표면 전하를 가지는 폴리스티렌 입자의 전기장에 의한

자기조립을 이용한 스마트 윈도우

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 1

임상혁, 박오옥

한국과학기술원

Smart window fabricated by electric field induced self assembly of polystyrene beads

with surface charge

Sang Hyuk Im, O Ok Park

Korea Advanced Institute of Science and Technology

서론

스마트 윈도우에서, 스마트의 의미는 외부의 자극에 의해 능동적으로 작동한다는 것이다. 스마트 윈도우에서 외부의 자극은 주로 빛이나 열 그리고 전기적인 신호이며, 이 신호에 따라 스마트 윈도우는 창을 통과하는 빛의 양을 조절한다 [Deb et al. 2001]. 잘 알려진 스마트 윈도우로는 빛에 응답하는 물질, 열에 응답하는 물질 및 전기적 신호에 응답하는 물질들을 이용한 것이다. 최근에는, 전기적 신호에 응답하는 물질 중에서 산화와 환원의 상태에 따라 빛의 투과 량이 달라지는 물질을 이용하여 스마트 윈도우를 만든 것이 보고되었다 [Mortimer. 1999, Paoli et al.1999, Michalelis et al. 1999] . 지금까지 보고 된 스마트 윈도우는 외부 자극에 의해 응답하는 염료를 사용한 것들이다. 하지만 본 연구에서는 전기장에 의한 입자들의 구조의 변화를 통해서 빛의 투과 량을 조절하였다. 예로부터, 전하를 띈 물체가 전기장 하에 놓여 있을 때, 반대전하를 띄는 전극으로 이동한다는 것은 잘 알려져 있으며, 최근 Rogach그룹[Roagach et al. 2000]에 의해, 전하를 띈 나노입자를 전기장 하에 놓으면, 반대 전하를 띈 전극 주위에 결정구조로 자기조립 된다는 것이 보고되었다. 그들은 이렇게 제조된 결정이 광자 결정으로 응용 될 수 있다고 보고하였다. 하지만 본 연구에서는 전하를 띈 나노입자들이 전기장에 의해 결정구조로 자기 조립되는 정도를 이용하여, 통과하는 빛의 양을 조절하였으며 이를 스마트 윈도우로 응용하였다.

실험 및 결과

그림 1에 나타낸 것과 같이, ITO 유리를 70마이크로미터 크기의 스페이서를 이용하여 간격을 둔 후, 그 사이로 PS(Polystyrene)입자의 용액을 모세관 현상을 이용하여 주입하였다. 전기장을 가하기 전에는 그림 2-(a)에 나타낸 것처럼 불투명하지만, 전기장을 가하면 그림 2-(b)에 나타낸 것처럼 투명해 진다. 전기장을 가하기 전에는, PS 입자가 빛을 난 반사 시킴으로 우리 눈에 뿌옇게 나타난다. 하지만, 전기장을 가하게 되면, PS 입자는 표면이 음 전하로 치환되어 있으므로 양극으로 이동하게 되고 자기조립에 의해 결정화가 된다. 이의 확인을 위해서, 샘플에 5V를 30분 동안 가한 후, 샘플을 분리하고, 용매를 증발 시킨 후, 양극에 쌓인 PS 입자를 SEM(Scanning Electron Microscopy)를 이용하여 분석하였다. 그림 3에서 PS 입자들은 크게 2가지 구조가 섞여 있음을 볼 수 있다. 첫 번째 구조는 평면육각형 구조를 가지고 있고, 두 번째 구조는 평면사각형 구조를 가지고 있음을 볼 수 있다. 하지만, 한 평면 위에 서로 다른 구조를 가진 결정들이 동시에 성장하는 것은 어려우므로, 같은 구조의 결정이 서로 다른 방향으로 자란 것으로 생각되어진다. 평면육각형 구조로 보이는 것은 정방 구조의 결정이 ITO유리 표면에 대해 (111) 방향으로 자란 것으로 생각되고, 평면사각형 구조로 보이는 것은 (100) 방향으로 자란 것으로 생각되어진다.

그림 . 샘플의 개략도. PS입자는 표면이 음전하로 치환되어 안정화 되어있다. 따라서, 전기장을 가할 경우, 양극으로 이동을 함.

그림 2-(a) 전기장을 가하기 전

그림 -(b) 전기장을 가한 후

전기장에 의해 자기조립된 PS 입자의 결정이 서로 다른 방향으로 결정이 성장하는 이유에 대해서 살펴보았다. 그림 4-(a)에 나타낸 것처럼, 전기장에 의해 PS 입자들이 양극에 쌓이는 경우, 전기장에 의해 전극쪽으로 작용하는 힘은 존재하지만, 입자들 간의 인력은 존재하지 않는다. 따라서, 입자들은 임의로 전극 쪽으로 이동하게 되고, 전극 표면에 PS 입자들이 불 균일하게 첫 번째 층을 형성한다. 따라서, PS 입자가 다층으로 쌓일 경우, 첫 번째 층에 의해 결함들이 생기게 되고 하나의 결정구조가 성장되는 것이 아니라 여러 가지의 결정구조가 생겨나게 된다. 이의 확인을 위해서, PS입자를 첫 번째 층만 쌓은 후 SEM사진을 분석해 보았다. 이것은 그림 4-(b)에 나타내었다. 그림에서 볼 수 있듯이, PS 입자들은 전극 위에 불 균일하게 쌓인 것을 볼 수 있다. 평면 육각형 구조와 평면 사각형 구조가 모두 공존하며, 결함들이 많이 존재하는 것을 볼 수 있다. 그럼에도 불구하고, 전기장에 의해 생성된 PS 입자들의 결정은 정방 구조이므로 빛을 통과시키게 된다. 따라서, 전기장에 의해 입자들이 결정구조로 바뀜으로써, 빛의 투과 량을 조절 할 수 있고 이는 스마트 윈도우로 응용될 수 있다.

(a)                      (b)

그림 3. 제조된 샘플의 SEM 사진

(a)

(b)

그림 4. (a) 여러 구조의 결정이 성장하는 개념도. (b) 양극의 첫 번째 층에 쌓인 PS 입자

결론

표면이 음 전하로 치환된 PS 입자를 이용하여 스마트 윈도우를 제조 할 수 있었다. PS 입자는 전기장에 의해 양극으로 이동하게 되고 자기조립에 의해 결정 구조를 가지게 된다. 전기장을 가하기 전에는 PS 입자들이 빛을 난 반사시킴으로 빛을 투과시키지 못하지만, 전기장을 가하게 되면 결정구조를 가지게 되어 빛을 투과시키게 된다. 전기장에 의해 생성된 입자들의 결정 구조는 정방형 구조의 결정이 서로 다른 방향으로 자라서 각각의 영역이 공존한다. 이는 입자들이 전극 위에 쌓일 때, 입자들 간의 인력이 없으므로, 첫 번째 층이 불 균일하게 쌓임으로써 나타난다.

참고 문헌

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

1. S. K. Deb, S.-H. Lee, C. E. Tracy, J. R. Pitts, B. A. Gregg, and H. M. Branz, Electrochemi. Acta 46, 2125 (2001)

2. R. J. Mortimer, Electrochemi. Acta 44, 2971 (1999)

3. M.-A. De Paoli, G.C.-Miceli, E. M. Girotto, and E. A. Gazotti, Electrochemi. Acta 44, 2983 (1999)

4. A. Michaelis, H. Berneth, D. Haarer, S. Kostromine, R. Neigl, and R. Schmidt Adv. Mater. 13, 1825 (2001)

5. A. L. Rogach, N. A. Kotov, D. S. Koktysh, J. W. Ostrander, and G. A. Ragoisha, Chem. Mater. 12, 2721(2000)