KITECH

- 태양광 적외선의 투과율을 자동 조절해 냉난방 에너지 30% 절감

- 외부 전원 필요 없고 대면적 필름 형태로 양산 가능해 상용화 유리

□ 전 세계 에너지 사용량의 약 41%는 건물 냉난방에 사용되고 있으며, 그 중 45% 가량의 에너지가 외부로 노출된 유리창을 통해 손실된다.

ㅇ 특히 최근 유리창이 건물 외곽의 대부분을 차지하는 커튼월(Curtain Wall) 구조의 고층 건물들이 늘어나면서 에너지 손실을 줄이기 위한 방안으로 ‘스마트 윈도우(Smart Window)’가 주목받고 있다.

ㅇ 스마트 윈도우란 실내로 들어오는 태양광선을 차단하거나 그 투과율을 제어함으로서 에너지 손실을 줄이고 냉난방 효율을 향상시켜주는 기능성 창호이다.

□ 한국생산기술연구원(원장 이낙규, 이하 생기원)이 외부 기온 변화에 따라 태양광 적외선의 투과율을 스스로 조절해 쾌적한 실내온도를 유지해줄 수 있는 스마트 윈도우 제조기술을 개발했다.

ㅇ 개발된 스마트 원도우는 특정 온도에서 가시광선은 투과시키지만 적외선을 차단하는 특성을 지닌 열변색 소재 ‘이산화바나듐(이하 VO2)’을 사용해 외부 기온이 일정수준 이상 상승할 경우 적외선 투과를 자동 제어한다.

ㅇ 특히 여름철 고온에서는 적외선을 70% 가량 차단시켜 냉방 효율을 향상시켜주는 반면 겨울철 상온에서는 적외선을 최대한 받아들여 보온 효과를 냄으로써 적정 실내온도 유지에 필요한 에너지 소비를 일반 창호보다 30% 가량 절감시켜준다.

□ 개발을 주도한 생기원 탄소소재응용연구그룹 김대업 박사 연구팀은 스마트 윈도우 제작비용 감소와 설치 편의성 증대에 초점을 두고 2016년부터 자체 연구비로 개발에 착수해 4년 만에 성과를 냈다.

ㅇ 기존 전기변색 방식의 스마트 윈도우의 경우 전력 구동 회로가 복잡해 공정비용이 높고 설치 시 전기 배선 작업이 필요하다는 단점으로 인해 그동안 상용화에 어려움을 겪어왔다.

ㅇ 반면 개발된 스마트 윈도우는 기온 변화에 자동 반응하는 소재 특성상 별도의 외부 전원과 전력 구동 회로가 필요 없어 제작비용이 저렴하다.

ㅇ 또한 창호뿐만 아니라 유리창에 덧붙이는 필름 형태의 플렉시블(Flexible) 제품도 생산 가능해 사용자가 쉽고 간편하게 시공할 수 있다.

ㅇ 현재 50㎝ x 50㎝ 크기의 필름 개발을 완료한 상태이며, 향후 1m x 1m 크기의 대면적 필름을 고속 생산에 유리한 롤투롤(Roll-to-roll) 공정*을 통해 저렴하게 양산할 수 있을 것으로 예상된다.

* 필름, 동박 등 얇은 소재를 회전 롤에 감으면서 소정의 물질을 도포해 새로운 기능을 부가하는 공정

□ 이번 기술개발의 핵심은 유리 또는 필름 기판 위에 VO2 박막을 코팅하는 공정에 세계 최초로 인쇄전자* 분야에서 주로 활용돼왔던 백색광 저온소결 공정을 적용시켰다는 데 있다.

* 원하는 전자회로 부분을 기판이나 필름 등에 전도성 전자잉크로 인쇄하듯이 제조하는 기술

ㅇ 기존 VO2 박막은 68℃ 수준에서 적외선을 반사하는 특성을 보여 이보다 온도가 낮은 상온에서는 스마트 윈도우 소재로 활용하기 어렵고, 결정성이 낮아 반사 효율도 떨어진다는 한계가 있었다.

ㅇ 연구팀은 VO2 소재에 도핑물질을 첨가해 적외선 반사 온도를 23℃ 수준까지 낮췄으며, 이 소재로 만든 용액을 코팅해 박막을 만들고 40℃ ~ 60℃ 사이의 저온 영역에서 제논램프(Xenon lamp)*의 광에너지로 VO2 나노입자를 소결, 결정성을 높임으로써 적외선 반사효율을 향상시키는 데 성공했다.

* 고압 제논 가스가 이온화를 통해 전기를 인가시켜 빛을 생성하는 백색 전등

ㅇ 이 공정을 통해 기존 열처리 공정 대비 소결시간을 1/10,000 수준 이하로 단축시켰고 제조비용도 약 40% 이상 절감해 상용화 가능성을 높였다.

□ 김대업 박사는 “적외선 램프를 활용한 시제품 비교 평가 결과 스마트 윈도우 필름 부착 여부에 따라 실내 온도차가 13℃ 가량 발생했다.”고 밝히며, “현재 상품성을 높이기 위해 소비자들이 선호하는 푸른색 계열의 필름 색상 개발에 주력하고 있으며 향후 자동차나 온실, 옥외 디스플레이용 필름까지 응용분야를 확대할 예정”이라고 말했다.

ㅇ 한편 연구팀은 국내 특허 9건과 해외 특허 3건을 출원해 우수특허 1건을 포함한 국내 특허 4건이 등록되고, 게재된 SCI 논문 10편 중 4편이 우수논문에 포함되는 실적을 냈다.

ㅇ 또한 2019년 12월 액정 필름 제조 전문기업 ㈜큐시스와 기술이전 계약을 체결해 건축 창호용 필름 양산을 준비 중이며, 현재 다른 전문기업 2곳과 추가 기술이전을 협의하고 있다.