전기를 걸면 유리의 투명도가 변하는 스마트 윈도우의 원리가 무엇인가요?

Question

전기를 걸면 유리의 투명도가 변하는 스마트 윈도우의 원리를, 삼산화텅스텐 격자 내부로 리튬 이온이 출입함에 따라 텅스텐의 산화수가 가역적으로 변하며 가시광선 흡수 대역이 달라지는 무기 화학적 과정으로 설명해주세요.

Answer 1

안녕하세요. 이충흔 전문가입니다.

삼산화텅스텐 격자는 원래 텅스텐 이온과 산소 이온이 규칙적으로 배열된 텅 빈 공간이 많은 구조를 가지고 있습니다. 초기 상태에서 텅스텐은 모든 전자를 잃은 최고 산화 상태에 머물러 있는데, 이 상태의 격자 구조는 가시광선을 흡수하지 못하고 그대로 통과시키기 때문에 우리 눈에는 투명하게 보입니다.

​하지만 전압을 걸어 리튬 이온과 전자를 격자 안의 빈 공간으로 밀어 넣으면 흥미로운 무기 화학적 변화가 일어납니다. 격자 속으로 들어온 전자가 텅스텐 이온에 붙으면서 텅스텐의 산화수가 낮아지게 되는데, 이 과정에서 격자 내에는 전자가 풍부한 텅스텐 이온과 부족한 텅스텐 이온이 공존하게 됩니다.

​이때 전자가 부족한 쪽으로 이동하려는 성질이 생기면서 특정 에너지 대역의 빛을 흡수하게 됩니다. 하필 이들이 흡수하는 에너지 영역이 가시광선의 긴 파장대와 일치하기 때문에, 유리는 푸른색을 띠며 불투명해지는 것입니다. 반대로 전기를 끊거나 역방향으로 걸어 리튬 이온을 다시 밖으로 끌어내면 텅스텐은 원래의 높은 산화 상태로 복귀하며 다시 투명한 상태가 됩니다. 결국 격자라는 미세한 공간 속으로 이온을 넣었다 뺐다 하며 빛과의 상호작용을 조절하는 것이 이 기술의 핵심입니다.

Answer 2

안녕하세요.

전기를 걸면 투명도가 바뀌는 스마트 윈도우는 전기변색의 원리를 이용한 것인데요, 이때 핵심 소재가 삼산화텅스텐입니다. 이 물질은 전기화학적으로 리튬 이온과 전자가 함께 출입하면서 색이 가역적으로 변하는 특징이 있습니다. 무기 화학적으로 보면, 전압을 가해 환원 방향으로 구동할 때 전해질에서 Li⁺가 WO₃ 격자 내부로 삽입되고, 외부 회로를 통해 들어온 전자가 텅스텐 중심에 전달되는데요, 이때 일부 텅스텐은 W⁶⁺ → W⁵⁺로 환원되며, 격자 내에 전하를 띤 종이 형성됩니다. 결과적으로 W⁵⁺–W⁶⁺ 사이의 전하 이동인 인터벌런스 전하이동이 가능해져 가시광선 영역의 특정 파장을 흡수하게 되고, 유리는 청색 계열로 어두워집니다. 이 과정은 WO₃ + xLi⁺ + xe⁻ ⇄ LiₓWO₃라는 반응식에 따라서 진행됩니다. 반대로 전압을 반대로 걸어 산화 방향으로 구동하면, Li⁺와 전자가 격자에서 빠져나가고 텅스텐은 다시 W⁵⁺ → W⁶⁺로 산화되는데요, 결과적으로 전하 이동 흡수가 사라져 가시광선 투과가 회복되고, 유리는 다시 투명 상태로 돌아옵니다. 즉 스마트 윈도우의 색 변화는 리튬 이온의 삽입과 탈삽입에 따른 텅스텐 산화수 변화와 전자 구조 변화로 인한 가시광선 흡수 스펙트럼 변화에 의해 나타난다고 보시면 되겠습니다. 감사합니다.