WO2022108229A1 - 스마트 전기변색 소자 및 그 제조 방법 - Google Patents

스마트 전기변색 소자 및 그 제조 방법 Download PDF

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WO2022108229A1
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electrochromic device
electrolyte
electrode
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이선영
손민희
김지선
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한양대학교에리카산학협력단
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Definitions

  • the present invention relates to a smart electrochromic device and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a smart electrochromic device in which transmittance and reflectivity in a visible light wavelength band and transmittance and reflectivity in a near-infrared wavelength band can be selectively controlled, and manufacturing thereof related to the method.
  • Electrochromism is a phenomenon in which the color changes reversibly according to the direction of the electric field when a voltage is applied. do. Such an electrochromic material has no color when no electrical signal is applied from the outside and takes on a color when an electrical signal is applied. It has the characteristic of dissipating color.
  • the electrochromic device utilizes a phenomenon in which an electrochromic material reversibly changes color due to an oxidation-reduction reaction by an externally applied voltage.
  • These electrochromic devices can not only secure visibility, but also allow the user to actively control transmittance, so various color changes are possible, so they have a wide range of applications, such as smart windows, car room mirrors, laptops, mobile phones, and decorative designs. Accordingly, various technologies related to the electrochromic device are being studied.
  • a substrate for example, in Korean Patent Publication No. 10-2017-0142473 (Application No.: 10-2016-0075980, Applicant: Soon-Sung Jeong), a substrate, a first metal oxide layer provided on the substrate, and on the first metal oxide layer A first metal layer provided on and including silver, a second metal oxide layer provided on the first metal layer, and a second metal layer provided on the second metal oxide layer, wherein the metal of the second metal layer is Disclosed are a conductive structure having a lower oxidation level than silver, a conductive structure including the same, and an electrochromic device including the same. In addition, various technologies related to electrochromic devices are continuously being researched and developed.
  • One technical problem to be solved by the present invention is to provide a smart electrochromic device in which transmittance and reflectivity for visible light wavelength bands are selectively controlled, and a method for manufacturing the same.
  • Another technical problem to be solved by the present invention is to provide a smart electrochromic device in which transmittance and reflectivity for a near-ultraviolet wavelength band are selectively controlled, and a method for manufacturing the same.
  • Another technical problem to be solved by the present invention is to provide a smart electrochromic device and a method for manufacturing the same, in which the problem of internal cracks in the electrochromic layer is significantly reduced.
  • Another technical problem to be solved by the present invention is to provide a smart electrochromic device having significantly reduced environmental pollution problems and a method for manufacturing the same.
  • Another technical problem to be solved by the present invention is to provide a smart electrochromic device that can be easily applied to a large-area process and a method for manufacturing the same.
  • the technical problem to be solved by the present invention is not limited to the above.
  • the present invention provides a smart electrochromic device.
  • the smart electrochromic device includes a first electrode and a second electrode disposed to face each other, an electrochromic layer disposed between the first electrode and the second electrode and including a metal oxide, and It is disposed between the second electrode and the electrochromic layer, and includes an electrolyte in which a first base electrolyte including silver (Ag), a second base electrolyte including lithium (Li), and a solvent are mixed, the electrolyte According to the movement of silver ions or lithium ions in the inside, the transmittance and reflectivity for the visible light wavelength band and the transmittance and reflectivity for the near infrared wavelength band can be selectively controlled.
  • the visible light wavelength band may be transmitted and the near-infrared wavelength band may be blocked in a near-infrared blocking mode.
  • the transmittance for the visible light wavelength band is 1% or less, and the reflectance for the visible light wavelength band is 10% It may be implemented in the following black mode.
  • the transmittance for the visible light wavelength band is 2% or less, and the reflectivity for the visible light wavelength band is implemented in a mirror mode of 70% or more can be
  • the transparent mode when the silver ions and the lithium ions do not move, the transparent mode may be implemented in which the transmittance for the visible light wavelength band is 70% or more and the reflectivity to the visible light wavelength band is 15% or less. .
  • any one of the near-infrared blocking mode, the black mode, the mirror mode, and the transparent mode may be selectively implemented. have.
  • any one of the near-infrared blocking mode, the black mode, the mirror mode, and the transparent mode A mode of may be selectively implemented.
  • the second base electrolyte may include any one of lithium perchlorate (LiClO 4 ) and lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (Li-TFSI).
  • a plurality of particles of the metal oxide may be observed.
  • the metal oxide may include tungsten oxide (WO 3 ).
  • the first base electrolyte may include silver nitrate (AgNO 3 ).
  • the present invention provides a method of manufacturing a smart electrochromic device.
  • the method of manufacturing the smart electrochromic device includes preparing a first electrode, forming an electrochromic layer including a metal oxide on the first electrode, and interposed between the electrochromic layer bonding the first electrode and the second electrode on which the electrochromic layer is formed so as to be disposed, a first base electrolyte including silver (Ag), a second base electrolyte including lithium (Li), and a solvent are mixed It may include preparing the used electrolyte, and injecting the electrolyte between the second electrode and the electrochromic layer.
  • the electrochromic layer may include forming the metal oxide by dry lamination on the first electrode.
  • the first base electrolyte, the second base electrolyte, and the solvent are mixed, the first base electrolyte, the second base electrolyte, and the solvent are mixed It may include subjecting the solution to heat treatment.
  • a smart electrochromic device includes a first electrode (eg, FTO glass) and a second electrode (eg, ITO glass) disposed to face each other, the first electrode and the second electrode
  • An electrochromic layer disposed between the electrodes and comprising a metal oxide (eg, WO 3 ), and a first base electrolyte disposed between the second electrode and the electrochromic layer and comprising silver (Ag) ( For example, AgNO 3 ), a second base electrolyte including lithium (Li) (eg, LiClO 4 ), and a solvent-mixed electrolyte may be included.
  • the smart electrochromic device transmittance and reflectivity for a visible light wavelength band and transmittance and reflectivity for a near-infrared wavelength band are selectively controlled according to the voltage applied to the first electrode and the second electrode.
  • the smart electrochromic device has any one of a transparent mode that transmits light, a black mode that blocks light, and a mirror mode that reflects light, as well as a near-infrared blocking mode that transmits visible light wavelengths and blocks near-infrared wavelengths It can be selectively implemented in the mode of
  • the electrochromic layer since a dry lamination method (eg, Nanoparticle Deposition System) is used, the problem of internal cracking and environmental pollution of the electrochromic layer is significantly reduced, It can be easily applied to large-area processes.
  • a dry lamination method eg, Nanoparticle Deposition System
  • FIG. 1 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a smart electrochromic device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view showing a manufacturing process of a smart electrochromic device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating ion movement in an electrolyte when the smart electrochromic device according to an embodiment of the present invention is implemented in a transparent mode.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating ion movement in an electrolyte when the smart electrochromic device according to an embodiment of the present invention is implemented in a near-infrared blocking mode.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating ion movement in an electrolyte when the smart electrochromic device according to an embodiment of the present invention is implemented in a black mode.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating ion movement in an electrolyte when the smart electrochromic device according to an embodiment of the present invention is implemented in a mirror mode.
  • Example 8 is a graph showing optical characteristics when the smart electrochromic device according to Example 1 of the present invention is implemented in a near-infrared blocking mode.
  • Example 9 is a graph showing optical characteristics when the smart electrochromic device according to Example 1 of the present invention is implemented in a black mode and a mirror mode.
  • FIG 10 is a graph comparing optical properties according to the concentration of LiClO 4 included in the electrolyte of the smart electrochromic device according to Example 1 of the present invention.
  • Example 11 is a graph comparing the optical properties according to the Li-TFSI concentration included in the electrolyte of the smart electrochromic device according to Example 2 of the present invention.
  • Example 13 is an image of an electrochromic layer of a smart electrochromic device according to Example 3 of the present invention.
  • FIG 14 is an image when the smart electrochromic device according to the third embodiment of the present invention is implemented in a mirror mode and a black mode.
  • Example 15 is a graph showing optical characteristics of a smart electrochromic device according to Example 3 of the present invention.
  • 16 is a graph showing the discoloration rate of the smart electrochromic device according to Example 3 of the present invention.
  • 17 and 18 are graphs showing the stability of the smart electrochromic device according to Example 3 of the present invention.
  • first, second, third, etc. are used to describe various components, but these components should not be limited by these terms. These terms are only used to distinguish one component from another. Accordingly, what is referred to as a first component in one embodiment may be referred to as a second component in another embodiment.
  • a first component in one embodiment may be referred to as a second component in another embodiment.
  • Each embodiment described and illustrated herein also includes a complementary embodiment thereof.
  • 'and/or' is used in the sense of including at least one of the components listed before and after.
  • connection is used in a sense including both indirectly connecting a plurality of components and directly connecting a plurality of components.
  • FIG. 1 is a flowchart illustrating a method of manufacturing a smart electrochromic device according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a view showing a manufacturing process of a smart electrochromic device according to an embodiment of the present invention.
  • the first electrode 100 may be prepared (S100).
  • the first electrode 100 may include fluorine tin doped oxide (FTO) glass.
  • An electrochromic layer 200 may be formed on the first electrode 100 (S200).
  • the electrochromic layer 200 may include a metal oxide.
  • the metal oxide may include tungsten oxide (WO 3 ).
  • the electrochromic layer 200 may be formed by a dry lamination method.
  • the powder of the metal oxide may be provided on the first electrode 100 as a NPDS (Nanoparticle Deposition System).
  • NPDS Nanoparticle Deposition System
  • the electrochromic layer 200 is formed by the wet lamination method, internal cracks are generated due to vaporization of the solvent in the electrochromic layer, which may cause a problem in that the performance of the electrochromic device is deteriorated. have.
  • a problem of environmental pollution may occur.
  • the electrochromic layer 200 is formed by the dry lamination method, internal cracking problems and environmental pollution problems can be remarkably reduced.
  • the electrochromic layer 200 is formed by a dry lamination method, a plurality of particles of the metal oxide may be observed in the electrochromic layer 200 .
  • the first electrode 100 and the second electrode 300 on which the electrochromic layer 200 is formed may be bonded (S300). Specifically, the first electrode 100 and the second electrode 300 may be bonded such that the electrochromic layer 200 is disposed between the first electrode 100 and the second electrode 300 . have.
  • the second electrode 300 may include a material different from that of the first electrode 100 .
  • the second electrode 300 may include indium tin oxide (ITO) glass.
  • An electrolyte in which a first base electrolyte containing silver (Ag), a second base electrolyte containing lithium (Li), a third base electrolyte containing bromine (Br), and a solvent are mixed may be prepared (S400) .
  • the first base electrolyte may include silver nitrate (AgNO 3 ).
  • the second base electrolyte may include any one of lithium perchlorate (LiClO 4 ) or lithium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide (Li-TFSI).
  • the third base electrolyte may include tetra-n-butylammonium bromide (TBABr).
  • the solvent may include dimethyl sulfoxide (DMSO).
  • the first to third base electrolytes and the solvent may be mixed.
  • a solution in which the first to third base electrolytes and the solvent are mixed may be heat-treated at a temperature of 60°C. Accordingly, the reactivity of the second base electrolyte (eg, LiClO 4 ) and the solvent (eg, DMSO) may be improved, and reliability of the electrolyte may be improved.
  • the second base electrolyte eg, LiClO 4
  • the solvent eg, DMSO
  • the second base electrolyte eg, LiClO 4
  • the solvent eg, DMSO
  • an endothermic reaction occurs, so that the second base electrolyte (eg, LiClO 4 ) is
  • the reactivity of the second base electrolyte (eg, LiClO 4 ) and the solvent (eg, DMSO) may be improved.
  • the concentration ratio of the first and second base electrolytes may be controlled.
  • the concentration ratio of the first base electrolyte (eg, AgNO 3 ) to the second base electrolyte (eg, LiClO 4 ) may be controlled to be greater than 1:5 and less than 1:20.
  • the concentration of the first base electrolyte (eg, AgNO 3 ) is 50 mM
  • the concentration of the second base electrolyte (eg, LiClO 4 ) may be greater than 250 mM and less than 1000 mM. Accordingly, in the smart electrochromic device to be described later, any one of a transparent mode, a near-infrared blocking mode, a black mode, and a mirror mode may be selectively implemented.
  • the concentration ratio of the first base electrolyte (eg, AgNO 3 ) to the second base electrolyte (eg, LiClO 4 ) is 1:5 or less or 1:20 or more, visible light in the near-infrared blocking mode A problem of blocking even wavelengths and a problem of not being implemented in a black mode may occur.
  • the electrolyte may be injected between the second electrode 300 and the electrochromic layer 200 (S500). Accordingly, the smart electrochromic device according to the embodiment can be manufactured.
  • the electrochromic layer 200 includes the metal oxide (eg, WO 3 ), and the electrolyte is the second base electrolyte (eg, LiClO 4 ). ) may be included.
  • the smart electrochromic device according to the voltage applied to the first electrode 100 and the second electrode 200, transmittance and reflectivity in the visible light wavelength band, the transmittance in the near-infrared wavelength band, and The reflectivity can be selectively controlled.
  • any one of a transparent mode, a near-infrared blocking mode, a black mode, and a mirror mode may be selectively implemented.
  • the transparent mode, the near-infrared blocking mode, the black mode, and the mirror mode will be described in detail.
  • FIG. 3 is a view showing the movement of ions in the electrolyte when the smart electrochromic device according to an embodiment of the present invention is implemented in a transparent mode
  • FIG. 4 is a smart electrochromic device according to an embodiment of the present invention implemented in a near-infrared blocking mode
  • It is a view showing the movement of ions in the electrolyte in the case where the smart electrochromic device according to an embodiment of the present invention is implemented in black mode
  • FIG. 6 is a view showing the movement of ions in the electrolyte in the embodiment of the present invention.
  • It is a diagram showing the movement of ions in the electrolyte when the smart electrochromic device is implemented in a mirror mode.
  • the smart electrochromic device When no voltage is applied to the smart electrochromic device, as shown in FIG. 3 , silver ions (I 1 ) and lithium ions (I 2 ) in the electrolyte 400 may not move. Accordingly, the smart electrochromic device may be implemented in a transparent mode.
  • the transmittance for the visible light wavelength band may be 70% or more and the reflectance for the visible light wavelength band may be 15% or less.
  • both the transmittance for the visible light wavelength band and the transmittance for the near infrared wavelength band may be relatively high compared to the other modes described above.
  • NIR block Near-infrared blocking mode
  • the lithium ions (I 2 ) in the electrolyte 400 may move from the electrolyte 400 to the electrochromic layer 200 .
  • the silver ions I 1 in the electrolyte 400 may remain in the electrolyte 400 .
  • the smart electrochromic device may be implemented in a near-infrared blocking mode.
  • the smart electrochromic device when a voltage of -2.0V is applied to the first electrode (FTO, 100) and a voltage of +2.0V is applied to the second electrode (ITO, 300), the smart electrochromic device is implemented in a near-infrared blocking mode can be
  • the visible light wavelength band may be transmitted and the near-infrared wavelength band may be blocked. That is, the transmittance for the visible light wavelength band may be higher than the transmittance for the near infrared wavelength band.
  • a (-) voltage is applied to the first electrode (FTO, 100) of the smart electrochromic device and a (+) voltage is applied to the second electrode (ITO, 300), which is applied to implement the near-infrared blocking mode
  • a voltage greater than the voltage is applied, as shown in FIG. 5 , both the silver ions (I 1 ) and the lithium ions (I 2 ) in the electrolyte 400 are transferred from the electrolyte 400 to the electrochromic layer. It can be moved to (200). Accordingly, the smart electrochromic device may be implemented in a black mode.
  • the smart electrochromic device when a voltage of -3.0V is applied to the first electrode (FTO, 100) and a voltage of +3.0V is applied to the second electrode (ITO, 300), the smart electrochromic device is implemented in a black mode.
  • the transmittance for the visible light wavelength band may be 1% or less, and the reflectance for the visible light wavelength band may be 10% or less.
  • both transmittance for a visible light wavelength band and a transmittance for a near infrared wavelength band may be relatively low compared to the other modes described above.
  • the smart electrochromic device When a (+) voltage is applied to the first electrode (FTO, 100) and a (-) voltage is applied to the second electrode (ITO, 300) of the smart electrochromic device, as shown in FIG. 6 , , The silver ions (I 1 ) in the electrolyte 400 may move from the electrolyte 400 to the second electrode (ITO, 300 ). Alternatively, the lithium ions (I 2 ) in the electrolyte 400 may remain in the electrolyte 400 . Accordingly, the smart electrochromic device may be implemented in a mirror mode.
  • the smart electrochromic device is implemented in a mirror mode.
  • the transmittance for the visible light wavelength band may be 2% or less, and the reflectance for the visible light wavelength band may be 70% or more.
  • both the reflectivity for the visible light wavelength band and the reflectivity for the near infrared wavelength band may be relatively high compared to the other modes described above.
  • the electrolyte 400 may include a first base electrolyte containing (Ag), a second base electrolyte containing lithium (Li), and a mixture of a solvent.
  • the smart electrochromic device according to the voltage applied to the first electrode 100 and the second electrode 200, transmittance and reflectivity in the visible light wavelength band, the transmittance in the near-infrared wavelength band, and The reflectivity can be selectively controlled.
  • the smart electrochromic device has any one of a transparent mode that transmits light, a black mode that blocks light, and a mirror mode that reflects light, as well as a near-infrared blocking mode that transmits visible light wavelengths and blocks near-infrared wavelengths It can be selectively implemented in the mode of
  • FTO glass Fluorine Tin doped Oxide glass
  • ITO glass Indium Tin Oxide glass
  • 50 mM concentration of AgNO 3 250 mM concentration of TBABr (tetra-n-butylammonium bromide), 250 mM, 500 mM, 1000 mM LiClO 4 , and DMSO (dimethyl sulfoxide) after mixing the temperature of 60 °C
  • An electrolyte heat-treated with a furnace is prepared.
  • WO 3 powder was dry laminated on the FTO glass by NPDS (Nanoparticle Deposition system), immersed in DI water for 20 minutes, sonication was performed, and then dried with an air gun to form an electrochromic layer with a thickness of 400 nm.
  • NPDS Nanoparticle Deposition system
  • the FTO glass on which the electrochromic layer is formed is bonded to the ITO glass so that the WO 3 electrochromic layer is disposed therebetween, and the electrolyte is injected between the WO 3 electrochromic layer and the ITO glass to prepare the smart electrochromic device according to Example 1 prepared.
  • a smart electrochromic device using 250 mM LiClO 4 is defined as Example 1-1, and a smart electrochromic device using 500 mM LiClO 4 is defined as Example 1-2, and 1000 mM concentration of LiClO 4 is defined as Example 1-2.
  • a smart electrochromic device using LiClO 4 is defined in Examples 1-3.
  • the electrolyte composition of the smart electrochromic device according to Examples 1-1 to 1-3 is summarized in ⁇ Table 1> below.
  • Example 1-1 50 mM 250 mM 1:5
  • Example 1-2 50 mM 500 mM 1:10
  • Examples 1-3 50 mM 1000 mM 1:20
  • Li-TFSI Lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide
  • a smart electrochromic device using Li-TFSI at a concentration of 250 mM is defined as Example 2-1
  • a smart electrochromic device using Li-TFSI at a concentration of 500 mM is defined as Example 2-2
  • 1000 mM A smart electrochromic device using a concentration of Li-TFSI is defined as Example 2-3.
  • the electrolyte composition of the smart electrochromic device according to Examples 1-1 to 1-3 is summarized in ⁇ Table 2> below.
  • composition of the electrolyte used in the smart electrochromic device according to Examples 1 to 3 is summarized in ⁇ Table 3> below.
  • FIG. 7A to 7D the transparent mode, the near-infrared blocking mode, the black mode, and the mirror mode of the electrochromic device according to Example 1 are photographed and shown.
  • FIG. 7 shows a transparent mode state in which no voltage is applied
  • FIG. 7 shows a black mode state in which a -3.0V voltage is applied to a +3.0V FTO to the ITO
  • FIG. 7(d) is a -2.5V voltage to the ITO and a +2.5V voltage to the FTO Indicates a mirror mode state.
  • ITO FTO transparent mode 0V 0V Near-infrared blocking mode +2.0V -2.0V black mode +3.0V -3.0V mirror mode +2.0V -> -2.5V -2.0V -> +2.5V
  • Example 8 is a graph showing optical characteristics when the smart electrochromic device according to Example 1 of the present invention is implemented in a near-infrared blocking mode.
  • the wavelength of light applied to each of the initial state (Initial), the near-infrared blocking mode state (NIR block), and the discoloration state (Bleaching) , nm) by measuring the transmittance (Transmittance, %) was shown.
  • the decolorization state was implemented by applying a voltage of -1V to the ITO and +1V to the FTO after being implemented in the near-infrared blocking mode state.
  • the smart electrochromic device according to Example 1 when the smart electrochromic device according to Example 1 is implemented in the near-infrared blocking mode, it has relatively high transmittance in the visible light wavelength band (about 400 nm to 700 nm), while the near-infrared wavelength band (about 400 nm to 700 nm). 700 nm ⁇ 900 nm) was confirmed to have a relatively low transmittance. In addition, it was confirmed that, when changing from the near-infrared blocking mode to the decolorizing state, the transmittance change rate ( ⁇ T) for the near-infrared wavelength band was as high as 43%. Accordingly, it was confirmed that the smart electrochromic device according to Example 1 can be implemented in a near-infrared blocking mode that transmits a visible light wavelength band and blocks a near-infrared wavelength band.
  • Example 9 is a graph showing optical characteristics when the smart electrochromic device according to Example 1 of the present invention is implemented in a black mode and a mirror mode.
  • FIG 10 is a graph comparing optical properties according to the concentration of LiClO 4 included in the electrolyte of the smart electrochromic device according to Example 1 of the present invention.
  • FIGS. 10A to 10C the optical properties of the smart electrochromic devices according to Examples 1-1, 1-2, and 1-3 are compared and shown, respectively.
  • (a) of FIG. 10 in the case of the smart electrochromic device according to Example 1-1, it blocks the visible light region in the NIR block state, and the black mode is implemented. It was confirmed that the transmittance was not restored to the initial level during bleaching.
  • FIG. 10 in the case of the smart electrochromic device according to Example 1-1, it blocks the visible light region in the NIR block state, and the black mode is implemented. It was confirmed that the transmittance was not restored to the initial level during bleaching.
  • NIR block near-infrared blocking mode
  • black black
  • mirror mode Mirror
  • the concentration ratio of LiClO 4 to AgNO 3 contained in the electrolyte is controlled to be greater than 1:5 (50mM:250mM) and less than 1:20 (50mM:1000mM), a near-infrared blocking mode (NIR block), a black mode (black) ), and it can be seen that the mirror mode (Mirror) can be selectively implemented.
  • Example 11 is a graph comparing the optical properties according to the Li-TFSI concentration included in the electrolyte of the smart electrochromic device according to Example 2 of the present invention.
  • NIR block near-infrared blocking mode
  • black black
  • mirror mode Mirror
  • Li-TFSI concentration ratio to AgNO 3 contained in the electrolyte is controlled to be greater than 1:5 (50mM:250mM) and less than 1:20 (50mM:1000mM), a near-infrared blocking mode (NIR block), a black mode ( black), and it can be seen that the mirror mode (Mirror) can be selectively implemented.
  • NIR block near-infrared blocking mode
  • black black
  • the optical properties of the smart electrochromic devices according to Examples 1-2 and 2-2 are compared and shown, respectively.
  • the smart electrochromic device according to Example 1-2 compared with the smart electrochromic device according to Example 2-2, has a near-infrared blocking mode (NIR). block) and black mode (Black), it was confirmed that exhibited more excellent properties.
  • NIR near-infrared blocking mode
  • Black black mode
  • the smart electrochromic device according to Example 1-2 exhibited a transmittance recovery ( ⁇ T) of 39% during bleaching
  • the smart electrochromic device according to Example 2-2 exhibiting a transmittance recovery ( ⁇ T) of 25%. It was confirmed that the electrochromic device had better properties than the electrochromic device.
  • the smart electrochromic device according to the embodiment had superior optical properties when LiClO 4 was used as the electrolyte than when Li-TFSI was used.
  • Example 13 is an image of an electrochromic layer of a smart electrochromic device according to Example 3 of the present invention.
  • FIG 14 is an image when the smart electrochromic device according to the third embodiment of the present invention is implemented in a mirror mode and a black mode.
  • FIG. 14 (a) the FE-SEM image and EDS mapping image for ITO glass in the case where the smart electrochromic device according to Example 3 is implemented in a mirror mode is shown, and FIG. 14 (b) is shown.
  • FIG. 14 (b) Referring to, the FE-SEM image and EDS mapping image of the WO 3 electrochromic layer when the smart electrochromic device according to Example 4 is implemented in black mode is shown.
  • Example 15 is a graph showing optical characteristics of a smart electrochromic device according to Example 3 of the present invention.
  • FIG. 15A after preparing the smart electrochromic device according to the third embodiment, it is applied to each of a transparent mode state, a mirror mode state, and a black mode state. Transmittance (%) according to the wavelength of light (Wavelength, nm) was measured and shown.
  • FIG. 15 (b) after preparing the smart electrochromic device according to the third embodiment, a transparent mode state, a mirror mode state, and a black mode state, respectively The reflectance (Reflectance, %) according to the wavelength (Wavelength, nm) of the applied light was measured and shown.
  • the transmittance for the 680 nm wavelength in the transmission mode state is as high as 76.44%, whereas the transmittance for the 680 nm wavelength in the black mode and the mirror mode state is 0.51% and 1.26%, respectively. It could be seen that the lower
  • the reflectivity for the 680 nm wavelength in the transmission mode and the black mode state is as low as about 10%, whereas the reflectance for the 680 nm wavelength and 440 nm wavelength in the mirror mode state was found to be high at 73.1% and 77.2%, respectively.
  • 16 is a graph showing the discoloration rate of the smart electrochromic device according to Example 3 of the present invention.
  • the time for changing from transparent to black and the time for changing from transparent to mirror mode Time was measured and indicated. As can be seen in FIG. 16 , it was confirmed that the time (t c ) to change from the transmission mode to the black mode was 16 seconds, and the time (t c ) to change from the transmission mode to the mirror mode was 35 seconds.
  • 17 and 18 are graphs showing the stability of the smart electrochromic device according to Example 3 of the present invention.
  • the change in transmittance was measured and shown for 100 switching cycles. Specifically, the operation in the order of transmission mode-black mode-transmission mode-mirror mode-transmission mode was defined as 1 switching cycle. In addition, the transmission mode after the black mode and the transmission mode after the mirror mode were defined as a discolored state.
  • the smart electrochromic device continuously shows high transmittance (70% or more) in the discolored state, and continuously low transmittance (10% or less) in the black mode, despite each mode being repeatedly driven. ) was confirmed to have high stability.
  • the change in reflectivity was measured and shown for 100 cycles. Specifically, the operation in the order of transmission mode-mirror mode-transmission mode was defined as 1 cycle. In addition, the transmission mode after the mirror mode was defined as a discolored state.
  • FIG. 18 after preparing the smart electrochromic device according to Example 3, cyclic voltammetry was measured and shown at a scan rate of 100 mV/s after 1 cycle, 50 cycles, and 100 cycles. As can be seen in FIG. 18 , it was confirmed that the current density was 77.68, 84.31, and 88.17 mC/cm 2 , respectively, after 1 cycle, 50 cycles, and 100 cycles. That is, it was confirmed that the smart electrochromic device according to Example 3 had high electrical stability, as the change in current density did not significantly change during 100 cycles.
  • the smart electrochromic device according to the embodiment of the present application and the electrochromic device according to the manufacturing method thereof may be utilized in various industrial fields such as household glass, industrial glass, military glass, and medical glass.

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Abstract

스마트 전기변색 소자가 제공된다. 상기 스마트 전기변색 소자는, 서로 대향하여 배치되는 제1 전극 및 제2 전극, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배치되고, 금속 산화물을 포함하는 전기변색층, 및 상기 제2 전극과 상기 전기변색층 사이에 배치되고, 은(Ag)을 포함하는 제1 베이스 전해질, 리튬(Li)을 포함하는 제2 베이스 전해질, 및 용매가 혼합된 전해질을 포함할 수 있다.

Description

스마트 전기변색 소자 및 그 제조 방법
본 발명은 스마트 전기변색 소자 및 그 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 가시광선 파장 대에 대한 투과도 및 반사도와 근적외선 파장 대에 대한 투과도 및 반사도가 선택적으로 제어 가능한 스마트 전기변색 소자 및 그 제조 방법에 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.
전기변색 소자는 외부에서 인가한 전압에 의한 전기변색 물질이 산화-환원 반응으로 인해 가역적으로 색이 변하는 현상을 이용한 것이다. 이러한 전기변색 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, 전기변색 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 전기변색 소자가 개시되어 있다. 이 밖에도, 전기변색 소자와 관련된 다양한 기술들이 지속적으로 연구, 개발되고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 가시광선 파장 대에 대한 투과도 및 반사도가 선택적으로 제어되는 스마트 전기변색 소자 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 근자외선 파장 대에 대한 투과도 및 반사도가 선택적으로 제어되는 스마트 전기변색 소자 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 전기변색층 내부 크랙 발생 문제가 현저하게 감소된 스마트 전기변색 소자 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 환경오염 문제가 현저하게 감소된 스마트 전기변색 소자 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 대면적 공정에 적용이 용이한 스마트 전기변색 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 스마트 전기변색 소자를 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 스마트 전기변색 소자는, 서로 대향하여 배치되는 제1 전극 및 제2 전극, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배치되고, 금속 산화물을 포함하는 전기변색층, 및 상기 제2 전극과 상기 전기변색층 사이에 배치되고, 은(Ag)을 포함하는 제1 베이스 전해질, 리튬(Li)을 포함하는 제2 베이스 전해질, 및 용매가 혼합된 전해질을 포함하되, 상기 전해질 내의 은 이온 또는 리튬 이온의 이동에 따라, 가시광선 파장 대에 대한 투과도 및 반사도와, 근적외선 파장 대에 대한 투과도 및 반사도가 선택적으로 제어될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 리튬 이온이 상기 전해질로부터 상기 전기변색층으로 이동되는 경우, 가시광선 파장대는 투과하고, 근적외선 파장대는 차단하는 근적외선 차단 모드로 구현될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 은 이온 및 상기 리튬 이온이 모두 상기 전해질로부터 상기 전기변색층으로 이동되는 경우, 가시광선 파장 대에 대한 투과도가 1% 이하이고, 가시광선 파장 대에 대한 반사도가 10% 이하인 블랙 모드로 구현될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 은 이온이 상기 전해질로부터 상기 제2 전극으로 이동되는 경우, 가시광선 파장 대에 대한 투과도가 2% 이하이고, 가시광선 파장 대에 대한 반사도가 70% 이상인 거울 모드로 구현될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 은 이온 및 상기 리튬 이온이 이동되지 않는 경우, 가시광선 파장 대에 대한 투과도가 70% 이상이고, 가시광선 파장 대에 대한 반사도가 15% 이하인 투명 모드로 구현될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극에 인가되는 전압에 따라, 상기 근적외선 차단 모드, 상기 블랙 모드, 상기 거울 모드, 및 상기 투명 모드 중 어느 하나의 모드가 선택적으로 구현될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 베이스 전해질 대비 상기 제2 베이스 전해질의 농도비가 1:5 초과 1:20 미만인 경우, 상기 근적외선 차단 모드, 상기 블랙 모드, 상기 거울 모드, 및 상기 투명 모드 중 어느 하나의 모드가 선택적으로 구현될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제2 베이스 전해질은, 과염소산 리튬(LiClO4) 또는 리튬 비스(트리플루오로메탄설포닐)이미드(Li-TFSI) 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 전기변색층은, 복수의 상기 금속 산화물의 입자(particle)들이 관찰될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 금속 산화물은, 텅스텐 산화물(WO3)을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 베이스 전해질은, 질산 은(AgNO3)을 포함할 수 있다.
상술된 기술적 과제들을 해결하기 위해 본 발명은 스마트 전기변색 소자의 제조 방법을 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 스마트 전기변색 소자의 제조 방법은, 제1 전극을 준비하는 단계, 상기 제1 전극 상에 금속 산화물을 포함하는 전기변색층을 형성하는 단계, 상기 전기변색층이 사이에 배치되도록, 상기 전기변색층이 형성된 상기 제1 전극과 제2 전극을 접합시키는 단계, 은(Ag)을 포함하는 제1 베이스 전해질, 리튬(Li)을 포함하는 제2 베이스 전해질, 및 용매가 혼합된 전해질을 준비하는 단계, 및 상기 제2 전극과 상기 전기변색층 사이에 상기 전해질을 주입하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 전기변색층을 형성하는 단계에서, 상기 전기변색층은, 상기 금속 산화물이 상기 제1 전극 상에 건식 적층되어 형성되는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 전해질을 준비하는 단계에서, 상기 제1 베이스 전해질, 상기 제2 베이스 전해질, 및 용매가 혼합되는 동안, 상기 제1 베이스 전해질, 상기 제2 베이스 전해질, 및 용매가 혼합된 용액이 열처리되는 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 스마트 전기변색 소자는, 서로 대향하여 배치되는 제1 전극(예를 들어, FTO glass) 및 제2 전극(예를 들어, ITO glass), 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배치되고, 금속 산화물(예를 들어, WO3)을 포함하는 전기변색층, 및 상기 제2 전극과 상기 전기변색층 사이에 배치되고, 은(Ag)을 포함하는 제1 베이스 전해질(예를 들어, AgNO3), 리튬(Li)을 포함하는 제2 베이스 전해질(예를 들어, LiClO4), 및 용매가 혼합된 전해질을 포함할 수 있다.
이에 따라, 상기 스마트 전기변색 소자는, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극에 인가되는 전압에 따라, 가시광선 파장 대에 대한 투과도 및 반사도와, 근적외선 파장 대에 대한 투과도 및 반사도가 선택적으로 제어될 수 있다. 이로 인해, 상기 스마트 전기변색 소자는, 빛을 투과하는 투명 모드, 빛을 차단하는 블랙 모드, 빛을 반사하는 거울 모드뿐만 아니라, 가시광선 파장 대는 투과하고 근적외선 파장 대는 차단하는 근적외선 차단 모드 중 어느 하나의 모드로 선택적으로 구현될 수 있다.
또한, 상기 전기변색층을 제조하는 과정에서, 건식 적층 방법(예를 들어, Nanoparticle Deposition System)이 사용되므로, 상기 전기변색층의 내부 크랙(crack) 발생 문제 및 환경오염 문제가 현저하게 감소되고, 대면적 공정에 용이하게 적용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 스마트 전기변색 소자의 제조 방법을 설명하는 순서도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 스마트 전기변색 소자의 제조 공정을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 스마트 전기변색 소자가 투명 모드로 구현되는 경우 전해질 내의 이온 이동을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 스마트 전기변색 소자가 근적외선 차단 모드로 구현되는 경우 전해질 내의 이온 이동을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 스마트 전기변색 소자가 블랙 모드로 구현되는 경우 전해질 내의 이온 이동을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 스마트 전기변색 소자가 거울 모드로 구현되는 경우 전해질 내의 이온 이동을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시 예 1에 따른 전기변색 소자의 각 구현 상태를 촬영한 사진이다.
도 8은 본 발명의 실시 예 1에 따른 스마트 전기변색 소자가 근적외선 차단 모드로 구현되는 경우의 광학적 특성을 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실시 예 1에 따른 스마트 전기변색 소자가 블랙 모드 및 거울 모드로 구현되는 경우의 광학적 특성을 나타내는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 실시 예 1에 따른 스마트 전기변색 소자의 전해질이 포함하는 LiClO4 농도에 따른 광학적 특성을 비교하는 그래프이다.
도 11은 본 발명의 실시 예 2에 따른 스마트 전기변색 소자의 전해질이 포함하는 Li-TFSI농도에 따른 광학적 특성을 비교하는 그래프이다.
도 12는 본 발명의 실시 예 1 및 실시 예 2에 따른 스마트 전기변색 소자의 광학적 특성을 비교하는 그래프이다.
도 13은 본 발명의 실시 예 3에 따른 스마트 전기변색 소자의 전기변색층 이미지이다.
도 14는 본 발명의 실시 예 3에 따른 스마트 전기변색 소자가 거울 모드 및 블랙 모드로 구현되는 경우의 이미지이다.
도 15는 본 발명의 실시 예 3에 따른 스마트 전기변색 소자의 광학적 특성을 나타내는 그래프이다.
도 16은 본 발명의 실시 예 3에 따른 스마트 전기변색 소자의 변색 속도를 나타내는 그래프이다.
도 17 및 도 18은 본 발명의 실시 예 3에 따른 스마트 전기변색 소자의 안정성을 나타내는 그래프이다.
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 스마트 전기변색 소자의 제조 방법을 설명하는 순서도이고, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 스마트 전기변색 소자의 제조 공정을 나타내는 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 제1 전극(100)이 준비될 수 있다(S100). 일 실시 예에 따르면, 상기 제1 전극(100)은 FTO(Fluorine Tin doped Oxide) 글라스(glass)를 포함할 수 있다.
상기 제1 전극(100) 상에 전기변색층(200)이 형성될 수 있다(S200). 일 실시 예에 따르면, 상기 전기변색층(200)은 금속 산화물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 금속 산화물은 텅스텐 산화물(WO3)을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 전기변색층(200)은 건식 적층 방법으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 전극(100) 상에 상기 금속 산화물의 분말이 NPDS(Nanoparticle Deposition System)으로 제공될 수 있다. 이와 달리, 습식 적층 방법으로 상기 전기변색층(200)이 형성되는 경우, 전기변색층 내 용매의 기화로 인하여 내부 크랙(crack)이 발생되어, 전기변색 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 전기변색층(200)이 형성되는 경우, 내부 크랙(crack) 발생 문제 및 환경오염 문제가 현저하게 감소될 수 있다.
또한, 상술된 바와 같이, 상기 전기변색층(200)이 건식 적층 방법으로 형성됨에 따라, 상기 전기변색층(200)은 복수의 상기 금속 산화물의 입자(particle)들이 관찰될 수 있다.
상기 전기변색층(200)이 형성된 상기 제1 전극(100)과 제2 전극(300)이 접합될 수 있다(S300). 구체적으로, 상기 전기변색층(200)이 상기 제1 전극(100)과 상기 제2 전극(300) 사이에 배치되도록, 상기 제1 전극(100)과 상기 제2 전극(300)이 접합될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 제2 전극(300)은 상기 제1 전극(100)과 다른 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 전극(300)은 ITO(Indium Tin Oxide) 글라스(glass)를 포함할 수 있다.
은(Ag)을 포함하는 제1 베이스 전해질, 리튬(Li)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, 질산 은(AgNO3)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 베이스 전해질은, 과염소산 리튬(LiClO4) 또는 리튬 비스(트리플루오로메탄설포닐)이미드(Lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide, Li-TFSI) 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제3 베이스 전해질은 테트라-n-뷰틸암모니움 브로마이드(tetra-n-butylammonium 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 내지 상기 제3 베이스 전해질, 및 상기 용매가 혼합되는 동안, 상기 제1 내지 제3 베이스 전해질, 및 상기 용매가 혼합된 용액이 열처리될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 내지 제3 베이스 전해질, 및 상기 용매가 혼합된 용액은 60℃의 온도로 열처리될 수 있다. 이에 따라, 상기 제2 베이스 전해질(예를 들어, LiClO4) 및 상기 용매(예를 들어, DMSO)의 반응성이 향상되어, 상기 전해질의 신뢰성이 향상될 수 있다. 구체적으로, 상기 제2 베이스 전해질(예를 들어, LiClO4)이 상기 용매(예를 들어, DMSO)에 용해되는 경우 흡열 반응이 발생됨으로, 상기 제2 베이스 전해질(예를 들어, LiClO4)이 상기 용매(예를 들어, DMSO)와 혼합된 용액을 열처리함으로써, 상기 제2 베이스 전해질(예를 들어, LiClO4) 및 상기 용매(예를 들어, DMSO)의 반응성이 향상될 수 있다.
또한, 일 실시 예에 따르면, 상기 전해질을 준비하는 단계에서, 상기 제1 및 제2 베이스 전해질의 농도비가 제어될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 베이스 전해질(예를 들어, AgNO3) 대비 상기 제2 베이스 전해질(예를 들어, LiClO4)의 농도비가 1:5 초과 1:20 미만으로 제어될 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 베이스 전해질(예를 들어, AgNO3)의 농도가 50 mM인 경우, 상기 제2 베이스 전해질(예를 들어, LiClO4)의 농도는 250 mM 초과 1000 mM 미만일 수 있다. 이에 따라, 후술되는 스마트 전기변색 소자는, 투명 모드, 근적외선 차단 모드, 블랙 모드, 및 거울 모드 중 어느 하나의 모드가 선택적으로 구현될 수 있다.
이와 달리, 상기 제1 베이스 전해질(예를 들어, AgNO3) 대비 상기 제2 베이스 전해질(예를 들어, LiClO4)의 농도비가 1:5 이하이거나 1:20 이상인 경우, 근적외선 차단 모드에서 가시광선 파장까지 차단하는 문제점, 및 블랙 모드로 구현되지 않는 문제점이 발생될 수 있다.
상기 전해질은 상기 제2 전극(300)과 상기 전기변색층(200) 사이에 주입될 수 있다(S500). 이에 따라, 상기 실시 예에 따른 스마트 전기변색 소자가 제조될 수 있다. 상기 스마트 전기변색 소자는, 상술된 바와 같이, 상기 전기변색층(200)이 상기 금속 산화물(예를 들어, WO3)를 포함하고, 상기 전해질이 상기 제2 베이스 전해질(예를 들어, LiClO4)를 포함할 수 있다.
이에 따라, 상기 스마트 전기변색 소자는, 상기 제1 전극(100) 및 상기 제2 전극(200)에 인가되는 전압에 따라, 가시광선 파장 대에 대한 투과도 및 반사도와, 근적외선 파장 대에 대한 투과도 및 반사도가 선택적으로 제어될 수 있다. 이로 인해, 상기 스마트 전기변색 소자는, 투명 모드, 근적외선 차단 모드, 블랙 모드, 및 거울 모드 중 어느 하나의 모드가 선택적으로 구현될 수 있다. 이하, 상기 투명 모드, 근적외선 차단 모드, 블랙 모드, 및 거울 모드에 대해 구체적으로 설명된다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 스마트 전기변색 소자가 투명 모드로 구현되는 경우 전해질 내의 이온 이동을 나타내는 도면이고, 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 스마트 전기변색 소자가 근적외선 차단 모드로 구현되는 경우 전해질 내의 이온 이동을 나타내는 도면이고, 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 스마트 전기변색 소자가 블랙 모드로 구현되는 경우 전해질 내의 이온 이동을 나타내는 도면이고, 도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 스마트 전기변색 소자가 거울 모드로 구현되는 경우 전해질 내의 이온 이동을 나타내는 도면이다.
투명 모드(Transparent)
상기 스마트 전기변색 소자에 전압이 인가되지 않는 경우, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 전해질(400) 내의 은 이온(I1) 및 리튬 이온(I2)이 이동되지 않을 수 있다. 이에 따라, 상기 스마트 전기변색 소자는 투명 모드로 구현될 수 있다.
상기 스마트 전기변색 소자가 상기 투명 모드로 구현되는 경우, 가시광선 파장 대에 대한 투과도가 70% 이상이고 가시광선 파장 대에 대한 반사도가 15% 이하일 수 있다. 또한, 상기 스마트 전기변색 소자가 상기 투명 모드로 구현되는 경우, 상술된 다른 모드 들과 비교하여, 가시광선 파장 대에 대한 투과도 및 근적외선 파장 대에 대한 투과도가 모두 상대적으로 높을 수 있다.
근적외선 차단 모드(NIR block)
상기 스마트 전기변색 소자의 상기 제1 전극(FTO, 100)에 (-) 전압이 인가되고, 상기 제2 전극(ITO, 300)에 (+) 전압이 인가되는 경우, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 전해질(400) 내의 상기 리튬 이온(I2)은 상기 전해질(400)로부터 상기 전기변색층(200)으로 이동될 수 있다. 이와 달리, 상기 전해질(400) 내의 상기 은 이온(I1)은 상기 전해질(400) 내에 잔존될 수 있다. 이에 따라, 상기 스마트 전기변색 소자는 근적외선 차단 모드로 구현될 수 있다.
구체적으로, 상기 제1 전극(FTO, 100)에 -2.0V 전압이 인가되고 상기 제2 전극(ITO, 300)에 +2.0V 전압이 인가되는 경우, 상기 스마트 전기변색 소자는 근적외선 차단 모드로 구현될 수 있다.
상기 스마트 전기변색 소자가 상기 근적외선 차단 모드로 구현되는 경우, 가시광선 파장대는 투과하고 근적외선 파장 대는 차단할 수 있다. 즉, 가시광선 파장 대에 대한 투과도가 근적외선 파장 대에 대한 투과도 보다 높을 수 있다.
블랙 모드(Black)
상기 스마트 전기변색 소자의 상기 제1 전극(FTO, 100)에 (-) 전압이 인가되고 상기 제2 전극(ITO, 300)에 (+) 전압이 인가되되, 상기 근적외선 차단 모드 구현을 위해 인가되는 전압 보다 큰 전압이 인가되는 경우, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 전해질(400) 내의 상기 은 이온(I1) 및 상기 리튬 이온(I2)이 모두 상기 전해질(400)로부터 상기 전기변색층(200)으로 이동될 수 있다. 이에 따라, 상기 스마트 전기변색 소자는 블랙 모드로 구현될 수 있다.
구체적으로, 상기 제1 전극(FTO, 100)에 -3.0V 전압이 인가되고 상기 제2 전극(ITO, 300)에 +3.0V 전압이 인가되는 경우, 상기 스마트 전기변색 소자는 블랙 모드로 구현될 수 있다.
상기 스마트 전기변색 소자가 상기 블랙 모드로 구현되는 경우, 가시광선 파장 대에 대한 투과도가 1% 이하이고, 가시광선 파장 대에 대한 반사도가 10% 이하일 수 있다. 또한, 상기 스마트 전기변색 소자가 상기 블랙 모드로 구현되는 경우, 상술된 다른 모드 들과 비교하여, 가시광선 파장 대에 대한 투과도 및 근적외선 파장 대에 대한 투과도가 모두 상대적으로 낮을 수 있다.
거울 모드(Mirror)
상기 스마트 전기 변색 소자의 상기 제1 전극(FTO, 100)에 (+) 전압이 인가되고, 상기 제2 전극(ITO, 300)에 (-) 전압이 인가되는 경우, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 전해질(400) 내의 상기 은 이온(I1)은 상기 전해질(400)로부터 상기 제2 전극(ITO, 300)으로 이동될 수 있다. 이와 달리, 상기 전해질(400) 내의 상기 리튬 이온(I2)은 상기 전해질(400) 내에 잔존될 수 있다. 이에 따라, 상기 스마트 전기변색 소자는 거울 모드로 구현될 수 있다.
구체적으로, 상기 제1 전극(FTO, 100)에 +2.5V 전압이 인가되고 상기 제2 전극(ITO, 300)에 -2.5V 전압이 인가되는 경우, 상기 스마트 전기변색 소자는 거울 모드로 구현될 수 있다.
상기 스마트 전기변색 소자가 상기 거울 모드로 구현되는 경우, 가시광선 파장 대에 대한 투과도가 2% 이하이고, 가시광선 파장 대에 대한 반사도가 70% 이상일 수 있다. 또한, 상기 스마트 전기변색 소자가 상기 거울 모드로 구현되는 경우, 상술된 다른 모드 들과 비교하여, 가시광선 파장 대에 대한 반사도 및 근적외선 파장 대에 대한 반사도가 모두 상대적으로 높을 수 있다.
결과적으로, 본 발명의 실시 예에 따른 스마트 전기변색 소자는, 서로 대향하여 배치되는 상기 제1 전극(FTO, 100) 및 제2 전극(ITO, 300), 상기 제1 전극(100)과 상기 제2 전극(300) 사이에 배치되고, 상기 금속 산화물(WO3)을 포함하는 상기 전기변색층(200), 및 상기 제2 전극(300)과 상기 전기변색층(200) 사이에 배치되고, 은(Ag)을 포함하는 제1 베이스 전해질, 리튬(Li)을 포함하는 제2 베이스 전해질, 및 용매가 혼합된 상기 전해질(400)을 포함할 수 있다.
이에 따라, 상기 스마트 전기변색 소자는, 상기 제1 전극(100) 및 상기 제2 전극(200)에 인가되는 전압에 따라, 가시광선 파장 대에 대한 투과도 및 반사도와, 근적외선 파장 대에 대한 투과도 및 반사도가 선택적으로 제어될 수 있다. 이로 인해, 상기 스마트 전기변색 소자는, 빛을 투과하는 투명 모드, 빛을 차단하는 블랙 모드, 빛을 반사하는 거울 모드뿐만 아니라, 가시광선 파장 대는 투과하고 근적외선 파장 대는 차단하는 근적외선 차단 모드 중 어느 하나의 모드로 선택적으로 구현될 수 있다.
또한, 상기 전기변색층(200)을 제조하는 과정에서, 건식 적층 방법(예를 들어, Nanoparticle Deposition System)이 사용되므로, 상기 전기변색층(200)의 내부 크랙(crack) 발생 문제 및 환경오염 문제가 현저하게 감소되고, 대면적 공정에 용이하게 적용될 수 있다.
이상, 본 발명의 실시 예에 따른 스마트 전기변색 소자 및 그 제조 방법이 설명되었다. 이하, 본 발명의 실시 예에 따른 스마트 전기변색 소자 및 그 제조 방법의 구체적인 실험 예 및 특성평가 결과가 설명된다.
실시 예 1에 따른 스마트 전기변색 소자 제조
에탄올로 세척된 FTO glass(Fluorine Tin doped Oxide glass) 및 ITO glass (Indium Tin Oxide glass)가 준비된다. 또한, 50 mM 농도의 AgNO3, 250 mM 농도의 TBABr(tetra-n-butylammonium bromide), 250 mM, 500 mM, 1000 mM 농도의 LiClO4, 및 DMSO(Dimethyl sulfoxide)를 혼합한 후 60℃의 온도로 열처리한 전해질이 준비된다.
상기 FTO glass에 WO3 분말을 NPDS(Nanoparticle Deposition system)으로 건식 적층하고 DI water에 담가 20분간 sonication 한 후 air gun으로 건조하여 400 nm 두께의 전기변색층을 형성하였다.
전기변색층이 형성된 FTO glass는 WO3 전기변색층이 사이에 배치되도록 ITO glass와 접합시키고, WO3 전기변색층과 ITO glass 사이에 상기 전해질을 주입하여 상기 실시 예 1에 따른 스마트 전기변색 소자를 제조하였다.
250 mM 농도의 LiClO4가 사용된 스마트 전기변색 소자는 실시 예 1-1로 정의되고, 500 mM 농도의 LiClO4가 사용된 스마트 전기변색 소자는 실시 예 1-2로 정의되고, 1000 mM 농도의 LiClO4가 사용된 스마트 전기변색 소자는 실시 예 1-3으로 정의된다. 실시 예 1-1 내지 1-3에 따른 스마트 전기변색 소자의 전해질 조성이 아래의 <표 1>에 정리된다.
구분 AgNO3 LiClO4 AgNO3:LiClO4 농도비
실시 예 1-1 50 mM 250 mM 1:5
실시 예 1-2 50 mM 500 mM 1:10
실시 예 1-3 50 mM 1000 mM 1:20
실시 예 2에 따른 스마트 전기변색 소자 제조
상기 실시 예 1에 따른 스마트 전기변색 소자의 제조 방법으로 제조하되, 전해질을 준비하는 과정에서 LiClO4 대신 Li-TFSI(Lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide)가 사용되었다.
250 mM 농도의 Li-TFSI가 사용된 스마트 전기변색 소자는 실시 예 2-1로 정의되고, 500 mM 농도의 Li-TFSI가 사용된 스마트 전기변색 소자는 실시 예 2-2로 정의되고, 1000 mM 농도의 Li-TFSI가 사용된 스마트 전기변색 소자는 실시 예 2-3으로 정의된다. 실시 예 1-1 내지 1-3에 따른 스마트 전기변색 소자의 전해질 조성이 아래의 <표 2>에 정리된다.
구분 AgNO3 Li-TFSI AgNO3: Li-TFSI 농도비
실시 예 2-1 50 mM 250 mM 1:5
실시 예 2-2 50 mM 500 mM 1:10
실시 예 2-3 50 mM 1000 mM 1:20
실시 예 3에 따른 스마트 전기변색 소자 제조
상술된 실시 예 1에 따른 스마트 전기변색 소자의 제조 방법으로 제조하되, 전해질로서, AgNO3, TBABr, 및 DMSO가 혼합된 전해질이 사용되었다.
상기 실시 예 1 내지 실시 예 3에 따른 스마트 전기변색 소자에 사용된 전해질의 조성의 아래의 <표 3>에 정리된다.
구분 전해질 조성
실시 예 1 AgNO3 + TBABr + DMSO + LiClO4
실시 예 2 AgNO3 + TBABr + DMSO + Li-TFSI
실시 예 3 AgNO3 + TBABr + DMSO
도 7은 본 발명의 실시 예 1에 따른 전기변색 소자의 각 구현 상태를 촬영한 사진이다.
도 7의 (a) 내지 (d)를 참조하면, 상기 실시 예 1에 따른 전기변색 소자의 투명 모드, 근적외선 차단 모드, 블랙 모드, 및 거울 모드 상태를 촬영하여 나타낸다. 구체적으로, 도 7의 (a)는 전압을 인가하지 않은 투명 모드 상태를 나타내고, 도 7의 (b)는 ITO에 +2.0V 전압 및 FTO에 -2.0V 전압을 인가한 근적외선 차단 모드 상태를 나타내고, 도 7의 (c)는 ITO에 +3.0V FTO에 -3.0V 전압을 인가한 블랙 모드 상태를 나타내고, 도 7의 (d)는 ITO에 -2.5V 전압 및 FTO에 +2.5V 전압을 인가한 거울 모드 상태를 나타낸다.
다만, 거울 모드의 경우, Li이온을 반대쪽으로 이동시켜 균일하게 Ag이온을 적층하였으며, 이를 위해, FTO에 -2.0V 및 ITO에 +2.0V를 20초 인가한 후, FTO에 +2.5V 및 ITO에 -2.5V를 인가하여, ITO 상에 Ag를 적층하였다.
도 7의 (a) 내지 (d)에서 확인할 수 있듯이, 각각의 모드 상태에 따라 상기 실시 예 1에 따른 전기변색 소자는 서로 다른 상태를 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 각 상태의 구현을 위해 ITO 및 FTO에 인가되는 전압이 아래의 <표 4>에 정리된다.
구분 ITO FTO
투명 모드 0V 0V
근적외선 차단 모드 +2.0V -2.0V
블랙 모드 +3.0V -3.0V
거울 모드 +2.0V -> -2.5V -2.0V -> +2.5V
도 8은 본 발명의 실시 예 1에 따른 스마트 전기변색 소자가 근적외선 차단 모드로 구현되는 경우의 광학적 특성을 나타내는 그래프이다.
도 8을 참조하면, 상기 실시 예 1에 따른 스마트 전기변색 소자를 준비한 후, 초기 상태(Initial), 근적외선 차단 모드 상태(NIR block), 및 탈색 상태(Bleaching) 각각에 대해 인가되는 광의 파장(Wavelength, nm)에 따른 투과도(Transmittance, %)를 측정하여 나타내었다. 탈색 상태는, 근적외선 차단 모드 상태로 구현된 후, ITO에 -1V의 전압 및 FTO에 +1V의 전압을 인가함으로써 구현하였다.
도 8에서 확인할 수 있듯이, 상기 실시 예 1에 따른 스마트 전기변색 소자가 근적외선 차단 모드로 구현되는 경우, 가시광선 파장대(약 400 nm ~ 700 nm)에서는 상대적으로 높은 투과도를 갖는 반면, 근적외선 파장대(약 700 nm ~ 900 nm)에서는 상대적으로 낮은 투과도를 갖는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 근적외선 차단 모드 상태에서 탈색 상태로 변화되는 경우, 근적외선 파장 대에 대한 투과율 변화율(ΔT)이 43%로 높게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 이에 따라, 상기 실시 예 1에 따른 스마트 전기변색 소자는, 가시광선 파장 대는 투과하고 근적외선 파장 대는 차단하는 근적외선 차단 모드로 구현될 수 있음을 확인할 수 있었다.
도 9는 본 발명의 실시 예 1에 따른 스마트 전기변색 소자가 블랙 모드 및 거울 모드로 구현되는 경우의 광학적 특성을 나타내는 그래프이다.
도 9를 참조하면, 상기 실시 예 1에 따른 스마트 전기변색 소자를 준비한 후, 블랙 모드 상태(Black), 및 거울 모드 상태(Mirror) 각각에 대해 인가되는 광의 파장(Wavelength, nm)에 따른 투과도(Transmittance, %)를 측정하여 나타내었다.
도 9에서 확인할 수 있듯이, 상기 실시 예 1에 따른 스마트 전기변색 소자가 블랙 모드 상태 및 거울 모드 상태로 구현되는 경우, 가시광선 파장 대에 대한 투과도 및 근적외선 파장 대에 대한 투과도가 모두 낮게 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
도 10은 본 발명의 실시 예 1에 따른 스마트 전기변색 소자의 전해질이 포함하는 LiClO4 농도에 따른 광학적 특성을 비교하는 그래프이다.
도 10의 (a) 내지 (c)를 참조하면, 각각 상기 실시 예 1-1, 1-2, 및 1-3에 따른 스마트 전기변색 소자의 광학적 특성을 비교하여 나타낸다. 도 10의 (a)에서 확인할 수 있듯이, 상기 실시 예 1-1에 따른 스마트 전기변색 소자의 경우, 근적외선 차단 모드(NIR block) 상태에서 가시광선 영역까지 차단하고, 블랙 모드(Black) 구현이 이루어지지 않으며, 탈색(Bleaching)시 초기(Initial) 수준으로 투과도과 회복되지 않는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 도 10의 (c)에서 확인할 수 있듯이, 상기 실시 예 1-3에 따른 스마트 전기변색 소자의 경우, 근적외선 차단 모드(NIR block) 상태에서 가시광선 영역에 대한 선택성이 없고, 블랙 모드(Black) 상태에서 상기 실시 예 1-2에 따른 스마트 전기변색 소자 보다 낮은 투과도를 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
반면, 도 10의 (b)에서 확인할 수 있듯이, 상기 실시 예 1-2에 따른 스마트 전기변색 소자의 경우, 근적외선 차단 모드(NIR block), 블랙 모드(black), 및 거울 모드(Mirror)가 선택적으로 구현될 수 있음을 확인할 수 있었다.
결과적으로, 상기 전해질이 포함하는 AgNO3 대비 LiClO4 농도비가 1:5(50mM:250mM) 초과 1:20(50mM:1000mM) 미만으로 제어됨에 따라, 근적외선 차단 모드(NIR block), 블랙 모드(black), 및 거울 모드(Mirror)가 선택적으로 구현될 수 있음을 알 수 있다.
도 11은 본 발명의 실시 예 2에 따른 스마트 전기변색 소자의 전해질이 포함하는 Li-TFSI농도에 따른 광학적 특성을 비교하는 그래프이다.
도 11의 (a) 내지 (c)를 참조하면, 각각 상기 실시 예 2-1, 2-2, 및 2-3에 따른 스마트 전기변색 소자의 광학적 특성을 비교하여 나타낸다. 도 11의 (a) 내지 (c)에서 확인할 수 있듯이, Li-TFSI가 사용되는 경우에도 근적외선 차단 모드(NIR block)가 용이하게 구현될 수 있음을 확인할 수 있었다. 하지만, 도 11의 (a) 및 (c)에서 확인할 수 있듯이, 상기 실시 예 2-1 및 실시 예 2-3에 따른 스마트 전기변색 소자의 경우, 블랙 모드(black) 구현이 이루어지지 않는 것을 확인할 수 있었다. 반면, 상기 실시 예 2-2에 따른 스마트 전기변색 소자의 경우, 근적외선 차단 모드(NIR block), 블랙 모드(black), 및 거울 모드(Mirror)가 선택적으로 구현될 수 있음을 확인할 수 있었다.
결과적으로, 상기 전해질이 포함하는 AgNO3 대비 Li-TFSI 농도비가 1:5(50mM:250mM) 초과 1:20(50mM:1000mM) 미만으로 제어됨에 따라, 근적외선 차단 모드(NIR block), 블랙 모드(black), 및 거울 모드(Mirror)가 선택적으로 구현될 수 있음을 알 수 있다.
도 12는 본 발명의 실시 예 1 및 실시 예 2에 따른 스마트 전기변색 소자의 광학적 특성을 비교하는 그래프이다.
도 12의 (a) 및 (b)를 참조하면, 각각 상기 실시 예 1-2 및 2-2에 따른 스마트 전기변색 소자의 광학적 특성을 비교하여 나타낸다. 도 12의 (a) 및 (b)에서 확인할 수 있듯이, 상기 실시 예 1-2에 따른 스마트 전기변색 소자는, 상기 실시 예 2-2에 따른 스마트 전기변색 소자와 비교하여, 근적외선 차단 모드(NIR block) 및 블랙 모드(Black)에서 더욱 우수한 특성을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 상기 실시 예 1-2에 따른 스마트 전기변색 소자는 탈색(Bleaching)시 39%의 투과도 회복(ΔT)을 나타내어, 25%의 투과도 회복(ΔT)을 나타내는 상기 실시 예 2-2에 따른 스마트 전기변색 소자보다 더욱 우수한 특성을 갖는 것을 확인할 수 있었다.
결과적으로, 상기 실시 예에 따른 스마트 전기변색 소자는, 상기 전해질로서 LiClO4가 사용되는 경우 Li-TFSI가 사용되는 경우보다 우수한 광학적 특성을 갖는 것을 알 수 있었다.
도 13은 본 발명의 실시 예 3에 따른 스마트 전기변색 소자의 전기변색층 이미지이다.
도 13의 (a) 내지 (c)를 참조하면, 상기 실시 예 3에 따른 스마트 전기변색 소자의 전기변색층 FE-SEM(Scanning Electron Microscope) 이미지 및 EDS(Energy Dispersive Spectroscopy) mapping 이미지를 나타낸다.
도 13의 (a) 내지 (c)에서 확인할 수 있듯이, 상기 실시 예 3에 따른 스마트 전기변색 소자의 전기변색층은, WO3 분말이 건식 적층됨에 따라, WO3 입자들이 관찰되는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 전기변색층이 FTO 상에 적층됨으로, EDS mapping 이미지에서 주석(Sn) 및 텅스텐(W)이 관찰되는 것을 확인할 수 있었다.
도 14는 본 발명의 실시 예 3에 따른 스마트 전기변색 소자가 거울 모드 및 블랙 모드로 구현되는 경우의 이미지이다.
도 14의 (a)를 참조하면, 상기 실시 예 3에 따른 스마트 전기변색 소자가 거울 모드로 구현되는 경우의 ITO glass에 대한 FE-SEM 이미지 및 EDS mapping 이미지를 나타내고, 도 14의 (b)를 참조하면, 상기 실시 예 4에 따른 스마트 전기변색 소자가 블랙 모드로 구현되는 경우의 WO3 전기변색층에 대한 FE-SEM 이미지 및 EDS mapping 이미지를 나타낸다.
도 14의 (a)에서 확인할 수 있듯이, 거울 모드로 구현되는 경우, 전해질 내의 은(Ag) 이온이 ITO glass로 이동됨에 따라, ITO glass에서 은(Ag)이 검출되는 것을 확인할 수 있었다. 반면, 도 14의 (b)에서 확인할 수 있듯이, 블랙 모드로 구현되는 경우, 전해질 내의 은(Ag) 이온이 WO3 전기변색층으로 이동됨에 따라, WO3 전기변색층에서 은(Ag) 이온이 검출되는 것을 확인할 수 있었다.
도 15는 본 발명의 실시 예 3에 따른 스마트 전기변색 소자의 광학적 특성을 나타내는 그래프이다.
도 15의 (a)를 참조하면, 상기 실시 예 3에 따른 스마트 전기변색 소자를 준비한 후, 투명 모드 상태(transparent), 거울 모드 상태(mirror), 및 블랙 모드 상태(black) 각각에 대해 인가되는 광의 파장(Wavelength, nm)에 따른 투과도(Transmittance, %)를 측정하여 나타내었다. 반면, 도 15의 (b)를 참조하면, 상기 실시 예 3에 따른 스마트 전기변색 소자를 준비한 후, 투명 모드 상태(transparent), 거울 모드 상태(mirror), 및 블랙 모드 상태(black) 각각에 대해 인가되는 광의 파장(Wavelength, nm)에 따른 반사도(Reflectance, %)를 측정하여 나타내었다.
도 15의 (a)에서 확인할 수 있듯이, 투과 모드 상태에서 680 nm 파장에 대한 투과도가 76.44%로 높게 나타나는 반면, 블랙 모드 및 거울 모드 상태에서 680 nm 파장에 대한 투과도가 각각 0.51% 및 1.26%로 낮게 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
이와 달리, 도 15의 (b)에서 확인할 수 있듯이, 투과 모드 및 블랙 모드 상태에서 680 nm 파장에 대한 반사도가 약 10%로 낮게 나타나는 반면, 거울 모드 상태에서 680 nm 파장 및 440 nm 파장에 대한 반사도가 각각 73.1% 및 77.2%로 높게 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
도 16은 본 발명의 실시 예 3에 따른 스마트 전기변색 소자의 변색 속도를 나타내는 그래프이다.
도 16을 참조하면, 상기 실시 예 3에 따른 스마트 전기변색 소자를 준비한 후, 투과 모드(Transparent)에서 블랙 모드(Black)로 변화되는 시간 및 투과 모드(Transparent)에서 거울 모드(Mirror)로 변화되는 시간을 측정하여 나타내었다. 도 16에서 확인할 수 있듯이, 투과 모드에서 블랙 모드로 변화되는 시간(tc)은 16초이고, 투과 모드에서 거울 모드로 변화되는 시간(tc)은 35초인 것을 확인할 수 있었다.
도 17 및 도 18은 본 발명의 실시 예 3에 따른 스마트 전기변색 소자의 안정성을 나타내는 그래프이다.
도 17의 (a)를 참조하면, 상기 실시 예 3에 따른 스마트 전기변색 소자를 준비한 후, 100 스위칭 사이클(switching cycle) 동안 투과도 변화를 측정하여 나타내었다. 구체적으로, 투과 모드-블랙 모드-투과 모드-거울 모드-투과 모드 순서로의 동작을 1 스위칭 사이클로 정의하였다. 또한, 블랙 모드 이후의 투과 모드 및 거울 모드 이후의 투과 모드는 탈색된 상태로 정의하였다.
도 17의 (a)에서 확인할 수 있듯이, 1 스위칭 사이클 후, 블랙 모드 이후 탈색된 상태에서의 투과도 및 거울 모드 이후 탈색된 상태에서의 투과도는 각각 74.5% 및 73.5%로 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 100 스위칭 사이클 후, 블랙 모드 이후 탈색된 상태에서의 투과도 및 거울 모드 이후 탈색된 상태에서의 투과도는 각각 73.1% 및 79.6%로 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 1 스위칭 사이클 후 및 100 스위칭 사이클 후 블랙 모드에서의 투과도는 각각 1.3% 및 9.6%로 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
즉, 상기 실시 예 3에 따른 스마트 전기변색 소자는, 각 모드가 반복적으로 구동됨에도 불구하고, 탈색된 상태에서 지속적으로 높은 투과도(70% 이상)를 나타내고 블랙 모드에서 지속적으로 낮은 투과도(10% 이하)를 나타냄으로 높은 안정성을 갖는 것을 확인할 수 있었다.
도 17의 (b)를 참조하면, 상기 실시 예 3에 따른 스마트 전기변색 소자를 준비한 후, 100 사이클 동안 반사도 변화를 측정하여 나타내었다. 구체적으로, 투과 모드-거울 모드-투과 모드 순서로의 동작을 1 사이클로 정의하였다. 또한, 거울 모드 이후의 투과 모드는 탈색된 상태로 정의하였다.
도 17의 (b)에서 확인할 수 있듯이, 680 nm 파장에 대해 1 사이클 후 반사도는 73.1%를 나타내고, 100 사이클 후 반사도는 72.7%를 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 즉, 100 사이클 동안 반사도의 변화가 크게 나타나지 않는 것으로 보아, 상기 실시 예 3에 따른 스마트 전기변색 소자는 높은 광학적 안정성을 갖는 것을 확인할 수 있었다.
도 18을 참조하면, 상기 실시 예 3에 따른 스마트 전기변색 소자를 준비한 후, 1 사이클, 50 사이클, 및 100 사이클 후 100 mV/s의 scan rate에서 Cyclic voltammetry를 측정하여 나타내었다. 도 18에서 확인할 수 있듯이, 1 사이클, 50 사이클, 및 100 사이클 후 각각 77.68, 84.31, 및 88.17 mC/cm2의 전류 밀도를 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 즉, 100 사이클 동안 전류 밀도의 변화가 크게 나타나지 않는 것으로 보아, 상기 실시 예 3에 따른 스마트 전기변색 소자는 높은 전기적 안정성을 갖는 것을 확인할 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.
본 출원의 실시 예에 따른 스마트 전기변색 소자 및 그 제조 방법에 따른 전기변색 소자는, 가정용 유리, 산업용 유리, 군사용 유리, 의료용 유리 등 다양한 산업 분야에서 활용될 수 있다.

Claims (14)

  1. 서로 대향하여 배치되는 제1 전극 및 제2 전극;
    상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배치되고, 금속 산화물을 포함하는 전기변색층; 및
    상기 제2 전극과 상기 전기변색층 사이에 배치되고, 은(Ag)을 포함하는 제1 베이스 전해질, 리튬(Li)을 포함하는 제2 베이스 전해질, 및 용매가 혼합된 전해질을 포함하되,
    상기 전해질 내의 은 이온 또는 리튬 이온의 이동에 따라, 가시광선 파장 대에 대한 투과도 및 반사도와, 근적외선 파장 대에 대한 투과도 및 반사도가 선택적으로 제어되는 스마트 전기변색 소자.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 리튬 이온이 상기 전해질로부터 상기 전기변색층으로 이동되는 경우,
    가시광선 파장 대는 투과하고, 근적외선 파장 대는 차단하는 근적외선 차단 모드로 구현되는 스마트 전기변색 소자.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 은 이온 및 상기 리튬 이온이 모두 상기 전해질로부터 상기 전기변색층으로 이동되는 경우,
    가시광선 파장 대에 대한 투과도가 1% 이하이고, 가시광선 파장 대에 대한 반사도가 10% 이하인 블랙 모드로 구현되는 스마트 전기변색 소자.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 은 이온이 상기 전해질로부터 상기 제2 전극으로 이동되는 경우,
    가시광선 파장 대에 대한 투과도가 2% 이하이고, 가시광선 파장 대에 대한 반사도가 70% 이상인 거울 모드로 구현되는 스마트 전기변색 소자.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 은 이온 및 상기 리튬 이온이 이동되지 않는 경우,
    가시광선 파장 대에 대한 투과도가 70% 이상이고, 가시광선 파장 대에 대한 반사도가 15% 이하인 투명 모드로 구현되는 스마트 전기변색 소자.
  6. 제2 항 내지 제5 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극에 인가되는 전압에 따라, 상기 근적외선 차단 모드, 상기 블랙 모드, 상기 거울 모드, 및 상기 투명 모드 중 어느 하나의 모드가 선택적으로 구현되는 스마트 전기변색 소자.
  7. 제2 항 내지 제5 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 제1 베이스 전해질 대비 상기 제2 베이스 전해질의 농도비가 1:5 초과 1:20 미만인 경우, 상기 근적외선 차단 모드, 상기 블랙 모드, 상기 거울 모드, 및 상기 투명 모드 중 어느 하나의 모드가 선택적으로 구현되는 스마트 전기변색 소자.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 베이스 전해질은, 과염소산 리튬(LiClO4) 또는 리튬 비스(트리플루오로메탄설포닐)이미드(Li-TFSI) 중 어느 하나를 포함하는 스마트 전기변색 소자.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 전기변색층은, 복수의 상기 금속 산화물의 입자(particle)들이 관찰되는 스마트 전기변색 소자.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 금속 산화물은, 텅스텐 산화물(WO3)을 포함하는 스마트 전기변색 소자.
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 베이스 전해질은, 질산 은(AgNO3)을 포함하는 스마트 전기변색 소자.
  12. 제1 전극을 준비하는 단계;
    상기 제1 전극 상에 금속 산화물을 포함하는 전기변색층을 형성하는 단계;
    상기 전기변색층이 사이에 배치되도록, 상기 전기변색층이 형성된 상기 제1 전극과 제2 전극을 접합시키는 단계;
    은(Ag)을 포함하는 제1 베이스 전해질, 리튬(Li)을 포함하는 제2 베이스 전해질, 및 용매가 혼합된 전해질을 준비하는 단계; 및
    상기 제2 전극과 상기 전기변색층 사이에 상기 전해질을 주입하는 단계를 포함하는 스마트 전기변색 소자의 제조 방법.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 전기변색층을 형성하는 단계에서,
    상기 전기변색층은, 상기 금속 산화물이 상기 제1 전극 상에 건식 적층되어 형성되는 것을 포함하는 스마트 전기변색 소자의 제조 방법.
  14. 제12 항에 있어서,
    상기 전해질을 준비하는 단계에서,
    상기 제1 베이스 전해질, 상기 제2 베이스 전해질, 및 용매가 혼합되는 동안, 상기 제1 베이스 전해질, 상기 제2 베이스 전해질, 및 용매가 혼합된 용액이 열처리되는 것을 포함하는 스마트 전기변색 소자의 제조 방법.
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