개보수가 쉬운 페로브스카이트 열변색 스마트윈도우의 기술개발 동향

[사무국]

화학‧화공‧섬유 분과 변선호

  오늘날 국가 에너지 소비의 약 40%는 건물이 차지하며 건물 외피 중 유리 창호의 에너지 손실이 최대인데 창면적비가 나날이 높아져 창호를 통한 에너지 손실은 계속 증가하고 있다. 국토가 좁은 국가에서 건물 창호는 에너지 생산/ 절감과 온실가스 절감의 일석이조를 달성하는 제로에너지 건물(ZEB)에 공헌할 수 있으나 아직 건물 창호 등에 재생 에너지 이용을 규격화한 국가는 찾기 힘들다. 

  여러 재생 에너지 중 신뢰성은 높지만, 고비용인 실리콘 태양전지의 차세대 태양전지-박막 경제적 고효율 반투명 페로브스카이트 태양전지(ST PSC)가 개발되어 기대를 모으고 있다. 그러나 평균 가시광 투과도(AVT) 약 20%와 전력 변환 효율(PCE) 약 10% 두 성능의 동시 만족이 어려워 상용화가 지연되고 있다. 인버터 등의 전기공사비 및 기존 건물에는 적용이 어려운 점도 걸림돌이 되고 있다.

  여름철 폭염에 에어컨이 있는 노인층의 사망률이 해마다 증가하여 사회문제가 되고, 개인의 프라이버시가 중요시 되는 오늘날 한번 투자로 기후 변화에 자동 대응 속도가 빠른 스마트 윈도우가 생활의 질을 높일 수 있다.

  건물 일체형 태양전지(BIPV)를 목표로 일찍이 상용화된 전기변색(EC) 스마트윈도우는 태양전지가 만드는 전자의 다공성 WO3 환원/착색 반응을 이용한 고신뢰성 기술이지만 2014년 약 100만 원/㎡의 고비용으로 보급이 부진하였다. low-e 신화를 창조한 미국 DoE는 2014년경 2025년까지의 BIPV용 스마트윈도우의 구체적 개발 로드맵을 발표했으나 결과는 만족스럽지 못한 실정이다. 

  전기공사비가 불필요한 열변색(TC) 스마트윈도우는 VO2 기술이 대표적이다. 주위 온도가 전이온도(Tc)보다 높으면 VO2 박막은 루타일 금속상(불투명)이 되어 적외선을 실 외로 내쏘고, Tc보다 낮으면 단사정계 반도체(절연체 상)가 되어 투명해져 실내로 적외선을 들여보낸다. 이렇게 on-off의 광학적 스위치가 일정한 주기로 반복되는 스마트 윈도우가 되지만 아직 Tc가 너무 높은 등, 비실용적이다. 

  TC 기술의 수화겔은 물속에서 팽윤해도 윤곽이 뚜렷한 친수성 가교고분자 사슬이다. TC 수화겔은 저임계전이 온도 미만에선 분자 간 수소결합이 고투과도의 친수성을 갖지만 이보다 온도가 상승하면 빛을 산란시켜 급격히 저투과도의 소수성이 되어 장파장 적외선 방출률을 높여 저온의 외부로 태양복사 냉각을 만들어 여름철 열취득을 줄인다. 반대로 0.3 수준의 low-e는 겨울에 주위로 열복사를 억제하여 열을 보존한다. 입자 크기가 온도에 따르는 투과도 변조능력이 우수한 수화겔을 이용한 MIT 팀의 스마트윈도우가 20~40℃에서 재현성과 안정성이 확인되었다. 

  최근 노후건물의 개보수가 쉽도록 전기공사가 필요 없는 열변색 페로브스카이트 스마트윈도우(TPSW) 연구가 활발하다. 이 재료는 결정 형성에너지가 적어 실온 20℃ 부근의 낮은 Tc 가능성이 보기기 때문이다. 고체상태에서 상-전이 가 일어나므로 엄밀한 밀봉이 덜 필요하고 착색 고온 상태에서 비용은 증가해도 전기 생산도 가능하다. 

<그림 1> 페로브스카이트 할로겐화물의 상-전이 개략도, Nat. Mater. 17, 261(2018).

  TPSW 개척자 Halder 등은 수화물 페로브스카이트의 열변색 현상이 MAPbI3 전구체에서 MAI의 양이 PbI2의 2배로 될 때 잉여 MAI가 주위 습기와 작용하여 더 안정된 0D 이수화(MA)4PbI6·2H2O) 상으로 수화되는 가역적 수화/ 탈수 과정에 연유함을 밝혔다. 저온 상태 (25℃)의 이수화물은 열에 의해 착색 고온상태(60℃)로 되면 작은 띠틈의 3D 페로브스카이트 상이 되어 적은 광기전력을 보인다. 탈수 냉각하면 투명한 3D MAPbI3로 되지만 광기전력은 매우 적다. 변색 사이클의 열처리 후 스핀 코팅 제조 셀의 PCE 1.2%는 BIPV에 유망한 전기생산의 한 예이다. 최근 열변색에서 바라던 실용적 Tc 20℃를 미국 NREL이 달성하였다. 미국 내 8개 기후 지역 내 건물을 시뮬레이션 연구하였는데 전지역 모두 에너지절감 40%, 온실가스 배출감소 40%를 보였다. 시범 12층 건물의 ZEB도 달성하였다. 착색/탈색 차이가 전기변색보다 덜 선명하고 전기 생산이 없지만 마천루 적용 연구에 큰 기대가 된다.