휴대성과 유연성 두 마리 토끼 잡은

`광반응 전기변색 투명 종이` 개발

 - 기계연, 에너지 저장하며 빛 투과 조절하는 ‘투명 종이 소자’ 개발 -

▲ 광반응 전기변색 투명 종이 개념도

#1. A씨는 집 한 쪽 벽면 통유리 위에 한국기계연구원이 개발한 ‘광반응 전기변색 투명 종이’를 부착했다. 햇빛이 강한 날이면 저절로 어두워져 거실이 뜨거워지는 것을 막아주고, 빛이 모자랄 때는 투명하게 바뀌어 실내에 빛을 통과시킨다.

▲광반응 전기변색 투명종이의 구조. 나무에서 얻을 수 있는 인체친화적인 셀룰로오스 섬유 위에

나노 사이즈로 만든 투명한 은 나노선과 그래핀 박막을 그물망처럼 코팅하여

전기가 통하면서 종이 같은 얇고 휘어지는 종이를 제작한다.

그리고 그 위에 에너지를 저장했다가 색을 변하게 하는데 쓸 수 있는 텅스텐 산화물이 나노 단위로 코팅되어 있다.

#2. B씨의 자동차 유리창에는 광반응 전기변색을 이용한 투명 종이가 코팅되어 있다. 한 여름 뙤약볕이 내리쬘 때는 유리가 어두워져 빛을 차단하고, 빛이 약할 때는 다시 유리가 밝아져 밤 운전도 걱정이 없다. 빛에 따라 유리의 밝기가 자동으로 조절되기 때문에 기존 윈도 틴팅(썬팅) 필름처럼 틴팅을 너무 진하게 해서 야간 시야 확보가 안 되거나 약한 틴팅으로 차단 효과가 낮아 내부가 뜨거울 일도 없다.

자외선을 받으면 피부를 검게 태우는 멜라닌 색소의 원리를 본 따 유연하면서도 휴대가 가능한 광반응 전기변색 투명 종이가 개발됐다. 빛의 양에 따른 투과도 조절이 가능하면서도 종이처럼 유연한 소재로 만들 수 있고, 외부의 전원 없이도 구동이 가능해 다양한 환경에서 활용될 전망이다.

과학기술정보통신부(장관 유영민) 산하 한국기계연구원(이하 기계연, 원장 박천홍) 나노응용역학연구실 현승민 박사와 KAIST 한승민 교수 공동 연구팀은 빛에 따라 투과 정도를 조절할 수 있고 자가 에너지 저장 기능이 동시에 가능하면서도 유연한 휴대형 투명 종이 개발에 성공했다.

광반응 전기변색 투명 종이는 빛이 강할 때는 검게 변해 빛을 차단하고 빛이 약할 때는 투명하게 변해 빛을 더 많이 받아들이는 특성이 있다. 하지만 지금까지는 외부의 전력원이 반드시 필요하며 투명한 유리로 만들기 때문에 이동성이 떨어지고 유연한 제품에는 활용할 수 없다는 한계가 있었다.

연구팀은 나노 셀룰로오스를 이용해 유연한 광반응 전기변색 투명 종이를 만들었다. 나무에서 추출하는 셀룰로오스는 인체 친화적일 뿐 아니라 유연하다는 장점이 있다. 이를 나노 수준으로 미세하게 가공하여 빛 투과도 99.1%의 투명한 종이를 만들고, 그 위에 은 나노선과 환원 그래핀 복합체를 아주 얇은 나노 그물망 형태로 만들면 전기가 잘 통하는 투명한 종이가 된다.

이렇게 제작한 투명 종이 위에 독특한 성질을 갖는 텅스텐 산화물을 나노 입자로 코팅했다. 텅스텐 산화물은 배터리처럼 에너지를 저장할 때는 색이 검게 변하고 다시 저장했던 에너지를 사용해 투명해지는 특성이 있다. 이를 이용하면 외부의 전원 없이도 전기변색이 가능하기 때문에 웨어러블 기기나 아웃도어 등 다양한 환경에서 활용이 가능하다.

▲광반응 전기변색 투명 종이의 굽힘 성능을 시험하기 위하여 지름 1.5 cm까지 구부린 모습.

왼쪽의 투명한 방전 상태에서 에너지를 저장하여 색이 변화된 충전 상태로

원활하게 변하는 것을 확인할 수 있다.

여름철 냉방이 필요한 공간의 에너지 절감 효과도 기대된다. 연구팀이 개발한 투명 종이를 상자 벽면에 부착해 내부의 온도 변화를 측정한 결과 전기변색 효과가 나타나기 전에는 온도가 31% 증가했지만 광반응에 따라 상자가 검게 변하자 8% 밖에 증가하지 않았다.

▲광반응 전기변색 투명 종이의 빛 차단효과 성능을 실험한 그래프.

일반 셀룰로오스 기판에서 시간에 따라 온도가 31.2% 올라가는 동안,

변색된 기판은 8% 밖에 상승되지 않았다.

기계연 현승민 박사는 “우리 피부를 빛에 따라 태우는 멜라닌 색소의 작용을 보면서 얻은 아이디어로 기존 전기변색 제품의 휴대성과 유연성 한계를 극복한 기술”이라며 “작게는 웨어러블 제품부터 크게는 대형 건물의 외벽까지 다양한 분야에 활용할 수 있는 기술이 될 것”이라고 말했다.

한편 이번 연구는 기계연 주요사업 ‘3차원 나노구조체 제조기술 고도화사업’과 국가과학기술연구회 융합연구사업 ‘유연 신축 에너지 저장소자 모듈 및 핵심제조공정 기술 개발’, KAIST의 ‘결함제어를 통한 고강도/고연성 나노복합소재 분석 및 대면적화’ 사업 지원을 받아 수행됐으며 연구 성과는 지난 6월 Advanced Materials(IF=19.8) 온라인 판에 게재됐다.

시장조사업체MarketsandMarkets.com에 따르면 전기 변색유리 시장은 오는 2022년까지 약 9조 원대에 달할 것으로 전망되고 있다. 모바일 시장정보 제공업체인 CCS 인사이트 역시 웨어러블 기기 시장을 향후 2019년 약 30조 원까지 성장할 것으로 전망한 바 있다. 기계연 연구팀은 향후 신축성과 이동성을 갖춘 소자를 적용한 제품이 출시될 경우 기존 전기변색 유리와 웨어러블 기기 시장의 5%에 달하는 약 2조원 대 시장이 열릴 것으로 전망하고 있다.