JP6770087B2 - 電気変色素子 - Google Patents
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本発明は、電気変色素子に関する。
本発明は、電気変色素子に関する。
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本出願は、２０１６年０５月０９日に出願された大韓民国特許出願第１０−２０１６−００５６３１０号に基づく優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示されたすべての内容は本明細書の一部として組み入れるものとする。
本出願は、２０１６年０５月０９日に出願された大韓民国特許出願第１０−２０１６−００５６３１０号に基づく優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示されたすべての内容は本明細書の一部として組み入れるものとする。
電気変色素子とは、電気変色物質が電気化学的に酸化または還元反応を起こすときに現われる可逆的な色変化を利用する素子を意味する。このような電気変色素子は、応答速度が遅い短所があるが、少ない費用でも広い面積の素子を製造することができ、何より消費電力が低いという長所がある。これに伴って、スマートウィンドウ、スマートミラー、電子ペーパーまたは次世代建築建具素材のように多様な分野で電気変色素子が注目されている。
通常の電気変色素子は、第１電極（例えば、ＩＴＯ電極）、前記第１電極上に設けられた電気変色層、前記電気変色層上に設けられた電解質層、前記電解質層上に設けられたイオン貯蔵層及び前記イオン貯蔵層上に設けられた第２電極（例えば、ＩＴＯ電極）を含んで形成される。前記電気変色層及び／またはイオン貯蔵層は、電気変色物質を含むことができ、印加電圧に応じて色が変化し得る。また、第１電極及び／または第２電極の一面には、ガラスまたは高分子樹脂から形成された透明基材が追加して設けられ得る。
従来の電気変色素子は、遅い反応速度を克服するために、低い抵抗を有する透明電極の導入が必要であった。特に、既存のＩＴＯ電極は、高い抵抗により広い面積の電気変色素子から発生する電圧降下（ｖｏｌｔａｇｅ ｄｒｏｐ）による変色反応速度の差を引き起こすので、これを克服するための技術として、メタルメッシュ（ｍｅｔａｌ ｍｅｓｈ）、ＯＭＯのように低い抵抗を有する透明電極の開発が活発に進められている。
また、電気変色素子の反応速度を向上させるための多様な形態の補助電極の開発が進められている。
本発明は、反応速度を向上させることで、高速駆動が可能な電気変色素子を提供することを解決課題とする。
また、本発明は、補助電極で金属の溶出を防止することができる電気変色素子を提供することを解決課題とする。
前記課題を解決するために、本発明の一側面によると、第１電極層、第１電極層上に設けられる第１電気変色層、第１電気変色層上に設けられる電解質層、電解質層上に設けられる第２電気変色層及び第２電気変色層上に設けられる第２電極層を含み、電解質層を介して互いに対向する第１電気変色層及び第２電気変色層の各々の対向面に各々設けられた第１補助電極層及び第２補助電極層を含み、第１及び第２補助電極層は、各々金属材質で形成された電極部と、電極部を絶縁させるための絶縁部と、を含む電気変色素子が提供される。
また、本発明の他の側面によると、第１電極層、第１電極層上に設けられる第１電気変色層、第１電気変色層上に設けられる電解質層、電解質層上に設けられる第２電気変色層及び第２電気変色層上に設けられる第２電極層を含み、電解質層を介して互いに対向する第１電極層及び第２電極層の各々の対向面に各々設けられた第１補助電極層及び第２補助電極層を含み、第１及び第２補助電極層は、各々金属材質で形成された電極部と、電極部を絶縁させるための絶縁部と、を含む電気変色素子が提供される。
上述のように、本発明の一実施例と関連した電気変色素子は、次のような効果を有する。
一対の補助電極を対向するように配列したり交差するように配列することで、電気変色素子の反応速度を向上させることができ、これによって、高速駆動が可能な長所を有する。また、絶縁を通じて補助電極で金属が溶出することを防止し得る。
以下、本発明の一実施例による電気変色素子を添付した図面を参考にして詳細に説明する。
また、図面符号に関係なく同一又は対応する構成要素には同一または類似した参照番号を付与し、これに対する重複説明は省略する。説明の便宜のために、図示された各構成部材のサイズ及び形状は誇張されたり縮小され得る。
図１は、本発明の第１実施例と関連された電気変色素子を示す概念図であり、図２は、本発明の第２実施例と関連された電気変色素子を示す概念図である。
図１を参照すると、第１実施例と関連した電気変色素子１００は、第１電極層１３０と、第１電極層１３０上に設けられる第１電気変色層１５０と、第１電気変色層１５０上に設けられる電解質層１７０と、電解質層１７０上に設けられる第２電気変色層１６０と、第２電気変色層１６０上に設けられる第２電極層１４０と、を含む。
また、符号１１０は、第１電極層１３０が設けられる第１基板を示し、符号１２０は、第２電極層１４０が設けられる第２基板を示す。
また、電気変色素子１００は、電解質層１７０を介して互いに対向する第１電気変色層１５０及び第２電気変色層１６０の各々の対向面に各々設けられた第１補助電極層１９０及び第２補助電極層１８０を含む。
図２を参照すると、第２実施例と関連した電気変色素子２００は、第１電極層１３０と、第１電極層１３０上に設けられる第１電気変色層１５０と、第１電気変色層１５０上に設けられる電解質層１７０と、電解質層１７０上に設けられる第２電気変色層１６０と、第２電気変色層１６０上に設けられる第２電極層１４０と、を含む。
また、電気変色素子２００は、電解質層１７０を介して互いに対向する第１電極層１３０及び第２電極層１４０の各々の対向面に各々設けられた第１補助電極層１９０及び第２補助電極層１８０を含む。
図１及び図２を参照すると、第１実施例の電気変色素子１００と第２実施例の電気変色素子２００は、第１補助電極層１９０及び第２補助電極層１８０の形成位置のみに差を有する。すなわち、図１と図２で、同一の符号で表示された構成要素は同一である。
前記第１基板１１０と第２基板１２０は、ガラスまたは高分子樹脂（例えば、ＰＥＴ、ＰＥＳなど）で形成され得る。
前記第１及び第２電極層１３０、１４０は、電気変色層１５０、１7０に電荷を供給する要素として、各々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）及びＣＴＯで構成されたグループから選択される透明伝導性酸化物（ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ ｏｘｉｄｅ）；銀ナノワイヤ（Ａｇ ｎａｎｏｗｉｒｅ）；メタルメッシュ（Ｍｅｔａｌ ｍｅｓｈ）；またはＯＭＯ（ｏｘｉｄｅ ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅ）のうちいずれか一つを含んで形成され得る。また、前記第１及び第２電極層１３０、１４０は、各々透明電極層として、光に対して高い透過率を有し、低い面抵抗を有して、耐浸透性を有する材料を含んで構成され、電極プレート形状に構成され得る。
各々の電極層１５０、１７０の形成方法は特別に制限されず、公知にされた方法を制限なしに使用できる。例えば、スパッタリングまたは印刷（スクリーン印刷、グラビア印刷、インクジェット印刷など）などの工程を通じて、ガラス基材層上に透明伝導性酸化物粒子を含む薄膜の電極層を形成し得る。このように製造された電極層は、真空方式の場合、１０ｎｍ〜５００ｎｍ範囲の厚さを有し、印刷方式の場合、０．１μｍ〜２０μｍ範囲の厚さを有し得る。一つの例示で、前記電極層を含んだ電気変色素子は、可視光線に対する透過率が７０％〜９５％であり得る。
また、第１電気変色層１５０は、第２電気変色層１６０に含まれる電気変色物質とは相補的な発色特性を有する変色物質を含み得る。相補的な発色特性とは、電気変色物質が着色され得る反応の種類が互いに異なる場合を意味するのであって、例えば、酸化性変色物質が第２電気変色層１６０に使われる場合、還元性変色物質が第１電気変色層１５０に使われる場合を意味する。相補的発色特性を有する変色物質が第１電気変色層１５０と第２電気変色層１６０ に各々含まれることによって、例えば、還元反応による第１電気変色層１５０の着色と、酸化反応による第２電気変色層１６０の着色とが同時に行われ、その反対の場合には、第１電気変色層１５０と第２電気変色層１６０の脱色が同時に行われ得る。その結果、素子全体の着色及び脱色が同時に行われる。前記のような着色及び脱色は、素子に印加される電圧の極性に応じて交代し得る。
一つの例示で、第２電気変色層１６０に酸化性変色物質が使われる場合、第１電気変色層１５０は、タングステンオキサイド（ＷＯｘ）のような還元性変色物質を電気変色物質として含み得る。電気変色物質を含む第１及び第２電気変色層１５０、１７０の形成方法は特別に制限されず、例えば、蒸着により行われ得る。
酸化性変色物質とは、酸化反応が起きる場合に変色する物質を意味し、還元性変色物質とは、還元反応が起きる場合に変色する物質を意味し得る。酸化性変色物質としては、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｎ及びＦｅの酸化物、例えば、ＬｉＮｉＯ２、ＩｒＯ２、ＮｉＯ、Ｖ２Ｏ５、ＬｉｘＣｏＯ２、Ｒｈ２Ｏ３またはＣｒＯ３などがあり、還元性変色物質としては、Ｔｉ、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｍｏ及びＷの酸化物、例えば、ＷＯ３、ＭｏＯ３、Ｎｂ２Ｏ５、Ｔａ２Ｏ５またはＴｉＯ２などがあるが、前記酸化物に本出願の変色物質が制限されるわけではない。
電解質層１７０は、電気変色物質の変色や脱色のために水素イオンやリチウムイオンの移動環境を提供する物質として、電解質層に使われる電解質の種類は特別に制限されず、液状電解質、ゲルポリマー電解質または無機固体電解質が使われ得る。
前記電解質は、例えば、Ｈ＋、Ｌｉ＋、Ｎａ＋、Ｋ＋、Ｒｂ＋またはＣｓ＋を含む化合物のうち一つ以上の化合物を含み得る。一つの例示で、電解質層は、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＢＦ４、ＬｉＡｓＦ６またはＬｉＰＦ６のようなリチウム塩化合物を含み得る。電解質に含まれる前記イオンは、印加される電圧の極性に応じて、第１電気変色層１５０または第２電気変色層１7０に挿入されるか、それから脱離しながら素子の変色または光透過率の変化に関与し得る。
一つの例示で、前記電解質は、カーボネート化合物を追加して含み得る。カーボネート系化合物は誘電率が高いので、リチウム塩が提供するイオン伝導度を高め得る。カーボネート系化合物としては、ＰＣ（ｐｒｏｐｙｌｅｎｅ ｃａｒｂｏｎａｔｅ）、ＥＣ（ｅｔｈｙｌｅｎｅ ｃａｒｂｏｎａｔｅ）、ＤＭＣ（ｄｉｍｅｔｈｙｌ ｃａｒｂｏｎａｔｅ）、ＤＥＣ（ｄｉｅｔｈｙｌ ｃａｒｂｏｎａｔｅ）及びＥＭＣ（ｅｔｈｙｌｍｅｔｈｙｌ ｃａｒｂｏｎａｔｅ）のうちいずれか一つ以上が使われ得る。
一つの例示で、電解質層に無機固体電解質が使われる場合、前記電解質は、ＬｉＰＯＮまたはＴａ２Ｏ５を含み得る。また、前記無機固体電解質は、ＬｉＰＯＮまたはＴａ２Ｏ５にＢ、Ｓ、Ｗのような成分が添加された電解質であり得る。
また、電気変色素子１００、２００は、各電気変色層１５０、１7０に電圧を印加するための電源（駆動部）を追加して含み得る。
また、第１及び第２補助電極層１９０、１８０は、各々電気伝導性が高い金属材質で形成でき、例えば、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）などの高い電気伝導性を有する材料で形成され得る。また、第１補助電極層１９０と第２補助電極層１８０は、各々メタルメッシュ（ｍｅｔａｌ ｍｅｓｈ）またはメタルストリップ（ｍｅｔａｌ ｓｔｒｉｐ）パターンを有し得る。メタルメッシュパターンは、第１方向に延長された第１成分と、第１成分と交差するように第２方向に延長された第２成分を含み得る。この時、複数個の第１成分と第２成分の交差構造により複数個の開口部を有し得る。また、メタルストリップは、一方向に延長された帯状を有し得る。
図３は、第２補助電極層１８０を示す概念図であり、図４〜図８は、補助電極層の金属溶出を説明するための分析結果である。上述のように、第１及び第２補助電極層１９０、１８０は、同一の構造を有するので、第２補助電極層を例に挙げて説明する。
また、第１補助電極層１９０と第２補助電極層１８０は、各々金属材質の電極部１９１、１８１及び電極部１９１、１８１を絶縁させる絶縁部１９２、１８２を含み得る。前記絶縁部は、電気変色素子１００、２００の作動時に、前記電極部の溶出を防止するために設けられる。また、前記絶縁部は、前記電極部を取り囲む層構造であり得る。例えば、図１及び図２で、絶縁部１９２、１８２は、電極部１９１、１８１を電解質層１７０と絶縁させるように電極部を取り囲むことができる。また、図２で、絶縁部１９２、１８２は、電極部１９１、１８１を各々第１及び第２電気変色層１５０、１7０と絶縁させるように電極部１９１、１８１を取り囲むことができる。
図４〜図６を参照すると、イオンまたは電子の浸透により各々の補助電極層の電極部の溶出問題が発生し得る。特に、図５を参照すると、金属溶出問題をＣＶを通じて分析すると、２０回以後に付加反応が発生し始めて、１００回及び２００回サイクル以後には、初期サイクルの形態と完全に異なる曲線を示すことが確認できる。
また、図７及び図８を参照すると、絶縁部がない場合（ｗｉｔｈｏｕｔ Ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ ｌａｙｅｒ）と絶縁部がある場合（ｗｉｔｈ Ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ ｌａｙｅｒ）を比較するとき、絶縁部を通じて繰り返し耐久性の確保が可能であることが確認できる。
特に、前記絶縁部は、イオンまたは電子の浸透を阻むことができる材料として、樹脂 材料を含んで構成され得る。例えば、アクリレート（ａｃｙｌａｔｅ）またはエポキシ（ｅｐｏｘｙ）系列の樹脂が用いられ得、絶縁特性を向上させるために無機フィラーまたは無機充填材が一部含まれ得る。
また、図３を参照すると、電極部１８１及び絶縁部１８２各々に対して、一つの例示で、ａ（絶縁部の幅）は５ｍｍ以下であり、ｂ、ｃ（電極部の幅）、ｄは各々３ｍｍ以下であり、ｅ（電極部の厚さ）は１ｍｍ以下であり、ｆ（絶縁部の厚さ）は２ｍｍ以下であり得る。また、ｃ／ａは０．９以下であり、ｂ／ｄは１．５以下であり得る。
一方、第１及び第２補助電極層１９０、１８０は、電解質層１７０を基準として非対称的に配列され得る。すなわち、第１及び第２補助電極層１９０、１８０は、電解質層１７０を基準として交差して配列され得る。
第１及び第２補助電極層１９０、１８０により発生する電場の密集程度に応じて、特定の透過率まで到逹するのにかかる時間において差が発生する。
上述の本発明の好ましい実施例は、例示の目的のために開示されたものであり、本発明に対する通常の知識を有する当業者であれば、本発明の思想の範囲内で多様に修正、変更、 付加することが可能であり、このような修正、変更及び付加は、下記の特許請求の範囲に属する。
本発明によると、一対の補助電極を対向して配列したり交差配列することで、電気変色素子の反応速度を向上させることができ、絶縁を通じて補助電極で金属が溶出することを防止し得る。
１００ 電気変色素子
１１０ 第１基板
１２０ 第２基板
１３０ 第１電極層
１４０ 第２電極層
１５０ 第１電気変色層
１６０ 第２電気変色層
１７０ 電解質層
１８０ 第２補助電極層
１８１ 電極部
１８２ 絶縁部
１９０ 第１補助電極層
１９１ 電極部
１９２ 絶縁部
２００ 電気変色素子
１１０ 第１基板
１２０ 第２基板
１３０ 第１電極層
１４０ 第２電極層
１５０ 第１電気変色層
１６０ 第２電気変色層
１７０ 電解質層
１８０ 第２補助電極層
１８１ 電極部
１８２ 絶縁部
１９０ 第１補助電極層
１９１ 電極部
１９２ 絶縁部
２００ 電気変色素子
Claims (8)
- 第１電極層；第１電極層上に設けられる第１電気変色層；第１電気変色層上に設けられる電解質層；電解質層上に設けられる第２電気変色層；及び第２電気変色層上に設けられる第２電極層を含み、
電解質層を介して互いに対向する第１電気変色層及び第２電気変色層の各々の対向面に各々設けられた第１補助電極層及び第２補助電極層を含み、
第１及び第２補助電極層は、各々金属材質で形成された電極部と、電極部を電解質層と絶縁させるための絶縁部と、を含み、
前記第１電極層及び前記第２電極層は、銀ナノワイヤ、メタルメッシュ、またはＯＭＯ（ｏｘｉｄｅ ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅ）のうちいずれか一つを含むことを特徴とする、電気変色素子。 - 第１及び第２補助電極層は、メタルメッシュまたはメタルストリップパターンで形成されたことを特徴とする、請求項１に記載の電気変色素子。
- 第１及び第２補助電極層は、各々金属材質で形成された電極部及び前記電極部を前記電解質層と絶縁させるように平面視において前記電極部を取り囲む絶縁部を含むことを特徴とする、請求項１に記載の電気変色素子。
- 前記絶縁部は、樹脂材質で形成されたことを特徴とする、請求項３に記載の電気変色素子。
- 前記絶縁部は、アクリレートまたはエポキシ系列の樹脂で形成されたことを特徴とする、請求項３に記載の電気変色素子。
- 前記絶縁部は、無機フィラーまたは無機充填材を追加して含むことを特徴とする、請求項４に記載の電気変色素子。
- 前記絶縁部は、幅が５ｍｍ以下であり、厚さが２ｍｍ以下であることを特徴とする、請求項３に記載の電気変色素子。
- 前記電極部は、幅が３ｍｍ以下であり、厚さが１ｍｍ以下であることを特徴とする、請求項３に記載の電気変色素子。
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