KR20200139814A

KR20200139814A - 전기변색 소자 및 디바이스

Info

Publication number: KR20200139814A
Application number: KR1020207032354A
Authority: KR
Inventors: 리핑 마
Original assignee: 닛토덴코 가부시키가이샤
Priority date: 2018-04-09
Filing date: 2019-04-02
Publication date: 2020-12-14
Also published as: CN112219160A; WO2019199528A1; US20210096436A1; EP3776075A1; JP2021518587A

Abstract

본 발명은, 전위의 인가시 변화될 수 있는 하나 이상의 광학적 특성을 갖는 전기변색 물질을 포함하는 전기변색 소자 및 디바이스에 관한 것이다. 상기 디바이스는 전도성 나노입자층 및/또는 버퍼층을 포함할 수 있다. 전자 터널링이 배리어층에서 발생할 수 있는 임계값 초과의 전위를 제공하면, 전자가 배리어층을 통해 전기변색 물질로 또는 그로부터 전달되어, 전기변색 물질의 광학적 특성에 변화를 일으킨다. 광학적 특성의 변화를 반전시키기 위해 반대 전위가 제공될 수 있다.

Description

전기변색 소자 및 디바이스

관련 출원에 대한 상호 참조

본 출원은 2018년 4월 9일에 제출된 미국 가출원 제62/655,131호를 우선권으로 주장하며, 상기 가출원은 그 전체가 본원에 참조로 인용된다.

분야

본 개시내용은 금속 나노입자층 및/또는 버퍼층을 포함하는 전기변색 디바이스를 포함하는, 전기변색 소자 및 디바이스에 관한 것이다.

전기변색 코팅 또는 물질은 다수의 상이한 목적으로 사용될 수 있다. 그러한 목적 중 하나는 전기변색 코팅에 인가되는 사용자 제어된 전위에 기반하여 창을 통과하는 빛과 열의 양을 제어하는 것을 포함한다. 전기변색 코팅 또는 물질은 실내 난방 또는 냉방에 필요한 에너지의 양을 감소시킬 수 있고 프라이버시를 제공할 수 있다. 예를 들어, 약 60% ∼ 80%의 광 투과율을 갖는 전기변색 코팅 또는 물질의 투명한 상태가 0.1% ∼ 10%의 광 투과율을 갖는 어두운 상태로 전환될 수 있으며, 이때 실내로 유동하는 에너지가 제한되며 추가의 프라이버시가 제공된다. 채광창, 항공기 창문, 자동차 창문, 및 주거용과 상업용 건물 창문과 같은 다양한 유형의 창문에서 다량의 유리를 찾아볼 수 있으므로, 유리에 전기변색 코팅 또는 물질을 사용하여 에너지를 절약할 수 있다.

전기변색 코팅 또는 디바이스가 제공할 수 있는 잠재적인 이점에도 불구하고, 다양한 문제로 인해 일부 응용분야에서는 현재의 전기변색 디바이스가 바람직하지 않을 수 있다. 예를 들어, 전해질을 사용하는 전기변색 디바이스에서, 전해질의 낮은 이온 이동도는 스위칭 속도의 감소 및 온도 의존성 문제를 야기할 수 있다. 이온 층간 삽입이 전해질 기반 디바이스의 전기변색층에서도 발생할 수 있으며, 이로 인해 디바이스 부피가 확장되고, 그 결과로 생성된 기계적 응력은 디바이스의 온 및 오프 사이클 사이에서 작동하는 능력을 제한할 수 있다. 이러한 디바이스에서, 높은 이온 이동도는 큰 면적의 디바이스에 대해 매우 낮은 내부 디바이스 저항을 제공하기 때문에 고속 스위칭과 균일한 스위칭 사이에는 트레이드 오프가 있으며, 이로 인해 전체 디바이스 영역에 걸쳐 전기장의 적용에 불균일성이 발생할 수 있다. 일부 전기변색 디바이스의 추가적인 한계는, 전기변색 물질의 광학적 특성에 대한 변화를 유지하기 위해서 전력의 지속적 인가가 필요하다는 것이다. 따라서, 이 기술 분야에서는 추가적인 기여에 대한 요구가 남아있다.

전위의 인가시 제1 상태로부터 제2 상태로 변화할 수 있는 하나 이상의 광학적 특성을 갖는 전기변색 소자를 포함하는 전기변색 디바이스가 본원에 개시된다. 또한 본 개시내용은, 전위의 인가 후 전기변색 물질의 광학적 특성에 대한 변화를 유지하기 위한 목적의 절연 특성을 나타내는 차단층을 갖는 전기변색 디바이스를 기술한. 또한, 본 개시내용은 온 상태와 오프 상태 사이의 불투명도의 차이를 증가 시키기 위한 목적의 국소 표면 플라즈몬 공명 특성을 나타내는 전기변색 디바이스에 관한 것이다.

추가로, 본 개시내용은 본원에 기술된 전기변색 소자 및 디바이스의 제작 방법을 제공한다.

도 1은 전기변색 소자의 한 실시양태의 개략도이다.
도 2는 전기변색 디바이스의 한 실시양태의 개략도이다.
도 3은 온-상태 및 오프-상태에서의 실시예 EC-2의 디바이스의 파장(nm)의 함수로서 총 투과율(T%)을 도시하는 그래프 도면이다.
도 4는 온-상태 및 오프-상태에서의 실시예 CE-1의 디바이스의 비교 실시양태의 파장(nm)의 함수로서 총 투과율(T%)을 도시하는 그래프 도면이다.
도 5는 온-상태 및 오프-상태에서의 실시예 EC-2의 디바이스의 대안적인 실시양태의 파장(nm)의 함수로서 총 투과율(T%)을 도시하는 그래프 도면이다.
도 6은 온-상태 및 오프-상태에서의 실시예 CE-2의 디바이스의 대안적인 실시양태의 파장(nm)의 함수로서 총 투과율(T%)을 도시하는 그래프 도면이다.
도 7은 온-상태 및 오프-상태에서의 실시예 CE-3의 디바이스의 대안적인 실시양태의 파장(nm)의 함수로서 총 투과율(T%)을 도시하는 그래프 도면이다.

본원에서 사용될 때, 용어 "투명"은 해당 물질이 광을 투과시키거나 통과시키는 특성을 의미한다. 한 측면에서, 투명 물질을 통한 광의 투과율은 약 50%-100%, 예컨대 적어도 약 50%, 적어도 약 60%, 적어도 약 70%, 적어도 약 80%, 적어도 약 90%, 적어도 약 95%, 적어도 약 99%, 약 50%-60%, 약 60%-70%, 약 70%-80%, 약 80%-90%, 약 90%-95%, 또는 약 95%-99%일 수 있다.

본원에서 사용된 용어 "광"은 전기변색 소자 또는 디바이스에 의해 표적화된 파장 영역의 광을 의미한다. 예를 들어, 전기변색 물질 또는 디바이스이 가시광선 영역에 대한 촬상 장치의 필터로서 사용되는 경우에 가시광선 영역의 광이 표적화되고, 전기변색 물질이 적외선 영역에 대한 촬상 장치의 필터로서 사용하는 경우에 적외선 영역의 광이 표적화된다.

본 개시내용은 일반적으로는, 전위의 인가시 제1 상태로부터 제2 상태로 변화할 수 있는 하나 이상의 광학적 특성을 갖는 전기변색 소자를 포함하는 전기변색 디바이스에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 배타적인 것은 아니나, 본 개시내용은 전위의 인가 후 개선된 온-상태 및 오프-상태 투과율 차별화 특성을 나타내는 전기변색 디바이스에 관한 것이다.

전기변색 소자:

일반적으로, 전기변색 소자는 제1 전극 및 제2 전극을 포함한다. 차단층 및 전기변색층은 제1 전극과 제2 전극 사이에 배치될 수 있다. 전도성의 나노구조화된 금속층은 전기변색층 상에 배치될 수 있다. 추가의 층, 예컨대 보호층도 존재할 수 있다.

전기변색 소자에 대해서는 다수의 잠재적 구성이 있다. 잠재적으로 유용한 하나의 구성이 도 1에 도시되어 있다. 도 1에서, 전기변색 소자(10)는 (예를 들어, 도시된 순서대로), 전도층인 제1 전극(하단 전극)(12); 절연성인 터널링 또는 배리어 층으로도 공지된 차단층(16); 투명에서 어두운 상태로 상태를 변화할 수 있는 전기변색층(18); 또한 전도층인 제2 전극(상단 전극)(20); 및/또는 보호층(22)을 포함한다.

일부 실시양태에서, 언급된 소자들은 언급된 순서로 하단에서 상단으로 배치된다. 일부 실시양태에서, 언급된 소자들을 하단에서 상단의 순서로 서로 접촉하고 있다.

일부 실시양태에서, 제1 전극은 기재 상에 배치되거나 침착된 전도성 나노입자층을 포함할 수 있다. 일부 예에서, 기재는 비전도성 물질, 예컨대 유리 또는 플라스틱일 수 있다. 일부 경우에, 기재는 전도성 물질, 예컨대 전도성 투명 금속 산화물일 수 있다. 일부 실시양태에서, 기재는 전도성 나노입자층 상에 배치될 수 있다.

일부 실시양태에서, 전도성 나노입자층(도시되지 않음)은 전기변색층과 제2 전극 사이에 전기적으로 연통으로 배치될 수 있다. 일부 실시양태에서, 전도성 나노입자층은, 제2 전도성 전극이 필요하지 않고 전도성 나노입자층이 제2 전극으로서 효과적으로 작용할 정도로 충분히 전도성이다.

일부 실시양태에서, 버퍼층(14)은 제1 전극과 차단층 사이에 광학적 연통 및/또는 전기적 연통으로 배치될 수 있다. 일부 실시양태에서, 버퍼층은 비폴리머이다. 예를 들어, 버퍼층이 없는 경우, 전도성 나노입자층의 표면은 매끄러울 수 있다. 일부 실시양태에서, 예를 들어 버퍼층이 있는 경우, 전도성 층의 표면은 거칠 수 있다.

전기변색 디바이스:

일반적으로, 전기변색 디바이스는 전술한 전기변색 소자와, 또는 본원의 일부에서, 전기변색 디바이스에 전위를 제공하기 위해 제1 전극 및 제2 전극과 전기적으로 연통된 전원을 포함한다.

전기변색 디바이스에 대해서는 다수의 잠재적 구성이 있다. 하나의 잠재적으로 유용한 구성이 도 2에 도시되어 있다. 도 2에서, 전기변색 소자(110)는 (예를 들어 도시된 순서대로), 전도층인 제1 전극(하단 전극)(112); 절연성인 터널링 또는 배리어 층으로도 공지된 차단층(116); 투명에서 어두운 상태로 상태를 변화할 수 있는 전기변색층(118); 또한 전도층인 제2 전극(상단 전극)(120); 보호층(122); 및 전원(알려진)을 포함한다.

일부 실시양태에서, 버퍼층(114)은 제1 전극과 차단층 사이에 광학적 연통 및/또는 전기적 연통으로 배치될 수 있다. 일부 실시양태에서, 버퍼층은 비폴리머이다. 예를 들어, 버퍼층이 없는 경우, 전도성 나노입자층의 표면은 매끄러울 수 있다. 일부 실시양태에서, 예를 들어 버퍼층이 있는 경우, 전도성 층의 표면은 거칠 수 있다.

전기변색 소자 및/또는 전기변색 디바이스의 층들의 대안적인 배열이 또한 고안된다. 예를 들어, 한 실시양태에서, 터널링 유전체 채널을 제공하는 차단층이 상단 전극과 전기변색층 사이에 배치될 수 있다. 다른 실시양태에서, 소자는 제1 전극; 전도성의 나노구조화된 층; 및 전기변색층을 포함할 수 있고, 여기서 전도성의 나노구조화된 층은 제1 전극과 전기변색층 사이에 배치될 수 있다.

전극:

본원에 기재된 전기변색 소자 및 디바이스는 다양한 전기변색 소자 또는 디바이스 층들의 상단 및 하단에 전극을 포함한다. 일부 실시양태에서, 전극("전극들", "그 전극" 또는 유사한 문구가 본원에서 "제1 전극 및/또는 제2 전극"에 대한 약어로 사용됨)은 결합층 및/또는 기재 상에 형성될 수 있다. 전극은 투명한 물질을 포함할 수 있다. 전극들 중 하나 이상이 투명한 경우, 광은 소자 또는 디바이스의 내부 층으로 효율적으로 투과될 수 있으며, 전기변색 물질과 상호 작용할 수 있다.

전극은, 투명 기재 상에 분산된 탄소 나노튜브에 배치되거나, 투명 기재 상에 금속 와이어를 부분적으로 배열하거나, 또는 이들의 조합인 투명한 전도성 산화물 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 전극은 우수한 투과율 및 전도성을 갖는 투명한 전도성 금속 또는 금속 산화물 물질로부터 형성될 수 있다. 투명한 전도성 산화물의 예로는 인듐 주석 산화물(ITO), 아연 산화물, 갈륨 도핑된 아연 산화물(GZO), 인듐 아연 산화물(IZO), 알루미늄 도핑된 아연 산화물(AZO), 주석 산화물, 안티몬 도핑된 주석 산화물(ATO), 불소 도핑된 주석 산화물(FTO) 및 니오븀 도핑된 티타늄 산화물(TNO)이 있다. 투명한 전도성 금속의 예는 Al이다. 일부 예에서, 전극은 전도성 폴리머 물질, Ag, Ag 나노입자, 탄소 나노튜브 또는 그래핀을 함유하는 물질을 포함할 수 있다. 상기에서 인지된 투명한 전도성 산화물 물질 중에서, 내열성, 내환원성, 전도도로는 FTO가 선택될 수 잇고, 전도도 및 투명성으로는 ITO가 선택될 수 있다. 다공성 전극이 형성되고 하소되는 경우, 투명한 전도성 산화물이 높은 내열성을 갖는 것이 바람직할 수 있다. 전극들 중 하나 이상이 이들 물질 중 하나를 함유할 수 있거나, 또는 전극들 중 하나 이상이 복수의 이들 물질을 함유하는 다층 구조를 가질 수 있다. 대안적인 형태에서, 전극들 중 하나 이상은, 10족 또는 11족 금속과 같은 반사성 물질로부터 형성될 수 있으며, 이들의 비제한적인 예는 Au, Ag 및/또는 Pt를 포함한다. 반사성 물질이 13족 금속, 예컨대 알루미늄(Al)인 실시양태도 가능하다.

일부 실시양태에서, 제1 전극은 인듐 주석 산화물이다. 일부 예에서, 제1 전극(예컨대 ITO 전극)의 두께는 약 10 nm 내지 약 150 nm, 약 10-12 nm, 약 12-14 nm, 약 14-16 nm, 약 16-18 nm, 약 18-20 nm, 약 20-22 nm, 약 22-24 nm, 약 24-26 nm, 약 26-28 nm, 약 28-30 nm, 약 30-35 nm, 약 35-40 nm, 약 40-50 nm, 약 50-60 nm, 약 60-70 nm, 약 70-80 nm, 약 80-90 nm, 약 90-100 nm, 약 100-110 nm, 약 110-120 nm, 약 120-130 nm, 약 130-140 nm, 약 140-150 nm, 약 15-25 nm, 또는 약 20 nm이다.

일부 실시양태에서, 제2 전극은 Al이다. 일부 예에서, 제2 전극(예컨대 Al 전극)의 두께는 약 10 nm 내지 약 150 nm, 약 10-12 nm, 약 12-14 nm, 약 14-16 nm, 약 16-18 nm, 약 18-20 nm, 약 20-22 nm, 약 22-24 nm, 약 24-26 nm, 약 26-28 nm, 약 28-30 nm, 약 30-35 nm, 약 35-40 nm, 약 40-50 nm, 약 50-60 nm, 약 60-70 nm, 약 70-80 nm, 약 80-90 nm, 약 90-100 nm, 약 100-110 nm, 약 110-120 nm, 약 120-130 nm, 약 130-140 nm, 약 140-150 nm, 약 15-25 nm, 또는 약 20 nm이다.

버퍼층:

일부 예에서, 버퍼층은 제1 전극과 차단층 사이에 배치될 수 있다. 일부 실시양태에서, 버퍼층은 나노구조화된 형태 또는 거친 형태를 포함하는 표면을 가질 수 있다. 일부 실시양태에서, 버퍼층은 전도성 나노입자층과 관련하여 기재된 것과 동일하거나 유사한 형태를 갖는 상부 표면을 가질 수 있다. 일부 실시양태에서, 버퍼층은 임의로 치환된 방향족 고리를 포함할 수 있는 비폴리머 유기 화합물을 포함할 수 있다. 일부 경우에, 버퍼층은 비스페닐 피리딘 화합물을 포함한다. 적합한 비스페닐 피리딘 화합물은 3,5-디페닐 피리딘일 수 있다. 한 형태에서, 비스페닐 피리딘 화합물은 유기 화합물, 예컨대 비스페닐 피리딘 화합물에 대한 설명을 위해 그 전체가 참고로 인용된 미국 특허 제9,051,284 호에 기재된 비스페닐 피리딘 화합물을 포함할 수 있다. 하나의 특정하지만 비제한적인 형태에서, 비스페닐 피리딘은 다음의 구조를 갖는다:

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다른 적합한 버퍼층 물질은 다음의 구조를 포함할 수 있다:

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일부 실시양태에서, 버퍼층은 약 0.1 nm 내지 약 50 nm의 두께를 가질 수 있다. 일부 예에서, 버퍼층은 약 0.1-0.5 nm, 약 0.5-1 nm, 약 1-1.5 nm, 또는 약 1.5-2 nm; 약 2-2.1 nm, 약 2.1-2.2 nm, 약 2.2-2.3 nm, 약 2.3-2.4 nm, 약 2.4-2.5 nm, 약 2.5-2.6 nm, 약 2.6-2.7 nm, 약 2.7-2.8 nm, 약 2.8-2.9 nm, or 약 2.9-3 nm; 약 3-3.1 nm, 약 3.1-3.2 nm, 약 3.2-3.3 nm, 약 3.3-3.4 nm, 약 3.4-3.5 nm, 약 3.5-3.6 nm, 약 3.6-3.7 nm, 약 3.7-3.8 nm, 약 3.8-3.9 nm, 약 3.9-4 nm, 약 4-4.1 nm, 약 4.1-4.2 nm, 약 4.2-4.3 nm, 약 4.3-4.4 nm, 약 4.4-4.5 nm, 약 4.5-4.6 nm, 약 4.6-4.7 nm, 약 4.7-4.8 nm, 약 4.8-4.9 nm, 또는 약 4.9-5 nm; 약 5-5.1 nm, 약 5.1-5.2 nm, 약 5.2-5.3 nm, 약 5.3-5.4 nm, 약 5.4-5.5 nm, 약 5.5-5.6 nm, 약 5.6-5.7 nm, 약 5.7-5.8 nm, 약 5.8-5.9 nm, 약 5.9-6 nm, 약 6-6.5 nm, 약 6.5-7 nm, 약 7-7.5 nm, 약 7.5-8 nm, 약 8-9 nm, 약 9-10 nm, 약 10-15 nm, 약 15-20 nm, 약 20-30 nm, 약 30-40 nm, 약 40-50 nm, 약 2 nm, 약 3 nm, 약 4 nm, 약 5 nm, 또는 약 6 nm의 두께를 가질 수 있다.

차단층:

일부 실시예에서, 전기변색 소자는 차단층을 추가로 포함할 수 있다. 차단층은 배리어층 또는 터널링층으로도 지칭될 수 있다. 일부 실시양태에서, 차단층은 전기변색층의 착색을 위해 캐소드로부터 주입된 전자를 유지하면서, 전자 전하가 디바이스를 통해 하나의 전극에서 다른 전극으로 이동하는 것을 방지한다. 일부 실시양태에서, 차단층은 전하 누설을 감소시킬 수 있다. 일부 실시양태에서, 차단층은 착색 효율을 증가시킬 수 있다. 또한, 제1 전극은 전기 절연성 물질을 포함하는 차단층에 의해 전기변색층으로부터 전기적으로 격리되거나 분리될 수도 있다. 용어 "전기 절연성"은 전자 및/또는 정공에 대한 층의 감소된 투과율을 가리킨다. 한 형태에서, 이들 층 사이의 전기적 격리 또는 분리는 차단층 내의 증가된 저항으로 인해 발생할 수 있다. 또한, 제1 전극은 버퍼층과 전기적으로 연통될 수 있고, 버퍼층은 차단층과 전기적으로 연통될 수 있으며, 차단층은 전기변색층과 전기적으로 연통될 수 있고, 전기변색층은 제2 전극과 전기적으로 연통될 수 있다.

차단층은 전기 절연 특성을 나타내는 무기 및/또는 유기 물질을 포함하는 하나 이상의 전기 절연 물질을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 디바이스의 제1 전극층 및 제2 전극층에 적합한 전위, 예컨대 전압 펄스를 인가하면, 전자를 전기변색층으로 또는 그로부터 통과시키기 위해 차단층에서 밴드 벤딩(band bending)이 일어날 수 있다. 전기변색층으로 충전되거나 그러부터 방전되는 전자는, 전기변색층의 적어도 하나의 광학적 특성, 예컨대 투과율을 변화시킬 수 있다. 한 형태에서, 차단층은 산화물 및/또는 질화물 화합물, 예를 들어 산화알루미늄, 산화탄탈, 산화이트륨, 산화칼슘, 산화마그네슘 및/또는 산화지르코늄, Si₃N₄ 및 AlN을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 차단층은 산화알루미늄 또는 산화탄탈을 포함할 수 있다. 다른 예에서, 차단층은 화학량론적 금속 산화물 층, 예컨대 Al₂O₃, Ta₂O₅, Y₂O₃, CaO, MgO 또는 ZrO₂를 포함할 수 있다. 일부 경우에, 차단층은 비화학양론적 금속 산화물 층일 수 있다. 일부 실시양태에서, 차단층은 Al₂O₃이다.

차단층은 약 10 nm 내지 약 1000 nm, 약 10-20 nm, 약 20-30 nm, 약 30-40 nm, 약 40-50, 약 50-60, 약 60-70 nm, 약 70-80 nm, 약 80-90 nm, 약 90-100 nm, 약 100-110 nm, 약 110-120 nm, 약 120-130 nm, 약 130-140 nm, 약 140-150 nm, 약 150-160 nm, 약 160-170 nm, 약 170-180 nm, 약 180-190 nm, 약 190-200 nm, 약 200-250 nm, 약 250-300 nm, 약 300-400 nm, 약 400-500 nm, 약 500-600 nm, 약 600-700 nm, 약 700-800 nm, 약 800-900 nm, 약 900-1000 nm, 약 100 nm, 또는 약 200 nm 범위의 두께를 가질 수 있다. 일부 실시양태에서, 차단층은 선택적으로, 전자가 차단층을 통해 이동하는 것을 방해하거나 완전히 차단하는데 효과적이다. 따라서, 차단층은 전기변색층의 전기변색 물질에 주입되거나 그러부터 방출된 전하가 전위의 지속적인 인가 없이 저장되도록 (완전히 또는 부분적으로) 유지하는데 효과적일 수 있다.

전기변색층:

전기변색층은 전기변색 물질을 포함한다. 한 형태에서, 전기변색 물질은 전기변색 화합물 및 매트릭스 물질을 포함한다. 하나의 특정하지만 비제한적인 형태에서, 전기변색 물질은 금속 산화물, 예컨대 WO₃을 포함한다. 대안적으로, 전기변색층은 광 투과 및/또는 흡수에서 변화를 겪을 수 있는 임의의 전기변색 물질 또는 화합물을 포함할 수 있다. 광 투과 또는 흡수는, 전기변색층이 예를 들어 전자 터널링이 발생하는 임계값 초과의 인가된 전압 펄스 하에서 제1 전극으로부터 차단층을 통해 전기변색층으로의 전하 주입에 의해 달성될 수 있는 충전 상태에있을 때, 변화할 수 있다.

일부 실시양태에서, 전기변색 물질은 국소 플라즈마 공명에 의해 영향을 받을 수 있는 전하 민감 물질을 포함한다. 일부 형태에서, 전기변색 물질은 무기 및/또는 유기 물질을 모두 포함할 수 있다. 유기 화합물을 포함하는 경우, 그것은 저분자량 유기 화합물, 고분자량 유기 화합물 또는 이들의 조합일 수 있다. 이들 유형의 물질 각각은 본원에 기술된 전위의 인가에 의해 착색(또는 어둡게)될 수 있다. 이 유형의 고분자량 유기 화합물의 비제한적인 예는 피리디늄 염을 함유하는 것들을 포함하고, 그 화합물은 예를 들어 비올로겐계 고분자량 화합물일 수 있다. 일부 실시양태에서, 전기변색 물질은 저분자량 유기 화합물을 포함할 수 있다. 전기변색 물질은 또한, 산화 반응(즉, 전자를 방출함으로써) 또는 환원 반응(즉, 전자를 수용함으로써)을 통해 탈색된 형태로부터 착색된 형태로와 같이, 광학적 특성의 변화를 겪는 화합물을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 전기변색 물질은 하나 이상의 애노드 전기변색 물질 및/또는 하나 이상의 캐소드 전기변색 물질을 포함한다.

전기변색층은 임의의 적절한 두께, 예를 들어 약 50-500 nm, 약 50-70 nm, 약 70-90 nm, 약 90-100 nm, 약 100-110 nm, 약 110-120 nm, 약 120-130 nm, 약 130-140 nm, 약 140-150 nm, 약 150-160 nm, 약 160-170 nm, 약 170-180 nm, 약 180-190 nm, 약 190-200 nm, 약 200-210 nm, 약 210-220 nm, 약 220-230 nm, 약 230-240 nm, 약 240-250 nm, 약 250-260 nm, 약 260-270 nm, 약 270-280 nm, 약 280-290 nm, 약 290-300 nm, 약 300-350 nm, 약 350-400 nm, 약 400-450 nm, 약 450-500 nm, 약 100-300 nm, 약 200-400 nm, 약 300-500 nm, 약 100 nm, 또는 약 200 nm를 가질 수 있다. 전기변색층은 그를 통한 버퍼층 형태의 전환이 전도성의 나노구조화된 층의 생성된 형태에 영향을 미치기에 충분히 얇을 수 있다.

전기변색층은 차단층, 제1 전극층 및/또는 제2 전극층에 고정될 수 있다. 전기변색층을 고정하는 것은, 이 층에서 전하 불균형을 조정할 때 전극들 사이의 전하 교환만 일어나기 때문에 가능하며, 전극에 도달하기 위해 전기변색 물질이 전해질을 통해 확산되도록 할 필요가 없다. 또한, 전술한 바와 같이, 전해질이 존재하고 전기변색 물질이 전해질을 통해 자유롭게 확산될 수 있는 디바이스에서는, 물질이 전극에 도달함에 따라 착색된 형태가 탈색된 형태로 전환될 수 있다. 이러한 경우, 물질 수송을 감소시키 위한 피처, 예컨대 칸막이 벽을 변형을 억제하는 데 사용할 수 있다. 대조적으로, 전기변색 물질이 전극에 고정되거나 전해질이 없는 형태로 제공될 수 있는 경우, 착색된 형태가 탈색된 형태로 변형될 가능성이 감소될 수 있다.

전기변색층을 고정하는 비제한적인 방법은, 예를 들어, 전기변색 물질의 분자 내의 작용기를 통해 전기변색 물질을 절연 물질에 결합시켜, 절연 물질이 힘, 예컨대 정전기 상호 작용을 통해 포괄적인 방식으로(예를 들어, 필름 상태로) 전기변색 물질을 보유하게하는 것, 또는 전기변색 물질이 절연 물질에 물리적으로 흡착되도록하는 것을 포함한다. 전기변색 물질의 역할을 하는 저분자량 유기 화합물을 작용기를 통해 다공성 절연 물질에 화학적으로 결합시키는 것을 포함하는 방법, 또는 전기변색 물질의 역할을 하는 고분자량 화합물을 절연성 물질 상에 형성하는 것을 포함하는 방법은, 전기변색 물질의 빠른 반응이 필요할 때 사용될 수 있다. 전자의 방법은 산화알루미늄, 산화티탄, 산화아연 또는 산화주석과 같은 미립자 산화물 전극 상에 전기변색 물질의 역할을 하는 저분자량 유기 화합물을 작용기, 예컨대 산 기(예컨대, 인산 기 또는 카르복실산 기)를 통해 고정시키는 것을 포함할 수 있다. 후자의 방법은, 예를 들어 절연성 및/또는 터널링 유전체 물질 상에 비올로 겐 폴리머를 중합 및 형성하는 것을 포함하는 방법이며, 전해 중합을 포함할 수 있다.

전도성 나노입자층:

일부 실시양태에서, 전도성 나노입자층은 전기변색 소자 또는 디바이스에 존재한다. 본원에서 사용될 때, 용어 "나노입자층"은 나노구조화된 층을 포함한다. 일부 예에서, 전도성 나노입자층은 광학적으로 투과성일 수 있다. 광학적으로 투과성이란, 전도성 나노입자층을 통한 적어도 50%, 예를 들어 약 50%-100%, 예컨대 적어도 약 50%, 적어도 약 60%, 적어도 약 70%, 적어도 약 80%, 적어도 약 90%, 적어도 약 95%, 적어도 약 99%, 약 50%-60%, 약 60%-70%, 약 70%-80%, 약 80%-90%, 약 90%-95%, 또는 약 95%-99%의 가시광선 총 투과율을 가리킨다. 일부 실시양태에서, 전도성의 나노구조화된 층은 금속을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 전도성 나노입자층은 금속 나노입자 또는 나노구조화된 층을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 전도성 나노입자층은 전기변색층과 제2 전극 사이에 위치한다. 일부 예에서, 전도성 나노입자층은 전기변색층의 상부에 직접 침착될 수 있다. 일부 실시양태에서, 전도성 나노입자층은 제2 전극의 역할을 할 수 있다.

일부 실시양태에서, 전도성의 나노구조화된 층은 귀금속을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 귀금속은 Ag 및/또는 Au일 수 있다. 일부 예에서, 전도성의 나노구조화된 층은 13족 금속을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 13족 금속은 Al을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 전도성의 나노구조화된 층은 11족 금속을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 11족 금속은 Cu 및/또는 Ag일 수 있다. 일부 실시양태에서, 전도성의 나노구조화된 층은 10 nm 내지 1 ㎛의 평균 직경을 갖는 나노입자를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 전도성의 나노구조화된 층은 복수의 개별 나노입자를 포함할 수 있다.

일부 실시양태에서, 전도성 나노입자층은 약 2 nm 내지 50 nm, 약 2-3 nm, 약 3-4 nm, 약 4-5 nm, 약 5-6 nm, 약 6-7 nm, 약 7-8 nm, 약 8-9 nm, 약 9-10 nm, 약 10-11 nm, 약 11-12 nm, 약 12-13 nm, 약 13-14 nm, 약 14-15 nm, 약 15-16 nm, 약 16-17 nm, 약 17-18 nm, 약 18-19 nm, 약 19-20 nm, 약 20-21 nm, 약 21-22 nm, 약 22-23 nm, 약 23-24 nm, 약 24-25 nm, 약 25-26 nm, 약 26-27 nm, 약 27-28 nm, 약 28-29 nm, 약 29-30 nm, 약 30-40 nm, 약 40-50 nm, 약 2-30 nm, 약 10-20 nm, 약 14-16 nm, 약 10 nm, 약 15 nm, 약 20 nm, 또는 약 30 nm의 두께를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 전도층은 1 마이크로미터(마이크론) 이하의 나노구조를 가질 수 있다.

일부 실시양태에서, 나노입자 전도성 층(버퍼층이 존재하는 경우)은 얇은 차단층 및 전기변색층을 통해 돌출하는 버퍼층의 상응하는 거친 표면으로 인해 상보적인 거친 형태를 갖는다.

보호층:

일부 실시양태에서, 전기변색 소자 또는 디바이스는 보호층을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 보호층은 수분, 산화, 물리적 변형 등으로부터 전기변색 소자 디바이스를 보호하기 위해 폴리머 또는 다른 물질을 포함할 수 있다. 적합한 보호층 및/또는 보호 물질은 당업계에 기술되어 있다.

전원:

전원(도 2)은 전기변색 디바이스의 제1 전극 및 제2 전극층과 전기적으로 연통된다. 전원은 전압 펄스와 같은 전위를 제1 전극 및/또는 제2 전극에 선택적으로 제공하여, 차단층을 통해 전기변색층의 전기변색 물질로 또는 그로부터 전자의 원하는 통과를 일으키는 데 사용될 수 있다.

전기변색 디바이스의 적용:

본원에 기술된 전기변색 소자 및 디바이스는 다양한 목적 및 적용에 사용될 수 있다. 예를 들어, 전기변색 디바이스는 한 쌍의 투명 기재와 이들 투명 기재 사이에 위치하는 전기변색 디바이스를 포함하는 창 부재에 사용될 수 있다. 이 디바이스의 사용을 통해 창 부재는, 투명 기재를 통해 전달될 수 있는 빛과 열의 양을 조절할 수 있다. 또한, 창 부재는 전기변색 디바이스를 지지하는 프레임을 포함할 수 있고, 창 부재는 항공기, 자동차, 주택 등에 사용될 수 있다. 일부 실시양태에서, 전기변색 디바이스를 포함하는 창 부재는, 선택된 파장, 예컨대 500 nm의 광에서의 오프 및 온 상태 사이에서 적어도 약 45%, 적어도 약 50%, 적어도 55%, 적어도 약 60%, 적어도 약 65%, 적어도 약 70%, 적어도 약 75%, 적어도 약 80%, 약 45%-100%, 약 45%-55%, 약 50%-60%, 약 60%-70%, 약 70%-80%, 약 80%-90%, 약 90%-100%, 약 45%-70%, 또는 약 70%-100%의 광 투과율 차이에 영향을 미칠 수 있다.

전기변색층의 전기변색 물질의 하나 이상의 광학적 특성은, 제1 전극과 제2 전극 사이에 전위가 제공될 때 변할 수 있다. 전기변색 물질의 광학적 특성의 변화는 전위가 임계값에 도달할 때까지 발생하지 않는다. 임계값에서, 전자 터널링은 차단층을 통해 전기변색층으로 또는 그로부터 전자의 통과를 허용하기 위해 차단층에서 발생할 수 있다. 이와 관련하여, 전기변색층은 차단층의 절연 효과(이는 극복될 수 있음)로 인해 전극 중 적어도 하나와 선택적으로 전기적으로 통신하는 것으로 설명될 수 있다.

한 실시양태에서, 전기변색층의 전기변색 물질의 활성화(또는 켜짐)는, 제1 전극이 접지 전위에 유지되고 양전압이 제2 전극에 인가될 때 전자를 전기변색층으로 주입하는 것을 포함한다. 다양한 실시양태에서, 양전압(Vpp)은 포지티브 판독 또는 작동 전압(Vdd)이 약 5 볼트, 및 약 20 볼트 내지 약 25 볼트인 경우에 약 1 내지 약 5 볼트, 적어도 12 볼트일 수 있으나, 다른 변형예도 고려된다. 층의 전기변색 물질을 비활성화하거나 끄기 위해, 제1 전극이 접지 전위로 유지될 수 있고 음전압이 제2 전극에 인가되거나, 또는 제1 전극이 접지 전위로 유지될 수 있고 양전압이 제2 전극에 인가될 수 있다. 다양한 실시양태에서, 음전압(Vpp)은 예를 들어 적어도 -1 볼트, -2 볼트, -4 볼트, -5 볼트, 최대 -12 볼트(예컨대, 네거티브 판독 또는 작동 전압(Vdd)은 약 -2V), 또는 약 -20V 내지 약 -25V일 수 있다. 접지 전위는 일반적으로 가상 접지 전위 또는 약 0V의 전압 레벨을 가리킨다. 프로그래밍은 기존의 전자 주입에 의해 영향을 받는 것으로 생각된다. 또는, 대안적으로, 제어 게이트/게이트 전극에 음전압(예컨대 -Vpp)을 공급함으로써 전기변색층에 정공을 저장할 수 있다. 다른 대안적인 실시양태에서, 기준 셀, "프로그램되지 않은"트랜지스터 또는 "0" 이진 논리 상태를 저장하는 트랜지스터는, 프로그래밍된 셀(들)의 바이어스와 반대되는 바이어스를 사용하여 상보적인 이진 논리 상태로 프로그래밍됨으로써, 프로그래밍된 셀-프로그래밍되지 않은 셀 쌍 사이의 델타 V_t를 더 크게 할 수 있다(예컨대, 상보적인 이진 논리 상태). 임계 전압 차이가 클수록 디바이스가 작동하는 마진이 향상되고, 데이터 보존 시간이 증가하며, 덜 엄격한(예컨대, 임계값 미만의 스윙) 조건에서 판독 작업이 가능해진다.

전기변색 디바이스는 정상 작동시 절연된다. 인가된 전압 펄스는 전기변색층의 상태를 전환하는 데에만 필요하다. 전자 전도는 전자를 전기변색층 안팎으로 밀어내는 데 필요한 임계 전압 펄스를 적용할 때에만 발생할 수 있다. 또한, 디바이스가 정상 작동 상태에서 절연되고 전기변색층이 전극으로부터 절연된다는 점을 감안할 때, 전기변색 물질 내부 또는 외부로의 전하 누출이 감소하거나, 최소화되거나, 또는 제거된다.

차단층의 절연 효과는 넓은 밴드 갭 절연 효과를 제공할 수 있는 반면에, 반도체일 수 있는 전기변색층은 "메모리" 효과(비휘발성)로서 그 안에 갇힌 전자(들)를 유지할 수 있는 낮은 수준의 전도 밴드를 가지며, 이는, 스위칭 과정이 일어나지 않는 한 정상적인 디바이스 작동에서 전력 소비를 줄이고/줄이거나, 최소화하고/하거나, 전력 소비 없음을 보장한다. 마찬가지로, 이러한 배열은 다른 형태의 전기변색 디바이스에서 발생하는 누설 문제를 감소, 최소화 및/또는 제거할 수 있다. 또한, 본원에 설명된 디바이스의 절연 특성은, 디바이스의 저항이 전극의 저항보다 훨씬 크기 때문에 전원 공급기로부터 전기변색층의 전기변색 물질에 적용되는 전압이, 전위 강하 없이 전극에 균일하게 적용될 수 있도록 한다. 다른 형태의 전기변색 디바이스는 일반적으로 전도성이 높을 수 있으며, 창과 같은 보다 큰 면적을 위한 적용에서, 디바이스는 훨씬 더 낮은 저항을 갖고 전극층의 저항은 디바이스의 저항과 비슷하거나 작을 수 있다. 이로 인해 전극층에 걸쳐 강하가 발생하여 더 넓은 면적의 적용에서 이들 디바이스의 적용을 위한 전원 공급기의 적용에 있어 불균일성을 유발할 수 있다. 반대로, 상기에서 지적한 바와 같이, 본원에 기술된 디바이스는 이 문제의 발생을 최소화하거나, 감소시키거나, 또는 제거하는 데 효과적일 수 있다.

일부 실시양태에서, 전기변색층의 전기변색 물질은 전자와 정공 모두를 포획할 수 있다. 전압 펄스가 임계값 초과로 두 전극에 공급되면 차단층의 밴드 벤딩으로 인해 작업 전극으로부터 전기변색층의 전기변색 물질로의 전자 주입이 발생할 수 있다. 전하는 차단층에 의해 제공되는 절연 효과로 인해 전기변색층에 저장된다. 전기변색층의 전기변색 물질에 저장된 전하는 색 변화 또는 투과/흡수의 변화를 일으킬 수 있다. 예를 들어, 이전의 투명 상태에서 높은 흡수(어두운) 상태로 변화될 수 있다.

한 형태에서, 전기변색층의 전기변색 물질의 활성화(또는 켜짐)는 제1 양전압을 제2 전극에 공급하고 제1 전극을 접지 전위로 유지하는 것을 포함할 수 있다. 한 형태에서, 제1 및 제2 양전압은 Vpp 미만의 통상적인 판독 전압(예를 들어, Vdd)이고, 일반적으로 약 1.5V 내지 9V, 약 1-1.5V, 약 1.5-2V, 약 2-2.5V, 약 2.5-3V, 약 3-3.5V, 약 3.5-4V, 약 4-4.5V, 약 4.5-5V, 약 5-5.5V, 약 5.5-6V, 약 6-6.5V, 약 6.5-7V , 약 7-7.5V, 약 7.5-8V, 약 8.5-9V, 약 9-9.5V, 또는 약 9.5-10V일 수 있다.

전기변색층의 전기변색 물질의 비활성화(또는 끄기)는 활성화/켜기 절차의 역전을 포함한다. 예를 들어, 전기변색층이 제1 전극에 양전압을 공급하여 활성화된/켜진 경우, 비활성화/끄기 작업은 소스 전극이 접지 전위로 유지되는 동안에 거의 동일한 크기의 음전압을 제2 전극에 공급하는 것을 포함한다. 대안적으로, 제2 전극에 음전압을 공급하여 전기변색층이 활성화된 경우, 비활성화/끄기 작업은 소스 전극 및 드레인 전극이 접지 전위로 유지되는 동안에 제어 게이트/게이트 전극에 대략 동일한 정도의 양전압을 공급하는 것을 포함한다.

용어 "플라즈몬"은 광과 같은 외부 전기장에 의해 여기되는 금속 표면 상의 자유 전자의 집합적 진동을 가리킨다. 전자는 전하를 띠기 때문에, 전자의 진동에 의해 발생하는 자유 전자의 밀도 분포로 인해 분극이 발생한다. 전도성 나노구조화된 물질의 존재는 분극을 위한 부위를 제공한다고 생각된다. 분극과 전자기장이 결합되는 현상을 "플라즈몬 공명"으로 지칭한다. 특히 금속 미세구조 또는 금속 입자 표면 상에서 발생하는 자유 전자의 광 및 플라즈마 진동 사이에서 발생하는 공명 현상을 국소 표면 플라즈몬 공명(LSPR)으로 지칭할 수 있다.

구체적으로, 금속 입자 표면의 자유 전자의 집합적 진동이 광과 같은 외부 전계에 의해 여기되면, 전자의 밀도 분포와 그 밀도 분포에 수반되는 편광이 진동에 의해 생성된다. 결과적으로 입자 근처에 국소화된 전자기장이 생성된다.

전기변색 소자 및 디바이스의 제조:

일부 실시양태는 전기변색 소자의 제조 방법을 포함한다. 일부 실시양태에서, 상기 방법은 기재 상에 전기 전도성 물질을 침착하는 단계; 전기 전도성 물질 상에 버퍼층을 침착하는 단계로서 생성된 버퍼층은 그 위에 나노구조화된 형태를 갖는 것인 단계; 버퍼층 상에 전기적 차단 물질 층을 침착하는 단계로서, 차단층은 나노구조화된 형태를 통과시키기에 충분히 얇은 것인 단계; 차단층 상에 전기변색층을 침착하는 단계; 전기변색층 상에 나노입자 전도층을 침착하는 단계로서, 전기변색층은 버퍼층으로부터 나노구조화된 형태를 통과시키기에 충분한 두께를 갖고, 전도층에서 상보적 형태에 영향을 미치는 것인 단계; 선택적으로, 나노입자 전도층 상에 전기 전도성 물질을 침착하는 단계; 및 선택적으로, 소자에 보호층을 추가하는 단계를 포함한다. 일부 실시양태에서, 전기변색 디바이스의 제조 방법은 전기변색 소자에 대해 전술한 단계를 포함하고, 제1 및 마지막 적용된 전기 전도성 물질과 전기적으로 연통된 전원을 추가하는 단계를 추가로 포함한다. 일부 실시양태에서, 버퍼층은 본원에서 앞서 설명한 바와 같이 나노구조화된 또는 거친 물질 또는 표면 형태일 수 있다. 일부 실시양태에서, 침착은 증착(vapor deposition)에 의한 것일 수 있다. 일부 실시양태에서, 침착은 스퍼터링에 의한 것일 수 있다. 일부 실시양태에서, 제1 전기 전도성 층은 인듐 주석 산화물을 포함하고 두께가 20 nm이다. 일부 실시양태에서, 버퍼층은 화합물 1을 포함하고 두께가 4 nm이다. 일부 예에서, 차단층은 Al₂O₃를 포함하고 두께가 100 nm이다. 일부 경우에, 전기변색층은 WO₃를 포함하고 두께가 200 nm이다. 일부 실시양태에서, 전도성 나노입자층은 Ag를 포함하고 두께가 15 nm이다. 일부 예에서, 제2 전기 전도성 층은 Al을 포함하고 두께가 200 nm이다.

실시예

다음의 실시예들은 본 개시내용의 실시양태를 예시하기 위한 것이지만, 어떠한 방식으로든 범위 또는 기본 원리를 한정하려는 것은 아니다.

2-(3-브로모페닐)벤조[d]옥사졸: 무수 1,4-디옥산(110 ml) 중 3-브로모벤조일 클로라이드(10.0 g, 45.6 mmol), 2-브로모아닐린(7.91 g, 46 mmol), Cs₂CO₃(30 g, 92 mmol), CuI(0.437 g, 2.3 mmol) 및 1,10-페난트롤린(0.829 g, 4.6 mmol)의 혼합물을 120℃에서 8시간 동안 가열하였다. 실온으로 냉각한 후, 그 혼합물을 아세트산에틸(300 ml)에 붓고 물(250 ml)로 워크업하였다. 그 수용액을 디클로로메탄(300 ml)으로 추출하였다. 유기상을 수집하고, 조합하고, Na₂SO₄에서 건조하였다. 짧은 실리카겔 컬럼(헥산/아세트산에틸 3:1)으로 정제하여 고체를 얻었고, 이것을 헥산으로 세정하여 담황색 고체(9.54 g, 76% 수율)를 얻었다.

2-(3-(4,4,5,5-테트라메틸-1,3,2-디옥사보롤란-2-일)페닐)벤조[d]옥사졸: 무수 1,4-디옥산(50 mL) 중 2-(3-브로모페닐)벤조[d]옥사졸(2.4 g, 8.8 mmol), 비스(피나콜라토)디보 론(2.29 g, 9.0 mmol), [1,1'-비스(디페닐포스피노)페로센]디클로로팔라듐(0.27 g, 0.37 mmol) 및 아세트산칼륨(2.0 g, 9.0 mmol)의 혼합물을 탈기한, 다음 80℃에서 하룻밤 동안 가열하였다. 실온으로 냉각한 후, 그 혼합물을 아세트산에틸(100 ml)에 부었다. 여과 후, 그 용액을 실리카겔에 흡수시키고 플래시 크로마토그래피(헥산/아세트산에틸 4:1)로 정제하여 백색 고체(75% 수율로 2.1 g)를 얻었다.

화합물-1: 디옥산/물(40 ml/8 ml) 중 3,5-디브로모피리딘(0.38 g, 1.6 mmol), 2-(3-(4,4,5,5-테트라메틸-1,3,2-디옥사보롤란-2-일)페닐)벤조[d]옥사졸(1.04 g, 3.1 mol), Pd(PPh₃)₄(0.20 g, 0.17 mmol) 및 탄산칼륨(0.96 g, 7.0 mmol)의 혼합물을 탈기하고, 아르곤 하에 90℃에서 하룻밤 동안 가열하였다. 실온으로 냉각한 후, 침전물을 여과하고 메탄올로 세정하여 백색 고체(95% 수율로 0.73 g)를 얻었다.

전기변색 디바이스 EC-1의 제조

전기변색 소자(실시예 EC-1)는 다음의 공정에 따라 제조하였다. 1.1 mm 두께의 유리 기재를 5 cm × 5 cm 크기로 절단하여 유리 기재를 제조하였다. 이어서, 유리 기재를 세제 및 탈이온수로 세정하고, 신선한 탈이온수로 헹구고, 약 1 시간 동안 초음파 처리하였다. 이어서, 유리 기재를 이소프로판올(IPA)에 담그고 약 1 시간 동안 초음파 처리하였다. 이어서, 유리 기재를 아세톤에 담그고 약 1 시간 동안 초음파 처리하였다. 이어서, 유리 기재를 아세톤 배스로부터 회수하고 실온에서 질소 가스로 건조하였다. 이어서, 유리 기재를 2 × 10-7 torr 및 설명된 침착 속도로 설정된 진공 침착 챔버(Angstrom Engineering, Inc.)에 로딩하였다. 먼저, 투명 소스 및 드레인 전극으로서 또는 기재 상에 배치된 단일 전극으로서, 10^-5 torr의 O₂ 압력(PO₂)에서 20 nm 두께의 금속 ITO 필름을 침착하였다. 이어서, 화합물-1의 버퍼층을 10^-7 torr의 진공하에 침착하였으며, 여기서 화합물-1(4 nm) 필름의 침착 속도는 나머지 층들에 대해 약 2 옹스트롬/초였다. 이어서, Al₂O₃ 차단층을 10^-7 torr의 진공하에 침착하였으며, 여기서 Al₂O₃₍100nm) 필름의 침착 속도는 나머지 층에 대해 약 2 옹스트롬/초였다. 미국 특허 제8,610,992호에 기술된 WO₃ 박막[약 200 nm](전기변색 물질/층)을 Al₂O₃ 필름 상에 침착하였다. 얇은 Ag 층을 WO₃ 층(전기변색 물질 층)에 전극으로서 침착하였다. 전원(Tektronix, Inc., Beaverton, OR, USA, Kethley 2400 소스미터) 사이에 전기적 연통을 연결하고, 전극으로 전기적 연통을 전환시켜 상단 또는 제2 전극(켜짐), 또는 하단 또는 제1 전극(꺼짐)에 선택적으로 전위를 인가할 수 있도록 하였다.

실시예 CE-1, CE-2, CE-3 및 EC-2의 디바이스를, 하기 표 1에 표기한 것들을 제외하고는 실시예 EC-1의 디바이스와 관련하여 상기 기술한 바와 유사한 방식으로 제조하였다.

투과율(T%)

또한, 실시예들의 전체 광 투과율 데이터는, 미국 특허 제8,169,136호(그에 제시되고 도 4에 기술됨)에 설명된 것과 유사한 측정 시스템(MCPD 7000, Otsuka Electronics, Inc., Xe 램프, 모노크로메이터 및 적분구를 구비함)을 이용하여 측정하였다. 도 3∼7은 시험되는 실시예들(각각 샘플 EC-2, CE-1, EC-2, CE-2, CE-3)의 전체 광 투과율 스펙트럼을 도시한다.

본원에 기술된 바와 같이 금속 나노입자층(15 nm) 및 버퍼층(4 nm)을 갖는 예시 EC-2 디바이스(도 1)를 Filmetrics F10-RT-YV 반사계(Filmetrics, San Diego, CA, USA)에 배치하고, 그를 통한 총 투과율(T%)을 다양한 파장의 광에 걸쳐 측정하였다. 그 결과를 도 3에 제시한다. 약 500 nm에서, 총 투과율(T%)은 온-상태에 있어 500 nm에서 약 4%였고, 오프-상태에 있어 500 nm에서 약 78%였다.

EC-1(2 nm 두께의 버퍼층), CE-1(금속 나노입자층 및 버퍼층 없음); CE-2(금속 나노입자층은 없고, 버퍼층은 있음); CE-3(금속 나노입자층은 있고, 버퍼층은 없음)을 갖는 디바이스에 대한 다양한 파장에서의 T%를 각각 도 5, 4, 6 및 7에 도시한다. 500 nm에서, 이들은 온 및 오프 상태 사이의 차이 T%가, 500 nm에서 58.2%(도 5, 2 nm의 버퍼층 및 15 nm의 금속 나노입자층); 0%(도 4, 버퍼층 및 금속 나노입자층 없음); 10%(도 6, 버퍼층은 있고, 금속 나노입자층은 없음); 및 14%(도 7, 버퍼층은 없고, 금속 나노입자층은 있음)로 나타났다. 도시된 바와 같이, 버퍼층 단독 및 금속 나노입자층 단독의 실시양태는 어느 층도 없는 비교 실시양태에 비해 개선을 나타낸다. 또한, 전도성 나노입자층 및 버퍼층을 모두 갖는 실시양태는 어느 층도 없고/없거나 어느 한 층 또는 다른 층을 갖는 비교 실시양태에 비해 상승적 이점을 나타낸다.

투과 %

또한, 추가의 결과(EC-1, EC-2, CE-3)를 하기 표 2에 제시한다.

이러한 결과에 근거하여, 전도성 나노입자층에 따라 디바이스의 T%가 급격히 변화함을 알 수 있다. 또한, 버퍼층 및 전도성 나노입자층을 갖는 디바이스의 경우, 버퍼층에서 초기 상태로부터 온 상태까지의 T% 차이가 매우 크고, 0 nm로부터 4 nm로 증가함을 알 수 있다.

개시된 공정 및/또는 방법에 대해, 그 공정 및 방법에서 수행되는 기능들은 문맥에 의해 명시될 수 있는 바와 같이 상이한 순서로 구현될 수 있다. 또한, 설명된 단계 및 작업은 예시로만 제공된 것이며, 일부 단계 및 작업은 선택적이거나, 보다 적은 단계와 작업에 조합되거나, 또는 추가 단계 및 작업으로 확장될 수 있다.

본 개시내용은 때때로 상이한 다른 구성요소 내에 포함되거나 그와 연결된 상이한 구성요소를 예시할 수 있다. 이러한 기술된 구성들은 단지 예시일 뿐이며, 동일하거나 유사한 기능을 달성하는 다수의 다른 구성들이 구현될 수 있다.

실시양태

본 개시내용의 저자들은 적어도 다음을 포함하는 다수의 특정 실시양태를 고안한다:

실시양태 1 a. 제1 전극;

b. 차단층;

c. 전기변색층;

d. 전기변색층 상에 배치된 전도성의 나노구조화된 층을 포함할 수 있는 제2 전극

을 포함하는 전기변색 소자.

실시양태 2 실시양태 1에 있어서, 제1 전극은 투명한 전도성 금속 산화물을 포함하고, 제2 전극은 투명한 전도성 금속 산화물을 포함하며, 전도성의 나노구조화된 층은 투명한 전도성 금속 산화물을 포함하는 제2 전극과 전기변색층 사이에 배치되는 것인 전기변색 소자.

실시양태 3 실시양태 1에 있어서, 전도성의 나노구조화된 층은 Ag, Cu, Au, 또는 Al을 포함하는 것인 전기변색 소자.

실시양태 4 실시양태 1에 있어서, 전도성의 나노구조화된 층은 2 nm ∼ 1 ㎛의 평균 직경을 갖는 나노입자를 포함하는 것인 전기변색 소자.

실시양태 5 실시양태 1에 있어서, 제1 전극과 차단층 사이에 배치된 버퍼층을 추가로 포함하는 전기변색 소자.

실시양태 6 실시양태 5에 있어서, 버퍼층은 임의로 치환된 방향족 고리를 포함할 수 있는 비폴리머 유기 화합물을 포함하는 것인 전기변색 소자.

실시양태 7 실시양태 6에 있어서, 비폴리머 유기 화합물은

인 전기변색 소자.

실시양태 8 실시양태 1에 있어서, 제1 전극 소자는 투명한 전도성 물질을 포함하는 것인 전기변색 소자.

실시양태 9 실시양태 8에 있어서, 투명한 전도성 물질은 금속 산화물 물질인 전기변색 소자.

실시양태 10 실시양태 9에 있어서, 금속 산화물 물질은 인듐 주석 산화물인 전기변색 소자.

실시양태 11 전기변색 물질을 포함하는 실시양태 1의 전기변색 소자를 포함하는 시스템으로서, 전기변색 물질의 적어도 하나의 광학적 특성이, 전위의 인가시 제1 상태로부터 제2 상태로 변화될 수 있고, 디바이스는 전위의 지속적인 인가 없이 제2 상태에서 전기변색 물질의 적어도 하나의 광학적 특성을 유지하도록 구조화된 것인 시스템.

실시양태 12 실시양태 11에 있어서, 전기변색 디바이스에 전위를 제공하기 위해 전극과 전기적으로 연통된 전원을 추가로 포함하는 시스템.

실시양태 13 전기변색 디바이스의 제조 방법으로서,

제1 전도성 물질을 제공하는 단계;

전도성 물질 상에 버퍼층을 침착하는 단계로서, 생성된 버퍼층은 그 위에 나노구조화된 템플레이트 형태를 갖는 것인 단계;

버퍼층 상에 전기적 차단 물질 층을 침착하는 단계;

전기적 차단층 상에 전기변색층을 침착하는 단계; 및

전기변색층 상에 제2 전도성 물질을 침착하는 단계로서, 전기적 차단층 및 전기변색층은 버퍼층 표면으로부터 나노구조화된 템플레이트 형태를 전달하고 전도성 층에서 상보적 형태에 영향을 미치기에 충분한 두께를 가지며, 전도성 층은 충분한 상보적 표면 형태를 가짐으로써 국소 표면 플라즈몬 공명에 영향을 미치는 것인 단계

를 포함하는 전기변색 디바이스의 제조 방법.

실시양태 14 실시양태 13에 있어서, 전도성 물질을 전원에 전기적으로 연결하는 단계를 추가로 포함하는 제조 방법.

실시양태 15 실시양태 13에 있어서, 전도성 물질을 제공하는 단계는 투명한 금속 산화물층 상에 금속 전도성 층을 침착하는 것을 포함하는 것인 제조 방법.

실시양태 16 실시양태 15에 있어서, 금속 전도층은 Ag, Au 및/또는 Al을 포함하는 것인 제조 방법.

실시양태 17 실시양태 13에 있어서, 침착 단계들 중 적어도 하나는 증착(vapor deposition)에 의한 것인 제조 방법.

실시양태 18 실시양태 13에 있어서, 침착 단계들 중 적어도 하나는 스퍼터링에 의한 것인 제조 방법.

달리 명시되지 않는 한, 명세서 및 청구범위에 사용된 성분의 양, 특성, 예컨대 분자량, 반응 조건 등을 나타내는 모든 숫자는, 모든 경우에 용어 "약"에 의해 수식된 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 반대로 명시되지 않는 한, 명세서 및 첨부된 청구범위에 기재된 수치 파라미터는 얻고자 하는 바람직한 특성에 따라 변할수 있는 근사치이다. 최소한, 청구범위에 대한 균등내용의 원칙의 적용을 한정하려는 시도가 아니라, 각각의 수치 파라미터는 적어도 보고된 유효 자릿수를 감안하여, 그리고 일반적인 반올림 기술을 적용하여 해석되어야 한다.

본 발명을 설명하는 맥락에서 사용된 용어 "한", "하나", "그" 및 유사한 지시어는, 본원에서 달리 명시되거나 문맥에 의해 명확하게 모순지 않는 한 단수와 복수를 모두 포괄하는 것으로 해석되어야 한다. 본원에 기술된 모든 방법은 본원에서 달리 명시되거나 문맥에 의해 명백히 모순되지 않는 한 임의의 적절한 순서로 수행될 수 있다. 본원에 제공된 임의의 및 모든 예 또는 예시적인 언어(예를 들어, "예컨대")의 사용은 단지 본 발명을 보다 잘 설명하기 위한 것이며 임의의 청구항의 범위에 제한을 두지 않는다. 명세서의 어떠한 언어도 본 발명의 수행에 필수적인 비청구된 요소를 나타내는 것으로 해석되어서는 안 된다.

본원에 개시된 대안적인 요소 또는 실시양태의 그룹은 제한으로 해석되어서는 안된다. 각 그룹 구성원은 개별적으로, 또는 그룹의 다른 구성원 또는 본원에서 발견되는 다른 요소와의 임의의 조합으로 언급되고 청구될 수 있다. 그룹의 하나 이상의 구성원이 편의성 및/또는 특허성을 이유로 그룹에 포함되거나 그룹에서 삭제될 수 있음을 예상한다.

본 발명을 수행하기 위해 본 발명자들에게 공지된 최상의 방식을 포함하는 특정 실시양태들이 본원에 기술되어 있다. 물론, 이들 설명된 실시양태에 대한 변형은 전술한 설명을 읽을 때 당업자에게 명백해질 것이다. 본 발명자는 당업자가 이러한 변형을 적절히 사용하기를 기대하고, 본 발명자들은 본 발명이 본원에 구체적으로 설명된 것과 다르게 실시되기를 의도한다. 따라서, 청구범위에는 적용 가능한 법률이 허용하는대로 청구범위에 언급된 주제의 모든 변형예 및 균등내용이 포함된다. 또한, 그의 모든 가능한 변형예에서 전술한 요소들의 임의의 조합은, 본원에서 달리 명시되거나 문맥에 의해 달리 명백히 모순되지 않는 한 고려된다.

마지막으로, 본원에 개시된 실시양태는 청구범위의 원리를 예시하는 것임을 이해해야 한다. 채용될 수 있는 다른 변형예는 청구범위에 속하는 것이다. 따라서, 제한이 아닌 예로서, 본원의 교시에 따라 대안적인 실시양태가 이용될 수 있다. 따라서, 청구범위는 도시되고 기술된 바와 같이 실시양태로 정확하게 한정되지 않는다.

Claims

제1 전극;
제2 전극;
제1 전극과 제2 전극 사이에 배치된 차단층;
제1 전극과 제2 전극 사이에 배치된 전기변색층; 및
전기변색층 상에 배치된 전도성 나노입자 금속층
을 포함하는 전기변색 소자.
제1항에 있어서, 제1 전극과 차단층 사이에 버퍼층을 추가로 포함하는 전기변색 소자.
제1항 또는 제2항에 있어서, 제1 전극은 투명한 전도성 금속 산화물을 포함하는 것인 전기변색 소자.
제3항에 있어서, 투명한 전도성 금속 산화물은 인듐 주석 산화물인 전기변색 소자.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 차단층은 전기 절연 물질을 포함하는 것인 전기변색 소자.
제5항에 있어서, 전기 절연 물질은 Al₂O₃인 전기변색 소자.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 전기변색층은 무기 화합물 또는 유기 화합물을 포함하는 것인 전기변색 소자.
제7항에 있어서, 무기 화합물은 WO₃인 전기변색 소자.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 전도성 나노입자 금속층은 Ag, Cu, Au 또는 Al을 포함하는 것인 전기변색 소자.
제9항에 있어서, 전도성 나노입자 금속층은 Ag인 전기변색 소자.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 전극은 투명한 전도성 금속 또는 금속 산화물을 포함하는 것인 전기변색 소자.
제11항에 있어서, 투명한 전도성 금속은 Al인 전기변색 소자.
제2항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 버퍼는 비폴리머 방향족 화합물을 포함하는 것인 전기변색 소자.
제13항에 있어서, 비폴리머 방향족 화합물은

인 전기변색 소자.
제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 보호층을 추가로 포함하는 전기변색 소자.
제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
전기변색 소자는 전위의 인가시 제1 상태로부터 제2 상태로 변화될 수 있는 하나 이상의 광학적 특성을 갖고; 전기변색 소자는 전위의 지속적인 인가 없이 제2 상태가 유지되도록 구조화된 것인 전기변색 소자.
전기변색 디바이스로서,
제1항 내지 제16항 중 어느 한 항의 전기변색 소자; 및
전기변색 디바이스에 전위를 제공하기 위해 제1 전극 및 제2 전극과 전기적으로 연통된 전원
을 포함하는 전기변색 디바이스.
제17항에 있어서, 버퍼층은 나노구조화된 템플레이트 형태를 생성하는 방식으로 제1 전극 상에 침착되고;
버퍼층 상의 후속층의 침착물은, 전기변색 디바이스의 나노구조화된 템플레이트 형태가 나노구조화된 금속층 및 제2 전극에서 유지되어 국소 표면 플라즈몬 공명을 일으키도록 적절한 두께를 갖는 것인 디바이스.
제17항 또는 제18항의 전기변색 디바이스의 제조 방법으로서,
기재를 제공하는 단계;
제1 전극을 침착하는 단계;
제1 전극 상에 버퍼층을 침착하는 단계;
버퍼층 상에 차단층을 침착하는 단계;
차단층 상에 전기변색층을 침착하는 단계;
전기변색층 상에 전도성의 나노구조화된 금속층을 침착하는 단계;
전도성의 나노구조화된 금속층 상에 제2 전극을 침착하는 단계; 및
전기변색 디바이스에 전위를 제공하기 위해 제1 전극 및 제2 전극과 전기적으로 연통된 전원을 제공하는 단계
를 포함하는 상기 전기변색 디바이스의 제조 방법.
제19항에 있어서, 침착 단계들 중 적어도 하나는 증착인 제조 방법.