열 변색성

3. 무기 물질

대부분의 무기 화합물은 어느 정도 열 변색성을 띈다. 하지만 대부분의 예는 미묘한 색상 변화만을 수반한다. 예를 들어, 이산화 티타늄, 황화 아연 및 산화 아연은 실온에서 흰색이지만 가열하면 노란색으로 변한다. 마찬가지로 산화 인듐(III)은 노란색이며 가열하면 노란 갈색으로 어두워진다. 산화 납(II)도 가열 시 유사한 색상 변화를 나타낸다. 이러한 색상 변화는 이러한 물질의 전자적 특성(에너지 준위, 분포)의 변화와 관련이 있다.

더욱 극적인 열 변색성의 예는 상전이를 겪거나 가시광선 영역 근처에서 전하 이동 띠를 나타내는 물질에서 발견된다. 예로는 다음이 있다.

• 아이오딘화 제일 구리 수은(Cu₂[HgI₄])은 67 °C에서 상전이를 겪으며, 저온에서는 밝은 붉은색 고체 물질에서 고온에서는 어두운 갈색 고체로 가역적으로 변하고, 중간에 붉은 자줏빛 상태를 띤다. 색상은 강렬하며 Cu(I)–Hg(II) 전하 이동 복합체에 의해 발생하는 것으로 보인다.^[7]
• 아이오딘화 은 수은(Ag₂[HgI₄])은 저온에서 노란색이고 47–51 °C 이상에서는 주황색이며, 중간에 노란-주황색 상태를 띈다. 색상은 강렬하며 Ag(I)–Hg(II) 전하 이동 복합체에 의해 발생하는 것으로 보인다.^[7]
• 아이오딘화 수은(II)는 결정성 물질로, 126 °C에서 붉은색 알파상에서 옅은 노란색 베타상으로 가역적인 상전이를 겪는다.
• 비스(디메틸암모늄) 테트라클로로니켈레이트(II) ([(CH₃)₂NH₂]₂NiCl₄)는 라즈베리 붉은색 화합물로, 약 110 °C에서 파란색으로 변한다. 냉각되면 이 화합물은 옅은 노란색의 준안정상으로 변하고, 2~3주에 걸쳐 원래의 붉은색으로 돌아간다.^[8] 다른 많은 테트라클로로니켈레이트도 열 변색성을 띤다.
• 비스(디에틸암모늄) 테트라클로로구프레이트(II) ([(CH₃CH₂)₂NH₂]₂CuCl₄)는 밝은 녹색 고체 물질로, 52–53 °C에서 가역적으로 노란색으로 변한다. 색상 변화는 수소 결합의 이완과 그에 따른 구리-염소 복합체의 기하학적 구조가 평면에서 변형된 사면체로 바뀌면서 구리 원자의 d-궤도 배치가 적절하게 바뀌면서 발생한다. 안정적인 중간 상태는 없으며, 결정은 녹색이거나 노란색이다.^[7]
• 산화 크롬(III)과 산화 알루미늄(III)을 1:9 비율로 혼합하면 실온에서는 붉은색, 400 °C에서는 회색으로 변하며, 이는 결정장의 변화 때문이다.^[9]
• 이산화 바나듐은 적외선 투과를 차단하고 창문을 통해 건물 내부의 열 손실을 줄이기 위한 "스펙트럼 선택적" 창 코팅으로 사용하기 위해 연구되었다.^[10] 이 물질은 저온에서는 반도체처럼 동작하여 더 많은 투과를 허용하고, 고온에서는 도체처럼 동작하여 훨씬 더 큰 반사율을 제공한다.^[11][12] 투명한 반도체상과 반사적인 전도상 사이의 상 변화는 68 °C에서 발생한다. 이 물질에 1.9%의 텅스텐을 도핑하면 전이 온도가 29 °C로 낮아진다.
• 페로브스카이트형 Mn 산화물(R_0.5A_0.5MnO₃; R=La,Pr,Nd,Sm,A=Sr,Ca^[24]) : 이중 교환 상호 작용으로 인해, 특정 온도에서 금속-절연체 전이가 일어나고, 반사 스펙트럼이 변화한다. 전이 온도를 경계로 열 방사를 증가시킴으로써 네거티브 피드백을 통해 온도를 일정 값으로 안정시킬 수 있다. 하야부사와 레이메이의 라디에이터에 La_0.775Sr_0.115Ca_0.11MnO₃가 사용되었으며, 장기간에 걸쳐 열화가 보이지 않는 것이 확인되었다^[25]。이 경우 Ca를 도핑하여 저온에서의 방사율을 감소시켰으며, La, Sr의 비율을 조정하여 전이 온도를 150-380K 사이에서 자유롭게 조절할 수 있다^[26]。

• Cd_''x''Zn_1−''x''S_''y''Se_1−''y'' (''x'' = 0.5–1, ''y'' = 0.5–1),
• Zn_''x''Cd_''y''Hg_{1−''x''−''y''}O_''a''S_''b''Se_''c''Te_{1−''a''−''b''−''c''} (''x'' = 0–0.5, ''y'' = 0.5–1, ''a'' = 0–0.5, ''b'' = 0.5–1, ''c'' = 0–0.5),
• Hg_''x''Cd_''y''Zn_{1−''x''−''y''}S_''b''Se_1−''b'' (''x'' = 0–1, ''y'' = 0–1, ''b'' = 0.5–1).^[13]

3. 1. 비가역적 무기 열변색

3. 2. 가역적 무기 열변색

4. 건물에의 응용

한국에서는 건물 에너지 효율 향상을 위해 열변색 스마트 윈도우 기술 개발 및 상용화에 대한 관심이 높아지고 있다. 특히, 정부 주도의 에너지 절약 정책과 함께 열변색 기술을 활용한 건축 자재 개발 및 보급이 적극적으로 추진되고 있다. 열 변색성 재료는 코팅 형태로 건물에 수동 에너지 개조 기술로 적용될 수 있다.^[18] 열 변색성 코팅은 외부 자극, 일반적으로 온도에 따라 광학적 특성을 조절할 수 있는 능동적이고 동적이며 적응형 재료로 특징지어진다. 열 변색성 코팅은 온도에 따라 반사율을 조절하여 겨울철 건물의 단열 성능을 저하시키지 않으면서 냉방 부하를 줄이는 데 적합한 솔루션이 된다.^[18]

열 변색성 재료는 염료 기반 및 비 염료 기반 열 변색성 재료의 두 가지 하위 그룹으로 분류된다.^[19]

참조

_[1] 웹사이트 Preparation of Cholesteryl Ester Liquid Crystals http://education.mrs[...]
_[2] 서적 Thermochromic and Thermotropic Materials Pan Stanford Publishing Pte.Ltd., Singapore 2014
_[3] 논문 Thermotropic and Thermochromic Polymer Based Materials for Adaptive Solar Control 2010
_[4] 웹사이트 Solutions https://www.american[...] 2024-02-08
_[5] 논문 Thermochromic Polymers - Function by Design 2014
_[6] 논문 First example of a non-toxic thermochromic polymer material – based on a novel mechanism 2013
_[7] 웹사이트 Thermochromism of Transition Metal Compounds http://www3.amherst.[...] Amherst College 2008
_[8] 논문 Preparation and Properties of a Spectacular Thermochromic Solid 2009
_[9] 서적 Chromic Phenomena: Technological Applications of Colour Chemistry https://books.google[...] Royal Society of Chemistry 2010
_[10] 논문 How smart windows save energy https://knowablemaga[...] 2022-07-15
_[11] 웹사이트 Sol-Gel Vanadium oxide http://www.solgel.co[...] Solgel.com 2010-07-12
_[12] 웹사이트 Intelligent Window Coatings that Allow Light In but Keep Heat Out – News Item http://www.azom.com/[...] Azom.com 2010-07-12
_[13] 특허 Optical temperature indicator using thermochromic semiconductors
_[14] 서적 The Chemistry of Organic Arsenic, Antimony, and Bismuth Compounds Wiley
_[15] 웹사이트 Thermochromic Garnets http://minerals.gps.[...] Minerals.gps.caltech.edu 2010-07-12
_[16] 특허 Method of laser marking
_[17] 서적 Thermochromic and Thermotropic Materials https://books.google[...] CRC Press 2013-12-23
_[18] 논문 A detailed investigation of thermochromic dye-based roof coatings for Greek climatic conditions https://www.scienced[...] 2024-05-01
_[19] 논문 Using advanced thermochromic technologies in the built environment: Recent development and potential to decrease the energy consumption and fight urban overheating https://www.scienced[...] 2019-03-01
_[20] 논문 A review of microencapsulated thermochromic coatings for sustainable building applications https://doi.org/10.1[...] 2021-01-01
_[21] 웹사이트 rosap https://rosap.ntl.bt[...] 2017-01
_[22] 논문 A Systematic Analysis of Phase Change Material and Optically Advanced Roof Coatings Integration for Athenian Climatic Conditions 2023-01
_[23] 웹사이트 偽造防止用紙が変わります。 http://www.city.hach[...] 2008-10-25
_[24] 논문 ペロブスカイト型マンガン酸化物における電荷整列相転移 https://doi.org/10.2[...] 日本金属学会
_[25] 논문 宇宙機のふく射制御の最前線 (特集 宇宙機の熱制御フロンティア) https://www.htsj.or.[...] 日本伝熱学会
_[26] 논문 ペロブスカイト型Mn酸化物におけるスピン電荷軌道整列と磁場効果 (強相関伝導系の物理 若手秋の学校(1997年11月21日-24日)) https://hdl.handle.n[...] 物性研究刊行会