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KR20210080955A - 하이브리드 전기 변색 소재, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 전기 변색 소자 - Google Patents

하이브리드 전기 변색 소재, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 전기 변색 소자 Download PDF

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KR20210080955A
KR20210080955A KR1020190173056A KR20190173056A KR20210080955A KR 20210080955 A KR20210080955 A KR 20210080955A KR 1020190173056 A KR1020190173056 A KR 1020190173056A KR 20190173056 A KR20190173056 A KR 20190173056A KR 20210080955 A KR20210080955 A KR 20210080955A
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viologen
electrochromic
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박종승
최준홍
가우랍 키렌라우 판데
최혜원
최진희
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부산대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 하이브리드 전기 변색 소재, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 전기 변색 소자에 관한 것으로, 본 발명의 하이브리드 전기 변색 소재는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함한다.
[화학식 1]
[POSS-(A-vio-R)n][X]2n
상기 화학식 1에서, POSS는 다면체 올리고머 실세스퀴옥산(Polyhedral Oligomeric Silsesquioxane)을 나타내고, vio는 비올로겐 또는 비올로겐 유도체를 나타내고, 연결기 A는 -(CH2)n-(n = 1 내지 6의 정수)로 표시되고, R은 탄소수 1 내지 18의 알킬기, 아세트산기(-COOH) 또는 이의 유도체, 인산기(-H2PO3) 또는 이의 유도체, 수산기(-OH) 또는 이의 유도체 중 어느 하나를 나타내며; n은 1 내지 8의 정수이고, X는 Cl, Br, F, TFSI(bis(trifluoromethylsulfonyl)imide), BF4, PF6 및 ClO4 중에서 선택된 음이온이다.

Description

하이브리드 전기 변색 소재, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 전기 변색 소자{Hybrid electrochromic material, manufacturing method thereof and electrochromic device comprising the same}
본 발명은 POSS(Polyhedral Oligomeric Silsesquioxane)의 주변부에 비올로겐 또는 비올로겐 유도체가 치환된 구조를 갖는 하이브리드 전기 변색 소재, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 전기 변색 소자에 관한 것이다.
전기변색(electrochromism)이란 전극 물질에 전기화학적으로 산화 또는 환원 반응을 일으킬 때 가역적으로 색변화가 일어나는 현상을 의미한다. 이러한 전기 변색은 예를 들어, 대표적인 환원 착색 물질인 삼산화 텅스텐(WO3)에 Li+ 또는 H+와 전자가 주입됨으로써 전기 변색되어 착색되고, 방출 시에는 투명하게 되며, 반대로 일산화망간(MnO), 일산화리튬(LiO) 등의 산화 착색 물질의 경우, Li+ 또는 H+와 전자가 방출될 때 착색되고 주입 시에는 투명하게 된다.
따라서, 일반적으로, 전기 변색 소자는 이온전해질 및 변색물질층의 주변에 전기전도층이 위치하는 적층형 구조를 이루고 있다.
한편, 전기 변색 소자에 사용되는 전기 변색 소재는 코발트, 인듐, 이리듐, 텅스텐 등의 무기 물질을 사용할 수 있고, 비올로겐(viologen), 위스터 블루(wurster blue), 퍼릴렌 디이미드(perylene dimide) 계열 등의 유기 물질을 사용할 수 있다.
이 중에서, 비올로겐 소재는 합성이 간단하고 낮은 전압에서 색변화가 가능하며, 이온전해질에서 높은 이온 전도도를 발휘하는 장점이 있으나, 색 변환 시간이 오래 걸리고, 색효율이 낮으며 기계적 물성이 다소 취약한 문제점이 있다.
또한, 단독으로 사용되는 경우, 장기 구동안정성이 저하되는 경향이 있어서, 보완구조(complementary structure) 방식으로 소자를 형성하여야 되며, 이로 인해 단일변색층 전기 변색 소자의 물성을 확보하기 어려운 문제점이 존재한다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 유기 화합물의 기능성과 무기 화합물의 물성을 동시에 갖는 신규 소재가 활발히 개발되고 있다.
본 발명의 일 목적은 POSS(Polyhedral Oligomeric Silsesquioxane)의 주변부에 비올로겐 또는 비올로겐 유도체가 치환된 구조를 갖는 하이브리드 전기 변색 소재 및 이의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 전기 변색 소재를 포함하는 전기 변색 소자를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 하이브리드 전기 변색 소재는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함한다.
[화학식 1]
[POSS-(A-vio-R)n][X]2n
상기 화학식 1에서, POSS는 다면체 올리고머 실세스퀴옥산(Polyhedral Oligomeric Silsesquioxane)을 나타내고, vio는 비올로겐 또는 비올로겐 유도체를 나타내고, 연결기 A는 -(CH2)n-(n = 1 내지 6의 정수)로 표시되고, R은 탄소수 1 내지 18의 알킬기, 아세트산기(-COOH) 또는 이의 유도체, 인산기(-H2PO3) 또는 이의 유도체, 수산기(-OH) 또는 이의 유도체 중 어느 하나를 나타내며; n은 1 내지 8의 정수이고, X는 Cl, Br, F, TFSI(bis(trifluoromethylsulfonyl)imide), BF4, PF6 및 ClO4 중에서 선택된 음이온이다.
이때, 상기 비올로겐 또는 비올로겐 유도체는 하기 화학식 2-1 또는 화학식 2-2로 표시되는 화합물을 포함할 수 있다.
[화학식 2-1]
Figure pat00001
[화학식 2-2]
Figure pat00002
상기 화학식 2-2에서, 작용기 B는 비닐기, 시아노비닐기, 포스포닉기, 카바졸기 또는 이들의 유도체 중 어느 하나를 나타낸다.
일 실시예로, 상기 하이브리드 전기 변색 소재는 하기 화학식 3-1 또는 화학식 3-2로 표시되는 화합물을 포함할 수 있다.
[화학식 3-1]
Figure pat00003
[화학식 3-2]
Figure pat00004
상기 화학식 3-1 또는 화학식 3-2에서, 연결기 A는 -(CH2)n-(n = 1 내지 6의 정수)로 표시되고, R1은 할로겐화 알킬, 유기 작용기 함유 비올로겐 또는 유기 작용기 함유 비올로겐 유도체 중 어느 하나를 나타내고, R2는 탄소수 1 내지 18의 알킬기, 아세트산기(-COOH) 또는 이의 유도체, 인산기(-H2PO3) 또는 이의 유도체, 수산기(-OH) 또는 이의 유도체 중 어느 하나를 나타내고, 작용기 B는 비닐기, 시아노비닐기, 포스포닉기, 카바졸기 또는 이들의 유도체 중 어느 하나를 나타낸다.
이때, 상기 유기 작용기 함유 비올로겐 또는 유기 작용기 함유 비올로겐 유도체는 하기 화학식 4-1 또는 화학식 4-2로 표시되는 화합물을 포함할 수 있다.
[화학식 4-1]
Figure pat00005
[화학식 4-2]
Figure pat00006
상기 화학식 4-1 또는 4-2에서, R은 탄소수 1 내지 18의 알킬기, 아세트산기(-COOH) 또는 이의 유도체, 인산기(-H2PO3) 또는 이의 유도체, 수산기(-OH) 또는 이의 유도체 중 어느 하나를 나타내고, 작용기 B는 비닐기, 시아노비닐기, 포스포닉기, 카바졸기 또는 이들의 유도체 중 어느 하나를 나타낸다.
한편, 본 발명의 다른 목적을 위한 하이브리드 전기 변색 소재 제조 방법은 유기용매 내에서, 비대칭적으로 유기 작용기를 함유하는 비올로겐 또는 비올로겐 유도체와, 알킬 할로겐화된 POSS를 열처리하여 치환 반응시키는 단계;를 포함한다.
이때, 상기 비대칭적으로 유기 작용기를 함유하는 비올로겐 또는 비올로겐 유도체는 하기 화학식 4-1 또는 화학식 4-2로 표시되는 화합물을 포함할 수 있다.
[화학식 4-1]
Figure pat00007
[화학식 4-2]
Figure pat00008
상기 화학식 4-1 또는 4-2에서, R은 탄소수 1 내지 18의 알킬기, 아세트산기(-COOH) 또는 이의 유도체, 인산기(-H2PO3) 또는 이의 유도체, 수산기(-OH) 또는 이의 유도체 중 어느 하나를 나타내고, 작용기 B는 비닐기, 시아노비닐기, 포스포닉기, 카바졸기 또는 이들의 유도체 중 어느 하나를 나타낸다.
또한, 상기 반응은 불활성 분위기 하에서, 100 내지 150℃의 온도로 46시간 내지 50시간 동안 수행하는 것이 바람직하고, 상기 유기용매는 DMF, DMSO 및 아세토니트릴 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 또 다른 실시 형태인 전기 변색 소자는 한 쌍의 전극; 및 상기 한 쌍의 전극 사이에 위치하는 전기 변색층;을 포함하고, 상기 전기 변색층은 본 발명의 실시예에 따른 전기 변색 소재를 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 전기 변색 소재는 이온성 겔 내에 포함되는 것이 바람직하며, 상기 전기 변색 소재는 이온성 겔 전체 중량 대비 0.001 내지 50중량%로 포함될 수 있다.
여기서, 상기 이온성 겔은 고분자 매트릭스, 이온 전도성 소재 및 용매를 포함할 수 있다.
상세하게는, 상기 고분자 매트릭스는 PVDF, PMMA, PVA 또는 이들의 유도체 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 것이 바람직하고, 상기 이온 전도성 소재는 1-부틸-3-메틸이미다졸리움비스(트리플루오로설포닐)이미드, 1-부틸-3-메틸이미다졸리움 헥사플루오로포스페이트, 1-부틸-3-메틸이미다졸리움 테트라플루오로보레이트, 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 비스(트리플루오로설포닐)이미드, 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 헥사플루오로포스페이트 및 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 테트라플루오로보레이트 중에서 선택된 상온 이온성 액체, 또는 리튬 비스(트리플루오로메탄설포닐)이미드, 염화리튬, 과염소산 리튬, 삼불화메탄설폰산 리튬, 육불화인산 리튬 중에서 선택된 리튬염을 포함하는 것이 바람직하며, 상기 용매는 IPA, 아세톤, 톨루엔, MEK, 에탄올, DMF 및 DMSO 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 전기 변색 소자의 색 효율(coloration effieciency) 수치는 120cm2/C 이상일 수 있다.
본 발명의 하이브리드 전기 변색 소재는, 양이온을 내부에 트리핑하는 역할을 하는 POSS(Polyhedral Oligomeric Silsesquioxane)의 주변부에 비올로겐 또는 비올로겐 유도체가 치환된 구조를 나타내기에, 전자 이동성이 높아지게 되며, 이로 인해 색변화에 걸리는 시간이 짧고, 낮은 전압에서 구동이 가능하며 색 효율이 높은 장점이 있다.
또한, 전기 변색 소자는 무기 화합물인 POSS의 주변부에 유기 화합물인 비올로겐 또는 비올로겐 유도체가 치환된 구조를 나타내는 하이브리드 전기 변색 소재를 포함함에 따라, 색 효율이 높을 뿐만 아니라, 기존 소재를 사용한 전기 변색 소자에 비해 기계적 물성(강도 및/또는 신도)이 향상되게 되며, 장기 안정성 또한 향상되어, 다양한 분야에서 응용될 수 있는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 전기 변색 소재를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전기 변색 소자를 도시한 도면이다.
도 3a-b은 본 발명의 실시예에 따른 전기 변색 소재의 전구체 물질인 모노-헥실 비올로겐(MHV)의 H-NMR 및 MALDI-MASS 분석 스펙트럼을 도시한 도면이다.
도 4a-b는 본 발명의 실시예에 따른 전기 변색 소재의 전구체 물질인 옥타키스(3-클로로프로필)실세스퀴옥산의 H-NMR 및 C-NMR 분석 스펙트럼을 도시한 도면이다.
도 5a-b는 본 발명의 실시예에 따른 전기 변색 소재의 H-NMR 및 C-NMR 분석 스펙트럼을 도시한 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
전기 변색 소재는 외부 전압 인가에 의해 발생하는 산화 또는 환원 반응에 의해 색상을 변화하는 전기 변색 효과를 발현하는 능력을 가진 물질로, 본 발명의 하이브리드 전기 변색 소재는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함한다.
[화학식 1]
[POSS-(A-vio-R)n][X]2n
상기 화학식 1에서, POSS는 다면체 올리고머 실세스퀴옥산(Polyhedral Oligomeric Silsesquioxane)을 나타내고, vio는 비올로겐 또는 비올로겐 유도체를 나타내고, 연결기 A는 -(CH2)n-(n = 1 내지 6의 정수)로 표시되고, R은 탄소수 1 내지 18의 알킬기, 아세트산기(-COOH) 또는 이의 유도체, 인산기(-H2PO3) 또는 이의 유도체, 수산기(-OH) 또는 이의 유도체 중 어느 하나를 나타내며; n은 1 내지 8의 정수이고, X는 Cl, Br, F, TFSI(bis(trifluoromethylsulfonyl)imide), BF4, PF6 및 ClO4 중에서 선택된 음이온일 수 있다.
상세하게는, 도 1 및 화학식 1에서 나타난 바와 같이, 본 발명의 하이브리드 전기 변색 소재는 POSS(Polyhedral Oligomeric Silsesquioxane)의 주변부에 비올로겐 또는 비올로겐 유도체가 치환된 구조를 가질 수 있다.
상기 POSS는 3차원 프레임 네트워크를 형성하는 실록산 결합 연결기로, (SiO1.5)n 의 일반적인 구조식으로 나타내는 케이지 구조의 다면체 올리고머 실세스퀴옥산(Polyhedral Oligomeric Silsesquioxane)을 나타낸다.
상기 케이지 구조의 POSS는 유/무기가 실록산 결합으로 이루어져 혼합된 육면체에 가까운 구조를 이루고 있으며, 본 발명의 POSS는 주변부에 비올로겐 또는 비올로겐 유도체가 치환될 수 있다.
이러한 케이지 구조의 POSS는 외부 전압 인가 시에 양이온을 내부에 트래핑하는 효과를 가지며, 이러한 효과로 인해 전기 변색 소재의 색효율을 높여줄 수 있다.
상기 vio는 비올로겐 또는 비올로겐 유도체를 나타내는 것으로, 바람직하게는 하기 화학식 2-1 또는 화학식 2-2로 표시되는 화합물을 포함할 수 있다.
[화학식 2-1]
Figure pat00009
[화학식 2-2]
Figure pat00010
이때, 상기 화학식 2-2에서, 작용기 B는 비닐기, 시아노비닐기, 포스포닉기, 카바졸기 또는 이들의 유도체 중 어느 하나를 나타낼 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
한편, 화학식 1의 연결기 A는 -(CH2)n-(n = 1 내지 6의 정수)로 표시될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 R은 비올로겐 또는 비올로겐 유도체의 말단에 존재하는 반응성 또는 비반응성 유기 작용기로, 예를 들어, 탄소수 1 내지 18의 알킬기, 아세트산기(-COOH) 또는 이의 유도체, 인산기(-H2PO3) 또는 이의 유도체, 수산기(-OH) 또는 이의 유도체 중 어느 하나를 나타낼 수 있다.
상기 n은 POSS의 주변부에 치환된 비올로겐 또는 비올로겐 유도체의 개수를 의미하는 것으로, 1 내지 8의 정수인 것이 바람직하다.
상기 X는 비올로겐 또는 비올로겐 유도체의 대이온(counter ion)으로, 예를 들어, Cl, Br, F, TFSI(bis(trifluoromethylsulfonyl)imide), BF4, PF6 및 ClO4 중에서 선택된 음이온일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
일 실시예로, 본 발명의 하이브리드 전기 변색 소재는 하기 화학식 3-1 또는 화학식 3-2로 표시되는 화합물을 포함할 수 있다.
[화학식 3-1]
Figure pat00011
[화학식 3-2]
Figure pat00012
상기 화학식 3-1 또는 화학식 3-2에서, 연결기 A는 -(CH2)n-(n = 1 내지 6의 정수)로 표시되고, R1은 할로겐화 알킬, 유기 작용기 함유 비올로겐 또는 유기 작용기 함유 비올로겐 유도체 중 어느 하나를 나타내고, R2는 탄소수 1 내지 18의 알킬기, 아세트산기(-COOH) 또는 이의 유도체, 인산기(-H2PO3) 또는 이의 유도체, 수산기(-OH) 또는 이의 유도체 중 어느 하나를 나타내고, 작용기 B는 비닐기, 시아노비닐기, 포스포닉기, 카바졸기 또는 이들의 유도체 중 어느 하나를 나타낸다.
구체적으로, 상기 R1은 화학식 3-1 또는 화학식 3-2의 POSS의 주변부에 치환된 화합물을 의미하는 것으로, 예를 들어, 할로겐화 알킬, 유기 작용기 함유 비올로겐 또는 유기 작용기 함유 비올로겐 유도체 중 어느 하나를 나타낼 수 있다.
이때, 상기 유기 작용기 함유 비올로겐 또는 유기 작용기 함유 비올로겐 유도체는 하기 화학식 4-1 또는 화학식 4-2로 표시되는 화합물을 포함하는 것이 바람직하다.
[화학식 4-1]
Figure pat00013
[화학식 4-2]
Figure pat00014
상기 화학식 4-1 또는 4-2에서, R은 탄소수 1 내지 18의 알킬기, 아세트산기(-COOH) 또는 이의 유도체, 인산기(-H2PO3) 또는 이의 유도체, 수산기(-OH) 또는 이의 유도체 중 어느 하나를 나타내고, 작용기 B는 비닐기, 시아노비닐기, 포스포닉기, 카바졸기 또는 이들의 유도체 중 어느 하나를 나타낸다.
상기 R2는 비올로겐 또는 비올로겐 유도체의 말단에 존재하는 반응성 또는 비반응성 유기 작용기로, 예를 들어, 탄소수 1 내지 18의 알킬기, 아세트산기(-COOH) 또는 이의 유도체, 인산기(-H2PO3) 또는 이의 유도체, 수산기(-OH) 또는 이의 유도체 중 어느 하나를 나타낼 수 있다.
본 발명의 하이브리드 전기 변색 소재는 양이온을 내부에 트리핑하는 역할을 하는 POSS(Polyhedral Oligomeric Silsesquioxane)의 주변부에 비올로겐 또는 비올로겐 유도체가 치환된 구조를 나타내기에, 전자 이동성이 높아지게 되며, 이로 인해 색변화에 걸리는 시간이 짧고, 낮은 전압에서 구동이 가능하며 색 효율이 높은 장점이 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시 형태인 하이브리드 전기 변색 소재 제조 방법은, 유기용매 내에서, 비대칭적으로 유기 작용기를 함유하는 비올로겐 또는 비올로겐 유도체와, 알킬 할로겐화된 POSS를 열처리하여 치환 반응시키는 단계;를 포함한다.
이때, 상기 비대칭적으로 유기 작용기를 함유하는 비올로겐 또는 비올로겐 유도체는 하기 화학식 4-1 또는 화학식 4-2로 표시되는 화합물을 포함하는 것이 바람직하며, 상기 화합물은 비대칭적으로 유기 작용기를 함유함에 따라, 유기용매 내에서 효율적으로 용해될 수 있다.
[화학식 4-1]
Figure pat00015
[화학식 4-2]
Figure pat00016
상기 화학식 4-1 또는 4-2에서, R은 탄소수 1 내지 18의 알킬기, 아세트산기(-COOH) 또는 이의 유도체, 인산기(-H2PO3) 또는 이의 유도체, 수산기(-OH) 또는 이의 유도체 중 어느 하나를 나타내고, 작용기 B는 비닐기, 시아노비닐기, 포스포닉기, 카바졸기 또는 이들의 유도체 중 어느 하나를 나타낸다.
또한, 알킬 할로겐화된 POSS에서, 할로겐 원자는 염소(Cl)인 것이 가장 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다.
구체적으로, 상기 반응은, 불활성 분위기 하에서, 비대칭적으로 유기 작용기를 함유하는 비올로겐 또는 비올로겐 유도체와, 알킬 할로겐화된 POSS를 유기 용매 내에 첨가한 후, 100 내지 150℃의 온도로 46시간 내지 50시간 동안 열처리하여 수행될 수 있다. 여기서, 유기용매로는 DMF, DMSO 및 아세토니트릴 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
위와 같이, 유기 작용기를 함유하는 화합물을 사용하여 반응을 수행함으로써, 유기용매 내에서의 용해성을 높일 수 있으며, 효율적으로 치환 반응을 유도할 수 있다.
한편, 본 발명의 또 다른 실시 형태로 전기 변색 소자를 들 수 있다.
도 2를 참조하면, 상기 전기 변색 소자는 한 쌍의 전극; 및 상기 한 쌍의 전극 사이에 위치하는 전기 변색층;을 포함하고, 상기 전기 변색층은 본 발명의 전기 변색 소재를 포함할 수 있다.
한 쌍의 전극은 무기 또는 유기 도전성 물질을 포함할 수 있고, 투명할 수 있으며, 예를 들어, ITO, IZO 등의 무기물과, 폴리티오펜, 페닐폴리아세틸렌 등의 유기물을 포함할 수 있다. 이러한 전극의 사이에는 전기 변색층이 위치할 수 있다.
전기 변색층은 한 쌍의 전극 사이에 위치하며, 본 발명의 전기 변색 소재를 포함한다. 이때, 전기 변색 소재는 이온성 겔 내에 포함되는 것이 바람직한데, 이 경우, 단일 변색층을 형성하므로 소자 구조가 간단해지는 장점이 있기 때문이다.
또한, 상기 전기 변색 소재는 이온성 겔 전체 중량 대비 0.001 내지 50중량%로 포함되는 것이 더욱 바람직하며, 전기 변색 소재가 0.001 중량% 미만으로 포함되는 경우, 변색하는 색상의 강도가 약해서 인식하기 어려우며, 50 중량%를 초과하는 경우에는 변색소재간 응집이 크게 발생하여 변색의 가역성이 현저히 저하되는 문제점이 발생하기 때문이다.
한편, 상기 이온성 겔은 고분자 매트릭스, 이온 전도성 소재 및 용매를 포함할 수 있다.
상기 고분자 매트릭스는 전기 변색 소자의 기계적 강도를 향상시키고, 전해질 역할을 하는 것으로, PVDF, PMMA, PVA 또는 이들의 유도체 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 이온 전도성 소재는 전해질 내 이온의 이동을 도울 수 있는 물질로, 상온에서 액체 상태이어야 이온성 겔에 효과적으로 적용될 수 있다. 따라서, 상기 이온 전도성 소재는 예를 들어, 1-부틸-3-메틸이미다졸리움비스(트리플루오로설포닐)이미드, 1-부틸-3-메틸이미다졸리움 헥사플루오로포스페이트, 1-부틸-3-메틸이미다졸리움 테트라플루오로보레이트, 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 비스(트리플루오로설포닐)이미드, 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 헥사플루오로포스페이트, 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 테트라플루오로보레이트 등과 같은 상온 이온성 액체, 또는 리튬 비스(트리플루오로메탄설포닐)이미드, 염화리튬, 과염소산 리튬, 삼불화메탄설폰산 리튬, 육불화인산 리튬 등과 같은 리튬염을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 용매는 이온성 겔 내의 물질들의 배합과 코팅 특성을 향상시키기 위해서, 예를 들어, IPA, 아세톤, 톨루엔, MEK, 에탄올, DMF, DMSO 등과 같은 다양한 끓는점을 가지는 용매를 사용할 수 있다.
한편, 상기 전기 변색층은 애노드 레독스 화합물을 더 포함할 수 있으며, 예를 들어, 메틸페로센(methyl ferrocene), 페로센(ferrocene, Fc), 하이드로퀴논(hydroquinone) 등과 같은 화합물을 포함할 수 있다.
또한, 상기 전기 변색 소자는 기판으로 단단한 유리, 유연한 필름 소재를 사용하거나, 섬유, 직물에 이르기까지 다양한 형태의 전도성 소재를 사용할 수 있다.
위와 같이, 본 발명에 따른 전기 변색 소자는 색 효율이 높은 하이브리드 전기 변색 소재를 포함하기에, 색 효율(coloration effieciency) 수치가 120cm2/C 이상의 값을 나타내, 색상 강도의 발현이 월등히 우수한 특성을 나타낸다.
뿐만 아니라, 본 발명에 따른 전기 변색 소자는 무기 화합물인 POSS의 주변부에 유기 화합물인 비올로겐 또는 비올로겐 유도체가 치환된 구조를 나타내는 하이브리드 전기 변색 소재를 포함함에 따라, 기존 소재를 사용한 전기 변색 소자에 비해 기계적 물성(강도 및/또는 신도)이 향상되게 되며, 장기 안정성 또한 향상되어, 다양한 분야에서 응용될 수 있는 효과를 갖는다.
이하 본 발명의 다양한 실시예들 및 실험예들에 대해 상술한다. 다만, 하기의 실시예들은 본 발명의 일부 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명이 하기 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니된다.
하이브리드 전기 변색 소재의 제조
실시예 1
1) 모노-헥실 비올로겐(MHV) 합성
4,4'-비피리딘(5g, 32.01 mmol)과 1-브로모헥산(4.22 g, 25.60 mmol)의 혼합물을 100 mL 아세토나이트릴에서 24시간 동안 교반하였다. 실온으로 냉각한 다음 생긴 고형물을 여과하여 충분히 수세하였다. 여과물을 진공 상태에서 건조한 다음 수득하였다. 이후, NMR 분석 및 MALDI-MASS 분석을 수행하여, H-NMR 및 MALDI-MASS 분석 스펙트럼 결과를 도 3a-b에 도시하였다.
2) 옥타키스(3-클로로프로필)실세스퀴옥산 합성
농축 염산 10 mL 용액과 메탄올 300 mL를 두 개의 목의 둥근 바닥 플라스크에 담았다. 이 용액을 위해 10분 동안 힘차게 저으면서 3-클로로프로필프리메톡시실란 (30 g / 32.7 mL, 0.1509 mol)을 천천히 투입하였다. 반응 혼합물을 2시간 더 휘저어 실온으로 냉각시켰다. 2일 후 응축촉매인 di-n-butyltin (0.30 g, 0.47 mmol)을 연속 교반하면서 첨가하였다. 반응 혼합물은 흰 결정체가 침전될 때까지 실온에서 이틀 더 보관되었다. 형성된 침전물은 여과법으로 채취하여 메탄올로 여러 번 씻은 후 건조시켰다. 최종 제품은 백색 결정으로 획득되었다. 이후, NMR 분석을 수행하여, H-NMR 및 C-NMR 분석 스펙트럼 결과를 도 4a-b에 도시하였다.
3) POSS-viologen 합성
옥타키스(3-클로로프로필)실세스퀴옥산(2g, 1.92 mmol)을 시작 물질로 사용하여, 모노-헥실 비올로겐(MHV)(4.65g, 19.26 mmol) 및 DMF를 첨가하고, 질소 환경에서 120℃의 온도로 48시간 동안 반응시켰다.
반응 종료 후, 실온으로 냉각하고, 용매를 완전히 제거한 다음 디에틸 에테르, 에틸 아세테이트 및 아세톤을 사용하여 세척하였다. 이후, 남은 고체 생성물을 메탄올에 용해시키고, 디에틸 에테르에서 침전을 발생시키는 방법으로 정제한 후, 여과하여 POSS-viologen(실시예 1)을 수득하였다(도 1의 1 참조).
이후, NMR 분석을 수행하여, 실시예 1의 H-NMR 및 C-NMR 분석 스펙트럼 결과를 도 5a-b에 도시하였다.
도 5a-b에 도시된 바와 같이, POSS의 주변부에 비올로겐이 성공적으로 치환되어, POSS-viologen이 합성된 것을 확인할 수 있다.
비교예 1
비교예 1로 하기 화학식 a로 표시되는 화합물을 준비하였다(도 1의 2 참조).
[화학식 a]
Figure pat00017
전기 변색 소자 제조
실시예 2
POSS-viologen(실시예 1)(300mg)을 메틸-페로센(10mg), PVDF-HFP(400mg), 1-부틸-3-메틸이미다졸리움 테트라플루오로보레이트([BMIM][BF4], 1600mg)와 함께 아세톤에 용해시키고, 50℃에서 24시간 동안 교반시켜 전기 변색 소재가 포함된 이온성 겔을 제조하였다.
이후, 전기 변색 소재가 포함된 이온성 겔을 ITO (indium tin oxide) 글라스 위에 Surlyn® 필름을 스페이서로 사용하여 코팅한 다음, 70℃에서 1시간 동안 건조시켜 전기 변색층을 제조하였다. 다음으로, ITO 글라스를 덮어 전기 변색 소자(실시예 2)를 제조하였다.
비교예 2
POSS-viologen(실시예 1) 대신해서 비교예 1을 사용한 것을 제외하고는, 실시예 2와 동일한 방법으로 전기 변색 소자(비교예 2)를 제조하였다.
전기 변색 소자 특성 평가
전기 변색 소재를 포함하는 전기 변색 소자(실시예 2) 및 비교예 1의 인장강도, 인장신율, 영률, 변색시간, 변색성능, 구동안정성을 확인하였다. 특성 평가 결과는 하기 표 1에 요약하였으며, 각각의 항목에 대한 구체적인 특성 평가 조건, 방법 및 결과 값은 하기와 같다.
전기 변색 소자 인장강도 인장신율 영률 변색시간 변색성능 구동안정성
실시예 2 ◎ ◎ ◎ ○ ◎ ◎
비교예 2 × × ○ △ △ ×
1) 인장강도
인장강도 시험기를 사용하여 응력-변형도 선도(stress-strain curve)를 측정하고, 인장 강도(tensile strength)를 측정하여, 인장 강도가 >40 gf/mm2이면 ◎, >35 gf/mm2이면 ○, >30 gf/mm2이면 △, 30 gf/mm2 이하이면 ×로 표시하여 상기 표 1에 나타냈다.
표 1에 나타난 바와 같이, 실시예 2의 인장강도는 40 gf/mm2 으로 측정되어, 우수한 인장강도를 갖는 것을 알 수 있다. 반면, 비교예 2의 경우, 실시예 2에 비해 현저하게 낮은 인장강도를 나타냈다.
2) 인장신율
인장강도 시험기를 사용하여 응력-변형도 선도(stress-strain curve)를 측정하고, 인장신율(strain(%))를 측정하여, 인장신율이 >100% 이면 ◎, >80% 이면 ○, >60% 이면 △, 40% 내외 또는 이하이면 ×로 표시하여 상기 표 1에 나타냈다.
표 1을 참조하면, 실시예 2의 인장신율은 100% 이상으로 나타난 반면, 비교예 2의 경우, 인장신율이 40% 이하로 나타나, 실시예 2에 비해 인장신율이 낮은 특성을 나타냈다.
3) 영률
인장강도 시험기를 사용하여 응력-변형도 선도(stress-strain curve)를 측정하고, 영률(Young's modulus)을 측정하여, 영률이 >0.3 MPa 이면 ◎, >0.25 MPa 이면 ○, >0.2 MPa 이면 △, 0.2 MPa 이하이면 ×로 표시하여 상기 표 1에 나타냈다.
표 1을 참조하면, 실시예 2의 영률 또한 0.3 MPa 이상으로 매우 우수하였으나, 비교예 2의 경우, 실시예 2에 비해 비교적 낮은 영률을 나타냈다.
4) 변색 시간
실시예 2 및 비교예 2에 따라 제조된 전기 변색 소자를 동작하는 경우, 1회 변색에 소요되는 시간을 측정하여, < 5초 이면 ◎, < 10초 이면 ○, < 20초 이면 △, 20초 이상인 경우 ×로 표시하여 상기 표 1에 나타냈다.
표 1에 나타나듯이, 실시예 2의 경우 1회 변색에 소요되는 시간이 10초 미만으로 나타났으며, 비교예 2의 경우 20초 미만으로 나타난 것을 확인할 수 있다.
5) 변색 성능
광학 밀도 변화(△OD)와 충전/방전량(charge/discharge amount, Qd)을 측정하고, 하기 식 1을 이용하여 색효율(coloration Efficiency, CE) 수치를 계산하여, 색효율 수치가 >120cm2/C 이면 ◎, 119 내지 100 cm2/C 이면 ○, 99 내지 60cm2/C 이면 △, 59 cm2/C 이하이면 ×로 변색 성능을 평가하여, 상기 표 1에 나타내었다.
[식 1]
CE = log(Tb/Tc)/Qd
(Tb : 탈색 시간 Tc : 착색 시간)
표 1을 참조하면, 실시예 2의 경우 색효율 수치가 120cm2/C 이상의 높은 값을 나타내 우수한 변색 성능을 갖는 것을 확인할 수 있었다. 반면, 비교예 2의 경우, 색효율 수치가 100 미만의 값으로 나타나, 실시예 1에 비해 좋지 않은 변색 성능을 갖는 것을 알 수 있었다.
6) 구동 안정성
구동 안정성은 변색과 탈색을 반복했을 때 투과도(transmittance) 수치를 측정하며, 1000회 이상 반복했을 때 10% 이하의 색수치 변동을 보이면 ◎, 500회 이상 반복했을 때 10% 이하의 색수치 변동을 보이면 ○, 300회 이상 반복했을 때 10% 이하의 색수치 변동을 보이면 △, 100회 이상 반복했을 때 10% 이상의 색수치 변동을 보이면 ×로 상기 표 1에 나타냈다.
그 결과, 실시예 2는 1000회 이상 반복했을 때에도 10% 이하의 색수치 변동을 보여 구동 안정성이 우수하였지만, 비교예 2의 경우에는 실시예 2에 비해 구동 안정성이 현저히 낮은 것으로 나타났다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (16)

  1. 하기 화학식 1로 표시되는 화합물을 포함하는, 하이브리드 전기 변색 소재;
    [화학식 1]
    [POSS-(A-vio-R)n][X]2n
    상기 화학식 1에서,
    POSS는 다면체 올리고머 실세스퀴옥산(Polyhedral Oligomeric Silsesquioxane)을 나타내고,
    vio는 비올로겐 또는 비올로겐 유도체를 나타내고,
    연결기 A는 -(CH2)n-(n = 1 내지 6의 정수)로 표시되고,
    R은 탄소수 1 내지 18의 알킬기, 아세트산기(-COOH) 또는 이의 유도체, 인산기(-H2PO3) 또는 이의 유도체, 수산기(-OH) 또는 이의 유도체 중 어느 하나를 나타내며; n은 1 내지 8의 정수이고,
    X는 Cl, Br, F, TFSI(bis(trifluoromethylsulfonyl)imide), BF4, PF6 및 ClO4 중에서 선택된 음이온이다.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 비올로겐 또는 비올로겐 유도체는 하기 화학식 2-1 또는 화학식 2-2로 표시되는 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 전기 변색 소재;
    [화학식 2-1]
    Figure pat00018

    [화학식 2-2]
    Figure pat00019

    상기 화학식 2-2에서,
    작용기 B는 비닐기, 시아노비닐기, 포스포닉기, 카바졸기 또는 이들의 유도체 중 어느 하나를 나타낸다.
  3. 제1항에 있어서,
    하기 화학식 3-1 또는 화학식 3-2로 표시되는 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 전기 변색 소재;
    [화학식 3-1]
    Figure pat00020

    [화학식 3-2]
    Figure pat00021

    상기 화학식 3-1 또는 화학식 3-2에서,
    연결기 A는 -(CH2)n-(n = 1 내지 6의 정수)로 표시되고,
    R1은 할로겐화 알킬, 유기 작용기 함유 비올로겐 또는 유기 작용기 함유 비올로겐 유도체 중 어느 하나를 나타내고,
    R2는 탄소수 1 내지 18의 알킬기, 아세트산기(-COOH) 또는 이의 유도체, 인산기(-H2PO3) 또는 이의 유도체, 수산기(-OH) 또는 이의 유도체 중 어느 하나를 나타내고,
    작용기 B는 비닐기, 시아노비닐기, 포스포닉기, 카바졸기 또는 이들의 유도체 중 어느 하나를 나타낸다.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 유기 작용기 함유 비올로겐 또는 유기 작용기 함유 비올로겐 유도체는 하기 화학식 4-1 또는 화학식 4-2로 표시되는 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 전기 변색 소재;
    [화학식 4-1]
    Figure pat00022

    [화학식 4-2]
    Figure pat00023

    상기 화학식 4-1 또는 4-2에서,
    R은 탄소수 1 내지 18의 알킬기, 아세트산기(-COOH) 또는 이의 유도체, 인산기(-H2PO3) 또는 이의 유도체, 수산기(-OH) 또는 이의 유도체 중 어느 하나를 나타내고,
    작용기 B는 비닐기, 시아노비닐기, 포스포닉기, 카바졸기 또는 이들의 유도체 중 어느 하나를 나타낸다.
  5. 유기용매 내에서, 비대칭적으로 유기 작용기를 함유하는 비올로겐 또는 비올로겐 유도체와, 알킬 할로겐화된 POSS를 열처리하여 치환 반응시키는 단계;를 포함하는,
    하이브리드 전기 변색 소재 제조 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 비대칭적으로 유기 작용기를 함유하는 비올로겐 또는 비올로겐 유도체는 하기 화학식 4-1 또는 화학식 4-2로 표시되는 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 전기 변색 소재 제조 방법;
    [화학식 4-1]
    Figure pat00024

    [화학식 4-2]
    Figure pat00025

    상기 화학식 4-1 또는 4-2에서,
    R은 탄소수 1 내지 18의 알킬기, 아세트산기(-COOH) 또는 이의 유도체, 인산기(-H2PO3) 또는 이의 유도체, 수산기(-OH) 또는 이의 유도체 중 어느 하나를 나타내고,
    작용기 B는 비닐기, 시아노비닐기, 포스포닉기, 카바졸기 또는 이들의 유도체 중 어느 하나를 나타낸다.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 반응은 불활성 분위기 하에서, 100 내지 150℃의 온도에서 수행하는 것을 특징으로 하는,
    하이브리드 전기 변색 소재 제조 방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 유기용매는 DMF, DMSO 및 아세토니트릴 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    하이브리드 전기 변색 소재 제조 방법.
  9. 한 쌍의 전극; 및
    상기 한 쌍의 전극 사이에 위치하는 전기 변색층;을 포함하고,
    상기 전기 변색층은 제1항에 따른 전기 변색 소재를 포함하는 것인,
    전기 변색 소자.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 전기 변색 소재는 이온성 겔 내에 포함된 것을 특징으로 하는,
    전기 변색 소자.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 전기 변색 소재는 이온성 겔 전체 중량 대비 0.001 내지 50중량%로 포함된 것을 특징으로 하는,
    전기 변색 소자.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 이온성 겔은 고분자 매트릭스, 이온 전도성 소재 및 용매를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    전기 변색 소자.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 고분자 매트릭스는 PVDF, PMMA, PVA 또는 이들의 유도체 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    전기 변색 소자.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 이온 전도성 소재는 1-부틸-3-메틸이미다졸리움비스(트리플루오로설포닐)이미드, 1-부틸-3-메틸이미다졸리움 헥사플루오로포스페이트, 1-부틸-3-메틸이미다졸리움 테트라플루오로보레이트, 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 비스(트리플루오로설포닐)이미드, 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 헥사플루오로포스페이트 및 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 테트라플루오로보레이트 중에서 선택된 상온 이온성 액체, 또는 리튬 비스(트리플루오로메탄설포닐)이미드, 염화리튬, 과염소산 리튬, 삼불화메탄설폰산 리튬, 육불화인산 리튬 중에서 선택된 리튬염을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    전기 변색 소자.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 용매는 IPA, 아세톤, 톨루엔, MEK, 에탄올, DMF 및 DMSO 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    전기 변색 소자.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 전기 변색 소자의 색 효율(coloration effieciency) 수치는 120cm2/C 이상인 것을 특징으로 하는,
    전기 변색 소자.
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