KR20230044779A - 그래핀 전극을 포함하는 전기변색 소자 및 이를 제조하는 방법 - Google Patents
그래핀 전극을 포함하는 전기변색 소자 및 이를 제조하는 방법 Download PDFInfo
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Abstract
그래핀 전극을 포함하는 전기변색 소자 및 이를 제조하는 방법이 개시된다. 다양한 실시예에 따른 그래핀 전극을 포함하는 전기변색 소자는 외부 전원의 제1 전극에 연결되며, 제1 그래핀층 및 상기 제1 그래핀층 위에 형성되어 상기 제1 그래핀층을 산소로부터 보호하는 제1 금속보호층을 포함하는 제1 다층박막 구조, 상기 외부 전원의 제2 전극에 연결되며, 제2 그래핀층 및 상기 제2 그래핀층 위에 형성되어 상기 제2 그래핀층을 산소로부터 보호하는 제2 금속 보호층을 포함하는 제2 다층박막 구조와 상기 제1 다층박막 구조 및 상기 제2 다층박막 구조 사이에 충전된 전해질을 포함할 수 있다.
Description
본 발명의 다양한 실시예들은 그래핀 전극을 포함하는 전기변색 소자 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.
스마트 윈도우(smart window)는 외부에서 유입되는 태양광의 투과율을 자유롭게 조절하여 에너지 손실을 줄이는 동시에 에너지 효율을 향상시켜 사용자에게 쾌적한 환경을 제공하는 감성과 기능을 모두 만족시키는 윈도우를 말한다. 스마트 윈도우는 자외선 차단특성, 가시광선 조절기능 및 적외선 반사 특성을 이용하여 자동차, 버스, 항공기, 기차 등 수송 분야뿐만 아니라, 주택·인테리어 등의 건축 분야, 디스플레이· 반도체 등의 정보표시 분야 등에서 다양하게 응용되고 있다. 이에, 스마트 윈도우에 널리 쓰이는 전기변색(electrochromic) 소자도 크게 각광받고 있다. 전기 변색은 전기화학적 외부 자극에 의해 착색(coloring)과 탈색(bleaching)이 가역적으로 일어나는 현상을 말한다. 일반적으로, 전기변색은 환원착색 물질 또는 산화착색 물질에 전자 및 이온(예: H+, Li+ 등)의 삽입/추출 과정에 의해 발생한다.
위에서 설명한 배경기술은 발명자가 본원의 개시 내용을 도출하는 과정에서 보유하거나 습득한 것으로서, 반드시 본 출원 전에 일반 공중에 공개된 공지기술이라고 할 수는 없다.
그래핀은 유연성, 극히 얇은 두께, 및 높은 적외선 영역의 투과율로 전기변색 소자의 투명 전극으로서 주목받고 있다. 전기변색 소자는 일반적으로 기판 위에 면상 투명전극과 착색 및 탈색이 가능한 전기변색층을 형성하고 전해질을 사이에 두고 상대전극을 설치하는 구조를 가지고 있다. 또한 전기변색층으로 산화텅스텐 등의 금속산화물 박막을 많이 이용하는데 그래핀 전극을 금속산화물 박막의 투명 전극으로 사용할 경우, 금속산화물 박막 제조 공정 상에서 산소를 공정 가스로 사용한다면 그래핀에 손상을 입히게 될 수 있다. 이에, 산소에 의한 손상 없이 그래핀 전극을 사용하는 전기변색 소자 및 이를 제조하는 기술의 개발이 요구될 수 있다.
다양한 실시예들은 그래핀층 및 그래핀층을 산소로부터 보호하는 금속보호층을 포함하는 전기변색 소자를 제공할 수 있다.
다양한 실시예들은 그래핀층 및 그래핀층을 산소로부터 보호하는 금속보호층을 포함하는 전기변색 소자를 제조하는 기술을 제공할 수 있다.
다만, 기술적 과제는 상술한 기술적 과제들로 한정되는 것은 아니며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
다양한 실시예에 따른 전기변색 소자는 외부 전원의 제1 전극에 연결되며, 제1 그래핀층 및 상기 제1 그래핀층 위에 형성되어 상기 제1 그래핀층을 보호하는 제1 금속보호층을 포함하는 제1 다층박막 구조, 상기 외부 전원의 제2 전극에 연결되며, 제2 그래핀층 및 상기 제2 그래핀층 위에 형성되어 상기 제2 그래핀층을 보호하는 제2 금속 보호층을 포함하는 제2 다층박막 구조와 상기 제1 다층박막 구조 및 상기 제2 다층박막 구조 사이에 충전된 전해질을 포함할 수 있다.
상기 제1 다층박막 구조는 상기 외부 전원의 제1 전극에 연결되고 상기 제1 그래핀층 아래에 위치한 음극 기판과 상기 제1 금속보호층 위에 형성된 환원착색층을 더 포함할 수 있다.
상기 제2 다층박막 구조는 상기 외부 전원의 제2 전극에 연결되고 상기 제2 그래핀층 아래에 위치한 양극 기판과 상기 제2 금속보호층 위에 형성된 산화착색층을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 금속보호층은 상기 환원착색층 조성 중 일부와 동일한 성분의 금속을 포함하고, 상기 제2 금속보호층은 상기 산화착색층 조성 중 일부와 동일한 성분의 금속을 포함할 수 있다.
상기 제1 다층박막 구조 및 상기 제2 다층박막 구조 각각은 상기 제1 그래핀층 아래 및 상기 제2 그래핀층 아래에 형성된 
이하의 면저항을 가지는 금속 메쉬를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 그래핀층 및 상기 제1 금속보호층은 불투명한 금속으로 대체되거나, 상기 제2 그래핀층 및 상기 제2 금속보호층은 불투명한 금속으로 대체될 수 있다.
상기 제1 그래핀층 및 상기 제1 금속보호층은 투명 전도성 산화물(transparent conducting oxide(TCO))층으로 대체되거나, 상기 제2 그래핀층 및 상기 제2 금속보호층은 투명 전도성 산화물층으로 대체될 수 있다.
상기 환원착색층 및 상기 산화착색층 중 하나는 이온저장층으로 대체될 수 있다.
상기 환원착색층 및 상기 제1 금속보호층이 제거되거나, 상기 산화착색층 및 상기 제2 금속보호층이 제거될 수 있다.
다양한 실시예에 따른 그래핀층을 포함하는 다층박막 구조를 이용한 전기변색 소자를 제조하는 방법은 외부전원의 제1 전극에 연결되며, 제1 그래핀층 및 상기 제1 그래핀층 위에 형성되어 상기 제1 그래핀층을 보호하는 제1 금속보호층을 포함하는 제1 다층박막 구조를 형성하는 공정, 상기 외부전원의 제2 전극에 연결되며, 제2 그래핀층 및 상기 제2 그래핀층 위에 형성되어 상기 제2 그래핀층을 보호하는 제2 금속보호층을 포함하는 제2 다층박막 구조를 형성하는 공정과 상기 제1 다층박막 구조 및 상기 제2 다층박막 구조 사이에 전해질을 충전하는 공정을 포함할 수 있다.
상기 제1 다층박막 구조를 형성하는 공정은 상기 제1 전극에 연결된 음극 기판 위에 상기 제1 그래핀층을 형성하는 공정, 상기 제1 그래핀층 위에 스퍼터링, 열증착, 화학기상증착, 원자층증착 중 하나 이상의 방법을 이용하여 제1 금속보호층을 형성하는 공정과 상기 제1 금속보호층 위에 스퍼터링, 열증착, 화학기상증착, 원자층증착, 및 습식코팅 이후 열처리 중 하나 이상의 방법을 을 이용하여 금속산화물로 구성된 환원착색층을 형성하는 공정을 포함할 수 있다.
상기 제2 다층박막 구조를 형성하는 공정은 상기 음극 기판과 대향하고 상기 제2 전극에 연결된 양극 기판 위에 상기 제2 그래핀층을 형성하는 공정, 상기 제2 그래핀층 위에 스퍼터링, 열증착, 화학기상증착, 및 원자층증착 중 하나 이상의 방법을 이용하여 제2 금속보호층을 형성하는 공정과 상기 제2 금속보호층 위에 스퍼터링, 열증착, 화학기상증착, 원자층증착, 및 습식코팅 이후 열처리 중 하나 이상의 방법을 이용하여 금속산화물로 구성된 산화착색층을 형성하는 공정을 포함할 수 있다.
상기 제1 그래핀층 및 상기 제2 그래핀층 아래에 형성된 
이하의 면저항을 가지는 금속 메쉬를 형성하는 공정을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 그래핀층 및 상기 제1 금속보호층은 불투명한 금속으로 대체되거나, 상기 제2 그래핀층 및 상기 제2 금속보호층은 불투명한 금속으로 대체될 수 있다.
상기 제1 그래핀층 및 상기 제1 금속보호층은 투명 전도성 산화물층으로 대체되거나, 상기 제2 그래핀층 및 상기 제2 금속보호층은 투명 전도성 산화물층으로 대체될 수 있다.
상기 환원착색층 및 상기 산화착색층 중 하나는 이온저장층으로 대체될 수 있다.
도 1은 전기변색 소자를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 다양한 실시예에 따른 전기변색 소자를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 다양한 실시예에 따른 전기변색 소자를 변형한 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 다양한 실시예에 따른 전기변색 소자를 변형한 다른 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 다양한 실시예에 따른 전기변색 소자를 변형한 다른 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 다양한 실시예에 따른 전기변색 소자를 변형한 다른 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 다양한 실시예에 따른 전기변색 소자를 변형한 다른 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 도 2에 도시된 다층박막 구조의 광 투과율을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 도 2에 도시된 다층박막 구조의 전도성 및 전기변색 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 다양한 실시예에 따른 전기변색 소자를 제조하는 방법의 일 예에 대한 흐름도이다.
도 2는 다양한 실시예에 따른 전기변색 소자를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 다양한 실시예에 따른 전기변색 소자를 변형한 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 다양한 실시예에 따른 전기변색 소자를 변형한 다른 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 다양한 실시예에 따른 전기변색 소자를 변형한 다른 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 다양한 실시예에 따른 전기변색 소자를 변형한 다른 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 다양한 실시예에 따른 전기변색 소자를 변형한 다른 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 도 2에 도시된 다층박막 구조의 광 투과율을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 도 2에 도시된 다층박막 구조의 전도성 및 전기변색 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 다양한 실시예에 따른 전기변색 소자를 제조하는 방법의 일 예에 대한 흐름도이다.
실시예들에 대한 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 예시를 위한 목적으로 개시된 것으로서, 다양한 형태로 변경되어 구현될 수 있다. 따라서, 실제 구현되는 형태는 개시된 특정 실시예로만 한정되는 것이 아니며, 본 명세서의 범위는 실시예들로 설명한 기술적 사상에 포함되는 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.
제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이런 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 해석되어야 한다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설명된 특징, 숫자, 단계, 공정, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 공정, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 실시예들을 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 부여하고, 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 전기변색 소자를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 전기변색 소자(100)는 전기변색층(112), 제1 전극층(114), 이온저장층(122), 제2 전극층(124), 및 전해질(130)을 포함할 수 있다. 전기변색 소자(100)는 외부 전원(140)에 연결될 수 있다. 제1 전극층(114)은 외부 전원(140)의 음극과 연결되어 제1 전극층(114) 위에 전기변색층(112)을 형성할 수 있고, 제1 전극층(114)과 대향된 제2 전극층(124)은 외부 전원(140)의 양극과 연결되어 제2 전극층(124) 위에 이온저장층(122)을 형성할 수 있다. 전해질(130)은 두 개의 대향된 제1 전극층(114) 및 제2 전극층(124) 사이에 충전될 수 있다.
전기변색층(112)은 전기변색을 나타내는 환원착색(cathodic coloration) 물질인 환원착색 전이금속산화물을 포함할 수 있다. 환원착색 전이금속산화물은 전압을 입력 받으면 환원착색 전이금속산화물에 양이온이 삽입됨과 동시에 환원착색 전이금속산화물의 금속이 환원되면서 착색이 되는 물질이다. 예를 들어, 환원착색 전이금속산화물은 산화텅스텐, 산화몰리브덴, 산화니오븀, 산화티타늄 등이 있다.
이온저장층(122)은 전기변색층(112)에서 탈색(bleaching)이 일어날 때 빠져나온 전하를 임시적으로 저장할 수 있다. 이온저장층(122)은 전기변색 소자(100)의 광 차폐율을 높이기 위해 산화착색(anodic coloration) 물질인 산화착색 전이금속산화물로 대체될 수 있다. 이온저장층(122)이 산화착색 전이금속산화물로 대체되는 경우에는 전기변색 소자(100)에 전압을 걸었을 때 대체된 산화착색 물질과 전기변색층(112)의 환원착색 물질에서 동시에 착색이 일어날 수 있다. 산화착색 전이금속산화물은 환원착색 전이금속산화물과 반대로 산화착색 전이금속산화물에 전압을 걸었을 때 산화착색 전이금속산화물 내로 전자 및 음이온이 삽입되고, 산화착색 전이금속산화물의 금속이 산화되면서 착색이 되는 물질이다. 예를 들어, 산화착색 전이금속산화물은 산화바나듐, 산화크롬, 산화철, 산화망간, 산화니켈, 산화로듐, 산화이리듐 등이 있다.
전기변색 소자(100)의 투명성이 요구되는 경우(예: 스마트창 등), 제1 전극층(114) 및 제2 전극층(124)은 모두 투명해야 한다. 예를 들어, 동절기와 같이 외부 온도가 낮을 때는 스마트창의 창이 투명해져서 태양광을 투과시켜야 하는데 제1 전극층(114) 및 제2 전극층(124)이 불투명하면 전기변색층에 탈색이 일어난다고 하더라도 스마트창이 불투명해 태양광을 투과시킬 수 없기 때문이다.
도 2는 다양한 실시예에 따른 전기변색 소자를 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 다양한 실시예에 따르면, 전기변색 소자(200)는 제1 다층박막 구조(210), 제2 다층박막 구조(220), 전해질(230), 및 전원 패드(240)를 포함할 수 있다. 제1 다층박막 구조(210)는 외부 전원(240)의 제1 전극(예: 음극)에 연결될 수 있고, 환원착색층(212), 제1 금속보호층(214), 제1 그래핀층(216), 및, 음극 기판(218)을 포함할 수 있다. 제2 다층박막 구조(220)는 외부 전원(240)의 제2 전극(예: 양극)에 연결될 수 있고, 산화착색층(222), 제2 금속보호층(224), 제2 그래핀층(226), 및 양극 기판(228)을 포함할 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 음극 기판(218)은 외부 전원(240)의 제1 전극(예: 음극)에 연결되어 제1 다층박막 구조의 가장 아래쪽의 하부층일 수 있다. 양극 기판(228)은 음극 기판(218)과 대향하는 것일 수 있고, 외부 전원(240)의 제2 전극(예: 양극)에 연결되어 제2 다층박막 구조의 가장 아래쪽의 하부층일수 있다. 음극 기판(218) 및 양극 기판(228)은 유리, 사파이어, 플라스틱 필름 등 다양한 소재의 투명 기판일 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 제1 그래핀층(216)은 음극 기판(218) 위에 형성(예: 도포 또는 전사)될 수 있고, 제2 그래핀 층(226)은 양극 기판 위에 형성(예: 도포 또는 전사)될 수 있다. 제1 그래핀 층(216) 및 제2 그래핀 층(226)은 화학기상증착법으로 제조한 단일층(single layer), 또는 다층(multilayer) 그래핀 필름을 기판 위에 전사한 것일 수 있다. 전기변색 소자(200)의 제조 비용을 절감하기 위해, 제1 그래핀층(216) 및 제2 그래핀 층(226)은 산화그래핀 플레이크를 환원시켜 제조한 rGO(reduced graphene oxide) 플레이크를 습식코팅(예: 스핀코팅, 바코팅, 슬롯다이코팅, 스프레이코팅 등) 방법으로 기판 위에 도포하고 열처리하여 제조한 것일 수 있다. 그래핀을 음극 기판(218) 및 양극 기판(228) 각각 위에 전사하거나 코팅하기 위해서 음극 기판(218) 및 양극 기판(228) 각각은 그래핀을 도포하기 전에 표면처리 공정(예: 산소플라즈마 처리, 자외선 조사, 오존 처리 등)으로 처리된 것일 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 제1 금속보호층(214)은 제1 그래핀층(216) 위에 형성될 수 있고, 제2 금속보호층(224)은 제2 그래핀층(226) 위에 형성될 수 있다. 제1 금속보호층(214) 및 제2 금속보호층(224)은 스퍼터링(sputtering), 열증착(thermal evaporation), 화학기상증착(CVD), 원자층증착(ALD) 중 하나 이상을 포함하는 방법으로 제조된 것일 수 있다. 제1 금속보호층(214) 및 제2 금속보호층(224)을 형성하는 공정은 진공 상태에서 처리되거나 또는 불활성 가스 분위기(atmosphere)를 이용하여 제1 금속보호층(214) 및 제2 금속보호층(224)을 형성할 때 제1 그래핀층(216) 및 제2 그래핀층(226)의 손상을 억제할 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 제1 금속보호층(214) 및 제2 금속보호층(224)에는 공정의 편의를 위하여 전기변색층(예: 환원착색층(212), 산화착색층(222))의 조성 중 일부와 동일한 금속을 사용할 수 있다. 예를 들어, 전기변색층에 산화텅스텐을 사용하고 금속보호층에 텅스텐을 사용한 경우, 스퍼터링 방법을 이용하여 그래핀층 위에 산화텅스텐과 텅스텐을 하나의 챔버에서 동일한 타겟을 이용하여 순차적으로 증착할 수 있으므로 공정상의 편의를 높일 수 있다. 금속보호층에는 은, 금, 백금, 구리, 텅스텐, 몰리브덴, 니오븀, 티타늄, 바나듐, 크롬, 철, 망간, 니켈, 로듐, 이리듐, 및 알루미늄 중 하나 이상을 포함하여 사용할 수 있다. 전기변색 소자(200)는 높은 광 투과율 및 낮은 면 저항 특성을 확보하기 위해, 금속보호층에 광 투과율이 비교적 높은 금속(예: 은, 구리 등)을 사용한 경우에는 금속보호층의 두께를 30 nm 이하로 제한하고, 금속보호층에 광 투과율이 비교적 낮은 금속(예: 알루미늄)을 사용한 경우에는 금속보호층의 두께를 10 nm 이하로 제한할 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 환원착색층(212)은 제1 금속보호층(214) 위에 형성될 수 있고, 산화착색층(222)은 제2 금속보호층(224) 위에 형성될 수 있다. 환원착색층(212)에는 전기변색 특성을 나타내는 환원착색 전이금속산화물 (예: 산화텅스텐, 산화몰리브덴, 산화니오븀, 산화티타늄 등)을 사용할 수 있고, 산화착색층(222)에는 전기변색 특성을 나타내는 산화착색 전이금속산화물(예: 산화바나듐, 산화크롬, 산화철, 산화망간, 산화니켈, 산화로듐, 산화이리듐 등)을 사용할 수 있다. 환원착색층(212) 및 산화착색층(222)은 스퍼터링(sputtering), 열증착(thermal evaporation), 화학기상증착(CVD), 원자층증착(ALD) 및 습식코팅 이후 열처리 중 하나 이상의 방법을을 이용하여 제조된 것이거나, 환원착색층(212) 및 산화착색층(222)을 구성하는 금속산화물의 미세입자가 포함된 용액을 습식코팅(예: 스핀코팅, 바코팅, 슬롯다이코팅, 스프레이코팅 등)의 방법으로 도포한 후 열처리하여 제조된 것일 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 전해질(230)은 제1 다층박막 구조(210) 및 제2 다층박막 구조(220) 사이에 위치하여 전하의 이동을 매개할 수 있다. 전해질(230)은 액체 및 고체 중 어느 하나일 수 있다. 제1 다층박막 구조(210) 및 제2 다층박막 구조(220) 사이에 전해질(230) 이외에도 분리막을 추가적으로 설치할 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 전원 패드(240)는 전기변색 소자(200)를 외부 전원(240)과 연결할 수 있고 
이하의 면저항을 가질 수 있다. 전원 패드(240)는 전해질(230)과 접촉하지 않는 위치에서 전기변색 소자(200)와 연결될 수 있다. 예를 들어, 제1 다층박막 구조(210) 및 제2 다층박막 구조(220) 중 하나 이상에 포함된 층(예: 음극 기판 (218), 제1 그래핀층(216), 제1 금속보호층(215), 환원착색층(212), 양극 기판(228), 제2 그래핀층(226), 제2 금속보호층(224), 및 산화착색층(222)) 상에 형성할 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 전기변색 소자(200)는 제1 그래핀층(216) 및 제2 그래핀층(226)에 기초하여 내충격성과 폼팩터 특성을 향상시키고, 적외선 투과율과 적외선 영역 콘트라스트 비를 증가시킬 수 있다. 그래핀은 투명 전도성 산화물(예: 산화인듐주석(indium tin oxide(ITO)) 등)에 비해 유연성이 뛰어나고, 적외선 투과율이 낮은 투명 전도성 산화물과는 달리 적외선 영역에서 광 투과율이 높아 적외선 영역의 콘트라스트 비를 높일 수 있다. 전기변색 소자(200)는 제1 금속보호층(214) 및 제2 금속보호층(224)의 두께를 최대 30nm 이하로 얇게 제한하여 금속층에 의한 광 반사 및 흡수를 최소화함으로써 제1 금속보호층(214) 및 제2 금속보호층(224)의 삽입으로 인한 광투과율의 저하를 최소화할 수 있고, 전기변색 소자(200)의 투명성 및 유연성을 유지할 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 전기변색 소자(200)는 제1 금속보호층(214) 및 제2 금속보호층(224)에 기초하여 제1 그래핀층(216) 및 제2그래핀층(226) 각각을 효과적으로 보호할 수 있다. 기존의 전기변색 소자(예: 도 1의 전기변색 소자(100))가 그래핀을 제1 전극층(114) 또는 제2 전극층(124)로 사용할 경우 전기변색층(예: 도 1의 전기변색층(112))을 구성하는 환원착색 전이금속산화물 및 이온저장층(예: 도 1의 이온저장층(122))을 대체한 산화착색 전이금속산화물로 이루어진 박막의 제조 공정에 제한이 생길 수 있다. 전이금속산화물 박막의 제조에 널리 사용되는 스퍼터링 방법이 대부분 공정가스로 아르곤(Ar)과 함께 산소를 사용함에 따라 전이금속산화물 박막의 제조 과정에서 산소 플라즈마가 발생할 수 있다. 산소 플라즈마는 그래핀에 큰 손상을 주어 면저항이 크게 증가하고, 결과적으로 제1 전극층(114) 또는 제2 전극층(124) 중 하나 이상은 전극으로서의 기능을 수행할 수 없게 될 수 있다. 또한 습식코팅 공정으로 제1 전극층(114) 또는 제2 전극층(124) 중 하나 이상의 위에 전이금속산화물 박막을 형성할 경우에도 제1 전극층(114) 또는 제2 전극층(124) 중 하나 이상의 표면에너지를 낮추기 위해 수행하는 전처리 공정(예: 산소플라즈마 처리, 자외선 오존 처리 등)으로 인해 제1 전극층(114) 또는 제2 전극층(124) 중 하나 이상이 큰 손상을 입을 수 있기 때문에 습식코팅 공정에도 큰 제한이 생길 수 있다. 반면에, 전기변색 소자(200)는 제1 그래핀층(216)과 환원착색층(212) 사이에 제1 금속보호층(214)을 삽입하고, 제2 그래핀층(226)과 산화착색층(222) 사이에 제2 금속보호층(224)을 삽입하여 적층하는 다층박막 구조를 이용하므로 환원착색층(212) 및 산화착색층(222)의 금속산화물 박막을 형성하는 공정 중에 발생할 수 있는 제1 그래핀층(216) 및 제2 그래핀층(226)의 손상을 방지할 수 있다. 금속산화물 박막을 형성하는 공정에서 산소 플라즈마와 같이 산소가 포함된 분위기(atmosphere)를 사용하더라도 제1 금속보호층(214) 및 제2 금속보호층(224)이 아래의 제1 그래핀층(216) 및 제2 그래핀층(226)을 보호하여 제1 금속보호층(214) 및 제2 금속보호층(224)의 상부 표면만이 산화될 뿐이고 제1 그래핀층(216) 및 제2 그래핀층(226)에 손상을 주지 않을 수 있다.
다양한 실시예에 따른 전기변색 소자(200)의 환원착색층(212) 및 산화착색층(222)에 사용된 금속산화물이 산화텅스텐인 경우를 예를 들어 상세하게 설명하도록 한다. 음극 기판(218) 및 양극 기판(228)은 PET(polyethylene terephthalate)로 이루어진 것일 수 있다. 제1 그래핀층(216) 및 제2 그래핀층(226)은 음극 기판(218) 및 양극 기판(228) 각각의 위에 전사 공정에 의해 5겹으로 형성된 것일 수 있다. 제1 금속보호층(214) 및 제2 금속보호층(224)은 제1 그래핀층(216) 및 제2 그래핀층(226) 위에 DC 스퍼터링 공정을 이용하여 증착된 5 nm의 텅스텐 금속층일 수 있다. 텅스텐의 증착은 스퍼터링 파워 100 W, 20 mTorr의 챔버압, 및 공정가스로 Ar 가스 (유량 20 sccm)를 이용하는 조건 하에서 수행될 수 있다. 증착의 타겟(target)은 99.9% 이상의 순도를 가진 텅스텐 금속 타겟이고, 챔버의 기저압력은 
일 수 있다. 환원착색층(212) 및 산화착색층(222)은 스퍼터링 공정을 이용하여 텅스텐 금속층 위에 300 nm의 두께로 증착된. 산화텅스텐층일 수 있다. 산화텅스텐의 증착은 스퍼터링 파워 100 W, 20 mTorr의 챔버압, 공정가스로 Ar 가스 (유량 20 sccm) 및 O2 가스 (유량 3 sccm)을 사용하는 조건 하에서 수행될 수 있다. 증착의 타겟은 99.9% 이상의 순도를 가진 텅스텐 금속 타겟이고, 챔버의 기저압력은 5 x 10-6 Torr 일 수 있다.
도 3은 다양한 실시예에 따른 전기변색 소자를 변형한 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 다양한 실시예에 따르면, 전기변색 소자(300)는 도 2를 참조하여 설명한 환원착색층(212), 제1 금속보호층(214), 제1 그래핀층(216), 음극 기판(218), 산화착색층(222), 제2 금속보호층(224), 제2 그래핀층(226), 양극 기판(228), 전해질(230), 및 전원 패드(240)를 포함할 수 있다. 전기변색 소자(300)는 제1 금속 메쉬(310) 및 제2 금속 메쉬(320)를 더 포함할 수 있다. 전기변색 소자(300)는 도 2에 도시된 제1 그래핀층(216) 및 제2 그래핀층(226) 각각 아래에 제1 금속 메쉬(310) 및 제2 금속 메쉬(320)을 삽입한 것일 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 전기변색 소자(300)는 제1 그래핀층(216)의 면저항이 충분히 낮지 않은 경우에는 제1 그래핀층(216)의 하부에 제1 금속 메쉬(310)를 형성할 수 있고, 제2 그래핀층(226)의 면저항이 충분히 낮지 않은 경우에는 제2 그래핀층(226)의 하부에 제2 금속 메쉬(320)를 형성할 수 있다. 제1 금속 메쉬(310) 및 제2 금속 메쉬(320)는 면저항이 
이하인 것일 수 있다. 전기변색 소자(300)는 제1 금속 메쉬(310) 및 제2 금속 메쉬(320) 중 하나 이상에 기초하여 광 투과율을 높게 유지하면서 면저항을 크게 낮출 수 있다.
도 4는 다양한 실시예에 따른 전기변색 소자를 변형한 다른 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 다양한 실시예에 따르면, 전기변색 소자(300)는 도 2를 참조하여 설명한 환원착색층(212), 음극 기판(218), 산화착색층(222), 양극 기판(228), 전해질(230), 및 전원 패드(240)를 포함할 수 있다. 전기변색 소자(300)는 도 2를 참조하여 설명한 제1 금속보호층(214) 및 제1 그래핀층(216), 또는 제2 금속보호층(224) 및 제2 그래핀층(226)을 포함할 수 있다. 전기변색 소자(300)는 불투명 금속층(410)을 더 포함한 것일 수 있다. 전기변색 소자(400)는 도 2에 도시된 제1 그래핀층(216) 및 제1 금속보호층(214), 또는 제2 그래핀층(226) 및 제2 금속보호층(224)이 불투명 금속층(410)으로 대체된 것일 수 있다. 불투명 금속층(410)은 불투명 금속일 수 있다. 전기변색 소자(400)는 불투명 금속층(410)에 기초하여 전기변색 소자(200)에 비해 투명성이 낮도록 조절할 수 있다.
도 5는 다양한 실시예에 따른 전기변색 소자를 변형한 다른 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 다양한 실시예에 따르면, 전기변색 소자(500)는 도 2를 참조하여 설명한 환원착색층(212), 음극 기판(218), 산화착색층(222), 양극 기판(228), 전해질(230), 및 전원 패드(240)를 포함할 수 있다. 전기변색 소자(500)는 도 2를 참조하여 설명한 제1 금속보호층(214) 및 제1 그래핀층(216), 또는 제2 금속보호층(224) 및 제2 그래핀층(226)을 포함할 수 있다. 전기변색 소자(500)는 투명 전도성 산화물(transparent conducting oxide(TCO))층(510)을 더 포함한 것일 수 있다. 전기변색 소자(400)는 도 2에 도시된 제1 그래핀층(216) 및 제1 금속보호층(214), 또는 제2 그래핀층(226) 및 제2 금속보호층(224)이 투명 전도성 산화물층(510)으로 대체된 것일 수 있다. 전기변색 소자(500)는 투명 전도성 산화물층(510)에 기초하여 전기변색 소자(200)에 비해 적외선 투과율이 낮도록 조절할 수 있다.
도 6은 다양한 실시예에 따른 전기변색 소자를 변형한 다른 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 6을 참조하면, 다양한 실시예에 따르면, 전기변색 소자(600)는 도 2를 참조하여 설명한 제1 금속보호층(214), 제1 그래핀층(216), 음극 기판(218), 제2 금속보호층(224), 제2 그래핀층(226), 양극 기판(228), 전해질(230), 및 전원 패드(240)를 포함할 수 있다. 전기변색 소자(600)는 환원착색층(212) 또는 산화착색층(222)을 포함할 수 있다. 전기변색 소자(600)는 이온저장층(610)을 더 포함할 수 있다. 전기변색 소자(600)는 도 2에 도시된 환원착색층(212) 또는 산화착색층(222)이 이온저장층(610)으로 대체된 것일 수 있다. 전기변색 소자(600)는 환원착색층(212) 또는 산화착색층(222)을 착색 또는 탈색이 되는 층으로 사용하고, 이온저장층(610)을 전하의 저장 및 공급 기능만을 하는 층으로 사용할 수 있다.
도 7은 다양한 실시예에 따른 전기변색 소자를 변형한 다른 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 7을 참조하면, 다양한 실시예에 따르면, 전기변색 소자(700)는 도 2를 참조하여 설명한 제1 그래핀층(216), 음극 기판(218), 제2 그래핀층(226), 양극 기판(228), 전해질(230), 및 전원 패드(240)를 포함할 수 있다. 전기변색 소자(700)는 환원착색층(212) 및 제1 금속보호층(214), 또는 산화착색층(222) 및 제2 금속보호층(224)을 포함할 수 있다. 전기변색 소자(700)는 도 2에 도시된 전기변색 소자(200)에서 환원착색층(212) 및 제1 금속보호층(214), 또는 산화착색층(222) 및 제2 금속보호층(224)을 제거함으로써, 탈색했을 때 광 투과율이 높은 소자를 구현할 수 있다.
도 8은 도 2에 도시된 다층박막 구조의 광 투과율을 설명하기 위한 도면이다.
도 8을 참조하면, 다양한 실시예에 따르면, 다층박막 구조(예: 도 2의 제1 다층박막 구조(210), 제2 다층박막 구조(220))의 주입된 광의 파장에 따른 광 투과율을 다른 구조에서의 광 투과율과 비교할 수 있다. 다층박막 구조(예: 도 2의 제1 다층박막 구조(210), 제2 다층박막 구조(220))에 포함된 음극 기판(예: 도 2의 음극 기판(218)), 제1 그래핀층(216)(예: 도 2의 제1 그래핀층(216)), 제1 금속보호층(예: 도 2의 제1 금속보호층(214)), 및 환원착색층(예: 도 2의 환원착색층(212))이 각각 PET 기판, 5겹의 그래핀층, 텅스텐 금속층, 및 산화텅스텐층일 수 있다. 다층박막 구조와 비교할 제1 구조는 PET(polyethylene terephthalate) 기판으로만 이루어진 단층 구조일 수 있고, 제2 구조는 PET 기판 위에 5겹의 그래핀층이 형성(예: 도포)된 기판일 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 다층박막 구조에서의 광 투과율은 제1 구조 및 제2 구조에서와 같거나, 제1 구조 및 제2 구조에서보다 작더라도 70% 이상의 높은 광 투과율을 나타낼 수 있다. 다층박막 구조의 경우 총 4개의 층이 적층되어 있으므로 제1 구조 및 제2 구조에 비해 추가적인 층(예: 텅스텐 금속층 및 산화텅스텐층)으로 인해 광 투과가 저해 요인일 수 있지만, 텅스텐 금속층 및 산화텅스텐층의 광 투과율 저하 효과는 작을 수 있다. 예를 들어, 파장이 380nm 내지 780nm인 경우(예: 가시광선 영역) 및 파장이 780nm 내지 2500nm인 경우(예: 적외선 영역), 다층박막 구조의 광 투과율은 텅스텐 금속층 및 산화텅스텐층의 삽입에도 불구하고 70% 이상으로 우수할 수 있다. 다층박막 구조를 사용한 전기변색 소자(예: 도 2의 전기변색 소자(200))는 780nm 내지 2500nm의 파장을 가지는 적외선을 70% 이상 투과시킬 수 있으므로 전기변색 소자(200)의 적외선 흡수에 의한 콘트라스트 비의 저하를 방지할 수 있다.
도 9는 도 2에 도시된 다층박막 구조의 전도성 및 전기변색 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 9를 참조하면, 다양한 실시예에 따르면, 반전지 시스템을 이용하여 다층박막 구조(예: 도 2의 제1 다층박막 구조(210), 제2 다층박막 구조(220))의 전류-전압 특성을 측정할 수 있다. 다층박막 구조(예: 도 2의 제1 다층박막 구조(210), 제2 다층박막 구조(220))에 포함된 음극 기판(예: 도 2의 음극 기판(218)), 제1 그래핀층(216)(예: 도 2의 제1 그래핀층(216)), 제1 금속보호층(예: 도 2의 제1 금속보호층(214)), 및 환원착색층(예: 도 2의 환원착색층(212))이 각각 PET 기판, 5겹의 그래핀층, 텅스텐 금속층, 및 산화텅스텐층일 수 있다. 반전지 구성에 사용한 전해질은 0.5 M LiClO4 in propylene carbonate이고, 상대 전극으로는 백금 막대를 이용할 수 있다. 다층박막 상에 실버페이스트를 도포하여 외부 전원에 연결할 수 있다. 다층박막 구조의 전류-전압 특성에 따르면, 음전압(예: -1V)에서의 전하 주입이 원활하고 양전압(예: +1V)에서의 전하 유출이 원활한 것을 확인할 수 있다. 또한, 다층박막 구조는 음전압(예: -1V)에서 착색되어 불투명해지고, 양전압(예: +1V)에서 탈색되어 투명해져서 전기변색 효과가 뚜렷하게 구현됨을 확인할 수 있다. 다층박막 구조를 사용한 전기변색 소자(예: 도 2의 전기변색 소자(200))는 텅스텐층의 삽입으로, 투명성을 유지하면서도 텅스텐층이나 산화텅스텐층을 형성하는 공정에서 그래핀의 손상이 거의 일어나지 않고 충분한 전하 전달을 할 수 있다.
도 10은 다양한 실시예에 따른 전기변색 소자를 제조하는 방법의 일 예에 대한 흐름도이다.
도 10을 참조하면, 다양한 실시예에 따르면, 공정 1010 내지 공정 1030은 전기변색 소자(예: 도 2의 전기변색 소자(200))가 그래핀 전극을 포함하는 전기변색 소자를 생성하는 공정을 설명하기 위한 것일 수 있다.
공정 1010에서, 전기변색 소자(200)는 제1 다층박막(예: 도 2의 제1 다층박막 구조(210))를 포함할 수 있다. 제1 다층박막 구조(210)는 외부 전원(예: 도 2의 외부 전원(240))의 제1 전극(예: 음극)에 연결되며, 제1 그래핀층(예: 도 2의 제1 그래핀층(216)) 및 제1 그래핀층(216) 위에 형성되어 제1 그래핀층(216)을 산소로부터 보호하는 제1 금속보호층(예: 도 2의 제1 금속보호층(214))을 포함할 수 있다.
공정 1020에서, 전기변색 소자(200)는 제2 다층박막(예: 도 2의 제2 다층박막 구조(220))를 포함할 수 있다. 제2 다층박막 구조(220)는 상기 외부 전원의 제2 전극(예: 양극)에 연결되며, 제2 그래핀층(예: 도 2의 제2 그래핀층(226)) 및 제2 그래핀층(226) 위에 형성되어 제2 그래핀층(226)을 산소로부터 보호하는 제2 금속보호층(예: 도 2의 제2 금속보호층(224))을 포함할 수 있다.
공정 1030에서, 제1 다층박막 구조(210) 및 제2 다층박막 구조(220) 사이에 전해질(230)을 충전할 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
Claims (16)
- 전기변색 소자에 있어서,
외부 전원의 제1 전극에 연결되며, 제1 그래핀층 및 상기 제1 그래핀층 위에 형성되어 상기 제1 그래핀층을 산소로부터 보호하는 제1 금속보호층을 포함하는 제1 다층박막 구조;
상기 외부 전원의 제2 전극에 연결되며, 제2 그래핀층 및 상기 제2 그래핀층 위에 형성되어 상기 제2 그래핀층을 산소로부터 보호하는 제2 금속 보호층을 포함하는 제2 다층박막 구조; 및
상기 제1 다층박막 구조 및 상기 제2 다층박막 구조 사이에 충전된 전해질
을 포함하는 전기변색 소자.
- 제1항에 있어서,
상기 제1 다층박막 구조는,
상기 외부 전원의 제1 전극에 연결되고 상기 제1 그래핀층 아래에 위치한 음극 기판; 및
상기 제1 금속보호층 위에 형성된 환원착색층
을 더 포함하는, 전기변색 소자.
- 제2항에 있어서,
상기 제2 다층박막 구조는,
상기 외부 전원의 제2 전극에 연결되고 상기 제2 그래핀층 아래에 위치한 양극 기판; 및
상기 제2 금속보호층 위에 형성된 산화착색층
을 더 포함하는, 전기변색 소자.
- 제3항에 있어서,
상기 제1 금속보호층은,
상기 환원착색층 조성 중 일부와 동일한 성분의 금속을 포함하고,
상기 제2 금속보호층은,
상기 산화착색층 조성 중 일부와 동일한 성분의 금속을 포함하는, 전기변색 소자.
- 제3항에 있어서,
상기 제1 다층박막 구조 및 상기 제2 다층박막 구조 각각은,
상기 제1 그래핀층 아래 및 상기 제2 그래핀층 아래에 형성된이하의 면저항을 가지는 금속 메쉬
를 더 포함하는, 전기변색 소자.
- 제3항에 있어서,
상기 제1 그래핀층 및 상기 제1 금속보호층은 불투명한 금속으로 대체되거나,
상기 제2 그래핀층 및 상기 제2 금속보호층은 불투명한 금속으로 대체되는, 전기변색 소자.
- 제3항에 있어서,
상기 제1 그래핀층 및 상기 제1 금속보호층은 투명 전도성 산화물(transparent conducting oxide(TCO))층으로 대체되거나,
상기 제2 그래핀층 및 상기 제2 금속보호층은 투명 전도성 산화물층으로 대체되는, 전기변색 소자.
- 제3항에 있어서,
상기 환원착색층 및 상기 산화착색층 중 하나는 이온저장층으로 대체되는, 전기변색 소자.
- 제3항에 있어서,
상기 환원착색층 및 상기 제1 금속보호층이 제거되거나, 상기 산화착색층 및 상기 제2 금속보호층이 제거되는, 전기변색 소자.
- 그래핀층을 포함하는 다층박막 구조를 이용한 전기변색 소자를 제조하는 방법에 있어서,
외부전원의 제1 전극에 연결되며, 제1 그래핀층 및 상기 제1 그래핀층 위에 형성되어 상기 제1 그래핀층을 보호하는 제1 금속보호층을 포함하는 제1 다층박막 구조를 형성하는 공정;
상기 외부전원의 제2 전극에 연결되며, 제2 그래핀층 및 상기 제2 그래핀층 위에 형성되어 상기 제2 그래핀층을 보호하는 제2 금속보호층을 포함하는 제2 다층박막 구조를 형성하는 공정; 및
상기 제1 다층박막 구조 및 상기 제2 다층박막 구조 사이에 전해질을 충전하는 공정
을 포함하는 전기변색 소자 제조 방법.
- 제10항에 있어서,
상기 제1 다층박막 구조를 형성하는 공정은,
상기 제1 전극에 연결된 음극 기판 위에 상기 제1 그래핀층을 형성하는 공정;
상기 제1 그래핀층 위에 스퍼터링, 열증착, 화학기상증착, 원자층증착 중 하나 이상의 방법을 이용하여 제1 금속보호층을 형성하는 공정; 및
상기 제1 금속보호층 위에 스퍼터링, 열증착, 화학기상증착, 원자층증착, 및 습식코팅 이후 열처리 중 하나 이상의 방법을을 이용하여 금속산화물로 구성된 환원착색층을 형성하는 공정
을 포함하는 전기변색 소자 제조 방법.
- 제11항에 있어서,
상기 제2 다층박막 구조를 형성하는 공정은,
상기 음극 기판과 대향하고 상기 제2 전극에 연결된 양극 기판 위에 상기 제2 그래핀층을 형성하는 공정;
상기 제2 그래핀층 위에 스퍼터링, 열증착, 화학기상증착, 및 원자층증착 중 하나 이상의 방법을 이용하여 제2 금속보호층을 형성하는 공정; 및
상기 제2 금속보호층 위에 스퍼터링, 열증착, 화학기상증착, 원자층증착, 및 습식코팅 이후 열처리 중 하나 이상의 방법을 이용하여 금속산화물로 구성된 산화착색층을 형성하는 공정
을 포함하는 전기변색 소자 제조 방법.
- 제12항에 있어서,
상기 제1 그래핀층 및 상기 제2 그래핀층 아래에 형성된이하의 면저항을 가지는 금속 메쉬를 형성하는 공정
을 더 포함하는, 전기변색 소자 제조 방법.
- 제12항에 있어서,
상기 제1 그래핀층 및 상기 제1 금속보호층은 불투명한 금속으로 대체되거나,
상기 제2 그래핀층 및 상기 제2 금속보호층은 불투명한 금속으로 대체되는, 전기변색 소자 제조 방법.
- 제12항에 있어서,
상기 제1 그래핀층 및 상기 제1 금속보호층은 투명 전도성 산화물층으로 대체되거나,
상기 제2 그래핀층 및 상기 제2 금속보호층은 투명 전도성 산화물층으로 대체되는, 전기변색 소자 제조 방법.
- 제12항에 있어서,
상기 환원착색층 및 상기 산화착색층 중 하나는 이온저장층으로 대체되는, 전기변색 소자 제조 방법.
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