KR100820157B1 - 전기변색물질을 이용한 스마트 윈도우 및 그 제조방법 - Google Patents
전기변색물질을 이용한 스마트 윈도우 및 그 제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 전기변색물질을 이용한 스마트 윈도우 및 그 제조방법에 관한 것으로, 종래 스마트 윈도우는 윈도우 전체에 전기변색물질층과 전해질층을 형성함으로써, 대형의 창을 구현한 경우 전기변색 시간이 지연되며, 불균일한 변색이 일어나 사용효율이 저하되며, 그 변색의 불균일성이 나타나게 되는 문제점이 있었다. 이와 같은 문제점을 감안한 본 발명은 제1유리기판과, 상기 제1유리기판상에 상호 소정거리 이격되도록 위치하는, 일측방향으로 긴 형태의 다수의 제1투명전극과, 상기 제1투명전극 상에 위치하는 산화티타늄층과; 상기 산화티타늄층 및 제1유리기판의 상부전면에 위치하는 고체전해질층과; 상기 고체전해질층을 사이에 두고, 상기 산화티타늄층과 대향하도록 위치하는 무기전기변색물질층과; 상기 무기전기변색물질층의 상부에 위치하는 제2투명전극과; 상기 제2투명전극 및 고체전해질층의 상부에 위치하는 제2유리기판으로 구성하여, 대형의 유리창의 전체를 변색하지 않고, 블라인더와 같이 일부면적의 변색영역을 다수로 형성하여, 그 변색영역 각각을 구동할 수 있도록 함으로써, 유리창의 변색속도를 향상시키고 변색의 불균일성을 제거하는 효과와 아울러 사용자가 선택적으로 변색영역을 지정하여 사용할 수 있도록 함으로써, 그 사용효율을 향상시키는 효과가 있다.
Description
도1a 및 도1b는 각각 종래 전기변색물질을 이용한 스마트 윈도우의 구조와 광투과특성을 나타낸 모식도.
도2는 종래 스마트 윈도우를 적용한 창문의 평면도.
도3은 본 발명 전기변색물질을 이용한 스마트 윈도우의 일실시 평면도.
도4a 내지 도4e는 본 발명 전기변색물질을 이용한 스마트 윈도우의 상판 제조공정 수순단면도.
도5a 내지 도5d는 본 발명 전기변색물질을 이용한 스마트 윈도우의 하판 제조공정 수순단면도.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
1, 7:유리기판 2, 6:투명전극
3:산화티타늄 4:고체 전해질
5:무기전기변색물질층
본 발명은 전기변색물질을 이용한 스마트 윈도우 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 수직 또는 수평 블라인드 형태를 윈도우에 직접 패터닝하여 변색속도를 향상시키는 전기변색물질을 이용한 스마트 윈도우 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 전기변색소자(Electrochromic Device : ECD)는 전장을 인가하여 전류의 흐름에 의해 색상이 변하는 물질을 말한다.
상기 전기변색소자를 이용하여 창문이나 거울 등에 광의 투과도나 반사도를 조절하는 용도로 사용하고 있다. 즉, 전기화학적 산화, 환원반응에 의하여 물질의 색을 가역적으로 조절하는 것으로서 산화 혹은 환원시 수반되는 전자 이동에 의해 자외선이나 가시광선, 근적외선 영역에서의 에너지 흡수변화에 따라 색상을 변화시키게 된다.
이러한, 전기변색물질을 윈도우에 사용할 경우 겨울에는 실내로 최대한 태양광선이 들어올수 있도록 투명하게 조절하고, 여름에는 태양광선을 차단하도록 하여 실내온도를 조절할 수 있으며, 이에 따라 에너지를 절약할 수 있게 된다.
도1a와 도1b는 각각 종래 전기변색물질을 이용한 스마트 윈도우의 구조와 광투과특성을 나타낸 모식도로서, 이에 도시한 바와 같이 종래 투명한 유리기판(1), 투명전극(2), 산화티타늄(3), 고체전해질(4), 무기전기변색박막(5), 투명전극(6), 유리기판(7)이 순차적으로 적층된 구조를 나타내며, 상기 각 구조는 동일면적상에 균일하게 위치한다.
상기 두 투명전극(2, 6)에 전원이 인가되지 않는 상태에서는 가시광선과 적외선의 대부분이 투과되며, 그 일부가 반사된다.
이와 같은 상태에서 상기 두 투명전극(2,6)에 전원이 인가되면, 상기 무기전기변색박막(5)의 무기질이 전해질에 의해 이온의 상태로 되며, 이는 상기 투명전극(2,6)에 인가된 전압에 의해 청색을 나타내어 인가되는 가시광과 적외선을 대부분 반사시키며 일부만을 투과시킨다.
상기 전기변색물질은 무기전기변색물질과 유기전기변색물질로 나눌수 있다.
대표적인 무기전기변색물질로는 WO3, NiOxHy, Nb2O5, TiO2, MoO3 등이 있고, 유기전기변색물질은 viologen, phenothiazine, polyaniline 등이 있다.
상기 종래 스마트 윈도우에 적용되는 무기전기변색박막(5)의 성분인 WO3에 대하여 상기의 변색과정을 표시하면 아래의 반응식1과 같이 표현할 수 있다.
상기 반응식1에서 M은 리튬이나 프로톤, 칼슘등을 나타내며, 대표적으로는 리튬을 가장 많이 사용한다.
리튬이온은 WO3와 반응하여 위와 같은 전기변색효과를 가지게 된다.
이처럼 리튬이온을 공급하기 위해서 상기 고체전해질(4)을 사용한다.
그 전해질은 액체 전해질과 고체 고분자 전해질이 이용될 수 있으며, 고체 고분자 전해질은 고체 상태에서 이온을 전달할 수 있는 물질로 소자의 제작시 액체의 누수와 같은 문제점이 없어 환경친화적이며, 박막화가 가능하여 원하는 모든 형태로 제작이 가능한 장점을 가진다.
액체 전해질의 예로는 1M LiOH 수용액, 1M의 LiClO4수용액, 1M의 KOH수용액이 대표적이며, 무기계 수화물로는 Ta2O5ㆍ3.92H2O, Sb2O5
ㆍ4H2O 등이 있으며, 고체 고분자 전해질로는 Poly-AMPS, Poly(VAP), Modified PEO/LiCF3SO3등이 사용되고 있다.
도2는 종래 스마트 윈도우를 적용한 창문의 평면도로서, 이에 도시한 바와 같이 하나의 유리 창문 전체에 전압을 인가하여 변색되도록 구성된다.
즉, 창문의 크기와 동일한 투명전극과, 변색물질층, 전해질층을 사용한다.
이와 같은 문제점은 수 미터의 대면적 창을 변색시키기 위해서는 몇분에서 몇십분 정도의 시간이 소요된다.
현재 자동차용 후사경으로 응용하여 상업화에 성공한 viologen 계 물질은 반응속도가 빠르고, 다중 색상(multi-color)를 구현할 수 있는 장점이 있으나, 액체이므로 유리창이 깨지거나 제조공정의 합착과정에서 누수가 발생하여 산 계열인 viologen이 유출되는 문제점이 있다.
또한, 거실, 사무실의 창을 제작하기 위해서는 그 액체의 무게에 따라 유리창에 스트레스를 주게 되며, 이에 따라 그 안정성이 저하된다.
이러한 문제점을 감안하여 고체상태의 물질을 사용하는 경우에는 그 변색의 시간이 지연되어, 그 사용효율이 저하되는 문제점을 가지게 된다.
상기한 바와 같이 종래 전기변색물질을 이용한 스마트 윈도우는 그 윈도우 전체에 전기변색물질층과 전해질층을 형성함으로써, 대형의 창을 구현한 경우 전기변색 시간이 지연되며, 불균일한 변색이 일어나 사용효율이 저하되며, 그 변색의 불균일성이 나타나게 되는 문제점이 있었다.
이와 같은 문제점을 감안한 본 발명은 시각적으로 불균일한 색상변화를 나타내지 않으며, 그 변색시간을 단축할 수 있는 전기변색물질을 이용한 스마트 윈도우 및 그 제조방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적은 전계에 의해 색상이 변화되는 색상변화영역을 스마트 윈도우의 전면에 형성하지 않고, 블라인드 형태를 가지는 일부에만 형성하고, 각각을 독립적으로 구동함으로써 달성되는 것으로, 이와 같은 본 발명을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도3은 본 발명 전기변색물질을 이용한 스마트 윈도우의 일실시 평면도로서, 이에 도시한 바와 같이 전원의 인가에 따라 스마트 윈도우 전면의 색상이 변화하지 않고, 수직 또는 수평의 블라인더 형태로 색상이 변화하도록 구성된다.
즉, 상기 유리기판(1), 투명전극(2), 산화티타늄(3), 고체전해질(4), 무기전기변색박막(5), 투명전극(6), 유리기판(7)이 순차적으로 적층된 구조에서, 투명전 극(2), 산화티타늄(3), 고체전해질(4) 무기전기변색박막(5), 투명전극(6)은 상기 유리기판(1,7)의 전면에 대향하는 위치에 위치하지 않으며, 그 유리기판(1,7)의 일부에 위치하며, 그 형상이 수직 또는 수평방향으로 긴형태의 다수의 패턴을 가지도록 위치한다.
즉, 현재의 블라인더의 형태와 유사한 수직 또는 수평방향의 다수의 패턴을 가지며, 그 패턴을 이용하여 광을 차단하는 역할을 한다.
이와 같은 방식은 대면적의 유리창의 전면의 색상을 변화시키는 과정에 비하여 빠른 속도로 색상을 변화시킬 수 있으며, 그 색상변화의 균일성을 보다 더 확보할 수 있게 된다.
다시 말해서 전압의 인가에 따라 색상이 변화되는 영역을 다수의 패턴으로 형성하고, 각각을 독립적으로 구동시킴으로써, 창의 일부 또는 전체 영역의 광을 차단 또는 투과시킬 수 있어, 사용자의 선택의 폭이 더 넓어지며, 그 색상변화의 속도를 향상시키게 된다.
도4a 내지 도4e는 본 발명 전기변색물질을 이용한 스마트 윈도우의 상판 제조공정 수순단면도로서, 이에 도시한 바와 같이 유리기판(7)의 상부에 투명전극(6)과 산화티타늄(3)을 순차적으로 성막하는 단계(도4a)와; 상기 산화티타늄(3)을 패터닝하여 일측방향으로 긴형태의 다수의 산화티타늄(3) 패턴을 형성하는 단계(도4b)와; 상기 구조의 상부전면에 무기전기변색박막(5)을 형성하는 단계(도4c)와; 상기 무기전기변색박막(5)을 평탄화하여 상기 형성된 산화티타늄(3)을 노출시키고, 그 노출된 산화티타늄(3)을 선택적으로 제거하여, 상기 투명전극(6)상에 다수의 무기전기변색박막(5) 패턴을 형성하는 단계(도4d)와; 상기 무기전기변색박막(5) 패턴의 사이에 노출된 투명전극(6)을 패터닝하여 그 하부의 유리기판(7)을 노출시키는 단계(도4e)로 구성된다.
또한, 도5a 내지 도5d는 본 발명 전기변색물질을 이용항 스마트 윈도우의 하판 제조공정 수순단면도로서, 이에 도시한 바와 같이 유리기판(1)의 상부에 투명전극(2)과 산화티타늄(3)을 순차적으로 성막하는 단계(도5a)와; 상기 산화티타늄(3)의 상부전면에 포토레지스트(PR)를 도포하는 단계(도5b)와; 상기 포토레지스트(PR)를 노광 및 현상하여 상기 산화티타늄(3)의 상부에서 일측방향으로 긴 형태의 다수의 포토레지스트(PR) 패턴을 형성하는 단계(도5c)와; 상기 포토레지스트(PR) 패턴을 식각마스크로 사용하는 식각공정으로 상기 산화티타늄(3)과 투명전극(2)을 식각하여 패턴을 형성하는 단계(도5d)로 구성된다.
이와 같이 구성되는 본 발명 전기변색물질을 이용한 스마트 윈도우 제조방법을 보다 상세히 설명한다.
먼저, 상판을 구성할 유리기판(7)과 하판을 구성할 유리기판(1)을 준비한다.
상기 유리기판(1, 7)은 각각 ITO 글라스를 사용하며, 제작하고자 하는 창의 크기에 따라 그 크기를 달리한다.
그 다음, 상기 유리기판(1, 7)을 아세톤, 메탄올, 증류수에서 세척한 후, 100℃이상의 온도에서 건조시켜 수분을 제거한다.
그 다음, 상기 준비된 유리기판(1, 7) 각각의 상부전면에 ITO를 코팅하여 전극(2, 6)을 형성한다.
상기의 공정은 상판과 하판 각각에 대하여 동일하게 진행하며, 상기 상판을 구성할 투명전극(6)의 상부측에 산화티타늄 졸-겔(SOL-GEL) 용액을 코팅하여, 산화티타늄막(3)을 형성한다.
그 다음, 상기 산화티타늄막(3)을 열처리하여 경화시킨 후 대면적 노광장비를 사용하여 패터닝하여, 일측방향으로 긴 형태의 패턴을 형성한다.
이때, 상기 산화티타늄막(3)의 형태는 상기 본 발명의 구성에서 스마트 윈도우의 변색영역의 사이영역에 위치한다.
그 다음, 상기 산화티타늄막(3) 패턴이 형성된 투명전극(6)의 상부전면에 산화텅스텐막인 무기전기변색박막(5)을 형성한다.
상기 산화텅스텐막을 형성하기 위해서, 대면적 스퍼터링장비에 장착하고, 진공도가 5×10-6Torr가 되도록 한 후, 99.9%의 순도를 가지는 텅스텐 타겟을 사용하는 반응성 DC 스퍼터링을 실시하여 산화텅스텐막을 증착하여 무기전기변색박막(5)을 형성한다.
이때, 반응가스는 Ar:O2의 비가 5:1이 되도록 한다.
그 다음, 상기 무기전기변색박막(5)을 평탄화하여 상기 산화티타늄(3)을 노출시킨다.
이때 잔존하는 무기전기변색박막(5)은 산화티타늄(3)과 동일한 수준이며, 상기 노출된 산화티타늄(3)을 선택적으로 식각하여, 브라인드형의 패턴을 가지는 무기전기변색박막(5)을 획득한다.
그 다음, 상기 산화티타늄(3)의 제거에 의해 노출되는 투명전극(6)을 선택적으로 식각하여, 상기 무기전기변색박막(5)의 일측면에 접하는 투명전극(6)을 형성하게 된다.
이와 같이 상판을 준비한 후, 상기 하판의 구성요소인 투명전극(2)의 상부에 산화티타늄(3)을 졸-겔법으로 코팅하고, 열처리하여 경화시킨다.
그 다음, 도5b에 도시한 바와 같이 포토레지스트(PR)를 상기 산화티타늄(3) 막의 상부에 도포한다.
그 다음, 도5c에 도시한 바와 같이 상기 포토레지스트(PR)를 노광 및 현상하여 상기 상판측의 무기전기변색박막(5)에 대향하는 위치에 포토레지스트(PR) 패턴을 형성한다.
그 다음, 도5d에 도시한 바와 같이 상기 포토레지스트(PR) 패턴을 식각마스크로 사용하는 식각공정으로 상기 산화티타늄(3) 막을 패터닝하여 상기 무기전기변색박막(5)에 대향하는 산화티타늄(3) 패턴을 형성한다.
그 다음, 상기 포토레지스트(PR) 패턴을 제거한다.
상기와 같이 상판과 하판을 각각 준비한 후, 상기 상판과 하판의 사이에 고체전해질(4)을 주입하고, 상기 상판과 하판을 그 무기전기변색박막(5)과 산화티타늄(3)이 대향하도록 합착한다.
즉, 상기 상판과 하판의 사이에 고체고분자 전해질을 주입하고, 실리콘계 자외선 수지를 이용하여 상기 상판과 하판의 주변부를 밀봉하여, 공기중에 포함된 수분을 차단한다.
상기 고체고분자전해질은 아크릴 또는 메타아크릴 반응성기를 가지는 폴리에틸렌글리콜, 디(또는 트리)아크릴 또는 디(또는 트리)메타아크릴 반응성기를 가지는 폴리에틸렌글리콜, 폴리에틸렌옥시드 유도체 및 자외선 개시제를 포함하는 조성물에 증점제를 첨가한 것으로, 그 고체고분자전해질을 주입한 후, 자외선을 조사하여 형성한다.
상기의 실시예는 각 변색물질 각각에 전계를 인가하기 위한 독립적인 전극을 가지는 구성이며, 일측의 전극을 공통으로 사용하여, 일측 전극을 패터닝하는 과정을 생략할 수 있다.
그러나, 이때에는 각 변색영역의 측면부에 격벽을 형성하여 색상이 주변으로 확산되는 것을 방지해야 한다.
상기한 바와 같이 본 발명은 대형의 유리창의 전체를 변색하지 않고, 블라인더와 같이 일부면적의 변색영역을 다수로 형성하여, 그 변색영역 각각을 구동할 수 있도록 함으로써, 유리창의 변색속도를 향상시키고 변색의 불균일성을 제거하는 효과와 아울러 사용자가 선택적으로 변색영역을 지정하여 사용할 수 있도록 함으로써, 그 사용효율을 향상시키는 효과가 있다.
Claims (4)
- 제1유리기판과, 상기 제1유리기판상에 상호 소정거리 이격되도록 위치하는, 일측방향으로 긴 형태의 다수의 제1투명전극과, 상기 제1투명전극 상에 위치하는 산화티타늄층과; 상기 산화티타늄층 및 제1유리기판의 상부전면에 위치하는 고체전해질층과; 상기 고체전해질층을 사이에 두고, 상기 산화티타늄층과 대향하도록 위치하는 무기전기변색물질층과; 상기 무기전기변색물질층의 상부에 위치하는 제2투명전극과; 상기 제2투명전극 및 고체전해질층의 상부에 위치하는 제2유리기판으로 구성하여 된 것을 특징으로 하는 전기변색물질을 이용한 스마트 윈도우.
- 제 1항에 있어서, 상기 제1투명전극, 산화티타눔층, 무기전기변색물질층 및 제2투명전극은 스마트 윈도우에 대하여 상호 소정거리 이격되는 복수의 패턴이, 수직 또는 수평방향으로 길게 위치하는 것을 특징으로 하는 전기변색물질을 이용한 스마트 윈도우.
- 제1유리기판의 상부에 상호 이격되는 다수의 제1투명전극과 산화티타늄층을 형성하는 단계와; 제2유리기판의 상부에 상기 제1투명전극 및 산화티타늄층에 대향하는 제2투명전극과 무기전기변색물질층을 형성하는 단계와; 상기 제1유리기판과 제2유리기판을 그 산화티타늄층과 무기전기변색물질층이 대향하도록 하고, 그 사이에 고체전해질을 주입하고, 합착하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 전기변 색물질을 이용한 스마트 윈도우 제조방법.
- 제 3항에 있어서, 상기 고체전해질을 주입하고 합착하는 단계는 상기 제1유리기판과 제2유리기판의 가장자리에 자외선 수지를 도포하여 합착하는 단계와; 상기 제1유리기판과 제2유리기판의 사이영역에 고체전해질을 주입하는 단계와; 상기 고체전해질이 주입되는 주입구를 봉지하고, 자외선 조사를 통해 경화시켜 합착하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 전기변색물질을 이용한 스마트 윈도우 제조방법.
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