기능성고분자1조
프로젝트 개요
기술개발 과제
국문 : 폴리-바이올로겐을 응용한 열 차단 스마트 윈도우
영문 : Heat shutting smart window based on poly-viologen
과제 팀명
기능성 고분자 1조
지도교수
문홍철 교수님
개발기간
2020년 9월 ~ 2020년 12월 (총 4개월)
구성원 소개
서울시립대학교 화학공학과 20178900** 김*영 (팀장)
서울시립대학교 화학공학과 20173400** 인*령
서론
개발 과제의 개요
ECD (electrochromic display)는 전극 물질에 전기화학적으로 산화 또는 환원 반응을 일으킬 때 전기변색 화학물질로 인해 물질의 색이 변하는 현상을 이용한 디스플레이를 말한다. 유기 또는 무기 전기변색 물질로 이루어진 소자는 기존의 LCD, LED에 비해 적은 비용으로 넓은 면적의 소자로 제작될 수 있고, 소비전력이 낮으며, 눈부심이 없고 시야각이 넓으므로 전자 종이, 스마트 윈도우, 스마트 글래스 등 차세대 디스플레이 분야에 활용될 가능성이 큰 기술이다.
ECD에 적용되는 전해질은 전기화학 소자의 성능에 영향을 미치는 핵심 소재이다. 기존 액체상 전해질의 누액 현상, 낮은 안정성과 고체상 전해질의 낮은 전도성의 단점을 극복하기 위한 기술로 뛰어난 이온 전도도와 높은 기계적 강도를 동시에 보이는 이온 젤이 새로운 전해질로 대두되었다. 고체상인 고분자와 이온성 액체의 물리적 또는 화학적 결합을 통해 네트워크 구조를 형성하는 이온 젤은 슈퍼커패시터, 리튬 전지, 연료 감응형 태양전지, 센서, 트랜지스터, 디스플레이 등 다양한 전기화학 소자에 적용되고 있다.
바이올로젠은 EC 물질 중에 하나로 특정한 화학구조 (4,4'-bipyridine)를 기반으로 그 주변의 치환기에 따라 변색 특성이 달라지는 물질이다. 일반적으로 질소 원자 위치에 알킬 그룹이 치환된 형태로 많이 활용되지만 아릴 그룹과 같은 다양한 치환체 도입을 통해 색과 같은 특성 조절이 비교적 쉽다. 또한, 음이온 치환 반응을 통해 이온 젤에서의 용해도 조절이 수월하여 간단한 구조의 변색 소자 제작이 가능하다. 이러한 바이올로젠은 환원되며 특정한 색을 띠고, 환원된 바이올로젠이 확산을 통해 산화된 anodic species (바이올로젠의 환원을 돕는 물질)와 만나거나, 전극을 통해 산화되면서 탈색이 일어난다.
기존 바이올로젠의 경우, 단분자 구조이기 때문에 빠른 확산 속도의 특성을 가지며, 그에 따라 변색과 탈색이 상대적으로 빨리 일어난다. 따라서 같은 시간 색을 유지하기에 전기에너지가 많이 요구되며, 에너지 측면에서 개선할 필요가 있다.
본 연구는 바이올로젠을 고분자로 만들어 분자량을 늘려 확산 속도를 낮추는 것이 목표이다. 4-methylbenzyl bromide와 4,4’-bipyridne을 결합하고, 이를 backbone으로 하는 폴리-바이올로젠을 polycondensation을 통해 합성한다. 이를 통해 억제된 변색과 탈색 특성은 저전력의 장치를 만들어 궁극적으로 새로운 스마트 윈도우를 제작할 수 있다.
기존 ECD 기반의 스마트 윈도우의 경우, 변색과 탈색 시에 적외선을 흡수하는 금속 산화물(ex: WO₃, NiOx) 을 전극에 코팅한다. 이 경우에 전극에 별도의 고온 코팅 처리를 해야 하므로 까다로운 과정이 요구된다. 본 연구 개발에서의 폴리-바이올로젠의 경우, 전극에 별도의 코팅 처리를 하지 않고 all-in-one type의 ECD가 제작이 가능하므로 제작 공정을 확연히 줄일 수 있다.
개발 과제 요약
ECD(electrochromic display)는 전기변색 화학물질이 전기화학적으로 산화 또는 환원 반응을 일으킬 때 색이 변하는 현상을 이용한 디스플레이이다. 전자 종이, 스마트 윈도우, 스마트 글래스 등 차세대 디스플레이 분야에 활용되고 있다.
ECD에 적용되는 전해질로 고분자와 이온성 액체가 물리적 또는 화학적 결합을 통해 네트워크 구조를 형성하는 이온 젤을 사용한다. 본 과제에서는 random copolymer와 ionic liquid를 이용한 이온 젤을 제작하고 EC 물질로는 바이올로젠과 페로센을 사용한다.
바이올로젠은 EC 물질 중 하나로 4,4'-bipyridine의 화학구조를 기반으로 치환기에 따라 변색 특성이 달라지는 물질이다. 바이올로젠은 환원되며 특정한 색을 띠고, 환원된 바이올로젠이 확산을 통해 산화된 anodic species와 만나거나, 전극을 통해 산화되면서 탈색이 일어난다.
기존 단분자 구조의 바이올로젠과는 다르게 해당 연구 과제는 바이올로젠을 고분자로 만들어 분자량을 늘려 확산 속도를 낮추는 것이 목표이다. 고분자 바이올로젠(폴리바이올로젠)의 ECD로의 적용을 통해 억제된 변색과 탈색 특성으로 저전력의 장치를 만들어 새로운 스마트 윈도우를 제작할 예정이다.
개발 과제의 배경
일반적으로 디스플레이에서의 electrochromic (EC) 시스템은 전압에 따른 가역적인 산화 환원 반응으로 광학적인 특성을 나타낸다. 특히 비휘발성, 고전도성의 특징을 갖는 폴리머 젤 전해질(이온 젤)을 기반으로 한 electrochromic device는 현재 많은 관심을 받고 있으며, 활용 분야로는 센서, 슈퍼커패시터, 스마트 윈도우 등이 있다.
전기변색 소자를 이용한 스마트 윈도우는 추운 환경에서는 투명해져 빛의 투과성을 높여 실내 온도를 높이고, 더운 환경에서는 변색과 동시에 적외선 영역의 빛을 흡수하여 실내 온도를 낮게 유지 시킨다.
해당 연구로 개발할 전기변색 물질(폴리바이올로겐)의 낮은 확산을 통한 self-bleaching의 억제는 저전력의 device를 기대할 수 있으며, 이는 에너지를 보존시키는 스마트 윈도우의 이점을 가져올 것으로 예상된다.
기존 스마트 윈도우의 경우, 일반적으로 변색과 탈색 시에 적외선을 흡수하는 금속 산화물(ex: WO₃, NiOx) 을 전극에 코팅한다. 이 경우에 전극에 별도의 고온 코팅 처리를 해야 하므로 까다로운 과정이 요구된다. 본 연구 개발에서의 폴리바이올로젠의 경우는 ion gel 전해질 내에 바이올로젠이 존재하는 all-in-one type의 device이므로 전극에 별도의 코팅 처리를 하지 않고도 제작할 수 있어서 제작 공정을 확연히 줄일 수 있다.
폴리바이올로젠 기반의 저전력 ECD 스마트 윈도우를 개발함으로써 건물이나 차량 등의 실내 온도를 조절하는 효과적인 열 차단제로서의 실현 가능성을 보인다.
개발 과제의 목표 및 내용
본 연구는 바이올로젠을 고분자로 만들어 분자량을 늘려 확산 속도를 낮추는 것을 목표로 한다. 비교가 되는 단분자 바이올로젠(모노바이올로젠)의 경우, 4-methylbenzyl bromide와 4,4’-bipyridne을 결합하여 제작한다. 이를 backbone으로 하여 고분자 바이올로젠(폴리바이올로젠)을 polycondensation을 통해 합성한다. 폴리바이올로젠의 경우 Mn ~15000 g/mol을 목표로 한다.
제작한 모노바이올로젠과 폴리바이올로젠의 EC 물질의 특성(색, UV 흡수)을 확인하고, Cyclic Voltammetry로 확산도를 계산한다. 이를 통해 확산 속도가 느려지는 것을 확인한다.
폴리바이올로젠을 기반으로 하는 ECD를 제작하여 변색과 탈색 속도를 측정한다. 또한, 전력 소모를 계산하여 저전력 장치의 성공적인 개발을 확인하고 안정성을 테스트한다.
폴리바이올로젠 ECD의 스마트 윈도우로의 적용을 확인하는 실험을 진행한다. 실내와 비슷한 환경을 갖는 미니어처 아이스박스를 제작하고, 창문의 역할을 하는 유리를 일반적인 유리와 폴리바이올로젠 기반 ECD의 두 가지 경우로 비교한다. 효과적인 저전력 스마트 윈도우의 제작을 증명한다.
관련 기술의 현황
관련 기술의 현황 및 분석(State of art)
- 전 세계적인 기술현황
- 1. Polythiophene-nanoWO3 bilayer as an electrochromic infrared filter: a transparent heat shield
- Tungsten oxide(WO3)와 Poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl) (P3HT)로 구성된, 적외선(IR) 차단 전기변색 윈도우 제작. ON 상태 (1 V)일 때는 Near IR 영역을 흡수하고, OFF 상태 (-1 V) 일 때는 보라색을 띠며 가시광선 영역을 흡수한다.탈색 및 변색 시간이 0.5초 이하이며 1600 cycle 동안 안정하게 구동되고, 378 cm2/C의 높은 변색 효율을 보인다.하지만, 액상 전해질 (LiClO4 in PEO)을 사용했으므로 실제 소자 제작 시 누출 및 휘발의 위험이 있으며 변색 시 투과도 차이가 60% 이하로 높지 않다는 단점이 있다.
- 2. Voltage-Tunable Multicolor, Sub-1.5 V, Flexible Electrochromic Devices Based on Ion Gels
- 변색 물질로 Monoheptyl viologen (MHV), Diheptyl viologen (DHV)을 사용하여 변색 소자를 제작하였으며, 가동전압을 달리하며 변색의 효과를 관찰한다. MHV는 –1.3 V에서 자주색을 띠며, DHV는 +0.8 V에서 파란색을 띠는 특성을 응용하여 여러 색을 구현하는 것에 성공하였다. 투과도 차이 역시 90 % 가량으로, 높은 변색 효율 (~87.5 cm2/C)을 보였다.하지만, 비교적 낮지 않은 전력 소비 (~248 uW/cm2)값을 가지며 self-bleaching이 일어난다는 단점이 존재한다.
- 3. User-Customized, Multicolor, Transparent Electrochemical Displays Based on Oxidatively Tuned Electrochromic Ion Gels
- 변색 물질로 각각 빨강, 초록, 파랑을 띠는 CF3PhV(PF6)2, CF3FPhV(PF6)2, EtV(PF6)2 를 포함하며 anodic 물질을 조절해 전부 비슷한 구동 전압을 가지는 EC gel을 만들어, 사용자가 직접 그림을 그려 원하는 모양의 전기변색 윈도우를 만들 수 있게끔 하였다. 높은 투과도 차이 (~90 %) 와 좋은 변색 효율 (100 cm2/C 이상)을 가진다. 하지만, 자가탈색 (self-bleaching)이 비교적 빠르게 일어난다는 단점이 존재한다.
- 특허조사 및 특허 전략 분석
- 1.전기 변색 물질 및 이를 포함하는 전기 변색 소자
- (a)의 전기변색 물질과, 이를 포함하는 전기변색 소자를 개발하였다. (b)에 표현된 반응식 중, 첫 번째 환원된 상태 (B)는 녹색을, 두 번째 환원된 상태인 (C) 는 적색을 띤다.
전기변색 소자는 (c) 와 같이 제작된다.
- 2. 전기변색성 스마트 윈도우 필름
- 기존의 유리 기판 대신 고분자 기재 층과 은 나노와이어 층을 전극으로 이용했으며, 유기 변색 물질로 바이올로겐을 사용한 전기변색 소자를 제작하였다.
- 3. 비올로겐 화합물과 이를 포함하는 전해질, 광 투과도 가변 패널 및 표시장치
/usr/bin/timeout: the monitored command dumped core
/var/www/capstone/ce/includes/limit.sh: line 101: 29541 중지됨 /usr/bin/timeout $MW_WALL_CLOCK_LIMIT /bin/bash -c "$1" 3>&-
Error code: 134
- 특성과 차광 특성이 우수한 바이올로겐 화합물과 (a), 그 화합물을 이용한 광 투과도 가변 패널 및 표시장치 (b, c)를 개발하였다.
- 기술 로드맵
내용
시장상황에 대한 분석
- 경쟁제품 조사 비교
내용
- 마케팅 전략 제시
내용
개발과제의 기대효과
기술적 기대효과
일반적으로 디스플레이에서의 electrochromic (EC) 시스템은 전압에 따른 가역적인 산화 환원 반응으로 광학적인 특성을 나타낸다. 특히 비휘발성, 고전도성의 특징을 갖는 폴리머 젤 전해질(이온 젤)을 기반으로 한 electrochromic device는 현재 많은 관심을 받고 있으며, 활용 분야로는 센서, 슈퍼커패시터, 스마트 윈도우 등이 있다.
본 연구의 결과로 얻게 될 전기변색 소자를 이용한 스마트 윈도우는 추운 환경에서는 투명해져 빛의 투과성을 높여 실내 온도를 높이고, 더운 환경에서는 변색과 동시에 적외선 영역의 빛을 흡수하여 실내 온도를 낮게 유지 시킨다.
특히 해당 연구로 개발할 전기변색 물질(폴리-바이올로젠)의 낮은 확산도를 통한 self-bleaching의 억제는 저전력의 device를 기대할 수 있으며, 이는 에너지를 보존시키는 스마트 윈도우의 이점을 가져올 것으로 예상된다.
경제적, 사회적 기대 및 파급효과
기존의 스마트 윈도우의 경우, 일반적으로 전극에 금속 산화물을 코팅한다. 이 코팅 과정에서 고온의 열을 가하는 공정이 존재하는데, 폴리-바이올로젠을 이용한 경우 gel 전해질 내에 바이올로젠이 존재하는 all-in-one type의 device이기 때문에 전극에 추가적 공정을 가할 필요가 없어 경제적이다.
폴리바이올로젠 기반의 저전력 스마트 윈도우를 개발함으로써 건물이나 차량 등의 실내 온도를 조절하는 효과적인 열 차단제로서의 실현 가능성을 보여 추후 다양한 연구를 통한 기술발전에 긍정적인 영향을 준다.
기술개발 일정 및 추진체계
개발 일정
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구성원 및 추진체계
내용
설계
설계사양
제품의 요구사항
내용
설계 사양
내용
개념설계안
내용
이론적 계산 및 시뮬레이션
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상세설계 내용
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결과 및 평가
완료 작품의 소개
프로토타입 사진 혹은 작동 장면
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완료작품의 평가
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