▲ 비수계의 PVC 기반 일체형 전기변색이온젤을 이용한 차세대 내수성·고투명·고신축성 디스플레이. (사진=한기대 제공)

한국기술교육대학교(총장 유길상, 이하 한기대)배진우 교수 연구팀이 자유자재로 늘어나고 투명하여 전자 피부(e-skin), 스마트 옷등에 활용할 수 있는 전기변색 소자를 개발했다.

개발한 소자는 내수성·고투명성·고신축성의 폴리염화비닐(PVC) 고분자 기반 전기변색* 이온젤**과 투명전극***을 이용하여 낮은 전압으로 색과 투과도 조절이 가능하므로, ‘일체형 전기변색이온젤 기반 고유연·고신축성 전기변색소자’로 정의할 수 있다.

* 전기변색(electrochromic) : 전기화학적 반응으로 물질의 색을 바꾸는 기술. 스마트윈도우가 대표적이다.

** 이온젤 : 고분자와 이온성 액체의 물리적·화학적 결합으로 생성된 물질. 플렉서블 및 웨어러블 소자 등에 사용할 수 있는 차세대 전해질로 주목받고 있다.

*** 투명전극 : 눈으로 보이는 가시광선 영역에서 높은 광 투과도를 보이는 동시에 전기전도도가 높은 전극.

최근 신축성이 있는 투명 디스플레이나 웨어러블 기기에 대한 관심이 높아지면서 관련 전자소자 연구가 활발하다. 그 중 외부에서 전압을 가해주었을 때 색이 변하는 전기변색 소자는 구동 전압이 낮고 소자 구성이 간단해 많은 관심을 받고 있다. 다만, 기존  무기물 기반  전기변색 소자는 신축성이 없어 활용에 한계가 있다. 이를 대체하기 위해 물을 포함한 하이드로젤 기반 전해질을 사용한 전기변색 소자가 개발되었지만, 온습도의 환경에 따라 전해질이 새거나 증발해서 전기변색 성능이 저하된다는 문제가 있었다.

▲ 한국기술교육대학교 배진우 교수 (좌), 오승주 박사과정 (우). (사진=한기대 제공)

배진우 교수 연구팀은 기존 전기변색 소자의 위와 같은 단점을 극복하는 고신축성의 전기변색 소자 개발에 성공했다. 연구팀은 PVC* 고분자에 가소제를 첨가하고 이온성액체와 전기변색 물질인 바이올로젠(Viologen)** 함량을 조절해 내수성·고투명성·고신축성의 일체형 전기변색이온젤을 개발하였다.

최적화된 전기변색이온젤은 주위 온습도 환경변화에 민감하게 반응하지 않고 장시간 그 모양과 형태를 유지하였으며, 높은 투명성과 높은 신축성 및 높은 이온전도도를 보였다. 연구팀은 이렇게 개발된 전기변색이온젤과 투명전극을 사용해 유연하고 신축성이 있는 전기변색 소자를 구현해 냈다. 유연전기변색소자는월등한 변색성능과 뛰어난 굽힘 내구성을 확인했고, 신축전기변색소자는 뒤틀거나 여러 번 접은 후에도 변색이 안정적으로 유지되는 데 성공했다.

* PVC(폴리염화비닐) :건축 파이프, 바닥재 등에 주로 사용하는 단단한 플라스틱 소재

** 바이올로젠 : 전기변색 물질의 하나로 전기자극에 의한 산화-환원 반응으로 변색된다.

배진우 교수는 이번 연구성과에 대해 “단순한 구조 및 간단한 제작과정을 통해 고성능의 신축성 전기변색소자를 구현했다”며, “향후 전자피부(e-skin), 스마트 옷(smart clothes), 스마트 위장술(smart camouflage) 등의 차세대 웨어러블 다바이스와 신축성 투명 디스플레이 등 여러 분야에 적용 가능할 것으로 기대된다”라고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 및 교육부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업과 4단계 두뇌한국(BK)21 사업의 지원으로 수행되었으며, 연구의 성과는 화학공학 분야 국제학술지 ‘케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)’온라인판에5월 6일 게재된 바 있다.