[창원=뉴시스]홍정명 기자 = 한국재료연구원(KIMS)은 에너지·환경재료연구본부 김소연·임동찬 박사 팀이 전기 신호에 따라 노랑·초록·파랑 세 가지 색 구현이 가능한 '용액 공정 기반의 다색 전기변색 소자'를 국내 최초로 개발했다고 6일 밝혔다.

'전기변색 소재'는 전기 신호에 따라 색이나 빛 투과율이 변하는 소재를 말한다. 낮은 전력으로 작동하고 전기를 끊어도 변화된 상태가 일정 시간 유지돼 스마트 윈도우와 차세대 디스플레이 분야 핵심 기술로 꼽힌다.

그러나 현재 상용화된 전기변색 소재는 대부분 텅스텐 산화물(WO3) 기반의 파란색 단색 변색에 머물러 있어 다양한 색 표현이 필요한 디자인 창호, 자동차용 컬러 유리, 광고·인테리어용 디스플레이로 확장하는데는 한계가 있었다.

아울러 여러 색 구현이 가능한 바나듐 산화물(V2O5)이 대체용 소재로 주목받았지만 전기가 잘 통하지 않아 색 변화가 느리고 반복 사용 시 성능이 떨어지는 문제가 있었다.

이에 김소연·임동찬 박사팀은 바나듐 산화물의 한계를 극복하기 위해 바나듐 산화물 나노와이어와 전기가 잘 흐르도록 돕는 전도성 고분자(PEDOT:PSS)를 결합해 노랑·초록·파랑 세 가지 색을 빠르고 안정적으로 구현하는 다색 전기변색 하이브리드 소재 기술 개발에 성공했다.

바나듐 산화물이 가진 다색 구현 장점은 살리면서 낮은 전기전도성 문제를 보완해 기존의 다색 전기변색 소재 약점이던 느린 색 전환과 낮은 반복 안정성을 동시에 개선한 것이다.

연구팀은 물에 원료를 녹인 뒤 고온·고압에서 반응시키는 수열합성법으로 머리카락보다 훨씬 가는 바나듐 산화물 나노와이어를 만들고, 이를 전도성 고분자와 섞어 잉크 형태의 소재로 제조했다.

제조한 소재를 유리 위에 얇게 입힌 결과 전기 흐름이 훨씬 개선됐고, 전압 변화만으로 노랑·초록·파랑 세 가지 색이 약 5초 만에 안정적으로 전환됐다.

특히 단일 소재 기반 소자는 100회 이내 반복 구동에서도 초기 성능 대비 저하가 나타난 반면, 개발한 하이브리드 소재는 600회 반복 구동 후에도 43% 이상 광학 변조율을 확보해 실제 눈으로도 색 변화가 뚜렷하게 보이는 스마트 유리 소재임을 입증했다.

이번 기술은 기존 고성능 전기변색 소자가 고가의 진공 장비에 의존했던 것과 바 코팅과 전기분무 등 용액 공정만으로 A4 크기의 대면적 소자를 제작해 산업적 의미가 크다.

향후 롤투롤(Roll-to-Roll) 공정과 연계하면 건축물·자동차용 스마트 윈도우, 광고·인테리어용 멀티컬러 디스플레이, 눈부심 방지 미러, 플렉서블 웨어러블 기기 등 다양한 제품을 보다 낮은 비용으로 생산할 수 있을 것으로 기대된다.

또한 용액 공정 기반의 대면적 제작이 가능해 건물 외벽 일체형 에너지 절감 시스템 등 친환경 건축 분야로도 확장 가능하다.

연구팀은 현재 풀컬러 구현을 위한 발색 소재 조합 확장 연구와 롤투롤 공정 기반 대면적 양산화 연구 등 후속 연구를 이어가고 있다.

책임연구원인 김소연 박사는 "개발한 바나듐 산화물 나노와이어와 전도성 고분자 기반 하이브리드 소재는 노랑·초록·파랑 세 가지 색을 자유롭게 구현할 수 있어 건축물·자동차용 스마트 윈도우는 물론, 멀티컬러 디스플레이와 플렉서블 웨어러블 기기 등 다양한 분야의 제품 경쟁력을 높일 수 있을 것"이라고 강조했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 지원을 받아 KIMS 기본사업과 한구연구재단 나노소재기술개발사업, 나노커넥트를 통해 수행됐으며, 연구 결과는 화학공학 분야 세계적 학술지 '케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal, IF 12.5)' 온라인 판에 5월 22일 게재됐다.


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