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KR102141636B1 - 전기변색소자 - Google Patents

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KR102141636B1
KR102141636B1 KR1020160056310A KR20160056310A KR102141636B1 KR 102141636 B1 KR102141636 B1 KR 102141636B1 KR 1020160056310 A KR1020160056310 A KR 1020160056310A KR 20160056310 A KR20160056310 A KR 20160056310A KR 102141636 B1 KR102141636 B1 KR 102141636B1
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South Korea
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electrochromic
electrode layer
auxiliary electrode
electrode
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이동현
임창윤
이수희
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주식회사 엘지화학
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Priority to US16/081,840 priority patent/US11099450B2/en
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Abstract

본 발명은 전기변색소자에 관한 것으로, 본 발명의 일 측면에 따르면, 제1 전극층, 제1 전극층 상에 마련되는 제1 전기변색층, 제1 전기변색층 상에 마련되는 전해질층, 전해질층 상에 마련되는 제2 전기변색층, 및 제2 전기변색층 상에 마련되는 제2 전극층을 포함하며, 전해질층을 사이에 두고 서로 마주하는 제1 전기변색층 및 제2 전기변색층의 각각의 대향면에 각각 마련된 제1 보조 전극층 및 제2 보조 전극층을 포함하고, 제1 및 제2 보조 전극층은, 각각 금속 재질로 형성된 전극부와 전극부를 절연시키기 위한 절연부를 포함하는 전기변색소자가 제공된다.

Description

전기변색소자{Electrochromic device}
본 발명은 전기변색소자에 관한 것이다.
전기변색소자란, 전기변색물질이 전기화학적으로 산화 또는 환원 반응을 일으킬 때 나타나는 가역적인 색 변화를 이용하는 소자를 말한다. 이러한 전기변색소자는 응답속도가 느린 단점이 있지만, 적은 비용으로도 넓은 면적의 소자를 제조할 수 있고, 무엇보다 소비전력이 낮다는 장점이 있다. 그에 따라 스마트 윈도우, 스마트 거울, 전자 종이 또는 차세대 건축 창호 소재와 같이 다양한 분야에서 전기변색소자가 주목 받고 있다.
통상의 전기변색소자는 제1 전극(예를 들어, ITO전극), 상기 제1 전극 상에 마련된 전기변색층, 상기 전기변색층 상에 마련된 전해질층, 상기 전해질층 상에 마련된 이온저장층, 및 상기 이온저장층 상에 마련된 제2 전극(예를 들어, ITO전극)을 포함하여 형성된다. 상기 전기변색층 및/또는 이온저장층은 전기변색물질을 포함할 수 있고, 인가되는 전압에 따라 색이 변화할 수 있다. 또한, 제1 전극 및/또는 제2 전극의 일면에는 유리 또는 고분자 수지로부터 형성된 투명 기재가 추가로 마련될 수 있다.
종래의 전기변색소자는 느린 반응속도를 극복하기 위하여, 낮은 저항을 갖는 투명 전극의 도입이 필요하였다. 특히, 기존의 ITO전극은 높은 저항으로 인하여 넓은 면적의 전기변색소자에서 발생하는 전압 강하(voltage drop)에 의한 변색 반응 속도 차이를 야기하였으며, 이를 극복하기 위한 기술로 메탈 메쉬(metal mesh), OMO와 같이 낮은 저항을 갖는 투명전극의 개발이 활발히 진행되고 있다.
또한, 전기변색소자의 반응 속도를 향상시키기 위한 다양한 형태의 보조 전극의 개발이 진행되고 있다.
본 발명은 반응 속도를 향상시킴으로써, 고속 구동이 가능한 전기변색소자를 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
또한, 본 발명은 보조 전극에서 금속 용출을 방지할 수 있는 전기변색소자를 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
상기한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 제1 전극층, 제1 전극층 상에 마련되는 제1 전기변색층, 제1 전기변색층 상에 마련되는 전해질층, 전해질층 상에 마련되는 제2 전기변색층, 및 제2 전기변색층 상에 마련되는 제2 전극층을 포함하며, 전해질층을 사이에 두고 서로 마주하는 제1 전기변색층 및 제2 전기변색층의 각각의 대향면에 각각 마련된 제1 보조 전극층 및 제2 보조 전극층을 포함하고, 제1 및 제2 보조 전극층은, 각각 금속 재질로 형성된 전극부와 전극부를 절연시키기 위한 절연부를 포함하는 전기변색소자가 제공된다.
또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 제1 전극층, 제1 전극층 상에 마련되는 제1 전기변색층, 제1 전기변색층 상에 마련되는 전해질층, 전해질층 상에 마련되는 제2 전기변색층, 및 제2 전기변색층 상에 마련되는 제2 전극층을 포함하며, 전해질층을 사이에 두고 서로 마주하는 제1 전극층 및 제2 전극층의 각각의 대향면에 각각 마련된 제1 보조 전극층 및 제2 보조 전극층을 포함하고, 제1 및 제2 보조 전극층은, 각각 금속 재질로 형성된 전극부와 전극부를 절연시키기 위한 절연부를 포함하는 전기변색소자가 제공된다.
또한, 제1 및 제2 보조 전극층은 전해질층을 기준으로 비대칭적으로 배열될 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 일 실시예와 관련된 전기변색소자는 다음과 같은 효과를 갖는다.
한 쌍의 보조전극을 마주보도록 하거나, 엇갈리도록 배열함으로써, 전기변색소자의 반응 속도를 향상시킬 수 있고, 이에 따라, 고속 구동이 가능한 장점을 갖는다. 또한, 절연을 통해 보조 전극에서 금속이 용출되는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예와 관련된 전기변색소자를 나타내는 개념도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예와 관련된 전기변색소자를 나타내는 개념도이다.
도 3은 제2 보조 전극층을 나타내는 개념도이다.
도 4 내지 도 8은 보조 전극층의 금속 용출을 설명하기 위한 분석 결과들이다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기변색소자를 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명한다.
또한, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응되는 구성요소는 동일 또는 유사한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복 설명은 생략하기로 하며, 설명의 편의를 위하여 도시된 각 구성 부재의 크기 및 형상은 과장되거나 축소될 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예와 관련된 전기변색소자를 나타내는 개념도이고, 도 2는 본 발명의 제2 실시예와 관련된 전기변색소자를 나타내는 개념도이다.
도 1을 참조하면, 제1 실시예와 관련된 전기변색소자(100)는 제1 전극층(130)과 제1 전극층(130) 상에 마련되는 제1 전기변색층(150)과 제1 전기변색층(150) 상에 마련되는 전해질층(170)과 전해질층(170) 상에 마련되는 제2 전기변색층(160) 및 제2 전기변색층(160) 상에 마련되는 제2 전극층(140)을 포함한다.
또한, 부호 110은 제1 전극층(130)이 마련되는 제1 기판을 나타내고, 부호 120은 제2 전극층(140)이 마련되는 제2 기판을 나타낸다.
또한, 전기변색소자(100)는 전해질층(170)을 사이에 두고 서로 마주하는 제1 전기변색층(150) 및 제2 전기변색층(160)의 각각의 대향면에 각각 마련된 제1 보조 전극층(190) 및 제2 보조 전극층(180)을 포함한다.
도 2를 참조하면, 제2 실시예와 관련된 전기변색소자(200)는 제1 전극층(130)과 제1 전극층(130) 상에 마련되는 제1 전기변색층(150)과 제1 전기변색층(150) 상에 마련되는 전해질층(170)과 전해질층(170) 상에 마련되는 제2 전기변색층(160) 및 제2 전기변색층(160) 상에 마련되는 제2 전극층(140)을 포함한다.
또한, 전기변색소자(200)는 전해질층(170)을 사이에 두고 서로 마주하는 제1 전극층(130) 및 제2 전극층(140)의 각각의 대향면에 각각 마련된 제1 보조 전극층(190) 및 제2 보조 전극층(180)을 포함한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 제1 실시예의 전기변색소자(100)과 제2 실시예의 전기변색소자(200)는 제1 보조 전극층(190) 및 제2 보조 전극층(180)의 형성 위치에서만 차이를 갖는다. 즉, 도 1과 도 2에서, 동일한 부호로 표시된 구성요소는 동일하다.
상기 제1 기판(110)과 제2 기판(120)은 유리 또는 고분자 수지(예를 들어, PET, PES 등)로 형성될 수 있다.
상기 제1 및 제2 전극층(130, 140)은 전기변색층(150, 170)에 전하를 공급하는 요소로서, 각각 ITO(Indium Tin 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, OMO(Oxide/Metal/Oxide) 및 CTO로 구성된 그룹으로부터 선택되는 투명 전도성 산화물(transparent conductive oxide); 은나노 와이어(Ag nanowire); 메탈메쉬(Metal mesh); 또는 OMO(oxide metal oxide) 중 어느 하나를 포함하여 형성될 수 있다. 또한, 상기 제1 및 제2 전극층(130, 140)은 각각 투명 전극층으로서, 빛에 대하여 높은 투과율을 갖고, 낮은 면저항을 가지며, 내침투성을 갖는 재료를 포함하여 구성될 수 있고, 전극 플레이트 형상으로 구성될 수 있다.
각각의 전극층(150, 170)의 형성 방법은 특별히 제한되지 않고, 공지된 방법을 제한 없이 사용할 수 있다. 예를 들어, 스퍼터링, 또는 인쇄(스크린 인쇄, 그라비아 인쇄, 잉크젯 인쇄 등) 등의 공정을 통해, 유리 기재층상에 투명 전도성 산화물 입자를 포함하는 박막의 전극층을 형성할 수 있다. 이렇게 제조된 전극층은, 진공방식의 경우 10 nm 내지 500 nm 범위의 두께를 가질 수 있고, 인쇄 방식의 경우, 0.1㎛ 내지 20㎛ 범위의 두께를 가질 수 있다. 하나의 예시에서, 상기 전극층을 포함한 전기변색소자는 가시광선에 대한 투과율이 70 % 내지 95 %일 수 있다.
또한, 제1 전기변색층(150)은 제2 전기변색층(160)에 포함되는 전기 변색 물질과는 상보적인 발색특성을 갖는 변색물질을 포함할 수 있다. 상보적인 발색특성이란, 전기변색물질이 착색될 수 있는 반응의 종류가 서로 상이 경우를 말하는 것으로, 예를 들어, 산화성 변색물질이 제2 전기변색층(160)에 사용될 경우, 환원성 변색물질이 제1 전기변색층(150)에 사용되는 경우를 의미한다. 상보적 발색특성을 갖는 변색물질이 제1 전기변색층(150)과 제2 전기변색층(160) 에 각각 포함됨에 따라, 예를 들어 환원반응에 의한 제1 전기변색층(150)의 착색과, 산화반응에 의한 제2 전기변색층(160) 의 착색이 동시에 이루어질 수 있고, 그 반대의 경우에는 제1 전기변색층(150)과 제2 전기변색층(160) 의 탈색이 동시에 이루어질 수 있다. 그 결과, 소자 전체의 착색 및 탈색이 동시에 이루어질 수 있다. 상기와 같은 착색 및 탈색은, 소자에 인가되는 전압의 극성에 따라 교대될 수 있다.
하나의 예시에서, 제2 전기변색층(160)에 산화성 변색물질이 사용되는 경우, 제1 전기변색층(150)은 텅스텐 옥사이드(WOx)와 같은 환원성 변색물질을 전기변색물질로 포함할 수 있다. 전기변색물질을 포함하는 제1 및 제2 전기변색층(150, 170)의 형성방법은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들어 증착에 의해 이루어질 수 있다.
산화성 변색물질이란 산화반응이 일어날 경우 변색되는 물질을 의미할 수 있고, 환원성 변색물질이란 환원반응이 일어날 경우 변색되는 물질을 의미할 수 있다. 산화성 변색물질로는 Co, Rh, Ir, Ni, Cr, Mn 및 Fe의 산화물, 예를 들어 LiNiO2, IrO2, NiO, V2O5, LixCoO2, Rh2O3 또는 CrO3 등이 있고, 환원성 변색물질로는 Ti, V, Nb, Ta, Mo 및 W의 산화물, 예를 들어 WO3, MoO3, Nb2O5, Ta2O5 또는 TiO2 등이 있으나, 상기 산화물들로 본 출원의 변색물질이 제한되는 것은 아니다.
전해질층(170)은 전기변색물질의 변색이나 탈색을 위해 수소 이온이나 리튬 이온의 이동 환경을 제공하는 물질로, 전해질층에 사용되는 전해질의 종류는 특별히 제한되지 않으며, 액상 전해질, 겔 폴리머 전해질 또는 무기 고체 전해질이 사용될 수 있다.
상기 전해질은, 예를 들어 H+, Li+, Na+, K+, Rb+, 또는 Cs+를 포함하는 화합물 중 하나 이상의 화합물을 포함할 수 있다. 하나의 예시에서, 전해질층은 LiClO4, LiBF4, LiAsF6, 또는 LiPF6 와 같은 리튬염 화합물을 포함할 수 있다. 전해질에 포함되는 상기 이온은, 인가되는 전압의 극성에 따라, 제1 전기변색층(150) 또는 제1 전기변색층(170)에 삽입되거나, 그로부터 탈리되면서 소자의 변색 또는 광 투과율 변화에 관여할 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 전해질은 카보네이트 화합물을 추가로 포함할 수 있다. 카보네이트계 화합물은 유전율이 높기 때문에, 리튬염이 제공하는 이온 전도도를 높일 수 있다. 카보네이트계 화합물로는 PC(propylene carbonate), EC(ethylene carbonate), DMC(dimethyl carbonate), DEC(diethyl carbonate) 및 EMC(ethylmethyl carbonate) 중 어느 하나 이상이 사용될 수 있다.
하나의 예시에서, 전해질층에 무기 고체 전해질이 사용될 경우, 상기 전해질은 LiPON 또는 Ta2O5을 포함할 수 있다. 또한, 상기 무기 고체 전해질은 LiPON 또는 Ta2O5에 B, S, W와 같은 성분이 첨가된 전해질일 수 있다.
또한, 전기변색소자(100, 200)는 각 전기변색층(150, 170) 들에 전압을 인가하기 위한 전원(구동부)을 추가로 포함할 수 있다.
또한, 제1 및 제2 보조 전극층(190, 180)은 각각 전기전도성이 높은 금속 재질로 형성될 수 있으며, 예를 들어, 은(Ag), 구리(Cu)등의 높은 전기전도성을 갖는 재료로 형성될 수 있다. 또한, 제1 보조 전극층(190)과 제2 보조 전극층(180)은 각각 메탈 메쉬(metal mesh) 또는 메탈 스트립(metal strip) 패턴을 가질 수 있다. 메탈 메쉬 패턴은 제1 방향으로 연장된 제1 성분과, 제1 성분과 교차하도록 제2 방향으로 연장된 제2 성분을 포함할 수 있다. 이때, 복수 개의 제1 성분과 제2 성분의 교차 구조에 의하여 복수 개의 개구부를 가질 수 있다. 또한, 메탈 스트립은 일 방향으로 연장된 띠 형상을 가질 수 있다.
도 3은 제2 보조 전극층(180)을 나타내는 개념도이고, 도 4 내지 도 8은 보조 전극층의 금속 용출을 설명하기 위한 분석 결과들이다. 전술한 바와 같이, 제1 및 제2 보조 전극층(190, 180)은 동일한 구조를 가지므로, 제2 보조 전극층을 예로 들어 설명한다.
또한, 제1 보조 전극층(190)과 제2 보조 전극층(180)은 각각 금속 재질의 전극부(191, 181) 및 전극부(191, 181)를 절연시키는 절연부(192, 182)를 포함할 수 있다. 상기 절연부는, 전기변색소자(100, 200)의 작동 시, 상기 전극부의 용출을 방지하도록 마련된다. 또한, 상기 절연부는 상기 전극부를 둘러싸는 층 구조일 수 있다. 예를 들어, 도 1 및 도 2에서, 절연부(192, 182)는 전극부(191, 181)를 전해질층(170)과 절연시키도록 전극부를 둘러쌀 수 있다. 또한, 도 2에서, 절연부(192, 182)는 전극부(191, 181)를 각각 제1 및 제2 전기변색층(150, 170)과 절연시키도록 전극부(191, 181)를 둘러쌀 수 있다.
도 4 내지 도 6을 참조하면, 이온 또는 전자의 침투로 인해, 각각의 보조 전극층의 전극부의 용출 문제가 발생할 수 있다. 특히, 도 5를 참조하면, 금속 용출 문제를 CV를 통해 분석해 보면, 20회 이후, 부가 반응이 발생하기 시작하여, 100회 및 200회 사이클 이후에는 초기 사이클의 형태와 완전히 다른 곡선을 나타내는 것을 확인할 수 있다.
또한, 도 7 및 도 8을 참조하면, 절연부가 없는 경우(without Insulation layer)과 절연부가 있는 경우(with Insulation layer)를 비교할 때, 절연부를 통해 반복 내구성 확보가 가능하다는 것을 확인할 수 있다.
특히, 상기 절연부는 이온 또는 전자의 침투를 막을 수 있는 재료로서, 수지 재료를 포함하여 구성될 수 있다. 예를 들어, 아크릴레이트(acylate), 또는 에폭시(epoxy) 계열의 수지가 사용될 수 있고, 절연 특성을 향상시키기 위하여 무기 필러 또는 무기 충전재가 일부 포함할 수 있다.
또한, 도 3을 참조하면, 전극부(181) 및 절연부(182) 각각에 대하여, 하나의 예시에서, a(절연부의 폭)는 5mm이하일 수 있고, b, c(전극부의 폭), d는 각각 3mm이하일 수 있으며, e(전극부의 두께)는 1mm이하일 수 있고, f(절연부의 두께)는 2mm이하일 수 있다. 또한, c/a는 0.9이하일 수 있고, b/d는 1.5이하일 수 있다.
한편, 제1 및 제2 보조 전극층(190, 180)은 전해질층(170)을 기준으로 비대칭적으로 배열될 수 있다. 즉, 제1 및 제2 보조 전극층(190, 180)은 전해질층(170)을 기준으로 엇갈려 배열될 수 있다.
제1 및 제2 보조 전극층(190, 180)에 의해 발생하는 전기장의 밀집 정도에 따라, 특정 투과율까지 도달하는데 걸리는 시간의 차이가 발생한다.
위에서 설명된 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
100, 200: 전기변색소자
110: 제1 기판
120: 제2 기판
130: 제1 전극층
140: 제2 전극층
150: 제1 전기변색층
160: 제2 전기변색층
170: 전해질층

Claims (3)

  1. 제1 전극층; 제1 전극층 상에 마련되는 제1 전기변색층; 제1 전기변색층 상에 마련되는 전해질층; 전해질층 상에 마련되는 제2 전기변색층; 및 제2 전기변색층 상에 마련되는 제2 전극층을 포함하며,
    전해질층을 사이에 두고 서로 마주하는 제1 전기변색층 및 제2 전기변색층의 각각의 대향면에 각각 마련된 제1 보조 전극층 및 제2 보조 전극층을 포함하고,
    제1 및 제2 보조 전극층은, 각각 금속 재질로 형성된 전극부와 전극부를 절연시키기 위한 절연부를 포함하고,
    제1 보조 전극층과 제2 보조 전극층은 각각 메탈 메쉬(metal mesh) 패턴을 가지며,
    메탈 메쉬 패턴은 제1 방향으로 연장된 제1 성분과, 제1 성분과 교차하도록 제2 방향으로 연장된 제2 성분을 포함하고, 제1 성분과 제2 성분의 교차 구조에 의하여 복수 개의 개구부를 가지며,
    제1 및 제2 보조 전극층은 전해질층을 기준으로 비대칭적으로 배열되고,
    제1 보조 전극층과 제2 보조 전극층의 엇갈림 정도에 따라 특정 투과율까지 도달하는데 걸리는 시간이 달라지며,
    절연부의 폭에 대한 전극부의 폭의 비율은 0.9이하이고,
    전극부의 두께는 1mm이하 이고, 절연부의 두께는 2mm이하이며,
    절연부는 아크릴레이트 또는 에폭시 계열 수지를 포함하고,
    절연부는 무기 필러 또는 무기 충전재를 포함하는 전기변색소자.
  2. 제1 전극층; 제1 전극층 상에 마련되는 제1 전기변색층; 제1 전기변색층 상에 마련되는 전해질층; 전해질층 상에 마련되는 제2 전기변색층; 및 제2 전기변색층 상에 마련되는 제2 전극층을 포함하며,
    전해질층을 사이에 두고 서로 마주하는 제1 전극층 및 제2 전극층의 각각의 대향면에 각각 마련된 제1 보조 전극층 및 제2 보조 전극층을 포함하고,
    제1 및 제2 보조 전극층은, 각각 금속 재질로 형성된 전극부와 전극부를 절연시키기 위한 절연부를 포함하며,
    제1 보조 전극층과 제2 보조 전극층은 각각 메탈 메쉬(metal mesh) 패턴을 가지며,
    메탈 메쉬 패턴은 제1 방향으로 연장된 제1 성분과, 제1 성분과 교차하도록 제2 방향으로 연장된 제2 성분을 포함하고, 제1 성분과 제2 성분의 교차 구조에 의하여 복수 개의 개구부를 가지며,
    제1 및 제2 보조 전극층은 전해질층을 기준으로 비대칭적으로 배열되고,
    제1 보조 전극층과 제2 보조 전극층의 엇갈림 정도에 따라 특정 투과율까지 도달하는데 걸리는 시간이 달라지며,
    절연부의 폭에 대한 전극부의 폭의 비율은 0.9이하이고,
    전극부의 두께는 1mm이하 이고, 절연부의 두께는 2mm이하이며,
    절연부는 아크릴레이트 또는 에폭시 계열 수지를 포함하고,
    절연부는 무기 필러 또는 무기 충전재를 포함하는 전기변색소자.
  3. 삭제
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