Electrochromic materials have received great attention due to its reversible color change via low oper-ational voltages in a broad range of devices including display, smart windows, and auto-dimming rear view mirror. Electrochromic devices can be used not only for visible light, but also for infrared light by surface emissivity control. In this thesis, we propose novel infrared electrochromic devices by conducting polymer based on photonic crystals structures. We fabricate inverse opal structures of poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) by electropolymerization. First of all, monodisperse silica particles were synthesized by seed synthesis, regrowth of silica seeds, and further regrowth of silica seeds by Stober method. Then, colloidal self-assembled structures deposited by either sedimentation deposition or vertical deposition. After making colloidal template, PEDOT was infiltrated by electropolymerization and remained silica was etched out by hydrofluoric acid. For analysis infrared electrochromic properties, we used gold mesh on double polished silicon wafers and characterized transmittance mode of FT-IR spectrometers. The transmittance change of PEDOT inverse opal is dramatically increased by the scattering effect due to large refractive index change. Moreover, high surface area to volume ratio of PEDOT inverse opal makes faster switching time than PEDOT film. In conclusion, PEDOT inverse opal can be applied to novel infrared electrochromic devices and these devices show better performance than conventional infrared electrochromic devices.
전기변색이란 가해지는 전압에 따라 색이 가역적으로 변화하는 현상을 일컫는다. 전기변색 물질을 이용한 소자의 대표적인 예는 스마트 윈도우, 눈부심 방지 거울, 그리고 디스플레이 등이 있다. 이러한 전기변색 특성은 앞서 예를 든 가시광선 영역뿐만 아니라 적외선 영역에서도 나타난다. 적외선 전기변색 소자는 방사율을 조절함으로써 인공위성의 온도 조절 장치, 피탐지 위장막 등에 사용이 된다. 특히 피탐지 위장막의 경우, 숨겨야 될 대상 물질이 주변의 온도보다 주로 높은 상황에 처하기 때문에 방사율을 낮추는 것이 가장 중요하다. 적외선 전기변색 소자에 사용되는 재료는 도핑됐을 경우 적외선 영역의 빛을 반사하기보다는 흡수하는 경향이 크므로, 반사율이 높은 보조 층이 필요하다. 적외선 영역에서의 높은 반사율을 지니는 금속을 보조 층으로 사용하게 될 경우 내부로부터 발생하는 열을 외부로 방출할 수 없으므로 열 조절에 실패하게 된다. 따라서 적외선 카메라가 반응하는 8-12 ??m 영역대의 파장에 대해서만 반사가 높고, 나머지 영역대에서는 투과하는 보조 층이 필요하게 되며 이는 광결정 구조로 해결할 수 있다.
본 연구는 기존의 광결정과 전기변색 소자 두 층으로 이루어진 구조를 광결정 구조를 갖는 전도성 고분자 한 층으로 제작하여 높은 비표면적으로 인한 빠른 반응속도와 광결정 구조의 특성을 동시에 이용하여 기존의 적외선 전기변색 소자의 제작에 목적이 있다. 이를 위하여 본 실험에서는 3차원 전기변색 고분자를 제작하기 위하여 자기조립 콜로이달 템플릿에 고분자를 증착하는 방법을 이용하였다. 우선, 고품질의 자기조립 콜로이달 템플릿을 제작하기 위하여 단분산 실리카 입자를 합성하였다. 직경이 20 nm 이하인 작은 실리카 입자를 합성한 뒤 이를 여러 차례 반복하여 입자의 직경을 늘려 입자의 균일성을 높였다. 합성된 실리카 입자를 오팔 구조로 쌓기 위해 다양한 방법의 구조체 제작을 연구하였다. 입자의 직경이 700 nm가 넘을 경우 입자의 가라앉는 속도가 에탄올이 증발하면서 계면이 낮아지는 속도보다 빠르기 때문에 수직 증착법을 사용할 수 없으므로 침전법을 이용하여 입자를 조립하였으며 입자의 직경이 700 nm 이하일 경우, 결함이 더 적게 발생하는 수직 증착법을 이용하여 입자를 조립하였다. 이렇게 조립한 입자에 PEDOT 전도성 고분자를 채우기 위해서 1.3 V의 전압을 일정하게 가하는 정전압 전기 중합법을 사용하였다. 전기중합에 의해 꽉 채워진 구조는 HF로 실리카를 녹여내어 3차원 역오팔 구조의 전도성 고분자 구조를 만들었다. 이후 적외선 전기변색 소자의 특성을 살펴보기 위해 전해질을 채워 넣은 후 최종적으로 전극을 조립하여 적외선 전기변색 소자를 제작하였다. 이때 전극은 양면이 연마된 실리콘 기판에 골드를 그물구조로 증착한 것을 사용하였는데, 이는 적외선 영역에서의 투과 특성을 측정하기 위함이다.
이렇게 제작된 소자의 투과율 변화는 기존의 평면 필름에 비해 40% 이상 향상되었는데, 이는 굴절률이 도핑되면서 크게 변함에 따라 산란 효과가 발생하였기 때문이다. 또한 3차원 구조체는 비표면적이 2차원 구조에 비해 넓기 때문에 전하가 도핑되는 표면반응이 발생하는 면적이 넓어지게 되고 따라서 이온의 이동거리가 짧아져 기존의 소자대비 더욱 빠른 스위치 시간을 얻을 수 있다.
