전기변색(Electrochromic) 세 번째와 분광광도계(spectrophotometer)의 원리

 

 

 전기변색은 계속 말했듯, 물질에 전압을 가하면 redox(산화와 환원)를 통해 물질의 색과 투과율이 변하는 걸 말한다.

 

 일반적으로 유리 기판 한쪽 투명전극을 증착한 뒤에 상, 하판에 산화환원물질 박막을 도포하면 기본적인 전기화학반응 셀이 구성된다. 이후 내부 공간을 전해질로 채워 넣으면 소자가 완성된다. 이때 산화, 환원 물질에 따라 셀의 색 구현이 달라지는데, 시장은 압도적으로 산화텅스텐(안정적이며 셀의 색이 어두운 청색으로 변해 창문용으로 아주 적합)을 사용하고 있다.

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 이때 device의 효율은 투과도가 가장 결정적이며, Coulombic Efficiency(전하 전달 효율) 등이 있다. 전극 두께나 소자, 투과되는 파장의 영역, 열처리 온도, 전압 등에 실험 조건이나 소자의 구조 및 화학적 결합에 따라 (산소 및 이온의 함유량, 에너지밴드갭) 효율이 달라진다.

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 산화텅스텐은 앞서 말한 팔면체로서 edge, corner sharing으로 안정적인 구조를 띄고 있다. 이는 ReO₃ (empty pervoskite structure) 구조로 불리기도 하며, 가운데 빈 공간으로 small ions이 transition or intercalation. 한 마디로 그냥 이온이 와리가리를 잘해서 반응성과 전도성이 높다. 이 원리는 거듭 말하지만 2차 전지와 원리가 흡사하다.

 

source : google

 

 

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 본론으로 돌아와서 전기변색의 가장 중요한 것은 투과율이다. 

 

 착색된 상태의 투과도를 Tc, 탈색된 상태의 투과도를 Tb 라고 하며, 이 차이를 ∆T라고 한다. 투과율이 높을수록 투명하고, 낮을수록 불투명하니 이 차이가 클수록(∆T가 클수록) 색의 대비가 극명하며 device의 효율이 좋은 것이다. 그리고 ∆T는 'modulation'이라고 불리기도 한다. 

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 또한, 착색이 되어 투과율이 낮고 색순도가 높다는 것은 그만큼 많은 이온이 반응이 일어나는 것이기 때문에 이에 유리한 조건을 만들어줘야 한다. 그래서 film 즉, 박막을 증착할 때 두께는 nano size로 만든다. nano size의 film은 비표면적이 넓어지기 때문에 반응에 유리해지기 때문이다.

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 nano structure는 많은 종류가 있는데, 그중 한 예로 'nanoflake structure'가 있다.

 

source : google

 

 

 nanoflake는 많은 널빤지가 세로로 서있는 듯한 모습을 보이는데, 비표면적이 넓고, 이온이 trap이 잘 된다는 장점이 있다. 감자칩이 잔뜩 있는 과자봉지 안(nanoflake)에 조그마한 구슬(이온)이 안으로 떨어지면 손으로 많이 뒤적뒤적해줘야 찾을 수 있다고 생각하면 되겠다.

 

 

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 아무튼 이 투과율 측정은 보통 분광광도계(spectrophotometer)를 이용한다.

 

 분광광도계의 구조 및 원리는 간단하다. 빛이 나오는 광원이 있고, 중간에 원하는 파장으로 측정할 수 있게끔 prisme 같은 애가 있다. 프리즘을 통해 나온 파장이 샘플을 투과하고, 이때 투과된 빛의 양을 검출기(detector)를 통해서 측정한다.

 

 

 (사실 측정을 하는 입장에서 오퍼레이터가 아닌 이상 기기의 원리를 뼛속까지 자세히 알 필요는 없다고 생각한다.) 어쨌든 저런 측정기계를 이용하면 아래와 같은 결과가 나타난다. *지금 보니까 분광광도계인데 사진에 강도계라고 써놔버렸다..

 

 

 실제 측정 결과 값은 아니고, 내가 임의대로 그린 표인데, 대게 저런 모양으로 나온다. 저 투과율의 차이가 기기의 상당량의 효율을 결정한다. 다음 포스팅엔 박막에 텅스텐을 증착하는 방법과 XRD, XPS, CV에 대해 얘기해보겠다.

 

 

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