기획기사

한국에너지기술연구원 기획기사

햇빛 강도에 따라 자동으로 변색되는 똑똑한 '스마트 윈도우'

  • 작성일 2020.04.14
  • 조회수 13294


[앵커]
햇빛이 강하게 들어올 때 블라인드나 커튼을 쳐 이를 막곤 하죠. 창문이 스스로 투과율을 조절해 빛을 차단한다면 어떨까요?

오늘 '과학돋보기'에서는 '스마트 윈도우'에 대해 알아보도록 하겠습니다. 한국에너지기술연구원 태양광연구단 한치환 박사와 함께합니다. 어서 오세요.

이번에 한국에너지기술연구원에서 스마트 윈도우를 개발하셨다고 들었습니다. 햇빛 강도에 따라서 자동으로 창문의 색깔을 조절하는 것으로 알려져 있는데 이런 '스마트 윈도우'를 개발한 이유가 있다면 뭘까요?

[인터뷰]
사무실에 있을 때 햇빛이 강한 날은 유리창으로 들어오는 빛 때문에 눈이 부시기도 하고, 컴퓨터 화면도 잘 보이지 않을 때가 있습니다. 그래서 블라인드를 치게 되는데요. 손으로 일일이 쳤다 거뒀다를 반복해야 해서 불편함이 있습니다. 이런 불편을 해소하기 위해서 햇빛이 강한 날은 자동으로 색이 변해 햇빛이 들어오는 것을 차단해주고, 밤이 되면 다시 투명해져 밖이 잘 보이는 스마트 윈도우를 개발하게 되었습니다.

저희가 개발한 스마트 윈도우는 색이 변하는 기능 외에도 적외선 차단 기능을 가지고 있어 여름철 냉방비용을 줄일 수 있는데요. 적외선을 95% 이상 차단하기 때문에 냉방에너지를 16% 정도 줄일 수 있는 것으로 파악되었습니다. 이는 고기능성 단열 창호보다 5% 정도 에너지 절약 효과가 좋은 것입니다.

[앵커]
5% 나요? 그러니까 마치 자동차의 선팅을 한 것처럼 그런 변색 효과를 낼 수 있는 것은 물론, 적외선 차단과 에너지 절약 효과까지 낼 수 있다, 설명해 주셨는데요. 그런데 기존에도 이런 전기 변색 창문이 있는 것으로 알고 있거든요. '스마트 윈도우'는 어떤 차이가 있나요?

[인터뷰]
네, 기존 전기변색 스마트 윈도우 제품은 전기를 가하면 색이 변해 햇빛의 투과도를 낮추는 제품입니다. 이미 미국과 독일에서 기술개발에 성공하여 제품을 출시하였는데요. 그런데 이런 전기 변색 스마트 윈도우의 경우에 투명 전도성 기판을 사용하기 때문에 가격이 비쌉니다. 또 전기를 필요로 하기 때문에 컨트롤러 등이 필요하고 전기배선을 창문까지 연결하는 시공 등의 어려움이 있습니다.

그래서 저희는 일반적인 건물에는 거의 적용되지 못하고 있으며, 고가의 신축 건물에만 적용되고 있는데요. 그래서 저희가 개발한 스마트 윈도우는 태양전지 기술과 전기 변색 기술이 융합돼 기존 전기 변색 기술의 단점인 높은 생산단가와 별도의 전원공급 장치 문제를 동시에 해결할 수 있었습니다. 소자 내에 광 흡수층을 포함하고 있어 햇빛을 받으면 소자 내부에서 자동으로 전력이 생성되기 때문에 별도의 전원공급장치가 필요하지 않고요.

햇빛이 강하면 더 많은 전력이 생성돼 전기 변색 소자를 짙은 색으로 변하게 하고, 햇빛이 약하면 전력이 적게 생성돼 창문의 색을 약하게 변하게 하는 것이죠. 또, 제품을 생산할 때 고가의 전도성 유리를 사용하지 않기 때문에 제품의 가격 또한 낮출 수 있습니다.

[앵커]
그러니까 유리창 스스로 태양광 발전하면서 투과율도 스스로 조절한다는 말씀이시군요. 그런데 이 소자 내에 광 흡수층을 넣는 기술을 실현하기 어려웠을 것 같은데 개발하시는 과정에서 어려움은 없었는지 듣고 싶습니다.

[인터뷰]
연구 초기에는 태양전지와 전기 변색을 각각 병렬로 제작하는 연구를 진행했었는데요. 관련 기업에서는 이렇게 개발할 경우 제조단가가 높아서 상용화 가능성이 거의 없다고 그런 우려를 했습니다. 그래서 어떻게 하면 태양전지와 전기 변색을 하나의 소자 안에 융합할까 고민을 했고, 그 결과 태양전지로 사용되는 광 흡수층을 전기 변색 소자 안에 하나의 융합된 소자로 넣어 개발할 수 있게 되었습니다.

[앵커]
그러면 단점도 어느 정도 있었을 것 같은데 어떤가요?

[인터뷰]
네, 초기에 개발한 것들은 햇빛에 의해 착색이 잘 되지만, 햇빛이 없어졌을 때도 바로 탈색이 되지 않는 단점을 가지고 있었는데요. 이러한 단점을 해결하기 위해 변색물질에 촉매를 섞어서 되돌아오는 반응의 속도를 증가시켰습니다. 현재는 햇빛에 의하여 3분 안에 착색이 되고 햇빛이 없어지면 30분 안에 초기 투과도의 90%까지 되돌아오는 기술을 개발한 상태입니다. 이러한 기술을 개발하기 위해 다양한 결정구조를 갖는 환원 변색 나노물질을 합성하거나 물질 도핑, 다양한 촉매를 적용하며 연구해 나갔고요.

그렇게 개발한 소자는 밀봉을 잘하면 1,000회 이상의 반복에도 성능이 유지되고, 85도의 고온에서 1,000시간을 보관한 이후에도 작동이 잘 되는 것을 확인할 수 있었습니다. 현재 저희 기술을 도입한 회사에서 시작품을 만들고 있으며, 올해 안에 이 시작품을 실증 테스트할 예정입니다. 실증 테스트 결과 장기 안정성이 확보되면 제품화를 추진할 수 있습니다.

[앵커]
또 최근에는 이 기술을 적용해서 유리창에 붙이는 필름 형태로도 개발하는 데 성공했다고 들었는데요. 필름 화를 하게 되면 또 다른 장점이 있다고요?

[인터뷰]
유리 형태의 제품을 만들면 유리 한 장 한 장에 재료를 코팅해서 제품을 만들어야 하기 때문에 제조단가가 비싸고 유리가 무거워서 유통할 때 물류비용도 많이 듭니다. 필름으로 만들게 되면 롤투롤 장비를 이용해서 연속적으로 제품의 제조가 가능하기 때문에 제조단가를 낮출 수 있고요. 가벼워서 물류비용도 적게 드는데요. 그래서 저희는 필름 형태로 만드는 기술을 개발해서 진행했고, 최근에 기업과 협력으로 필름형 시작품도 제작하는 데 성공했습니다.

필름형 제품화에 성공하게 되면 유리창이나 투명필름이 있는 거의 모든 시장에 적용 가능한 장점이 있습니다. 예를 들면 비행기나 선박, 기차 등의 수송 분야에 적용이 가능하고요. 헬멧이나 스포츠 고글은 물론 온실이나 비닐하우스와 같은 곳에도 적용할 수 있게 됩니다.

[앵커]
온실이나 비닐하우스요? 그러면 농업에도 상당히 도움이 될 것 같은데 어떻게 보시나요?

[인터뷰]
네, 그렇습니다. 비닐하우스나 온실의 경우에 겨울철에는 최대한 햇빛을 많이 받아 실내 온도를 높이는 것이 중요하지만, 여름철에는 과하게 온도가 올라가서 문제가 될 수 있습니다. 이럴 때 적외선을 차단할 수 있다면 고온으로 인한 작물의 피해를 줄일 수 있을 텐데요.

스마트 윈도우에 상변환 물질을 적용해 특정 온도 이상이 되어야 작동할 수 있도록 만든다면, 겨울에는 투명하고, 여름에는 햇빛을 조절할 수 있는 형태로 만들 수가 있습니다. 그럼 비닐하우스나 온실에 적용되어서 미래 유망기술인 스마트 팜에 적용이 가능할 것으로 예상하고 있습니다.

[앵커]
스마트 윈도우가 상용화된다면 정말 다양한 시장에 쓰일 수 있을 것 같은데 앞으로 어떻게 활용되기를 바라는 마음 갖고 계신가요?

[인터뷰]
시청자분들도 느끼시겠지만, 현재 우리 사회 곳곳에서 스마트화 기술이 진행되고 있습니다. 스마트 폰을 시작으로 스마트 자동차, 스마트 빌딩, 스마트 시티 등 보다 큰 개념으로 확대되고 있습니다. 자율 주행 기능이 들어간 자동차가 판매되고 있으며, 스마트 빌딩 및 스마트 시티 시범 사업이 진행되고 있습니다.

저희가 개발한 스마트 윈도우 기술은 스마트 자동차나 스마트 빌딩에 적용되어 사용자에게 안락한 환경을 제공할 수 있을 뿐만 아니라 자동차나 건물의 에너지 효율을 높일 수 있는 기술입니다. 저희 기술이 제품화된다면 저희 연구개발이 세상을 보다 스마트하게 만드는 데 일조할 수 있을 것으로 기대하고 있습니다.

[앵커]
앞으로는 친환경 기술이 산업경쟁력에 핵심이 될 것이라고 하잖아요. 오늘 말씀해주신 스마트 윈도우 기술이 큰 역할을 할 것으로 기대됩니다. 오늘 말씀 잘 들었습니다.


기사원문링크 : https://science.ytn.co.kr/program/program_view.php?s_mcd=0082&key=202004131632173680


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