초록 ▼

스마트윈도우란 외부에서 유입되는 태양광을 조절할 수 있는 창문으로, 실내에 있는 사용자에게 쾌적한 환경이나 사생활 보호를 제공함과 동시에 건물이나 자동차의 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 미래 유망 기술이다. 스마트윈도우 기술은 사용자가 능동적으로 투과도를 조절할 수 있는 액티브형과 외부 환경에 의해서 자동으로 조절되는 패시브형으로 나눌 수 있다.



대표적인 액티브형 스마트윈도우에는 전기변색, 고분자분산액정(Polymer Dispersed Liquid Crystal; PDLC), 매달린 입자 소자

스마트윈도우란 외부에서 유입되는 태양광을 조절할 수 있는 창문으로, 실내에 있는 사용자에게 쾌적한 환경이나 사생활 보호를 제공함과 동시에 건물이나 자동차의 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 미래 유망 기술이다. 스마트윈도우 기술은 사용자가 능동적으로 투과도를 조절할 수 있는 액티브형과 외부 환경에 의해서 자동으로 조절되는 패시브형으로 나눌 수 있다.



대표적인 액티브형 스마트윈도우에는 전기변색, 고분자분산액정(Polymer Dispersed Liquid Crystal; PDLC), 매달린 입자 소자(Suspended Particle Device; SPD) 등이 있다. 전기변색 스마트윈도우 기술은 무기물이나 유기물의 산화 상태에 따라 색이 변하는 물질에 전기를 가하여 투과율을 변화시키는 기술이다. 유기물을 이용한 전기변색 기술은 Gentex사에 의해 1980년대 초반 자동차의 룸미러나 사이드미러에 적용되는 전기변색 스마트거울(Electrochromic Smart Mirror; ECM)로 상용화가 시작되었고, 무기물을 이용한 전기변색 기술은 SageGlass사에 의해 2000년대 초반 전기변색 스마트윈도우 기술로 상용화에 성공하여 근래에는 비행기의 창문이나 자동차의 선루프 등에도 적용되기 시작하였다. 스위치를 켜면 투명했던 유리가 파란색으로 변하면서 투과율을 조절하는 소자로 색이 변할 때만 전기를 쓰기 때문에 전력 소모가 적고, 원하는 투과도 상태를 조절할 수 있는 특징이 있다.



PDLC의 경우는 디스플레이에서 주로 사용하는 액정을 적용하는 기술로, 평상시에는 불규칙하게 정렬되어 있는 액정이 전기를 가하면 일렬로 정렬되는 소자이다. 여러 방향으로 분산되어 있을 경우 불투명하다가 정렬이 되면 투명해지기 때문에 투명과 불투명 상태의 변환이 가능한 스마트윈도우로 일반적으로 제조법이 간단하고, 반응속도가 빠르며, 제조원가가 비교적 저렴한 장점이 있다. 하지만 투명한 상태를 유지하기 위해서는 계속해서 전기를 가해야 하기 때문에 전력 소모가 많고, 마이크론 사이즈 크기의 액정을 사용하기 때문에 투명할 때도 약간 뿌연(헤이즈가 있는) 단점이 있다. 불투명할 때 완전히 시야가 차단되기 때문에 회의실, 드레스 룸, 화장실, 샤워 부스 등에 사생활 보호를 위한 차폐 용도로 많이 사용되고 있다. 최근 국내의 중소기업에서 자동차의 곡률 유리에 적용이 가능한 100µm 이하의 박막 형태 PDLC 개발에 성공하여 상용화를 시작하였다.



SPD의 경우 두 장의 투명전극 기판 사이에 침상 혹은 구형의 착색 입자가 유기용매 또는 겔에 부유해 있는 상태의 소자다. 보통 무작위로 배향되어 있는 분산 입자들에 의해 입사광의 산란 혹은 흡수가 일어나 불투명한 상태에서 전기를 인가하면 유기 분극을 유도하여 빛이 통과하게 된다. 사용 온도 범위가 넓고, 응답속도가 1초 이내로 매우 빠르며 폴리머 필름으로의 제작이 용이한 장점이 있는 반면, 편광 입자의 열화에 의한 짧은 수명과 투명 상태를 유지하기 위한 전력 소모 그리고 비싼 분극 입자의 가격이 단점으로 꼽힌다. 또한 적외선 차단 효과가 미약하여 에너지절감 효과가 없는 단점도 있어 시장에서의 영향력이 크지는 않다.



패시브형 스마트윈도우 기술에는 광변색과 열변색 기술, 그리고 본 코센 리포트에서 소개하는 광전기변색 기술이 있다. 광변색 기술은 1880년대 후반 Markwald가 고체상태에서 자외선에 의한 2,3,4,4-tetrachloronaphthalen-1(4H)-one의 색 변환을 처음 발견하면서 알려지기 시작했고, 2000년대에 들어서 플렉시블한 고분자에 염료를 부착시켜 광에 의한 변색 속도를 향상시키면서 선글라스에 적용되기 시작하였다. 이러한 광변색 기술은 자외선에 의한 화학적 결합의 생성 유무에 따른 구조 변화(Photo-isomerization)에 기인하는 것으로, 가장 큰 단점은 광안정성이 좋지 않은 유기물질을 적용하기 때문에 햇빛에 오랫동안(1,000시간 이상) 노출되면 망가진다는 단점이 있어 건축물이나 자동차에는 쓰이지 못하고 있다.



열변색 기술은 열에 의해 색이 변하는 물질을 적용하는 기술이다. 액정이나 염료를 이용한 다양한 열변색 기술이 연구되고 있지만, 스마트윈도우에 적용될 수 있는 안정성을 가진 물질은 바나듐산화물이 주로 연구되고 있다. 이산화바나듐은 온도가 올라갈 경우 적외선 투과를 차단하여 여름철 실내 온도가 과하게 올라가는 것을 방지하는 파장 선택적 차단 스마트윈도우에 적용하기 위해서 주로 연구되기 시작하였다. 이산화바나듐은 저온에서는 반도체 물질로 대부분의 빛을 투과하지만 온도가 68도 이상 올라가면 상변환에 의해 전도성을 띠며, 이로 인해 반사율이 높아져서 근적외선 영역을 차단하게 된다. 높은 상변환 온도가 상용화에 있어 걸림돌이 되고 있어 많은 연구가 상변환 온도를 낮추는 것에 집중되어 있고, 텅스텐을 도핑하면 전이온도를 낮출 수 있는 것으로 알려져 있으며, 미국과 캐나다의 기업에서 상용화를 추진 중에 있으나 스마트윈도우 시장에 큰 영향을 주지는 못하고 있다.

상대적으로 최근에 개발된 패시브 스마트윈도우 기술인 광전기변색 기술은 태양전지와 전기변색 스마트윈도우를 융합한 소자이다. 전기변색 스마트윈도우는 창문에 적용되어야 하는데 전원이 필요한 단점으로 인해 활성화되지 못하고 있는 상황으로, 이러한 문제를 해결하기 위해서 다양한 태양전지와 스마트윈도우를 결합하는 연구가 1990년대 초반 시작되었고, 미국 National Renewable Energy Laboratory의 B. A. Gregg 박사가 《Nature》지에 염료감응태양전지의 광전극과 전기변색 환원전극을 결합한 형태의 광전기변색 기술을 발표하면서 처음 소개되었다[1]. 광전기변색 기술은 투명한 광전극을 적용하기 때문에 스마트윈도우와 겹쳐 놓을 수 있어 다양한 구조가 가능하며, 외부의 전원이 필요 없고, 광전극이 센서와 동시에 전원 역할을 할 수 있어 상용화 가능성이 매우 높은 기술이다. 본 코센 리포트에서는 최근 광전기변색 스마트윈도우의 기술개발 동향을 살펴보도록 하겠다.