KAIST, 가시광 투과율 조절 가능한 '능동형 광학 필름' 개발… 세계 최고 수준

그림 (a) 근접장 나노패터닝과 함침공법을 이용하여 제작된 정렬 다공성 3차원 탄성중합체(PDMS), (b) Al2O3를 이용한 3차원 PDMS의 표면 코팅 이후, (c) 다시 PDMS로 기공을 채운 나노복합체의 모식도 및 전자주사 현미경 이미지. (d) 굴절률이 일치돼 투명한 상태의 신축성 광학 필름, (e) 당겨 늘렸을 때 경계면에서 발생하는 작은 구멍의 광학 산란 현상을 이용한 불투명 상태의 신축성 광학 필름./자료제공=KAIST

국내 연구진이 에너지 절감형 스마트 윈도우 등으로 활용 가능한 새로운 광학 필름 제작 기술을 개발했다.

이 기술은 기존 창호시스템을 교체하지 않고도 투과율을 큰 폭으로, 또 자유롭게 조절할 수 있어 폭 넓은 응용이 가능할 것으로 기대된다.


KAIST는 전석우 신소재공학과 교수와 홍정욱 건설및환경공학과 교수·신종화 신소재공학과 교수 등이 참여한 공동연구팀이 3차원 나노 복합체를 이용, 에너지의 효율적인 신축변형을 통해 세계 최고 수준의 가시광 투과율 조절이 가능한 능동형 광학 필름을 개발했다고 14일 밝혔다.

이번 연구 결과는 재료 분야의 세계적인 학술지인 '어드밴스드 사이언스' 4월 26일자 온라인판에 게재됐다.

연구팀은 정렬된 3차원 나노 네트워크에 기반한 신축성 나노 복합체를 이용해 가시광 투과율을 최대 90%에서 16%까지 조절 가능한 넓은 면적의 광학 필름 제작에 필요한 원천 기술을 확보했다.


이는 기존 2차원 필름의 수준을 훨씬 뛰어넘는 세계 최고 수준의 기술이다.

연구팀은 정렬된 3차원 나노구조 제작에 효과적인 근접장 나노패터닝 (PnP) 기술과 산화물 증착(증기를 표면에 얇은 막으로 입힘)을 정교하게 제어할 수 있는 원자층 증착법(ALD)을 이용했다.

이를 통해 주기적인 3차원 나노쉘 구조의 알루미나가 탄성중합체에 삽입된 신축성 3차원 나노복합체 필름을 현존하는 광학 변조 필름 중 가장 큰 면적인 3인치×3인치 크기로 제작하는 데 성공했다.

광학 필름을 약 60% 범위에서 당겨 늘리는 경우 산화물과 탄성중합체의 경계면에서 발생하는 수없이 많고 작은 구멍에서 빛의 산란 현상이 발생하는데 연구진은 이를 이용, 세계 최고 수준의 가시광 투과율 조절 범위인 약 74%를 달성했다.

동시에 1만회에 걸친 반복적인 구동 시험과 굽힘과 뒤틀림 등 거친 변형, 70℃ 이내 고온 환경에서의 구동, 물속에서의 구동 특성 등을 확인한 결과 높은 내구성과 안정성을 확인했다.

이와 함께 재료역학·광학적 이론 해석을 바탕으로 경계면에서 발생하는 광 산란 현상 메커니즘도 규명하는 데 성공했다.

공동연구팀이 개발한 이 기술은 기존 창호 시스템 교체 없이도 간단한 얇은 필름 형태로 유리 표면에 부착해 투과율 조절이 가능한 에너지 절감형 스마트 윈도우로 활용이 가능하다.

이 밖에 두루마리 타입의 빔프로젝터 스크린 응용 등 감성 혁신적인 폭넓은 응용이 가능할 것으로 기대된다.

전석우 교수는 "신산업 첨단소재인 스마트 윈도우 시장 규모는 매년 연평균 16.61%씩 성장해 오는 2023년이면 823억달러(94조원)에 이를 것으로 전망된다" 며 "이 기술이 다양한 소재, 부품, 시스템 분야에 폭 넓게 적용돼 시장을 선점할 수 있도록 노력할 것"이라고 말했다.