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◇ ECD(electrochromic display)는 전기변색 화학물질이 전기화학적으로 산화 또는 환원 반응을 일으킬 때 색이 변하는 현상을 이용한 디스플레이이다. 이러한 전기변색 기술은 자동차용 전기변색 거울, 스마트 윈도우 등에 상용화되었으며 투명 디스플레이, 반사형 디스플레이 그리고 전자 종이 등에 활용이 가능하다.
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◇ ECD는 이온젤을 전해질로 사용한다. 이온젤은 고분자와 이온성 액체가 물리적 또는 화학적 결합을 통해 네트워크 구조를 형성하여 생성된다. 본 과제에서는 random copolymer와 ionic liquid를 이용해 이온 젤을 제작하고 EC 물질은 viologen과 dmFc을 사용한다.
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◇ Viologen은 EC 물질 중 하나로 4,4'-bipyridine의 화학구조를 기반으로 치환기에 따라 변색 특성이 달라지는 물질이다. Viologen은 환원되며 특정한 색을 띠고, 환원된 Viologen이 확산을 통해 산화된 anodic species와 만나거나, 전극을 통해 산화되면서 탈색이 일어난다.
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◇ 일반적으로 ECD는 직류전압(DC)을 이용해 coloration time과 같은 kinetics를 측정하며 높은 전압을 가했을 때 쉽게 망가지는 특징을 가지고 있다. 본 과제에서는 DC가 아닌 교류전압(AC)을 이용해 전압을 가해줌으로써 소자의 변색 속도를 빠르게 하면서 안정성을 높이는 것을 목적으로 할 것이다.
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====개발 과제의 배경====
 
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2021년 12월 15일 (수) 23:30 판

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 00000000..

영문 : 00000000..

과제 팀명

기능성고분자1조(2021)

지도교수

문홍철 교수님

개발기간

2021년 9월 ~ 2021년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 화학공학과 20183400** 유**(팀장)

서울시립대학교 화학공학과 20163400** 한**

서울시립대학교 화학공학과 20173400** 이**

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

◇ ECD(electrochromic display)는 전기변색 화학물질이 전기화학적으로 산화 또는 환원 반응을 일으킬 때 색이 변하는 현상을 이용한 디스플레이이다. 이러한 전기변색 기술은 자동차용 전기변색 거울, 스마트 윈도우 등에 상용화되었으며 투명 디스플레이, 반사형 디스플레이 그리고 전자 종이 등에 활용이 가능하다.

◇ ECD는 이온젤을 전해질로 사용한다. 이온젤은 고분자와 이온성 액체가 물리적 또는 화학적 결합을 통해 네트워크 구조를 형성하여 생성된다. 본 과제에서는 random copolymer와 ionic liquid를 이용해 이온 젤을 제작하고 EC 물질은 viologen과 dmFc을 사용한다.

◇ Viologen은 EC 물질 중 하나로 4,4'-bipyridine의 화학구조를 기반으로 치환기에 따라 변색 특성이 달라지는 물질이다. Viologen은 환원되며 특정한 색을 띠고, 환원된 Viologen이 확산을 통해 산화된 anodic species와 만나거나, 전극을 통해 산화되면서 탈색이 일어난다.

◇ 일반적으로 ECD는 직류전압(DC)을 이용해 coloration time과 같은 kinetics를 측정하며 높은 전압을 가했을 때 쉽게 망가지는 특징을 가지고 있다. 본 과제에서는 DC가 아닌 교류전압(AC)을 이용해 전압을 가해줌으로써 소자의 변색 속도를 빠르게 하면서 안정성을 높이는 것을 목적으로 할 것이다.

개발 과제의 배경

내용

개발 과제의 목표 및 내용

내용

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

  • 전 세계적인 기술현황

◇ Ultrafast Response in AC-Driven Electrochemiluminescent Cell Using Electrochemically Active DNA/Ru(bpy)32+ Hybrid Film with Mesoscopic Structures [3]

그림 . ECL의 Transient response(위)와 transient current(중간)의 duty ratio 50%, 10kHz 조건의 AC에서의 그래프


- ECL(Electrochemiluminescence)은 산화환원 반응의 전기화학 반응을 통해 빛을 방출한다. 본 논문에서 사용되는 산화된 Ru(bpy)32+종과 환원된 Ru(bpy)32+종은 각각의 Cathode와 Anode로부터 생성된다. 생성된 환원종과 산화종이 서로 충돌할 때, 전기적 Excitation이 일어나고, 이로 인해 빛을 방출하게 되는 것이다. 이때 ECL은 주로 DC를 사용해 반응이 일어나게 된다. - 이때 DC대신 AC를 사용하게 되면, 안정성, 방출 응답, 그리고 ECL의 빛의 세기 모두 DC보다 더 향상된 것으로 나타나진다. DC를 사용하였을 때는 확산과 같은 전하의 이동 때문에 셀의 두께와 같은 변수에 의존적이게 된다. 따라서 짧은 시간이 소요된다고 말할 수 없다. 반면 AC 시스템에서는 같은 전극에서 생성이 되기 때문에 산화 환원 반응에서의 확산에서 긴 시간을 필요로하지 않는다. - 결론적으로 AC 시스템에서는 ECL의 Intensity가 세지고, 응답속도가 더 빨라지는 결과를 나타낼 수 있다.






◇ The influences of operating voltage and cell gap on the performance of a solution-phase electrochromic device containing HV and TMPD [4]


그림 . darkening voltage와 cycle number에 따른 darkening coloration efficiency


- 변색 물질로 HV(heptyl viologen)와 TMPD(N,N,N’,N’-tetramethyl-1,4-phenylenediamine)를 사용하여 가동 전압과 cell gap을 달리했을 때 일어나는 변색 효과를 분석했다. - darkening voltage가 1.0V보다 커진다면 HV0가 형성되고 이는 ECD 투과도의 비가역적인 감소를 일으킨다. - cell gap이 0.28mm보다 커진다면 TMPD∙+가 완전하게 환원되지 않아 용액의 residual color에 기여 한다, 또한 이것은 용액에서의 IR drop을 증가시키고 전기변색 반응을 저해한다.

◇ Highly stable ion gel-based electrochromic devices: Effects of molecular structure and concentration of electrochromic chromophores [5]


그림 . 다양한 전압과 농도에 따른 DHV를 포함한 전기변색 소자


- 변색 물질로 DHV와 MHV를 사용하여 ECD 소자를 제작하였으며 전압 및 농도를 다르게 하여 변색 소자의 변색 효과를 관찰하였다. MHV는 –1.3 V에서 자주색을 띠며, DHV는 +0.8 V에서 파란색을 띠는 특성을 보였다. DHV를 사용한 ECD소자보다 MHV를 사용한 ECD 소자가 투과율 대비 변색 효율성, 작동의 안정성이 더 좋은 것을 확인할 수 있었다. - DHV는 전압 혹은 농도가 높아질수록 dimer를 형성해 소자의 성능이 떨어지는 것을 확인 할 수 있다. - 또한 각각의 두 가지 변색 물질을 사용한 변색 소자 모두 self bleaching이 일어난다는 단점이 있다.

  • 특허조사 및 특허 전략 분석

내용

  • 기술 로드맵

내용

시장상황에 대한 분석

  • 경쟁제품 조사 비교

내용

  • 마케팅 전략 제시

내용

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

◇ 액체 전해질을 기반으로 제작된 전기변색 소자의 경우 전해액 누수의 위험이 있지만, 이온젤을 기반으로 한 전기변색 소자의 경우 전해질이 새지 않으며 rubbery한 특성을 가지고 있어 플렉서블 전극에 활용할 수 있기 때문에 현재 많은 관심을 받고 있다. 이러한 소자는 센서, 슈퍼커패시터, 스마트 윈도우 등에 활용되고 있다.

◇ 전기변색 소자 분야에서는, 사이클링 테스트 시, 안정적인 전기변색 특성을 유지하고 열적 안정성 및 내구성을 가지는 것이 요구된다. 해당 연구개발의 결과로 얻을 수 있는 전기변색 소자는 교류전압을 공급받으므로 기존의 DC 전압에 의해 작동되는 전기변색 소자에 비해 부하가 적게 걸려 내구성이 증진될 것이다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

◇ 전기변색 소자는 외부 전압 인가에 따른 산화, 환원 반응을 통해 유도될 수 있다. 소자의 dynamics와 kinetics 분석을 통해 소자 구동에 있어 diffusion이 중요한 물질 전달 과정임을 알 수 있다. 따라서 전기변색 소자에서 탈색 및 변색시간은 소자의 성능에 있어 중요한 요소임을 알 수 있다.

◇ 기존처럼 이러한 변색시간을 단축시키기 위해서 DC로 전압을 가하는 것이 아닌 AC로 전압을 가해 변색시간을 빠르게 할 수 있다면 변색 효율이 좋아짐으로써 원하는 색을 가진 EC 물질을 사용하여 빠르게 색을 구현할 수 있다. 이러한 특징은 멀티-컬러 구현이 가능한 EC 소자 등에 다양하게 적용할 수 있다. Coloration time과 Bleaching time이 줄어들게 되면 ECD는 적은 비용으로 넓은 면적의 소자를 제조할 수 있기 때문에 디스플레이를 개발할 때 사용되기에 적합하다. 즉 디스플레이 개발에 비용을 절감할 수 있을것으로 예상된다.

◇ 또한, 소자의 colored 상태와 bleached 상태의 초기 투과도 차이도 전기변색 소자에서 또 다른 중요한 요소로 작용한다. 즉 안정성과 연관되어 있다. 이러한 초기 투과도와 여러 cycle을 돌렸을 때의 투과도 차이를 비교해 보면서 소자의 안정성을 알 수 있다. AC를 적용한 전기변색 소자의 투과도 차이가 DC를 적용했을 때보다 더 적기 때문에 더 안정하다면 오랜 시간 동안 사용할 수 있기 때문에 경제적인 측면에서 효과적이다.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

내용

구성원 및 추진체계

내용

설계

설계사양

제품의 요구사항

  • 이온전도도: ElectroChromic Device(ECD)와 같은 전기화학 소자로서 응용 가능한 충분한 이온전도도 보유.
  • 변색 성능: Electrochromic 물질을 사용하였을 때 기존 논문들과 비슷하거나 빠른 변색 및 탈색 속도가 일어날 수 있어야 함.
  • 안정성: 전기화학 디스플레이에 적용했을 때 장시간 동안 안정한 구동을 하여야 함.

설계 사양

1. 고분자 젤 전해질

  • Polymer: PS-r-PMMA
  • Ionic Liquid: 1-ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide ([EMI][TFSI])


  • Polymer : Ionic Liquid = 1:9

-이온전도도: ∼ 0.98 mS/cm

-기계적강도 : ∼72 kPa

2. 전기변색 디스플레이

- 구동전압: 0.0V~ 1.3V ( DC 기준 )

- 작동온도: 25 °C

- 변색 면적: 직사각형 ( 1cm×1.5cm)

- 두께: 88μm

- 색상변화: 투명한 연한 노랑 → 진한 자주색

개념설계안

  • 실험 진행

-젤 전해질에 변색 물질을 첨가하여 ECD를 제작한다. - DC를 적용했을 때 전기변색소자의 coloration time과 bleaching time을 구한다. -안정하면서도 DC를 적용했을 때보다 더 빠른 coloration time을 갖는 AC 조건을 찾는다. 이때, 여러 변수들이 존재하므로 고정시킬 수 있는 변수를 먼저 계산한다. RC-Time을 계산해서 적절한 frequency를 찾아 고정한 후 Vpp 혹은 Duty Ratio를 바꿔가며 실험을 진행한다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

1. 이온전도도(σ) 계산 PS-r-PMMA와 [EMI][TFSI]를 이용해 만든 고분자 젤 전해질의 Electrochemical impedance spectroscopy(EIS) 데이터를 측정하여 Bode plot을 얻은 후 고주파수 영역에서의 resistance 값을 이용해 이온전도도를 계산한다. ( 고주파수 영역에서는 주파수에 무관한 resistance 값에 의해 평평한 그래프 개형을 가진다.) 

σ= (l/(R*A)

(l: 두께, A:는 전해질 층의 면적, R: bulk resistance)

2. response time 계산 ΔT 최댓값의 90%를 달성하는 시간 간격으로 정의. 이를 통해 ECD의 coloration과 bleaching시간을 구할 수 있다.

3. RC-Time 계산 polarization rate 혹은 Electric Double Layer(EDL)이 형성되는 시간으로 이는 전해질/전극물 인터페이스를 따라 안정적인 EDL을 구축하는 것과 관련이 있다. 따라서 안정적인 EDL이 필요한 전기화학 디바이스의 경우 operating frequency는 잠재적으로 값에 의해 제한된다. 

(s) = lC’/σ

(C’: specific capacitance (F/), σ: ionic conductivity(mS/cm) , l: thickness(cm))

상세설계 내용

◇ Experiments

  • Purposes

기존 DC로 구동되던 전기변색 소자의 반응 속도를 AC를 적용해 향상시킴으로써, 안정하면서도 고속 구동이 가능하도록 만든다.

  • Experiment design

기존에 ECD를 구동하는 방식으로 resopnse time을 구한다. 그 후 AC를 이용해 RC-Time과 관련된 frequency는 고정시킨 채, Vpp와 Duty Ratio를 바꿔가면서 더 향상된 Kinetics를 갖는 조건을 찾는다.


  • Materials

-단량체: styrene, methyl methacrylate

단량체












-이온성액체: 1-ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide ([EMI][TFSI])

[EMI][TFSI]












-EC materials

Monoheptyl-viologen(MHV)

Monoheptyl-viologen











1,1′-Dimethylferrocene (dmFc)

1,1'-Dimethylferrocene














  • 전기변색 디스플레이 적용

고분자 이온젤과 EC물질로 Monoheptyl-viologen과 dmFc를 이용해 전기변색 소자를 만든 뒤 전압 전송 방식에 따른 response time을 비교할 수 있다.


-CV를 통한 구동전압 & DC를 적용했을 때 response time 구하기

DC -1.3V일 때 transmittance profile













CV를 통해 DC로 -1.3V의 구동전압을 가해줘야 함을 파악한 후 response time을 계산해보았음.

DC -1.3V에서 coloration time:17.57s 이며 bleaching time:137.87s 가 나옴을 확인 할 수 있음.

이후 실험에서 이 변색 속도보다 빠른 구동을 할 수 있는 AC 조건을 찾을 것임.


-RC-Time 구하기

1:9 ion gel & 60mM EC gel
RC-Time을 통한 frequency 구하기














앞서 언급한 RC-Time을 구하는 식에 실험을 통해 구한 resistance와 thickness를 대입하여 EDL이 형성되는 RC-Time에 해당하는 Frequency가 100kHz임을 계산함.

이는 기존 논문들에 실린 reference를 통해 계산한 값과 비슷한 것으로 보아 신뢰할 수 있는 데이터라고 생각하여 AC의 여러 변수 중

Frequency를 100kHz로 고정해놓고 VppD와 Duty Ratio를 바꿔가며 실험을 진행함.


-AC의 여러 변수들에 따른 ECD의 response time 구하기

AC 30% duty ratio & 4.2Vpp & 100kHz일 때 transmittance profile














AC로 30% duty ratio & 4.2Vpp & 100kHz의 조건에서 ECD를 구동시켰을 때

coloration time:24.34s 이며 bleaching time:65.59s 가 나옴을 확인 할 수 있음.

하지만 DC -1.3V로 걸었을 때보다 coloration time이 느린걸 확인할 수 있어 40% duty ratio & 3.3Vpp & 100kHz에서 다시 실험 진행.

AC 40% duty ratio & 3.3Vpp & 100kHz일 때 transmittance profile















AC로 AC 40% duty ratio & 3.3Vpp & 100kHz의 조건에서 ECD를 구동시켰을 때

coloration time:17.65s 이며 bleaching time:75.06s 가 나옴을 확인 할 수 있음.

이때 DC -1.3V로 걸었을 때와 coloration time이 비슷한 것을 확인할 수 있어 더 높지만 안정한 Vpp를 찾아 다시 실험 진행.

AC 40% duty ratio & 100kHz & 4.0Vpp 혹은 45Vpp 일 때 transmittance profile













40% duty ratio & 100kHz & 4.5Vpp의 조건에서는 degradation이 일어남을 확인할 수 있으므로

40% duty ratio & 100kHz & 4.0Vpp에서 실험을 다시 진행해보았음.


AC 40% duty ratio & 100kHz & 4.0Vpp 일 때 stability test














AC로 AC 40% duty ratio & 4.0Vpp & 100kHz의 조건에서 ECD를 구동시켰을 때

coloration time:11.90s 이며 bleaching time:91.89s 가 나옴을 확인 할 수 있음.

이때 DC -1.3V로 걸었을 때보다 coloration time이 빠른 것을 확인할 수 있음.

따라서 이 조건에서 ECD를 구동시키면 DC를 걸어줬을 때보다 더 향상된 resopnse time을 얻을 수 있음.

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

Electrochromic Device









PS-r-PMMA 기반 이온젤을 전기 변색소자로 적용한 사진이다.

포스터

Poster.jpg

































완료작품의 평가

평가표












1. MHV 합성 및 CV를 이용해 산화, 환원 peak을 확인했으며 DC에서의 구동전압이 1.3V 임을 확인함.

2. -1.3V에서의 response time과 AC에서 Frequency를 100kHz로 고정한 후 Vpp와 Duty Ratio를 조정해가며 DC를 적용했을 때보다 더 빠른 response time을 가진 조건을 찾을 수 있었음.

3. Function generator는 수동으로 작동되기 때문에 cycle을 찍어 안정성을 확인할 수 없어 voltage를 가해준 채로 degradation이 일어나지 않음을 관찰함으로써 안정성을 확인함.



향후계획

-ECD에서 중요한 개념인 Coloration Efficiency(CE)를 계산함으로써 효율이 얼마나 좋은지 기존에 ECD를 사용한 논문들의 Reference들과 비교해볼 예정임.

-물질에 의해 성능이 향상된 ECD에도 적용해봄으로써 작동전압의 전송 방식을 바꾸면 향상된 성능이 더 좋은 Kinetics를 갖는지 확인해볼 예정임.

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