KR20220083779A - 전기 변색 장치, 그의 제조 및 작동 방법 - Google Patents

전기 변색 장치, 그의 제조 및 작동 방법 Download PDF

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이반 알렉산드로비치 소콜
보리스 마슬로프
드미트리 코사코프스키
파벨 아나톨리예비치 자이킨
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비트로 플랫 글래스 엘엘씨
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Abstract

전기 변색 장치 및 그의 구성요소, 및 전기 변색 장치를 제어하기 위한 시스템 및 방법이 개시된다. 또한, 장치 및 시스템에 유용한 전기 변색 물질, 전기 변색 조성물 및 전기 변색 층은 겔 형태일 수 있다. 본 개시내용은 또한 전기 변색 장치 및 그의 구성요소, 전기 변색 조성물, 층 및 겔을 제조하는 방법을 제공한다.

Description

전기 변색 장치, 그의 제조 및 작동 방법
본 발명은 전기 변색 물질, 장치, 이들의 제조 방법 및 이들의 작동 방법에 관한 것이다.
전기 변색은 제어 전압이라고 하는 전압의 인가시 발생하는 전류로 인해 색상 또는 광 투과율과 같은 광학 특성을 가역적으로 변경할 수 있는 특정 화합물, 조성물 또는 어셈블리에서 발견되는 물리적 현상이다. 전기 변색은 창, 거울 및 디스플레이 형태의 스마트 유리와 같은 다양한 전기 변색 장치의 작동을 위한 기초를 제공한다. 다양한 유형의 광학 물질 및 구조를 사용하여 전기 변색 특성을 갖는 조성물을 구성할 수 있으며, 특정 구조는 전기 변색 장치의 특정 목적에 따라 달라진다.
다양한 특허 및 특허 출원이 전기 변색 물질 및 장치를 개시하고 있다. 이러한 특허 및 특허 출원 중에서 예를 들어 US 2015/0353819 호는 전기 변색 조성물 및 장치를 기재하고 있으며; RU2642558C1 호는 유기 활성 전기 변색 물질을 함유하는 중합체 매트릭스의 UV-경화에 의해 제조된 유기 전기 변색 장치의 제조 및 작동을 기재하고 있으며; US 6262832 호, US 6433914 호, US 6445486 호, US 6710906 호, US 7031043 호 및 US 8294974 호는 다양한 전기 변색 물질 및 장치를 개시하고 있다. 리뷰 논문은 올인원(all-in-one) 겔-기반 전기 변색 장치를 개시한다. 알레산코(Alesanco) 등의 문헌[Materials 2018, 11, 414, pp. 1-27]을 참조한다.
그러나, 전기 변색 물질, 장치, 이들의 제조 방법 및 작동 방법에 대한 계속적인 요구가 존재한다.
본 개시내용의 이점은 전기 변색 장치 및 그의 구성요소, 및 전기 변색 장치를 제어하기 위한 시스템 및 방법을 포함한다. 본 개시내용의 추가적인 이점은 전기 변색 물질, 전기 변색 조성물 및 전기 변색 층을 포함한다. 본 개시내용의 특정 양태에서, 전기 변색 조성물 및 층은 겔의 형태일 수 있다. 본 개시내용은 또한 전기 변색 장치 및 그의 구성요소, 전기 변색 조성물, 층 및 겔을 제조하는 방법을 제공한다.
본 발명의 추가적인 이점은 단순히 본 발명을 실시하기 위해 고려되는 최상 모드의 예시로서 본 발명의 바람직한 실시양태만을 도시 및 기재하는 하기 상세한 설명으로부터 당업자에게 용이하게 명백해질 것이다. 인식되는 바와 같이, 본 발명은 다른 상이한 실시양태가 가능하고, 그의 여러 세부사항은 모두 본 발명을 벗어나지 않으면서 다양한 명백한 양태에서 변경될 수 있다. 따라서, 도면 및 상세한 설명은 본질적으로 예시적인 것으로 간주되어야 하며, 제한적인 것으로 간주되어서는 안된다.
동일한 참조 번호로 지정된 요소가 전체에 걸쳐 유사한 요소를 나타내는 첨부된 도면을 참조한다.
도 1a는 본 개시내용의 구현에 따른 전기 변색 장치를 도시한다.
도 1b는 본 개시내용의 구현에 따른 전기 변색 장치의 가변 투과율 층의 구조의 예를 도시한다.
도 1c는 본 개시내용의 양태를 실행하는데 사용될 수 있는 예시적인 비올로겐(viologen)을 도시한다.
도 2는 본 개시내용의 양태에 따른 여러 전기 변색 장치의 디자인을 도시한다.
도 3은 본 개시내용의 실시양태에 따른 전기 변색 장치의 전극에 전기 접점을 제공하는 기판의 가장자리 너머의 버스 바(bus bar)를 제공하기 위한 공정을 도시한다.
도 4는 본 개시내용의 실시양태에 따른 전기 변색 장치용 버스 바를 구비한 전극의 다른 예를 도시한다.
도 5a는 본 개시내용의 실시양태에 따른 전기 변색 장치에서 전기 변색 조성물(ECC)을 밀봉하기 위한 밀봉 배열을 도시한다.
도 5b는 본 개시내용의 실시양태에 따른 전기 변색 장치에서 전기 변색 조성물(ECC)을 밀봉하기 위한 다른 밀봉 배열을 도시한다.
도 6a 및 도 6b는 본 개시내용의 실시양태에 따른 EC 장치를 조립하는 방법을 도시한다.
도 7a는 본 개시내용의 실시양태에 따른 EC 장치를 제조할 때 기판 상에 ECC를 붓는 방법을 도시한다.
도 7b는 본 개시내용의 실시양태에 따른 EC 장치를 제조하는 동안 기판 상에 ECC를 붓는 다른 방법을 도시한다.
도 8은 본 개시내용의 실시양태에 따른 EC 장치를 제조하는 동안 기판 상에 ECC를 붓는 또 다른 방법을 도시한다.
도 9는 본 개시내용의 실시양태에 따른 전극 막 상에 ECC를 제공하는 방법을 도시한다.
도 10a 및 도 10b는 본 개시내용의 실시양태에 따른 EC 장치에 사용되는 가변 투과율 층의 구성을 도시한다.
도 10c는 층의 주변 구역보다 높은 전도도를 갖는 중심 구역을 갖는 전기 변색 층을 도시한다.
도 11은 본 개시내용의 실시양태에 따른 EC 장치를 제어하기 위한 제어 알고리즘을 나타내는 흐름도이다.
도 12a, 도 12b, 도 12c 및 도 12d는 본 개시내용의 조성물, 층, 겔 및 장치에 사용될 수 있는 비올로겐을 나열 및 도시한다.
다음과 같은 명명 규칙이 본 개시내용 전반에 걸쳐 사용될 것이다:
화학 포텐셜(μ) - 예를 들어 화학 반응 또는 상 전이에서 소정 종의 입자 수의 변화로 인해 흡수되거나 방출될 수 있는 에너지. 혼합물에 있는 종의 화학 포텐셜은 시스템에 추가되는 종의 원자 또는 분자 수의 변화에 대한 열역학 시스템의 자유 에너지의 변화율로서 정의된다. 따라서, 이는 종의 양에 대한 자유 에너지의 편도함수이다(혼합물에서 다른 모든 종의 농도는 일정하게 유지됨):
Figure pct00001
. 몰 화학 포텐셜은 부분 몰 자유 에너지로도 알려져 있다. 온도와 압력이 모두 일정하게 유지될 때, 화학 포텐셜은 부분 몰 깁스(Gibbs) 자유 에너지와 같다. 이상적인 혼합물이나 용액에서 화학 포텐셜은 μ i = μ i * + RTlnx i 로서 표현될 수 있으며, 여기에서 x i 는 i번째 성분의 몰 분율이고, μ i * 는 그 온도 및 압력에서 순순한 형태의 성분의 몰 자유 에너지이다. 비-이상적인 혼합물 및 용액에서, 화학 포텐셜은 μ i = μ i * + RTlna i = μ i * + RTlnγ i x i 이고, 이 때 a i 는 i번째 성분의 상대적인 활성이고, γ i 는 활성 계수이다.
전기화학 포텐셜(
Figure pct00002
) - 정전기의 에너지 기여를 누락시키지 않은 화학 포텐셜의 열역학적 척도:
Figure pct00003
= μ i + z i Fφ, 여기에서, z i 는 i번째 성분의 전하이고, F는 패러데이(Faraday) 상수이며, φ는 국부적인 정전기 전위이다.
농도 - 혼합물의 총 부피로 나눈 성분의 존재비.
활성 - 종의 화학 포텐셜이 이상적인 용액의 농도에 의존하는 것과 같은 방식으로 실제 용액의 활성에 의존한다는 의미에서, 혼합물에서 종의 "유효 농도"의 척도. 성분의 절대 활성은 λ = exp(μ/RT)로 표시되고, 상대 활성은 a = exp(μ-μ 0 /RT)로서 정의되며, 이 때 μ는 화학 포텐셜이다. μ0은 활성이 1로서 취해지는 일부 정의된 표준 상태에서 물질의 몰 자유 에너지이다(표준 화학 포텐셜).
속도-제한 과정(단계) - 최소 속도 계수를 사용한 연속 반응의 가장 느린 과정.
산화환원 커플 - 하나 이상의 전자가 상이한 한 쌍의 분자(이온).
산화환원 반응 - 반응물이 서로 전자를 교환하는 화학 반응. 전자를 얻는 과정 및 전자를 내보내는 과정을 각각 환원과 산화라고 한다. 각 산화환원 반응은 동시에 일어나는 환원과 산화를 모두 포함한다. 환원되는 반응물을 산화제라고 하고, 산화되는 반응물을 환원제라고 한다. 산화환원 반응은 공식적으로 산화와 환원을 별도로 나타내는 적어도 두 개의 반쪽-반응으로 나뉘어질 수 있다. 반쪽-반응에서 단일 참여물질의 산화된 형태 및 환원된 형태는 산화환원 커플을 포함한다. 각 반쪽-반응은 기준 시스템으로서 표준 수소 전극에 대해 측정된 표준 (산화환원) 전위에 기인한다.
가역적 산화환원 반응 - 이 용어는 3가지 다른 맥락에서 사용된다: 화학적으로 가역적인 산화환원 반응 - 두 방향, 즉 반응물에서 생성물로 및 역방향으로 진행될 수 있는 산화환원 반응. 열역학적으로 가역적인 산화환원 반응 - 매 순간 평형상태에 있는 산화환원 반응. 초기 상태에서 최종 상태까지, 이는 일련의 평형 상태를 거쳐 극도로 느리게 진행되고 무한한 시간을 필요로 한다. 구동력 방향의 극미한 변화가 공정의 방향을 반대로 만든다. 전기화학적으로 가역적인 산화환원 반응 - 전극-전해질 계면에 인가되는 임의의 전위차에서 산화 환원 커플의 두 종의 표면 농도가 네른스트(Nernst) 방정식을 따르는 산화환원 반응 또는 전극 반응. 이 경우, 계면에서의 전하 전달은 모든 결합된 물질 수송 과정보다 훨씬 빠르다.
계면 - 2개의 상을 분리하는 2차원 평면. 두 상 사이의 계면의 안정성에 대한 일반적인 열역학적 조건은 양의 깁스 생성 에너지인데, 그렇지 않으면 계면이 변동되거나 사라질 것이기 때문이다. 계면 양쪽의 분자력은 특정한 이방성을 가지기 때문에, 최표면층의 구조는 상 내부의 구조와 다르다.
전기 활성 성분 - 상 사이에 전기장을 인가할 때 상간 전하 전달 동안 산화 상태의 변화를 겪는 성분.
전극(엔지니어링/전자공학) - 전류가 물체 또는 영역에 들어오거나 나가는 전자 전도체로 만들어진 요소. 가장 단순한 경우 순수한 고체 금속이지만; 전자 전도체는 또한 합금(예: 아말감), 탄소(예: 흑연, 유리질 탄소, 탄소 나노튜브), 반도체(예: 붕소-도핑된 다이아몬드, 금속 산화물, 금속 염, 도핑된 실리콘, 게르마늄 합금) 또는 자유 전자의 드리프트에 의해 전류를 전도하는 임의의 다른 물질일 수도 있다.
광학적으로 투명한 전극(OTE) - 가시광에 투명한 전극(엔지니어링). OTE는 투명 기판(유리, 석영, 플라스틱 등)에 증착된 금속 또는 반도체 박막을 포함할 수 있다. 또한 OTE는 일반적으로 투명 전도성 산화물(TCO)이라고 하는 투명 산화물로 제조될 수 있다. 다르게는, OTE는 미세 와이어 메쉬 또는 그리드 형태일 수 있다. OTE는 예를 들어 EC 층(ECL)의 모든 구역으로 또한 모든 구역으로부터 전류를 공급하는 전류 분배 매니폴드로서 작용할 수 있다. 이상적으로, OTE는 투과된 광을 실질적으로 왜곡(흡수 및 산란)하지 않는다.
이상적으로 분극성인 전극 - 전자 및 이온 전도체 상이 전하를 변경할 수 있고 상 사이에서 이동할 수 있는 공통 구성요소를 갖지 않아서 열역학적 평형상태에 도달할 수 없는 전극. 이 기준은 전위 범위, 시간 척도 등 여러 조건 하에서만 적용된다.
이상적으로 비분극성인 전극 - 전자 및 이온 전도체 상 사이에서 공통 하전 입자가 방해받지 않고 교환되는 전극. 이 기준은 전위 범위, 시간 척도 등 여러 조건 하에서만 적용된다.
전기 촉매 전극 - 전기화학적 과정이 촉매 작용을 받는(즉, 대부분의 경우 속도가 증가함) 전극.
기준 전극 - 전위가 전위 척도의 0 값으로서 선택되는 전기화학 전지의 전극. 수성 전해질이 있는 3-전극 전지는, 실험 중에 전위가 실질적으로 일정하게 유지되기 때문에 일반적으로 두번째 종류의 개별 전극(예: 포화 칼로멜 전극, SCE 또는 AgCl 전극)에 의해 표시된다. 비수성(유기) 시스템에서는, 유사-기준(예: Ag 금속) 전극이 일반적으로 동일 반응계 내 산화환원 기준과 함께 사용되며, 산화환원 전위는 전해질 특성(예: 페로센)과 실질적으로 무관하다. 3-전극 전지의 원리는 기준 전극을 통해 흐르는 전류가 0에 가깝다고 추정한다. 2-전극 전지에서는, 대전극이 기준 전극으로서 사용된다.
표준 수소 전극 - 전기화학의 기본 표준인 전극, 이 전극의 표준 전위는 분자 수소가 용매화된(수화된) 양성자로 산화되는 것을 포함하는 전지 반응의 표준 전위 값으로서 정의된다.
작업 전극 - 소정 전극 공정이 검사되는 전극. 이 용어는 일반적으로 분석 전기화학과 관련하여 사용된다.
대전극 - 작업 전극을 갖는 전지에서 두 번째 전해질-전극 계면을 나타내는 전극으로, 전지를 외부 회로에 연결하고 작업 전극의 공정이 진행되도록 한다.
캐쏘드 - 전기화학 전지에서, 캐쏘드는 환원이 일어나고 전자가 전극에서 전해질로 흐르는 전극이다.
애노드 - 전기화학 전지에서, 애노드는 산화가 일어나고 전자가 전해질에서 전극으로 흐르는 전극이다.
애노드/캐쏘드/전극 스택 - 적어도 하나의 애노드 층 또는 적어도 하나의 캐쏘드 층을 포함하는 층의 스택. 이러한 스택은 기계적 지지(기판), 표면 전자 전도성 및 계면 전하 전달 기능을 수행할 수 있다. 기판과 표면 전도체 사이의 층간 접착은 필요한 경우 추가 층(들)에 의해 촉진될 수 있다. 애노드 스택은 충전 조건에서 애노드로서 작용하고, 캐쏘드 스택은 충전 조건에서 캐쏘드로서 작용한다(방전 시 반대로). 층의 기능은 결합될 수 있다. 즉, 하나의 층이 여러 기능을 수행할 수 있다. 유사하게, 여러 층에 의해 하나의 기능이 수행될 수 있다.
전기화학 전지 - 이온 전도체(일반적인 경우 용액)와 접촉하는 적어도 2개의 전극의 조합. 전기화학 전지는 반응이 자발적으로 일어나고 화학 에너지가 전기 에너지로 변환되는 경우 갈바니 전지(galvanic cell)로서 작동하거나 또는 전기 에너지가 화학 에너지로 변환되는 전기분해(또는 전해) 전지로서 작동할 수 있다.
갈바니 전지 - 전극이 전도체에 의해 외부로 연결될 때 전극에서 자발적으로 반응이 일어나는 전기화학 전지. 이는 발생하는 반응이 음의 깁스 에너지 차이(ΔG < 0)를 가져야 함을 의미한다.
전기분해 전지(전해 전지) - 깁스 반응이 양(ΔG > 0)이고, 따라서 전기 에너지가 외부에서 전지에 공급될 때까지 반응이 일어나지 않는 전기화학 전지.
전기화학 전지의 충전/방전 - 전류의 흐름을 수반하는 과정으로, 이는 캐쏘드와 애노드 사이의 평형 전위차를 증가/감소시키는 원인이 된다. 충전 시 전기화학 전지는 전해 전지로서 작동하고, 방전 시 갈바니 전지로서 작동한다.
전지 반응 - 갈바니 전지에서 자발적으로 발생하는 화학 반응. 반응의 깁스 에너지 변화는 전기 에너지와 열로 변환된다.
반쪽-반응(전극 반응) - 두 전극을 분리하는 이온 전도체를 통한 이온 수송에 의해 상호 연결되는 방식으로 전극에서 공간적으로 분리되어 일어나는 화학 공정(산화 또는 환원).
개방-회로 전위(OCP) - 일반적으로 전위 또는 전류가 인가되지 않을 때 시스템의 두 전극 사이에서 측정되는 전압. 전기화학 전지의 경우, 전지에 전위 또는 전류가 인가되지 않을 때 기준 전극에 대한 작동 전극의 전위. 가역적인 전극 시스템의 경우 평형 전위라고도 한다. 다르게는, 이는 연구되는 시스템에 따라 휴지 전위 또는 부식 전위라고 한다.
평형상태 전극 전위 - 완전한 평형상태에서 전류가 없는 단일 산화환원 시스템 Ox/Red에 의해 독점적으로 결정되는 전극 전위의 값. 이러한 상황에서 Ox에서 Red로의 환원 및 Red에서 Ox로의 산화의 속도는 동일하다. 평형상태 전극 전위의 값은 네른스트 방정식에 의해 결정된다.
교환 전류 밀도 - 순 전류 값이 0인 평형화된 전극에서, 캐쏘드 전류 밀도 성분과 균형을 이루는 애노드 전류 밀도 성분의 크기에 상응하는 값.
네른스트(Nernst) 방정식 - 접촉 상의 조성에 대한 평형상태 전극 전위의 의존성을 설명하는 전기화학의 기본 방정식: E 셀 = ΔG/nF = E 0 - (RT/nF)Σ i v i lna i , 여기에서 a i 는 관련된 종의 활성이다.
전하 전달 계수(α) - 전극 전위 E의 변화에 대해 전자가 전하 전달 동안 극복해야 하는 에너지 장벽 높이의 변화 비를 제공하는 계수. α = 0의 값은 장벽 높이에 대한 전극 전위 변화의 영향이 없음을 의미하고, α = 1은 전극 전위의 변화가 장벽 높이의 정확히 동일한 변화를 유발함을 의미한다. 대칭 에너지 장벽은 α = 0.5가 된다. 일반적으로, α는 0.3 내지 0.7이다.
버틀러-볼머(Butler-Volmer) 방정식 - 전류 밀도와 전극 전위 사이의 관계를 설명하는 전극 동역학의 기본 방정식:
Figure pct00004
, 여기에서 j는 전류 밀도이고, ai는 계면에서의 활성이고, α는 전하 전달 계수이고, F는 패러데이 상수이며, η = (E - E형식)은 과전위이고, j0는 교환 전류 밀도이다.
프럼킨(Frumkin) 효과 - 프럼킨의 느린 방전 이론에서 유래되어, 구동 전위 값의 편차 효과는 전기적 중성 파괴로 인해 발생하는 과전위를 형성한다. 프럼킨 보정은 버틀러-볼머 방정식에 기여한다:
Figure pct00005
), 여기에서 ψ1(프사이(psi)-프라임 전위)은 벌크 액체 전위에 대한 반응물 위치 지점의 전위를 나타낸다. 외부 헤름홀츠 평면(outer Helmholtz plane; OHP)이 가장 가능성 있는 계면 전하 전달의 위치이기 때문에, 외부 헬름홀츠 평면 전위(φOHP)는 종종 프사이-프라임 전위로 간주된다.
표준 전위 - 표준 상태 조건 하에서, 즉 온도 T에서 모든 구성요소의 상대 활성이 1이고 압력이 1기압인 용액에서(각각 압력 및 농도로부터의 퓨개시티(fugacity) 및 활성의 편차는 무시함), 전극의 평형상태 전위.
형식 전위(Ef) - 활성 계수의 값이 알려지지 않아서 농도를 활성 대신 전지 전위의 조성 의존성을 표현하는 식에 사용하는 경우 전지 반응의 표준 전위를 대체하는 값.
반파장 전위(E1/2) - 다양한 파형의 전기화학적 응답에 대한 제한 전류의 절반에 상응하는 전위. 가역적인 폴라로그래픽(polarographic) 파동과 산화된(Ox) 종 및 환원된(Red) 종을 모두 포함하는 용액의 경우, E1/2는 형식 전위에서 벗어난다:
Figure pct00006
.
개시 전위(E개시) - 전기화학에서, 전류-전위 곡선에서 전류 증가에 의해 결정되는 특정 과정이 시작되는 불분명한 전위.
제타 전위(ζ) - 벌크 용액과 "전단 평면/미끄러운 평면" 또는 이중 층의 강성 부분의 외부 한계(종종 OHP로 표시됨) 사이의 전위차.
과전위 - 소정 전류가 전극을 통해 흐르도록 하는 데 필요한 평형상태 값으로부터의 전극 전위의 편차.
전극 전하 - 전자 전도체 표면과 전해질 벌크 사이의 전하 교환이 없는 특정 전위 조건에서 평형 상태까지 계면을 충전하는 데 필요한 총 전기량.
제로 전하 전위(Epzc) - 제로 전극 전하에 상응하는 전위.
산화환원 전위 - 네른스트 방정식에 의해 주어진 산화환원 커플의 평형상태 전위.
밴드 벤딩 - 반도체와의 계면의 에너지 밴드 다이어그램에서 밴드 가장자리가 곡선으로 나타나도록 하는 반도체 물질 내의 내부 전기장의 발생 결과.
플랫-밴드 전위 - 예를 들어 금속-반도체 접합부, 금속-절연체-반도체 접합부 및 용액-반도체 계면에 형성된 에너지 장벽에 있어서, 반도체 계면에서 전기장이 0인(즉, 밴드 벤딩이 없는) 전위. 용액-반도체 계면의 경우, 플랫-밴드 전위는 반도체에서 과잉 전하가 없는 조건, 결과적으로 공핍 층 조건에 상응한다.
인가 전위 - 물질, 장치, 전지, 계면 등에 외부적으로 인가되는 전위차. 전기화학 전지에 인가되는 경우, 인가 전위는 2개의 전극 전위로 나뉘며, 각각은 용액의 벌크(예: EC 층)와 전극의 전도성 물질 내부 사이에 존재하는 전위의 차, 즉 용액(예: EC 층)을 통한 저항 전위 강하 및 각 전극을 통한 또 다른 저항 전위 강하이다. 전기 변색 장치의 맥락에서, 인가 전위는 (1) 애노드의 전도성 리드로부터 애노드 전극의 특정 지점까지 전극을 통한 애노드 저항 전위 강하, (2) 애노드 전극의 이 특정 지점으로부터 애노드와 EC 층 사이의 전도성 계면을 가로질러 애노드의 이 특정 지점에 바로 근접한 EC 층의 상응하는 지점까지의 전위 강하; (3) 캐쏘드의 전도성 리드로부터 캐쏘드 전극의 특정 지점까지 전극을 통한 캐쏘드 저항 전위 강하, (4) 캐쏘드 전극의 이 특정 지점으로부터 캐쏘드과 EC 층 사이의 전도성 계면을 가로질러 캐쏘드 상의 이 특정 지점에 바로 근접한 EC 층의 상응하는 지점까지의 전위 강하; 및 (5) EC 층의 동일한 애노드 및 캐쏘드 지점 사이의 전위 강하의 조합으로서 나타날 수 있다.
전기화학적 창 - 전기화학적 실험에서, 감지할 수 있는 전류 흐름 없이 접근할 수 있는 전위 범위, 즉 전극이 이상적으로 분극성인 것으로 간주될 수 있는 전위 범위.
밴드갭, Eg - 반도체 또는 절연체에서 전도 밴드의 하단과 가전자 밴드(valence band)의 상단 사이의 에너지 차이. "넓은 밴드갭"은 3.0 eV 초과의 밴드갭을 나타내고, "좁은 밴드갭"은 2.0 eV 미만의 값을 나타낸다.
전도 밴드 - 전자가 자유롭게 또는 거의 그렇게 이동할 수 있는 시스템을 형성하는 다수의 원자 어레이로부터 발생하는 많은 밀접하게 이격된 전자 준위의 비어 있거나 부분적으로만 점유된 세트.
가전자 밴드 - 0K에서 전자에 의해 완전히 점유된 고체에서 에너지 준위의 가장 높은 에너지 연속체.
페르미(Fermi) 에너지(E F ) - 절대 0도에서 상호작용하지 않는 페르미온(fermion)의 양자 시스템에서 가장 높은 점유 단일 입자 상태와 가장 낮은 점유 단일 입자 상태 사이의 에너지 차이. 밴드 이론의 맥락에서, 절반 확률로 전자가 점유하는 준위(페르미 준위라고 함)의 에너지를 일컫는다. 페르미 준위는 가상이며 실제로 존재하지 않을 수 있다(예: 반도체 또는 절연체의 밴드갭 내에 위치함). 용액의 E F (E F, redox )는 계면의 전해질 쪽에서 전자가 검출될 확률이 0.5일 때의 에너지이다. 이 준위도 가상이며 물리적으로 존재하는 에너지 상태로 표시되지 않는다. E F 는 전자의 전기화학 전위와 같다.
일 함수 - 상의 벌크로부터 그 외부의 지점으로 전자를 제거하는 데 필요한 에너지. 이는 Φ M = E ∞ - E F 로 표현될 수 있으며, 여기에서 E F 는 페르미 에너지이고, E ∞ 는 무한 거리에서 휴지 시의 전자 에너지이다.
정상상태(전기화학) - 관심 변수(예: 농도, 플럭스, 전류 또는 전위)가 시간에 따라 변하지 않을 때 발생하는 시스템의 상태. 일정한 시간이 지나면 정상상태가 되며, 특정 순간에 정상상태에 도달하는 것이 아니라 점차적으로 정상상태에 접근하기 때문에 이론적으로 무한한 시간이 필요하다. 따라서, "정상상태에 도달하는 것"은 정상상태의 일부 특정 백분율 내에 도달하는 것을 의미할 수 있다.
용매 - 용질(화학적으로 구별되는 액체, 고체 또는 기체)을 용해시켜 용액을 생성시키는 성분이다.
용매화 시스(sheath)(쉘(shell)) - 용질을 구성하는 임의의 화합물의 용매 계면.
재구성(reorganization) 에너지(λ) - 마커스(Marcus) 이론에서, 반응 분자의 결합 길이의 변화(내부 성분, λi), 및 용매화된 이온의 반경 또는 용매 쌍극자의 배향을 포함하는 용매화 구체의 변화(외부 성분, λo)로부터 야기되는 시스템의 에너지 변화.
디바이(Debye) 길이(κ-1) - 용액에서 전하 캐리어의 순 정전기 효과 및 정전기 효과가 지속되는 정도의 척도: 용액의 경우
Figure pct00007
, 여기에서 ε은 상대 투과율이고, ε0은 전기 상수이고, e는 전자 전하이고, kB는 볼츠만(Boltzmann) 상수이며, T는 절대 온도이고, c i 는 i번째 성분의 농도이며, z i 는 i번째 성분의 전하이다.
전해질 - 용매에서 해리 시 이온으로 해리되고 이러한 해리에 의해 이온 전도성을 제공하는 화합물. 전해질의 이온 전도성 용액도 때때로 전해질이라고도 한다. 고체 상태에서 다소 높은 이온 전도성을 갖는 화합물을 고체 전해질이라고 한다.
지지 전해질 - 사용되는 인가 전위 범위에서 그의 이온이 전기 활성이 아닌 전해질. 전형적으로, 지지 전해질의 농도는 용액에 용해된 전기 활성 성분의 농도보다 높다.
전자 이동 - 전자가 폐쇄된 시스템 내로(또는 밖으로) 수송되어 적어도 하나의 전자 상태의 점유 수의 변화를 유도하는 과정.
전하 전달 반응 - 반드시 전하 전달 단계를 포함하는 계면(불균일) 반응. 후자는 이온의 중화 또는 형성(이온 이동), 또는 각각 금속으로부터 전자를 얻거나 또는 금속에게 전자를 잃음으로 인한 이온 전하의 변경일 수 있다.
이중 층 - 일반적으로 두 개의 전도 매체 사이의 계면에 존재하는 전하 층(한 쪽은 양의 잉여 전하를 운반하고, 이 잉여 전하는 다른 쪽에서 동일한 크기의 음의 잉여 전하에 의해 균형을 이룸). 계면 전반에 걸친 결과적인 전위 강하는 이중-층 전위이다. 두 가지 제한적인 경우가 있다: 이상적으로 분극성인 계면에서 두 개의 인접한 상은 전하를 교환할 수 없으며; 그런 다음 시스템은 외부 전위를 인가함으로써 충전될 수 있는 커패시터처럼 거동한다. 이상적으로 비분극성인 계면에서 두 상은 전하 캐리어, 이온 또는 전자를 교환할 수 있으며, 정지 상태의 경우 전위차는 두 상의 이러한 캐리어의 화학 포텐셜의 차이에 의해 결정된다.
내부 헬름홀츠 층 - 이중 층에서, 전극 표면에 특이적으로 흡착되는 모든 종을 포함하는 층. 한 가지 유형의 분자 또는 이온만 흡착되고 이들이 모두 동일한 위치에 있으면, 이들의 중심이 내부 헬름홀츠 평면(IHP)을 한정한다.
외부 헬름홀츠 층 - 이중 층에서, 전극 표면에 가장 가깝지만 특이적으로 흡착되지 않는 이온을 포함하는 층. 이들은 용매화 구체를 온전하게 유지했으며 정전기력에 의해서만 구속된다. 이러한 모든 이온이 동일하면, 이들의 중심이 외부 헬름홀츠 평면(OHP)을 한정한다.
미끄러운 평면(전단 평면) - 고정된 용액 종의 구역과 고정되지 않은 용액 종의 구역을 분리하는 이중 층 구조의 가상 평면.
전기화학 임피던스 분광법(EIS) - 작은 진폭의 부과된 사인파 섭동의 주파수, f 또는 각 주파수, ω의 함수로서 연구 중인 전기화학 시스템의 복소 임피던스 Z의 측정(평형 상태 또는 정상상태 조건 하에서)에 기초한 실험 기술.
등가 회로 - 전기화학 임피던스 분광법(EIS)에서, 전기화학 시스템의 전체 전기적(AC+DC) 거동을 모방하는 이상적인 수동 전기 구성요소의 가상 네트워크.
물질 수송(물질 전달) - 일반적으로 스트림, 상, 분획 또는 성분을 의미하는 물질의 하나의 위치에서 다른 위치로의 순 이동.
확산 - 화학 포텐셜의 국부적 차이로 인한 입자의 수송. 입자의 플럭스는 화학 포텐셜(또는 단순화된 경우 농도)의 구배에 비례한다.
대류 - 물질 수송 모드 중 하나. 분자 메커니즘에 의해 용액의 하나의 위치에서 다른 위치로 종의 수송이 발생하는 확산 또는 이동과 달리, 대류의 경우에는 용액의 전체 부피 요소의 이동이 발생한다. 밀도 구배로 인해 대류가 발생할 수 있다(자연 대류). 밀도 구배는 특히 기술적 전기분해 및 전기량 측정 실험에서 물질의 생성 또는 고갈로 인해 높은 전류에서 발생할 수 있다. 가열 또는 냉각도 밀도 구배를 유발할 수 있다. 강제 대류는 예를 들어 진동으로 인해 의도되지 않은 것일 수 있지만, 교반 등에 의해 유도될 수 있다.
이동(migration) - 용액 중 이온 및 포텐셜 구배의 존재와 관련된 일종의 전하/물질 수송. 전류가 용액을 통해 흐를 때, 이는 이온에 의해 운반되고 이것이 이동 수송을 구성한다.
비어-람베르트-부게르(Beer-Lambert-Bouguer) 법칙 - 광의 감쇠를 광이 통과하는 물질의 특성과 관련시키는 물리 법칙. 비어-람베르트-부게르 법칙에 따르면, 균일한 등방성 매질에서 시준된 단색 방사선 빔의 감쇠 계수(광학 밀도 D라고 함)는 흡수 경로 l, 화합물의 10진수 몰 감쇠 계수 ε(흡수, 산란 및 형광의 효과를 포함함) 및 몰 농도 C에 비례한다:
Figure pct00008
, 여기에서 I는 통과된 광의 강도와 관련되고, I 0 는 감쇠 매질에 들어가는 광의 강도와 관련된다. 용액의 경우, 몰 흡수 계수를 사용하여 용질에 의한 광 감쇠의 강도를 기재한다.
전기 변색(EC)은 제어 전압이라고 하는 전압의 인가 시 발생하는 전류로 인해 색상 또는 광 투과율과 같은 광학 특성을 가역적으로 변경할 수 있는 특정 화합물, 조성물 또는 어셈블리에서 발견되는 물리적 현상이다. 전기 변색 현상을 나타내는 시스템 또는 물질을 "전기 변색성"이라고 한다.
전기 변색 물질 - 전기 변색을 나타내는 물질. 이러한 물질은 일반적으로 유형 I, II 또는 III으로 분류될 수 있다. "유형 I" 물질은 환원 및 산화(산화환원) 상태 모두에서 가용성이고, 예를 들면 1,10-디-메틸-4,40-비피리딜륨("메틸비올로겐")이며, 이는 환원 시 무색 디-양이온으로부터 청색 라디칼 양이온으로 전환된다. "유형 II" 물질은 하나의 산화환원 상태에서 가용성이지만 전자 이동 후 전극 표면에 고체 막을 형성한다. 이의 예는 1,1-디-헵틸-4,4-비피리딜륨("헵틸 비올로겐")이다. 산화텅스텐, 프러시안 블루(Prussian blue) 및 전기 활성 공액 중합체와 같은 "유형 III" 물질에서, 산화환원 상태 모두 또는 전체가 고체이며 이러한 시스템은 일반적으로 전극 표면 상의 박막으로서 사용된다. 유형 II 및 III의 경우 산화환원 상태가 전환되면, 새로운 전기 변색 상태를 유지하기 위해 더 이상 전하 주입이 필요하지 않으며, 이러한 시스템은 "광학 메모리"를 갖는다고 한다. 유형 I 전기 변색 물질의 경우, 전기화학적으로 발생된 가용성 생성물이 전극에서 멀리 확산되고, 전체 용액이 전기분해될 때까지 전류가 계속 흐르도록 할 필요가 있다. 소정 전해질 용액에서 2개보다 많은 산화환원 상태가 전기화학적으로 접근 가능한 경우, 전기 변색 물질은 여러 색상을 나타낼 수 있으며, 전기 활성 공액 중합체 박막의 빈번한 특성인 다중 전기 변색성이라고 한다.
전기 변색 장치(EC 장치) - 전기 변색 현상을 이용하는 장치.
올인원 EC 장치 - 모든 전기 변색 물질(들)이 전자 전도성을 갖는 별도의 전기 변색 상으로 분리되지 않고 이온 전도체 상(들) 내에 통합되는 전기 변색 장치의 부류.
전기 변색 층(EC 층) - 표면을 덮거나 두 물체 사이에 배치되는 전기 변색 물질 또는 조성물. 올인원 EC 장치의 EC 층는 이러한 장치의 전극을 통해 전기 입력 신호를 인가할 때 올인원 EC 장치의 광학 특성을 변경할 수 있는 이온 전도 요소로서의 역할을 한다. 특정 양태에서, EC 층은 실질적으로 또는 완전히 투명하거나, 탁하지 않거나, 흐릿하지 않거나, 무색 또는 유색 매질일 수 있다. 이는 가변 투과율 층의 애노드 및 캐쏘드 스택 둘 다와 접촉하거나 또는 애노드 또는 캐쏘드 스택중 적어도 하나 및 반대 기능의 하나 이상의 보조 전극(예: EC 층의 광학 경로 외부에 위치한 전극)과 접촉할 수 있다.
광-흡수 화합물 - 가시광 및/또는 UV 및/또는 NIR 영역에서 전자기선 플럭스의 감쇠를 제공하여, (1) EC 장치를 통해 보는 사람에게 및/또는 이것이 설치된 구역에 대해 원하는 시각적 감각을 생성시키고, (2) 앞서 언급한 전자기선 영역에서 들어오는 전자기선 에너지의 양을 조절하는 능력을 EC 장치에 제공하는 화합물. 이러한 화합물은 EC 장치가 정상 작동하는 동안 EC 층 내에서 형성 및 소비되며 EC 장치에 인가되는 전기 입력 신호에 따라 그 양이 변한다.
보조 화합물 - 초기 전기화학적 공정으로부터 광-흡수 종의 형성 또는 소비로 이어지는 반응 시퀀스를 촉진하는 EC 조성물 또는 층에 포함될 수 있는 성분.
개질제 - 내구성, 안정성, 점도, 제조 특성 등과 같은 특정 특성을 조정하기 위해 EC 조성물 또는 층에 포함될 수 있는 성분.
매트릭스 - 광-흡수 화합물의 형성 및 소비, 이러한 화합물의 충분한 용해도, 이들의 전구체 및 EC 조성물 또는 층의 기타 가용성 성분을 위한 조건을 제공하는 최적화된 EC 조성물 또는 층의 매질. 최적화된 매트릭스는 제조 후 EC 층의 광학 특성 및 낮은 헤이즈 특성; 광-흡수 화합물의 광 흡수 특성(용매 변색 효과); 광-흡수 화합물의 형성 및 소비로 이어지는 일련의 전기화학적 단계를 용이하게 하는, 전극 스택과의 계면; 가변 투과율 층에 구조적 강성(내구성)을 제공하는 전극에 대한 EC 층의 접착; 전기화학적 활성 화합물 및 반응 생성물, 이온(이온 전도도) 및 보조 화합물/개질제의 물질 수송 속도; 최적화된 EC 장치의 작동 조건(전위, 전류, 화학적 조성 등)에서의 화학적 및 전기화학적 안정성; 제조 공정에 적합한 레올로지(개질제의 조성과 함께); 전극-전해질 계면의 광학적 특성(반사, 투과, 굴절)을 지원할 수 있다.
추가 요소 - 스페이서(예: 유리 비드), 이온-선택성 또는 다공성 멤브레인, 기준 전극(예: Pt 또는 Ag 와이어) 또는 보조 전극(예: Li/흑연 전극) 같은 EC 조성물 또는 층에 포함될 수 있지만 그 안에 용해되지 않는 성분.
전기 변색 조성물 - 하나 이상의 전기 변색 물질을 포함하는 혼합물. EC 조성물은 또한 매트릭스 "자체" 또는 캐스팅, 후처리 또는 EC 층의 형태로 장치에 EC 조성물을 통합할 수 있는 기타 공정 동안 매트릭스를 형성하는 성분을 포함할 수 있다. 이러한 성분은 용매, 중합체 물질 또는 중합체 물질을 형성하기 위한 성분, 지지 전해질, 보조 화합물, 개질제, 추가적인 요소 중 하나 이상을 포함할 수 있다. EC 조성물은 용액, 분산액, 용융물 또는 겔의 형태로 존재할 수 있다.
AM 1 태양광 - 태양의 방향이 지표면에 수직일 때 해수면에서, 즉 대기를 가로지르는 지상 지구 복사조도 또는 태양 복사조도.
광학 대역 통과 필터(bandpass filter) - 특정 파장 범위 내에서 선의 투과를 허용하고 더 높거나 낮은 파장에서 선의 투과를 허용하지 않는 광학 장치.
홍채(Iris) 또는 후광 효과 - 일반적으로 외부 회로 연결부 근처의 구역에 대해 외부 회로 연결(예: 전극) 지점에서 멀리 떨어진 구역에서 측방향으로 가변 투과율 층에 대한 착색의 불균일한 분포.
졸 - 액체 매질 중 고체 입자의 콜로이드성 현탁액.
겔 - 유체에 의해 전체 부피에 걸쳐 팽창된 비-유체 콜로이드성 네트워크 또는 중합체 네트워크. 겔은 실질적으로 희석된 가교 시스템일 수 있다. 특정 겔은 대기압(1기압) 및 실온(즉, 20℃)에서 정상상태에서 효과적으로 흐름이 나타내지 않을수 있다. 무게에 따라 겔은 대부분 액체일 수 있지만, 액체 내의 3차원 가교 네트워크로 인해 고체처럼 거동한다.
기판 - 가요성 또는 강성일 수 있는 아래에 놓이는 성분 또는 층. 특정 기판은 EC 층을 기계적으로 지지할 수 있다.
가변 투과율 층 - 애노드 및 캐쏘드와 전기적으로 접촉하고 외부 전기 회로를 사용하여 제어할 수 있는 EC 조성물 또는 층을 포함하는 어셈블리. 이러한 어셈블리는 EC 층 및 외부 전기 회로를 사용하여 제어할 수 있는 하나 이상의 전극 스택일 수 있다. EC 층은 2개의 전극 사이, 예를 들어 2개의 전극 스택 사이, 또는 전극이 없는 기판과 전극 사이 등에 있을 수 있다.
겔 전해질 - 겔 형태의 전해질.
가시광 투과율(VLT, τv) - 380nm 내지 780nm의 가시광 스펙트럼(가시광이라고도 함)에서 광의 인지된 투과율과 관련된다:
Figure pct00009
, 여기에서 D λ 는 광원 D65의 상대 스펙트럼 분포이고(ISO/CIE 10526 참조), τ(λ)은 파장 λ에서의 스펙트럼 투과율이고, V(λ)는 측광을 위한 표준 관측기를 정의하는 명소시(photopic vision)의 스펙트럼 발광 효율이며(ISO/CIE 10527 참조), Δλ는 파장 간격이다.
UV 및 NIR - 약 10nm 내지 약 400nm 범위의 자외선(UV) 전자기 스펙트럼 및 약 750nm 내지 약 1,400nm 범위의 근적외선(NIR)에 관련된다.
CIE - 국제 조명 위원회.
CIE L*a*b*(CIELAB) 공간 - 색상을 3가지 값으로 표현하는 색상 공간: 검정색(0)에서 흰색(100)까지의 명도에 대한 L*, 녹색(-)에서 적색(+)까지의 a*, 및 청색(-)에서 황색(+)까지의 b*. CIELAB은 이러한 값의 수치 변화의 동일한 양이 시각적으로 인지된 변화의 양에 거의 동일하도록 디자인되었다. L*, a* 및 b*에 대한 비선형 관계는 인간 눈의 비선형 응답을 모방하기 위한 것이다. 또한, L*a*b* 색상 공간에서 구성 요소의 균일한 변화는 인식된 색상의 균일한 변화에 상응하는 것을 목표로 하므로, L*a*b*의 임의의 두 색상 간의 상대적인 지각 차이는 각 색상을 3차원 공간의 한 점(L*, a*, b*의 세 가지 구성요소 포함)으로서 처리하고 이들 사이의 유클리드(Euclidean) 거리를 구함으로써 근사치를 구할 수 있다. RGB 및 CMYK 색상 모델은 장치에 따라 다르기 때문에, RGB 또는 CMYK 값과 L*a*b* 사이의 전환을 위한 간단한 공식은 없다. 그러나, 색상의 CIELAB 좌표는 UV/Vis 투과 스펙트럼으로부터 계산될 수 있다.
CIELAB 매칭 - 인간의 눈에 대한 CIELAB 공간의 선형성을 이용하는 여러 다른 색상으로부터 인지된 색상을 구성하는 접근 방식. 예를 들어, 한 쌍의 광-흡수 화합물이 용액에 존재하면 사람이 인식하는 결과적인 색상은 이들의 L* 값에 따라 가중된 동일 농도의 단일 성분 용액의 a* 및 b* 값의 합으로 기재된다.
EC 장치의 색상 경로 - 백화(bleaching) 및 암화(darkening)시키는 과도 공정 동안 장치의 색상이 어떻게 변하는지를 설명하는 EC 장치의 속성.
본 개시내용은 전기 변색 장치 및 그의 구성요소, 및 전기 변색 장치를 제어하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 본 개시내용은 또한 겔 형태의 전기 변색 조성물 및 층을 포함하는 전기 변색 물질 및 조성물에 관한 것이다. 본 개시내용의 다양한 양태의 세부사항을 기재하기 전에, EC 장치 및 일반적인 구성요소에 연루된 다양한 메커니즘 및 본 개시내용의 EC 장치의 구조를 설명하는 것이 도움이 될 수 있다. 이러한 메커니즘과 구조는 아래에 제공된다.
일반적인 장치 구조
일반적으로, 전기 변색 장치는 그 위에 전극을 포함할 수 있는 2개의 기판 사이에 배치된 전기 변색 조성물(예를 들어, EC 층 형태)을 포함한다. 전기 변색 층은 전기 변색 조성물을 가로질러 인가되는 입력 신호에 응답하여 광 투과율(가시광, 적외선 및/또는 자외선)을 하나의 상태(예: 높은 광 투과율 상태)에서 다른 상태(예: 낮은 광 투과율 상태)로 변경하도록 구성된다. 이러한 입력 신호는 인가 전압, 전류, 전기장 또는 전기 변색 물질이 그의 광학 특성을 변경하게 하는 기타 입력값일 수 있다. 전기 변색 조성물은 유형 I 및 유형 II 전기 변색 물질 및 이들의 하이브리드를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, EC 전기 변색 조성물은 입력 신호에 응답하여 광 투과율을 하나의 상태에서 다른 상태로 변경할 수 있는 하나 이상의 전기 변색 물질을 포함한다. 전기 변색 조성물은 또한 매트릭스 및 개질제, 추가 원소, 보조 화합물, 또는 이들의 조합 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 개시내용의 특정 양태에서, 전기 변색 조성물 또는 층은 겔 형태일 수 있다. 이러한 겔은 고체 네트워크 상과 액체 상을 포함한다. 유리하게는, 이러한 겔은 독립형(stand-alone) 제품으로서 제공된 막 및 겔-막 복합체 상에 배치될 수 있다. 본 개시내용의 특정 양태에서, 겔 형태의 전기 변색 조성물은 대기압(즉, 1기압) 및 실온(즉, 20℃) 하에 효과적으로 유동을 거의 또는 전혀 나타내지 않을 수 있다.
EC 장치의 필요한 감쇠 계수, 가시광 투과율(VLT) 및 스펙트럼 특성을 얻으려면, 선택된 유색 종의 농도, 몰 흡수 계수 및 흡수 스펙트럼 및 EC 장치에 대한 흡수 경로의 특성을 적절히 조합해야 한다. EC 장치의 EC 층에는 몇 가지 가능한 구성이 있을 수 있다:
(1) 전기 변색 효과가 층의 부피에 걸쳐 착색된 종의 농도 프로파일을 변화시킴으로써 얻어지는 반면, 층의 두께가 고정되는 용액형(유형 I 전기 변색 물질 함유);
(2) 전기 변색 효과가 전극 계면의 EC 층에 착색된 침전물을 증착함으로써 얻어지는 증착형(유형 II 전기 변색 물질 함유);
(3) 전기 변색 효과가 유형 III 전기 변색 물질의 별도의 상의 하나 이상의 미리 캐스팅된 막의 흡수 스펙트럼(및 그에 따른 흡수 계수)을 변화시킴으로써 얻어지는 박막형(유형 III 전기 변색 물질 함유);
(4) 전기 변색 효과가 겔의 고정된 중합체 골격에 화학적으로 결합된 발색단 부분의 흡수 스펙트럼을 변화시킴으로써 얻어지는 네트워크-연결형;
(5) 전술한 유형의 특성을 결합한 하이브리드 유형(여러 유형의 전기 변색 물질을 함유함).
EC 층의 첫 번째 유형에서는, 착색된 종의 농도가 감쇠 경로를 따라 균일하지 않을 수 있으므로, 모든 착색된 성분에 대한 총 감쇠는 광 전파 경로에 걸친 농도의 적분에 비례한다. 두 번째 유형에서는, 흡수 특성(흡수 계수 및 스펙트럼)이 감쇠 경로를 따라 균일하므로, 증착층의 두께가 광 감쇠의 강도를 결정한다.
올인원 EC 장치는 일반적으로 몇몇 종류의 유형 3 EC 층을 포함하지 않는다.
EC 장치의 원하는 시각적 감각을 달성하기 위해, EC 조성물 또는 층의 광-흡수 화합물은 원하는 효과를 이용하여 인간 시각 시스템을 자극하는 방식으로 적절하게 매칭 및 구성될 수 있다. 인간의 시각은 망막, 원추체 및 간상체의 광-감수성 세포에 의해 가시광 범위의 전자기선를 감지한다. 비교적 높은 휘도(10-3cd/m2보다 높은)에서[포코니(J. Pokorny) 등, Congenital and Acquired Color Vision Defects, Grune & Stratton, 1979], 원추세포는 광의 지각을 담당하여 색상 인지 능력을 제공한다(명소시/박명시). 인간의 색상 인지와 관련하여, 광-흡수 화합물에 대한 조건은 EC 장치를 통해 투과되는 광을 여과하여, 상이한 유형의 원추 세포가 명소시/박명시 감수성 곡선에 따라 자극되도록 하는 것이다.
중성(그레이스케일) EC 장치 구성: 그레이스케일 장치를 생성시키기 위해 가시광 범위에서 이상적으로 평탄한 흡수 특성을 갖는 EC 조성물 또는 층을 구성할 필요는 없다. 대신, 최소 흡수 또는 최대 흡수는 인간 원추세포의 최대 감도에 가깝게 위치할 수 있고 강도는 시각 감수성 곡선에 따라 매칭될 수 있다. 이를 달성하는 가장 편리한 방법은 CIELAB 매칭을 이용하는 것이다.
화합물의 광 흡수: 전자기선 플럭스를 감쇠시키기 위해, 화합물은 전자 에너지 상태 사이의 선-유도 전자 전이 현상과 관련된 전자기선 흡수 특성을 나타낸다. 임의의 화합물의 경우, 전자기선와의 상호 작용에 관한 거동을 결정하는 일련의 허용된 전자 전이가 있다. 일반적으로, 화합물의 UV/가시광/NIR 흡수 스펙트럼은 다수의 개별 흡수 밴드로 구성되며, 이들 각각은 단일 선-유도 전자 전이에 기여한다. 스펙트럼은 피크 확장으로 인해 연속적이다. 각 전이에는 확률과 흡수 단면적에 의해 정의되는 강도가 있다. 화합물의 각 전자 에너지 준위는 진동 및 회전 하위 구조를 가지며, 이는 흡수 밴드의 형상을 결정한다. 제어 방법, 제조를 단순화하고 EC 장치 스위칭의 색상 경로를 최적화하려면, 최소 수의 광-흡수 화합물로 원하는 광 흡수 특성을 얻는 것이 매우 바람직하다. 이를 위해, 넓은 흡수 밴드(강한 광 흡수)를 갖는 하나 이상의 광-흡수 화합물을 선택하는 것이 바람직하다. 강한 광 흡수를 갖는 광-흡수 화합물의 또 다른 이점은 이러한 성분을 낮은 농도로 사용할 수 있어서 EC 장치의 비용 및 전력 소비를 줄일 수 있다는 것이다.
농도-흡수 관계의 특수한 경우: 일부 화합물은 용액에서 착색된 종 간의 화학적 상호작용을 포함하는 과정으로 인해 비선형 농도-흡수 의존성을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 일부 화합물은 상이한 흡수 특성을 갖는 이량체를 형성하는 경향이 있다. 이 경우, 농도에 대한 광학 밀도의 의존성은 부게-람베르트-베일 법칙에서 벗어날 수 있다(예컨대, 포물선 형태를 취함). 농도가 상이한 용액의 색상도 다를 수 있다. 이러한 특성은 다색 장치를 구성하는데 이용될 수 있으며, 특히 유형 I/II 장치(아래 참조)의 농도 프로파일 형상에 따라 달라지는 암화 및 백화의 색상 경로와 관련하여 고려되어야 한다. 더 얇고 농축된 EC 층에 의해 목표 VLT 값을 얻는다면, 광-흡수 화합물의 이러한 특성의 존재를 이용하여 더 비용 효율적이고 전력 효율적인 장치를 구성할 수 있다. 이 속성은 화합물이 농도-의존적 색상 이동을 나타내는 경우 CIELAB 매칭과 같은 스펙트럼 조정에도 이용될 수 있다. 이량체화가 EC 장치의 성능을 손상시키는 경우(예를 들어, 낮은 VLT 값에서 원치 않는 색조 이동을 유발함), 화학적 변형을 통해 이를 억제할 수 있다.
화학적 변형에 의한 색상 조정: 원하는 흡수 스펙트럼을 구성 및/또는 조정하기 위해 광-흡수 화합물 코어의 화학적 구조의 화학적 변형이 수행될 수 있다. 매우 다양한 작용기가 유기 화합물에 도입되어 특성, 예컨대 가시광의 흡수를 변경할 수 있다. 이온-라디칼 형태의 흡수를 갖는 전구체 화합물의 산화 또는 환원 시, 이전 프론티어 오비탈(frontier orbital) 중 하나(비점유 LUMO 또는 완전 점유 HOMO)가 단일 점유 SOMO로 변하여, 밀접하게 위치한 SOMO-N 또는 SOMO+N 오비탈로부터의/로의 전이를 가능하게 한다. 이 현상은 이온-라디칼 종의 밴드갭이 좁아서 가시광 범위에서 강한 흡수를 일으키는 원인이 된다. 광-흡수 화합물의 화학적 조정과 관련하여, 이온-라디칼의 흡수에 대한 작용기의 영향은 전구체 HOMO-LUMO 밴드갭 폭 및 이에 따른 상응하는 전기 변색 물질의 비-라디칼 무색 형태의 흡수에 대해 어떠한 중요한 영향도 동반해서는 안된다. 강한 발색단 기(예: -NR2, -OR, -NO2, -N=N- 등)의 도입은 전구체의 밴드갭 내에서의 에너지 준위를 대체하고 그에게 색상을 부여할 수 있기 때문에 바람직하지 않다. 더욱이, 이들 기는 화학적 성질에 강한 영향을 미치고 전구체/이온-라디칼의 안정성을 악화시킬 수 있다. 전구체의 전자 하위 구조를 변경하는 것은 다음 시퀀스로 더 잘 수행된다:
(1) 큰 밴드갭(> 3.0eV)에 의해 분리된 상당한 수의 π-오비탈을 갖는 전구체의 방향족 코어와 컨쥬게이션된(conjugated) 작용기의 도입: 페닐, 나프틸, 비페닐. 이러한 변형은 전구체의 밴드갭 위와 아래에 여러 에너지 준위를 삽입하고 광-유도 전이가 허용되는 준위 사이의 최소 거리를 낮추기 때문에 이온-라디칼의 색상을 강하게 이동시킨다.
(2) 유도성(-CH3/알킬/분지된 알킬, -CF3/플루오르화 또는 퍼플루오르화 알킬/분지된 플루오르화 또는 퍼플루오르화 알킬, -F, -SF5 등) 또는 약한 메소머(mesomeric)(-OCF3, 메타-OR', 메타-NR'2 등(여기에서, R'은 알킬 또는 치환된 알킬 등임)) 공여체/수용체를 사용한 방향족 치환기의 변형. 이러한 작용기는 에너지 준위의 위치를 이동시키거나 에너지 준위를 대체시켜 전구체의 밴드갭이 크게 좁아지지 않도록 한다. 매우 약한 효과를 가진 기의 도입은 흡수 스펙트럼의 미세 조정에 사용된다. 원하는 효과를 얻기 위해 몇 가지 기를 도입할 수 있다.
변형의 특수한 경우는 이러한 경향이 있는 화합물의 이량체화를 유발하거나 억제하는 것, 예를 들어 이량체화를 유발하기 위해서 2개의 이온-라디칼 광-흡수 코어 사이에 지방족 연결기를 첨가하거나, 또는 이량체화를 억제하기 위하여 부피가 큰 치환기(예컨대, 3급-부틸 치환기)를 도입하는 것이다. 이량체화는 흡수 특성을 크게 변화시키고 농도 의존성을 왜곡한다. 이는 또한 용매화 발색(solvatochromic) 효과를 일으킬 수 있다.
화학적 변형의 다른 목적: 색상 조정은 전구체의 화학적 변형의 유일한 목적이 아니다. 조정될 수 있는 매개변수는 다음과 같다: (1) 물질-수송 특성, 부피가 큰 치환기를 첨가함으로써; (2) 이온-라디칼 형태의 산소/수분 안정성(각 경우에 따라 특이적임); (3) 산화 환원 전위, 전체 에너지 구조를 변동시키지만 밴드갭을 상당히 좁게 만들지 않는 뚜렷한 전자 효과를 갖는 치환기를 도입함으로써; (4) 특히 저온에서의 용해도(사용되는 매트릭스에 대해 특이적임); (5) 애노드 및 캐쏘드 반응(유형 I/II의 경우)의 착색된 생성물 사이의 화학적 상호작용 속도.
일반적으로, 모든 치환기는 한 번에 모든 특성에 복잡한 영향을 미치지만, 일부 결과는 다른 것보다 더 강력하다. 따라서, 적절한 변형은 장치의 최종 목적에 따라 크게 달라진다.
전하 전달 현상, 계면 평형: 전기화학적 과정의 기본 현상은 상간 전하 전달이다. 두 상이 접촉하면, 두 상 모두에서 페르미 준위(E F )라고도 하는 전자의 전기화학 포텐셜이 균등해지는 경향이 있는 계면이 형성된다. E F 균등화의 메커니즘은 계면을 형성하는 물질의 유형에 따라 다르지만, 그 과정에는 항상 등에너지적(isoenergetic)이어야 하는 전자 이동이 수반된다[게리셔(H. Gerischer) "Physical Chemistry: An Advance Treatise", Vol. 9A, 에이링(H. Eyring). 헨더슨(D. Henderson), 및 조스트(W. Jost) 편집, Academic Press, New York. N.Y., 1970; (b) 게리셔, Adv. Electrochem. Electrochem. Eng., I, 139(1961)]. 따라서, 전자 이동이 진행되기 위해서는 계면을 형성하는 두 상에서 동일한 에너지(열변동 범위 내, kT)의 점유 준위 및 비점유 준위(상태) 커플이 있어야 한다. 특정 올인원 EC 장치에서, 초기 전기화학 반응은 이온 전도성(대부분 용액) EC 층과 전극(예: 금속 또는 전극 스택의 반도체/유전체 층) 사이의 계면에서 발생한다.
계면의 용액측: 용액형 EC 층은 일반적으로 액체 상을 포함한다. 금속 용융물을 제외한 액체의 전기 전도도는 이온의 물질 수송에 의해 제공되므로 액체 상은 일반적으로 용해된 이온 화합물(즉, 전해질)을 포함한다. EC 층은 전도성 물질과의 계면을 가질 수 있으며, 이들의 전도는 자유 전자의 드리프트와 관련된다. 따라서, 전극과 EC 층 사이의 상 경계에서 이온 전도체 및 전자 전도체의 접촉이 발생한다. 벌크 액체 이온 전도체에서는 평형 조건 하에 시간-평균 힘이 벌크 전해질의 모든 방향과 모든 지점에서 동일하며, 우선적으로 유도되는 순 전기장이 없다. 그러나, 액체 상은 상 경계에서 중단되어, 벌크 액체에서 균일한 이온-이온 및 이온-용매 상호 작용이 교란되고, 프론티어에서 전기적 중성이 무너진다. 액체 상의 과도한 전하는 전하를 띤 입자와 상호 작용하는 전기장을 생성시키고, 이의 전극이 만들어진다. 이 상호 작용은 전극에 전하를 유도한다. 따라서, 전극 계면을 가로질러 전위차가 발생하고, 이로써 전기가 통하게 된다. 전술한 상호작용은 "이중 층" 또는 "전기 이중 층"(이하, EDL)으로 알려진 특정 계면 구조를 형성하는 것으로 알려져 있다. 계면의 두께가 매우 낮기 때문에, 낮은 전위차라도 매우 강한 전기장(약 107V.cm-1 정도)을 생성시킬 수 있으며, 이는 액체 계면 영역의 하전된 종에 영향을 끼친다. 계면에 전기 활성 용질이 위치하면, 용액 에너지 상태로의/상태로부터의 전하 전달이 일어나 전기화학 반응을 일으킬 수 있다.
용액으로의/용액으로부터의 전자 이동: 작은 분자 종의 용질은 별개의 에너지 스펙트럼을 갖는다. 작은 분자 용질의 가역적인 산화환원 과정은 용질의 프론티어 오비탈의 에너지 준위(HOMO, SOMO 또는 LUMO)로부터의/로의 전자 이동을 포함한다. 그러나, 전기 활성 용질의 경우, 용액 상태의 에너지는 상태가 점유되었는지(Red) 비어 있는지(Ox)에 따라 달라지는데, 이는 Red 및 Ox 종 주변의 용매-시스 에너지(λ)의 차이 때문이다. 산화환원-활성 종의 배위 구체와 벌크 전해질 사이의 용매 분자 교환은 용매 시스 에너지의 범위로 이어지는 동적 과정이기 때문에, 산화환원 상태의 밀도는 별도의 가우시안 분포 면에서 가장 잘 설명된다. 전극-전해질 전자 이동의 유효 거리는 OHP 거리(미끄러운 평면으로 간주됨) 값을 갖는 것으로 가정되는데, 이는 특정 흡착이 없을 때 전기 활성 종이 도달할 수 있는 가장 가까운 위치이기 때문이다(이와 관련하여 산화환원 전극만 논의됨). 따라서, 계면 상의 구동 전위차는 전극 표면(반도체의 경우 더 복잡함) 전위와 OHP 전위 간의 차이이다. 후자는 전극 유형, 전위 및 전해질의 특성에 의해 결정된다. 전극은 외부 전기 회로에 연결될 수 있어서 페르미 준위가 변경될 수 있고; 이동 전하 캐리어를 포함하는 매체로서의 전해질은 이동 효과로 인해 인가된 전기장에 의해 분극화되는 것으로 알려져 있다. 따라서. 전기장은 전기장 강도가 0인 벌크 매체에서 특정 깊이까지만 매체를 관통하는 것으로 간주된다(도면). 비-전기 중성 층(따라서, EDL)의 두께는 용액의 이온 강도에 따라 달라지며, 몇 디바이 길이의 값으로 대략적으로 추정될 수 있다. EDL이 좁을수록 전극과 OHP 사이에서 더 높은 구동 전위차가 발생하여 전자 이동 가능성이 더 높아진다.
금속-전해질 계면 전하 전달: 금속의 전도(CB) 밴드와 가전자(VB) 밴드가 중첩되어, 전자의 경우 금지된 에너지 준위가 없다. 에너지 스펙트럼은 연속적이고, 따라서 페르미 준위는 전자가 가질 수 있는(주변의 열 분포를 고려함) 에너지의 최상위 차수를 반영한다. 어떤 전하가 금속에 도입되거나 금속으로부터 회수되면, 그 안의 전자 수의 변화로 인해 그의 페르미 준위가 변하고(이온은 전자에 비해 고정된 것으로 간주됨), 전자는 페르미-디랙(Fermi-Dirac) 통계에 따라 가장 낮은 가능한 에너지 준위를 점유한다. 금속이 전기화학적 활성 용질을 함유하는 전해질과 접촉하게 되면, 전해질 측에서 이들의 에너지 준위가 나타난다. 일부 준위는 한두 번 점유되고 일부는 자유롭다. 한 종의 환원된 형태(공여체, Red) 및 산화된 형태(수용체, Ox)를 나타내는 한 쌍의 화합물이 산화환원 커플을 형성한다. 계면에서 Red 및/또는 Ox 상태의 0이 아닌 밀도에서, 금속의 페르미 준위와 전해질의 산화환원 페르미 준위가 같아질 때까지 전하 전달이 발생한다. 모든 전자 이동은 등에너지적이어야 하므로, 페르미 준위가 Ox 상태의 0이 아닌 밀도 영역과 중첩되면 용질의 환원이 발생할 수 있고, 페르미 준위가 Red 상태의 0이 아닌 밀도 영역과 중첩되면 산화가 발생할 수 있다. [게리셔 "Physical Chemistry: An Advance Treatise", Vol. 9A, 에이링, 헨더슨 및 조스트 편집, Academic Press, New York. N.Y., 1970; 게리셔, Adv. Electrochem. Electrochem. Eng., I, 139(1961)].
반도체-전해질 계면 전하 전달: 금속과 달리 반도체(SC)의 CB 및 VB는 중첩되지 않으므로 금지 상태 범위가 존재한다(밴드갭). 전해질의 수용체(Ox) 또는 공여체(Red) 상태의 0이 아닌 밀도의 에너지 준위가 반도체의 상보적 상태의 에너지 준위와 매칭되는 경우(전자 또는 정공)에만 등에너지 전하 전달이 발생할 수 있다. 따라서, 전도 밴드 또는 가전자 밴드 근처의 에너지가 있는 용질만이 반도체 전극과 전자를 교환할 수 있다(표면 상태 또는 전도 밴드와 가전자 밴드 사이의 에너지 준위와 같은 복잡한 요인이 없는 경우) (Journal of the American Chemical Society/97.26/1975년 12월 24일). 반도체의 전하 캐리어 농도가 금속보다 106 내지 108배 낮을 수 있으므로, 반도체에서 이용가능한 상태의 밀도는 그의 전기화학적 거동에 영향을 미치며; 진성 반도체(어두운 조건에서)는 CB의 전자 및 VB의 정공 둘 다를 낮은 농도로 가질 수 있는 바, 전하 전달 속도는 무시할 수 있고; n-형 반도체는 CB에서 비교적 많은 양의 전자를 가지므로, 이는 수용체(Ox) 상태로의 전하 전달의 상당한 속도를 유지할 수 있으며; p-형 SC는 유사하게 VB에서 비교적 높은 농도의 정공으로 인해 공여체(Red) 상태로부터 전자를 효율적으로 회수할 수 있다. 그러나, 축퇴적으로(degenerately) 도핑된 반도체는 전위가 플랫-밴드 전위(Vfb)를 초과하는 경우(n형의 경우 더 음성, p형의 경우 더 양성) 금속과 같은 거동을 나타낼 수 있으므로 환원 및 산화 모두에 잘 사용될 수 있으나, Ox와 Red 상태 에너지가 Vfb(n-형 SC의 경우)보다 높거나 또는 낮은(p-형 SC의 경우) 용질에만 해당된다(Journal of the American Chemical Society/97.26/1975년 12월 24일).
투명 전도성 산화물(TCO) 전극: 준금속 전도성을 갖는 축퇴 도핑된 반도체인 투명 전도성 산화물(TCO)은 넓은 밴드갭(약 3.0eV 이상)을 갖고 있어서, 가시광과 거의 상호작용하지 않는다. 가장 널리 사용되는 TCO가 n-형이므로, 계면에서 용질을 산화 및 환원시키는 능력을 유지하려면 금속과 유사한 전극 거동을 제공하는 전위 범위가 선호된다. 더 나은 성능을 얻고 사용가능한 용질의 다양성을 넓히기 위해, 높은 일함수 물질이 애노드로 바람직하다. 준금속 전도성이 낮은 옴 저항률과 특정 계면 특성을 제공하므로, TCO는 표면 전도 기능과 계면 전하 전달 기능을 결합할 수 있으나; TCO를 함유하는 전극 스택에 추가적인 표면 전도성 층 및/또는 계면 층을 여전히 도입할 수 있다.
반도체 계면 효과: 반도체(SC)의 특성을 이용하여, 가변 투명 층의 전극에 대한 전기화학적 과정을 제어할 수 있다. 예를 들어, 캐쏘드 계면에서 충분히 낮은 일함수의 SC(예를 들어, 맨(bare) SC 전도 층 또는 하나 이상의 계면 층을 가짐)를 사용하면, 초기 전기 환원-민감성 화합물의 환원된 상태의 산화를 제외한 산화 과정을 차단할 수 있다. 이로써, 예를 들어 유형 II 장치(아래에서 더 자세히 설명됨)에서와 같이 강한 역 과전위를 인가함으로써 가변 투명 층의 빠른 방전을 이용할 수 있게 된다.
또한, SC 계면을 사용함으로써 대전극에서 전기화학적으로 생성된 종의 역 전기화학 과정을 억제할 수 있다(아래 유형 II 장치 참조).
물질 전달, 이온 이동: 모든 계면 전하 전달은 전기 산화의 경우 환원된 종을 산화된 종으로 전환시키고 전기 환원의 경우 그 반대로 전환시킨다. 전해질 산화환원 페르미 준위가 전하 전달을 통해 변동되면, 계면에서 시약/생성물 용질의 농도가 변하여(벌크 전해질과 비교하여) 농도 구배 및 이에 따른 확산 플럭스를 유발한다. 더욱이, 계면에서의 전자 이동은 OHP에서 전해질 내에서의 보상되지 않은 과도한 전하의 출현으로 이어지며, 이는 전기장에 기여한다. 모든 하전된 종은 그와 상호작용하여 전기 이동을 야기한다. 전해질의 보상되지 않은 전하는 계면에서 구동 전압을 변경시킨다(프럼킨 효과, 상기 참조). 용액 성분은 전하에 의해 유도된 정전기장과 상호 작용하여, 주변 매질을 재구성시킴으로써 이온을 이동시키고 용매 쌍극자를 재배향시킨다. 전하 보상 속도는 용액의 유전 상수 및 이온 이동 속도에 따라 달라진다.
전하 전달 속도가 시약 용질의 물질 전달 속도를 초과하는 경우, 전기화학적 반응의 전체 속도(및 그에 따른 총 전류)는 물질 전달에 의존하게 된다. 따라서, 시약 용질의 물질 전달은 반응 속도에 크게 기여한다. 대부분의 경우, 전하 전달 단계의 속도는 물질 전달 속도보다 높다. 적절한 물질 전달 속도는 EC 장치의 성능 최적화에 영향을 끼친다: 물질 전달 속도가 너무 높으면 과도한 전류 및 전력 소비가 발생할 수 있는(이는 전극의 높은 저항-전압 강하(ohmic drop)로 이어져 EC 장치 오작동을 유발할 수 있음) 반면에, 너무 낮은 물질 전달 속도는 매우 긴 스위칭 시간과 불량한 광학 특성을 유발할 수 있다. 물질 전달 과정의 속도는 매트릭스를 변화시키고 소정 용도를 위해 용질 구조를 화학적으로 조정함으로써 설정될 수 있다.
이온성 화합물과 관련하여, 물질-이동 속도에 대한 상당한 기여는 이온 결합 현상에 의해 주어진다. 강한 이온 결합은 용해도를 감소시키고 물질-이동 속도를 급격히 악화시킬 수 있다. 따라서, EC 조성물 또는 층은 하나 이상의 약하게 배위하는 이온(양이온/음이온 또는 둘 다, 아래 참조)을 포함하는 것이 바람직하다.
대류: 전해질이 액체인 경우, 물질 수송 메커니즘은 확산 및 이동으로 제한되지 않다. 화학 및 전기화학 반응의 열 효과, EC 장치 부품 간의 작동 온도 차이(광 흡수 화합물에 의한 광학 경로에 따른, 또한 노출된 표면 상에서의 다양한 열 방출로 인해 발생할 수 있음), 용해된 종의 농도에 대한 밀도의 의존성 및 기타 요인이 EC 층 내에서 벌크 흐름을 유발함으로써 대류 효과를 일으킬 수 있다[예: 레일리(Rayleigh)-버나드(Benard) 셀, 색상 분할 등). EC 장치에서, 이는 투과율 변동 및 구배, 높은 작동 전류를 유발할 수 있으므로, EC 층의 레올로지를 조정하여 억제하는 것이 바람직하다.
전하 보존: 전극-전해질 계면에서 전기화학적 반응이 발생하면, 전극에 형성된 과도한 전하는 외부 전기 회로(예: 제어 회로)에 의해 회수되어야 한다. EC 장치를 통해 전류가 흐르도록 하려면, 전하 수용부가 제 1 전극과 전기적으로 결합되어야 한다. 초기 과정이 이온 전도체에서 전자 전도체로의 패러데이 전하 전달이기 때문에, EC 층의 전기적 중성을 보존하기 위해, 시스템은 전극으로부터 EC 층으로의 상보적인 패러데이 전하 전달을 허용하는 전자 전도체 및 이온 전도체의 두 번째 접점을 포함해야 한다. 따라서, 일반적인 올인원 EC 장치는 두 개 이상의 전극(애노드와 캐쏘드) 및 전기 산화에 민감한 하나 이상의 화합물과 전기 환원에 민감한 화합물을 함유하는 EC 층을 포함하는 전기화학 전지로 나타내어질 수 있다. 그러나, 애노드와 캐쏘드가 모두 투명하거나 광 투과를 위한 광학 경로 내에 위치할 필요는 없다. 본 개시내용의 EC 장치의 특정 양태에서는, 조성물 또는 층 위에 착색된 종을 생성/소비하기 위해 하나의 전극만이 광 투과를 위한 광학 경로 내에 또한 EC 조성물 또는 층과 접촉하여 위치한다. 이러한 경우에, 광학 경로를 한정하는 제 2 기판은 어떠한 전극 또는 전극 스택도 갖지 않을 수 있거나, 또는 제 1 기판으로서 애노드 또는 캐쏘드 전극을 가질 수 있다(예를 들어, 2개의 광학적으로 투명한 애노드 또는 2개의 광학적으로 투명한 캐쏘드). 제 2 전극은 예를 들어 EC 조성물 또는 층과 이온 컨쥬게이션되는 임의의 보조 부피 내에 위치할 수 있다.
상기 설명된 바와 같이, 본 개시내용은 다른 양태들 중에서 특히 전기 변색 장치 및 그의 구성요소, 및 전기 변색 장치를 제어하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 이제 도면을 참조하면, 도 1a는 예시적인 전기 변색 장치(100)를 도시한다. 도면에 도시된 바와 같이, 컨트롤러(110)는 각각 전기 연결부(112a, 112b) 및 버스 바(130a 및 130b)를 통해 가변 투과율 층(120)에 전기적으로 연결된다. 컨트롤러(110)는 가변 투과율 층에 입력 신호를 인가하기 위한 회로, 및 임의적으로는 소프트웨어를 포함할 수 있다. 가변 투과율 층(120)은 2개의 광학적으로 투명한 기판 사이에 배치된 EC 층을 포함할 수 있으며, 상기 두 기판 중 적어도 하나는 전극을 형성하는 전기 전도성 표면을 포함한다. 이 특정 예에 있어서, 가변 투과율 층(120)은 각각 전극을 형성하는 전기 전도성 표면을 포함하는 2개의 광학적으로 투명한 기판을 포함한다. 이 예에서, 버스 바(130a, 130b)는 각각의 이들 전극 상에서 각각의 이들 전극과 전기적으로 접촉한다.
각 전극에는 하나보다 많은 연결부가 있을 수 있으며, 상이한 연결부는 상이한 기능을 가질 수 있다. 예를 들어, 일부 연결부에는 신호 기능이 있는 반면, 다른 연결부에는 감지 기능이 있을 수 있다.
장치(100)의 전기 변색 활성은 가변 투과율 층(120)에 의해 제공된다. 가변 투과율 층은 하나의 전극 스택, 맨 유전체 기판 및 EC 층, 또는 2개의 전극 스택과 그 사이의 EC 층을 포함할 수 있다. 예시적인 가변 투과율 층(120) 구조가 도 1b에 도시되어 있다. 예를 들어, 도 1b에 도시된 바와 같이, 가변 투과율 층(120)은 유전체 기판(124a, 124b), 애노드(126a), 캐쏘드(126b) 및 광 투과율을 제어하는 전기 변색 층(121)을 포함할 수 있다. 애노드 계면 층(또는 애노드측 상간 전자 전달 층)(128a), 및/또는 캐쏘드 계면 층(또는 캐쏘드측 상간 전자 전달 층)(128b)이 가변 투과율 층에 임의적으로 포함될 수 있다. 추가적인 외부 코팅(122a, 122b)이 임의적으로 각각 유전체 기판(124a, 124b) 상에 있을 수 있다.
EC 층(121)은 그와 접촉하는 전극 스택(123, 125)과 그의 사이에 전기 바이어스가 인가될 때 투과율 변경 능력을 제공한다. 제어 시스템은 전기 변색 층과 접촉하는 전극 및 전기 연결부를 통해 입력 신호를 인가하기 위헤 회로를 포함할 수 있다. 입력 신호는 예를 들어 특정 전압, 예컨대 약 1.5V 미만, 바람직하게는 약 1.3V 미만, 더욱 바람직하게는 약 1.2V 미만을 포함하여, 전기 변색 층의 광 투과율이 하나의 상태(예를 들어, 높은 광 투과율 상태)에서 다른 상태(예를 들어, 낮은 광 투과율 상태)로 변화되도록 할 수 있다.
이러한 요소의 기능은 다음과 같다:
가변 투과율 층(120)의 기판의 외표면은 임의적으로는 하나 이상의 기능성 코팅(예: 외부 코팅(122a, 122b)), 예를 들어 눈부심 방지, 굴절률 정합, 반사 방지 코팅, 저방사성(low-e) 코팅; 방사선 필터(UV/NIR 차단제, 컬러 필터); 긁힘 방지 또는 보호 코팅; 소수성, 배유성 또는 초소수성(omniphobic) 코팅; 접착제(EC 장치가 도포되어야 하는 특정 물질에 대한 굴절률 정합 기능을 보유할 수 있음) 등으로 덮일 수 있다.
가변 투과율 층의 전극 스택의 유전체 기판(124a/124b)은 높은 광학 투명성 및 낮은 헤이즈의 구조 요소이다. 기판은 다양한 실시양태에서 유리, 플라스틱(벌크 또는 막) 또는 투명 세라믹으로 제조될 수 있다. 일부 실시양태에서는, 버스 바(본원의 다른 곳에 기재됨)가 기판에 추가되고, 각각의 전극(애노드(126a) 또는 캐쏘드(126b))에 전기적으로 연결된다. 한 실시양태에서, 기판은 하나의 고체 층, 예를 들어 유리 시트를 포함할 수 있다. 다르게는, 기판은 예를 들어 적층 유리 트리플렉스(triplex) 같은 다중 층을 포함할 수 있다. 이러한 구성은 안전성에 도움이 될 수 있다. 기판은 또한 다른 기능을 제공할 수도 있다.
유리는 많은 용도에서 선호되는 투명한 유전체 기판이다. 이는 일반적으로 우수한 투명성, 낮은 헤이즈 및 구조적 안정성을 가지고 있다. 이는 구조적으로 손상되지 않으면 기체와 액체에 대해 불투과성이므로, 민감한 화합물을 보호하는 탁월한 장벽이 된다.
유리에 대한 작동 안정성 및 안전성에 대한 엄격한 조건이 종종 있을 수 있다. 이러한 기능은 일반적으로 강화(tempered) 유리, 열처리 유리 및/또는 안전 중간층이 적층된 유리를 사용하여 수행된다. 이러한 유리 기판을 본 개시내용의 EC 장치에 사용할 수 있다.
템퍼링은 유리 시트를 560℃보다 높은 온도로 가열한 후 공기 흐름을 사용하여 급속 냉각하는 것을 포함하는 유리 시트의 열처리이다. 템퍼링은 유리를 롤러로 운반하는 오븐에서 수행된다. 롤러 구조의 각인은 일반적으로 강화 유리의 물결 형상을 만들어 잠재적으로 광학 왜곡을 유발할 수 있다. 이러한 원치 않는 왜곡을 줄이는 한 가지 방법은 하나의 유리 시트의 피크를 일반적으로 다른 시트의 골에 대해 매칭시켜 두 강화 유리 시트를 함께 적층하는 것이다. 따라서, 본 개시내용의 한 양태에서, EC 장치는 제 1 강화 유리 시트의 피크를 일반적으로 제 2 강화 유리 시트의 골에 대해 매칭시켜 제 2 강화 유리 시트에 적층된 제 1 강화 유리 시트를 하나 이상의 광학 기판으로서 포함할 수 있다.
강화 유리는 일반 소둔(annealed) 유리보다 기계적 강도가 더 높다. 강화 유리가 깨지면, 이는 날카로운 가장자리가 거의 없는 여러 개의 작은 유리 조각으로 붕괴되어 안전 기능을 수행한다. 대부분의 자동차 측면 및 후면 창은 강화 유리로 제조된다.
유리의 적층은 안전 기능을 달성하는 또 다른 방법이다. 중간층 시트를 사용하여 두 유리 시트를 함께 결합한다. 이어, 어셈블리를 온도 및/또는 압력으로 처리하고, 종종 기포를 제거하기 위한 진공 탈기를 동반한다. 가장 일반적인 두 종류의 중간층 시트는 폴리비닐 부티랄(PVB) 및 에틸렌-비닐 아세테이트(EVA)로 제조된다. 적층 유리는 파손되면 중간층에 부착된 상태를 유지하여 안전 기능을 달성한다.
일부 실시양태에서는, 투명 플라스틱을 전기 변색 장치용 기판으로서 사용한다. 유리와 비교한 이들의 장점은 예를 들어 낮은 중량, 막 형태로 제조된 경우 가요성, 예를 들어 롤 대 롤 형식의 대량 가공 등이다. 반면, 플라스틱도 일반적으로 유리에 비해 더 낮은 광학 품질, 투명 전극의 더 낮은 광학 및 전기적 품질, 기체 및 수증기 투과성, 전기 변색 조성물의 성분과의 가능한 장기 화학 반응성 또는 열화를 초래하는 UV 민감성, 가공 옵션을 제한할 수 있는 저온 안정성 등과 같은 몇 가지 단점을 갖는다.
본 개시내용의 전기 변색 장치 및 용도에 적합한 플라스틱 기판은 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 퍼플루오로알콕시알칸(PFA), 폴리에틸렌 나프탈레이트(PEN), 폴리카보네이트(PC) 등으로부터 제조될 수 있으나, 이들로 한정되지는 않는다. EC 물질과 플라스틱의 화학 반응성을 줄이거나 제거하기 위해, EC 물질과 접촉하는 표면을 불활성 물질로 패시베이션시킬 수 있다.
일부 실시양태에서, 기판은 투명 세라믹이다. 투명 전도성 전극이 유리와 동일한 방법으로 이러한 기판의 표면에 증착된다.
EC 층(121)과 함께 광학적으로 투명한 전극 스택(예를 들어, 애노드 스택(123) 및/또는 캐쏘드 스택(125))은 가변 투과율 층(120)의 구역에 걸쳐 전극-전해질 계면에서 전기화학적 공정을 유지한다. 도 1a의 예에서, 전극 스택은 충분히 낮은 저항-전압 강하로 표면 전류를 유지하기 위해 적어도 하나의 표면 전도성 층, 예를 들어 애노드(126a) 및/또는 캐쏘드(126b)을 포함한다.
애노드 및 캐쏘드 표면 전도 층은 OTE와 같은 투명한 전도 전극으로 제조될 수 있다. OTE는 오늘날 업계에서 널리 사용되어, 태양광 발전, 평면 스크린, 터치 스크린, 가열된 투명 표면, EMI 차폐 등과 같은 수많은 용도에서 사용되는 다양한 장치를 가능하게 한다. OTE는 일반적으로 그의 광학 및 전기적 특성을 그 특징으로 한다.
광학적으로, OTE의 원하는 특성은 투명도(더 높은 값이 바람직함), 색상(중성이 바람직함) 및 헤이즈(더 낮은 값이 바람직함)와 관련이 있다.
전기적으로, OTE의 관심 속성은 Ω/스퀘어 단위로 측정된 시트 저항이다. 터치 스크린용 정전식 센서와 같은 일부 용도는 수백 Ω/스퀘어 정도의 비교적 높은 시트 저항을 필요로 한다. 전기 변색 장치는 일반적으로 상당한 전류를 소비하는 저전압 장치이므로 저항 손실을 최소화해야 하며, 바람직하게는 약 100Ω/스퀘어 미만, 예를 들어 약 70Ω/스퀘어 미만, 예를 들어 약 50, 30, 20, 15, 10, 5Ω/스퀘어 미만의 낮은 시트 저항에 대한 조건이 충족되도록 해야 한다.
OTE의 주요 부류는 통상적으로 투명 전도성 산화물(TCO)이라고 하는 투명 산화물로 제조된 OTE를 포함한다. TCO의 예는 산화주석인듐(ITO), 알루미늄 도핑된 산화아연(AZO), 플루오르 도핑된 산화주석(FTO), 산화몰리브덴(MoO3), 산화아연인듐(IZO), 산화아연갈륨인듐(IGZO), 산화아연주석(TZO), 산화주석(SnO2), 알루미늄 도핑된 산화주석(ATO), 산화아연(ZnO), 산화인듐(In2O3), 산화갈륨(Ga2O3), 아연 도핑된 산화주석(ZTO), 인듐 도핑된 산화갈륨(IGO), 갈륨-인듐 도핑된 산화주석(GITO), 갈륨 도핑된 산화아연(GZO), 아연 도핑된 산화주석인듐(ZITO), 산화인듐아연(ZIO), 갈륨 도핑된 산화인듐(GIO), 알루민산구리(CuAlO2) 등을 포함하지만, 이들로 국한되지는 않는다. 가장 통상적인 것은 인듐-도핑된 산화주석(ITO) 및 플루오르-도핑된 산화주석(FTO)이다.
다른 적절한 OTE는 예를 들어 금속의 박층 및 금속 메쉬 또는 그리드(예를 들어, 금속 나노와이어의 메쉬 또는 그리드)를 포함한다. 금속(예: 은 또는 금)의 박층(가시광의 특징적인 파장보다 얇음)은 투명하고 전기 전도성이 뛰어나다. 때로는 이러한 금속을 다른 금속과 합금시켜 비용을 절감하고 화학적 안정성을 향상시킨다. 금속은 증기 또는 액체 상으로부터 박막 또는 나노입자로서 증착될 수 있다. 적절하게 디자인된 금속 층은 IR 범위에서 반사 특성을 가질 수 있으므로, 이러한 층을 갖는 OTE는 전기 전도성의 주요 기능에 덧붙여 저-방사성 코팅으로서 사용될 수 있다.
일부 실시양태에서는, TCO 및 금속의 층을 결합함으로써 제조된 하이브리드 OTE를 사용한다. 이러한 하이브리드 구조의 장점은 감소된 전체 스택 두께 및 소정의 저항에 대해 개선된 광학 특성 또는 소정 OTE 두께에 대해 더 낮은 저항을 포함한다.
OTE용으로 적합한 다른 물질은 예를 들어 탄소 물질(예를 들어, 단일벽 또는 다중벽 탄소 나노튜브, 그래핀); 전도성 중합체; 전도성 금속-유기 또는 공유 유기 프레임워크(MOF/COF); 또는 전도성 금속 착체를 포함한다. 전술한 물질이 캐쏘드 또는 애노드 표면 전도 층에서 혼합 또는 적층될 수 있고, 애노드 스택 및 캐쏘드 스택이 서로 상이할 수 있음이 이해될 것이다.
EC 장치에는 전기 공급원이 연결되어 있기 때문에, 이러한 장치에 통합할 수 있는 기능 중 하나는 김서림 방지 기능이다. EC 장치의 김서림 방지는 장치에 열적으로 연결된 가열 요소를 포함하는 구성에 의해 달성될 수 있다. 김서림 방지는 장치의 기판 또는 그의 외부 코팅을 가열하거나 장치 자체의 OTE를 가열하여 이룰 수 있다. 장치의 OTE가 가열되는 경우에는, 전기 변색 층에 대한 유해 효과를 최소화하거나 피하는 것이 중요하다. 유해 효과는 승온 및 전기화학적 과정으로 인해 발생할 수 있다. 원치 않는 전기화학적 과정을 피하는 한 가지 방법은 장치에서 전기 변색 반응의 특징적인 확산 시간 상수에 상응하는 주파수를 초과하는 주파수의 교류 AC(전기 변색 장치의 DC 구동 작동과는 대조적으로)로 가열하는 것이다.
EC 용도의 관점에서, OTE는 바람직하게는 구조적 무결성을 보존하고 과전위의 작동 범위 내에서 EC 층(121)으로부터의 화학물질과 반응하지 않는다는 것을 알게 될 것이다. 구조적 무결성 문제는 가요성 기판의 OTE에서 특히 두드러진다. 예를 들어, ITO가 PET에 증착되면 취급/굽힘 시 균열이 발생할 수 있다. 일반적으로, ITO는 EC 화학에 비해 안정적이다. 그러나, 균열 형성은 ITO 및 그의 도펀트의 국부적인 화학량론을 변화시켜 EC 화학과의 반응성을 증가시킬 수 있고, 이는 급속한 장치 열화를 초래할 수 있다. 화학적 열화가 없더라도, 균열이 형성되면 전위 분포가 장치 표면에 걸쳐 더 이상 균질하지 않기 때문에 장치가 작동하지 않을 수 있다. 이러한 불균질성은 장치의 얼룩덜룩한 착색 및 다른 광학적 결함을 초래한다.
화학적 호환성의 관점에서, 금속을 기반으로 하는 일부 OTE는 과전위의 작동 범위 내에서 EC 구성요소와의 접촉을 견디지 못할 수 있다. 예를 들어, 은과 구리는 이러한 조건에서 빠르게 부식된다. 금, 팔라듐, 백금, 이리듐, 하스텔로이(Hastelloy) 및 일부 다른 금속 및 합금을 비롯한 기타 금속 및 금속 합금이 더 안정적이다. EC 용도에서 금속 OTE를 보호하는 한 가지 방법은 TCO와 함께 하이브리드 다층 배열(예: 광학적으로 투명한 기판 상의 OTE/금속 OTE/OTE 층상 구조)로 이들을 사용하는 것이다. 예를 들어, 이러한 하이브리드 전극은 가요성 기판 상의 ITO 층, 이어 은 박층, 이어 ITO의 다른 층(예를 들어, 광학적으로 투명한 기판 상의 ITO/은 OTE/ITO 층상 구조)을 포함할 수 있다. ITO의 외부 층은 OTE의 일부이자 은에 대한 보호 층으로 작용하여, 은과 EC 층 사이의 직접적인 접촉을 방지한다.
또 다른 옵션은 특수 애노드 및/또는 캐쏘드 계면 층을 사용하는 것이다. 이러한 층은 그 자체로는 우수한 OTE를 형성하지 않을 수 있지만, 이들은 전기 회로를 실질적으로 방해하지 않으면서 OTE의 금속 층을 보호한다. 이러한 층에 대한 한 가지 옵션은 탄소 나노튜브의 현탁액으로부터 이를 제조하는 것이다. 그러나, 계면 층의 목적은 OTE 보호로만 국한되지 않다(아래 참조).
EC 장치가 2개의 스택(2개의 기판 상에 위치함)을 갖는 경우, 스택 및 기판이 동일해야 한다는 조건은 없다. 실제로, 특정 용도 및 장치 구조에서는 하나의 스택이 다른 하나의 스택과 다른 것이 유리할 수 있다. 다음은 이러한 비대칭 배열의 예 및 그의 이점이다.
EC 장치의 여러 용도는 이들이 작동되는 환경 면에서 비대칭이다. 예를 들어, 건축 창호의 경우 창의 내부와 외부는 환경이 매우 다르다. 태양 부하는 외부에서 작용하므로 대부분의 UV 및 IR 부하는 외부를 향하는 EC 장치의 표면에 영향을 끼친다. 따라서, 외부를 향하는 기판이 내부를 향하는 기판과 다른 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 외부를 향하는 기판은 UV 흡수 및/또는 IR 반사율과 같은 추가적인 특징을 가질 수 있다. 이러한 특징은 외부를 향하는 기판에 속하는 스택의 개별 층으로서 구현될 수 있거나 또는 기판의 벌크 내로 통합될 수 있다(예: 플라스틱 기판 내의 UV 흡수 첨가제). 외부를 향하는 스택에 임의적으로 추가될 수 있는 또 다른 광 제어 특징은 편광 제어이다. 기판 또는 그 층 중 하나가 편광판으로 작용하면, 전체 태양 부하와 눈부심이 감소될 수 있다. 따라서, 본 개시내용의 한 양태에서, 광학적으로 투명한 기판, 바람직하게는 외부를 향하는 기판은 광을 편광시키거나 또는 광을 편광시키는 층을 그 위에 포함한다.
다른 유형의 가능한 비대칭은 서로 다른 물질로 만들어진 두 개의 기판에 있다. 예를 들어, AR 고글의 경우, 기판 중 하나는 비교적 두꺼운 폴리카보네이트 렌즈일 수 있는 반면, 다른 하나는 경량 막, 예컨대 PET이다.
창의 경우, 하나의 기판은 유리일 수 있는 반면, 다른 하나는 막-기반일 수 있다. 이러한 배열은 예를 들어 막-기반 기판이 불활성 분위기를 포함하는 절연 유리 유닛(IGU)의 내부 공동과 마주하는 IGU 어셈블리에서 가능하다. 이 경우, 막-기반 기판이 불활성 환경에 직면하기 때문에, 가장자리 및 구역 밀봉 조건이 완화될 수 있다(완전히 제거되지 않는 경우). 이는 장치 복잡성을 단순화하고 비용을 절감한다. 도 1c 및 하기 그에 대한 기재는 그러한 IGU에 대한 추가적인 세부사항을 제공한다.
표면 전도성 층(126a/126b)은 계면 층(각각 128a/128b)으로 또는 가변 투과율 층이 계면 층을 포함하지 않는 경우 용액으로 상간 전하 전달을 제공한다. 애노드 및 캐쏘드 계면 층(128a/128b)은 전극-전해질 계면(애노드 및/또는 캐쏘드)에서 전하 전달 거동을 조정하며, 따라서 높은 표면 전자 전도성을 갖지 않을 수 있다. 계면 층은 예를 들어 단량체/중합체 유기 반도체; 무기 반도체; 유기 유전체; 무기 유전체; MOF; 탄소 물질(예: 단일벽 또는 다중벽 탄소 나노튜브, 그래핀); 전기화학적 활성 화합물의 물리적 또는 화학적으로 흡착되거나 결합된 분자 층(고정된 산화환원 셔틀처럼 작용할 수 있음); 또는 계면에서 용액 특성(예: 유전체 투과성, 이온 강도, 이온 결합 등)을 변경하는 전기화학적 불활성 화합물의 물리적 또는 화학적으로 흡착되거나 결합된 분자 층으로 이루어질 수 있다.
또한 계면 층을 사용하여, 계면의 기계적, 광학적 또는 기타 비-전기적 특성, 예를 들어 계면 접착력, 굴절률 매칭 또는 전극 표면 습윤성을 변경시킬 수 있다. 가변 투과율 층의 제조 동안, 전극 스택(123/125)의 하나 이상의 계면 층(128a/128b)이 사전 조립되어 사용될 수 있거나, 또는 제조 동안 동일 반응계 내에서 부분적으로 또는 완전히 자가-조립될 수 있다.
EC 장치의 유형에 관계없이, EC 층(121)은 하나 이상의 광 흡수 화합물을 포함할 수 있다. EC 층(121)은 보조 화합물, 개질제, 매트릭스, 용매, 지지 전해질, 중합체 첨가제(들), 및 추가 성분 중 하나 이상을 추가로 포함할 수 있다.
위에서 설명된 바와 같이, 전기 변색 장치는 대향하는 기판이 상이한 물질로 제조된다는 점에서 비대칭일 수 있다. 예를 들어, 하나의 광학적으로 투명한 기판은 유리일 수 있는 반면, 대향하는 광학적으로 투명한 기판은 중합체, 예를 들어 PET 막과 같은 가요성 물질을 포함할 수 있다. 다르게는, EC 장치는 2개의 상이한 유형의 유리, 2개의 상이한 두께, 2개의 상이한 화학 조성 및/또는 둘 다 OTE를 갖는 경우 기판 상의 상이한 유형의 OTE로 제조된 광학적으로 투명한 기판을 포함할 수 있다. 특정 전기광학 성능 이점에 덧붙여, 이러한 장치 구조는 절연 유리 유닛(IGU) 같은 창 어셈블리에 통합하기 위한 이점이 있다.
일반적으로, 절연 유리 유닛은 부피를 사이에 두고 챔버를 한정하는 제 1 유리 기판 및 제 2 유리 기판을 포함한다. 챔버는 불활성 분위기를 포함할 수 있고 챔버는 또한 하나 이상의 전기 변색 장치의 일부 또는 전부를 포함할 수 있다. 이러한 구성은 전기 변색 장치의 하나 이상의 가장자리가 불활성 분위기에 노출되도록 할 수 있고/있거나 IGU의 제 1 유리 기판 또는 제 2 유리 기판 중 적어도 하나가 전기 변색 장치와 전기적으로 연통되지 않는다.
도 1c는 본 개시내용의 양태에 따른 IGU의 단면을 도시한다. 도면에 도시된 바와 같이, 2개의 대향 기판(예를 들어, 제 1 유리 기판(1010) 및 제 2 유리 기판(1012))은 이격되고 밀봉 요소(1014a, 1014b)로 가장자리에서 밀봉되어 부피를 갖는 내부 챔버(1016)를 형성한다. 대향 기판(1010 및 1012)은 광학적으로 투명하고, 유리, 플라스틱 또는 EC 장치에 적합한 임의의 다른 기판을 포함하는 동일한 물질 또는 상이한 물질 또는 상이한 두께로 제조될 수 있다. 밀봉 요소는 창 산업에서 일반적인 방법과 물질을 사용하여 형성될 수 있다. 유리하게는, 내부 챔버(1016)는 불활성 분위기를 함유할 수 있다. 본원에서 사용된 불활성 분위기는 실질적으로 불활성 기체, 예를 들어 질소, 아르곤 등 또는 이들의 조합을 포함하는 분위기이다. 도 1c가 2개의 기판, 예를 들어 2개의 유리 패널을 갖는 IGU를 도시하지만, 3개 이상의 유리 패널과 같이 구조에 추가적인 기판이 포함될 수 있다. 예를 들어, 각각 이격된 3개 이상의 유리 패널을 갖는 어셈블리가 있을 수 있으며, 예를 들어 제 3 기판은 제 2 기판과 이격되어 불활성 분위기를 갖는 제 2 부피를 한정할 수 있다.
본 개시내용의 한 양태에서는, 하나 이상의 EC 장치가 IGU의 내부 내에서 부분적으로 또는 전체적으로 형성되어, EC 장치가 불활성 분위기를 갖는 IGU의 불활성 분위기에 노출되고 그에 의해 보호될 수 있다. 도 1c의 예에 도시된 바와 같이. IGU는 EC 장치를 더 포함한다. 이 실시양태에서, EC 장치는 IGU를 형성하는 기판으로 형성된다. 특히 EC 장치(1200)는 광학적으로 투명한 제 1 전극(1212)이 그 위에 배치된 광학적으로 투명한 제 1 기판(1210), 광학적으로 투명한 제 2 전극(1216)이 그 위에 배치된 제 2 기판(1012), 및 제 1 기판과 제 2 기판 사이에 배치된 전기 변색 조성물(1218), 예컨대 EC 층을 포함한다.
유리하게는, EC 장치(1200)가 IGU의 내부 챔버 내에서 부분적으로 형성되기 때문에, 장치의 적어도 광학적으로 투명한 제 1 기판(1210)은 불활성 분위기에 노출된 가장자리(1214a 및 1214b)를 갖는다. IGU의 내부 분위기가 화학적으로 불활성이기 때문에, EC 조성물이 움직이지 않는 한 EC 조성물의 가장자리 주위에 밀봉을 형성할 필요가 없다. 다르게는, EC 조성물의 가장자리는 밀봉될 수 있지만, 그러한 밀봉을 위한 산소 및 수분 장벽 조건은 산소 분위기에 노출되는 어셈블리의 조건에 비해 현저히 낮을 것이다. 또한, 장치의 광학적으로 투명한 제 2 기판(1218)은 IGU 구조의 일부가 아니므로, 이는 창에 필요하지 않은 특성을 가질 수 있고 가요성 막 등의 형태 및 조성을 포함할 수 있다.
도 1c에 도시된 예에서, EC 장치의 광학적으로 투명한 제 2 기판(1012)은 불활성 분위기에 노출되지 않고 대신 밀봉 요소(1014a 및 1014b)로 각각 밀봉된 제 2 가장자리(1012a, 1012b)를 갖는다. 도 1c가 IGU의 외부 기판으로 부분적으로 형성된 EC 장치를 도시하지만, EC 장치는 내부 챔버(1016) 내의 구성요소로 형성될 수 있다[예를 들어, EC 장치를 형성시키기 위하여 가장자리를 불활성 분위기에 노출시키면서 내부 챔버(1016) 내에서 OTE가 위에 배치된 광학적으로 투명한 제 2 기판을 IGU의 외부 기판(1012), 예를 들어 챔버 내의 추가적인 기판으로 대체한 EC 장치(1200)]. 이러한 구성에서, IGU의 외부 유리 패널은 EC 장치의 일부를 형성하지 않고, 따라서 유리 패널은 EC 기능에 참여하지 않는 반면, 다른 유리 패널은 EC 장치를 함유할 수 있다.
또한, 하나보다 많은 EC 장치가 IGU의 내부 챔버에 포함될 수 있다. 이러한 다중 장치는 독립적으로 작동할 수 있는데, 이는 이들의 광학 상태가 개별적으로 변할 수 있음을 의미한다. 여러 EC 장치를 독립적으로 작동시키는 한 가지 이유는 틴팅의 동적 범위를 늘리는 것이다. 예를 들어, 두 개의 EC 장치가 개별적으로 10%의 최소 VLT를 갖는 경우, 최소 VLT 상태를 갖는 두 장치에서 유효 최소 VLT는 1%가 된다. 여러 EC 장치를 독립적으로 작동시키는 또 다른 이유는 장치를 다른 색상으로 조정하여 필요에 따라 창의 시각적 외관을 변경하는 것이다.
IGU로 형성된 EC 장치는 EC 조성물에 입력 신호를 인가하기 위해 제 1 및 제 2 전극에 전기적으로 연결된 제어 시스템 또는 컨트롤러와 같은 EC 장치를 작동시키기 위한 구성요소를 더 포함한다.
도 2는 본 개시내용의 특정 구현에 따른 여러 장치 구성들을 도시한다. 장치는 캐쏘드, 애노드 및 전기 변색 조성물을 다양한 구성으로 포함한다. 도 2에 도시된 장치에 있어서, 전기 변색 조성물은 캐쏘드와 애노드 사이에서 이들과 접촉하여 배치되고, 캐쏘드와 애노드 사이의 입력 신호에 응답하여 광 투과율을 하나의 상태에서 다른 상태로 변경하도록(예를 들어, 가시광, 적외선 투과율 및/또는 UV 광 투과율을 높은 상태에서 낮은 상태로 변경시킴) 구성된다.
예를 들어 도 2에 도시된 바와 같이, 유형 I 장치는 제 1 전극(212), 예를 들어, 애노드를 갖는 제 1 기판(210), 제 2 전극(222), 예컨대 캐쏘드를 갖는 제 2 기판(220), 및 제 1 기판과 제 2 기판 사이에 배치된 전기 변색 조성물(230), 및 이러한 구성에서 반대 위치로 구성된 가장자리 밀봉부(240a, 240b)를 포함한다. 이러한 가장자리 밀봉부는 전기 변색 조성물을 보호하고, 기판 사이로부터의 전기 변색 조성물의 누출을 방지할 수 있다. 제 1 및 제 2 전극은 계면 층을 포함할 수 있다. 이 예에서, 전극과 임의적인 계면 층은 전기 변색 선택성을 갖지 않는다. 광학적으로 투명한 제 1 기판(210)과 광학적으로 투명한 제 2 기판(220) 및 이들 사이의 전기 변색 조성물(230)은 광 투과를 위한 광학 경로(211)를 한정한다.
이 예에 대해 도시된 바와 같이, 유형 I 장치는 2개의 반대로 바이어스된(biased) 광학적으로 투명한 전극(애노드, 캐쏘드) 사이에 끼워진 등방성 EC 층이 있는 평면 박층 셀이다. 이러한 EC 장치에서 반대쪽 전극에 형성되는 종의 확산 플럭스는 전극에 대한 수직 방향에서 0이 아닌 돌출을 갖는다. 애노드 및 캐쏘드 반응이 EC 층에 의해서만 분리된 전극에서 발생하기 때문에, 이온 이동 거리는 EC 층 두께 정도이다. 양의 바이어스된 전극에 형성된 종들이 음의 바이어스된 전극에 도달하고(또한 그 반대의 경우) 이들의 전기화학적 거동이 작동 가능한 전위 범위 내에서 가역적이면, 매우 높은 역 과전위가 유지되기 때문에 이들은 전구체로 쉽게 다시 전환되고 전구체의 역 플럭스가 나타난다. 대전극 상에서의 역반응 속도가 매우 높기 때문에, 상보적인 반응 사슬에서 생성된 종의 농도는 0에 가깝고(시약 고갈) 가장 높은 농도 구배(따라서, 선호되는 확산 물질-이동 방향)가 소위 소비 경계, 즉 대전극의 방향에서 나타난다. 셀이 평면이기 때문에, 이는 전극에 대해 수직 방향이다. 이는 전기화학적으로 생성된 용질의 측방향 이동이 대부분의 경우 가변 투명성 층의 선형 크기에 비해 무시될 수 있음을 의미한다.
따라서, 이러한 구성의 EC 장치는 일반적으로 시약의 생성물로의 완전한 전기화학적 전환을 허용하지 않는다. 달리 말해, 유형 I EC 장치는 단안정성이며 개방-회로 조건을 제외한 모든 상태에서 상당한 전류를 소비한다. 한 가지 추가 특징은 애노드 및 캐쏘드 반응 시퀀스의 일원인 두 종이 이들의 전구체를 형성시키면서(모든 화학적 또는 전기화학적 과정의 가역성 때문에) EC 층 내에서 반응하여, 화학적 자가-방전을 유발한다. 따라서, 이러한 EC 장치가 바이어싱 후 열린 사슬 상태로 유지되면, 이는 비교적 짧은 시간 내에 자가-방전될 것이다. 그러나, 자가-방전 과정은 개방-회로 상태(내부 전극 표면에 대해)에서 일반적으로 방향성 확산 물질-이동을 일으키는 과정일 뿐이므로, 측방향 이동은 자가-방전 과정의 속도가 낮은 경우 개방-회로 상태에서 상당히 기여한다. 유형 I EC 장치의 또 다른 특징은, 시약과 전기화학적 반응 생성물의 계면 비가 다른 둘 이상의 대역(동일한 전극 근처)이 존재하는 경우, 이들 대역에서 동일한 전극의 전위는 이 전극을 통해 전류를 야기하는 것과는 상이할 것이며, 전기화학 반응을 통해 차이를 정렬하는 경향이 있다.
단안정성 EC 장치의 경우 광 흡수-종의 소비 속도는 이들의 형성 속도보다 낮다. 그렇지 않으면, 광-흡수 종의 준-고정 농도는 전체 EC 층에서 무시할 수 있으며, 전류가 여전히 소비되고 있음에도 불구하고 투과율 변화가 발생하지 않는다. 따라서, 유형 I EC 장치의 경우 전기화학적 활성 시약의 완전한 전기분해를 얻기가 어렵기 때문에 꺼진 상태에서 완전히 투명한 작동 모드만 실행 가능하다.
따라서, 유형 I EC 장치의 경우 광-흡수 화합물에 대한 몇 가지 바람직한 특성이 존재할 수 있다: EC 장치가 하나보다 많은 광-흡수 화합물을 사용하고 하나 이상의 OTE가 시약 물질-이동 제한 모드로 작동하는 경우, 그 전극에서 반응하는 전기화학적 활성 전구체의 확산 계수는 과도 상태에서 광-흡수 화합물 농도의 동일한 분포를 얻도록 매칭되어야 한다. 두 전극이 시약 물질-이동 제한 모드로 작동하는 경우, 모든 전구체는 확산 계수 면에서 매칭되어야 한다. 그렇지 않으면 애노드 및 캐쏘드 상에서의 상이한 전류 분포로 인해(전극 공정의 확산 제어 및 표면 전도체의 저항-전압 강하로 인해), 과도 상태 및/또는 중간 수준의 색조에서 색상 편차가 발생할 수 있다(본원의 다른 부분에서 추가로 설명된 바와 같이). 본원의 다른 곳에서 논의된 바와 같이, 광-흡수 화합물의 코어 및 이들의 전구체의 화학적 변형을 이용하여 확산 계수를 변경해야 한다.
전술한 시약의 불균등한 확산 속도의 영향은 (1) 제어 회로에 대한 전극의 분산된(다점) 연결을 이용하여 전극을 가로지르는 저항-전압 강하를 최소화하고/하거나; (2) 두 전극이 이온-이온 제한 조건에서(프럼킨 효과를 통해) 작동하도록 설정함으로써 경감되거나 없어질 수 있다. 후자는 전기 변색 조성물, 조성물의 이온 전도도 및 전기 변색 종 농도의 적절한 조정에 의해 달성된다. 위에 나열된 두 가지 접근 방식 모두 "홍채" 효과를 완화하는 데 사용할 수 있다. 따라서, 본 개시내용의 양태에서, 본 개시내용의 EC 장치는 입력 신호를 전기 변색 조성물 또는 층에 인가하기 위한 제어 시스템 또는 컨트롤러를 포함할 수 있고, 여기에서 컨트롤러는 전극을 가로지르는 저항-전압 강하를 최소화하기 위해 분산된 다점 전기 연결부를 통해 전기 변색 조성물 또는 층과 접촉하는 장치의 하나 이상의 전극에 전기적으로 연결된다. 추가로, 또는 다르게는, 컨트롤러는 전기 변색 조성물 또는 층의 이온-전달 제한 조건에서 두 전극을 작동시키도록 구성될 수 있다. 하나 이상의 전극 및/또는 이온-전달 제한 조건에서 두 전극을 작동시키도록 구성된 컨트롤러에 대한 분산된 다점 전기 연결부를 포함하는 구성이 본 개시내용의 모든 EC 장치에 포함될 수 있다.
도 2는 제 1 전극(252), 예를 들어 애노드를 갖는 제 1 기판(210), 제 2 전극(262), 예컨대 캐쏘드를 갖는 제 2 기판(220), 및 제 1 및 제 2 기판(252, 262)와 접촉하며 제 1 및 제 2 전극 사이에 배치되는 전기 변색 조성물(230)을 포함하는 유형 II EC 장치를 추가로 도시한다. 유형 II 장치는 또한 이 구성에서 반대 방향으로 구성된 가장자리 밀봉부(240a, 240b)를 포함한다. 이 예에서, 전극 중 하나 또는 둘 다는 EC 조성물에서 원치 않는 전기화학적 과정을 억제할 수 있는데, 예를 들어 캐쏘드 전극 또는 애노드 전극 중 어느 하나 또는 둘 다는 전기 변색 조성물의 특정 성분의 환원 또는 산화만을 실질적으로 허용한다. 이러한 전극은 전기 변색 조성물에 노출된 표면으로서 반도체 물질을 가질 수 있다. 이러한 구성에서, 캐쏘드 또는 애노드 중 어느 하나 또는 둘 다는 전기 변색 조성물과의 계면에 반도체 물질을 포함한다.
유형 II EC 장치는 전극 상의 원치 않는 공정이 억제됨으로써 전기 변색 조성물에서 종의 전체 전기분해를 실행할 수 있다는 점을 제외하고는 유형 I EC 장치와 유사하다. 유형 II EC 장치에서는, 화학적 자가-방전 과정이 남아 있으므로 장치는 여전히 단안정성이다. 그러나, 자가-방전 과정의 속도가 무시될 수 있는 경우에는, 이러한 유형의 EC 장치를 직선 모드 및 역전 모드(꺼진 상태에서 완전히 투명하거나 완전히 어두워짐) 모두에서 작동시킬 수 있다. 따라서, 장치는 쌍안정성 장치로 간주되고 제어될 수 있다(즉, 임의의 상태에서 실질적으로 0의 전력 소비, 상태 사이에서 전환하는 데에만 전력이 소비됨).
유형 II EC 장치에서, 자가-방전 속도가 낮으면 상당한 수직 방향의 확산 플럭스가 존재하지 않는다. 따라서, 측방향 확산 물질-이동 거리는 유형 I EC 장치와 달리 바이어스된 상태에서도 가변 투과율 층의 가로 선형 크기와 비교하여 상당할 수 있다.
도 2는 제 1 전극, 예를 들어 애노드를 갖는 제 1 기판, 제 2 전극, 예컨대 캐쏘드를 갖는 제 2 기판, 및 제 1 및 제 2 기판사이에 배치된 전기 변색 조성물, 및 이 구성에서는 반대 방향으로 구성된 가장자리 밀봉부를 포함하는 유형 III EC 장치를 추가로 도시한다. 기판, 전극, 전기 변색 조성물 및 가장자리 밀봉부는 상기 유형 I 및 유형 II 장치에서 설명된 바와 같이 구성될 수 있다.
그러나, 본 개시내용의 유형 III 장치는 EC 층 내에 부분적으로 투과성인 추가 요소를 포함한다. 예를 들어, 유형 III 장치는 EC 조성물, 예컨대 EC 층 내에 선택적으로 투과성인 멤브레인을 포함할 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 전기 변색 장치는 캐쏘드 전극과 애노드 전극 사이에 배치된 선택적으로 투과성인 멤브레인(270)을 포함할 수 있다.
이러한 구성에서, 멤브레인은 작은 이온의 투과를 실질적으로 허용할 수 있지만 큰 이온의 투과는 실질적으로 금지한다. 예를 들어, 멤브레인은 실질적으로 양성자의 투과를 허용할 수 있지만 실질적으로 양성자보다 큰 이온의 투과를 금지한다. 다르게는 또는 조합하여, 멤브레인은 실질적으로 지지 전해질의 전기화학적으로 불활성인 이온 종의 투과를 허용할 수 있지만 반응성 종은 투과시키지 않는다.
전기 변색 조성물 내 멤브레인의 특정 선택성 하에서는, 전기 생성된 용질이 대전극에 도달할 수 없거나 그 위에 형성되는 화학적 반응성 종과 접촉할 수 없다. 따라서, 상당한 자가-방전 또는 역 전기화학 반응 속도가 존재하지 않는다. 유형 III EC 장치는 완전한 전기분해를 허용할 수 있으므로 쌍안정성이다. 유형 II EC 장치와 마찬가지로, 접선 확산 물질-이동 거리는 가변 투과율 층의 선형 크기에 비해 상당하다.
본 개시내용의 한 양태에서, 선택적으로 투과성인 멤브레인은 중심부 및 주변부를 가질 수 있으며, 중심부는 주변부보다 더 높은 투과성을 갖는다. 이러한 멤브레인은 더 두꺼운 주변부 또는 더 낮은 투과성 물질로 만들어진 주변부를 가짐으로써 제조될 수 있다. 이러한 방식으로, EC 층 내에 또한 EC 장치의 전극 사이에 포함된 이러한 멤브레인은 VTL의 주변부에서보다 VTL의 중심에서 실질적으로 상이한 전기적 특성을 갖는 애노드/EC 층/캐쏘드 가변 투과율 층(VTL)을 생성시킬 것이다.
도 2는 광학적으로 투명한 제 1 기판(280), 광학적으로 투명한 제 2 기판(282) 및 제 1 전도성 표면과 제 2 전도성 표면 사이에 배치된 전기 변색 조성물(284)을 포함하는, 본 개시내용의 양태에 따른 다른 EC 장치, 예를 들어 유형 IV EC 장치를 추가로 도시한다. 광학적으로 투명한 제 1 및 제 2 기판 및 전기 변색 조성물은 광 투과를 위한 광학 경로(285)를 한정한다. 하나의 극성으로 바이어스된 제 1 전극이 광학적으로 투명한 기판 중 어느 하나 또는 둘 다에 배치될 수 있다. 이 예에서, 애노드(286)는 EC 조성물(284)을 향하는 제 1 및 제 2 기판의 내표면에 배치된다. 이 제 1 전극은 기판에 의해 한정되는 광학 경로 내에 있기 때문에, 제 1 전극은 광학적으로 투명한 전극이다. 그러나, 유형 IV 장치에서, 제 2 전극은 EC 조성물 사이의 광학적으로 투명한 기판에 의해 한정되는 광학 경로 외부에 위치한다. 이 예의 경우, 유형 IV 장치는 광 투과를 위한 광학 경로(285) 외부에 제 2 전극, 예를 들어 캐쏘드(288)를 포함한다. 제 2 전극(288)은 제 1 전극의 아래 또는 위에 위치할 수 있으며, 단락을 방지하기 위해 제 1 전극과 분리될 수 있다. 도 2에 도시된 예에서, 제 2 전극(288)은 광학 경로(285) 외부에서 보조 부피(290)로 라벨링된 제 1 및 제 2 기판의 하부에서 제 1 전극으로부터 분리되지만, 전기 변색 조성물(284)과는 이온 연결된다. 이러한 구성에 의해, 전기 변색 조성물은 제 1 전극과 제 2 전극 사이의 입력 신호에 응답하여 광 투과율을 하나의 상태(예를 들어, 높은 광 투과율 상태)에서 다른 상태(예를 들어, 낮은 광 투과율 상태)로 변경하도록 구성된다.
유형 IV EC 장치는 유형 I, 유형 II 및 유형 III EC 장치와 근본적으로 상이하다. 유형 IV EC 장치에서는, 전극이 보조 부피에 위치할 수 있으며 지지 전해질 이온이 투과할 수 있는 멤브레인으로 분리될 수 있다. 그러면 장치가 쌍안정성이 된다. 따라서, 전극 중 하나는 투명할 필요가 없으며, 예를 들어 광 경로 외부에 위치한 제 2 전극은 광학적으로 투명할 필요가 없다(즉, 10% 미만의 가시광을 투과시킴). 또한, 제 2 전극은 기판의 형상을 가질 필요가 없다. 따라서, 넓은 스펙트럼의 전극, 예컨대 리튬-탄소가 제 2 전극으로 사용될 수 있다. 유형 IV 장치의 예에서, 이온 이동 속도는 애노드과 캐쏘드 전극이 EC 층의 두께에 의해서 뿐만 아니라 가변 투과율 층의 선형 크기 정도의 거리에 의해서도 분리되기 때문에 과도 과정에 크게 기여한다. 보조 부피와 EC 층 사이의 유일한 이온 교환 경로는 이들을 분리하는 멤브레인이다. 따라서, 가변 투명성 층의 전극(들)에서 전기화학적 과정이 실행될 때, 전하 보충 이온은 접합부에서만 유한한 속도로 측방향으로 전파되므로, 전기화학 반응 속도는 접합부에 가까울수록 더 높아진다. 따라서, 이러한 장치의 과도 과정에는 가변 투과율 층에 대한 투과 구배가 수반된다. 접합부의 형상을 변경하면 과도 현상의 필요한 형상을 얻을 수 있다(예컨대, 장치의 상단에서 하단으로).
위에서 설명된 바와 같이, EC 장치의 전기 변색 조성물은 예컨대 제어 시스템 또는 컨트롤러로부터의 입력 신호에 응답하여 광 투과율을 하나의 상태(예를 들어, 높은 광 투과율 상태)에서 다른 상태(예를 들어, 낮은 광 투과율 상태)로 변경하도록 구성된다. 하나 이상의 전극은 하나 이상의 버스 바를 사용하여 이러한 컨트롤러에 전기적으로 연결될 수 있다.
특정 실시양태에서, 버스 바가 전기 전도성 표면(예: OTE)을 갖는 기판 표면의 가장자리 너머로 연장되고 임의적으로는 기판의 반대쪽에서 적어도 부분적으로 계속되도록 하는 것이 유리할 수 있다. 그 다음, 전극에 컨트롤러를 전기적으로 연결하기 위해 기판의 후면에 전기적 연결이 이루어질 수 있다. 이러한 구조의 장점은 단순화된 제조, 개선된 장치 견고성 및 단순화되고 편리한 전기 연결이다. 따라서, 본 개시내용의 양태는 기판 상의 OTE를 전기적으로 연결하고 기판의 가장자리를 넘어 기판의 반대쪽으로 계속되는 버스 바를 포함한다. 이러한 구성은 사이에 가장자리를 갖는 제 1 및 제 2 주 표면을 갖는 광학적으로 투명한 기판을 포함할 수 있으며, 이 때 기판의 하나의 주 표면, 예를 들어 제 1 주 표면은 광학적으로 투명한 전극 및 버스 바, 예를 들어 광학적으로 투명한 전극과 직접 접촉하고 가장자리 너머로 그리고 기판의 제 2 표면 상에 배치되는 전기 전도성 스트립을 포함한다.
버스 바의 다양한 구성이 가능하다. 도 3은 광학적으로 투명한 기판(310)(예를 들어, 유리) 상의 가장자리 너머의 버스 바(314)의 예를 도시한다. 기판(310)은 그 위에 광학적으로 투명하고 전기적으로 전도성인 막(312)(예를 들어, OTE)이 있는 제 1 주 표면(310A) 및 제 2 주 표면(예를 들어, 대향 표면 또는 후면)(310B) 및 제 1 주 표면과 제 2 주 표면 사이의 가장자리(310E)를 갖는다. 버스 바가 기판(310)의 제 2 주 표면(310B)까지 연장되도록 하는 한 가지 방법은 기판(310)의 가장자리(310E) 너머로 접히는 전도성 접착제가 있는 가요성 전도성 테이프를 사용하여, 기판(310)의 한 쪽에 OTE(312)가 존재하는 기능성 면(310B) 및 비-기능성 면(310A) 둘 다에 부착하는 것이다.
가장자리 너머의 버스 바를 제조하는 다른 방법은 기판(310)의 가장자리(310E)를 전도성 잉크(335)를 함유하는 욕(330)에 침지시키는 것이다. 잉크(335)는 가장자리(310E)를 습윤시키고 OTE(312) 바로 위의 기능성 표면(310A) 및 기판(310)의 비-기능성 표면(310B) 상에 전기 전도성 스트립을 생성시킬 뿐만 아니라, 기판(310)의 가장자리(310E)를 덮음으로써 기판(310)의 기능성 표면(310A) 상의 OTE와 비-기능성 표면(310B)을 전기적으로 연결한다. 잉크(335)는 전형적으로 건조 및/또는 소성되어야 한다. 이러한 잉크의 예는 약 500℃에서 소성되는 페로 코포레이션(Ferro Corporation)에서 제조한 CN33-805 Ag 화합물이다.
버스 바(314)가 가장자리(310E) 너머로 연장된 후, 기판(310)의 비-OTE 면(310B) 상의 바(314) 부분이 전기 연결을 위해 사용될 수 있다. 하나의 옵션(도시되지 않음)은 기판(310)의 후면(310B)에 있는 버스 바(314)의 둘레를 따라 여러 위치에 다중 와이어를 납땜하는 것이다. 다른 옵션은 높은 전기 전도성(예: 구리) 스트립(318)과 같은 단일 전기 전도성 요소를, 둘레를 따라 실질적으로 버스 바(314)의 전체 길이까지 부착하는 것이다. 이러한 스트립(318)의 높은 전도도는 둘레 주위에서 무시될 수 있는 손실로 전위를 분배한다. 따라서, 외부 와이어 연결부의 수가 줄어도 허용 가능한 품질의 전위 분포를 갖는 장치를 생성시키기에 충분할 것이며, 바람직하게는 전극에 대한 하나의 와이어 연결만으로 충분할 것이다. 전기 연결부의 수가 줄어들어 제조 비용이 절감되고 신뢰성이 향상되며 취급이 간편해진다.
스트립(318)의 높은 전도도는 가장자리 너머의 버스 바(314)의 전도도와 비교되며 스트립(318)의 두께 및 스트립(318)에 대해 선택된 물질의 고유한 높은 전기 전도도에 의해 달성된다. 높은 전도성을 달성하고 저항 손실을 최소화하기 위해, 스트립(318)의 두께는 특정 EC 장치에서 전극 또는 기판 사이에 배치된 EC 조성물 또는 층의 두께보다 더 클 수 있다. 그러한 경우, 기판 사이에 사용 가능한 공간이 제한적이기 때문에 어셈블리의 후면에 전기적으로 접속하는 것이 특히 유리한다. 따라서, 본 개시내용의 한 양태에서, 전기 변색 장치는 가장자리 너머의 버스 바를 갖는 광학적으로 투명한 기판을 포함할 수 있다. 이러한 장치는 (버스 바가 있거나 없는) 또 다른 광학적으로 투명한 기판 및 기판 사이의 전기 변색 층을 포함할 수 있으며, 여기에서 전기 변색 층은 두께를 갖고 제 2 전도성 요소는 전기 변색 층의 두께보다 두꺼운 두께를 갖는다.
일부 용도에서, 특정 EC 장치에서 전극 또는 기판 사이에 배치된 EC 조성물 또는 층은 약 50마이크론 초과, 예를 들어 약 100, 150, 200, 250, 300, 500, 700 마이크론 초과 또는 심지어 1mm 초과, 예를 들어 약 2mm, 3mm, 4mm 초과 등 및 이들 사이의 값의 두께를 가질 수 있다. 다른 실시양태에서, EC 조성물 또는 층은 약 10mm 이하, 또는 약 8mm 미만 및 5mm 미만의 두께를 가질 수 있다. 제 2 전기 전도성 요소는 특정 EC 장치에서 전극 또는 기판 사이에 배치된 EC 조성물 또는 층의 두께보다 더 큰 두께를 가질 수 있다.
스트립(318)과 버스 바(314) 사이의 부착은 예를 들어 전기 전도성 테이프(316)를 사용함으로써 전도성 스트립(318)과 버스 바(314) 사이에 전기 접점을 갖는다.
다르게는, 스트립(318)은 가장자리 너머의 버스 바(314)를 형성하기 전에(도시되지 않음) 기판(310)의 후면(310B)에 부착될 수 있다. 이 경우, 적절한 결합 접착제 또는 전도성 스트립을 기판에 결합시키는 다른 방법을 이용하여, 스트립(318)을 기판(310)에 부착시킨다. 이어, 이전 시퀀스에서와 같이 기판에 대해 동일한 침지/소성 시퀀스를 진행시키고, 그 결과 후면 스트립 형태의 저 저항 분배 경로와 함께 후면(310B)으로부터 전면(310A)까지 전기 전도성 스트립이 형성된다.
가장자리 너머의 버스 바(314)가 형성되면(추가의 고전 도성 스트립이 있든 없든) 부식으로부터 보호하고 EC 장치의 개선된 안전성을 위해 버스 바를 절연시키는 것이 바람직하다. 버스 바 절연은 기판의 가장자리(310E)를 절연 물질(355)의 용액을 함유하는 욕(350)에 침지시켜 버스 바 및 이에 부착된 임의의 고전도성 스트립 주위에 절연 물질의 코팅을 형성함으로써 달성될 수 있다. 욕에서 적절한 깊이로 침지시킨 후, 절연층(322)을 형성하기 위해 화학적 처리 또는 건조 또는 UV 노출 또는 온도 처리를 통해 코팅을 경화시켜야 할 수 있다. 코팅 전에 납땜 이음부가 형성되는 경우에는, 납땜 이음부 위에 이러한 절연을 적용할 수 있다. 다르게는, 적절한 절연 화합물로 덮음으로써 별도의 단계에서 납땜 이음부를 절연시킬 수 있다.
도 4는 버스 바의 다른 예를 도시한다. EC 장치가 사용되는 특정 용도에 따라, 유리 가장자리와 같은 기판 가장자리의 적절한 성형은 기계적 응력을 최소화하고 균열 형성을 방지하며 취급 안전성을 보장하는 데 유리할 수 있다. 추가로, 가장자리 너머의 버스 바가 어셈블리에 추가되는 경우에는, 기판의 가장자리 너머의 버스 바의 전기 전도성을 손상시킬 수 있는 날카로운 모서리 및 불연속부 없이 기판의 가장자리 형상이 바람직하게는 매끈하다. 기판의 가장자리는 바람직하게는 모서리를 피하도록 성형된다. 이러한 모서리 성형은 유리 산업에서 일반적이며 통상적으로 "가장자리 마무리(edging)"라고 한다. 결과적인 가장자리 프로파일은 기판의 하나의 주 표면에서 기판의 다른 주 표면으로의 날카로운 전이를 피하는 둥글거나 타원형이거나 임의의 다른 형상일 수 있다.
가장자리의 이러한 성형은 또한 완전한 어셈블리의 후속 가장자리 밀봉에 유리하다. 밀봉 화합물은 처리되지 않은 날카로운 모서리에 비해 매끈하고 둥근 표면에 대한 접착력이 뛰어나다. 도 3의 버스 바(314)를 얻기 위해 사용된 유사한 공정을 또한 이용하여, 매끈하고 둥근 모양의 모서리 상에 버스 바를 수득할 수 있다. 한 예로서, 도 4는 광학적으로 투명하고 전기적으로 전도성인 막(412)(예컨대, OTE)이 그 위에 있는 제 1 주 표면(410A) 및 제 2 주 표면(예를 들어, 대향하는 표면 또는 후면)(410B) 및 제 1 주 표면과 제 2 주 표면 사이의 가장자리(410E)(이 가장자리(410E)는 가장자리 마무리를 통해 달성될 수 있는 매끈하고 둥근 형상을 가짐)를 갖는 광학적으로 투명한 기판(410) 상의 가장자리 너머의 버스 바(414)를 도시한다. 상기 버스 바는 본 개시내용의 임의의 전기 변색 장치에 포함될 수 있다.
본 개시내용의 전기 변색 장치는 장치의 불리한 열화를 최소화하기 위해 밀봉 시스템을 포함할 수 있다. 전기화학 조성물 또는 층의 구성 요소는 작동에 해로운 영향을 줄 수 있는 다양한 요인에 민감할 수 있다. 이러한 유해 효과를 줄이거나 없애기 위해 다양한 장벽을 구현할 수 있다. 일반적으로 어셈블리 주변부 둘레에 있는 장벽을 "가장자리 밀봉부"라고 한다. 이러한 가장자리 밀봉부는 가장자리를 통한 유해 물질의 침입을 방지할 뿐만 아니라 EC 조성물 또는 층을 소정 부피 내에함유한다. 또 다른 유형의 가능한 장벽은 어셈블리 평면에 위치한 보호 층이다. 이러한 장벽 층은 일반적으로 EC 장치 평면에 수직인 방향으로 작용하는 인자로부터 보호한다. 장벽에 의해 수행되는 몇 가지 기능이 있으며, 상이하거나 중복되는 기능을 수행하는 여러 장벽이 있을 수 있다.
또한, 전기 변색 장치는 전극과 밀봉 요소 사이에 배치되는 패시베이션 층을 사용함으로써 밀봉부에 대한 유해 효과를 최소화하는 밀봉 시스템을 포함할 수 있다. 패시베이션 층이 전극, 밀봉 요소 및 전기 변색 조성물과 직접 접촉하도록 구성이 조립될 수 있다. 이러한 실시양태에 따른 밀봉 배열의 예가 도 5a에 도시되어 있다. 이 도면에서는, 밀봉 요소(520)(예를 들어, 1차 가장자리)가 표면 상에 제 1 전극(512a)(예컨대, OTE)이 있는 광학적으로 투명한 제 1 기판(510a)과 광학적으로 투명한 제 2 기판(510b) 사이에 배치된다. 이 예에서, 광학적으로 투명한 제 2 기판(510b)은 그 위에 제 2 전극(예를 들어, OTE)(512b)을 갖는다. 제 1 및 제 2 기판 모두 광학적으로 투명한 유리일 수 있다. 이 예에 있어서 밀봉 배열은 또한 각각 제 1 및 제 2 전극(512a, 512b) 상에서 직접 전기적으로 접촉하는 버스 바(514a, 514b)를 포함하고, 밀봉 요소(520)는 버스 바(514a, 514b)와 접촉한다.
밀봉 요소(520)는 전기 변색 조성물(ECC)(521)을 함유하는 장벽으로서, 제 1 및 제 2 기판에 의해 적어도 부분적으로 한정된 지정된 부피 외부로의 확산 또는 누출을 방지한다. 이 밀봉부가 ECC(521)와 직접 접촉하기 때문에, 이는 ECC(521)에 대해 화학적으로 불활성이어야 하고, 그렇지 않으면 ECC(521)와 밀봉부(520) 사이의 반응이 밀봉부를 손상시키거나 ECC(521)를 오염시키는데, 두 인자 모두 장치 작동 및 장기 안정성에 유해하다. 이 예에 대해 도시된 바와 같이, 이 밀봉부는 또한 버스 바(514a, 514b)가 ECC와 접촉하지 않도록 보호한다.
1차 가장자리 밀봉부와 같은 밀봉 요소에 사용하기에 적합한 물질은 엘라스토머, 예를 들어 플루오로중합체[예를 들어, 듀퐁(DuPont) 제품인 비톤(Viton), PCTFE, PTFE, PFA 및 기타 플루오로중합체를 기반으로 하는 다양한 제품], 실리콘[예컨대, 누실(Nusil) 제품인 CV-1142], 아크릴 화합물[예를 들어, 델로 인더스트리얼 어드헤시브즈(Delo Industrial Adhesives) 제품인 LP4115] 등 및/또는 에폭시[예를 들어, 델로 인더스트리얼 어드헤시브즈 제품인 LP655 또는 헹켈(Henkel) 제품인 록타이트(Loctite) 1C] 및/또는 기타 화합물을 포함하지만, 이들로 한정되지는 않는다. 추가적으로, 열가소성 물질을 1차 가장자리 밀봉부에 사용할 수 있다. 예를 들어, 3M의 제품인 핫 멜트(Hot Melt) 3789, 핫 멜트 3779 또는 3797을 사용할 수 있다.
도 5a에 도시된 밀봉 요소는 특정 위치에서 제 1 전극(512a) 및 전기 변색 조성물(521)과 동시에 접촉한다. 따라서, 도 5a에서 삼중 접촉 대역(530)으로서 표시한 세 가지 성분(밀봉부, OTE 및 ECC) 모두의 삼중 접촉이 존재하는 라인이 둘레를 따라 존재한다. 이러한 삼중 접촉 대역은 특히 전류 및 전기화학 반응의 존재 하에 잠재적인 부식 효과로 인해 바람직하지 않을 수 있다. 잠재적인 원치 않는 부식을 방지하는 한 가지 방법은 밀봉부, OTE 및 ECC 간의 삼중 접촉(530)을 제거하는 것이다.
본 개시내용의 양태에서는, 패시베이션 층이 제 1 및/또는 제 2 전극 상에 그리고 밀봉 요소 사이에 배치될 수 있다. 패시베이션 층은 전극(들), 밀봉 요소 및 전기 변색 조성물과 직접 접촉하도록 구성될 수 있고, 이에 따라 밀봉부, 전극 및 전기 변색 조성물 사이의 삼중 접촉을 방지할 수 있다.
도 5b는 밀봉 요소가 어느 하나의 위치에서 전극 및 전기 변색 층과 동시에 접촉하는 것을 방지할 수 있는 패시베이션 층을 도시한다. 도 5b에서, 밀봉 요소(550)(예를 들어, 1차 가장자리)는 표면 상에 제 1 전극(512a)(예를 들어, OTE)이 있는 광학적으로 투명한 제 1 기판(510a)과 광학적으로 투명한 제 2 기판(510b) 사이에 배치된다. 이 예에서, 광학적으로 투명한 제 2 기판(510b)은 그 위에 제 2 전극(예를 들어, OTE)(512b)을 갖는다. 또한, 제 1 패시베이션 층(540a)이 제 1 전극(512a)과 밀봉 요소(550) 사이에 배치되고, 제 2 패시베이션 층(540b)이 제 2 전극(512b)과 밀봉 요소(550) 사이에 배치된다. 이러한 구성에서, 제 1 패시베이션층(540a)은 제 1 전극(512a), 밀봉 요소(550) 및 전기 변색 조성물(521)과 직접 접촉하며, 도 5b의 예에 도시된 바와 같이, 제 2 패시베이션 층(540b)은 제 2 전극(512b), 밀봉 요소(550) 및 전기 변색 조성물(521)과 직접 접촉한다. 따라서, 도 5b에 도시된 패시베이션 층은 밀봉 요소(550)가 어느 하나의 위치에서 전극(512a 또는 512b) 및 전기 변색 조성물(521)과 동시에 접촉하는 것을 방지한다.
밀봉부, 전극(들) 및 전기 변색 조성물 사이에서 삼중 접촉을 형성하는 밀봉부 대신에, 패시베이션 층이 삼중 접촉을 형성할 수 있다. 즉, 패시베이션 층이 전극(들) 및 전기 변색 층(560)과 동시에 접촉한다. 그러나, 패시베이션 층은 EC 장치에서 전극의 기능을 수행하지 않기 때문에, 패시베이션 층은 전극과는 상이한 물질, 바람직하게는 부식에 더 내성이 있거나 바람직하지 않은 반응을 유발할 수 있는 물질로 제조될 수 있다. 따라서, 패시베이션 층은 삼중 접촉 대역(560)에서 부식 가능성에 대해 불활성이어야 한다. 예를 들어, 패시베이션 층은 산화규소, 예컨대 SiO2를 기반으로 하는 것과 같은 무기 층을 포함할 수 있다.
또한, 도 5b에 도시된 바와 같이, 패시베이션 층(540a 및 540b)은 각각 버스 바(514a 및 514b) 너머로 각각 연장될 수 있으며, 예를 들어 버스 바는 각각 제 1 및 제 2 전극과 직접 전기적으로 접촉하는 전기 전도성 스트립을 포함할 수 있다. 패시베이션 층은 반드시 버스 바 너머로 연장될 필요는 없다. 그러나, 버스 바 너머로 패시베이션 층을 연장하는 이점은 버스 바를 추가로 절연시킨다는 것이다. 이러한 구조는 제조 시퀀스에서 버스 바가 형성된 후 예컨대 증착에 의해 패시베이션 층을 추가함으로써 달성될 수 있다.
패시베이션 층은 도 5b에 도시된 바와 같이 기판의 주변부를 따라 증착될 수 있다. 패시베이션 층(540a, 540b)은 기판의 가장자리에 형성될 수 있고 밀봉 요소의 위치보다 더 먼 거리에서 전극의 표면을 따라 기판의 중심을 향해 가장자리로부터 멀리 연장될 수 있다.
가장자리 밀봉부과 같은 밀봉 요소의 다른 기능은 기판 사이에 기계적 연결을 제공하는 것이다. 이 기능이 1차 밀봉부와 상이한 추가적인(2차) 밀봉부에 의해 수행되는 경우, 이러한 2차 밀봉부는 1차 밀봉부에 대한 기계적 응력을 최소화하는 변형 완화를 제공한다. 이러한 배열은 1차 밀봉부의 작동 신뢰성, 결과적으로는 전체 EC 장치의 작동 신뢰성을 증가시킨다. 기계적 기능을 갖는 가장자리 밀봉부는 바람직하게는 온도에 따른 기판의 잠재적인 비대칭 팽창/수축으로 인한 전단 부하; 설치 및 작동 중 발생하는 교차 평면 방향의 응력 또는 변형; 수송 및 설치 또는 다른 시스템 요소와의 통합 중 충격 및 진동; 및 장치 작동으로 인한 기타 기계적 응력 같은 다양한 기계적 부하를 견디기에 충분히 견고하고 유연하다. 따라서, 본 개시내용의 전기 변색 장치는 광학적으로 투명한 제 1 기판과 광학적으로 투명한 제 2 기판 사이 및/또는 제 1 및 제 2 기판의 주변부의 적어도 일부 주위에 2차 밀봉부를 포함할 수 있다. 이러한 2차 밀봉부는 장치의 기판 사이의 전기 변색 조성물 또는 층과 접촉하지 않을 것이다.
ECC를 함유하는 장치 부피 내로의 성분의 침입은 비가역적인 화학적 또는 전기화학적 부공정으로 인해 장치의 열화를 초래할 수 있다. 높은 습도 및/또는 온도에서의 작동은 이러한 열화를 촉진시킨다. 1차 가장자리 밀봉부는 그 자체로 ECC를 부식성 물질로부터 보호하지 못할 수 있다. 따라서, 장치는 추가적인 2차 밀봉부의 사용을 통해 환경 기체 및 증기로부터 바람직하게 보호된다.
2차 밀봉 물질의 한 예는 폴리설파이드 유리 밀봉제, 예를 들어 CR 로렌스(Laurence) 제품인 N400G15 또는 N4005GL이다.
물은 장치 작동에 위험할 수 있다. 2차 물질의 한 가지 기능은 장치에 물이 침투할 가능성을 제거하는 것이다. 물의 침투(수증기 투과율, WVTR로 정의됨)는 일반적으로 그램/제곱미터/일(즉, g/m2/d) 단위로 측정된다. 일반적으로, OLED에는 10-6 내지 10-5g/m2/d 범위의 WVTR이 필요하다. OPV의 조건은 10-4 내지 10-3g/m2/d 범위이다. 유기 ECC의 조건은 대략 10-5 내지 10-4g/m2/d 범위이다.
수증기에 대한 민감성과 유사하게, ECC는 산소에 민감하다. 일반적으로, 장벽의 산소 투과율(OTR)은 WVTR과 잘 상관된다. 대부분의 경우, 허용가능한 WVTR이 있는 장벽은 허용가능한 OTR도 갖는다.
화학적 변화에 더하여, 밀봉 물질은 제조 방식의 유형에 따라 상이하다. 제자리에 밀봉부를 만드는 한 가지 방법은 장치의 주변부를 따라 밀봉 물질의 비드를 증착하는 것인데, 이러한 비드는 기판을 연결하고 원하지 않는 물질의 면내(in-plane) 침투에 대한 장벽을 만든다. 이어, 특정 경화제, 수분, 온도, UV 노출 또는 이러한 인자의 일부 조합과의 화학 반응의 결과로서 비드를 경화시킨다.
밀봉 요소를 생성시키는 다른 방법은 EC 장치와 별도로 독립형 개스킷을 형성한 다음 이를 EC 장치에 추가하는 것이다. 이러한 개스킷은 예를 들어 비톤 같은 적절한 물질로 만들어진 코드일 수 있다. 이러한 코드는 조립된 EC 장치의 주변부 둘레에 배치되고 적절한 접착제로 제자리에 고정되거나, 또는 이는 자가-접착성일 수 있다. 제 자리에서 형성된 밀봉 요소와 개스킷을 통한 독립형 밀봉 요소 사이의 선택은 기하학적 인자와 제조가능성 고려 사항에 따라 결정된다. 기하학적인 관점에서 볼 때, 한 가지 인자는 EC 장치의 두께, 결과적으로 밀봉해야 하는 간격의 폭이다. 예를 들어 1mm 이하와 같은 더 작은 간격은 제 자리에서 형성된 비드로 밀봉하기에 더 적합하다. 더 큰 간격의 경우에는, 독립형 개스킷 접근 방식이 선호될 수 있다.
유해 성분의 가장자리 침입으로부터 본 개시내용의 EC 장치를 보호하는 것에 덧붙여, 교차 평면 방향으로 작용하는 인자로부터 EC 장치를 보호하기 위해 추가적인 주의가 취해질 필요가 있다. 이러한 보호를 달성하기 위해 다양한 장벽 층이 사용될 수 있다. 개별 장벽은 유일한 기능만 수행할 수도 있거나(예: 산소 침투에 대한 보호), 또는 이들은 여러 요인에 대해 효율적일 수도 있다(예: 수증기와 UV에 대한 보호를 조합함).
EC 층의 산소 및 수분 민감성은 가장자리 밀봉과 관련하여 본원의 다른 곳에서 논의되었다. 두 기판이 모두 유리로 만들어진 경우에는, 이러한 기판을 통해 산소와 수증기가 거의 침투하지 않으므로 추가 보호가 필요하지 않다. 그러나, 플라스틱(예: PET 막)으로 제조된 기판의 경우 교차-평면 보호 작업이 현실적이다. 일부 중합체 기판은 산소와 수증기 둘 다에 대한 장벽 특성이 좋지 않을 수 있으므로, 추가 보호 조치가 구현되지 않으면 EC 장치가 열화된다. 이 경우, 산소와 수증기 흡수를 줄이기 위해 하나 이상의 장벽 층이 추가되어야 한다. 예를 들어, 기체/증기 장벽은 얇은 가요성 유리로 만들어질 수 있다. 또 다른 옵션은 OLED 및 OPV 산업의 요구를 위해 개발된 다층 장벽 코팅, 예를 들어 비트리플레스(Vitriflex)에서 만든 금속 산화물 층 스택 또는 비텍스(Vitex)와 3M에서 개발한 유기/무기 교대 층의 스택이다.
EC 장치는 화학적/전기화학적 공정의 편차와 광열화를 모두 유발할 수 있는 UV 광에 의해 크게 영향을 받을 수 있다. UV 선을 차단하는 방법은 여러 가지가 있다. 이를 달성하는 한 가지 방법은 EC 장치를 다중패널 유리 어셈블리의 일부로서 사용하는 것이다. 유리의 외부 패널(들)은 UV 여과를 보장하고, 따라서 EC 층에 도달하는 스펙트럼의 나머지 부분에는 UV가 포함되지 않는다.
UV 선을 억제하는 다른 방법은 접착제 층으로 유리(또는 다른 기판)에 부착되는 UV-차단 막을 사용하는 것이다. 또 다른 방법은 적절한 증착 방법, 예를 들어 스프레이 증착, 슬롯 다이 코팅, 진공 증착, 용액으로부터의 성장 또는 기타 산업-표준 방식으로 UV-차단 층을 기판에 증착시키는 것이다.
화학적 장벽에 대한 부분에서 논의된 바와 같이, 밀봉 요소는 화학적 장벽 및 광학적 장벽의 이중 기능을 가질 수 있다. 예를 들어, 델로 인더스트리얼 어드헤시브즈에서 만든 LP 시리즈의 일부 밀봉 요소 물질은 수증기 투과와 UV 선을 모두 억제한다.
다르게는, UV-차단 첨가제, 예를 들어 효과적인 UVB 흡수제로서 작용하는 신나메이트를 ECC에 직접 첨가할 수 있다.
다르게는, UV-차단 첨가제를 갖는 적층 층을 사용하여, ECC를 추가적인 유리 층과 융합시킬 수 있다. 예를 들어, 폴리-비닐 부티랄(PVB)은 오늘날 유리 산업에서 가장 통상적인 적층 중간층이다. UV-차단 첨가제는 종종 PVB 막 조성물의 일부이다. 예를 들어, 쿠라레이(Kuraray)(PVB 제조업체)의 제품 문헌에는 다음과 같이 기재되어 있다: "종래의 창 유리는 320nm 미만의 UV 광에 대해 불투과성이다. 유리 겹 사이의 PVB 막은 추가적인 UV 광을 여과한다. 트로시폴(Trosifol)® UV 엑스트라 프로텍트(Extra Protect)는 입사하는 UV 선을 완전히 차단하는 PVB 막이다.”
추가로, 특정 용도에서, 적외선(IR)은 물질에 의한 IR 선의 흡수에 의해 야기되는 열 방출을 감소시키기 위해 ECC를 통한 통과를 감소시키거나 방지해야 한다. 따라서, 따뜻한 기후에서, IR 선은 건물 에너지 효율을 향상시키기 위해 건물 내로의 유입으로부터 멀리 전환되는 것이 바람직하다. 또한, IR 선은 고도로 착색된 EC 층에 흡수되어 EC 장치의 작동 온도 체제를 악화시킬 수 있다. 승온에서의 작동은 전기화학적/화학적 거동에 영향을 끼치는 바, EC 장치의 수명을 단축시킬 수 있고, 따라서 내부에서의 열 방출을 최소화해야 한다.
건물에서, IR 투과율은 일반적으로 낮은-e 층(낮은-e 유리)으로 통상적으로 알려져 있는 유리 표면에 도포된 특수 층에 의해 조절된다. 다중 패널 유리 어셈블리의 가장 바깥쪽 패널에 적용되는 낮은-e 코팅은 NIR 및 장파장 IR을 반사하고 따뜻한 기후에서 건물의 열 부하를 최소화한다. 동일한 코팅은 EC 층에 도달하는 IR의 양을 최소화하므로 EC 장치의 온도를 낮춘다.
IR 제어 메커니즘으로서 낮은-e 유리를 사용하는 것에 대한 대안은 유사한 기능을 수행하도록 ECD의 OTE를 구성하는 것이다. 일부 OTE는 투명 전도성 산화물과 금속 또는 금속 합금의 교대 스택으로 만들어진다. 이러한 OTE의 예는 쉘달 코포레이션(Sheldahl Corp.)에 의해 제조된 ITO-금속-ITO 막 또는 TDK에 의해 제조된 ITO-은 합금 막을 포함한다. 이러한 OTE는 금속(일반적으로 은 또는 금)의 박층을 포함하기 때문에 IR 반사판으로서의 역할을 할 수 있다. 따라서, 이러한 OTE를 EC 장치 스택에 사용하면, 이들은 어셈블리의 OTE와 낮은-e 요소의 이중 기능을 수행할 수 있다. 따라서, 본 개시내용의 한 양태에서, 전기 변색 장치는 IR 선을 적어도 부분적으로 반사하도록 구성된 OTE를 포함할 수 있다.
본 개시내용에 따른 EC 장치는 하나 이상의 플라스틱 층을 막 또는 더 두꺼운 요소의 형태로 포함할 수 있다. 이러한 층은 별도로 제조된 다음, 예를 들어 캐리어 릴로부터 풀린 막으로서 장치에 추가될 수 있으며, 접착제에 의해 또는 가열 또는 가압 또는 이들의 조합에 의해 부착될 수 있다. 다르게는, 층은 적절한 증착 및 경화 방법에 의해 제 자리에서 제조될 수 있다. 이러한 플라스틱 층은 예를 들어 광 여과 및 기체 차단 기능을 결합하는 하나 이상의 장벽 기능을 수행할 수 있다.
적층 유리의 중합체 중간층은 깨진 유리 조각이 떨어지거나 날아가는 것을 방지하는 일반적인 안전 조치이다. 대신, 이러한 조각은 중간층에 부착된 상태로 유지된다. 중간층의 또 다른 이점은 방음인데, 음파는 유리/중간층 계면에서, 또한 중간층 자체 내에서 산란된다. 겔-기반 EC 층은 일반 비-EC 중간층과 유사하게 안전 기능 및 방음 기능을 가지고 있다. 표준 중간층 중합체인 PVB 또는 EVA가 EC 겔의 매트릭스에 포함되면 안전 기능이 쉽게 구현된다. 그러나, 다른 중합체도 안전 조건에 대해 우수하게 작동할 수 있다.
OTE를 사용한 김서림 방지 및 동결 방지는 DC와 반대로(또는 양 면에 OTE를 갖는 유리와 DC) 확산 시간 상수보다 높은 주파수에서 AC를 사용하여 전기화학을 방지한다.)
어셈블리
견고하고 비용-효율적인 어셈블리를 확보하기 위해, 다양한 공정 및 방법을 사용하여 장치의 구성요소를 제조하고 이들을 함께 사용할 수 있다. 이러한 장치는 적층 유리와 매우 유사하기 때문에(광 제어 기능을 갖는 중간층이 있음에도 불구하고), 조립 방법은 적층 유리 산업에서 이용되는 것과 유사하다.
현장 캐스팅(cast in place)
ECC를 EC 장치에 통합시키는 한 가지 방법은 그 위에 전극이 있는 2개의 광학적으로 투명한 기판 사이에서 미리 형성된 부피에 EC 조성물을 배치한 후 조성물을 경화시키는 것이다. 상기 방법은 가요성이 없는 광학적으로 투명한 기판에 바람직하나, 이것으로 한정되는 것은 아니다. 이 방법은 예를 들어 올넥스(Allnex) 제품인 우베콜(Uvekol)(UV-경화 중합체 사용) 또는 글라스램(Glasslam) 제품인 폴리램(Polylam)(열 경화 이용)에 의해 유리의 현장 캐스팅 액체 적층을 만드는 데 이용되는 접근 방식과 유사하다. 구체적으로, 이러한 접근 방식에는 다음 단계가 포함될 수 있다: (i) 두 기판을 모두 세척하여 오염을 제거한다. (ii) 임의적으로는, 표면을 활성화시키기 위해 기판 중 하나 또는 둘 다를 처리한다. 이러한 맥락에서 활성화는 ECC에 의한 습윤성을 향상시키는 것을 의미한다. 활성화는 플라즈마 처리(대기 또는 불활성 기체 플라즈마), 기판 또는 그 위의 전극을 코로나 방전에 노출시키는 것, 또는 임의의 다른 적절한 수단에 의해 달성될 수 있다. (iii) 두 기판 사이에서 미리 형성된 부피 내로 단량체(들) 및 개시제(들)와 같은 중합체 형성 성분을 포함하는 EC 조성물을 도입하여, 기판 사이에 EC 조성물을 배치한다. (iv) 두 기판 사이에서 미리 형성된 부피 내의 EC 조성물을 경화시킨다.
도 6은 본 발명의 한 실시양태에 따라 EC 장치를 조립하는 방법을 도시한다. 이러한 방법에서는, 실질적으로 기판(612)의 주변부 둘레에서 그의 표면(613) 상에 스페이서/장벽(614)을 배치함으로써 광학적으로 투명한 제 1 기판(612), 예를 들어 하부 기판을 제조한다. 광학적으로 투명한 제 1 기판은 표면(613) 상에 OTE(기재의 편의를 위해 도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 스페이서(614)는 기판(612)에 도포되는 ECC의 누출을 방지하기 위해 기판(612)에 확실하게 부착될 수 있는 개스킷과 같은 적절한 구조체일 수 있다. 스페이서 두께는 기판(612) 상에 형성되는 EC 층의 두께를 한정할 것이다. 스페이서(614)는 롤로부터 풀려서 스트립으로서 또는 프레임으로서 추가될 수 있다. 스페이서(614)는 일반적으로 예를 들어 0.1 내지 2mm(예컨대, 0.25 내지 0.75mm)의 두께를 갖는다. 특정 용도에서 원하는 EC 층의 원하는 두께에 따라 스페이서(614)에 대한 다른 두께를 이용할 수 있다.
이어, 광학적으로 투명한 제 2 기판(616), 예를 들어 상부 기판을 스페이서(614) 및 하부 기판(612) 상에 위치시키고 상부 기판(616)과 스페이서(614) 사이에 결합을 형성시킨다. 광학적으로 투명한 제 2 기판은 광학적으로 투명한 제 1 기판(615)에 대면하는 기판의 표면 상에 OTE(기재의 편의를 위해 도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 조립될 때, 기판(612/616) 및 스페이서(614)는 EC 조성물(621)이 배치될 수 있는 공동(620)을 한정한다. 이 특정 EC 조립 공정에 있어서, 스페이서 개스킷(614)은 충전 포트(618)로 사용되는 적어도 하나의 개구를 포함해야 한다. 이 개구는 EC 조성물을 도입한 후 나중에 밀봉될 것이다. 스페이서 개스킷(614)은 공동으로부터 기체를 배출하기 위한(이는 EC 조성물에서의 기포의 포획을 최소화하고 방지하는 데 도움이 된다) 적어도 하나의 제 2 개구(도시되지 않음)를 더 포함할 수 있다. EC 조성물을 도입하기 전에, 공동을 임의적으로 퍼지시키고/시키거나 불활성 기체로 충전시켜, EC 조성물이 공기에 과도하게 노출되는 것을 방지할 수 있다.
일부 실시양태에서, ECC를 공동 내로 충전하는 동안 기판(612/616) 및 스페이서(614) 어셈블리를 0도 및 90도를 초과하는 각도로 기울여서, 공동 내로의 ECC의 흐름을 돕는다. 특정 최적 각도는 ECC 점도, 표면 습윤성 및 부품 취급의 편의성을 비롯한 요인의 조합에 따라 달라진다.
그 다음, 충전 노즐(624)을 충전 포트(618)에 삽입하고 ECC 공급 장치(도시되지 않음)에 연결한다. 이어, 노즐(624)을 통해 ECC를 공동 내로 분배함으로써 공동을 충전시킨다. 업계에서 일반적인 다양한 분배 메커니즘을 예컨대 그라코(Graco)에 의한 밀봉제 공급 시스템(Sealant Supply System)으로서 사용할 수 있다. 공동의 중심부에서 돌출되어 결과적으로 균일하지 않은 층 두께로 이어질 수 있는 과도한 정수압을 피하기 위해 주의를 기울여야 한다.
그 다음, 충전 포트(618) 및 임의적인 배기 포트를 막아서, 상부 기판과 하부 기판 사이에 ECC를 밀봉한다. 기울어진 경우, 어셈블리를 수평 위치로 조정할 수 있다. 다르게는, 어셈블리가 기울어진 상태로 유지될 수 있다. 이어서, 공동 내의 EC 조성물을 적합한 방법(예를 들어, 시간, 온도, UV 노출 또는 이들의 조합)에 의해 경화시킨다. 이러한 방식으로, 광학적으로 투명한 제 1 및 제 2 기판 사이에 배치된 전기 변색 층을 형성시킬 수 있다. 기판은 또한 다른 곳에서 기술된 바와 같이 전극(들), 버스 바(들), 패시베이션 층(들) 등을 포함할 수 있다.
현장 캐스팅 방식의 한 가지 특징은 두 개의 기판과 스페이서에 의해 형성된 공동을 충전하는 것이다. 다르게는, ECC를 광학적으로 투명한 제 1 기판(표면에 OTE를 갖거나 갖지 않음) 상에 배치할 수 있는데, 예를 들면 ECC를 단일(하부) 기판 상에 분배한 다음 광학적으로 투명한 제 2 기판(표면 상에 OTE를 갖거나 갖지 않음)을 제 1 기판 상에 배치된 ECC 상에 위치시킬 수 있다. 도 6을 참조하여 상술한 바와 같이, 조립할 때 제 1 기판과 제 2 기판 사이의 두께를 한정하기 위해 실질적으로 광학적으로 투명한 제 1 기판의 주변부 둘레에 스페이서/장벽을 위치시킬 수 있다. 이러한 스페이서/장벽은 제 1 및 제 2 기판 모두에 부착될 수 있고, 조립될 때 기판 사이의 ECC 누출을 방지할 수 있다. 제 1 기판 상에 배치된 ECC 상에 광학적으로 투명한 제 2 기판을 배치하기 전, 배치한 후, 또는 배치하는 동안, EC 조성물을 적합한 방법(예를 들어, 시간, 온도, UV 노출 또는 이들의 조합)에 의해 경화시킬 수 있다. 이러한 방식으로, 광학적으로 투명한 제 1 및 제 2 기판 사이에 배치된 전기 변색 층을 형성시킬 수 있다. 기판은 또한 다른 곳에서 기술된 바와 같이 전극(들), 버스 바(들), 패시베이션 층(들) 등을 포함할 수 있다.
광학적으로 투명한 제 1 기판(표면에 OTE가 있거나 없는) 상에 전기 변색 조성물을 배치하기 위해 다양한 방법을 이용할 수 있다. 한 가지 접근 방식은 기판 형태의 실크 스크린을 사용하는 것이다. 스크린의 개구를 통해 ECC가 기판에 전달된다. ECC가 충분히 점성이 있고 흐르지 않는다면, 스크린을 제거하고 상부 기판을 그 위에 놓은 후에도 ECC가 제 자리에 유지된다.
다른 방법은 ECC가 분배될 때 하부 기판의 구역에 걸쳐 래스터화되는 분배 노즐 또는 잉크젯과 같은 국부적인 분배를 이용하는 것이다.
또 다른 방법은 증착 산업에서 통상적인 독터 블레이드 또는 슬롯-다이 증착 기술을 이용하는 것이다. 예를 들어 스테인리스 강으로 만들어진 스텐실을 사용하여, 이러한 증착을 돕고 표면에 남아 있는 ECC의 양을 제어할 수 있다.
ECC가 낮은 점도를 갖고 하부 기판을 쉽게 습윤시키는 경우, 증착의 한 방법은 이를 하부 기판에 붓는 것일 수 있다. 도 7a는 EC 장치를 제조하기 위해 광학적으로 투명한 기판 상에 ECC를 배치하는 하나의 방법을 도시한다. 이 경우에는, 광학적으로 투명한 제 1 기판(716)(표면에 제 1 전극이 있거나 없는), 예를 들어 하부 기판 상에서 분배 노즐(712)을 사용하여 계량된 양의 ECC(721)를 분배한다. 기판(716)은 수평 위치로 유지될 수 있다. ECC(721)는 댐(714) 또는 습윤성이 감소된 구역(715)에 의해 생성된 장벽에 의해 제한되는 하부 기판 상의 구역을 덮도록 흐른다.
댐(714)은 광학적으로 투명한 제 1 기판의 주변부 둘레에 실질적으로 위치할 수 있고, 기판 상에 분배된 EC 조성물의 누출을 방지한다. 이러한 댐은 "현장 캐스팅" 방법에 대한 부분에서 기재된 스페이서 형성 방법과 유사하게 형성될 수 있다. 다르게는, 댐은 주변부 둘레에 분배되고 별도의 단계에서 제자리에서 응고/경화되는 액체 물질로부터 제자리에서 생성될 수 있다. 댐 물질은 예를 들어 기판 상에 분배된 EC 조성물의 누출을 방지하는 댐으로서 작용하기에 충분히 경화될 수 있다. 광학적으로 투명한 제 2 기판(표면에 OTE가 있거나 없는)이 분배된 ECC 상에 배치될 때 댐의 물질이 제 2 기판, 예를 들어 상부 기판에 부착되도록, 이는 여전히 약간의 순응성을 유지할 수 있다. 그런 다음 댐 물질을 경화시켜 기판 사이에 보다 완전한 밀봉부를 형성할 수 있다.
원하는 구역 내에서 제 1 기판 상에 분배된 ECC를 함유하는 다른 방법은 제 1 기판의 주변부를 개질시키는 것이다. 도 7b는 그러한 구조를 도시한다. 도시된 바와 같이, 제 1 기판(716)의 주변부(715)는 원하는 구역 내에 분배된 ECC(721)를 함유할 수 있다. 주변부(715)는 ECC에 의해 습윤될 수 없는 방식으로 개질됨으로써 분배된 ECC를 함유할 수 있다. 이 경우, ECC를 함유하기 위한 높은 댐이 없고, 오히려 이 기능을 수행하는 표면 에너지의 차이가 있다.
원하는 양의 ECC를 분배한 후, 광학적으로 투명한 제 2 기판(표면 상에 제 1 전극이 있거나 없는)을 분배된 ECC 상에 위치시켜, 제 1 기판과 제 2 기판 사이에 배치된 전기 변색 조성물을 형성할 수 있다. 이 어셈블리는 기판 사이의 ECC를 경화시키도록 처리될 수 있다. 이러한 방식으로, 광학적으로 투명한 제 1 기판과 제 2 기판 사이에 배치된 전기 변색 층을 형성시킬 수 있다. 기판은 또한 다른 곳에서 기술된 바와 같이 전극(들), 버스 바(들), 패시베이션 층(들) 등을 포함할 수 있다.
광학적으로 투명한 기판 사이에 EC 층을 형성하는 또 다른 방법은, 먼저 제 1 기판 상에 분배된 ECC를 제 1 기판 위로 퍼지게 함으로써, 광학적으로 투명한 제 1 및 제 2 기판, 및 임의적으로는 그 사이의 밀봉부에 의해 한정된 공동을 충전하도록 퍼지는 전기 변색 조성물을 분배하는 것이다. 본 개시내용의 한 양태에서는, 광학적으로 투명한 제 1 기판 상에 소정 면적을 갖는 계량된 양의 전기 변색 조성물을 분배하고, 광학적으로 투명한 제 2 기판을 전기 변색 조성물 상에 위치시키고, 전기 변색 조성물을 광학적으로 투명한 제 1 기판 위로 퍼지게 하여, 분배된 전기 변색 조성물의 면적보다 상당히 큰 면적을 갖는 전기 변색 층을 형성시킴으로써, 광학적으로 투명한 제 1 기판과 광학적으로 투명한 제 2 기판 사이에 배치된 전기 변색 층을 형성시킬 수 있다. 예를 들어, EC 층은 분배된 EC 조성물의 면적보다 적어도 5%, 예를 들어 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40% 더 큰 면적을 가질 수 있다. 도 8은 그러한 방법을 도시한다. 도 8에 도시된 바와 같이, 노즐(812)은 (분배된 표면 상에 OTE를 가질 수 있는) 광학적으로 투명한 제 1 기판(816) 상에 계량된 양의 EC 조성물(821)을 분배하도록 구성된다. 댐이 또한 기판(816) 상에 있을 수 있다(도시되지 않음). 이 예에서, 처음 분배된 ECC(821)는 기판(816)의 전체 구역을 덮지 않는다. 대신, 예를 들어 도 8의 평면도에 도시된 바와 같이 미리 보정된 형상(821P)을 생성시키기 위해 전기 변색 조성물을 제어된 방식으로 분배한다. 분배된 형상은 기판(816)의 면적보다 상당히 작은 면적을 갖는다. 그러나, 이 형상의 두께는 결과적인 EC 층의 두께보다 더 두껍다. 광학적으로 투명한 제 2 기판, 예를 들어 상부 기판(도시되지 않음)을 제어된 방식으로 분배된 EC 조성물 상에 위치시킴으로써, 결과적인 EC 층의 원하는 커버리지 및 두께를 수득한다. 상부 기판의 중량, 및 임의적으로는 상부 기판과 하부 기판을 결합하기 위해 클램프에 의해 적용된 힘(또는 다른 메커니즘에 의해 적용된 힘)뿐만 아니라 분배된 EC 조성물의 습윤 및 형상의 세부사항이, 분배된 ECC를 기판 사이에서 균일하게 퍼지게 하여, 바람직하게는 공간을 채우고 두 기판에 의해 한정된 공동에 기포를 남기지 않는다. 이러한 방식으로, 광학적으로 투명한 제 1 기판과 제 2 기판 사이에 배치된 전기 변색 층이 분배된 전기 변색 조성물의 면적보다 상당히 더 큰 면적을 갖도록 형성될 수 있다. 기판은 또한 다른 곳에서 기술된 바와 같이 전극(들), 버스 바(들), 패시베이션 층(들) 등을 포함할 수 있다.
EC 층을 생성하기 위한 또 다른 방법은 이를 독립형 프리폼 층, 예를 들어 EC 프리폼 층으로서 제조하는 것이다. EC 프리폼 층은 대기압(1기압) 및 실온(즉, 20℃)에서 정상상태에서 효과적으로 흐름을 나타내지 않는 겔 형태일 수 있다. 이어, 미리 형성된 EC 층을 다른 구성 요소와 통합시켜 EC 장치를 형성시킬 수 있다. 플라스틱 산업에서 통상적인 롤-대-롤(Roll-to-Roll; R2R) 제조 기술을 이용하여, 미리 형성된 EC 층을 생성시킬 수 있다. 적층 유리 어셈블리를 제조하는 현재 산업 표준과 유사한 접근 방식으로 프리폼 EC 층을 유리 기판과 통합할 수 있다. 전형적으로는 유리 두 장과 중간층을 스택으로서 결합하여 적층 유리를 제조한다. 압출 또는 기타 적절한 공정에 의해 중간층을 제조한다. 독립형 구성요소로부터 스택을 조립한 다음 온도 및/또는 압력으로 처리하여 구조적으로 건전한 어셈블리를 만든다. 유리 산업에서 통상적으로 사용되는 중간층은 폴리-비닐 부티랄(PVB) 또는 에틸렌-비닐 아세테이트(EVA) 계열에 속한다. EC 프리폼 층을 사용하여 유사한 방식으로 본 개시내용의 EC 층 및 EC 장치를 형성시킬 수 있다.
EC 프리폼을 제조하기 위한 한 가지 옵션은 유리 중간층으로 일반적으로 사용되는 중합체, 예를 들어 PVB 또는 EVA와 함께 EC 조성물을 합치고, 유리 중간층 및 EC 조성물의 특성을 결합하는 실질적으로 균질한 물질을 생성시키는 것이다. 중합체 및 통상적으로 유리 중간층으로 사용되는 중합체를 갖는 매트릭스를 포함하는 EC 조성물의 압출 또는 공압출에 의해 프리폼을 제조할 수 있다. 그러면, 유리 중간층 중합체는 EC 층의 겔 매트릭스의 일부가 될 수 있다. 이는 매트릭스의 주요 중합체일 수 있거나 또는 매트릭스를 구성하는 중합체 블렌드의 일부일 수 있다.
EC 층을 생성시키기 위한 또 다른 접근법은 이를 다층 프리폼 복합체로서 제작하는 것이다. EC 층 및 하나 이상의 중합체(예를 들어, 하나 이상의 중간층 중합체)를 동시 형성시켜(예를 들어, 공압출), 하부 막 상에 배치된 EC 층 및 임의적으로는 하부에 배치된 프리폼 EC 층 위의 제 2 막을 포함하는 복합체를 제조함으로써, 이러한 다층 복합체를 제조할 수 있다. 형성(예를 들어, 압출) 동안 다층 프리폼을 균질화하는 대신에, 균질화 단계는 다층 프리폼이 광학적으로 투명한 기판 사이에 배치될 때와 같은 별도의 공정 단계를 따를 수 있다. 이 접근법에서, 다층 프리폼의 단면은 프리폼 복합체의 층에 따라 기능과 화학적 조성 면에서 상이한 개별 구역을 가질 것이다. 예를 들어, EC 기능을 담당하는 구역이 하나 이상 있고, 다른 구역은 유리를 적층하는 데 사용되는 전통적인 중간층 중합체 역할을 할 수 있다. 프리폼은 그 위에 하나 이상의 중합체 층이 있는 EC 층을 갖는 다층 구조체일 수 있다. 예를 들어, EC 층는 두 개의 중간층 사이에 위치할 수 있다. 이 배열의 이점은 저장 수명 및 조립 작업 동안 수분과 산소로부터 EC 층을 보호한다는 것이다.
다층 EC 프리폼의 개별 구역은 온도 및/또는 압력에 노출시 적층 공정 동안 실질적으로 균질화될 수 있다. 예를 들어, 다층 EC 프리폼 복합체의 층이 EVA 층인 경우, 진공 상태 하에 온도에서 적층이 이루어지지만 추가 압력이 가해지지 않는다(오토클레이브 또는 기계적 프레스가 포함되지 않음).
다층 EC 프리폼 복합체의 한 가지 독특한 특징은 저장 및 조립 작업 동안, 이어 적층 공정 동안의 균질화 시 도움이 될 수 있는 다층 EC 프리폼의 외부 구역(예: 중합체 층)에 의한 산소 및 수분 보호의 이용가능성이다.
OTE를 갖는 가요성 기판 상으로의 R2R 증착. EC 장치를 제조하기 위한 또 다른 접근 방식은 증착되는 EC 층과 마주하는 OTE를 갖는 가요성 기판 상으로 연속 방식으로 EC 층을 증착시키는 것이다. 플라스틱 막 산업에서 통상적으로 사용되는 R2R 장비를 사용하여 이러한 증착을 수행할 수 있다. 슬롯 다이 압출기 또는 유체 상태로부터 캐스팅하는 임의의 다른 적절한 수단을 사용하여 증착을 수행할 수 있다. R2R 기계에서 형성되는 필름의 구조와는 구별될 수 있는, 이러한 R2R 방법을 이용하여 완전한 EC 장치를 만드는 여러가지 방법이 있다.
도 9는 증착되는 EC 층에 대향하는 OTE를 갖는 광학적으로 투명한 기판 상에 연속적인 방식으로 EC 층을 증착시킴을 개략적으로 도시한다. 도 9에 도시된 바와 같이, 분배 헤드(914)를 사용하여 증착된 EC 층에 대면하는 OTE(도시되지 않음)를 갖는 광학적으로 투명한 제 1 기판(912) 상에 EC 층(921)을 증착시킨다. 그 위에 OTE를 갖는 기판(912)은 막 형태의 광학적으로 투명한 가요성 기판일 수 있다. 롤러(918a, 918b)에 의해 기판(912)을 전진시킨다. 이러한 공정에 의해 막 상에 배치된 층으로서 전기 변색 조성물을 포함하는 복합체를 연속 방식으로 형성시킬 수 있다. 이 방법을 또한 이용하여, 막 상에 OTE 없이 막 상에 배치된 층으로서 전기 변색 조성물의 복합체를 제조할 수도 있다. 이러한 복합재를 EC 장치의 제조에서 독립형 구성요소로서 사용할 수 있다.
이어서, EC 층에 대면하는 OTE를 갖는 광학적으로 투명한 기판 상에 배치된 EC 층을 포함하는 복합체를 사용하여, EC 장치용 가변 투과율 층을 형성시킬 수 있다. 도 10a를 참조하면, EC 소자용 가변 투과율 층(10200A)은 OTE 층 및 EC 층을 갖는 2개의 광학적으로 투명한 기판을 조합함으로써 제조될 수 있다. 도 10a에 도시된 바와 같이, 표면 상에 OTE 층(10120A) 및 OTE 층(10120A) 상의 EC 층(10210A)을 갖는 광학적으로 투명한 제 1 기판(10100A)은 표면 상에 OTE 층(10120B) 및 OTE 층(10120B) 상의 EC 층(10210B)을 갖는 광학적으로 투명한 제 2 기판(10100B)과 조합될 수 있다. 제 1 및 제 2 기판 및 그 위의 층은 적층, 함께 압연 등에 의해 결합될 수 있다. 이 경우, 기판, OTE 및 EC 층은 동일하고 대칭이므로, 생성된 가변 투과율 층(10200A)의 EC 층(10210AB)은 제 1 기판 상의 EC 층(10210A)의 두께 또는 제 2 기판 상의 EC 층(10210B)의 두께의 2배인 두께를 갖는다.
EC 장치에서의 가변 투과율 층(10200B)의 구성을 도시하는 도 10b에 도시된 바와 같은 또 다른 가능성. 이러한 가변 투과율 층은 표면에 OTE 층(10120) 및 OTE 층(10120) 상의 EC 층(10210)을 갖는 광학적으로 투명한 제 1 기판(10100)을, OTE 층(10320)을 갖는 광학적으로 투명한 제 2 기판(10300)과 조합함으로써, 제조될 수 있다. 제 1 및 제 2 기판과 그 위의 층은 적층, 함께 압연 등으로 결합될 수 있다.
도 10a 및 도 10b는 가요성 막과 같은 광학적으로 투명한 막일 수 있는 기판을 도시한다. 그러나, 기판은 유리와 같은 강성 기판일 수 있다. 도 10a에 도시된 가변 투과율 층의 형성을 위한 또 다른 가능성은 제 1 기판과 상이한 제 2 기판 또는 제 1 기판의 OTE와 상이한 제 2 OTE를 사용하는 것이다. 예를 들어, 제 1 기판은 플라스틱 물질일 수 있는 반면, 제 2 기판은 상이한 플라스틱 물질, 또는 더 두꺼운 플라스틱 물질 또는 유리일 수 있다. 이러한 배열은 특정 용도에 유리할 수 있는 비대칭 EC 장치를 생성시킨다.
상기 기재된 바와 같이, 특정 용도에서는 앞서 기재된 바와 같이 EC 프리폼 층의 형태로 독립형 EC 층을 생성시키는 것이 유리할 수 있다. 예를 들어, R2R 기계에서 제조된 롤 형태로 이러한 EC 프리폼 층을 제조할 수 있다. 이러한 EC 프리폼 층을 저장, 취급 및 장치 내로 조립하는 방법에 대한 특정 고려 사항이 있다.
ECC의 일부 변형은 수분 및/또는 산소에 민감하다. 따라서, 저장 및 취급은 바람직하게는 습기 및 공기가 없는 환경에서 수행할 필요가 있다. EC 층을 보호하는 한 가지 방법은 이를 얇은 실리콘 처리된 PET 막으로서 보호 라이너 위로 압출하는 것이다. 이러한 라이너는 수분 및 기체 장벽을 제공하고 EC 층이 롤에 감겨 있는 동안 스스로에게 부착되는 것을 방지하는 이중 목적을 제공할 수 있다. 이어, 공기와 습기에 실질적으로 비투과성인 백에 롤을 밀봉할 수 있다. 밀봉 전에 백을 퍼지시키고 불활성 기체, 예를 들어 아르곤으로 충전시킬 수 있다. 다르게는, 백을 배기시키고 밀봉할 수 있다.
본 개시내용의 한 양태에서, EC 장치를 제조하기 위해 EC 프리폼 층을 사용하여, 광학적으로 투명한 제 1 기판과 광학적으로 투명한 제 2 기판 사이에 배치된 전기 변색 층을 제조할 수 있다. 조립하는 동안, 막(예컨대, 라이너) 상의 EC 프리폼 층을 롤로부터 풀 수 있고, 유리, 두꺼운 플라스틱 또는 막일 수 있는 광학적으로 투명한 제 1 기판 상에 배치할 수 있다. EC 프리폼 층의 점착성은 기판에 대한 EC 프리폼 층의 초기 접착을 제공한다. 그런 다음, EC 프리폼 층에서 라이너를 제거할 수 있다. 이어서, 제 1 기판 상에 배치된 EC 프리폼 층 상에 광학적으로 투명한 제 2 기판을 배치할 수 있다. 이러한 방식으로, 광학적으로 투명한 제 1 기판과 제 2 기판 사이에 배치된 전기 변색 층을 형성시킬 수 있다. 기판은 또한 다른 곳에서 기술된 바와 같이 전극(들), 버스 바(들), 패시베이션 층(들) 등을 포함할 수 있다. 이어, 필요한 경우, 시간, 온도, 압력, UV 노출 또는 기타 화학적 또는 물리적 작용제 중 임의의 하나 이상에 의해 EC 프리폼 층 및 기판 어셈블리를 경화시킬 수 있다. 특정 경화 방법은 EC 프리폼 층에 사용되는 화학 물질의 유형에 따라 다르다. 조립 작업 중 EC 프리폼 층이 공기에 노출되는 것을 최소화하기 위해, 불활성 분위기에서 조립 작업을 수행하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 기판이 EC 프리폼 층과 결합되는 구역은 N2 또는 Ar에 의한 연속 퍼지 하에 있을 수 있다.
기판/EC 프리폼 층/기판의 스택을 조립하는 전형적인 절차는 광학적으로 투명한 하부 기판 상에 EC 프리폼 층을 위치시킴을 포함한다. 이 기판은 그 위에 배치되는 EC 프리폼 층과 마주하는 표면에 이미 OTE 및 하나 이상의 버스 바를 가질 수 있다. EC 프리폼 층의 풋프린트(footprint)가 기판의 풋프린트와 같거나 그를 초과하도록 하는 것이 더 편리할 수 있다. 이 경우, 제 2 기판을 스택에 추가한 후, EC 프리폼 층의 측방향 과잉분을 스택의 주변부 둘레에서 트리밍할 수 있다. EC 프리폼 층의 결과적인 풋프린트는 버스 바를 포함하여 OTE가 있는 기판의 풋프린트를 실질적으로 덮어야 한다. 또한, 전기 전도성 EC 프리폼 층으로부터 전기적으로 절연된 버스 바를 갖는 것이 바람직하다. 그렇지 않으면, 버스 바가 적절하게 절연되지 않은 경우, 도 5a 및 도 5b를 참조하여 논의된 바와 같이 EC 층을 통한 버스 바로부터의 전기 단락 및/또는 EC 층에 의한 버스 바의 부식이 발생할 가능성이 있다.
전기 변색 장치는 전극 사이의 전기 변색 층 또는 가변 투과율 층의 착색 분포가 가장 가까운 외부 회로 연결 지점으로부터의 거리에 따른 특정 법칙에 따라 균일함에서 벗어나는 후광 또는 홍채 효과를 나타내는 것으로 알려져 있다. 대칭 연결의 경우, 장치의 EC 층의 중심은 EC 층의 주변부와 비교하여 상이한 착색 또는 명징 역학을 가질 수 있는데, 예를 들어 EC 층의 중심 구역은 하나의 광 투과 상태에서 다른 상태로의 전이 면에서 뒤처진다. 홍채 효과는 전형적으로 더 긴 평균 전류 경로로 인해 더 큰 면적의 EC 층에서 더 두드러진다. 홍채 효과는 고객의 관점에서 바람직하지 않으며, 전형적으로 제조업체는 이를 최소화하거나 제거하기 위해 노력한다.
홍채 효과의 기원은 전류 경로를 따른 저항-전압 강하에 의해 야기되는 표면 전도성 층의 전위의 측방향 분포에 의해 야기되는 것으로 여겨진다. 전기화학 반응의 속도는 EC 층과 전극 사이의 계면의 상이한 지점에서 상이하여, 과전위가 높은 대역에서 더 높다. 외부 회로에 대한 전극의 연결 기하학은 전위 분포에 중요하다. 홍채 효과는 보다 집중적인 작동 모드에서 더 두드러진다. 전체 구역에 걸쳐 시약과의 속도-제한 계면의 공핍에 상응하는 가장 집중적인 작동 모드는 전체 가변 투명 층에 대한 전류 밀도가 동일하기 때문에 포물선형(또는 이에 가까운) 전위 분포를 그 특징으로 한다. 이것은 전류 밀도가 장치에 사용되는 OTE의 표면 전도도에 비해 너무 높으면 주변부와 중심 사이의 착색 강도 차이가 EC 장치의 전체 동적 범위에 도달할 수 있음을 의미한다. 중간 작동 모드에서는 전류가 더 낮기 때문에 홍채 효과가 덜 두드러진다.
본 개시내용의 한 양태에서, 홍채 효과를 완화시키는 한 방법은 측방향으로 이방성 전기적 특성을 갖는 가변 투과율 층(VTL)을 사용하는 것이다. 이러한 이방성 전기적 특성은 측방향에서 이방성 전기적 특성을 갖는 VTL 및/또는 VTL을 한정하는 제 1 전극과 제 2 전극 사이에서 측방향으로 이방성 전기적 특성을 갖는 EC 층의 하나 이상의 전극의 결과일 수 있다.
예를 들어, 홍채 효과를 완화하는 한 가지 방법은 EC 장치에서 VTL의 EC 조성물 또는 층과 접촉하는 하나 이상의 전극, 예를 들어 OTE의 시트 저항을 공간적으로 조절하는 것이다. 예를 들어, VTL은 OTE의 주변부 둘레에서 더 높고 OTE의 중심 구역으로 갈수록 더 낮은 시트 저항을 갖는 것과 같이 OTE가 공간적으로 불균일한 저항을 갖는 OTE를 포함할 수 있다.
홍채 효과를 완화하는 또 다른 방법은 EC 장치의 EC 층의 평면에서 전기화학적 활성 EC 물질의 전기 저항률 및/또는 농도를 공간적으로 조절하는 것이다. 도 10c는 이러한 EC 층을 도시한다. 도면에서 볼 수 있듯이, EC 층은 층의 상이한 구역에서 실질적으로 상이한 전기적 특성을 갖는다. 특히, EC 층은 주변 구역(10112)보다 비교적 더 높은 전도도를 갖는 중심 구역(10110)을 갖는다. 이러한 이방성은 낮은 시약 농도로 인해 감소된 활성을 갖는 높은 과전위 대역에서 반응 속도의 증가를 보상한다. 구체적으로, 농도가 EC 층의 주변부보다 중심 구역에서 더 높으면, 중심 구역은 주변부보다 더 빠른 상이한 속도를 갖게 된다. 주변부와 중심 구역 사이의 농도 구배를 조정하여 홍채 효과를 억제하거나 제거할 수 있다. 측방향의 이러한 농도 구배는 분배 과정에서 EC 층의 화학적 조성을 변경함으로써 생성시킬 수 있다. 다르게는, 다중 분배 노즐을 사용하여, 기판의 상이한 구역에서 상이한 조성을 갖는 ECC를 분배함으로써 측방향으로 상이한 농도 대역을 갖는 EC 층을 형성시킬 수 있다. 저항률 및/또는 농도의 공간적 조정은 장치의 주변부에 더 가까운 낮은 전도도 및 중심을 향한 더 높은 전도도를 갖는 적어도 2개의 상이한 구역을 사용하여 단계적 방식으로 달성할 수 있다. 다르게는, 그러한 변화는 전도도가 주변부로부터 중심을 향해 다소 연속적으로 상승하는 점진적인 형태로 구현될 수 있다.
이러한 방법이 장기 작업에서 가장 효과적이기 위해서는, 농도 평형 및 홍채 완화 기능의 소멸을 피하기 위해 EC 물질의 측방향 확산을 최소화하는 것이 필요할 수 있다. 이러한 확산은 중합체 매트릭스 내의 공극을 통해 겔 형태의 EC 층의 액체 상에서 발생할 수 있다. 측방향 확산을 최소화하거나 방지하는 한 가지 방법은 매트릭스로 비다공성 측방향 장벽을 만드는 것이다. 확산은 EC 층의 양쪽에 있는 기판 평면에 수직인 방향으로는 여전히 발생할 수 있으나, EC 물질의 농도가 더 높거나 낮은 구역은 혼합이 실질적으로 방지되지 않는다. 이 접근 방식은 이방성 확산 특성, 즉 수직 방향에서는 비교적 방해받지 않는 확산을 갖고 측방향에서는 확산을 억제하는 특성을 갖는 겔을 배치하여 일반화할 수 있다. 또한, 이방성 겔은 수직 방향으로 전체 확산을 증가시켜 장치 전환 속도를 증가시킬 수 있다.
이방성 조립 공정을 이용하여, 예를 들어 압력 방향을 사용하거나, 기판 사이의 EC 층의 경화 동안 정전기장 또는 자기장을 추가하거나, 또는 이러한 요인의 조합을 사용하고, 이러한 인자들에 반응성인 중합체 매트릭스를 구현함으로써, 이러한 이방성을 생성시킬 수 있다.
홍채 효과를 억제하기 위해 이용될 수 있는 또 다른 방법은 비교적 낮은 이온 전도도를 갖는 소위 약하게 지지된 매트릭스를 사용하는 것이다. 전기화학적 반응 속도가 표면 전위 분포보다 매트릭스의 이온 전도도(이 경우 균일하고 전위-독립적임)에 더 의존하기 때문에, 효과가 달성된다. 따라서, 전기화학 반응의 속도는 프럼킨 효과로 인해 음의 피드백을 갖게 되는데, OHP에서 반응 생성물 농도가 증가함에 따라 구동 과전압이 감소한다. 이 방법의 단점은 이러한 장치의 PTR 값이 강력하게 지지되는 매트릭스를 사용하는 유사한 장치보다 현저히 낮을 수 있다는 것이다.
균일하지 않은 OTE를 사용하는 여러 방법을 이용하여 홍채 효과를 완화할 수 있다. 전극은 상이한 표면 저항, 전하 캐리어의 농도, 일 함수, 캐리어 이동도 등을 갖는 대역을 형성시키도록 제조 또는 처리(조사, 오존/코로나, 화학/용액, 열 등)될 수 있다. 예를 들어, 애노드과 관련하여, 특정 전기 변색 물질이 사용되는 경우 더 높은 일함수 대역은 더 낮은 일함수 대역보다 더 빠른 속도를 보여준다. 표면 저항을 프로파일링하면 과도 전류 도약을 부드럽게 할 수 있지만 정상상태 작동에는 미미한 영향을 끼친다.
겔-전해질을 사용하는 경우 대부분의 경우, 이온-전달 속도 제한은 속도 제한이 없는 전극에서 유지되는 바, 전극 전류 밀도 분포는 속도-제한 전극의 경우 를 따른다(더 넓은 장치에서 더 두드러짐). 이는, 통상적인 경우에 전극 변경을 고려한다면, 속도-제한 전극의 변경으로 충분할 수 있음을 의미한다.
유형 I 내지 III 장치의 경우, 속도-제한 전극은 매트릭스 특성 및/또는 전기화학적 활성 시약의 농도의 변화에 의해 전환될 수 있다.
전기화학 반응의 측방향 이방성을 생성시키는 또 다른 방법은 유형 III 장치에서 분리 멤브레인의 사용을 활용하는 것이다. 멤브레인의 투과성이 EC 장치의 구역 전체에 걸쳐 균일하지 않은 경우, 이러한 멤브레인은 이방성 광 투과 과정을 유발할 수 있다. 이러한 멤브레인이 더 높은 투과성을 갖는 구역에서, 이 과정은 다른 모든 매개변수가 동일하고 더 낮은 투과성을 갖는 구역에서보다 더 빠르게(즉, 전환 속도가 더 빠름) 발생한다. 이 효과를 이용하여, 전압의 측방향 구배에 의해 구동되는 홍채 효과를 최소화할 수 있다. 구체적으로, 멤브레인이 멤브레인의 주변부나 가장자리에 가까운 곳에 비해 중심 구역에서 더 높은 투과성을 갖는다면, 색상 종의 공간적 구배가 감소되거나 심지어 제거될 것이다.
EC 장치의 EC 층에 걸친 투과성의 변화는 점진적이거나 2개 이상의 계조를 가지면서 단계적일 수 있다. 예를 들어, EC 층은 멤브레인의 측방향을 가로질러 상이한 투과성을 갖는 멤브레인을 포함할 수 있다. 그러한 멤브레인은 멤브레인의 주변 구역에 비해 중심 구역에서 더 높은 투과성을 갖는 동심원 패턴의 투과성으로 사전-제작될 수 있다. 이러한 사전-제작된 불균일한 멤브레인은 조립 동안 장치의 중심 구역과 정렬되어야 한다. 이러한 사전-제작된 멤브레인 접근 방식의 이점은 멤브레인을 불균일하게 만드는 공정으로부터 장치 조립 공정을 분리하는 것이다. 이러한 사전-제작 접근 방식의 단점은 크기가 다른 장치에는 크기가 상이하고 상이하게 패턴화된 멤브레인이 필요하다는 사실이다.
다르게는, 멤브레인 패턴화는 각 장치에 대해 특이적으로 생성될 수 있다. 예를 들어, 막의 투과성은 처리 단계, 예를 들어 UV, IR 또는 다른 외부 효과, 또는 이러한 효과의 조합에 대한 노출에 의해 변경될 수 있다. 노출이 멤브레인의 구역에 걸쳐 변한다면, 결과적인 투과성의 불균일성은 처리 단계의 공간적 불균일성의 흔적을 가질 것이다. 예를 들어, 처리 단계에 UV 광이 포함되고 노출이 높은 구역에서 멤브레인의 투과성이 더 높은 경우, 멤브레인의 중심 구역을 향해 더 많이 노출시키고 가장자리에 더 가까울수록 더 적게 노출시킬 필요가 있다. 이러한 불균일한 노출은 고정된 불균일한 공급원을 사용하거나, 멤브레인을 가로질러 공급원을 래스터링하고 장치 구역에 걸쳐 노출 시간 및/또는 강도를 변경함으로써 달성될 수 있다. 멤브레인의 이러한 처리는 독립형 멤브레인에서 수행되거나 또는 처리 단계가 장치의 나머지 부분에 부정적인 영향을 미치지 않는 한 장치에 배치된 후 수행될 수 있다.
다르게는, 투과성은 멤브레인의 상이한 구역에서 상이한 두께의 멤브레인을 사용함으로써 조절될 수 있다. 두께의 변화는 점진적(예: 동심형) 또는 단계적일 수 있다. 장치의 중심 영역에 특정 투과성을 갖는 단일층 멤브레인을 사용하고 가장자리에 더 가까울수록 이중 층 멤브레인(두께는 2배, 투과성은 감소)을 사용함으로써, 단계적 변화를 수행할 수 있다.
장치 및 시스템 작동
EC 장치의 제어 방법은 가변 투과율 층의 전체 구역에 걸쳐 투과 특성을 효율적이고 안전하게 제어하는 것을 목적으로 한다. 제어 알고리즘은 정지 상태와 과도 상태 모두에서 가변 투과율 층의 전체 구역에 걸쳐 충분히 균일한 투과율 특성을 제공해야 한다. 상이한 유형의 EC 장치에 대한 제어 알고리즘은 근본적으로 상이하다.
물리적 원리:
EC 장치의 작동 상태를 변경하는 공정은 전극-전해질 계면에 걸쳐 전기적 바이어스를 변화시킴으로써 시작된다. 계면을 평형에서 멀리 치우치게 하면 전극과 전해질 사이에 전자 이동이 일어나고 전해질 산화환원 페르미 준위가 변한다. 전극의 페르미 준위가 평형 상태에서 전해질 산화환원 페르미 준위에 근접하기 때문에, 동일한 EC 층과 접촉하는 두 개의 별도의 전극(애노드/캐쏘드 또는 애노드/기준 또는 캐쏘드/기준)의 페르미 준위의 차이를 측정함으로써, 즉 EC 장치의 개방-회로 전압(Voc)을 측정함으로써, EC 장치의 상태를 결정할 수 있다.
반대로 바이어스된 광학적으로 투명한 전극을 갖는 평면 전지의 경우, EC 장치의 작동 상태를 변경하는 제어 신호가 전극 스택의 표면 전도성 층에 직접 또는 가변 투명도 층 어셈블리의 테두리/가장자리에서 하나 이상의 보조 층(땜납, 전도성 접착제 등)을 통해 인가된다. 가변 투명도 층의 전극(들)의 한 기능을 갖는 EC 장치의 경우, 제어 신호는 전극 스택의 표면 전도성 층과 분리된 대전극 사이에 인가된다.
EC 장치의 특성은 히스테리시스이다. 특정 전기 자극이 인가된 후, 종 활성분포, 전류 밀도, 전위 분포 및 기타 매개 변수는 즉시 안정적인 값을 취하지 않고 과도 거동을 나타낸다. 값과 분포는 시간이 지남에 따라 발전하고 어떤 시점에서 정상상태 값에 도달하는데, 이 값은 0과 같은 제 1 시간 도함수를 갖는 것을 특징으로 하며 계면의 전기 상태에 대해 특이적이다.
단안정성 장치(유형 I)
히스테리시스로 인해, 유형 I EC 장치에 의해 정상상태에 도달하는 경로는 전이 동안 전압이 인가되는 방식에 크게 의존한다. 전기화학적 동역학 법칙(가장 단순한 모델인 버틀러-볼머/프럼킨 방정식)에 따르면 속도는 반응물의 계면 농도에 따라 달라진다. 전자 이동의 속도는 일반적으로 물질 전달 속도보다 훨씬 빠르기 때문에 전체 공정은 물질 전달이 제어되는 것으로 생각된다. 유형 I 장치는 대부분 비-유체 겔 전해질을 사용하므로 대류를 무시할 수 있으며, 공정은 확산/이동-제어된다. 장치 작동의 두 가지 공칭 체제를 구별하는 것이 유용하다: 첫 번째는 원하는 정상상태에 이르는 경로를 따라 매 순간 확산이 활성 프로파일이 정상상태에 가까워질 만큼 충분히 빠르다고 가정한다(제 1 시간 도함수 약 0); 두 번째 체제에서는 확산이 느리고 활성 프로파일이 정상상태에 가깝지 않다(즉, 제 1 시간 도함수는 정상상태에 도달할 때까지 0에서 크게 다르다).
EC 장치의 I 내지 V 곡선의 형상은 이온 전도체 및 전자 전도체 모두에서 전체 전하-이동 시퀀스의 가장 느린 단계에 의해 결정된다. 따라서, 확산-제어가 가정되면, 상응하는 전극으로의 시약의 가장 느린 물질-이동 속도에 의해 I 내지 V 곡선의 형상이 결정된다. 따라서, 하나의 전극-전해질 계면만 작동 동안 속도를 제한한다.
2개의 산화환원 커플을 갖는 이상적인(전극 상에 임의의 저항-전압 강하가 없는) 유형 I EC 장치의 정상-상태 체제의 I 내지 V 곡선은 속도-제한 계면 특성의 곡선을 따르고 "쌍곡선 접선" 형상을 갖는다. 이 곡선은 0 전류 구역, 선형 I 내지 V 종속 구역 및 공핍 구역(이 구역 내에서는 전지 전류가 일정하고 인가된 전압에 의존하지 않는다)의 세 가지 구역으로 의존적으로 세분될 수 있다. 전류가 0인 구역 내에서는 인가된 전압이 낮은 과전위 때문에 측정 가능한 전기화학적 반응 속도를 생성시키기에 불충분한 반면, 선형 영역 내에서는 속도-제한 단계의 시약 활성의 계면 정상상태 구배가 그렇기 때문에 전류가 거의 선형으로 인가된 전압에 의존한다. 공핍 구역 내에서의 작동은 시약 종의 0에 가까운 계면(속도-제한 계면에서) 정상상태 농도(시약 공핍)를 동반하므로, 과전위가 증가함에 따라 반응 속도와 전지 전류가 증가할 수 없다.
비-정상상태 작동이 수행되는 경우, 상대적으로 낮은 물질 전달 속도는 계면 구배를 증가시키는 시약의 계면 농도(또는 일반적인 경우 활성)의 급격한 강하로 이어진다. 공핍이 발생하면, 계면 구배가 가장 높으며 이 지점을 넘어서면 정상상태에 도달할 때까지 감소한다. 이 거동은 I 내지 V 곡선에서 전류 피크의 출현으로 이어진다. 과도 상태 동안 시약의 활성 구배가 정상상태(공핍 시)에서 가능한 최고 구배보다 더 높기 때문에, 피크 전류는 정상상태 체제에서보다 높다.
유한한 크기의 가변 투명도 층을 고려할 때, 표면 전도 층에 저항-전압 강하가 발생한다. 따라서, 가변 투명도 층의 임의 지점에서 전극의 과전위는 인가된 전지 전압뿐만 아니라 전류 경로를 따른 완전한 저항-전압 강하에 따라서도 달라진다. 따라서, 전기화학적 반응의 속도는 가변 투명도 층의 상이한 지점에서 상이할 수 있다. 순 캐쏘드 및 애노드 전류만 동일해야 하기 때문에, 가변 투명도 층의 각 전극에 대한 전류 분포가 상이할 수 있어서, 투과율 불균일을 유발하는 애노드 및 캐쏘드 반응 생성물의 불균등한 분포를 초래할 수 있다. 제어 알고리즘의 목표는 동적 범위 내에서 가변 투명도 층의 투과율 특성을 조정하고, 가변 투명도 층의 전체 구역에 걸쳐 필요한 정도의 광학 특성 균일성을 제공하는 것이다. 본 명세서의 다른 곳에서 논의된 바와 같이, 유한 크기 가변 투과율 층의 작은 구역의 가시광 투과율(VLT)은 EC 층 내의 광 전파 경로에 따른 유색 용질의 전체 농도에 의존한다.
두 번째 비-제한 전극에 대한 반응 속도 분포는 프럼킨 효과로 인해 제한 전극을 따른다. 실제로, 비-제한 전극에서 반응하는 종의 확산 속도가 더 높으며, 추가 속도 제어가 존재하지 않는 경우 비-제한 전극에 대한 전류 분포는 저항-전압 강하가 최소가 되도록 하는 것이다. 이는 외부 회로 연결점에 가장 가까운 지점을 통해 누설되는 전류가 최대한 높다는 것을 의미한다. 전류가 확산 속도에 의해 제한되기 때문에, 최대 정상상태 비전류는 계면 공핍에 의해 제한된다. 따라서, 공핍 상태에서 작동할 수 있는 계면 부분은 그렇게 작동하여 제 2 전극 전류의 불균일한 분포를 야기한다. 그러나, 이 경우, 속도-제한 전극을 통한 전류 분포로 인해, 이온 이동 경로가 너무 길어진다. 겔-전해질의 실제 이온-전달 속도를 가정하면, 이러한 상황에서 대이온 플럭스가 충분하지 않을 것이며, 과도한 전하가 두 번째 계면의 활성 부분에 나타날 것이며, 따라서 전류 밀도를 상응하는 이온 이동 속도까지 최소화하도록(음의 피드백) 하는 값까지 OHP 전위 값이 증가할 것이다. 따라서, 비-제한 계면의 속도 제어 특성은 제어되는 이온 이동으로 기재될 수 있다.
따라서, 추가 논의에서 속도-제한 계면의 작동 모드는 체제를 결정하는 것으로 간주되며, 전체 유한 크기 EC 층 구역은 조건부로 직렬-병렬 연결된 별개의 차동 소형 EC 장치(이 안에서는 저항-전압 강하가 존재하지 않음)로 세분화될 수 있다. 알고리즘에 대한 설명은 대부분 이 가정을 기반으로 한다. 명확성을 위해 I 내지 V 곡선은 인가 전압 면에서 추가로 고려되지만 속도-제한 계면 과전위는 고려되지 않는다.
간략화를 위해, 하기 기재에서는 직사각형 형태의 장치를 가정한다. EC 장치 연결의 가장 효율적인 방법은 두 전극의 주변부에 전위를 인가하는 것을 의미한다. 이러한 장치에서는, 저항-전압 강하가 직사각형의 긴 쪽을 따라 더 높으므로, 인가된 전압, 따라서 장치의 상태의 효율적인 추정은 짧은 쪽 방향에서 이루어진다. 시스템을 거의 1차원으로 평평하게 만들기 위해, EC 장치의 긴 쪽에만 구동 전압을 인가한다고 가정할 수 있다. 이 대칭 연결은 전압과 전류의 거울 같은 분포를 보여주며, 두 전극이 한 쪽에서 연결된 두 개의 거울 같은 반쪽-장치로서 분석될 수 있다.
또 다른 하나인 대각선 연결도 고려할 수 있다. 각 전극이 한 쪽에서만 연결되어 있다고 가정한다. 예를 들어 위쪽 전극은 왼쪽으로 연결되고 아래쪽 전극은 오른쪽으로 연결된다. 이 연결은 더 높은 저항-전압 강하를 나타내므로 에너지 효율적이지 않다.
본원의 다른 곳에서 논의된 바와 같이, 계면의 정지 I 내지 V 특성은 계면의 구역이 3가지 모드로 작동할 수 있음을 나타내며, 따라서 특정 가변 투명도 층은 층의 두께를 따라 상이한 모드에서 동시에 작동하는 구역을 포함할 수 있다. 하기 조합이 가능하다:
공핍 모드,
공핍 및 선형 모드,
모든 선형 모드,
공핍, 선형 및 제로 전류 모드,
선형 및 제로 전류 모드,
모든 제로 전류 모드.
일부 부분이 제로 전류 모드에 있고 일부가 공핍 모드에 있는 반면 선형 모드에는 없는 실제 상황은 없다. 달리 말해, 선형 I 내지 V 모드에서 층의 일부는 항상 제로 전류 모드와 공핍 모드를 분리한다.
제 1 작동 모드는 가능한 최대 정지 셀 전류 및 각 전극의 전체 구역에 대한 계면 전하 전달 속도의 동일성에 상응한다. 이는 전기화학 반응의 속도가 가변 투명도 층의 모든 구역에 걸쳐 일정하고, 따라서 전기화학 반응 생성물의 분포가 전극에서 등거리에 있는 EC 층 내의 각 평면에 걸쳐 균일하다는 것을 의미한다. 이에 의해, EC 장치의 관측기가 인지하는 색상 및 VLT도 광 입사각과 관찰 각도의 각 쌍에 있어서 균일하다. 그러나, 이 작동 모드에서는 OTE 및 기타 시스템 요소의 저항-전압 강하 및 속도-제한 전극의 과전위가 버스 바에서 가장 멀리 떨어진 지점에서도 공핍 구역에 있어야 하는 조건으로 인해, 모든 위치의 과전위는 가장 먼 지점의 과전위보다 높을 것이다. 정상상태의 전류 밀도와 표면 전도성 층의 시트 저항에 따라, 인가되어야 하는 제어 전압의 최소값이 너무 높아서 가변 투명도 층의 일부 구역에서의 과전위가 각종 치명적인 공정이 일어나기에(EC 장치 오작동 및/또는 파손으로 이어짐) 충분할 수 있다. 따라서, 이 모드에서 작동하기 위해, 가변 투명도 층은 모든 공핍 모드에서 작동하는 가변 투명도 층의 모든 지점에서 과전위가 안전 값을 초과하지 않도록 계면 전류 밀도와 매칭되는 표면 전도성 층을 보유해야 한다. 모든 공핍 모드에서의 작동은 애노드과 캐쏘드의 표면 전도성 층 사이에 일정한 전압을 인가함으로써 실현될 수 있다.
마지막으로, 모든 제로-전류 모드는 EC 층 내에서 임의의 전류 및 용질 플럭스의 부재를 특징으로 한다. 앞에서 언급했듯이 단안정성 장치에서 이 모드는 최대 투과율 상태에 상응한다.
정지 작동의 결합 모드가 함께 논의된다. EC 층, 애노드 및 캐쏘드를 포함하는 가변 투명도 층의 작은 조각에서는, 앞서 말한 바와 같이, 정상상태 조건에서, VLT 값이 착색된 용질의 형성 및 소비 속도(이는 농도 구배를 통해 상호 의존적임)에 따라 달라진다. 따라서, 전류(따라서, 착색된 용질의 형성 속도)가 공핍 값보다 낮아지면, 투과율이 증가한다. 그러므로, 가변 투명도 층의 저항-전압 강하가 일부 구역에서 과전위가 공핍에 필요한 값보다 낮도록 하는 경우, 해당 구역의 VLT는 최소값보다 높을 것이다. 가변 투명도 층의 어딘가에서 과전위가 제로-전류 구역에 있는 경우, 이 구역은 꺼짐 상태에 상응하는 최대 VLT 값을 갖는다.
전술한 바와 같이, 정상상태 작동 모드는 완전히 투명하거나 완전히 어두워진 상태에서만 투과율의 공간적 균일성을 허용한다. 모든 중간 정상상태는 투과율의 불균일성을 나타내지만, 중간 상태에서 총 전류 및 저항-전압 강하가 0이 아닌 전류가 있는 정상상태의 것보다 낮기 때문에 관측기가 감지할 수 없을 수도 있다.
정지 모드에서 작동할 때, 인가된 전압 및 총 전류는 EC 장치의 상태를 추론하는 데 사용될 수 있는 충분한 매개변수이다.
과도 모드 작동:
EC 장치가 상태 간에 전환되어야 하는 경우, 인가되는 제어 신호도 변경되어야 한다. 전압 변화 속도가 정지(계면 거동의 관점에서, EC 장치 작동의 정지 모드와 혼동하지 않도록 한다) 체제의 한계를 초과하면, 히스테리시스 효과가 발생한다. 실제 용도에서, 임계 전압 변동 속도는 너무 낮아서 비-정지 체제를 사용하는 것을 피할 수 없다. 따라서, 유한한 크기의 가변 투명도 층에 인가되는 제어 신호의 전압 변화 속도가 임계값을 초과하면, 비-정지 전류-전압 특성에 따라 높은 돌입 전류가 누출된다. 가장 높은 과전위는 제어 신호 인가 지점에 인접한, 즉 전극 스택의 둘레/가장자리에 가까운 대역에서 발생한다. 이러한 대역에서 높은 계면 전류는 표면 전도성 층에서 저항-전압 강하를 증가시켜, 제어 신호 인가 지점에서 더 멀리 떨어진 대역에서 (정상상태와 비교하여) 과전위를 낮춘다. 따라서, 인가된 제어 신호가 너무 높은 전압 변경 속도를 가지면, 과도 상태에서 가변 투명도 층의 투과율의 심한 불균일성이 발생할 수 있다. 그러나, 이러한 과도기는 정지 상태에서 끝나므로 기재된 불균일성은 일시적이다.
인터벌(다중 상) 작동
느리지만 더욱 균일한 정지 상태와 빠르지만 균일하지 않은 과도 체제 전환 사이의 절충은 EC 장치의 실제 투과율, 사람의 눈 감도 및 주변 조도에 따른 체제의 점진적 변화이다. 완전히 투명한 정지 상태에서 완전히 어두워진 상태까지 전체 동적 범위에 걸쳐 전환하는 것을 고려한다. 초기에는 투과 광에 의한 조도가 가장 높고 사람의 눈 감도는 투과율 불균일의 낮은 등급도 인식하기에 충분하다. 반면, 완전히 방전된 EC 장치는 임피던스가 최소이므로, 돌입 전류가 비교적 높아서 홍채 효과가 증가한다. 따라서, 초기 단계에서 전압 변동의 속도는, 투과율이 사람의 눈이 그다지 민감하지 않고 가능한 돌입 전류가 그렇게 높지 않은 값에 도달할 때까지, 정지 체제에 가까워야 한다. 그럼에도 불구하고, 중간 상태에서는 정지 모드에서도 특정 최소 투과율 불균일성이 있다(상기 기재됨). EC 장치가 불균일성을 최소화하면서 중간 수준의 투과율에서 작동할 수 있도록 개방-회로 거동의 특징이 사용된다.
EC 장치가 중간 수준의 투과율에서 정지 모드로 작동된 다음 개방-회로화된 경우, 측방향 물질 전달 및 전극 너머의(상기 참조) 전위 정렬 과정이 불균일성을 감소시킬 것이다. 따라서, EC 장치는 일련의 활성 및 개방-회로(이완) 단계에 의해 제어되어, 투과율 변동이 약한 경우 홍채와 같은 투과율 불균일 인공물을 허용할 수 있다. 이완 상태의 또 다른 중요한 특징은 Voc를 측정하여 EC 장치의 실제 고유 상태를 결정할 수 있다는 것이다. Voc가 이완 단계 후에 측정되면, 이는 전체 가변 투명도 층의 투명도 상태를 한정하는 데 사용할 수 있는 평균값을 제공한다. Voc 값은 광학 특성을 관찰하지 않고 EC 장치의 투명도 상태를 명확하게 결정할 수 있도록 하므로, 자동 투과율 제어 시스템의 피드백 신호로서 사용될 수 있다.
도 11은 본 발명의 한 실시양태에 따른 EC 장치를 제어하기 위한 제어 알고리즘을 나타내는 흐름도이다. 알고리즘의 비제한적 목표는 Voc를 원하는 값으로 유지하는 것이다. 이를 위해 PID 컨트롤러가 사용된다. 피드백 값은 개방-회로 조건에서만 얻을 수 있고 충전 신호가 동시에 인가될 수 없기 때문에, 알고리즘은 적어도 두 개의 주기적으로 전환되는 단계인 충전 및 피드백을 의미해야 한다.
PID 사이클은 초기 피드백 값이 존재하는 경우에만 시작될 수 있다. 개방-회로 조건에서 발생하는 공정은 전극 위의 전위 분포를 정렬하므로, Voc(PV)의 모든 측정은 S104에서, 특정 타임아웃 후에는 S102에서 수행되며, 이는 제어되는 EC 장치의 모든 형상 및 화학적 조성에 대해 S122에서 계산된다. 설정값(SV)은 S132에서 원하는 작동 모드에 따라 자동으로 계산된다. S106에서 SV와 현재 PV를 비교하여 오차값을 구하고, PID 계수(S124)와 이전에 획득한 데이터를 이용하여 S108에서 P, I, D 값을 계산한다. P, I 및 D 값을 계산한 후, 알고리즘은 S110에서 충전 곡선의 형상을 생성시킨다. 이 단계는 홍채 효과를 줄이고 현재 상태에서 원하는 상태까지 최적의 경로를 적응적으로 계산하는 데 필요하다. 충전 시퀀스에는 과전압 제어가 있는 정전류(정전류식), 과전류 제어가 있는 정전압(정전위식), 전류 함수(I(t, …)) 및 전압 함수(V(t, …)) 단계가 포함될 수 있다. 전류-제어 단계 동안 인가 전압을 측정하고 위에서 언급한 물리적 화학적 상수와 비교하여 장치가 정상상태에 얼마나 가까운지 알아낼 수 있다. 이 작동 모드에서, 이완이 필요하지 않은 경우(예를 들어, 가능한 한 빨리 완전히 어두워진 상태로 전환하는 경우) 타임아웃 기간을 0으로 설정할 수 있다. 전환 동안, 주요 목표는 원하는 전이를 수행하는 데 가능한 최소한의 시간을 소요하는 한편 홍채 효과로 이어지는 돌입 전류를 억제하는 것이다. 예를 들어, 완전히 방전된 상태에서 완전히 어두워진 상태로의 전이가 요구되는 경우 알고리즘은 처음에는 매우 낮지만 증가하는 전류로 시작한 다음 정전압으로 전환되며, 이는 장치를 모든 공핍 모드로 유지하는 가장 편리한 방법이다. 대조적으로, 중간 정상상태의 투과율이 균일하지 않기 때문에 색조의 중간 상태가 필요한 경우, 알고리즘은 충전 전압 곡선의 특정 형상과 타임아웃 지속 시간의 조합을 사용하여 투과율의 불균일성을 감지할 수 없는 장치의 동적 거동을 수득한다.
일반적으로, 제어 알고리즘의 목표는 용도 및 사용의 세부 사항에 따라 다르다. 사람들이 내부 공간을 점유하는 용도(예: 건물, 차량, 비행기)에서, 두 가지 뚜렷한 목표는 다음과 같다:
(a) 공간 거주자를 위한 조명 편안함 개선; 및 (b) 건물의 열 부하를 최적화하여, HVAC CAPEX 및 작동 비용을 절감함.
지리학의 함수로서의 화학
거주자의 조명 편안함은 건물의 지리적 위치와 크게 무관하며, 대부분 인간 생리학에 의해 좌우된다. 그러나, 열부하 최적화는 건물 위치의 함수로서 크게 달라진다.
더운 기후에서는 건물의 열 부하를 최소화하여 건물의 냉각 시스템에 대한 부하를 줄이는 것이 좋다. 따라서, 스펙트럼의 IR 부분의 투과를 제한하는 EC 화학이 선호된다.
추운 기후에서는 열 부하를 최대화하여 건물의 난방 시스템에 대한 부하를 줄이는 것이 바람직하다. 이러한 용도에서는 IR이 열 에너지의 상당 부분을 포함하기 때문에 IR 투과에 영향을 끼치지 않는 EC 화학이 선호된다.
지리학적 함수으로서의 화학적 변화에 더하여, 창 어셈블리의 다른 요소는 위치의 함수로서 열 부하를 최적화하도록 조정될 필요가 있다. 이러한 요소는 유리상의 낮은-e 코팅의 유무, 스펙트럼 투과를 수정하는 특수 막의 추가 또는 기타 스펙트럼 제어 특징의 구현을 포함한다.
에너지 효율 대 조명 제어
시스템이 에너지 효율 모드로 작동 중인 경우, 주요 최적화 매개변수는 건물(또는 차량)의 합쳐진 에너지 소비이다. 제어 시스템은 창 광 투과 제어, HVAC 및 실내 조명에 사용되는 에너지를 비롯한 건물의 총 에너지 소비를 모니터링한다. 이어, 시스템은 이 세 가지 요소의 작동을 최적화하여 총 에너지를 최소화하는 동시에, 건물 내에서 허용가능한 최소 조건을 유지한다(예: 내부 온도가 특정 경계를 넘거나 아래로 떨어지지 않도록 함).
시스템이 조명 제어 모드로 작동하는 경우, 주요 최적화 매개변수는 내부 공간의 조명 품질이다. 이 매개변수는 점유 공간에 위치한 휘도 센서(들)에서 파생될 수 있다. 통합 제어 매개변수를 제공하는 단일 센서가 있거나, 또는 공간 전체에 분산되어 국부화된 제어 매개변수를 생성하는 여러 센서가 있을 수 있다. 이러한 국소 제어 지점의 성능은 조명 제어 선호도를 조정하는 개별 사용자에 더욱 맞춰질 수 있다.
제어 시스템 및 제어 시스템에 의해 제어되는 EC 창의 거동이 에너지 효율 모드와 조명 제어 모드 사이에서 실질적으로 상이할 수 있다는 점에 유의하는 것이 중요하다. 예를 들어, 따뜻한 기후에서 화창한 날 에너지 효율 모드로 작동하는 건물의 내부는 거주자에게 너무 어둡고 너무 따뜻할 수 있다.
건물
본원의 다른 곳에 기재된 바와 같이, 제어 목표에 의해 구별되는 건물에 대해 두 가지 분명히 다른 모드, 즉 에너지 효율 모드 및 조명 제어 모드가 있을 수 있다. 달력의 관점에서, 건물은 날짜와 시간에 따라 이러한 모드 중 하나로 운영된다. 예를 들어, 근무 시간 동안(예: 오전 8시에서 오후 6시) 건물은 조명 제어 모드에 있게 된다. 하루의 나머지 시간 동안, 주말과 공휴일에 걸쳐, 건물은 에너지 효율 모드로 전환된다. 사용자는 건물의 제어 모드를 무시하는 옵션을 가질 수 있다.
차량
차량의 전기화가 증가하면 건물과 유사한 광 및 열 조건의 최적화가 가능하다. 차량에 창 및/또는 지붕용 EC 장치가 장착되어 있으면, 투명도를 동적으로 조절할 수 있다. 차량에 사람이 있을 때 일반적으로 사용자는 내부 상태를 제어할 수 있다. 차량이 주차되는 경우에는, 자동 제어 모드가 작동될 수 있다. 예를 들어, 화창한 추운 겨울 날, 차량의 EC 장치는 온실 온난화를 최대화하여 차량의 온난화를 극대화하기 위해 투과율이 높은 투명한 상태로 전환할 수 있다. 다르게는, 더운 여름날에는, 열 부하를 최소화해야 하며, EC 장치는 투과율이 낮은 상태(예: VLT가 낮은 어두운 상태)로 전환할 수 있다. 태양열 때문에 실내 온도를 낮추면, 실내 냉각에 소비되는 에너지가 적기 때문에 AC가 연비 개선 및 CO2 배출 감소와 결합되어 편안함을 더 빨리 느낄 수 있다. 이 열 부하 감소는 차량이 따뜻한 날 태양 아래에 주차될 때 자동으로 어두운 모드로 EC 장치를 전환할 것을 요구한다. EC 장치의 어두운 상태를 유지하는 데에는 에너지가 사용되며 배터리가 소모될 수 있다. 따라서, 차량의 EC 장치의 동적 조정은 차량이 계통 연계될 때 유리하게 제어된다.
EC 조성물 및 층
EC 조성물 또는 층의 광-흡수 성분은 가시광, UV 및/또는 NIR 영역에서 전자기선 플럭스의 조정 가능한 감쇠를 제공할 수 있으며, 따라서 (1) EC 장치를 통해 보는 인간에게 및/또는 이것이 설치된 구역에 대해 원하는 시각적 감각을 생성시키고, (2) 가시광, UV 및/또는 NIR 영역에서 입사 전자기선 에너지의 양을 조절하는 능력을 EC 장치에 제공한다.
본 개시내용의 전기 변색 조성물은 하나 이상의 전기 변색 물질을 포함한다. 이러한 조성물은 또한 용매, 중합체 물질, 보조 화합물, 개질제, 추가 요소 또는 이들의 임의의 조합 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 이러한 조성물은 특정 EC 장치와 함께 사용하기 위해 층으로 형성될 수 있다. 특정 양태에서, EC 층은 전형적으로 매트릭스를 포함한다.
본 개시내용의 EC 조성물 및 층은 실질적으로 또는 완전히 투명하거나, 무색 또는 착색되고, 탁하지 않고, 흐릿하지 않을 수 있다. 본 개시내용의 전기 변색 조성물 및 층은 입력 신호, 예를 들어 인가 전압, 전류, 전기장 등에 응답하여 광 투과율을 하나의 상태에서 다른 상태로 변경할 수 있다. 광 투과율의 변화는 가시광, UV 및/또는 IR 파장에서 발생할 수 있다. 광 투과율의 변화는 높은 광 투과율 상태, 예를 들어 적어도 약 50%, 55%, 60%, 65%, 70%, 75% 등의 투과율에서 낮은 광 투과율 상태, 1% 미만, 예를 들어 약 0.8%, 0.6%, 0.4%, 0.2% 및 심지어 0.1% 미만의 투과율까지 이루어질 수 있다. 이러한 투과율이 높은 상태 및 투과율이 낮은 상태는 가시광, UV 및/또는 IR 파장에서 발생할 수 있지만, 특정 용도에서는 높은 광 투과율의 변화가 가시광 스펙트럼에서 발생한다. 특정 양태에서, 전기 변색 층은 하나 이상의 입력 신호에 응답하여 광 투과율을 하나의 상태에서 하나 이상의 다른 상태로 연속적으로 변경할 수 있다.
전기 변색 조성물 또는 층은 가시광 투과율의 하나의 상태에서 소정의 색상을 가질 수 있다. 특정 색상은 청색, 녹색, 회색 등과 같은 창에 바람직하다. EC 조성물 또는 층의 색상은 조성물 또는 층에 적합한 전기 변색 물질을 선택함으로써 설정할 수 있다. 또한, 개별 물질의 스펙트럼 흡광도 또는 반사율이 매칭되어 소정 색상을 생성시키는, 예를 들어 그레이스케일 가시광을 투과 또는 반사하도록 매칭되는 조성물에 하나보다 많은 전기 변색 물질이 포함될 수 있다. 이것은 CIELAB 매칭에 의해 수행될 수 있다. 즉, 한 쌍의 가시광-흡수 화합물이 조성물 또는 층에 존재하면, 인간이 인식하는 결과적인 색상은 L* 값에 따라 가중되는 동일한 농도의 단일 구성요소의 a*과 b* 값의 합으로 설명된다. 예를 들어, 전기 변색 조성물은 전기 변색 조성물을 통해 또는 전기 변색 조성물로부터 투과 또는 반사된 광의 색상 편차가 CIELAB 색 공간의 a* 및 b* 축의 10유닛 미만(예: 5유닛 미만)일 때와 같이, 전기 변색 조성물은 전기 변색 조성물을 통해 또는 전기 변색 조성물로부터 투과 또는 반사된 광의 그레이스케일 색상을 실질적으로 형성시키도록 스펙트럼 면에서 매칭된 전기 변색 물질을 포함할 수 있다.
이러한 소정의 색상은 표준 분광 광도계를 사용하여 결정될 수 있다. 본 개시내용의 색상 결정은 D65 조명 공급원을 사용하고 10도 표준 관측기와 함께 작동되는 헌터랩 울트라스캔 프로(HunterLab UltraScan PRO) 분광 광도계를 참조해야 한다.
또한, 본 개시내용의 전기 변색 조성물 및 층은 높은 투과 상태에서 낮은 헤이즈를 가질 수 있다. 인간의 눈은 전형적으로 약 4% 이상의 값을 갖는 헤이즈를 감지할 수 있다. 따라서, 전기 변색 조성물 또는 층이 높은 투과 상태에서 약 10% 미만, 예를 들어, 8%, 6%, 4%, 3%, 2% 및 1% 미만의 헤이즈를 갖는 것이 특정 용도에 바람직하다. EC 장치에서, EC 층 이외의 구성요소, 예를 들어 광학적으로 투명한 기판 및 OTE와 같은 전기 전도성 코팅을 비롯한 그 위의 코팅은 헤이즈에 기여할 수 있다. 따라서, 본 개시내용의 양태에서, EC 장치의 광학 경로로부터 관찰되는 바와 같은 헤이즈는 또한 본 개시내용의 EC 층의 헤이즈에 대해 기재된 것과 동일하거나 더 낮은 헤이즈, 예를 들어 높은 투과율 상태에서 약 10% 미만, 예컨대 8%, 6%, 4%, 3%, 2% 및 1% 미만의 헤이즈를 가져야 한다.
흐릿함 또는 "헤이즈"는 투명 물질을 통과할 때 확산되거나 산란되는 광의 양을 측정하는 표준 헤이즈 미터로 측정할 수 있다. 통과할 때 입사빔에서 평균 2.5도 이상 벗어나는 광의 백분율을 헤이즈라고 한다. 예를 들어, ASTM D1003 섹션 8. 절차 B 분광 광도계에 따른 헤이즈 적합성을 참조한다.
또한, 본 개시내용의 전기 변색 조성물 및 층은 유리하게는 광 투과율을 신속하게(예를 들어, 약 30초 미만으로) 또한 균일하게 하나의 상태에서 다른 상태로(예를 들어, 하나의 가시광 상태에서 다른 가시광 상태로) 변화시킬 수 있다. 본 개시내용의 양태에서, EC 조성물 및 층은 광 투과율을 수 초 내에 균일하게 하나의 상태에서 다른 상태로 변경할 수 있다. 본원에 사용된 바와 같이, 광 투과율 균일성은 예를 들어 20% 미만의 VLT 같은 광 투과율의 가변성(즉, 표면의 임의의 지점에 있어서 VLT의 변동이 동시에 20% 미만임)으로서 정의된다.
또한, 전기 변색 층은 소정의 전기적 특성 또는 작동 특성을 가질 수 있다. 예를 들어, 본 개시내용의 전기 변색 층은 전기 전도도, 약 1.5V 미만, 예를 들어, 약 1.3V, 1.2V 미만의 작동 전압 범위, 전류 범위, 및 0.25W/m2 미만, 바람직하게는 0.1W/m2 미만, 가장 바람직하게는 0.05W/m2 미만의 낮은 광 투과율 상태(예를 들어, 어두운 상태)에서의 연속 전력 소비와 같은 정지 및 과도 상태에서의 전력 소비 같은 하나 이상의 전기적 특성에 대해 하나 이상의 소정 값을 가질 수 있다.
본 개시내용의 특정 양태에서, 전기 변색 장치는 착색된 상태 및/또는 투명한 상태에서 전기 변색 장치에 대해 특이적인 태양열 획득 계수 값을 제공하도록 구성된 전기 변색 조성물을 포함할 수 있다. 특정 태양열 획득 계수(SHGC)는 직접 투과 및 흡수된 후 내부로 방출되는, 창을 통해 입사되는 입사 태양광선의 분율이다. SHGC는 0과 1 사이의 숫자로 표시된다. 태양열 획득 계수 값이 낮을수록 전기 변색 장치를 통해 전달되는 태양열이 적다. 본 개시내용의 일부 양태에서, 전기 변색 장치에 포함된 전기 변색 조성물은 착색된 상태 및/또는 투명한 상태의 전기 변색 장치에 대해 1 미만, 예를 들어, 0.9 미만 등인 특정 태양열 획득 계수 값을 제공하도록 구성된다.
본 개시내용의 전기 변색 조성물 또는 층에 포함될 수 있는 전기 변색 물질의 예는 4,4'-비피리디늄 염(예: 비올로겐), 2,2'-비피리디늄 염, 3급 아민, 페로시아나이드, 헤테로환상 화합물(예: 페나진, 페녹사진, 페노티아진, 퀴녹살린 등), 전도성 중합체(예: PEDOT-PSS, PANI, PT, 폴리아세틸렌 등), 퀴논, 유기금속 화합물, 또는 이들의 조합 같은 전기 활성 가시광-흡수 화합물(특정 산화 상태에서); 및 pH-지시제, CT 착체(예: 하이드로퀴논/퀸하이드론, 금속 착체) 또는 이들의 조합과 같은 광-흡수 화합물로서의 루이스/브뢴스테드(Lewis/Bronsted) 산 및 염기를 포함하지만, 이들로 한정되지는 않는다. 비피리디늄 염은 바람직하게는 지지 전해질의 염과 같은 약한 배위 음이온을 포함한다.
본 개시내용의 특정 양태에서, 전기 변색 물질은 하나 이상의 화학식 I의 화합물을 포함할 수 있다
[화학식 I]
Figure pct00010
상기 식에서, R1 및 R2는 동일하거나 상이하고, 개별적으로 치환되거나 치환되지 않은 알킬, 벤질, 치환되거나 치환되지 않은 페닐을 나타내고, X-는 음이온을 나타낸다.
본 개시내용의 특정 양태에서, R1 및 R2는 개별적으로 치환되지 않거나 하나 이상의 페닐, 할로겐 원자(예컨대, 하나 이상의 플루오르)(예컨대, 퍼플루오로메틸), 4,4'-비피리디늄(그 자체가 C1-7 알킬, 예컨대 메틸, 부틸, 3급-부틸 같은 알킬로 치환될 수 있음)로 치환된 C1-7 알킬, 예를 들어 메틸, 부틸, 3급-부틸 같은 알킬; 벤질(-CH2-Ph); 페닐, 또는 하나 이상의 알킬, 예를 들어 C1-7 알킬(예를 들어, 메틸, 부틸, t-부틸), 할로알킬(예컨대, 퍼플루오로 C1-4), 할로겐 원자(예컨대, 하나 이상의 플루오르), 알콕시(예를 들어, C1-4 알콕시, 메톡시), 할로겐화 알콕시(예를 들어, C1-4 퍼플루오로알콕시, 퍼플루오로메톡시), 펜타플루오로설파닐, 시아노, NR'2(여기에서, R'는 알킬 또는 치환된 알킬임) 등으로 치환된 페닐이다. X-는 헥사플루오로포스페이트, 테트라플루오로보레이트, 퍼클로레이트와 같은 음이온, 또는 트리플루오로메탄설포닐이미드((CF3SO2)2N-) 같은 유기 음이온을 나타낸다.
일부 실시양태에서, R1 및 R2는 개별적으로 치환기가 하기 표시된 번호를 갖는 페닐 고리의 다양한 위치에 위치할 수 있는 치환된 페닐을 나타낸다:
Figure pct00011
.
예를 들어, R1 및 R2는 개별적으로 페닐의 3, 4, 및/또는 5 위치에 하나 이상의 치환기, 예를 들어 페닐의 3, 4 및/또는 5 위치에 1, 2 또는 3개의 C1-7 알킬 치환기를 갖는 치환된 페닐, 예를 들어 톨릴, 4-3급-부틸페닐, 3,4-디알킬페닐, 3,4-디메틸페닐, 3,5-디알킬페닐, 3,5-디-3급-부틸페닐 치환된 페닐기를 나타낸다.
다른 실시양태에서, R1은 C1-7 알킬을 나타내고, R2는 페닐 또는 페닐의 3, 4 및/또는 5 위치에 하나 이상의 치환기를 갖는 페닐을 나타낸다.
도 12는 본 개시내용의 전기 변색 조성물, 층 및 장치에 포함될 수 있는 전기 변색 물질로서 유용한 특정 비올로겐을 도시한다. 이러한 비올로겐은 예를 들어 1-메틸-1'-페닐-4,4'-비피리디늄 비스(트리플루오로메탄술포닐이미드)(화합물 19), 1-메틸-1'-(4-3급-부틸페닐)-4,4'-비피리디늄 비스(트리플루오로메탄술포닐이미드)(화합물 21), 1-메틸-1'-(3,5-디-3급-부틸페닐)-4,4'-비피리디늄 비스(트리플루오로메탄술포닐이미드)(화합물 48), 1-벤질-1'-페닐-4,4'-비피리디늄 비스(트리플루오로메탄술포닐이미드)(화합물 20), 1-메틸-1'-(4-플루오로페닐)-4,4'-비피리디늄 비스(트리플루오로메탄술포닐이미드)(화합물 22), 1-메틸-1'-(3,4-디메틸페닐)-4,4'-비피리디늄 비스(트리플루오로메탄술포닐이미드)(화합물 29), 1-메틸-1'-(3,5-디메틸페닐)-4,4'-비피리디늄 비스(트리플루오로메탄술포닐이미드)(화합물 31), 1-메틸-1'-(3,4,5-트리메틸페닐)-4,4'-비피리디늄 비스(트리플루오로메탄술포닐이미드)(화합물 33), 1,1'-디메틸- 4,4'-비피리디늄 비스(트리플루오로메탄술포닐이미드)(화합물 5), 1,1'-디헵틸-4,4'-비피리디늄 비스(트리플루오로메탄술포닐이미드)(화합물 8), 1,1'-비스(4-플루오로페닐)-4,4'-비피리디늄 비스(트리플루오로메탄술포닐이미드)(화합물 12), 1,1'-비스(4-부틸페닐)-4,4'-비피리디늄 비스(트리플루오로메탄술포닐이미드)(화합물 13), 1,1'-비스(4-3급-부틸페닐)-4,4'-비피리디늄 비스(트리플루오로메탄술포닐이미드)(화합물 14), 1,1'-비스(4-트리플루오로메톡시페닐)-4,4'-비피리디늄 비스(트리플루오로메탄술포닐이미드)(화합물 25)중 하나 이상을 포함한다.
본 개시내용의 다른 양태에서, 전기 변색 조성물 또는 층은 전기환원 민감성 물질, 예를 들어 하나 이상의 화학식 I의 화합물을 포함하는 캐쏘드 물질, 전기산화 민감성 물질, 예를 들어 페로센, 5,10-디하이드로페나진, 폴리아릴아민, 트리톨릴아민, 페노티아진, 메틸-페닐-티아진, 또는 벤지딘 같은 애노드 물질, 및 용매 및 임의적으로는 중합체 물질, 또는 임의적으로는 중합체 물질을 형성하는 성분을 포함할 수 있다.
보조 화합물은 초기 전기화학적 공정에서 광-흡수 종의 형성 또는 소비로 이어지는 반응 시퀀스를 보조하고, 예를 들어 산화환원 셔틀(전기촉매); 루이스/브뢴스테드 산/염기 셔틀(예: H+); pH 조절제(pH 완충제); 또는 이들의 조합을 포함한다.
개질제는 전기 변색 층의 기타 내구성 및 제조 특성을 조정하기 위해 도입된 미량 화합물이며, 예를 들어 방사선 필터(산화티타늄 입자와 같은 UV 차단제); 스캐빈저(예: O2용 스캐빈저, 물); 산화방지제; 계면활성제(예: 분산 안정화제, 소포제, 습윤 촉진제); 레올로지 조절제; 또는 이들의 조합 같은 화합물을 포함한다. 특정 실시양태에서, 하나 이상의 용매, 방사선 필터, 첨가제, 보조 화합물, 개질제 또는 전해질은 유기 물질을 포함하거나 배타적으로 유기 물질이다.
중합체 물질은 네트워크 중합체(예를 들어, 가교됨) 또는 네트워크가 없는 중합체일 수 있다. 본 개시내용에 유용한 중합체는 아크릴, 알킬아크릴산 및 이들의 염, 메타크릴레이트 같은 아크릴산 에스테르, 아크릴 아미드 및 이들의 염; 비닐알코올, 에틸렌비닐아세테이트 등의 아세테이트, 및 아세탈; 아크릴로니트릴; 알켄(예: 에틸렌, 프로필렌, 스티렌, 아밀렌, 노르보넨, 이소부틸렌); 디엔(예: 부타디엔, 이소프렌, 클로로프렌, 미르센 등); 할로알켄(예: 헥사플루오로프로필렌, 플루오로에틸렌/프로필렌 등); 할로디엔(예: 클로로프렌); 실록산, 실란; 탄수화물; 또는 이들의 조합의 단독중합체 및 공중합체(규칙 또는 블록)를 포함하지만, 이들로 국한되지는 않는다. 특히 적합한 중합체는 메타크릴레이트 중합체 또는 그의 공중합체, 또는 폴리아크릴로니트릴, 표준 중간층 중합체, 예컨대 PVB 또는 EVA를 포함한다. 전기 변색 조성물에 유용한 중합체는 EC 조성물에 첨가되거나, 또는 단량체 또는 올리고머 전구체로부터의 경화 공정(특정 개시제에 의해 열적으로 또는 광화학적으로 개시됨) 동안 동일 반응계 내에서 형성될 수 있다. EC 조성물에 포함되는 중합체는 바람직하게는 화학적 및 전기화학적으로 불활성이거나, 또는 EC 조성물의 다른 성분과의 반응이 가역적이어야 한다.
예를 들어, EC 조성물에 용해되지 않는 상과 같은 추가 요소가 조성물에 포함될 수 있고, 예를 들어 스페이서; 이온 선택성 또는 다공성 멤브레인(매트릭스와 매칭되는 굴절률); 기준 전극(예: Ag, Pt 와이어); 보조 전극(예: Li 애노드 및 캐쏘드); 또는 이들의 조합으로서 작용할 수 있다.
용매는 EC 조성물 또는 층의 액체 상을 포함할 수 있고, 다음 중 적어도 하나를 포함할 수 있다: 비양성자성 용매, 즉 디알킬아미드(예: DMF, DMAc, NMP, 테트라메틸우레아, DMPU, DMI), 락톤(예: GBL, GVL), 카보네이트(예: 프로필렌 카보네이트(PC), 에틸렌 카보네이트(EC), 디메틸 카보네이트(DMC), 디에틸 카보네이트(DEC), 에틸 메틸 카보네이트(EMC) 등), 에테르, 에스테르, 글리콜, 말단 폴리(에틸렌 글리콜), 포스페이트(PO(OR)3), 니트릴(예: 아세토니트릴, 벤조니트릴, 숙시노니트릴, 글루타로니트릴, 아디포니트릴, 3-알콕시프로피오니트릴), 포스포아미드(예: 헥사메틸 포스포아미드 HMPA)), 실리콘; 이온성 액체(즉, 지지 전해질); 양성자성 용매: 물, 알코올, 폴리(에틸렌 글리콜), 아미드; 또는 깊은 공융 용매(보조 화합물 및/또는 지지 전해질로서 작용할 수 있음).
용매 조성물은 제조시 및 최종 조립된 상태 모두에서 EC 조성물 또는 층의 레올로지에 기여하지만, 이는 제조-변경 보조 용매의 제거 또는 화학적 전환으로 인해 제조 중에 변경될 수 있다. 보조 용매의 예는 희석제(예: 점도 조절제, 용해도 향상제); 또는 제조 동안 중합될 수 있는 단량체/올리고머를 포함한다(이들로 한정되지는 않음).
용매 조성물의 점도는 EC 조성물 또는 층의 물질 전달 특성에 영향을 끼칠 수 있고, 이에 의해 극성 및 유전체 투과성이 계면 전하 전달에 영향을 미친다.
이온 이동 속도(이온 전도도로 표현됨)가 프럼킨 효과의 강도를 결정하고, 따라서 작동 전압, "홍채" 효과 심각도, 스위칭 속도, 전력 소비, 색상 특성 및 따라서 EC 장치의 전체 성능을 최적화시키도록 조정되어야 하기 때문에, EC 조성물 또는 층은 지지 전해질로서 하나 이상의 전기화학적으로 불활성인(사용된 전위 범위 내에서) 가용성 염을 함유할 수 있다. 이러한 지지 전해질은 AcO-, ClO4 -, BF4 -, PF6 -, PFn(CxF2x+1)5-n, B(Ar)4 -, B(ArF)4 - Al(OR)4 -, Al(ORF)4 -, 복합 보레이트(예: 시아노-, 옥살레이토- 등), 디시아나미드, 알킬-, 아릴-, 프리플루오로아릴설포네이트(예: OTf-, OMs-, OTs-) 및/또는 대칭/비대칭 설폰이미드(예: FTFSI-, TFSI-, FSI-) 음이온과 함께 알칼리금속 또는 알칼리토금속, 암모늄(예: NR4 +, emim+, bmim+, 부틸메틸피롤리돈, 피리디늄), 포스포늄(예: PR4 +, PAr4 +), 아르소늄(AsR4 +, AsAr4 +), 설포늄(SR3 +, SAr3 +)의 염을 포함하지만, 이들로 한정되는 것은 아니다. 유기 용매에서, 약한 배위 음이온의 염이 바람직하지만, 조성물은 EC 조성물 또는 층의 미량 이온 성분의 이온 결합 특성 및 용해도를 최적화하도록 선택되어야 한다. 또한, 물에서 무기산(예: 황산, 과염소산), 니트레이트, 설페이트, 할라이드도 사용할 수 있다. EC 장치 이온성 액체의 작동 조건에서 액체인 염 또는 더 복잡한 이온 시스템(예: 깊은 공융 용매)은 용매처럼 작용할 수 있어서, 전해질의 유일한 액체 성분이 될 수 있다. 전해질의 이온 강도는 점도, 가사 시간 등에 영향을 미치는 제조 시 EC 층의 레올로지를 결정할 수 있다.
확산, 대류/이류 및 이동을 포함하는 EC 조성물 또는 층의 물질 전달 매개변수는 EC 조성물 또는 층의 레올로지에 의존한다. 중합체 화합물을 EC 조성물 또는 층(액체 상으로)에 도입하면 액체 상의 겔화(즉, 증점화)를 통해 유동성 및 물질 전달 속도가 감소될 수 있다. 더욱이, 전극-전해질 계면 접착력도 또한 도입된 중합체에 의해 영향을 받을 수 있다.
EC 겔
본 개시내용의 전기 변색 조성물 및 층은 겔 형태일 수 있다. 이러한 겔은 고체 상, 예를 들어 유체(예컨대, 액체 상)에 의해 전체 부피에 걸쳐 팽창되는 비-유체 콜로이드성 네트워크 또는 중합체 네트워크를 포함한다. 겔은 입력 신호에 응답하여 광 투과율을 하나의 상태에서 다른 상태로 변경하는 것을 포함하여 전술한 전기 변색 조성물 또는 층의 모든 광학적 속성 및 전기적 속성을 가질 수 있다.
또한, 네트워크 정도, 예를 들어 중합체 물질의 가교결합 정도는 겔에 구조 및 기계적 특성을 제공하며, 따라서 중합체 및 네트워크 정도의 선택은 소정 기계적 특성을 갖는 겔의 형태로 전기 변색 조성물 또는 층을 제공할 수 있다. 본 개시내용의 양태에서, 겔 형태의 전기 변색 조성물 또는 층은 하나 이상의 기계적 특성에 대해 하나 이상의 소정 값을 가질 수 있다. 본 개시내용의 특정 겔은 1기압 및 20℃에서 정상상태 하에 효과적으로 흐름을 나타내지 않는다. 본 개시내용의 한 양태에서, 겔 형태의 전기 변색 조성물 또는 층은 지지 기판의 곡면과 같은 곡면에 쉽게 순응하도록 충분히 유연하다.
겔 형태의 전기 변색 층은 액체 상 내에 중합체 네트워크 상을 형성함으로써 제조될 수 있다. 액체 상 또는 고체 네트워크 상은 입력 신호에 응답하여 광 투과율을 하나의 상태에서 다른 상태로 변경할 수 있는 하나 이상의 EC 물질을 포함한다. 또한, 전기 변색 조성물 또는 층에 대해 기재된 바와 같이, 액체 상은 용매, 보조 화합물, 개질제, 전해질, 추가 요소 또는 이들의 임의의 조합 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 고체 네트워크 상은 EC 조성물 또는 층에 대해 기재된 것과 같은 중합체를 포함하거나 이러한 중합체로부터 형성될 수 있다. 본 개시내용의 양태에서, 고체 네트워크 상은 EC 조성물 또는 층에 대해 기재된 중합체와 같은 가교 중합체를 형성하는 성분을 포함하는 조성물을 가교시킴으로써 동일 반응계 내에서 형성된다. 예를 들어, 고체 네트워크 상은 UV 또는 열 경화성 유기 화합물 및/또는 전구체 전기 변색 조성물의 경화성 알콕시실란 성분으로부터 형성되어 겔을 형성할 수 있다. 전기 변색 조성물에서 전구체 성분을 사용하여 겔을 형성함에 의해, 겔은 가요성 기판 상에 전구체 EC 조성물의 층을 침착시키고 조성물을 경화시켜 EC 겔 및 기판으로 구성된 복합체를 형성함으로써 겔을 가요성 기판, 예컨대 플라스틱으로 구성된 막 같은 막 상에 형성시킬 수 있다. 이러한 복합체는 EC 장치의 제조에서 독립형 구성요소로 사용될 수 있다.
겔 형태의 EC 조성물 또는 층은 EC 장치의 인접 구성요소에 물리적 연결을 가질 수 있다. 겔은 자연스럽게 끈적거리며 이웃 표면과 결합을 만든다. 추가적으로, 이 결합을 강화하기 위해, 조성물 또는 층과 인접 구성요소 사이에 화학적 결합을 생성함으로써 겔 형태의 전기 변색 조성물 또는 층과 EC 장치의 인접 구성요소 사이의 계면을 강화시킬 수 있다. 즉, 겔 형태의 전기 변색 층의 네트워크 상은 전극 표면과 반응하여 겔을 표면에 부착시킬 수 있는 기를 포함할 수 있다.
본 개시내용의 양태에서, 전기 변색 장치는 EC 장치의 광학적으로 투명한 제 1 기판과 제 2 기판 사이에 배치된 전기 변색 층을 포함할 수 있고, 여기에서 전기 변색 층은 제 1 또는 제 2 기판 중 어느 하나 또는 둘 다에 결합, 예컨대 화학적으로 결합된다. 본 개시내용의 양태에서, EC 층의 중합체는 기판 상의 임의의 전극 및/또는 계면 층을 포함하고 EC 층과 직접 접촉하는 EC 장치의 하나 이상의 기판과 화학적 결합을 생성시키도록 디자인될 수 있다. 예를 들어, 한 변형은 알콕시실란으로 개질된 중합체를 나타내며, 이는 하이드록시실란기로 가수분해된 후 에테르 결합의 형성을 통해 기판 표면 또는 작용성 표면(전극, 계면 층 등)에 공유 결합될 수 있다. 중합체는 하나 이상의 알콕시실란, 예컨대 알케닐이 C2-C6 알케닐기일 수 있고 알콕시기가 저급 (C1-C4) 알콕시를 포함할 수 있는 알케닐트리알콕시실란을 혼입하는 아크릴레이트, 아크릴산, 아크릴로니트릴, 비닐 아세테이트, 에틸렌 등과 같은 UV 또는 열 경화성 단량체로부터 형성될 수 있다. 또 다른 변형은 트리알콕시실란 펜던트 기를 포함하는 아크릴레이트로 개질된 UV 또는 열 경화성 중합체, 예를 들면 알콕시실란으로서 하나 이상의 아크릴트리알콕시실란을 혼입하는 UV 또는 열 경화성 단량체로부터 형성된 중합체를 나타낸다. 중합체에 혼입된 이러한 알콕시실란은 전극 표면에 대한 후속 결합에 적합하다. 다르게는 또는 조합하여, 기판의 표면(또는 그 위의 작용성 층)은 작용화된 실란, 예를 들어 3-아미노프로필트리에톡시실란과의 접촉에 의해 사전 개질되어, 전극 표면 상에 작용화된 실란의 단일층을 형성할 수 있다. 이러한 작용화된 실란의 활성 기, 예를 들어 아미노기는 예를 들어 니트릴, 에테르 또는 에스테르 기를 포함하는 중합체와 같은 중합체와의 결합에 적합하다. 따라서, EC 조성물 또는 층은 EC 조성물 또는 층과 접촉하는 작용기로 개질된 기판에 의해 및/또는 EC 조성물 또는 층의 구성요소로서 작용기로 개질된 중합체에 의해 EC 장치(임의적으로는 투명한 기판 또는 그의 작용성 표면(전극, 계면 층))에 화학적으로 결합될 수 있다.
EC 장치에 포함될 때, 겔 형태와 같은 전기 변색 층은 장기간 동안 안정적으로 작동할 수 있다. 본원에 사용된 바와 같이, 겔 형태와 같은 안정한 전기 변색 층은 1,000 사이클에 걸쳐 620nm의 가시광 투과의 감쇠가 10% 미만이도록 높은 전이 상태에서 낮은 전이 상태로 순환될 수 있는 층이다. 특정 양태에서, 본 개시내용의 전기 변색 층 및/또는 겔은 -40℃ 내지 110℃의 온도 범위 내에서 작동될 수 있다.
겔 형태의 전기 변색 층을 포함하는 EC 장치는 유리하게는 장치를 통해 통과하는 소리를 감쇠시킬 수 있다. 이는 건물 또는 운송 차량(예: 자동차, 버스, 기차 등)에서 창으로 사용되는 EC 장치에 유용할 수 있다. 예를 들어, 도로 교통은 80데시벨(dB) 이상의 소음 수준을 유발할 수 있다. EC 장치의 기판은 EC 장치를 통과할 수 있는 일부 노이즈를 완화한다. 그러나, 겔 형태의 EC 층을 포함하면 비-겔 EC 층이 있는 동일한 장치와 비교하여 소리를 10, 20, 30, 40, 50% 이상까지 감쇠시킬 수 있다.
도 6 내지 도 10을 참조하여 다른 곳에서 기재된 바와 같이, 본 개시내용의 전기 변색 조성물은 다양한 방식으로 전극 계면 층에 도포될 수 있다. 이러한 전기 변색 조성물은 하기와 같이 조성물을 향하는 표면 상에 OTE를 갖는 광학적으로 투명한 제 1 기판 상에서 또는 서로 대향하는 표면 상에 OTE가 있거나 없는 광학적으로 투명한 제 1 및 제 2 기판에 의해 한정된 공동 사이에서 제조 및 배치될 수 있다:
(a) 하나보다 많은 중합성 기를 갖는 단량체를 포함하는 하나 이상의 유형의 단량체(들) 및 열 라디칼 개시제를 갖는 액체 용액. 하나 이상의 전기 변색 화합물, 및 하나 이상의 중합체 형성 단량체 및 열 라디칼 개시제를 임의의 순서대로 용매에 용해시켜 용액을 형성시킨다. 용액은 또한 하나 이상의 지지 전해질, 개질제, 보조 화합물 등을 포함할 수 있다. 얻어진 용액은 바람직하게는 2개의 전극 스택 사이의 공동을 채운다. 열처리 시, 개시제는 분해되어 라디칼을 생성시키고 단량체의 라디칼 중합을 개시한다. 중합은 상호 침투된 중합체 네트워크의 형성과 EC 층의 겔화를 초래할 수 있다.
(b) 하나보다 많은 중합성 기를 갖는 단량체를 비롯한 하나 이상의 유형의 단량체(들) 및 광화학적 라디칼 개시제를 포함하는 액체 용액. 전기 활성 화합물, 지지 전해질, 개질제(예: UV 필터, 산화방지제, 열 안정화제, 계면활성제 등), 단량체 및 광화학적 라디칼 개시제를 용매에 임의의 순서대로 용해시킬 수 있다. 얻은 용액을 두 전극 스택 사이의 공동에 분배할 수 있다(일명 "현장 캐스팅" 접근 방식). 조명 시, 라디칼 개시제는 분해되어 라디칼을 생성시키고 단량체(들)의 라디칼 중합을 개시한다. 단량체의 중합은 상호 침투된 중합체 네트워크의 형성 및 EC 층의 겔화를 초래할 수 있다.
(c) 양이온 중합에 민감한 하나보다 많은 중합성 기를 갖는 단량체를 비롯한 하나 이상의 유형의 단량체(들) 및 광화학적 양이온 개시제를 포함하는 액체 용액. 전기 활성 화합물, 지지 전해질, 개질제(예: UV 필터, 산화방지제, 열 안정화제, 계면활성제 등), 단량체(들) 및 광화학적 양이온 개시제를 임의의 순서대로 용매에 용해시킬 수 있다. 성분의 용해는 실온에서 또는 용매의 비점까지 가열하여 수행할 수 있다. 얻어진 용액을 두 전극 스택 사이의 공동 내로 분배할 수 있다. 조명 시, 개시제의 이온화가 발생하여 반응성 양이온을 생성시키고 단량체의 양이온 중합을 개시한다. 단량체의 중합은 상호 침투된 중합체 네트워크의 형성 및 EC 층의 겔화를 초래할 수 있다.
(d) 휘발성 보조 용매가 추가된 액체 용액. 전기 활성 화합물, 지지 전해질, 개질제(예: UV 필터, 산화방지제, 열 안정화제, 계면활성제 등), 중합체 증점제를 고비점 주 용매에 용해시킬 수 있다. 성분의 용해는 실온에서 또는 용매의 비점까지 가열하여 수행할 수 있다. 그렇지 않으면 전기 활성 화합물, 지지 전해질, 개질제(예: UV 필터, 산화 방지제, 열 안정화제, 계면 활성제 등)를 고비점 주 용매에 임의의 순서대로 용해시킨다. 성분의 용해는 실온에서 또는 용매의 비점까지 가열하여 수행할 수 있다. 중합체 증점제를 실온에서 또는 보조 용매의 비점까지 가열하여 휘발성 보조 용매에 용해시킨다. 두 용액을 합쳐서 최종 작업 용액을 형성시킨다. 다른 변형은 고비점 주 용매 또는 휘발성 보조 용매에서의 성분의 용해를 임의의 조합으로 수행될 수 있는 시스템을 나타낸다. 얻어진 용액을 임의의 도포 방법에 의해 한쪽 전극(즉, 애노드 또는 캐쏘드)의 표면 또는 양쪽 전극의 표면에 도포할 수 있다. 도포 방법은 드롭 캐스팅, 회전-코팅, 블레이드 코팅, 슬롯-다이 코팅, 스크린 인쇄, 잉크젯 인쇄 또는 수조 채우기(filling the basin)를 나타낸다. 휘발성 보조 용매를 증발시킨 후, EC 층이 전극 표면에 형성된다.
(d.1) 상기 절차 (d)의 예로서, 임펠러로 빠르고 격렬하게 혼합하면서 5중량%의 폴리메틸메타크릴레이트 분말(d99=25μm)을 아세톤에 용해시킴으로써 전기 변색 용액을 제조하였다. 프로필렌 카보네이트 중 0.1M 몰 농도를 갖는 1,1'-디메틸-4,4'-비피리디늄 비스(트리플루오로메탄설포닐)이미드 형태의 캐쏘드 물질 및 몰 농도 0.1M을 갖는 페로센 형태의 애노드 물질의 용액을 제조하고 아세톤 중 중합체의 용액과 혼합하였다. 최종 용액을 중합체 막 캐리어에 도포하고 건조시켜, 중합체 막 상에 EC 프리폼 층을 형성시켰다.
(e) 전기 활성 화합물(들), 가교제(들) 및 개시제(들)의 용액 중 중합체 매트릭스의 콜로이드를 함유하는 중합체 졸 형태의 액체 콜로이드 시스템을 형성시킬 수 있다.
(e.1) 상기 절차 (e)의 예로서, 에틸렌 카보네이트와 프로필렌 카보네이트의 혼합물 중 전기 변색 화합물, 지지 전해질, 가교제 및 개시제의 용액에 13중량%의 폴리메틸메타크릴레이트 분말(d99=25μm)을 용해시켜 점성 중합체 졸을 형성시킴으로써, 전기 변색 졸을 제조하였다. 에틸렌 카보네이트와 프로필렌 카보네이트의 1:1 혼합물에 몰 농도 0.1M을 갖는 1,1'-디메틸-4,4'-비피리디늄 비스(트리플루오로메탄설포닐)이미드 형태의 캐쏘드 물질, 몰 농도 0.1M을 갖는 페로센 형태의 애노드 물질, 및 몰 농도 0.3M을 갖는 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 비스(트리플루오로메탄설포닐)이미드 형태의 지지 전해질, 10중량%의 에틸렌 글리콜 디메타크릴레이트. 및 0.5중량%의 디벤조일퍼옥사이드 형태의 개시제를 용해시킴으로써 전술한 용액을 제조하였다. 생성된 졸을 애노드 스택과 캐쏘드 스택 사이의 공간에서 캐스팅하고 120℃에서 15분 동안 가열하여 응고시켰다.
(f) 거친 중합체 입자의 액체 분산액. 전기 변색 화합물, 지지 전해질, 개질제, 하나 이상의 단량체 및 열 라디칼 개시제를 임의의 순서대로 용매에 용해시켰다. 제조된 용액에 중합체 증점제를 넣고 초음파나 기계적 균질화기로 진탕하면서 충분히 분산시켰다. 수득된 분산액을 EC 장치의 내부에 배치하고, 밀봉한 후 가열시 용매에서의 중합체 팽창에 의해 겔화시켜, EC 층을 형성시킬 수 있다. 공정 온도에 따라 중합체 팽윤 속도를 조절할 수 있어서, 분산액 점도의 제어가 가능하다.
(f.1) 상기 절차 (f)의 예로서, 회전자-고정자 고속 균질화기를 사용하여 에틸렌 카보네이트와 프로필렌 카보네이트의 혼합물 중 전기 변색 화합물 및 지지 전해질의 용액에 폴리아크릴로니트릴 분말(d99=100μm) 18중량%를 강력하게 붕해시킴으로써, 전기 변색 분산액을 제조하였다. 에틸렌 카보네이트와 프로필렌 카보네이트의 2.45:1 혼합물에 몰 농도 0.03M을 갖는 1-메틸-1'-페닐-4,4'-비피리디늄 비스(트리플루오로메탄설포닐)이미드 형태의 캐쏘드 물질, 몰 농도 0.03M을 갖는 10-메틸페노티아진 형태의 애노드 물질, 및 몰 농도 0.65M을 갖는 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 비스(트리플루오로메탄설포닐)이미드 형태의 지지 전해질을 용해시킴으로써, 전술한 용액을 제조하였다. 생성된 분산액을 EC 장치 내부에 채우고 120℃에서 15분간 가열하여 응고시켰다.
(f.2) 상기 절차 (f)의 또 다른 예로서, 회전자-고정자 고속 균질화기를 사용하여 에틸렌 카보네이트와 프로필렌 카보네이트의 혼합물 중 전기 변색 화합물 및 지지 전해질의 용액에 폴리아크릴로니트릴 분말(d99=100μm) 18중량%를 강력하게 붕해시킴으로써 전기 변색 분산액을 제조하였다. 에틸렌 카보네이트와 프로필렌 카보네이트의 1:1 혼합물에 0.03M의 몰 농도를 갖는 1-메틸-1'-페닐-4,4'-비피리디늄 비스(트리플루오로메탄설포닐)이미드 형태의 캐쏘드 물질, 0.03M의 몰 농도를 갖는 10-메틸페노티아진 형태의 애노드 물질, 및 0.3M의 몰 농도를 갖는 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 비스(트리플루오로메탄설포닐)이미드 형태의 지지 전해질을 용해시킴으로써, 전술한 용액을 제조하였다. 생성된 분산액을, 2개의 가열된 롤을 사용하여 두 개의 100μm PET 막 사이에 적층시켰다. 롤 사이의 간격을 700μm로 조정하여, 고정된 500μm 두께를 갖는 균일한 EC 프리폼 층을 형성시켰다.
(f.3) 상기 절차 (f)의 또 다른 예로서, 회전자-고정자 고속 균질화기를 사용하여 에틸렌 카보네이트와 프로필렌 카보네이트의 혼합물 중 전기 활성 화합물과 지지 전해질의 용액에 폴리아크릴로니트릴 분말(d99=100μm) 18중량%를 강력하게 붕해시킴으로써 전기 변색 분산액을 제조하였다. 에틸렌 카보네이트와 프로필렌 카보네이트의 1:1 혼합물 중 0.03M의 몰 농도를 갖는 1-메틸-1'-페닐-4,4'-비피리디늄 비스(트리플루오로메탄설포닐)이미드 형태의 캐쏘드 물질, 0.03M의 몰 농도를 갖는 10-메틸페노티아진 형태의 애노드 물질, 및 0.3M의 몰 농도를 갖는 1-에틸-3-메틸이미다졸륨 비스(트리플루오로메탄설포닐)이미드 형태의 지지 전해질을 용해시킴으로써, 전술한 용액을 제조하였다. 독터 블레이드 코팅 기술을 이용하여 전처리된(코로나 처리된) PET 막에 생성된 분산액을 캐스팅함으로써 균일한 분산 층을 형성시켰다. 분산액 층이 도포된 PET 막을 대류 오븐에서 가열하여 팽창 및 추가 적층에 적합한 EC 프리폼 층의 형성을 촉진시켰다.
전기 변색 조성물의 예
샘플 1(청색)
매트릭스: PMMA-co-PMAA 30 내지 45중량%, 프로필렌 카보네이트.
희석제: 클로로포름, 메틸렌 클로라이드.
광-흡수 화합물 전구체: 페로센, 디벤질비올로겐/디메틸비올로겐 퍼클로레이트/테트라플루오로보레이트, 0.05M.
지지 전해질: 없음.
제작: 압연, 캘린더링.
추가 요소: 스페이서로서의 유리 미소구체.
개질제: 없음.
샘플 2(보라색)
매트릭스: 메틸 메타크릴레이트, 메타크릴산, 메타크릴산 칼슘 염 공중합체(VITAN-OS) 40 내지 45중량%, 프로필렌 카보네이트.
희석제: 아세톤, 메틸렌 디클로라이드, 클로로포름.
광-흡수 화합물 전구체: 페로센 0.1M, C4-비스비올로겐 테트라플루오로보레이트, 0.025M, 디메틸비올로겐 테트라플루오로보레이트 0.05M.
지지 전해질: 없음.
제작: 압연.
추가 요소: 없음.
개질제: 없음.
샘플 3(갈색)
매트릭스: 메틸 메타크릴레이트, 메타크릴산, 메타크릴산 칼슘 염 공중합체(VITAN-OS) 40 내지 45중량%, 프로필렌 카보네이트.
희석제: 아세톤, 메틸렌 디클로라이드, 클로로포름.
광-흡수 화합물 전구체: 5,10-디메틸-5,10-디하이드로페나진 0.1M, C4-비스비올로겐 테트라플루오로보레이트, 0.05M.
지지 전해질: 없음.
제작: 압연.
추가 요소: 없음.
개질제: 없음.
샘플 4(검정색)
매트릭스: 메틸 메타크릴레이트, 메타크릴산, 메타크릴산 칼슘 염 공중합체(VITAN-OS) 40 내지 45중량%, 프로필렌 카보네이트.
희석제: 아세톤, 메틸렌 디클로라이드, 클로로포름.
광-흡수 화합물 전구체: 5,10-디메틸-5,10-디하이드로페나진 0.1M, C4-비스비올로겐 테트라플루오로보레이트, 0.025M, 디메틸비올로겐 테트라플루오로보레이트 0.05M.
지지 전해질: 없음.
제작: 압연.
추가 요소: 없음.
개질제: 없음.
샘플 5(녹색)
매트릭스: 메틸 메타크릴레이트, 메타크릴산, 메타크릴산 칼슘 염 공중합체(VITAN-OS) 40 내지 45중량%, 프로필렌 카보네이트.
희석제: 아세톤, 메틸렌 디클로라이드, 클로로포름.
광-흡수 화합물 전구체: 5,10-디메틸-5,10-디하이드로페나진 0.1M, 디메틸비올로겐 테트라플루오로보레이트 0.05M.
지지 전해질: 없음.
제작: 압연.
추가 요소: 없음.
개질제: 없음.
샘플 6(청색)
매트릭스: 메틸 메타크릴레이트, 메타크릴산, 메타크릴산 칼슘 염 공중합체(VITAN-OS) 40 내지 45중량%, 프로필렌 카보네이트.
희석제: 아세톤, 메틸렌 디클로라이드, 클로로포름.
광-흡수 화합물 전구체: 페로센, 디메틸비올로겐 테트라플루오로보레이트, 0.05M.
지지 전해질: 없음.
제작: 압연.
추가 요소: 없음.
개질제: 없음.
샘플 7(청색)
매트릭스: 메틸 메타크릴레이트, 메타크릴산, 메타크릴산 칼슘 염 공중합체(VITAN-OS) 35중량%, 프로필렌 카보네이트, 폴리(에틸렌 글리콜)-400.
희석제: 아세톤.
광-흡수 화합물 전구체: 페로센, 디메틸비올로겐 테트라플루오로보레이트 0.05M.
지지 전해질: 없음.
제작: PET/금속 메쉬/CNT 전극 상의 슬롯-다이 코팅, 열풍 건조, 적층.
추가 요소: 없음.
개질제: 아지돌(Agidol)-1(산화방지제), 밀레스탑(Milestab) 9(UV-안정화제).
샘플 8(청색)
매트릭스: 메틸 메타크릴레이트, 메타크릴산, 메타크릴산 칼슘 염 공중합체(VITAN-OS) 30중량%, 프로필렌 카보네이트, 폴리(에틸렌 글리콜)-400.
희석제: 아세톤.
광-흡수 화합물 전구체: 페로센, 디메틸비올로겐-TFSI 0.09M.
지지 전해질: 없음.
제작: PET/금속 메쉬/CNT 전극 상의 슬롯-다이 코팅, 열풍 건조, 희석제 증발, 적층.
추가 요소: 없음.
개질제: 아지돌-1(산화방지제), 밀레스탑 9(UV-안정화제).
샘플 9(청색)
매트릭스: 메틸 메타크릴레이트, 메타크릴산, 메타크릴산 칼슘 염 공중합체(VITAN-OS) 23중량%, 프로필렌 카보네이트, 폴리(에틸렌 글리콜)-400.
희석제: 없음.
광-흡수 화합물 전구체: 페로센, 디메틸비올로겐-TFSI 0.08M.
지지 전해질: 없음.
제작: PET/금속 메쉬/CNT 전극 상의 독터 블레이드(Dr. blade) 중합체 분산액 코팅, 열풍 건조, 적층.
추가 요소: 없음.
개질제: 아지돌-1(산화방지제), 밀레스탑 9(UV-안정화제).
샘플 10(청색)
매트릭스: 폴리아크릴로니트릴(PAN), Mw=150k, 35중량%, 분류됨, <15㎛ 분획, 프로필렌 카보네이트.
희석제: 없음.
광-흡수 화합물 전구체: 페로센, 디메틸비올로겐-TFSI 0.03M.
지지 전해질: emimTFSI, 0.1M.
제작: PET/금속 메쉬/CNT 전극 상의 독터 블레이드 중합체 분산액 코팅, 열풍 건조, 적층.
추가 요소: 없음.
개질제: 없음.
샘플 11(검정색)
매트릭스: 폴리아크릴로니트릴(PAN), Mw=150k, 35중량%, 분류됨, <15㎛ 분획, 프로필렌 카보네이트.
희석제: 없음.
광-흡수 화합물 전구체: C4-비스비올로겐-TFSI 0.013M, 디메틸비올로겐-TFSI 0.025M, 5,10-디메틸-5,10-디하이드로페나진 0.054M.
지지 전해질: 없음.
제작: PET/금속 메쉬/CNT 전극 상의 독터 블레이드 중합체 분산액 코팅, 열풍 건조, 적층.
추가 요소: 없음.
개질제: 없음.
샘플 12(청색)
매트릭스: 폴리아크릴로니트릴(PAN), Mw=150k, 22중량%, 분류됨, <15㎛ 분획, 프로필렌 카보네이트:에틸렌 카보네이트 1:2.45(몰).
희석제: 없음.
광-흡수 화합물 전구체: 페로센, 디메틸비올로겐-TFSI 0.04M.
지지 전해질: emimTFSI, 0.5M.
제작: PET/금속 메쉬/CNT 전극 상의 독터 블레이드 중합체 분산액 코팅, 열풍 건조, 적층.
추가 요소: 없음.
개질제: 없음.
샘플 13(검정색)
매트릭스: 폴리아크릴로니트릴(PAN), Mw=150k, 22중량%, 분류됨, <15㎛ 분획, 프로필렌 카보네이트:에틸렌 카보네이트 1:2.45(몰).
희석제: 없음.
광-흡수 화합물 전구체: 디페닐비올로겐-TFSI 0.003M, 디메틸비올로겐-TFSI 0.015M, 10-메틸페노티아진 0.03M.
지지 전해질: emimTFSI, 0.4M.
제작: 현장 캐스팅 IGU 충전(FTO/ITO 유리).
추가 요소: 없음.
개질제: 없음.
샘플 14(검정색)
매트릭스: 폴리아크릴로니트릴(PAN), Mw=150k, 22중량%, 비분류, <100㎛ 분획, 프로필렌 카보네이트:에틸렌 카보네이트 1:2.45(몰).
희석제: 없음.
광-흡수 화합물 전구체: 디메틸비올로겐-TFSI 0.009M, 트리톨릴아민 0.006M, N,N'-비스(4-메톡시-2-메틸페닐)-N,N'-디페닐벤지딘 0.003M.
지지 전해질: emimTFSI, 0.4M.
제작: 현장 캐스팅 IGU 충전(FTO/ITO 유리).
추가 요소: 없음.
개질제: 없음.
샘플 15(청색)
매트릭스: 폴리아크릴로니트릴(PAN), Mw=150k, 22중량%, 비분류, <100㎛ 분획, 프로필렌 카보네이트:에틸렌 카보네이트 1:2.45(몰).
희석제: 없음.
광-흡수 화합물 전구체: 디메틸비올로겐-TFSI 0.005M, 트리톨릴아민 0.005M.
지지 전해질: emimTFSI, 0.4M.
제작: 현장 캐스팅 IGU 충전(FTO/ITO 유리).
추가 요소: 없음.
개질제: 없음.
샘플 16(검정색)
매트릭스: 폴리아크릴로니트릴(PAN), Mw=150k, 18중량%, 비분류, <100㎛ 분획, 프로필렌 카보네이트:에틸렌 카보네이트 35:65(몰).
희석제: 없음.
광-흡수 화합물 전구체: 메틸페닐비올로겐-TFSI 0.03M, 10-메틸페노티아진 0.03M.
지지 전해질: emimTFSI, 0.65M.
제작: 현장 캐스팅 IGU 충전(FTO/ITO 유리).
추가 요소: 없음.
개질제: 없음.
샘플 17(보라색)
매트릭스: 폴리아크릴로니트릴(PAN), Mw=150k, 18중량%, 비분류, <100㎛ 분획, 프로필렌 카보네이트:에틸렌 카보네이트 35:65(몰).
희석제: 없음.
광-흡수 화합물 전구체: 디메틸비올로겐-TFSI 0.03M, 10-메틸페노티아진 0.03M.
지지 전해질: emimTFSI, 0.65M.
제작: 현장 캐스팅 IGU 충전(FTO/ITO 유리).
추가 요소: 없음.
개질제: 없음.
샘플 18(청록색)
매트릭스: 폴리아크릴로니트릴(PAN), Mw=150k, 18중량%, 비분류, <100㎛ 분획, 프로필렌 카보네이트:에틸렌 카보네이트 35:65(몰).
희석제: 없음.
광-흡수 화합물 전구체: N,N,N',N'-테트라페닐페닐렌디아민 0.005M, 디메틸비올로겐-TFSI 0.005M.
지지 전해질: emimTFSI, 0.4M.
제작: 현장 캐스팅 IGU 충전(FTO/ITO 유리).
추가 요소: 없음.
개질제: 없음.
샘플 19(갈색)
매트릭스: 폴리아크릴로니트릴(PAN), Mw=150k, 18중량%, 비분류, <100㎛ 분획, 프로필렌 카보네이트:에틸렌 카보네이트 35:65(몰).
희석제: 없음.
광-흡수 화합물 전구체: 디메틸비올로겐-TFSI 0.004M, N,N'-비스(4-메톡시-2-메틸페닐)-N,N'-디페닐벤지딘 0.004M.
지지 전해질: emimTFSI, 0.4M.
제작: 현장 캐스팅 IGU 충전(FTO/ITO 유리).
추가 요소: 없음.
개질제: 없음.
샘플 20(적색)
매트릭스: 폴리아크릴로니트릴(PAN), Mw=150k, 18중량%, 비분류, <100㎛ 분획, 프로필렌 카보네이트:에틸렌 카보네이트 35:65(몰).
희석제: 없음.
광-흡수 화합물 전구체: C4-비스비올로겐-TFSI 0.015M, 10-메틸페노티아진 0.015M.
지지 전해질: emimTFSI, 0.65M.
제작: 현장 캐스팅 IGU 충전(FTO/ITO 유리).
추가 요소: 없음.
개질제: 없음.
D65 조명 공급원을 갖고 10도 표준 관측기를 이용하여 작동되는 헌터랩 울트라스캔 프로 분광광도계를 사용하여 전기 변색 조성물 샘플을 색상 및 헤이즈에 대해 정량적으로 분석하였다. 결과는 아래 표에 나와 있다.
Figure pct00012
전기 변색 장치, 그의 구성요소 및 전기 변색 장치를 제어하기 위한 시스템 및 방법은 물론, 전기 변색 물질, 조성물, 층, 겔 및 이들의 제조가 기재되어 있다. 하기를 포함하는 본 개시내용의 특정 양태가 아래에 제공된다:
A. 제 1 전극, 제 2 전극(예를 들어, 애노드 및 캐쏘드) 및 하나 이상의 전기 변색 물질을 포함하는 전기 변색 조성물을 포함하는 전기 변색 장치로서, 하나 이상의 전기 변색 물질 중 적어도 하나가 제 1 전극 또는 제 2 전극중 어느 하나에서만 전자 교환이 이루어지는 전기 변색 장치. 제 1 전극 또는 제 2 전극 중 어느 하나 또는 둘 다는 전기 변색 조성물과의 계면에서 반도체 물질을 포함한다. 또한, 제 1 전극은 제 2 전극의 물질과는 상이한 물질을 포함한다. 일부 실시양태에서, 전기 변색 조성물은 제 1 전극과 제 2 전극 사이에서 이들과 접촉하여 배치되고, 전극 사이의 입력 신호에 응답하여 광 투과율을 하나의 상태에서 다른 상태로 변경시키도록, 예를 들어 입력 신호에 응답하여 가시광 투과율을 하나의 상태에서 다른 상태로 변화시키도록 구성된다. 제 1 전극, 제 2 전극 및 전기 변색 조성물은 가변 투과율 층(VTL)을 한정할 수 있고, VTL은 VTL의 주변부와 VTL의 중심부에서 상이한 전기적 특성을 가질 수 있다. 다른 실시양태에서, 전기 변색 조성물은 하나 이상의 전기 변색 물질로서 캐쏘드 화합물 및 애노드 화합물을 포함하고, 이 때 제 1 전극 또는 제 2 전극 중 어느 하나 또는 둘 다는 애노드 화합물의 환원 및 산화를 실질적으로 금지하면서 실질적으로 오직 캐쏘드 화합물 및/또는 그의 환원된 형태만을 선택적으로 환원 및 산화시킬 수 있다. 추가적인 실시양태에서, 전기 변색 조성물은 하나 이상의 전기 변색 물질로서 캐쏘드 화합물 및 애노드 화합물을 포함하고, 이 때 제 1 전극 또는 제 2 전극 중 어느 하나 또는 둘 다는 캐쏘드 화합물의 환원 및 산화를 실질적으로 금지하면서 실질적으로 오직 애노드 화합물 및/또는 그의 산화된 형태만을 선택적으로 환원 및 산화시킬 수 있다.
B. 제 1 전극, 제 2 전극, 이들 사이의 전기 변색 조성물(예를 들어, 캐쏘드, 애노드 및 이들 사이의 전기 변색 조성물), 및 전기 변색 조성물 내에 있고 2개의 전극 사이에 배치되는 선택적으로 투과성인 멤브레인을 포함하는 전기 변색 장치. 멤브레인은 작은 분자, 예를 들어 작은 이온의 투과를 실질적으로 허용할 수 있지만, 큰 분자, 예를 들어 큰 이온의 투과를 실질적으로 금지한다. 예를 들어, 멤브레인은 실질적으로 양성자의 투과를 허용할 수 있지만 실질적으로 양성자보다 큰 이온의 투과를 금지한다. 일부 실시양태에서, 멤브레인은 중심부 및 주변부를 가질 수 있으며, 이 때 중심부는 주변부보다 더 높은 투과성을 갖는다. 다른 실시양태에서, 캐쏘드 전극, 애노드 전극, 전기 변색 조성물은 가변 투과율 층(VTL)을 한정하고, 여기에서 VTL은 VTL의 주변부에서보다 VTL의 중심에서 실질적으로 상이한 전기적 특성을 갖는다.
C. 광학적으로 투명한 제 1 기판; 광학적으로 투명한 제 2 기판; 광학적으로 투명한 제 1 기판과 광학적으로 투명한 제 2 기판 사이에 배치된 전기 변색 조성물(광학적으로 투명한 제 1 기판, 광학적으로 투명한 제 2 기판 및 이들 사이의 전기 변색 조성물이 광 투과를 위한 광학 경로를 한정함); 광학적으로 투명한 제 1 기판 또는 제 2 기판 중 어느 하나 또는 둘 다 상의 제 1 전극; 광학 경로 외부에 위치하는 제 2 전극을 포함하는 전기 변색 장치로서, 전기 변색 조성물이 제 1 전극과 제 2 전극 사이의 입력 신호에 응답하여 광 투과율을 하나의 상태에서 다른 상태로 변경하도록 구성되는 전기 변색 장치. 제 1 전극은 애노드 전극일 수 있고 제 2 전극은 캐쏘드 전극일 수 있고/있거나; 제 1 전극은 광학적으로 투명한 제 1 및 제 2 기판 둘 다에 있을 수 있고/있거나; 제 1 전극은 광학적으로 투명한 전극일 수 있고/있거나; 제 2 전극은 광학적으로 투명하지 않다.
D. 가장자리를 포함하는 전기 변색 장치로서, 가장자리가 불활성 분위기에 노출되는 전기 변색 장치. 전기 변색 장치는 불활성 분위기에 노출된 가장자리를 갖는 기판 및 불활성 분위기에 노출되지 않는 제 2 가장자리를 갖는 광학적으로 투명한 제 2 기판을 더 포함할 수 있고/있거나; 전기 변색 장치는 광학적으로 투명한 제 1 전극이 상부에 배치되고 불활성 분위기에 노출된 가장자리를 갖는 광학적으로 투명한 제 1 기판; 광학적으로 투명한 제 2 전극이 그 위에 배치된 제 2 기판; 및 상기 제 1 기판과 상기 제 2 기판 사이에 배치된 전기 변색 조성물을 포함할 수 있고/있거나; 광학적으로 투명한 제 1 기판은 가요성 막의 형태일 수 있다. 가장자리를 포함하는 전기 변색 장치는 절연 유리 유닛(IGU)의 일부일 수 있다. 이러한 절연 유리 유닛은 제 1 유리 기판 및 제 2 유리 기판을 포함할 수 있으며, 이들은 그 사이에 부피를 한정하고 이 부피는 불활성 분위기 및 가장자리를 포함하는 전기 변색 장치를 포함할 수 있으며, 이 때 제 1 유리 기판 또는 제 2 유리 기판 중 적어도 하나는 전기 변색 장치와 전기적으로 연통되지 않는다. IGU는 제 2 유리 기판으로부터 이격되고 제 2 부피를 한정하는 제 3 유리 기판을 추가로 포함할 수 있다.
E. 광학적으로 투명한 전극을 갖는 제 1 주 표면; 제 2 주 표면; 제 1 및 제 2 주 표면 사이의 가장자리; 및 상기 광학적으로 투명한 전극과 전기적으로 접촉하고 가장자리 너머로 배치되는 전기 전도성 스트립을 포함하는 광학적으로 투명한 기판. 일부 실시양태에서, 전기 전도성 스트립은 광학적으로 투명한 전극과 전기적으로 접촉하고, 가장자리 너머로 또한 기판의 제 2 표면 상에 배치된다. 광학적으로 투명한 기판은 기판의 제 2 표면 상의 전기 전도성 스트립과 전기적으로 접촉하는 제 2 전기 전도성 요소; 및/또는 전기 전도성 스트립과 전기적으로 접촉하고 임의적으로 기판의 제 2 표면 상에 있는 제 2 전기 전도성 요소를 포함한다. 제 2 전기 전도성 요소는 금속, 예를 들어 구리 또는 구리 합금 또는 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 포함할 수 있다. 절연 층이 전기 전도성 스트립, 가장자리 및/또는 제 2 전기 전도성 요소 위에 배치될 수 있다. 제 2 전기 전도성 요소는 50마이크론보다 큰 두께를 가질 수 있다. 일부 실시양태에서, 가장자리는 매끄럽고, 둥글고, 성형될 수 있다. 양태 E의 광학적으로 투명한 기판은 본 개시내용의 임의의 EC 장치 같은 EC 장치에 광학적으로 투명한 기판으로서 포함될 수 있다. 일부 실시양태에서, 양태 E의 광학적으로 투명한 기판을 갖는 전기 변색 장치는 광학적으로 투명한 제 2 기판 및 광학적으로 투명한 기판과 광학적으로 투명한 제 2 기판 사이의 전기 변색 층을 추가로 포함할 수 있다. 이러한 전기 변색 층은 두께를 가질 수 있고, 제 2 전도성 요소는 전기 변색 층의 두께보다 더 두꺼운 두께를 가질 수 있다.
F. 표면에 제 1 전극이 있는 광학적으로 투명한 제 1 기판; 광학적으로 투명한 제 2 기판; 제 1 기판과 제 2 기판 사이에서 제 1 전극과 접촉하여 배치되고 입력 신호에 응답하여 광 투과율을 하나의 상태에서 다른 상태로 변경하도록 구성된 전기 변색 조성물; 제 1 기판과 제 2 기판 사이에 전기 변색 조성물을 밀봉하기 위한 밀봉 요소; 및 제 1 전극과 밀봉 요소 사이에 배치된 패시베이션 층을 포함하는 전기 변색 장치로서, 패시베이션 층이 제 1 전극 및 밀봉 요소와 직접 접촉하는 전기 변색 장치. 일부 실시양태에서, 패시베이션 층은 제 1 전극, 밀봉 요소 및 전기 변색 조성물과 직접 접촉한다. 패시베이션 층은 밀봉 요소가 임의의 하나의 위치에서 제 1 전극 및 전기 변색 조성물과 동시에 접촉하는 것을 방지할 수 있다. 광학적으로 투명한 제 2 기판은 그 표면 상에 제 2 전극을 가질 수 있고, 전기 변색 장치는 제 2 전극과 밀봉 요소 사이에 배치된 제 2 패시베이션 층을 더 포함할 수 있으며; 제 2 패시베이션 층은 제 2 전극, 밀봉 요소 및 임의적으로는 전기 변색 조성물과 직접 접촉할 수 있다. 제 2 패시베이션 층은 밀봉 요소가 임의의 하나의 위치에서 제 2 전극 및 전기 변색 조성물과 동시에 접촉하는 것을 방지할 수 있다. 장치는 제 1 및/또는 제 2 전극과 직접 전기적으로 접촉하는 전기 전도성 스트립을 더 포함할 수 있으며, 이 때 패시베이션 층은 전기 전도성 스트립 위로 연장될 수 있다. 광학적으로 투명한 제 1 기판은 제 1 전극이 있는 표면과 대향하는 표면 및 표면 사이의 가장자리를 가질 수 있고, 전기 전도성 스트립은 가장자리 너머로 또한 임의적으로는 제 1 기판의 제 2 표면 상에 배치될 수 있다. 광학적으로 투명한 제 2 기판은 제 2 전극이 있는 표면과 대향하는 표면 및 표면 사이의 가장자리를 가질 수 있고, 제 2 전기 전도성 스트립은 가장자리 너머로 또한 임의적으로는 제 2 기판의 제 2 표면 상에 배치될 수 있다. 패시베이션 층은 산화실리콘을 포함할 수 있다. 밀봉 요소는 엘라스토머, 플루오로중합체, 실리콘, 폴리아미드, 부틸 고무, 폴리설파이드, 에폭시 또는 이들의 조합을 포함한다. 장치는 광학적으로 투명한 제 1 기판과 광학적으로 투명한 제 2 기판 사이에 및/또는 제 1 및 제 2 기판의 주변부의 적어도 일부 주위에 배치된 2차 밀봉부를 포함할 수 있고, 이 때 2차 밀봉부는 전기 변색 조성물과 접촉하지 않는다.
G. 전기 변색 장치의 제 1 전극 및 제 2 전극에 작동 가능하게 연결된 컨트롤러: 및 제 1 기판 및 제 2 기판 각각에 배치되고 상기 컨트롤러와 작동 가능하게 연결되는 전압 판독 단자를 포함하는, 제 1 전극을 갖는 제 1 기판, 제 2 전극을 갖는 제 2 기판, 및 상기 제 1 및 제 2 기판 사이에 배치된 전기 변색 조성물을 포함하는 전기 변색 장치를 제어하기 위한 시스템. 컨트롤러는 피드백 알고리즘을 사용하여 전극에 인가될 전기 신호를 결정하도록 구성된 프로세서를 더 포함할 수 있으며, 이러한 알고리즘은 제어 변수로서 전압 판독 단자에 걸친 원하는 개방 회로 전압과 전압 판독 단자에서 측정된 개방 회로 전압 간의 차이를 사용한다. 일부 실시양태에서, 피드백 알고리즘은 비례-적분-미분(proportional-integral-derivative; PID) 피드백 알고리즘이고, PID 알고리즘에서 사용되는 비례(P), 적분(I) 및 미분(D) 계수 값은 전기 변색 조성물의 물리적 및 화학적 특성에 따라 다르다. 다른 실시양태에서, 피드백 알고리즘은 비례-적분-미분(PID) 피드백 알고리즘이고, PID 알고리즘에서 사용되는 비례(P), 적분(I) 및 미분(D) 계수 값은 제 1 및 제 2 전극의 물리적 및 화학적 특성에 따라 다르다. 전기 신호는 정전류, 정전압, 전류 함수, 전압 함수, 또는 이들의 조합 중에서 선택될 수 있다. 원하는 개방 회로 전압은 전기 변색 조성물의 원하는 광학 상태에 기초하여 결정될 수 있다. 원하는 개방 회로 전압은 광학 스펙트럼 내에서 선택된 파장 밴드를 기반으로 결정될 수 있다. 예를 들어, 전기 변색 조성물의 원하는 광학 상태는 적외선 스펙트럼 내의 원하는 파장 밴드에 기초하여 결정될 수 있다. 또 다른 실시양태에서, 이러한 시스템은 전기 변색 장치가 배치되는 구조물의 에너지 소비를 측정하도록 구성된 센서를 더 포함할 수 있으며, 이 때 프로세서는 측정된 에너지 소비에 기초하여 원하는 개방 회로 전압을 결정하도록 추가로 구성된다. 다르게는, 또는 조합하여, 이러한 시스템은 전기 변색 장치가 배치되는 구조물의 내부 공간에서 휘도를 측정하도록 구성된 센서를 더 포함할 수 있으며, 이 때 프로세서는 측정된 휘도에 기초하여 원하는 개방 회로 전압을 결정하도록 추가로 구성된다. 다른 실시양태에서, 원하는 개방 회로 전압은 전기 변색 장치가 존재하는 지리적 위치에서 주변 광 휘도 또는 주변 온도에 기초하여 결정될 수 있다. 또한, 전기 신호는 과전압 제어를 갖는 정전류, 과전류 제어를 갖는 정전압, 전류 함수 및 전압 함수로부터 선택된 하나를 포함하는 충전 시퀀스를 포함할 수 있다.
H. 제 1 전극을 갖는 제 1 기판, 제 2 전극을 갖는 제 2 기판, 및 상기 제 1 기판과 상기 제 2 기판 사이에 배치된 전기 변색 조성물을 포함하는 전기 변색 장치를 제어하는 방법으로서, 제 1 및 제 2 전극을 사용하여 전기 변색 조성물에 걸쳐 전기 신호를 인가하는 단계; 전기 변색 조성물에 걸친 개방 회로 전압을 측정하는 단계; 측정된 개방 회로 전압과 원하는 개방 회로 전압 사이의 차이에 기초하여 오차 신호를 결정하는 단계(원하는 개방 회로 전압은 전기 변색 조성물의 원하는 광학 상태에 기초하여 미리 결정됨); 피드백 알고리즘을 사용하여, 오차 신호가 임계값에 도달할 때까지 오차 신호에 기초하여 전기 변색 조성물에 걸쳐 인가될 정정된 전기 신호를 결정하는 단계를 포함하는 방법. 개방 회로 전압은 제 1 및 제 2 기판 각각에 배치된 전압 판독 단자에서 측정될 수 있으며, 전압 판독 단자는 예를 들어 컨트롤러에 작동 가능하게 연결된다. 피드백 알고리즘은 비례-적분-미분(PID) 피드백 알고리즘을 포함할 수 있으며, PID 알고리즘에 사용되는 비례(P), 적분(I) 및 미분(D) 계수 값은 전기 변색 조성물의 물리적 및 화학적 특성에 따라 다르다. 다르게는 또는 조합하여, 피드백 알고리즘은 비례-적분-미분(PID) 피드백 알고리즘일 수 있으며, PID 알고리즘에서 사용되는 비례(P), 적분(I) 및 미분(D) 계수 값은 제 1 및 제 2 전극의 물리적 및 화학적 특성에 따라 달라진다. 피드백 알고리즘의 설정점은 예를 들어 전기 변색 조성물의 원하는 광학 상태 또는 전기 변색 조성물의 광학 또는 적외선 스펙트럼 내에서 선택된 파장 밴드에 기초하여 결정될 수 있다. 다르게는, 피드백 알고리즘의 설정점은 전기 변색 장치가 존재하는 지리적 위치에서 주변 광 휘도 또는 주변 온도에 기초하여 결정될 수 있다. 전기 신호는 과전압 제어를 포함하는 정전류, 과전류 제어를 포함하는 정전압, 전류 함수, 및 전압 함수로부터 선택된 하나를 포함하는 충전 시퀀스를 포함할 수 있다. 다른 실시양태에서, 피드백 알고리즘의 설정점은 전기 변색 장치가 배치되는 구조물의 측정된 에너지 소비에 기초하여 결정될 수 있다. 또 다른 실시양태에서, 피드백 알고리즘의 설정점은 전기 변색 장치가 배치되는 구조물의 내부 공간에서 측정된 휘도에 기초하여 결정될 수 있다. 또 다른 실시양태에서, 전기 변색 조성물은 전기 신호에 응답하여 가시광 및/또는 적외선 광 투과율을 하나의 상태에서 다른 상태로 변경하도록 구성된다.
I. 하기 화학식 I의 화합물을 포함하는 전기 변색 물질:
[화학식 I]
Figure pct00013
상기 식에서, R1 및 R2는 동일하고, C1-7 알킬, 벤질, 페닐 또는 하나 이상의 치환기를 갖는 페닐을 나타내고, 여기에서 하나 이상의 치환기는 C1-4 알킬, C1-4 퍼플루오로알콕시, 트리플루오로메톡시, 또는 할로겐 원자이고, X-는 유기 음이온을 나타낸다.
일부 실시양태에서, R1 및 R2는 C1-7 알킬을 나타낸다. 다른 실시양태에서, R1 및 R2는 페닐의 3, 4, 및/또는 5 위치에 하나 이상의 치환기를 갖는 페닐을 나타낸다. 예를 들어, R1 및 R2는 페닐의 3, 4 및/또는 5 위치에 2개 이상의 치환기, 예를 들어 2개 이상의 C1-7 알킬 치환기를 갖는 페닐을 나타낼 수 있고; R1 및 R2는 페닐의 4 위치에 치환기를 갖는 페닐을 나타낼 수 있는데, 예를 들어 R1 및 R2는 페닐의 4 위치에 C1-4 알킬, C1-4 퍼플루오로알콕시, 트리플루오로메톡시, 또는 할로겐 원자 치환기를 갖는 페닐을 나타낼 수 있다. X-는 (CF3SO2)2N-의 유기 음이온이거나 이를 포함할 수 있다. 이러한 전기 변색 물질은 전기 변색 장치에 포함될 수 있다.
J. 하기 화학식 I의 화합물을 포함하는 전기 변색 물질
[화학식 I]
Figure pct00014
상기 식에서, R1 및 R2는 상이하고, 개별적으로 치환되지 않거나 페닐, 할로겐 원자, 알킬로 치환될 수 있는 4,4'-비피리디늄중 하나 이상으로 치환된 알킬, 벤질, 페닐, 또는 알킬, 할로알킬, 할로겐 원자, 알콕시, 할로겐화 알콕시, 펜타플루오로설파닐 또는 시아노 중 하나 이상으로 치환된 페닐을 나타내며, X-는 음이온을 나타낸다.
일부 실시양태에서, R1은 C1-7 알킬을 나타낼 수 있고, R2는 페닐, 또는 알킬, 할로알킬, 할로겐 원자, 알콕시, 할로겐화 알콕시, 펜타플루오로설파닐, 또는 시아노 중 하나 이상으로 치환된 페닐을 나타낸다. 다른 실시양태에서, R1은 C1-7 알킬을 나타낼 수 있고, R2는 페닐, 또는 페닐의 3, 4 및/또는 5 위치에 하나 이상의 치환기를 갖는 페닐을 나타낼 수 있다. 예를 들어, R2는 페닐의 3, 4 및/또는 5 위치에 2개 이상의 치환기를 갖는 페닐을 나타낼 수 있고; R2는 페닐의 3 및 5 위치에 2개의 치환기, 예를 들어 2개의 C1-7 알킬 치환기를 갖는 페닐을 나타낼 수 있고; R2는 페닐의 4 위치에 치환기를 갖는 페닐을 나타낼 수 있다. 이러한 전기 변색 물질은 전기 변색 장치에 포함될 수 있다.
K. 하나 이상의 하기 화학식 I의 화합물을 포함하는 캐쏘드 물질; 용매; 및 임의적으로 중합체 물질을 포함하는 전기 변색 조성물:
[화학식 I]
Figure pct00015
상기 식에서, R1 및 R2는 동일하거나 상이하고, 개별적으로 치환되거나 치환되지 않은 알킬, 벤질, 치환되거나 치환되지 않은 페닐을 나타내고, X-는 음이온을 나타낸다.
캐쏘드 물질은 그레이스케일 가시광을 생성시키기 위해 매칭된 둘 이상의 화합물을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, R1은 C1-7 알킬을 나타낼 수 있고, R2는 페닐, 또는 알킬, 할로알킬, 할로겐 원자, 알콕시, 할로겐화 알콕시, 펜타플루오로설파닐, 또는 시아노 중 하나 이상으로 치환된 페닐을 나타낸다. 다른 실시양태에서, R1은 C1-7 알킬을 나타낼 수 있고, R2는 페닐 또는 페닐의 3, 4 및/또는 5 위치에 하나 이상의 치환기를 갖는 페닐을 나타낼 수 있다. 예를 들어, R2는 페닐의 3, 4 및/또는 5 위치에 2개 이상의 치환기를 갖는 페닐을 나타낼 수 있고; R2는 페닐의 3 및 5 위치에 2개의 치환기, 예를 들어 2개의 C1-7 알킬 치환기를 갖는 페닐을 나타낼 수 있고; R2는 페닐의 4 위치에 치환기를 갖는 페닐을 나타낼 수 있다. X-는 트리플루오로메탄설포닐이미드 (CF3SO2)2N-을 나타낼 수 있다. 조성물은 페로센, 5,10-디하이드로페나진, 폴리아릴아민, 트리톨릴아민, 페노티아진, 메틸-페닐-티아진, 또는 벤지딘 중 하나 이상을 포함하는 애노드 물질을 추가로 포함할 수 있다. 이러한 전기 변색 조성물은 전기 변색 장치에 포함될 수 있다.
L. 고체 네트워크 상 및 액체 상을 포함하는 겔 형태의 전기 변색 조성물로서, 전기 변색 조성물이 입력 신호에 응답하여 광 투과율을 하나의 상태에서 다른 상태로 변경할 수 있는 전기 변색 조성물. 겔은 곡면에 쉽게 순응하도록 충분히 유연할 수 있다. 특정 양태에서, 겔은 1기압 및 20℃에서 정상상태 하에 효과적으로 흐름을 나타내지 않는다. 일부 실시양태에서, 겔은 가시광 스펙트럼에 걸쳐 하나의 상태에서 1% 미만의 투과율 및 다른 상태에서 50% 이상의 투과율을 가질 수 있다. 다른 실시양태에서, 전기 변색 조성물은 하나 이상의 입력 신호에 응답하여 광 투과율을 하나의 상태에서 하나 이상의 다른 상태로 연속적으로 변경할 수 있다. 추가적인 실시양태에서, 광 투과율의 변화는 UV 및/또는 IR 파장에서 발생한다. 또 다른 실시양태에서, 전기 변색 조성물은 입력 신호에 응답하여 광 투과율을 하나의 상태에서 다른 상태로 변경할 수 있는 하나 이상의 성분 및 방사선 필터, 첨가제 요소, 지지 전해질, 또는 이들의 조합 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 특정 양태에서, 하나 이상의 방사선 필터, 첨가제, 또는 전해질은 유기 물질을 포함한다. 다른 실시양태에서, 겔은 -40℃ 내지 110℃의 온도 범위 내에서 작동될 수 있거나; 또는 UV 또는 IR 파장의 약 50% 이상을 흡수할 수 있거나; 또는 적어도 50%까지 소리를 감쇠시킬 수 있거나; 또는 낮은 헤이즈를 가질 수 있다.
겔은 미리 결정된 값으로 설정된 전기적 특성을 가질 수 있다. 예를 들어, 겔은 약 50uA/cm2 미만의 전류 소비 또는 약 0.25W/m2 미만의 전력 소비로 광 투과율을 하나의 상태에서 다른 상태로 변경한다. 다른 실시양태에서, 겔은 약 1.5V 미만의 전압으로서의 입력 신호에 응답하여 광 투과율을 하나의 상태에서 다른 상태로 변경할 수 있다. 겔은 실질적으로 쌍안정성일 수 있다. 겔은 하나의 상태에서 다른 상태로 전이되는 동안 소정 값 미만의 하나 이상의 전류, 전압 또는 전력 값에서 입력 신호에 응답하여 광 투과율을 하나의 상태에서 다른 상태로 변경할 수 있다.
다른 실시양태에서, 전기 변색 조성물은 30초 이하 내에 광 투과율을 하나의 상태에서 다른 상태로 변경할 수 있다. 일부 실시양태에서, 고체 네트워크 상은 표면에 겔을 부착시키기 위해 전극 표면과 반응할 수 있는 기를 포함한다. 다른 실시양태에서, 고체 네트워크 상은 표면에 겔을 부착시키기 위해 전극 표면과 반응할 수 있는 기를 포함할 수 있다. 또 다른 실시양태에서, 겔은 액체 상 및 고체 네트워크 상을 형성시키기 위한 전구체를 포함하는 조성물로부터 형성된다. 특정 양태에서, 전구체는 UV 또는 열 경화성 유기 화합물 또는 경화성 알콕시실란을 포함할 수 있다. 겔은 하나 이상의 막, 예를 들어 광학적으로 투명한 막 상에 배치되고/되거나 2개 이상의 막 사이에 배치된 겔 형태의 EC 층과 같은 EC 프리폼 층일 수 있다. 이러한 전기 변색 겔은 전기 변색 장치에 포함될 수 있다.
M. 액체 상 내에 고체 네트워크 상을 형성시킴을 포함하는, 전기 변색 겔의 제조 방법으로서, 액체 상 또는 고체 네트워크 상이 입력 신호에 응답하여 광 투과율을 하나의 상태에서 다른 상태로 변경할 수 있는 하나 이상의 성분을 포함하는 방법. 고체 네트워크 상을 형성시키는 것은 성분을 포함하는 조성물을 가교결합시켜 고체 네트워크 상을 형성시킴을 포함할 수 있다. 이러한 성분은 UV 또는 열 경화성 유기 화합물 또는 경화성 알콕시실란을 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 전기 변색 겔은 층의 상이한 구역에서 실질적으로 상이한 전기적 특성을 갖는 층에 형성될 수 있다. 예를 들어, 형성된 층은 층의 주변 구역보다 중심 구역에서 실질적으로 더 높은 전기적 특성을 가질 수 있다. 중심 구역에서 주변 구역으로의 전기 전도도 변화는 급격하거나 연속적일 수 있다. 추가적인 실시양태는 프리폼 층으로서 겔을 형성시킴, 예를 들어 용매 중에 중합체 네트워크 형성 성분을 포함하는 전기 변색 조성물을 하나 이상의 가요성 기판 상에 도입하여 가요성 기판 상에 또는 다수의 가요성 기판 사이에 프리폼 층을 형성시킴을 포함한다. 프리폼 층은 광학적으로 투명한 제 1 기판과 광학적으로 투명한 제 2 기판 사이에 배치될 수 있다. 다른 실시양태에서, 프리폼 층은 프리폼을 시간, 온도, 압력, UV 노출, 화학적 또는 물리적 작용제에 대한 노출 등 또는 이들의 조합 중 임의의 하나 이상에 노출시키는 것과 같이 경화시켜 겔을 형성시킬 수 있다.
N. 제 1 전극을 갖는 광학적으로 투명한 제 1 기판; 광학적으로 투명한 제 2 기판; 제 1 기판과 제 2 기판 사이에 배치되고 입력 신호에 응답하여 광 투과율을 하나의 상태에서 다른 상태로 변경하도록 구성된 겔 또는 층 형태의 전기 변색 조성물을 포함하는 전기 변색 장치. 전기 변색 조성물은 양태 I, J 및/또는 K에 대해 기재된 구성요소 및 특징을 임의의 조합으로 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 전기 변색 조성물은 겔 형태일 수 있다. 겔 또는 층은 양태 L의 모든 요소 및 특징을 임의의 조합으로 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 전기 변색 겔 또는 층은 제 1 또는 제 2 기판 중 어느 하나 또는 둘 다에 화학적으로 결합될 수 있다. 다른 실시양태에서, 제 1 기판 또는 제 2 기판 중 적어도 어느 하나는 그에 대한 전기 변색 겔 또는 층의 결합을 촉진하도록 화학적으로 작용화될 수 있다. 또 다른 실시양태에서, 전기 변색 겔 또는 층은 제 1 기판 또는 제 2 기판 중 적어도 어느 하나에 대한 결합을 촉진하도록 화학적으로 작용화될 수 있다. 또한, 전기 변색 장치에서 겔 또는 층 형태의 전기 변색 조성물은 겔 또는 층의 측방향에서 겔 또는 층의 상이한 구역에서 상이한 조성적 특성, 예를 들어 전기 전도도를 가질 수 있다. 조성적 특성, 예를 들어 전기 전도도는 상이한 구역에서 단계적으로 변경될 수 있고/거나 상이한 구역에서 연속적으로 변경될 수 있다. 또한, 전기 변색 조성물은 전기 변색 조성물을 통해 또는 전기 변색 조성물로부터 투과 또는 반사된 광의 색상 편차가 CIELAB 색 공간에 있어서 a* 및 b* 축의 10단위 미만(예컨대, 5단위 미만)일 때와 같이, 전기 변색 조성물을 통해 또는 전기 변색 조성물로부터 투과 또는 반사된 광의 실질적으로 그레이스케일 색상을 생성시키도록 스펙트럼 면에서 매칭된 전기 변색 물질을 포함할 수 있다.
O. 광학적으로 투명한 제 1 기판과 광학적으로 투명한 제 2 기판 사이에 전기 변색 층을 배치하는 단계, 및 제 1 또는 제 2 기판 중 어느 하나 또는 둘 다에 전기 변색 층을 결합시키는 단계를 포함하는, 전기 변색 장치를 제조하는 방법으로서, 전기 변색 층이 입력 신호에 응답하여 광 투과율을 하나의 상태에서 다른 상태로 변경하도록 구성되는 전기 변색 장치. 전기 변색 조성물은 양태 I, J 및/또는 K에 대해 기재된 구성요소 및 특징을 임의의 조합으로 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 전기 변색 조성물은 겔 형태일 수 있다. 겔 또는 층은 양태 L의 모든 요소 및 특징을 임의의 조합으로 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 전기 변색 겔 또는 층은 제 1 또는 제 2 기판 중 어느 하나 또는 둘 다에 화학적으로 결합될 수 있다. 다른 실시양태에서, 제 1 기판 또는 제 2 기판 중 적어도 하나는 그에 대한 전기 변색 겔 또는 층의 결합을 촉진하도록 화학적으로 작용화될 수 있다. 또 다른 실시양태에서, 전기 변색 겔 또는 층은 제 1 기판 또는 제 2 기판 중 적어도 어느 하나에 대한 결합을 촉진하도록 화학적으로 작용화될 수 있다. 다른 실시양태에서, 광학적으로 투명한 제 1 기판과 광학적으로 투명한 제 2 기판 사이에 전기 변색 층을 배치하는 단계는 주변부 둘레에 실질적으로 댐을 포함하는 광학적으로 투명한 제 1 기판 상에 계량된 양의 전기 변색 조성물을 분배하고, 광학적으로 투명한 제 2 기판을 전기 변색 조성물 위에 배치하며, 전기 변색 조성물을 경화시켜 전기 변색 층을 형성시킴을 포함한다. 일부 실시양태에서, 광학적으로 투명한 제 1 기판과 광학적으로 투명한 제 2 기판 사이에 전기 변색 층을 배치하는 단계는 광학적으로 투명한 제 1 기판 상에 소정 면적을 갖는 계량된 양의 전기 변색 조성물을 분배하고, 전기 변색 조성물 상에 광학적으로 투명한 제 2 기판을 배치하고, 전기 변색 조성물이 광학적으로 투명한 기판 상에 퍼지도록 하여, 분배된 전기 변색 조성물의 면적보다 상당히 더 큰 면적을 갖는 전기 변색 층을 형성시킴을 포함한다. 또 다른 실시양태에서, 광학적으로 투명한 제 1 기판과 광학적으로 투명한 제 2 기판 사이에 전기 변색 층을 배치하는 단계는 광학적으로 투명한 제 1 기판 상에 EC 프리폼 층을 배치하고, EC 프리폼 층 상에 광학적으로 투명한 제 2 기판을 배치함을 포함할 수 있다.
전술한 양태 각각은 다음의 추가 요소들 중 하나 이상을 임의의 조합으로 포함할 수 있다.
요소 1: 제 1 또는 제 2 전극, 예를 들어 캐쏘드 또는 애노드 전극 중 어느 하나 또는 둘 다는 전기 변색 조성물과의 계면에 반도체 물질을 포함한다. 요소 2: 하나 이상의 전기 변색 물질은 제 1 전극 또는 제 2 전극중 어느 하나에서만 전자 교환이 이루어진다. 요소 3: 전기 변색 조성물은 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 및/또는 이들과 접촉하여 배치될 수 있다. 요소 4: 전기 변색 조성물은 입력 신호에 응답하여 가시광 및/또는 적외선 투과율을 하나의 상태에서 다른 상태로 변경하도록 구성된다. 요소 5: EC 장치는 전기 변색 조성물 내에, 또한 제 1 전극과 제 2 전극, 예를 들어 캐쏘드 전극과 애노드 전극 사이에 배치된 선택적으로 투과성인 멤브레인을 포함할 수 있다. 요소 6: 멤브레인은 작은 분자, 예컨대 작은 이온의 투과를 실질적으로 허용하지만 큰 분자, 예를 들어 이온의 투과를 실질적으로 금지한다. 요소 7: 멤브레인은 실질적으로 양성자의 투과를 허용하지만 양성자보다 큰 이온의 투과를 실질적으로 금지한다. 요소 8: 멤브레인은 중심부와 주변부를 갖고, 중심부는 주변부보다 더 높은 투과성을 갖는다. 요소 9: 전기 변색 층 또는 겔은 층 또는 겔의 주변 구역에서보다 층 또는 겔의 중심 구역에서 실질적으로 상이한 전기적 특성을 갖는다. 특정 양태에서, 전기 전도도의 변화는 급격하거나(예를 들어, 단계적 방식의 변화) 또는 연속적일 수 있다. 이러한 전기 변색 층 또는 겔은 EC 장치에 포함될 수 있다. 요소 10: EC 장치는 가변 투과율 층(VTL)을 한정하기 위해 제 1 및 제 2 전극, 예를 들어 캐쏘드 전극, 애노드 전극, 및 전기 변색 조성물, 층 또는 겔을 포함하고, VTL은 VTL의 주변부에서와 VTL의 중심부에서 실질적으로 상이한 전기적 특성을 갖는다. 특정 양태에서, VTL의 전기 전도도의 변화는 급격하거나(예를 들어, 단계적 방식의 변화) 또는 연속적일 수 있다.
요소 11: 전기 변색 조성물은 층 및/또는 겔 형태이다. 이 요소는 또한 양태 I, J, K, L에 대해 설정된 모든 구성요소 및 특징을 포함할 수 있고/있거나 EC 장치에 포함될 수 있다. 요소 12: 하나 이상의 광학적으로 투명한 전극은 100Ω/스퀘어 미만, 예를 들어 약 50Ω/스퀘어 미만 및 약 20Ω/스퀘어 미만, 예를 들어 약 5Ω/스퀘어 미만의 시트 저항을 갖는다. 요소 13: 광학적으로 투명한 제 1 또는 제 2 기판, 또는 전기 변색 조성물, 층 또는 겔은 낮은 헤이즈를 갖는다. 요소 14: 전기 변색 장치는 기판의 김서림 방지(defog)를 위한 가열 요소를 추가로 포함한다. 요소 15: 전기 변색 장치는 입력 신호를 인가하여 전기 변색 조성물이 광 투과율을 하나의 상태에서 다른 상태로 변경하게 하는 컨트롤러를 추가로 포함한다. 컨트롤러는 전극에 걸친 저항-전압 강하를 최소화하기 위해 분산된 다점 전기 연결부에 의해 EC 장치의 전극에 전기적으로 연결될 수 있고/있거나 컨트롤러는 전기 변색 조성물의 이온-전달 제한 조건에서 두 전극을 작동시키도록 구성될 수 있다. 요소 16: 광학적으로 투명한 제 1 및/또는 제 2 기판은 가요성 막의 형태일 수 있다. 요소 17: 광학적으로 투명한 제 1 및/또는 제 2 기판은 제 2 강화(tempered) 또는 열처리 유리 시트에 적층된 제 1 강화 또는 열처리 유리 시트를 포함하며, 이 때 제 1 강화 또는 열처리 유리 시트의 피크는 일반적으로 제 2 강화 또는 열처리 유리 시트의 골에 대해 매칭된다. 요소 18: 광학적으로 투명한 제 1 및/또는 제 2 기판은 광을 편광시키거나 광을 편광시키는 층을 위에 포함한다. 요소 19: EC 장치의 전기 변색 층의 두께는 50마이크론보다 크다.
요소 20: 컨트롤러는 시약 물질-이동 제한 모드에서 작동하도록 구성된다. 요소 21: 제 1 및/또는 제 2 전극은 다층 배열을 갖는다. 요소 22: 광학적으로 투명한 제 1 및/또는 제 2 전극은 IR 선을 반사하도록 구성된다. 요소 23: 제 1 또는 제 2 기판은 가장자리 너머의 버스 바, 예를 들어 광학적으로 투명한 전극과 전기적으로 접촉하고 가장자리를 너머, 임의적으로는 기판의 제 2 표면 상에 배치된 전기 전도성 스트립을 포함한다. 요소 24: 입력 신호는, 예를 들어 전기 변색 층의 광 투과율이 하나의 상태(예를 들어, 높은 광 투과율 상태)에서 다른 상태(예컨대, 낮은 광 투과율 상태)로 변하도록, 특정 전압, 예를 들어 약 1.5V 미만, 바람직하게는 약 1.3V 미만, 더욱 바람직하게는 약 1.2V 미만을 포함할 수 있다. 요소 25: 전기 변색 조성물은 착색된 상태 또는 투명 상태의 전기 변색 장치에 대한 특정 태양열 획득 계수 값을 제공하도록 구성된다. 요소 26: 전기 변색 조성물은, 전기 변색 조성물을 통해 또는 전기 변색 조성물로부터 투과 또는 반사된 광의 색상 편차가 CIELAB 색 공간에서 a* 및 b* 축의 10단위 미만, 예컨대 5단위 미만일 때와 같이, 전기 변색 조성물을 통해 또는 전기 변색 조성물로부터 투과 또는 반사된 광의 실질적으로 그레이스케일 색상을 생성하도록 스펙트럼 면에서 매칭되는 전기 변색 물질을 포함할 수 있다. 요소 27: 전기 변색 장치는 양태 A, B, C, D, E, F, G, H, I, J, K, L, M, N 및/또는 O의 구성요소 및 특징을 임의의 조합으로 추가로 포함한다.
본 개시내용에는 본 발명의 바람직한 실시양태 및 그의 다목적성의 예만이 도시 및 기재된다. 본 발명은 다양한 다른 조합 및 환경에서 사용될 수 있고 본원에 표현된 바와 같은 본 발명의 개념의 범위 내에서 변경 또는 수정될 수 있음을 이해해야 한다. 따라서, 예를 들어, 당업자는 일상적인 실험을 사용하여 본원에 기재된 특정 성분, 절차 및 배열에 대한 다수의 등가물을 인식하거나 확인할 수 있을 것이다. 이러한 등가물은 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 간주되며, 하기 청구범위에 포괄된다.

Claims (15)

  1. 제 1 전극,
    제 2 전극, 및
    하나 이상의 전기 변색(electrochromic) 물질을 포함하는 전기 변색 조성물
    을 포함하는 전기 변색 장치로서,
    상기 하나 이상의 전기 변색 물질 중 적어도 하나가, 상기 제 1 전극 또는 상기 제 2 전극 중 어느 하나에서만 전자 교환이 이루어지는, 전기 변색 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전극 또는 상기 제 2 전극 중 어느 하나 또는 둘 다가 상기 전기 변색 조성물과의 계면에 반도체 물질을 포함하는, 전기 변색 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전극이, 상기 제 2 전극의 물질과 상이한 물질을 포함하는, 전기 변색 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기 변색 조성물이 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극과 접촉하며 이들 사이에 배치되고, 이들 전극 사이의 입력 신호에 응답하여 광 투과율을 하나의 상태에서 다른 상태로 변경하도록 구성된, 전기 변색 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기 변색 조성물이 입력 신호에 응답하여 광 투과율을 하나의 상태에서 다른 상태로 변경하도록 구성된, 전기 변색 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기 변색 조성물이 입력 신호에 응답하여 가시광 투과율을 하나의 상태에서 다른 상태로 변경하도록 구성된, 전기 변색 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기 변색 조성물이 하나 이상의 전기 변색 물질로서 캐쏘드 화합물 및 애노드 화합물을 포함하고, 상기 제 1 전극 또는 상기 제 2 전극 중 어느 하나 또는 둘 다가 선택적으로, 상기 애노드 화합물의 환원 및 산화를 실질적으로 금지하면서 상기 캐쏘드 화합물 및/또는 그의 환원된 형태만을 실질적으로 환원 및 산화시키는, 전기 변색 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기 변색 조성물이 하나 이상의 전기 변색 물질로서 캐쏘드 화합물 및 애노드 화합물을 포함하고, 상기 제 1 전극 또는 상기 제 2 전극 중 어느 하나 또는 둘 다가 선택적으로, 상기 캐쏘드 화합물의 환원 및 산화를 실질적으로 금지하면서 상기 애노드 화합물 및/또는 그의 산화된 형태만을 실질적으로 환원 및 산화시키는, 전기 변색 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기 변색 장치가, 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 배치되고 상기 전기 변색 조성물 내에서 선택적으로 투과성인 멤브레인(membrane)을 추가로 포함하는, 전기 변색 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 멤브레인이 중심부(center portion)와 주변부(peripheral portion)를 포함하고, 상기 중심부가 상기 주변부와 상이한 투과성을 갖는, 전기 변색 장치.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 멤브레인이 중심부와 주변부를 포함하고, 상기 중심부가 상기 주변부보다 더 높은 투과성을 갖는, 전기 변색 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 전극, 상기 제 2 전극 및 상기 전기 변색 조성물이 가변 투과율 층(VTL)을 한정하고, 상기 VTL이 상기 VTL의 주변부에서보다 상기 VTL의 중심부에서 상이한 전기적 특성을 갖는, 전기 변색 장치.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기 변색 조성물이 겔 형태인, 전기 변색 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 겔 형태의 전기 변색 층이 상기 겔의 상이한 구역에서 상기 겔의 측방향으로 실질적으로 상이한 전기적 특성을 갖는, 전기 변색 장치.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기 변색 장치가, 입력 신호를 인가하기 위한 컨트롤러를 추가로 포함하고,
    상기 컨트롤러가, 분산된 다점 전기 연결부(distributed multi-point electrical connections)에 의해 상기 제 1 및 상기 제 2 전극에 전기적으로 연결되어 이들 전극에 걸친 저항-전압 강하(ohmic drop)를 최소화하고/하거나, 상기 컨트롤러가 상기 전기 변색 조성물의 이온-전달 제한 조건에서 이들 전극 둘 다를 작동시키도록 구성된, 전기 변색 장치.
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