• - 에너지硏, 스마트윈도우 반응원리 세계최초 규명
  

변색 전 광감응 자동 색변환 스마트윈도우 필름. [한국에너지기술연구원 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 국내 연구진이 탄소중립 실현에 부응하는 제로에너지건물 실현을 위한 스마트 윈도우 성능과 내구성을 향상시킬 수 있는 반응원리를 규명하는데 성공했다.

최근 건축물에너지 절감 및 온실가스 감축에 획기적인 기여가 가능한 제로에너지 건축물에 대한 관심이 높아지고 있다. 그중 창문의 색을 변화시켜 햇빛의 가시광선과 적외선의 투과도를 조절하고, 내부 거주자의 안락함을 향상시킬 수 있는 스마트 윈도우 기술이 주목받고 있다.

한국에너지기술연구원은 기초과학연구원(IBS) 분자 분광학 및 동력학 연구단, 군산대학교와 함께 광감응 자동 색변환 스마트 윈도우 디바이스 내에서 이온의 이동과정과 그에 따른 변색층의 상변화에 대한 반응 원리를 규명했다고 18일 밝혔다.

스마트윈도우의 성능과 내구성을 향상시켜줄 이번 연구결과는 재료과학분야 국제학술지 ‘나노 에너지’ 1월 20일 온라인판에 게재됐다.

연구진이 개발한 광감응 자동 색변환 스마트 윈도우 기술은 태양전지 기술과 전기변색 기술을 융합한 기술이다. 소자 내에 광흡수층을 포함하고 있어 별도의 전원공급 필요성과 가격문제를 동시에 해결하고 건축물의 에너지 절감이 가능하다.

광감응 자동 색변환 스마트 윈도우 장치 내 변색 물질에서의 리튬 이온의 삽입과 탈착과정은 스마트 윈도우의 작동 속도와 효율성을 결정하는 핵심 단계이지만 정확하게 어떤 원리를 통해 반응하는지는 아직 밝혀지지 않았다.

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

스마트윈도우의 대표적인 기술인 전기변색소자의 경우 변색에 중요한 역할을 하는 물질은 텅스텐산화물이 대표적이다. 텅스텐산화물은 텅스텐 원자를 중심으로 팔면체의 꼭지점이 산소원자로 구성된 단위체가 팔면체의 꼭지점을 공유해 육방정계 결정구조를 형성한다. 창호가 투명한 상태에서 텅스텐산화물의 빈공간 사이사이로 환원 전압을 통해 리튬 이온이 물질에 주입돼 짙은 청색으로 변색되며, 이를 산화 전압으로 리튬 이온을 다시 추출함으로써 투명한 상태로 돌아온다.

개발한 광감응 자동 색변환 스마트윈도우는 외부 전압이 아닌 내부에 포함된 광감응 층에 의해 생성된 전력이 텅스텐산화물의 변색을 유도한다. 연구진은 내부전력 범위 안에서 텅스텐산화물의 어떤 빈공간 위치에 리튬 이온이 출입하며 각각의 빈공간에 대한 가역성 정도를 규명했다. 연구를 통해 광감응 자동 색변환 스마트윈도우에 사용된 육방정계 텅스텐산화물의 경우 90% 이상의 우수한 가역성을 보이는 것으로 확인했다. 이번 연구를 바탕으로 연구진은 향후 텅스텐 산화물의 형상 및 입자 크기 조절 그리고 첨가제 도입 등의 방법을 통해 가역성을 100%까지 향상시켜 스마트윈도우의 성능 및 내구성을 확보할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

변색 후 광감응 자동 색변환 스마트윈도우 필름. [한국에너지기술연구원 제공]

홍성준 박사는 “이번 연구 결과는 고성능 스마트 윈도우 개발을 위한 분자 설계 원리를 제공할 뿐만 아니라 OLED, 태양전지 등의 광전소자 내 핵심 분자의 거동을 작동 환경에서 관찰하여 성능 향상에 핵심적인 요인을 밝혀낼 수 있을 것”이라고 말했다.

스마트윈도우의 성능과 내구성을 향상시켜줄 이번 연구결과는 재료과학분야 국제학술지 ‘나노 에너지’ 1월 20일 온라인판에 게재됐다.

연구진은 이번 기술개발을 통해 1건의 기술이전과 기술출자를 통한 연구소 기업 네스포유를 설립했다.

네스포유는 자체 보유한 ‘전기변색 기술’과 한국에너지기술연구원으로부터 기술이전 받은 ‘광감응 자동 색변환 기술’을 조합해 스포츠 고글과 같은 스포츠 용품에 적용할 수 있는 제품 개발을 진행하고 있다. 향후 대면적 광 변색 창문 및 필름을 개발해 대형 상업용 건물 및 자동차용 부착형 필름 시장으로 사업화를 확대할 계획이다.

nbgkoo@heraldcorp.com