KR102431992B1 - 젤 고분자 전해질용 젤레이터 공중합체 및 고분자 젤레이터의 기계적 강도 특성 향상 방법 - Google Patents

젤 고분자 전해질용 젤레이터 공중합체 및 고분자 젤레이터의 기계적 강도 특성 향상 방법 Download PDF

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Abstract

본 명세서에서는, 이온성 액체 불용성 도메인, 및 이온성 액체 용해성 도메인을 포함하는 랜덤 공중합체; 및 이온성 액체;를 포함하며, 상기 이온성 액체 용해성 도메인의 유리 전이 온도(Tg)는 0 내지 100℃인, 이온 젤이 제공된다.

Description

젤 고분자 전해질용 젤레이터 공중합체 및 고분자 젤레이터의 기계적 강도 특성 향상 방법{GELATOR COPOLYMER FOR GEL POLYMER ELECTROLYTE AND THE METHOD FOR IMPROVING MECHANICAL STRENGTH PROPERTIES OF POLYMER GELATOR}
본 명세서는 젤 고분자 전해질용 젤레이터 공중합체와 그 고분자 젤레이터의 기계적 강도 특성 향상 방법에 관한 것이다.
전해질은 리튬 이온 전지, 전해질 게이트형 트랜지스터, 전기 피부, 전기 변색(EC) 또는 전기 화학 발광(electrochemiluminescence)과 같은 다양한 전기 화학 소자의 기본 구성 요소이다.
특히, 이온 전도성과 기계적 견고성은 전해질을 평가하는 두 가지 중요한 측정 기준이다. 높은 이온 전도성은 저전압 작동(즉, 낮은 전압 강하)과 전기 화학 소자의 빠른 응답을 직접적으로 초래한다. 또한, 기계적으로 견고한 고분자 젤 전해질(PGEs)의 사용은 누출 문제가 있는 기존의 액체 전해질과는 달리, 유연하거나 신축성 있는 장치를 구현할 수 있도록 할 수 있다. 그러나, 이러한 두 가지 특성은 일반적으로 트레이드 오프(trade-off) 관계를 보여준다. 따라서, 균형잡힌 PGE의 설계와 제조는 고성능 전기 화학 소자에 있어 넘어야 할 과제이다.
기존의 물리적으로 가교 결합된 이온 젤은 상온에서 우수한 이온 전도도를 가지며 적당한 기계적 견고성(수 kPa의 탄성 계수)을 나타냈다. 이러한 성능을 나타내기 위해서는 상기 IL-불용성 구(spheres)가 소량의 중간 블록에 의해 직접 연결되어 망목 구조를 형성하는 것이 중요하다. 이와 관련하여, IL-불용성 A 및 C 블록을 갖는 ABC 트리 블록 공중합체가 적합하고, AB 디 블록 공중합체는 효율적인 중합체 호스트로서 작용할 수 없다. 즉, 이온 전도도를 희생시키지 않으면서 기계적 모듈러스를 향상시키기 위하여, IL-불용성 블록을 선택적으로 화학적 교차 결합시킬 수 있지만 이것은 공중합체의 합성을 복잡하게 만든다.
이에, 간단하게 합성할 수 있으면서도, 이온 전도도 및 기계적 강도가 우수한 공중합체, 이온 젤 및 이를 포함하는 전해질의 개발이 필요한 실정이었다.
등록특허공보 제10-1957629호 등록특허공보 제10-2094273호 공개특허공보 제10-2019-0050165호
본 발명의 구현예들은 기존의 젤 고분자 전해질에서 이온 전도성과 기계적 물성이 트레이드 오프 관계를 가져 동시에 두가지 성능을 향상하기 어려운 문제를 해결하고자 한다.
아울러, 종래의 고분자 젤 전해질에서 블록 공중합체의 구조를 변경하여 기계적 강도를 높이는 기술이 합성 과정이 복합한 문제점을 해결하고자 한다.
전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 일 구현예에서, 이온성 액체 불용성 도메인, 및 이온성 액체 용해성 도메인을 포함하는 랜덤 공중합체; 및 이온성 액체;를 포함하며, 상기 이온성 액체 용해성 도메인의 유리 전이 온도(Tg)는 0 내지 100 ℃인, 이온 젤을 제공한다.
일 구현예에서, 상기 랜덤 공중합체 전체에 대한 이온성 액체 불용성 도메인의 함량은 30 내지 40 몰%일 수 있다.
일 구현예에서, 상기 이온성 액체 불용성 도메인은 0.5 내지1.9nm의 평균 반경을 가질 수 있다.
일 구현예에서, 상기 랜덤 공중합체:이온성 액체의 중량비는 3:7 내지 5:5일 수 있다.
일 구현예에서, 상기 랜덤 공중합체는 10,000 내지 450,000g/mol의 수 평균 분자량(Mn)을 가질 수 있다.
일 구현예에서, 상기 랜덤 공중합체는 1.0ⅹ103 내지 1.0ⅹ106 Pa 의 탄성 계수를 가질 수 있다.
일 구현예에서, 상기 랜덤 공중합체는 시차 주사 열량계(DSC) 분석에서 하나의 유리 전이온도(Tg) 피크를 가질 수 있다.
본 발명에 따른 다른 구현예에서, 전술한 이온 젤;을 포함하는, 전기 변색 장치, 및 전술한 이온 젤;을 포함하는, 스트레인 센서를 제공한다.
일 구현예에서, 상기 이온 젤은 사각형, 선, 및 점 중 어느 하나 이상의 패턴을 가질 수 있다.
일 구현예에서, 상기 전기 변색 장치에서 착색시 최대 투과율의 90%로 투과율이 감소하는데 소요되는 착색 시간(tc)이 30 초 이하일 수 있다.
일 구현예에서, 상기 스트레인 센서는 ε<10%의 스트레인 영역에서 3.7 내지 6.7의 GF값, 및 ε>10%의 스트레인 영역에서 0.6 내지 1.8의 GF값을 가질 수 있다.
본 발명에 따른 다른 구현예에서, 이온성 액체 불용성 단량체, 이온성 액체 용해성 단량체, 및 사슬 이동제를 혼합하는 단계; 및 상기 혼합물을 RAFT 중합하여 랜덤 공중합체를 형성하는 단계;를 포함하며, 상기 랜덤 공중합체는 이온성 액체 불용성 도메인, 및 이온성 액체 용해성 도메인을 포함하고, 상기 이온성 액체 용해성 도메인의 유리 전이 온도(Tg)는 0 내지 100℃인, 고분자 젤레이터의 기계적 강도 특성 향상 방법을 제공한다.
본 발명의 예시적인 구현예들에 의하면, 단일 용기 내 반응으로 간단하면서도 효과적으로 이온 젤을 제조할 수 있으므로, 공정 단계가 간소하여 공정 효율성 및 경제성이 뛰어나다. 또한, 고분자 젤레이터의 배열 등을 조절하여 이에 따른 기계적 강도를 향상시킬 수 있다.
도 1a는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 랜덤 공중합체(PEMA-r-PS) 및 블록 공중합체(PEMA-b-PS)의 RAFT 중합법을 통한 합성 단계를 도시한다.
도 1b는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 랜덤 공중합체(PEMA-r-PS) 및 블록 공중합체(PEMA- b-PS)의 SEC 트레이스를 도시한다.
도 1c는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 랜덤 공중합체(PEMA-r-PS) 및 블록 공중합체(PEMA- b-PS)의 1H NMR 스펙트럼을 도시한다.
도 2a는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 랜덤 공중합체(PEMA-r-PS)의 SAXS 프로파일을 도시한다.
도 2b는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 블록 공중합체(PEMA-b-PS)의 SAXS 프로파일을 도시한다.
도 2c는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 랜덤 공중합체(PEMA-r-PS) 및 블록 공중합체(PEMA-b-PS)의 시차 주사 열량 분석(DSC) 결과를 도시한다.
도 3a는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 랜덤 공중합체(PEMA-r-PS) 및 블록 공중합체(PEMA-b-PS)를 적용한 이온 젤의 임피던스(Z') 대 주파수 플롯을 도시한다.
도 3b는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 랜덤 공중합체(PEMA-r-PS) 및 블록 공중합체(PEMA-b-PS)을 적용한 이온 젤의 응력-변형률 선도(stress-strain curve)를 도시한다.
도 4a는 본 발명의 실시예에 따른 랜덤 공중합체(PEMA-r-PS)를 적용한 이온 젤의 SAXS 프로파일을 도시한다.
도 4b는 본 발명의 비교예에 따른 블록 공중합체(PEMA-b-PS)를 적용한 이온 젤의 SAXS 프로파일을 도시한다.
도 5는 본 발명의 구현예에 따른 이온 젤의 구조를 나타내는 개략도를 도시한다.
도 6a는 본 발명의 구현예에 따른 전기 변색장치(ECD)의 UV 흡수 스펙트럼 측정 결과를 도시한다.
도 6b는 본 발명의 구현예에 따른 전기 변색장치(ECD)의 다양한 전압 상에서의 CIELAB 색좌표계를 도시한다.
도 6c는 본 발명의 구현예에 따른 전기 변색장치(ECD)에서 개방 회로와 단락 회로에서의 투과율 변화를 도시한다.
도 6d는 본 발명의 구현예에 따른 전기 변색장치(ECD)의 ΔOD 대 ΔQ의 플롯을 도시한다.
도 6e는 본 발명의 구현예에 따른 전기 변색장치(ECD)에서 다양한 형태의 패턴의 착색/탈색 상태를 도시한다.
도 7a는 LED를 포함하는 회로에 연결한 본 발명의 구현예에 따른 스트레인 센서에 변형을 가한 결과를 도시한다.
도 7b는 본 발명의 구현예에 따른 스트레인 센서에서 변형률에 따른 유도되는 저항 변화를 도시한다.
도 7c는 본 발명의 구현예에 따른 스트레인 센서에서 ε의 함수로서 ΔR/R0의 변화를 도시한다.
도 7d는 본 발명의 구현예에 따른 스트레인 센서에서 손가락의 움직임에 따른 ΔR/R0의 변화를 도시한다.
도 8은 본 발명의 구현예에 따른 스트레인 센서 기계적 강도를 측정한 결과를 도시한다.
이하, 본 발명의 실시예들을 보다 상세하게 설명하고자 한다.
본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들은 단지 설명을 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 실시예들은 본 발명을 특정한 개시 형태로 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 "기계적 강도"는 탄성율(elastic modulus)로 표시될 수 있는 탄성 특성을 의미한다.
이온 젤
전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 일 구현예에서, 이온성 액체 불용성 도메인, 및 이온성 액체 용해성 도메인을 포함하는 랜덤 공중합체; 및 이온성 액체;를 포함하며, 상기 이온성 액체 용해성 도메인의 유리 전이 온도(Tg)는 0 내지 100 ℃인, 이온 젤을 제공한다.
예시적인 구현예에서, 상기 이온성 액체 불용성 도메인은 화학식 1로 표시되는 반복 단위를 포함할 수 있다.
[화학식 1]
Figure 112020130018447-pat00001
여기서, R11은 각각 독립적으로 할로겐기, 나이트릴기, 니트로기, 아민기, 치환 또는 비치환의 C1-C10 알킬기, 치환 또는 비치환의 C1-C10 알콕시기, 치환 또는 비치환의 아릴기, 치환 또는 비치환의 C5-C14 헤테로아릴기 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택될 수 있고, n11은 0 내지 5 일 수 있다.
상기 R11은 상기 벤젠링의 수소를 치환하는 것으로서, 상기 n11이 0인 경우 상기 벤젠링은 모두 수소로 치환되고, 상기 벤젠링이 상기 R11을 포함하는 경우에도 나머지 자리는 수소로 치환되어 있음은 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 사항이다. 또한 상기 n11이 2 이상인 경우, 상기 복수 개의 R11들은 동일한 치환기일 수도 있고, 서로 상이한 치환기일 수도 있다. 이하, 벤젠링에 치환된 다른 치환기의 경우도 마찬가지이므로 반복적인 설명은 생략한다.
R12는 수소, 할로겐기, 나이트릴기, 니트로기, 아민기, 치환 또는 비치환의 C1-C10 알킬기, 치환 또는 비치환의 C1-C10 알콕시기, 치환 또는 비치환의 C5-C14 아릴기, 치환 또는 비치환의 헤테로아릴기 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것일 수 있고, 상기 R11 및 R12의 치환기는 각각 독립적으로 할로젠기, 시아노기, 니트로기, C1-C8 알킬기 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것일 수 있고, n1은 0.30 내지 0.57의 실수일 수 있다.
예를 들어, 상기 이온성 액체 불용성 도메인은 PEMA, PBA, PEA, 및 PMMA로 구성된 군에서 선택된 것을 포함할 수 있으며, 바람직하게 상기 이온성 액체 불용성 도메인은 PEMA일 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 랜덤 공중합체 전체에 대한 이온성 액체 불용성 도메인의 함량은 30 내지 40 몰%일 수 있다. 상기 이온성 액체 불용성 도메인의 함량이 30 몰% 미만인 경우 젤은 형성되지만, 형성된 젤이 낮은 기계적강도를 가질 수 있고, 40 몰% 초과인 경우 고분자젤레이터와 이온성액체가 상분리가 일어나게 되어 젤이 형성되지 않을 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 이온성 액체 불용성 도메인은 0.5 내지 1.9nm의 평균 반경을 가질 수 있다. 상기 이온성 액체 불용성 도메인의 평균 반경이 1.9nm 초과인 경우 IL-불용성 도메인의 수가 적어지게 되고 이에 기인하여 형성되는 이온 젤의 기계적 강도가 약할 수 있고, 0.5nm 미만인 경우 IL-불용성 도메인의 수가 많아져 높은 기계적 강도를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 이온성 액체 불용성 도메인의 평균 반경은 약 1.2nm일 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 이온성 액체 용해성 도메인은 화학식 2로 표시되는 반복 단위를 포함할 수 있다.
[화학식 2]
Figure 112020130018447-pat00002
여기서, R21은 수소, 할로겐기, 나이트릴기, 니트로기, 아민기, 치환 또는 비치환의 C1-C10 알킬기, 치환 또는 비치환의 C1-C10 알콕시기, 치환 또는 비치환의 아릴기, 치환 또는 비치환의 헤테로아릴기 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것일 수 있고, R22은 치환 또는 비치환의 C1-C12 알킬기, 치환 또는 비치환의 아릴기, 치환 또는 비치환의 헤테로아릴기 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것일 수 있고, 상기 R11 및 R12의 치환기는 각각 독립적으로 할로젠기, 시아노기, 니트로기, C1-C8 알킬기 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것일 수 있고, n2는 0.43 내지 0.70의 실수일 수 있다.
또한, 상기 n1 및 n2는 각각 독립적으로 상기 화학식 1로 표시되는 반복 단위와 상기 화학식 2로 표시되는 반복 단위의 몰비율로서, n1+n2=1이고, n1은 0.30 내지 0.57의 실수이고 n2는 0.43 내지 0.70의 실수이고, 구체적으로, n1은 0.39 내지 0.53의 실수이고 n2는 0.47 내지 0.61의 실수일 수 있다. 상기 n1이 0.30 미만이거나 상기 n2가 0.70를 초과하는 경우 기계적 강도가 낮아지는 단점이 있고, 상기 n1이 0.57를 초과하거나 상기 n2가 0.43 미만인 경우 이온 젤이 형성되지 않거나 이를 포함하는 고분자 전해질이 균일하지 못하다는 단점이 있다.
상기 R11 내지 R22의 치환기는 각각 독립적으로 수소가 할로겐기, 하이드록시기, 카르복시기, 시아노기, 니트로기, 아미노기, 티오기, 메틸티오기, 알콕시기, 나이트릴기, 알데하이드기, 에폭시기, 에테르기, 에스테르기, 카르보닐기, 아세탈기, 케톤기, 알킬기, 퍼플루오로알킬기, 시클로알킬기, 헤테로시클로알킬기, 벤질기, 아릴기, 헤테로아릴기, 이들의 유도체 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나로 대체된 것일 수 있고, 바람직하게는 할로젠기, 시아노기, 니트로기, 또는 C1-C8 알킬기일 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 이온성 액체 용해성 도메인의 유리 전이 온도(Tg)는 0 내지 100 ℃이하일 수 있다. 상기 이온성 액체 용해성 도메인의 유리 전이 온도가 0℃ 미만인 경우 젤 형성이 안되서 기계적 특성이 안좋을 수 있고, 100 ℃초과인 경우 고분자 사슬이 뻣뻣해져(stiff) 이온 움직임이 감소되며 이로 인하여 이온 전도도가 낮아질 수 있다. 예를 들어, 이온성 액체 용해성 도메인으로 유리 전이 온도가 100 ℃를 초과하는 PMMA(105℃)를 적용하는 경우에 비하여, 전술한 범위 내의 유리 전이 온도를 갖는 PEMA(66℃), PBMA(20℃), 및 PPMA(37℃) 등을 적용하는 경우 우수한 이온 전도도를 가질 수 있다. 바람직하게, 상기 이온성 액체 용해성 도메인이 PEMA인 경우 유리 전이 온도는 66℃일 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 랜덤 공중합체:이온성 액체의 중량비는 3:7 내지 5:5일 수 있다. 랜덤 공중합체:이온성 액체의 중량비가 3:7 미만인 경우 형성되는 이온 젤이 액체에 가까워져 기계적강도가 많이 낮아질 수 있고, 5:5 초과인 경우 이온 젤이 고체에 가까워지면서 이온전도도가 낮은 이온전도도를 가질 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 랜덤 공중합체는 10,000~450,000g/mol의 수 평균 분자량(Mn)을 가질 수 있다. 바람직하게는, 수 평균 분자량(Mn)이 10,000~100,000g/mol 또는 40,000~80,000g/mol 일 수 있다. 상기 랜덤 공중합체의 수 평균 분자량이 10,000 g/mol 미만인 경우 기계적 강도가 낮아지는 단점이 있고, 450,000g/mol를 초과하는 경우 고분자를 합성하는 과정에서 점도가 너무 높아 합성 과정에 대한 제어가 어렵다는 단점이 있다.
따라서, 본 발명의 구현예에 따른 랜덤 공중합체는 이온 전도성과 기계적 특성이 모두 우수하여 고기능성 이온 젤에 적용할 수 있으며, 특히 랜덤공중합체를 구성하는 반복 단위의 비율과 중량 평균 분자량을 적절히 조절함으로써, 이온 젤에 적용시 이온성 액체에 대한 용해도를 유지하고 우수한 기계적 특성을 가질 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 랜덤 공중합체는 이온 전도도가 예컨대 1.5mS/cm (상온) 이상, 예컨대 0.05 ~ 1.5 mS/cm (상온) 일 수 있다. 한편 이온 전도성과 기계적 견고성은 상호 트레이드 오프 관계로 두가지 물성을 적절히 조합할 필요가 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 랜덤 공중합체는 1.0ⅹ103 내지 1.0ⅹ106 Pa의 탄성 계수, 예를 들어 8.46ⅹ103 내지 2.20ⅹ105 Pa의 탄성 계수를 가질 수 있다. 상기 탄성 계수가 1.0ⅹ103 Pa 미만인 경우 강도가 낮아서 다양한 소자에 적용하기 어려울 수 있고, 1.0ⅹ106 Pa 초과인 경우 지나치게 단단하여 센서 등 웨어러블 소자 등에 적용하기 어려울 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 랜덤 공중합체는 시차 주사 열량계(DSC) 분석에서 하나의 유리 전이온도(Tg) 피크를 가질 수 있다. 이로부터 상기 랜덤 공중합체에서 이온성 액체 용해성 도메인 및 이온성 액체 불용성 도메인이 무질서한 상태로 랜덤한 배열을 가질 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 이온성 액체는 랜덤 공중합체에 무작위로 분포된 이온성 액체 불용성 도메인 큰 도메인을 형성하지 못할 수 있으며, 그 결과로 작은 불용성 도메인 응집체가 고밀도로 젤 전체에 분산될 수 있다.
한편, 본 발명의 구현예에 따른 이온성 액체는 100 ℃ 이하의 온도에서 액체 상태인 이온성 화합물을 의미할 수 있고, 보다 일반적으로 상기 이온성 액체는 녹는점이 상온(20 ℃ 내지 25 ℃) 이하인 염(salt)를 지칭할 수 있으며, 본 발명에 따른 이온 젤의 이온 전도성을 향상시킬 수 있는 것이라면, 특별히 제한되지 않는다.
예시적인 구현예에서, 상기 이온성 액체는 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 비스(트리플루오로메틸설포닐)이미드(1-ethyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide, [EMI][TFSI]), 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 헥사플루오로포스페이트(1-ethyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate, [EMI][PF6]), 1-에틸-3-메틸이미다졸리움 테트라플루오로보레이트(1-ethyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate, [EMI][BF4]), 1-뷰틸-3-메틸이미다졸리움 비스(트리플루오로메틸설포닐)이미드(1-butyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide, [BMI][TFSI]), 1-뷰틸-3-메틸이미다졸리움 헥사플루오로포스페이트(1-butyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate, [BMI][PF6]), 1-뷰틸-3-메틸이미다졸리움 테트라플루오로보레이트(1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate, [BMI][BF4]) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택될 수 있고, 바람직하게는 비스(트리플루오로메틸설포닐)이미드(1-butyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide, [BMI][TFSI])일 수 있다.
전기 변색장치 및 스트레인 센서
본 발명에 따른 다른 구현예에서, 전술한 이온 젤;을 포함하는, 전기 변색 장치를 제공한다.
예시적인 구현예에서, 상기 전기변색 장치에 이온 젤과 함께 사용되는 전기변색물질은 전도성 고분자일 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 이온 젤은 사각형, 선, 및 점 중 어느 하나 이상의 패턴을 가질 수 있다. 상기 패턴은 스페이서의 형태를 조정하여 제조될 수 있으며, 예를 들어 PDMS 필름이 도트 패턴 스페이서 역할을 수행할 수 있다.
예시적인 구현예에서, 상기 전기 변색 장치에서 착색시 최대 투과율의 90%로 투과율이 감소하는데 소요되는 착색 시간(tc)이 30 초 이하일 수 있다.
또한 본 발명에 따른 다른 구현예에서, 전술한 이온 젤;을 포함하는, 스트레인 센서를 제공한다.
예시적인 구현예에서, 상기 스트레인 센서는 ε<10%의 스트레인 영역에서 3.7 내지 6.7의 GF값, 및 ε>10%의 스트레인 영역에서 0.6 내지 1.8의 GF값을 가질 수 있다. 예를 들어, ε<10%의 스트레인 영역에서 약 5.2의 GF값, 및 ε>10%의 스트레인 영역에서 약 1.2의 GF값을 가질 수 있다. 각 스트레인 영역에서 GF 값이 전술한 범위인 경우 스트레인 센서가 우수한 감도를 가질 수 있다.
고분자 젤레이터의 기계적 강도 특성 향상 방법
본 발명에 따른 다른 구현예에서, 이온성 액체 불용성 단량체, 이온성 액체 용해성 단량체, 및 사슬 이동제를 혼합하는 단계; 및 상기 혼합물을 RAFT 중합하여 랜덤 공중합체를 형성하는 단계;를 포함하며, 상기 랜덤 공중합체는 이온성 액체 불용성 도메인, 및 이온성 액체 용해성 도메인을 포함하고, 상기 이온성 액체 용해성 도메인의 유리 전이 온도(Tg)는 0 내지 100℃인, 고분자 젤레이터의 기계적 강도 특성 향상 방법을 제공한다.
예시적인 구현예에서, 상기 랜덤 공중합체는 one-pot 가역적 첨가-단편화 사슬 이동 중합법(RAFT)을 통하여 합성될 수 있는데, 이는 2 단계 순차적 RAFT 중합이 요구되는 블록 공중합체에 비하여 합성 과정이 간단할 수 있다.
실시예
이하, 실시예를 들어 본 발명의 구성 및 효과를 보다 구체적으로 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 예시의 목적으로만 제공된 것일 뿐 본 발명의 범주 및 범위가 하기 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
비교예 1: PEMA-b-PS 제조
폴리(에틸메타크릴레이트)-블록-폴리스티렌(PEMA-b-PS)을 에틸 2-(페닐카르보노티오일티오)-2-페닐아세테이트를 사슬 이동제 (CTA)로 사용하여 2 단계 RAFT 중합(reversible addition-fragmentation chain-transfer)을 통하여 합성하였다.
먼저, 정제된 에틸메타크릴레이트(EMA, 46.92g, 411mmol), 에틸 2-(페닐카르보노티오일티오)-2-페닐아세테이트 (260mg, 0.822mmol), 및 AIBN (27mg, 0.164mmol)의 혼합물을 건조된 2 구 플라스크에 넣고, 아르곤 (Ar) 가스를 실온에서 1 시간 동안 퍼징하여 반응 혼합물을 탈기시킨 뒤, 혼합물의 온도를 80 ℃까지 올려 3 시간 동안 반응시켰다. 이를 액체 질소로 급랭시키고 메탄올에 부어 침전시켰다. 생성물을 여과/수집한 뒤 60℃ 진공 조건에서 24시간 건조시켜 PEMA-macro CTA를 제조하였다.
다음으로, 제조된 PEMA-macro CTA (4.38g, 0.107mmol)와 AIBN (3.5mg, 0.0213mmol)을 정제된 스티렌 (55.5g, 533mmol)에 용해시켰다. 아르곤(Ar) 퍼지 가스를 이용하여 실온에서 1시간 동안 탈가스하였고 온도를 80℃까지 올려 3시간 동안 중합시킨 뒤 액체 질소로 급랭하여 반응을 종결시켰다. 시클로헥산에 재침전시켜 PS 호모폴리머를 제거하였으며, 60℃ 진공 조건에서 24시간 건조시켜 최종적으로 PEMA-b-PS를 수득하였다.
실시예 1: PEMA-r-PS 제조
One-pot RAFT 중합을 통하여 폴리(에틸 메타크릴레이트)-랜덤-폴리스티렌(PEMA-r-PS)을 제조하였다.
에틸메타크릴레이트(EMA, 44.49g, 390mmol), 스티렌 (10.15g, 97.4mmol), 에틸 2-(페닐카르보노티오일티오)-2-페닐아세테이트 (38.5mg, 0.122mmol), 및 AIBN (4mg, 0.0244mmol)의 혼합물을 건조된 2 구 플라스크에 넣고, 아르곤 (Ar) 가스를 실온에서 1 시간 동안 퍼징하여 탈기시킨 뒤, 혼합물의 온도를 80 ℃까지 올려 6시간 반 동안 반응시켰다. 그런 뒤 액체 질소로 급랭하여 반응을 종결시켰다. 메탄올에 침전시킨 뒤, 60℃ 진공 조건에서 건조시켜 최종적으로 PEMA-r-PS를 수득하였다.
실험예 1: PEMA-b-PS 및 PEMA-r-PS 특성 평가
공중합체의 수 평균 분자량 (Mn) 및 다분산 지수 (Ð)는 2 개의 PLgel 5μm가 혼합된-C 300ⅹ7.5mm 컬럼 (Agilent Technologies) 및 굴절률 검출기 (Shimadzu, RID-20A)가 장착된 크기 배제 크로마토 그래피 (SEC) (LC-20AT, Shimadzu)로 30℃에서 THF (HPLC 등급)를 사용하여 측정하였다.
도 1b는 실시예 1과 비교예 1의 공중합체의 GPC 트레이스를 나타낸다. 둘 다 매우 좁은 분자량 분포 (Ð<1.10)를 보였으며 약 60k의 분자량(Mn)을 갖는 것을 확인할 수 있다.
공중합체의 분자 특성과 생성된 젤의 특성 사이의 상관 관계에 따르면, 랜덤 공중합체에서 IL-불용성 모이어티(스티렌)의 최대 조성은 균질한 이온 젤을 생성하는 또 다른 중요한 매개 변수로 작용하는데, 예를 들어, IL-불용성 PS가 과도하게 포함되는 경우, 상이 분리된 탁한 젤이 얻어지며 이는 전기 화학적 적용에 적합하지 않다. 반대로, IL-불용성 PS가 충분한 분율로 포함되지 않는 경우 기계적 특성이 불량한 젤이 얻어질 수 있으며, 이에 실시예에서는 목표 스티렌 몰 분율을 약 0.38로 최적화하였다.
1H NMR과 13C NMR은 클로로포름-d (CDCl3)를 용매로 사용하여 Bruker digital Avance Ⅲ 400으로 측정하였다. 실시예 1 및 비교예 1의 공중합체의 조성을 도 1c의 1H NMR 스펙트럼을 통하여 측정하였으며, 도 1c의 스펙트럼에서 a 피크와 b 피크를 참고하여 스티렌과 EMA에서 발생하는 특성 피크의 통합 값을 비교하였다. 그 결과 실시예 1 및 비교예 1의 PEMAr-PS와 PEMA-b-PS이 각각 약 36 mol%와 약 38 mol%로 유사한 스티렌 함량을 갖는 것을 확인하였다.
구조적 균질성 평가
제조된 공중합체의 균질성을 확인하기 위해 SAXS 실험을 수행하였다. 공중합체의 균질성은 한국 포항 가속기 연구소 (PAL)의 9A U-SAXS 빔라인에서 transmission smallangle x-ray scattering(TR-SAXS) 측정하였다. 파장은 0.626Å, 샘플 간 거리는 6.5m, 노출 시간은 10 초로 설정하였으며, 산란 패턴은 2D 전하 결합 검출기 (MX170-HS, Rayonix Ltd.)를 이용하였다.
그 결과, 특징적인 피크는 존재하지 않았고 PEMA-r-PS에서 단순 붕괴 프로파일이 관찰되어 상 분리 없이 완벽한 균질성을 갖는 것을 확인할 수 있다(그림 2a).
반면, 그림 2b에 나타난 PEMA-b-PS의 산란 프로파일은 무질서 상태에서 PEMA-b-PS의 상관 구멍 산란으로 인해 발생하는 작고 넓은 피크를 나타내었다.
또한, 구조적 균질성을 두 공중합체의 DSC 서모그램을 통하여 확인하였다. 구체적으로 homogeneous configuration은 시차 주사 열량계 (DSC) (DSC 4000, PerkinElmer)를 이용하였으며, 샘플(약 6.5mg)을 먼저 150 ℃로 가열하고 20분 동안 유지하여 열이력을 제거한 다음, 30℃로 급속 냉각한 뒤 10 ℃min-1의 속도로 2차 가열하면서 DSC 서모 그램으로 측정하였다.
도 2c를 참고하면, 일반적으로 블록 공중합체가 상 분리된 구조로 조립될 때 두 개의 유리 전이 온도(Tg)가 관측되는데, 본 발명에 따른 PEMA-b-PS는 단 하나의 Tg만을 나타냈으며, 이를 통하여 무질서한 상태임을 확인할 수 있다. PEMA-r-PS 샘플에서 나타나는 단일 Tg는 공중합체 구성에서 랜덤한 배열을 나타낸다.
이온 젤 전해질 비교
제조된 공중합체 젤레이터(즉, PEMA-r-PS 및 PEMA-b-PS)와 [EMI][TFSI]로 구성된 이온 젤의 이온 전도도와 탄성 계수(elastic modulus)를 비교하였다. 구체적으로, 이온 젤의 기계적 특성은 전동 힘 및 토크 측정 스탠드 (ESM303, Mark-10)를 사용하여 평가하였으며, 원형 샘플 (두께: 5.0mm 및 직경: 9.0mm)과 직사각형 샘플 (두께: 3mm, 폭: 10mm, 길이: 30mm)이 압축 시험과 인장 시험에 각각 사용되었다. 응력-변형 곡선은 6mm/분의 스캔 속도에서 0~30 %의 변형 범위 내에서 기록하였으며, 탄성 계수는 선형 영역에서 피팅하여 계산하였다. 또한 젤의 이온 전도도는 전기 화학 임피던스 분광법 (EIS) (IM6, ZAHNER)을 사용하여 측정하였으며, 10-1 내지 106Hz의 주파수 범위와 10mV의 AC 진폭으로 설정하였다.
도 3a는 젤레이터의 함량을 달리한 샘플들의 서로 다른 젤에 대한 주파수 함수로서 임피던스 (Z')를 도시하며, 젤 조성과 공중합체 젤레이터 유형에 따른 이온 전도도의 관계를 나타내며, 젤레이터의 함량이 증가함에 따라 모든 젤의 전도도가 감소하였으나(표 1 참조), 젤 조성이 동일하다면 공중합체 구조에 무관하게 유사한 전도도 값을 나타냈다.
샘플 중합체 이온성 액체 폴리머:이온성액체
(wt/wt)		 이온 전도성
(mScm-1)		 탄성 계수
(Pa)
1 PEMA-r-PS [EMI][TFSI] 30:70 ~1.16 ~8.46ⅹ103
2 40:60 ~0.37 ~4.01ⅹ104
3 50:50 ~0.07 ~2.20ⅹ105
4 PEMA-b-PS 30:70 ~1.18 ~6.90ⅹ103
5 40:60 ~0.41 ~2.86ⅹ104
6 50:50 ~0.12 ~1.03ⅹ105
도 3b는 젤레이터의 함량을 달리한 이온 젤 샘플들에 대한 응력-변형 곡선을 도시한다. 전술한 전도도의 변화 양상과는 달리, 더 많은 부분의 공중합체의 함량이 큰 이온 젤일수록 측정된 탄성 계수가 증가하는 것을 확인할 수 있다(표 1 참조).
또한 이온 젤의 기계적 특성은 공중합체 유형에 크게 의존하는 것을 확인할 수 있다. 예를 들어, 50wt% PEMA-r-PS 젤 샘플의 경우 탄성 계수는 약 2.20 ⅹ 105 Pa로 측정된 반면, PEMA-b-PS 젤 샘플의 탄성 계수는 약 1.03 ⅹ 105 Pa로, 랜덤 공중합체의 절반에 불과했다. 이를 통하여 공중합체에서 모노머들이 랜덤하게 구성되는 경우 기계적 탄성을 촉진한다는 것을 확인할 수 있다.
도 4a에서 PEMA-r-PS 기반 젤은 SAXS 프로파일에서 단조로운 붕괴를 나타냈다. 통합 모델로 프로파일을 피팅하여, IL-불용성 스티렌 도메인에 해당하는 약 1.2 nm의 응집체 사이즈(회전 반경, Rg)를 갖는 것을 확인하였다.
반면, 도 4b에서 PEMA-b-PS 기반 젤의 SAXS 프로파일에서는 산란 피크를 명확하게 관찰할 수 있었다. 단단한 구 미셀에 대한 Percus-Yevick 모델을 사용하여 프로파일을 피팅하여, IL-불용성 도메인의 평균 반경은 25.0 nm의 평균 거리에서 약 10.1 nm인 것을 확인하였다.
도 5는 SAXS 결과와 공중합체 구성을 바탕으로 구성한 본 발명의 구현예에 따른 이온 젤의 개략도를 나타낸다. PEMA-r-PS은 스티렌이 무작위로 분포되어 이온성 액체인 [EMI][TFSI]와 혼합될 때 큰 도메인을 형성하지 못하고 작은 스티렌 응집체가 고밀도로 젤 전체에 분산되는 것을 확인할 수 있다. 반면, PEMA-b-PS에서 PS는 PEMA와 완전히 분리되어 있고 상분리를 유도할 만큼 분자량이 충분히 높지 않다. 따라서 PEMA-b-PS와 [EMI][TSFI]를 혼합하여 이온젤을 생성하면 [EMI][TFSI]은 용해도 차이로 인하여 PEMA 도메인에 선택적으로 통합된다. 그 결과 PS와 PEMA+[EMI][TFSI] 도메인 사이의 엔탈픽 패널티(즉, 더 높은 Flory-Huggins 상호 작용 매개 변수)가 증가하고 상 분리가 발생한다. 따라서, IL-불용성 도메인을 작고 고밀도로 형성하는 것이 기계적 특성을 높이는데 유리한 것을 알 수 있다.
실시예 2: 전기 변색 장치 (ECD) 제작
실시예 1의 PEMA-r-PS와 [EMI][TFSI]를 3:7의 중량비로 THF (공용매)에 완전히 용해시킨 뒤, 여기에 에틸 비올로겐헥사플루오로포스페이트 [EV(PF6)2]와 디메틸 페로센 (dmFc)을 등몰(0.2M)로 첨가하였다.
상기 용액을 ITO 코팅된 유리 위에 캐스트하고 대기 조건(ambient condition)에서 30 분 동안 건조하여 보조 용매를 제거하여 투명한 EC 이온젤을 생성하였으며, 젤 위에 ITO-유리 기판을 배치하여 전기 변색 장치를 제작하였다.
사각형, 선 또는 점 등의 젤 패턴은 스페이서의 형태를 조정하여 제조하였으며, PDMS(polydimethylsiloxane) 필름은 도트 패턴 스페이서 역할을 했다.
먼저, 선 경화된 PDMS와 경화제를 10:1의 중량비로 혼합한 뒤 혼합물을 진공에서 1 시간 동안 탈기하고 ITO 코팅된 유리 위에 주조했다. 60 ℃에서 30 분 동안 열처리한 후, 경화된 PDMS 필름을 원형 펀치 스탬프를 사용하여 패턴화하였다. 그런 다음 펀치된 구멍을 EC 젤로 채우고 PDMS 필름 상에 다른 ITO 코팅 유리를 조립하여 소자를 제작하였다.
실험예 2: 전기 변색 장치 특성 평가
먼저, 제조된 ECD의 UV 흡수 스펙트럼을 측정하였으며, UV-vis 흡수 스펙트럼은 각각 400 nm·min- 1 의 스캔 속도와 400-1100 nm의 파장 범위를 갖는 UV-vis 분광기 (V-730, Jasco)를 사용하여 측정하였다.
도 6a는 다양한 인가 전압에서 UV-vis 흡수 스펙트럼을 도시한다. 전압이 높아질수록 흡수 강도가 더 높아졌으며, 전압변화와는 무관하게 λmax는 약 605nm에서 유지되었다.
또한, CIELAB 색좌표, 역학 및 색채 효율 등의 ECD 성능은 동일한 UV-vis 분광기와 potentiostat (Wave Driver 10, Pine Instrument)를 결합하여 측정하였다.
도 6b을 참조하면, CIELab 색상 좌표의 변화를 모니터링했을 때 EC 동작이 명확하게 관찰되었으며, 착색시 색좌표(L*, a*, b*)가 (99.82, -2.5, 7.6)(약 노란색, 0.0V에서 탈색 상태)에서 (15.88, 44.35, -90.23)(진한 파란색, -0.9V에서 컬러 상태)로 변화한 것을 확인하였다.
도 6c는 연속적인 착색 및 탈색 동작 동안에 λmax(약 605nm)에서의 시간에 따른 투과율 프로파일을 도시한다. -0.9V의 바이어스가 적용되면(즉, 착색시), 투과율이 빠르게 떨어졌으며, 최대 투과율의 90%로 투과율이 감소하는데 소요되는 착색 시간(tc)은 약 28 초였다.
충분히 착색된 후(약 100초 후), 단락 및 개방 회로 조건에서 탈색 반응을 평가하였는데, 단락 회로에서의 탈색 시간(tb)(약 176 초)이 개방 회로 에서보다 훨씬 짧았다(약 412 초).
착색 중에 유도된 농도 구배로 인하여 착색된 EV+,ㆍ 와 dmFc+ 모두가 각각의 전극에서 벌크 젤 전해질로 확산 되었기 때문에 개방 회로에서도 탈색이 발생하였다. 이들 두가지 종이 만나는 경우, EV+,ㆍ의 자발적인 화학적 산화가 일어났다. 한편, 단락되는 경우 전극 근처에서의 직접적인 전기 화학 반응을 추가적인 산화 경로로 사용할 수 있게 되고, 이에 따라서 단락 회로에서 탁색 반응이 더 빠른 것을 확인하였다.
도 6d는 ΔOD 대 ΔQ의 플롯을 도시한다. 여기서 착색 효율 (η)은 η=ΔOD/ΔQ=log (Tb/Tc)/ΔQ을 통하여 추정할 수 있는데, ΔOD는 탈색된 물질과 착색된 물질 사이의 투과율 비율의 로그로 정의되는 광학 밀도의 변화이고, ΔQ는 주입된 전하량에 해당한다. 그 결과 종래의 EC 젤 기반의 장치와 유사한 값인 약 121.0 cm2C-1의 η 값을 갖는 것을 확인하였다.
또한 도6e에서는 PEMA-r-PS 기반 젤의 ECD 플랫폼에의 적용성을 확인하기 위하여, 사각형, 선, 및 점의 각기 다른 형태의 EC 패턴을 제작하였다. 이를 위해 스페이서를 형태에 따라 패턴화하고 EC 젤을 그 빈 공간에 채웠다. 그 결과, 0.9V의 외부 바이어스가 적용될 때 모든 ECD가 뚜렷하게 컬러 패턴을 표시하였으며, 0.0V의 단락시 가역적으로 탈색되는 것을 확인하였다.
실시예 3: 스트레인 센서의 제작 및 특성화
실시예 1의 PEMA-r-PS 50 wt%와 [EMI][TFSI] 50 wt%를 THF (공용매)에 용해시켰다. 이때 도 8에서와 같이, PEMA-r-PS가 50wt% 함유 된 젤이 가장 높은 기계적 강도와 신축성을 갖는 것을 확인하였으며, 이에 해당 함량을 선택하였다. 혼합물을 직사각형 모양의 테프론 몰드 (두께: 3mm, 폭: 10mm, 길이: 30mm)에 붓고 보조 용매는 완전히 제거하여 스트레인 센서를 제작하였다.
실험예 3: 스트레인 센서 특성 평가
제조된 센서의 특성을 확인하기 위해 변형률에 따른 저항 변화를 소스 미터 (2400, Keithley, USA)를 이용하여 측정하였다.
도 7a는 LED를 포함하는 회로에 연결된 이온 젤을 도시한다. 제조한 이온 스트레인 센서를 회로에 연결하면 LED가 켜지나, 센서가 늘어남에 따라서(ε는 약 40%인 경우) 이온 젤의 저항성이 증가하고 그로 인하여 LED의 밝기가 감소하는 것을 확인할 수 있다.
또한 도 7b와 같이, 반복적으로 변형을 가하는 경우 상대 저항 (ΔR/R0)이 변화하였으며 더 높은 변형률을 가하는 경우 저항 변화가 더 크게 유도되는 것을 확인할 수 있다.
한편, 스트레인 센서에서 게이지 계수(GF=(ΔR/R0)/ε)로 대표되는 높은 감도를 갖는 것이 중요하다. 도 7c는 의 함수로서 ΔR/R0의 변화를 도시하며, ε가 약 10%일때를 기준으로 두 영역으로 나눌 수 있다. 각 영역에서 얻은 GF 값은 낮은 스트레인 영역(ε<10%)에서 약 5.2, 높은 스트레인 영역(ε>10%)에서 약 1.2로 계산되었으며, 이는 종래의 스트레인 센서가 ε<10% 영역에서 0.5 - 7.9의 GF 값과 ε>10% 영역에서 1.2 - 2.7의 GF 값을 보이는 것과 비교할 때 우수한 감도를 갖는 것을 확인할 수 있다.
도 7d는 제조된 스트레인 센서를 손가락에 부착하여 움직임을 모니터링할 결과를 도시한다. 0, 30, 60, 90º의 다양한 각도로 움직이는 운동을 한 경우 각도가 클수록(즉, 변형률이 클수록) 저항 또한 더 크게 증가한 것으로 개별적인 운동을 감지할 수 있었다. 또한 측정된 신호의 주파수로부터 움직임의 빠르기 또한 감지할 수 있었다.
따라서, 본 발명의 구현예에 따른 PEMA-r-PS 기반 이온젤은 ECD 및 모션 센서와 같은 다양한 전기 화학 응용 분야 적용될 수 있다.
앞에서 설명된 본 발명의 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서, 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.

Claims (13)

  1. 화학식 1로 표시되는 반복 단위를 포함하는 이온성 액체 불용성 도메인, 및 화학식 2로 표시되는 반복 단위를 포함하는 이온성 액체 용해성 도메인을 포함하는 랜덤 공중합체; 및 이온성 액체;를 포함하며,
    상기 이온성 액체 용해성 도메인의 유리 전이 온도(Tg)는 0 내지 100℃인, 이온 젤.
    [화학식 1]
    Figure 112022044966018-pat00024

    [화학식 2]
    Figure 112022044966018-pat00025

    (여기서, R11은 각각 독립적으로 할로겐기, 나이트릴기, 니트로기, 아민기, 치환 또는 비치환의 C1-C10 알킬기, 치환 또는 비치환의 C1-C10 알콕시기, 치환 또는 비치환의 아릴기, 치환 또는 비치환의 C5-C14 헤테로아릴기 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것이고,
    n11은 0 내지 5이고,
    R12는 수소, 할로겐기, 나이트릴기, 니트로기, 아민기, 치환 또는 비치환의 C1-C10 알킬기, 치환 또는 비치환의 C1-C10 알콕시기, 치환 또는 비치환의 C5-C14 아릴기, 치환 또는 비치환의 헤테로아릴기 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것이고,
    n1은 0.30 내지 0.57의 실수이고,
    R21은 수소, 할로겐기, 나이트릴기, 니트로기, 아민기, 치환 또는 비치환의 C1-C10 알킬기, 치환 또는 비치환의 C1-C10 알콕시기, 치환 또는 비치환의 아릴기, 치환 또는 비치환의 헤테로아릴기 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것이고,
    R22은 치환 또는 비치환의 C1-C12 알킬기, 치환 또는 비치환의 아릴기, 치환 또는 비치환의 헤테로아릴기 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것이고,
    n2는 0.43 내지 0.70의 실수이다)
  2. 제1항에 있어서,
    상기 랜덤 공중합체 전체에 대한 이온성 액체 불용성 도메인의 함량은 30 내지 40 몰%인, 이온 젤.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 이온성 액체 불용성 도메인은 0.5 내지 1.9nm의 평균 반경을 갖는, 이온 젤.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 랜덤 공중합체:이온성 액체의 중량비는 3:7 내지 5:5인, 이온 젤.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 랜덤 공중합체는 10,000 내지 450,000g/mol의 수 평균 분자량(Mn)을 갖는, 이온 젤.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 랜덤 공중합체는 1.0ⅹ103 내지 1.0ⅹ106 Pa 의 탄성 계수를 갖는, 이온 젤.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 랜덤 공중합체는 시차 주사 열량계(DSC) 분석에서 하나의 유리 전이온도(Tg) 피크를 갖는, 이온 젤.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 하나에 따른 이온 젤;을 포함하는, 전기 변색 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 이온 젤은 사각형, 선, 및 점 중 어느 하나 이상의 패턴을 갖는, 전기 변색 장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 전기 변색 장치에서 착색시 최대 투과율의 90%로 투과율이 감소하는데 소요되는 착색 시간(tc)이 30 초 이하인, 전기 변색 장치.
  11. 제1항 내지 제7항 중 어느 하나에 따른 이온 젤;을 포함하는, 스트레인 센서.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 스트레인 센서는 ε<10%의 스트레인 영역에서 3.7 내지 6.7의 GF값, 및 ε>10%의 스트레인 영역에서 0.6 내지 1.8의 GF값을 갖는, 스트레인 센서.
  13. 이온성 액체 불용성 단량체, 이온성 액체 용해성 단량체, 및 사슬 이동제를 혼합하는 단계; 및
    상기 이온성 액체 불용성 단량체, 이온성 액체 용해성 단량체, 및 사슬 이동제의 혼합물을 RAFT 중합하여 랜덤 공중합체를 형성하는 단계;를 포함하며,
    상기 랜덤 공중합체는 이온성 액체 불용성 도메인, 및 이온성 액체 용해성 도메인을 포함하고, 상기 이온성 액체 용해성 도메인의 유리 전이 온도(Tg)는 0 내지 100℃인, 고분자 젤레이터의 기계적 강도 특성 향상 방법.
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