뭐든지할수있조

프로젝트 개요

기술개발 과제

•  국문 :  고분자 바이올로젠을 통한 고효율 수퍼커패시터 구현
•  영문 :  Highly Effective Supercapacitor Using Polyviologen

과제 팀명

• 뭐든지할수있조

지도교수

• 문홍철 교수님

개발기간

• 2019년 9월 ~ 2019년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

• 서울시립대학교 화학공학과 20143400** 김*가(팀장)
• 서울시립대학교 화학공학과 20143400** 문*활
• 서울시립대학교 화학공학과 20163400** 신*수
• 서울시립대학교 화학공학과 20163400** 이*주

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

• 기존 supercapacitor의 경우 금속산화물을 전극에 코팅하는 과정이 필요했지만, polyviologen을 활용한 supercapacitor의 경우, 전극에 따로 코팅처리를 하지 않고도 polyviologen에 전해질 액체를 섞을 시 액체가 되는 특성을 통해 electrolyte 자체가 산화환원 반응을 통해 전기 에너지를 저장하는 새로운 개념의 supercapacitor를 제작할 수 있다.
• 따라서 유연하고 충방전 상태를 실시간으로 확인할 수 있는 변색효과를 가지는 동시에 개선된 축전능력을 가진 supercapacitor를 개발하는 것을 목표로 한다.

개발 과제의 배경

• 변색물질은 전기화학적 산화환원 과정에 의해 변색 반응이 진행되는데, 이러한 현상을 electrochromism (전기변색)이라고 한다. electrochromic device (ECD)는 현재 학계와 산업계에 상당한 관심을 끌고 있다. 대표적인 적용 예로는 플렉서블 디스플레이, 센서, supercapacitor, 스마트 윈도우 등이 있다.
• 해당 연구개발의 결과로 얻게 될 전기변색 소자를 이용한 supercapacitor는 고체 전기소자보다 유동성 있는 액체 전해질을 이용하므로 기존의 커패시터에 비해 유연한 특징을 가진다. 이를 바탕으로 다양한 형태의 전기변색 커패시터의 개발을 기대할 수 있다.
• Polyviologen을 이용한 커패시터의 경우 전해질 내에 viologen이 존재하기 때문에 전극에 추가적 공정을 가할 필요가 없으므로 기존 커패시터에 비해 경제적일 것이다.
• 새로운 개념의 커패시터 제안을 통해 viologen을 이용한 커패시터 관련 연구 패러다임을 제시할 수 있고, 추후 다양한 연구를 통해 커패시터 분야 기술발전에 영향을 미칠 수 있다.

개발 과제의 목표 및 내용

• Diffusion rate가 느린 polyviologen의 특성을 이용한 신개념 supercapacitor를 제작한다.
• 충방전 상태에 따라 변색이 되는 전기화학변색기능을 가진 supercapacitor를 제작함에 따라 스마트 윈도우 등 특별한 용도로 사용될 수 있다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

• 변색물질 등을 포함한 전해질에서 전하의 화학적 산화환원과정 중에 의해 일부 물질은 색을 바꾸는데, 이러한 현상을 electrochromic 이라고 한다. electrochromic device는 현재 학계와 산업계에 상당한 관심을 끌고 있다. 대표적인 활용 분야로는 플렉서블 디스플레이, 센서, supercapacitor, 스마트 윈도우 등이 있다.
• 해당 연구개발의 결과로 얻게 될 전기변색소자를 이용한 supercapacitor는 고체 전기소자에 비해 유동성 있는 이온젤을 이용하므로 기존의 커패시터에 비해 유연하다. 이 유연성을 바탕으로 다양한 형태를 가지는 커패시터의 개발 가능성을 기대할 수 있다.
• 또한, 이러한 전기화학변색 디스플레이가 연계된 커패시터는 스마트 윈도우 등으로 활용 가능하다. 밝은 환경에서는 투명해져 빛의 투과성이 높아지므로 채광에 유리하고, 어두운 환경에서는 빛이 빠져나가지 못하게 하여 에너지를 보존시킬 수 있다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

• 기존의 금속 산화물을 이용한 커패시터의 경우, 전극에 금속 산화물을 코팅하는 과정에서 고온의 열을 가하는 공정이 존재하는데, polyviologen을 이용한 커패시터의 경우 gel 전해질 내에 viologen이 존재하기 때문에 전극에 추가적 공정을 가할 필요가 없어 경제적이다.
• 새로운 개념의 커패시터를 제안, 추후 viologen을 이용한 커패시터 관련 연구 패러다임을 제시할 수 있고, 추후 다양한 연구를 통한 커패시터 분야 기술발전에 영향을 미칠 수 있다.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

구성원 및 추진체계

기본 추진체계

상세 추진체계

• Polyviologen 합성, NMR 분석 : 다양한 구조의 polyviologen을 합성하고, 해당 물질이 잘 합성되었는지 NMR을 통해 확인한다.
• UV 분석, CV분석 : polyviologen의 발색 특성 (색) 및 산화환원 전위를 UV/vis spectroscopy 및 cyclic voltammetry를 통해 측정한다.
• Dynamics 및 coloration efficiency분석 : polyviologen의 발색 특성 (발색 시간 및 발색 효율)을 UV/vis spectrometer을 통해 측정한다.
• Diffusion coefficient 분석 : CV 결과를 통해 도출한 정보들을 통해 Randles-Sevcik equation으로 diffusion coefficient을 계산하고 각각의 의미를 분석한다.

설계

설계사양

제품의 요구사항

• 변색 성능 : 원하는 색으로 변색하는 변색 물질을 포함.
• 변색 속도 : 변색 및 탈색이 일어나는 속도. 활용처에 따라 적절한 변색 속도가 다름.

설계 사양

일반적인 제품의 예상 사양

• 변색물질의 구동전압 이상의 전압.
• 전도성이 있는 디스플레이용 전극.
• 전기 에너지 발생 시 디스플레이에 변색효과를 주는 변색 물질.

실제 실험에 사용된 소자의 사양

• 구동전압 : 0 V ~ 1.5 V
• 전극 : 6.0cm X 2.0cm
• 변색부 : 1.0cm X 1.5cm
• 작동온도 : 25 °C
• 변색 : 투명한 연노랑색 → 진한 자주색

개념설계안

소자제작


• 제작한 Polyviologen과 anodic species인 ferrocene, Lithium salt인 LiClO4,organic solvent인 PC 를 혼합하여 electrochromic liquid를 제작한다.
• ITO coated glass 사이를 electrochromic liquid로 채워 소자 제작을 완료한다.

실험 방향

• 본격적인 실험에 앞서 최적의 농도 즉, bleaching time이 가장 큰 농도를 찾는다.
• 완성된 시료의 Diffusion coefficient 값을 cyclic voltammetry를 이용하여 측정한다.
• 전기변색 특성과 효율을 각각 UV/vis spectroscopy를 측정을 통해 측정한다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

Step 1. Calculating current at peak(maximum current).


• 위 그래프는 예시로 사용한 Polyviologen의 CV 그래프이다.
• 이 CV 그래프를 이용해 peak에서의 current, 즉 maximum current를 계산할 수 있다.


• 작은 기울기를 가지는 capacitive current부분에 연장선을 그어 peak와의 거리를 계산하여 maximum current를 계산한다.
• Cathode와 anode에서의 maximum current를 각각 구하는데, 이 때 cathode peak에서의 maximum current는 anode 측 capacitive current와의 거리를 측정해 구한다.
• 마찬가지로 anode peak에서의 maximum current는 cathode 측 capacitive current와의 거리를 측정해 구한다.
• 서로 다른 scan rate에서의 maximum current를 계산한다.

Step 2. Finding relationship between maximum current and scan rate.


• Scan rate와 maximum current의 관계식을 interpolation한다.

Step 3. Calculating diffusion coefficient by Randles-Sevcik Equation.



• 온도가 섭씨 25도일 때 각각의 상수 값을 대입한 Randles-Sevcik equation.을 diffusion coefficient에 대해 정리하면 위와 같다.
• Polyviologen은 한개의 chain에 25개의 반응가능한 unit이 달려있기 때문에 n에 25를 대입한다.

상세설계 내용

Experimental Section

Purposes

• Polyviologen을 포함하고 있는 슈퍼커패시터 소자의 구현.
• 해당 소자의 변색특성 확인.
• 해당 소자의 커패시터로써의 성능 확인 및 타 변색물질을 이용한 소자와의 성능 비교.

Experiment design

• Dynamics를 이용해 supercapacitor 소자로 제작하기에 가장 적합한 polyviologen의 농도를 확인한다.
• 해당 농도의 polyviologen을 이용해 소자를 제작한 뒤, UV/vis spectroscopy를 통해 소자의 색특성 및 변색특성을 확인한다.
• 소자의 성능을 측정하기 위해 CV 그래프를 얻은 후 Randles-Sevcik Equation을 통해 소자 내 물질의 diffusion coefficient를 계산한다.
• 비교군과 polyviologen의 diffusion coefficient를 비교해 어떤 물질이 슈퍼커패시터 소자로 적합할지 판단한다.
• 해당 소자의 display 성능을 확인하기 위해 colorization efficiency를 계산한다.

Materials

• ITO 

- 투명하면서도 전기전도도가 뛰어난 물질로, 디스플레이 분야에 큰 영향력을 끼치고 있다. 주로 투명전극에 이용되며, 비싼 가격을 형성하고 있다. 실험에서는 ITO가 코팅된 유리판을 이용해 소자를 제작했다.

• Polyviologen

- 이번 연구 및 실험에 가장 핵심적인 물질으로 성능 측정 및 특성 확인의 대상이 된 물질이다. 전자를 받아 환원되면 색이 변하는 전기변색물질 중 하나이다. Polyviologen마다 변색특성이 다르며 실험에 사용된 polyviologen은 변색되기 전에는 무색의 물질이지만 변색이 일어나면 보라색을 띈다.

- 다음은 polyviologen의 NMR spectra이다.

• Monoviologen

- Polyviologen의 대조군으로 이용된 물질이다. 마찬가지로 전자를 받아 환원되면 색이 변하는 전기변색물질 중 하나이다. Polyviologen과 마찬가지로 물질마다 변색특성이 다르며 실험에 사용된 monoviologen은 변색되기 전에는 무색의 물질이지만 변색이 일어나면 심홍색을 띈다.

- 다음은 monoviologen의 NMR spectra이다.

• Ferrocene

- Anodic species로 이용된 물질이다. 변색물질의 전기화학적 산화환원반응에 관여하며 산화제로 작용해 변색물질의 산화반응, 즉 탈색 반응에 영향을 준다.

Methods

• 소자 제작.
① 변색물질과 anodic species, PC, 리튬염을 잘 섞어 electrochromic liquid를 만든다.
② ITO가 glass판에 electrochromic liquid를 적당량 올린 후 다른 ITO 전극으로 덮어 소자를 제작한다.
* 이 때 공기가 들어가지 않도록 조심스럽게 ITO 전극을 덮어준다.
③ 위와 같은 방법으로 변색물질의 농도를 달리해 소자를 추가로 제작한다.

• Dynamics 측정.
① 제작한 소자를 전원장치(potentio stat)에 연결한 후 구동전압(1V)내외의 전압을 가해준다.
② 변색반응이 완료된 것을 육안으로 확인한 후 0V의 전압을 가해준다.
③ 소자가 탈색되어 원래의 색으로 돌아갈 때까지의 시간을 측정한다.
④ 다시 소자에 구동전압(1V)내외의 전압을 가해준다.
⑤ 변색반응이 완료된 것을 육안으로 확인한 후 전원을 차단한다.
⑥ 소자가 탈색되어 원래의 색으로 돌아갈 때까지의 시간을 측정한다.
⑦ 농도 별로 위의 과정을 반복해 탈색 시간을 측정한다.

• UV/vis spectroscopy 관찰.
① 제작한 소자를 UV/vis spectroscopy 측정장치에 넣는다.
② 전원장치(source meter)를 이용해 소자에 구동전압(1V)내외의 전압을 가해준다.
③ 완전히 변색이 될 때까지 잠시 기다린 후 UV/vis spectroscopy 측정을 시작한다.
* 이 때 도선으로 인해 측정장치의 뚜껑이 덮이지 않아 빛이 들어갈 수 있으므로 덮개를 이용해 빛을 차단한다.
④ 모니터에 peak가 모두 나타나면 전압을 바꾸어가면서 위 과정을 반복한다.

• Cyclic voltammetry.
① working 전극, counter 전극, reference 전극에 각각 Pt 전극, 슈퍼커패시터 소자, Ag 전극을 연결한다.
② 전원장치(potentio stat)를 이용해 전극에 전압을 가해준다.
③ 산화/환원반응에 따른 그래프를 확인한다.

Results

Color kinetics of polyviologen (at 545nm)

• Short circuit

- Short circuit에서의 polyviologen kinetics이다. -1V 전압을 가하여 coloration시킨후, 0V 전압을 가해 bleaching시켰다. 80mM 용액에서의 polyviologen이 가장 느린 bleaching time을 가짐을 확인할 수 있다.

• Open circuit

- Open circuit에서의 polyviologen kinetics이다. -1V 전압을 가하여 coloration시킨후, 전압을 가해주지 않은 상태로 bleaching시켰다. 0V 전압을 가해줘서 polyviologen을 bleaching시키는 short circuit에 비해, bleaching이 diffusion을 통해서만 일어나므로 bleaching 속도가 느린것을 확인할 수 있다.

Diffusion coefficient of polyviologen, monoviologen, dmfc

• Polyviologen의 diffusion coefficient 계산과정, 시뮬레이션과 동일한 방법으로 계산하였다.



- Constant : n = 25, A = 7.84×10⁻³ cm², C = 3.2×10⁻⁶ mol/cm³
- Result of calculation : D_a = 7.047×10⁻¹⁰ cm²/s, D_c = 8.071×10⁻¹⁰ cm²/s

• Monoviologen의 diffusion coefficient 계산과정, 시뮬레이션과 동일한 방법으로 계산하였다.



- Constant : n=1, A=7.854×10⁻³ cm², C= 8×10⁻⁵ mol/cm³
- Result of calculation : D_a = 1.183×10⁻⁸ cm²/s, D_c = 2.558×10⁻⁸ cm²/s

• Ferrocene의 diffusion coefficient 계산과정, 시뮬레이션과 동일한 방법으로 계산하였다.



- Constant : n=1, A=7.854×10⁻³ cm², C=8×10⁻⁴ mol/cm³
- Result of calculation : D_a = 7.095×10⁻⁷ cm²/s, D_c = 7.047×10⁻⁷ cm²/s

•Comparison of diffusion coefficient

- 위의 그래프는 앞서 설명한 방법을 통해 polyviologen과 비교군인 monoviologen, 참고 물질인 ferrocene의 diffusion coefficient를 계산해 시각화한 것이다.

Color characteristics of polyviologen

• Polyviologen의 UV-vis spectra

- UV vis-spectra을 통해, polyviologen이 545nm 파장의 빛을 가장 많이 흡수하는 것을 확인할 수 있다. 545nm의 파장은 연두색의 빛으로, polyviologen이 그 색깔의 빛을 흡수하여 그의 보색인 보라색을 띄는 것을 알 수 있다.

• Polyviologen의 coloration efficiency

- Coloration efficiency를 통해, 일정 전하량 당 어느정도 면적의 ECD가 변색이 되는지를 가늠할 수 있다. 본 polyviologen의 0.8mM용액에서의 coloration efficiency는 113.37cm²/C으로, 타 연구의 변색물질들과 비교해 보아도 우수한 성능을 띔을 확인할 수 있다.

Discussion & Conclusion

• 위의 비교 결과에서 확인할 수 있듯이 polyviologen의 diffusion coefficient가 monoviologen보다 훨씬 큰 것을 볼 수 있다.
• polyviologen이 self bleaching되는 정도가 monoviologen보다 훨씬 작다고 할 수 있다.
• 이를 통해 polyviologen이 supercapacitor에 더 적합한 변색물질이라 할 수 있다.

• 마찬가지로 위의 비교 결과에서 확인할 수 있듯이 ferrocene의 diffusion coefficient가 변색물질보다 훨씬 큰 것을 볼 수 있다.
• 해당 소자가 self bleaching되는 정도는 ferrocene에 큰 영향을 받는다는 것을 확인할 수 있다.
• 이를 통해 diffusion coefficient가 작은 anodic species를 개발해 이용하면 supercapacitor의 성능이 높아질 것이라고 예상할 수 있다.

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

프로토타입


• 완성된 소자의 모습은 다음과 같다.
• 환원되면서 충전되며 색을 띠고, 산화되면서 방전되며 색이 빠지게 된다.

포스터

완료작품의 평가


• Dynamics 측정을 통해 80mM에서 Bleaching time이 가장 길다는 것을 알 수 있었다.
• Cyclic Voltammetry를 통해 얻은 data와 Randles-Sevick equation을 이용하여 Diffusion coefficient 값을 계산한 결과, Da = 7.047×10−10 cm²/s, Dc = 8.071×10−10 cm²/s로 모두 목표치를 달성하였다.
• UV Visible Spectoscopy를 이용하여 변색효율을 측정한 결과 113.37 cm²/C로 목표치를 달성하였다.

향후계획

현재 polyviologen을 이용한 supercapacitor 제작의 가능성 여부를 확인했으며, 추후 연구를 통해 ECS를 직접 제작, GCD성능을 test한다.


• 다음은 ACS Appl. Mater. Interfaces, 2018, 10, 50, 43993-43999 의 GCD graph 예시이다.

ECS를 이용한 전력 사용을 시연한다.


• 다음은 ACS Appl. Mater. Interfaces, 2018, 10, 50, 43993-43999 의 WO₃를 이용한 수퍼커패시터의 전력 사용 시연 예시이다.

뭐든지할수있조

목차

프로젝트 개요

기술개발 과제

과제 팀명

지도교수

개발기간

구성원 소개

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

개발 과제의 배경

개발 과제의 목표 및 내용

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

특허조사 및 특허 전략 분석

시장상황에 대한 분석

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

구성원 및 추진체계

설계

설계사양

제품의 요구사항

설계 사양

개념설계안

이론적 계산 및 시뮬레이션

상세설계 내용

Experimental Section

Results

Discussion & Conclusion

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

포스터

관련사업비 내역서

완료작품의 평가

향후계획

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