전기변색(Electrochromic) 첫 번째와 PDLC

 

 

 '전기변색(electrochromic)'이란?

 

 산화와 환원 반응(redox : 산화환원 반응을 통틀어 말한다.)를 이용해 소자의 색깔 및 투과도가 변하게 하는 기술이다. 이는 자동차나 비행기 등에 탈 것과 건물 창문에 주로 사용이 된다. 저전압으로도 투과율을 조절할 수 있기 때문에 실내 에너지 전력을 절약할 수 있다는 장점이 크다.

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 다만 반응속도와 설치 비용 때문에 시장이 크진 않지만, 친환경적과 에너지에 대한 관심이 커지는 만큼 시장은 성장할 것으로 보인다. 앞서 말한 반응속도 문제로 이를 대체하고 있는 기술이 있는데, 이것이 '고분자 분산형 액정 : PDLC(Polymer Dispersed Liquid Crystal)'이다.

 

출처 : 하이텍 솔루션

 

 

 'PDLC'는 보다싶이 전압을 가하지 않을 땐 액정 분자들이 자기들 맘대로 배열이 되어있다. 이때는 빛이 투과를 못하고 산란이 되서 불투명한 상태를 보인다. 반대로 전압을 가하면, 분자들이 한 방향으로 배열이 되고 빛이 산란 없이 통과하여 투명하게 된다. 'PDLC'는 반응속도가 무지하게 빨라서, 톡하면 그냥 톡하고 OFF/ON이 가능하다. 다만 전력 소모가 심하다는 단점이 있다.

 

액정구조

 

 

 혹시나 해서 액정 구조를 따왔다. 액정분자는 저렇게 길다라게 생겼는데 좁쌀 같이 생겼다. 액정은 색연필 한다스를 책상에 깔아놓은 거라고 생각하면 된다. 움직일 수 있는 액체의 특성을 가졌지만, 입으로 바람을 분다고해서 움직이지 않는 고체의 특성을 가지고 있다. 중간정도의 특성을 가진 분자인 셈이다.

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 하나면 더 TMI하자면 저 화살표 방향은 빛의 방향인데, 하단 왼쪽 그림처럼 빛이 통과하면 시간이 오래 걸리는 반면, 오른쪽 그림처럼 중간을 관통하면 더 빠른 시간에 빛이 통과할 수 있다. 액정분자들이 한 방향으로 배열이 안되어있으면 이 차이 때문에 '굴절률 이방성'이 생긴다,

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 다시 본론으로 돌아와서

 

 그럼에도 불구하고 전기변색 연구가 지속되는 것은 반응속도는 점점 빨라지고 있으며, 무엇보다 저전력으로 에너지 절약에 의미가 크기 때문이다.

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 전기변색 device는 어떤 식으로 전기를 중합하거나 혹은 물질 구조 등 증착시 여러 조건에 따라 기기의 효율은 많이 바뀔 수 있는데, 이것은 나중에 논문 몇 개를 참조해서 얘기할 기회가 있을 것 같다.

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 변색물질로는 안정성과 수명이 좋지만, 반응속도와 색 재현율이 떨어지는 무기물 소재들 ex. 텅스텐, 티타늄, 바나듐과 그 반대의 특징을 가지고 있는 유기물 소재들 ex. 폴리아닐린, 바이올로겐 등이 있다.

 

 현재 시장에서 압도적으로 사용되고 있는 물질은 산화텅스텐(WO₃)과 GENTEX에서 사용하는 바이올로겐이다. 산화텅스텐은 건물, 탈 것 등에 창문 등 소면적, 대면적 구분없이 사용되고 있다. 이는 산화텅스텐의 높은 안정성과 반응성 때문이다.

 

WO₃ structure : source : google

 

 

 위처럼 산화텅스텐은 corner-sharing and edge-sharing array octahedral을 가지고 있는데, 팔면체로서 코너랑 가생이 부분으로 서로 연결되있어 안정적인 구조를 가졌고, 저 틈 사이 가운데 비어있는 부분에 이온이 들락날락하기가 쉬워서 반응성이 높다는 말이다. 다음엔 전기변색 디바이스의 일반적인 구조와 원리를 좀 더 살펴보겠당.

 

2020.09.11 - [과학과 공학 이야기/전기변색과 배터리] - 전기변색(Electrochromic) 두 번째

전기변색(Electrochromic) 두 번째