KR20230148784A - 리튬 및 은 이온의 선택적 이동을 통한 가시광선 및 적외선 선택 차단 4중 전기 변색 소자 - Google Patents
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Abstract
전기 변색 소자가 제공된다. 상기 전기 변색 소자는, 텅스텐 산화물(WO3)을 포함하는 전기 변색층, 안티몬이 도핑된 주석 산화물(Antimony-doped Tin Oxide, ATO)를 포함하는 이온 저장층, 및 상기 전기 변색층과 상기 이온 저장층 사이에 배치되고, 리튬(Li)을 포함하는 제1 베이스 전해질, 은(Ag)을 포함하는 제2 베이스 전해질, 및 용매가 혼합된 전해질을 포함하되, 상기 전기 변색층에 인가되는 전압을 제어하여 상기 전해질 내 리튬 이온 및 은 이온의 이동을 제어함으로써, 가시광선 파장 대에 대한 투과도 및 근적외선 파장 대에 대한 투과도가 선택적으로 제어될 수 있다.
Description
본 발명은 리튬 및 은 이온의 선택적 이동을 통해 가시광선 및 적외선을 선택적으로 차단할 수 있는 전기 변색 소자에 관련된 것이다.
전기변색(Electrochromism)이란 전압을 인가하면 전계방향에 의해 가역적으로 색상이 변하는 현상으로서, 이러한 특성을 지닌 전기화학적 산화 환원반응에 의해서 재료의 광특성이 가역적으로 변할 수 있는 물질을 전기변 색물질이라고 한다. 이러한 전기변색물질은 외부에서 전기적 신호가 인가되지 않는 경우에는 색을 띠지 않고 있다가 전기적 신호가 인가되면 색을 띠게 되거나, 반대로 외부에서 신호가 인가되지 않는 경우에는 색을 띠고 있다가 신호가 인가되면 색이 소멸하는 특성을 갖는다.
전기 변색 소자는 외부에서 인가한 전압에 의한 전기변색 물질이 산화-환원 반응으로 인해 가역적으로 색이 변하는 현상을 이용한 것이다. 이러한 전기 변색 소자는 가시성을 확보할 수 있을 뿐만 아니라 사용자가 능동적으로 투과율을 조절할 수 있기 때문에 다양한 채색 변화가 가능하여 스마트 윈도우, 자동차 룸 미러, 노트북, 휴대폰, 장식 디자인 등 광범위한 응용 범위를 가진다. 이에 따라, 전기 변색 소자와 관련된 다양한 기술들이 연구되고 있다.
예를 들어, 대한민국 특허 공개 번호 10-2017-0142473(출원번호:10-2016-0075980, 출원인: 정순성)에는, 기재, 상기 기재 상에 구비되는 제1 금속 산화물층, 상기 제1 금속 산화물층 상에 구비되고 은을 포함하는 제1 금속층, 상기 제1 금속층 상에 구비되는 제2 금속 산화물층, 및 상기 제2 금속 산화물층 상에 구비되는 제2 금속층을 포함하고, 상기 제2 금속층의 금속은 은보다 산화 준위가 낮은 것을 특징으로 하는 전도성 구조체, 및 이를 포함하는 전도성 구조체 및 이를 포함하는 전기 변색 소자가 개시되어 있다. 이 밖에도, 전기 변색 소자와 관련된 다양한 기술들이 지속적으로 연구, 개발되고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 가시광선 파장 대에 대한 투과도가 선택적으로 제어되는 전기 변색 소자 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 근적외선 파장 대에 대한 투과도가 선택적으로 제어되는 전기 변색 소자 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 전기 변색층 내부 크랙 발생 문제가 현저하게 감소된 전기 변색 소자 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 환경오염 문제가 현저하게 감소된 전기 변색 소자 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 대면적 공정에 적용이 용이한 전기 변색 소자 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술된 것에 제한되지 않는다.
상술된 기술적 과제들을 해결하기 위해 본 발명은 전기 변색 소자를 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 전기 변색 소자는 텅스텐 산화물(WO3)을 포함하는 전기 변색층, 안티몬이 도핑된 주석 산화물(Antimony-doped Tin Oxide, ATO)를 포함하는 이온 저장층, 및 상기 전기 변색층과 상기 이온 저장층 사이에 배치되고, 리튬(Li)을 포함하는 제1 베이스 전해질, 은(Ag)을 포함하는 제2 베이스 전해질, 및 용매가 혼합된 전해질을 포함하되, 상기 전기 변색층에 인가되는 전압을 제어하여 상기 전해질 내 리튬 이온 및 은 이온의 이동을 제어함으로써, 가시광선 파장 대에 대한 투과도 및 근적외선 파장 대에 대한 투과도가 선택적으로 제어될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 전기 변색층에 양(+)의 전압이 인가되는 경우 상기 전해질 내 은 이온이 상기 이온 저장층으로 이동됨으로써, 가시광선 파장 대는 차단하고 근적외선 파장 대는 투과하는 가시광선 차단 모드로 구현될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 전기 변색층에 상대적으로 높은 제1 전압이 1차적으로 인가된 후 상대적으로 낮은 제2 전압이 2차적으로 인가됨에 따라, 상기 가시광선 차단 모드가 구현될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 전압을 인가하는 시간이 1초 초과 5초 미만으로 제어됨에 따라, 상기 가시광선 차단 모드가 구현될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 전압은 +4 V 이상의 크기를 가질 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 전기 변색층에 음(-)의 전압이 인가되는 경우,
상기 전해질 내 리튬 이온은 상기 전기 변색층으로 이동되고 은 이온은 상기 전해질 내 잔존됨으로써 근적외선 파장 대는 차단하고 가시광선 파장 대는 투과하는 근적외선 차단 모드로 구현되거나, 상기 전해질 내 리튬 이온 및 은 이온이 모두 상기 전기 변색층으로 이동됨으로써 근적외선 파장 대 및 가시광선 파장대를 모두 차단하는 전 파장 차단 모드로 구현될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 전 파장 차단 모드로 구현되기 위해 상기 전기 변색층에 인가되는 전압보다 상대적으로 낮은 제3 전압이 상기 전기 변색층에 인가되는 경우, 상기 근적외선 차단 모드로 구현될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 근적외선 차단 모드로 구현되기 위해 상기 전기 변색층에 인가되는 전압보다 상대적으로 높은 제4 전압이 상기 전기 변색층에 인가되는 경우, 상기 전 파장 차단 모드로 구현될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 전기 변색층에 전압이 인가되지 않는 경우 상기 전해질 내 리튬 이온 및 은 이온이 이동되지 않음으로써, 가시광선 파장 대 및 근적외선 파장 대를 모두 투과하는 투명 모드로 구현될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 베이스 전해질의 농도가 250 mM 초과 1000 mM 미만으로 제어될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 베이스 전해질은 과염소산 리튬(LiClO4)를 포함하고, 상기 제2 베이스 전해질은 질산 은(AgNO3)을 포함할 수 있다.
상술된 기술적 과제들을 해결하기 위해 본 발명은 전기 변색 소자의 제조 방법을 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 전기 변색 소자의 제조 방법은 제1 전극 상에 텅스텐 산화물(WO3)을 포함하는 전기 변색층을 형성하는 단계, 제2 전극 상에 안티몬이 도핑된 주석 산화물(Antimony-doped Tin Oxide, ATO)을 포함하는 이온 저장층을 형성하는 단계, 상기 전기 변색층 및 상기 이온 저장층이 마주보도록 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극을 접합시키는 단계, 리튬(Li)을 포함하는 제1 베이스 전해질, 은(Ag)을 포함하는 제2 베이스 전해질, 및 용매가 혼합된 전해질을 준비하는 단계, 및 상기 전기 변색층과 상기 이온 저장층 사이에 상기 전해질을 주입하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 전기 변색층은 텅스텐 산화물(WO3)이 상기 제1 전극 상에 건식 적층되어 형성되고, 상기 이온 저장층은 안티몬이 도핑된 주석 산화물(Antimony-doped Tin Oxide, ATO)이 상기 제2 전극 상에 건식 적층되어 형성되는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 전기 변색층 및 상기 이온 저장층은, 나노 입자 적층 시스템(Nanoparticle deposition system, NPDS)을 통해 형성되는 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 전기 변색 소자는, 텅스텐 산화물(WO3)을 포함하는 전기 변색층, 안티몬이 도핑된 주석 산화물(Antimony-doped Tin Oxide, ATO)를 포함하는 이온 저장층, 및 상기 전기 변색층과 상기 이온 저장층 사이에 배치되고, 리튬(Li)을 포함하는 제1 베이스 전해질, 은(Ag)을 포함하는 제2 베이스 전해질, 및 용매가 혼합된 전해질을 포함할 수 있다.
이에 따라, 상기 전기 변색 소자는, 상기 전기 변색층에 인가되는 전압에 따라 상기 전해질 내 리튬 이온 및 은 이온의 이동이 제어됨으로써, 가시광선 파장 대에 대한 투과도 및 근적외선 파장 대에 대한 투과도가 선택적으로 제어될 수 있다.
이로 인해, 상기 전기 변색 소자는, 가시광선 파장 대 및 근적외선 파장 대를 모두 투과하는 투명 모드, 가시광선 파장 대는 차단하고 근적외선 파장 대는 투과하는 가시광선 차단 모드, 근적외선 파장 대는 차단하고 가시광선 파장 대는 투과하는 근적외선 차단 모드, 가시광선 파장 대 및 근적외선 파장 대를 모두 차단하는 전 파장 차단 모드 중 어느 하나의 모드가 선택적으로 구현될 수 있다.
또한, 상기 전기 변색층을 제조하는 과정에서, 건식 적층 방법(예를 들어, Nanoparticle Deposition System)이 사용되므로, 상기 전기 변색층의 내부 크랙(crack) 발생 문제 및 환경오염 문제가 현저하게 감소되고, 대면적 공정에 용이하게 적용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 전기 변색 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 전기 변색 소자의 제조 방법 중 S100 단계 및 S200 단계를 설명하기 위한 모식도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 전기 변색 소자의 제조 방법 중 S300 단계 및 S500 단계를 설명하기 위한 모식도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 전기 변색 소자의 투명 모드를 설명하기 위한 도면이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 전기 변색 소자의 가시광선 차단 모드를 설명하기 위한 도면이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 전기 변색 소자의 근적외선 차단 모드를 설명하기 위한 도면이다.
도 10 및 도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 전기 변색 소자의 전 파장 차단 모드를 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 본 발명의 실험 예에 따른 전기 변색 소자의 전기 변색층을 촬영한 사진이다.
도 13은 본 발명의 실험 예에 따른 전기 변색 소자의 이온 저장층을 촬영한 사진이다.
도 14는 본 발명의 실험 예에 따른 전기 변색 소자의 각 모드에 대한 투과도를 설명하기 위한 도면이다.
도 15 및 도 16은 본 발명의 실험 예에 따른 전기 변색 소자의 각 모드를 촬영한 사진이다.
도 17은 본 발명의 실험 예에 따른 전기 변색 소자의 내구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 18은 본 발명의 실험 예에 따른 전기 변색 소자의 제조에 사용된 전해질과 비교 예들에 따른 전해질의 특성을 비교하는 도면이다.
도 19는 본 발명의 실험 예에 따른 전기 변색 소자의 전해질 내 LiClO4의 농도 영향을 확인하기 위한 도면이다.
도 20은 본 발명의 실험 예에 따른 전기 변색 소자를 가시광선 차단 모드로 구현하기 위해 +4 V의 전압이 지속적으로 인가된 상태를 촬영한 사진이다.
도 21은 본 발명의 실험 예에 따른 전기 변색 소자를 가시광선 차단 모드로 구현하기 위한 +4 V의 전압 인가 시간 영향을 설명하기 위한 도면이다.
도 22는 본 발명의 실험 예에 따른 전기 변색 소자를 가시광선 차단 모드로 구현하기 위한 1차 전압의 크기를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 전기 변색 소자의 제조 방법 중 S100 단계 및 S200 단계를 설명하기 위한 모식도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 전기 변색 소자의 제조 방법 중 S300 단계 및 S500 단계를 설명하기 위한 모식도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 전기 변색 소자의 투명 모드를 설명하기 위한 도면이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 전기 변색 소자의 가시광선 차단 모드를 설명하기 위한 도면이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 전기 변색 소자의 근적외선 차단 모드를 설명하기 위한 도면이다.
도 10 및 도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 전기 변색 소자의 전 파장 차단 모드를 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 본 발명의 실험 예에 따른 전기 변색 소자의 전기 변색층을 촬영한 사진이다.
도 13은 본 발명의 실험 예에 따른 전기 변색 소자의 이온 저장층을 촬영한 사진이다.
도 14는 본 발명의 실험 예에 따른 전기 변색 소자의 각 모드에 대한 투과도를 설명하기 위한 도면이다.
도 15 및 도 16은 본 발명의 실험 예에 따른 전기 변색 소자의 각 모드를 촬영한 사진이다.
도 17은 본 발명의 실험 예에 따른 전기 변색 소자의 내구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 18은 본 발명의 실험 예에 따른 전기 변색 소자의 제조에 사용된 전해질과 비교 예들에 따른 전해질의 특성을 비교하는 도면이다.
도 19는 본 발명의 실험 예에 따른 전기 변색 소자의 전해질 내 LiClO4의 농도 영향을 확인하기 위한 도면이다.
도 20은 본 발명의 실험 예에 따른 전기 변색 소자를 가시광선 차단 모드로 구현하기 위해 +4 V의 전압이 지속적으로 인가된 상태를 촬영한 사진이다.
도 21은 본 발명의 실험 예에 따른 전기 변색 소자를 가시광선 차단 모드로 구현하기 위한 +4 V의 전압 인가 시간 영향을 설명하기 위한 도면이다.
도 22는 본 발명의 실험 예에 따른 전기 변색 소자를 가시광선 차단 모드로 구현하기 위한 1차 전압의 크기를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 또한, 본 명세서에서 "연결"은 복수의 구성 요소를 간접적으로 연결하는 것, 및 직접적으로 연결하는 것을 모두 포함하는 의미로 사용된다.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 전기 변색 소자의 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이고, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 전기 변색 소자의 제조 방법 중 S100 단계 및 S200 단계를 설명하기 위한 모식도이고, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 전기 변색 소자의 제조 방법 중 S300 단계 및 S500 단계를 설명하기 위한 모식도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 제1 전극(100) 상에 텅스텐 산화물(WO3)을 포함하는 전기 변색층(200)이 형성될 수 있다(S100). 예를 들어, 상기 제1 전극(100)은 FTO 글래스(Fluorine Tin doped Oxide glass)를 포함할 수 있다. 이와 달리, 다른 예를 들어, 상기 제1 전극(100)은 ITO 글래스(Indium Tin doped Oxide glass)를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 전기 변색층(200)은 건식 적층 방법으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 전극(100) 상에 텅스텐 산화물(WO3)의 분말이 NPDS(Nanoparticle Deposition System)으로 제공될 수 있다. 이와 달리, 습식 적층 방법으로 상기 전기 변색층(200)이 형성되는 경우, 전기 변색층 내 용매의 기화로 인하여 내부 크랙(crack)이 발생되어, 전기 변색 소자의 성능이 저하되는 문제점이 발생될 수 있다. 또한, 습식 적층 방법의 경우, 환경오염의 문제점이 발생될 수 있다. 하지만, 상술된 바와 같이, 건식 적층 방법으로 상기 전기 변색층(200)이 형성되는 경우, 내부 크랙(crack) 발생 문제 및 환경오염 문제가 현저하게 감소될 수 있다.
또한, 상술된 바와 같이, 상기 전기 변색층(200)이 건식 적층 방법으로 형성됨에 따라, 상기 전기 변색층(200)은 복수의 텅스텐 산화물(WO3) 입자(particle)들이 관찰될 수 있다.
제2 전극(300) 상에 안티몬이 도핑된 주석 산화물(Antimony-doped Tin Oxide, ATO)을 포함하는 이온 저장층(400)이 형성될 수 있다(S200). 예를 들어, 상기 제2 전극(300)은 FTO 글래스(Fluorine Tin doped Oxide glass)를 포함할 수 있다. 이와 달리, 다른 예를 들어, 상기 제2 전극(300)은 ITO 글래스(Indium Tin doped Oxide glass)를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 이온 저장층(400)은 건식 적층 방법으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 전극(300) 상에 안티몬이 도핑된 주석 산화물(Antimony-doped Tin Oxide, ATO)의 분말이 NPDS(Nanoparticle Deposition System)으로 제공될 수 있다. 이에 따라, 상기 이온 저장층(400)은 복수의 ATO 입자들이 관찰될 수 있다.
상기 전기 변색층(200) 및 상기 이온 저장층(400)이 서로 마주보도록 상기 제1 전극(100) 및 상기 제2 전극(200)이 접합될 수 있다(S300). 일 실시 예에 따르면, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 전기 변색층(200) 주위에 OCA 필름을 부착한 후 상기 이온 저장층(300)이 형성된 상기 제2 전극(300)을 OCA 필름에 접합시킴으로써, 상기 제1 전극(100) 및 상기 제2 전극(300)이 접합될 수 있다.
리튬(Li)을 포함하는 제1 베이스 전해질, 은(Ag)을 포함하는 제2 베이스 전해질, 브롬(Br)을 포함하는 제3 베이스 전해질, 및 용매가 혼합된 전해질이 준비될 수 있다(S400). 예를 들어, 상기 제1 베이스 전해질은 과염소산 리튬(LiClO4)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 베이스 전해질은 질산 은(AgNO3)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제3 베이스 전해질은 테트라-n-뷰틸암모니움 브로마이드(tetra-nbutylammonium bromide, TBABr)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 용매는 다이메틸 설폭사이드(Dimethyl sulfoxide, DMSO)를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 베이스 전해질(LiClO4)의 농도가 제어됨에 따라, 후술되는 근적외선 차단 모드 및 전 파장 차단 모드의 구현이 용이하게 이루어질 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 베이스 전해질(LiClO4)의 농도가 250 mM 초과 1000 mM 미만으로 제어됨에 따라, 후술되는 근적외선 차단 모드 및 전 파장 차단 모드의 구현이 용이하게 이루어 질 수 있다. 이와 달리, 상기 제1 베이스 전해질(LiClO4)의 농도가 250 mM 이하 또는 1000 mM 이상으로 제어되는 경우, 후술되는 근적외선 차단 모드 및 전 파장 차단 모드가 구현되지 않는 문제점이 발생될 수 있다.
상기 전기 변색층(200)와 상기 이온 저장층(400) 사이에 상기 전해질(500)이 주입될 수 있다(S500). 이에 따라, 상기 실시 예에 따른 전기 변색 소자가 제조될 수 있다.
상기 전기 변색 소자는, 상기 전기 변색층(200)에 인가되는 전압에 따라 상기 전해질 내 리튬(Li) 이온 및 은(Ag) 이온의 이동이 제어되어, 가시광선 파장 대에 대한 투과도 및 근적외선 파장 대에 대한 투과도가 선택적으로 제어될 수 있다. 이로 인해, 상기 전기 변색 소자는, 투명 모드, 가시광선 차단 모드, 근적외선 차단 모드, 및 전 파장 차단 모드 중 어느 하나의 모드가 선택적으로 구현될 수 있다. 이하, 상기 투명 모드, 가시광선 차단 모드, 근적외선 차단 모드, 및 전 파장 차단 모드에 대해 구체적으로 설명된다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 전기 변색 소자의 투명 모드를 설명하기 위한 도면이고, 도 6 및 도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 전기 변색 소자의 가시광선 차단 모드를 설명하기 위한 도면이고, 도 8 및 도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 전기 변색 소자의 근적외선 차단 모드를 설명하기 위한 도면이고, 도 10 및 도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 전기 변색 소자의 전 파장 차단 모드를 설명하기 위한 도면이다.
투명 모드
도 4 및 도 5를 참조하면, 상기 전기 변색층(200)에 전압이 인가되지 않는 경우, 상기 전해질(500) 내 리튬 이온(Li+) 및 은 이온(Ag+)이 이동되지 않을 수 있다. 이에 따라, 상기 전기 변색 소자는 가시광선(VIS) 파장 대 및 근적외선(NIR) 파장 대를 모두 투과하는 투명 모드로 구현될 수 있다.
가시광선 차단 모드
도 6 및 도 7을 참조하면, 상기 전기 변색층(200)에 양(+)의 전압이 인가되는 경우, 상기 전해질(500) 내 은 이온(Ag+)이 상기 이온 저장층(400)으로 이동될 수 있다. 또한, 상기 이온 저장층(400)으로 이동된 은 이온(Ag+)은 상기 이온 저장층(400) 상에 증착될 수 있다. 이에 따라, 상기 전기 변색 소자는 가시광선(VIS) 파장 대는 차단하고 근적외선(NIR) 파장 대는 투과하는 가시광선 차단 모드로 구현될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 전기 변색층(200)에 상대적으로 높은 제1 전압이 1차적으로 인가된 후 상대적으로 낮은 제2 전압이 2차적으로 인가됨에 따라, 상기 가시광선 차단 모드가 구현될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 전압은 +4 V이고, 상기 제2 전압은 +1.7 V일 수 있다. 이와 달리, 상기 제1 전압과 상기 제2 전압의 순차적인 인가 없이, 상기 제1 전압만이 인가되는 경우 가시광선 차단 모드가 아닌 전 파장 차단 모드로 구현되는 문제점이 발생될 수 있다. 또한, 상기 제1 전압과 상기 제2 전압의 순차적인 인가 없이, 상기 제2 전압만이 인가되는 경우 가시광선의 차단이 제대로 이루어지지 않는 문제점이 발생될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 전압을 인가하는 시간이 제어됨으로써, 상기 가시광선 차단 모드가 구현될 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 전압을 인가하는 시간이 1초 초과 5초 미만으로 제어됨에 따라, 상기 가시광선 차단 모드가 구현될 수 있다. 이와 달리, 상기 제1 전압을 인가하는 시간이 1초 이하 또는 5초 이상으로 제어되는 경우, 가시광선의 차단이 제대로 이루어지지 않는 문제점이 발생될 수 있다.
또한, 일 실시 예에 따르면, 상기 제1 전압의 크기가 제어됨으로써, 상기 가시광선 차단 모드가 구현될 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 전압의 크기가 +4 V 이상으로 제어됨에 따라, 상기 가시광선 차단 모드가 구현될 수 있다. 이와 달리, 상기 제1 전압이 +4 V 미만의 크기로 제어되는 경우, 가시광선의 차단이 제대로 이루어지지 않는 문제점이 발생될 수 있다.
즉, +4 V 이상의 크기를 갖는 전압을 1초 초과 5초 미만의 시간동안 1차적으로 인가한 후 +4 V 보다 낮은 크기를 갖는 전압(예를 들어, +1.7 V)을 2차적으로 인가함에 따라, 상기 전기 변색 소자를 상기 가시광선 차단 모드로 구현할 수 있다.
근적외선 차단 모드
도 8 및 도 9를 참조하면, 상기 전기 변색층(200)에 음(-)의 전압이 인가되는 경우, 상기 전해질(500) 내 리튬 이온(Li+)은 상기 전기 변색층(200)으로 이동되고 은 이온(Ag+)은 상기 전해질(500) 내 잔존될 수 있다. 또한, 상기 전기 변색층(200)으로 이동된 리튬 이온(Li+)은 상기 전기 변색층(200) 내에 삽입될 수 있다. 이에 따라, 상기 전기 변색 소자는 근적외선(NIR) 파장 대는 차단하고 가시광선(VIS) 파장 대는 투과하는 근적외선 차단 모드로 구현될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 후술되는 전 파장 차단 모드로 구현되기 위해 상기 전기 변색층(200)에 인가되는 전압보다 상대적으로 낮은 제3 전압이 상기 전기 변색층(200)에 인가됨에 따라, 상기 근적외선 차단 모드가 구현될 수 있다. 예를 들어, 상기 제3 전압은 -2.2 V일 수 있다. 즉, 상대적으로 낮은 음의 전압을 인가함에 따라, 상기 전기 변색 소자를 근적외선 차단 모드로 구현할 수 있다.
전 파장 차단 모드
도 10 및 도 11을 참조하면, 상기 전기 변색층(200)에 음(-)의 전압이 인가되는 경우, 상기 전해질(500)내 리튬 이온(Li+) 및 은 이온(Ag+)이 모두 상기 전기 변색층(200)으로 이동될 수 있다. 또한, 상기 전기 변색층(200)으로 이동된 리튬(Li+) 이온은 상기 전기 변색층(200) 내에 삽입되고, 상기 은 이온(Ag+)은 상기 전기 변색층(200) 상에 증착될 수 있다. 이에 따라, 상기 전기 변색 소자는 근적외선(NIR) 파장 대 및 가시광선(VIS) 파장 대를 모두 차단하는 전 파장 차단 모드로 구현될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 근적외선 차단 모드로 구현되기 위해 상기 전기 변색층(200)에 인가되는 전압보다 상대적으로 높은 제4 전압이 상기 전기 변색층(200)에 인가됨에 따라, 상기 전 파장 차단 모드가 구현될 수 있다. 예를 들어, 상기 제4 전압은 -2.7 V일 수 있다. 즉, 상대적으로 높은 음의 전압을 인가함에 따라, 상기 전기 변색 소자를 전 파장 차단 모드로 구현할 수 있다.
모드 전환
상기 전기 변색층(200)에 인가되는 전압의 극성이 서로 다른 경우, 서로 다른 모드로의 전환이 바로 이루어 질 수 있다. 예를 들어, 양(+)의 전압이 인가되는 상기 가시광선 차단 모드에서 음(-)의 전압이 인가되는 상기 근적외선 차단 모드 또는 전 파장 차단 모드로의 전환은 바로 이루어질 수 있다. 또한, 음(-)의 전압이 인가되는 상기 근적외선 차단 모드 또는 전 파장 차단 모드에서 양(+)의 전압이 인가되는 상기 가시광선 차단 모드로의 전환은 바로 이루어질 수 있다.
상기 전기 변색층(200)에 인가되는 전압의 극성이 서로 같은 경우에도, 상대적으로 낮은 전압이 인가되는 상기 근적외선 차단 모드에서 상대적으로 높은 전압이 인가되는 상기 전 파장 차단 모드로의 전환은 바로 이루어질 수 있다.
다만, 상대적으로 높은 전압이 인가되는 상기 전 파장 차단 모드에서 상대적으로 낮은 전압이 인가되는 상기 근적외선 차단 모드로의 전환은 바로 이루어질 수 없다. 상기 전 파장 차단 모드에서 상기 근적외선 차단 모드로 전환하기 위해서는, 상기 투명 모드 또는 상기 가시광선 차단 모드로의 변환이 요구될 수 있다. 즉, 상기 전 파장 차단 모드에서 상기 근적외선 차단 모드로 전환하기 위해서는, 상기 전 파장 차단 모드에서 상기 투명 모드로 전환한 후 상기 투명 모드에서 상기 근적외선 차단 모드로 전환하거나, 상기 전 파장 차단 모드에서 상기 가시광선 차단 모드로 전환한 후 상기 가시광선 차단 모드에서 상기 근적외선 차단 모드로 전환할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 가시광선 차단 모드, 상기 근적외선 차단 모드, 또는 상기 전 파장 차단 모드에서 상기 투명 모드로 전환하는 경우, 낮은 역전압을 반복적으로 인가함으로써 전환 속도 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 상기 근적외선 차단 모드 또는 상기 전 파장 차단 모드에서 상기 투명 모드로 전환하는 경우, +1.5 V의 전압을 지속적으로 인가하는 방법보다 +1.5 V 인가 -> -0.5 V 인가 -> +0.5 V 인가와 같이 낮은 역전압을 반복적으로 인가함으로써 전환 속도 및 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
결과적으로, 본 발명의 실시 예에 따른 전기 변색 소자는, 텅스텐 산화물(WO3)을 포함하는 전기 변색층, 안티몬이 도핑된 주석 산화물(Antimony-doped Tin Oxide, ATO)를 포함하는 이온 저장층, 및 상기 전기 변색층과 상기 이온 저장층 사이에 배치되고, 리튬(Li)을 포함하는 제1 베이스 전해질, 은(Ag)을 포함하는 제2 베이스 전해질, 및 용매가 혼합된 전해질을 포함할 수 있다.
이에 따라, 상기 전기 변색 소자는, 상기 전기 변색층에 인가되는 전압에 따라 상기 전해질 내 리튬 이온 및 은 이온의 이동이 제어됨으로써, 가시광선 파장 대에 대한 투과도 및 근적외선 파장 대에 대한 투과도가 선택적으로 제어될 수 있다.
이로 인해, 상기 전기 변색 소자는, 가시광선 파장 대 및 근적외선 파장 대를 모두 투과하는 투명 모드, 가시광선 파장 대는 차단하고 근적외선 파장 대는 투과하는 가시광선 차단 모드, 근적외선 파장 대는 차단하고 가시광선 파장 대는 투과하는 근적외선 차단 모드, 가시광선 파장 대 및 근적외선 파장 대를 모두 차단하는 전 파장 차단 모드 중 어느 하나의 모드가 선택적으로 구현될 수 있다.
또한, 상기 전기 변색층을 제조하는 과정에서, 건식 적층 방법(예를 들어, Nanoparticle Deposition System)이 사용되므로, 상기 전기 변색층의 내부 크랙(crack) 발생 문제 및 환경오염 문제가 현저하게 감소되고, 대면적 공정에 용이하게 적용될 수 있다.
이상, 본 발명의 실시 예에 따른 전기 변색 소자 및 그 제조 방법이 설명되었다. 이하, 본 발명의 실시 예에 따른 전기 변색 소자 및 그 제조 방법의 구체적인 실험 예 및 특성 평가 결과가 설명된다.
실험 예에 따른 전기 변색 소자 제조
제1 전극 상에 WO3 분말을 NPDS(Nanoparticle deposition system)으로 건식 적층하여 전기 변색층을 형성하고, 제2 전극 상에 ATO(Antimony-doped Tin Oxide) 분말을 NPDS로 건식 적층하여 이온 저장층을 형성하였다.
이후, OCA 필름을 이용하여 전기 변색층과 이온 저장층이 마주보도록 제1 전극 및 제2 전극을 접합하고, 전기 변색층과 이온 저장층 사이에 전해질을 주입하여 실험 예에 따른 전기 변색 소자를 제조하였다.
보다 구체적으로, 제1 전극 및 제2 전극으로서 FTO glass(Fluorine Tin doped Oxide glass)를 사용하였고, 전해질로서 50 mM 농도의 AgNO3, 250 mM 농도의 TBABr(tetra-n-butylammonium bromide), 500 mM 농도의 LiClO4, 및 DMSO(Dimethyl sulfoxide)를 혼합하여 사용하였다. 또한, 전기 변색층 및 이온 저장층을 형성하기 위한 NPDS 시스템의 구체적인 조건은 아래의 <표 1>을 통해 정리된다.
| Materials | WO3: 100 nm, HKK solution ATO: 40-50 μm, JL CEM |
| Stand-off Distance, Bed flow | 3 mm, 27.5 L/min |
| Scan Speed | WO3: 1 time at 40 μm/secATO: 2 time at 100 μm/sec |
| Aerosol Pressure | WO3: 0.4 MPaATO: 0.3 MPa |
| Chamber Pressure | 0.01 MPa (Gauge pressure) |
| Thickness of films | 400-500 μm for glass substrages |
| Electrolyte | 50 mM AgNO3 + 250 mM TBABR + 500 mM LiClO4 + DMSO |
| PANI electropolymerization solution | Aniline(ASC reagent) + 0.5 M Sulfuric acid + DI water |
도 12는 본 발명의 실험 예에 따른 전기 변색 소자의 전기 변색층을 촬영한 사진이고, 도 13은 본 발명의 실험 예에 따른 전기 변색 소자의 이온 저장층을 촬영한 사진이다.
도 12의 (a)를 참조하면 상기 실험 예에 따른 전기 변색 소자의 전기 변색층 제조에 사용된 WO3 파우더에 대한 SEM(Scanning Electron Microscope) 사진을 나타내고, 도 12의 (b)를 참조하면 상기 실험 예에 따른 전기 변색 소자의 전기 변색층에 대한 SEM 사진을 나타낸다.
도 13의 (a)를 참조하면 상기 실험 예에 따른 전기 변색 소자의 이온 저장층 제조에 사용된 ATO 파우더에 대한 SEM 사진을 나타내고, 도 13의 (b)를 참조하면 상기 실험 예에 따른 전기 변색 소자의 전기 변색층에 대한 SEM 사진을 나타낸다.
도 12 및 도 13에서 확인할 수 있듯이, 전기 변색층 및 이온 저장층이 건식 공정으로 제조됨에 따라 입자들이 관찰되는 것을 확인할 수 있었다.
도 14는 본 발명의 실험 예에 따른 전기 변색 소자의 각 모드에 대한 투과도를 설명하기 위한 도면이고, 도 15 및 도 16은 본 발명의 실험 예에 따른 전기 변색 소자의 각 모드를 촬영한 사진이다.
도 14 내지 도 16을 참조하면, 상기 실험 예에 따른 전기 변색 소자를 투명 모드(Initial), 가시광선 차단 모드(VIS block), 근적외선 차단 모드(NIR block), 및 전 파장 차단 모드(All block)으로 구현한 후 각각의 모드에 대한 투과도 및 상태 사진을 나타낸다.
투명 모드는 전기 변색층에 전압을 인가하지 않는 방법으로 구현하였고, 가시광선 차단 모드는 전기 변색층에 +4 V의 전압을 1차적으로 인가한 후 +1.7 V의 전압을 2차전으로 인가하는 방법으로 구현하였고, 근적외선 차단 모드는 전기 변색층에 -2.2 V의 전압을 인가하는 방법으로 구현하였고, 전 파장 차단 모드는 전기 변색층에 -2.7 V의 전압을 인가하는 방법으로 구현하였다.
구체적으로, 도 14는 각각의 모드에 대한 300~1200 nm 파장 대의 투과도를 나타내고, 도 15 및 도 16의 (a)는 투명 모드가 구현된 상태를 촬영하여 나타내고, 도 15 및 도 16의 (b)는 가시광선 차단 모드가 구현된 상태를 촬영하여 나타내고, 도 15 및 도 16의 (c)는 근적외선 차단 모드가 구현된 상태를 촬영하여 나타내고, 도 15 및 도 16의 (d)는 전 파장 차단 모드가 구현된 상태를 촬영하여 나타낸다. 또한, 도 15는 전기 변색층 및 이온 저장층이 1 x 1 cm의 크기로 제조된 상태를 나타내고, 도 16은 전기 변색층 및 이온 저장층이 6 x 6 cm의 크기로 제조된 상태를 나타낸다.
도 14에서 확인할 수 있듯이, 가시광선 차단 모드의 경우 가시광선 파장 대인 300 nm ~ 800 nm에서 20% 이하의 투과도를 가져 가시광선 차단 성능을 확인할 수 있었다. 특히, 600 nm에서 66%의 투과도 차이(ΔT)를 확인할 수 있었다.
이와 달리, 근적외선 차단 모드의 경우 적외선 파장 대인 800 nm ~ 1200 nm에서 14% 이하의 투과도를 가져 근적외선 차단 성능을 확인할 수 있었다. 특히, 850 nm에서 58%의 투과도 차이(ΔT)를 확인할 수 있었다.
이와 달리, 전 파장 차단 모드의 경우 300 nm ~ 1200 nm 전 파장 대에서 최대 투과도가 2%로 측정되어 가시광선 및 적외선을 실질적으로 완벽하게 차단하는 것을 확인할 수 있었다.
도 15 및 도 16의 (a) 내지 (d)에서 확인할 수 있듯이, 가시광선 차단 모드의 경우 소자가 검정색으로 변색되고, 근적외선 차단 모드의 경우 소자가 청색으로 변색되며, 전 파장 차단 모드의 경우 소자가 검정색으로 변색되는 것을 확인할 수 있었다.
도 17은 본 발명의 실험 예에 따른 전기 변색 소자의 내구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 17을 참조하면, 상기 실험 예에 따른 전기 변색 소자의 내구성 시험 결과를 나타낸다. 구체적으로, 900 nm 파장 영역에서 연속 변색/탈색 투과도를 측정하였고, -1.5 V(60초) -> +1 V(60초) -> 0V(60초)를 1회 사이클로 구성하여 1000회 사이클 시험을 진행하였다.
도 17에서 확인할 수 있듯이, 1회 사이클의 변색/탈색 투과도 측정 결과에서 투과도 변화(ΔT)는 35%로 측정되었고, 1000회 사이클의 변색/탈색 투과도 측정 결과에서 투과도 변화(ΔT) 또한 35%로 측정되었다. 즉, 상기 실험 예에 따른 전기 변색 소자는 1000회 사이클 이후에도 초기의 100% 성능을 유지함으로 우수한 내구성을 갖는 것을 확인할 수 있었다.
도 18은 본 발명의 실험 예에 따른 전기 변색 소자의 제조에 사용된 전해질과 비교 예들에 따른 전해질의 특성을 비교하는 도면이다.
도 18의 (a) 내지 (c)를 참조하면, 상기 실험 예에 따른 전기 변색 소자의 제조에 사용된 전해질(ATL electrolyte)과 비교 예 1 및 비교 예 2에 따른 전해질의 특성을 비교하기 위한 EIS(Electrochemical Impedance Spectroscopy) 분석 결과를 나타낸다.
구체적으로, 비교 예 1에 따른 전해질로서 리튬 이온 전해질(Li ion electrolyte)을 사용하였고, 비교 예 2에 따른 전해질로서 은 이온 전해질(Ag ion electrolyte)을 사용하였다. 또한, EIS 조건은 아래의 <표 2>와 같다.
| Frequency | 0.05 ~ 106 Hz |
| Amplitude | 10 mV |
| Scan rate | 0.02 V/sec |
| Voltage range | 0 ~ - 3.0 V |
각 전해질에 대한 특성으로서 이온 전도도(Ionic conductivity, S/cm)와 면 저항(Rs)을 측정하였다. 이온 전도도와 면 저항은 아래의 <수학식 1>을 통해 산출되었고, 측정된 결과는 아래의 <표 3>을 통해 정리된다.
<수학식 1>
(σ: Ionic conductivity, Rb: Bulk resistance, I: Cell thickness, A: Cell area)
| 구분 | 비교 예 1 (Li) | 비교 예 2 (Ag) | 실험 예 (ATL) |
| Rs (Ω) | 26.12 | 26.96 | 21.56 |
| σ (S/cm) | 1.15 x 10-3 | 1.11 x 10-3 | 1.39 x 10-3 |
도 18 및 <표 3>에서 확인할 수 있듯이, 실험 예에 따른 전해질은 비교 예들에 따른 전해질보다 면 저항은 낮은 반면 이온 전도도는 높은 것을 확인할 수 있었다.
도 19는 본 발명의 실험 예에 따른 전기 변색 소자의 전해질 내 LiClO4의 농도 영향을 확인하기 위한 도면이다.
도 19의 (a)를 참조하면 250 mM 농도의 LiClO4가 전해질로 사용된 상기 실험 예에 따른 전기 변색 소자를 준비한 후 투명 모드(Initial), 근적외선 차단 모드(NIR block), 및 전 파장 차단 모드(Black)에서의 투과도를 측정하여 나타낸다.
도 19의 (b)를 참조하면 500 mM 농도의 LiClO4가 전해질로 사용된 상기 실험 예에 따른 전기 변색 소자를 준비한 후 투명 모드(Initial), 근적외선 차단 모드(NIR block), 및 전 파장 차단 모드(Black)에서의 투과도를 측정하여 나타낸다.
도 19의 (c)를 참조하면 1000 mM 농도의 LiClO4가 전해질로 사용된 상기 실험 예에 따른 전기 변색 소자를 준비한 후 투명 모드(Initial), 근적외선 차단 모드(NIR block), 및 전 파장 차단 모드(Black)에서의 투과도를 측정하여 나타낸다.
도 19의 (a) 및 도 19의 (c)에서 확인할 수 있듯이, 250 mM 농도 및 1000 mM 농도의 LiClO4가 전해질로 사용된 경우 근적외선 차단 모드에서 750 nm 이상의 근적외선 파장 대를 선택적으로 차단하지 못하는 것을 확인할 수 있었다.
반면, 도 19의 (b)에서 확인할 수 있듯이, 500 mM 농도의 LiClO4가 전해질로 사용된 경우 750 nm 이상에서 투과도가 지속적으로 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
전 파장 차단 모드의 경우, 도 19의 (a)에서 확인할 수 있듯이 250 mM 농도의 LiClO4가 전해질로 사용된 경우 투과도가 15% 정도로 측정되고, 도 19의 (b)에서 확인할 수 있듯이 500 mM 농도의 LiClO4가 전해질로 사용된 경우 투과도가 0%로 측정되고, 도 19의 (c)에서 확인할 수 있듯이 1000 mM 농도의 LiClO4가 전해질로 사용된 경우 투과도가 5% 정도로 측정되는 것을 확인할 수 있었다.
결과적으로, 근적외선 차단 모드 및 전 파장 차단 모두가 명확하게 구현되기 위해서는, LiClO4의 농도가 250 mM 초과 1000 mM 미만으로 제어되어야 함을 알 수 있었다.
도 20은 본 발명의 실험 예에 따른 전기 변색 소자를 가시광선 차단 모드로 구현하기 위해 +4 V의 전압이 지속적으로 인가된 상태를 촬영한 사진이다.
도 20을 참조하면, 상기 실험 예에 따른 전기 변색 소자를 가시광선 차단 모드로 구현하기 위해 +4 V의 전압을 지속적으로 인가한 상태를 촬영하여 나타낸다. 도 20에서 확인할 수 있듯이, +4 V의 전압이 지속적으로 인가되는 경우 가시광선 차단 모드가 아닌 전 파장 차단 모드로 구현되는 것을 확인할 수 있었다. 즉, 가시광선 차단 모드가 구현되기 위해서는 +4 V의 지속적인 인가가 아닌, +4 V 인가 이후 +1.7 V 인가가 이루어져야 함을 알 수 있었다.
도 21은 본 발명의 실험 예에 따른 전기 변색 소자를 가시광선 차단 모드로 구현하기 위한 +4 V의 전압 인가 시간 영향을 설명하기 위한 도면이다.
도 21의 (a)를 참조하면 상기 실험 예에 따른 전기 변색 소자를 가시광선 차단 모드로 구현하기 위해 +4 V의 전압을 1초 동안 인가한 후 +1.7 V의 전압을 인가한 상태를 촬영하여 나타낸다.
도 21의 (b)를 참조하면 상기 실험 예에 따른 전기 변색 소자를 가시광선 차단 모드로 구현하기 위해 +4 V의 전압을 2초 동안 인가한 후 +1.7 V의 전압을 인가한 상태를 촬영하여 나타낸다.
도 21의 (c)를 참조하면 상기 실험 예에 따른 전기 변색 소자를 가시광선 차단 모드로 구현하기 위해 +4 V의 전압을 5초 동안 인가한 후 +1.7 V의 전압을 인가한 상태를 촬영하여 나타낸다.
도 21의 (a) 내지 (c)에서 확인할 수 있듯이, +4 V의 전압 인가 시간이 1초 -> 2초 -> 5초로 변화됨에 따라 소자의 색이 노란색 -> 검붉은색 -> 회색으로 변화되는 것을 확인할 수 있었다.
또한, +4 V의 전압 인가 시간이 1초 또는 5초인 경우 소자의 뒤가 비치는 것이 육안으로 확인됨에 따라 가시광선 파장 대의 차단이 제대로 이루어지지 않은 것을 확인할 수 있었다. 반면, +4 V의 전압 인가 시간이 2초인 경우 소자의 뒤가 비치지 않는 것이 육안으로 확인됨에 따라 가시광선 파장 대의 차단이 제대로 이루어진 것을 확인할 수 있었다.
결과적으로, 가시광선 차단 모드가 명확하게 구현되기 위해서는, +4 V 인가 이후 +1.7 V가 인가되되, +4 V의 인가 시간이 1초 초과 5초 미만으로 제어되어야 함을 알 수 있었다.
도 22는 본 발명의 실험 예에 따른 전기 변색 소자를 가시광선 차단 모드로 구현하기 위한 1차 전압의 크기를 설명하기 위한 도면이다.
도 22의 (a)를 참조하면 상기 실험 예에 따른 전기 변색 소자를 가시광선 차단 모드로 구현하기 위해 +3 V의 전압을 2초 동안 인가한 후 +1.7 V의 전압을 인가한 상태를 촬영하여 나타낸다.
도 22의 (b)를 참조하면 상기 실험 예에 따른 전기 변색 소자를 가시광선 차단 모드로 구현하기 위해 +3.5 V의 전압을 2초 동안 인가한 후 +1.7 V의 전압을 인가한 상태를 촬영하여 나타낸다.
도 22의 (c)를 참조하면 상기 실험 예에 따른 전기 변색 소자를 가시광선 차단 모드로 구현하기 위해 +4 V의 전압을 2초 동안 인가한 후 +1.7 V의 전압을 인가한 상태를 촬영하여 나타낸다.
도 22의 (d)를 참조하면 상기 실험 예에 따른 전기 변색 소자를 가시광선 차단 모드로 구현하기 위해 +4.5 V의 전압을 2초 동안 인가한 후 +1.7 V의 전압을 인가한 상태를 촬영하여 나타낸다.
도 22의 (a) 내지 (d)에서 확인할 수 있듯이, 1차 전압의 크기가 +3 V 및 + 3.5 V인 경우 소자의 뒤가 비치는 것이 육안으로 확인됨에 따라 가시광선 파장 대의 차단이 제대로 이루어지지 않은 것을 확인할 수 있었다. 반면, 1차 전압의 크기가 +4 V 및 +4.5 V인 경우 소자의 뒤가 비치지 않는 것이 육안으로 확인됨에 따라 가시광선 파장 대의 차단이 제대로 이루어진 것을 확인할 수 있었다.
결과적으로, 가시광선 차단 모드가 명확하게 구현되기 위해서는 상대적으로 높은 전압이 1차적으로 인가된 후 상대적으로 낮은 전압이 2차적으로 인가되되, 1차 전압의 크기가 +4 V 이상의 크기로 제어되어야 함을 알 수 있었다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
100: 제1 전극
200: 전기 변색층
300: 제2 전극
400: 이온 저장층
500: 전해질
200: 전기 변색층
300: 제2 전극
400: 이온 저장층
500: 전해질
Claims (14)
- 텅스텐 산화물(WO3)을 포함하는 전기 변색층;
안티몬이 도핑된 주석 산화물(Antimony-doped Tin Oxide, ATO)를 포함하는 이온 저장층; 및
상기 전기 변색층과 상기 이온 저장층 사이에 배치되고, 리튬(Li)을 포함하는 제1 베이스 전해질, 은(Ag)을 포함하는 제2 베이스 전해질, 및 용매가 혼합된 전해질을 포함하되,
상기 전기 변색층에 인가되는 전압을 제어하여 상기 전해질 내 리튬 이온 및 은 이온의 이동을 제어함으로써, 가시광선 파장 대에 대한 투과도 및 근적외선 파장 대에 대한 투과도가 선택적으로 제어되는 전기 변색 소자.
- 제1 항에 있어서,
상기 전기 변색층에 양(+)의 전압이 인가되는 경우 상기 전해질 내 은 이온이 상기 이온 저장층으로 이동됨으로써,
가시광선 파장 대는 차단하고 근적외선 파장 대는 투과하는 가시광선 차단 모드로 구현되는 전기 변색 소자.
- 제2 항에 있어서,
상기 전기 변색층에 상대적으로 높은 제1 전압이 1차적으로 인가된 후 상대적으로 낮은 제2 전압이 2차적으로 인가됨에 따라, 상기 가시광선 차단 모드가 구현되는 전기 변색 소자.
- 제3 항에 있어서,
상기 제1 전압을 인가하는 시간이 1초 초과 5초 미만으로 제어됨에 따라, 상기 가시광선 차단 모드가 구현되는 전기 변색 소자.
- 제3 항에 있어서,
상기 제1 전압은 +4 V 이상의 크기를 갖는 전기 변색 소자.
- 제1 항에 있어서,
상기 전기 변색층에 음(-)의 전압이 인가되는 경우,
상기 전해질 내 리튬 이온은 상기 전기 변색층으로 이동되고 은 이온은 상기 전해질 내 잔존됨으로써 근적외선 파장 대는 차단하고 가시광선 파장 대는 투과하는 근적외선 차단 모드로 구현되거나,
상기 전해질 내 리튬 이온 및 은 이온이 모두 상기 전기 변색층으로 이동됨으로써 근적외선 파장 대 및 가시광선 파장 대를 모두 차단하는 전 파장 차단 모드로 구현되는 전기 변색 소자.
- 제6 항에 있어서,
상기 전 파장 차단 모드로 구현되기 위해 상기 전기 변색층에 인가되는 전압보다 상대적으로 낮은 제3 전압이 상기 전기 변색층에 인가되는 경우,
상기 근적외선 차단 모드로 구현되는 전기 변색 소자.
- 제6 항에 있어서,
상기 근적외선 차단 모드로 구현되기 위해 상기 전기 변색층에 인가되는 전압보다 상대적으로 높은 제4 전압이 상기 전기 변색층에 인가되는 경우,
상기 전 파장 차단 모드로 구현되는 전기 변색 소자.
- 제1 항에 있어서,
상기 전기 변색층에 전압이 인가되지 않는 경우 상기 전해질 내 리튬 이온 및 은 이온이 이동되지 않음으로써,
가시광선 파장 대 및 근적외선 파장 대를 모두 투과하는 투명 모드로 구현되는 전기 변색 소자.
- 제1 항에 있어서,
상기 제1 베이스 전해질의 농도가 250 mM 초과 1000 mM 미만으로 제어되는 전기 변색 소자.
- 제1 항에 있어서,
상기 제1 베이스 전해질은 과염소산 리튬(LiClO4)를 포함하고, 상기 제2 베이스 전해질은 질산 은(AgNO3)을 포함하는 전기 변색 소자.
- 제1 전극 상에 텅스텐 산화물(WO3)을 포함하는 전기 변색층을 형성하는 단계;
제2 전극 상에 안티몬이 도핑된 주석 산화물(Antimony-doped Tin Oxide, ATO)을 포함하는 이온 저장층을 형성하는 단계;
상기 전기 변색층 및 상기 이온 저장층이 마주보도록 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극을 접합시키는 단계;
리튬(Li)을 포함하는 제1 베이스 전해질, 은(Ag)을 포함하는 제2 베이스 전해질, 및 용매가 혼합된 전해질을 준비하는 단계; 및
상기 전기 변색층과 상기 이온 저장층 사이에 상기 전해질을 주입하는 단계를 포함하는 전기 변색 소자의 제조 방법.
- 제12 항에 있어서,
상기 전기 변색층은 텅스텐 산화물(WO3)이 상기 제1 전극 상에 건식 적층되어 형성되고,
상기 이온 저장층은 안티몬이 도핑된 주석 산화물(Antimony-doped Tin Oxide, ATO)이 상기 제2 전극 상에 건식 적층되어 형성되는 것을 포함하는 전기 변색 소자의 제조 방법.
- 제13 항에 있어서,
상기 전기 변색층 및 상기 이온 저장층은, 나노 입자 적층 시스템(Nanoparticle deposition system, NPDS)을 통해 형성되는 것을 포함하는 전기 변색 소자의 제조 방법.
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