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햇빛도 알아서 척척! 스마트 윈도우 시대 - 똑똑한 창문, 에너지 절감을 위한 기능적 대안 -

2015.02.13 10:07

안녕하세요. LG CNS 대학생 기자단 박용준입니다. 


계절과 함께 날씨의 변화에 따라 건물의 창문을 바꾸는 일은 없습니다. 햇볕이 따가운 여름에는 블라인드나 커튼을 설치할 뿐이죠. 그런데 이제는 계절에 따라 투과율을 조절해 채도나 온도를 스스로 조절해 바뀌는 창문이 등장했다고 하는데요. 바로 스마트 윈도우입니다. 스마트 윈도우는 에너지 절감 효과와 친환경 재료를 사용해 기존 유리의 특성을 변화시킨 신소재로 주목받고 있는데요. 이제는 창문도 똑똑해지는 시대가 온 것입니다.

 

<스마트 윈도우의 모습 (출처: http://www.kurzweilai.net, Lawrence Berkeley National Laboratory)>

 

스마트 윈도우의 개념은 용도에 따라 다양하게 정의할 수 있습니다. 그 사용처가 자동차인지 실내 인테리어에 따라 다른 것인데요. 일반적으로 스마트 윈도우는 전압이 걸리면 빛의 투과성을 변화시킬 수 있는 유리창을 말하며, 버튼만 누르면 투명 상태가 불투명하게 되거나 합니다. 즉, 바깥 온도가 올라가면 색이 짙어지고, 온도가 내려가면 투명해져 태양열 흡수율을 스스로 조절하는 것이 가장 대표적 기능입니다. 이런 계절별 채광 조절로 에너지를 절약할 수 있습니다. 


 <일반 창문(좌)과 스마트 윈도우(우) (출처: http://www.kurzweilai.net, Berkeley Lab)>

 

스마트 윈도우는 대두하는 환경 문제와 효율적인 자원 사용에 적합한 제품입니다. 낮은 에너지 소비와 외부 환경에 대응하여 수집 및 저장기술로 유한한 에너지 자원에 대한 경제적인 가치를 높이는 것입니다. 그래서 스마트 윈도우는 건축, 산업, 교통분야 등에서 다양하게 응용할 수 있는 기능적인 대안으로 주목 받는 것인데요. 스마트 윈도우는 또한 그 자체로 안전하고 쾌적한 주거 및 도시환경을 구축하여 사용자에게 다양한 방면으로 편의를 제공합니다.

 

스마트 윈도우의 핵심 원리는 태양광의 투과율을 자유롭게 조절할 수 있는 물질을 윈도우에 삽입해 필름을 장착하는 것에 있습니다. 이 물질이 바로 태양광의 투과율을 자유롭게 조절해 주는 것이죠. 스마트 윈도우는 색 자체의 전환 속도가 아주 빨라서 이미 다양한 분야에서 활용되고 있는데요. 고속도로나 경기장 등 많은 사람이 모인 곳에서는 대형 정보 표시판으로 활용되기도 합니다. 상품 판매 매장에서는 매장의 벽을 투명하게 유지해 내부를 공개하고, 폐점 후에는 불투명하게 바꿔 내부가 보이지 않게 이용하기도 합니다. 


스마트 윈도우를 자동차 선루프로 활용할 경우, 가시광선을 최대 40%까지 차단하기 때문에 운전자의 피부와 시력을 보호할 수도 있습니다. 뿐만 아니라, 자외선을 99% 이상 차단하기 때문에 커튼이나 블라인드를 완전히 대체할 수 있고, 덕분에 태양광 노출에 따른 가구나 섬유 제품의 변색도 크게 줄일 수 있게 됩니다. 독일의 메르세데스-벤츠는 몇몇 차종에 스마트 윈도우를 ‘매직 스카이 컨트롤’이라는 이름으로 색상이 변하는 파노라마 선루프를 적용해 스마트 윈도우를 상용화했습니다.


 <메르세데스-벤츠의 ‘매직 스카이 컨트롤’>


이처럼, 스마트 윈도우는 이미 다양한 분야에서 활용되고 있고, 그 발전 가능성 역시 무궁무진합니다. 효율적으로 에너지를 가능하고, 제품의 디스플레이로서 활용성이 높다는 것은 이러한 전망을 더욱 긍정적으로 평가하는 이유입니다.

글로벌인포메이션에서는 2013년 나노마켓(NanoMarkets)에서 발간한 보고서에 대해 언급하며, 스마트 윈도우는 이미 10억 달러를 웃도는 시장을 형성했다고 했습니다. 또한, 2018년까지 그 규모를 27억 달러 규모로 증대될 것으로 예상하였습니다. 스마트 윈도우 시장은 주로 해외에서 형성되고 있지만, 국내에서도 스마트 윈도우 기술 개발이 진행되고 있습니다.


1) 스마트 윈도우의 국내 사례

먼저 국내 사례를 살펴볼까요? 지난 2002년 국내의 유리제조업체 SDPI는 미국 RFI로부터 분극 입자 제조 원천 기술을 도입해 대형 스마트 윈도우 제조 기술을 독자 개발하였습니다. 이를 통해, 미국 항공기 업체에 제품을 공급하였죠. 2008년에는 카이스트와 삼성SDI 중앙연구소가 햇빛을 흡수해 전기를 만들 뿐만 아니라, 유리창의 색깔과 명암을 조절하는 스마트 윈도우를 개발하기도 했습니다. 


2012년에는 성균관대학교 나노과학기술원과 한국전자부품연구원이 함께 계절과 날씨에 따라 햇빛 투과율을 스스로 조절하는 스마트 윈도우 기술을 개발해 상용화하고 있습니다. 이 스마트 윈도우는 제조공정이 복잡하지 않기 때문에 경제성을 갖추고 있습니다. 인공적인 조작이 아닌 외부 상황에 맞게 변화하고, 장기적으로도 안정적으로 사용할 수 있다는 점에서 세계적으로 많은 관심을 받았습니다. 


최근 2014년 10월에는 한국과학기술연구원 광전융합시스템연구단(KIST)이 영국과의 국제 공동연구를 통해 스마트 윈도우를 개발한 사례가 있습니다. 연구팀에서는 우선 자외선 유무에 따라 자동적으로 가시광선 영역의 빛을 개방•차폐할 수 있는 소재를 개발하였는데요. 이를 창호형 태양전지와 결합해 다기능 태양전지 일체형 스마트 윈도우를 탄생시켰습니다. 


현재 판매되고 있는 스마트 윈도우 기술은 태양빛을 개방 • 차폐하는 기능은 있지만, 장치를 작동하기 위한 추가의 전원이 필요하거나 사용자가 장치를 동작시켜야만 했습니다. 그런데 새롭게 개발된 ‘일체형 스마트 윈도우’는 추가적인 외부 전원이나 사용자의 조작 없이 자외선에 반응합니다. 즉, 스스로 작동하면서 효율성을 높이는 것인데요. 또한, 추가 전력생산도 가능하다는 점도 이 제품이 주목받는 이유입니다.


<자외선에 반응하는 스마트 윈도우 (출처: http://www.kist.re.kr)>

 

<태양전지와 결합한 스마트 윈도우 (출처: http://www.kist.re.kr)>


2) 스마트 윈도우의 해외사례

해외에서는 여기에 다 소개하기 어려운 만큼 기술적인 연구가 활발하게 진행 중인데요. 몇 가지 기업 사례를 소개해 드리겠습니다. 캘리포니아에 기반을 둔 밀피타스(Milpitas)는 집주인이나 사무실 거주자가 빛이나 열을 흡수, 반사하는 정도를 조절할 수 있는 창문을 개발했습니다. 이 창문은 통과하는 태양빛이나 열을 조절하기 위해 유리 두 판 사이에 전도층을 만드는 박막 침적 공정을 사용했는데요. 유리 두 판 사이에 이온 저장층, 전해질 및 전기크롬 층으로 샌드위치 구조를 한 두 개의 투명한 전도성 산화 필름을 포함하고 있습니다. 


이 창문의 원리는 낮은 전압을 전도성 산화물에 적용하면 저장층으로부터 이온들이 방출되고 전해질 층을 거쳐 전기크롬 층에서 만나게 되는데, 충돌은 전기크롬 재료들이 빛을 흡수하거나 반사하게 합니다. 여기에 전압을 반대로 걸면 이온이 저장층으로 다시 돌아오게 되고 창문은 밝아져 보다 많은 빛이 통과하게 되는 방식입니다. 


<빛의 세기와 위치를 자동으로 파악하는 ‘뷰 다이내믹 글래스’ (출처: http://www.viewglass.com)>


비슷한 사례도 있는데요. 창호 전문 회사 뷰(view)는 ‘뷰 다이내믹 글래스’라는 스마트 윈도우입니다. 이 제품은 햇빛의 투과를 자동으로 조절할 수 있는 센서와 전자회로, 전자물질로 만든 얇은 레이어 층을 포함해 구성되었습니다. 이 제품이 놀라운 것은 햇빛의 세기와 태양의 위치를 전자회로를 이용해 스스로 파악해 자동으로 빛을 조절한다는 것입니다. 여기에 더불어 스마트폰에서 전용 앱을 통해서도 빛의 세기를 조절할 수 있습니다.  

<스마트 폰에서 스마트 윈도우의 빛의 세기 조절을 지원 (출처: http://www.viewglass.com)>

 

앞서 소개해드린 스마트 윈도우의 사례를 보면 놀라운 일이 벌어지고 있다는 생각이 듭니다. 그런데 이상한 것은 스마트 윈도우가 실제로 설치된 곳을 발견할 수 없다는 것인데요. 스마트 윈도우가 시장에 안착하는 데 가장 큰 걸림돌은 가격입니다. 스마트 윈도우 기술을 워낙 복잡하고, 이를 구현하기 까다롭습니다. 가격이 비싼 것은 오히려 자연스러운 일인데요. 기술적으로도 태양광 투과율을 자유자재로 조절하는 스마트 윈도우를 상용화 단계에 이르지 못했고, 제조도 쉽지 않은 실정입니다. 또한 현재 구현 가능한 색상이나 내구성 문제 등 해결해야 할 문제가 많습니다.


그렇다고 스마트 윈도우의 가치를 무시할 수 없습니다. 에너지 효율이 높을 뿐 아니라 미적, 기능적으로 건설, 제조분야에서 활용성이 높기 때문입니다. 스마트 윈도우는 유리와 창문 제조업에서는 새로운 성장 기반을 제공할 수 있습니다. 단순한 유리가 아니라 스마트폰, PC, TV 등 최첨단 디스플레이로 발전할 가능성이 높기 때문입니다. 영화 <마이너리티 리포트>에는 데이터가 나열되어 보이는 투명한 유리가 등장하죠. 가상현실 기술과 스마트 윈도우가 최첨단 디스플레이와 만나 영화 속 장면도 우리의 일상이 될 수 있습니다.


21세기 들어 가장한 중요한 이슈 중 하나는 에너지 고갈이었습니다. 이로 인해 에너지 절감, 에너지 수집 및 저장기술에 대한 관심도 증가되고 있는 것이죠. 이러한 관점에서 외부환경에 대응하여 빛의 투과도가 조절되는 스마트 윈도우는 에너지의 경제적인 측면에서 기능적 대안이 될 것입니다. 오랜 기간 틈새시장으로 여겨져 온 스마트 윈도우 시장이 최근 에너지 절약에 대한 의식고취와 더불어 전 세계적인 발전 양상을 보이고 있습니다. 우리나라에서도 독자적인 신기술이 지속적으로 확대 개발되어 세계 시장에서 우위를 가질 수 있기를 기대합니다.



Posted by IT로 만드는 새로운 미래를 열어갑니다 LG CNS

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  1. 이승빈 2015.03.29 10:38  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    잘보고 갑니다.
    기술의 발전이 정말 하루가 다르게 진행되고 있네요.!

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