제로에너지건축물 필수 조건 '스마트 윈도우'의 성능 향상 및 내구성 확보 기대
스마트 윈도우 필름/한국에너지기술연구원 제공
한국에너지기술연구원은 고려대학교 IBS 분자 분광학 및 동력학 연구단, 군산대학교와 공동으로 창문의 색을 변화시켜 햇빛의 가시광선과 적외선의 투과도를 조절하는 '스마트 윈도우' 성능과 내구성을 향상시킬 수 있는 반응원리를 규명했다.
연구팀은 ‘Operando Raman’ 분석법을 통해 광감응 자동 색변환 스마트 윈도우 디바이스 내에서 이온의 이동과정과 그에 따른 변색층의 상변화에 대한 반응원리를 찾아냈다.
‘Operando Raman 분석법’은 실제 구동 중인 전체 소자에서 발생하는 현상을 분석하는 방법이다.
스마트 윈도우는 외부에서 유입되는 빛의 투과도를 자유롭게 조절해 에너지 손실을 줄이고 소비자에게는 쾌적한 환경을 제공할 수 있는 제어 기술이다.
수송, 정보 디스플레이, 건축 등 다양한 산업 분야에 공통적으로 적용되고 있다.
건축물에너지 절감과 온실가스 감축에 획기적인 기여가 가능한 제로에너지 건축물에는 필수적인 요소다.
창문의 색을 변화시켜 햇빛의 가시광선과 적외선의 투과도를 조절해야 하기 때문이다.
연구팀이 개발한 '광감응 자동 색 변환 스마트 윈도우 기술'은 태양전지 기술과 전기변색 기술을 융합한 것이다.
소자 내에 광흡수층을 포함하고 있어 별도의 전원공급 필요성과 비용문제를 동시에 해결한 차세대 기술이다.
변색 전(왼쪽)과 후의 스마트윈도/한국에너지기술연구원 제공
장치 내 변색 물질에서의 리튬 이온의 삽입과 탈착 과정은 스마트윈도의 작동 속도와 효율성을 결정하는 핵심 단계이지만 아직까지 정확하게 어떤 원리를 통해 반응하는지는 밝혀내지 못했다.
태양광연구단 홍성준 박사팀은 착색과 탈색 과정 중 변화를 실시간으로 관찰해, 변색에 중요한 역할을 하는 리튬 이온이 텅스텐산화물의 특정 자리로 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.
스마트윈도에 사용된 육방정계 텅스텐산화물의 경우 90% 이상의 우수한 가역성을 보이는 것으로 확인됐다.
이번 연구로 텅스텐 산화물의 형상 및 입자 크기 조절, 첨가제 도입 등의 방법을 통해 가역성을 100%까지 향상시켜, 스마트윈도우의 성능 및 내구성을 확보할 수 있을 것으로 기대되고 있다.
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 관찰해 성능 향상에 핵심적인 요인을 밝히는 데 중요한 역할을 할 것"이라고 밝혔다.
한편 지난 2020년부터 제로에너지빌딩 의무화가 연면적 1,000㎡ 이상의 공공건축물에 적용되고 있다.
홍성준 박사/한국에너지기술연구원 제공
2025년부터는 500㎡ 이상 공공건축물과 1,000㎡ 이상의 민간 건축물로 확대되고, 2030년부터는 500㎡ 이상의 모든 건축물에 적용된다.
정부가 2050년 탄소 중립 달성을 천명하고 이를 달성하기 위해서는 건물 에너지 효율성을 높여야 하기 때문이다.
연구결과는 재료과학 분야 국제학술지 나노 에너지(Nano Energy) 1월 20일 자로 실렸다.
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