홍정욱(왼쪽) 교수, 전석우(오른쪽) 교수 공동연구팀.[KAIST 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 국내 연구진이 기존 창호시스템을 교체하지 않고서도 투과율을 큰 폭으로 자유롭게 조절, 에너지를 절감할 수 있는 스마트윈도우 광학필름 제작기술을 개발했다.

한국과학기술원(KAIST)은 신소재공학과 전석우 교수와 건설및환경공학과 홍정욱 교수·신소재공학과 신종화 교수 공동연구팀이 3차원 나노 복합체를 이용, 에너지의 효율적인 신축변형을 통해 세계 최고 수준의 가시광 투과율 조절이 가능한 능동형 광학 필름을 개발하는데 성공했다고 14일 밝혔다.

최근 제로 에너지 빌딩, 스마트 윈도우를 위한 능동형 광학 변조기술이 주목받고 있다.

에너지 효율적인 신축 변형을 이용한 광학 변조 기술은 비교적 간단한 구동 원리와 낮은 에너지 소비로 효율적으로 투과율을 제어할 수 있는 장점을 지녀 그동안 학계 및 관련 업계에서 집중적인 관심을 받아왔다. 하지만 기존 연구에서 보고된 광 산란 제어를 유도하는 구조는 대부분 광학 밀도가 낮은 2차원 표면 구조에 기반하기 때문에 좁은 투과율 변화 범위를 갖고, 물 등 외부 매질과 인접할 때 광학 변조기능을 잃는 문제를 가지고 있다. 특히 비 정렬 구조에 바탕을 두고 있어 광학 변조 특성이 균일하지 못해서 넓은 면적으로 구현이 어렵다.

연구팀은 정렬된 3차원 나노구조 제작에 효과적인 근접장 나노패터닝 기술과 산화물 증착을 정교하게 제어할 수 있는 원자층 증착법을 활용했다. 이를 통해 신축성 3차원 나노복합체 필름을 현존하는 광학 변조 필름 중 가장 큰 면적인 3인치×3인치 크기로 제작하는 데 성공했다.

(a) 광학 필름을 이용한 외부 조도 환경에 스스로 반응하는 에너지 절감형 스마트 윈도우 동작 예시. (b, c) 빔 프로젝터용 월페이퍼 타입 스크린 응용 예시. (b) 인장(당겨 늘리기) 전 광학 필름의 투명 상태, (c) 인장(당겨 늘리기) 후 불투명 상태에서의 빔프로젝터 스크린 응용.[KAIST 제공]

광학 필름을 약 60% 범위에서 당겨 늘리는 경우, 산화물과 탄성중합체의 경계면에서 발생하는 수없이 많고 작은 구멍에서 빛의 산란 현상이 발생하는데 연구진은 이를 이용해 세계 최고 수준의 가시광 투과율 조절 범위인 약 74%를 달성했다. 동시에 10,000회에 걸친 반복적인 구동 시험과 굽힘과 뒤틀림 등 거친 변형, 70℃ 이내 고온 환경에서의 구동, 물속에서의 구동 특성 등을 확인한 결과 높은 내구성과 안정성을 확인했다. 이와 함께 재료역학적‧광학적 이론 해석을 바탕으로 경계면에서 발생하는 광 산란 현상 메커니즘도 규명하는 데 성공했다.

전석우 교수는 “이번에 개발한 이 기술은 기존 창호 시스템 교체 없이도, 간단한 얇은 필름 형태로 유리 표면에 부착함으로써 투과율 조절이 가능한 에너지 절감형 스마트 윈도우로 활용이 가능하다”라고 말했다.

이번 연구성과는 재료 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 사이언스’ 4월 26일자 온라인판에 게재됐다.

nbgkoo@heraldcorp.com