KR20210079640A - 광 투과 가변 기능을 갖는 소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 광학 소자에 관한 것으로서, 특히, 반도체 나노 입자를 포함하는 코어; 및 절연물을 포함하는 쉘;을 포함하는 착색층을 가지고 광 투과 가변 기능을 갖는 투과 가변 소자에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 텐덤 구조를 가져 광 차단율이 매우 우수하며, 투과도를 변화시키는 물질의 동적 변화가 없고 전류가 흐르지 않아 투과 또는 차단모드 시 전력소비가 없으며, 소자를 구성하는 모든 물질이 무기물로서 내구성이 우수한 투과 가변 소자를 제공한다.
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Description
본 발명은, 광학소자에 관한 것으로서, 특히, 광 투과 가변 기능을 갖는 광학소자에 관한 것이다.
상황에 따라 능동적으로 투과도가 가변되는 스마트 유리는 디스플레이, 자동차, 주거용 창문등에 활용하여 새로운 디스플레이 및 가전 기기 개발, 그리고 편리성과 안전에 대한 사회적, 시대적 요청에 의해 최근 많은 연구와 제품개발이 이루어지고 있다.
현재까지 개발된 대부분의 투과율 가변기술은 PDLC(Polymer Dispersed Liquid Crysta)필름, EC(Electro-Chromic)유리 제품이 주를 이루고 있다. PDLC 필름을 가장 많이 사용하며 상용화 수준에 이르렀지만 내구성 향상의 과제가 남아 있고, EC 유리 제품은 높은 가격과 무게, 곡면 시공 등 문제가 있기 때문에 아직 사용이 확대되지 못하고 있다.
응용처 확대를 위해 최근 EC 필름 제품개발이 활발한 상황이지만 전해질/전극간의 내구성 개선과 대면적화에 따른 응답속도 개선 등을 과제로 상용화를 위해 다수의 업체가 개발 중이다.
또한 SPD(Suspended Particle Device) 기술은 고급차의 선루프에 적용중 이나, 입자의 비싼 가격으로 보편적 적용이 어렵고, 균일한 변색특성을 위해 Cell gap이 유지되어야 하므로 필름화 하여 장폭으로 생산하기 위해 연구개발 중인 기술로 알려져 있다.
한국등록특허 제 2035332 호는 전기적 내구성이 우수하고 다양한 색채를 내는 일렉트로크로믹 소자를 위해 옥사진 골격을 갖는 화합물을 제공하고 있고, 일본등록특허 제 5822691 호는 일렉트로크로믹층과 전해질층 계면에서 발생하는 반사광을 줄일 수 있는 일렉트로크로믹 소자를 제시하고 있다.
그러나 종래와 같은 PDLC, SPD 방식의 투과 가변 기능을 갖는 변색 소자들은 마주보는 투명전극 사이에 위치한 재료들의 동적 거동으로 투과도를 조절하는 방식이고, EC 방식은 전류의 흐름에 의한 산화/환원의 원리로 변색되는 소자이며 유기물을 포함하여 장시간 실외에서 사용 시 내구성이 저하되는 문제가 있다.
또한 상기의 방법들은 재료에 의해 콘트라스트가 정해지고 액상의 재료가 구동하여 투과도를 조절하기 때문에 소자의 구조를 개선하는데 한계가 있다.
본 발명의 투과 가변 소자는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 반도체 나노 입자를 포함하는 코어 및 절연물을 포함하는 쉘을 포함하는 나노 코어-쉘 입자를 포함하는 투과 가변 소자를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명은 또한 상기한 명확한 목적 이외에 이러한 목적 및 본 명세서의 전반적인 기술로부터 이 분야의 통상인에 의해 용이하게 도출될 수 있는 다른 목적을 달성함을 그 목적으로 할 수 있다.
본 발명의 투과 가변 소자는 상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여,
제 1 투명전극;
나노 코어-쉘 입자를 포함하는 제 1 착색층;
제 1 p형 반도체층;
제 2 투명전극;
제 2 p형 반도체층;
나노 코어-쉘 입자를 포함하는 제 2 착색층; 및
제 3 투명전극;이 순차적으로 적층된 투과 가변 소자로서,
상기 나노 코어-쉘 입자는, 반도체 나노 입자를 포함하는 코어, 및 상기 코어의 적어도 일면을 둘러싼 절연물을 포함하는 쉘을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 투과 가변 소자는 전계의 인가 방향에 따라 광 투과율을 조절할 수 있다.
그리고, 상기 광 투과율은 가시광 투과율일 수 있다.
또한, 상기 투과 가변 소자는 최소 광 투과율이 15 % 이하, 바람직하게는 12 % 이하, 더욱 바람직하게는 10 % 이하일 수 있다.
또한, 상기 나노 코어-쉘 입자는 광 조사에 의해 나노 코어-쉘 입자 내 새로운 에너지 준위가 형성된 광 변성 나노 코어-쉘 입자일 수 있다.
그리고, 상기 광은 자외선일 수 있다.
또한, 상기 코어는 밴드갭이 2.0 내지 5.0 eV, 바람직하게는 2.5 내지 5.0 eV, 더욱 바람직하게는 3.0 내지 5.0 eV인 물질을 포함할 수 있다.
또한, 상기 쉘은 밴드갭이 4.0 eV 이상, 바람직하게는 4.5 eV 이상, 더욱 바람직하게는 5.0 eV 이상, 더욱 바람직하게는 5.2 eV인 물질을 포함할 수 있다.
그리고, 상기 쉘은 코어보다 밴드갭이 큰 물질을 포함할 수 있다.
그리고, 상기 반도체 나노 입자는 n형 반도체 물질을 포함할 수 있다.
그리고, 상기 반도체 나노 입자는 Sn, Ti, Zn, In, Sb, Cd, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 것의 산화물을 포함할 수 있다.
그리고, 상기 절연물은 Al, Si, Zr, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 것의 산화물을 포함할 수 있다.
그리고, 상기 절연물은 절연성 수지이고, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스틸렌, 폴리부타디엔, 폴리염화비닐, 폴리메틸메타크리에이트, 폴리아미드, 폴리카보네이트, 폴리이미드, 아세트산 셀룰로오스 등의 열가소성 수지, 페놀 수지, 아미노 수지, 불포화폴리에스테르 수지, 알릴 수지, 알키드 수지, 에폭시 수지, 폴리우레탄, 실리콘 수지, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
그리고, 상기 코어의 평균입경이 0.001 내지 50 μm, 바람직하게는 0.01 내지 10 μm, 더욱 바람직하게는 0.04 내지 5 μm일 수 있다.
그리고, 상기 쉘의 평균두께가 1 내지 600 nm, 바람직하게는 5 내지 500 nm, 더욱 바람직하게는 10 내지 400 nm일 수 있다.
그리고, 상기 나노 코어-쉘 입자는,
상기 코어 100 중량부; 및
상기 쉘 0.01 내지 100 중량부, 바람직하게는 0.1 내지 50 중량부, 더욱 바람직하게는 1 내지 50 중량부;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 투과 가변 소자는, 상기 제 1 투명전극의 대향면에 배치된 기재를 더 포함하고, 상기 기재는 투명기재일 수 있다.
또한, 상기 p형 반도체층은 Ni, Ba, Sr, Ga, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 것의 산화물을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 투과 가변 소자는, 입사광 차단율이 우수하고 투과도를 변화시키는 물질의 동적 변화가 없고 전류가 흐르지 않아, 투과 또는 차단모드 시 전력소비가 없으며, 소자를 구성하는 모든 물질이 무기물로서 내구성이 우수한 소자이다. 또한, 보다 단순한 제조공정을 통해서 저가로 제조가 가능하며 특히 여러가지 다양한 그레이레벨을 표현할 수 있는 투과 가변 소자를 제공할 수 있다.
본 발명의 투과 가변 소자는 건축용, 차량용 등의 창호, 인테리어 필름, 또는 블라인드, 디스플레이, 스마트 창 등 관련 분야에 응용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 코어-쉘 입자의 모식도이다.
도 2는 본 발명의 투과 가변 원리를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 투과 가변 소자의 단위소자(single)이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 투과 가변 소자(tandem)이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 투과 가변 소자의 투과 모드 및 차단모드를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 투과 가변 소자의 투과율이다.
도 2는 본 발명의 투과 가변 원리를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 투과 가변 소자의 단위소자(single)이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 투과 가변 소자(tandem)이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 투과 가변 소자의 투과 모드 및 차단모드를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 투과 가변 소자의 투과율이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명한다.
다만, 아래는 특정 실시예들을 예시하여 상세히 설명하는 것일 뿐, 본 발명은 다양하게 변경될 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있기 때문에, 예시된 특정 실시예들에 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 본 발명은 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 하기의 설명에서는 구체적인 구성요소 등과 같은 많은 특정사항들이 설명되어 있는데, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐 이러한 특정 사항들 없이도 본 발명이 실시될 수 있음은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다 할 것이다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
그리고, 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 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.
본 출원에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서, '포함하다', '함유하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 구성요소(또는 구성성분) 등이 존재함을 지칭하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 구성요소 등이 존재하지 않거나 부가될 수 없음을 의미하는 것은 아니다.
본 발명의 투과 가변 소자는, 제 1 투명전극; 나노 코어-쉘 입자를 포함하는 제 1 착색층; 제 1 p형 반도체층; 제 2 투명전극; 제 2 p형 반도체층; 나노 코어-쉘 입자를 포함하는 제 2 착색층; 및 제 3 투명전극;이 순차적으로 적층된 투과 가변 소자로서, 상기 나노 코어-쉘 입자는, 반도체 나노 입자를 포함하는 코어, 및 상기 코어의 적어도 일면을 둘러싼 절연물을 포함하는 쉘을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 나노 코어-쉘 입자를 구성하는 코어는 반도체 나노 입자를 포함하며, 밴드갭이 2.0 내지 5.0 eV, 바람직하게는 2.5 내지 5.0 eV, 더욱 바람직하게는 3.0 내지 5.0 eV인 물질이 바람직하고, 결정형이거나, 응집된 입자일 수 있다. 상기 코어를 구성하는 반도체 나노입자는 n형 반도체 물질을 포함할 수 있고 Sn, Ti, Zn, In, Sb, Cd, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 것의 산화물일 수 있다. 따라서 단일 금속의 산화물이거나 2 종 이상의 금속을 포함하는 복합 금속의 산화물일 수 있다.
상기 쉘은 상기 코어의 적어도 일면 또는 전부를 둘러싸거나 표면을 덮는 형상을 하는 것일 수 있으며, 쉘은 쉘을 구성하는 물질이 결정이나 응집체를 형성하여 이들이 다수 집합된 형태일 수 있고, 그 일 실시예로 도 1과 같이 나타낼 수 있다. 상기 쉘은 밴드갭이 4.0 eV 이상, 바람직하게는 4.5 eV 이상, 더욱 바람직하게는 5.0 eV 이상, 더욱 바람직하게는 5.2 eV 이상인 물질을 포함할 수 있고, 절연물일 수 있으며 Al, Si, Zr, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 것의 산화물일 수 있다. 따라서 알루미나, 실리카, 지르코니아 등의 단일물의 산화물이거나, 2 종 이상의 금속 또는 준금속을 포함하는 복합 산화물일 수 있다.
또한, 쉘을 구성하는 절연물은 상기 산화물 외에도 절연성 수지일 수 있다.상기 절연성 수지는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스틸렌, 폴리부타디엔, 폴리염화비닐, 폴리메틸메타크리에이트, 폴리아미드, 폴리카보네이트, 폴리이미드, 아세트산 셀룰로오스 등의 열가소성 수지, 페놀 수지, 아미노 수지, 불포화폴리에스테르 수지, 알릴 수지, 알키드 수지, 에폭시 수지, 폴리우레탄, 실리콘 수지, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
상기 나노 코어-쉘 입자는 자외선에 의해 새로운 에너지 준위가 형성된 광 변성 나노 코어-쉘 입자인 것일 수 있다. 절연물로 이루어지는 쉘 위로 자외선과 같은 광이 조사되면 코어인 반도체 나노 입자에 전자를 포획할 수 있는 새로운 에너지 준위가 형성되는 광 변성이 일어날 수 있다. 더욱 구체적으로는 자외선에 의해 여기된 반도체 나노 입자의 전자 중 일부가 절연물 장벽을 넘어 이탈될 때 전자가 빈 에너지 준위는 반도체 나노 입자의 밴드갭 내에 형성되어 실질적으로 밴드갭이 축소된 효과를 가져오며 전자 여기에 필요한 에너지 또한 감소되어 광 조사 이전의 물질과 다른 새로운 구조 및 물성을 갖는 광 변성된 나노 입자가 형성된다. 상기 광 변성 현상을 일으키기 위해 상기 절연물은 상기 코어 물질보다 밴드갭이 큰 것을 특징으로 하며, 특히 상기 나노 코어-쉘 입자는 반도체 나노 입자가 코어를 형성하고 이를 충분히 감싸는 쉘 형태를 가짐으로써 코어 및 쉘 사이의 계면에서 일어날 수 있는 상기 광 변성 현상을 극대화할 수 있는 것이다.
나노 코어-쉘 입자의 코어는 평균입경이 0.001 내지 50 μm, 바람직하게는 0.01 내지 10 μm, 더욱 바람직하게는 0.04 내지 5 μm일 수 있고, 상기 쉘의 평균두께는 1 내지 600 nm, 바람직하게는 5 내지 500 nm, 더욱 바람직하게는 10 내지 400 nm일 수 있다.
그리고, 상기 나노 코어-쉘 입자는, 상기 코어 100 중량부; 및 상기 쉘 0.01 내지 100 중량부, 바람직하게는 0.1 내지 50 중량부, 더욱 바람직하게는 1 내지 50 중량부;를 포함할 수 있다.
본 발명의 투과 가변 소자는 광 투과율을 임의로 조절할 수 있는 광학소자이며, 전계의 인가 방향에 따라 입사광이 차단되는 차단모드 및 입사광이 투과하는 투과모드, 그리고 차단모드 및 투과모드 사이의 그레이모드를 가질 수 있다. 상기 투과 가변 소자의 투과가변능은 종래 전해질 기반의 일렉트로크로믹 소자와는 다른 새로운 원리에 기반하는 것으로, 캐리어 밀도 증감에 기인하는 것이어서 물질 자체의 반응이나 구조 변화가 없어 내구성이 현저히 향상된 소자이다.
상기 나노 코어-쉘 입자를 포함하는 광학층과 맞닿은 제 1 투명전극 및 p형 반도체층과 맞닿은 제 2 투명전극에 전계를 인가하여 제 1 투명전극에 양극, 제 2 투명전극에 음극을 형성할 경우 광 변성으로 인해 형성된 에너지 준위에 있던 전자 중 가시광 정도의 에너지를 갖는 광에 의해 여기된 전자가 쉘을 구성하는 절연물 장벽을 넘어 양극인 제 1 투명전극층에 포획될 수 있다. 전자 유출이 진행되면서 반도체 나노 입자의 전자 밀도가 낮아지고 광 투과율이 점차 높아져 투과모드에 이를 수 있다. 반대의 사상도 가능하여, 제 1 투명전극에 음극, 제 2 투명전극에 양극을 형성할 경우 투명전극에 포획되어 있던 전자가 다시 반도체 나노 입자 내의 광 변성에 의해 형성된 에너지 준위로 돌아가 안착할 수 있으며, 이에 따라 나노 코어-쉘 입자의 전자밀도가 증가하여 광 투과율이 점차 낮아져 차단모드에 이를 수 있다.
이러한 원리를 활용한 가변 투과 소자에 있어, 본 발명과 같이 산화물 반도체 입자 및 절연물이 코어-쉘 구조를 가질 때 상기 투과율 가변능이 가장 효율적으로 발현될 수 있다. 종래 본 발명과 유사한 기능을 하는 광학소자는 단순 분산에 의해 투과율을 변화시키는 광학층을 형성하여 분산능을 향상시켜야 하는 과제가 발생하였고 과도한 응집체나 미반응 반도체 나노 입자가 발생하여 효율성이 저감되었으며 재현성이 낮아 실용성이 매우 낮았다. 또한 전극층 상에 절연층을 형성한 다층 구조가 제시될 수 있으나 이는 적층체의 박막화에 한계가 있다. 이에 비해 본 발명은 코어-쉘 입자가 광학층을 형성하기 때문에 전극-절연물-반도체 간의 계면을 최대화하고 장벽을 형성하는 절연층을 필요한 정도로만 쉘의 형태로 존재하도록 함으로써 광학 기능을 충분히 발휘할 수 있게 하면서도 보다 얇은 형태의 소자 형성이 가능하게 하여 광학 소자로서의 성능과 활용성을 현저히 향상시킬 수 있다.
또한 본 발명의 투과 가변 소자는 가해지는 전력에 따라 점진적으로 광 투과율이 증가하거나 감소하기 때문에 다양한 그레이레벨이 가능하여 사용 편의성 및 응용 분야가 매우 다양하다. 또한, 상기 투과 가변 소자는 상기 나노 코어-쉘 입자를 포함하는 광학층에 의해 메모리 특성이 부여되어 전계가 유지되지 않아도 투과율이 일정하게 유지된다. 상기 메모리성은 수일 내지 수개월 지속될 수 있어 광 투과율을 변화시킬 때에만 전력이 필요하고, 소정의 광 투과율을 유지하는 데에는 전력이 필요치 않아 종래의 일렉트로크로믹 장치에 비해 전력 소모를 현저히 감소시킬 수 있어 매우 경제적일 뿐만 아니라 활용성이 높다.
본 발명의 투과 가변 소자는 도 4와 같이 상기 투과 가변 소자는 두 개의 단위소자가 마주보며 적층된 구조와 같은 구조를 포함하는데, 상기 단위소자는 2 개의 투명전극, 투명전극 사이에 배치된 착색층 및 p형 반도체층을 포함하며 도 3과 같이 도시할 수 있다. 본 발명의 투과 가변 소자는 이러한 단위소자(single)가 적어도 2 이상 적층된 텐덤(tandem)구조이다. 다만 p형 반도체층과 맞닿은 전극들 또는 착색층과 맞닿은 전극들이 같은 전하를 띠게 하기 위해서는 인접하는 단위소자는 서로 마주보아야 할 것이다.
상기 단위소자에 있어서, 차단모드와 투과모드 사이에 나타낼 수 있는 가시광 투과율은 15 내지 85 %, 바람직하게는 20 내지 75 %, 더욱 바람직하게는 24 내지 70 %의 범위를 가질 수 있다. 이는 400 내지 700 nm 파장, 450 내지 650 nm 파장, 500 내지 600 nm 파장, 또는 550 내지 551 nm 파장을 갖는 광의 평균 투과율을 의미하는 것일 수 있으며, 파장이 짧은 쪽의 광 투과율이 낮고 파장이 긴 쪽의 광 투과율이 다소 높을 수 있다.
두 단위소자가 적층된 투과 가변 소자는 투과 최소 광 투과율이 15 % 이하, 바람직하게는 12 % 이하, 더욱 바람직하게는 10 % 이하로서, 매우 낮은 투과율을 보여 실사용에 있어서 충분한 차단효과를 갖는다. 도 5에서 보는 것 처럼, 이는 2 이상의 단위소자가 적층된 투과 가변 소자로 입사하는 광이 2 이상의 착색층을 거치게 되어, 단위소자만으로 이루어진 단일 투과 가변 소자에 비해 입사광을 차단하는 차단모드에서의 광 투과율을 현저히 저감시킬 수 있기 때문이다. 상기 최소 광 투과율은 가시광에 대한 투과율일 수 있다. 또한, 상기 투과 가변 소자는 차단모드에서의 가시광(400 내지 700 nm) 투과율이 15 % 이하, 바람직하게는 12 % 이하, 더욱 바람직하게는 10 % 이하일 수 있다.
본 발명의 투과 가변 소자의 차단모드에서 투과모드 또는 투과모드에서 차단모드로 변환되는 응답속도는 10초 이하, 바람직하게는 8초 이하, 더욱 바람직하게는 5 초 이하일 수 있다.
또한, 상기 제 1 내지 제 3 투명전극은 각각 ITO(Indium tin Oxide). IZO(Indium Zinc Oxide)와 같은 산화물 기반의 투명전극, 그래핀, CNT(Carbon nano-tube)와 같은 탄소소재 기반의 투명전극, PEDOT:PSS와 같은 고분자 기반의 투명전극, Thin Ag, Ag Nano-wire, Cu Nano wire와 같은 금속 기반의 투명전극일 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 또한, ITO/Ag/ITO, ITO/Agnano wire 등과 같이 상기의 투명전극 재료를 복층으로 구성할 수 있고, 각 투명전극은 서로 같은 물질이거나, 상이한 물질로 이루어질 수 있다.
그리고, 상기 투과 가변 소자는 상기 제 1 투명전극의 외측인 대향면에 배치된 기재를 더 포함할 수 있고, 투명전극이 투명한 기재 상에 형성될 경우 전체적으로 투명한 투명 소자가 되어 건축물, 차량 등의 창문, 디스플레이 등 다양한 분야에 활용될 수 있다. 상기 기재는 평평하거나 곡률을 가질 수 있으며, 플렉서블 기재일 수 있다. 또한, 기재는 제 1 투명전극 대신 제 3 투명전극 등 반대쪽 말단에 위치한 투명전극 외측에 배치될 수 있음은 물론이다.
또한, 상기 p형 반도체는 Ni, Ba, Sr, Ga, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 것의 산화물일 수 있다.
이상 살펴본 바와 같이 본 발명의 투과 가변 소자는 이를 구성하는 물질이 모두 고체이며 무기물이기 때문에 액정형, 종래의 일렉트로크로믹 소자과 같이 유기물 또는 액체 전해질을 포함하는 소자가 갖는 안정성 문제와 규모화, 상용화의 한계, 곡면 시공의 어려움 등을 개선할 수 있을 뿐만 아니라 내구성이 우수하고 크기, 형태가 다양한 제품 제작이 용이하여 실용적이며 활용도가 우수하다.
한편, 본 발명에 따른 투과 가변 소자의 제조방법은,
기재 상에 제 1 투명전극을 형성하는 단계; 상기 제 1 투명전극 위로 나노 코어-쉘 입자를 포함하는 제 1 착색층을 형성하는 단계; 상기 제 1 착색층에 자외선을 조사하는 단계; 상기 제 1 착색층 위로 제 1 p형 반도체층을 형성하는 단계; 상기 p형 반도체층 위로 제 2 투명전극을 형성하는 단계; 상기 제 2 투명전극 위로 제 2 p형 반도체층을 형성하는 단계; 상기 제 2 p형 반도체층 위로 나노 코어-쉘 입자를 포함하는 제 2 착색층을 형성하는 단계; 상기 제 2 착색층에 자외선을 조사하는 단계; 상기 제 2 착색층 위로 제 3 투명전극을 형성하는 단계;를 포함할 수 있다. 이하 각 단계별로 상세히 설명한다.
먼저 기재 상에 제 1 투명전극을 형성하며, 상기 기재는 투명한 기재일 수 있으며, 기재 위에 투명전극을 형성하는 공지의 방법을 이용할 수 있다.
다음으로, 상기 제 1 투명전극 위로 나노 코어-쉘 입자를 포함하는 착색층을 형성한다. 나노 코어-쉘 입자 형성 후 이를 제 1 투명전극 상에 공지된 코팅법을 이용하여 코팅할 수 있으며, 특히 Spin-coating, Dip coating, Slot-coating, Comma-Coating, Mocro-Gavure, 또는 Off set Printing 에 의해 코팅할 수 있다.
상기 나노 코어-쉘 입자를 구성하는 코어는 반도체 나노 입자를 포함하며, 밴드갭이 2.0 내지 5.0 eV, 바람직하게는 2.5 내지 5.0 eV, 더욱 바람직하게는 3.0 내지 5.0 eV인 물질이 바람직하고, 결정형이거나, 응집된 입자일 수 있다. 상기 코어를 구성하는 반도체 나노입자는 n형 반도체 물질을 포함할 수 있고 Sn, Ti, Zn, In, Sb, Cd, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 것의 산화물일 수 있다. 따라서 단일 금속의 산화물이거나 2 종 이상의 금속을 포함하는 복합 금속의 산화물일 수 있다.
상기 쉘은 상기 코어의 적어도 일면 또는 전부를 둘러싸거나 표면을 덮도록 형성한다. 쉘은 쉘을 구성하는 물질이 결정이나 응집체를 형성하여 이들이 다수 집합된 형태일 수 있고, 그 일 실시예로 도 1과 같이 나타낼 수 있다. 상기 쉘은 밴드갭이 4.0 eV 이상, 바람직하게는 4.5 eV 이상, 더욱 바람직하게는 5.0 eV 이상, 더욱 바람직하게는 5.2 eV 이상인 물질을 포함할 수 있고, 절연물일 수 있으며 Al, Si, Zr, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 것의 산화물일 수 있다. 따라서 알루미나, 실리카, 지르코니아 등의 단일물의 산화물이거나, 2 종 이상의 금속 또는 준금속을 포함하는 복합 산화물일 수 있다.
또한, 쉘을 구성하는 절연물은 상기 산화물 외에도 절연성 수지일 수 있다.상기 절연성 수지는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스틸렌, 폴리부타디엔, 폴리염화비닐, 폴리메틸메타크리에이트, 폴리아미드, 폴리카보네이트, 폴리이미드, 아세트산 셀룰로오스 등의 열가소성 수지, 페놀 수지, 아미노 수지, 불포화폴리에스테르 수지, 알릴 수지, 알키드 수지, 에폭시 수지, 폴리우레탄, 실리콘 수지, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택될 수 있다.
다음으로, 상기 착색층 형성 후 착색층에 자외선을 조사하며, 상기 자외선은 착색층에 직접적으로 또는 간접적으로 조사할 수 있으나, 착색층에 직접적으로 조사하는 것이 바람직하다.
상기 자외선 조사로 인해 나노 코어-쉘 입자의 광 변성이 일어난다. 절연물로 이루어지는 쉘 위로 자외선과 같은 광이 조사되면 코어인 반도체 나노 입자에 전자를 포획할 수 있는 새로운 에너지 준위가 형성되는 광 변성이 일어날 수 있다. 더욱 구체적으로는 자외선에 의해 여기된 반도체 나노 입자의 전자 중 일부가 절연물 밖으로 이탈될 때 에너지 준위가 반도체 나노 입자의 밴드갭 내에 형성될 수 있으며, 이러한 원리를 활용하기 위해 상기 절연물은 상기 코어 물질보다 밴드갭이 큰 것을 특징으로 한다. 특히 본 발명에 의한 나노 코어-쉘 입자는 반도체 나노 입자가 코어를 형성하고 이를 충분히 감싸는 쉘 형태를 가짐으로써 코어 및 쉘 사이의 계면에서 일어날 수 있는 상기 광 변성 현상을 극대화할 수 있는 것이다.
상기 자외선 조사 후 착색층 위로 p형 반도체층을 형성한다. 상기 p형 반도체층을 형성하는 방법으로는 도포, 스퍼터링, 이온 플레이팅, 화학 기상 증착, 전자빔 증착, 진공 증착이 있으나, 이에 한정되지 않는다.
다음으로, 상기 p형 반도체층 형성 위로 제 2 투명전극을 형성하며, 제 1 투명전극에서 제 2 투명전극까지를 하나의 단위소자라 칭할 수 있다. 그리고, 제 2 투명전극 위로 상기 단위소자 형성의 역순으로 p형 반도체, 착색층, 투명전극을 적층하여 텐덤 구조를 형성하되, 상기 자외선 조사는 착색층 위로 조사한다. 단위소자들 사이에 낀 투명전극은 공유될 수 있다.
이러한 단위소자의 적층을 수 회 반복하여 n 개의 단위소자가 적층된 구조의 투과 가변 소자를 제조할 수 있다. 상기 n이 증가할수록 차단모드의 투과율이 낮아지나 두께가 두꺼워질 수 있다. 종래 소자와 달리 본 발명의 투과 가변 소자의 착색층이 나노 코어-쉘 입자로 이루어짐에 따라 적층이 용이하며 투과율을 필요한만큼 더 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 투과 가변 소자의 다른 제조방법은, 2 개의 단위소자를 제조하는 단계, 및 단위소자의 가장 외측면인 투명소자를 접하되 접합면을 중심으로 대칭구조가 되도록 하여 제조할 수 있다. 마찬가지로 2 개의 투과 가변 소자를 접합시키는 것도 가능하다.
이하, 본 발명의 실시예에 대하여 설명한다.
실시예
시험
예
1: 단위소자의 투과율
본 발명의 투과 가변 소자의 단위소자에 대하여 On-Off 를 반복하며 투과모드 및 차단모드에서의 광 투과율을 측정하였으며, 그 결과는 하기 표 1과 같다.
| 투과율＼On-Off횟수 | 10 | 400 | 1,000 |
| 투과모드(%) | 68 | 68 | 68 |
| 차단모드(%) | 26 | 26 | 26 |
| △T(%) | 42 | 42 | 42 |
상기 표 1과 같이 단위소자의 최대 투과율인 투과모드의 광 투과율은 68 %였으며, 최소 투과율인 차단모드의 광 투과율은 26 %로서, 그 차이는 42 %였다. 또한, On-Off를 반복하여도 투과모드 및 차단모드의 투과율은 증가하거나 감소하지 않고 일정하게 유지되어 안정적인 성능을 보였다.
시험예 2: 투과 가변 소자의 투과율
본 발명에 따른 투과 가변 소자에 광 파장에 따른 투과율을 관측하였으며, 그 결과는 도 5 및 6과 같다. 단위소자(Single)에 비하여 본 발명인 텐덤(Tandem) 구조의 투과 가변 소자의 차단모드에서의 투과율이 현저히 감소한 것을 투과율 그래프(도 6)를 통해 알 수 있고, 가시적으로도 확인이 가능하였다(도 5). 차단모드에서 파장이 짧은 광일수록 투과도가 다소 낮았으며 400 내지 700 nm 광에 대하여 최대 투과율은 약 11 %, 최소 투과율은 약 3 %였다.
본 연구는 2019년도 산업통상자원부 및 한국산업기술평가관리원의 소재부품산업미래성장동력사업(디스플레이혁신공정플랫폼구축사업, 20006469, 투과도 가변 스마트 필름의 롤투롤 공정 기술 및 응용 소자 개발)으로 지원되어 수행한 연구임.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대해서 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본원 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능함은 물론이다. 따라서, 본 발명의 범위는 위의 실시예에 국한해서 해석되어서는 안되며, 후술하는 특허청구범위 뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 할 것이다.
10 : 코어
20 : 쉘
1 : 기재
2 : 투명전극
3 : 착색층
4 : p형 반도체층
5 : 투명전극
100 : 기재
200 : 투명전극
300 : 착색층
400 : p형 반도체층
500 : 투명전극
600 : p형 반도체층
700 : 착색층
800 : 투명전극
20 : 쉘
1 : 기재
2 : 투명전극
3 : 착색층
4 : p형 반도체층
5 : 투명전극
100 : 기재
200 : 투명전극
300 : 착색층
400 : p형 반도체층
500 : 투명전극
600 : p형 반도체층
700 : 착색층
800 : 투명전극
Claims (8)
- 제 1 투명전극;
나노 코어-쉘 입자를 포함하는 제 1 착색층;
제 1 p형 반도체층;
제 2 투명전극;
제 2 p형 반도체층;
나노 코어-쉘 입자를 포함하는 제 2 착색층; 및
제 3 투명전극;이 순차적으로 적층된 투과 가변 소자로서,
상기 나노 코어-쉘 입자는, 반도체 나노 입자를 포함하는 코어, 및 상기 코어의 적어도 일면을 둘러싼 절연물을 포함하는 쉘을 포함하는, 투과 가변 소자. - 청구항 1에 있어서,
상기 투과 가변 소자는 전계의 인가 방향에 따라 광 투과율을 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는, 투과 가변 소자. - 청구항 1에 있어서,
상기 투과 가변 소자는 최소 광 투과율이 15 % 이하인 것을 특징으로 하는, 투과 가변 소자. - 청구항 1에 있어서,
상기 나노 코어-쉘 입자는 광 조사에 의해 나노 코어-쉘 입자 내 새로운 에너지 준위가 형성된 광 변성 나노 코어-쉘 입자인 것을 특징으로 하는, 투과 가변 소자. - 청구항 1에 있어서,
상기 코어는 밴드갭이 2.0 내지 5.0 eV인 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는, 투과 가변 소자. - 청구항 1에 있어서,
상기 쉘은 밴드갭이 4.0 eV 이상인 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는, 투과 가변 소자. - 청구항 1에 있어서,
상기 투과 가변 소자는, 상기 제 1 투명전극의 대향면에 배치된 기재를 더 포함하고, 상기 기재는 투명기재인 것을 특징으로 하는, 투과 가변 소자. - 청구항 1에 있어서,
상기 p형 반도체층은 Ni, Ba, Sr, Ga, 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택된 것의 산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는, 투과 가변 소자.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020190171627A KR20210079640A (ko) | 2019-12-20 | 2019-12-20 | 광 투과 가변 기능을 갖는 소자 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20210079640A true KR20210079640A (ko) | 2021-06-30 |
Family
ID=76602327
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| KR1020190171627A KR20210079640A (ko) | 2019-12-20 | 2019-12-20 | 광 투과 가변 기능을 갖는 소자 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20210079640A (ko) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5822691B2 (ja) | 1978-09-05 | 1983-05-10 | 富士電機株式会社 | 排ガスサンプリング濾過採取器 |
| KR102035332B1 (ko) | 2015-06-19 | 2019-10-22 | 가부시키가이샤 리코 | 일렉트로크로믹 화합물, 일렉트로크로믹 조성물, 및 일렉트로크로믹 표시 소자 |
-
2019
- 2019-12-20 KR KR1020190171627A patent/KR20210079640A/ko not_active Application Discontinuation
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| JPS5822691B2 (ja) | 1978-09-05 | 1983-05-10 | 富士電機株式会社 | 排ガスサンプリング濾過採取器 |
| KR102035332B1 (ko) | 2015-06-19 | 2019-10-22 | 가부시키가이샤 리코 | 일렉트로크로믹 화합물, 일렉트로크로믹 조성물, 및 일렉트로크로믹 표시 소자 |
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