화학반응공학 실험 보고서_전기변색소자(electrochromic) 예비 보고서_Ver2_200516_R0

 

1. 실험 제목 : 전기변색소자 (electrochromic) 물질 합성 및 색 변화 관찰

 

2. 실험 목적

전기증착법 (electrodeposition)을 통하여 기판 (ITO glass) 위에 산화텅스텐 (WO3)박막을 합성하고, 순환전압전류법 (Cyclic Voltammetry)을 통하여 합성된 박막의 전기적 특성을 파악하여 전기변색소자 장치 (electrochromic device)의 원리를 이해한다.

 

3. 실험 이론

① 전기증착(Electrodeposition)1)이란?

전기증착(Electrodeposition)은 다른 말로 전기도금(Electroplating)이라고 한다. 도금이란 금속, 비금속의 표면을 원래 성질보다 더 유용하고 다양한 물성을 향상시키기 위해 다른 금속 또는 물질을 피막형태로 입히는 표면처리 기법이다. 전기화학적 성질을 이용하여 도금하는 것을 전기도금 또는 전기증착이라고 한다. 전기도금은 먼저 전해질 수용액에 도금이 될 물질을 음극(Cathode)으로 하고, 양극(Anode)에는 도금을 하기 위한 금속을 연결한다. 그러면 양극에서 산화된 금속이 전해질을 통해 이동하여 음극에서 환원되어 음극에 달라붙게 된다. 이 양이온들은 염의 형태로 전해질에 공급될 수도 있고, 도금할 금속으로 양극을 만들어 그것이 산화되면서 공급될 수도 있다.

② 인터칼레이션 / 디인터칼레이션 (Intercalation / deintercalation)2) 이란?

가. 인터칼레이션 (Intercalation) : 층상구조가 있는 물질의 층간에 분자, 원자와 이온이 삽입되는 현상을 뜻한다. 2차원 층상 구조를 갖는 물질들은 구조적으로 이방성(anisotropy)이 존재해 3차원 구조를 갖는 고체에서 관찰되지 않는 매우 특이한 현상들이 나타난다. 층상구조의 모결정을 호스트(Host)라 하고 층간에 삽입된 화학종을 게스트(Guest)라 한다. 층상물질(Host 물질)은 적당한 조건 하에서 층 사이의 격자구조는 유지되지만 층간 거리가 점점 멀어져 층 사이에 타 원자, 분자, 이온 같은 화학물질(Guest 물질)을 받아들여 화합물을 형성한다. 인터칼레이션의 생성물을 층간 삽입화합물이라 하며, 그 예로는 흑연과 알칼리 금속, 점토와 유기물, 무기물과의 화합물 등이 있다. 흑연의 층간 화합물은 흑연 구조의 탄소에 여러 가지 금속 산화물과 황화물 결정들이 층층이 쌓아올려진 구조를 하고 있다. 흑연 층에 Li+(aq)나 H+(aq)등의 이온이 Guest가 되는 경우에 Host 물질인 흑연은 전기적인 특성이 변하게 되고, 외부 도선을 따라 전자가 흑연 층으로 들어가게 된다.

나. 디인터칼레이션(deintercalation) : 인터칼레이션의 반대의 과정을 뜻한다. 즉, 층간 삽입된 이온이나 원자, 분자 등이 층에서 빠져나오는 것이다. 이온이 결정에서 빠져 나오게 되면 전자는 외부도선을 따라 빠져나오게 된다.

- 인터칼레이션(intercalation)과 디인터칼레이션(deintercalation)과정을 지속적으로 일어나게 하면, 외부도선을 따라 일어나는 전자의 흐름으로 인해 발생하는 전기를 에너지로 사용할 수 있다.

③ 순환 전압 전류법 (Cyclic Voltammetry or Cyclic Voltammogram), 선형주사 전압-전류법(Linear Sweep Voltammetry)3) 이란? (정의, 원리, 분석 목적, 해석 방법 등)

전압전류법(Voltammetry)은 전기화학분석법의 종류 중 하나로, 작업 전극에 전압을 가하면서 발생하는 전류의 양상을 관찰하는 방법이다. 전압전류법을 이용하면 전류의 크기 및 전류가 흐르는 방향을 이용하여 분석물질에 대한 정량 및 정성적인 정보와 반응 메커니즘(mechanism)을 유추할 수 있으며, 전기화학적인 고분자 합성 및 특성 평가에도 이용할 수 있다.

가. 선형주사 전압-전류법(LSV)

작동 전극의 전압을 초기전압(Ei)으로부터 일정한 속도(v,주사 속도)로 변화시키며(E=Ei-vt) 전류를 측정한다. 작동전극의 전압을 그림1 과 같이 변화시킨다고 할 때 확산층 내 O의 농도 분포는 다음 2가지 변수에 의해 결정된다. 작동 전극의 전압이 (a)로부터 (e)까지 시간에 따라 변하므로 그림2에 보인 것처럼 표면 농도 CO(0,t)가 전압 시간에 따라 감소할 뿐 아니라 확산층도 시간에 따라 벌크 용액 쪽으로 확장된다. 따라서 확산층 내 농도기울기는 초기에 점차 커지다가, 최고의 기울기를 가진 다음 감소한다. 최대 전류(peak current)는 다음과 같은 식으로 주어진다.

이 때 , 계수(2.69Ⅹ105)은 R=8.314J/mol·K, T=298K, A ; cm2,DO ; cm2/s, ν; V/s CO* ; mol/cm3, Ipc ; amperes의 단위를 사용할 때 얻어지는 값이다. 식으로부터 최대 전류와 주사 속도 사이에는 Ipc ∝ ν1/2의 관계를 갖는 다는 것을 알 수 있다. 주사 속도가 증가 할 때 확산층의 확장 속도는 일정하나 CO(0,t)가 더 빠른 속도로 감소하므로 확산층 내의 O의 농도 기울기는 더 커지고, 따라서 전류도 더 큰 값을 갖는다.

 

나. 순환 전환-전류법(CV)

CV실험 방법은 최종 전압(Eλ)에서 다시 초기전압(Ei)으로 돌아온다는 것을 제외하고는 LSV와 동일하다. 그림 4에 표시한 (a) ~ (h) 사이 전압에서 용액 내 O 또는 R의 농도 분포를 예측하여 그려보면 그림5와 같다. (a)에서 전압이 E0`보다 충분히 양의 값을 가져서 O의 환원 반응이 불가능하므로 표면 농도는 벌크 농도와 같다. (b)에서는 E = E0`이므로 CO(0,t)/CR(0,t)=1이 되어 CO(0,t)=1/2CO*이다. (c)에서는 최대의 기울기를 갖는다. (d) 에서는 E<<E0`이므로 CO(0,t)=0이나, 확산층이 넓어졌으므로 O읜 농도 기울기는 (d)에서보다 더 작다. 한편 (e)에서 (h)로 갈수록 환원 반응보다는 R의 산화 반응이 점차 우세해진다.

 

                    그림 4 시간에 따른 전압의 변화    그림 5  전압 변화에 따른 용액 내 O와 R의 농도 분포

 

그림 5에서 O와 R의 확산층 내에서 농도 기울기 변화로부터 전류를 그려보면 그림 6과 같다. 그림 7은 가역적인 전기화학 반응의 주사 속도에 따른 CV 그림이다. 정반응과 역반응의 최대 전류가 동일하고 최대 전압 Epc와 Epa가 주사 속도에 무관하게 일정하며, 따라서 최대 전압의 차이(△Ep=Epc-Epa)는 주사 속도에 무관한 특징을 보인다. 또한 최대 전류와 주사 속도 간에는 ip ∝ ν1/2 의 관계를 갖는다.

 

④ 3원전극시스템(3 electrode system)3)과 각 전극의 역할과 기준전극의 종류를 쓰시오.

3원 전극 시스템은 전극이 3개(Reference Electrode, Counter Electrode, Working
Electrode)로 이루어진 계(System)를 의미한다. 전극전위를 결정하는 기준(표준수소전극(SHE))을 사용하는데 이 전극은 수소가스를 필요로 하고 수소이온농도를 항상 일정하게 유지해야 하는 어려움이 있다. 그래서 표준수소전극을 대신하여 미리 전위를 알고 있는 편리한 구조의 전극계를 이용하여 대상이 되는 전극과 전지를 조합하여 전위를 측정할 수 있으면 편리하다. 이와 같은 목적으로 사용되는 전극을 기준전극(reference electrode)이라 한다. 측정대상의 전극반응이 일어나는 전극을 시험전극(working electrode)이라 하는데, 이 전극의 면적은 다른 한쪽의 전극인 상대전극(counter electrode)보다는 보통 작게 한다. 기준 전극에 대하여 작동 전극의 전압 조절이 정확하므로 전기화학 반응의 메커니즘 조사, 분석 기타 전기화학 파라미터를 구하는 등의 용도로 사용된다.

가. 기준 전극의 종류4)

1) 표준수소전극(SHE, Standard Hydrogen Electrode or NHE, Normal Hydrogen electrode) - 전극에서 일어나는 반응은 2H+ +2e- ⇌ H2 이며, 이 때의전위를 0V로 한다. 표준수소전극은 수소가스를 필요로 하고 수소이온의 농도를 항상 일정하게 유지해야 하므로 사용하는데 어려움이 있다.

2) 포화 칼로멜 전극(saturated calomel electrode, SCE) - 염화수은을 포화시킨 포화 염화칼륨 수용액을 전해질 용액으로 사용하는 칼로멜 전극이다. Hg|Hg2Cl2|Cl- 과 같은 방법으로 표기한다.

3) Silver-Silver chloride - Ag전극에 4M의 KCl을 전해질로 넣어 Cl-이온을 포화상태로 유지 시켜준다. 은 표면에 염화은 층을 부착시킨 전극을 염소이온을 함유하는 전해액에 담근 것이다. 일반적으로 은선을 사용하여 간단하게 자작할 수 있다. Ag|AgCl|Cl-과 같은 방법으로 표기한다.

4) Mercury-mercury sulfate electrode - 칼로멜과 염화칼륨은 각각 비용해성 황산수은과 황산으로 대치된다. 황산수은 전극은 특히 황산 용액에서 측정하는 데 적합하다. Hg|Hg2SO4|SO4-2 와 같은 방법으로 표기한다.

 

⑤ 전기변색소자를 실생활에 활용한 예를 2개 이상 쓰시오.

전기 변색 소자를 이용한 예로 전자종이(e-paper)5)가 있다. 액정 대신 전자잉크를 사용해 다른 디스플레이처럼 화면 뒤에서 빛을 비추지 않아도 외부 조명만 있으면 화상을 볼 수 있어 전력 손실도 매우 적다. LCD보다는 화질이 좋지 못하지만, LCD가 전원을 끄면 화면이 바로 없어지는 것과 달리 전자종이는 전원이 꺼져도 화면이 그대로 유지된다. 전자종이는 종이 인쇄물과 기존의 디스플레이 매체를 대신하는 새로운 디스플레이 장치로, 전자신문, 전자잡지, 전자책의 개념으로 응용이 기대되고 있다.

다른 예로는 스마트 창문6)이 있다. 전압이 걸리면 빛의 투과성을 변화시킬 수 있는 유리창을 말하며, 버튼만 누르면 투명상태가 불투명하게 할 수 있다. 즉, 바깥 온도가 올라가면 색이 짙어지고, 온도가 내려가면 투명해져 태양열 흡수율을 스스로 조절하는 것이 대표적 기능이다. 계절별 채광 조절로 에너지를 절약 할 수 있는 효과가 있다. 스마트 창문은 대두되는 환경 문제와 효율적인 자원 사용에 적합한 제품이다.

4. 참고 문헌

1)http://terms.naver.com/entry.nhn?docId=1139346&cid=40942&categoryId=32372

2)http://preview.britannica.co.kr/bol/topic.asp?article_id=b18a1350a

3)오승모 『전기화학』 제2판 자유아카데미 p37~38 , p115~116, p145~151

4)http://terms.naver.com/entry.nhn?docId=1276143&cid=40942&categoryId=32251

5)http://terms.naver.com/entry.nhn?docId=932566&cid=43667&categoryId=43667

6)http://blog.lgcns.com/702