고가 장비 없이 대면적 다색 구현 소재를 제작하는 기술이 개발됐다. 건축물, 자동차용 스마트 윈도우와 멀티컬러 디스플레이 등 차세대 디스플레이에 적용 가능할 것으로 기대된다.AI생성 이미지. 게티이미지뱅크 제공
전기 신호만으로 노랑·초록·파랑 세 가지 색을 구현하는 스마트 윈도우 핵심 소재가 개발됐다. 기존 스마트 윈도우가 주로 투명하거나 어두워지는 단색 변화에 그친 반면 이번 기술은 여러 색을 빠르게 구현할 수 있어 건축물·자동차용 스마트 윈도우와 저전력 컬러 디스플레이 등에 활용될 것으로 기대된다.
한국재료연구원은 김소연·임동찬 에너지·환경재료연구본부 책임연구원팀이 하나의 소재로 삼색을 빠르고 안정적으로 구현하는 '용액 공정 기반 다색 전기변색 소자'를 개발했다고 6일 밝혔다. 연구결과는 국제학술지 '케미컬 엔지니어링 저널'에 지난 5월 22일 온라인 게재됐다.
전기변색 소재는 전압을 가하면 색이나 빛 투과율이 변하는 소재다. 낮은 전력으로 작동하고 전기를 끊어도 변화된 상태가 일정 시간 유지돼 스마트 윈도우와 차세대 디스플레이 분야 핵심 기술로 꼽힌다.
현재 상용화된 전기변색 소재는 대부분 텅스텐 산화물 기반으로 파란색 단색 변색에 머물러 있다. 다양한 색 표현이 필요한 디자인 창호, 자동차용 컬러 유리, 광고·인테리어용 디스플레이로 확장하기 어렵다.
여러 색을 구현할 수 있는 바나듐 산화물이 대안 소재로 주목받지만 전기가 잘 통하지 않아 색 변화가 느리고 반복 사용 시 성능이 떨어진다.
연구팀은 바나듐 산화물과 전기가 잘 흐르도록 돕는 전도성 고분자를 결합해 노랑·초록·파랑 세 가지 색을 빠르고 안정적으로 구현하는 '다색 전기변색 하이브리드 소재 기술'을 개발했다. 바나듐 산화물이 가진 다색 구현 장점은 살리면서 낮은 전기전도성을 보완해 색 전환 속도와 반복 안정성을 동시에 개선한 것이다.
연구팀은 물에 원료를 녹인 뒤 고온·고압에서 반응시키는 '수열합성법'으로 머리카락보다 훨씬 가는 바나듐 산화물 나노와이어를 만들었다. 나노와이어에 전도성 고분자를 섞어 잉크 형태의 소재로 제조하고 유리 위에 얇게 입혔다.
연구팀은 개발한 소자가 전압에 따라 파랑, 초록, 노랑 세가지 색으로 변하는 것을 확인했다. a는A4크기 대면적 스마트 윈도우, b는 중면적 소자, c는 패턴형 멀티컬러 디스플레이다. 한국재료연구원 제공
실험 결과 연구팀이 개발한 소재는 전기 흐름을 방해하는 정도인 '면저항'이 97% 이상 낮아졌다. 전압 변화만으로 노랑·초록·파랑 세가지 색을 약 5초만에 안정적으로 전환했다.
단일 소재 기반 소자는 100회 이내 반복 구동에도 초기 성능 대비 저하가 나타나지만 연구팀이 개발한 하이브리드 소재는 600회 반복 구동 후에도 안정적인 내구성을 유지했다.
색 변화 전후의 빛 투과율 차이를 뜻하는 '광학 변조율'은 43% 이상 확보했다. 실제 눈으로도 색 변화가 뚜렷하게 보인다는 의미다.
연구팀이 개발한 기술은 고가의 진공 장비 없이 제작할 수 있어 산업적 의미가 크다는 평가다. 향후 대면적 양산 공정과 연계하면 건축물·자동차용 스마트 윈도우, 광고·인테리어용 멀티컬러 디스플레이, 눈부심 방지 미러, 플렉서블 웨어러블 기기 등을 보다 낮은 비용으로 생산할 수 있을 것으로 기대된다.
용액 공정 기반의A4크기의 대면적 제작도 가능해 건물 외벽 일체형 에너지 절감 시스템 등 친환경 건축 분야로도 확장 가능하다. 고성능 전기변색 소재의 해외 의존도가 높은 상황에서 이번 성과는 소재 국산화에 따른 수입 대체 효과와 향후 해외 시장 진출·수출 경쟁력 확보에도 기여할 전망이다.
김소연 책임연구원은 "전기변색 소재는 에너지 절감형 스마트 윈도우와 차세대 디스플레이의 핵심 소재지만 단색 위주의 기존 기술로는 다양한 산업 수요를 충족하기 어려웠다”며 “개발한 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.
