스마트윈도우 반응원리 세계최초 규명
스마트윈도우 반응원리 세계최초 규명
  • 채덕종 기자
  • 승인 2021.02.18 19:48
  • 댓글 0
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빛 투과도 조절해 에너지 손실 줄여…제로에너지건축물에 필수
에기硏, 광감응 자동 색변환 스마트윈도우 반응 메커니즘 규명

[이투뉴스] 국내 연구진이 탄소중립 실현에 도움을 줄 수 있는 스마트윈도우 성능과 내구성을 향상시킬 수 있는 반응원리를 규명하는데 성공했다. 스마트윈도우는 외부에서 유입되는 빛의 투과도를 조절해 에너지 손실을 줄이는 등 제로에너지건축물의 필수 구성요소다.

한국에너지기술연구원(원장 김종남)은 고려대학교 IBS 분자 분광학 및 동력학 연구단, 군산대학교와 공동으로 광감응 자동 색변환 스마트윈도우 디바이스 내에서 이온의 이동과정과 그에 따른 변색층의 상변화에 대한 반응원리를 세계 최초로 규명했다. 스마트윈도우의 성능과 내구성을 향상시켜줄 이 연구결과는 재료과학분야 국제 학술지인 ‘나노 에너지’에 게재됐다.

연구진이 개발한 광감응 자동 색변환 스마트윈도우 기술은 태양전지 기술과 전기변색 기술을 융합한 것이다. 소자 내에 광흡수층을 포함해 별도의 전원공급 필요성과 가격문제를 동시에 해결할 수 있어 건축물의 에너지 절감이 가능하다.

광감응 자동 색변환 윈도우장치 내 변색물질에서의 리튬이온의 삽입과 탈착과정은 스마트윈도우의 작동 속도와 효율성을 결정하는 핵심 단계지만 정확하게 어떤 원리를 통해 반응하는지는 아직 밝혀지지 않았었다.

▲에기연 등이 개발한 광감응 자동 색변환 필름과 특허증.
▲에기연 등이 개발한 광감응 자동 색변환 필름과 특허증.

연구를 주도한 태양광연구단 홍성준 박사팀은 착색과 탈색 과정 중의 변화를 실시간으로 관찰해 변색에 중요한 역할을 하는 텅스텐산화물의 특정 자리로 리튬이온이 이동하는 원리를 밝혀냈다. 스마트윈도우의 대표적인 기술인 전기변색소자의 경우 변색에 중요한 역할을 하는 대표적인 물질이 텅스텐산화물이다.

창호가 투명한 상태에서 텅스텐산화물의 빈공간 사이사이로 환원 전압을 통해 리튬이온이 물질에 주입돼 짙은 청색으로 변색(착색 과정)된다. 또 이를 산화 전압으로 리튬이온을 다시 추출함으로써 투명한 상태(탈색 과정)로 돌아온다.

전기변색소자의 경우 리튬이온이 텅스텐산화물의 특정 빈공간 위치에 출입하도록 결정하는 것은 인가하는 전압크기에 좌우된다. 그리고 리튬이온은 인가된 전압크기에 따라 특정 빈공간 위치에 순차적으로 출입하면서 텅스텐산화물의 색이 투명한 상태에서 푸른색으로 변화하는 것이다.

연구진이 개발한 광감응 자동 색변환 스마트윈도우는 외부 전압이 아닌 내부에 포함된 광감응 층에 의해 생성된 전력이 텅스텐산화물의 변색을 유도한다. 연구진은 Operando Raman 분석법을 통해 내부전력 범위 안에서 텅스텐산화물의 어떤 빈공간에 리튬이온이 출입하며 각각의 빈공간에 대한 가역성 정도를 규명했다.

연구결과 광감응 자동 색변환 스마트윈도우에 사용된 육방정계 텅스텐산화물은 90% 이상의 우수한 가역성을 보이는 것으로 확인했다. 연구진은 향후 텅스텐산화물의 형상 및 입자 크기조절 및 첨가제 도입 등의 방법을 통해 가역성을 100%까지 향상시켜 스마트윈도우의 성능과 내구성을 확보할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

태양광연구단 홍성준 박사는 “이번 연구는 고성능 스마트윈도우 개발을 위한 분자설계 원리를 제공할 뿐 아니라 개발된 분광학 방법을 적용해 OLED, 태양전지 등의 성능 향상에 핵심적인 요인을 밝혀낼 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.

한편 이번 기술개발을 통해 1건의 기술이전과 기술출자를 통해 연구소 기업인 네스포유도 설립했다. 네스포유는 자체 보유한 ‘전기변색 기술’과 에너지기술연구원으로부터 이전 받은 ‘광감응 자동 색변환 기술’을 조합해 고글 등 스포츠 용품에 적용할 수 있는 제품 개발을 진행하고 있다. 더불어 대면적 광변색 창문 및 필름을 개발해 대형 상업용 건물 및 자동차용 필름 시장으로 사업을 확대할 계획이다.

채덕종 기자 yesman@e2news.com 
 


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