생기원, 외부 기온 따라 실내 온도 조절 '스마트 윈도우' 기술 개발

▲개발한 스마트 윈도우 필름 시제품을 점검하고 있는 김대업 박사 (한국생산기술연구원 제공)

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

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

한국생산기술연구원이 외부 기온 변화에 따라 태양광 적외선의 투과율을 스스로 조절해 쾌적한 실내온도를 유지해줄 수 있는 '스마트 윈도우' 제조기술을 개발했다고 13일 밝혔다.

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.

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.

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

반면 개발된 스마트 윈도우는 기온 변화에 자동 반응하는 소재 특성상 별도의 외부 전원과 전력 구동 회로가 필요 없어 제작비용이 저렴하다. 또한 창호뿐만 아니라 유리창에 덧붙이는 필름 형태의 플렉시블(Flexible) 제품도 생산 가능해 사용자가 쉽고 간편하게 시공할 수 있다.

▲스마트 윈도우 필름 시제품을 제작하고 있는 생기원 전북본부 소속 연구원 (한국생산기술연구원 제공)

현재 50㎝x50㎝ 크기의 필름 개발을 완료한 상태다. 향후 1mx1m 크기의 대면적 필름을 고속 생산에 유리한 롤투롤(Roll-to-roll) 공정*을 통해 저렴하게 양산할 수 있을 것으로 예상된다.

기술개발 핵심은 유리 또는 필름 기판 위에 VO2 박막을 코팅하는 공정에 세계 최초로 인쇄전자분야에서 주로 활용돼왔던 백색광 저온소결 공정을 적용시켰다는 데 있다. 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.

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. 이 공정을 통해 기존 열처리 공정 대비 소결시간을 1/10000 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”며 “현재 상품성을 높이기 위해 소비자들이 선호하는 푸른색 계열의 필름 색상 개발에 주력하고 있으며 향후 자동차나 온실, 옥외 디스플레이용 필름까지 응용분야를 확대할 예정”이라고 말했다.

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. 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.