질 용액(40)은 구리를 포함하지 않아, 구리 이온에 의한 은의 용해 작용이 발생하지 않아, 종래의 가역 전기화학 거울에 비해 적은 전류를 소모할 수 있으며 개선된 쌍안정성(전원이 오프 상태에서 거울 상태를 유지할 수 있는 특성)을 가질 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 가역 전기화학 거울의 단면도이다.
도 4를 참조하면, 본 예에 따른 가역 전기화학 거울(101)은 도 1의 제 1 투명 전극(12) 상에는 증착 금속층(52a)이 배치될 수 있다. 상기 증착 금속층(52a)은 상기 대향 전극 물질층(30)과 대향될 수 있다. 상기 증착 금속층(52a)은 상기 가역 전기화학 거울(101)을 제조시에 CVD, PVD 및 스퍼터링과 같은 증작 공정에 의해 증착될 수 있다. 즉, 본 예에서 상기 증착 금속층(52a)은 상기 가역 전기화학 거울(101)의 동작 전의 초기 상태에서 이미 증착된 상태로 존재할 수 있다. 따라서, 본 예에 따른 상기 가역 전기화학 거울(101)은 초기 상태에서 상기 증착 금속층(52a)에 의해 거울 상태일 수 있다.
도 5는 도 4의 가역 전기화학 거울의 소거 동작을 나타낸다.
도 5를 참조하면, 상기 가역 전기화학 거울(101)이 투명 상태가 되기 위해, 상기 제 1 투명 전극(12)에 양의 전압이 상기 제 2 투명 전극(22)에 음의 전압이 인가될 수 있다. 상기 제 2 투명 전극(22)에는 상기 제 1 투명 전극(12)에 대비하여(relative to) 음의 소거 전압(V3)이 인가될 수 있다. 이로써 도 4의 상기 증착 금속층(52a)이 상기 전해질 용액(40)에 용해될 수 있다. 소정의 시간 후에 상기 증착 금속층(52a)이 완전히 용해되어 상기 제 1 투명 전극(12)이 상기 전해질 용액(40)과 접할 수 있다. 상기 가역 전기화학 거울(101)은 투명 상태가 되고 상기 제 1 기판(10)을 통해 입사된 빛(L)은 상기 가역 전기화학 거울(101)을 통과할 수 있다.
만약 상기 대향 전극 물질층(30)이 텅스텐 산화물로 이루어지고, 상기 금속층(52)이 은으로 이루어지고, 상기 전해질 용액(40)이 질산은(AgNO3)과 브롬화리튬(LiBr)을 포함할 경우, 도 4의 가역 전기화학 거울(101) 내의 소거 동작은 다음과 같은 반응들에 의해 진행될 수 있다.
<반응식 5>
Figure pat00005
: Ag 용해 (산화)
<반응식 6>
Figure pat00006
:
Figure pat00007
의 환원
상기 반응식 1에서 상기 증착 금속층(52a)을 구성하는 은(Ag)은 용해되어 은 이온(Ag+)으로 변하고 브롬 이온(Br-)과 착이온(complex ion)을 형성할 수 있다. 상기 반응식 2에서 상기 대향 전극 물질층(30)을 구성하는 텅스텐 산화막은 상기 전해질 용액(40)안의 리튬 이온(Li+)과 전자를 받아들여 리튬 이온(Li+)과 결합할 수 있다. 상기 리튬 이온(Li+)과 결합된 상기 텅스텐 산화막은 파란색을 나타낼 수 있다. 이때 상기 대향 전극 물질층(30)은 상기 전해질 용액(40) 안의 리튬 이온과 전자를 받아들인 상태(30a)로 변할 수 있다.
도 2를 참조하면, 상기 가역 전기화학 거울(101)이 거울 상태가 되기 위해, 도 5의 가역 전기화학 거울(101)에서 상기 1 투명 전극(12)에 음의 전압이 상기 제 2 투명 전극(22)에 양의 전압이 인가될 수 있다. 상기 제 2 투명 전극(22)에는 상기 제 1 투명 전극(12)에 대비하여 양의 전착(electro-deposition) 전압(V1)이 인가될 수 있다. 그러면 도 2의 상태에서, 상기 전해질 용액(40) 내의 금속 이온이 상기 제 1 투명 전극(12)으로부터 전자를 얻어 환원되어 도 3과 같이 상기 제 1 투명 전극(12) 상에 전착되어(electro-deposited) 금속층(52)이 형성될 수 있다. 이로써 상기 가역 전기화학 거울(101)은 다시 거울 상태가 되고 상기 제 1 기판(10)을 통해 입사된 빛(L)은 상기 금속층(52)의 표면에서 반사될 수 있다.
이때 만약 상기 대향 전극 물질층(30)이 텅스텐 산화물로 이루어지고, 상기 금속층(52)이 은으로 이루어지고, 상기 전해질 용액(40)이 질산은(AgNO3)과 브롬화리튬(LiBr)을 포함할 경우, 도 4의 가역 전기화학 거울(101) 내의 전착 동작은 다음과 같은 반응들에 의해 진행될 수 있다.
<반응식 7>
Figure pat00008
:
Figure pat00009
의 산화
<반응식 8>
Figure pat00010
: Ag 전착(환원)
상기 반응식 7에서, 상기 제 2 투명 전극(22)에 양의 전압이 인가됨에 따라 상기 리튬 이온과 결합된 텅스텐 산화막은 전자와 리튬 이온을 상기 전해질 용액(40)안으로 내놓을 수 있다. 이로써 상기 텅스텐 산화막으로부터 리튬 이온(Li+)과 전자가 분리되어 상기 전해질 용액(40) 안으로 이동할 수 있다. 상기 반응식 8에서 상기 제 1 투명 전극(12)에 음의 전압이 인가됨에 따라 상기 전해질 용액(40) 안의 은 이온(Ag+)은 전자를 얻어 상기 제 1 투명 전극(12) 상에 전착/재형성된다. 상기 반응식 6에 의해 상기 텅스텐 산화막이 받았던 모든 전자를 상기 반응식 7에 의해 상기 전해질 용액(40) 안으로 내놓은 후에는 더 이상의 은의 전착이 진행되지 않고 전착이 멈춘다. 즉, 상기 전착 전압(V1)이 계속 인가되더라도 전착이 완료되면 지속적인 전류의 소모가 발생하지 않을 수 있다. 또한 은의 전착 동작 후에 상기 가역 전기화학 거울(101)의 전원을 끊더라도 상기 전해질 용액(40) 내에서 자가 용해(self-erasing) 현상이 일어나지 않는다. 상기 반응식 5와 6의 산화/환원 반응과 상기 반응식 7과 8의 산화/환원 반응은 거의 완전하게 가역적인 특성을 가질 수 있다. 본 예에 따른 가역 전기화학 거울(101)은 매우 우수한 쌍안정성 특성을 가질 수 있다.
도 4의 가역 전기화학 거울(101)에서는 사전 증착 금속층(52a)을 추가로 포함함으로써 상기 대향 전극 물질층(30)이 가역 전착반응에 필요한 전하 교환에 직접 참여할 수 있다. 이로써 Br3 -의 개입 없이 용해/전착 반응을 하여, Br3 - 이온에 의한 자가 용해가 없다. 따라서 도 4의 가역 전기화학 거울(101)은 자가 용해에 의한 전류 소모가 없고 우수한 쌍안정성 특성을 가진다. 또한 은의 용해와 전착 과정이 Br3 -의 확산에 의해 지배되지 않아 빠른 동작 속도를 가질 수 있다.
도 4의 가역 전기화학 거울(101)의 제조 과정은 다음과 같다. 제 1 기판(10)과 제 2 기판(20)을 준비한다. 상기 제 1 기판(10)과 상기 제 2 기판(20) 상에 각각 제 1 투명 전극(12)과 제 2 투명 전극(22)을 형성한다. 상기 제 1 투명 전극(12)과 상기 제 2 투명 전극(22)은 증착, 코팅 또는 라미네이팅 공정에 의해 ITO나 FTO로 형성될 수 있다. 상기 제 1 투명 전극(12) 상에 증착 금속층(52a)을 스퍼터링, CVD(Chemical vapor deposition) 또는 PVD(Physical vapor deposition)과 같은 증착 공정 등으로 형성할 수 있다. 상기 제 2 투명 전극(22) 상에 스퍼터링, CVD 또는 PVD와 같은 증착 공정등으로 대향 전극 물질층(30)을 형성할 수 있다. 그리고 상기 증착 금속층(52a)과 상기 대향 전극 물질층(30)이 서로 대향되도록 상기 제 1 기판(10)과 상기 제 2 기판(20)을 배치하고 스페이서나 격벽을 그 사이에 개재하여 상기 제 1 기판(10)과 상기 제 2 기판(20)을 접착 또는 결합할 수 있다. 그리고 상기 증착 금속층(52a)과 상기 대향 전극 물질층(30) 사이에 전해질 용액(40)을 주입할 수 있다.
<제조예>
도 4의 제 1 기판(10)과 제 2 기판(20)으로는 소다라임유리(soda lime glass)를 사용하였고, 제 1 투명 전극(12)과 제 2 투명 전극(22)으로는 ITO 박막을 사용하였다. 디메틸 설폭사이드(DMSO)에 50mM의 질산은(AgNO3)과 1.0M의 브롬화리튬(LiBr)을 용해시키고, 고분자로 폴리-비닐 부티랄(PVB) 10wt.%를 첨가하여 전해질 용액(40)을 제조하였다. 상기 전해질 용액(40)에 구리 이온은 첨가되지 않았다. 상기 제 2 투명 전극(22) 상에 대향 전극 물질층(30)으로 텅스텐 산화막(WO3)을 형성하였다. 상기 텅스텐 산화막(WO3)은 텅스텐 타겟과 아르곤과 산소의 혼합 가스를 이용한 반응 스퍼터링(reactive sputtering) 공정을 통해 20mTorr 공정 압력에서 1.8 ㎛ 두께로 형성되었다. 상기 제 1 투명 전극(12) 상에 증착 금속층(52a)으로 은(Ag) 박막을 형성하였다. 상기 은 박막은 은(Ag) 타겟과 아르곤 가스를 이용하는 스퍼터링 공정으로 5mTorr의 공정 압력에서 증착하였다. 상기 은 박막의 면저항은 0.52Ω/square이었고 은의 비저항을 이용하여 두께로 환산하면 약 30.5nm이었다.
본 실시예의 소자는 인듐주석산화물(ITO)가 증착된 기판에 Ag를 증착한 전극과 WO3를 증착한 전극을 각각 준비하고 스페이서를 개재하여 상기 제 1 기판(10)과 상기 제 2 기판(20)을 접착하여 상기 제 1 기판(10)과 상기 제 2 기판(20) 사이에 빈 공간을 만들고 상기 전해질 용액(40)을 주입하였다. 상기 스페이서는 약 120㎛의 두께를 가졌다. 이렇게 제조된 상기 가역 전기화학 거울의 구동 면적은 약 2.34cm2이었다.
상기 가역 전기화학 거울을 투명 상태로 만들기 위하여, 상기 제 2 투명 전극(22)에 대비하여 상기 제 1 투명 전극(12)에 소거 전압(V3)으로 +1.8V의 전압을 인가하여 상기 증착 금속층(52a)의 은을 모두 상기 전해질 용액(40)로 용해시켰다.
상기 가역 전기화학 거울을 거울 상태로 만들기 위하여, 상기 제 2 투명 전극(22)에 대비하여 상기 제 1 투명 전극(12)에 전착 전압(V1)으로 -1.0V의 전압을 인가하여 은을 상기 제 1 투명 전극(12)에 전착시켰다.
상기 텅스텐 산화막은 산화/환원에 의해 색이 변하는 전기 변색 물질 중의 하나일 수 있다. 만약 상기 대향 전극 물질층(30)으로 세륨 산화물과 같이 산화/환원이 되도 색이 없는 투명한 이온저장 물질을 사용한다면 상기 가역 전기화학 거울은 투명 상태에서 매우 높은 투과도를 가질 수 있다.
도 6은 본 발명의 제조예에서 제조된 가역 전기화학 거울의 빛의 파장에 따른 반사율을 나타내는 그래프이다.
도 6을 참조하면, 점선은 거울 상태를 나타내며 실선은 투명 상태를 나타낸다. 도 6을 통해 다양한 빛의 파장에서 우수한 거울 상태와 투명 상태가 가역적으로 이루어질 수 있음을 알 수 있다.
도 7은 본 발명의 제조예에서 제조된 가역 전기화학 거울에 은의 용해 동작과 전착 동작을 반복하면서 측정한 반사율 변화 특성을 나타내는 그래프이다.
도 7을 참조하면, 500nm, 550nm 및 600nm는 각각 상기 가역 전기화학 거울에 입사된 빛의 파장을 의미한다. 상기 가역 전기화학 거울의 전착 전압(V1)으로 -1.0V를 상기 제 1 투명 전극(12)에 10초동안 인가하여 전착 동작을 진행하고 다시 소거 전압(V3)으로 +1.8V를 상기 제 1 투명 전극(12)에 10초동안 인가하여 용해 동작을 하였다. 그리고 이 전착 동작과 용해 동작을 반복하면서 시간에 따른 반사율을 도 6에 나타내었다. 도 7을 통해 본 발명의 가역 전기화학 거울이 매우 빠른 스위칭 특성을 나타냄과 거울 상태와 투명 상태가 분명하게 나타남을 알 수 있다.
도 8은 본 발명의 제조예에서 제조된 가역 전기화학 거울을 거울 상태로 만들고 전원을 제거한 후, 시간에 따른 반사율 변화를 나타내는 그래프이다.
도 8을 참조하면, 전원을 제거한 후에도 안정적으로 거울 상태를 유지함을 알 수 있다. 특히 600nm의 파장에서는 50% 이상의 반사율이 1시간 동안 유지됨을 확인할 수 있다. 이를 통해 본 발명의 가역 전기화학 거울이 매우 우수한 쌍안정성 특성을 가짐을 알 수 있다.

Claims (11)

  1. 서로 대향되는 제 1 기판과 제 2 기판;
    상기 제 1 기판 상에 배치되며 상기 제 2 기판에 대향되는 제 1 투명전극;
    상기 제 2 기판 상에 배치되며 상기 제 1 투명전극과 대향되는 제 2 투명전극;
    상기 제 1 투명전극과 상기 제 2 투명전극 사이에 개재되는 전해질 용액; 및
    상기 제 2 투명전극 상에 배치되며 상기 전해질 용액과 접하는 대향 전극 물질층(counter electrode material layer)을 포함하는 가역 전기화학 거울.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 대향 전극 물질층은 이온저장물질 또는 전기변색물질을 포함하는 가역 전기화학 거울.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 대향 전극 물질층은 텅스텐 산화물(WO3), 세륨산화물(CeO2), 티타늄산화물(TiO2), 니켈산화물(NiO), 몰리브데늄산화물(MoO3), 코발트산화물(CoO2), 이리듐산화물(IrO2) 및 주석 산화물(SnO2) 중 적어도 하나를 포함하는 가역 전기화학 거울.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 투명 전극 상에 배치되며 상기 전해질 용액과 접하는 금속층을 더 포함하는 가역 전기화학 거울.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 전해질 용액은 상기 금속층에 포함된 금속의 이온을 포함하는 가역 전기화학 거울.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 금속층은 은(Ag) 또는 비스무스(Bi)을 포함하며, 상기 전해질 용액은 은 이온 또는 비스무스 이온을 포함하는 가역 전기화학 거울.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 전해질 용액은 리튬 이온을 더 포함하는 가역 전기화학 거울.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 전해질 용액은 물, 디메틸설폭사이드(dimethyl sulfoxide, DMSO), 프로필렌 카르보네이트(propylene carbonate), 에틸렌 글리콜 중 선택되는 적어도 하나의 용매를 더 포함하는 가역 전기화학 거울.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 전해질 용액은 구리 이온을 포함하지 않는 가역 전기화학 거울.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 투명전극들은 ITO 또는 FTO를 포함하는 가역 전기화학 거울.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 투명 전극에 음의 전압이 인가되면 상기 제 1 투명 기판 상에 금속층이 전착되어 거울 상태가 되고, 상기 제 2 투명전극에 음의 전압이 인가되면 상기 금속층이 상기 전해질 용액에 용해되어 투명 상태가 되는 가역 전기화학 거울.
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