전기변색(Electrochromic) 두 번째

 

 전기변색의 일반적인 디바이스 구조는 유리 사이에 ITO와 같은 투명전극, 그 사이 산화 환원 물질과 전해질로 이루어져 있다. 산화 환원 물질이 같이 있는 이유는 산화환원은 언제나 동시에 일어나기 때문이다.

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 텅스텐은 환원 물질이라 reduction이 일어났을 때, 소자의 색이 변한다. 하지만 NiO. 산화니켈은 산화가 일어났을 때 소자의 색깔이 변한다. 만약 환원이 일어났을 때 산화를 받아줄 물질이 없으면 기기의 효율이 떨어진다.

 

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 전기변색 디바이스의 일반적인 구조

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 하지만 아래 사진을 보다싶이 샌드위치 구조의 경우 두께감이 있기 때문에 이를 줄이고자, 유리에 투명전극 기판을 깔고 그 위에 바로 물질을 증착시키는 방법을 꾸준히 연구 중이다.

 

일반적인 전기변색 디바이스 및 향후 연구 중인 디바이스 구조(왼, 오)

 

Source : Kinestral

 

 위는 거의 전기변색 창문 최강자 'Kinestral'에 전기변색 창호인 'Halio'다. 'Smart glass'로도 불린다. 사진처럼 평상시에는 투명했다가 전압을 가해 산화환원을 이용해 창문의 색이 불투명해진다. 

 

 정확한 메커니즘은 기술기밀이라 발표는 안 했지만, 완벽히 변색이 되는 데 5분 정도 소요되는 걸로 봐선 텅스텐을 이용한 전기변색으로 보고 있다. 앞서 말했듯 텅스텐은 구조적으로 안정적이고 내구성이 높다. 게다가 소자의 색이 청색으로 변하기 때문에 창문에 적용하기에 딱이다.

 

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 전기변색 기기는 산화환원을 이용한다. 일반적으로 이용하는 텅스텐의 경우 간단히 식으로 나타내면

[WO₃ + H + e]bleached < - >[HWO₃]colored

oxidation < - > reduction

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 이처럼 이온과 전자가 주입이 되면 환원이 되면서 청색이 되고, 반대인 산화가 일어나면 투명한 상태가 된다. 텅스텐이 왜 색과 투과율이 변하는 데에는 여러 추측이 있지만, 아직 정확하게 규명되진 않았다. 사실 뭐 색이 왜 변하냐 보다는 이 변하는 녀석에 효율을 어떻게 최대한 끌어올려 기술을 양산할 수 있을까에 대한 연구가 더 활발하니까 말이다.

 

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 아무튼 그중 비록 꽤 오래됐지만, 내가 읽었던 논문 하나('Electrochromic mechanism in 'a-WO₃-y' thin films. 11 JANUARY 1999')를 인용하자면, 두 가지 가능성을 제시한다. 현재는 후자의 반응 때문에 광흡수와 착색이 일어나는 것이 확실한 것으로 알고 있다.

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 첫 번째는 환원이 일어날 때 oxygen deficiency가 생기는 데, 결함이 높으면 vacancy가 많아지고 이로 인해 intercalation이 잘 일어나는 것 같다는 추측을 했지만 당시 논문엔 이를 뒷받침할 확실한 증거는 없다.

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 두 번째는 삼산화 텅스텐이 형성될 때에는 전기적 중성을 유지하기 위해 'W5가'와 'W6가'가 동시에 존재하는데, 이때 전자와 양이온이 주입되는 즉, reduction이 일어나면 전자를 얻음으로써 W6 -> W5가 되면서 에너지 준위가 높아져 광흡수가 일어난다.

 

 

source : google

 

 

 이걸 좀 더 얘기하자면 일단 'phonon'은 분자들이 진동하는 에너지다. 즉, 환원이 일어날 때 전자와 양이온 주입으로 상호작용이 발생하는데, 이때 이온이 들락날락하니까 격자(lattice)가 찌그러지며 phonon이 발생하고, 이로 인해 준입자(전자와 격자의 파동이 결합한 것), 간단히 말해 극성을 띈 입자인 polaron이 발생한다.

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 전압을 가해서 환원 반응으로 생긴 폴라론은 빛을 투과시키지 않고 흡수한다. 폴라론은 격자 사이를 자유롭게 이동할 수 있으니 광흡수를 통해 에너지를 받으면서 격자 사이를 계속 이동하는 것. 즉, 변색은 폴라론 전이에 의한 광흡수다.

 

 

 그럼 이쯤 하고 다음 포스팅에서 더 얘기해보겠당.

 

 

2020.09.10 - [과학과 공학 이야기/전기변색과 배터리] - 전기변색(Electrochromic) 첫 번째와 PDLC

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