KR102550961B1

KR102550961B1 - 전기변색층의 제조방법 및 이에 따라 제조된 전기변색층을 포함하는 전기변색소자.

Info

Publication number: KR102550961B1
Application number: KR1020200120064A
Authority: KR
Inventors: 이선영; 손민희; 최다현; 최성준; 송승은; 박세희; 이영준
Original assignee: 한양대학교 에리카산학협력단
Priority date: 2020-01-21
Filing date: 2020-09-17
Publication date: 2023-07-04
Anticipated expiration: 2040-09-17
Also published as: KR20210094449A

Abstract

전기변색층의 제조방법이 제공된다. 상기 전기변색층의 제조방법은, 제1 금속의 화합물 및 제2 금속의 산화물을 포함하는 혼합 분말을 준비하는 단계, 전극을 준비하는 단계, 및 상기 혼합 분말을 상기 전극 상에 제공하여, 상기 제1 금속의 화합물 및 상기 제2 금속의 산화물이 혼합된 전기 변색층을 상기 전극 상에 형성하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

전기변색층의 제조방법 및 이에 따라 제조된 전기변색층을 포함하는 전기변색소자. {Electrochromic device comprising a method for producing an electrochromic layer and the electrochromic layer prepared accordingly}

본 발명은 전기변색층의 제조방법 및 이에 따라 제조된 전기변색층을 포함하는 전기변색소자에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 제1 금속의 화합물 및 제2 금속의 산화물을 포함하는 혼합 분말이 전극 상에 적층되어 형성되는 전기변색층의 제조방법 및 이에 따라 제조된 전기변색층을 포함하는 전기변색소자에 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 룸미러, 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 포함 하는 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.

대한민국 특허 공개 번호 10-2017-0142473

본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 적외선 및 가시광선 파장 대에서 변색 또는 탈색이 용이하게 발생되는 전기변색층의 제조방법 및 이에 따라 제조된 전기변색층을 포함하는 전기변색소자를 제공하는 데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 내부 crack 발생이 현저하게 감소된 전기변색층의 제조방법 및 이에 따라 제조된 전기변색층을 포함하는 전기변색소자를 제공하는 데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 환경오염 문제가 현저하게 감소된 전기변색층의 제조방법 및 이에 따라 제조된 전기변색층을 포함하는 전기변색소자를 제공하는 데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 전기변색 성능이 향상된 전기변색층의 제조방법 및 이에 따라 제조된 전기변색층을 포함하는 전기변색소자를 제공하는 데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술된 것에 제한되지 않는다.

상술된 기술적 과제들을 해결하기 위해 본 발명은 전기변색층의 제조방법을 제공한다.

일 실시 예에 따르면, 상기 전기변색층의 제조방법은, 제1 금속의 화합물 및 제2 금속의 산화물을 포함하는 혼합 분말을 준비하는 단계, 전극을 준비하는 단계, 및 상기 혼합 분말을 상기 전극 상에 제공하여, 상기 제1 금속의 화합물 및 상기 제2 금속의 산화물이 혼합된 전기 변색층을 상기 전극 상에 형성하는 단계를 포함할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 혼합 분말을 준비하는 단계는, 용매에, 상기 제1 금속의 화합물을 포함하는 제1 소스 및 상기 제2 금속의 산화물을 포함하는 제2 소스를 첨가하여 베이스 소스를 제조하는 단계, 및 상기 베이스 소스를 건조하고 필터링하여, 상기 혼합 분말을 제조하는 단계를 포함할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 용매는, 상기 제1 소스 및 상기 제2 소스 중에서 상기 제1 소스를 선택적으로 용해시키되, 상기 제1 소스에 포함된 상기 제1 금속의 화합물을 부분적으로 용해시키는 것을 포함할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 베이스 소스를 준비하는 단계는, 상기 용매에 상기 제1 소스를 용해시켜, 제1 예비 베이스 소스를 제조하는 단계, 및 상기 제1 예비 베이스 소스와 상기 제2 소스를 혼합하여, 제2 예비 베이스 소스를 제조하는 단계를 포함할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 제1 소스에 포함된 상기 제1 금속의 화합물은, 상기 용매에 부분적으로 용해되어, 상기 제1 금속의 화합물의 크기가 감소되는 것을 포함할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 용매는 에탄올(ethanol)을 포함할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 전기변색층은, 건식 적층 방법으로 형성되는 것을 포함할 수 있다.

상술된 기술적 과제들을 해결하기 위해 본 발명은 전기변색소자를 제공한다.

일 실시 예에 따르면, 상기 전기변색소자는 제1 전극, 상기 제1 전극과 대향하는 제2 전극, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배치되는 전해질, 상기 제1 전극과 상기 전해질 사이에 배치되는 이온저장층, 및 상기 제2 전극과 상기 전해질 사이에 배치되고, 프러시안 블루(Prussian blue) 및 텅스텐 산화물을 포함하는 전기변색층을 포함할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 적외선 및 가시광선 파장 대에서, 변색 또는 탈색이 발생되는 것을 포함할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 가시광선 파장 대에서, 전기변색소자의 투과도(transmittance) 변화량이 50% 이상인 것을 포함할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 제1 금속의 화합물 및 상기 제2 금속의 화합물은 입자(particle) 형태를 갖는 것을 포함할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 전기변색층에서, 상기 텅스텐 산화물의 비율이 상기 프러시안 블루의 비율보다 높은 것을 포함할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 전기변색층의 제조방법은, 제1 금속의 화합물(예를 들어, 프러시안 블루) 및 제2 금속의 산화물(예를 들어, 텅스텐 산화물)을 포함하는 혼합 분말을 준비하는 단계, 전극을 준비하는 단계, 및 상기 혼합 분말을 상기 전극 상에 제공하여, 상기 제1 금속의 화합물 및 상기 제2 금속의 산화물이 혼합된 전기 변색층을 상기 전극 상에 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 전기변색층을 포함하는 전기변색소자는, 적외선뿐만 아니라 가시광선 파장 대에서 변색 또는 탈색이 용이하게 발생되고, 전기변색 성능이 향상될 수 있다.

또한, 상기 전기변색층은, 건식 적층 방법으로 형성될 수 있다. 이에 따라, 내부 crack 발생 문제가 현저하게 감소되어, 상기 전기변색층을 포함하는 전기변색소자의 성능이 향상되고, 제조과정에서의 환경오염 문제가 현저히 감소될 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 전기변색층의 제조방법을 설명하는 순서도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 전기변색층의 제조방법 중 혼합 분말 준비단계를 보다 구체적으로 설명하는 순서도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 전기변색소자를 나타내는 도면이다.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 비교 예 1에 따른 혼합 분말을 촬영한 사진이다.
도 7 내지 도 9는 본 발명의 실시 예 1에 따른 혼합 분말을 촬영한 사진이다.
도 10은 프러시안 블루(Prussian Blue)를 촬영한 사진이다.
도 11은 텅스텐 산화물(WO₃)을 촬영한 사진이다.
도 12는 본 발명의 비교 예 1에 따른 전기변색소자의 변색/탈색 특성을 나타내는 사진이다.
도 13은 본 발명의 비교 예 2에 따른 전기변색소자의 변색/탈색 특성을 나타내는 사진이다.
도 14는 본 발명의 실시 예 2에 따른 전기변색소자의 변색/탈색 특성을 나타내는 사진이다.
도 15는 본 발명의 실시 예 3에 따른 전기변색소자의 변색/탈색 특성을 나타내는 사진이다.
도 16은 본 발명의 비교 예 3에 따른 전기변색소자의 투과도 변화량을 나타내는 그래프이다.
도 17은 본 발명의 실시 예 1에 따른 전기변색소자의 투과도 변화량을 나타내는 그래프이다.
도 18은 본 발명의 비교 예 1에 따른 전기변색소자의 투과도 변화량을 나타내는 그래프이다.
도 19는 본 발명의 비교 예 2에 따른 전기변색소자의 투과도 변화량을 나타내는 그래프이다.
도 20은 본 발명의 실시 예 1에 따른 전기변색소자의 투과도 변화량을 나타내는 그래프이다.
도 21은 본 발명의 실시 예 2에 따른 전기변색소자의 투과도 변화량을 나타내는 그래프이다.
도 22는 본 발명의 실시 예 3에 따른 전기변색소자의 투과도 변화량을 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 구체화 될 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 전기변색층의 제조방법을 설명하는 순서도이고, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 전기변색층의 제조방법 중 혼합 분말 준비단계를 보다 구체적으로 설명하는 순서도이고, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 전기변색소자를 나타내는 도면이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 혼합 분말이 준비된다(S100). 일 실시 예에 따르면, 상기 혼합 분말 준비 단계는, 베이스 소스 제조 단계(S110), 및 상기 베이스 소스를 건조하고 필터링하는 단계(S120)를 포함할 수 있다. 이하, 각 단계에 대해 보다 구체적으로 설명된다.

상기 S110 단계에서는, 용매에 제1 소스가 용해되어, 제1 예비 베이스 소스가 제조될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 제1 소스는 제1 금속의 화합물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 금속은 철(Fe)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 금속의 화합물은, 프러시안 블루(Prussian blue, Fe₄[Fe(CN)₆]₃)를 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 용매는 알코올(alcohol)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 용매는 에탄올(ethanol)을 포함할 수 있다.

상기 제1 예비 베이스 소스와 제2 소스가 혼합되어, 상기 제2 예비 베이스 소스가 제조될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 제1 예비 베이스 소스 및 상기 제2 소스는 180 rpm의 속도로 150 min의 시간 동안 혼합될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 제2 소스는 제2 금속의 산화물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 금속은 텅스텐(W)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 금속의 산화물은 텅스텐 산화물(WO₃)을 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 제2 금속의 산화물의 크기는 상기 제1 금속의 화합물의 크기보다 작을 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 용매는 상기 제1 소스 및 상기 제2 소스 중에서 상기 제1 소스를 선택적으로 용해시킬 수 있다. 이에 따라, 상기 제1 소스에 포함된 상기 제1 금속의 화합물을 부분적으로 용해시킬 수 있다. 이로 인해, 상기 제1 소스가 포함하는 상기 제1 금속의 화합물의 크기가 감소될 수 있다. 결과적으로, 후술되는 혼합 분말이 포함하는 상기 제1 금속의 화합물의 크기는 상기 제1 소스가 포함하는 상기 제1 금속의 화합물의 크기보다 작을 수 있다.

상기 S120 단계에서는, 상기 베이스 소스가 건조된 후, 필터링 될 수 있다. 이에 따라, 상기 혼합 분말이 준비될 수 있다. 예를 들어, 상기 베이스 소스는 80℃의 온도에서 건조된 후, 20 μm의 체(sieve)를 통하여 필터링 될 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 혼합 분말은 상기 제1 금속의 화합물(예를 들어, 프러시안 블루) 및 상기 제2 금속의 산화물(예를 들어, WO₃)을 포함하되, 상기 제1 금속의 화합물(예를 들어, 프라시안 블루)의 크기와 상기 제2 금속의 산화물(예를 들어, WO₃)의 크기가 균일(uniform)할 수 있다. 즉, 상기 혼합 분말이 포함하는 상기 제1 금속의 화합물(예를 들어, 프라시안 블루)과 상기 제2 금속의 산화물(예를 들어, WO₃)은 실질적으로 일정한 크기를 가질 수 있다.

보다 구체적으로, 상술된 바와 같이, 상기 제1 소스가 포함하는 상기 제1 금속의 화합물(예를 들어, 프러시안 블루)의 크기는 상기 제2 소스가 포함하는 상기 제2 금속의 산화물(예를 들어, WO₃)의 크기보다 클 수 있다. 하지만, 상기 제1 금속의 화합물은, 상기 용매에 의하여 크기가 감소된 후 상기 제2 금속의 산화물(예를 들어, WO₃)과 함께 체(sieve)를 통해 필터링 됨으로, 상기 제2 금속의 산화물(예를 들어, WO₃)과 균일한 크기를 가질 수 있다. 이 경우, 상기 혼합 분말을 사용하여 제조되는 전기변색층을 포함하는 전기변색소자의 성능이 향상될 수 있다.

이와 달리, 상기 용매의 사용 없이 상기 제1 금속의 화합물과 상기 제2 금속의 산화물을 단순히 혼합하여 상기 혼합 분말을 제조하는 경우, 상기 혼합 분말이 포함하는 상기 제1 금속의 화합물과 상기 제2 금속의 산화물의 크기는 서로 다를 수 있다. 이 경우, 상기 혼합 분말을 사용하여 제조되는 전기변색층을 포함하는 전기변색소자의 성능이 저하되는 문제점이 발생될 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 베이스 소스를 제조하는 단계에서, 상기 제1 소스 및 상기 제2 소스의 혼합 비율이 제어될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 소스 및 상기 제2 소스는 1:1 vol% 초과 1:6 vol% 미만의 비율로 혼합될 수 있다. 이 경우, 후술되는 전기변색소자의 투과도(transmittance) 변화량이 최대값을 가질 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 제1 소스 및 상기 제2 소스가 1:4 vol%의 비율로 혼합되어 상기 베이스 소스가 제조되는 경우, 후술되는 전기변색소자는 650 nm 파장대에서 50% 이상의 투과도 변화량을 가질 수 있다.

전극이 준비된다(S200). 일 실시 예에 따르면, 상기 전극은, FTO(Fluorine doped Tin Oxide)를 포함할 수 있다. 상기 전극 상에 상기 혼합 분말이 제공될 수 있다. 이에 따라, 상기 전극 상에 상기 제1 금속의 화합물(예를 들어, 프러시안 블루) 및 상기 제2 금속의 산화물(WO₃)을 포함하는 전기변색층이 형성될 수 있다(S300). 이 경우, 상기 전기변색층이 포함하는 상기 제1 금속의 화합물(예를 들어, 프러시안 블루) 및 상기 제2 금속의 산화물(예를 들어, WO₃)은 입자(particle) 형태를 갖고, 각각의 입자들의 크기가 균일(uniform)할 수 있다. 또한, 일 실시 예에 따르면, 상기 전기변색층에서, 상기 제2 금속의 산화물(예를 들어, WO₃)의 비율이 상기 제1 금속의 화합물(예를 들어, 프러시안 블루)의 비율보다 높을 수 있다.

상기 혼합 분말을 통해 형성된 상기 전기변색층을 포함하는 전기변색소자는, 적외선뿐만 아니라 가시광선 파장 대에서도 변색 또는 탈색이 발생될 수 있다. WO₃ 전기변색층을 포함하는 종래의 전기변색소자의 경우, 변색 또는 탈색이 용이하게 발생되지만, 800 nm 이상의 적외선 영역에서 변색 또는 탈색이 발생되며, 가시광선 영역의 빛을 효과적으로 차단하지 못하는 단점이 있었다. 하지만, 상술된 바와 같이, 상기 혼합 분말을 통해 형성된 상기 전기변색층의 경우, 제1 금속의 화합물(예를 들어, 프러시안 블루) 및 제2 금속의 산화물(예를 들어, WO₃)을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 제1 금속의 화합물(예를 들어, 프러시안 블루)에 의하여 가시광선 영역의 빛이 효과적으로 차단되므로, 적외선뿐만 아니라 가시광선 파장 대에서도 변색 또는 탈색이 용이하게 발생될 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 전기변색층은 건식 적층 방법으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 전극 상에 상기 혼합 분말이 NPDS(Nanoparticle Deposition System)으로 제공될 수 있다. 이와 달리, 습식 적층 방법으로 상기 전기변색층이 형성되는 경우, 전기변색층 내 용매의 기화로 인하여 내부 crack이 발생되어, 전기변색소자의 성능이 저하되는 문제점이 발생될 수 있다. 또한, 습식 적층 방법의 경우, 환경오염의 문제점이 발생될 수 있다. 하지만, 상술된 바와 같이, 건식 적층 방법으로 상기 전기변색층이 형성되는 경우, 내부 crack 발생 문제 및 환경오염 문제가 현저하게 감소될 수 있다.

예를 들어, 상기 전기변색층을 포함하는 전기변색소자는 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 전극(100), 상기 제1 전극과 대향하는 제2 전극(200), 상기 제1 전극(100)과 상기 제2 전극(200) 사이에 배치되는 전해질(300), 상기 제1 전극(100)과 상기 전해질(300) 사이에 배치되는 이온저장층(110), 및 상기 제2 전극(200)과 상기 전해질 사이에 배치되는 전기변색층(210)을 포함하는 구조를 가질 수 있다. 이와 달리, 다른 예를 들어, 상기 전기변색층은 상기 제1 전극(100) 및 상기 전해질(300) 사이에 배치되고, 상기 이온저장층은 상기 제2 전극(200) 및 상기 전해질(300) 사이에 배치될 수 있다. 상기 전기변색소자의 구조는 제한되지 않는다.

본 발명의 실시 예에 따른 전기변색층의 제조방법은, 상기 제1 금속의 화합물(예를 들어, 프러시안 블루) 및 제2 금속의 산화물(예를 들어, 텅스텐 산화물)을 포함하는 혼합 분말을 준비하는 단계, 상기 전극을 준비하는 단계, 및 상기 혼합 분말을 상기 전극 상에 제공하여, 상기 제1 금속의 화합물 및 상기 제2 금속의 산화물이 혼합된 상기 전기 변색층을 상기 전극 상에 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 이에 따라, 상기 전기변색층을 포함하는 전기변색소자는, 적외선뿐만 아니라 가시광선 파장 대에서 변색 또는 탈색이 용이하게 발생되고, 전기변색 성능이 향상될 수 있다.

이상, 본 발명의 실시 예에 따른 전기변색층의 제조방법 및 이에 따라 제조된 전기변색층을 포함하는 전기변색소자가 설명되었다. 이하, 본 발명의 실시 예에 따른 전기변색층의 제조방법 및 이에 따라 제조된 전기변색층을 포함하는 전기변색소자의 구체적인 실험 예 및 특성 평가 결과가 설명된다.

실시 예 1에 따른 혼합 분말 제조

에탄올(ethanol)에 프러시안 블루(Prussian Blue, PB) 분말을 용해시킨 후, WO₃를 넣고 180 rpm의 속도로 150 min 동안 혼합하였다. 보다 구체적으로, 프러시안 블루(PB)와 WO₃는 1:1 vol%의 비율로 혼합되었다. 이후, 혼합된 용액을 80℃의 온도에서 건조하고, 20 μm의 체(sieving)로 필터링하여, 실시 예 1에 따른 혼합 분말을 제조하였다.

실시 예 2에 따른 혼합 분말 제조

에탄올(ethanol)에 프러시안 블루(Prussian Blue, PB) 분말을 용해시킨 후, WO₃를 넣고 180 rpm의 속도로 150 min 동안 혼합하였다. 보다 구체적으로, 프러시안 블루(PB)와 WO₃는 1:4 vol%의 비율로 혼합되었다. 이후, 혼합된 용액을 80℃의 온도에서 건조하고, 20 μm의 체(sieving)로 필터링하여, 실시 예 2에 따른 혼합 분말을 제조하였다.

실시 예 3에 따른 혼합 분말 제조

에탄올(ethanol)에 프러시안 블루(Prussian Blue, PB) 분말을 용해시킨 후, WO₃를 넣고 180 rpm의 속도로 150 min 동안 혼합하였다. 보다 구체적으로, 프러시안 블루(PB)와 WO₃는 1:6 vol%의 비율로 혼합되었다. 이후, 혼합된 용액을 80℃의 온도에서 건조하고, 20 μm의 체(sieving)로 필터링하여, 실시 예 3에 따른 혼합 분말을 제조하였다.

비교 예에 따른 혼합 분말 제조

프러시안 블루(Prussian Blue, PB) 분말과 WO₃ 분말을 1:1 vol%로 단순 혼합하여, 비교 예에 따른 혼합 분말을 제조하였다.

상술된 실시 예 1 내지 3 및 비교 예에 따른 혼합 분말이 아래의 <표 1>을 통해 정리된다.

구분	구성	PB: WO₃ 비율(vol%)
실시 예 1	PB+WO₃+ethanol	1: 1
실시 예 2	PB+WO₃+ethanol	1: 4
실시 예 3	PB+WO₃+ethanol	1: 6
비교 예 1	PB+WO₃	1: 1

도 4 내지 도 6은 본 발명의 비교 예 1에 따른 혼합 분말을 촬영한 사진이다.

도 4를 참조하면, 상기 비교 예 1에 따른 혼합 분말을 SEM(Scanning Electron Microscopy) 촬영하여 나타내었고, 도 5를 참조하면, 상기 비교 예 1에 따른 혼합 분말이 포함하는 텅스텐(W)을 EDS(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) 분석하여 나타내었고, 도 6을 참조하면, 상기 비교 예 1에 따른 혼합 분말이 포함하는 철(Fe)을 EDS(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) 분석하여 나타내었다.

도 4 내지 도 6에서 확인할 수 있듯이, 에탄올(ethanol) 없이 프러시안 블루(PB)와 텅스텐 산화물(WO₃)을 단순히 혼합한 비교 예 1에 따른 혼합 분말은, 프러시안 블루(PB)와 텅스텐 산화물(WO₃)의 크기가 서로 다른 상태로, 단순히 섞여 있는 것을 확인할 수 있었다.

도 7 내지 도 9는 본 발명의 실시 예 1에 따른 혼합 분말을 촬영한 사진이다.

도 7을 참조하면, 상기 실시 예 1에 따른 혼합 분말을 SEM(Scanning Electron Microscopy) 촬영하여 나타내었고, 도 8을 참조하면, 상기 실시 예 1에 따른 혼합 분말이 포함하는 텅스텐(W)을 EDS(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) 분석하여 나타내었고, 도 9를 참조하면, 상기 실시 예 1에 따른 혼합 분말이 포함하는 철(Fe)을 EDS(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) 분석하여 나타내었다.

도 7 내지 도 9에서 확인할 수 있듯이, 에탄올(ethanol)에 프러시안 블루(PB)가 용해된 후 텅스텐 산화물(WO₃)이 혼합된 실시 예 1에 따른 혼합 분말은, 프러시안 블루(PB)와 텅스텐 산화물(WO₃)은 균일한 크기를 갖고, 고르게 섞여있는 것을 확인할 수 있었다.

도 10은 프러시안 블루(Prussian Blue)를 촬영한 사진이고, 도 11은 텅스텐 산화물(WO₃)을 촬영한 사진이다.

도 10을 참조하면, 프러시안 블루(PB)를 SEM 촬영하여 나타내었고, 도 11을 참조하면, 텅스텐 산화물(WO₃)을 서로 다른 배율에서 SEM 촬영하여 나타내었다. 도 10 및 도 11에서 확인할 수 있듯이, 프러시안 블루(PB)의 크기가 텅스텐 산화물(WO₃)의 크기보다 큰 것을 확인할 수 있었다.

도 4 내지 도 11에서 알 수 있듯이, 에탄올(ethanol)에 프러시안 블루(PB)가 용해된 후 텅스텐 산화물(WO₃)이 혼합되는 방법으로 제조된 혼합 분말의 경우, 에탄올(ethanol)에 의하여 프러시안 블루(PB)의 크기가 감소되지만, 에탄올(ethanol) 없이 프러시안 블루(PB)와 텅스텐 산화물(WO₃)이 단순히 혼합되는 방법으로 제조된 혼합 분말의 경우, 프러시안 블루(PB)의 크기가 유지되는 것을 알 수 있었다.

실시 예 1에 따른 전기변색소자 제조

제1 FTO(Fluorine doped Tin Oxide) 전극 상에 상기 실시 예 1에 따른 혼합 분말을 NPDS(Nanoparticle Deposition system)으로 제공하여 전기변색층을 형성하고, 제2 FTO 전극 상에 ATO(Antimony doped Tin Oxide) 이온저장층을 형성한 후, 전기변색층과 이온저장층 사이에 propylene carbonate(PC)와 ethylene carbonate(EC) 용매에 LiClO4가 1M 용해된 전해질을 배치하여, 실시 예 1에 따른 전기변색소자를 제조하였다.

실시 예 2에 따른 전기변색소자 제조

제1 FTO(Fluorine doped Tin Oxide) 전극 상에 상기 실시 예 2에 따른 혼합 분말을 NPDS(Nanoparticle Deposition system)으로 제공하여 전기변색층을 형성하고, 제2 FTO 전극 상에 ATO(Antimony doped Tin Oxide) 이온저장층을 형성한 후, 전기변색층과 이온저장층 사이에 propylene carbonate(PC)와 ethylene carbonate(EC) 용매에 LiClO4가 1M 용해된 전해질을 배치하여, 실시 예 2에 따른 전기변색소자를 제조하였다.

실시 예 3에 따른 전기변색소자 제조

제1 FTO(Fluorine doped Tin Oxide) 전극 상에 상기 실시 예 3에 따른 혼합 분말을 NPDS(Nanoparticle Deposition system)으로 제공하여 전기변색층을 형성하고, 제2 FTO 전극 상에 ATO(Antimony doped Tin Oxide) 이온저장층을 형성한 후, 전기변색층과 이온저장층 사이에 propylene carbonate(PC)와 ethylene carbonate(EC) 용매에 LiClO4가 1M 용해된 전해질을 배치하여, 실시 예 3에 따른 전기변색소자를 제조하였다.

비교 예 1에 따른 전기변색소자 제조

제1 FTO(Fluorine doped Tin Oxide) 전극 상에 텅스텐 산화물(WO₃) 전기변색층을 형성하고, 제2 FTO 전극 상에 ATO(Antimony doped Tin Oxide) 이온저장층을 형성한 후, 전기변색층과 이온저장층 사이에 propylene carbonate(PC)와 ethylene carbonate(EC) 용매에 LiClO4가 1M 용해된 전해질을 배치하여, 비교 예 1에 따른 전기변색소자를 제조하였다.

비교 예 2에 따른 전기변색소자 제조

제1 FTO(Fluorine doped Tin Oxide) 전극 상에 프러시안 블루(PB) 전기변색층을 형성하고, 제2 FTO 전극 상에 ATO(Antimony doped Tin Oxide) 이온저장층을 형성한 후, 전기변색층과 이온저장층 사이에 propylene carbonate(PC)와 ethylene carbonate(EC) 용매에 LiClO4가 1M 용해된 전해질을 배치하여, 비교 예 2에 따른 전기변색소자를 제조하였다.

비교 예 3에 따른 전기변색소자 제조

제1 FTO(Fluorine doped Tin Oxide) 전극 상에 상기 비교 예에 따른 혼합 분말을 NPDS(Nanoparticle Deposition system)으로 제공하여 전기변색층을 형성하고, 제2 FTO 전극 상에 ATO(Antimony doped Tin Oxide) 이온저장층을 형성한 후, 전기변색층과 이온저장층 사이에 propylene carbonate(PC)와 ethylene carbonate(EC) 용매에 LiClO4가 1M 용해된 전해질을 배치하여, 비교 예 3에 따른 전기변색소자를 제조하였다.

상술된 실시 예 1 내지 실시 예 3 및 비교 예 1 내 비교 예 3에 따른 전기변색소자가 포함하는 전기변색층의 구성이 아래의 <표 2>를 통해 정리된다.

구분	전기변색층 구성	PB: WO₃ 비율(vol%)
실시 예 1	PB+WO₃+ethanol	1: 1
실시 예 2	PB+WO₃+ethanol	1: 4
실시 예 3	PB+WO₃+ethanol	1: 6
비교 예 1	WO₃	-
비교 예 2	PB	-
비교 예 3	PB+WO₃	1: 1

도 12는 본 발명의 비교 예 1에 따른 전기변색소자의 변색/탈색 특성을 나타내는 사진이다.

도 12를 참조하면, 상기 비교 예 1에 따른 전기변색소자에 -3V를 인가하여 변색시키고, +3V를 인가하여 탈색시킨 후, 각각에 대하여 촬영하였다. 구체적으로 도 12의 (a)는 전압이 인가되지 않은 상태를 나타내고, 도 12의 (b)는 -3V가 인가되어 변색된 상태를 나타내고, 도 12의 (c)는 +3V가 인가되어 탈색된 상태를 나타내는 사진이다.

도 12에서 확인할 수 있듯이, 텅스텐 산화물(WO₃) 전기변색층을 포함하는 상기 비교 예 1에 따른 전기변색소자는 변색 및 탈색이 용이하게 발생되는 것을 확인할 수 있었다.

도 13은 본 발명의 비교 예 2에 따른 전기변색소자의 변색/탈색 특성을 나타내는 사진이다.

도 13을 참조하면, 상기 비교 예 2에 따른 전기변색소자에 +3V를 인가하여 변색시키고, -3V를 인가하여 탈색시킨 후, 각각에 대하여 촬영하였다. 구체적으로, 도 13의 (a)는 전압이 인가되지 않은 상태를 나타내고, 도 13의 (b)는 +3V가 인가되어 변색된 상태를 나타내고, 도 13의 (c)는 -3V가 인가되어 탈색된 상태를 나타내는 사진이다.

도 13에서 확인할 수 있듯이, 프러시안 블루(PB) 전기변색층을 포함하는 상기 비교 예 2에 따른 전기변색소자는 변색 및 탈색이 효과적으로 발생되지 않은 것을 확인할 수 있었다.

도 14는 본 발명의 실시 예 2에 따른 전기변색소자의 변색/탈색 특성을 나타내는 사진이다.

도 14를 참조하면, 상기 실시 예 2에 따른 전기변색소자에 +3V를 인가하여 변색시키고, -3V를 인가하여 탈색시킨 후, 각각에 대하여 촬영하였다. 구체적으로, 도 14의 (a)는 전압이 인가되지 않은 상태를 나타내고, 도 14의 (b)는 +3V가 인가되어 변색된 상태를 나타내고, 도 14의 (c)는 -3V가 인가되어 탈색된 상태를 나타내는 사진이다.

도 14에서 확인할 수 있듯이, PB: WO₃ 비율(vol%) 1:4 vol%로 혼합된 혼합 분말을 통하여 제조된 전기변색층을 포함하는 상기 실시 예 2에 따른 전기변색소자는 변색 및 탈색이 용이하게 발생되는 것을 확인할 수 있었다.

도 15는 본 발명의 실시 예 3에 따른 전기변색소자의 변색/탈색 특성을 나타내는 사진이다.

도 15를 참조하면, 상기 실시 예 3에 따른 전기변색소자에 +3V를 인가하여 변색시키고, -3V를 인가하여 탈색시킨 후, 각각에 대하여 촬영하였다. 구체적으로, 도 15의 (a)는 전압이 인가되지 않은 상태를 나타내고, 도 15의 (b)는 +3V가 인가되어 변색된 상태를 나타내고, 도 15의 (c)는 -3V가 인가되어 탈색된 상태를 나타내는 사진이다.

도 15에서 확인할 수 있듯이, PB: WO₃ 비율(vol%) 1:6 vol%로 혼합된 혼합 분말을 통하여 제조된 전기변색층을 포함하는 상기 실시 예 2에 따른 전기변색소자는 변색 및 탈색이 효과적으로 발생되지 않은 것을 확인할 수 있었다.

도 16은 본 발명의 비교 예 3에 따른 전기변색소자의 투과도 변화량을 나타내는 그래프이다.

도 16을 참조하면, 상기 비교 예 3에 따른 전기변색소자에 대해, 파장(wavelength, nm)에 따른 투과도(transmittance, %)를 측정하여 나타내었다. 구체적으로 +3V를 인가하여 변색시키고, -3V를 인가하여 탈색시켰다. 도 16에서 확인할 수 있듯이, 상기 비교 예 3에 따른 전기변색소자는, 650 nm 파장 대에서 36%의 투과도 변화량(△T)을 나타는 것을 확인할 수 있었다.

도 17은 본 발명의 실시 예 1에 따른 전기변색소자의 투과도 변화량을 나타내는 그래프이다.

도 17을 참조하면, 상기 실시 예 1에 따른 전기변색소자에 대해, 파장(wavelength, nm)에 따른 투과도(transmittance, %)를 측정하여 나타내었다. 구체적으로 +3V를 인가하여 변색시키고, -3V를 인가하여 탈색시켰다. 도 17에서 확인할 수 있듯이, 상기 실시 예 1에 따른 전기변색소자는, 650 nm 파장 대에서 45%의 투과도 변화량(△T)을 나타는 것을 확인할 수 있었다.

도 16 및 도 17에서 알 수 있듯이, 프러시안 블루(PB)와 텅스텐 산화물(WO₃)이 단순히 혼합된 혼합 분말을 사용하여 전기변색층을 제조하는 것보다, 에탄올(ethanol)에 프러시안 블루(PB)를 용해시킨 후 텅스텐 산화물(WO₃)이 혼합된 혼합 분말을 사용하여 전기변색층을 제조하는 경우, 전기변색소자의 성능이 효과적으로 향상되는 것을 알 수 있었다.

도 18은 본 발명의 비교 예 1에 따른 전기변색소자의 투과도 변화량을 나타내는 그래프이고, 도 19는 본 발명의 비교 예 2에 따른 전기변색소자의 투과도 변화량을 나타내는 그래프이다.

도 18 및 도 19를 참조하면, 상기 비교 예 1 및 비교 예 2에 따른 전기변색소자에 대해, 파장(wavelength, nm)에 따른 투과도(transmittance, %)를 측정하여 나타내었다. 구체적으로 상기 비교 예 1에 따른 전기변색소자는 -3V를 인가하여 변색시키고, +3V를 인가하여 탈색시켰다. 이와 달리, 상기 비교 예 2에 따른 전기변색소자는 +3V를 인가하여 변색시키고, -3V를 인가하여 탈색시켰다.

도 18 및 도 19에서 확인할 수 있듯이, 텅스텐 산화물(WO₃) 전기변색층을 포함하는 상기 비교 예 1에 따른 전기변색소자는, 프러시안 블루(PB) 전기변색층을 포함하는 상기 비교 예 2에 따른 전기변색소자 보다 투과도 변화량이 크게 나타나는 것을 확인할 수 있었다.

도 20은 본 발명의 실시 예 1에 따른 전기변색소자의 투과도 변화량을 나타내는 그래프이고, 도 21은 본 발명의 실시 예 2에 따른 전기변색소자의 투과도 변화량을 나타내는 그래프이고, 도 22는 본 발명의 실시 예 3에 따른 전기변색소자의 투과도 변화량을 나타내는 그래프이다.

도 20 내지 도 22를 참조하면, 상기 실시 예 1 내지 실시 예 3에 따른 전기변색소자에 대해, 파장(wavelength, nm)에 따른 투과도(transmittance, %)를 측정하여 나타내었다.

구체적으로, 실시 예 1에 따른 전기변색소자는, 40μm/sec의 Scan speed(기판 이동 속도), 2회 적층, 1 mm의 Stand-off Distance(기판과 노즐 사이의 거리), +3V 인가를 통한 변색, 및 -3V 인가를 통한 탈색 조건에서 측정되었다. 이와 달리, 실시 예 2에 따른 전기변색소자는, 95μm/sec의 Scan speed(기판 이동 속도), 1회 적층, 2 mm의 Stand-off Distance(기판과 노즐 사이의 거리), +3V 인가를 통한 변색, 및 -3V 인가를 통한 탈색 조건에서 측정되었다. 이와 달리, 실시 예 3에 따른 전기변색소자는, 70μm/sec의 Scan speed(기판 이동 속도), 1회 적층, 2 mm의 Stand-off Distance(기판과 노즐 사이의 거리), +3V 인가를 통한 변색, 및 -3V 인가를 통한 탈색 조건에서 측정되었다.

도 20 내지 도 22에서 확인할 수 있듯이, 실시 예 1에 따른 전기변색소자는 650nm 파장 대에서 45%의 투과도 변화량(△T)을 나타내고, 실시 예 2에 따른 전기변색소자는 650nm 파장 대에서 50%의 투과도 변화량(△T)을 나타내고, 실시 예 3에 따른 전기변색소자는 650nm 파장 대에서 5%의 투과도 변화량(△T)을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.

즉, 프러시안 블루(PB)와 텅스텐 산화물(WO₃)이 1:4 vol%로 혼합된 혼합 분말을 통해 제조된 전기변색층을 포함하는 전기변색소자는, 프러시안 블루(PB)와 텅스텐 산화물(WO₃)이 1:1 vol% 및 1:6 vol%로 혼합된 혼합 분말을 통해 제조된 전기변색층을 포함하는 전기변색소자 보다 성능이 우수한 것을 알 수 있었다.

결과적으로, 전기변색층의 제조과정에서, 에탄올(ethanol)에 프러시안 블루(PB)를 용해시킨 후 텅스텐 산화물(WO₃)을 혼합하여 혼합 분말을 제조하되, 프러시안 블루(PB)와 텅스텐 산화물(WO₃)의 비율을 1:1 vol% 초과 1:6 vol% 미만으로 제어하는 경우, 전기변색소자의 성능을 효과적으로 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.

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.

100: 제1 전극
110: 이온저장층
200: 제2 전극
210: 전기변색층
300: 전해질

Claims

제1 금속의 화합물 및 제2 금속의 산화물을 포함하는 혼합 분말을 준비하는 단계;
전극을 준비하는 단계; 및
상기 혼합 분말을 상기 전극 상에 제공하여, 상기 제1 금속의 화합물 및 상기 제2 금속의 산화물이 혼합된 전기 변색층을 상기 전극 상에 형성하는 단계를 포함하되,
상기 혼합 분말을 준비하는 단계는,
용매에, 상기 제1 금속의 화합물을 포함하는 제1 소스 및 상기 제2 금속의 산화물을 포함하는 제2 소스를 첨가하여 베이스 소스를 제조하는 단계; 및
상기 베이스 소스를 건조하고 필터링하여, 상기 혼합 분말을 제조하는 단계를 포함하고,
상기 용매는, 상기 제1 소스 및 상기 제2 소스 중에서 상기 제1 소스를 선택적으로 용해시키되, 상기 제1 소스에 포함된 상기 제1 금속의 화합물을 부분적으로 용해시켜 상기 제1 금속의 화합물의 크기를 감소시키는 것을 포함하는 전기변색층의 제조방법.
제1 항에 있어서,
상기 제1 금속의 화합물의 크기는 상기 제2 금속의 산화물보다 크고,
상대적으로 큰 크기의 상기 제1 금속의 화합물이 상기 용매에 부분적으로 용해되고 상기 베이스 소스가 필터링되어, 상기 제1 금속의 화합물과 상기 제2 금속의 산화물의 크기가 동일해지는 것을 포함하는 전기변색층의 제조방법.
제1 항에 있어서,
동일한 상기 전기 변색층 내에, 상기 제1 금속의 화합물 및 상기 제2 금속의 산화물이 제공되는 것을 포함하는 전기변색층의 제조 방법.
제1 항에 있어서,
상기 베이스 소스를 준비하는 단계는,
상기 용매에 상기 제1 소스를 용해시켜, 제1 예비 베이스 소스를 제조하는 단계; 및
상기 제1 예비 베이스 소스와 상기 제2 소스를 혼합하여, 제2 예비 베이스 소스를 제조하는 단계를 포함하는 전기변색층의 제조방법.
제1 항에 있어서,
상기 제1 금속의 화합물은 프러시안 블루를 포함하고,
상기 제2 금속의 산화물은 텅스텐 산화물을 포함하는 전기변색층의 제조 방법.
제1 항에 있어서,
상기 용매는 에탄올(ethanol)을 포함하는 전기변색층의 제조방법.
제1 항에 있어서,
상기 전기변색층은, 건식 적층 방법으로 형성되는 것을 포함하는 전기변색층의 제조방법.
제1 전극;
상기 제1 전극과 대향하는 제2 전극;
상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배치되는 전해질;
상기 제1 전극과 상기 전해질 사이에 배치되는 이온저장층; 및
상기 제2 전극과 상기 전해질 사이에 배치되고, 제1 항에 따른 전기변색층의 제조방법으로 제조된 전기변색층을 포함하되,
동일한 상기 전기변색층 내에 프러시안 블루(Prussian blue) 및 텅스텐 산화물이 동시에 제공되는 것을 포함하고,
상기 프러시안 블루 및 텅스텐 산화물은 모두 입자 형태(particle)를 갖는 것을 포함하는 전기변색층을 포함하는 전기변색소자.
제8 항에 있어서,
적외선 및 가시광선 파장 대에서, 변색 또는 탈색이 발생되는 것을 포함하는 전기변색소자.
제8 항에 있어서,
가시광선 파장 대에서, 전기변색소자의 투과도(transmittance) 변화량이 50% 이상인 것을 포함하는 전기변색소자.
삭제
제8 항에 있어서,
상기 전기변색층에서, 상기 텅스텐 산화물의 비율이 상기 프러시안 블루의 비율보다 높은 것을 포함하는 전기변색소자.