수분량 따라 햇빛 흡수량 달라져
전류 변화로 이어져 습도 감지
빛·온도 조절하는 스마트 윈도 개발도 활발

/포스텍

비가 내려 우중충한 날 창문이 스스로 색을 바꿔 분위기를 밝게 만드는 기술이 국내에서 개발됐다.

포스텍(포항공과대학교) 기계공학과·화학공학과 노준석 교수팀과 KAIST 기계과 박인규 교수 공동 연구진은 “전기가 필요 없이 주변의 수분량에 따라 색이 변하는 ‘스마트 윈도(smart window·지능형 창문)’ 원천기술을 개발했다”고 국제학술지 ‘어드밴스드 옵티컬 머터리얼즈’ 최신호에 발표했다.

빛을 이용한 센서는 심전도, 대기질, 거리 측정 등 우리 생활에 이미 많이 활용되고 있다. 기본원리는 빛을 이용해 주변의 변화를 감지하고 이를 디지털 신호로 변환하는 것이다.
 

연구진은 ‘키토산 하이드로겔’을 금속-하이드로겔-금속 형태로 제작할 경우, 주변 습도에 따라 실시간으로 투과되는 빛의 공진 파장이 변함을 발견했다. 키토산 하이드로겔이 주변의 습도 변화에 따라 팽창과 수축을 반복하기 때문이다. 공진이란 특정 진동수를 가진 물체가 같은 진동수의 힘이 외부에서 가해질 때 진폭이 커지면서 에너지가 증가하는 현상을 말한다.

연구진은 외부습도에 따라 공진 파장이 변하는 금속-하이드로겔-금속 구조를 이용한 ‘수분 가변형 파장필터’를 태양전지와 결합해 빛에너지를 자가전력으로 전환할 수 있는 ‘수분 센서’를 개발했다. 이 필터는 수분량에 따라 태양전지의 빛 흡수량이 변하고, 이 변화에 따라 전류변화로 이어져 주변 습도를 감지 할 수 있도록 설계됐다.

이번에 개발된 센서는 기존 광학 습도센서와는 다르게 자연광, LED, 실내등 빛의 종류와 관계없이 작동했다. 또한 외부 전원이 필요 없을 뿐만 아니라, 필터의 색 변화에 따라 습도를 예측할 수 있다.

노준석 교수는 “이 기술은 전원을 공급할 수 없고, 원자력발전로와 같이 사람의 손이 닿기 어려운 곳에서 사용될 수 있는 기술이다”라며 “외부습도를 감지해 작동하는 수분센서나, 습도에 따라 색을 바꾸는 스마트 윈도 등 IoT 기술과 결합이 된다면 더 큰 시너지를 낼 것”이라고 말했다.
 

최근 스마트 윈도 기술 개발이 활발하다. 한국생산기술연구원은 외부 기온 변화에 따라 적외선 투과율이 달라지는 스마트 윈도를 개발했다. 연구진은 특정 온도에서 가시광선은 투과시키고 적외선은 차단하는 소재인 이산화바나듐에 텅스텐을 첨가해 적외선 반사 온도를 23도까지 낮췄다.

한국에너지기술연구원은 유리창의 색을 바꿔 온도를 조절하는 방법을 개발했다. 연구진은 태양광에 반응해 전기를 만드는 소재와 전기변색 소재를 합쳐 유리에 코팅했다. 햇빛이 강해지면 스마트 윈도에서 미량의 전기가 발생한다. 이 전기로 유리가 파란색으로 변하면서 적외선과 가시광선을 차단한다.

한국과학기술원(카이스트) 신소재공학과 연구진은 마치 블라인드처럼 필름을 당겨 햇빛을 막아주는 창문을 개발했다. 연구진은 빛이 산란되는 원리를 활용해 필름을 늘리면서 가시광 투과율은 16%에서 최대 90%까지 조절할 수 있다고 밝혔다.

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