KR20210140934A - 변색성능이 향상된 전기 변색소자 및 이의 구동방법 - Google Patents

변색성능이 향상된 전기 변색소자 및 이의 구동방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 외부 전원공급에 의하여 변색되는 전기 변색소자와 이의 구동방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 전기 변색소자는 서로 다른 이종의 변색물질이 혼합된 변색층이 외부 광에 의해 활성화됨으로써 변색 반응속도와 변색 시 광투과율 범위를 향상할 수 있고 소자의 구조적인 약화를 방지할 수 있는 전기 변색소자에 관한 것이다.

Description

변색성능이 향상된 전기 변색소자 및 이의 구동방법{Electrochromic device having improved discoloring performance and driving method for thereof}
본 발명은 외부 전원공급에 의하여 변색되는 전기 변색소자와 이의 구동방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 서로 다른 변색물질이 혼합된 변색층이 특정 에너지를 가지는 외부 광에 의해 발생된 전자가 변색물질을 활성화시켜 변색 반응속도와 변색 시 광투과율의 범위를 향상할 수 있고 소자의 구조적인 약화를 방지할 수 있는 전기 변색소자와 이의 구동방법에 관한 것이다.
전기변색(Electrochromism)이란 전압을 인가하면 전계방향에 의해 가역적으로 색상이 변하는 현상으로, 이러한 특성을 지닌 소자를 전기 변색소자 (Electrochromic Devices)라고 한다. 전기 변색소자는 전자의 이동에 의하여 색이 변하는 변색물질을 포함하여, 건축용 창유리나 자동차 미러, 고글 등의 광투과도 또는 반사도를 조절하는 용도로 이용되고 있으며, 최근에는 가시광선 영역에서의 색변화 뿐만 아니라 적외선 차단효과까지 있다는 것이 알려지면서 에너지 절약형 제품으로의 응용 가능성에 대해서도 큰 관심을 받고 있다.
전기변색 소재는 소정 간격의 투명기판사이에 전극층, 전기 변색층, 전해질층 및 이온 저장층이 순차적으로 적층되어 외부 전원공급에 의하여 전기 변색층이 변식된다. 이와 같은 전원 변색층은 산화, 환원 반응에 의해 변색되는데, 사용되는 변색물질에 따라 변색 응답속도나 변색 시 광투과율 범위와 같은 변색성능이 제한된다.
또한, 변색소자 제조 후 소자를 활성화하기 위하여 높은 전압을 인가하여 일측 전극을 통하여 양이온을 주입하는 충전 과정이 필요한데, 충전 시 변색 반응에 사용되는 전압보다 높은 전압이 인가됨에 따라 전해질의 부반응이 발생하거나, 변색물질의 구조가 붕괴되어 소자의 내구성 및 신뢰성이 저하되는 문제가 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2006-0092362호 (발명의 명칭: 전기 변색소자 및 그 제조방법)
본 발명은 상술한 문제점을 해결하고자 창안된 것으로서, 본 발명은 반응속도와 변색 시 광투과율 범위를 향상할 수 있고 소자의 구조적인 약화를 방지할 수 있는 전기 변색소자와 이의 구동방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
이와 같은 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 전극층이 형성되어 마주보는 투명기판에 사이에 전기 변색층, 전해질층 및 이온 저장층이 적층되는 전기 변색소자로, 상기 전기 변색층은 서로 다른 종류의 변색물질이 혼합되며, 초기화시 소정의 파장과 세기를 가지는 외부 광이 조사되어 전자를 생성시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 전기 변색층은 변색 반응속도 또는 변색 시 광투과율이 상이한 변색물질이 혼합되어 형성된다.
본 발명에 있어서, 상기 전기 변색층은 WO3, TiO2, MoO3, viologen, PEDOT 중 2이상이 혼합되거나, NiO, Ir(OH)2, CoO2, ITO 중 2이상이 혼합되어 형성된다. 이때, TiO2/WO3는 1/9 ~ 3/7 비율로 혼합된다.
또한, 본 발명은 이와 같은 전기 변색소자에 외부 광을 조사하여 초기화한 이후, 외부 전원을 인가하여 상기 전기 변색층을 변색시키는 전기 변색소자 구동방법을 제공한다. 이때, 외부 광은 자외선 또는 가시광선으로 1,000~3,000mJ 세기로 조사된다.
본 발명에 따르면, 변색특성이 상이한 서로 다른 종류의 변색물질을 혼합하여 형성된 변색층을 외부 광을 조사하여 활성화됨으로써 변색 반응속도와 변색 시 광투과율 범위를 향상할 수 있고, 또한 외부 광을 조사하여 변색층을 활성화시켜 소자의 초기화 전압을 낮출 수 있어 소자의 신뢰성과 내구성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 전기 변색소자를 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 전기 변색층을 모식적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 실시예에 외부 광을 조사하여 초기화한 이후에 외부 전원을 인가하여 측정한 변색 시 광투과율과, 외부 광을 조사하지 않고 외부 전원을 인가하여 측정한 변색 시 광투과율을 비교한 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따른 실시예와 비교예의 변색속도를 비교한 그래프이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명에 따른 전기 변색소자의 구성을 도시한 도면으로, 이를 참조하면 본 발명에 따른 전기 변색소자는 소정 간격을 두고 대향하는 투명기판 (110,170) 사이에 전극층(120,160), 전기 변색층(130), 전해질층(140), 이온 저장층(150)이 적층되어 형성된다.
투명기판 (110,170)은 태양광이 내부로 투과하도록 광투과율이 95% 이상인 투명 플라스틱이나 유리가 사용될 수 있다. 투명 플라스틱으로는 폴리 에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN), 폴리카보네이트(PC), 폴리프로필렌(PP), 폴리이미드(PI), 트리 아세틸셀룰로오스(TAC)가 사용될 수 있다. 기재층(10,50)은 10㎛~5mm 두께로 형성된다.
전극층(120,160)은 각각 상부 및 하부 투명기관(110,170)에 형성되어 빛의 투과를 방해하지 않으면서 전기가 흐를 수 있는 투명 전도성 재료로 형성되는데, ITO, ATO, FTO, IZO, ZnO, 구리 산화물, 아연 산화물, 티타늄 산화물과 같은 금속 산화물이 사용될 수 있다. 전극층(120,160)은 스퍼터링과 같은 공지의 코팅공정을 통해 투명기판(110,170)에 박막의 필름형태로 형성될 수 있는데, 바람직하게는 300nm~1,000nm 두께로 형성된다.
전기 변색층(130)은 전극층(120) 상에 형성되어 공급되는 전원에 의해 주입되는 전하 또는 전해질 이온의 이동에 의해 변색되는 층으로, 환원되어 변색되는 환원 변색물질과 산화되어 변색되는 산화 변색물질 중 어느 하나로 이루어질 수 있다. 환원 변색물질로는 WO3, TiO2, MoO3, viologen, PEDOT가 사용될 수 있으며, 산화 변색물질로는 NiO, Ir(OH)2, CoO2, ITO이 사용될 수 있다.
전기 변색층(130)은 이와 같은 환원 또는 산화 변색물질로 형성 시에 변색 반응속도 또는 변색 시 광투과율 범위가 서로 다른 종류의 변색물질이 혼합되어 형성될 수 있다. 즉, 전기 변색층(130)은 환원 변색층으로 구현하는 경우에는 상술한 WO3, TiO2, MoO3, viologen 중 2 이상을 혼합하여 형성할 수 있고, 산화 변색층으로 구현하는 경우에는 NiO, Ir(OH)2, CoO2 중 2 이상을 혼합하여 형성할 수 있다. 이와 같이 본 발명의 전기 변색층(130)은 서로 다른 변색물질을 혼합함으로써 변색소자에 요구되는 변색성능을 충족시킬 수 있다.
예를 들어, TiO2와 WO3를 혼합하여 전기 변색층(130)을 형성하는 경우 TiO2는 WO3보다 상대적으로 전자의 전달 속도가 빠르고, WO3는 TiO2에 비하여 상대적으로 변색 시 광투과율이 넓은 특징을 가지고 있다. 따라서, TiO2와 WO3를 일정 비율로 혼합하면 변색 반응속도와 변색 시 광투과율 범위를 함께 향상할 수 있는데, 이를 위하여 TiO2/WO3는 1/9 ~ 3/7 비율로 혼합되는 것이 바람직하다. 여기서, 혼합되는 TiO2 비율이 증가되면 변색 속도는 향상되지만 광투과율 범위가 감소하는 문제가 있다.
또한, 이와 같은 전기 변색층(130)은, 후술하는 바와 같이 서로 다른 변색물질의 밴드갭 차이로 인하여 특정에너지를 가지는 외부 광에 의한 활성화 효과가 나타날 수 있다.
도 2에 제1 변색물질(131)과 제2 변색물질(132)이 혼합되어 조성된 전기 변색층(130)이 도시되어 있는데, 서로 다른 변색물질이 혼합된 용액을 롤투롤 장비를 이용하여 슬롯코팅, 그라비아 코팅 등으로 투명 전도성 기판 상에 코팅 될 수 있으며, 바람직하게는 100nm~900nm 두께로 형성된다.
전해질층(140)은 전기 변색층(130)의 변색이나 탈색을 위해 수소 이온이나 리튬 이온의 이동 환경을 제공하는 층으로, 자외선 조사에 따라 경화될 수 있는 액상의 고분자 전해질이 사용될 수 있다. 자외선 경화수지는 PEG계 또는 우레탄계 올리고머, 저분자량의 PEGDMe, PEGDA, 광 또는 열 개시제가 혼합하여 조성될 수 있으며, 여기에 용매에 전해질염이 녹은 액체 전해질이 형성된다. 이때, 용매는 EC, PC, DMC, DEC, EMC 등을 단일 혹은 혼합되어 사용될 수 있으며, 전해질염은 H+, Li+, Na+, K+, Rb+, Cs+를 포함하는 화합물이 사용될 수 있는데, 예를 들어 LiClO4, LiBF4, LiAsF6, 또는 LiPF6 와 같은 리튬염 화합물이 단일 또는 복합되어 사용될 수 있다. 이와 같이 조성되는 전해질은 균일한 간격을 가지고 전기 변색층(130) 및 이온 저장층(150) 사이에 갭 코팅되어 층상으로 형성되는데, 바람직하게는 100㎛~500㎛로 형성된다.
이온 저장층(150)은 전기 변색층(130)의 변색을 위한 가역적 산화, 환원 반응시, 전기 변색층(130)과의 전하 균형(charge balance)을 맞추기 위해 형성된다. 이온 저장층(150)은, 전기 변색층(130)과는 발색 특성이 상이한 변색물질, 즉, 상보적인 발색 특성을 가지는 변색물질을 포함하도록 형성된다. 전기 변색층(130)의 전하량에 따라 이온 저장층(150)의 두께가 형성되는데, 바람직하게 100nm~2000nm로 형성된다
이와 같이 투명기판(110,170) 사이에 전극(120,160), 전기 변색층(130), 전해질층(140), 이온 저장층(150)이 적층 형성되어 변색소자(100)가 제조되면, 전기 변색층(130)과 이온 저장층(150)에 전자를 여기시키도록 외부 광이 조사된다.
조사되는 외부 광은 전기 변색층(130)과 이온 저장층(150)의 전자를 충분하게 여기시킬 수 있도록 조사되는데, 본 발명의 전기 변색층(130)의 경우 서로 다른 변색물질이 혼합되어 형성됨에 따라 각각 변색물질의 밴드갭에 따라 전자를 여기시킬 수 있는 파장 대역의 광이 조사된다. 예를 들어 TiO2와 WO3가 혼합되는 경우, TiO2밴드갭은 3.1~3.94eV로 자외선 대역(315~400nm)의 광이 조사될 수 있으며, 밴드갭이 2.4eV인 WO3를 활성화하도록 가시광선 대역(400~700nm)의 광이 조사될 수 있는데, 자외선과 가시광선을 함께 조사하여 TiO2과 WO3를 모두 활성화시킬 수도 있다.
그리고, 외부 광은 1,000~3,000mJ 세기로 조사되는데, 외부 광의 세기가 3,000mJ를 초과하면 전해질의 열화가 발생할 수 있고, 1,000mJ 미만이면 두께가 두꺼운 전기 변색층(130)에 충분한 활성이 이루어지지 않는 문제가 있다.
이와 같이 제1 변색물질(131)과 제2 변색물질(132)이 혼합된 전기 변색층(130)에 제1 변색물질(131)의 전자를 여기시키는 광이 조사되면, 여기된 전자의 일부는 전해질 내부의 1가 양이온(H+, Li+ 등)과 반응하고, 여기된 전자의 나머지는 제2 변색물질(132)과 반응한 후 전해질 내부의 1가 양이온과 반응하여 활성화된다.
따라서, 초기화 이후 전기 변색층(130)의 원활한 변색반응이 가능함은 물론, 활성화된 전기 변색층(130)과 이온 저장층(150)의 전위 차이로 인하여 활성화 되지 않은 경우의 초기화 전압에 비하여 40~60%의 낮은 전압으로도 초기화가 가능하여,높은 전압의 인가로 발생하는 전해질의 부반응과 접합 계면의 손상을 야기하지 않아 소자의 내구성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
<실시예>
한 쌍의 10㎛ 두께의 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 투명기판의 표면에 ITO 전극층을 500nm로 각각 형성하였다. 그리고, TiO2/WO3이 1/3로 혼합된 변색용액을 조성한 후, 전극층이 형성된 어느 하나의 투명기판 상에 600nm 두께로 코팅하여 전기 변색층을 형성하였으며, 다른 투명기판 상에 이온 변색층을 형성하였다. 그리고, EC에 LiClO4을 용해한 액체 전해질을 조성한 후, 전기 변색층과 이온 변색층을 사이에 액체 전해질을 갭 코팅하여 한 쌍의 투명기판을 합지하여 변색소자를 제조하였다.
<비교예>
WO3로 전기 변색층을 형성한 것이 이외에는 실시예와 동일하다.
<광투과율 측정>
먼저 실시예에 자외선을 10분 동안 조사하여 소자를 초기화한 후, 전원을 인가하여 광투과율을 측정하였고(도 3의 붉은색 그래프), 다음으로, 자외선 조사 없이 전원을 인가하여 광투과율을 측정하였다(도 3의 푸른색 그래프). 이때, 광투과율은 UV/Vis-spectrometer를 사용하여 투과율을 측정하였다.
도 3에 나타나는 바와 같이, 광을 조사하여 전기 변색층을 활성화한 경우에는, 가시광선 투과율이 25~62%인 반면에, 광을 조사하지 않은 경우는 가시광선 투과율이 22~57%로, 광을 조사하여 소자를 활성화한 경우 광투과율 범위가 넓었다.
<변색속도 측정>
실시예 및 비교예에 각각 자외선을 10분 동안 조사하여 소자를 초기화한 후, 전원을 인가하여 광투과율을 측정하였다(도 4의 붉은색 그래프-실시예, 푸른색 그래프-비교예). 도 4에 나타난 바와 같이, 실시예는 비교예와 비교하여 빠르게 변색됨을 알 수 있다.
이와 같은 결과는 변색속도가 빠른 TiO2와 광투과율 범위가 넓은 WO3를 혼합하여 형성된 실시예의 전기 변색층이 광 조사에 따라 활성화된 이후 전원이 인가되어 변색 시 넓은 범위의 광투과율과 빠른 변색속도를 보임을 알 수 있으며, 또한 낮은 초기화 전압을 인가하더라도 우수한 변색성능이 발현됨을 확인할 수 있다.
이상과 같이 설명한 본 발명은 기재된 실시 예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.
110, 170 : 투명기판 120, 160 : 전극층
130 : 변색층 131 : 제1 변색물질
132 : 제2 변색물질 140 : 전해질층
150 : 이온 저장층

Claims (7)

  1. 전극층이 형성되어 마주보는 투명기판에 사이에 전기 변색층, 전해질층 및 이온 저장층이 적층되는 전기 변색소자에 있어서,
    상기 전기 변색층은,
    서로 다른 종류의 변색물질이 혼합되며, 초기화시 소정의 파장과 세기를 가지는 외부 광이 조사되어 전자를 생성시키는 것을 특징으로 하는 전기 변색소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전기 변색층은,
    변색 반응속도 또는 변색 시 광투과율 범위가 상이한 변색물질이 혼합되어 형성되는 것을 특징으로 하는 전기 변색소자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전기 변색층은,
    WO3, TiO2, MoO3, viologen, PEDOT 중 2이상이 혼합되어 형성되는 것을 특징으로 하는 전기 변색소자.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 전기 변색층은,
    NiO, Ir(OH)2, CoO2 중 2이상이 혼합되어 형성되는 것을 특징으로 하는 전기 변색소자.
  5. 제3항에 있어서,
    TiO2/WO3는 1/9 ~ 3/7 비율로 혼합되는 것을 특징으로 하는 전기 변색소자.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 전기 변색소자에,
    외부 광을 조사하여 초기화한 이후, 외부 전원을 인가하여 상기 전기 변색층을 변색시키는 것을 특징으로 하는 전기 변색소자 구동방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 외부 광은 자외선 또는 가시광선으로 1,000~3,000mJ 세기로 조사되는 것을 특징으로 하는 전기 변색소자 구동방법.
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