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KR102078402B1 - 전기변색소자 - Google Patents

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KR102078402B1
KR102078402B1 KR1020180045419A KR20180045419A KR102078402B1 KR 102078402 B1 KR102078402 B1 KR 102078402B1 KR 1020180045419 A KR1020180045419 A KR 1020180045419A KR 20180045419 A KR20180045419 A KR 20180045419A KR 102078402 B1 KR102078402 B1 KR 102078402B1
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South Korea
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electrochromic
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conductive band
electrode layer
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김기환
조필성
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주식회사 엘지화학
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Priority to JP2019557785A priority patent/JP7062685B2/ja
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Abstract

본 출원은 전기변색소자에 관한 것이다. 상기 소자는 전극층, 전기변색층, 및 닫힌 고리 형상의 도전성 띠(band)를 포함한다. 상기 구성의 전기변색소자는 변색 속도와 변색 균일성이 우수하다.

Description

전기변색소자{An electrochromic device}
관련 출원들과의 상호 인용
본 출원은 2017.04.27 자 한국 특허 출원 제10-2017-0054315호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
기술분야
본 출원은 전기변색소자에 관한 것이다.
전기변색이란 전기화학적 산화 또는 환원 반응에 의하여 전기변색물질의 광학적 성질이 변하는 현상을 말하며, 상기 현상을 이용한 소자를 전기변색소자라 한다. 전기변색소자는 일반적으로 작업전극, 상대전극, 및 전해질을 포함하며, 전기화학적 반응에 의해 각 전극의 광학적 성질이 가역적으로 변화할 수 있다. 예를 들어, 작업전극 또는 상대전극은 투명 도전성 물질과 전기변색물질을 각각 필름형태로 포함할 수 있는데, 소자에 전위가 인가될 경우 전해질 이온이 전기변색물질 함유 필름에 삽입되거나 이로부터 탈리되고, 동시에 외부 회로를 통해 전자가 이동하게 되면서 전기변색물질의 광학적 성질변화가 나타나게 된다.
이러한, 전기변색소자는 적은 비용으로도 넓은 면적의 소자를 제조할 수 있고, 소비전력이 낮기 때문에, 스마트 윈도우나 스마트 거울, 그 밖에 차세대 건축 창호 소재로서 주목받고 있다. 그러나, 변색층 전면적의 광학적 특성 변화를 위한 전해질 이온의 삽입 및/또는 탈리에는 상당 시간이 소요되기 때문에, 변색속도가 느리다는 단점이 있다. 또한, 전기변색층의 동일한 평면 상에서도 그 위치에 따라 변색속도가 상이하여, 변색 정도가 불균일하다는 단점이 있다.
본 출원의 일 목적은, 변색속도가 개선된 전기변색소자를 제공하는 것이다.
본 출원의 다른 목적은, 변색 정도가 균일한 전기변색소자를 제공하는 것이다.
본 출원의 상기 목적 및 기타 그 밖의 목적은 하기 상세히 설명되는 본 출원에 의해 모두 해결될 수 있다.
본 출원에 관한 일례에서, 본 출원은 전기변색소자에 관한 것이다. 본 출원의 전기변색소자는, 전극층 및 상기 전극층 상에 위치하는 전기변색층 외에, 상기 전극층 상에 위치하는 도전성 띠(band)를 포함할 수 있다. 본 출원에서, 구성 간 위치에 관하여 사용되는 「상」이라는 용어는 “위” 또는 “상부”에 대응하는 의미로 사용되며, 특별히 달리 기재하지 않은 이상, 해당 위치를 갖는 구성이 다른 구성에 직접 접하면서 그 위에 존재하는 경우를 의미할 수 있고, 또는 이들 사이에 다른 구성이 존재하는 경우를 의미할 수도 있다.
상기 전극층은 투광성을 갖는 투명 전극일 수 있다. 본 출원에서 「투광성」이란, 가시광에 대한 투과율이 60 % 이상인 경우를 의미할 수 있다. 또한, 「가시광」은, 380 nm 내지 780 nm 파장 범위의 광, 구체적으로는 550 nm 파장의 광을 의미할 수 있다. 투과율의 상한은 특별히 제한되지 않으나, 예를 들어, 95% 이하일 수 있다. 상기 투광성은 공지된 헤이즈미터에 의해 측정될 수 있다.
상기 전극층은 10 nm 내지 450 nm 범위의 두께를 가질 수 있다. 본 출원에서 「두께」란, 지면으로부터 소자 표면을 향해 가상의 법선을 그은 경우, 측정 대상 층의 일 면(하면)과 그에 대향하는 해당 층 다른 일 면(상면) 사이의 평균 법선 거리”를 의미할 수 있다.
상기 전극층은 투광성 투명 전극 재료로서, 투명 도전성 산화물이나 OMO(oxide/metal/oxide)를 포함할 수 있다.
하나의 예시에서, 투명 도전성 산화물로는, ITO(Indium Tin Oxide), In2O3(Indium Oxide), IGO(Indium Galium Oxide), FTO(Fluor doped Tin Oxide), AZO(Aluminium doped Zinc Oxide), GZO(Galium doped Zinc Oxide), ATO(Antimony doped Tin Oxide), IZO(Indium doped Zinc Oxide), NTO(Niobium doped Titanium Oxide), ZnO(Zink Oxide), 또는 CTO (Cesium Tungsten Oxide) 등이 사용될 수 있다. 그러나, 상기 나열된 물질로 투명 도전성 산화물의 재료가 제한되는 것은 아니다.
OMO(oxide/metal/oxide)는 상부 금속산화물층, 하부 금속산화물층, 및 상기 2개 층 사이에 마련되는 금속층을 포함할 수 있다. 상부 금속산화물층은, OMO를 구성하는 층 중에서 전기변색층으로부터 상대적으로 더 멀리 위치한 층을 의미할 수 있다. 상기 구성의 OMO는, ITO로 대표되는 투명 도전성 산화물 대비 좀 더 낮은 면저항을 갖기 때문에, 전기변색소자의 변색 속도를 개선할 수 있다.
상기 OMO에 사용되는 상부 및 하부 금속산화물층은 Sb, Ba, Ga, Ge, Hf, In, La, Se, Si, Ta, Se, Ti, V, Y, Zn, Zr 또는 이들 합금의 금속 산화물을 포함할 수 있다. 상기 상부 및 하부 금속산화물층이 포함하는 각 금속산화물의 종류는 동일하거나 상이할 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 상부 금속산화물층의 두께는 10 nm 내지 120 nm 범위, 또는 20 nm 내지 100 nm 범위일 수 있다. 또한, 상기 상부 금속산화물층의 가시광 굴절률은 1.0 내지 3.0 범위 또는 1.2 내지 2.8 범위일 수 있다. 상기 범위의 굴절률 및 두께를 가질 경우, 적절한 수준의 광학 특성이 소자에 부여될 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 하부 금속산화물층의 두께는 10 nm 내지 100 nm 범위 또는 20 nm 내지 80 nm 범위일 수 있다. 또한, 상기 하부 금속산화물층의 가시광 굴절률은 1.3 내지 2.7 범위 또는 1.5 내지 2.5 범위일 수 있다. 상기 범위의 굴절률 및 두께를 가질 경우, 적절한 수준의 광학 특성이 소자에 부여될 수 있다.
상기 OMO에 포함되는 금속층은 저 저항 금속재료를 포함할 수 있다. 예를 들어, Ag, Cu, Zn, Au, Pd, 및 이들의 합금 중에서 선택되는 하나 이상의 금속이 저 저항 금속 재료로서 금속층에 사용될 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 OMO의 금속층은 3 nm 내지 30 nm 범위 또는 5 nm 내지 20 nm 범위의 두께를 가질 수 있다. 또한, 상기 금속층은 1 이하 또는 0.5 이하의 가시광 굴절률을 가질 수 있다. 상기 범위의 굴절률 및 두께를 가질 경우, 적절한 수준의 광학 특성이 소자에 부여될 수 있다.
전극층을 마련하는 방법은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 상기 전극 재료를 이용하는 공지의 습식 또는 건식 코팅법이나, 공지의 라미네이션 방식을 이용하여 전극층을 형성할 수 있다.
전기변색층은 가역적인 산화·환원 반응에 의해 변색 가능한 전기변색물질을 포함하는 층이다. 전기변색물질로는 공지된 유기물 또는 무기물이 사용될 수 있다.
하나의 예시에서, 전기변색층은 환원성 변색물질, 즉, 환원시 색이 변화(착색)하는 물질을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 전기변색층은 WO3, MoO3, Nb2O5, Ta2O5 또는 TiO2 등과 같이, Ti, Nb, Mo, Ta 또는 W의 산화물을 포함할 수 있다.
하나의 예시에서, 전기변색층은 산화성 변색물질, 즉, 산화시 색이 변화(착색)하는 물질을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 전기변색층은 LiNiOx, IrO2, NiO, V2O5, LixCoO2, Rh2O3 또는 CrO3 등과 같이, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Rh, 또는 Ir의 산화물; Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Rh, 또는 Ir의 수산화물; 및 프러시안 블루(prussian blue) 중에서 하나 이상을 포함할 수 있다.
특별히 제한되지는 않으나, 전기변색층은 400 nm 이하의 두께를 가질 수 있다. 보다 구체적으로, 전기변색층은 30 nm 이상, 50 nm 이상, 100 nm 이상 또는 150 nm 이상의 두께를 가질 수 있고, 그리고 350 nm 이하 또는 300 nm 이하의 두께를 가질 수 있다.
전기변색층을 마련하는 방법 역시 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 전극층 또는 전극층을 포함하는 기재 상에, 상기 언급된 변색물질을 포함하는 코팅 조성물을 도포 후 소결하여 전기변색층을 형성할 수 있다. 또는, 증착 방식을 통해, 상기 언급된 재료를 포함하는 전기변색층을 전극층 또는 전극층을 포함하는 기재 상에 형성할 수 있다. 그 외에, 전극층과 별도로 전기변색층을 형성한 다음, 전극층과 전기변색층을 서로 라미네이션하는 방식을 사용할 수도 있다.
본 출원에서, 도전성 띠(band)는 길이, 너비 또는 폭으로 표현되는 소정의 크기와 소정의 두께를 갖는다. 상기 도전성 띠는 도전성 재료를 포함하고, 닫힌 고리 형상, 즉 양 끝이 맞붙은 형태를 갖는다. 닫힌 고리의 구체적인 형상은, 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 소자 표면에 대한 법선 방향과 평행한 상부 또는 하부에서 시인되는 고리의 형상(shape)은 원, 타원, 또는 다변형이 될 수 있다. 하나의 예시에서, 소자 표면에 대한 법선 방향과 평행한 상부 또는 하부에서 시인되는 전기변색층의 형상(shape)과, 동일 방향에서 시인되는 도전성 띠의 닫힌 고리 형상이 동일할 수 있다.
상기 도전성 띠는 전기변색층과 물리적으로 직접 접할 수 있다. 하기 설명되는 본 출원의 몇 가지 양태에서와 같이 전기변색층과 접하는 도전성 띠는, 전기변색층에 등전위 구간을 형성하기 때문에, 전기변색속도를 개선할 뿐 아니라 전기변색층의 균일한 변색에도 기여한다.
하나의 예시에서, 도전성 띠는 전기변색층의 측면을 둘러싸면서, 전기변색층과 접할 수 있다. 본 출원에서, 「층의 측면」이란, 상기 설명된 층의 두께 방향에서, 서로 대향하는 상면과 하면 이외의 면을 의미할 수 있다. 구체적으로, 도전성 띠는 전기변색층의 측면과 물리적으로 접촉한 상태에서 전기변색층의 측면을 따라 연장하고, 양 끝이 서로 맞붙은 닫힌 고리 형상을 가질 수 있다. 즉, 상기 도전성 띠는 전기변색층의 측면을 감싸는 상태로 존재할 수 있다. 소자에 전압이 인가되는 경우, 상기와 같은 형태로 전기변색층과 물리적으로 접촉하는 도전성 띠는, 전기변색층의 등전위 구간을 넓히는데 기여한다. 예를 들어, 소자 표면에 대한 법선 방향 상부에서 시인된 전기변색층이 직사각형인 경우, 도전성 띠는 전기변색층의 측면 테두리 4면과 접촉하면서 전기변색층을 둘러싸기 때문에, 도전성 띠에 의한 등전위 구간이 전기변색층의 중앙부까지 고르게 형성될 수 있다. 반면, 도전성 띠가 형성되지 않은 경우나, 또는 도전성 띠가 전기변색층의 측면 일부에만 형성된 경우에는, 등전위 구간 확대 및 그에 따른 변색 정도의 균일화, 그리고 변색속도의 개선을 기대할 수 없다.
상기 설명된 바와 같이, 도전성 띠가 전기변색층의 측면을 감싸는 닫힌 고리 형상을 갖는 경우, 상기 전극층은 도전성 띠의 면적과 전기변색층의 면적을 합한 것과 동일하거나 그 보다 큰 면적을 가질 수 있다. 본 출원에서 「면적」은, 특별히 달리 정의되지 않는 이상, 소자를 그 표면의 법선 방향과 평행한 방향의 상부 또는 하부에서 관찰할 때, 해당 구성이 시인되는 면적, 예를 들어 정사영 면적을 의미할 수 있다. 따라서, 면적 비교의 대상이 되는 구성이 갖는 요철 등에 의한 실제 면적의 증감은 고려되지 않는다. 도 1은 본 출원의 일례에 따른, 전극층과 전기변색층 및 도전성 띠 간의 면적 관계를 개략적으로 도시한다. 도 1에서와 같이, 전극층의 면적(S1)은, 전기변색층의 면적(S2)과 도전성 띠의 면적(S3)을 합한 것과 동일한 크기일 수 있다. 이 경우, 소자 표면의 법선 방향과 평행한 방향의 상부 또는 하부에서 관찰된 도전성 띠와 전기변색층의 형상은, 사변형으로 동일할 수 있다.
하나의 예시에서, 도전성 띠가 전기변색층의 측면을 둘러싸는 (또는 감싸는) 닫힌 고리 형상을 갖는 경우, 전기변색층과 도전성 띠 각각은 전극층의 동일한 일 면과 직접 접할 수 있다.
하나의 예시에서, 도전성 띠는 전기변색층 이상의 두께를 가질 수 있다. 구체적으로, 도전성 띠와 전기변색층이 전극층의 동일한 일 면과 각각 직접 접하면서 전극층 상에 위치하는 경우, 도전성 띠의 하면으로부터 상면까지의 법선 길이는, 전기변색층의 그것과 동일하거나 더 클 수 있다.
전기변색층의 측면을 둘러싸고, 상기 도 1에 설명된 면적관계를 만족하도록 도전성 띠를 형성하는 방법은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 전극층 상에 전기변색층을 형성한 후, 전기변색층이 갖는 면적이 전극층의 면적 보다 작도록 전기변색층의 테두리를 에칭하고, 전기변색층의 측면을 둘러싸도록 전기변색층이 에칭된 부위에 도전성 띠를 형성할 수 있다. 또는 에칭을 하지 않더라도, 전극층 상에, 전극층 보다 크기가 작은 전기변색층을 형성하고, 전기변색층의 측면을 둘러싸도록 도전성 띠를 형성할 수도 있다. 그 밖에도 상기 도전성 띠는 점착면을 갖는 테이프 형태로서 소정 부위에 부착될 수 있고, 또는, 도전성 조성물을 소정 부위에 도포한 후 소결 또는 건조 시켜 형성될 수도 있다.
또 하나의 예시에서, 도전성 띠는 전기변색층의 상면 또는 하면에 위치할 수 있다. 보다 구체적으로, 도전성 띠는 전극층과 전기변색층 사이에 위치하면서 전극층 및 전기변색층과 직접 접할 수 있고, 또는 전극층과 마주하는 전기변색층 일면의 반대 일면 상에 위치하면서 전기변색층과 직접 접할 수 있다.
상기와 같이, 도전성 띠가 전기변색층의 상면 또는 하면에 위치하는 경우, 전기변색층은 도전성 띠의 면적과 도전성 띠의 닫힌 고리 내부 면적을 합한 것과 동일하거나 그 보다 큰 면적을 가질 수 있다. 예를 들어, 도 2에서와 같이, 전기변색층의 면적(S4)은 도전성 띠(S5)의 면적과 고리내부의 면적(S6)를 합한 것과 동일하거나 그 보다 더 클 수 있다. 하나의 예시에서, 소자 표면의 법선 방향과 평행한 방향의 상부 또는 하부에서 관찰된 도전성 띠와 전기변색층의 형상은, 사변형으로 동일할 수 있다. 또한, 특별히 제한되는 것은 아니나, 상기와 같은 경우, 전기변색층은 전극층 이하의 면적을 가질 수 있다.
상기와 같이, 전기변색층의 상면 또는 하면에 도전성 띠를 마련하는 방법은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 공지된 코팅 방식을 이용하여 전기변색층의 상면 또는 하면에 도전층을 형성하고 상기 도전층이 닫힌 고리 형상을 갖도록 에칭하여 도전성 띠를 마련할 수 있다. 또는 테이프 형태의 도전성 띠를 사용하여, 전기변색층의 상면 또는 하면에 도전성 띠를 마련할 수 있다.
상기와 같이, 도전성 띠가 전기변색층의 상면 또는 하면에 위치하고, 특정 면적 관계를 만족하는 경우, 상기 전기변색소자는 도전성 띠와 전기적으로 연결된 배선부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 상기 배선부는 전극층과 도전성 띠를 연결하는데 사용할 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 도전성 띠는 도전성 재료로서, 금속을 포함할 수 있다. 금속의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어, 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 은(Ag), 구리(Cu), 아연(Zn), 금(Au), 팔라듐(Pd), 백금(Pt) 또는 이들의 합금이 도전성 띠에 사용될 수 있다.
하나의 예시에서, 도전성 띠의 저항값은, 전극층 저항 값의 10 % 이하일 수 있다. 상기와 같은 관계를 만족하는 경우, 소자의 변색속도를 더욱 개선할 수 있다.
특별히 제한되지는 않으나, 상기 도전성 띠는 100 nm 이하의 너비 또는 폭을 가질 수 있다. 구체적으로, 도전성 띠는 70 nm 이하, 50 nm 이하, 30 nm 이하, 20 nm 이하, 또는 15 nm 이하의 폭을 가질 수 있고, 그리고 1 nm 이상, 3 nm 이상 또는 5 nm 이상의 두께를 가질 수 있다.
특별히 제한되지는 않으나, 상기 도전성 띠는 1,200 nm 이하의 두께를 가질 수 있다. 보다 구체적으로, 1,100 nm 이하, 900 nm 이하, 700 nm 이하, 또는 500 nm 이하의 두께를 가질 수 있고, 그리고 100 nm 이상, 200 nm 이상, 300 nm 이상, 400 nm 이상 또는 500 nm 이상의 두께를 가질 수 있다.
상기 전기변색소자는 전극층과 마주하는 전기변색층 일 면의 반대 일 면 상에 전해질층을 포함할 수 있다. 이와 관련된 일례에서 전기변색소자는, 전극층, 도전성 띠, 전기변색층 및 전해질층을 순차로 포함하거나, 전극층, 전기변색층, 도전성 띠 및 전해질층을 순차로 포함할 수 있다. 또 다른 일례에서는, 전극층, 전기변색층 및 전해질층을 순차로 포함하되, 전기변색층의 측면을 둘러싸는 도전성 띠가 전기변색층과 마찬가지로 전극층과 전해질층 사이에 위치하도록 전기변색소자가 구성될 수 있다.
상기 전해질층은 전기변색 반응에 관여하는 전해질 이온을 제공하는 구성일 수 있다. 전해질 이온은 상기 도전성 적층체에 삽입되는 1가 양이온으로서, 예를 들어 H+, Li+, Na+, K+, Rb+, 또는 Cs+ 일 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 전해질층은 겔 폴리머 전해질을 포함할 수 있다. 겔 폴리머 전해질은 이온 전도도는 있지만 전기전도도는 없다. 따라서, 하기 설명되는 바와 같이, 상대 전극층의 일면 상에 제2 도전성 띠가 추가로 존재하는 경우, 2개의 도전성 띠 사이에 존재하는 겔 폴리머는 소자의 쇼트를 방지할 수 있다. 또한, 상기 겔 폴리머 전해질은, 전기변색층과 도전성 띠 사이에 존재할 수 있는 단차, 즉 두께 차이에 대한 버퍼 역할도 수행할 수 있다.
하나의 예시에서, 겔 폴리머 전해질은 고분자를 포함할 수 있다. 사용 가능한 고분자로는, 예를 들어, 폴리비닐리덴 플루오라이드(Polyvinylidene fluoride, PVdF), 폴리아크릴로나이트릴(Polyacrylonitrile, PAN), 폴리메틸 메타크릴레이트(Polymethyl methacrylate, PMMA), 폴리비닐 클로라이드(Polyvinyl chloride, PVC), 폴리에틸렌 옥사이드(Polyethylene oxide, PEO), 폴리프로필렌 옥사이드(Polypropylene oxide, PPO), 폴리(비닐리덴 플루오라이드-헥사플루오로 플루오로프로필렌)(Poly(vinylidene fluoride-hexafluoro propylene), PVdF-HFP), 폴리비닐아세테이트(Polyvinyl acetate, PVAc), 폴리옥시에틸렌(Polyoxyethylene, POE), 폴리아미드이미드(Polyamideimide, PAI) 등을 들 수 있다.
하나의 예시에서, 전해질층은 전기변색층 또는 하기 설명되는 이온저장층에 1가 양이온을 제공할 수 있는 금속염 화합물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 전해질층은 LiPF6, LiAsF6, LiCF3SO3, LiN(CF3SO2)2, LiBF4, LiSbF6, LiN(C2F5SO2)2, LiAlO4, LiAlCl4, LiCo0 . 2Ni0 . 56Mn0 . 27O2, LiCoO2, LiSO3CF3　또는 LiClO4와 같은 리튬염 화합물이나, NaClO4 등과 같은 나트륨염 화합물을 포함할 수 있다.
또 하나의 예시에서, 상기 전해질층은, 용매로서 카보네이트 화합물을 추가로 포함할 수 있다. 카보네이트계 화합물은 유전율이 높기 때문에, 이온 전도도를 높일 수 있다. 비제한적인 일례로서, PC(propylene carbonate), EC(ethylene carbonate), DMC(dimethyl carbonate), DEC(diethyl carbonate) 또는 EMC(ethylmethyl carbonate)와 같은 용매가 카보네이트계 화합물로 사용될 수 있다.
하나의 예시에서, 도전성 띠가 전기변색층의 측면을 둘러싸면서 존재하는 경우, 상기 전해질층의 면적은 도전성 띠의 면적과 전기변색층의 면적을 합한 것과 동일하거나 그 보다 큰 면적을 가질 수 있다. 상기 구성을 통해 쇼트를 방지할 수 있다.
또 하나의 예시에서, 도전성 띠가 전기변색층의 상면 또는 하면에 위치하는 경우, 상기 전해질층의 면적은 도전성 띠의 면적과 도전성 띠의 고리 내부 면적을 합한 것과 동일하거나 그 보다 큰 면적을 가질 수 있다. 상기 구성을 통해 쇼트를 방지할 수 있다.
또 하나의 예시에서, 상기 전해질층의 면적은 상기 설명된 전극층의 면적과 상이하거나 동일할 수 있다. 또한, 상기 전해질층의 면적은 하기 설명되는 상대 전극층의 면적과 상이하거나 동일할 수 있다.
특별히 제한되지는 않으나, 상기 전해질층의 광 투과율은 60 % 내지 95 % 범위일 수 있고, 두께는 10 ㎛ 내지 300 ㎛ 범위일 수 있다.
상기 전기변색소자는, 전기변색층이 마주하는 전해질층 일 면의 반대 일 면 상에, 상대 전극층을 더 포함할 수 있다. 상대 전극층의 구성이나 그 밖의 특성은, 전극층과 관련하여 설명된 것과 동일하다.
본 출원의 전기변색소자는 이온저장층을 더 포함할 수 있다. 이온저장층은 전기변색물질의 변색을 위한 가역적 산화·환원 반응시, 상기 전기변색층과의 전하 균형(charge balance)을 맞추기 위해 형성된 층을 의미한다. 상기 이온저장층은 상대 전극층의 일면 상에 위치할 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 이온저장층은 상대 전극층과 전해질층 사이에 위치할 수 있다.
상기 이온저장층은, 전기변색층에 사용되는 전기변색물질과는 발색특성이 상이한 전기변색물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 전기변색층이 환원성 전기변색물질을 포함하는 경우, 이온저장층은 산화성 전기변색물질을 포함할 수 있다. 그 반대의 경우도 가능하다.
특별히 제한되지는 않으나, 상기 이온저장층은 400 nm 이하의 두께를 가질 수 있다. 보다 구체적으로, 이온저장층은 30 nm 이상, 50 nm 이상, 100 nm 이상 또는 150 nm 이상의 두께를 가질 수 있고, 그리고 350 nm 이하 또는 300 nm 이하의 두께를 가질 수 있다.
하나의 예시에서, 본 출원의 전기변색소자는 제2 도전성 띠를 추가로 포함할 수 있다. 이 경우, 본 출원 전기변색소자에 포함되는 2개의 도전성 띠는 각각 제1 도전성 띠와 제2 도전성 띠로 호칭될 수 있다. 제2 도전성 띠 자체의 구성이나 특성, 또는 인접하는 층과의 관계는, 앞서 설명된 도전성 띠의 그것과 동일할 수 있다. 이 경우, 전기변색층에 관한 설명은 이온저장층에 적용될 수 있고, 전극층에 관한 설명은 상대 전극층에 적용될 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 제2 도전성 띠는 이온저장층과 물리적으로 직접 접할 수 있다.
또 하나의 예시에서, 제2 도전성 띠는 이온저장층의 측면을 둘러싸면서, 이온저장층과 접할 수 있다. 이 경우, 상대 전극층은, 제2 도전성 띠의 면적과 이온저장층의 면적을 합한 것과 동일하거나 그 보다 큰 면적을 가질 수 있다. 이때, 이온저장층과 제2 도전성 띠 각각은, 상대 전극층의 동일한 일 면과 직접 접할 수 있다. 또한, 제2 도전성 띠는 이온저장층 이상의 두께를 가질 수 있다.
또 하나의 예시에서, 제2 도전성 띠는 이온저장층의 상면 또는 하면에 위치할 수 있다. 보다 구체적으로, 제2 도전성 띠는 상대 전극층과 이온저장층 사이에 위치하면서 상대 전극층 및 이온저장층과 직접 접할 수 있다. 또는 상대 전극층과 마주하는 이온저장층 일면의 반대 일면 상에 위치하면서, 즉 전해질층과 이온저장층 사이에 위치하면서, 이온저장층과 직접 접할 수 있다. 상기와 같이, 제2 도전성 띠가 이온저장층의 상면 또는 하면에 위치하는 경우, 이온저장층은, 제2 도전성 띠의 면적과 제2 도전성 띠의 닫힌 고리 내부 면적을 합한 것과 동일하거나 그 보다 큰 면적을 가질 수 있다. 또한, 특별히 제한되지는 않지만, 상기와 같은 경우, 이온저장층은 상대 전극층 이하의 면적을 가질 수 있다.
또 하나의 예시에서, 상기와 같이, 제2 도전성 띠가 이온저장층의 상면 또는 하면에 위치하고, 특정 면적 관계를 만족하는 경우, 상기 전기변색소자는 제2 도전성 띠와 전기적으로 연결된 배선부를 더 포함할 수 있다. 상기 배선부는 상대 전극층과 제2 도전성 띠를 연결하는데 사용할 수 있다.
또 하나의 예시에서, 제2 도전성 띠가 이온저장층의 측면을 둘러싸면서 존재하는 경우, 전해질층의 면적은 제2 도전성 띠의 면적과 이온저장층의 면적을 합한 것과 동일하거나 그 보다 큰 면적을 가질 수 있다.
또 하나의 예시에서, 제2 도전성 띠가 이온저장층의 상면 또는 하면에 위치하는 경우, 상기 전해질층의 면적은 제2 도전성 띠의 면적과 제2 도전성 띠의 고리 내부 면적을 합한 것과 동일하거나 그 보다 큰 면적을 가질 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 전기변색소자는 투광성 기재를 추가로 포함할 수 있다. 투광성 기재는 소자의 외측면, 구체적으로는, 전극층 및/또는 상대 전극층의 외측면에 위치할 수 있다.
상기 투광성 기재는, 예를 들어 가시광 투과율이 약 60 % 내지 95 % 인 기재일 수 있다. 상기 범위의 투과율을 만족한 다면, 사용되는 기재의 종류는 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어 유리 또는 고분자 수지가 사용될 수 있다. 보다 구체적으로, PC(Polycarbonate), PEN(poly(ethylene naphthalate)) 또는 PET(poly(ethylene terephthalate))와 같은 폴리에스테르 필름, PMMA(poly(methyl methacrylate))와 같은 아크릴 필름, 또는 PE(polyethylene) 또는 PP(polypropylene)와 같은 폴리올레핀 필름 등이 사용될 수 있으나, 이들에 제한되는 것은 아니다.
상기 전기변색소자는 전원을 더 포함할 수 있다. 전원을 소자에 전기적으로 연결하는 방식은 특별히 제한되지 않으며, 당업자에 의해 적절히 이루어질 수 있다. 상기 전기변색소자는 전기변색에 필요한 소정의 전압을 인가할 수 있다.
본 출원의 일례에 따르면, 전기변색속도와 변색의 균일한 정도가 개선된 전기변색소자가 제공될 수 있다.
도 1은, 본 출원의 일례에 따라, 전극층, 전기변색층 및 도전성 띠의 면적 관계를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는, 본 출원의 일례에 따라, 전기변색층과 도전성 띠의 면적 관계를 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은, 본 출원의 일례에 따른 실시예 소자의 구동 특성에 관한 그래프이다.
도 4는, 비교예 소자의 구동 특성에 관한 그래프이다.
이하, 실시예를 통해 본 출원을 상세히 설명한다. 그러나, 본 출원의 보호범위가 하기 설명되는 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
<전기변색 시간의 측정 방법>
* 투과율: oceanoptics를 이용하여 측정하였다. 구체적으로, 하기 제조된 소자의 가로 길이(10 cm)를 대략 3 등분한 3개 지점(탈색시 B1, B2, B3 지점; 착색시 C1, C2, C3 지점)에서, 시간에 따른 투과율의 변화를 각각 측정하였다.
실시예
제1 적층체의 제조: 증착 방식을 이용하여, 150 nm 두께의 PET 기재 상에 ITO(두께: 100 nm)층, 및 WO3층(두께: 350 nm)을 순차로 형성하였다. ITO 층과 WO3층의 평면 넓이는 동일 크기(가로 X 세로: 10 cm × 7 cm)의 사변형이 되도록 하였다.
LiClO4(1M)와 프로필렌카보네이트(PC) 함유 전해액 100 ppm과 potentiostat 장치를 준비하고, -1V의 전압을 50초간 인가하여, WO3층에 Li+를 삽입하고, WO3 층을 착색시켰다.
이후, WO3층의 4개 테두리부를 모두 에칭하였다. 에칭에 의해 제거된 각 테두리부의 너비는 10 nm 였다. 이후, 10 nm 너비의 니켈 테이프를 WO3가 에칭된 4개 테두리부 모두에 부착하였다. 사용된 니켈 테이프의 두께는 1,000 nm 였다.
제2 적층체의 제조: 증착 방식을 이용하여, 150 nm 두께의 PET 기재 상에 ITO(두께: 100 nm)층, 및 프러시안블루(PB)층(두께: 350 nm)을 순차로 형성하였다. ITO 층과 PB 층의 평면 넓이는 동일 크기(가로 × 세로: 10 cm × 7 cm)의 사변형이 되도록 하였다.
마찬가지로, PB층의 4개 테두리부를 모두 에칭하였다. 에칭에 의해 제거된 각 테두리부의 너비는 10 nm 였다. 이후, 10 nm 너비의 니켈 테이프를 PB가 에칭된 4개 테두리부 모두에 부착하였다. 사용된 니켈 테이프의 두께는 1,000 nm 였다.
소자의 제조: 면적의 크기가 10 cm × 7 cm이고, 두께가 50 ㎛인 GPE(gel polymer electrolyte)층을 매개로, 제1 적층체의 WO3층과 제2 적층체의 PB 층이 마주볼 수 있도록 각 적층체를 합착하고, 소자(ITO/WO3/GPE/PB/ITO)를 제조하였다.
상기로부터 제조된 소자에, 탈색(bleaching) 전압과 착색(coloration) 전압을 일정 주기로 반복 인가하면서, 시간에 따른 소자의 전하량 변화를 관찰하였다. 1 주기(cycle)당 탈색 및 착색 전압은 각각 ± 1.2 V 로서, 각각 50초 간 인가되었다. 안정화를 위하여 소정 사이클을 구동하고, 전압 인가에 따른 착탈색 시간 변화를 관찰하였다. 그 결과는 도 3과 같다.
비교예
제1 및 제2 적층체 제조시, WO3층과 PB 층의 각각 1개 테두리만을 에칭하고, 에칭된 1개 테두리에 대해서만 니켈 테이프를 부착한 것을 제외하고, 동일한 방법으로 소자를 제조하였다. 변색시간의 측정 결과는 도 4와 같다.

Claims (20)

  1. 전극층; 상기 전극층 상에 위치하는 전기변색층; 상기 전극층 상에 위치하고, 닫힌 고리 형상을 갖는 도전성 띠(band); 상기 전극층과 마주하는 상기 전기변색층 일 면의 반대 일 면 상에 위치하는 전해질층; 상기 전기변색층과 마주하는 전해질층 일면의 반대 일 면 상에 위치하는 상대 전극층; 상기 상대 전극층과 상기 전해질층 사이에 위치하는 이온저장층; 및 상기 이온저장층과 접하고, 닫힌 고리 형상을 갖는 제2 도전성 띠를 포함하는 전기변색소자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 도전성 띠는 상기 전기변색층과 접하는 전기변색소자.
  3. 제2항에 있어서, 상기 도전성 띠는 상기 전기변색층의 측면을 감싸는 전기변색소자.
  4. 제3항에 있어서, 상기 전극층은 상기 도전성 띠의 면적과 상기 전기변색층의 면적을 합한 것과 동일하거나 그 보다 큰 면적을 갖는 전기변색소자.
  5. 제4항에 있어서, 상기 전기변색층과 상기 도전성 띠 각각은 상기 전극층의 동일한 일 면과 접하는 전기변색소자.
  6. 제5항에 있어서, 상기 도전성 띠는 상기 전기변색층 이상의 두께를 갖는 전기변색소자.
  7. 제2항에 있어서, 상기 도전성 띠는 상기 전극층과 상기 전기변색층 사이에, 또는 상기 전극층과 마주하는 상기 전기변색층 일면의 반대 일면 상에 위치하는 전기변색소자.
  8. 제7항에 있어서, 상기 전기변색층은, 상기 도전성 띠의 면적과 상기 도전성 띠의 닫힌 고리 내부 면적을 합한 것과 동일하거나 그보다 큰 면적을 갖는 전기변색소자.
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서, 상기 전해질층은 겔 폴리머 전해질을 포함하는 전기변색소자.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 제1항에 있어서, 상기 제2 도전성 띠는 상기 이온저장층의 측면을 감싸는 전기변색소자.
  15. 제14항에 있어서, 상기 상대 전극층은 상기 제2 도전성 띠의 면적과 이온저장층의 면적을 합한 것과 동일하거나 그 보다 큰 면적을 갖는 전기변색소자.
  16. 제15항에 있어서, 상기 이온저장층과 상기 제2 도전성 띠 각각은 상기 상대 전극층의 동일한 일 면과 접하는 전기변색소자.
  17. 제16항에 있어서, 상기 제2 도전성 띠는 상기 이온저장층 두께 이상의 두께를 갖는 전기변색소자.
  18. 제1항에 있어서, 상기 제2 도전성 띠는, 상기 상대 전극층과 이온저장층 사이, 또는 상기 상대 전극층과 마주하는 이온저장층 일면의 반대 일면 상에 위치하는 전기변색소자.
  19. 제18항에 있어서, 상기 이온저장층은, 상기 제2 도전성 띠의 면적과 상기 제2 도전성 띠의 닫힌 고리 내부 면적을 합한 것과 동일하거나 그보다 큰 면적을 갖는 전기변색소자.
  20. 제1항에 있어서, 상기 도전성 띠 및 제2 도전성 띠는, 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 은(Ag), 구리(Cu), 아연(Zn), 금(Au), 팔라듐(Pd), 백금(Pt) 또는 이들의 합금을 포함하는 전기변색소자.


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