[특별기획(Ⅰ)] 전기변색 소재 및 소자

서론

전기변색을 이용한 에너지 효율성 윈도우의 개발은 대체에너지 활용을 통한 화석연료 배출가스의 발생량 감소와 에너지 절약에 기여하고, 나아가 지구 환경 보 존에 큰 공헌을 하게 될 것이다. 또한 능동적 기능 조 절이 가능한 신개념의 윈도우 개발은 주거문화 및 사 무환경 개선을 통한 삶의 질적 상승을 위해서 앞으로 꼭 필요한 연구 분야이다. 태양광에 의한 에너지절약 에 따른 에너지 사용 감소의 경제적 효과와 에너지효 율성 윈도우의 사용에 의해서 전 세계 에너지소비량 의 3%를 절감할 수 있는 것으로 예측되며, 이는 경제 적으로 환산하면 263억불, 한화로 30조원이 넘는 금액 이며, 국내는 연간 석유수입액이 100억불 이상인 것을 감안할 때 연간 3,500억원에 달하는 외화를 절감할 수 있을 것으로 예상된다. 이에 전기변색 소자는 21세기 에너지·환경·자원 등의 보존 및 절약을 위해 해결 하기 위해 중요한 역할을 할 것으로 예상되다. 최근에 전기변색 소자는 국내뿐 아니라 전 세계적으로 큰 주

목을 끌고 있으며, 30년 동안 지속적으로 연구가 진행 되어 왔다. 또한 체계적인 전기변색 소자 연구 활동 중에 전기변색 유리/필름 소자의 제작은 이 분야의 기술적 중요한 이슈가 되어왔으며, 21C에 고부가가치 산업을 창출함으로서 경제적, 산업적으로 큰 기여를 할 것으로 예상된다. 이를 응용한 디스플레이, 전자종 이, 광소자/부품 등 다양한 응용제품 개발에 활용될 수 있고, 다양한 나노 코팅 기술을 통한 입자제조 및 코팅공정의 응용이 가능하다. 나노입자 및 나노기공 제어 등은 극한 기술, 즉 나노테크놀로지의 관련 기술 에 활용 가능할 것으로 예상된다. 환경친화적이고 쾌 적한 환경 제공, 에너지 절약 등을 통한 신개념의 고 부가가치 산업화 개발에 활용될 수 있을 뿐만 아니라, 에너지 문화 풍토 개선 및 학생들의 에너지/환경 교 육에의 활용이 가능할 것으로 예상된다.

전기변색 소자 특성

최근에 투과율 자체 조절이 가능한 변색유리 유성종, 성영은

서울대학교 화학생물공학부 {yoosj77, ysung}@snu.ac.kr

원리 전하이동 분극분자 배향 분극분자 배향 분극분자 배향 광여기 상전이

Capsule G-H

AgCl, Mo doped 대표 예 WO3/EL/PB유기물

Nematic 액정 Nematic 편광입자

유기물 VO^x

액정+2색성색소

구동전압 전압 AC 전압 AC 3 전압 AC 3 전압 AC 3

광(UV) 열

1~3V 0~100V V 0~100V 30~40℃

응답속도(30cm²) ~1min 10msec 10msec 100msec ~5min ~3min

태양광 평균

5~80 70~80 40~80 5~70 60~80 10~30

투과율(%)

내구성 및 수명 우수 10년이상 미약 보통 보통 보통 보통

표 1. 각종 조광기술의 종류 및 특성 비교

조광기술 Electrochromic LCD

SPD Photo Thermo

Capsule G-H chromic chromic

(chromic glass)가 연구 개발되고 있다. 투과율 가 변유리의 종류에는 크게 전기변색(electrochromic), suspended particle device (SPD), 액정, photochromic, 그리고 thermochromic 등이 있다. 능동형 투과율 가 변유리는 전기변색, SPD, 액정 등의 방식으로 전기를 인가함으로 투과율의 인위적 조절이 가능하다. 그러 나 photochromic이나 thermochromic은 임의 조절이 불가능한 수동형태로 특정 파장의 빛이나 온도변화에 반응하여 투과율이 달라진다.

전기변색, SPD, 액정에 의한 능동형 투과율 가변유 리는 각기 나름대로 장단점을 가지고 있다[표 1]. 전 기변색의 경우, 내구성 및 수명 측면에서 뛰어나고 (100,000싸이클의 스윗칭, 수명이 최소 10년) 저전압 에서 작동되나(1~3V) 응답속도가 느리고(수초~수 십초) 가격이 비싸며(1000$/m

) 산화물 박막의 경 우 폴리머 필름화에 어려움이 있다. 따라서 솔-젤법을 이용한 electrochromic coating 등 가격을 100$/m

에 맞추기 위한 연구가 진행되고 있다. 또한 나노 포 러스 필름을 제작하여 응답속도를 낮추기 위한 연구 도 진행되고 있다. SPD의 경우 폴리머 필름제작이 용 이하며, 응답속도가 1초 이하로 빠르고 제작이 용이하 다는 장점을 가지고 있고 투과율도 5~70%로 조절이 가능하다. 그러나 편광입자의 응축 및 장시간 사용 시 열화하는 특성으로 내구성 및 수명에 문제점이 있다.

액정의 경우 투과율이 40~80%내에서 조절 가능하 고 응답속도가 역시 빠르나 haze 현상이 있으며 내구 성이 약하고 온도 변화에 민감하며 액정가격이 비싸 다는 단점이 있다.

전기변색 원리 및 응용

전기변색(electrochromism)이란 전압을 인가하였 을 때 전계방향에 의해 가역적으로 색이 변화하는 현 상을 말하며, 전기변색의 재료는 이러한 전기 화학적 산화, 환원 반응에 의해 재료의 광 특성이 가역적으로 변화할 수 있는 물질이 이용된다. 이때 흐르는 전류는 물질의 화학적 변화 즉, 산화와 환원 반응을 일으키게 된다. 이러한 색 변화를 1961년 Platt는 electro- chromism이라고 처음으로 논문에서 언급하였다. 환 원상태에서 color가 나타나고 산화상태에서 colorless 가 되는 것을 환원발색(cathodic coloration)이라고 하 며 WO

, Nb

O

, MoO

, TiO

등이 환원발색의 재료 로 알려져 있다. 또한 환원상태에서 colorless이고 산화 상태에서 컬러가 나타나면 산화발색(anodic coloration) 이라 하며 V

O

, IrO

, NiO 등이 대표적인 산화발색 의 재료들이다. 예를 들어 대표적인 환원착색 물질인 WO

로 리튬이온(Li

)이나 수소이온 (H

)과 전자가 주입되면 청색으로 착색되고 방출 시는 투명하게 되며, 반대로 산화착색 물질인 경우 수소이온과 전자가 방출되면 착 색되고 주입되면 투명하게 되는 것이다[그림 1]. 대표적인 전기변색 재료를 [표 2]에 나타 내었다.

전기변색을 이용하여 주택이나 건물의 유 그림 1. 전기변색 윈도우 구조와 전기변색 윈도우의 착색

(coloration)과 탈색(bleach) 원리.

WO

투명 청색 Ir(OH)

투명 흑색

MoO

황 보랑색, 청색 Ni(OH)

투명 갈색

TiO

투명 청색 Rh

O

황 녹색, 갈색, 보라

Nb

O

투명 청색 CoO

적 보라, 회색, 흑색

V

O

황 청색, 녹색, 흑색 Polyaniline 다양한 색 Polythiophene 다양한 색

반응예 : WO

+xH

+xe- H

WO

Ni(OH)

NiOOH+xH

+xe-

Cathode(환원착색) Anode(산화착색)

리창으로 사용되는 예는 [그림 2]로 나타낼 수 있다.

그림에서 보는 바와 같이 전기변색 윈도우를 사용하 였을 때 Off 상태에서는 투명한 상태로 가시광선과 태 양에너지를 실내에 많이 투과시킬 수 있지만, 중간상 태에서는 가시광선의 투과율과 전달되는 태양에너지 양을 연속적으로 조절이 가능하다. On시에는 가시광 선과 태양에너지의 투과량을 최소로 줄일 수 있다. 또 한 유리판을 두 장으로 하고 그 사이에 아르곤과 같은 기체를 주입하여 전달되는 에너지양을 최소로 하는 절 연창을 실현할 할 수 있다. 이러한 창문을 실현함으로 건물 내부와 외부의 온도차에 상관없는 절연효과를 통 하여 건물에 들어가는 냉난방비를 절약할 수 있다.

전기변색 소재의 경우 투과율은 약 5~80% 가변 할 수 있으며 이에 상응하여 태양열 이득계수(창문유 리를 통해서 들어오는 태양에너지 비율)는 0.1에서 0.5사이에서 연속적으로 조절이 가능하다[그림 3]. 따 라서 여름철의 경우는 가시광선 투과를 차단하고 들 어오는 태양에너지를 줄여줌으로써 건물에 들어가는 냉방에너지를 줄일 수 있고 겨울에는 반대로 건물에 서 밖으로 나가는 에너지를 줄여서 난방에너지를 줄 일 수 있다.

전기변색의 응용 및 상품화는 1차적으로 [그림 5]에 서와 같은 예들을 들 수 있다. Smart window, smart sunroof, filter, rear-view mirror와 display에 전기변색 원리를 이용한 제품들이 최근에 선보이고 있다.

[그림 6]에서 볼 수 있듯이 다양한 응용분야가 가 능하다. 윈도우와 디스플레이를 기반으로 하는 제품 이 앞으로 5년안에 제품으로 나올 것으로 예상하며, 새로운 시장 창출로 인한 경제적 효과가 클 것으로 예 상한다.

그림 2. 전기변색 윈도우의 작동예. 그림 3. 전기변색 소재 및 각종 유리의 가시광선 투과율과 태양에너지 이득계수차트.

그림 4. 전기변색 윈도우의 실제 적용 예.

그림 5. 전기변색을 이용한 상품의 예.

전기변색 코팅 기술

솔-젤 코팅기술은 화학적인 방법으로 금속 알콕시 드나 금속염을 용액에 혼합하여 1 µm이하의 폴리머나 산화물입자가 분산된 상태인 솔을 합성한 후 원하는 유리나 단결정 기판 위에 스핀 코팅, 딥 코팅, 스프레 이 코팅 방법 등으로 코팅한 후 적당한 온도에서 열처 리함으로 원하는 박막을 얻는 방법이다. 솔-젤 코팅은 반도체 분야에 많이 사용되고 있는 다른 물리적인 스 퍼터링이나 PLD(pulsed laser deposition)이나 MOCVD 등의 코팅기술보다 제조장비의 가격적인 측면에서 매우 저렴하다. 또한 복잡한 산화물의 경우 그 조성의 제어가 매우 쉽고 성막이 아주 간편하게 이 루어진다. 또한 스퍼터링이나 PLD 등의 방법으로는 창문용 유리를 코팅하는 것은 매우 높은 비용을 요하 고 대면적 코팅이 용이하지 않다. 이에 반해 솔-젤 코 팅은 아주 간단하게 대면적 코팅을 할 수 있는 장점이 있다. [표 3]에서 다른 코팅 기술과 비교하였다.

특히 솔-젤 공정은 저온 공정이 가능하여 경제적이

면서 물질의 열화현상에 의한 성능저하를 막을 수 있 으면서 flexible 필름상에 코팅이 가능하며, 분자수준 의 균질성이 보장되고 공정과정에서 두께, 입자 크기 나 입자의 모양 및 기공도를 보다 정확하게 조절 할 수 있어 무기소재의 나노크기 합성, 나노 기공 제어 및 나노코팅 공정으로 최적의 방법 중 하나로 판단된 다. [그림 7]은 나노 입자 제조 및 나노 기공 제어 및 코팅의 예를 보여준다.

산업화가 진행되고 문화수준이 향상될수록 쾌적한 사무실 및 생활공간을 요구하고 청정 환경을 필요로 할 것이다. 이런 점에서 가장 청정한 에너지인 태양에 너지를 이용하고 조절하려는 노력은 극히 자연스러운 일일 것이다. 특히 40%의 가시광선, 9% 자외선 (UV) 및 51%의 적외선으로 이루어진 태양광을 제 어하여 에너지 절약이나 쾌적한 환경 유지를 위한 노 력은 다음 세대의 가장 중요한 요구 중 하나가 될 것 이다. 나노무기소재의 응용이 이런 점에서 아주 중요 한 위치를 차지하게 될 것이다.

전기변색 소재의 요구 사항

가시광선 색 변화는 전기변색 시스템에서 중요한 특징 중에 하나이고, 이 시스템에서 얼마나 색이 변하 는지를 아는 것은 소재를 결정하는 중요한 판단요인 이 된다. 이에 contrast ratio (CR)를 이용할 수 있는 데 그 식은 다음과 같다.

R

CR = --- R

여기에 R

는 변색된 상태에서 반사된 빛의 세기를 말하고, R

는 탈색된 상태에서 반사된 빛의 세기를 말

그림 7. 무기나노입자, 나노 기공 제어 및 나노 코팅.

조성제어의

moderate excellent poor excellent 용이성

장비가격 moderate high high low 대면적 코팅

good poor excellent excellent 적합성

공정변수 확립의

moderate moderate difficult easy 난이도

표 3. 솔-젤(Sol-Gel) 코팅과 타 코팅방법과의 비교 스퍼터링 PLD MOCVD 솔-젤

한다. 만약에 CR의 값이 크다면, 그 것은 전기변색 소 자의 광 투과도의 차이가 크다는 것을 의미한다. CR 과 함께 광 흡수도를 통해서도 전기변색 소재의 특성 을 파악할 수 있다. 일반적으로 광 흡수도는 Beer- Lambert law를 통해 얻을 수 있다. 빛 세기의 비에 log를 취한 흡수도는 농도와 샘플의 optical path way 에 비례한다. 전기변색 시스템에서도 Beer-Lambert law에서 유도된 식과 유사하게 표현할 수 있는데 단 위면적당 injection된 전하(charge)와 관련을 지을 수 있고, 그 이유는 전하의 양이 색 변화에 비례하기 때 문이고, 그 식은 다음과 같다.

T

Beer–Lambert law: A = log(---) = εcl T

전기변색 시스템에서 광 흡수도는 다음과 같이 유 도된다.

T

A = log(---) = ηQ T

여기에서 A는 흡수도이고, T

는 변색 상태에서의 투과된 빛의 세기이고, T

는 탈색된 상태에서 투과된 빛의 세기이고, η은 전기변색 소재의 변색 효율 (coloration efficiency (CE))을 말한다. 그러므로 변 색 효율은 광 변화(optical density ( ∆OD))와 단위 면적당 전하량(Q)에 비례하고, 그 식은 다음과 같다.

η = --- [cm ∆OD

/C]

Q T

∆OD(λ) = log --- T

변색효율이 높은 전기변색 소재는 적은 전하량으로 광 투과도가 많이 변하는 물질이고, 이것은 에너지면 에서도 유리한 소재라고 할 수 있다. 전기변색에서 가 장 많이 사용되고 있는 WO

나 NiO는 30~60cm

/C 을 나타내고, 유기물 전기변색 소재는 100cm

/C 이상 의 변색효율을 나타낸다.

또 하나의 전기변색 소재를 판할 수 있는 방법은 반 응속도(response time)이다. 즉, 탈색/착색된 상태에 서 착색/탈색이 되는지 시간을 측정하여 전기변색의

반응속도를 측정하는 것이다. 보편적인 기준은 탈색/

변색까지 90% 지점까지 도달하는 데 걸리는 시간을 측정한다. 일반적으로 액정(LCD)이나 cathode ray tube (CRT)보다는 느린 반응속도를 나타내는 데, 그 이유는 전해질의 확산 속도, 투명전극의 저항, 전기변 색 물질의 전기 전도도 때문이다. 하지만, 최근에 viologen을 TiO

에 담지 시킨 유-무기물 하이브리드 전기변색 소재는 10msec이하의 반응속도를 나타내고 있어 큰 관심을 모으고 있다. 이 소재는 다양한 display에 응용이 될 것으로 예상된다.

전기변색 소재의 특징 중에 하나는 memory effect 가 있다는 것이다. 이것은 한번 전기를 가하였을 경우 더 이상전기를 가하지 않아도 변색/탈색이 가능하다 는 것을 의미하고, 에너지 효율 면에서 매우 유리한 소재라 할 수 있다. 보통 WO

나 NiO의 경우 10시간 동안 memory effect가 있는 것으로 알려져 있다.

전기변색 소자 타입

전기변색 소자는 크게 3개로 나눌 수 있는데, 그것

은 battery-like type, solution type과 hydride type이

다. solution type과 hydride type의 경우에서 전기변

색 소재의 색 변화를 일으키는 전기변색 소재중 하나

또는 둘은 액체 또는 젤 전해질에 용해되어져 있고,

그것들은 자유롭게 확산된다. 그 결과 이들 소자 type

은 open circuit potential하에서 self-erasing이 일어

나고, memory effect가 없는 것으로 알려져 있다. 그

와는 반대로 battery-like type은 소자의 독특한 구조

때문에 open circuit potential하에서 좋은 memory

effect를 보인다. Battery-like type에서 전기변색 전

극층과 counter 전극층은 투명전극위에 코팅을 하며,

전해질은 두 전극층에 삽입을 하고, 이것은 전기적으

로 두 전극층을 완전이 insulation시킨다. 그러므로

battery-like type은 전해질에 의해 두 전극층을 완전

히 나누기 때문에 open circuit potential하에서 좋은

memory effect를 보이며 이는 energy-saving effect

라 할 수 있다. [그림 8]은 전기변색 소자의 세 가지

type을 나타낸 것이다. 이 세 가지 type중 battery- like type은 상호보완적 전기변색 소자라 할 수 있다.

왜냐하면, 전기변색 전극층이 변색을 할 경우 counter 전극층도 함께 변색을 하기 때문에 변색특성이 (A), (B) type(counter 전극층이 없음)보다 뛰어나다고 할 수 있다.

초기에 프로토 타입의 전기변색 소자가 산 전해질 을 이용해서 사용되어져 왔다. 이 타입은 산 전해질에 서 텅스텐 산화물과 같은 전이금속 산화물의 용해 때 문에 장기성능에 큰 문제점을 가지고 있었다. 이것을 극복하기위해 많은 연구자들은 LiClO

+propylene carbonate와 같은 비 수용액성 전해질을 사용하였다.

그러나 H

이온과 비교했을 때, Li

이온의 낮은 mobility 때문에 전기변색 소자의 낮은 반응속도를 나 타내었다. 그래서 액체 전해질에 의해 야기되어진 문 제점들을 해결하기 위해 전 고상 전기변색 소자가 등 장하게 되었다. 그러나 무기물 전해질은 낮은 이온전 도도 (10

~10

S/cm) 때문에 전기변색 전해질의 요 구사항을 완전히 충족시키지 못했다. 최근에 액상 전

TCO Electrolyte TCO

(A) Solution type

(B) Hydrid type

(C) Battery-like type

Film Electrolyte Film

Film Electrolyte

·TCO-투면전극

·EC-전기(변색(전극층

·CoE-Counter(전극층

그림 8. 세 가지 type의 전기변색 소자.

No Proton-based structure Li ion-based structure

1 G/ITO/WO₃/SiO₂/Au G/ITO/V₂O₅/LiBO₂/WO₃/Au 2 G/ITO/WO₃/SbHP₂O₂·qH₂O/Au G/SnO₂/WO₃/Li₂O-CeO₂-SiO₂/V₂O₅/Au 3 G/ITO/WO3/Sb2O5·qH2O/IrO2/ITO/G G/ITO/WO3/MgF2/V2O5/Au 4 G/ITO/WO3/TiO2/TiO2-CeO2/ITO/G G/ITO/V2O5/LiBO2/WO3/ITO 5 G/ITO/WO3/ZrP·qH2O/ZrO2/NiO/ITO/G G/ITO/V2O5/LiBO2-LiF/WO3/ITO/MgF2

6 G/ITO/NiO/Ta2O5/WO3/ITO(2002) G/ITO/V2O5/LiAIF4/WO3/ITO

7 G/ITO/WO3/LiNbO3/LiCoO2/In2O3

8 G/ITO/CrO₂/LiBO₂/WO₃/ITO/ZrO₂

No Proton-based structure Li ion-based structure

1 G/ITO/WO3:Mo/PPSA-H⁺/ITO/G G/ITO/WO3/PMMA-Li⁺/V2O5/ITO/G 2 G/ITO/WO3/PAMPS/PB/ITO/G G/ITO/WO3/HEMA-NPG-Li⁺/PB/ITO/G 3 G/ITO/PVA/PANI/ITO/G G/ITO/WO3/PMMA-PC-Li⁺/NiO/ITO/G 4 P/ITO/WO₃/BPEI-H⁺/FI/ITO/P G/ITO/WO₃/PVB-Li⁺/TiO₂-CeO₂/ITO/G 5 G/ITO/WO₃-PMMA/BPEI-H⁺/PANI/Au/P G/ITO/V₂O₅/Silane-Li⁺/TiO₂-CeO₂/ITO/G 6 G/ITO/WO3(EC)/ZrP-electrolyte/WO3(PR)/NiOxHy/ITO/G(2002) G/ITO/WO3/PEO-Li⁺/PODS/ITO/G

7 P/ITO/WO3/PMMA-PC-Li⁺/V2O5/ITO/P

8 G/ITO/dye-TiO2/electrolyte/WO3/ITO/G

표 4. 무기물과 유기물 고체 전해질을 이용한 전기변색 소자 시스템

Inorganic EC devices

Laminated EC devices

해질과 무기물 전해질의 단점을 극복할 수 있는 고체 고분자 전해질을 사용하기 시작했다. 이 고체 고분자 전해질은 plasticity, elasticity, 낮은 무게와 좋은 이온 전도도 (10

~10

S/cm)라는 특징을 보인다. 이런 고체 고분자 전해질을 이용한 연구가 지속적으로 수 행되어 왔으며, 이것은 [표 4]에 나타내었다.

전기변색 기술 동향

U.S. DOE(Department of Energy)에서의 추진 전략에 의해서 Donnelly Corp.와 OCLI(Santa Rosa, CA)는 EIC Labs(Norwood, MA)와 Anderson Windows(St. Paul, MN)와 파트너쉽을 갖고 대면적 전기변색 디바이스를 개발하기로 했으며, 3M(St.

Paul, MN)과 SAGE Corp.(Piscataway, NJ)는 미 국 상공부의 NIST 지원 하에 플라스틱 위에 전기변 색을 개발하기 위하여 큰 자금을 지원 받았다. LBNL 의 다른 개발 항목은 리튬과 양성자 저장을 위한 폴리 머 이온 저장 층을 개발을 목표로 하고 있으며, 전기 변색소재의 시험 및 평가 공정 개발은 IEA(The Internatinal Energy Agency)와 NREL(Golden, CO)에서 이루어져 오고 있다. 또 다른 전기변색 소재 의 개발은 플라스틱 기판 위에 저가의 가변 디바이스 를 개발하는 것인데, Southwall Technologies(Palo Alto, CA)는 폴리에스테르 위에 텅스텐 옥사이드 /ITO 전기변색 전극을 개발하였다. 앞으로 몇 년 내 에 이 분야에서 보다 더 발전이 이루어지리라고 기대 된다. 현재 DOE는 NREL에 연구 활동을 전기변색 윈도우의 내구성에 집중하도록 하고 있다.

Pilkington PLC(UK)는 Joule 11 프로그램 하에서 다층 전기변색 글레이징을 수행하고 있다. 이 프로젝 트는 Flachglas(독일), Davionics AS(덴마크), Oxford Brookes University, 그리고 University of Southampton을 포함하여 여러 단체와 관련되어 있 다. 옥스퍼드 그룹은 전기변색 NiO에 관한 연구로 잘 알려져 있다. Flachglas는 최근 0.80in×1.2in의 프로

토타입 변색 글레이징을 선보였다. 이 윈도우는 Tv=

65~20% 영역의 투과율을 보였고, Ts=45~10%를 보였다. 이 글라스는 착색하고 탈색하는데 수분의 시 간이 걸렸다. 또한 Flachglas는 14%의 Ts를 갖는 46cm×78cm의 자동차용 프로토타입 선루프를 제작 하였다. 이 프로젝트에서는 다층 글레이징이 Li

WO

/Li-polymer/metal oxide 구조에 기초하여 개발되었다. CEC 프로젝트의 다른 참여자들은 웁살 라대학(스웨덴)의 Granqvist그룹이 Coat AB(스웨 덴)와 Leybold AG(독일)와 연구하고 있다. 프랑스 에서는 St. Gobain, Corning Europe, 그리고 C.S.T.B.

그리고 University of Domaine가 전기변색디바이스 의 테스팅 및 부품에 대하여 연구하고 있다. 이태리에 도 전기변색 디바이스 테스트 및 개발에 관한 여러 개 의 연구 그룹이 있다.

일본에서는 Asahi Glass가 꾸준히 전기변색 프로토 타입 전기변색 윈도우(0.4in×0.6in, 0.6in×0.8in)를 개발하고 있는데, 이 시스템은 Li

WO

/metal oxide/NiO

에 기초하고 있다. Ashi 연구의 일부분은 MITI의 한 영역인 일본정부 Sunshine Project에 의 하여 자금을 제공받고 있다. 이 프로젝트의 목표는 50% 가시광선 투과율 변화를 갖는 글레이징을 개발 하는 것과 10년 수명의 글레이징을 개발하는 것이다.

Asahi 연구그룹은 Tv=73~18%, Ts=55~11%, 25~60℃에서 장기수명을 갖는 특성을 얻을 수 있었 다. 약 200장의 프로토타입 전기변색 윈도우(0.4in×

0.4in)가 Seto Bridge Museum(Kojima, Okayama- Pref., Japan)에 설치되었다. 이러한 프로토타입 전기 변색윈도우는 IEA SH&C Task 10 activities에 의하 여 평가되었다. NIRIN에서 다른 일본정부 지원 프로 젝트가 전기변색 소재의 특성평가에 대한 프로젝트가 있다.

전기변색 소재(electrochromic material)에 대한 실

용화 관련 연구개발은 1990년대부터 본격적으로 이루

어지기 시작하여 최근에는 외국의 몇 개 업체에서 시

작품을 개발하면서 제한적인 적용범위 내에서 실용화

서론

광변색성(photochromism)은 분자나 결정의 흡광 특성이 광의 작용에 의하여 단일의 화학종(A)이 화 학적 결합상태가 다른 이성체(B)로 변경되면서 색이 변화되며 이들 변화가 가역적으로 변화하는 현상이다 (1). 이것은 광변색성을 가지는 분자가 특정 파장의 빛에 의해 가역적으로 광 이성질체화(photoisomeri- zation)되는 것으로 분자구조내의 변화가 생겨서 흡광 도 차이를 보이는 것이다.

(1)

일반적으로 광변색 물질은 자외선에 노출되면 착색 되고 가시광선을 조사하게 되면 본래의 엷은 색을 띠 게 된다. 광변색의 물질 개발 초기에는 색의 변화를 이용하는 선글라스나 유리창 등에 응용될 목적으로 연구되었으나, 광변색 반응을 광센서에 이용하는 것

이 제안되었고 최근 들어 강도, 내구성의 문제를 해결 할 수 있는 유도체가 소개되면서 고밀도 정보 저장 매 체, 광 스위칭, opto-optic 소자, 분자 전자 소자로의 다양한 응용가능성이 연구되어 오고 있다. 또한 위 식 에서 보여지듯 분자구조가 변화 되면서 굴절률, 형광, 전기적 특성 등 2차적인 특성이 변조될 수 있어 광스 위치에 응용될 수 있다. 이러한 광변색 물질은 유기 고 분자나 유기 분자막 등을 이용하여 전고상형(all-solid state) 소자로 적용된다. 특히 다양한 정보처리나 신 호 처리, 프린팅, 그리고 이미징 분야에서 주로 사용하 는 기술이 광이나 전기적 특성을 이용하는 만큼 유기 광 변색소재는 분자구조에 변화에 따라 그 특성이 제 어될 수 있으므로 광센서, 신호전달, 메모리, 디스플레 이 및 각종 광전자 디바이스에서 광에 의한 특성 제어 수단으로 응용 가능하다.

위 식(1)에서 일반적으로 A는 unswitched 광변색 물질을, B는 switched 광변색 물질을 나타낸다. 그러나

A λ

B

λ

or ∆

가 급속하게 추진되고 있으며, Asahi Glass 및 Saint- Gobain과 같은 세계적인 유리제조업체들도 이에 가 담하여 시장을 형성시키고 있는 실정이다.

한국에서는 이번 2008년 8월 24일부터 28일까지 서 울(서울대학교)에서 8차 International Meeting on Electrochromism (IME-8, 조직위원장: 성영은)이 개최되었다. 두해마다 대륙을 돌아가면서 개최되는 이 국제학술대회는 electrochromic materials and device, photochromic and switching mirror, other photoswitching technology, photoelectrochemical device, intercalation material, nanotechnology for

chromogenics, other switching technology 및 이에 관련된 전기화학 분야를 다루며, 전기변색을 중심으 로 개최되는 유일한 국제 전기변색 학술대회이다. 세 계 각국에서 전기변색 소재 및 소자 제작에 관심이 있 는 기술 선도자, 과학자, 교육자, 연구원, 개발자, 학생, 제조자 등이 이 학회에 참석을 한다. 전기변색에 관련 된 세계적인 큰 흐름과 이슈 및 비전을 이 학술대회를 통해 알 수 있으며, 또한 상업적 활용성과 상업화를 위해 모색해야할 방향들을 알 수 있다. 참고로 IME-9 은 2010년 프랑스에서 개최될 예정이다.

윤치중, 김은경

연세대학교 화공생명공학과

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