문홍철2팀

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 전기변색 슈퍼커패시터의 문제 분석과 성능 향상 고찰

영문 : Analysis and Performance Imporvement of Electrochromic Supercapacitor

과제 팀명

문홍철 2팀

지도교수

문홍철 교수님

개발기간

2022년 9월 ~ 2022년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 화학공학과 20193400** 신*우(팀장)

서울시립대학교 화학공학과 20173400** 박*재

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

◇ 기존 Capacitor, Supercapacitor, Hybrid Capacitor 관련 선행 연구 논문 분석

◇ Supercapacitor의 전극과 전해질에 주로 사용되는 물질들의 장단점 분석

◇ Electrochromic Supercapacitor 관련 선행 연구 논문 분석

◇ Electrochromic Supercapacitor의 주요 물성인 변색&탈색 속도 향상 모색

개발 과제의 배경

◇ 스마트 전자 장치의 발전으로 인해 다른 기능과 통합할 수 있는 슈퍼커패시터에 대한 수요가 증가했다. 그중 전기변색 기능을 추가한 전기변색 슈퍼커패시터(Electrochromic Supercapacitor, ECS)가 실용화된다면 스마트 윈도우, 투명 디스플레이, 웨어러블 디바이스의 에너지 저장장치로 사용할 수 있을 것이다.

◇ 기존에 사용되던 고체, 액체 전해질의 단점을 개선하고 장점은 유지되는 이온젤 전해질이 발명되었다. ECS에 적용 가능한 이온젤이 개발된다면 다양한 전자기기에 사용될 수 있을 것이다.

◇ ECS는 충방전을 색이 변하는 것을 통해 시각적으로 즉각 확인할 수 있는 장점이 있다. 따라서 ECS의 충방전으로 인한 변색&탈색 속도가 중요하다.

◇ ECS의 전해질과 전지에 사용되는 물질을 분석하여 본 연구에서는 변색&탈색 속도를 개선한 이온젤을 제시하고자 한다.

개발 과제의 목표 및 내용

개발 목표

◇ ECS의 변색&탈색 속도를 낮추는 요인을 분석하고, 변색/탈색 속도를 개선하기 위해 최근의 여러 연구들을 정리하고 분석한다.

개발 내용

◇ 현재 ECS에서 사용되는 여러 가지 전해질들을 분석한다.

◇ ECS의 변색/탈색 속도에 영향을 미치는 여러 가지 요인들을 분석한다.

◇ ECS가 전자기기에 적용할 수 있도록 안정성, 이온 전도도, 수명, 변색/탈색 속도가 개선된 이온젤을 제시한다.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

전 세계적인 기술현황

내용

특허조사 및 특허 전략 분석

내용

기술 로드맵

내용

◇ Electrochromic Supercapacitor(ECS)

전기변색 물질은 전하 삽입/추출 또는 화학적 산화/환원을 통해 색상을 가역적으로 변경할 수 있는 기능이 있다. 이러한 전기변색 물질이 슈퍼커패시터의 구성 요소로 사용될 수 있다면 슈퍼커패시터는 에너지를 저장하는 동시에 색을 변화시켜 에너지 변화를 정확하게 감지한다. 일반적인 전기변색 물질에는 다양한 전이 금속 산화물, 전도성 고분자 및 금속 유기 골격이 포함된다.

◇ 전이 금속 산화물

전이 금속 산화물이 전기변색 전자소자에 처음으로 사용되었다. 텅스텐 산화물은 그중 가장 일반적인 전기변색 물질로 양성자 삽입/추출이 색의 변화를 유도한다. 텅스텐 산화물의 작동 메커니즘은 다음 식과 같다.

WO3 Flim은 슈퍼커패시터용 전극으로 fluorine-doped tin oxide(FTO) 유리에 증착되었으며 이는 639.8 F g-1의 높은 비 정전용량과 우수한 전기변색 특성을 나타낸다. 그들의 색은 투명에서 짙은 파란색까지 다양했으며 0에서 –0.6V의 파장 633nm에서 광 투과율이 91.3%에서 15.1%로 급격히 감소하는 것을 관찰할 수 있다.

WO3 기반의 태양광 센서와 전기변색 슈퍼커패시터가 통합된 소자가 개발되었다. 고강도 입사광에 대해서만 지능적으로 색상을 변경할 수 있으므로 최적화된 에너지 절약을 달성할 수 있다. 제작된 소자는 64.8 cm2 C-1의 높은 착색 효율과 406.0 F g-1의 정전용량을 나타낸다. 또한 97.6%의 전기변색 기능을 유지할 수 있다.

텅스텐 산화물 이외에도 V2O5 및 NiO와 같은 다른 전이 금속 산화물 역시 전기변색 슈퍼커패시터에 사용된다. 자이로이드 구조의 V2O5 전극에서 상호 연결된 다공성 네트워크로 인해 전극에서 리튬 이온 삽입/추출 및 패러데이 반응이 빠르고 효율적이다. 따라서 이 슈퍼커패시터는 155 F g-1의 높은 정전용량으로 녹색에서 노란색으로 빠르게 변한다.

ITO 전극의 AgNWs/NiO는 슈퍼커패시터를 위한 전기변색 및 용량성 재료로 사용되었다. 충·방전 과정에서 슈퍼커패시터의 양극은 Ni2+/Ni3+ 이온의 가역적인 산화환원으로 인해 어두운색으로 바뀌고 투명하게 회복된다. 그러나 위의 전기변색 전이 금속 산화물은 중량이 무겁고 착색 효율이 높지 않은 몇 가지 단점이 있다.

◇ 전도성 고분자

PANI는 슈퍼커패시터의 활성 전극 재료로 널리 사용되고 있다. 전기변색 동작과 결합하여 PANI 필름 전극은 전위가 –0.2V ~ 1.0V인 동안 투명함에서 황록색으로, 더 나아가 짙은 청색으로 가역적인 색상 변화를 보여줄 수 있다. 정렬된 PANI 나노와이어 전극을 기반으로 한 전기변색 기능을 가진 태양전지와 슈퍼커패시터를 통합한 새로운 다기능 장치 역시 제작되었으며 ESS Window로 명명되었다. ESS window는 슈퍼커패시터로서 높은 안정성을 보였고, 현장 광학 측정을 통해 전기변색 기능을 입증했다. 섬유 모양의 전기변색 슈퍼커패시터 역시 개발되었다. 정렬된 CNT를 신축성 있는 섬유에 감고 PANI를 증착시켜 CNT/PANI 복합 전극을 제조했다. 이 슈퍼커패시터는 충·방전 과정에서 청색, 녹색, 밝은 황색 사이의 빠르고 가역적인 색 변화를 보여준다.

PANI 외에도 PPy는 전기변색 및 전기화학적 특성이 있다. 얇은 PPy 필름은 도핑되지 않은 절연 상태에서는 노란색에서 녹색으로, 도핑되어 전도성을 가진 상태에서는 파란색에서 보라색으로 나타난다.

W18O49-PANI 층을 기반으로 하는 스마트 슈퍼커패시터 전극은 포토리소그래피와 전착을 결합하여 제작되었다. W18O49와 PANI는 모두 –0.5V ~ 0V(W18O49) 및 0 ~ 0.8V(PANI)의 서로 다른 potential window에서 다양한 색 변화를 보여준다. 한 구성 요소가 투명하면 다른 구성 요소에 색상이 지정되어 에너지 변화를 감지한다.

poly(3,4-ethylenedioxypyrrole)(PEDOP)도 낮은 산화 전위로 인해 유명한 전기변색 중합체다. 슈퍼커패시터의 PEDOP-Au@WO3 전극은 태양 에너지를 광학적으로 변조할 수 있도록 설계되었다. 전위가 –1.5V에서 1.5V로 변할 때 하이브리드 전극은 착색 효율이 707 cm2 C-1이고 스위칭 시간이 약 6초인 적색-청색에서 청회색으로 점진적인 광학 전환을 보여준다.

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

내용

향후계획

내용

특허 출원 내용

내용