대부분의 인구가 밀집된 중위도 지역에서는 계절에 따른 채광 및 난방이 큰 문제다. 겨울철에 대비하여 햇빛을 많이 들어오게 하고 열기가 밖으로 빠져나가지 못하게 설계하면, 반대로 여름철에 문제가 생기기 때문이다.

이 같은 문제를 해결할 수 있는 가장 좋은 방법 가운데 하나가 바로 서로 투과율이 다른 창문을 상황에 따라 바꿔 다는 것이다. 하지만 현실적으로 볼 때 이런 방법은 우선 불편하고, 비용 및 시간도 많이 소요된다. 따라서 많은 과학자들이 상황에 따라 투과율이 달라지는 ‘스마트 창문(Smart Window)’을 개발하기 위해 노력하고 있다.

첨단기술 전문 매체인 '기즈맥(Gizmag)'은 지난 7월 24일자 기사를 통해 미국의 과학자들이 가시광 및 적외선의 투과율이 다른 스마트 창문을 개발 중이라고 보도하면서, 향후 주택이나 빌딩은 물론 자동차에도 적용될 것으로 보인다고 전망했다. (전문 링크)

빛에 대한 투과성이 달라지는 물질 개발

창문은 스마트 빌딩이나 신재생에너지 주택 등을 개발하는데 있어 핵심이라 할 수 있다. 스마트 빌딩이나 신재생에너지 주택들은 창문을 통해 들어오는 햇빛을 활용하여, 에너지를 확보하거나 조명 시스템에 반영하기 때문이다.

문제는 이런 창문들이 계절의 상황에 따라 적절하게 변화하지 못한다는 점이다. 더운 여름과 추운 겨울, 그리고 온화한 봄과 가을에 맞춰 햇빛의 양을 받아들이는 정도가 달라져야 실내가 쾌적하게 유지되는데, 지금까지는 이런 작업을 사람이 직접 하는 수밖에 없었다.

미 텍사스공대의 ‘델리아 밀리론(Delia Milliron)’ 교수와 연구진은 이 같은 점에 주목했다. 자신들이 연구해 왔던 물질인 ‘산화인듐(ITO) 나노크리스탈’과 ‘니오븀 산화티타늄(TiO2) 나노크리스탈’이 문제의 해결책이 될 수 있을 것으로 본 것이다.

밀리론 교수는 “산화인듐 나노크리스탈은 전기 신호에 따라 빛에 대한 투과성이 달라지는 물질”이라고 설명하며 “우리는 이 물질을 기반으로 더 새로운 기능을 가진 물질을 연구했다”라고 밝혔다.

이렇게 개발된 니오븀 산화티타늄 나노크리스탈은 더 놀라운 성질을 가지고 있다. 이 물질은 전압에 따라서 가시광선 영역에서 투과성이 변하는 것은 물론, 열을 전달하는 역할을 하는 근적외선 영역의 투과성까지 변경시킬 수 있다.

다시 말해 니오븀 산화티타늄 나노크리스탈로 코팅된 창문은 태양 복사선의 투과도를 조절할 수 있다는 것이다. 서로 다른 전압에서 발견되는 두 가지 형태의 충전 메커니즘에 따라, 이 재료는 선택적으로 가시광선 또는 적외선을 차단할 수 있다.

이와 관련하여 밀리론 교수는 “만약 햇빛과 더불어 난방까지 해야 하는 상황이라면 모든 파장의 태양빛을 투과시키면 된다”라고 말하며 “반면에 냉방을 해야 하지만 채광이 필요한 경우에는 가시광선 영역에서만 빛을 투과시키는 모드로 전환하면 된다”라고 덧붙였다.

그녀는 “만약 블라인드를 쳐야 하는 상황이라면 당연히 가시광선과 적외선을 모두 차단시키면 되기 때문에, 그야말로 창문이 스마트해지는 것이라 생각하면 된다”라고 설명했다.

냉방과 난방 방식의 수시 전환 가능

연구진은 이번 결과에 대해 그동안 비효율적 시스템으로 여겨져 왔던 ‘냉방방식(cool mode)’과 ‘난방방식(warm mode)’의 전환에 대해 혁신적인 진보를 이루게 되었다고 자평하고 있다. 과거에는 이 두 방식 간 전환을 위해 수 시간이 필요했지만, 기술이 완성되면 단지 2~3 분 정도만이 걸리기 때문이다.

연구진의 발표에 따르면 니오븀 산화티타늄 나노크리스탈은 최대 80%의 가시광과 90%의 적외선 파장을 차단할 수 있는 것으로 나타났다. 밀리론 교수는 “이 같은 기능은 적외선을 차단하면서도 가시광선을 투과시킬 수 있기 때문에, 여름철 건물이나 주택의 에너지 비용을 절감하는데 도움을 주게 될 것”이라고 밝혔다.

반대로 가시광선은 차단하고 적외선을 투과시키는 난방방식은 추운 겨울에 유용한 방식이다. 통과시키는 적외선은 실내로 들어와 난방에 도움이 되고, 가시광선은 차단시켜 햇빛의 눈부심을 막는 것이 가능해진다.

그녀는 “일부에서는 에너지 비용 절감을 위해 기존 창문을 없애고 스마트 창문을 장착하는 것이 더 비효율적”이라고 말하지만 “재료를 코팅한 필름을 부착하기만 하면 기존 창문을 교체할 필요가 전혀 없다”라고 강조했다.

창호 업계도 실제 상용화 단계까지 여러 가지 검증을 거쳐야 하고, 경제성 등도 고려해야 하지만 스마트 창문의 개념 자체는 발전성이 대단히 높을 것으로 예상하고 있다.

이 외에도 스마트 창문 기술은 현재 자동차 분야에서 많은 관심을 가지고 있는 것으로 알려져 주목을 끌고 있다. 특히 햇빛을 막기 위해 자동차 창문을 코팅하는 경우가 많은데, 스마트 창문 기술이 적용된다면 코팅 할 필요 없이 상황에 따라 자동차 창문의 기능을 바꿀 수 있을 것으로 자동차 전문가들은 예상하고 있다.