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2019년 12월 6일 (금) 18:32 판
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 2014340004 김마가(팀장)
서울시립대학교 화학공학과 2014340011 문경활
서울시립대학교 화학공학과 2016340052 신현수
서울시립대학교 화학공학과 2016340053 이윤주
서론
개발 과제의 개요
개발 과제 요약
◇ 기존 슈퍼커패시터의 경우 금속산화물을 전극에 코팅하는 과정이 필요했지만, 폴리바이올로젠을 활용한 슈퍼커패시터의 경우, 전극에 따로 코팅처리를 하지 않고도 폴리바이올로젠에 이온성 액체를 섞을 시 gel이 되는 특성을 통해 gel electrolyte 자체가 산화환원 반응을 통해 전기 에너지를 저장하는 새로운 개념의 슈퍼커패시터를 제작할 수 있다.
◇ 따라서 유연하고 충방전 상태를 실시간으로 확인할 수 있는 변색효과를 가지는 동시에 개선된 축전능력을 가진 슈퍼커패시터를 개발하는 것을 목표로 한다.
개발 과제의 배경
◇ 변색물질은 전기화학적 산화환원 과정에 의해 변색 반응이 진행되는데, 이러한 현상을 electrochromic (전기변색)이라고 한다. Electrochromic device (ECD)는 현재 학계와 산업계에 상당한 관심을 끌고 있다. 대표적인 적용 예로는 플렉서블 디스플레이, 센서, 슈퍼커패시터, 스마트 윈도우 등이 있다.
◇ 해당 연구개발의 결과로 얻게 될 전기변색 소자를 이용한 슈퍼커패시터는 고체 전기소자보다 유동성 있는 이온젤을 이용하므로 기존의 커패시터에 비해 유연한 특징을 가진다. 이를 바탕으로 다양한 형태의 전기변색 커패시터의 개발을 기대할 수 있다.
◇ 폴리바이올로젠을 이용한 커패시터의 경우 젤 전해질 내에 바이올로젠이 존재하기 때문에 전극에 추가적 공정을 가할 필요가 없으므로 기존 커패시터에 비해 경제적일 것이다.
◇ 새로운 개념의 커패시터 제안을 통해 바이올로젠을 이용한 커패시터 관련 연구 패러다임을 제시할 수 있고, 추후 다양한 연구를 통해 커패시터 분야 기술발전에 영향을 미칠 수 있다.
개발 과제의 목표 및 내용
내용
관련 기술의 현황
관련 기술의 현황 및 분석(State of art)
- 전 세계적인 기술현황
1. Solution Processable, Electrochromic Ion gels for Sub-1 V, Flexible Displays on Plastic (Chem. Mater. 27 (2015) 1420−1425)
•연구 내용
-전기변색 소자 (electrochromic ion gel)을 flexible plastic에 붙여 coloring을 유도했다. -전기변색 소자의 기초적인 구동원리는 그림 2와 같으며, 본 연구에서는 변색물질로 MV (Methyl viologen)을 사용하였다. -anodic species가 환원제 역할을 하여 변색물질이 환원되고, 환원된 변색물질은 정해진 색 (coloring)을 띄며, 환원된 anodic species와 확산 현상으로 만나 전자를 교환하면서 다시 원래 상태 (bleaching)로 돌아온다.
•연구 결과
-평소에는 pale yellow를 띠고 있다가, 전압을 가해주게 되면 전극에서 일어나는 산화 환원 반응에 의해 flexible plastic 판 위에서의 변색 효과를 관찰 할 수 있다. -open circuit, short circuit 조건에서 다시 원래 상태로 돌아간다.
2. Voltage-Tunable Multicolor, Sub-1.5 V, Flexible Electrochromic Devices Based on Ion gels
(ACS Appl. Mater. Interfaces 9 (2017) 7658−7665)
•연구 내용
-변색물질로 MHV (monoheptyl viologen), DHV (diheptyl viologen) 두 가지 종류를 사용하여 가동 전압을 달리했을 때 일어나는 변색 효과를 관찰했다.
•연구 결과
-1.3V에서 자주색을 띠는 MHV (monoheptyl viologen)과 0.8V에서 파란색을 띠는 DHV (diheptyl viologen)을 다양한 배합으로 조합하였다.
3. Low-Voltage, Simple WO3-Based Electrochromic Devices by Directly Incorporating an Anodic Species into the Electrolyte
(J. Mater. Chem. C. 4 (2016) 10887-10892)
•연구 내용
-WO3가 코팅된 전극에 Li-ion gel을 첨가하여 충·방전이 가능한 배터리 성능을 가진, Electrochromic supercapacitor (ECS)를 연구하였다. 이때, anodic species로 DmFc을 사용했다.
•연구 결과
-2.5 V의 구동 전압을 요구하는 NiO를 사용한 커패시터와 달리 WO3를 사용했을 시 1.5 V의 구동 전압으로 보다 저전력에서도 커패시터로 작용하는 모습을 나타낸다.
4. Dual-Function Electrochromic Supercapacitors Displaying Real-Time Capacity in Color
(ACS Appl. Mater. Interfaces 10 (2018) 43993-43999)
•연구 내용
-WO3가 코팅된 전극에 Li-ion gel을 첨가하여 충·방전이 가능한 배터리 성능을 가진, Electrochromic supercapacitor(ECS)를 연구하였다.
•연구 결과
-변색 정도에 따라 충·방전 정도를 알 수 있는 커패시터로의 응용을 확인할 수 있었고, 실제 전구의 불을 붙이는 등의 에너지 저장장치로도 활용할 수 있음을 확인했다.
5. Stimulus-Responsive Micro-Supercapacitors with Ultrahigh Energy Density and Reversible Electrochromic Window
(Adv. Mater. 29 (2017) 1604491)
•연구 내용
-EG/V2O5가 코팅된 전극에 Electrolyte를 첨가하고, 그 안에 바이올로젠인 MV를 같이 넣어 EG/V2O5를 통해 충·방전이 가능한 커패시터를 구현하고, 바이올로젠을 축전 정도를 변색 정도를 통해 확인하는 성능을 가진, Electrochromic supercapacitor(ECS) 를 연구하였다.
•연구 결과
-변색 정도에 따라 충·방전 정도를 알 수 있는 커패시터의 개발에 성공하였고, 기능적으로도 우수한 충방전 능력과 안정성 (6000cycle 이후 90%의 충방전 능력 유지)을 가진 커패시터를 개발하였다.
- 특허조사 및 특허 전략 분석
•특허 조사
•특허 전략 분석
-해결하려는 과제:
유연하고 충방전 상태를 실시간으로 확인 가능한 변색효과가 있는 동시에 개선된 축전능력을 가지는 슈퍼커패시터와 이의 제조방법에 관한 것이다.
-과제의 해결 수단: 기존 변색물질을 활용한 슈퍼커패시터의 경우 WO₃가 코팅된 ITO electreode 사이에 H⁺, Li⁺, or Na⁺ 등의 물질을 넣으면 충·방전과정, 즉 전극에서 일어나는 산화환원반응의 정도에 따라 변색효과가 나타난다. 본 연구의 경우, 폴리바이올로젠을 이용해 단분자 바이올로젠보다 산화가 느리다는 특징을 활용해 자연 방전 정도를 낮추는 효과를 기대할 수 있다.
또한, 폴리바이올로젠이 변색 특성을 가지고 있고, 변색 정도는 바이올로젠의 환원 정도에 따라 달라지므로, 바이올로젠이 환원된 상태가 곧 축전 정도를 뜻함과 동시에 변색의 정도도 나타낸다. 이를 통해 실시간으로 축전 용량을 확인할 수 있는 커패시터의 구성이 가능해진다.
폴리바이올로젠은 고분자이기 때문에 고분자가 가지는 물성을 가지고 있으며, 이는 [EMI][TFSI], [BMI][BF4]와 같은 이온성 액체와 혼합했을 때 gel 형태가 된다. 이를 통해 특유의 유연성을 바탕으로 자유로운 형태를 지닌 커패시터를 구성할 수 있다.
- 기술 로드맵
시장상황에 대한 분석
- 경쟁제품 조사 비교
내용
- 마케팅 전략 제시
내용
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, 슈퍼커패시터, 스마트 윈도우 등이 있다.
• 해당 연구개발의 결과로 얻게 될 전기변색소자를 이용한 슈퍼커패시터는 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, 폴리바이올로젠을 이용한 커패시터의 경우 gel 전해질 내에 바이올로젠이 존재하기 때문에 전극에 추가적 공정을 가할 필요가 없어 경제적이다.
• 새로운 개념의 커패시터를 제안, 추후 바이올로젠을 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
-폴리바이올로젠 합성, NMR 분석 : 다양한 구조의 폴리바이올로젠을 합성하고, 해당 물질이 잘 합성되었는지 NMR을 통해 확인한다. - 김마가
-UV 분석, CV분석 : 폴리바이올로젠의 발색 특성 (색) 및 산화환원 전위를 UV-spectroscopy 및 cyclic oltammetry를 통해 측정한다. - 신현수
-dynamics 및 coloration efficiency분석 : 폴리바이올로젠의 발색 특성 (발색 시간 및 발색 효율)을 UV-vis spectrometer을 통해 측정한다. - 이윤주
-충방전 능력 및 capacitance 분석 : 폴리바이올로젠의 커패시터로서의 능력 (충방전 능력과 capacitance, capacitance 유지 능력)을 GCD를 통해 측정한다. - 김마가, 문경활
설계
설계사양
제품의 요구사항
내용
설계 사양
내용
개념설계안
내용
이론적 계산 및 시뮬레이션
내용
상세설계 내용
내용
결과 및 평가
완료 작품의 소개
프로토타입 사진 혹은 작동 장면
내용
포스터
내용
관련사업비 내역서
완료작품의 평가
내용
향후계획
내용
현재 폴리바이올로젠을 이용한 수퍼커패시터 제작의 가능성 여부를 확인했으며, 추후 연구를 통해 ECS를 직접 제작, GCD성능을 test한다.
ECS를 이용한 전력 사용을 시연한다. (ex)전자기기에 전원 공급)
특허 출원 내용
내용
