화공생명공학과 허성연 교수(교신저자) 연구팀(제1저자: 이찬용 석사 졸업생)은 나노결정 박막의 미세구조가 고체 전해질인 이오노젤(ionogel)의 침투 깊이와 전기변색 성능을 결정하는 핵심 요인임을 규명했다. 연구팀은 텅스텐 산화물 나노로드 박막의 기공 구조를 제어하고, X선 광전자 분광법(XPS) 깊이 분석과 비행시간형 이차이온 질량분석법(TOF-SIMS)을 통해 이오노젤의 박막 내부 침투 거동을 직접 분석했다. 해당 연구 성과는 나노과학 분야의 세계적 권위 학술지인 Nano Letters에 2026년 8월호에 게재되었으며, 그 우수성을 인정받아 Supplementary Cover 논문으로도 선정되었다.

▲ Nano Letters에 게재된 Supplementary Cover 

근적외선 투과도를 전기화학적으로 조절하는 전기변색 소자는 건물과 차량의 유리창을 통해 유입되는 태양열을 선택적으로 제어할 수 있어 스마트 윈도우와 에너지 절감형 건축물 등 다양한 분야에서 활용 가능성이 높다. 특히 액체 전해질을 고체 전해질로 대체하면 누액과 가연성 문제를 줄이고 장기 안정성을 높일 수 있어 차세대 전기변색 기술의 핵심 방향으로 주목받고 있다.

액체 전해질은 나노입자 사이의 미세 기공으로 쉽게 침투하는 반면, 고분자와 이온성 액체로 구성된 이오노젤은 나노미터 크기의 기공 내부로 충분히 침투하지 못할 수 있다. 그동안 고분자 전해질을 이용한 고체 전기변색 소자가 연구되어 왔지만, 나노결정 박막 내부로의 실제 침투 깊이와 이에 따른 성능 변화는 명확하게 규명되지 않았다.

이에 연구팀은 동일한 WO3-x 나노로드를 이용하면서 박막의 구조만 달리하여, 낮은 기공률의 조밀하게 배열된 박막과 높은 기공률의 무작위 배열 박막을 제작했다. 이후 PVDF-HFP 고분자, Pp13TFSI 이온성 액체 및 LiTFSI 리튬염으로 구성된 자립형 이오노젤을 상온에서 박막에 접합하여, 박막 구조에 따른 전해질 침투 거동을 체계적으로 비교했다.
 

▲ 이오노젤 침투에 따른 전기변색 소자의 변조 성능 향상

분석 결과, 조밀한 박막에서는 이오노젤 성분이 주로 표면 부근에 머무른 반면, 무작위 배열의 다공성 박막에서는 고분자, 이온성 액체 및 리튬염 성분이 박막 전체 깊이에 걸쳐 침투한 것으로 확인됐다. 연구팀은 이 차이가 나노기공 내부에서 고분자 사슬이 받는 기하학적 구속과 이에 따른 엔트로피 손실에서 기인한다고 설명했다. 즉, 기공 크기가 작은 조밀한 구조에서는 고분자 사슬의 침투가 크게 제한되는 반면, 보다 개방된 다공성 구조에서는 이오노젤이 전극 내부까지 효과적으로 침투할 수 있다.

이러한 침투 차이는 실제 소자 성능으로 직접 이어졌다. 무작위 배열 박막을 적용한 소자는 조밀한 박막보다 높은 전하 저장량과 우수한 근적외선 광학 변조 특성을 나타냈다. 반면 두 박막 모두에 쉽게 침투하는 액체 전해질을 사용했을 때는 박막 구조에 따른 성능 차이가 크게 감소하여, 고체 전기변색 소자의 성능 향상을 위해서는 전극 소재 자체뿐 아니라 전해질이 침투할 수 있는 박막의 메조구조 설계가 중요함을 입증했다.

한편, 본 연구는 한국연구재단의 우수신진연구사업과 한국기초과학지원연구원의 신진연구자인프라지원사업의 지원을 받아 수행되었다.

[논문 정보]
저널명: Nano Letters (IF: 9.1)
논문 제목: Mesostructure-Dependent Ionogel Infiltration in Electrochromic Nanocrystal Thin Films
(https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.6c02630)
저자: Chanyong Lee, Hyeyeon Jung, Janghan Na, Sungbin Kim, Juna Lee, Sungyeon Heo*