국내연구진이 스마트 윈도우 성능과 내구성을 향상시킬 수 있는 반응원리를 규명하는 데 성공했다.
한국에너지기술연구원은 18일 광감응 자동 색변환 스마트 윈도우 디바이스 내 이온 이동과정과 그에 따른 변색층 상변화 반응원리를 세계 최초로 규명했다고 밝혔다.
스마트 윈도우는 외부에서 유입되는 빛 투과도를 자유롭게 조절해 에너지 손실을 줄이고 소비자에게는 쾌적한 환경을 제공하는 제어 기술이다.
연구를 주도한 태양광연구단 홍성준 박사 연구진은 착색과 탈색 과정 중 변화를 실시간으로 관찰해 변색에 중요한 역할을 하는 텅스텐산화물의 특정 자리로 리튬 이온이 이동하는 원리를 밝혀냈다.
스마트윈도우의 대표적인 기술인 전기변색소자의 경우 변색에 중요한 역할을 하는 물질은 텅스텐산화물이 대표적이다. 텅스텐산화물은 텅스텐 원자를 중심으로 팔면체의 꼭지점이 산소원자로 구성된 단위체가 팔면체의 꼭지점을 공유해 육방정계 결정구조를 형성한다.
창호가 투명한 상태에서 텅스텐산화물의 빈공간 사이사이로 환원 전압을 통해 리튬 이온이 물질에 주입돼 짙은 청색으로 변색(착색 과정)되며, 이를 산화 전압으로 리튬 이온을 다시 추출함으로써 투명한 상태로 돌아온다.
그러나 특정 빈공간 위치에 출입하는 리튬이온의 양과 색변화 정도는 빈공간의 위치에 따라 비례적인 것과 비례적이지 않은 곳이 존재하며 일반적으로 비례적인 특성을 보이는 빈공간 위치가 리튬이온의 출입 가역성이 우수한 것으로 알려져 있다.
연구진이 개발한 광감응 자동 색변환 스마트윈도우는 외부 전압이 아닌 내부에 포함된 광감응 층에 의해 생성된 전력이 텅스텐산화물의 변색을 유도한다.
연구 결과 광감응 자동 색변환 스마트윈도우에 사용된 육방정계 텅스텐산화물의 경우 90% 이상의 우수한 가역성을 보이는 것으로 확인했다.
이번 연구를 바탕으로 연구진은 향후 텅스텐 산화물의 형상 및 입자 크기 조절 그리고 첨가제 도입 등의 방법을 통해 가역성을 100%까지 향상시켜 스마트윈도우의 성능 및 내구성을 확보할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
태양광연구단 홍성준 박사는 “이번 연구 결과는 고성능 스마트 윈도우 개발을 위한 분자 설계 원리를 제공할 뿐만 아니라, 개발된 operando 분광학 방법을 적용해 OLED, 태양전지 등의 광전소자 내 핵심 분자의 거동을 작동 환경에서 관찰하여 성능 향상에 핵심적인 요인을 밝혀낼 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.
