기능성고분자2조

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 고분자 젤레이터 배열비교를 통한 고성능 고분자 젤 전해질 개발..

영문 : Effects of Gelator Configuration on Gel Polymer Electrolyte Performance..

과제 팀명

기능성고분자 2조

지도교수

문홍철 교수님

개발기간

2020년 9월 ~ 2020년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 화학공학부·과 20153400** 최*영 (팀장)

서울시립대학교 화학공학부·과 20153400** 이*영

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

◇ 디스플레이 등 전기화학적 디바이스의 급격한 발전에 따라 고분자 젤 전해질은 다양한 전기화학 디바이스에 포함되는 기본적인 물질로서 많은 개발이 진행되었다. 특히, 고분자 젤 전해질의 종류 중 하나인 이온젤은 높은 이온전도도와 기계적으로 강건하다는 장점과 더불어 기존 액체 전해질의 휘발성과 누액등의 문제를 극복한다는 점에서 차세대 웨어러블 전기화학 디바이스에 적용할 유망한 전해질로 평가받고 있다.

◇ 이온젤은 이온성액체와 고분자 젤레이터로 구성된다. 특히, 고분자 젤레이터의 물성은 이온젤의 성능에 영향을 많이 주기 때문에, 다른물질로 이루어지는 젤레이터나 다른 구조를 갖는 젤레이터의 개발이 많이 이루어지고 있다. 

◇ 이에 근거하여, 본 과제에서는 고분자 젤레이터가 갖는 다른 형태의 배열이 이온젤 성능에 미치는 영향을 분석하고자 한다. 현재 블록공중합체와 랜덤공중합체는 가장 흔히 사용되고 있는 고분자 젤레이터이다. 특히, 스티렌과 알킬메타크릴레이트는 공중합체를 구성할 때, 흔히 쓰이는 모노머이기에, 본 연구에서는 PEMA-r-PS와 PEMA-b-PS을 통하여 고분자 배열에 따른 젤 전해질의 성능을 비교한다.

◇ 위 분석을 바탕으로 더 나은 성능을 갖는 고분자 젤 전해질의 배열을 확인할 것이며, 최종적으로 더 나은 기계적강도를 갖는 고분자 젤 전해질을 인장센서에 적용하는 것을 목표로 하여 과제를 진행하였다.

개발 과제의 배경

◇ 액체 전해질은 높은 이온전도도와 전극과의 접촉성 등의 장점을 갖는다. 하지만, 핸드폰 배터리 폭발 등 기존 액체 전해질에서 끊임없이 제기되는 안정성에 대한 문제는 액체 전해질의 휘발성 및 누액문제와 크게 연관된다. 이러한 문제를 해결할 수 있는 고체 전해질 개발의 중요성이 강조되고 있다.

◇ 또한, 최근 인공지능이나 IoT분야와 같은 컴퓨터 및 로봇 산업의 급격한 발전에 따라 기존 쓰이던 딱딱한 물질로부터 부드러운 물질로의 패러다임의 전환이 일어나고 있다. 따라서, 신축성있고 변형가능한 젤상태인 이온 젤 전해질은 미래 산업에 적용될만한 전해질로 평가받고 있다.

◇ 따라서, 본 연구에서는 유망한 전해질인 이온 젤의 성능을 개선할 방안으로써 고분자의 배열을 제시한다. 배열에 따른 이온 젤을 비교하여 더 나은 성능을 갖는 젤 전해질을 개발하고자 한다. 

◇ 본 연구개발은 고성능 젤 전해질을 개발함과 더불어 고분자 젤레이터의 배열에 따른 젤 전해질의 특성을 분석할 것이기 때문에, 미래 더 나은 성능의 고분자 젤레이터를 개발함에 방향을 제시할 수 있다.

개발 과제의 목표 및 내용

◇ 비교하고자 하는 두 종류의 고분자, 랜덤공중합체인 PEMA-r-PS와 블록공중합체인 PEMA-b-PS를 합성한다. 이때, 블록공중합체의 특징인 자가조립을 피하기 위해서, 낮은 분자량의 고분자를 합성한다. 또한, 배열에 따른 영향만을 비교하기 위하여 각 고분자의 분자량 (Mn)과 구성물질의 조성을 유사한 수준으로 조절한다. 

◇ 합성 방법인 reversible addition-fragmentation chain-transfer (RAFT) 중합 방법을 통해 재현성이 있으며, 합성 간 넣는 물질의 비율과 시간을 조절함으로써 분자량 ()을 세밀히 조절한다. 

◇ 고분자 젤 전해질의 가장 중요한 특성인 기계적강도와 이온전도도를 측정함으로써, 더 나은 특성을 갖는 고분자 젤 전해질을 개발한다.

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

• 전 세계적인 기술현황

◇ Mechanically Robust, Highly Ionic Conductive Gels Based on Random Copolymers for Bending Durable Electrochemical Devices [2]

그림 1 이온성 고분자 P[S-r-VBMI][PF6] 합성 경로

- 물리적으로 가교된 이온 젤을 위해 이온성 액체와 비슷한 구조를 가지는 단량체인 VBMI를 이온성액체에 녹는 부분으로 하여 전하를 갖는 고분자를 중합하였다. 해당 단량체로 이루어진 단일중합체 및 랜덤공중합체는 보편적으로 사용되는 SMS 이온 젤에 비해 훨씬 높은 이온전도도를 보여준다. 이와 더불어 기계적 강도 측면에서도 SMS 기반 이온 젤에 비해 크게 떨어지지 않는 성능을 보였다. 본 연구를 통해 얻어진 물리적으로 가교된 이온 젤의 뛰어난 이온전도도와 기계적 물성을 활용하여 구부릴 수 있는 전기변색 디스플레이를 구현하는 데 성공하였다. 이는 높은 변색 성능과 더불어 굽힘 테스트에서도 높은 내구성을 보였다.

◇ Ionoskins: Nonvolatile, Highly Transparent, Ultrastretchable Ionic Sensory Platforms for Wearable Electronics (Y. M. Kim, H. C. Moon, Adv. Funct. Mater. 2020, 30, 1907290.) [3]

그림 PMMA-r-PBA 고분자 기반 이온젤의 신축/이완 시의 변화 모식도

- 이온 젤의 신축성을 향상시키기 위해 Tg가 낮은 고분자를 이온성 액체에 녹지 않는 부분으로 활용하여 공중합체를 중합하고, 젤레이터로 사용하였다. 본 연구에서 채택된 적절한 비율의 공중합체를 사용한 이온 젤은 외력이 가해졌을 때 낮은 Tg의 이온성 액체 불용성인 부분이 신축하여 stress를 분산시켜 더 높은 strain까지의 신축 성능을 보여주었다. 높은 신축성을 갖는 이 ion gel을 응용하여 뛰어난 성능을 보이면서도 신체의 여러 부분에 붙여서 사용할 수 있는 매우 간단한 skin-type strain sensor (Ionoskin)를 제작할 수 있다.

◇ Mechanically robust and thermally stable electrochemical devices based on star-shaped random copolymer gel-electrolytes [4]

그림 (a) star-shaped PS-r-PMMA와 (b) 선형 PS-r-PMMA 기반 이온젤의 변형 시 코어에 의한 고분자 사슬 이완의 차이 모식도

- 이온 젤 제작에 사용되는 선형의 랜덤공중합체인 PS-r-PMMA 개선하고자, 6-arm star-shaped PS-r-PMMA[(S-r-M)6]를 합성하였다. star-shaped polymer를 이용한 이온 젤은 폴리스티렌 부분의 물리적 가교와 코어-arm의 공유결합 등에 의해 비슷한 비율의 선형 젤레이터보다 더 높은 기계적 강도 및 열적 안정성을 보여준다. 높은 기계적 강도를 활용하여, 해당 젤을 원하는 모양으로 잘라 전기 화학 발광(electrochemiluminecent, ECL) 소자에 적용할 수 있다. 또한, 높은 온도에서도 ECL 소자의 모양을 유지하고, 작동이 가능한 향상을 보여주었다.

◇ Synergistic Increase in Ionic Conductivity and Modulus of Triblock Copolymer Ion Gels [5]

그림 중간 블록 길이가 다른 두 SEAS 기반 이온젤의 모듈러스 vs 이온전도도 그래프

- 삼중 블록공중합체의 중간 블록으로 사용된 고분자의 물성 및 길이에 따른 영향을 알아보기 위해 SMS, SOS, SEAS 등의 고분자를 이용하여 이온 젤을 제작하고, 물성을 비교 분석해보았다. Tg가 낮은 폴리에타크릴레이트를 중간 블록으로 사용된 고분자는 이온 젤에서 고분자 비율 증가에 따른 이온전도도 감소량이 비교적 적은 경향을 보였다. 또한, 중간 블록 고분자가 짧을수록 기계적 물성은 물론 이온전도도의 향상됨을 확인하였다. 이는 SEAS를 기반으로 한 전해질 게이트 트랜지스터는 준수한 성능과 더불어 향상된 안정성을 보였다.

• 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

관련사업비 내역서

내용

완료작품의 평가

내용

향후계획

내용

특허 출원 내용

내용