빛과 열을 맘대로 조절 '스마트 윈도우' 나왔다

[아이뉴스24 정종오 기자] 빛과 열을 내 마음대로 조절할 수 있는 ‘스마트 윈도우’가 나왔다. 냉·난방 에너지를 조절할 수 있고 외부 반사광 억제를 통해 눈부심도 없앴다. 앞으로 건물은 물론 차량, 기차 등에 응용할 수 있을 것으로 기대된다.

전 세계 에너지 소비의 약 40%를 차지하는 건물 부문에서 창호를 통한 열 유입은 냉․난방 에너지 낭비의 주요 원인으로 지적돼왔다. 한국과학기술원(KAIST) 연구팀이 도시 건축물의 냉난방 에너지 절감뿐 아니라 도심 생활 속 꾸준히 제기돼 온 ‘빛 공해’ 문제를 해결할 수 있는 ‘보행자 친화형 스마트 윈도우’기술을 개발했다.

KAIST(총장 이광형)는 생명화학공학과 문홍철 교수 연구팀이 이용자의 의도에 따라 창문을 통해 들어오는 빛과 열을 조절하고 외부로부터의 눈부심까지 효과적으로 상쇄하는 ‘스마트 윈도우 기술’을 개발했다고 17일 발표했다.

최근에는 이용자의 조작에 따라 빛과 열을 자유롭게 조절할 수 있는 ‘능동형 스마트 윈도우’ 기술이 주목받고 있다. 기존의 온도나 빛 변화에 수동적으로 반응하는 창호와 달리 전기 신호를 통해 실시간으로 조절이 가능한 차세대 창호 시스템이다.

연구팀이 개발한 차세대 스마트 윈도우 기술인 RECM(Reversible Electrodeposition and Electrochromic Mirror)은 단일 구조의 전기변색 소자를 기반으로 가시광선(빛)과 근적외선(열)의 투과율을 능동적으로 조절할 수 있는 스마트 윈도우 시스템이다.

기존 금속 증착 방식의 스마트 윈도우에서 문제로 지적돼 온 외부 반사광에 의한 눈부심 현상을 변색 소재를 함께 적용해 효과적으로 억제했다. 건물 외벽에 활용 가능한 ‘보행자 친화형 스마트 윈도우’를 구현했다.

RECM 시스템은 전압 조절에 따라 세 가지 모드로 작동된다.

모드 I(투명 모드)는 일반 유리처럼 빛과 열을 모두 통과시켜 겨울철 햇빛을 실내로 유입시키는 데 적합하다. 난방에 좋은 환경을 만든다.

모드 II(변색 모드)에서는 레독스 반응(산화-환원 반응)을 통해 창이 짙은 파란 색으로 변한다. 이 상태에서는 빛은 흡수되고 열은 일부만 투과돼 프라이버시 확보와 동시에 적절한 실내 온도 조절이 가능하다.

모드 III(변색과 증착 모드)는 은(Ag+)이온이 환원 반응을 통해 전극 표면에 증착돼 빛과 열을 반사하는 동시에 변색 물질이 반사광을 흡수함으로써 외부 보행자의 눈부심까지 효과적으로 차단할 수 있다. 냉방에 효과적이다.

연구팀은 미니어처 모델 하우스를 활용한 실험을 통해 RECM 기술의 실질적 실내 온도 저감 효과를 검증했다. 일반 유리창을 적용한 경우 실내 온도는 45분 만에 58.7℃까지 상승했다. RECM을 모드 III로 작동시킨 결과 31.5℃에 도달해 약 27.2℃의 온도 저감 효과를 나타냈다.

전기 신호만으로 각 상태 전환이 가능해 계절, 시간, 사용 목적에 따라 즉각적으로 대응할 수 있는 능동형 스마트 기술로 평가받고 있다.

이번 연구의 교신저자인 KAIST 문홍철 교수는 “이번 연구는 가시광 조절에 국한된 기존 스마트 윈도우 기술에서 더 나아가 능동적 실내 열 제어는 물론 보행자의 시야 안전까지 종합적으로 고려한 진정한 스마트 윈도우 플랫폼을 제시한 것”이라며, “도심 건물부터 차량, 기차 등 다양한 응용 가능성이 기대된다”고 말했다.

이번 연구 결과(논문명: Glare-Free, Energy-Efficient Smart Windows: A Pedestrian-Friendly System with Dynamically Tunable Light and Heat Regulation)는 에너지 분야 국제 학술지 ‘에이시에스 에너지 레터스(ACS Energy Letters)’ 10권 6호 지에 6월 13일 자로 실렸다.