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KR102475733B1 - 전기변색소자 - Google Patents

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KR102475733B1
KR102475733B1 KR1020200111233A KR20200111233A KR102475733B1 KR 102475733 B1 KR102475733 B1 KR 102475733B1 KR 1020200111233 A KR1020200111233 A KR 1020200111233A KR 20200111233 A KR20200111233 A KR 20200111233A KR 102475733 B1 KR102475733 B1 KR 102475733B1
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South Korea
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layer
color
barrier layer
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electrochromic device
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안병욱
이성환
나용상
유일환
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에스케이씨 주식회사
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Abstract

구현예는 전기변색원리를 바탕으로 우수한 광투과 가변 기능을 구현함과 동시에 우수한 신도 및 인장강도를 갖는 전기변색소자에 관한 것으로서, 상기 전기변색소자는 제1 기재층 및 제2 기재층 사이에 광투과가변 구조체가 개재되고, 상기 광투과가변 구조체가 제1 변색층 및 제2 변색층을 포함하고, 상기 제1 변색층 및 상기 제2 변색층 사이에 전해질층이 개재되고, 신율이 60% 내지 170%이다.

Description

전기변색소자{ELECTROCHROMIC DEVICE}
전기변색원리를 바탕으로 우수한 광투과 가변 기능을 구현함과 동시에 우수한 신율 및 인장강도를 갖는 전기변색소자에 관한 것이다.
최근 환경 보호에 대한 관심이 높아지면서 에너지 효율을 향상시키는 기술에 대한 관심도 함께 높아지고 있다. 일례로, 스마트 윈도우(Smart Window), 에너지 하베스팅(Energy harvesting)과 같은 기술에 대한 연구 개발이 활발히 이루어지고 있다. 이 중 스마트 윈도우는 외부에서 유입되는 빛의 투과 정도를 조절하여 에너지 효율을 향상시키고, 이용자에게 쾌적한 환경을 제공할 수 있는 능동 제어 기술을 의미하며, 다양한 산업 분야에 공통적으로 적용될 수 있는 기반 기술이다. 이러한 스마트 윈도우는 전기 변색 원리를 기본 원리로 하는데, 전기 변색이란 인가되는 전원에 의하여 전기 화학적 산화 또는 환원 반응이 일어나고, 이에 따라 전기변색 활성 물질의 고유한 색이나 광투과도와 같은 광학적 특성이 변하는 현상이다.
현재는 여러 장의 유리 사이에 전기 변색 기술을 적용한 유리형 스마트 윈도우가 일반적으로 사용되고 있으나, 이는 제조 공정이 복잡하고, 시공할 창의 크기에 따라 사이즈를 맞춰 제작해야 하기 때문에 제품 가격이 매우 고가이어서 상용화 하기에는 어려움이 있다. 뿐만 아니라, 실리콘 마감 등을 하는 경우 수분이 침투될 수 있어 누전의 위험이 있고, 물류 이동시에 적재공간을 많이 차지하고 동시에 유리라는 소재 특성상 외부의 충격에 깨지기 쉬워 위험하다는 문제도 있다.
따라서, 상기 문제를 해결함과 동시에 우수한 광투과 가변 기능을 구현할 수 있는 스마트 윈도우에 관한 연구가 계속적으로 요구되고 있다.
전기변색원리를 바탕으로 우수한 광투과 가변 기능을 구현함과 동시에 우수한 신율 및 인장강도를 갖는 전기변색소자를 제공하고자 한다.
일 구현예에 따른 전기변색소자는 제1 기재층 및 제2 기재층 사이에 광투과가변 구조체가 개재되고, 상기 광투과가변 구조체가 제1 변색층 및 제2 변색층을 포함하고, 상기 제1 변색층 및 상기 제2 변색층 사이에 전해질층이 개재되고, 신율이 60% 내지 170%이다.
구현예에 따른 전기변색소자는 전기변색원리를 바탕으로 우수한 광투과 가변 기능을 구현함과 동시에 유연성을 갖는 기계적 물성을 확보함으로써, 종래에 견고한 구조로만 적용해야 했던 한계를 극복하고, 기존의 투명한 윈도우와 같은 구조에 단순히 부착하는 것만으로 목적하는 기술 수단을 확보할 수 있다.
구체적으로, 상기 전기변색소자는 전기를 가했을 때 광투과율이 가역적으로 변화하는 특성을 가짐으로써, 버튼을 누르는 것과 같은 간단한 동작만으로 태양광의 투과율 등을 선택적으로 제어할 수 있어 에너지 효율을 높일 수 있다.
특히, 구현예에 따른 전기변색소자는 유연하면서도 우수한 신율 및 인장강도를 가짐으로써, 소자를 휘거나 굽히는 경우에도 전극층이나 변색층 등에 변형이나 균열이 발생하지 않고, 변색 성능도 영향을 받지 않는다.
이로써, 굴곡이 있는 윈도우에도 성능의 저하 없이 구현예에 따른 전기변색소자를 적용할 수 있고, 다양한 윈도우 사이즈에 맞게 손쉽게 재단하여 부착할 수 있으므로, 시공성이 우수하다.
뿐만 아니라, 상기 전기변색소자는 높은 온도에서도 특정 수준 이상의 광투과 가변 성능을 구현할 수 있으므로 매우 높은 태양 에너지를 받는 계절에도 소자의 성능 저하가 없어 윈도우에 적용하기에 용이하다.
나아가, 구현예에 따른 전기변색소자는 우수한 유연성과 높은 기계적 강도를 확보함으로써, 작은 곡률반경을 갖는 롤 형태로 유지할 수 있어 효율적인 적재공간 활용으로 인한 물류 비용이 절감되고, 보관 및 운반에도 매우 편리하다.
도 1은 구현예에 따른 전기변색소자가 적용된 윈도우를 개념적으로 나타낸 사시도이다.
도 2는 도 1에서의 A-A' 선을 따라 절개한 단면도 및 이의 확대도이다.
도 3은 일 구현예에 따른 전기변색소자의 단면을 개략적으로 도시한 것이다.
도 4는 일 구현예에 따른 전기변색소자 및 광투과가변 구조체의 단면을 개략적으로 도시한 것이다.
도 5는 일 구현예에 따른 전기변색소자 및 배리어층의 단면을 개략적으로 도시한 것이다.
도 6은 일 구현예에 따른 전기변색소자의 단면을 개략적으로 도시한 것이다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 구현예에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다. 그러나 구현예는 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 본 명세서에서 설명하는 구현예에 한정되지 않는다.
본 명세서에서 각 필름, 윈도우, 패널, 구조체, 또는 층 등이 각 필름, 윈도우, 패널, 구조체, 또는 층 등의 "상(on)" 또는 "하(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "상(on)"과 "하(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 구성요소를 개재하여(indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다.
또한 각 구성요소의 상/하에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다. 도면에서의 각 구성요소들의 크기는 설명을 위하여 과장될 수 있으며, 실제로 적용되는 크기를 의미하는 것은 아니다. 또한, 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
본 명세서에 있어서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 명세서에서 단수 표현은 특별한 설명이 없으면 문맥상 해석되는 단수 또는 복수를 포함하는 의미로 해석된다.
또한, 본 명세서에 기재된 구성성분의 양, 반응 조건 등을 나타내는 모든 숫자 및 표현은 특별한 기재가 없는 한 모든 경우에 "약"이라는 용어로써 수식되는 것으로 이해하여야 한다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소를 설명하기 위해 사용되는 것이고, 상기 구성 요소들은 상기 용어에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로 구별하는 목적으로 사용된다.
구현예는 전기변색원리를 바탕으로 우수한 광투과 가변 기능을 구현함과 동시에 우수한 신율 및 인장강도를 갖는 전기변색소자를 제공한다.
일 구현예에 따른 전기변색소자(100)는 제1 기재층(110) 및 제2 기재층(150) 사이에 광투과가변 구조체(130)가 개재되고, 상기 광투과가변 구조체(130)가 제1 변색층(133) 및 제2 변색층(137)을 포함하고, 상기 제1 변색층(133) 및 상기 제2 변색층(137) 사이에 전해질층(135)이 개재된다(도 3 및 도 4 참조).
상기 전기변색소자(100)는 신율이 60% 내지 170%이다.
상기 신율은 상기 신율은 재료의 인장 시험시 재료가 파단된 시점을 기준으로 재료가 얼마나 늘어났는지를 비율로 나타낸 것을 의미하고, 샘플의 최초 표점 거리를 L0라 하고, 파단 후의 표점 거리를 L1이라 할 때, [(L1-L0)/L0] X 100 (%) 의 식에 의해 결정되는 값(단위: %)이며, ASTM D 638 규격에 따른다.
구체적으로, 상기 전기변색소자(100)의 신율은 60% 내지 150%, 60% 내지 140%, 70% 내지 150%, 80% 내지 150%, 또는 80% 내지 140%일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 전기변색소자(100)는 인장강도가 120 kgf/mm2 내지 350 kgf/mm2이다.
상기 인장강도는 재료의 인장 시험시 샘플이 파단할 때까지의 최대 인장 하중을 시험 전 샘플의 단면적으로 나눈 값으로 결정되는 값(단위: kgf/mm2)이며, ASTM D 638 규격에 따른다.
구체적으로, 상기 전기변색소자(100)의 인장강도는 120 kgf/mm2 내지 320 kgf/mm2, 150 kgf/mm2 내지 320 kgf/mm2, 180 kgf/mm2 내지 320 kgf/mm2, 200 kgf/mm2 내지 320 kgf/mm2, 또는 210 kgf/mm2 내지 350 kgf/mm2일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 전기변색소자(100)의 신율 및 인장강도가 상기 범위인 경우, 소자를 굽힐시에 전극층이나 변색층에 균열이 생기지 않고, 높은 기계적 강도를 확보함으로써 작은 곡률반경을 갖는 롤 형태로 유지하는 경우에도 성능의 저하가 발생하지 않으며, 플렉서블 전기변색소자로서 적절한 유연성을 확보할 수 있다.
상기 전기변색소자(100)의 신율이 상기 범위 미만이거나 인장강도가 상기 범위를 초과하는 경우, 플렉서블 전기변색소자로서 적용할 때 주요한 특성인 유연성이 현저히 저하되거나 거의 없고, 강제로 굽히는 경우 구부린 경계 부분에 하얀 줄무늬 같은 백화 현상이 발생할 수 있다.
반면, 상기 전기변색소자(100)의 신율이 상기 범위 초과거나 인장강도가 상기 범위 미만인 경우, 너무 유연해서 필름이 쉽게 접혀 전극층이나 변색층에 균열이 생길 수 있고, 조각이 부서져 심한 경우 탈리 현상까지 발생할 수 있다.
기재층
상기 제1 기재층(110) 및 상기 제2 기재층(150)은 투명성과 내구성을 유지하기 위한 층에 해당하며, 고분자 수지를 포함한다.
구체적으로, 상기 제1 기재층 및 상기 제2 기재층은 각각 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌나트탈레이트(PEN), 폴리카보네이트(PC), 폴리이미드(PI), 폴리시크로헥실렌디메틸렌테레프탈레이트(PCT), 폴리에테르술폰(PES), 나일론(nylon), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 및 사이클로올레핀폴리머(COP)로 이루어진 군으로부터 선택된 1 종 이상을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 더욱 구체적으로, 상기 제1 기재층 및 상기 제2 기재층은 각각 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)를 포함할 수 있다.
상기 제1 기재층 및 상기 제2 기재층이 상술한 고분자 수지를 포함함으로써, 내구성과 가요성을 모두 갖는 전기변색소자를 구현할 수 있다.
상기 제1 기재층 및 상기 제2 기재층은 550 nm 파장의 광에 대하여 각각 80% 이상의 광투과도를 가진다. 구체적으로, 상기 제1 기재층 및 상기 제2 기재층은 550 nm 파장의 광에 대하여 각각 85% 이상 또는 90% 이상의 광투과도를 가질 수 있다.
상기 제1 기재층 및 상기 제2 기재층은 각각 2.0% 미만, 1.8% 이하, 또는 1.5% 이하의 헤이즈를 가질 수 있다.
상기 제1 기재층 및 상기 제2 기재층은 각각 80% 이상의 신율을 가진다. 구체적으로, 상기 제1 기재층 및 상기 제2 기재층은 각각 90% 이상, 100% 이상, 또는 120% 이상의 신율을 가질 수 있다.
상기 제1 기재층 및 상기 제2 기재층이 각각 상술한 범위의 광투과도 및 헤이즈를 만족함으로써 투명성을 나타낼 수 있고, 상술한 범위의 신율을 만족함으로써 유연성을 나타낼 수 있다.
상기 제1 기재층의 두께는 50 ㎛ 내지 180 ㎛이다.
구체적으로, 상기 제1 기재층의 두께는 70 ㎛ 내지 180 ㎛, 80 ㎛ 내지 180 ㎛, 100 ㎛ 내지 180 ㎛, 100 ㎛ 내지 170 ㎛, 또는 100 ㎛ 내지 150 ㎛일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제2 기재층의 두께는 50 ㎛ 내지 180 ㎛이다.
구체적으로, 상기 제1 기재층의 두께는 70 ㎛ 내지 180 ㎛, 80 ㎛ 내지 180 ㎛, 100 ㎛ 내지 180 ㎛, 100 ㎛ 내지 170 ㎛, 또는 100 ㎛ 내지 150 ㎛일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제1 기재층 및 상기 제2 기재층의 두께가 상기 범위를 만족함으로써 전기변색소자의 신율 및 인장강도를 특정 수준으로 구현할 수 있다. 뿐만 아니라, 전기변색소자를 굽히는 경우에도 각 층에 크랙이나 균열이 발생하지 않으며, 얇으면서도 가볍고 유연성을 갖는 전기변색소자를 구현할 수 있고, 박막화에도 유리하다.
배리어층
상기 배리어층(제1 배리어층 및 상기 제2 배리어층)은 외부로부터 광투과가변 구조체에 수분이나 기체를 포함한 불순물이 침투하는 것을 방지하는 역할을 한다.
상기 제1 배리어층(120) 및 상기 제2 배리어층(140)은 각각 2 개 이상의 층을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 배리어층(120) 및 상기 제2 배리어층(140)은 각각 2 개의 층을 포함하거나, 3 개의 층을 포함할 수 있다(도 5 참조).
예를 들어, 상기 제1 배리어층(120)이 2 개의 층을 포함하고, 상기 제2 배리어층(140)이 2 개의 층을 포함할 수 있다. 또는, 상기 제1 배리어층(120)이 3 개의 층을 포함하고, 상기 제2 배리어층(140)이 2 개의 층을 포함할 수 있다.
구현예에 있어서, 상기 제1 배리어층(120)이 제1A 배리어층(121) 및 제1B 배리어층(122)을 포함하거나, 상기 제1 배리어층이 제1A 배리어층(121), 제1B 배리어층(122) 및 제1C 배리어층(123)을 포함할 수 있다(도 5 참조).
구체적으로, 상기 제1 배리어층은 제1A 배리어층 및 제1B 배리어층이 순차적으로 적층된 구조; 또는 제1A 배리어층, 제1B 배리어층 및 제1C 배리어층이 순차적으로 적층된 구조일 수 있다.
상기 제1 배리어층은 제1 기재층 상에 적층될 수 있다.
구현예에 있어서, 상기 제2 배리어층(140)이 제2A 배리어층(141) 및 제2B 배리어층(142)을 포함하거나, 상기 제2 배리어층이 제2A 배리어층(141), 제2B 배리어층(142) 및 제2C 배리어층(143)을 포함할 수 있다(도 5 참조).
구체적으로, 상기 제2 배리어층은 제2A 배리어층 및 제2B 배리어층이 순차적으로 적층된 구조; 또는 제2A 배리어층, 제2B 배리어층 및 제2C 배리어층이 순차적으로 적층된 구조일 수 있다.
상기 제2 배리어층은 제2 기재층 하면에 적층될 수 있다.
일 구현예로서, 상기 제1 배리어층(120)이 제1A 배리어층(121) 및 제1B 배리어층(122)을 포함하고, 상기 제2 배리어층(140)이 제2A 배리어층(141) 및 제2B 배리어층(142)을 포함할 수 있다. 또는, 상기 제1 배리어층이 제1A 배리어층(121), 제1B 배리어층(122) 및 제1C 배리어층(123)을 포함하고, 상기 제2 배리어층(140)이 제2A 배리어층(141) 및 제2B 배리어층(142)을 포함할 수 있다.
상기 제1 배리어층(120) 및 상기 제2 배리어층(140)은 각각 금속산화물, 금속질화물, 금속산화질화물, 준금속산화물, 준금속질화물, 준금속산화질화물 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 1 종 이상을 포함한다.
구체적으로, 상기 제1 배리어층(120) 및 상기 제2 배리어층(140)은 각각 금속질화물, 금속산화질화물, 준금속질화물, 준금속산화질화물 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 1 종 이상을 포함한다.
더욱 구체적으로, 상기 제1 배리어층(120) 및 상기 제2 배리어층(140)은 각각 금속질화물 또는 준금속질화물을 포함한다.
구현예에 있어서, 상기 제1 배리어층(120)이 제1A 배리어층(121) 및 제1B 배리어층(122)을 포함하고, 상기 제1A 배리어층 및 상기 제1B 배리어층 중 하나는 금속산화물 또는 준금속산화물을 포함하고, 다른 하나는 금속질화물 또는 준금속질화물을 포함할 수 있다.
상기 제1 배리어층(120)이 제1C 배리어층(123)을 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 제1C 배리어층은 아크릴계 수지, 에폭시계 수지, 실리콘계 수지, 폴리이미드계 수지 또는 폴리우레탄계 수지를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2 배리어층(140)이 제2A 배리어층(141) 및 제2B 배리어층(142)을 포함하고, 상기 제2A 배리어층 및 상기 제2B 배리어층 중 하나는 금속산화물 또는 준금속산화물을 포함하고, 다른 하나는 금속질화물 또는 준금속질화물을 포함할 수 있다.
상기 제2 배리어층(140)이 제2C 배리어층(143)을 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 제2C 배리어층은 아크릴계 수지, 에폭시계 수지, 실리콘계 수지, 폴리이미드계 수지 또는 폴리우레탄계 수지를 포함할 수 있다.
다른 구현예에 있어서, 상기 제1 배리어층이 제1A 배리어층 및 제1B 배리어층을 포함하고, 상기 제1A 배리어층 및 상기 제1B 배리어층의 두께 비는 1:2 내지 1:10이다. 이때, 상기 제1A 배리어층은 금속질화물 또는 준금속질화물을 포함하고, 상기 제1B 배리어층은 금속산화물 또는 준금속산화물을 포함한다.
상기 제1A 배리어층 및 상기 제1B 배리어층의 두께 비는 1:2.5 내지 1:10 또는 1:2.5 내지 1:7.5일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 제2 배리어층이 제2A 배리어층 및 제2B 배리어층을 포함하고, 상기 제2A 배리어층 및 상기 제2B 배리어층의 두께 비는 1:2 내지 1:10이다. 이때, 상기 제2A 배리어층은 금속질화물 또는 준금속질화물을 포함하고, 상기 제2B 배리어층은 금속산화물 또는 준금속산화물을 포함한다.
상기 제2A 배리어층 및 상기 제2B 배리어층의 두께 비는 1:2.5 내지 1:10 또는 1:2.5 내지 1:7.5일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제1A 배리어층 및 상기 제1B 배리어층의 두께 비 및 상기 제2A 배리어층 및 상기 제2B 배리어층의 두께 비가 상기 범위를 만족함으로써, 필름의 광학적 특성, 굴절률 및 내후성과 같은 장기신뢰성이 개선되는 효과가 있다.
반면, 상기 제1A 배리어층 및 상기 제1B 배리어층의 두께 비 또는 상기 제2A 배리어층 및 상기 제2B 배리어층의 두께 비가 상기 범위를 벗어나는 경우, 굴절률이 저하되거나, 불투명해지거나, 광학적 특성 및 내후성과 같은 장기신뢰성이 저하되는 문제점이 발생한다.
일 구현예에 있어서, 상기 제1 배리어층이 제1A 배리어층 및 제1B 배리어층을 포함하고, 제1 기재층, 제1A 배리어층 및 제1B 배리어층이 순차적으로 적층되고, 상기 제1A 배리어층은 금속질화물 또는 준금속질화물을 포함하고, 상기 제1B 배리어층은 금속산화물 또는 준금속산화물을 포함한다.
다른 구현예로서, 상기 제1 배리어층이 제1A 배리어층, 제1B 배리어층 및 제1C 배리어층을 포함하고, 제1 기재층, 제1A 배리어층, 제1B 배리어층 및 제1C 배리어층이 순차적으로 적층되고, 상기 제1A 배리어층은 금속질화물 또는 준금속질화물을 포함하고, 상기 제1B 배리어층은 금속산화물 또는 준금속산화물을 포함하고, 상기 제1C 배리어층은 아크릴계 수지, 에폭시계 수지, 실리콘계 수지, 폴리이미드계 수지 또는 폴리우레탄계 수지를 포함한다.
이때, 상기 제1A 배리어층의 두께는 10 nm 내지 50 nm, 10 nm 내지 40 nm, 또는 10 nm 내지 30 nm일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 제1B 배리어층의 두께는 30 nm 내지 100 nm, 30 nm 내지 80 nm, 30 nm 내지 70 nm, 또는 40 nm 내지 60 nm일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제1A 배리어층 및 상기 제1B 배리어층의 투습도는 각각 0.2 g/day·m2이하, 0.15 g/day·m2이하, 또는 0.1 g/day·m2이하일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제1A 배리어층 상기 제1B 배리어층 두께 범위 및 투습도가 상기 범위를 만족함으로써, 필름의 광학적 특성, 굴절률 및 내후성과 같은 장기신뢰성이 개선되는 효과가 있다.
반면, 상기 범위를 벗어나는 경우, 굴절률이 저하되거나, 불투명해지거나, 광학적 특성 및 내후성과 같은 장기신뢰성이 저하되는 문제점이 있다.
다른 구현예에 있어서, 상기 제2 배리어층이 제2A 배리어층 및 제2B 배리어층을 포함하고, 제2 기재층, 제2A 배리어층 및 제2B 배리어층이 순차적으로 적층되고, 상기 제2A 배리어층은 금속질화물 또는 준금속질화물을 포함하고, 상기 제2B 배리어층은 금속산화물 또는 준금속산화물을 포함한다.
또한, 상기 제2 배리어층이 제2A 배리어층, 제2B 배리어층 및 제2C 배리어층을 포함하고, 제2 기재층, 제2A 배리어층, 제2B 배리어층 및 제2C 배리어층이 순차적으로 적층되고, 상기 제2A 배리어층은 금속질화물 또는 준금속질화물을 포함하고, 상기 제2B 배리어층은 금속산화물 또는 준금속산화물을 포함하고, 상기 제2C 배리어층은 아크릴계 수지, 에폭시계 수지, 실리콘계 수지, 폴리이미드계 수지 또는 폴리우레탄계 수지를 포함한다.
이때, 상기 제2A 배리어층의 두께는 10 nm 내지 50 nm, 10 nm 내지 40 nm, 또는 10 nm 내지 30 nm일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 제2B 배리어층의 두께는 30 nm 내지 100 nm, 30 nm 내지 80 nm, 30 nm 내지 70 nm, 또는 40 nm 내지 60 nm일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제2A 배리어층 및 상기 제2B 배리어층의 투습도는 각각 0.2 g/day·m2이하, 0.15 g/day·m2이하, 또는 0.1 g/day·m2이하일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제1A 배리어층 상기 제1B 배리어층 두께 범위 및 투습도가 상기 범위를 만족함으로써, 필름의 광학적 특성, 굴절률 및 내후성과 같은 장기신뢰성이 개선되는 효과가 있다, 반면, 상기 범위를 벗어나는 경우, 굴절률이 저하되거나, 불투명해지거나, 광학적 특성 및 내후성과 같은 장기신뢰성이 저하되는 문제점이 있다.
상기 제1 배리어층 및 상기 제2 배리어층의 투습도는 동일하거나 상이할 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 배리어층 및 상기 제2 배리어층의 투습도는 상이할 수 있다.
구체적인 일 구현예로서, 상기 제1 배리어층이 제1A 배리어층 및 제1B 배리어층을 포함하고, 제1 기재층, 제1A 배리어층 및 제1B 배리어층이 순차적으로 적층되고, 상기 제1A 배리어층은 실리콘 질화물(SiNx)을 포함하고, 상기 제1B 배리어층은 실리콘 산화물(SiOx)을 포함한다. 또한, 선택적으로 제1 배리어층이 아크릴계 수지를 포함하는 제1C 배리어층을 더 포함할 수 있다.
상기 제1A 배리어층이 실리콘 질화물을 포함하는 경우, Si : N 의 비가 1.0:0.8 내지 1.0:1.2일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 제1B 배리어층이 실리콘 산화물을 포함하는 경우, Si : O 의 비가 1.0:1.7 내지 1.0:2.3일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 제2 배리어층이 제2A 배리어층 및 제2B 배리어층을 포함하고, 제2 기재층, 제2A 배리어층 및 제2B 배리어층이 순차적으로 적층되고, 상기 제2A 배리어층은 실리콘 질화물(SiNx)을 포함하고, 상기 제2B 배리어층은 실리콘 산화물(SiOx)을 포함한다. 또한, 선택적으로 제2 배리어층이 아크릴계 수지, 에폭시계 수지, 실리콘계 수지, 폴리이미드계 수지 또는 폴리우레탄계 수지를 포함하는 제2C 배리어층을 더 포함할 수 있다.
상기 제2A 배리어층이 실리콘 질화물을 포함하는 경우, Si : N 의 비가 1.0:0.8 내지 1.0:1.2일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 제2B 배리어층이 실리콘 산화물을 포함하는 경우, Si : O 의 비가 1.0:1.7 내지 1.0:2.3일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제1 배리어층 및 상기 제2 배리어층이 상술한 조건을 만족함으로써 얇은 두께로도 목적하는 성능을 구현할 수 있고 수분 침투를 최대한 막음으로써 전기변색소자의 내구성 및 장기안정성이 향상될 수 있다.
상기 제1 배리어층 및 상기 제2 배리어층은 상기 제1 기재층 및 상기 제2 기재층 각각에 진공 증착 방법으로 증착될 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 배리어층 및 상기 제2 배리어층은 상기 제1 기재층 및 상기 제2 기재층 각각에 스퍼터링(sputtering) 증착 방법으로 증착될 수 있다.
이때, 상기 증착 원료는 금속 또는 준금속(metalloid) 중 1종 이상일 수 있고, 그 종류가 특별히 제한되지 아니하나, 예를 들어, 마그네슘(Mg), 실리콘(Si), 인듐(In), 티탄(Ti), 비스무트(Bi), 게르마늄(Ge), 알루미늄(Al) 중에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다.
증착 반응 가스는 산소(O2) 가스 또는 질소(N2) 가스를 포함할 수 있다. 반응 가스로서 산소 가스를 이용하는 경우, 금속산화물 또는 준금속산화물을 포함하는 배리어층이 형성되며, 반응 가스로서 질소 가스를 이용하는 경우 금속질화물 또는 준금속질화물을 포함하는 배리어층이 형성될 수 있다. 반응 가스로서 산소 가스 및 질소 가스를 적절히 혼합 사용하는 경우, 금속산화질화물 또는 준금속산화질화물을 포함하는 배리어층이 형성될 수 있다.
진공 증착 방법에는 물리적 진공증착 방법과 화학적 진공증착 방법이 있다. 상기 물리적 진공증착 방법은 열 진공증착, E-beam 진공증착 및 스퍼터링 증착 등이 있다.
상기 스퍼터링(sputtering)은 직류 마그네트론 스퍼터링 또는 교류 마그네트론 스퍼터링일 수 있다.
상기 직류 마그네트론 스퍼터링은 구체적으로, 플라즈마 스퍼터링, 예를 들어, 반응 플라즈마 스퍼터링(reactive plasma sputtering)일 수 있다.
광투과가변 구조체
상기 광투과가변 구조체(130)는 제1 전극층(131); 상기 제1 전극층(131) 상의 제1 변색층(133); 상기 제1 변색층(133) 상의 전해질층(135); 상기 전해질층(135) 상의 제2 변색층(137); 및 상기 제2 변색층(137) 상의 제2 전극층(139)을 포함한다(도 4 참조).
상기 광투과가변 구조체(130)는 제1 전극층(131), 제1 변색층(133), 전해질층(135), 제2 변색층(137), 및 제2 전극층(139)가 순차적으로 적층된 구조체일 수 있다. 구체적으로, 상기 광투과가변 구조체는 소정의 전압을 걸어주는 경우 광투과율이 가역적으로 변화하는 적층 구조체이다.
구체적으로, 상기 제1 전극층(131) 및 상기 제2 전극층(139)에 전압을 걸어주면, 상기 제2 변색층(137)으로부터 상기 전해질층(135)을 거쳐 상기 제1 변색층(133)까지 관통하여 이동하는 특정 이온 또는 전자에 의해 전체적인 광투과율이 높아졌다 낮아지게 된다.
상기 제2 변색층(137)의 광투과율이 낮아지는 경우, 상기 제1 변색층(131)의 광투과율도 낮아지고, 상기 제2 변색층(137)의 광투과율이 높아지는 경우, 상기 제1 변색층(131)의 광투과율도 높아지게 된다.
상기 제1 전극층 및 상기 제2 전극층은 각각 투명 전극 또는 반사 전극을 포함할 수 있다. 일 구현예에서, 상기 제1 전극층 및 상기 제2 전극층 중 하나는 투명 전극이고, 다른 하나는 반사 전극일 수 있다. 다른 구현예에서, 상기 제1 전극층 및 상기 제2 전극층은 모두 투명 전극일 수 있다.
상기 제1 전극층(131)은 상기 제1 배리어층(120) 상에 스퍼터링(sputtering) 방법으로 증착하여 형성할 수 있다. 또한, 상기 제2 전극층(139)은 상기 제2 배리어층(140) 상에 스퍼터링(sputtering) 방법으로 증착하여 형성할 수 있다.
상기 투명 전극은 빛에 대하여 높은 투과율, 낮은 면저항을 갖고, 내침투성을 갖는 재료로 구성될 수 있고, 전극 플레이트 형상으로 구성될 수 있다.
상기 투명 전극은 예를 들어, 인듐-주석 산화물(ITO, Indium-tin oxide), 아연산화물(ZnO, Zinc oxide), 인듐-아연 산화물(IZO, Indium-zinc oxide) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함할 수 있다.
상기 반사 전극은, 예를 들어, 은(Ag), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 몰리브덴(Mo), 금(Au), 텅스텐(W), 크롬(Cr) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나를 포함할 수 있다.
상기 제1 전극층(131) 및 상기 제2 전극층(139) 각각의 두께는 100 nm 내지 500 nm, 100 nm 내지 400 nm, 100 nm 내지 300 nm, 또는 150 nm 내지 250 nm 일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제1 전극층 및 상기 제2 전극층 각각은 투명 전극일 수 있고, 인듐-주석 산화물을 포함할 수 있다.
구체적으로, 제1 전극층 및 상기 제2 전극층 각각은 인듐 산화물 : 주석 주석산화물을 70 : 30 내지 98 : 2 또는 80 : 20 내지 97 : 3의 질량비로 포함할 수 있다.
또한, 제1 전극층 및 상기 제2 전극층 각각의 표면저항은 5 Ω/sq 내지 100 Ω/sq, 5 Ω/sq 내지 80 Ω/sq, 5 Ω/sq 내지 70 Ω/sq, 또는 5 Ω/sq 내지 50 Ω/sq일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제1 변색층(133)은 상기 제1 전극층(131) 및 상기 제2 전극층(139) 사이에 전압을 걸어주었을 때 광투과율이 변화하는 층으로, 전기변색소자에 광투과율 가변성을 부여하는 층이다.
상기 제1 변색층(133)은 상기 제2 변색층(137)에 포함되는 전기 변색 물질과는 상보적인 발색 특성을 갖는 물질을 포함할 수 있다. 상보적인 발색 특성이란 전기 변색 물질이 발색하는 반응의 종류가 서로 상이한 것을 의미하는 것이다.
예를 들어, 상기 제1 변색층에 산화성 변색 물질이 사용되는 경우, 상기 제2 변색층에는 환원성 변색 물질이 사용될 수 있고, 상기 제1 변색층에 환원성 변색 물질이 사용되는 경우, 상기 제2 변색층에는 산화성 변색 물질이 사용될 수 있다.
구체적으로, 상기 제1 변색층(133)은 환원성 변색 물질을 포함하고, 상기 제2 변색층(137)은 산화성 변색 물질을 포함할 수 있다.
상기 산화성 변색 물질은 산화반응이 일어날 때 변색되는 물질을 의미하고, 상기 환원성 변색 물질은 환원반응이 일어날 때 변색되는 물질을 의미한다.
즉, 산화성 변색 물질이 적용된 변색층에서 산화반응이 일어나는 경우 착색 반응이 일어나고, 환원반응이 일어나는 경우 탈색 반응이 일어난다. 환원성 변색 물질이 적용된 변색층에서 환원반응이 일어나는 경우 착색 반응이 일어나고, 산화반응이 일어나는 경우 탈색 반응이 일어난다.
이처럼 상보적인 발색 특성을 갖는 물질이 각 변색층에 포함됨으로써, 착색 또는 발색이 두 층에서 동시에 이루어질 수 있다. 또한, 착색 또는 발색은 전기변색소자에 인가되는 전압의 극성에 따라 교대될 수 있다.
구현예에 있어서, 상기 제1 변색층(133)은 환원성 변색 물질 및 고분자 수지를 포함한다.
상기 환원성 변색 물질은 티타늄 산화물(TiO), 바나듐 산화물(V2O5), 니오븀 오산화물(Nb2O5), 크롬 산화물(Cr2O3), 망간 산화물(MnO2), 철 산화물(FeO2), 코발트 산화물(CoO2), 니켈 산화물(NiO2), 로듐 산화물(RhO2), 탄탈 산화물(Ta2O5), 이리듐 산화물(IrO2), 텅스텐 산화물(WO2, WO3, W2O3, W2O5), 비올로겐(viologen) 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 1 종 이상일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 고분자 수지는 유연성(flexibility)를 갖는 수지일 수 있고, 구체적인 종류에는 제한되지 않는다. 예를 들어, 상기 고분자 수지는 실리콘계 수지, 아크릴계 수지, 페놀계 수지, 폴리우레탄계 수지, 폴리이미드계 수지, 에틸렌초산비닐계 수지 등일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
예를 들어, 상기 제1 변색층(133)은 텅스텐 산화물(WO3) 및 아크릴계 수지를 포함할 수 있다.
상기 제1 변색층(133)이 환원성 변색 물질 및 고분자 수지를 포함하고, 상기 환원성 변색 물질 100 중량부를 기준으로 고분자 수지를 0.1 내지 15 중량부 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 환원성 변색 물질 100 중량부를 기준으로 고분자 수지를 1 내지 15 중량부 또는 2 내지 15 중량부 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제1 변색층이 상기 환원성 변색 물질 100 중량부를 기준으로 고분자 수지를 상술한 범위를 초과하여 포함하는 경우, 메모리 성능이 저하되어 특정 수준의 투과율을 유지할 수 없을 뿐만 아니라, 특정 투과율에 도달하는데 걸리는 변색 시간이 증가하고, 변색 속도가 감소하게 된다.
반면, 상기 제1 변색층이 상기 환원성 변색 물질 100 중량부를 기준으로 고분자 수지를 상술함 범위 미만으로 포함하는 경우, 가요성이 떨어지게 되어 작은 곡률 반경으로 변형하는 경우 균열이 생길 뿐만 아니라 일정 수준의 광투과 가변 기능을 구현할 수 없게 된다.
상기 제1 변색층(133)은 적어도 하나의 층을 포함하는 것으로, 필요에 따라, 서로 상이한 재질의 2 개 이상의 층을 적용할 수도 있다.
상기 제1 변색층(133)의 두께는 100 nm 내지 1,000 nm, 200 nm 내지 1,000 nm, 200 nm 내지 800 nm, 200 nm 내지 700 nm, 300 nm 내지 700 nm, 또는 300 nm 내지 600 nm일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제1 변색층의 두께가 상기 범위를 만족하는 경우, 상기 광투과가변 구조체의 광투과율 변화 정도가 전기변색소자 전체에 유의미한 광투과율 가변성을 부여할 수 있고, 이로써 상기 전기변색소자 전체가 건물 또는 자동차 창문 등에 적용되어 에너지 조절 효과를 구현할 수 있는 광투과 변화 특성을 구현할 수 있다.
상기 제1 전극층(131) 및 제1 변색층(133)의 초기 투과율은 90% 이상이다. 구체적으로, 상기 초기 투과율이 상기 범위를 만족한다는 것은 상술한 각 층들이 각각 매우 균일하게 도포되었음을 의미하고, 매우 투명함을 나타낸다.
상기 제2 변색층(137)은 상기 제1 전극층(131) 및 상기 제2 전극층(139) 사이에 전압을 걸어주었을 때 광투과율이 변화하는 층으로, 전기변색소자에 광투과율 가변성을 부여하는 층이다.
구현예에 있어서, 상기 제2 변색층(137)은 산화성 변색 물질 및 고분자 수지를 포함할 수 있다.
상기 산화성 변색 물질은 니켈 산화물(nickel oxide, 예를 들어, NiO, NiO2), 망간 산화물(manganese oxide, 예를 들어, MnO2), 코발트 산화물(cobalt oxide, 예를 들어, CoO2), 이리듐-마그네슘 산화물(iridium-magnesium oxide), 니켈-마그네슘 산화물(nickel-magnesium oxide), 티탄-바나듐 산화물(titanium-vanadium oxide), 프루시안 블루계 안료 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 1 종 이상일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 프루시안 블루계 안료는 짙은 파란색 계열의 안료로서, Fe4(Fe(CN)6)3 의 화학식을 가지는 화합물이다.
상기 고분자 수지는 유연성(flexibility)를 갖는 수지일 수 있고, 구체적인 종류에는 제한되지 않는다. 예를 들어, 상기 고분자 수지는 우레탄 아크릴계 수지, 실리콘계 수지, 아크릴계 수지, 에스테르계 수지, 에폭시계 수지, 페놀계 수지, 폴리우레탄계 수지, 폴리이미드계 수지, 에틸렌초산비닐계 수지 등일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 고분자 수지의 중량평균분자량은 50 내지 10,000이다. 구체적으로, 상기 고분자 수지의 중량평균분자량은 100 내지 10,000, 200 내지 10,000 또는 500 내지 10,000일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
예를 들어, 상기 제2 변색층(137)은 니켈 산화물(NiO) 및 아크릴계 수지를 포함할 수 있다. 또한, 상기 아크릴계 수지의 중량평균분자량은 50 내지 10,000일 수 있다.
상기 제2 변색층(137)이 산화성 변색 물질 및 고분자 수지를 포함하고, 상기 산화성 변색 물질 100 중량부를 기준으로 고분자 수지를 0.1 내지 5 중량부 포함할 수 있다.
상기 제2 변색층이 상기 산화성 변색 물질 100 중량부를 기준으로 고분자 수지를 상술한 범위만큼 포함하는 경우 산화성 변색 물질이 필름 표면에 안정적으로 부착되게 하여 원활한 광투과 가변 성능을 구현하는데 도움을 준다.
반면, 고분자 수지가 상술한 범위 미만인 경우, 산화성 변색 물질이 필름 표면에 부착이 약하게 되어 약간의 외부 충격에도 탈리 또는 비산되는 문제점이 발생할 수 있고, 유연성 또한 떨어지게 되어 굴곡시 색 균열이 생길 수 있다.
또한, 고분자 수지가 상술한 범위 초과인 경우, 고분자 수지 자체가 가지고 있는 저항으로 인해 이온 전도도를 저해하는 결과를 가져오게 되어 산화성 변색 물질이 가지고 있는 이온 전도도 성능을 현저히 저하시키며, 고온에서의 내구성도 약하기 때문에 신뢰성 또한 떨어지게 된다.
상기 제2 변색층(137)은 적어도 하나의 층을 포함하는 것으로, 필요에 따라, 서로 상이한 재질의 2 개 이상의 층을 적용할 수도 있다.
상기 제2 변색층(137)의 두께는 100 nm 내지 1,000 nm, 100 nm 내지 800 nm, 100 nm 내지 600 nm, 100 nm 내지 500 nm, 100 nm 내지 400 nm, 200 nm 내지 800 nm, 또는 300 nm 내지 800 nm일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제2 변색층(137)의 두께가 상기 범위를 만족하는 경우, 외부의 충격에도 잘 견디고, 적절한 함량의 이온을 보유할 수 있으며, 이와 동시에, 전기변색소자의 박막화, 가요성 확보, 우수한 광투과 변화 특성을 구현하기에 유리하다.
반면, 상기 제2 변색층의 두께가 상기 범위 미만인 경우, 변색층이 너무 얇아서 이온 전도도의 성능이 떨어져 변색 성능을 적절하게 구현하기 어렵고, 상기 범위 초과인 경우, 변색층이 너무 두꺼워 약간의 외부 충격에도 균열(crack)이 발생할 수 있고, 특히 플렉서블 전기변색소자를 구현함에 있어 굽힘 시에 이러한 불량 현상이 더욱 두드러질 수 있을 뿐만 아니라, 제조 비용이 높아져 비경제적이다.
상기 제2 변색층(137)의 초기 투과율은 50% 이하이다. 구체적으로, 상기 초기 투과율이 상기 범위를 만족한다는 것은 육안으로 보았을 때 어둡고 짙은 파란색 또는 옅은 남색을 띄는 것을 의미한다.
구현예에 있어서, 상기 제1 변색층(133)이 환원성 변색 물질을 포함하고, 상기 제2 변색층(137)이 산화성 변색 물질을 포함하며, 상기 제1 변색층 및 상기 제2 변색층이 각각 습식 코팅(Wet coating) 방식으로 형성될 수 있다.
구체적으로, 상기 제1 변색층(133)은 상기 제1 전극층(131)의 일면에 습식 코팅 방법으로 원료를 도포한 후 건조하여 형성할 수 있다. 또한, 상기 제2 변색층(137)은 상기 제2 전극층(139)의 일면에 습식 코팅 방법으로 원료를 도포한 후 건조하여 형성할 수 있다.
상기 습식 코팅시 사용되는 용매는 비방향족 용매 또는 방향족 용매일 수 있고, 구체적으로, 에탄올, 아세톤, 톨루엔 등일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제1 변색층 및 상기 제2 변색층이 스퍼터링 코팅 방식으로 형성되는 경우, 코팅 방식의 특성상 100 nm 이하의 아주 얇은 도막의 형성만 가능하기 때문에 우수한 광투과 가변 성능 및 유연성을 모두 갖는 전기변색소자에 적용하기에는 한계가 있다.
상기 제1 변색층과 상기 제2 변색층의 두께비는 50:50 내지 80:20, 55:45 내지 75:25, 또는 60:40 내지 70:30일 수 있다.
상기 제1 변색층과 상기 제2 변색층의 두께비가 상기 범위를 만족하는 경우, 투명해지고 어두워지는 색상 변화 구간이 폭넓어지고, 색상 변화 시간이 단축되는 효과가 있다. 반면, 상기 범위를 만족하지 않는 경우, 투명해지고 어두워지는 색상 변화 구간이 매우 좁아지고, 색상 변화 시간이 증가하여 매우 느리게 변화하거나 전기변색소자에 전기를 인가해도 아예 작동하지 않을 수 있다는 문제가 있다.
상기 전해질층(135)은 상기 제1 변색층과 상기 제2 변색층 사이의 이온 이동 경로 역할을 하는 층으로서, 전해질층에 사용되는 전해질의 종류는 특별히 제한되지 않는다.
예를 들어, 상기 전해질층은 수소 이온 또는 1족 원소 이온을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 전해질층은 리튬염 화합물을 포함할 수 있다. 상기 리튬염 화합물은 LiClO4, LiBF4, LiAsF6, LiPF6, LiTFSi, LiFSi 등일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 전해질층은 고분자 수지를 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 전해질층은 아크릴계 수지, 에폭시계 수지, 실리콘계 수지, 폴리이미드계 수지 또는 폴리우레탄계 수지를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
구체적으로, 상기 아크릴계 수지는 열경화성 아크릴계 수지 또는 광경화성 아크릴계 수지 등일 수 있고, 상기 폴리우레탄계 수지는 열경화성 폴리우레탄계 수지, 광경화성 폴리우레탄계 수지 또는 수성 폴리우레탄계 수지 등일 수 있다.
상기 전해질층은 고분자 수지와 리튬염을 95:5 내지 80:20, 95:5 내지 85:15, 또는 93:7 내지 87:3의 중량비로 포함할 수 있다.
상기 전해질층의 이온 전도도는 10-3 mS/cm 이상이다. 구체적으로, 상기 전해질층의 이온 전도도는 10-3 mS/cm 내지 103 mS/cm, 또는 10-3 mS/cm 내지 102 mS/cm 일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 전해질층의 이온 전도도가 상기 범위인 경우 목적하는 광투과 가변 성능이 구현될 수 있고, 유연성과 고온에서의 신뢰성 면에서도 유리하다. 반면, 상기 전해질층의 이온 전도도가 상기 범위를 벗어나는 경우 색상 변화 속도가 매우 느리므로 전기변색소자의 성능이 저하된다.
상기 전해질층의 점착력은 200 g/inch 이상이다. 구체적으로, 상기 전해질층의 점착력은 200 g/inch 내지 900 g/inch 또는 200 g/inch 내지 700 g/inch 일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 전해질층의 점착력이 상기 범위인 경우 양쪽의 기재에 잘 부착되어 전기변색소자의 성능이 원활하게 발현되게 한다. 반면, 상기 전해질층의 점착력이 상기 범위를 벗어나는 경우 양쪽 기재와의 부착에 문제가 생겨 외부의 작은 충격이나 자극에도 쉽게 박리되거나 빈 공간 및 일부 층 표면에서 들뜸과 같은 불연속면이 생기게 되고 이온 전도도가 저하되고 전기변색소자의 특정 수준까지의 성능 구현이 어렵게 된다.
상기 전해질층(135)은 상기 제1 변색층(133) 또는 상기 제2 변색층(135) 중 어느 하나의 층의 일면에 원료를 습식(wet) 코팅 방법으로 도포한 후 건조하여 형성할 수 있다.
상기 전해질층을 습식 코팅 방법으로 도포하는 경우 도막의 두께를 두껍게 하거나 도막의 두께 제어를 손쉽게 할 수 있어서 이온 전도도의 향상 또는 변색속도의 향상 측면에서 유리하다. 반면, 상기 전해질층을 습식 코팅 방법이 아닌 스퍼터링 코팅 방법 등을 이용하는 경우, 도막의 박막 형성으로 인해 도막이 쉽게 깨지거나, 설령 손상이 없더라도 이온 전도도가 저하되는 문제가 있다.
상기 전해질층(135)의 두께는 30 ㎛ 내지 200 ㎛, 50 ㎛ 내지 200 ㎛, 50 ㎛ 내지 150 ㎛, 70 ㎛ 내지 130 ㎛, 또는 80 ㎛ 내지 120 ㎛일 수 있다. 상기 전해질층(135)의 두께가 상기 범위를 만족하는 경우, 전기변색소자에 내구성을 부여함과 동시에 제1 변색층 및 제2 변색층 사이의 이온의 이동 경로를 적절한 길이로 확보하여 적절한 속도의 광투과 변화 성능을 구현할 수 있다.
이형필름층
일 구현예에 따른 전기변색소자(100)는 상기 제1 기재층(110)의 상기 제1 배리어층(120)이 적층된 면의 반대측 면 상에 이형필름층(160)을 더 포함할 수 있다(도 6 참조).
상기 이형필름층(160)은 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌나프탈레이트(PEN), 또는 폴리카보네이트(PC)을 포함하는 폴리에스테르계 수지를 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 이형필름층의 두께는 10 ㎛ 내지 100 ㎛, 10 ㎛ 내지 80 ㎛, 10 ㎛ 내지 50 ㎛, 또는 12 ㎛ 내지 50 ㎛일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 이형필름층의 박리력은 50 gf/inch 이하이다. 구체적으로, 상기 이형필름층의 박리력은 3 gf/inch 내지 50 gf/inch, 또는 10 gf/inch 내지 50 gf/inch 일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 이형필름층은 전기변색소자의 보관 및 이동시 전기변색소자를 외부의 수분이나 불순물들로부터 보호하는 역할을 하며, 추후 상기 전기변색소자를 투명한 윈도우 등에 적용할 때는 필요시 이형필름층 부분을 떼어낸 후 사용할 수도 있다. 상기 이형필름층은 특시 점착제층의 부착력 저하를 막을 수 있다.
상기 이형필름층의 일면에는 점착제층(161)이 형성될 수 있다.
상기 점착제층(161)은 아크릴계 수지, 실리콘계 수지, 폴리우레탄계 수지, 에폭시계 수지, 또는 폴리이미드계 수지를 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 점착제층은 아크릴계 수지를 포함할 수 있고, 이 경우 광학특성 및 내구성 향상에 유리하다.
상기 점착제층의 UV 차단율(400 nm 기준)은 95% 이상, 97% 이상, 98% 이상, 또는 99% 이상일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 점착제층의 초기 점착력은 0.5 N/inch 내지 8.0 N/inch, 1.0 N/inch 내지 7.0 N/inch, 또는 2.0 N/inch 내지 6.0 N/inch 일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
프라이머층
상기 제1 기재층(110)의 일면 또는 양면에 프라이머층이 적층될 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 기재층(110)의 일면에 제1A 프라이머층(111)이 적층될 수 있고, 타면에 제1B 프라이머층(112)이 적층될 수 있다(도 6 참조).
또한, 상기 제2 기재층(150)의 일면 또는 양면에 프라이머층이 적층될 수 있다. 구체적으로, 상기 제2 기재층(150)의 일면에 제2A 프라이머층(151)이 적층될 수 있고, 타면에 제2B 프라이머층(152)이 적층될 수 있다(도 6 참조).
일 구현예에 있어서, 상기 제1 배리어층(120)과 상기 제1 기재층(110) 사이에 프라이머층이 개재될 수 있다. 또한, 상기 제2 배리어층(140)과 상기 제2 기재층(150) 사이에 프라이머층이 개재될 수 있다(도 6 참조).
상기 프라이머층(제1A 프라이머층, 제1B 프라이머층, 제2A 프라이머층, 제2B 프라이머층)은 각각 아크릴계 수지, 폴리우레탄계 수지, 실리콘계 수지 또는 폴리이미드계 수지를 포함할 수 있다.
상기 프라이머층(제1A 프라이머층, 제1B 프라이머층, 제2A 프라이머층, 제2B 프라이머층)은 각각 35 dyne/cm2 이하의 표면 장력, 또는 30 dyne/cm2 이하의 표면 장력을 가질 수 있다.
상기 프라이머층(제1A 프라이머층, 제1B 프라이머층, 제2A 프라이머층, 제2B 프라이머층)은 3.0 gf/inch 이상의 부착력 또는 3.5 gf/inch 이상의 부착력을 가질 수 있다.
상기 프라이머층은 기재층과 배리어층 사이에 부착력을 부여하거나 굴절률을 개선하는 역할을 한다. 또한, 상기 프라이머층 각각을 형성하는 재료, 표면 장력, 박리력 등은 동일할 수도 있고, 상이할 수도 있다.
하드코팅층
다른 구현예에 따른 전기변색소자(100)는 상기 제2 기재층(150)의 상기 제2 배리어층(140)이 적층된 면의 반대측 면 상에 하드코팅층(170)을 더 포함할 수 있다(도 6 참조).
상기 하드코팅층(170)은 아크릴계 수지, 실리콘계 수지, 폴리우레탄계 수지, 에폭시계 수지, 또는 폴리이미드계 수지를 포함할 수 있다.
상기 하드코팅층의 두께는 1 ㎛ 내지 10 ㎛, 2 ㎛ 내지 8 ㎛, 2 ㎛ 내지 6 ㎛, 또는 2 ㎛ 내지 5 ㎛일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 하드코팅층의 연필경도는 3H 이상, 4H 이상, 또는 5H 이상일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 하드코팅층은 외부의 충격으로부터 전기변색소자를 보호하는 역할을 하며, 스크래치 등에 강하기 때문에 우수한 경도를 부여할 수 있다.
또한, 상기 하드코팅층의 두께가 상기 범위를 만족함으로써 유연성을 갖고 시공성이 우수한 전기변색소자를 구현할 수 있으며, 상기 하드코팅층의 두께가 상기 범위를 초과하는 경우 유연성을 구현하기 어렵고, 상기 범위 미만인 경우 외부의 충격에 취약할 수 있다.
일 구현예에 있어서, 상기 전기변색소자(100)는 이형필름층(160); 이형필름층(160) 상의 점착제층(161); 상기 접착제층(161) 상의 제1B 프라이머층(112); 상기 제1B 프라이머층(112) 상의 제1 기재층(110); 상기 제1 기재층(110) 상의 제1A 프라이머층(111); 상기 제1A 프라이머층(110) 상의 제1 배리어층(120); 상기 제1 배리어층(120) 상의 광투과가변 구조체(130); 상기 광투과가변 구조체(130) 상의 제2 배리어층(140); 상기 제2 배리어층(140) 상의 제2A 프라이머층(151); 상기 제2A 프라이머층(151) 상의 제2 기재층(150); 상기 제2 기재층(150) 상의 제2B 프라이머층(152); 및 상기 제2 프라이머층(152) 상의 하드코팅층(170)을 포함할 수 있다.
상기 전기변색소자(100)는 플렉서블 전기변색소자일 수 있다.
상술한 전기변색소자의 각 층별 구성 성분, 물성 등과 같은 특징들은 서로 조합될 수 있다.
상기 전기변색소자(100)는 기존의 투명한 윈도우와 같은 구조에 단순히 부착하는 방식을 통해 적용이 가능하다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이 윈도우의 일면에 부착할 수 있다. 더욱 구체적으로, 도 1의 A-A' 선을 따라 절개한 단면도 및 전기변색소자를 적용한 부분의 확대도를 도 2에 나타내었다.
구현예에 있어서, 윈도우(10)의 일면에 전기변색소자(100)를 부착할 수 있고, 상기 윈도우(10)는 편평한 면일 수도 있고 곡면일 수도 있다.
또한, 상기 윈도우(10)의 전면에 전기변색소자(100)를 부착할 수도 있고 일부분에만 부착할 수도 있다.
상기 전기변색소자(100)를 윈도우(10) 내부에 삽입할 수도 있다. 구체적으로, 유리기판과 유리기판 사이에 상기 전기변색소자를 개재하는 방식을 통해 적용이 가능하다. 더욱 구체적으로, 윈도우의 접합유리와 접합유리 사이에 2 개의 PVB 필름(Polyvinyl Butyral Film)을 개재하고, 상기 2 개의 PVB 필름 사이에 전기변색소자를 개재함으로써 적용할 수 있고, 열을 통해 압착하여 윈도우 내부에 안정적으로 삽입할 수 있다.
상기 전기변색소자(100)의 두께는 20 ㎛ 내지 1,000 ㎛이다. 구체적으로, 상기 전기변색소자(100)의 두께는 25 ㎛ 내지 900 ㎛, 25 ㎛ 내지 800 ㎛, 25 ㎛ 내지 700 ㎛, 25 ㎛ 내지 600 ㎛, 또는 25 ㎛ 내지 500 ㎛일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 전기변색소자는 최대로 탈색을 구동한 경우, 가시광선 투과율이 10% 내지 40%, 10% 내지 30% 또는 10% 내지 20%일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 전기변색소자는 최대로 착색을 구동한 경우, 가시광선 투과율이 40% 내지 90%, 50% 내지 90%, 또는 60% 내지 80%일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 전기변색소자는 착색 및 탈색시 가시광선뿐만 아니라 적외선(IR 선) 및 자외선(UV 선)의 투과율도 조절할 수 있다.
상기 전기변색소자에 전원 인가시 두 전극 사이에 전기장이 형성되면서 착색 및 탈색을 일으킴으로써 태양광의 파장별로 투과도를 조절할 수 있으므로, 단열기능 및 차양기능을 구현할 수 있어 유용하다.
또한, 상기 전기변색소자는 적은 비용으로도 넓은 면적의 소자를 제조할 수 있고, 소비 전력이 낮기 때문에 스마트 윈도우, 스마트 거울, 그 밖의 차세대 건축 창호 소재로 사용되기에 적합하다.
상기 전기변색소자(100)는 두께가 얇을 뿐만 아니라, 가볍고 유연한 특성을 갖기 때문에 시공성이 우수하고, 파손 위험이 낮으며, 롤 형태로 보관이 가능하며, 운반하기에도 용이하다.
상기 내용을 하기 실시예에 의하여 더욱 상세하게 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 실시예의 범위가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.
<실시예>
실시예 1 - 전기변색소자 제조
표면저항이 50Ω/sq 인 ITO 전극, 배리어층, 프라이머층 및 PET 기재층(두께 100 ㎛)을 적층한 투명전극기재를 최외각 상하층에 배치하였다.
하층 ITO 전극에 텅스텐 산화물(WO3)을 습식 코팅하고 120℃에서 2 분간 건조하여 환원 변색층(두께 400 nm)을 형성하였다.
이후, 상층 ITO 전극에 코팅할 산화 변색층 코팅액은 니켈 산화물(NiO) 페이스트로서 에탄올에 용해된 아크릴계 수지를 혼합하여 제조하였다. 이때, 산화 변색층 코팅액은 니켈 산화물(NiO) 100 중량부를 기준으로 아크릴계 수지가 5 중량부가 되도록 혼합하였다.
이후 상층 ITO 전극에 상기 산화 변색층 코팅액을 습식 코팅하고 120℃에서 2 분간 건조하여 산화 변색층(두께 400 nm)을 형성하였다.
상기 환원 변색층 및 상기 산화 변색층 사이에 겔 전해질을 100 ㎛ 두께로 코팅 후 합지하여 전기변색소자 샘플(10 cm X 10 cm)을 제조하였다. 이어서, 상하층 투명전극기재의 측면에 구리 테이프를 부착하여 전원 연결이 가능한 Bus bar를 형성하였다.
실시예 2 내지 6, 비교예 1 및 2
하기 표 1에 기재된 바와 같이, 기재층 두께, 산화 변색층 코팅방법, 산화 변색층 두께, 산화 변색층 내 아크릴계 수지의 중량 등을 달리한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하게 전기변색소자 샘플을 제조하였다.
<평가예>
상기 실시예 1 내지 6, 비교예 1 및 2에서 제조된 전기변색소자에 대하여 하기와 같은 물성을 측정 및 평가하였고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.
평가예 1: 전해질층 이온 전도도
25℃ 조건에서 AC Impedence analyzer를 사용하여 측정하였다. 구체적으로, 1Hz 내지 100KHz 조건에서 Sweep 하여 벌크 저항을 측정하고 이를 시료의 두께와 함께 환산하여 전해질층의 이온 전도도를 평가하였고, 그 결과를 하기 표 1에 기재하였다.
평가예 2: 전해질층 점착력
제작한 전해질층을 양측 투명전극기재 사이에 1 kg의 롤러를 사용하여 라미네이션을 한 후 20 분 경과 후 90 도 Peel 테스트(ASTM D 1876)를 진행하였다. Peel 테스트는 300 mm/min 속도로 만능재료시험기(instron 34SC-5)를 이용하여 수행하였고, 여기서 90도 각도를 당겨 시편의 파단시 얻어진 전해질층의 점착력 값을 하기 표 1에 기재하였다.
평가예 3: 유연성 평가
제조된 전기변색소자를 곡률반경이 50R이 되도록 감은 다음 24 시간 방치 후 폈을 때 투과율 측정기(모델 WP-4500, 제조사: EDTM,WP-4500)를 이용하여 광투과 가변 성능을 평가 하였다. 광투과 가변 성능은 평가하였다. 그 성능에 있어서, 색 균열이 발생하지 않는 경우 O로 평가하였고, 색 균열이 발생하는 경우 X로 평가하였다.
평가예 4: 신뢰성 평가
제조된 전기변색소자를 100℃의 온도에서 24 시간 방치 후 폈을 때 투과율 측정기(모델 WP-4500)를 이용하여 광투과 가변 성능을 평가 하였다. 광투과 가변 성능과 관련하여, 변색 속도가 초기 대비 80% 초과로 작동하는 경우 O, 50% 내지 80%로 작동하는 경우 △, 50% 미만으로 작동하는 경우 X로 평가하였다.
평가예 5: 신율 및 인장강도 평가
전기변색소자 샘플을 15 mm X 150 mm 크기로 재단한 후에, UTM (INSTRON, 5566A)에 장착한 후, 측정 조건을 속도 200 mm/min, 측정길이 50 mm, 폭 15 mm, 두께 Micrometer로 설정한 후 동일한 조건의 샘플 5개의 신율 및 인장강도를 동일방법으로 측정하여 그 평균 값을 하기 표 1에 기재하였다.
구체적으로, 상기 신율은 상기 신율은 재료의 인장 시험시 재료가 파단된 시점을 기준으로 재료가 얼마나 늘어났는지를 비율로 나타낸 것을 의미하고, 샘플의 최초 표점 거리를 L0라 하고, 파단 후의 표점 거리를 L1이라 할 때, [(L1-L0)/L0] X 100 (%) 의 식에 의해 결정되는 값(단위: %)이며, ASTM D 638 규격에 따른다.
또한, 상기 인장강도는 재료의 인장 시험시 샘플이 파단할 때까지의 최대 인장 하중을 시험 전 샘플의 단면적으로 나눈 값으로 결정되는 값(단위: kgf/mm2)이며, ASTM D 638 규격에 따른다.
Figure 112020092490077-pat00001
*상기 산화 변색층 내 아크릴계 수지의 중량은 니켈 산화물(NiO) 100 중량부를 기준으로, 아크릴계 수지의 중량부를 기재한 것이다.
상기 표 1에서 확인할 수 있는 바와 같이, 실시예 1 내지 6의 전기변색소자는 신율이 60% 내지 170%를 만족하고, 인장강도가 120 kgf/mm2 내지 350 kgf/mm2를 만족함으로써 유연하면서도, 전극층이나 변색층에 변형이나 균열이 생기지 않는다.
또한, 실시예 1 내지 6에 따른 전기변색소자는 높은 온도에서도 특정 수준 이상의 광투과 가변 성능을 구현할 수 있으므로, 뜨거운 태양 에너지를 받는 여름철에도 성능의 저하가 거의 없어 윈도우에 적용하기에 용이하며 고온 하에서도 내구성이 유지됨을 확인하였다.
특히, 실시예 1 내지 3에 따른 전기변색소자의 경우, 신율 및 인장강도가 특정 수준을 만족할 뿐만 아니라, 유연성 평가에서도 우수한 결과를 나타내었으므로, 작은 곡률반경을 갖는 수준까지도 성능의 저하 없이 변형이 가능하고, 작은 곡률반경을 갖는 롤 형태로 유지할 수 있어 물류 비용이 절감되고 보관 및 운반시에도 용이함을 확인하였다.
반면, 비교예 1에 따른 전기변색소자의 경우 170% 초과, 인장강도가 120 kgf/mm2 미만을 나타냄으로써, 너무 유연해서 필름이 쉽게 접혀 전극층이나 변색층에 균열이 생길 수 있고, 조각이 부서져 심한 경우 탈리 현상까지 발생하였다.
또한, 비교예 2에 따른 전기변색소자의 경우 60% 미만, 인장강도가 350 kgf/mm2 초과를 나타냄으로써, 플렉서블 전기변색소자로서 적용할 때 주요한 특성인 유연성이 거의 없고, 강제로 굽히는 경우 구부린 경계 부분에 하얀 줄무늬 같은 백화 현상이 발생하였다.
A-A': 절개선
10: 윈도우
100: 전기변색소자
110: 제1 기재층
111: 제1A 프라이머층
112: 제1B 프라이머층
120: 제1 배리어층
121: 제1A 배리어층
122: 제1B 배리어층
123: 제1C 배리어층
130: 광투과가변구조체
131: 제1 전극층
133: 제1 변색층
135: 전해질층
137: 제2 변색층
139: 제2 전극층
140: 제2 배리어층
141: 제2A 배리어층
142: 제2B 배리어층
143: 제2C 배리어층
150: 제2 기재층
151: 제2A 프라이머층
152: 제2B 프라이머층
160: 이형필름층
161: 점착제층
170: 하드코팅층

Claims (10)

  1. 제1 기재층 및 제2 기재층 사이에 광투과가변 구조체가 개재되고,
    상기 광투과가변 구조체가 제1 변색층 및 제2 변색층을 포함하고,
    상기 제1 변색층 및 상기 제2 변색층 사이에 전해질층이 개재되고,
    상기 제2 변색층이 산화성 변색 물질 및 고분자 수지를 포함하고,
    상기 고분자 수지가 우레탄 아크릴계 수지, 실리콘계 수지, 아크릴계 수지, 에스테르계 수지, 에폭시계 수지, 페놀계 수지, 폴리우레탄계 수지, 폴리이미드계 수지, 및 에틸렌초산비닐계 수지로 이루어진 군으로부터 선택된 1 종 이상이고,
    상기 제2 변색층의 두께가 300 nm 내지 800 nm이고,
    신율이 60% 내지 170%인, 전기변색소자.
  2. 제1항에 있어서,
    인장강도가 120 kgf/mm2 내지 350 kgf/mm2인, 전기변색소자.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2 변색층이 산화성 변색 물질 100 중량부를 기준으로 0.1 내지 5 중량부의 상기 고분자 수지를 포함하는, 전기변색소자.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 변색층이 환원성 변색 물질을 포함하고,
    상기 제1 변색층 및 상기 제2 변색층이 각각 습식 코팅 방식으로 형성된, 전기변색소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전해질층의 이온 전도도가 10-3 mS/cm 이상인, 전기변색소자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 전해질층의 점착력이 200 g/inch 이상인, 전기변색소자.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 기재층 및 상기 제2 기재층이 각각 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌나트탈레이트(PEN), 폴리카보네이트(PC), 폴리이미드(PI), 폴리시크로헥실렌디메틸렌테레프탈레이트(PCT), 폴리에테르술폰(PES), 나일론(nylon), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 및 사이클로올레핀폴리머(COP)로 이루어진 군으로부터 선택된 1 종 이상을 포함하는, 전기변색소자.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 기재층의 두께가 50 ㎛ 내지 180 ㎛이고,
    상기 제2 기재층의 두께가 50 ㎛ 내지 180 ㎛인, 전기변색소자.
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