전기변색기술의 동향 및 시장전망

전기변색(Electrochromic: EC)은 기본적으로 전기화학적인 반응을 기반으로 하고 있다. 전기화학반응은 전자가 필수적으로 연관되어 있는데, 물질이 전자를 잃거나 얻는 과정을 산화와 환원이라고 정의한다. 산화반응의 경우는 물질로부터 전자 방출되는 과정이고, 환원반응은 전극으로부터 전자가 방출되어 물질로 이동하는 반응이라고 할 수 있다. 다음의 반응식으로 간략하게 산화와 환원반응을 표시하였다.

(수식 1)

전기화학반응이 여타의 화학반응과 다른 점은 전자가 그 반응 자체에 참여하는 것이며, 또한 전자의 전달이 일반적인 결합이 아니라 터널링(tunneling)이라는 현상에 의해서 전자전달이 일어나게 됨으로써 반응의 범위는 전자의 출입이 가능한 전극의 매우 가까운 범위로 제한되어 발생한다고 할 수 있다. 전기변색반응의 이해를 위해서 몇 가지 기존의 화학반응과 다른 특성을 기술하고자 한다.

첫째, 물리학에서 언급하는 포텐셜은 주로 양전하를 중심으로 설명을 진행하는 반면에 전기화학반응에서는 음전하를 기반으로 현상을 해석한다. 즉, 음전하의 양이 커짐에 따라서 전자의 에너지는 증가하는 것으로 표시되고, 전극의 전위는 감소한다고 설명한다.

(그림 1)

전기화학반응에서의 에너지 준위[1]

(그림 1)에서 보는 것과 같이 전극 내에 전자의 양이 증가하면 용액 내에 존재하는 다른 화합물들과의 반응성이 증가한다. 왜냐하면, 전극과 용액 내의 에너지 준위가 서로 접촉하는 경우에, 전극 내에서 에너지 준위가 높은 상태인 페르미 준위가 용액 내의 화합물의 전자 에너지 준위보다 높으면 전자의 성질에 따라서 높은 에너지 준위에서 낮은 에너지 준위로의 이동이 발생하게 된다. 이러한 과정이 전기화학적반응이 가능하게 하는 것이다.

둘째는 전기화학반응은 오로지 전극의 표면 반응에만 의존한다고 할 수 있다. 일반적인 화학반응은 반응물의 혼합으로 전역적인 반응이 생성된다. 그러나 전기화학반응에서는 오직 전극과 용액의 계면에 해당하는 거리에 있는 반응물만이 반응에 참여하게 된다. 이러한 범위에 있는 층을 확산층(diffusion layer)이라고 부르며, 일반적으로 이 층의 두께는 수 마이크로 미터에서 수백 마이크로미터의 두께를 가진다고 알려졌다. 따라서 전기화학 반응은 ‘용액층-확산층-전극’의 순서에 따라서 물질전달이 진행됨에 따라서 차례로 진행되게 된다.

셋째, 전기화학반응에서는 전자와 이온이 일정한 흐름을 형성해야만 한다. 따라서 산화전극, 환원전극, 전해질, 전원의 요소들이 닫힌 회로를 형성하여야만 반응이 완성된다. 즉, 닫힌 전기화학적 회로 내에서는 한쪽 전극이 산화전극으로 사용이 된다면 반드시 다른 쪽의 전극에서는 환원반응이 일어나야만 하는 것이다. 이러한 특징 때문에 산화전류와 환원전류는 같은 크기의 절대값을 가져야만 하는 것이다. 다음 (그림 2)에 산화/환원 전극 및 전해질, 전원을 포함하고 있는 전기화학 반응에서의 닫힌 회로의 개념도를 나타내었다.

(그림 2)

전기화학반응의 닫힌 회로[1]

한편, 전기화학반응에서는 전기회로와는 전류의 의미가 다르게 사용된다. 즉, 전류는 단순히 전하의 양의 표시하는 것이 아니라 전기화학 반응에서의 속도를 나타낸다고 할 수 있다. 산화 또는 환원이 일어나는 전극을 동작전극(working electrode)이라고 부르는데, 이때 반응에 참여하는 전하의 양은 다음과 같이 표현된다.

(수식 2)

N은 반응에 의해 생성된 물질의 몰수, n은 반응에 참여하는 전자의 수, F는 패러데이 상수이다. 따라서 전류는 전하량의 시간에 따른 미분량이므로 이를 정리하면, 전류는 생성된 물질의 몰수의 시간의 미분량으로 환산할 수 있다. 즉, 시간에 따라서 반응물질이 생성되는 속도를 의미한다고 할 수 있다.

기변색은 기본적으로 전기화학적인 반응을 기반으로 하고 있다. 또한, 전기화학 반응이 지속되기 위해서는 전기화학 반응의 닫힌 회로가 구성되어야 할 필요가 있다고 앞서서 기술하였다. 산화전극과 환원전극으로 나누어진 2개의 전극을 하나의 닫힌 회로로 구성하기 위해서는 두 전극 간에 전기적인 연결이 필요하다. 이러한 전기적인 연결을 일반적으로는 용액을 통해서 하게 되는데, 이때 단순한 용액만으로는 닫힌 회로를 구성할 수가 없다. 따라서 이 용액 내에 전기적인 흐름을 만들 수 있는 염(salt)을 부가하게 된다. 이렇게 염이 녹아 있는 용액을 전해질(electrolyte) 또는 지지 전해질(supporting electrolyes)이라고 부른다. 전기화학 반응을 이해하기 위해서는 전해질에 대한 이해가 매우 중요하다. 전해질 내에서 이온은 이온과의 상호작용 또는 용매와의 상호작용으로 이온의 활동도 계수에 지대한 영향을 준다. 따라서 이번 절에서는 전해질을 이해하기 위한 정보를 제공하고자 한다.

전해질을 이해하기 위해서는 전해질 내에 존재하는 이온의 활동도(activity)를 이해하여야 한다. 일반적으로 임의의 매질 내에 존재하는 임의의 이온 i의 활동도는 다음의 간단한 식으로 주어진다.

(수식 3)

이때 γ_i는 활동도 계수이고, C_i는 이온 i의 농도이다. 활동도 계수는 매질 내의 이온의 독립성이 보장된 완전히 희석된 상태인 무한 희석 시에 1.0의 최대값을 갖지만, 이온의 농도에 따라서 점차로 감소하다가 다시 증가하는 현상을 나타내게 된다. 이러한 현상은 이온이 무한 희석 전해질 내에 단독으로 존재할 경우에는 이온으로서의 모든 전기적 성질을 온전히 나타내지만, 이온의 개수가 증가함에 따라서 이온-이온 또는 이오-용매 상호작용에 의해 이온의 성질이 구속받음을 의미한다.

전기변색재료 중에서는 최근 들어 나노입자를 이용한 전기변색기술도 활발하게 연구되고 있다. 이미 언급한 바와 같이 전기변색반응은 전기화학 반응으로 이루어지며 이 전기화학 반응은 전극과 가까운 표면에서만 일어난다고 알려졌다. 따라서 이러한 나노입자로 구성되는 전극-용액의 표면은 자연스럽게 전기적 이중층 구조가 극명하게 나타나게 된다. 따라서 활동도를 이해하는 것 이외에 전기적 이중층의 구조에 대한 해석도 요구되고 있다고 하겠다. 전기적 이중층 구조에 대한 연구는 실시간으로 고체와 액체의 계면을 분석하는 방법이 완전하게 개발되지 않은 관계로 현재까지는 대체로 이론적 접근에 따른 해석이 주류를 이루고 있다. 이러한 이론 주에서 구이-채프먼-스턴(Gouy-Chapman-Stern) 모형이 가장 포괄적이며 폭넓은 응용이 가능하다. 따라서 본 절에서는 구이-채프먼-스턴 이론에 따른 전기적 이중층 구조를 간략하게 설명하고자 한다.

(그림 3)

특이성 흡착이 된 전기적 이중층 구조

(그림 3)에서 보는 것과 같이 금속전극의 표면에는 전기장에 의해 분극된 물 분자들이 점유하고 있다. 따라서 전극표면에는 음전하가 축적이 되며 용액 쪽에는 양이온이 존재하게 된다. 이때 수화된 이온이 전극에 근접하려고 할 때는 전극표면의 물 분자와 수화된 물 분자에 의해 대략 물 분자 1~2 정도의 크기만큼의 거리를 두고 밀집하게 된다. 이러한 거리를 외부 헬름홀츠 평면(Outer Helmholtz Plane: OHP)이라고 하며 용액 내에 존재하는 양이온이 접근할 수 있는 최소의 거리라고 할 수 있다. 또한, 외부 헬름홀츠 평면의 내부에는 이미 축적된 음전하가 있음에도 불구하고 다량의 음이온이 금속전극에 부착하게 되는데, 이를 특이성 흡착이라고 부르며 이러한 흡착의 중심을 따라 형성된 면을 내부 헬름홀츠 평면(Inner Helmholtz Plane: IHP)이라고 한다. 위와 같이 형성된 두 가지의 헬름홀츠 평면을 이온에 의해 형성된 조밀 이중층이라고 한다. 이 이중층의 외부를 확산층이라고 하며 이 확산층 내에서는 양이온의 농도가 거리에 따라서 지수적으로 감소한다고 알려져 있다. 이렇게 외부 헬름홀츠 평면으로부터 확산층으로의 양이온 농도의 감소는 필연적으로 전위의 지수적인 감소를 불러오는데, 이를 제타전위(Zeta Potential)라고 하다. 이 제타전위에 대한 개념적인 모식도를 (그림 4)에 나타내었다.

(그림 4)

특이성 흡착이 된 전기적 이중층 구조

전기변색기술은 앞서 설명한 전기화학적반응을 기반으로 나타나는 현상을 이용하는 것이다. 전기변색기술을 적용한 기본 소자는 다음 (그림 5)와 같은 구조를 갖추고 있다.

(그림 5)

무기물 기반 전기변색소자의 개념도

(그림 5)에 보는 것과 같이 유리기판의 한쪽 면에 투명전극을 증착한 후에 각각의 상/하판에 산화변색물질과 환원변색물질 박막을 도포하게 되면 기본적인 전기화학반응셀이 구성된다. 그 후에 상/하판을 대면하여 위치한 후에 봉지작업을 거친 후, 내부 공간에 전해질을 채워 넣으면 전기변색소자가 완성이 되는 것이다. 전기변색소자의 경우는 산화/환원되는 물질의 종류에 따라서 다양한 색을 구현할 수 있으며, 산화/환원이 동시에 일어나기 때문에 양쪽 전극 모두를 산화/환원물질을 사용함으로써 복합구조의 색을 구현할 수도 있다. (그림 6)에 전기변색현상을 일으키는 물질에 대한 주기율표를 나타내었다.

(그림 6)

주기율표에 나타낸 전기변색물질

야간에 자동차를 운행하는 운전자에게 자신의 차량 뒤에서 따라서 주행하고 있는 자동차의 전조등은 종종 운전자의 안전을 위협할 수 있는 상황을 일으키기도 한다. 즉, 뒤편 차량의 전조등이 자신의 차량에 있는 룸미러에 강하게 조사되었을 경우 운전자는 눈부심을 느끼게 되어 안전한 운전에 방해를 받게 된다. 이러한 불편함을 개선하기 위해 도입된 것이 자동차용 전기변색 거울이다. 현재 자동차용 전기변색 거울 시장의 80% 이상은 미국의 GENTEX. Co.가 장악하고 있으며, 유기물계 전기변색물질인 비올로겐을 사용하고 있다. GENTEX의 전기변색 거울의 경우 전기변색을 일으키는 변색물질이 내부에 존재하는 구조로 설계되었다. 다음 (그림 7)에서 보는 것과 같이 전기변색 거울에 전원이 인가되는 경우에, 음극과 양극의 전극에서 각각 환원되고 산화된 물질은 물질전달로 자연스럽게 전해질의 중앙부로 확산하게 된다[4]. 이런 과정을 통해서 변색이 진행된 후 전해질 중앙부에서는 산화/환원된 물질들이 재결합을 통해 소색되는 현상이 지속해서 일어나게 된다. 따라서 GENTEX의 전기변색 거울의 발색상태를 유지하기 위해서는 끊임없는 전원공급이 유지되어야 한다는 단점이 있다. 그러나 전기변색기술을 가장 성공적으로 제품화에 성공하였으며, 배타적인 특허의 확보로 인하여 현재 시장의 대부분을 확보하고 있다. 그런데도 이러한 성질로 인하여 GENTEX 전기변색소자는 대면적 구현이 용이하지 않으며, 스마트 윈도우와 같은 분야로의 적용이 가능하지 않은 기술로 분류할 수 있다.

(그림 7)

GENTEX사의 전기변색 거울의 원리[4]

전기변색기술이 적용되어 성공적인 시장확장이 이루어진다면 가장 큰 시장의 확보가 가능한 분야가 스마트 윈도우라고 할 수 있다. 스마트 윈도우는 근래에 불어온 에너지 위기 및 신재생에너지의 개발과 같은 전 지구적인 이슈의 등장에 힘입어 관심이 증대되고 있다. 현재는 SAGE Glass를 중심으로 전기변색 스마트 윈도우 기술이 개발되었고, 일정 부분 상용화에 도달하고 있다[5].

스마트 윈도우의 적용분야는 차량에서 건물까지 다양하게 적용할 수 있으나, 에너지 절약 측면에서 가장 유망한 분야는 건물용 스마트 윈도우이다. 스마트 윈도우는 여름철 직사광이 창호를 통해 직접 실내로 유입됨으로써 실내의 온도를 높일 경우, 냉방비가 상승하는 것을 일정 부분 완화할 수 있다. 물론 블라인드와 같은 전통적인 차단막을 사용할 수도 있지만, 사용자의 편리성 및 적외선의 차단과 같은 효과를 기대할 수는 없다. 또한, 광을 차단하기 위한 색유리를 채용한 창호보다는 투과도의 조절이 자유로워 겨울철의 난방비를 일정부분 보상해 주는 효과를 가져올 수 있다. (그림 8)에 나타낸 것과 같이 여름철에는 창호를 통한 외부 열의 유입이 60%를 차지하고 있으며, 겨울철에는 열의 손실의 25%가 창호를 통해 발생하고 있다는 점을 알 수 있다.

(그림 8)

계절에 따른 열 흐름[6][6]

이러한 전기변색 스마트 윈도우와 경쟁하고 있는 기술로는 Suspended Particle Device(SPD), Polymer Dispersed Liquid Crystal(PDLC) 기술이 있다. SPD는 용액 내에 분산된 극성입자의 정렬로 발색도를 조절하는 방식으로서 입자의 정렬 시 투명하지만, 입자가 분산되면 색을 띠는 방식으로 동작한다. SPD는 발색에서 소색까지의 변화가 가능하나 전원이 인가되지 않은 상태에서는 기본적으로 불투명하며, 쌍안정성이 존재하지 않아 지속적인 전류의 소모가 발생하여 전체 에너지 측면에서 불리하다고 할 수 있다. PDLC의 경우는 건물용 창호보다는 실내의 개인 프라이버시를 위해 채용되는 경우가 많다[7][8].

PDLC도 SPD와 유사하게 전원 미인가시에 불투명한 특성을 나타내며, 헤이즈를 이용하여 빛을 차단한다. PDLC의 경우는 현재 전기변색기술이나 SPD 기술보다 변색시간에서는 유리하다고 알려졌다. 다음의 <표 2>에는 현재 연구되고 있는 다양한 변색기술(또는 조광기술)에 대해서 각 특성을 비교하였다.

<표 2>

다양한 변색기술의 특성 비교

투명 디스플레이용 광셔터는 현재까지 상용화에는 도달하지 못한 기술분야라고 할 수 있다. 다음 (그림 9)에 투명 디스플레이용 광셔터에 대한 개념도를 나타내었다.

(그림 9)

투명 디스플레이용 광셔터 개념도

투명 디스플레이는 최근 들어 성장의 정체기에 도달한 디스플레이 시장에 새로운 돌파구를 열어 줄 수 있는 새로운 성장 아이템으로 기대되고 있는 분야이다. 투명 디스플레이는 기본적으로 유연한 기판을 기반으로 하고 있으며, 접거나 말 수 있는 디스플레이 기술과 함께 접목될 수 있을 것으로 예측된다. 이러한 투명 디스플레이는 개인정보 단말 이외에도 광고용, 차량용 등의 다양한 용도로 사용될 수 있다. 그러나 다양한 용도 및 응용성이 존재함에도 불구하고 반드시 해결되어야 하는 기술분야가 존재한다. 투명 디스플레이 사용자의 반대편으로부터 오는 빛이 강렬할 경우, 사용자는 디스플레이 상에 도시되는 정보를 정확히 인지하지 못할 가능성이 크다. 따라서 이럴 때는 시인성을 향상시키거나 혹은 개인정보의 노출을 최소화하며 디스플레이를 구동할 경우에는 반드시 광셔터가 요구된다고 볼 수 있다. 광셔터 기술도 스마트 윈도우 분야와 유사하게 전기변색기술과 액정기술이 가장 치열하게 경쟁을 하고 있다.