재료硏, 소재 하나로 노랑·초록·파랑 '색 바꾸는 유리' 국내 최초 개발

재료硏, 소재 하나로 노랑·초록·파랑 '색 바꾸는 유리' 국내 최초 개발 한국재료연구원(KIMS·원장 최철진) 에너지·환경재료연구본부 김소연, 임동찬 박사 연구팀이 하나의 소재로 노랑·초록·파랑 세 가지 색을 빠르고 안정적으로 구현하는 용액 공정 기반의 다색 전기변색 소자를 국내 최초로 개발했다. 용액 공정 기반 다색 전기변색 소자를 개발한 한국재료연구원 에너지·환경재료연구본부 김소연 책임연구원(왼쪽)과 임동찬 책임연구원. 기존의 어둡게만 변하던 창문을 색을 조절하는 스마트 유리로 진화시킨 성과로 스마트 윈도우와 저전력 컬러 디스플레이 상용화를 앞당길 핵심 소재 기술로 주목된다. 현재 상용화된 전기변색 소재는 대부분 텅스텐 산화물(WO3) 기반 파란색 단색 변색에 머물러 있었다. 이에 여러 색 구현이 가능한 바나듐 산화물(V2O5)이 대안 소재로 주목받아 왔지만 전기가 잘 통하지 않아 색 변화가 느리고 반복 사용 시 성능이 떨어지는 문제가 있다. 연구팀은 V2O5의 한계를 해결하기 위해 바나듐 산화물 나노와이어와 전기가 잘 흐르도록 돕는 전도성 고분자를 결합해 노랑·초록·파랑 세 가지 색을 빠르고 안정적으로 구현하는 다색 전기변색 하이브리드 소재 기술을 개발했다. 물에 원료를 녹인 뒤 고온·고압에서 반응시키는 수열합성법으로 머리카락보다 훨씬 가는 바나듐 산화물 나노와이어를 만들고 이를 전도성 고분자와 섞어 잉크 형태의 소재로 제조했다. 이 소재를 유리 위에 얇게 입힌 결과 전기 흐름을 방해하는 면저항이 97% 이상 낮아졌고 전압 변화만으로 노랑·초록·파랑 세 가지 색을 약 5초 만에 안정적으로 전환하는 데 성공했다. 특히 단일 소재 기반 소자는 100회 이내 반복 구동 시 초기 성능 대비 저하가 나타난 반면 개발한 하이브리드 소재는 600회 반복 구동에도 안정적인 내구성과 색 변화 전후 빛 투과율 차이(광학 변조율)를 43% 이상 확보해 실제 눈으로도 색 변화가 뚜렷하게 보이는 스마트 유리 소재임을 입증했다. 이는 V2O5가 가진 다색 구현 장점은 살리면서 낮은 전기전도성 문제를 보완하고 기존 다색 전기변색 소재의 약점이던 느린 색 전환과 낮은 반복 안정성을 동시에 개선한 성과다. KIMS가 개발한 다색 전기변색 소자가 인가 전압에 따라 세 가지 색으로 변하는 모습. 맨 위부터 A4 크기 대면적 스마트 윈도우, 중면적 소자, 패턴형 멀티 디스플레이. 고가의 진공 장비 없이 제작할 수 있다는 점에서 산업적 의미도 크다. 연구팀은 바 코팅과 전기분무 등 용액 공정만으로 A4 크기의 대면적 소자 제작에 성공했다. 향후 롤투롤(Roll-to-Roll) 공정과 연계하면 다양한 제품을 더욱 낮은 비용으로 생산할 수 있을 것으로 기대된다. 용액 공정 기반 대면적 제작이 가능해 건물 외벽 일체형 에너지 절감 시스템 등 친환경 건축 분야로도 확장 가능할 전망이다. 김소연 책임연구원은 “이번에 개발한 V2O5 나노와이어와 전도성 고분자 기반 하이브리드 소재는 노랑·초록·파랑 세 가지 색을 자유롭게 구현할 수 있어 건축물·자동차용 스마트 윈도우는 물론 멀티컬러 디스플레이와 플렉서블 웨어러블 기기 등 다양한 분야의 제품 경쟁력을 높일 수 있을 것”이라고 말했다. 창원=노동균 기자 defrost@etnews.com