이온젤을촉촉하조

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 전기변색 슈퍼커패시터의 자가방전을 억제하기 위한 쯔비터 이온젤 전해질

영문 : A zwitterionic gel electrolyte for suppressing self-discharge of electrochromic supercapacitors

과제 팀명

이온젤은 촉촉하조

지도교수

문*철 교수님

개발기간

2019년 9월 ~ 2019년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 화학공학과 20163400** 이*경(팀장)

서울시립대학교 화학공학과 20163400** 노*지

서울시립대학교 화학공학과 20143400** 김*현

서울시립대학교 화학공학과 20133400** 양*운

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

◇ 겔 전해질(Gel electrolyte)은 기존 액체 전해질의 새거나 폭발하는 등의 문제를 보완하기 위해 개발되어왔다. 겔 전해질은 기계적 강도와 이온전도도 모두 뛰어나 이를 이용한 디스플레이, 배터리, 슈퍼커패시터 등에 다양하게 응용되고 있다.

◇ 고체 상태의 슈퍼커패시터(supercapacitor)를 제작하기 위해 겔 전해질에 관한 많은 연구가 진행되고 있다. 겔 전해질의 한 종류인 zwitterionic 겔 전해질을 이용한 전기이중층 커패시터(Electric Double Layer Capacitor)는 이온의 이동과 전기화학적 성능은 유지하면서 기존 전기이중층 커패시터의 단점인 높은 자기 방전을 보완할 수 있다.
     
◇ 따라서 본 연구에서는 전기변색과 동시에 에너지를 저장할 수 있으며, 기존 EDLC의 높은 자기 방전을 보완하기 위해 zwitterion을 이용한 이온 겔 전해질을 개발하였다. P(VDF-co-HFP)와 [EMI][TFSI]를 기반으로 겔 전해질의 기계적 특성과 이온전도도를 충분히 확보한 뒤, zwitterion의 농도를 조절하여 충전시간은 기존 겔 전해질과 비슷하지만 높은 자기 방전을 제어하여 방전시간을 늘려 뛰어난 에너지 저장 효율을 가진 EDLC를 만들 수 있다.

개발 과제의 배경

◇ 보다 효과적인 에너지 저장 소자의 개발이 요구되면서 긴 구동 시간과 높은 에너지 밀도를 가지는 슈퍼커패시터 연구에 관심이 집중되고 있다. 이에 따라 고분자와 이온성 액체를 이용한 이온 겔 기반 전해질의 개발이 진행되고 있으며 슈퍼커패시터의 높은 자기 방전을 막기 위해서 다양한 전해질에 대한 연구도 활발히 이뤄지고 있다. 이러한 전해질 중 하나가 zwitterion 기반 겔 전해질의 특성을 이용하는 것이다. Zwitterion은 외부의 전기장이 가해지면 겔 전해질에 존재하는 양이온 또는 음이온과의 상호작용을 통해 이온 이동 채널이 형성될 수 있다. Zwitterion의 이러한 특성은 슈퍼커패시터의 충전량을 늘려 구동 시간 또한 증가시킬 수 있다.

◇ 따라서 본 연구에서는 겔 전해질 외부에서 전기장을 가한 뒤, 정렬된 zwitterion이 산화/환원된 이온들의 이동을 방해하는 효과를 이용하여 슈퍼커패시터의 단점인 높은 자기 방전을 감소시키는 효과를 얻으려고 한다. 본 연구는 산화/환원 물질로 전기변색 효과가 있는 물질을 사용하여 충전/방전 정도를 눈으로도 확인할 수 있는 energy indicator로도 적용이 가능하다.

개발 과제의 목표 및 내용

◇ 1-Methylimidazole과 1,3-propanesultone을 이용하여 zwitterion을 합성한다. 간단한 합성 과정과 이온 젤의 단순한 구조를 통하여 소자의 제작에 드는 시간 단축과 비용의 감소라는 효과를 얻을 수 있다.
◇ Zwitterionic 겔 전해질 기반 소자의 Coloration time이 zwitterion을 첨가하지 않은 전해질 기반 소자와 비슷하고 Bleaching time은 더 길어진다.
◇ 기존 겔 전해질 기반 커패시터보다 충전량이 증가하고, 자기 방전시간이 길어진다.

관련 기술의 현황

특허조사 및 특허 전략 분석

특허조사

 ◇ 쯔비터이온성 리튬-실리카 설포베타인 실란 및 이의 제조방법과 이를 포함하는 전해질 조성물. ZWITTERIONIC LITHIUM-SLICA SULFOBETAINE SILANE AND A PROCESS FOR PREPARING THE SAME AND AN ELECTROLYTE COMPOSITION COMPRISING THE SAME, 한밭대학교 산학협력단, 2019.05.17.

◇ 전해액 용질, 전해액 및 고전압 슈퍼 커패시터(The electrolyte solute, electrolyte and high voltage super capacitor), 2016, 선천 캡쳄 테크놀로지 컴퍼니 리미티드

◇ 잉크 조성물용 용해도 첨가제. SOLUBILITY ADDITIVE FOR INK COMPOSITIONS, 2006, 킴벌리-클라크 월드

◇ 쯔비터이온 화합물 및 이를 포함하는 포토레지스트(ZWITTERION COMPOUNDS AND PHOTORESISTS COMPRISING SAME), 2019, 롬 앤드 하스 일렉트로닉 머트어리얼즈 엘엘씨

◇ 슈퍼커패시터의 충방전 반응에 필요한 이온을 이동시키는 용액 전해액 생산, 2014, 한국. SK케미칼

특허 전략 분석

◇ 기존 고체 겔 전해질 기반의 슈퍼커패시터보다 늘어난 자기 방전시간을 이용한 고 효율 슈퍼커패시터에 대한 특허
◇ 이온젤을 기반으로 한 전기변색 소자
◇ 변색 효율과 구동 안정성이 높은 전기변색 소자

시장상황에 대한 분석

경쟁제품 조사 비교

전기변색기술이 창출하는 시장은 대체로 자동차용 전기변색 거울, 전기변색 스마트윈도우, 전기변색방식 디스플레이, 전자가격표시기(Electronic Shelf Labels: ESL) 등으로 예상되고 있다. IDTechEx(2013), Tech-Navio(2014), NanoMarket(2013) 및 Frost & Sulli-van(2013)의 분석자료를 인용하면 본 기술과 관련된 제품들 전체의 세계 시장규모는 2014년 22억달러에서 연평균 20.8% 성장을 통해 2018년에는 47억달러 규모가 될 것으로 전망하고 있다. 현재 전기변색기술로 형성된 시장 중에서 가장 큰 시장을 차지하고 있는 전기변색 자동차 거울의 세계 시장은 2014년 19.8억달러에서 연평균 20.4% 성장을 통해 2018년에는 41.7억달러 규모가 될 것으로 전망되고 있으며 스마트 윈도우 중에서 전기변색기술만으로 만들어지는 세계 시장의 규모는 2014년 0.21억달러에서 연평균 45.8% 성장을 통해 2018년에는 0.95억달러 규모가 될 것으로 전망되고 있다. 아직 투명 디스플레이용 광셔터 시장은 형성되고 있지는 않지만, 전기변색을 이용한 반사형 디스플레이나 전자가격표시기의 시장은 2018년까지 1억달러에 4억달러 정도의 규모로 성장할 것으로 예측되고 있다.

국내 시장규모는 세계시장의 경우를 추론하여 시장규모를 산정하였을 경우에 2014년 238억원에서 연평균 31.1% 성장을 통해 2018년에는 703억원 규모가 될 것으로 전망할 수 있다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

◇ 슈퍼커패시터 산업의 확대된 수요를 확보하기 위해서 zwitterion을 이용하여 에너지 밀도의 향상이나 높은 자기 방전 제어 등 기술적 과제들을 해결할 수 있다.

◇ 충전 및 방전이 되는 것을 눈으로 볼 수 있는 energy indicator라는 특징을 이용하여 다양한 전자기기에 적용될 수 있다.

◇ 기존에 있었던 ECD는 여러 층을 가지고 있는 복잡한 구조와 진공 과정이 필요한 반면, 이온 젤을 기반으로 한 ECD는 간단한 구조 층을 가지고 있다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

◇ 슈퍼커패시터는 단시간에 전기에너지를 저장하고 필요시에 큰 전류를 순간적 연속적으로 공급할 수 있는 장수명 전기에너지 저장장치이다. 향후 전기자동차나 수소연료자동차 등 신 재생에너지 자동차와 일반 산업용 장치의 핵심부품이 될 것이며, 하나의 산업군으로 위치하게 될 것이다.

◇ 대체에너지 생산기술과 함께 이를 효율적으로 저장하는 전기에너지 저장장치에 대한 수요가 급증하여 슈퍼커패시터 세계시장은 2022년에 11조원으로 성장할 것으로 전망된다. 따라서 슈퍼커패시터의 문제점을 보완하는 기술적 향상이 필요하다.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

구성원 및 추진체계

설계

설계사양

개념설계안

◇ 액체 전해질의 문제점을 해결하기 위해서 Ionic liquid와 고분자를 혼합하여 만든 Ion gel은 높은 ionic conductivity와 mechanical property를 가지기 때문에 디스플레이, 배터리, 슈퍼커패시터 등에 다양하게 응용된다.

◇ 기존의 고체 겔 전해질 기반 슈퍼커패시터는 에너지 밀도가 낮고 자기 방전이 높다는 단점을 가지고 있다. 따라서 이러한 문제점을 해결하기 위한 새로운 겔 전해질 개발의 필요성이 대두되고 있다.

◇ 본 연구에서는 기존에 사용되었던 고체 겔 전해질의 문제점을 보완하고자 zwitterion을 사용하여 zwitterionic 겔 전해질을 개발하였다. Zwitterion을 기반으로 한 겔 전해질은 높은 이온전도도와 기계적 특성은 유지하면서 zwitteion이 전해질의 양이온, 음이온과 상호작용을 하는 효과와 산화/환원된 이온들의 이동을 방해하는 효과를 이용하여 슈퍼커패시터의 효율을 향상시킨다. 또한 간단한 합성 과정과 이온 젤의 단순한 구조를 통하여 소자의 제작에 드는 시간 단축과 비용의 감소라는 효과를 얻을 수 있다.