KR20240062769A - 캐패시턴스 특성을 갖는 광전기변색소자 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 캐패시턴스 특성을 갖는 광전기변색소자를 개시한다.
본 발명에 따르는 캐패시턴스 특성을 갖는 광전기변색소자는 전도성 투명기판상 구비된 전도층에 부착되어 광에 의한 여기시 상기 전도층으로 전자를 주입하며 양이온 라디칼로 변화되어 발색하는 발색유기층을 포함하고, 상기 투명기판과 대향되는 대향기판과의 사이에 전해질을 포함하는 것을 특징으로 하는데, 이에 의할 때, 장기안정성을 확보하고 발색특성을 강화하며 전기저장 특성을 발휘하는 캐패시턴스 특성을 보일 수 있다.
본 발명에 따르는 캐패시턴스 특성을 갖는 광전기변색소자는 전도성 투명기판상 구비된 전도층에 부착되어 광에 의한 여기시 상기 전도층으로 전자를 주입하며 양이온 라디칼로 변화되어 발색하는 발색유기층을 포함하고, 상기 투명기판과 대향되는 대향기판과의 사이에 전해질을 포함하는 것을 특징으로 하는데, 이에 의할 때, 장기안정성을 확보하고 발색특성을 강화하며 전기저장 특성을 발휘하는 캐패시턴스 특성을 보일 수 있다.
Description
본 발명은 캐패시턴스 특성을 갖는 광전기변색소자에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 발색특성을 강화하며 전기저장 특성을 발휘하는 캐패시턴스를 나타내는 광전기변색소자에 관한 것이다.
태양전지는 광전효과에 의해 태양에너지를 전기에너지로 변환시키는 전기 발생 장치인데, 소재에 따라 실리콘태양전지, 화합물 반도체 태양전지, 적층형 태양전지, 나노 태양전지 등이 있으며, 최근에 염료감응 태양전지가 기존의 실리콘 태양전지에 비하여 제조 단가가 낮고, 셀의 투명 특성, 유연성(flexibility)이 우수한 전지의 제조가 가능하여 주목을 받고 있다.
이러한 염료감응 태양전지의 가장 기본적인 구조는, 반도체로서 이산화티탄을 주성분으로 하는 나노입자가 코팅된 광전극, 전해질, 백금 상대전극으로 나눌 수 있으며, 상기 광전극에 코팅된 이산화티탄 나노입자에 태양광을 흡수하는 염료가 흡착되어 있다.
또한, 상기 이산화티탄과 같은 반도체가 코팅된 광전극을 염료용액에 담그면 염료의 카르복실기가 반도체와 화학적으로 결합하여, 염료는 반도체의 표면에 흡착되고 빛을 받아서 전자를 생산하게 된다.
반도체의 표면에 염료가 흡착될 때 염료는 반도체의 표면에 완벽하게 증착하지 못하고, 반도체 표면의 약 70% 정도만 흡착하고, 30% 정도는 전해질에 그대로 노출이 되는데, 이때 염료가 흡착되지 않은 반도체의 표면이 염료감응 태양전지의 전해질과 직접 닿게 되면 전자재결합이 일어나게 되어, 염료에서 발생된 전자는 반도체를 따라서 광전극으로 흘러가지 못하고 전해질로 흘러가서, 이러한 전자의 흐름은 태양전지의 구동에 좋지 않은 영향을 미치게 되는 문제가 있었다.
이러한 문제를 해결하기 위하여, 염료감응 태양전지에는 리간드, 예를 들어, 5-Methyl Salicyclic Acid(MSA)와 같은 물질을 사용하여 이산화티탄(TiO2) 입자에 흡착을 시키면 빛을 받아서 전자를 여기시킬 수 있는 물질을 사용하기도 한다.
즉, 도 1을 참조하면, 종래 광전변색소자(10)는 태양광을 수광할 수 있는 적어도 하나의 전도성 기판(12)상에 전기변색층(14), 전도층(15)을 적층하고 전도층에는 염료나 리간드 물질(16)을 도포하고, 대향기판(18)과의 사이에 리튬이온이나 요오드이온을 함유한 전해질 매체(17)를 두어 주간에 태양광에 의하여 여기되거나 야간에 안정화되며 리튬 이온(Li+), 요오드 이온(I-)이 산화환원반응을 거치며 전기변색층(14)이 착색되거나 탈색되는 특성을 발휘한다.
상기 전도성 기판은 유리나 플라스틱제에 인듐틴옥사이드나 플루오로틴옥사이드와 같은 얇은 도전층을 적층하고 그 상부로 텅스텐옥사이드(WO3)와 같은 전기변색층, 이산화티탄 같은 전도층 그리고 5-Methyl Salicyclic Acid(5-MSA) 같은 리간드 물질을 그 상부에 적층하여, 태양광과 같은 빛에너지에 의하여 전자가 여기되어 TiO2의 전도층으로 넘어가고 넘어가 전자가 WO3의 +6 이온을 일부 5+로 환원시키기 되고, 이로 인하여 발색(colored)을 하게 되며, WO3 내의 산소와의 전하균형을 맞추기 위해 Li+ 이온은 일부 WO3에 흡착되고(LixWO3), 리간드는 전자가 하나 여기되면서 불안정한 양(+)이온 상태가 되는데 요오드 이온(I-)이 I3-로 산화되면서 전자를 전달해 주어서 전하균형이 맞추는 메카니즘으로 작동하나, 요오드 이온의 산화환원 반응(I- + -2e ↔ I3-)이 불안정적이어서 장기적인 사용에 효율이 저감될 수 있는 우려가 있었다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 장기안정성을 확보하고 발색특성을 강화하며 전기저장 특성을 발휘하는 캐패시턴스 특성을 보이는 광전기변색소자를 제공하는 것이다.
본 발명은 상술한 기술적 과제를 해결하기 위하여, 전도성 투명기판상 구비된 전도층에 부착되어 광에 의한 여기시 상기 전도층으로 전자를 주입하며 양이온 라디칼로 변화되어 발색하는 발색유기층을 포함하고, 상기 투명기판과 대향되는 대향기판과의 사이에 전해질을 포함하는 것을 특징으로 하는 광전소자를 제공한다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 전도층은 금속산화물을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 발색유기층은 양이온 라디칼 상태에서 컨쥬게이션에 의하여 전하 안정성을 구비한 것일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 발색유기층은 트리페닐아민보론산(triphenylamine boronic acid), 페나진(phenazine), 페노시아진(phenothiazine) 또는 이들의 유도체인 것일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 전해질은 리튬염인 것일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 전도성 투명기판과 대향기판과의 사이에 개재되어 광에 의해 변색되는 전기변색층을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 전기변색소자는 변색이 보강되는 것일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상술한 대향기판에 전기변색층이 구비된 것일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 전기변색소자는 캐피시턴스를 갖는 것일 수 있다.
본 발명에 따르는 광전기변색소자에 의하면, 장기안정성을 확보하고 발색특성을 강화하며 전기저장 특성을 발휘하는 캐패시턴스 특성을 보일 수 있다.
도 1은 종래의 전기변색소자를 단면적으로 나타내어 태양광(주간)에 의하여 여기되어 발색하고, 야간에 다시 탈색하는 현상을 보여주고,
도 2는 본 발명에 따르는 광전기변색소자를 단면적으로 나타내어 광에너지에 따라 발색과 탈색하는 현상을 보여주며,
도 3은 본 발명에 따르는 전기변색소자의 다른 예시를 단면적으로 나타내어 발색과 탈색 현상을 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따르는 광전기변색소자를 단면적으로 나타내어 광에너지에 따라 발색과 탈색하는 현상을 보여주며,
도 3은 본 발명에 따르는 전기변색소자의 다른 예시를 단면적으로 나타내어 발색과 탈색 현상을 보여주는 도면이다.
이하, 본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 하고, 본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 본 발명에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.
또한, 본 발명에서 사용되는 기술적인 용어가 본 발명의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는, 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에서 사용되는 일반적인 용어는 사전에 정의되어 있는 바에 따라, 또는 전후 문맥상에 따라 해석되어야 하며, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.
아울러, 본 발명에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는데, 예를 들어 '구성된다' 또는 '포함한다' 등의 용어는 발명에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계를 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
도 2는 본 발명에 따르는 광전기변색소자를 단면적으로 나타내어 광에너지에 따라 발색하는 현상을 보여주며, 도 3은 본 발명에 따르는 광전기변색소자의 다른 예시를 단면적으로 나타내어 발색과 탈색 현상을 보여주는 도면인데, 이를 참고한다.
본 발명에 따르는 광전기변색소자(100)는 전도성 투명기판(120)상 구비된 전도층(150)에 부착되어 광에 의한 여기시 상기 전도층으로 전자를 주입하며 양이온 라디칼로 변화되어 발색하는 발색유기층(160)을 포함하고, 상기 투명기판(120)과 대향되는 대향기판(180)과의 사이에 전해질(170)을 포함하는 특징이 있다.
상기 투명기판(120)은 유리재 또는 플라스틱재로서 투명소재이어서 태양광이나 여타의 빛(광)에너지를 투과시킬 수 있는 한 투과율의 제한없이 사용할 수 있다.
또한, 상기 전도층(150)은 금속산화물을 포함하는 것으로서, 종래와 같이 이산화티탄은 물론, 전기전도성을 갖는 다양한 금속의 산화물을 미세한 입자화를 거쳐 분말화하고 페이스트로 적층한 후 건조/경화하여 구비할 수 있다.
상기 발색유기층(160)은 광에너지에 의하여 산화환원이 가능한 재료로서, 산화와 환원이 반복되며 발색(colored)과 탈색(bleached)이 따르는 특성을 갖는 물질이며, 특히 양이온 라디칼 상태에서 컨쥬게이션(conjugation)에 의하여 전하 안정성을 구비하는 특징이 있다.
구체적으로, 상기 발색유기층은 트리페닐아민보론산(triphenylamine boronic acid, TPABA), 페나진(phenazine), 페노시아진(phenothiazine) 또는 이들의 유도체인 것일 수 있으며, 트리페닐아민 보론산의 유도체로는 다이카바졸트리페닐아민보론산(dicarbazol triphenylamine boronic acid), 다이 트리페닐아민 트리페닐아민 보론산(ditriphenylamine triphenylamine boronic acid) 등이 있을 수 있다.
상기 발색유기층(160)은 전자를 하나 잃으면 양이온 라디칼이 되나, 일반적인 라디칼과는 달리, 에너지적으로 안정하며, 라디칼이 되면서 발색하는 특징이 있다.
아울러, 상기 전해질(170)은 리튬염일 수 있는데, 산화환원반응에 참여하지 아니하는 염으로서, 바람직하게는 LiClO4, LiF, LiCl 등을 사용할 수 있고, 예를 들어 산화환원 반응에 참여하지 아니하는 ClO4 -를 Li의 염 형태로 전해질에 함유하고 있어 태양광에 의하여 전자가 발색유기층에서 전도층(150)의 전도대로 여기된다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따르는 광전기변색소자(100)는 상술한 전도성 투명기판(120)과 전도층과의 사이에 개재되어 광에 의한 변색되는 전기변색층(140)을 포함할 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 광에너지에 의하여 여기된 전자가 발색유기층에서 전도층(150)의 전도대로 이동하며, 전기변색층(140)으로 인가된다.
여기된 전자는 전기변색층으로 이동하는데, 이는 금속산화물로서 변색특징으로 가진 재료인데 예를 들면, 산화텅스텐(WO3)을 사용할 수 있고, 산화텅스텐의 텅스텐 이온(W6+)을 환원시키고 전하균형을 맞추기 위해 리튬 이온(Li+)이 산화텅스텐에 흡착되며 색을 띄게 된다.
그리고, 여기되며 전자를 내놓은 발색유기층(160), 예를 들어 TPABA는 양이온 라디칼이 되면서 색을 띠게 되고 전하균형을 위해서 전해질내 음이온(예를 들어,ClO4 -)이 붙게 된다.
이렇게 되면 색을 띠는 물질이 산화텅스텐(WO3)같은 전기변색층 뿐만 아니라 발색유기층(160)도 색을 띠기 때문에 전기변색층과 발색유기층의 두께를 조절하여 더 짙은 색을 띠게 할 수 있는 특징이 있다.
또 다른 광전기변색소자(200)의 예로는 상술한 대향기판에는 전기변색층(140)이 구비된 것을 특징으로 한다.
즉, 상기 대향기판(180)에 전기변색층(140)을 적층하게 되면, 태양광 에너지에 의하여 발색유기층(160)에 있는 전자가 전도층의 전도대로 여기하며, 발색유기층은 양이온 라디칼이 되고, 이렇게 여기된 전자는 대향기판과 전기적으로 연결되는 전선, 플렉서블기판(fpc), 전도성 박막 등 다양한 형태로 마련된 통전경로(미도시)를 통하여 대향기판의 전기변색층으로 이동하여, 예를 들어 산화텅스텐(WO3)을 환원시켜 LixWO3가 되며, 발색유기층(160)의 양이온 라디칼의 전하 균형은 전해질의 음이온(예를 들어, ClO4-)이 이동하며 전하균형을 이룰 수 있어서, 결국 캐퍼시터(capacitor)의 전기이중층이 형성되므로 캐패시턴스(capacitance) 특성을 가질 수 있다.
실시예 1 캐퍼시턴스형 광전기변색소자
불소가 도핑된 틴 옥사이드 투명전도성 산화물층이 형성된 유리기판을 준비하였다. 상기 유리기판의 투명전도성 산화물층 상부에 이산화티탄을 포함하는 코팅용 조성물을 닥터블레이드법으로 도포하고, 500℃에서 30분 동안 열처리하여, 나노크기의 금속 산화물 간의 접촉 및 충진이 이루어지도록 하여 나노 산화물층을 형성시켰다. 이어서, 나노산화물층이 코팅된 전극을 트리페닐아민보론산을 0.3mM 농도로 에탄올에 녹인 용액(45℃)에 8시간동안 침지시켜 나노산화물층에 트리페닐아민 보론산을 흡착시켜 발색유기층을 흡착된 음극계 전극을 준비하였다.
다음으로, 불소가 도핑된 틴 옥사이드 투명전도성 산화물층이 형성된 유리기판을 준비하여, 상기 기판의 투명전도성 산화물층 상부에 육염화백금산(H2PtCl6)이 녹아있는 2-프로판올 용액을 떨어뜨린 후, 450 ℃에서 30분 동안 열처리하여 백금층을 형성시켜 양극계 전극을 마련하여 대향기판을 준비하였다.
다음으로, 제조된 음극계 전극의 나노 산화물층과 양극계 전극의 백금층이 서로 대향하도록 배치하고, SURLYN(Du Pont사 제조)으로 이루어지는 약 60 ㎛ 두께의 열가소성 고분자층으로 밀봉재를 형성한 후, 130 ℃의 오븐에 넣어 2분 동안 유지하여 두 전극을 부착하여 밀봉하였다. 다음으로, 음극계 전극과 양극계 전극을 관통하는 미세 홀을 형성하고 이 홀을 통해 두 전극 사이의 공간에, 3-Methoxypropionitrile 용매에 0.1M LiClO4를 녹여서 제조한 전해질 용액을 주입한 다음, 다시 홀의 외부를 접착제로 밀봉하여 캐퍼시턴스형 광전기변색소자를 제조하였다.
비교예 1 종래 광전기변색소자
실시예 1에서 트리페닐아민보론산을 대신하여 5-MSA를 사용하고, 전해질에 0.1M LiClO4를 대신하여 0.1M LiI를 녹여 제조한 것을 제외하고는 실시예 1과 같이 하여 광전기변색소자를 제조하였다.
실험예 1
상기 실시예 1 및 비교예 1에서 제조한 캐퍼시턴스형 광전기변색 소자와 종래 광전기변색소자의 변색성능을 평가하기 위하여 550nm 빛의 투과율 변화를 관측하였고, LCR미터를 이용하여 캐퍼시터 용량을 측정하였다.
| 구분 | ΔT(%) @ 550nm | 캐퍼시터 용량 (μF/cm2) @ 0.1Hz |
| 실시예 1 | 41.9 | 19.8 |
| 비교예 1 | 32.8 | - |
실험결과 실시예에 의해서 제조된 캐퍼시터형 광전기변색 소자의 경우 인간의 시각에 가장 민감한 파장인 550㎚에서 투과율변화폭이 41.9%로 비교예에 의해서 제조된 광전기변색 소자와 비교하여 높았으며, 기존 광전기변색 소자의 경우 전력저장능력이 없었으나 캐퍼시터형 광전기변색소자의 경우 ~ 19.8 μF/cm2의 캐퍼시터 용량을 가짐을 확인하였다.
광전기변색소자 100, 200, 전도성 투명기판 120, 전기변색층 140, 전도층 150, 발색유기층 160, 전해질 170, 대향기판 180.
Claims (9)
- 전도성 투명기판상 구비된 전도층에 부착되어 광에 의한 여기시, 상기 전도층으로 전자를 주입하며 양이온 라디칼로 변화되어 발색하는 발색유기층을 포함하고, 상기 투명기판과 대향되는 대향기판과의 사이에 전해질을 포함하는 것을 특징으로 하는 광전기변색소자.
- 제 1 항에 있어서,
상기 전도층은 금속산화물을 포함하는 것을 특징으로 하는 광전기변색소자.
- 제 1 항에 있어서,
상기 발색유기층은 양이온 라디칼 상태에서 컨쥬게이션에 의하여 전하 안정성을 구비한 것을 특징으로 하는 광전기변색소자.
- 제 3 항에 있어서,
상기 발색유기층은 트리페닐아민보론산(triphenylamine boronic acid), 페나진(phenazine), 페노시아진(phenothiazine) 또는 이들의 유도체인 것을 특징으로 하는 광전기변색소자.
- 제 1 항에 있어서,
상기 전해질은 리튬염인 것을 특징으로 하는 광전기변색소자.
- 제 1 항에 있어서,
상기 전도성 투명기판과 대향기판과의 사이에 개재되어 광에 의해 변색되는 전기변색층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광전기변색소자.
- 제 6 항에 있어서,
상기 전기변색소자는 변색이 보강되는 것을 특징으로 하는 광전기변색소자.
- 제 1 항에 있어서,
상기 대향기판에 전기변색층이 구비된 것을 특징으로 하는 광전기변색소자.
- 제 1 항에 있어서,
상기 광전기변색소자는 캐피시턴스를 갖는 것을 특징으로 하는 광전기변색소자.
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