화공생명공학과 허성연 교수(교신저자) 연구팀 (제1저자: 나장한 박사과정생, 공동저자: 정재연 석사과정생)은 University of Michigan Ann Arbor의 Delia Milliron 교수 연구팀과의 공동연구를 통해,기존 나트륨(Na⁺) 전해질 기반의 근적외선 전기변색 소재가 지니던 변조 특성의 한계를 성공적으로 극복했다. 해당 연구 성과는 나노과학 분야의 세계적 권위 학술지인 Nano Letters 12월 호에 게재되었으며, 그 우수성을 인정받아 Supplementary Cover 논문으로도 선정되었다.

• ►Nano Letters에 게재된 Supplementary Cover
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     근적외선의 투과를 조절할 수 있는 전기변색 소자는 투명 유리창을 통해 열 유입을 선택적으로 제어할 수 있어, 미래 모빌리티, 건물용 스마트 윈도우, 스마트팜 등 다양한 분야에서 폭넓은 응용 가능성을 지닌다.

     기존 연구에서 나트륨 전해질은 자원이 풍부하고 비용이 저렴하다는 장점이 있음에도 불구하고, 리튬 전해질에 비해 이온 크기가 커 소재 내부로의 접근이 제한되는 한계가 있었다. 특히, 변색 효율이 우수한 것으로 알려진 Cs⁺ 이온이 도핑된 기존 헥사고날 구조 텅스텐 산화물의 경우, Cs⁺  이온이 Na⁺ 전해질의 침투를 방해해 전기변색 성능에 핵심적인 충분한 전하 저장을 확보하는 데 어려움이 있었다.

• ►개발 텅스텐 산화물 나노입자를 활용한 나트륨 전해질 기반 전기변색 소자 성능
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     이에 연구팀은 Na⁺ 전해질이 텅스텐 산화물 격자 내부로 원활히 접근할 수 있는 새로운 소재, 즉 암모늄(NH₄⁺)이 도핑된 헥사고날 구조의 텅스텐 산화물 나노입자를 성공적으로 합성했다. 이를 통해 나트륨 전해질 기반 시스템에서도 리튬 전해질에 필적하는 수준의 전기변색 성능을 구현하는 데 성공했다.

     특히, 기존에는 제거가 어려웠던 도펀트를 단순 열처리 공정만으로 손쉽게 제거할 수 있음을 입증함으로써, 향후 산업적 적용 가능성 또한 크게 향상시켰다.

     허성연 교수 연구팀은 콜로이드 반도체 나노입자 합성 기술을 기반으로 전극·전해질·박막 공정을 통한 전기화학적·광학적 특성에 대한 연구를 수행하고 있으며, 이를 바탕으로 차세대 전기변색 소자, 반사 디스플레이 및 국방 스텔스 분야 적용을 위한 차세대 기능성 소재 개발에 박차를 가하고 있다.

     한편, 본 연구는 서울과학기술대학교 ST 신진연구(해외공동연구) 지원 사업의 지원을 받아 수행되었다.

[논문 정보]

저널명: Nano Letters (IF: 9.1)

논문 제목: Unlocking Na⁺-d Electrochromic Capacity in Hexagonal Tungsten Oxide Nanorods via Thermally Removable Dopants

(https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.5c04697)

저자: Janghan Na, Jaeyeon Jung, Delia J. Milliron, Sungyeon Heo*