에너지에 고기능성을 접목한 미래형기술 "스마트윈도우"

[벽창호인테리어본사]

KISTI 산업정보분석실 김경호 (Tel: 02-3299-6010  e-mail: kimkho@kisti.re.kr)

에너지에 고기능성을 접목한 미래형 기술
스마트 윈도우

스마트 윈도우(smart window)란 외부에서 유입되는 태양광의 투과율을 자유롭게 조절할 수 있는 윈도우를 말하며, 이를 통해 에너지 손실을 줄임과 동시에 에너지 효율을 향상시키며 사용자에게는 쾌적한 환경을 제공하여 감성과 기능성을 동시에 만족시킬 수 있게 한다. 

스마트 윈도우는 처음에는 화학증착법이나 스퍼터링법으로 특정 물질을 유리에 혼입하여 일정 파장의 태양광을 차폐 또는 투과시키는 수동형 방법이었다. 그러나 최근엔 액정 등을 이용하여 인위적으로 가시광 전파장의 투과율을 조절할 수 있는 능동형 윈도우가 선을 보이고 있다. 이는 간단한 on-off 스위치 조작으로 순간적으로 상태를 전환할 수 있다. 외부 온도가 높아지면 자동적으로 윈도우의 색이 어두워져 외부의 열이 건물 내부로 투과되는 것을 막아주고, 외부 온도가 떨어지면 즉각 투명하게 바뀌면서 외부의 열이 건물 내부로 흘러들어가게 해 온도 조절이 가능하다. 즉 외부 기온에 따라 태양열 흡수율을 스스로 조절함으로써 계절에 맞추어 에너지를 절약하게 된다. 

스마트 윈도우의 자외선 차단특성, 가시광선 조절기능 및 적외선 반사 특성을 이용하여 자동차, 버스, 항공기, 기차 등 수송 분야를 비롯해, 최근엔 주택•인테리어 등 건축 분야, 디스플레이•반도체 등 정보표시 분야 등에 다양하게 응용되고 있다. 에너지 절감 및 고기능성 부여를 위한 미래형 기술로서 스마트 윈도우는 미국, 유럽, 일본 등의 선진국에서 지속적으로 용도를 개발하고 있고 일부 분야에서는 실제로 상품화되고 있어 향후 급속한 시장 확대가 예상되고 있다.

스마트 윈도우 예 (SWITCH Materials Inc)

낙관적인 미래 시장에 따른 기술개발 현황
스마트 윈도 기술은 수동형 스마트 윈도우(passive smart window)와 능동형 스마트 윈도우(active smart window)로 나눌 수 있다. 수동형 스마트 윈도우는 전기적 또는 전자적 시스템이 삽입되어 있지 않고, 윈도우를 구성하는 하나 이상의 구성 요소들이 수동적이지만 스마트한 기능(UV 차단, 태양광으로부터 열/IR 흡수)을 수행한다. 일반적으로 이 기술은 15년 이상 사용되어 오고 있으며, 이미 기술이 성숙해 있어 많은 부분에서 시장이 형성되어 있다. 수동형 스마트 윈도우의 한 가지 큰 단점은 필요 시 간단한 스위치 전환에 의해 기능적 이점(에너지 절약 효과 등)을 제공하지 못한다는 것이다. 이에 반해 능동형 스마트 윈도우 기술은 신속한 응답 시간을 나타내며, 이용자들에게 에너지 보존/절약, 프라이버시 보호, 편리성 등 많은 이점을 제공하고 있어, 이들 기술에 대한 시장 전망은 매우 낙관적이다.

능동형 스마트 윈도우는 기본적으로 전기변색(electrochromic)을 이용하는 기술로 전류와 같은 외부 자극(스위치 on/off)에 응답하여 필요 시 햇빛을 차단 또는 투과한다. 전기변색 스마트 윈도우 기술에는 고분자 분산형 액정 기술(Polymer Dispersed Liquid Crystal, PDLC), 분극 입자 배향형 소자 기술(Suspeneded Particle Device, SPD), 진공 스퍼터 코팅 전기변색 기술(Vacuum sputter coated electrochromic technology) 등 몇 가지 유형이 있다. 전기변색 기술 외에도 광변색 유리(Photochromic glass) 및 열변색 유리(Thermochromic glass)가 있다. 각각 장단점을 가지고 있으나, PDLC 기술이 현재 스마트 윈도우 시장에서 강력한 승자로 부상하고 있다.
 

미국, 일본, 유럽 등의 선진국에서는 스마트 윈도우가 차세대의 고기능성, 고부가가치의 제품으로 각광을 받게 되면서 에너지 절약형 인텔리전트 빌딩 및 각종 운송수단용 창호, 대형표시소자 등에 사용하기 위해 스마트 재료를 이용한 제품개발의 연구가 활발하다. 액정물질을 이용한 실내 칸막이와 전기변색 유리를 사용한 자동차용 미러 등의 분야에서 제품이 개발되고 있다. 국내에서는 여러 가지 스마트 재료 중 액정을 사용한 필름에 대한 기초연구가 KAIST, 화학연구소를 비롯한 관련 연구기관에서 수행된 것으로 알려져 있다.

이제 막 형성된 국내 시장과 향후 전망 
오랜 기간 틈새시장에 불과하던 스마트 윈도우 시장은 지금 에너지 보존, 그린 빌딩, 고 연비 자동차, 소비자의 새로움과 편리함에 대한 욕망 및 고품질 제품을 선호하는 신흥국(인도, 중국, 브라질 등)의 중산층 인구 출현에 의해 계속 확대되고 있다. 스마트 윈도우 기술은 이미 건축(주거용 및 상업용 빌딩) 및 수송(자동차, 비행기, 선박 등) 부문에서 큰 시장을 갖고 있다.

스마트 윈도우 시장은 재료/코팅 공급업자에서 유리 제조업자, 스마트 윈도우 제조업자, 그리고 최종 사용자(건축업자, 빌딩․주택 소유주, 수송수단(차량) 소유자)에 이르기까지 누구에게나 성장 기회를 제공하고 있다. 이 중 유리 제조업자가 스마트 윈도우 성장의 최대 수혜자가 될 것으로 보인다. 스마트 윈도우 기술의 주된 구성 요소는 스마트 필름 또는 스마트 글라스이다. 따라서 스마트 윈도우 시장에서 유리 공급업자는 가치사슬 내에서 그리고 최종 시장에서 상당한 영향력을 갖게 된다.

2012년 전체 스마트 윈도우 시장은 420억 달러, 이중 윈도우 필름 시장은 10억 달러(2.38%), 윈도우 글라스 시장은 408억 달러(97.62%)를 나타냈으며, 2019년엔 전체 스마트 윈도우 시장은 870억 달러, 이중 윈도우 필름 시장은 23억 달러(2.64%), 윈도우 글라스 시장은 849억 달러(97.36%)에 이를 것으로 전망된다. 2012-2019년 사이의 전체 스마트 윈도우 시장의 연평균 성장률은 11%로 예측된다. 윈도우 필름 시장의 구성을 보면, 2012년 수동형 6.4억 달러(61.6%), 능동형 4억 달러(38.4%), 2019년 수동형 11억 달러(46.9%), 능동형 12억 달러(53.1%)로 전망되어, 미래에는 능동형 필름의 수요(CAGR 17.33%)가 수동형 수요(CAGR 7.72%)를 훨씬 앞지를 것으로 보인다.

건축 시장에서 능동형 스마트 윈도우 기술은 PDLC 기반 윈도우와 함께 최근 출현했다. PDLC는 능동형 스마트 윈도우 건축 시장에서 선두이긴 하지만, 그 사용은 빌딩 내부의 프라이버시용으로 제한되고 있다. 수송부문(특히 자동차 눈부심 방지 미러)과 건축부문 시장은 전기변색 스마트 글라스에 의해 지배될 것으로 전망된다. 전체 능동형 스마트 윈도우 기술 시장은 2012년 9.1억 달러에서 2019년 42억 달러로 성장할 것으로 예측된다.

국내의 스마트 윈도우 시장은 이제 막 형성되기 시작하였으며, 정확히 시장규모를 추정하기 어려운 실정이나 최근 기술의 발달과 더불어 그 응용 분야의 확대에 따라 수천억 원에 달할 것으로 전망하고 있다. 현재는 주거용•인테리어용으로 한정되어 사용되고 있으나 향후 용도 확대에 따라 그 파급효과는 상당히 클 것으로 예상된다.

지속적 연구의 필요성과 성장 가능성
그린 빌딩과 에너지 절감 운동은 시장에서 스마트 윈도우에 대한 인지도를 높이고 있다. 최근 스마트 윈도우는 가시광선의 투과율 조절 뿐 아니라 자외선 차단 및 적외선 반사 기능을 동시에 구비한 것이 개발되고 있어, 기존 액정 제품의 대체와 함께 커튼이 필요 없는 건축용 창호 등 새로운 수요를 창출하고 있다. 이는 실내의 조명부하와 냉•난방 부하를 줄일 수 있는 이점이 있다.

그러나 현재까지 개발된 스마트 윈도우는 광 투과율의 연속적 변화, 색상 문제, 가격 문제, 그리고 내구성 문제 등으로 인해 사용에 많은 제한을 받고 있는 실정이다. 따라서 이러한 문제를 해결하기 위한 연구가 지속적으로 이루어질 필요가 있다. 이 새로운 차세대 윈도우는 빌딩의 실내온도 제어 시스템의 구성 요소로 진화함에 따라 HVAC(냉난방공조) 제품, 블라인드, 커튼, 차양(shade) 제조업 및 조명 시스템 제조업 등 많은 산업에 직접적인 영향을 줄 것으로 기대된다.

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