제 7 장액정을이용한스마트윈도우기술 김윤호 에너지효율을향상시키고감성과기능성을동시에만족시킬수있는스마트윈도우 (smart window) 기술이큰주목을받고있다. 스마트윈도우란외부에서유입되는빛의투과도를자유롭게조절하여에너지손실을줄이고소비자에게는쾌적한환경을제공할수있는능동제어기술을의미하며수송, 정보디스플레이, 건축등다양한산업분야에공통적으로적용될수있는기반기술이라할수있다. 간단한조작만으로도순간적인상태전환을유도할수있고다양한고급편의기능을부여할수있기때문에건물또는자동차의고부가가치화를위해활발한응용전개가이루어질것으로기대된다. 에너지절감형스마트윈도우의기능이태양광투과도의능동적조절을통해이루어진다는점에서태양전지와의결합가능성이매우높다는사실을고려하면장기적으로는신재생에너지산업과더불어미래형친환경자동차시장을주도하는데있어서한축을담당할것으로기대된다. NREL(National Renewable Laboratories) 보고서에따르면능동제어방식스마트윈도우는여름철냉방시 10~25% 정도의에너지절감효과가있고, 낮시간주차시차량내부의온도상승을억제시켜쾌적한운전환경을유지할수있는것으로알려져있다. 선진완성차업체에서는스마트윈도우개발에대한연구를꾸준히진행하여이미일부모델에적용하기시작하였고국내에서도 2012년부터스마트윈도우부품이장착된자동차가시판되고있다. 하지만스마트윈도우기술은국내외적으로제품 / 서비스가출시된지얼마안되는단계로서제조비용과기술력의한계로인하여여전히사용분야에많은제한을받고있는상태이다. 스마트윈도우부품의조기정착과안정적인시장확보를위해서는장착및구동에따른가격적인문제, 소비전력, 구동속도, 내구성및수명문제등의현안이우선적으로해결돼야할것으로보인다. 본논고에서는가까운시일내에자동차의고부가가치제품으로각광받을것으로예상되는스마트윈도우의제조기술과구동원리, 적용사례에대해알아보고국내외기술개발동향을파악함으로써미래시장창출가능성에대해예측해보고자한다. 스마트윈도우는다양한자동차용부품에적용될수있으며구동방식에따라헤드업디스플레이방식 (head up display, HUD), 변색방식 (chromic display, CD), 분극입자방식 (suspended particle display, SPD), 고분자 / 액정복합필름방식 (polymer/liquid crystal composites film) 으로분류될수있다. 변색방식의경우외부의전압 (electrochromic, EC) 이나빛의파장 (photochromic, PC), 온도 (thermocromic, TC) 의변화에따라가역적으로색변화를유도할수있으나전기방식에기반을둔스마트윈도우만이제품화에적합한기술로인식되고있다. 본고에서는액정기반의스마트윈도우개발에대한내용만서술하고자한다. 1
고분자 / 액정혼합물은디스플레이와셔터재료로오랫동안연구되어왔으며최근에는스위치특성을이용한에너지절감형스마트윈도우개발에응용되고있다. 복합필름의성능은구성물의고유성질과조성에의해결정되어지며고분자분산액정방식 (PDLC) 과쌍안정성콜레스테릭액정 (BiCh-LC) 방식이가장근접한기술로분류되고있다. 고분자분산액정방식 (Polymer Dispersed Liquid Crystal, PDLC) 마이크론크기의액정입자 (droplets) 들이고분자매트릭스내에고르게분산되어있는구조를지닌고분자분산액정복합체는외부전압에의한액정입자와고분자간의굴절률차이에의해투과율이조절된다. 보통상태 (off-state) 에서불규칙하게정렬되어있는액정입자들은고분자매트릭스와굴절률차이로인해흡수된빛이산란되지만전기를인가 (on-state) 하면입자들이규칙적으로배향되고굴절률의일치를유도하여투명해진다 ( 그림 1). 따라서산란에의한빛의불투과와전압인가에따른투과도의차이가윈도우의성능을결정하는핵심기술이라할수있다. 스마트윈도우기능이외에도전기를넣지않은불투명상태에서스크린으로사용될수있고센서부착에의해터치스크린기능까지수행할수있다. 일반적으로 PDLC 셀은고분자매트릭스와액정, 기판, 투명전극으로구성된다 ( 그림 1). LCD 에서필요로하는편광필름 (polarizer film) 과보상필름 (compensation film) 을사용하지않으므로제조법이간단하고약한빛으로도투과도조절이가능하며반응속도도빠르다. 태양빛의투과도조절을통해열이실내에들어오거나내부의열이밖으로빠져나가는것을조절할수있기때문에에너지절감에효과적이다. 하지만보는각도에따라서흐림 (haze) 현상이발생할수있고, 주변온도에따라성능이저하될수있다. 또한투명한상태를유지하기위해서는연속적인전압의공급이필요로하기때문에 3.5~15.5 W/m2 의전력이소모된다. 그림 1. 고분자분산액정 (PDLC) 의구조및구동원리, 관련기술이적용된사례 2
고분자분산액정방식의전기광학적특성은액정입자들과고분자매트릭스와의친화성, 액정입자의크기및형상, 균일도에따라달라진다. 개발초기에는균일혼합용액을서서히냉각시키거나용매를증발시켜복합필름을제조하였으나형상및중합조건제어에따른필름의성능향상이증명되면서단량체의중합에의한상분리유도법이현재널리적용되고있다. 필름내에서액정입자의안정성을향상시키기위하여 poly(methyl methacrylate), polycarbonate, branched polyacrylate, polyvinyl alcohol, polystyrene, polydimethylsiloxane, polysulfone 등다양한고분자를매트릭스로사용하여필름을제조하였다. 빛이나열에의한고분자네트워크형성은주로에폭시수지, 아크릴단량체, 폴리에스터를사용하였다. 최근에는새로운구조의매트릭스, 액정, 액정첨가물을조합하여복합막의광투과도, 응답시간, 구동전압, 안정성을향상시키고자시도하고있다. 2007 년에는무기나노입자를도핑시킨후광투과도와열안정성을향상시킨결과를발표하였고 2013 년에는키토산이들어간친환경 PDLC 가소개된바있다. 반응기를사슬말단에가지고있는반응성액정 (reactive mesogens, RM) 은중합에따른수축 (shrinkage) 이적고액정이지닌고유의전기적광학적특성을유지할수있기때문에매트릭스소재로주목을받고있다. 대면적의이방성네트워크메조구조를쉽게제어할수있기때문에디스플레이용광학부품이나유기반도체제조에적극적으로활용되고있다. 반응성액정을매트릭스로사용한 PDLC 필름의경우회복력이빠르고감쇄시간 (decay time) 을줄일수있는것으로알려져있다. 배열된상태에서광중합시킨 PDLC 필름에남아있는액정분자들은수직하게배향된상태가유지되므로보통상태에서도높은투명도를보인다. 기존 PDLC 제조에사용되었던단량체에반응성액정을일정량첨가하면흐림 (haze) 현상을조절할수있다. 그러나액정과고분자매트릭스사이에친화도가증가하면서구동전압이올라갈수있다. 소재개발외에도전자파 (electric field) 가아닌탄성표면파 (surface acoustic waves) 에의해구동되는스마트윈도우시스템이개발되어디바이스를소형화시킬수있는기반을마련하였다. 전극으로쓰이는전도체의경우 ITO(Indium Tin Oxide) 가널리사용되고있지만수요의급증에따른가격상승과높은제조비용, 그리고유연하지못한성질때문에새로운소재를도입하려는연구가꾸준히진행되고있다. 국내고분자 / 액정복합필름개발에대한연구는한국과학기술연구원, 한국화학연구원을비롯한연구기관과학교위주로진행되었으나, 1999 년 디엠디스플레이사에서 3 차원액정기술을적용시켜대비비 (contrast) 와반응속도를크게향상시킨스마트윈도우를개발하였다. 쌍안정성콜레스테릭액정 (Bistable Cholesteric Liquid Crystal, BiCh-LC) 3
쌍안정콜레스테릭액정 (BiCh-LC) 방식은전력을차단하여도투명, 불투명상태가그대로유지될수있는에너지절약형기술이다. 안정한액정상태가 2 개이상존재하므로한번에너지를가하고난후추가적으로에너지를가하지않아도변환된이미지는계속유지될수있다. 그림 2 에서보여주는바와같이보통의상태에서콜레스테릭액정들은기판과평행하게일정한간격의피치 (pitch) 를만들면서나선형으로꼬여있는수평 (planar) 상태이고피치의길이에따라선택적으로빛을반사하여특정한색을구현하게된다. 수평상태에서낮은전압을인가하면 Focal conic 상태로배열이전환되는데피치는유지하고있지만각각의회전축들이무질서하게배열되어있어입사되는빛은산란, 회절을일으키고불투명한상태로바뀌게된다. 더욱높은전압을인가하면꼬여있는상태가풀리면서피치가사라지고액정분자들은기판과수직하게배향하면서투명한상태로전환된다 (homeotropic state). 이후전압을천천히낮추면속도에따라수평 (planar) 또는 Focal conic 상태로되돌아오고이때각각의안정성은유지된다. 그림 2. 쌍안정성콜레스테릭액정 (BiCh-LC) 복합필름의기본구조와외부전압에따른분자들의 배향및광학적특성변화. 디스플레이와반도체분야위주로개발되어온스마트윈도우기술은건축및자동차산업분야로확대되어실용화가능성을시험해보고있는단계이며, 건축및수송분야에서도에너지절감및고기능성부여를위한미래형기술로주목을받고있다. 넓은 glazing 을장착하려는추세가가속화되고있는자동차산업에서에너지의효율적이용과실내사생활보호, 쾌적한환경유지등이중요한관심사로떠오르면서가까운시일내에지능형자동차의핵심부품으로성장할것으로예상된다. 또한감성이 4
소비자의선택에있어중요한기준으로등장하면서 software 가융합된새로운 패러다임으로시장을형성할것으로보인다. 그동안국내완성차업체, 전장품개발업체, 연구기관에서는독자적인기술확보를위해많은노력을기울여왔으나아직은가능성을확인하는수준에머물러있다. 장착에따른안전성과경제성확보, 제품사양에대한합리적인검토, 경량플라스틱대체소재개발, 대면적화공정개발등당면한문제들이해결된다면머지않아대중화되어확대적용될수있을것으로예상된다. 5