기능성고분자2조
프로젝트 개요
기술개발 과제
국문 : 고분자 젤레이터 배열비교를 통한 고성능 고분자 젤 전해질 개발
영문 : Effects of Gelator Configuration on Gel Polymer Electrolyte Performance
과제 팀명
기능성고분자 2조
지도교수
문홍철 교수님
개발기간
2020년 9월 ~ 2020년 12월 (총 4개월)
구성원 소개
서울시립대학교 화학공학부·과 20153400** 최*영 (팀장)
서울시립대학교 화학공학부·과 20153400** 이*영
서론
개발 과제의 개요
개발 과제 요약
◇ 디스플레이 등 전기화학적 디바이스의 급격한 발전에 따라 고분자 젤 전해질은 다양한 전기화학 디바이스에 포함되는 기본적인 물질로서 많은 개발이 진행되었다. 특히, 고분자 젤 전해질의 종류 중 하나인 이온젤은 높은 이온전도도와 기계적으로 강건하다는 장점과 더불어 기존 액체 전해질의 휘발성과 누액등의 문제를 극복한다는 점에서 차세대 웨어러블 전기화학 디바이스에 적용할 유망한 전해질로 평가받고 있다.
◇ 이온젤은 이온성액체와 고분자 젤레이터로 구성된다. 특히, 고분자 젤레이터의 물성은 이온젤의 성능에 영향을 많이 주기 때문에, 다른물질로 이루어지는 젤레이터나 다른 구조를 갖는 젤레이터의 개발이 많이 이루어지고 있다.
◇ 이에 근거하여, 본 과제에서는 고분자 젤레이터가 갖는 다른 형태의 배열이 이온젤 성능에 미치는 영향을 분석하고자 한다. 현재 블록공중합체와 랜덤공중합체는 가장 흔히 사용되고 있는 고분자 젤레이터이다. 특히, 스티렌과 알킬메타크릴레이트는 공중합체를 구성할 때, 흔히 쓰이는 모노머이기에, 본 연구에서는 PEMA-r-PS와 PEMA-b-PS을 통하여 고분자 배열에 따른 젤 전해질의 성능을 비교한다.
◇ 위 분석을 바탕으로 더 나은 성능을 갖는 고분자 젤 전해질의 배열을 확인할 것이며, 최종적으로 더 나은 기계적강도를 갖는 고분자 젤 전해질을 인장센서에 적용하는 것을 목표로 하여 과제를 진행하였다.
개발 과제의 배경
◇ 액체 전해질은 높은 이온전도도와 전극과의 접촉성 등의 장점을 갖는다. 하지만, 핸드폰 배터리 폭발 등 기존 액체 전해질에서 끊임없이 제기되는 안정성에 대한 문제는 액체 전해질의 휘발성 및 누액문제와 크게 연관된다. 이러한 문제를 해결할 수 있는 고체 전해질 개발의 중요성이 강조되고 있다.
◇ 또한, 최근 인공지능이나 IoT분야와 같은 컴퓨터 및 로봇 산업의 급격한 발전에 따라 기존 쓰이던 딱딱한 물질로부터 부드러운 물질로의 패러다임의 전환이 일어나고 있다. 따라서, 신축성있고 변형가능한 젤상태인 이온 젤 전해질은 미래 산업에 적용될만한 전해질로 평가받고 있다.
◇ 따라서, 본 연구에서는 유망한 전해질인 이온 젤의 성능을 개선할 방안으로써 고분자의 배열을 제시한다. 배열에 따른 이온 젤을 비교하여 더 나은 성능을 갖는 젤 전해질을 개발하고자 한다.
◇ 본 연구개발은 고성능 젤 전해질을 개발함과 더불어 고분자 젤레이터의 배열에 따른 젤 전해질의 특성을 분석할 것이기 때문에, 미래 더 나은 성능의 고분자 젤레이터를 개발함에 방향을 제시할 수 있다.
개발 과제의 목표 및 내용
◇ 비교하고자 하는 두 종류의 고분자, 랜덤공중합체인 PEMA-r-PS와 블록공중합체인 PEMA-b-PS를 합성한다. 이때, 블록공중합체의 특징인 자가조립을 피하기 위해서, 낮은 분자량의 고분자를 합성한다. 또한, 배열에 따른 영향만을 비교하기 위하여 각 고분자의 분자량 (Mn)과 구성물질의 조성을 유사한 수준으로 조절한다.
◇ 합성 방법인 reversible addition-fragmentation chain-transfer (RAFT) 중합 방법을 통해 재현성이 있으며, 합성 간 넣는 물질의 비율과 시간을 조절함으로써 분자량 (Mn)을 세밀히 조절한다.
◇ 고분자 젤 전해질의 가장 중요한 특성인 기계적강도와 이온전도도를 측정함으로써, 더 나은 특성을 갖는 고분자 젤 전해질을 개발한다.
관련 기술의 현황
관련 기술의 현황 및 분석(State of art)
- 전 세계적인 기술현황
◇ Mechanically Robust, Highly Ionic Conductive Gels Based on Random Copolymers for Bending Durable Electrochemical Devices (D. G. Seo, H. C. Moon, Adv. Funct. Mater., 2018, 28, 1706948.)
- 물리적으로 가교된 이온 젤을 위해 이온성 액체와 비슷한 구조를 가지는 단량체인 VBMI를 이온성액체에 녹는 부분으로 하여 전하를 갖는 고분자를 중합하였다. 해당 단량체로 이루어진 단일중합체 및 랜덤공중합체는 보편적으로 사용되는 SMS 이온 젤에 비해 훨씬 높은 이온전도도를 보여준다. 이와 더불어 기계적 강도 측면에서도 SMS 기반 이온 젤에 비해 크게 떨어지지 않는 성능을 보였다. 본 연구를 통해 얻어진 물리적으로 가교된 이온 젤의 뛰어난 이온전도도와 기계적 물성을 활용하여 구부릴 수 있는 전기변색 디스플레이를 구현하는 데 성공하였다. 이는 높은 변색 성능과 더불어 굽힘 테스트에서도 높은 내구성을 보였다.
◇ Ionoskins: Nonvolatile, Highly Transparent, Ultrastretchable Ionic Sensory Platforms for Wearable Electronics (Y. M. Kim, H. C. Moon, Adv. Funct. Mater., 2020, 30, 1907290.)
- 이온 젤의 신축성을 향상시키기 위해 Tg가 낮은 고분자를 이온성 액체에 녹지 않는 부분으로 활용하여 공중합체를 중합하고, 젤레이터로 사용하였다. 본 연구에서 채택된 적절한 비율의 공중합체를 사용한 이온 젤은 외력이 가해졌을 때 낮은 Tg의 이온성 액체 불용성인 부분이 신축하여 stress를 분산시켜 더 높은 strain까지의 신축 성능을 보여주었다. 높은 신축성을 갖는 이 ion gel을 응용하여 뛰어난 성능을 보이면서도 신체의 여러 부분에 붙여서 사용할 수 있는 매우 간단한 skin-type strain sensor (Ionoskin)를 제작할 수 있다.
◇ Mechanically robust and thermally stable electrochemical devices based on star-shaped random copolymer gel-electrolytes (H. Hwang, J. Lee, S. Y. Park, Y. Seo, Y. M. Kim, J. K. Kim, H. C. Moon, J. Ind. Eng. Chem., 2020, 88, 233-240.)
- 이온 젤 제작에 사용되는 선형의 랜덤공중합체인 PS-r-PMMA 개선하고자, 6-arm star-shaped PS-r-PMMA[(S-r-M)6]를 합성하였다. star-shaped polymer를 이용한 이온 젤은 폴리스티렌 부분의 물리적 가교와 코어-arm의 공유결합 등에 의해 비슷한 비율의 선형 젤레이터보다 더 높은 기계적 강도 및 열적 안정성을 보여준다. 높은 기계적 강도를 활용하여, 해당 젤을 원하는 모양으로 잘라 전기 화학 발광(electrochemiluminecent, ECL) 소자에 적용할 수 있다. 또한, 높은 온도에서도 ECL 소자의 모양을 유지하고, 작동이 가능한 향상을 보여주었다.
◇ Synergistic Increase in Ionic Conductivity and Modulus of Triblock Copolymer Ion Gels (B. Tang, S. P. White, C. D. Frisbie, T. P. Lodge, Macromolecules, 2015, 48, 4942−4950.)
- 삼중 블록공중합체의 중간 블록으로 사용된 고분자의 물성 및 길이에 따른 영향을 알아보기 위해 SMS, SOS, SEAS 등의 고분자를 이용하여 이온 젤을 제작하고, 물성을 비교 분석해보았다. Tg가 낮은 폴리에타크릴레이트를 중간 블록으로 사용된 고분자는 이온 젤에서 고분자 비율 증가에 따른 이온전도도 감소량이 비교적 적은 경향을 보였다. 또한, 중간 블록 고분자가 짧을수록 기계적 물성은 물론 이온전도도의 향상됨을 확인하였다. 이는 SEAS를 기반으로 한 전해질 게이트 트랜지스터는 준수한 성능과 더불어 향상된 안정성을 보였다.
- 특허조사 및 특허 전략 분석
| 번호 | 종류 | 지식재산권명 (발명의 명칭) | 출원(등록)일 | 출월(등록)기관명 | 출원(등록)국명 | 출원(등록)번호 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 특허출원 | 공중합체, 이를 포함하는 온도 감응 젤 및 온도 센서 | 18.10.05.(20.03.23.) | 서울시립대학교 산학협력단 | 대한민국 | 10-2018-0119247 (10-2094273) |
◇ 해당 발명은 온도에 따라 이온성 액체에 녹는 정도가 변하는 공중합체의 성질을 이용하는 온도에 감응하는 젤 및 온도 센서에 대한 것이다. 상기 공중합체는 이온성 액체에 녹는 반복 단위, 이온성 액체에 녹지 않는 반복 단위, 온도에 감응하는 반복 단위로 구성되어 있으며, 본 발명에 해당하는 공중합체의 예시인 P(S-r-BzMA-r-MMA)의 합성 과정을 그림 5에 나타내었다. 해당 공중합체를 이용한 젤은 온도 감응 센서로 사용되기에 적합한 물성을 가지며, 다른 부품 없이도 간단히 센서로 구현이 가능하다.
| 번호 | 종류 | 지식재산권명 (발명의 명칭) | 출원(등록)일 | 출월(등록)기관명 | 출원(등록)국명 | 출원(등록)번호 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 2 | 특허출원 | 다중 자극 반응성 ABC 타입 삼중 블럭 공중합체의 자가조립된 고분자전해질 복합 구조체 및 그의 응용 | 17.04.05. | 한양대학교 에리카산학협력단 | 대한민국 | 10-2017-0044235 |
◇ 다중 자극 반응성 ABC 타입 삼중 블록공중합체의 자가조립된 고분자 전해질 복합 구조체와 그에 대한 응용에 관한 발명이다. 그림 6은 해당 발명의 메커니즘을 나타낸 모식도이다. 해당 발명의 삼중 블록공중합체 기반 하이드로젤 용액은 하한 임계 용액 온도(LCST)에서 양전하성 및 음전하성 고분자를 사용한 블록 간의 정전기적 상호작용에 의해 코어를 형성한다. 자극 반응성 고분자 블록과 친수성 고분자 블록은 용액 내 친수성 브릿지를 형성한다. LCST 이상에서, 자극성 고분자 블록의 상전이를 통해 소수성 부분 주변에서 코어를 재형성한다. 소수성 상호작용의 증가는 친수성 고분자 간 수소 결합을 강화로 이어지며, 궁극적으로 기계적 물성이 강화된 하이드로겔을 얻어낼 수 있다. 이 겔은 pH, 온도 등 다양한 자극과 관련된 분야에 응용될 수 있을 것이다.
| 번호 | 종류 | 지식재산권명 (발명의 명칭) | 출원(등록)일 | 출월(등록)기관명 | 출원(등록)국명 | 출원(등록)번호 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 3 | 특허출원 | 리튬 이차전지용 열경화성 전해질 조성물, 이로부터 제조된 젤 폴리머 전해질 및 이를 포함하는 리튬 이차전지 | 19.09.10. | 주식회사 엘지화학 | 대한민국 | 10-2019-0112171 |
◇ 해당 발명은 열경화성 전해질 조성물과 이를 통해 제조한 젤 폴리머 전해질 및 이를 포함하는 리튬 이차전지에 관한 것이다. 그림 7은 해당 발명의 열경화성 전해질 조성물에 포함되는 폴리머 또는 올리고머의 구조 중 하나이다. 그림 7에서 k:(m+n)은 1:0.001~1이고, m:n은 1:0.1~10이다. 리튬 이차전지에 젤 폴리머 전해질 조성물을 주입하기 전 상온에서 프리 겔화에 의한 문제를 해결하기 위하여 그림 7로 예를 들 수 있는 폴리머 또는 올리고머를 사용한 조성물을 사용하였다. 이를 통해 이차전지 제조 시 젖음성을 높이고, 중합개시제에 의한 부반응을 억제하여 고성능의 리튬 이차전지 구현이 가능하다.
개발과제의 기대효과
기술적 기대효과
◇ 고분자 합성에 사용하는 방법은 라디칼 중합 방법의 하나인 reversible addition-fragmentation chain-transfer (RAFT) 중합법이다. RAFT 중합법은 한 번에 모든 물질을 넣고 합성을 진행하며, 넣는 양과 시간에 의해서 고분자의 중요한 특성인 분자량()과 PDI (polydispersity index) 및 구성물질의 조성을 조절하기 쉽다.
◇ 고분자 젤레이터의 배열 분석에 따른 젤 전해질 성능의 향상은, 현 연구를 통해 개발되는 고성능 젤 전해질 뿐만 아니라 미래 고분자 젤 전해질의 성능향상을 위한 젤레이터 개발에 방향성을 제시할 수 있다.
경제적, 사회적 기대 및 파급효과
◇ 이온 젤은 solution 처리에 용이한 고분자 젤레이터와 이온성 액체로 구성되므로 이온 젤 제작과정은 추가적인 공정처리 없이 쉽게 이루어진다. 따라서, 대량 생산이 편리하다는 장점을 갖는다.
◇ 이온 젤의 뛰어난 안정성과 높은 기계적 강도와 이온전도도를 바탕으로 물체나 사람의 움직임을 인식하는 센서, 플렉서블 디스플레이, 미래의 웨어러블 소자 등에 다재다능하게 접목할 수 있다.
기술개발 일정 및 추진체계
개발 일정
| 단계별 세부개발 내용 | 담당자 | 개발기간 (월단위) | 비고 | |||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 9 | 10 | 11 | 12 | |||
| 고분자 합성 및 Mn , PDI, H-NMR 분석 | 최원영 | O | O | |||
| 고분자 젤 전해질의 기계적강도 측정 | 이우영 | O | O | |||
| 고분자 젤 전해질의 이온전도도 측정 | 이우영 | O | O | |||
| 고분자 젤 전해질 기반 인장센서 성능 평가 | 이우영, 최원영 | O | O | |||
| 고분자 젤 전해질 기반 변색소자 성능 평가 | 이우영, 최원영 | O | O | |||
구성원 및 추진체계
◇ 고분자 합성 및 , PDI, H-NMR 분석 : 서로 다른 배열을 갖는 고분자인 PEMA-r-PS 와 PEMA-b-PS를 합성하고, 합성한 고분자가 목표로하는 분자량과 PDI, 구성요소의 조성을 충족하는지 GPC와 H-NMR을 통해 분석한다. - 최원영
◇ 고분자 젤 전해질의 기계적강도 측정 : 합성한 두 고분자를 기반으로 다른 IL 비율 (3:7, 4:6, 5:5)을 포함하는 고분자 젤 전해질을 만들고, 해당 물질에 대한 기계적강도를 monitored force and torque measurement system를 통해 측정한다. - 이우영
◇ 고분자 젤 전해질의 이온전도도 측정 : 합성한 두 고분자를 기반으로 다른 IL 비율 (3:7, 4:6, 5:5)을 포함하는 고분자 젤 전해질을 만들고, 해당 물질에 대한 이온전도도를 EIS (Electrochemical impedance spectroscopy)를 통해 측정한다. - 이우영
◇ 고분자 젤 전해질 기반 인장센서 성능 평가 : 위 측정을 통해 더 나은 물성을 갖는 고분자 젤 전해질을 인장센서에 적합한 모양으로 제작한다. 그리고, 손가락에 부착하였을 때 그 움직임을 저항의 변화를 통해 정확히 측정되는지 확인한다 - 이우영, 최원영
◇ 위 실험을 진행하는 순서를 정리하면, 1. 분석하고자 하는 고분자 배열만 다르고 나머지 특성은 비슷한 수준으로 조절 2. 합성된 고분자의 기계적강도 및 이온전도도 측정 3. 배열을 통해 개선된 기계적강도를 바탕으로 적용한 인장센서의 성능 확인이다.
설계
설계사양
제품의 요구사항
- 이온전도도 : 전기화학 디스플레이 등 다양한 전기화학 소자로의 응용을 위해 충분한 이온전도도 보유.
- 기계적물성 : 액체 전해질의 문제점인 유출 및 형태 유지 불가 등을 극복하기 위해 free-standing이 가능한 정도의 강도 보유.
- 변색 성능 : 특정 색상으로 변색하는 변색 물질을 포함하였을 때, 변색 및 탈색이 적절한 속도로 일어날 수 있어야 하며 충분한 투과도 변화를 보여야함.
- 센서 성능 : 인장 응력 센서로의 응용을 위해 외력이 가해질 시 기계적 변형이 일어나며, 그에 따른 전기적 물성의 변화를 충분히 나타내어야 함.
설계 사양
- 실험에 사용된 소자의 사양
1. 고분자 젤 전해질
- 이온전도도 : 0.07 ~ 1.16 mS/cm
- 기계적강도(Elastic modulus) : 8.46 ~ 220 kPa
2. 전기변색 디스플레이
- 구동전압 : 0.0 ~ 0.9 V
- 작동온도 : 25 °C
- 변색부 : square, line, dot 등 patterning을 통해 자유롭게 제작 가능
- 색상변화 : 투명한 연노랑 -> 진한 파랑
3. 인장 응력 센서
- 구동전압 : 1.0 V
- 작동온도 : 25 °C
- 소자 크기 : 3 mm x 10 mm x 30 mm (thickness x width x length)
개념설계안
- 실험 진행
- 고분자 젤 전해질의 구조 및 구성 성분 함량에 따른 물성 변화를 파악한다.
- 각 응용을 위한 최적의 조건의 고분자 젤 전해질을 이용하여 전기화학 소자를 제작한다.
- 제작한 소자의 성능을 측정한다.
이론적 계산 및 시뮬레이션
1. 이온전도도 계산
- 고분자 젤 전해질의 Electrochemical impedance spectroscopy(EIS) 데이터를 측정하여 Bode plot을 얻는다.
- Impedance를 구성하는 capacitance는 주파수에 반비례하므로 고주파수 영역에서 0에 수렴한다.
- 고주파수 영역에서는 주파수에 무관한 resistance 값에 의해 평평한 그래프 개형을 가지며, 이를 이온전도도 계산에 이용한다.
- 고분자 젤 전해질의 이온전도도는 EIS 측정 시 전해질 층의 면적을 bulk resistance와 두께로 나눈 값이다.
2. 기계적강도 계산
- 고분자 젤 전해질의 compressive stress-strain curve를 얻어 elastic modulus를 구할 수 있다.
- Elastic modulus는 stress-strain curve의 직선 영역에서의 기울기로, stress를 strain으로 나눈 값이다.
- Origin 등의 소프트웨어를 이용하여 stress-strain curve를 그리고, 직선 영역 기울기를 선형 회귀로 얻을 수 있다.
상세설계 내용
◇ Experiments
- Purposes
- 고분자 젤레이터의 배열 차이에 따른 이온젤 전해질의 물성 변화 파악
- 향상된 성능의 전기화학 소자 구현
- Experiment design
- block, random 배열을 갖는 고분자 젤레이터를 합성하고, 합성된 고분자에 대한 구조 분석을 실시한다.
- 이온성 액체 함량을 다르게 하여(3:7, 4:6, 5:5) 각 고분자 별 이온젤 전해질을 제작한다.
- 이온젤 전해질의 이온전도도 및 기계적강도를 측정해보고, 구조 분석을 진행한다.
- 전기화학 소자에 적용하여 소자 성능 파악한다.
- Materials
- 단량체 : Styrene, Ethyl methacrylate
- 이온성액체 : 1-ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide ([EMI][TFSI])
- Application
1. 전기변색 디스플레이
- 이온젤 전해질에 변색물질을 첨가하여 전기변색 이온젤 전해질을 제작할 수 있다.
2. 이온성 모션 센서
- 이온젤에 외력을 가할 때, 기계적 변형에 의한 전기적 물성 변화를 실시간으로 읽어내어 외력의 세기를 감지해낼 수 있다.
◇ Results
- 고분자 합성 및 성질
- RAFT 중합을 통해 배열이다른 PEMA-r-PS와 PEMA-b-PS 고분자를 각각 합성하였으며 합성결과 ~60K, PS mole fraction ~0.36 의 비슷한 수준의 고분자가 목표하였던대로 잘 합성됨.
- 고분자의 구조분석
- 합성한 각 고분자는 SAXS profile에서 특별한 peak이 없음을 통해 상분리가 일어나지 않아 특별한 구조가 없음을 확인할 수 있었음. 또한, DSC thermogram의 하나의 Tg만이 관측되었다는 점 역시 이를 뒷받침하는 결과임.
- 고분자 젤 전해질의 이온전도도 및 기계적강도
- 각 고분자 기반 이온 젤의 이온전도도 및 기계적강도를 측정하였을 때, 같은 ionic liquid를 포함한 각 이온 젤은 유사한 수준의 이온전도도를 보였지만, 기계적강도는 PEMA-r-PS 기반 이온젤이 훨씬 높은 값을 가짐.
- 이온젤의 구조분석
- 각 고분자 기반의 이온젤의 SAXS profile은 Unified model과 Percus-Yevick 모델에 적절히 fitting 할 수 있었음.
- fitting data를 통해 열역학적으로 안정한 형태인 구모양의 ionic liquid 불용성 부분 (PS agglomerate)의 크기를 측정할 수 있었는데, PEMA-r-PS 기반 이온젤의 경우 평균 ~1.2nm, PEMA-b-PS 기반 이온젤의 경우 ~10.1nm 이었음.
- 이러한 데이터를 기반으로 PEMA-r-PS 기반 이온젤은 PEMA-b-PS 기반 이온젤보다 상대적으로 훨씬 작은 크기의 PS agglomerates 를 갖기 때문에, 훨씬 조밀한 PS agglomerates 가 이온젤에 존재하게되어 높은 기계적강도를 갖는다는 것을 규명할 수 있었음.
- 결과적으로 이온젤의 SAXS profile data에 의거하여 이온젤은 위 그림과 같은 구조를 갖는다는 것을 알 수 있음.
- 전기변색 디스플레이로의 응용
- PEMA-r-PS 기반 이온젤을 활용하여 전기변색소자를 제작하였으며, 다양한 전압에서의 UV-vis 흡수 스펙트럼을 통해 가장 높은흡수율을 보이는 파장을 확인할 수 있었고(~605 nm), 색좌표를 통해서 초기 약한 노란색으로부터 진한 파란색으로 변색되는 것을 확인할 수 있었음.
- 605nm 에서의 투과도를 충분한 -0.9V하 coloration (~100 s) 후 short-circuit 및 open-circuit 하에서 bleaching time을 각각 측정하였음. 또한, chage density에 대한 optical density를 plot 함으로써 기울기인 coloration efficiency를 확인하였음.
- 다양한 모양을 갖는 전기변색소자를 성공적으로 제작하였으며, 각 소자는 reversible하게 잘 구동됨을 확인함.
- 이온성 모션 센서로의 응용
- 이온젤 전해질을 LED 전구에 연결한 회로를 제작하였음. 이온젤 전해질을 인장시켜 strain을 가했을 때 LED 빛의 세기가 줄어듦을 통해 resistance가 증가함을 알 수 있음.
- 이온젤 전해질에 10%, 20%, 30% strain을 가했을 때 구별되는 resistance 변화량 차이를 보였으며, strain이 클수록 높은 변화량을 보임.
- resistance 변화량과 strain을 도시한 그래프의 기울기 값을 통해 센서의 감도를 나타내는 척도인 Gauge factor(GF)를 계산할 수 있으며, 해당 소자는 ~6.22의 준수한 GF 값을 보임으로써 응력 센서로의 뛰어난 성능을 나타냄.
- 해당 센서를 손가락에 장착하였을 때, 굽힘 각도나 속도에 대한 변화를 다르게 하여도 적절히 감지해냄을 확인하였음.
◇ Discussion & Conclusion
- 고분자 젤레이터의 배열에 따른 고분자 젤 전해질의 특성을 비교한 결과, 비슷한 이온전도도를 가지나, 랜덤한 배열의 젤레이터가 더 높은 기계적강도를 보였다.
- 기계적강도 차이의 원인은 이온성 액체 불용성 부분의 도메인 형성 수 및 크기 경향 차이에 의한 것으로 판단되며, 이는 고분자 젤 전해질의 SAXS 데이터로 확인할 수 있다.
- 해당 연구를 통해 각 전기화학 소자로의 응용을 위해 기존보다 향상된 성능을 가진 고분자 젤 전해질을 제작할 수 있다.
- 본 실험 내용을 토대로 하여 제작한 고분자 젤 전해질을 여러 전기화학 소자에 적용해보았으며, 제작된 소자가 준수한 성능을 보임을 확인하였다.
- 본 연구에서 보인 전기변색 디스플레이, 이온성 모션 센서를 비롯한 다양한 전기화학 소자에서 향상된 성능을 보이는 고분자 젤 전해질로의 응용을 기대할 수 있다.
결과 및 평가
완료 작품의 소개
프로토타입 사진 혹은 작동 장면
PEMA-r-PS 기반 이온젤을 다양한 패턴의 전기변색소자로 적용한 사진이다.
PEMA-r-PS 기반 이온젤을 손가락에 부착한 모션센서로 적용한 사진이다.
포스터
완료작품의 평가
1. 배열을 비교하기위한 PEMA-b-PS와 PEMA-r-PS 는 ~60K, PDI < 1.4, PS fraction 차이 ~0.02 로 조절되어 합성됨.
2. 각 고분자 젤레이터 기반 이온 젤을 비교했을 때, PEMA-r-PS 기반 이온 젤에서 훨씬 높은 수준의 기계적강도를 확인할 수 있었음.
3. 각 고분자 젤레이터 기반 이온 젤을 비교했을 때, 같은 ionic liquid 함량의 이온 젤간 유사한 수준의 이온전도도를 확인할 수 있었음.
4. PEMA-r-PS 기반 이온 젤을 ECD에 적용하였을 때, 높은 변색효율, 빠른 변색 및 탈색 시간을 확인할 수 있었으며, 다양한 패턴으로 잘 적용됨을 확인할 수 있었음.
5. PEMA-r-PS 기반 이온 젤을 strain sensor 에 적용하였을 때, 세기와 각도에 따른 움직임을 저항의 변화를 통해 뚜렷이 측정할 수 있었음.
향후계획
1. 고분자 젤레이터 배열이 이온 젤의 기계적강도에 미치는 영향에 대해 규명하였기 때문에, 랜덤 배열의 장점을 미래 고분자 젤레이터 개발에 적용할 수 있음.
2. 향상된 기계적강도를 갖는 이온 젤의 강점을 극대화하여 다양한 기능을 갖는 웨어러블 소자에 적용.
