KR20050089380A - 스마트 윈도우 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 스마트 윈도우 장치에 관한 것으로서, 투광이 될 수 있게 형성된 태양전지패널과, 태양전지패널에서 생성된 전력에 의해 구동되며 인가된 전위에 따라 색상이 가변되고, 태양전지패널과 대향되게 결합된 전기변색패널을 구비한다. 이러한 스마트 윈도우 장치에 의하면, 외부 전력공급 없이 자체적으로 변색조정이 될 수 있는 장점을 제공한다.
Description
본 발명은 스마트 윈도우 장치에 관한 것으로서, 상세하게는 태양광에 의해 생선된 전력으로 구동될 수 있게 된 스마트 윈도우 장치에 관한 것이다.
전기변색소자(Electrochromic Device: ECD)는 전장을 인가하여 전류의 흐름에 의해 생상이 변하는 소자를 말한다.
전기변색소자는 창문이나 거울 등에 광의 투과도나 반사도를 조절하는 용도로 사용하고 있다. 이러한 전기변색소자는 전기 화학적 산화/환원 반응에 의하여 물질의 색이 가역적으로 조절될 수 있는 것으로서 산화 또는 환원시 수반되는 전자 이동에 의해 자외선이나 가시광선, 근적외선 영역에서의 에너지 흡수변화에 따라 색상을 가변시키게 된다.
이러한 전기변식소자를 윈도우에 적용할 경우 겨울에는 실내로 최대한 태양광선이 들어올 수 있도록 투명하게 조절하고, 여름에는 태양광선을 차단하도록 하면 실내온도를 조절할 수 있으며 이에 따른 에너지도 절약할 수 있다.
그런데 종래에는 이러한 전기변색소자를 이용한 스마트 윈도우 장치를 외부 전원을 이용하여 구동함으로써 구동회로 및 전력공급 계통구조가 복잡한 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로서, 태양광의 에너지로부터 구동 전원을 생성하고, 생성된 구동전원으로 전기변색소자를 제어할 수 있는 스마트 윈도우 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 태양광의 입사광량에 따라 투광도가 자동으로 조절될 수 있는 스마트 윈도우 장치를 제공하는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 스마트 윈도우 장치는 투광이 될 수 있게 형성된 태양전지패널과; 인가된 구동 전위에 따라 색상이 가변되며 상기 태양전지패널과 대향되게 결합된 전기변색패널;을 구비하고, 상기 태양전지패널에서 생성된 전력에 의해 상기 전기변색패널을 구동할 수 있게 되어 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면 제어대상 실내의 조도를 검출하는 광센서와; 상기 태양전지패널로부터 생성된 전력에 의해 구동되며 상기 광센서의 출력신호에 따라 상기 전기변색소자의 구동을 제어하는 제어부;를 더 구비한다.
본 발며의 또 다른 측면에 따르면 상기 태양전지패널에서 생성된 전력을 상기 전기변색패널의 전극층에 인가할 수 있도록 전기적으로 접속된다.
상기 태양전지패널은 제1기판, 제1전극층, n형 클래드층, 공핍층, p형클래드층이 순차적으로 적층되어 있고, 상기 전기변색패널은 상기 p형클래드층 위에 이온축적층, 이온전도층, 전기변색층 제2전극층 및 제2기판이 순차적으로 형성되어 있고, 상기 제1전극층과 상기 제2전극층은 전기적으로 접속된다.
또 다르게는 상기 태양전지패널은 제1기판, 제1전극층, 반도체 전극층, 전해질층, 대향전극층이 순차적으로 적층되어 있고, 상기 전기변색패널은 상기 대향전극층 위에 이온축적층, 이온전도층, 전기변색층 제2전극층 및 제2기판이 순차적으로 형성되어 있고, 상기 제1전극층과 상기 제2전극층은 전기적으로 접속된다.
또한, 상기 전기변색패널은 상기 이온축적층과 상기 태양전지패널 사이에 전도층이 더 구비될 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 스마트 윈도우 장치를 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 윈도우 장치를 나타내 보인 블록도이다.
도면을 참조하면, 스마트 윈도우 장치(100)는 윈도우(110)와, 축전기(140), 제어부(150) 및 광센서(160)를 구비한다.
윈도우(110)는 태양전지패널(120)과 전기변색패널(130)이 결합되어 있다.
태양전지패널(120)은 입사광을 전기적 에너지로 변환시켜 축전기(140)로 생성된 전력을 공급한다.
태양전지패널(120)은 입사광을 전기적 에너지로 변환시킬 수 있는 공지된 다양한 구조가 적용될 수 있다. 예를 들면 태양전지패널(120)은 p-n형 반도체 접합구조 즉, 투명기판 사이에 n형클래드층, 공핍층 및 p형 클래드층을 갖는 구조가 적용될 수 있다. 여기서 n형 클래드층, 공핍층 및 p형 클래드층 투광성이 좋은 소재 예를 들면 실리콘소재를 주소재로 하여 해당 도펀트가 첨가된 것을 적용하면 된다. 이 경우 입사광 중 일부는 태양전지패널(120)에서 전기적 에너지로 변환되고 일부는 전기변색패널(130)로 투과된다.
또 다르게는 태양전지패널(120)은 염료감응형 구조가 적용될 수 있다. 염료감응형 태양전지패널(130)은 투명기판 사이에 대향전극이 각각 형성되어 있고, 대향전극 사이에 전해질이 충진된 구조로 되어 있고, 각 층 및 전극에 대한 소재는 다양하게 알려져 있어 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
전기변색패널은 구동전위에 따라 색상이 가변되어 투광도를 조절할 수 있도록 되어 있다.
태양전지패널(120)과 전기변색패널(130)은 투광도가 확보될 수 있게 접합되면 되고 그 내부 구조는 제한하지 않는다.
축전기(140)는 태양전지패널(120)로부터 생성된 전력을 축적할 수 있게 된 것으로 2차전지가 적용될 수 있다.
광센서(160)는 조도에 대응되는 전기적 신호를 출력한다.
제어부(150)는 축전지(140)로부터 공급된 전력에 의해 구동되며, 광센서(160)로부터 출력된 신호에 따라 전기변색패널(130)의 구동 전극에 공급하는 전류 또는 전압을 제어하여 투광도를 조절한다.
이러한 스마트 윈도우장치에 의하면 외부전원을 사용하지 않는 장점을 제공한다.
한편, 태양전지패널(120)과 전기변색패널(130)은 동일 크기로 상호 대향되게 결합하여도 되고, 어느 하나의 패널(120)(130)이 상대 패널(130)(120) 보다 작게 결합될 수 있음은 물론이다. 이러한 결합구조의 예로서 도 2에 도시된 바와 같이 태양전지패널(120)의 일부가 노출되게 보다 작은 크기의 전기변색패널(130)이 결합될 수 있고, 배치방식은 설치용도에 맞게 적절하게 결정하면 된다.
한편, 도시된 예와 다르게 태양전지패널(120)에서 생성된 전력으로 직접 전기변색패널(130)을 구동할 수 있게 결합될 수 있음은 물론이고, 이러한 구조의 스마트 윈도우 장치가 도 3 내지 도 6에 도시되어 있다.
먼저, 도 3을 참조하면, 스마트 윈도우 장치(210)는 제1기판(211), 제1전극층(ITO), n형 클래드층(215), 공핍층(217), p형클래드층(219), 이온축적층(221), 이온전도층(223), 전기변색층(225), 제2전극층(227) 및 제2기판(229)이 순차적으로 적층된 구조로 되어 있다. 여기서 제1기판(211)부터 p형 클래드층(219)까지가 태양전지패널에 해당하고, 이온축적층(221)부터 제2기판(229)까지가 전기변색패널에 해당한다.
제1 및 제2기판(211)(229)은 투명소재 바람직하게는 유리소재로 형성된다.
제1 및 제2전극층(213)(227)은 투명 전도성 소재 예를 들면 ITO로 형성된다.
n형 클래드층(215)은 공지된 태양전지용 주소재에 n형 도판트가 첨가되어 형성된다. n형 클래드층(215)의 예로서는 실리콘(Si)에 n형 도판트가 첨가되어 형성된다.
공핍층(217)은 n형 클래드층(215)의 주소재 예를 들면, 실리콘으로 형성된다.
p형 클래드층(219)은 n형 클래드층(215)의 주소재에 p형 도판트가 첨가되어 형성된다.
이온축적층(221)은 이온을 축적하는 층으로서 공지된 이온저장소재 또는 산화/환원 착색소재가 적용될 수 있고 일 예로서 산화티타늄으로 형성될 수 있다.
이온전도층(223)은 통상 양이온 전도성 고체 또는 액체 전해질이 적용된다.
전기변색층(225)은 공지된 다양한 소재 예를 들면, 국내 공개 특허 2003-0067226호에 개시된 무기 전기변색 물질 예를 들면 WO3, NiOxHy, Nb2
O5, TiO2, MoO3 등과, 유기전기변색물질 예를 들면 폴리아닐린(polyaniline) 등 다양하게 알려져 있고 적절한 소재를 적용하면 된다.
제1전극층(211)과 제2전극층(227)은 도선을 통해 전기적으로 접속되어 있어 태양전지패널에서 생성된 전력을 전기변색패널로 인가한다.
p형클래드층(219)과 제2전극층(227)은 저항(R)을 통해 전기적으로 접속되어 있다. 저항(R)은 방전용으로 전기변색패널의 응답속도를 향상시킨다.
이러한 구조의 스마트 윈도우 장치(210)는 입사된 광에 의해 n형클래드층(215)과 p형 클래드층(219) 사이의 공핍층(217)에서 전자-정공 쌍이 발생되고, 발생된 전자-전공이 이동하여 전기적 에너지가 생성된다. 생성된 전기적 에너지는 제1전극층(213)과, 제2전극층(227)에 각각 인가되어 그 사이에 전계가 형성되고, 그에 따라 전기변색패널에 해당하는 이온축적층(221) 내지 전기변색층(225) 사이에서 산화 환원반응이 일어나 전기변색층(225)이 변색된다. 따라서, 광의 입사량이 떨어지면 제1전극층(213)과 제2전극층(227) 사이에 형성되는 전계 또는 구동전류가 낮아져 전기변색층(225)의 광투과도가 높아지고, 광의 입사량이 증가하면 반대로 전기변색패널의 구동전류가 높아져 전기변색층(225)의 광투과도가 떨어진다. 따라서, 광입사도에 역비례하여 광투과도가 결정되기 때문에 여름 및 낮에는 투광량이 줄어들고, 겨울 및 아침에는 투광량이 증가된다.
한편, 도시된 구조와 다르게 응답속도를 더욱 높이기 위해 도 4에 도시된 바와 같이 p형 클래드층(219)과 이온축적층(221) 사이에 전도층(220)이 더 형성된 구조의 스마트 윈도우 장치(230)로 구현될 수 있음은 물론이다.
전도층(220)은 전기변색패널부분에 해당하며 공지된 다양한 전도성 박막으로 형성하면 된다. 또한, 전도층(220)과 제2전극층(227)을 저항(R)을 통해 연결하면 응답속도가 더욱 향상된다.
한편, 염료감응형 태양전지패널을 적용한 경우가 도 5에 도시되어 있다.
도면을 참조하면, 스마트 윈도우 장치(310)는 제1기판(311), 제1전극층(313), 반도체 전극층(315), 전해질층(317), 대향전극층(319), 이온축적층(321), 이온전도층(323), 전기변색층(325), 제2전극층(327) 및 제2기판(329)이 순차적으로 적층된 구조로 되어 있다.
제1기판(311), 제1전극층(313), 이온축적층(321), 이온전도층(323), 전기변색층(325), 제2전극층(327) 및 제2기판(329)에 대해서는 중복 설명을 피하기 위해 앞서 설명된 내용으로 대신하고 상세한 설명은 생략한다.
반도체 전극층(315) 및 전해질층(317)은 염료감응형 태양전지 구조에 대해 공지된 다양한 소재 예를 들면, 국내 공개특허 2003-0073420호에 개시된 소재가 적용될 수 있다.
일 예로서 반도체 전극층(315)은 염료와 TiO2에 의해 형성된 것이 적용될 수 있다.
대향전극층(319)은 백금(Pt)으로 형성될 수 있다.
대향전극층(319)은 제2전극층(327)과 전기적으로 접속되어 있다.
제1전극층(311)과 제2전극층(327)은 전기적으로 접속되어 있어 태양전지패널에서 생성된 전력을 전기변색패널로 인가한다.
대향전극층(319)과 제2전극층(327)은 저항(R)을 통해 전기적으로 접속되어 있다. 저항(R)은 방전용으로 전기변색패널의 응답속도를 향상시킨다.
이러한 구조의 스마트 윈도우 장치(310)는 염료감응형 태양전지패널의 반도체 전극층(315) 내지 대향전극층(319) 사이에서 입사광에 대응되는 전기적 에너지가 생성되고, 생성된 전기적 에너지가 제1전극층(313)과 제2전극층(327) 사이에 인가되어 앞서 설명된 바와 같이, 전기변색패널의 구동된다.
한편, 도 6에 도시된 바와 같이 대향전극층(319)과 이온축적층(221) 사이에 응답속도 향상용 전도층(320)이 더 형성된 구조의 스마트 윈도우 장치(330)로 구현될 수 있음은 물론이다.
전도층(320)은 앞서 설명된 바와 같이 전기변색패널부분에 해당하며 공지된 다양한 전도성 박막으로 형성하면 되고, 전도층(320)과 제2전극층(327)을 저항(R)을 통해 연결하면 응답속도가 더욱 향상된다.
전기변색패널과 태양전지패널의 구조 및 각 층에 적용될 수 있는 소재는 이상에서 예시된 구조 및 소재에 한정되지 않고 공지된 다양한 방법 예를 들면 국내 공개특허 제2003-0073121호, 국내공개특허 제 2003-0072123호, 국내공개특허 제2003-0067226호, 국내공개특허 제2003-0037100호, 국내 공개특허 제2002-0062024호, 국내공개특허 제2002-0030499호 등에 개시된 방법을 적용할 수 있음은 물론이다.
또한 스마트 윈도우 장치는 건축용, 자동차 등 각종 분야에 적용할 수 있다.
지금까지 설명된 바와 같이 본 발명에 따른 스마트 윈도우 장치에 의하면, 외부전력공급없이 자체적으로 변색조정이 될 수 있는 장점을 제공한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 윈도우 장치를 나타내 보인 블록도이고,
도 2는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 태양전지패널과 전기변색패널의 결합방식을 나타내 보인 평면도이고,
도 3은 본 발명의 제3실시예에 따른 스마트 윈도우 장치를 나타내 보인 단면도이고,
도 4는 본 발명의 제4실시예에 따른 스마트 윈도우 장치를 나타내 보인 단면도이고,
도 5는 본 발명의 제5실시예에 따른 스마트 윈도우 장치를 나타내 보인 단면도이고,
도 6은 본 발명의 제6실시예에 따른 스마트 윈도우 장치를 나타내 보인 단면도이다.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
110: 윈도우 120: 태양전지패널
130: 전기변색패널 140: 축전기
150: 제어부 160: 광센서
Claims (6)
- 투광이 될 수 있게 형성된 태양전지패널과;인가된 구동 전위에 따라 색상이 가변되며 상기 태양전지패널과 대향되게 결합된 전기변색패널;을 구비하고,상기 태양전지패널에서 생성된 전력에 의해 상기 전기변색패널을 구동할 수 있게 된 것을 특징으로 하는 스마트 윈도우 장치.
- 제1항에 있어서,제어대상 실내의 조도를 검출하는 광센서와;상기 태양전지패널로부터 생성된 전력에 의해 구동되며 상기 광센서의 출력신호에 따라 상기 전기변색소자의 구동을 제어하는 제어부;를 구비하는 것을 특징으로 하는 스마트 윈도우 장치.
- 제1항에 있어서,상기 태양전지패널에서 생성된 전력을 상기 전기변색패널의 전극층에 인가할 수 있도록 전기적으로 접속된 것을 특징으로 하는 스마트 윈도우 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 태양전지패널은제1기판, 제1전극층, n형 클래드층, 공핍층, p형클래드층이 순차적으로 적층되어 있고,상기 전기변색패널은 상기 p형클래드층 위에 이온축적층, 이온전도층, 전기변색층 제2전극층 및 제2기판이 순차적으로 형성되어 있고,상기 제1전극층과 상기 제2전극층은 전기적으로 접속된 것을 특징으로 하는 스마트 윈도우 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 태양전지패널은제1기판, 제1전극층, 반도체 전극층, 전해질층, 대향전극층이 순차적으로 적층되어 있고,상기 전기변색패널은 상기 대향전극층 위에 이온축적층, 이온전도층, 전기변색층 제2전극층 및 제2기판이 순차적으로 형성되어 있고,상기 제1전극층과 상기 제2전극층은 전기적으로 접속된 것을 특징으로 하는 스마트 윈도우 장치.
- 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 전기변색패널은 상기 이온축적층과 상기 태양전지패널 사이에 전도층이 더 구비된 것을 특징으로 하는 스마트 윈도우 장치.
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