4조
프로젝트 개요
기술개발 과제
국문 : 이온 젤 전해질 기반 전기변색 슈퍼커패시터
영문 : Electrochromic Supercapacitor based on Ion Gel Electrolytes
과제 팀명
4조
지도교수
문홍철 교수님
개발기간
2020년 9월 ~ 2020년 12월 (총 4개월)
구성원 소개
서울시립대학교 화학공학과 20143400** 윤*하(팀장)
서울시립대학교 화학공학과 20178900** 황*지
서론
개발 과제의 개요
개발 과제 요약
◇ 기존에 사용되었던 Electrolytes의 종류와 특징에 대해 조사한다.
◇ Ion Gel의 역할 및 특성과 활용, Ion Gel을 형성 및 제조할 수 있는 여러 가지 시스템에 대해 연구한다.
◇ Electrochromic(EC) behavior의 원리 및 특성을 파악하고, 현재 활용되고 있는 Electrochromic Devices(ECD)에 대해 조사하고 정리한다.
◇ Ion Gel Electrolytes 기반 Electrochromic Supercapacitor(ECS)의 특성과 활용도에 대해 연구한다.
개발 과제의 배경
◇ 전기화학 소자는 배터리, 액추에이터, 슈퍼커패시터, 센서 등 다양한 분야에서 사용된다. 그 중 슈퍼 커패시터는 축전용량이 큰 에너지 저장 장치로, 전극과 전해질 계면으로의 단순한 이온 이동이나 표면화학반응에 의한 충전현상을 이용한다. 이러한 특성으로 휴대통신기기 및 가전제품의 메모리 백업 전원과 무정전 전원 장치, EV에서의 주전원 및 보조전원 등에 활용되고 있으며, 가장 보편적으로 사용되고 있는 이차전지보다 높은 출력 특성과 빠른 응답속도, 긴 수명, 효율이 높은 충 방전 특성을 가져, 최근 슈퍼커패시터의 시장 규모 확대와 함께 관련 연구가 활발히 진행되고 있다.
◇ 전극과 전해질 계면 사이의 이온 이동을 이용하는 슈퍼커패시터에 대한 기대가 커지면서 이에 적용되는 전해질에 대한 개발도 함께 이루어지고 있다. 현재, 이온성 액체에 3차원 그물망 구조를 형성하는 고분자를 첨가하여 이온들의 움직임을 방해하지 않는 전해질이 연구되고 있다. 이것을 이온 젤이라 부르는데, 이온성 액체 내에서 3차원 구조를 형성하는 물질로는 실리카, 블록공중합체 등이 있으며 이러한 고분자들을 이용하여 고체 상태의 이온 젤을 형성할 수 있다. 이온 젤 기반 전해질은 이온성 액체의 전기적 특성, 고분자의 기계적 물성과 함께 높은 안정성을 갖는다.
◇ 적절한 응용분야를 찾지 못해 상용화되지 못했던 전기변색기술은 새로운 디스플레이의 개발, 에너지 위기, 안전성을 추구하는 시대적 흐름에 맞춰 새롭게 조명을 받고 있다. 현재 자동차용 거울, 스마트 윈도우 등으로 쓰이고 있으며 투명 디스플레이, 반사형 디스플레이 등의 전기변색 방식 디스플레이 및 전기변색 슈퍼커패시터(ECS), 전자가격 표시 장치(ESL) 등에도 활용될 것으로 전망된다.
개발 과제의 목표 및 내용
◇ 현재까지 EC기술에 사용된 전해질의 역사와 흐름을 인지하고, 사용되고 있는 전해질의 종류와 조건을 파악한다.
◇ EC기술은 전기변색 물질의 산화/환원 반응을 원리로 한다. 대표적인 변색 물질은 크게 금속 산화물, 전도성 고분자, 바이올로젠과 같은 유기 저분자가 존재한다. 예로 MV2+의 환원 반응을 통해 변색 과정이 유도될 수 있는데, 전압이 가해져 양이온 라디칼 형태가 되면 노란색에서 파란색으로 색이 바뀌게 된다. 이는 상온에서 비교적 높은 이온전도도와 기계적 물성, 변색 효율을 갖으며, 낮은 전압에서도 안정적인 구동이 가능하다. 또한 변색을 유도하고 그 색을 유지하는데 필요로 하는 전력 소모량이 낮아 저전력 디스플레이와도 견줄 수 있는 수준이라고 보고된 바 있다. 따라서 EC기술의 우수한 특성을 살린 ECD, 그중 ECS에 대해 자세히 알아보고자 한다.
관련 기술의 현황
관련 기술의 현황 및 분석(State of art)
- 전 세계적인 기술현황
◇ 최근 전기변색 슈퍼커패시터(ECS)에 사용되는 전해질은 이온 젤 기반으로, 이온성 액체에 3차원 그물망 구조를 형성하는 고분자를 첨가한 형태이다. 현재 연구에서 주로 쓰이는 이온성 액체로는 [EMI][TFSI], [BMI][TFSI] 및 [BMI][BF4]가 있다.
◇ 전기변색 슈퍼커패시터(ECS)의 성능은 전해질의 농도 및 종류, 변색물질의 종류에 따라 변한다. 변색 물질은 산화 및 환원 물질로 나눌 수 있는데, 환원변색 물질은 WO3, MoO3, TiO3 등이 있으며, 산화변색 물질은 V2O5, IrO2, Nb2O5 등이 있다. 현재 연구에 주로 쓰이는 물질로는 V2O5, 폴리 아닐린, 폴리 에틸렌 다이옥신 사아오펜(PEDOTs) 등이 있다.
◇ 기존에 사용되었던 이온성 액체는 비가연성, 높은 이온전도도, 낮은 제조비용이라는 장점이 있지만 사용 시 누액의 위험이 있다. 또한 고체 고분자 전해질은 우수한 기계적 물성을 갖지만, 고분자 사슬과 이온 사이의 상호작용으로 이온의 이동이 방해 받게 되어 일반적으로 비교적 낮은 이온전도도를 나타낸다. 즉, 우수한 기계적 물성을 갖지만 상온에서 이온전도도가 액체에 비해 상당히 떨어진다는 단점이 있다.
- 특허조사 및 특허 전략 분석
◇ 이온 젤 스마트 윈도우 제조방법 (출원인: 영남대학교 산학협력단) 이온젤 스마트 윈도우 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 본 발명에 따르면, 전기전도성과 빛에 대한 투과성 있는 제1투명전극체; 상기 제1투명전극체의 일측에 마련되며, 전자의 이동에 따라 변색되는 제1전기변색층; 상기 제1전기변색층의 일측에 마련되며, 상기 제1전기변색층이 전기변색을 일으킬 수 있도록 전해질로 이루어진 전해질층; 및 상기 전해질의 일측에 마련되며, 전기전도성과 빛에 대한 투과성이 있는 제2투명전극체;를 포함하되, 상기 전해질층은 고분자폴리머 및 ionic liquid를 포함하여 이루어지는 이온젤(ion gel)인 것을 특징으로 하기 때문에 전해질층이 액체로 되어 제조되는 스마트 윈도우에 비하여 스마트 윈도우의 안정성과 안전성이 대폭 증대되고, 스마트 윈도우의 수명 단축을 억제시킬 수 있는 기술이 개시된다.
◇ 전기변색 소자 (출원인: 한국전자통신연구원) 이 전기변색 소자는 서로 대향되는 제 1 전극 및 제 2 전극; 상기 제 1 전극과 상기 제 2 전극 사이에 개재되는 유기 전기변색 전해질층; 및 상기 유기 전기변색 전해질층과 상기 제 1 전극 사이에 배치되는 무기 전기변색층을 포함하되, 상기 유기 전기변색 전해질층은 페노티아진(phenothiazine) 유도체를 포함하고, 상기 페노티아진 유도체는 10-에틸페노티아진, 10-이소프로필페노티아진 및 10-페닐페노티아진 중 하나이다.
◇ 이온성 액체를 이용한 젤 폴리머 전해질 및 이를 이용한 전기 변색 소자 (출원인: 주식회사 엘지화학) (a) 제 1 전극; (b) 제 2 전극; (c) 전기 변색 물질; 및 (d) 이온성 액체 (Ionic Liquid)를 함유하는 젤 폴리머 전해질을 포함하는 전기 변색 소자 및 이의 제조방법을 제공한다. 또한, 본 발명은 상기 전기 변색 소자용 전해질을 제공한다. 본 발명의 전기변색 소자는 이온성 액체를 포함하는 젤 폴리머 전해질을 사용함으로써 전해질 누출이 없고, 액체 전해질에 비해 소자의 구조 변형이 용이하여 플라스틱을 이용한 소자의 제작이 가능하며, 이온성 액체에 의해 필요한 소자의 구성물질과 전해질과의 부반응을 최소화 할 수 있다.
◇ 전기 변색성 슈퍼 커패시터 (출원인: 서울시립대학교 산학협력단, 영남대학교 산학협력단) 서로 마주보고 배치되는 제 1 전극 및 제 2 전극, 상기 제 1 전극 및 상기 제 2 전극 사이에 위치하며, 고분자 매트릭스 및 상온에서 액체 상태인 이온염을 포함하는 이온 젤(ion gel), 그리고 상기 제 1 전극 및 상기 이온 젤 사이에 위치하며, 전기 변색 물질을 포함하는 전기 변색 층을 포함한다, 상기 전기 변색성 슈퍼 커패시터는 실시간 충전 용량을 컬러로 표시할 수 있고, 매우 투명하여 높은 투과율 및 착색 효율을 가지고, 우수한 충방전 효율, 사이클 안정성 및 높은 면적 커패시턴스를 나타내며, 유연하게 제조되어 우수한 굴곡 내구성을 가질 수도 있다.
- 기술 로드맵
내용
시장상황에 대한 분석
- 경쟁제품 조사 비교
내용
- 마케팅 전략 제시
내용
개발과제의 기대효과
기술적 기대효과
◇ 기존의 이온 젤 전해질보다 상온에서의 높은 이온전도도 및 기계적 물성, 변색효율, 낮은 전압에서의 안정성을 갖게 되어 성능이 향상된다.
◇ 전기화학적 디스플레이의 동작 원리상 전해질은 필수적이다. 상온 및 저압의 조건에서 안정적으로 구동할 수 있는 최적의 이온 젤 기반 전해질을 개발한다면 플렉서블 및 웨어러블한 전기화학 디스플레이 소재 및 공정 기술 확보가 가능해진다.
◇ 슈퍼커패시터에도 적용이 가능한 이온 젤 기반 전해질 소재가 개발된다. 충방전과 동시에 소자의 변색이 가능해진다.
◇ 전해질은 전기화학 산업에 핵심 요소 중 하나이기 때문에 스마트 윈도우, 전기변색 거울 등 차세대 전기화학 산업에 다양하게 응용할 수 있다.
경제적, 사회적 기대 및 파급효과
◇ 국가 경제 선도가 가능한 플렉서블 디스플레이, 에너지 저장 장치 등의 기술 발전에 크게 기여가 가능하며, 관련 산업 성장과 함께 일자리 창출이 가능하다.
◇ 기존 고가의 OLED, LCD 디스플레이가 구현해내지 못했던 저비용, 모바일 사이즈의 플렉서블 디스플레이 시장에 전기화학 디스플레이 기술 적용이 가능해지고, 이에 따라 디스플레이 시장의 새로운 수익 구조가 창출된다.
◇ 성능이 향상된 기술을 확보해 상용화가 가능할 경우, 전기화학 관련 소재, 공정 기술 영역에서 수입을 대체할 수 있는 품목이 생길 것으로 예상한다.
기술개발 일정 및 추진체계
개발 일정
구성원 및 추진체계
설계
설계사양
제품의 요구사항
내용
설계 사양
내용
개념설계안
내용
이론적 계산 및 시뮬레이션
내용
상세설계 내용
내용
본론
ECS(Electrochromic Supercapacitor)
Introduction
효율적인 에너지 저장 장치의 개발은 재생 에너지를 전통적인 에너지 대체 에너지로 활용하기 위한 시급한 요구사항 때문에 많은 관심을 끌었다.에너지 효율적인 저장 전략 중, 슈퍼 커패시터라고도 불리는 전기화학 커패시터는 장기 수명, 우수한 전력 밀도 및 우수한 속도 성능으로 인해 에너지 저장을 위한 일종의 유망한 장치이다. 슈퍼커패시터의 전기화학적 성능 향상에 중점을 둔 것 외에도 유연성과 웨어러블 호환성과 같은 다기능과의 통합은 휴대용 기기에 슈퍼커패시터를 편리하게 사용할 수 있도록 연구자들의 관심을 점점 더 끌어모으고 있다. 또한, 일상생활에서 쉽게 사용할 수 있도록 슈퍼커패시터에 일부 스마트 기능을 통합하는 것은 슈퍼커패시터 개발에 또 다른 중요한 문제이다. 이러한 문제들 중에서, 사람들이 전기 에너지의 저장을 쉽고 실시간으로 추정하거나 결정할 수 있도록 하는 것이 중요하다. 따라서 전기 에너지 저장을 쉽게 결정하는 데 사용할 수 있는 스마트 재료를 사용하거나 통합하는 것은 매우 중요하다. 에너지 저장 상태의 쉬운 측정을 위해 활성 물질의 변화는 사람이 쉽게 감지할 수 있어야 한다. 시각적 변화는 식별될 수 있는 가장 인상적인 변화이다. 한편, 일부 전이금속 산화물 또는 전도성 중합체(예: 폴리아닐린)는 모두 활성 물질과 전해액 사이의 빠른 faradaic reactions을 이용하기 때문에 슈퍼커패시터와 전기변색소자 모두에서 활성 물질로 사용될 수 있다. 따라서 이러한 종류의 재료는 스마트 슈퍼커패시터 제작에 적합하다. 이러한 물질 중 텅스텐 산화물은 슈퍼 커패시터와 전기변색소자 모두에 대한 호환성이 뛰어나며 bleached상태(투명)와 colored상태(두꺼운 파란색) 사이의 완벽한 대비로 슈퍼커패시터의 스마트 재료로 사용되었다고 보고되었다. 스마트 기능은 색상의 변화를 작동 전극의 전위 또는 전기 에너지 저장(EES)과 연관시켜 성공적으로 입증되었다.
Our approach
이러한 스마트 기능을 달성하기 위해서는 적어도 세 가지 문제가 해결되어야 한다. 첫째로, 색상 변화는 추정에만 사용될 수 있는 반면, 색상 변화를 정량적으로 정의하고 그에 따라 관련 슈퍼커패시터의 파라미터를 결정하는 방법은 여전히 과제로 남아 있다. 둘째, 전기변색 및 전기화학 커패시터 모두에 대해 활성화된 극소수의 재료만이 이러한 스마트 기기의 전극으로 사용될 수 있다. 결과적으로, 보고되는 색깔이 변하는 스마트 슈퍼커패시터는 보통 제한된 커패시턴스를 가지고 있는 반면 PPy와 MnO2와 같은 우수한 활성 물질로 제작된 고성능 슈퍼커패시터의 경우 스마트 기능이 실현되지 않았다. 따라서 스마트 기능과 고용량 성능을 통합하기 위해 실행 가능한 접근 방식을 개발하는 것이 매우 중요하다. 세 번째 문제는 중요하고 필수적인 문제이다. 색 변화가 슈퍼커패시터의 포텐셜 또는 EES와 관련이 있는지는 실제로 명확하지 않다. 포텐셜과 EES 사이의 의존성은 선형적이지 않다는 점에 유의해야 한다. 이는 거의 모든 유형의 슈퍼커패시터 전극, 특히 psuedo-capacitor에 대해 실험한 galvanostatic curve는, WO3 전극에 대한 전형적인 galvanostatic curve인 그림 1a에 표시된 것처럼 이상적인 삼각형으로부터 항상 심각한 왜곡을 나타내기 때문이다. 따라서, 일반적으로 사용되는 방정식에 의해 잠재력으로부터 EES를 계산할 때 큰 편차가 발생할 수 있다.
결과 및 평가
완료 작품의 소개
프로토타입 사진 혹은 작동 장면
내용
포스터
내용
관련사업비 내역서
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완료작품의 평가
내용
향후계획
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특허 출원 내용
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