기획특집: 고분자재료 기반 유기전자소자 - CHERIC · 2016. 12. 20. · 기획특집: 고분자재료 기반 유기전자소자 28 공업화학 전망, 제19권 제6호,

26 공업화학 전망, 제19권 제6호, 2016

1. 서 론1)

현대 사회에서 디스플레이는 대부분의 전자소

자에 포함되어 있는 핵심 부품으로 평판형의 디스

플레이에서 벗어나기 위한 활발한 연구가 이루어

진 결과 최근에는 플렉서블 디스플레이가 상용화

되고 있다. 그리고 나아가 차세대 디스플레이로

입을 수 있는 디스플레이(wearable display)에 대

한 요구가 지속적으로 늘어나고 있다. 상용화된 플렉서블 핸드폰, 플렉서블 티비 등에

사용되는 대표적 디스플레이 중 하나로 유기 발광

다이오드(organic light emitting diode, OLED)를

들 수 있다. OLED는 점광원이 아닌 면광원 형태

로 제작되어 눈부심이 적은 조명에 사용되는 등

디스플레이 외에도 다양한 형태로 활용되고 있지

만, 대부분의 경우 진공 공정을 통해 소자 제작이

이루어져야 하고 다층의 소자 구조가 필수적이므

로 대면적 대량 생산에 한계가 있다. 그러므로 차

세대 웨어러블 디스플레이 개발을 위해 OLED의

지속적인 개발 외에도 새로운 형태의 디스플레이

의 개발이 요구되는 바이다.

†주저자 (E-mail: [email protected])

OLED는 직접적인 전자와 정공을 주입하여 이들

의 재결합(recombination)을 통해 여기자(exciton)를 생성하게 된다. 그리고 이 여기자들의 바닥 상

태로의 전이를 통해 빛을 얻어낸다. 이 구동 방식

과 차별화될 수 있는 새로운 형태의 디스플레이로

전기화학 반응을 통해 발광을 하는 전기화학발광

(electrochemiluminescence, ECL) 디스플레이를

들 수 있다. 전기화학발광 현상은 크게 2가지 메커

니즘으로 설명할 수 있는데 그중 첫 번째가 anni-hilation pathway이다(Figure 1a)[1]. 전극 포텐셜

을 적절히 조절하면 사용된 전기화학발광 물질

(ECL luminophore)을 산화 혹은 환원시킬 수 있

는데 이때 산화종과 환원종이 만나 전자전이반응

(electron transfer reaction)을 통해 excited된 화학

종을 만드는 방식이다. 만약 사용하고자 하는 산

화종과 환원종이 불안정하다면 이를 대체할 수 있

는 다른 물질, 즉 coreactant의 사용이 가능한데 이

것이 또 다른 전기화학발광 방식인 coreactant pathway이다(Figure 1b)[1].

전기화학발광 디스플레이의 경우 전극의 종류

에 크게 영향을 받지 않고, 소자 구조도 전극 2개와 발광층만 있으면 되는 굉장히 간단한 소자 구

차세대 전기화학 디스플레이

오 　 환⋅문 홍 철†

서울시립대학교 화학공학과

Next-Generation Electrochemical Displays

Hwan Oh and Hong Chul Moon†

Department of Chemical Engineering, University of Seoul

Abstract: 낮은 구동 전압, 간단한 소자 구조, 손쉬운 기능성 조절 및 용액 공정을 통한 대면적 소자 제작 등과 같은

다양한 특징을 갖는 전기화학 디스플레이는 차세대 디스플레이로 주목받고 있다. 본 고에서는 전기화학 디스플레이

중 특히 고성능 고체전해질인 이온젤에 기반한 전기화학발광 디스플레이와 전기변색 디스플레이의 원리 및 개발 동향

등에 대해 소개하고자 한다.

Keywords: electrochemical displays, ion gels, electrochemiluminescence, electrochromism

기획특집: 고분자재료 기반 유기전자소자


KIC News, Volume 19, No. 6, 2016 27

조를 가지고 있다. 또한 용액 공정으로 소자 제작

이 가능하기에 대면적, 대량 생산에서도 유리할

것으로 파악된다. 그리고 OLED와 비교하여 더 낮

은 구동 전압을 요구한다. 이러한 특징들은 현재

OLED가 차지하는 영역과는 또 다른 영역(예 : 보다 간단한 디스플레이를 요구하는 영역)에서 두각

을 나타낼 수 있는 가능성이 높음을 나타내고 있

다고 볼 수 있다. 또 하나의 대표적 전기화학 디스플레이로는 전

기변색 물질의 산화/환원 반응을 통해 색 변화를

유도하는 전기변색 디스플레이를 들 수 있다. 이는 전기화학발광 디스플레이나 OLED 같은 스스

로 빛을 내는 emissive 디스플레이가 아닌, 외부

광원이 필요한 reflective 디스플레이지만 소자 제

작이 간단하고 또한 화면을 나타내기 위한 전력

소모가 크지 않다는 점에 저전력 디스플레이로서

주목 받고 있다. 본 기고에서는 특히 고체 전해질

의 한 종류인 이온젤에 기반한 전기화학 디스플레

이에 대해 중점적으로 다루고자 한다.

2. 본 론

2.1. 전해질 재료

전기화학 셀(electrochemical cell)의 기본 구성

요소로 2개의 전극, 산화-환원 물질, 그리고 전해

질을 들 수 있다. 특히 전해질 층에서 전기화학 반

응이 발생하므로 전해질의 역할이 전기화학 소자

성능에 중대한 영향을 미친다고 할 수 있다. 전통

적으로 사용되고 있는 전해질로는 염(salt)과 유기

용매로 구성되어 있는 액체 전해질을 들 수 있다.

액체 전해질의 경우 이온 전도도가 높아 전기화학

반응이 일어나기에 유리한 환경을 제공할 수 있

다. N-methyl-2-pyrrolidone (NMP)와 propylene carbonate (PC)은 끓는점이 높아 잘 증발하지 않

고, 극성이 큰 용매이므로 충분한 양의 염(salt)을

녹일 수 있기에 높은 이온전도도를 확보할 수 있

고, 전기화학 윈도우(electrochemical window)가

넓다는 장점이 있기에 액체 전해질의 유기 용매로

자주 활용되고 있다. 하지만 차세대 디스플레이로

요구되는 flexible 및 stretchable한 소자를 구현하

는데 있어 소자의 낮은 내구성 및 전해질의 유출

문제 등이 존재하므로 이를 보완하기 위한 고체

전해질 개발이 지속적으로 요구되고 있다.전통적인 고체형 전해질로 polyethylene oxide

(PEO)와 같은 고분자에 salt가 녹아있는 복합체

형태를 들 수 있다. 모든 구성 물질이 고체상이므

로 형성되는 전해질의 기계적 강도가 높고 전해질

의 유출 문제는 해결할 수 있으나 이온의 이동이

원활하지 못하여 이온전도도가 떨어지는 문제점

이 있다. 즉 이온전도도와 기계적 특성 사이

trade-off가 일어난다고 볼 수 있다. 이를 보완하기

위해 다량의 유기 용매에 고분자 및 salt를 첨가하

여 젤(gel) 형태로 만들어 보다 높은 이온전도도를

확보하고자 하는 연구도 보고된 바 있다. 하지만

여전히 유기 용매가 사용되는 만큼 시간이 지남에

따른 유기 용매 증발 및 이에 따른 소자 특성의 변

화와 같은 문제가 지목되고 있다. 이러한 문제들을 해결할 수 있는 방안으로 블록

공중합체(block copolymer) 및 이온성 액체(ionic liquid)에 기반한 이온젤(ion gel) 전해질이 주목받

(a)

(b)

Figure 1. 전기화학발광의 대표적 구동 메커니즘 : (a) annihilation pathway, (b) coreactant pathway. 단, A와 D는 각각 전기

화학발광 물질과 coreactant를 의미함.


28 공업화학 전망, 제19권 제6호, 2016

고 있다(Figure 2)[2]. 이온젤을 형성하기 위해 A 블록이 B 블록보다 상대적으로 짧은 ABA형태의

삼중 블록공중합체와 이 중 B 블록만을 선택적으

로 녹일 수 있는 이온성 액체를 블렌드하면 B 블록과 이온성 액체가 형성하는 도메인의 부피 분율

(volume fraction)이 A 블록보다 훨씬 커지게 된

다. 그 결과 이러한 조건에서 열역학적으로 가장

안정한 구(spherical)형 구조가 형성된다. 이때 구

를 형성하는 A 도메인은 젤의 기계적인 강도를 결

정하며 B 블록 및 이온성 액체로 구성된 부분이

전기화학 반응이 일어나는 전해질의 역할을 하게

된다. 이온젤은 기계적 강도가 103 Pa 이상이며 상

온에서의 이온전도도도 1-10 mS/cm 수준으로 기

계적 강도와 이온전도도 모두 전기화학 소자로의

적용이 타당한 고성능 고체 전해질이라 할 수 있

다. 최근에는 이온전도도를 유지하되 기계적 강도

를 향상시키기 위한 방법으로 A 도메인을 화학적

으로 가교(crosslinking)하는 방법[3]이 보고되기도

하였으며 사용되는 A 및 B 블록의 물리적 특성과

형성되는 이온젤의 성능과의 상관관계에 대한 연

구도 진행된 바 있다[4].

2.2. 이온젤 기반 전기화학발광 디스플레이

전기화학발광(electrochemiluminescence, ECL) 소자의 경우 전기화학반응을 통해 excited된 화학

종을 만들어 빛을 내는 만큼, 소자의 개발 방향이

전해질의 개발 방향과 상당히 유사하다. 전기화학

발광 현상은 오래 전부터 알려져 특정 물질의

sensing에 활발히 사용되어온 반면 발광소자로의

활용은 적극적으로 이루어지지 않았다. 보고된 초

창기 전기화학발광 디스플레이의 경우 쉽게 예상

되는 것처럼 액체 전해질 층에 기반한 소자이며

다양한 물질 활용에 따라 다색 구현이 가능함이

보고된 바 있다(Figure 3)[5]. 소자에 인가되는 전

압으로 교류(AC) 전압을 사용한다는 점에 주목할

만한데 이는 한 전극 주변에 산화종과 환원종 모

두를 형성하여 이 두 화학종이 보다 짧은 거리를

확산(diffusion)하고도 효과적으로 반응하여 ex-cited된 화학종을 형성하는 annihilation pathway를

*출처 : Science, 2008, 321, 50.

Figure 2. ABA 삼중 블록공중합체 및 이온성 액체의 자기조립을 통해 물리적 가교를 이루는 이온젤 모식도[2].

*출처 : Jpn. J. Appl. Phys., 2001, 40, L1323.

Figure 3. 다양한 발광물질을 활용한 액체 전해질 기반의

전기화학발광(ECL) 소자[5].



활용하기 위해서이다. 교류 전압을 사용하므로 직

류 전압을 사용하는 경우와 달리 전압의 진동수

(frequency)라는 변수가 생기게 되는데, ECL 물질

마다 교류 전압의 진동수에 다른 거동을 보이는

점을 활용하여 단일 전기화학발광 소자가 여러 가

지 색 구현이 가능하도록 제작한 결과도 보고된

바 있다. 하지만 이 소자 역시 액체 전해질에 기반

하고 있는만큼 플렉서블 및 웨어러블 소자로의 구

현은 여전히 어렵다(Figure 4)[6]. 이를 보완하기 위해 ECL 물질이 녹아있는 이온

성 액체에 무기나노입자(inorganic nanoparticle)를

gelator로 사용하여 고체상 ECL 발광층을 만들어

발광소자에 적용한 연구가 진행되었다(Figure 5) [7]. 이 경우 발광층이 특정 모양을 유지하는 고체

상 소자 제작이 가능하였지만 기계적인 강도를 높

이고자 50 wt% 이상으로 나노 입자의 함량을 늘

리면 이온전도도가 급격히 떨어져 소자 적용이 어

려워지는 한계가 발견되기도 하였다. 하지만 앞서 언급한 블록공중합체에 기반한 이

온젤이 보고되면서 이를 활용한 플렉서블 전기화

학발광 디스플레이의 제작이 가능하게 되었다

(Figure 6)[8]. 가장 대표적 유기발광소자인 다층

구조의 OLED와는 달리 전기화학발광 소자는 2개

의 전극 사이에 발광층만이 삽입되어 있는 굉장히

간단한 소자 구조를 갖는다. 또한 전극의 종류에

도 크게 영향을 받지 않는다는 장점도 존재한다. Figure 6에 소자 구조 모식도를 나타내었으며 소

자 제작을 위해 투명 전극 위에 용액 공정을 통해

ECL 젤을 올렸으며 그 위에 은(Ag) 잉크를 붓으

로 그리는 brush-painting방법으로 탑 전극을 제작

함으로써 소자를 완성하였다. 이처럼 진공 공정이

아닌 용액 공정만으로 소자 제작이 가능한 만큼

*출처 : Adv. Optical Mater., 2013, 1, 144.

Figure 4. 두 가지 물질(RUB, DPA)이 혼합된 전기화학발

광 소자의 frequency에 따른 색 변화 사진 및 spectra : 교류

10 V 및 1000 Hz (A, C), 그리고 교류 10 V 및 300 Hz (B, D)[6].

(a) (b) (c)

*출처 : J. Electrochem. Soc., 2009, 156, J37.

Figure 5. (a) 무기나노입자와 이온성 액체로 구성된 복합체

를 기반으로 한 전기화학발광 소자의 모식도, 소자 동작 사

진, (b) off-상태, (c) on-상태[7].

(a)

(b)

*출처 : J. Am. Chem. Soc., 2014, 136, 3705.

Figure 6. (a) Ru(bpy)3Cl2/PS-b-PMMA-b-PS/[EMI][TFSI] (1 : 4 : 16 wt%)로 구성된 전기화학발광 이온젤과 brush-painting방법으로 top 전극이 완성되는 전기화학발광 소자

(ECL device)의 모식도, (b) Brush-painting 방법을 이용하

여 제작된 소자의 Off- 및 On-상태에서의 사진[8].


30 공업화학 전망, 제19권 제6호, 2016

대면적, 대량 생산이 손쉽다는 특징도 있다.이 소자의 구동 전압은 2~3 V 수준으로 낮기도

하거니와 turn-on 시간이 1 ms 수준으로 짧아 디

스플레이로의 활용 가능성이 충분하다 할 수 있

다. 아울러 이온젤의 rubbery한 특성 및 photo-lithography를 통한 patterning을 활용하여 플렉서

블 소자로의 구현도 보고되었다(Figure 7)[8]. 이

외에도 상업적으로 구입 가능한 레드 계열 빛을

발광하는 Ru(bpy)32+ 화학종 대신 iridium (Ir) 기

반의 금속-리간드 착화합물을 합성하여 ECL을 통

해 녹색 빛도 구현할 수 있었다. 흥미로운 점은

Ru-기반 착물과 Ir-기반 착물을 혼합하여 소자를

제작하자 해당 실험 조건에서 레드 계열의 빛만

관찰되었으나 그 밝기가 Ru-기반 착물만 사용하

였을 때에 비해 2배 정도 향상됨이 관찰되었고 이

는 coreactant pathway에 기반하여 설명되었다.일상 생활에서 사용되는 배터리 등에서 공급되

는 전압의 형태는 교류 전압이 아닌 직류 전압이

므로 실용적인 측면에서는 교류가 아닌 직류 전압

으로도 구동 가능한 소자 제작이 중요하다고 할

수 있다. Annihilation 방법으로 구동되는 전기화

학발광 디스플레이에 직류 전압을 걸게 되면 산화

종과 환원종 각각 양 전극에서 생성되고 그 둘이

만나 반응하기 위해 전극에서 bulk 전해질 쪽으로

확산되는 과정이 필요하다. 하지만 확산 자체가

그리 빠르지 못하여 소자의 turn-on 시간이 느려진

다는 문제점도 있고 이 과정에서 대부분의 산화종

과 환원종이 decay되기에 excited된 화학종 생성

이 비효율적이 된다. 이를 해결하기 위해 제시될

수 있는 첫 번째 방법으로 소자에 사용되는 ECL 젤 층의 두께를 매우 얇게 하는 방법을 들 수 있는

데 이 경우 소프트(soft)한 젤 위에 탑 전극을 젤 층

의 damage없이 제작하기 어렵다는 점이 문제이다. 또한 발광 층이 너무 얇을 경우 외부 힘에 의해 쉽

게 소자의 결함이 발생할 수 있다는 한계도 가지고

있다. 그러므로 이러한 이슈의 대안으로 이온-젤에

균일하게 섞이는 tetrabutylammonium oxalate (TBAOX)를 coreactant로 사용하여 얇은 전해질

층과 교류전압의 필요성 없이 2 V 미만의 낮은 전

압으로 구동되는 ECL device가 보고되었다[9]. Coreactant pathway를 통해 낮은 직류 전압으로

도 소자 구동이 가능해졌다는 점(Figure 8)에서는

고무적인 부분이나 사용한 oxalate는 소모성 cor-eactant이므로 시간이 지남에 따라 소자 구동이 불

가능해진다는 점에서 regenerable한 coreactant의

개발이 필요하다. 또한 전기화학발광 디스플레이

의 경우 매우 초창기 개발 단계에 있기에 실용화

를 위해 소자 밝기 향상 및 구동 안정성 확보란 과

제가 남아있으나 앞서 언급한 기존 디스플레이와

*출처 : J. Am. Chem. Soc., 2014, 136, 3705.

Figure 7. 포토리소그래피를 활용하여 패터닝한 플렉서블

전기화학 발광소자의 사진[8].

(a)

(b)

(c) (d)

*출처 : Chem. Mater., 2014, 26, 5358.

Figure 8. 강력한 환원제인 CO2∙-가 형성되는 2가지 메커니

즘의 모식도 : (a) anode 부근에서 oxalate의 산화, (b) Ru(bpy)3

3+와 oxalate 간의 electron transfer reaction. CO2∙-

가 관여하는 전기화학발광의 구동 메커니즘: (c) coreactantpathway, (d) annihilation pathway[9].



비교하여 고유 장점도 확실히 존재하는 만큼 지속

적인 연구를 통해 차세대 디스플레이로 자리를 잡

을 수 있는 가능성은 상당히 높다고 판단되는 바

이다.반면 보다 높은 인장력과 탄성으로 결함 없이

쉽게 구부리거나 휠 수 있는 이온-젤에 대한 연구

가 지속적으로 진행되어왔다. 예를 들어 고분자로

poly(vinylidenefluoride-co-hexafluoropropylene) (P(VDF-HFP))와 ionic liquid를 혼합하여 자립형

(free-standing) 이온젤을 제작하였다. 20 wt% 조성의 P(VDF-HFP)와 80 wt%의 이온성 액체로 구

성된 이온젤은 삼중 블록공중합체를 기반으로 한

이온젤보다 100~1000배 더 높은 기계적 특성을

보였다[10]. 이는 “cut-and-stick” 전략을 이용하여

이온젤을 razor blade로 자른 후 기판(substrate)의

원하는 위치에 tweezer로 옮길 수 있어 보다 손쉽

게 소자를 만들 수 있다. 2016년에 보고된 논문에

따르면, 이러한 P (VDF-HFP)에 기반한 이온-젤을

이용하여 sticker-type의 전기화학발광 디스플레이

를 제작하였다(Figure 9)[11]. 이 논문에서는 용액-공정으로 유리, Si-wafer, metal foil, flexible poly-ethylene terephthalate (PET) film 등 다양한 기판

에 탈, 부착이 가능할 뿐만 아니라 Ag NW, Au mesh, stainless steel, ITO 등의 여러 전극과 사용

이 가능함을 보였다. 이 중 ITO전극의 경우 최대

90 Cd/m2의 밝기를 나타냈으며, 전압을 인가 한

후에도 이온-젤의 modulus (1.10.3 MPa)는 유지되

었다. 최대 5번까지 재사용이 가능했고 그 이상의

재사용에서는 이온젤의 잔여물이 남는 등 반복성

의 한계를 보였지만 “post it” 방식의 재사용이 가

능하고 간편한 일회성 소자 대한 발전을 이룬 점

에 의미를 둘 수 있다.미래의 새로운 패러다임으로 기존의 컨텐츠를

조합해 새로운 차원의 컨텐츠와 기술의 창출, 융합이 필요한 시대의 흐름에 발맞춰 전기화학 소자

시장에서는 효율성을 높이기 위해 하나의 소자에

여러 기능이 통합된 연구가 진행되고 있다. 여러

기능이 통합된 하나의 소자의 경우 필요한 여러

구성 성분을 최소화할 수 있다는 점에서 경제적, 효율적으로 큰 이점을 지닌다. 이러한 흐름에 맞

추어 최근 이온젤을 기반으로 한 하나의 전기화학

소자가 슈퍼 커패시터와 전기화학발광 디스플레

이의 기능을 하는 듀얼 시스템이 보고되었다

(Figure 10)[12]. 커패시터 측면에서는 1500번의

충, 방전 cycles 후에도 약 90% capacitance를 유

지 하였고, 1000번의 구부림 과정 후에도 약 14% 정도만 capacitance가 감소하였다. 이 시스템에 사

용된 Ru-기반 착물은 슈퍼 커패시터의 이온 전도

프로모터의 역할과 동시에 전기화학발광의 발광

체 역할까지 한다. 특히, 통상의 이온젤에 Ru-기반

착물이 첨가됨으로써 해당 이온젤의 이온전도도

가 1.1 mS/cm에서 1.4 mS/cm로 증가함을 관찰하

*출처 : Scientific Reports., 2016, 6, 29805.

Figure 9. Sticker-type의 전기화학발광 젤을 활용한 소자 제작 모식도[11].


32 공업화학 전망, 제19권 제6호, 2016

였으며 발광소자로의 특성 분석도 수행하였다. 이처럼 하나의 시스템에 두 개의 기능을 결합하여

전자소자 시장에 전기화학소자만의 새로운 영역

을 확보하였다는 점에 주목할 만하다.

2.3. 이온젤 기반 전기변색 디스플레이

또 다른 대표적 전기화학 디스플레이로는 전기

변색 디스플레이(electrochromic display, ECD)를

들 수 있다. 전기변색이란 전극에 전압을 인가하

여 산화/환원 반응을 유도하고, 이를 통해 전기변

색 물질의 전기화학적 상태를 변화시켜 색 변화를

일으키는 현상이다. 전통적으로 활용되고 있는 전

기변색 물질로 금속 산화물(metal oxide), viologen과 같은 유기 단분자, 그리고 전도성 고분자 등을

들 수 있다. 소자의 경우 구동 형태에 따라 세 종

류의 type으로 나눌 수 있다. Type I은 주어진 전

해질 층에 전기변색의 산화/환원 형태 모두 녹아

있는 형태로 이 경우는 농도 구배(concentration gradient)에 따른 물질의 확산이 소자 거동을 지배

하게 된다. 반면 Type III는 전기변색 전도성 고분

자 및 금속 산화물을 활용한 대부분의 소자로 산

화/환원 상태 모두 전해질 층에 녹지 못하고 전극

표면에 얇은 고체 막으로 존재하는 경우이다. 이는 전극 표면에서의 전기화학 반응, 즉 전자-전이

(electron-transfer)가 소자 구동에 크게 영향을 미

친다. 끝으로 Type II는 Type I과 Type III의 중간

형태로 전기변색 물질의 산화/환원종 중 한 가지

만 전해질 층에 녹아있고 다른 하나의 화학종은

전극 표면에 고체 막을 형성하는 형태의 소자이

다. 일반적으로 bleached state에서는 전해질 층에

용해되어있고 colored state가 고체 막을 형성하는

경우가 많이 보고되어 있다[13]. 전통적인 ECD는 전기화학발광 소자에서와 마

찬가지로 액체상 전해질을 활용한 액체기반 소자

가 보고된 바 있으나(Figure 11)[14] 플렉서블 혹

은 웨어러블 소자 제작에 여전히 적절하지 못하

고, 고체상 ECD로 보고된 금속 산화물 및 전도성

고분자를 활용하는 소자는 다층 구조(Figure 12) [15]가 요구되어 소자 제작이 상대적으로 복잡하

다는 단점이 존재한다. 이러한 문제를 보완하고자 앞서 소개한 이온젤

을 활용하여 고체상이면서 간단한 소자 구조를 갖

는 전기변색 디스플레이가 보고되었다. 소자의 구

조는 이온젤 기반 전기화학발광 디스플레이와 비

슷하게 전극 2개 사이에 전기변색 이온젤이 삽입

된 형태로 dimethyl viologen (MV2+)가 전기변색

물질로 활용되었다(Figure 13a)[16]. 전기화학 반

응이 일어나기 위해 cathode와 anode에서 각각 환

*출처 : Adv. Energy Mater., 2016, 1600651.

Figure 10. Supercapacitor mode와 ECL mode의 서로 다른

mode로 운영되는 device의 모식도[12].

*출처 : Materials, 2010, 3, 5029.

Figure 11. Voltage 변화에 따른 액체 전해질 기반의 전기

변색소자 coloration 및 bleaching 과정 사진(A~E)[14].

*출처 : Chem. Mater., 2004, 16, 4401.

Figure 12. Multi-layer로 구성된 고체상태의 전기변색소자

구조[15].



원 및 산화 반응이 일어나기 위해서는 환원을 통

해 전기변색을 일으키는 MV2+ 외에 동시에 반대

전극에서 산화를 일으키는 anodic species가 요구

되는데(Figure 13b), 이를 위해 ferrocene (Fc)을

함께 이온젤에 포함시켰다는 점이 주목할 만하다. 실제 Fc가 이온젤에 포함되지 않으면 전기변색

이 일어나는 voltage가 급격히 증가함도 함께 보고

되어 있다. 이와 같이 제작된 전기변색 소자의 경

우 1 V 이하의 굉장히 낮은 전압으로도 구동이 가

능 하였으며 105 cm2/C의 높은 coloration effi-ciency를 나타내었다. 또한 공기 중에서 제작하고

특별한 encapsulation 없이 소자 안정성 테스트를

진행하였는데 시간이 지남에 따라(contrast con-

trast)가 감소함이 관찰되기는 하였지만 24 h 후에

도 bleached state와 colored state 사이가 29% 수준으로 유지되고 있음이 보고된 바 있다.

그리고 보다 소자의 실용성을 높이고자 다색 구

현이 가능한 이온젤 기반 플렉서블 전기변색 소자

도 구현되었다. 앞서 보고된 결과와 마찬가지로

전압을 가하지 않은 상태에서는 anodic species로

활용된 dimethyl ferrocene에 의해 약간 노란빛의

bleached state를 보였지만 전압을 인가하자 사용

된 전해질 종류와 전기변색 물질에 따라 파랑, 초록, 빨간색의 colored state를 나타내었다. 이를 활

용하여 패터닝 된 플렉서블 디스플레이 역시 제작

되어 보고되었다. ECD 경우 전기를 걸어 변색을

시키고 전압 공급을 끊더라도 일정 시간 색이 남

아있는 memory effect가 있다. 이는 특정 화면을

나타내기 위해 전기를 지속적으로 공급하지 않아

도 된다는 의미이다. 실제로 변색 후 전기 공급을

중단하면 색이 점차 옅어지게 되는데, 이때 투과

도가 25% 이상으로 높아질 때마다 전압을 공급하

여 투과도 25% 이하로 유지하는 실험도 수행되었

(a)

(b)

*출처 : Chem. Mater., 2015, 27, 1420.

Figure 13. (a) MV(PF6)2, Fc, SMS 그리고 [EMI][TFSI](3 : 1 : 4 : 36 wt%)로 구성된 이온젤 기반의 전기변색소자

모식도 (b) 전기변색소자 내부에서 일어나는 전기화학 반

응 모식도[16].

(a)

(b)

*출처 : ACS Appl. Mater. Interfaces, 2016, 8, 6252.

Figure 14. (a) 다양한 색을 나타내는 이온젤 기반 플렉서블

전기변색소자의 사진. (b) 전기화학소자의 색을 유지하는

데 요구되는 전력 소모량 추정을 위한 실험 결과의 예[17].


34 공업화학 전망, 제19권 제6호, 2016

다(Figure 14)[17]. 그 결과 빨강, 초록, 파란색으로

변색되는 소자 모두 변색 유지(투과도 ~25% 이하)를 위해 100 µW/cm2 이하의 상당히 낮은 전력만

을 소모함도 증명되었으며 이는 이온젤 기반 전기

변색 디스플레이가 저전력 디스플레이로의 가능성

도 상당히 높음을 보이는 결과라 할 수 있다.

3. 결 론

본 기고에서는 우수한 이온전도도와 기계적 특

성을 나타내는 이온젤에 기반한 전기화학발광 디

스플레이 및 전기변색 디스플레이에 대해 소개하

였다. 이러한 전기화학 디스플레이의 경우 아직

초기 연구단계인 만큼 실용화를 위해 소자 특성

향상 및 구동 안정성 확보라는 이슈가 남아있다. 하지만 낮은 전압에서 구동이 가능하고 간단한 소

자 구조 및 용액 공정에 바탕하여 대면적/대량 생

산이 수월할 것으로 판단되며 기능성 이온젤의

rubbery한 특성을 활용하여 플렉서블 및 웨어러블

소자 제작이 가능하다는 점에서 차세대 디스플레

이로의 활용 가능성이 기대되는 바이다.

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오 환2010~2016 서울시립대학교 화학공학과

학사과정

문 홍 철2003~2007 POSTECH 화학공학과 학사

2007~2012 POSTECH 화학공학과 박사

2012~2013 POSTECH 고분자연구소

박사후연구원

2013~201 University of Minnesota 박사후연구원

2015~현재 서울시립대학교 화학공학과

조교수

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기획특집: 고분자재료 기반 유기전자소자 - CHERIC · 2016. 12. 20. · 기획특집: 고분자재료 기반 유기전자소자 28 공업화학 전망, 제19권 제6호,