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▲ 재료연 연구진이 개발한 다색 전기변색 소자가 인가 전압에 따라 파랑·초록·노랑으로 색상이 변화한다. ((a) A4 크기 스마트 윈도우, (b) 중면적 소자, (c) 패턴형 멀티컬러 디스플레이)

한국재료연구원(KIMS)이 전기 신호만으로 노랑·초록·파랑 세 가지 색을 구현할 수 있는 다색 전기변색 스마트 유리 핵심 소재를 개발, 고가의 진공 장비 없이도 대면적 생산이 가능해 스마트 윈도우와 차세대 디스플레이 분야의 소재 국산화와 상용화에 기여할 것으로 기대된다.

한국재료연구원(원장 최철진)은 에너지·환경재료연구본부 김소연·임동찬 박사 연구팀이 용액 공정 기반의 다색 전기변색 소자를 국내 최초로 개발했다고 6일 밝혔다.

전기변색 소재는 전압을 가하면 색상이나 빛 투과율이 변하는 기능성 소재로, 낮은 전력만으로 작동하고 전원을 차단해도 변화된 상태를 일정 시간 유지할 수 있어 스마트 윈도우와 차세대 디스플레이 핵심 기술로 주목받고 있다.

하지만 현재 상용화된 전기변색 소재는 대부분 텅스텐 산화물(WO₃) 기반으로 파란색 단색 구현에 머물러 있어 디자인 창호와 자동차 컬러 유리, 광고·인테리어용 디스플레이 등 다양한 산업 분야로의 확장에 한계가 있었다.

이에 여러 색 구현이 가능한 바나듐 산화물(V₂O₅)이 대안 소재로 주목받아 왔지만, 전기가 잘 통하지 않아 색 변화가 느리고 반복 사용 시 성능이 떨어지는 문제가 있었다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 바나듐 산화물(V₂O₅) 나노와이어와 전도성 고분자(PEDOT:PSS)를 결합한 하이브리드 소재를 개발했다. 이를 통해 바나듐 산화물의 낮은 전기전도성 문제를 개선하면서 노랑·초록·파랑 세 가지 색을 빠르고 안정적으로 구현하는 데 성공했다.

연구팀은 물에 원료를 녹인 뒤 고온·고압에서 반응시키는 수열합성법으로 제조한 바나듐 산화물 나노와이어를 전도성 고분자와 혼합해 잉크 형태의 소재를 제작한 뒤 유리 기판에 코팅했다. 그 결과, 면저항을 97% 이상 낮춰 전기전도성을 크게 향상시켰으며, 전압 변화만으로 약 5초 만에 세 가지 색을 안정적으로 구현했다.

또한 개발된 소자는 600회 반복 구동 이후에도 안정적인 내구성을 유지했으며, 색 변화 전후의 빛 투과율 차이를 나타내는 광학 변조율도 43% 이상 확보해 실제 육안으로도 뚜렷한 색 변화가 확인됐다.

이번 기술은 고가의 진공 증착 장비 없이 바 코팅과 전기분무 등 용액 공정만으로 A4 크기의 대면적 소자 제작이 가능하다는 점에서도 의미가 크다. 향후 롤투롤(Roll-to-Roll) 공정과 연계하면 건축물과 자동차용 스마트 윈도우를 비롯해 멀티컬러 디스플레이, 눈부심 방지 미러, 플렉서블 웨어러블 기기 등 다양한 제품을 저비용으로 생산할 수 있을 것으로 보인다.

또한 용액 공정 기반의 대면적 제작이 가능해 건물 외벽 일체형 에너지 절감 시스템 등 친환경 건축 분야로의 확장도 기대된다. 아울러 해외 기술 의존도가 높은 전기변색 소재의 국산화를 통해 수입 대체 효과는 물론 해외 시장 진출과 수출 경쟁력 확보에도 기여할 것으로 전망된다.

김소연 재료연 책임연구원은 “기존 단색 전기변색 기술로는 다양한 산업 수요를 충족하는 데 한계가 있었다”며 “이번에 개발한 하이브리드 소재는 스마트 윈도우뿐 아니라 멀티컬러 디스플레이와 플렉서블 웨어러블 기기 등 다양한 응용 분야의 제품 경쟁력을 높일 수 있을 것”이라고 말했다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 지원을 받아 한국재료연구원 기본사업과 한국연구재단 나노소재기술개발사업, 나노커넥트 사업을 통해 수행됐으며, 연구 결과는 화학공학 분야 국제학술지 Chemical Engineering Journal에 지난 5월 22일 온라인 게재됐다.

출처 : 신소재경제(https://www.amenews.kr/)