빛 강약 따라 변색, 에너지 20% 절감 ‘스마트윈도’ 나온다

[아이뉴스24 정종오 기자] 1년 동안 총 에너지 소비량의 20%를 절감할 수 있는 스마트윈도가 나올 것으로 기대된다. 여름에는 특히 에너지 절감 효과가 컸다. 커튼을 내리지 않고 바깥 풍경도 볼 수 있다. 빛의 세기에 따라 변색한다.

햇볕이 강할 때는 착색하고 햇볕이 약할 때는 탈색하는 원리이다. 한국에너지기술연구원(에너지연) 연구팀이 스스로 색이 변하는 스마트윈도 반응 원리를 규명했다.

정부는 2050년 탄소 중립을 달성하겠다고 발표한 바 있다. 이를 달성하기 위해서는 건물 에너지 효율성을 높이는 게 관건이다. 제로 에너지건물 실현을 위한 스마트윈도 성능과 내구성을 높일 수 있는 시스템 마련이 중요해졌다.

스마트윈도는 외부에서 유입되는 빛의 투과도를 자유롭게 조절해 에너지 손실을 줄이고 소비자에게는 쾌적한 환경을 제공할 수 있는 제어 기술을 의미한다. 수송, 정보 디스플레이, 건축 등 다양한 산업 분야에 공통으로 적용될 수 있는 기반 기술이다.

제로 에너지빌딩 의무화가 2020년부터 전체면적 1000㎡ 이상의 공공건축물에 적용됐다. 2025년부터는 500㎡ 이상 공공건축물과 1000㎡ 이상의 민간 건축물로 확대된다. 2030년에는 500㎡ 이상의 모든 건축물에 제로 에너지빌딩이 적용된다.

이런 가운데 창문의 색을 변화시켜 햇빛의 가시광선과 적외선의 투과도를 조절하고 내부 거주자의 안락함을 높일 수 있는 스마트윈도 기술이 주목받고 있다.

에너지연은 고려대 IBS 분자 분광학 및 동력학 연구단, 군산대와 공동으로 ‘Operando Raman’ 분석법을 통해 광감응 자동 색 변환 스마트윈도 디바이스 내에서 이온의 이동과정과 그에 따른 변색 층의 상변화에 대한 반응 원리를 규명했다.

‘Operando Raman 분석법’은 실제 구동 중인 전체 소자에서 발생하는 현상을 분석하는 방법이다.

연구팀이 개발한 광감응 자동 색 변환 스마트윈도 기술은 태양전지 기술과 전기변색 기술을 융합한 기술이다. 소자 내에 광 흡수층을 포함하고 있어 별도의 전원공급과 가격문제를 동시에 해결하고 건축물의 에너지 절감이 가능한 차세대 스마트윈도 기술이다.

광 감응 자동 색 변환 스마트 윈도 장치 내 변색 물질에서의 리튬 이온의 삽입과 탈착 과정은 스마트윈도의 작동 속도와 효율성을 결정하는 핵심 단계인데 정확하게 어떤 원리를 통해 반응하는지는 아직 밝혀지지 않았었다.

연구를 주도한 태양광연구단 홍성준 박사 연구팀은 착색과 탈색 과정 중 변화를 실시간으로 관찰해 변색에 중요한 역할을 하는 텅스텐산화물의 특정 자리로 리튬 이온이 이동하는 원리를 밝혀냈다.

연구팀이 개발한 광 감응 자동 색 변환 스마트윈도는 외부 전압이 아닌 내부에 포함된 광 감응 층에 의해 생성된 전력이 텅스텐산화물의 변색을 유도한다. 연구팀은 여기에서 연구를 통해 광 감응 자동 색 변환 스마트윈도에 사용된 육방정계 텅스텐산화물의 경우 90% 이상의 우수한 가역성을 보이는 것으로 확인했다.

이번 연구를 바탕으로 연구진은 앞으로 텅스텐산화물의 형상과 입자 크기 조절, 첨가제 도입 등의 방법을 통해 가역성을 100%까지 높여 스마트윈도의 성능과 내구성을 확보할 수 있을 것으로 기대하고 있다. 홍성준 박사는 “이번 연구결과는 고성능 스마트윈도 개발을 위한 분자 설계 원리를 제공할 뿐만 아니라 OLED, 태양전지 등의 광전소자 내 핵심 분자의 거동을 작동 환경에서 관찰해 성능 향상에 핵심 요인을 밝혀낼 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

이번 기술개발을 통해 1건의 기술이전과 기술출자를 통한 연구소 기업 네스포유를 설립했다. 네스포유는 자체 보유한 ‘전기변색 기술’과 에너지연으로부터 기술이전 받은 ‘광 감응 자동 색 변환 기술’을 조합해 우선 스포츠 고글과 같은 스포츠용품에 적용할 수 있는 제품 개발을 진행하고 있다.

앞으로 대면적 광 변색 창문과 필름을 개발해 대형 상업용 건물, 자동차 부착형 필름 시장으로 사업화를 확대할 계획이다.

연구결과(논문명: Operando Raman and UV-Vis spectroscopic investigation of the coloring and bleaching mechanism of self-powered photochromic devices for smart windows)는 재료과학 분야 국제학술지 나노 에너지(Nano Energy) 1월 20일 자로 실렸다.