전기변색전극촉매분야최신연구동향 한국과학기술연구원유성종 전기변색을이용한에너지효율성윈도우의개발은대체에너지활용을통한화석연료배출가스의발생량감소와에너지절약에기여하고, 나아가지구환경보존에큰공헌을하게될것이다. 또한능동적기능조절이가능한신개념의윈도우개발은주거문화및사무환경개선을통한삶의질적상승을예상케한다. 최근투과율자체조절이가능한변색유리 (chromic glass) 가연구개발되고있다. 투과율가변유리의종류에는크게전기변색 (Electrochromic), Suspended Particle Device (SPD), 액정, Photochromic, 그리고 Thermochromic이있다. 능동형투과율가변유리는전기변색, SPD, 액정등의방식으로전기를인가함으로투과율의인위적조절이가능하다. 그러나 Photochromic이나 Thermochromic은임의조절이불가능한수동형태로특정파장의빛이나온도변화에반응하여투과율이달라진다. Electrochromics Photochromics Suspended Particle Device (SPD) Liquid Crystals Thermochromics Gaschromics Switchable Mirrors Electrophoretic Particles 전기변색, SPD, 액정에의한능동형투과율가변유리는각기나름대로장단점을가지고있다.( 표 1) 전기변색의경우, 내구성및수명측면에서뛰어나고 (100,000 싸이클의스윗칭, 수명이최소 10년 ; SAGE) 저전압에서작동되나 (1 ~ 3V) 응답속도가느리고 ( 수초 ~ 수십초 ) 가격이비싸며 (1000 $/m 2 ) 산화물박막의경우폴리머필름화에어려움이있다. 따라서솔-젤법을이용한 electrochromic coating 등가격을 100 $/m 2 에맞추기위한연구가진행되고있다. 또한나노포러스필름을제작하여응답속도를낮추기위한연구도진행되고있다. SPD의경우폴리머필름제작이용이하며, 응답속도가 1초이하로빠르고제작이용이하다는장점을가지고있고투과율도 5 ~ 70 % 로조절이가능하다. 그러나편광입자의응축및장시간사용시열화하는특성으로내구성및수명에문제점이있다. 액정의경우투과율이 40 ~ 80 % 내에서조절가능하고응답속도가역시빠르나 haze 현상이있으며내구성이 - 1 -
약하고온도변화에민감하며액정가격이비싸다는단점이있다. 전기변색소재의원리를간략하게설명하면대표적인환원착색물질인 WO 3 로 Li이나수소이온과전자가주입되면청색으로착색되고방출시는투명하게되며, 반대로산화착색물질인경우수소이온과전자가방출되면착색되고주입되면투명하게되는것이다.( 그림 1) 대표적인전기변색재료를아래표 2에나타내었다. Table 1. 각종조광기술의종류및특성비교. ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ 유리기판 투명도전체 음극층 전해질 전기변색층 투명도전체 유리기판 x(m + + e - ) e e - M - WO 3 M x WO 3 + Transparent blue + - Figure 1. 전기변색윈도우구조와전기변색윈도우의착색 (coloration) 과탈색 (bleach) 원리. - 2 -
Table 2. 대표적인전기변색재료. 전기변색을이용하여주택이나건물의유리창으로사용되는예는그림 2 로나 타낼수있다. OFF State ( ) Intermediate State ON State ( ) Figure 2. 전기변색윈도우의작동예. 그림에서보는바와같이전기변색윈도우를사용하였을때 Off 상태에서는투명한상태로가시광선과태양에너지를실내에많이투과시킬수있지만, 중간상태에서는가시광선의투과율과전달되는태양에너지양을연속적으로조절이가능하다. On시에는가시광선과태양에너지의투과량을최소로줄일수있다. 또한유리판을두장으로하고그사이에아르곤과같은기체를주입하여전달되는에너지양 - 3 -
을최소로하는절연창을실현할할수있다. 이러한창문을실현함으로건물내부와외부의온도차에상관없는절연효과를통하여건물에들어가는냉난방비를절약할수있다. 전기변색소재의경우투과율은약 5 ~ 80 % 가변할수있으며이에상응하여태양열이득계수 ( 창문유리를통해서들어오는태양에너지비율 ) 는 0.1에서 0.5사이에서연속적으로조절이가능하다.( 그림 3) 따라서여름철의경우는가시광선투과를차단하고들어오는태양에너지를줄여줌으로써건물에들어가는냉방에너지를줄일수있고겨울에는반대로건물에서밖으로나가는에너지를줄여서난방에너지를줄일수있다. Solar Heat Gain Coefficient 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 Electrochromic Gray Tint Bronze Tint Clear dual pane Low-E Green Tint 0.3 Low-E SS Low-E 0.2 Titanium Blue Reflective SS Low-E/Gray SS Low-E/Green SS Antique Silver 0.1 SS Titanium Blue SS Stainless Steel 0.0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Visible Light Transmission(%) Figure 3. 전기변색소재및각종유리의가시광선투과율과태양에너지 이득계수차트. Figure 4. 전기변색윈도우의실제적용예. 있다. 전기변색의응용및상품화는 1 차적으로다음그림에서와같은예들을들수 - 4 -
Figure 5. 전기변색을이용한상품의예. 아울러이에더해다양한응용상품이가능하다. Figure 6. 전기변색소자의다양한응용분야. 국제기술동향을보면다음과같다. 미국에서는 DOE (Department of Energy) Electrochromic Initiative 프로젝트를수행중이다. Donnelly Corp. 와 OCL I(Santa Rosa, CA) 는 EIC Labs (Norwood, MA) 와 Anderson Windows (St. Paul, MN) 와파트너쉽을갖고대면적전기변색디바이스를개발하기로되어있고, 3M (St. Paul, MN) 과 SAGE Corp. (Piscataway, NJ) 는미국상공부의 NIST 지원하에플라스틱위에전기변색을개발중이고, LBNL (Lawrence Berkeley National Lab.) 에서는리튬과양성자저장을위한폴리머이온저장층을개발중이고, Southwall Technologies (Palo Alto, CA) 에서는폴리에스테르위에텅스텐옥사이드 /ITO 전기변색전극개발중이다. NREL (National Renewable Energy Lab.) 에서는전기변색윈도우의내구성연구및전기변색표준화작업을수행중이다. 영국에서는대규모 Joule 11 Commission of the European Communities(CEC) 프로젝트를 - 5 -
시작하였다. Pilkington PLC에서는 Joule 11 프로그램하에서다층전기변색글래이징수행중이고, University of Oxford에서는전기변색 NiO에관한연구진행중이고, 변색성과내구성이뛰어난결과를발표하고있다. Flachglas는최근 0.80 in 1.2 in의프로토타입변색글래이징을선보이고있고, 이윈도우는 T bleached = 65 ~ 20 % 영역의투과율을보였고, T colored = 45 ~ 10 % 를보이면서, 동시에응답속도는수분수준을기록하였다. 또한 14 % 의 T colored 를갖는 46 cm 78 cm의자동차용프로토타입선루프제작을기획중인것으로알려져있다. 웁살라대학 ( 스웨덴 ) 의 Granqvist그룹은 Coat AB( 스웨덴 ) 와 Leybold AG( 독일 ) 와연구를수행중이며, WO 3 와 NiO로구성된전기변색소자개발을진행하고있다. 이웃나라일본에서는에너지 Saving 빌딩프로그램의일환으로 Sunshine 프로젝트를시행중이다. 일본최대유리업체인 Asahi Glass에서는 LiWO 3 /metal oxide/nio를기초로한전기변색프로토타입전기변색윈도우 (0.4 in 0.6 in, 0.6 in 0.8 in) 개발하고있는데, 이시스템은에기초, 약 200장의프로토타입전기변색윈도우 (0.4 in 0.4 in) 가 Seto Bridge Museum (Kojima, Okayama-Pref., Japan) 에설치되었다. 전기변색및광전변환소재윈도우산업은일반유리 / 착색유리의저부가가치유리, 진공코팅반사유리, 열선반사유리 (Low-E glass), 투과율가변유리 ( 전기변색, SPD, 액정 ) 중에서투과율가변유리에속하여고부가가치의유리이므로고부가가치로인한경제산업적측면에서의높은부가가치가기대된다. 인텔리전트유리 / 필름의기술투자를통한실용화가가능할것이다. 태양광에의한에너지절약에따른에너지사용감소의경제적효과가예상된다. 에너지효율성윈도우의사용에의해서전세계에너지소비량의 3 % 를절감할수있는것으로예측되며, 이는경제적으로환산하면 263억불, 한화로 30조원이넘는금액이며, 국내는연간석유수입액이 100억불이상인것을감안할때연간 3,500억원에달하는외화를절감할수있을것으로기대된다. 전기변색소자는 21세기에너지 환경 자원등의보존및절약을위해반드시해결해야할중요한연구과제이기때문에국내뿐아니라전세계적으로큰의의를갖는다. 체계적인연구활동에의한유리 / 필름소자의제작은이분야의기술선점을이룸으로써고부가가치국가산업을창출하여경제산업적으로큰기여를할수있을것으로예상된다. 전극소재의국산화및기술선점을통한국제시장공략도가능할것이고, 이와관련하여산업체와의기술협력혹은벤쳐창업등을생각할수있을것이다. - 6 -