산화구리 나노입자 현탁액을 이용한 간단한 방법의 흑색 전기변색 잉크

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 7774(2023) 이 기사 인용

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스마트 윈도우용 전기변색(EC) 소재는 환경에 미치는 영향을 줄이기 위해 어두운 색상을 나타내고 가시광선(파장 = 380~780 nm)을 차단해야 합니다. 특히 블랙톤도 요망되는데, 폴리머와 같은 유기재료를 이용하여 이러한 어두운 톤을 구현하려는 시도가 많이 보고되고 있다. 그러나 제조 방법은 복잡하고 비용이 많이 들며 유해 물질을 사용할 수도 있습니다. 더욱이 자외선에 노출되는 경우와 같이 내구성이 충분하지 않은 경우가 많습니다. CuO계를 무기재료로 사용한 흑색재료의 사례가 보고된 바 있으나 합성방법이 복잡하고 기능성이 안정적이지 못하였다. 우리는 단순히 염기성 탄산구리를 가열하고 구연산으로 pH를 조정하여 쉽게 현탁액을 얻는 방법으로 CuO 나노입자를 합성하는 방법을 찾았습니다. CuO 박막의 형성과 기능성은 개발된 현탁액을 사용하여 입증되었습니다. 본 연구는 기존 무기재료와 프린팅 기술 등의 방법을 활용해 EC 스마트 윈도우 제작을 가능하게 할 것이며, 친환경적이고 비용 효율적이며 기능성이 뛰어난 암색 무기재료 개발을 향한 첫걸음이다.

전기변색(EC) 재료는 전기화학적 산화환원 반응을 통해 가역적인 광학 특성을 나타내므로 근적외선(NIR) 및 가시광선 영역에서 투과율과 흡수를 제어할 수 있습니다1,2. 이러한 독특한 능력으로 인해 EC 재료는 디스플레이3, 센서4, 에너지 저장 장치5 및 스마트 윈도우6,7에 널리 사용되는 전기 변색 장치(ECD)를 개발하는 데 활용될 수 있습니다. EC 재료는 주로 무기물과 유기물로 분류됩니다. 무기 재료에는 전이 금속 산화물(예: 텅스텐 산화물8, 니켈 산화물9) 및 무기 복합체(예: 유기 골격10)가 포함됩니다. 유기 재료는 π-공액 유기 분자(예: viologen11), 전도성 고분자(예: 폴리이미드12, 폴리티오펜13) 등으로 구성됩니다. 무기 EC 재료는 유기 재료에 비해 높은 화학적 안정성과 효율성, 메모리 효과 등 여러 가지 장점을 제공합니다. 이는 ECD 애플리케이션을 좌우하는 중요한 요소인 외부 전압을 제거한 후입니다1.

ECD의 기존 EC 재료 중 투명 상태와 파란색 색조 상태 사이를 전환하는 재료는 이미 상용화되었지만14 설계상의 이유로 더 어두운 상태에 대한 최근 요구를 충족하고 환경 영향을 줄이기 위해 이제 회색 또는 검은색 색조가 필요합니다. 이러한 소재 시스템이 구현될 수 있다면 앞으로 더욱 대중화될 것으로 예상되는 전기자동차, 연료전지자동차 등 차세대 자동차의 윈도우 소재로 활용될 수 있을 것이다. 이러한 소재를 창문에 적용하면 전기 비용을 절감하고 에어컨 부하를 줄여 차량의 주행 범위를 늘릴 수 있습니다.

현재까지 여러 연구에서 검정색 EC 재료가 입증되었습니다. 그러나 이렇게 보고된 물질 중 상당수는 유기물이고15,16,17,18 합성을 위해 다양한 물질이 필요하고 처리가 복잡하고 시간이 많이 걸리며 경우에 따라 환경에 큰 영향을 미치기 때문에 기초 연구 단계에 남아 있습니다. . 따라서 보다 간단하게 블랙을 표현할 수 있는 EC 소재 시스템이 필요하다.

우리 그룹은 EC 박막을 제조하기 위한 습식 공정에 적용할 수 있는 산화텅스텐(WO3) 및 PB 나노입자(NP)의 수성 분산액을 기반으로 한 잉크를 개발해 왔습니다8,10. 습식 공정 중에서 인쇄19 및 코팅20,21은 짧은 시간과 저렴한 비용으로 대규모 기판에서 EC 박막 제조를 가능하게 하는 이점을 제공합니다. 또한, 이러한 기술은 유리 기판 및 유연한 기판의 박막 제조에 유리합니다.

본 연구에서 우리는 염기성 탄산구리(II)를 출발 물질로 사용하고 구연산을 사용하여 물의 pH를 조정하는 CuO NP의 분산 현탁액을 제조하는 간단한 방법을 개발했습니다. 나노 크기의 CuO 입자를 생산하는 방법이 광범위하게 조사되었지만, 박막 생산을 위한 필수 액상 코팅인 안정하고 분산된 CuO NP 현탁액의 제조에 대한 연구는 거의 없습니다. 예를 들어 센서 재료, 포도당 센서, H2O2 센서, 도파민 센서 및 상처 치유와 같은 CuO NP의 생의학 응용이 잘 보고되어 있습니다. 산화물 NP를 함유한 콜로이드 현탁액은 나노 구조 필름의 인쇄 및 코팅과 같은 연속 생산 공정에 적용하기 쉽기 때문에 산업 규모로 적용할 수 있는 상당한 잠재력을 가지고 있습니다. 질산염 및 아세테이트 기반 용액을 사용하여 CuO 콜로이드 현탁액을 준비하려는 여러 시도가 있었습니다.