스마트 윈도우 기술 및 시장동향

장 세 홍_ 전자부품연구원 전자소재응용연구센터 수석연구원

1. 들어가며
지구온난화는 20세기 후반 산업 발달에 따라 석유와 석탄 같은 화학연료를 사용하고 농업 발전을 통해 숲이 파괴되면서 온실효과의 영향이 커졌기 때문으로 보고 있으며, 이 현상은 지구생태계에 심각한 유해문제를 유발시키고 있다. 이런 문제 해결을 위해 국제 사회는 92년 유엔환경개발회의(UNCED)에서 기후변화협약(UNFCCC)를 채택하였고 97년에는 교토의정서를 채택하여 온실가스 배출량을 줄이기 위한 노력을 하고 있다.

그림 1. 국가별 미래 CO2 저감 비율1)

이와 같은 국제기구의 규제와 더불어 기술적으로 온난화의 근본적인 문제로 인식되고 있는 이산화탄소와 같은 온실가스의 배출량을 줄이기 위해 신재생에너지 개발, 에너지 절약, 폐기물 재활용 등에 많은 연구가 집중되고 있다. 최근, 유엔 환경 계획(UNEF)에서는 세계 에너지 사용량의 30 ~ 40%가 건축 환경에서 사용되고 있으며, 주로 상업용이나 주거용 건물의 난방, 냉방, 조명, 통풍을 위해 에너지가 사용되고 있음을 지적하고 있다. 특히 주거용의 경우는 전체 소비 에너지 중 난방의 비중이 가장 크며, 상업용의 경우는 조명 에너지 소비가 가장 큰 비중을 차지하고 있다.
본고에서는 이러한 관점에서 윈도필름 기술 및 시장 동향에 대해서 살펴보고자 한다.

2. 본론
건축물에서 사용되는 소비 에너지는 건축 건조 중에 벽면 등의 단열을 통해 냉방과 난방의 소비를 저감하거나 개선된 조명 시스템을 통한 소비전력의 저감 및 열 교환 시스템의 열 손실 최소화 등의 많은 기술들을 통해 에너지 저감이 가능하다. 또한 이러한 기술들 중 상당수는 에너지 저감뿐만 아니라 이산화탄소의 배출 감소에도 매우 효과적이며, 이산화탄소를 저감하기 위한 태양전지, 풍력에너지, 바이오 전지, 탄소격리 등의 많은 기술들과 비교했을 때 이산화탄소 1톤당 약 40유로 이상의 상대적 경제성도 가지고 있다.3,4)

그림 2. 건물 내 에너지 소비2)

건축물 에너지 저감을 위한 많은 기술들에도 불구하고 건축물의 외피를 구성하는 창의 존재는 그 한계를 가지게 한다. 건축물 내에 거주하는 사람은 쾌적하고 안락한 생활을 누리고자 하는 욕구를 가지며, 이러한 기능은 건축물 창을 통해 외부로의 조망과 채광 및 환기 등의 기능을 수행시킴으로써 가능하다. 하지만 건축물에서 단열성능이 가장 취약하다는 문제점을 가지고 있다. 현대 창의 경우 열적으로 약 1 W/m2K의 열전달 계수를 가지고 있으나 저 방사 코팅 유리(Low-E glass)와 진공 단열을 복합화 할 경우 약 0.2 W/m2K값으로 낮추는 것이 가능하다. 태양 열 에너지는 0.3 ~ 3 um 파장 영역에서 에너지 분포를 가지고 있다. 태양 열 에너지의 분포비율을 보면 약 50%는 0.4 ~ 0.7 um 파장대의 가시광선 영역에 존재하며, 약 47%는 0.7 ~ 3 um 파장대의 적외선 영역에 나머지 3% 정도는 자외선 영역에 존재한다. 이 중 적외선 영역의 열 에너지는 저 방사 유리(Low-E glass) 와 같은 태양열 제어 코팅을 통해 열선을 반사시켜 건축물의 냉·난방 저감 효과를 가능하게 할 수 있으나 가시광선 영역의 열 에너지는 창이 가지는 조망 기능을 희생하지 않고는 달성하기가 어렵다.

그림 3. 태양광 스펙트럼 분포5)

그림 4. 계절별 건축물 에너지 냉난방 에너지 사용량6)

따라서 적외선 영역의 에너지를 차단한다고 하더라도 약 500kWh/m2 상당의 에너지가 창문을 통해 건물 내로 유입을 막을 수 없으며, 이 에너지는 겨울철 난방에는 이득이 있으나 여름철 냉방에는 도움이 되지 않는다.

기존에 가시광 에너지 제어를 위한 전통적인 방법으로는 블라인드, 차양이나 오버행 등을 이용할 수 있으나 이러한 방법으로는 사용자의 요구 또는 편의성을 충족하기 어렵고 건축물의 효율적 운영에 대응하기에도 어려움을 가지고 있다. 또한 기존 창이 가지고 있는 기능 외에 진화하고 있는 현대 건축물에서 요구되는 창의 정보표시 기능을 수행하기에는 불가능하다.
위와 같은 문제를 해결하고자 변색물질(chromogenic materials)을 적용하여 투과율 제어가 가능한 기능을 갖는 유리나 필름을 제조하는 기술에 대한 관심이 높아지고 있다. 이러한 변색 물질을 포함한 투과율 제어가 가능한 유리나 필름을 일반적으로 스마트 유리 또는 필름이라 하며, 창에 적용될 경우 스마트윈도우, 스위처블 윈도우, 인텔리전트 윈도우라고 표현하기도 한다. 우선 변색물질을 이용한 투과율 제어 기술의 경우 주위 온도에 따라 창의 투과율이 변하는 열변색(thermochromic; TC), 외부 전계인가에 따라 변화는 전기변색(electrochromic; EC), 자외선 영역의 파장에 반응하여 변색하는 광변색(photochromic; PC) 가스와 변색물질의 계면반응을 통해 변색하는 가스변색(gaschromic; GC)이 있다. 이 외에 변색물질을 이용하지 않고 투과율을 제어하는 기술로는 액정(liquid crystals), PDLC (polymer dispersed liquid crystals), SPD (suspended particle devices) 등이 있다.
이 중 Thermochromic과 Photochromic은 외부 전계의 유무와 상관없이 주위 환경(온도 또는 특정 파장의 빛)에 따라 자동으로 투과율 제어가 가능한 반면 다른 나머지 기술은 사용자를 통한 외부 전계 인가를 통해서 만이 투과율 제어가 가능하다. 각각의 투과율 제어 기술들은 장단점을 가지고 있으며, 자세하게는 액정, PDLC, SPD 등은 사용되는 폴리머, 편광입자, 액정 등은 태양에너지를 직접 받는 외부 창에 사용될 경우 온도에 민감한 특성과 열화 등으로 인해 내구성 및 수명에 문제점을 가져 외부 창에 적용하기에는 어려운 문제점을 가지고 있다.

그림 5. 상용 스마트 윈도우 및 차세대 스마트 윈도우 제품군

이러한 측면에서 건축물의 외부 창에 적용하여 에너지 저감을 유발시킬 수 있는 기술로는 Photochromic, Thermo-chromic과 Electrochromic이 유망하다. Eelectrochromic의 경우 에너지 저감 효과와 관련한 미국 캘리포니아 에너지 위원회(California Energy Commission)의 보고에 따르면 전기변색 창으로 실내로 침입하는 열량을 제어할 경우 연간 19 ~ 20%의 냉방부하의 저감이 가능하며, 실내의 시각적 편안함을 위해 창을 변색할 경우 조명 에너지의 48 ~ 67%의 감소가 가능하다.
이와 함께 냉방과 전기 조명을 위한 에너지와 관련된 보고(Madison Gas & Electric Co.)에 따르면 맑은 유리의 경우 인공조명은 적게 이용되나 냉방에 소비되는 에너지 절감에는 효과적이지 않다. 착색유리와 반사유리의 경우는 상대적으로 냉방 에너지의 저감을 유발시킬 수 있으나 조명에 대한 에너지 사용량은 늘어난다. 위와 같은 유리와 비교했을 때 변색기술을 기본으로 하는 스마트 윈도우는 에너지 저감의 측면에서 비교우위를 보이고 있는데 Photochromic 창의 경우 조명 에너지의 저감이 가능하고 Thermochromic 창은 냉방 에너지 저감이 가능하다. 반면에 전기변색 창의 경우는 조명과 냉방에 쓰이는 에너지 모두에 대해 저감이 가능한 장점을 가지고 있다.

그림 6. Thermochromic 소재를 이용한 에너지 저감 원리

대표적으로 건축물 외피에 사용되어 에너지 저감 효과에 유망할 것으로 기대되는 Thermochromi와 전기변색 창 가운데 우선 주위 온도에 따라 자동으로 적외선 투과율이 제어되는 Thermochromi의 작동원리를 살펴보면, 이는 유리 창 위에 코팅된 전이금속 산화물의 온도에 따라 변하는 전기적 특성에 기인한다. 이러한 물질 중 가장 대표적인 바나듐 산화물(VO2; Vanadium Dioxide)은 상전이 온도인 68도를 기점으로 하여 그 아래 온도에서는 단사정계 구조를 갖게 되며 전기적으로는 절연체로 존재하여 적외선 영역의 태양광을 투과시킨다. 반면에 상전이 온도 이상의 온도에서는 정방정계의 결정구조를 가지며 전기적으로 전도특성을 가지게 되며 적외선 영역의 태양광을 반사시킨다.
이러한 특성을 갖는 물질이 코팅된 유리를 건축물 창에 이용할 경우 가시광 영역의 투과는 변화가 없으면서 적외선 영역의 열선은 계절에 따라 건물 내로 유입 또는 차단하여 냉·난방 효율을 증대 시킬 수 있다. 이러한 주위 온도에 따라 창의 투과율이 자동으로 제어되는 특성을 갖는 것은 기존에 이용되는 저 방사 코팅 유리(Low-E glass)와 같이 주위 온도 변화와 상관없이 항상 적외선 영역의 열선을 반사시키는 것보다 효율적이다. 이러한 장점에도 불구하고 상용화를 위해서는 몇 가지 해결해야하는 문제점들을 가지고 있다. 첫 번째는 투과도 제어를 위해 요구되는 온도가 약 68도로 실제로 이용되기에는 너무 높다는 것이다. 두 번째는 바나듐 산화물이 코팅된 유리의 가시광 투과율이 30 ~ 40% 수준으로 너무 낮으며, 마지막으로 상전이 특성을 갖는 바나듐 산화막을 형성시키기 위해서는 ~ 450도 정도의 공정온도가 요구된다는 점이다. 이와 더불어 코팅 유리의 대면적화와 코팅 유리를 사용자가 선호하는 색으로 다변화 할 수 있어야 한다. 상전이 온도를 낮추기 위한 방법으로는 텅스텐(W)이나 몰리브덴(Mo) 등의 도펀트를 바나듐 산화물 박막에 도핑하는 방법이 효과적이며, 예를 들어 산화물 박막에 텅스텐을 첨가할 경우 ~ 5K/at.% 정도의 상전이 온도가 낮아진다고 보고되어지고 있다.8) 건물 외피 창에 이용하기 위해서는 중요한 기능의 하나인 조망에 대한 조건이 확보되어야 하며 이를 위해서는 가시광 투과율이 높아야하나 바나듐 산화물 박막의 투과율의 경우 너무 낮다. 투과율 향상을 위해 산화물 박막의 두께를 줄일 수 있으나 이럴 경우 적외선 영역에서의 광학적 특성이 저하되는 문제점이 있어 두께를 조절하여 가시광 영역의 투과율을 향상시키려는 노력보다는 고굴절율 값(2.3~2.6)을 갖는 이산화티타늄(TiO2) 과 바나듐 산화물을 교대로 증착하는 다층 박막을 형성하여 투과율을 향상시키려는 연구가 진행되고 있다.9) 이렇게 형성된 막은 투과율을 약 70%까지 증가시킬 수 있으며, 이와 더불어 공기와 접하는 창 외측에 위치한 이산화티타늄 박막은 강력한 광촉매 특성을 통해 창에 부탁된 유기 물질과 질소산화물 같은 오염물질을 제거할 수 있어 창에 자가 세정 기능을 부여할 수 있다. 바나듐 산화물 박막을 제조하기 위한 높은 공정 온도는 장비 비용 상승 및 기판의 제약 등은 양산과 사용범위의 확장을 위해 불리한 조건으로 작용 한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 유리 기판 위에 실리콘 나이트라이드(SiN) 등과 같은 삽입 층을 형성 한 후 그 위해 바나듐 막을 형성하는 연구가 진행되어졌다.10) 하지만 이러한 노력에도 불구하고 ~ 300도 미만에서 광학적 특성이 우수한 막을 형성하는 것은 아직 보고된 바 없다. 만약 유연필름에 Thermochromic 막을 형성할 수 있다면 다양한 색상의 필름 활용이 가능하고 기존 건축물 창의 교체 없이 바로 적용이 가능하다는 장점을 가질 수 있다. 또한 그 응용범위 또한 건축물뿐만 아니라 자동차 등의 영역으로 시장의 확대가 가능할 것으로 기대된다. 최근 전자부품연구원에서는 물리·화학적으로 안정하면서 원자 한층 정도로 얇아 가시광 투과율 특성이 매우 우수한 그래핀 위에 바나듐 산화물 박막을 형성한 후 상온에서 유연기판으로 전사한 Thermochromic 유연필름 제작에 성공했다고 보고하고 있다. 본 필름은 기존 유리를 이용한 것과 비교하여 우수한 가시광 투과 특성을 가지며, 상전이에 따른 적외선 영역에서의 광학적 특성 또한 매우 우수하여 앞으로 실질적 적용을 위해 매우 유용할 것을 보인다.

그림 7. 저온 공정 기반 유연 Thermochromic 필름

그림 8. 전기변색 소자의 기본 구조10)

그림 9. Electrochromic 소자를 이용한 (a) 유리창, (b) 천장 유리창 건축물11)

전기변색 소자는 외부 전계의 인가를 통해서 가시광과 태양 에너지의 투과율에 대한 제어가 가능하다. 그림 9에 전기변색 소자에 대한 기본구조 및 사용되는 재료에 대해 나타내었다. 우선 구조를 살펴보면 유리 또는 Polyester과 같은 투명기판 사이에 기능성 박막 층이 대칭구조를 가지고 있으며, 자세하게는 기판 위 양쪽에 투명전극(ITO)과 그 사이에 변색 층(WO3, NiO), 그리고 가운데에 이온 공급을 위한 전해질 층이 위치하고 있다.
각 층이 갖는 기능의 경우 외부 전압은 투명전극인 ITO 층을 통해 전계방향으로 전류가 흐르게 되면 전해질 층에 있는 리튬이온이나 수소이온이 WO3와 같은 변색 층은 전기 화학적 환원반응에 의해 광 특성이 가역적으로 변화하여 청색으로 착색된다. 반대로 역 전압을 인가하게 되면 WO3에 주입된 이온과 전자가 방출되어 다시 투명하게 된다. 전기변색 재료는 위와 같은 전기 화학적 산화 환원 반응에 의해 다양한 색으로 변화가 가능하며 산화에 의해 변색되는 재료로는 V2O5, IrO2, NiO 등이 있으며, 환원에 의해 변색되는 대표적은 재료들로는 WO3, Nb2O5, TiO 등이 있다.
건축 외피에 전기변색 창이 어떻게 이용되는지 그림 9에 타나내었다. 그림 9 (a)는 GESIMAT 사에서 출시한 전기변색 라미네이티드 유리의 제품을 나타내고 있는데, 구조는 ITO가 코팅된 두 판의 유리 사이에 각각 전기변색 층이 코팅되어 있고, 그 사이에 양이온 전도 PVB가 폴리머 전해 층으로 삽입되어 있다. 동작에 따른 가시광선과 태양에너지의 투과 및 차단율 특성은 변색 전 Tvis는 75%, Tsolar는 52%이고 변색 후는 Tvis는 8%, Tsolar는 6%의 특성을 나타낸다. 구동전압은 1 ~ 3V DC이며, 변색시간은 약 10 ~ 15분 정도이다. 또한 가시광선 투과율은 전계인가에 따라 연속적으로 제어가 가능하다. 이러한 기능을 창에 이용할 경우 그림 9 (b)에 보이는 것과 같이 일조량이 많을 때 창 전체를 변색시켜 실내의 안락함이나 과도한 에너지의 유입을 막는 용도로 활용이 가능하며, 또한 가시광선의 입사 방향에 따라 창을 변색시킴으로써 내부 조명 및 에너지 절약의 효과를 기대할 수 있다. 또한 계절에 따라서는 여름철의 경우 가시광선 투과를 차단하고 유입되는 태양에너지를 최소화함으로써 냉방에너지를 줄일 수 있으며, 겨울철에는 건물에서 방출되는 에너지를 줄여 난방에너지에 대한 절약이 가능하다.

-------------이하생략(자세한 내용은 세라믹코리아 2013년 4월호를 참조바람)

참고문헌
1) http://www.iea.org
2) mark LaFrance, Window R&D roadmap workshop with AAMA, 2 march 2006
3) http://www.vattenfall.com/climate/www/ccc/ccc/index.jsp.
4) J. Creyts, A. Derkach, S. Nyquist, K. Ostrowski, J. Stephenson, Reducing U.S.
Greenhouse Gas Emissions: How Much and at What Cost? U.S. Greenhouse Gas Abatement Mapping Initiative Excecutive Report, 2007 http://mckinsey.com/clientservice/ccsi/pdf/US_ghg_final_report.pdf
5) http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Solar_Spectrum.png
6) http://www.aist.go.jp/aist_e/latest_research/
7) http://www.mge.com/business/saving/madison.PA_6.html
8) M.A. Sobhan, R.T. Kivaisi, B. Stjerna, C.G. Granqvist, Sol. Energy Mater. Sol. Cells 44 (1996) 451.
9) N.R. Mlyuka, G.A. Niklasson, C.G. Granqvist, Phys. Status Solidi A 206 (2006) 2155.
10) C.G.Granqvist, S. Green, G.A.Niklasson, N.R.Mlyuka, S.von Kremer, P.Georen, Thin Solid Film 518 (2010) 3046-3053
11) http://www.gesimat.de
12) www.econtrol-glas.de
13) A.Georg, W.Graf, V.Wittwer, Electrochimica Acta 46 (2001) 2001-2005
14) http://home.howstuffworks.com/home-improve ment/construction/green/smart-window3.htm
15) Smart Glass: Technologys and Global Markets, bcc research (2009)

장 세 홍
- 1983. 02 서울대학교 공과대학 요업공학과 학사
- 1987. 02 서울대학교 공과대학 무기재료공학과 석사
- 1993. 08 서울대학교 공과대학 무기재료공학과 박사
- 1993. 11 전자부품연구원
- 2004. 10 경기지역협력연구센터 운영부장
- 2008. 07 열에너지조절가능한 일반건축용 창호시스템개발 연구단장
- 현재. 전자부품연구원 전자소재응용연구센터 수석연구원