문홍철교수님2조

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 이온 젤의 강도에 대한 전이 금속의 영향

영문 : Effect of transition metal on strength of ion gel

과제 팀명

문홍철교수님 2조

지도교수

문홍철 교수님

개발기간

2021년 9월 ~ 2021년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 화학공학과 20163400** 홍*혁(팀장)

서울시립대학교 화학공학과 20173400** 이*현

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

◇ 오늘날 디스플레이 산업에서 플렉서블 소자 구현을 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그 중에 변색층을 용액 공정으로 제작 가능하여 대량 생산이 가능하고, 전극의 종류에 상관없이 구동 가능하며, 구동 전압이 OLED보다 낮다는 장점들을 가진 이온젤을 기반한 전기화학발광 디스플레이 또는 전기변색 디스플레이의 개발이 주목을 받고 있다. 또한 이러한 디스플레이는 외부의 전기적 자극에 반응하여 흡광도나 투과도 같은 광학적 특성을 변화시킬 수 있어 스마트 윈도우와 눈부심 방지 룸미러 같은 분야에도 활용할 수 있다.

◇ 이온젤(ion gel)은 고분자와 이온성 액체(IL)로 구성된 복합 물질(composite material)이다. 이러한 이온 젤의 성능은 고분자 종류에 따라 달라지며 고분자는 합성 방법, 구조, 그리고 각 단량체의 농도 등 많은 요인에 의해 다양한 성질을 가질 수 있다.

◇ 이번 연구에서 이온전도도가 높고 기계적 강도가 향상된 이온젤을 만들어 EL device에 적용하는 것을 목표로 한다. 이러한 물성을 갖는 이온젤은 고분자에 전이금속을 첨가하여 금속 Ligand와 고분자의 Acetoacetate group간 가교결합(cross-linking)을 형성하여 강도를 높이고, 이온전도도를 높이기 위해 이온성 액체의 비율을 조절하여 제작할 수 있다. 이를 위해 고분자의 종류, 전이금속의 종류 및 농도, 이온성 액체의 비율등을 변화시키며 각각의 성능을 비교한다.

◇ 위의 분석을 바탕으로 이온전도도와 기계적 강도가 우수한 최적의 이온젤을 결정할 것이다. 또한 제작한 이온젤을 활용한 EL device를 제작하여 최종으로 그 성능을 확인한다.

개발 과제의 배경

◇ 액체 전해질은 높은 이온전도도를 가지며 전극성과의 접촉이 좋다는 장점을 가진다. 그러나 휘발성이 심하고 누액이 발생하여 안정성에 대한 문제를 가지고 있다. 이에 반해, 고체 전해질은 안정적이지만 전극과 전해질 사이의 접촉 계면이 형성이 어렵고 저항이 크다는 단점이 있다. 이온젤을 이용한 전해질은 위 두 전해질의 단점을 보완할 수 있다. 또한 플랙서블하다는 특징은 다양한 분야에서 관심을 모으고 있다.

◇ 이러한 특징을 바탕으로 이온젤은 전기변색 소자나, Wearable Device, 바이오공학, 트랜지스터 등 다양한 분야에서 활용될 수 있다.

◇ 본 연구에서는 고분자의 구조를 선형에서 그물구조로 바꾸고, 전이 금속을 첨가하여 이온젤의 성능을 개선할 방안을 제시한다. 이를 바탕으로 높은 이온전도도를 가지며 기계적 강도가 우수한 이온젤을 개발하고자 한다.

◇ 본 연구에서 성능이 향상된 이온젤을 개발함과 동시에 다양한 조건(고분자의 종류, 전이 금속 종류와 비율, 이온성 액체의 비율)에 따른 이온젤의 이온전도도와 기계적 강도를 분석하여 미래에 더 나은 성능의 이온젤 개발에 기여할 수 있다.

개발 과제의 목표 및 내용

◇ 이번 연구의 목표는 전이 금속을 이용해 그물 구조의 고분자를 합성하고 이를 이온 젤에 적용해 물성을 개선하는 것이다. 또한 합성한 이온젤을 바탕으로 소자에 활용할 것이다. 이 목표를 달성하기 위해 크게 세 가지의 세부 목표를 세웠다. 최종 고분자의 종류를 결정하고, 전이금속의 종류 및 최적화된 농도를 찾고, 마지막으로 합성한 이온젤을 소자에 적용 가능한지 확인한다.

◇ Butyl methacrylate(BA), (2-acetoacetoxy)-ethyl methacrylate(AAEM)의 비율을 조절하여 reversible addition-fragmentation chain-transfer (RAFT) 중합 방법을 통해 최종 고분자를 합성하며, 합성 간 넣는 물질의 비율과 시간을 조절함으로써 분자량 (Mn)을 세밀히 조절한다.

◇ 전이금속(Ni)의 비율, 이온성 액체 [BMI][TFSI] 비율을 기계적강도와 이온전도도를 측정하여 결정한다. 위 두 가지 특성이 모두 우수한 이온젤을 개발한다.

◇ 마지막으로 이 이온젤을 EL device에 적용하여 그 성능을 확인한다.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

전 세계적인 기술현황

◇ Bridging experiments and theory: isolating the effects of metal–ligand interactions on viscoelasticity of reversible polymer networks(X. Zhang, Y. Vidavsky, S. Aharonovich, S. J. Yang, M. R. Buche, C. E. Diesendruck and M. N. Silberstein, Soft Matter, 2020, 16, 8591-8601)

Lauryl methacrylate(LM)와 (2-acetoacetoxy)ethyl methacrylate(AAEM)을 RAFT 중합법을 통해 선형 공중합체(Copolymer) PLM-r-PAAEM을 합성하였다. 이 공중합체에 전이금속 Zn(Ⅱ), Cu(Ⅱ), Ni(Ⅱ)를 Cross-linking species로서 각각 5 mol%, 10 mol%, 25 mol%(전체 acetoacetate ligand에 대한 비율)로 첨가하여 그 영향을 관찰하였다. Cu(Ⅱ)의 함량을 높일수록(cross-link 비율을 높일수록) coordinated acetoacetate group이 많이 형성된다. 또한 viscoelastic 특성도 크게 달라졌다. Cu(Ⅱ) 함량이 높아질수록 단단해지고 끈적임이 줄어들었다. 즉, 금속과의 cross-linking density가 높아질수록 단단해지는 결과를 얻었다.

◇ Ionoskins: Nonvolatile, Highly Transparent, Ultrastretchable Ionic Sensory Platforms for Wearable Electronics

IL에 좋은 용해도를 갖는 poly(methyl-metacrylate)(PMMA)와 IL에서 용해도가 낮지만 낮은 유리전이온도 (Tg~-50℃)를 갖는 poly(butyl acrylate)(PBA)을 RAFT 중합을 이용해 poly(methyl meta-crylate-ran-butyl acrylate)(PMMA-r-PBA)를 합성하였다. 40 wt%의 PMMA-r-PBA를 함유한 젤은 우수한 신축성 및 연신/복원 주기적 내구성 측면에서 최적이다. 이 고분자를 이용해 이온젤로 만들었을 때 굉장히 큰 범위인 ~850%의 스트레인까지 늘어나는 성질을 가진다. 이는 낮은 유리전이온도의 도메인이 인가된 스트레스를 효과적으로 분산시키기 때문에 가능한 결과로 보고 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

내용

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

내용

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

내용

구성원 및 추진체계

내용

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

완료작품의 평가

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향후계획

내용

특허 출원 내용

내용