KR830000644B1 - 전기 크롬장치 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

전기 크롬장치

제1도는 전기크롬장치를 이루는 종래층의 단면도.

제2-4도는 전기크롬장치를 이루는 본 발명의 여러 구체예의 단면도.

본 발명은 특수한 부류의 고분자 전해질과 접촉되어 있는 일개 전극상에 연속성의 전기 크롬물질층을 함유하며, 상기 전해질은 또한 장치내의 역전극과 접촉되어 있는 전기광학장치의 개량에 관한 것이다. 본 개량점은 한개 이상의 보호층을 전해질과 전기크롬 물질사이에 그리고 임의로 전해질과 역전극사이에 위치시키는 것을 포함한다. 전기크롬장치는 전기크롬물질을 어둡게 또는 밝게되도록 상기물질의 광흡수성을 변화시키기 위하여, 전기크롬물질을 통하여 전극사이에 전류를 통과시킴으로서 작동된다.

이와같은 장치에는 장치에 전장을 부여하기 위한 것과 전장을 역전시키기 위한 두개의 기구가 마련되어 있다.

다수의 용도를 갖는 이와같은 여러장치는 종래기술에서 발표되었다. 예를들에 미특허 3,708,220은 특별한 젤상태의 전해질 용액을 사용한 전기크롬장치를 설명했고, 미특허 3,521,941은 전기크롬 장치에 폴리에스터, 비닐 또는 유사폴리머, 알릴계, 또는 유사폴리머, 폴리카보네이트, 페놀계, 아미노수지, 폴리아미드, 폴리이미드 및 셀룰로우즈수지와 같은 플라스틱사용의 잠재성을 밝혔다.

미특허 3,971,624는 전기크롬장치에 전해질로 과불화황산폴리머의 사용을 밝혔으나, 이와같은 중합체를 장치에 합체시키는 방법에 대한 기술은 없다.

본 발명은 전기크롬물질과 중합체 전해질사이에 일개나 그 이상의 보호층을 합체시키고 있다. 보호층은

(1) 이온 투과성 절연체, 또는

(2) 전기크롬물질의 비-전기크롬 전환물에 전해질과 밀접접촉되는 절연체를 더한 것이다.

그외의 개량은 전해질의 다른쪽에 이온 투과성 절연체층의 제2보호층을 위치시킴으로서 이루어지는 것이다. 역전극이 금인 경우 또 하나의 개량은 제2절연체층 위에 역전극에 인접하여 얇은 팔라디움층을 위치시킴으로서 이루어진다.

보호층을 합체시키면 중합체 전해질층을 갖는 예전의 장치보다 더욱 안정된 전기크롬장치가 이루어진다.

따라서 본 발명의 목적은 종래의 장치에 의하여 가능했던 것보다도 긴 수명을 갖는 장치를 제조하는 것이다.

본 발명의 전술한 특징과 그 외의 특징 및 목적과 이점은 첨부도면과 관련된 다음의 상세한 설명으로부터 더욱 명백하게 될 것이다.

제1도는 종래의 전기 크롬장치로서, 이것은 맑은 유리나 펄라스틱상에 용착된 전극층을 갖는 전방전극(1)로부터 출발함으로서 이루어진다. 다음에 전기크롬 물질층(2)를 전극상에 용착시키고, 그 다음에 중합체 전해질(3)의 층을 합체시키고, 마지막으로 역전극(4)를 합체시킨다.

제2도는 절연체의 보호층(5)를 전기크롬층(2)와 중합체 전해질(3)사이에 합체시킨 것이다.

제3도는 중합체 전해질(3)의 어느 한쪽에 2개의 보호절연층(5)와 (6)을 합체시킨 것이다. 두 개의 절연층은 동일 또는 상이할 수 있으나, 동일한 것이 바람직하다.

제4도는 3개의 보호층을 합체시킨 것이다. 즉 전기크롬층(2)의 위에 비-전기크롬물질(7)이 있고 : 다음에 절연체층(5) : 마지막으로 제2의 절연체증(6)이 중합체 전해질(3)의 위에 있다.

본 명세서에서 사용된 "영속성 전기크롬물질"이란 주어진 파장범위에서는 전자(電磁)방사에 대하여 본질적으로 비흡수성인 제1영속상태로부터 주어진 파장 영역에서 전자방사에 대하여 흡수성인 제2영속상태로 변화시키는, 주어진 극성의 전장적용에 응답하는 물질로서 정의되며, 상기 제2상태에서는 그의 제1상태로 복귀되도록 상대극성의 전장적용에 응답하는 것이다.

이와같은 물질중의 어떤 것은 전장부재중 최초상태로 복귀되도록 단락상태에도 응답할 수 있다.

"영속성"이란 의미는 후란쯔캘디쉬(Franz-keldysh)효과의 경우에서와 같이 최초 상태로의 실질적인 순간 전환과 구별하여, 변화된 흡수상태에서 전장의 제거후에도 그대로 남아있는 물질의 능력을 말한다.

본 장치의 전기크롬 물질을형성하는 물질은 일반적으로 전기 절연체이거나 또는 반도체이다. 따라서 금속, 합금 및 비교적 양전도체인 금속-함유 화합물은 배제된다.

영속성 전기크롬물질은 또한 순수한 원소이건 합금이건, 또는 적어도 일종의 가변성 산화상태의 원소를 함유하는, 즉 0 이외의 1개 이상의 산화상태로 존재할 수 있는 주기율의 적어도 일종의 원소를 함유하는 화합물이건, 사용상태에서 고체인 무기물질로서 정의된다. 본 명세서에서 사용되는 "산화상태"란 용어는 무기화학(T. Moeller, John wiley & Sons, Inc., N. Y., 1952)에 정의되어 있다.

이들 물질에는 전이금속원소(탐타나이드와 악티나이드 계열원소를 포함)와 동(銅)과 같은 비-알카리 금속원소를 함유하는 물질이 포함된다. 이러한 부류의 바람직한 물질은 전이금속의 +2-+8의 산화상태로 존재하는 전이금속 화합물의 필름이다. 이들의 예로서는 전이금속 산화물, 전이금속 옥시설파이드, 전이금속 할로겐화합물, 셀레나이드, 텔루라이드, 크로메이트, 몰리브데이트, 텅그스테이트, 바나데이트, 니오베이트, 탄탈레이트, 티타네이트, 스타네이트 등이 있다. 특히 바람직한 것은 금속 스타네이트, 주기율(IV)B, (V)B, (VI)B족 금속의 산화물 및 유화물과 탄타나이드 계열 금속산화물과 유화물의 필름이다.

이와같은 물질의 실예로는 석산동, 산화텅그스텐, 산화세리움, 텅그스텐산코발트, 금속의 몰리브덴산염, 금속의 티탄산염, 금속의 니오븀산염 등이 있다. 이런 화합물의 부가적인 예는 미특허 3,521,941에 나온다.

영속전기크로미즘의 정확한 미캐니즘은 알려져 있지 않으나, 음으로 충전된 전기크롬층에 착색현상의발생이 관찰되고 있다. 일반적으로 영속 전기크롬미즘의 현상은 충전 보상전자류의 결과로서, 전기크롬 상층내에 색중심이 형성되는 음성전극에 수소나 리티움 이온과 같은 양이온의 이송이 수반되는 것으로 생각된다.

영속 전기크롬물질이 필름으로서 이용되는 경우 그 두께는 약 0.1-100미크론 범위에 있는 것이 바람직하다. 그러나 적은 전위가 대단히 얇은 필름에 걸쳐 막대한 전장 강도를 부여함으로, 후자의 범위 즉 0.1-10미크론이 두꺼운 것보다 바람직하다. 적절한 두께는 필름으로서 위치되는 특수화합물의 성질에 의하여서, 또한 필름-형성방법에 의하여서 결정될 것이다. 왜냐하면 특수화합물과 필름-형성방법이 본 장치의 제조에물리적(즉 비균일한 필름 표면) 및 경제적 한계를 부여하기 때문이다.

텅크스텐이 전기크롬상(像) 물질로서 이용되고 전극사이에 전장이 적용되는 경우에는 전에 무색이었던 전기크롬층의 청색착색 현상이 일어난다. 즉 영속적 전기크롬층이 처음에는 가시스펙트럼의 적색단부를 포함하는 벤드에 걸쳐 전자방사를 흡수하게 되고 이에 따라 상층(像層)의 외관에 청색을 부여한다. 전장을 적용하기전 전기크롬상층은 본질적으로 비-흡수성이기 때문에 무색이다.

여기에서 사용되는 전극은 전기크롬필름에 대하여 전기적으로 도체인 것이면 어느 물질로도 될 수 있다.

이들 전기 도체물질은 일반적으로 투명하거나 반투명하거나 불투명한 또는 기타 광학양질의 물질을 포함하는 유리, 목재, 종이, 펄라스틱, 석고등과 같은 적당한 기재물질상에 피복된다. 전극-기제조합물의 적어도 하나는 투명하며, 두가지 다 투명할 수도 있다.

본 발명에서 전해질로 사용될 적당한 중합체는 폴리에스텔, 비닐 또는 유사중합체, 알릴계나 그 유사중 합체, 폴리탄산염, 페놀류, 아미노수지, 폴리아미드류, 폴리이미드류 및 셀루로즈 수지와 같은 플라스틱과 또한 기타 전기적으로 도체인 중합체이다.

이 중합체는 산이나 염기성기 또는 그들의 염을 함유하는 중합체와 공중합체이다. 이들기는 일반적으로 중합체쇄에 공유결합되어 있다. 가장 바람직하게도 산성기나 염기성기를 가진 중합체는 가용성이다.

산성형의 중합체는 양이온을 교환하고, 염기성 종합체는 음이온을 교환한다, 양이온 교환체 주요기의강산성형은 -SO₃H와-PO₃H₂이고, 약산형의 것은 -

COOH이다. 강산형의 실예는 -CH₂N(CH₃)₃OH이고, 약산형의 실예로는 NH

₂OH이 있다.

이들 네개의 형가운데 설톤산과 4급 수산화 암모늄은 강하게 이온화된 기능을 갖고, 결과적으로 H⁺또는 OH^-이온의 이동때문에 발생되는 높은 이온 전도성을 갖는다. 이온 성기의 성질은 이온교환 중합체의 이온 전도성에 상당한 영향을 끼친다. 가장 전도성 있는 중합체는 이동성 이온이 양자(量子)인 중합체이다. 관능기 - SO₃H는 종국적으로 SO₃Na와 같은 염이나 -COOH와 같은 약산이 되는 것이 바람직하다.

설폰화 반응의 범위는 중합체의 이온전도성에도 역시 영향을 끼친다.

중합체 전해질의 실예에는 플라스타이텐 설폰산, 폴리에틸렌 설폰산, 과불소화설폰산(Nafion

)과 같은 것이 포함된다. 중합체 전해질은 적당한 용제내에서 중합체를 용해시킨 다음, 장처하방에 있는 층상에 중합체를 용착시키고, 용제를 증발시켜 중합체 전해질의 고형 필름을 생성케함으로서, 전기크롬 장치에 합체된다. 전해질은 약 10,000Å-100,000Å 또는 그 이상의 두께를 갖는 것이 바람직하며, 최적 수준은 중합체 형태와, 여러 보호층의 수와 형태는 물론 장치가 위치되는 용도에 따라 변화한다. 중합체 용착에 대한 더욱 완전한 설명은 미국일련번호 특허출원 841, 630, 1977.10.13 출원(Robert D.

Giglia)에 발표되어 있는 것을 참조할 수 있다.

보호층은 이들이 절연체인 경우 중합체 전해질과 밀착접촉되어 사용되고, 장치의 인접하는 전기 전도체층으로부터 또한 이층사이에 이온 전도성이나 투과성을 유지하면서 중합체 전해질의 전기절연성을 부여하는 것으로 생각된다. 절연체층으로 적당한 물질은 동일 또는 상이할 수 있으나 동일한 것이 바람직하며, 이러한 물질에는 산화실리콘, 불화칼슘 및 불화마그네슘이 포함된다. 또한 절연체가 직접 장치내에서 형성되도록 금속을 산화시키거나 유화시킴으로서 제조된 기타 금속 산화물이나 유화물이 포함된다. 실에로서는 상기 물질들과, 또한 산화알루미늄 및 셀레나이드, 알세니아트, 나이트라이드, 클로라이드, 플로라이드, 브로마이드 및 카바이드 물질과 같은 기타 무기절연체가 있다.

절연체층은 요구되는 전기절연성을 부여하기에 충분할만큼 두꺼워야 하나, 이온 투과율과/또는 전도성을 손상시킬 만큼 두꺼워서는 안된다. 일반적으로 약 100-1500A의 두께가 유용하다. 바람직한 두께는 사용되는 실제절연체에 따라 변한다. 산화 실리콘에 대하여 바람직한 두께는 약 350-450A이고, 불화마그네슘에 대하여는 약 200-300A이다. 그 두께가 바람직한 범위 이상으로 증가함에 따라, 구동 전압이 일정한 경우 개폐속도는 감소된다.

단지 일개의 절연 보호층이 사용되는 경우 중합체와 필름 사이에 이를 위치시켜 필름과 중합체간의 불필요한 반응을 최소로 한다.

보호층이 전기크롬 물질과 전해질사이에 전기 크롬물질과 동일한 물질의 비-전기크롬층을 더 포함하게되면, 이것은 전기크롬층과 밀접 접촉되어 위치된다. 이 물질은 정상적인 전기크롬 조작 전압하의 건조된(약 5% 이하의 수분) 장치내에서 전장의 영향하에 착색되지 않는다는 점에서 비-전기크롬성으로 간주된다. 비-전기크롬층은 전기크롬성 물질로서의 역할을 하는 동일한 물질이 더욱 심하게 산화전환된 것이다. 이것은 환원 또는 중심분위기에 반하여 산화분위기 내에서, 전기크롬층보다 더욱 느린 속도로 물질을 진공 용착시킴으로서 제조될 수 있다. 전기크롬층으로 사용될 수 있는 어떤 물질도 비-전기크롬층으로 역시 사용될 수 있으나, 산화 텅크스텐이 양자에 바람직하게 된다.

중합체 전해질의 양측에절연 체층을 갖는 본 장치에금의 역전극이 사용되는 경우, 절연체층과 금의 역전극 사이에 대단히 얇은 "핵형성"층을 합체시키면 더욱 개량된 장치가 이루어진다. 적당한 핵형성측의 물질에는 팔라디움, 백금 및 로디움이 포함된다. 바람직하게는 팔라디움이 그의 양자 전도특성 때문에 사용된다.

본 발명의 장치는 원하는 구조가 이루어질 때까지 한층에 다른 한층을 용착시킴으로서 용이하게 이루어진다.

다음의 실시예는 본 발명을 더 설명하고, 본 발명실시의 특수 구체예와 모형을 보이기 위한 것이며, 이를 제한시키려는 것은 아니다.

[실시예 1]

전기 크롬장치를 다음과 같은 제조하였다.

5000A층의 전기크롬성 산화탕그스텐을 한장의 산화인 디움전도성 유리에 용착시켰다. O₂분위기에서의 열증발에 의하여 전기크롬층위에 400A의 산화실리콘(거의 완전한 SiO₂)을 용착시켰다. 다음에 중합체 전해질이 장치에 합체되도록 0.07gms의 폴리스타이렌설폰산(PSSA) 중합체를 1.0ml의 메타놀에 용해시켰다. 스핀 피복방법에 의하여 25,000A의 PSSA를 용착시켰다. 120A의 금층을 건조된 중합체층에 용착시키고 역전극으로서 사용하였다.

제2장치는 산화실리콘 층을 생략하는 것을 제외하고는 제1장치와 동일한 방법으로 제조하였다.

착색에는 약 2볼트, 투명화에는 1볼트의 직류 전압에서 장치를 교대로 착색, 투명화시킴으로서, 상기 두 장치를 시험하였다. 15초의 착색시간은 14cm의 영역에 걸쳐 약 20%의 광투과를 형성시켰다. 15초 동안 전압을 역전시켰더니 투과가 55%로 증가되었다. 스위칭의 한개 싸이클에는 한 착색주기와 한 투명 주기가 포함된다.

상기 두 장치는 다음과 같은 비교 결과를 나타내었다.

산화 실리콘 산화실리콘 부존재

사이클 수명 240¹10²

¹맑은 상태에서 잔유 흡수가 나타났기 때문에 실패.

²장치를 많은 상태로 복귀시키는데 요구되는 과다한 소멸충전 때문에 실패.

[실시예 2]

제2의 400A 산화실리콘층을 역전극이 합체되기 전에 중합체 전해질위에 용착시키는 것을 제외하고는 실시예 1의 제1장치 제조과정을 반복하였다.

실시예 1에서와 같이 시험하여 다음 결과를 얻었다.

두 개의 산화실리콘층

사이클 수명 5,000싸이클³

³역전극에서의 전도성 손실때문에 실패.

[실시예 3]

산화텅그시텐의 네-전기코롬층을 전지크롬층과 제1산화 실리콘층 사이에 합체시키는 것을 제외하고는 실시예 2의 과정을 반복하였다. 1.7×10^-4torr에서 산소를 흘리면서 3A/sec의 비율로, 약 650A 두께까지 비-전기크롬층을 용착시켰다.

이 장치를 실시예 1에서와 같이 시험하여 다음 결과를 얻었다.

비-전기크롬층+두개의 산화실리콘층

싸이클 수명 7,000싸이클⁴

⁴역전극에서의 전도성 손실때문에 실패.

[실시예 4]

불화마그네슘(250A)을 산화실리콘 대신에 사용하는 것을 제외하고는 실시예 1의 과정을 반복하였다.

싸이클 수명 200싸이클⁵

⁵맑은 상태에서의 잔유 흡수 발생때문에 실패.

Claims (1)

1. 전극과 그 역전극을 포함하고 그들사이에 영속성 전기크롬물질층 및 이온전도성이나 전기적으로는 절연성인 중합성 전해질층을 배치하고, 상기 층들은 장치내에 위치되어 이층들을 통한 이온전도에 의하여 영속성 전기크롬물질층이 유색과 무색사이의 색변화를 하게하는 전기크롬장치에 있어서, 이온전도성을 손상하지 않으나 전기절연에는 충분한 100-1500Å의 두께를 갖는 무기화합물로 된 전기적으로 절연성인 필름층을 전기크롬층에 인접한 전해질층 표면에 접촉 포함한 것을 특징으로 하는 전기크롬장치.

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