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KR20100050431A - 전기변색 투명판 및 이의 제조방법 - Google Patents

전기변색 투명판 및 이의 제조방법 Download PDF

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KR20100050431A
KR20100050431A KR1020090106201A KR20090106201A KR20100050431A KR 20100050431 A KR20100050431 A KR 20100050431A KR 1020090106201 A KR1020090106201 A KR 1020090106201A KR 20090106201 A KR20090106201 A KR 20090106201A KR 20100050431 A KR20100050431 A KR 20100050431A
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KR
South Korea
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layer
pair
transparent
electrochromic
color
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KR1020090106201A
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English (en)
Inventor
윤영훈
지유강
박선후
Original Assignee
박선후
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Publication date
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Abstract

본 발명은 응답속도를 향상시키기 위한 전기변색 투명판 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 이를 위하여, 본 발명은 소정간격 이격되어 한 쌍으로 이루어지는 투명판, 상기 한 쌍의 투명판 내측에 각각 구비되는 한 쌍의 투명전극, 상기 한 쌍의 투명전극 중 어느 하나에 구비되어 환원 상태에서 색이 발현되도록 징크옥사이드(ZnO)로 이루어지는 환원발색층, 상기 환원발색층과 대면되는 위치에서 상기 한 쌍의 투명전극 중 나머지 하나에 구비되어 산화 상태에서 색이 발현되는 산화발색층 및 상기 환원발색층 및 산화발색층 사이에 구비되어 상기 환원발색층 및 산화발색층과의 전자의 이동을 매개하는 전해질층을 포함하여 구성된다.
전기변색, 투명전극, 전해질, 환원변색, 산화변색

Description

전기변색 투명판 및 이의 제조방법{Electro Chromic Transparent Plate and Method of Manufacturing The Same}
본 발명은 전기변색 투명판 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 응답속도가 향상되는 전기변색 투명판 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
전기변색 소자는 전기화학적 산화환원 반응에 의하여 전기변색물질의 광투과도가 변하는 현상을 이용한 것으로서, 전기변색 소자는 외부에서 전기적 신호가 인가되면 전류의 흐름에 의해 전기변색 물질의 색깔이 변하는 원리를 이용한 것으로, 건축용 창유리나 자동차 룸미러(room mirror)의 광투과도 또는 반사도를 조절하는 용도로 이용되고 있으며, 최근에는 가시광선 영역에서의 색 변화뿐만 아니라 적외선 차단효과까지 있다는 것이 알려지면서 에너지 절약형제품으로의 응용 가능성에 큰 관심을 받고 있다.
전기변색 소자의 구조에 대한 구체적인 예를 도 1에 나타내었다. 도 1에 도시된 바와 같이, 전기변색 소자는 한 쌍의 투명판(1), 상기 한 쌍의 투명판(1) 사이에 구비되는 한 쌍의 투명전극(2), 상기 한 쌍의 투명전극(2) 중 하나에 구비되는 변색층(3) 및 상기 변색층(3)과 상기 투명전극(2) 사이에 구비되는 전해질층(4) 으로 구성된다.
이러한 전기변색 소자에 있어서, 상기 전해질층은 이온전달의 역할을 수행하게 되는데, 막의 물리적 성질에 따라서 액상 전해질과 고상 전해질로 구분되고, 이온전달 물질의 종류에 따라서 프로톤 전해질과 알칼리 이온 전해질로 구분된다.
전기변색소자에 사용될 수 있는 전기변색물질은 무기계와 유기계가 있으며, 무기계의 대표적 물질들은 WO3, NiOx, V2O5, LiNiOx, CeO2, TiO2, Nb2O5 등이 있다.
상기 유기계는 열화에 의한 내구성이 취약하여 자연광에 노출되는 자동차용 및 건축물용 전기변색소자는 무기계를 사용하는 것이 적합하다.
일반적으로 건축물 용도로 요구되는 전기변색 유리창의 경우, 내구연한은 일 5회 작동을 가정할 때 5년 정도로 추정된다. 따라서, 우수한 변색효율을 가지면서도, 변색과정에서의 재료의 열화가 적고 장기간 사용에도 안정한 전기변색 물질을 개발하는 것이 중요하다.
전기변색 소자의 착색 및 소색과정은 전해질 층을 통과하는 이온종의 물질이동을 수반하기 때문에 변색 시 수십 초의 스위칭 시간 (switching time)이 필요하며, 또한 유리 기판 위에 전류집전층 (current collector)으로 사용되는 투명전극인 ITO (Indium Tin Oxide)의 계면저항이 금속에 비해 크기 때문에 면적이 커질수록 전기변색 유리의 변색시간은 증가하게 된다.
또한, 변색 반응 시간이 느린 점, 착색 및 소색 과정에서 광투과도 차가 크지 않아 대면적화 되는 경우에 가장자리와 가운데 부분 간에 변색의 시차가 생겨 불균일하 게 변색이 일어나는 문제가 발생하였다.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 전기변색소자의 내구성 및 응답속도를 향상시키기 위한 전기변색 투명판 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 소정간격 이격되어 한 쌍으로 이루어지는 투명판, 상기 한 쌍의 투명판 내측에 각각 구비되는 한 쌍의 투명전극, 상기 한 쌍의 투명전극 중 어느 하나에 구비되어 환원 상태에서 색이 발현되도록 징크옥사이드(ZnO)로 이루어지는 환원발색층, 상기 환원발색층과 대면되는 위치에서 상기 한 쌍의 투명전극 중 나머지 하나에 구비되어 산화 상태에서 색이 발현되는 산화발색층 및 상기 환원발색층 및 산화발색층 사이에 구비되어 상기 환원발색층 및 산화발색층과의 전자의 이동을 매개하는 전해질층을 포함하여 이루어지는 전기변색 투명판을 제공한다.
여기에서 상기 환원발색층은 갈륨(gallium: Ga)이 도포되어 이루어질 수 있다.
또한, 상기 산화발색층은 오산화바나듐(V2O5), 산화이리듐(IrO2), 산화니켈(NiO), 산화크로뮴(Ⅲ)(Cr2O3) 중 적어도 어느 하나로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서는 한 쌍의 투명판 사이에 한 쌍의 투명전극을 각각 형성하는 단계, 환원 상태에서 색이 발현되는 환원발색층을 상기 한 쌍의 투명전극 중 어느 하나에 징크옥사이드(ZnO)를 스퍼터링 증착하여 형성하는 단계, 산화 상태에서 색이 발현되는 산화발색층을 상기 한 쌍의 투명전극 중 나머지 하나에 형성하는 단계 및 상기 환원발색층 및 산화발색층 사이에 전해질을 충진시키는 단계를 거치는 전기변색 투명판 제조방법이 제공된다.
상기 환원발색층을 형성하는 단계에서는 상기 징크옥사이드(ZnO)에 갈륨(gallium: Ga)을 도포하는 단계를 더 포함하여 이루어 질 수 있다.
상기의 구성을 가지는 본 발명에 따른 전기변색 투명판 및 이의 제조방법은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 전기변색을 담당하는 변색층이 산화발색층 및 환원발색층으로 구비되어 전기변색의 응답속도가 향상되는 효과가 있다.
둘째, 투명전극의 계면저항에 따라 응답속도가 낮아지는 것을 방지하기 위하여 상기 투명전극을 형성하기 이전에 금속박막을 증착함으로써 응답속도가 향상되는 장점이 있다.
셋째, 환원발색층이 갈륨(gallium: Ga)이 도포된 징크옥사이드(ZnO:Ga)가 상기 투명전극(20)에 일정 두께로 코팅되어 이루어짐으로 인하여 투명성과 전기전도성이 향상되는 효과가 있다.
이하 본 발명의 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 본 실시예를 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 생략하기로 한다.
우선, 도 2 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 전기변색 투명판을 설명하면 다음과 같다. 여기에서 도 2는 본 발명에 따른 전기변색 투명판이 사용되는 상태를 나타내는 상태도이고, 도 3은 도 2의 A부분을 확대하여 내부를 구성하는 복수층을 나타내는 확대 단면도이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기변색 투명판을 개략적으로 도시한 단면도이다.
본 실시예에 따른 전기변색 투명판은 소정간격 이격되어 한 쌍으로 이루어지는 투명판(10), 상기 한 쌍의 투명판(10) 내측에 각각 구비되는 한 쌍의 투명전극(20), 상기 한 쌍의 투명전극(20) 중 어느 하나에 구비되어 환원 상태에서 색이 발현되는 환원발색층(40), 상기 환원발색층(40)과 대면되는 위치에서 상기 한 쌍의 투명전극(20) 중 나머지 하나에 구비되어 산화 상태에서 색이 발현되는 산화발색층(30) 및 상기 환원발색층(40) 및 산화발색층(30) 사이에 구비되어 상기 환원발색층(40) 및 산화발색층(30)과의 전자의 이동을 매개하는 전해질층(50)을 포함하여 구성된다.
본 실시예에 따른 전기변색 투명판이 실제 사용되는 일 예를 살펴보면 도 2에 도시된 바와 같이 외부에서 전기적 신호가 인가되면 전류의 흐름에 의해 변색됨으로써, 태양광을 조절하거나 적외선을 차단할 수 있게 된다.
상기 전기변색 투명판의 내부를 살펴보면 도 3에 도시된 바와 같이 소정간격 이격되어 한 쌍으로 이루어지는 투명판(10)이 구비되고, 상기 한 쌍의 투명판(10) 내부에 충진되어 있는 전해질층(50)을 중심으로 하여 우측에는 산화 상태에서 색이 발현되는 산화발색층(30) 및 투명전극(20)이 구비되어 있으며, 좌측에는 환원 상태에서 색이 발현되는 환원발색층(40) 및 투명전극(20)이 구비되어 있다.
상기 전해질층(50)은 상기 산화발색층(30) 및 환원발색층(40)과의 전자의 이동을 매개하는 역할을 담당한다.
본 실시예에서 상기 투명판(10)은 유리, 실리콘, 합성수지, 에어로젤 등과 같이 투명성 재질로 이루어 질 수 있다.
또한, 상기 투명전극(20)은 산화인듐주석(indium tin oxide: ITO)으로 이루어 질 수 있으나 이에 한정되지 않고 투명 전도성 고분자 등으로 이루어 질 수도 있다.
상기 환원발색층(40)은 환원상태에서는 색이 발현되고 산화상태에서 색이 사라지는 환원발색(cathodic coloration)에 의하여 색의 변화를 일으키는 역할을 담당한다.
본 실시예에서 상기 환원발색층(40)은 갈륨(gallium: Ga)이 도포된 징크옥사이드(ZnO:Ga)가 상기 투명전극(20)에 일정 두께로 코팅되어 이루어진다.
본 실시예에 따르면, 상기 환원발색층(40)은 초고순도 산소를 사용하여 상기 투명전극(20) 상에 증착되어 약 1㎛, 2㎛ 두께로 코팅된다.
상기 산화발색층(30)은 상기 환원발색층(40)과는 반대로 환원상태에서 투명 하고 산화상태에서 색이 나타나는 산화발색(anodic coloration)에 의하여 색의 변화를 일으키는 역할을 담당한다.
본 실시예에서 상기 산화발색층(30)은 오산화바나듐(V2O5), 산화이리듐(IrO2), 산화니켈(NiO) 및 산화크로뮴(Ⅲ)(Cr2O3) 등과 같은 재료를 포함하여 이루어진다.
하지만, 이에 한정되지 않고, 바나듐, 알루미늄 등과 같은 금속계통의 산화물로 이루어질 수 있다.
이와 같이, 상기 산화발색층(30) 및 환원발색층(40)이 도 4에 도시된 바와 같이 상기 투명전극(20) 사이에서 상기 전해질층(50)을 중심으로 하여 좌우로 형성되어 있다.
이에 따라, 외부로부터 상기 투명전극(20)으로 전기적인 신호가 인가되면, 상기 환원발색층(40) 및 환원발색층(40)과 상기 전해질층(50)에서 전자가 상호 이동되어 상기 환원발색층(40) 및 환원발색층(40)에서 색의 변화를 일으키게 된다. 이러한 색의 변화에 대한 구체적인 사항은 후술하기로 한다.
본 발명에 따른 다른 실시예를 도 5를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 여기에서 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기변색 투명판을 개략적인 도시한 단면도이다.
본 실시예는 도 5에 도시된 바와 같이, 소정간격 이격되어 한 쌍으로 이루어지는 투명판(10), 상기 한 쌍의 투명판(10) 내측에 각각 구비되는 한 쌍의 투명전 극(20), 상기 한 쌍의 투명전극(20) 중 어느 하나에 구비되어 환원 상태에서 색이 발현되는 환원발색층(40), 상기 환원발색층(40)과 대면되는 위치에서 상기 한 쌍의 투명전극(20) 중 나머지 하나에 구비되어 산화 상태에서 색이 발현되는 산화발색층(30) 및 상기 환원발색층(40) 및 산화발색층(30) 사이에 구비되는 전해질층(50)을 포함하여 구성되는 상기 전기변색 투명판에서 상기 한 쌍의 투명판(10)과 상기 한 쌍의 투명전극(20) 사이에 금속박막(60)을 더 포함하여 이루어진다.
상기 전기변색 투명판의 변색시간을 감소시키기 위하여 상기 한 쌍의 투명판(10)에 산화인듐주석(indium tin oxide: ITO)으로 이루어져 전류집전층(current collector)의 역할을 담당하는 상기 투명전극(20)을 형성시키기 이전에 금속박막(60)을 증착하게 된다.
상술한 실시예들에 따른 상기 전기변색 투명판이 변색되는 과정을 도 6을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
상기 전기변색 투명판이 변색되는 과정은 도 6에 도시된 바와 같이 상기 한 쌍의 투명판 사이에 충진되어 전자 이동의 매개체 역할을 담당하는 상기 전해질층(50)과 상기 전해질층(50) 사이 좌우측에 구비되어 있는 상기 산화발색층(30) 및 환원발색층(40)에서 전자가 이동된다.
즉, 상기 전기변색 투명판을 변색시키기 위하여 외부로부터 상기 투명전극(20)으로 전기적인 신호가 인가되면, 상기 환원발색층(40)의 전자가 상기 전해질층(50)으로 이동되어 상기 환원발색층(40)은 환원상태가 되고 색이 변하게 된다.
또한, 상기 환원발색층(40)과는 다르게 상기 산화발색층(30)은 상기 전자가 상기 전해질층(50)으로부터 이동되어 산화상태가 되어 색이 변하게 된다.
이와는 반대로, 상기 전해질층(50)에 존재하는 양이온들이 상기 환원발색층(40)으로 이동되면 상기 환원발색층(40)은 환원상태가 되어 색이 변하게 되는 것이다.
한편, 상기 전기변색 투명판이 변색된 상태에서 다시 투명한 상태로 돌아오기 위해서는 상기 환원발색층(40)은 산화상태가 되고, 상기 산화발색층(30)은 환원상태가 된다.
다음으로 본 발명에 따른 전기변색 투명판의 제조방법에 대하여 도7을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 여기에서 도 7은 본 발명에 따른 전기변색 투명판의 제조방법에 대한 흐름을 나타내는 순서도이다.
상기 전기변색 투명판의 제조방법은 한 쌍의 투명판 사이에 한 쌍의 투명전극을 각각 형성하는 단계(S20), 환원 상태에서 색이 발현되는 환원발색층을 상기 한 쌍의 투명전극 중 어느 하나에 형성하는 단계(S30), 산화 상태에서 색이 발현되는 산화발색층을 상기 한 쌍의 투명전극 중 나머지 하나에 형성하는 단계(S40) 및 상기 환원발색층 및 산화발색층 사이에 전해질을 충진시키는 단계(S50)로 이루어진다.
상기 한 쌍의 투명판 사이에 한 쌍의 투명전극을 각각 형성하는 단계(S20)는 상기 한 쌍의 투명판(10)이 소정간격 이격된 상태에서 내측으로 상기 한 쌍의 투명전극(20)이 형성된다.
상기 한 쌍의 투명판 사이에 한 쌍의 투명전극을 각각 형성하는 단계(S20)는 상기 투명전극(20)을 형성하기 이전에 상기 한 쌍의 투명판(10) 사이에 금속박막(60)을 증착하는 단계(S10)를 더 포함하여 이루어진다.
상기 한 쌍의 투명판(10) 사이에 한 쌍의 투명전극(20)을 각각 형성하는 단계(S20)에서 상기 투명전극(20)은 졸-겔 공정에 의해 형성된다.
상기 졸-겔 공정은 인듐(In)을 포함하는 유기물과 주석(Sn)을 포함하는 유기물을 혼합하여 스핀코팅을 통해 도포하고 500~600℃ 범위에서 열처리하는 것이다.
상기 환원 상태에서 색이 발현되는 환원발색층을 상기 한 쌍의 투명전극 중 어느 하나에 형성하는 단계(S30)에서 상기 환원발색층(40)은 갈륨(gallium: Ga)이 도포된 징크옥사이드(ZnO:Ga)가 상기 투명전극(20)에 일정 두께로 코팅되어 이루어진다.
상기 환원발색층(40)은 전기전도도가 향상되도록 스퍼터링 장치를 사용하여 상기 투명전극(20) 상에 초고순도 산소를 사용하여 산소분위기 하에서 증착한다. 즉, 상기 환원발색층(40)은 상기 투명전극(20) 상에서 약 1㎛, 2㎛ 두께로 코팅된다.
또한, 상기 산화 상태에서 색이 발현되는 산화발색층을 상기 한 쌍의 투명전극 중 나머지 하나에 형성하는 단계(S40)에서 산화발색층(30)은 오산화바나듐(V2O5), 산화이리듐(IrO2), 산화니켈(NiO) 및 산화크로뮴(Ⅲ)(Cr2O3)등이 포함되어 이루어 질 수 있지만, 이에 한정되지 않고, 바나듐, 알루미늄 등과 같은 금속계통의 산화물로 이루어질 수 있다.
상기 환원발색층 및 산화발색층 사이에 전해질을 충진시키는 단계(S50)에서 상기 환원발색층(40) 및 산화발색층(30) 사이에서 상기 전자의 흐름을 유도하는 전해질이 충진되어 상기 전해질층(50)이 형성된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 환원발색층(40)이 징크옥사이드(ZnO) 또는 갈륨(gallium: Ga)이 도포된 징크옥사이드(ZnO:Ga)인 경우에 따른 전기저항은 도 8에 도시된 바와 같다. 즉, 징크옥사이드(ZnO)인 경우에는 두께가 두꺼워짐에 따라 전기저항이 급격하게 커지는 것을 볼 수 있으나, 갈륨(gallium: Ga)이 도포된 징크옥사이드(ZnO:Ga)인 경우에는 두께가 두꺼워지더라도 전기저항이 낮아지는 것을 알 수 있다.
또한, 도 9에 도시된 바와 같이, 갈륨(gallium: Ga)이 도포된 징크옥사이드(ZnO:Ga)로 이루어진 환원발색층(40)의 경우에 표면 상태가 양호한 것을 알 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 환원발색층(40)은 실험결과 갈륨(gallium: Ga)이 도포된 징크옥사이드(ZnO:Ga)를 산소분위기 하에서 2㎛두께가 되도록 2시간 증착한 경우에 가장 효율적인 것으로 나타났다.
본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 첨부된 청구범위에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명이 속한 분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 정신을 벗어나지 않고 변형이 가능하고 이러한 변형은 본 발명의 범위에 속한다.
도 1은 종래의 전기변색 투명판을 개략적으로 도시한 단면도;
도 2는 본 발명에 따른 전기변색 투명판이 사용되는 상태를 나타내는 상태도;
도 3은 도 2의 A부분을 확대하여 내부를 구성하는 복수층을 나타내는 확대 단면도;
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기변색 투명판을 개략적으로 도시한 단면도;
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기변색 투명판을 개략적으로 도시한 단면도;
도 6은 본 발명에 따른 전기변색 투명판에서 전해질층을 중심으로 전자가 이동하는 상태를 예시하고 있는 상태도;
도 7은 본 발명에 따른 전기변색 투명판의 제조방법에 대한 흐름을 나타내는 순서도;
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 환원발색층의 종류에 따른 전기저항을 실험에 의하여 도출한 데이터; 및
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 환원발색층의 종류에 따른 전자현미경 사진이다.
< 도면의 주요부분에 대한 부호 설명 >
1, 10: 투명판 2, 20: 투명전극
3: 변색층 4, 50: 전해질층
30: 산화발색층 40: 환원발색층
60: 금속박막

Claims (5)

  1. 소정간격 이격되어 한 쌍으로 이루어지는 투명판;
    상기 한 쌍의 투명판 내측에 각각 구비되는 한 쌍의 투명전극;
    상기 한 쌍의 투명전극 중 어느 하나에 구비되어 환원 상태에서 색이 발현되도록 징크옥사이드(ZnO)로 이루어지는 환원발색층;
    상기 환원발색층과 대면되는 위치에서 상기 한 쌍의 투명전극 중 나머지 하나에 구비되어 산화 상태에서 색이 발현되는 산화발색층; 및
    상기 환원발색층 및 산화발색층 사이에 구비되어 상기 환원발색층 및 산화발색층과의 전자의 이동을 매개하는 전해질층;
    을 포함하여 이루어지는 전기변색 투명판.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 환원발색층은,
    갈륨(gallium: Ga)이 도포되어 이루어지는 전기변색 투명판.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 산화발색층은,
    오산화바나듐(V2O5), 산화이리듐(IrO2), 산화니켈(NiO), 산화크로뮴(Ⅲ )(Cr2O3) 중 적어도 어느 하나로 이루어지는 전기변색 투명판.
  4. 한 쌍의 투명판 사이에 한 쌍의 투명전극을 각각 형성하는 단계;
    환원 상태에서 색이 발현되는 환원발색층을 상기 한 쌍의 투명전극 중 어느 하나에 징크옥사이드(ZnO)를 스퍼터링 증착하여 형성하는 단계;
    산화 상태에서 색이 발현되는 산화발색층을 상기 한 쌍의 투명전극 중 나머지 하나에 형성하는 단계; 및
    상기 환원발색층 및 산화발색층 사이에 전해질을 충진시키는 단계;
    를 거치는 전기변색 투명판 제조방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 환원발색층을 형성하는 단계에서는,
    상기 징크옥사이드(ZnO)에 갈륨(gallium: Ga)을 도포하는 단계를 더 포함하는 전기변색 투명판 제조방법.
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