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"전기변색소자 실험"에 대한 내용입니다.
목차
1. 전기변색소자 실험
1.1. 실험 개요 및 목적
1.2. 전기변색 물질의 특성
1.3. 디-헥실 바이올로젠(Di-hexyl Viologen)의 합성
1.4. 이온 젤(Ion gel) 제조
1.5. 전기변색 소자(ECD) 제작
1.6. 순환 전압-전류법(Cyclic Voltammetry)
1.7. 분광전기화학(Spectroelectrochemistry)
2. 전기변색 물질의 응용
2.1. 반사형 전기변색 소자
2.2. 투과형 전기변색 소자
2.3. 다양한 전기변색 재료
3. 전기화학 원리와 메커니즘
3.1. 전기증착(Electrodeposition) 과정
3.2. 인터칼레이션/디인터칼레이션 반응
3.3. 3전극 시스템과 전극의 역할
4. 실험 결과 분석 및 고찰
4.1. 전압에 따른 증착 특성 비교
4.2. 색 변화와 전기화학적 거동 분석
4.3. 실험 과정의 문제점 및 개선방안
5. 결론 및 제언
5.1. 연구 결과 요약
5.2. 전기변색 기술의 발전 방향
5.3. 교육 및 사회적 활용 방안
6. 참고 문헌
본문내용
1. 전기변색소자 실험
1.1. 실험 개요 및 목적
전기변색(electrochromic) 소자는 전기화학적 반응에 의해 물질의 색이나 투명도가 가역적으로 변하는 현상을 활용한 소자이다. 이러한 전기변색 소자는 구동전압이 낮으며 색 대비가 좋다는 장점을 갖고 있어 전기변색 거울, 스마트 윈도우 등과 같이 이미 상용화된 것들 외에도 연구가 진행중인 투명 또는 반사형 디스플레이에도 활용이 가능하다. 본 실험에서는 전기변색 물질인 디-헥실 바이올로젠(Di-hexyl Viologen)을 합성하고, 이온 젤(Ion gel)을 제조하여 전기변색 소자(ECD)를 제작한다. 그리고 제작된 ECD에 대해 순환 전압-전류법(Cyclic Voltammetry)과 분광전기화학(Spectroelectrochemistry) 실험을 진행하여 전기변색 특성을 분석한다. 이를 통해 전기변색 소자의 작동 원리와 전기화학적 특성을 이해하고자 한다.
1.2. 전기변색 물질의 특성
전기변색(electrochromism)이란 전기화학적 반응에 의해 물질의 색이나 투명도가 가역적으로 변하는 현상이다. 이러한 현상은 산화, 환원 반응에 의해 일어나며 일반적인 화학반응과 달리 전자의 이동이 개입된다. 또한 터널링이라는 현상에 의해 전자의 전달이 이루어지므로 전극의 근처 범위로 반응이 제한된다.
전기변색 소자는 구동전압이 낮고 색 대비가 우수하여 전기변색 거울, 스마트 윈도우 등 다양한 분야에 활용되고 있으며 투명 또는 반사형 디스플레이 개발에도 활용 가능하다. 전기변색 소자에 주로 사용되는 물질 중 하나인 Viologen은 낮은 전압에서 라디칼 이온으로 쉽게 환원되어 청색 또는 보라색을 나타낸다. Viologen의 산화 상태에 따라 나타내는 색이 달라지며, 치환기 변화를 통해 색을 조절할 수 있다.
한편, 전기변색 재료로는 전도성 고분자, 프러시안 블루, 벅민스터풀러렌, 프탈로시아닌 등 다양한 무기 및 유기 화합물이 연구되고 있다. 이들 재료는 환원 발색, 산화 발색 메커니즘을 통해 가역적인 색 변화를 보인다. 전기변색 현상을 활용한 기술은 계속해서 발전하고 있으며, 향후 디스플레이, 센서, 스마트 윈도우 등 다양한 분야에서 응용될 것으로 기대된다.
1.3. 디-헥실 바이올로젠(Di-hexyl Viologen)의 합성
4,4-bipyridine 1g과 1-bromohexane 2.64g을 acetonitrile 20ml가 들어있는 둥근 플라스크 안에 넣고 90도 nitrogen 기체 환경에서 24시간 동안 교반한다. Nitrogen 기체 환경을 만들어주는 이유는 산소와 같은 impurity가 부반응을 일으킬 수 있기 때문에 이를 방지하기 위함이다. 이후 생성된 solid를 diethyl ether와 acetonitrile로 3번 여과 세척하고 상온에서 건조시키면 [DHV][Br]2를 얻을 수 있다.
다음으로 anion exchange를 진행하는데 이는 [DHV][Br]2속의 브로민 이온은 이후 실험에서 사용할 acetone 용매에 용해되지 않기 때문이다. 따라서 [DHV][Br]2와 NH3PF6를 1:3의 비율로 methanol 10ml에 용해시켜 [DHV][PF6]2를 얻을 수 있다.
실제 실험에서는 반응물 4,4-bipyridine 1g, 1-bromohexane 2.64g, NH3PF6 1.79g을 넣어 [DHV][PF6]2 1.56g을 얻었고, 이를 통해 74.7%의 수득률을 확인할 수 있다.
1.4. 이온 젤(Ion gel) 제조
전기변색소자(electrochromic device, ECD)의 구성요소인 전기변색물질, 전해질, 이온저장층 등이 분리되어 있는 전형적인 구조에서 벗어나, 단일층의 ECD를 제조하기 위해 젤화(gelation) 과정을 거친다. 전기변색물질인 디-헥실 바이올로젠(Di-hexyl Viologen, [DHV][PF6]2)을 150mg 첨가하고, 전자 및 이온 이동을 위해 페로센(ferrocene) 10mg을 첨가한다. 고분자 물질인 폴리비닐리덴 플루오라이드-헥사플루오로프로필렌(PVDF-HFP)을 400mg 첨가하여 고분자 매트릭스(matrix) 역할을 하게 한다. 전해질로는 1-부틸-3-메틸이미다졸륨 테트라플루오로보레이트([BMIM][BF4])를 1600mg 첨가한다. 마지막으로 용매인 아세톤을 2500mg 첨가한다. 이 혼합물을 50도에서 24시간 동안 교반하면 gelation이 일어나 이온 젤(ion gel)을 얻을 수 있다.
1.5. 전기변색 소자(ECD) 제작
이온 젤(Ion gel)을 이용하여 전기변색 소자를 제작할 수 있다. 전기변색 물질인 [DHV][PF6]2와 산화-환원 반응을 맞춰주는 물질인 Ferrocene, 그리고 고분자 물질인 PVDF-HFP, 이온 전달 물질인 [BMIM][BF4], 용매인 acetone을 혼합하여 50도에서 24시간 교반시킴으로써 ion gel을 제조할 수 있다.
이렇게 제조한 ion gel을 ITO glass 기판에 drop-casting method로 올린다. 이때 spacer 역할을 하는 Surlyn® film을 열을 이용하여 ITO glass에 부착시킨다. 용매인 acetone이 장비에 문제를 일으킬 수 있으므로 실온에서 건조시켜 acetone을 제거한다. 마지막으로 다른 ITO glass를 위에 덮어 샌드위치형 구조의 전기변색 소자를 완성할 수 있다.
이렇게 제작된 전기변색 소자는 저전압에서도 작동이 가능하며, 전기화학적 특성을 순환 전압-전류법으로 확인할 수 있다. 또한 UV-vis 분광광도계를 이용한 분광전기화학 실험을 통해 전압에 따른 투과도 변화를 관찰할 수 있다. 이를 통해 전기변색 소자의 구동 메커니즘과 색변화 특성을 이해할 수 있다.
1.6. 순환 전압-전류법(Cyclic Voltammetry)
순환 전압-전류법(Cyclic Voltammetry)은 전기화학 분석 기술의 한 종류이다. 이 방법은 전압을 변화시키면서 전류의 변화를 측정하여 전기화학적 반응을 분석할 수 있다.
먼저 작업전극, 기준전극, 상대전극으로 구성된 3전극 시스템을 구성한다. 작업전극에 전압을 인가하면 전극 ...
참고 자료
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정현기, 전자종이로 응용하기 위한 새로운 유기-나노 전기변색소자에 대한 연구 : Viologen-anchored mesoporous titania film의 전기변색 특성에 관한 연구 = Novel organic-nano electrochromic devices for E-paper application
