전기변색(Electrochromic) 7 번째 : 분광전기화학(Spectroelectrochemistry)과 전도성 고분자의 정의

 

 물체를 보는 사람에게 보여지는 색상은 물체마다 다른 파장의 결과이다. 우리가 무지개를 보며 색을 구별할 수 있는 것은 무지개는 파장이 짧은 보라색부터 파장이 긴 빨간색까지 이어지기 때문이다.

 

 전기변색 역시 마찬가지다. 전기변색은 인가전압에 따른 레독스 반응에 의해 소재에 따라 투명해졌다가 파란색, 노란색, 갈색 등에 색깔로 변하는데, 이는 특정 파장 영역의 반사 및 차단에 의해 가능한 것이다. *모든 물질들은 전자기파의 파장 범위 중 한 종류 이상의 에너지를 흡수하는 성질이 있음.

 

source :BENQ

 

---

 

 물질에 흡수된 광자는 파장에 따라 결정되는 에너지를 원자나 분자에 전달하여 에너지 상태의 전이를 유발하게 됨. 특정 파장을 흡수한다는 것은 특정 광자 에너지를 받는다는 것이다. 이에 전자전이가 일어나 바닥상태에서 여기상태로 들뜨게 됨.

 

 이때 빛을 발산하거나 흡수하게 되는데, 이를 검출기에서 감지하여 산화환원 반응을 측정하는 방법이 '분광전기화학(Spectroelectrochemistry)'이다.

 

 논문에 있는 자료를 보니, 샘플에 특정 전압을 인가하고, 파장에 따라 산화환원 반응을 살펴보는 것으로 보인다. 아래 사진은 6개의 샘플과 각각 전압을 달리 줘서 흡수율을 나타낸 자료이다.

 

 

source : Polym. Chem., 2015, 6, 4575–4587 4583

 

 A사진과 같이 화살표 방향으로 갈수록 전압을 더 많이 준 샘플의 흡수율과 그에 따른 가역 반응을 보여준다. 전기변색은 환원이 일어나며 착색이 되며, 위 사진에서 쓰인 샘플도 마찬가지다. 즉, 약 550nm 파장에서 1.3V에서 전압을 가했을 때 흡수가 되고(이에 따른 색에 변화), 환원이 일어나는 것을 알 수 있다.

 

 

---

 

 

 '전도성 고분자'는 말 그대로 전도도를 가진, 전기가 통하는 고분자이다. 고분자에 이온성 도핑 재료를 첨가에 의한(전기화학 중합법)으로 인해 전기가 통하게끔 만든 것을 전도성 고분자라고 한다.

 

 전도성 고분자를 생성하는 방법을 간단히 말하면 아래와 같다.

 

1. 전기화학중합법은 수용액 내 분산된 단량체가 산화된 후 수용액에서 전극 표면으로 확산되며 중합하는 것이다. *중합체는 핵이 되어 성장하면서 고분자 박막을 형성하는 것임.

 

2. 전도성 고분자는 전자를 받거나(n타입 도핑: 도너 도펀트), 전자를 뺏기거나(p타입 도핑: 억셉터 도펀트)으로 자유전자 혹은 자유정공을 가진다.

 

3. 자유전자 혹은 자유정공의 증가로 인해 전하 운반체의 역할을 하게 되고, 전하 전달체로서 라디칼을 형성한다. *라디칼은 짝지어지지 않은 전자를 가진 원자나 복합 화합물을 말하며, 물리적으론 진동하는 분자인 폴라론으로 설명이 가능하다.

 

• 2020.10.31 - [과학과 공학 이야기/전기변색과 배터리] - 전기변색(Electrochromic) 5 번째 : WO₃ 삼산화텅스텐의 구조 *'포논(phonon)'이 발생한다. 포논은 '진동하는 에너지'이며, 전자와 포논이 결합한 것을 '폴라론(polaron)'이라고 한다. 극성은 띈 입자라고 보면 된다.

 

4. 이때 고분자 체인 내에 생성된 전하전달체를 통해 전도성을 가지게 된다. 이렇게 생성된 전도성 고분자는 redox가 일어날 때 산화가 발생하면, 이온이 고분자 사슬로 환원이 발생하면 전해질에서 전자로 이동하게 된다. 

 

 참고로 제조 과정 중 온도와 압력, 시간에 따라 박막의 두께나 구조가 달라질 수 있다. 특히 전기중합이 아닌 기상중합에선 다양한 종류의 공증기를 이용함에 따라 구조가 달라질 수 있다.

 

 전기중합은 전기증착과 비슷한 방법이다. 전기증착이 3전극을 이용해 원하는 재료를 입혀 박막을 만드는 것이라면, 전기중합은 박막을 만드는 것이 아닌 폴리머가 전도도를 가질 수 있게끔 특정 이온을 갖다 붙이는 것이다.(중합) 이를 '전기중합(electropolymerization)'이라고 부른다.