기술은 상용화 단계 넘어섰지만 문제는 높은 가격 
최근 스마트 글라스(smart glass)를 창문에 적용해 날씨, 시간, 디스플레이, 블라인드, 온도, 영상통화 등의 기능이 있는 IT기술을 접목한 스마트 윈도우(smart window) 창호 개발에 대한 관심이 높다. 디스플레이기능까지 더한 스마트 윈도우는 일반 창문과 달리 사용자에게 고도의 편의를 제공하기 때문에 차세대 미래형 건축자재로 각광받고 있는 것이다.
다양한 디스플레이 기능이 탑재된 스마트 윈도우가 실제 우리 삶속에 들어오기까지 앞으로 몇 년 더 기다려야 할지 모른다. 하지만 스마트 윈도우 개발의 초석이 되는 유리창의 색을 자유자재로 바꾸거나 빛의 투과율을 조절할 수 있는 스마트 글라스(투과도 가변유리, 조광유리) 기술은 상용화 단계에 접어들었다는 평가다. 월간 창호기술 스페셜 리포트에서는 최근 업계 및 연구기관에서 기술개발에 활기를 띄고 있는 스마트 글라스 시장 동형을 살펴봤다.
‘스마트 글라스’가 바꿔 놓을 우리의 일상
“우리집은 아침에 들어오는 태양빛을 커튼이나 블라인드로 가릴 필요가 없다. 우리집 창문에는 태양빛의 세기에 따라 광투과율을 스스로 조절하여 눈부심 없이 적절한 햇빛을 실내에 도달하게 해주는 스마트 글라스가 적용됐기 때문이다. 우리집 스마트 글라스는 유리의 색농도를 변화시켜줌으로써 보다 편안한 분위기와 에너지절감효과를 동시에 제공한다”
“아이들을 유치원에 보내기 위해 그녀는 아이들 옷을 챙기기 위한 날씨 정보를 그녀의 집안에 설치된 스마트 윈도우를 활용하여 확인을 한다. 아이들을 보낸 후 집안을 환기시키기 위해 그녀는 스마트 윈도우를 터치함으로써 자동으로 창문을 열고 아침 대청소를 시작한다. 청소를 하고 다시 스마트 윈도우를 터치하여 문을 닫고, 집안 온도조절을 위해 스마트 윈도우의 자체 블라인드를 작동시킨다”
이밖에도 수많은 스마트 윈도우 사용자 시나리오가 존재한다. 창문뿐만 아니라, 다양한 영역에도 사용될 수 있다는 것이 장점이다. 화장실의 세면대가 거울의 기능과 동시에 오늘의 일정, 온도, 날씨 등등을 알려주며 음악을 들을 수도 있고 뉴스나 영상을 볼 수 있다면, 그 만큼의 정보를 얻는데 다른 기기를 이용하지 않고 시간을 절약할 수 있다. 또한 옷장이나 부엌의 창문처럼 다양하게 쓰인다면 그 효과는 배가 된다.
이처럼 사람은 매일 창문을 보고 지나고 또한 관리를 하게 되는데 이 창문이 수동적 기능뿐만 아니라 다양한 기능을 갖춘 능동형 창문이라면 사람의 생활은 점차 편리해지고 삶이 윤택해 질 수 있다. 미래 기술로 평가받는 IT를 접목한 스마트 윈도우 기술의 초석은 스마트 글라스에서부터 시작된다.
스마트 글라스의 개념은 용도에 따라 다양하게 정의 할 수 있다. 일반적으로 알고 있는 상식에서 스마트 글라스는 외부에서 유입되는 태양광의 투과율을 자유롭게 조절하여 에너지 손실을 줄이는 동시에 에너지 효율을 향상시켜 사용자에게 쾌적한 환경을 제공하는 감성과 기능을 모두 만족시키는 유리를 말한다. 버튼을 누르면 투명상태가 불투명하게 되거나, 바깥 온도가 올라가면 색이 짙어지고 온도가 내려가면 투명해져 태양열 흡수율을 스스로 조절하는 것이 가장 대표적인 기능이다. 스마트 글라스는 자외선 차단특성, 가시광선 조절기능 및 적외선 반사 특성을 이용하여 자동차, 버스, 항공기, 기차 등 수송 분 야뿐만 아니라, 최근에는 주택·인테리어 등 건축 분야, 디스플레이· 반도체 등 정보표시 분야 등에 다양하게 응용되고 있다.
스마트 글라스는 미국 폴라로이드社를 창시한 에드윈 랜드 박사가 최초로 개발했다고 알려져 있다. 그 후 스마트 글라스 기술은 세계 각국에서 지속적으로 연구되어 오다 1990년 우리나라에서 건축 창호용 제품에 이 기술을 도입·응용해 2003년 정도부터 본격 개발되기 시작했다.
‘스마트 글라스’ 기술, 전기 변색 방식과 고분자 분산 액정 방식이 주도
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스마트 글라스 기술은 수동형과 능동형으로 나눌 수 있다. 수동형은 화학 증착법이나 스퍼터링법으로 특정 물질을 유리에 혼입하여 일정 파장의 태양광을 차폐 또는 투과시키는 방법으로 주로 UV 차단, 태양광으로부터 열/IR 흡수를 수행한다. 이 기술은 현재 상용화되고 있으며 기술적으로도 성숙돼 있는 상태이다.
능동형 스마트 글라스 기술은 신속한 응답 시간을 나타내며, 이용자들에게 에너지 절약, 프라이버시 보호, 편리성 등 많은 이점을 제공한다.
스마트 글라스의 가장 기본이 되는 핵심원리는 전류 흐름에 따라 투과도가 변하는 물질을 통해 태양광의 투과율을 자유롭게 조절할 수 있는 유리 또는 필름을 창문에 장착하는 것이다.
스마트 글라스는 외부의 전기 변색(Electrochromic, EC)이나 빛의 파장(Photochromic, PC), 온도(Thermochroic, TC)의 변화에 따라 가역적으로 색 변화를 유도하는 변색 방식(Chromic Display, CD), 분극 입자 배향형 소자 기술(Suspended Particle Device, SPD), 고분자 분산형 액정 기술(Polymer Dispersed Liquid Crystal, PDLC) 등 다양한 유형이 있다. 각각의 기술별로 장단점을 가지고 있으나 가장 기술개발이 활발한 분야는 전기 변색(EC)과 고분자 분산형 액정기술(PDLC)기술이다.
- 고분자 분산 액정 방식(Polymer Dispersed Liquid Crystal, PDLC)
마이크론 크기의 액정 입자(droplets)들이 고분자 매트릭스 내에 고르게 분산되어 있는 구조를 지닌 고분자 분산 액정 복합체는 외부 전압에 의한 액정 입자와 고분자 간의 굴절률 차이에 의해 투과율이 조절된다. 보통 상태(off-state)에서 불규칙하게 정렬되어 있는 액정 입자들은 고분자 매트릭스와의 굴절률 차이로 인해 흡수된 빛이 산란되지만 전기를 인가(on-state)하면 입자들이 규칙적으로 배향되고 굴절률의 일치를 유도하여 투명해진다.
장점은 공정이 비교적 간단하며 편광판을 사용하지 않아 광 추출효율을 높일 수 있다는 점이며 단점은 높은 문턱 전압과 재현성이 떨어진다는 점이다.
- 전기 변색 방식(Electrochromic, EC)
전기 변색은 전기화학적 외부 자극에 의해 착색(coloring)과 탈색(bleaching)이 가역적으로 일어나는 현상을 말한다. 자연광의 흡수를 이용하기 때문에 눈을 부시게 하거나 어색함을 느끼는 것이 없고 시야각 의존성이 적으며 소비전력이 낮은 장점이 있다. 현재 대형 건물의 에너지 절감이나 자동차의 눈부심 방지 목적으로 응용되고 있으나 정보 제공용 디스플레이로도 활용이 기대되고 있다.
국내 기업 및 연구기관에서 ‘스마트 글라스’ 출시 활발
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스마트 글라스는 그 동안 주로 해외시장에서 개발이 활발했지만 최근에는 국내에서도 스마트 기술 개발이 활발하게 진행되면서 기업과 연구기관에서 지속적으로 기술을 업그레이드시키며 관련 제품을 선보이고 있다.
한글라스는 지나 2014년 전기적 장치를 통해 태양광을 감지하면 유리색이 변하는 타입의 ‘세이지 글라스(Sage Glass)’와 온도에 따라 유리색이 변하는 제품 2종을 선보이고 있다.
세이지 글라스는 시간별 태양고도에 따른 태양빛의 실내 유입을 자동으로 감지해서 실내의 조도 및 태양열 취득량을 별도의 차양장치 없이 조절해 준다. 전기 자극을 통해 자동 혹은 매뉴얼로 유리 색을 변화시켜 일조량을 조절하는 방식이다.
조명비용은 최대 60%, 상업시설용 냉방부하는 최대 20%, 난방·공조기 사이즈는 25%까지 절감이 가능하다.
열을 감지하여 스스로 색이 변하는 스마트 글라스는 서모크로믹(Thermochromic)타입으로 태양 직사광선으로 인해 유리표면이 가열되면 색이 자동으로 짙어지는 필름을 사용한 유리이다. 여름철 무더위에는 스스로 색이 짙어져 실내에 유입되는 태양열을 차단, 실내 냉방부하를 줄여준다. 이 제품은 판교 SK에코허브에 적용되기도 했다.
정밀화학 전문 업체 단석산업에서도 올해 6월 스마트 글라스 신제품 ‘더 블루(The VLU)’를 출시했다. 단석산업은 지난 10년간의 연구 및 서울대와의 공동개발을 통해 원천기술을 확보, 기능성 유리를 제조할 수 있는 기반을 마련했고 독일업체와의 기술 협력을 통해 생산기술을 확보하면서 스마트 글라스를 선보이고 있다. 이 제품은 일반 이중, 삼중 유리의 성능을 만족하면서 광 투과율을 조절하는 특징을 갖고 있어 여름철 자외선 차단에 최적이다.
스마트 글라스 ‘더 블루’는 전기적 장치를 통해 태양광을 감지하면 자동으로 유리색이 변해 태양빛과 자외선을 차단시켜준다.
(주)알루이엔씨 역시 최근 전기 변색 방식의 스마트 글라스를 개발했다. 국책과제 연구로 개발된 알루이엔씨의 전기 변색유리는 5단계로 설정해 여름철 일사광부하를 전기적으로 상변화하여 조절이 가능한 스마트 글라스로 스마트 소재 형태로서 보통 IT결합 형태로 구동되며 비용적 측면에서 의미 없는 전기만을 소모하는 형태이다.
IT 부품소재 전문 업체 네패스에서도 스마트 글라스를 개발하고 있다. 네패스 전자소재연구소에서는 네패스 디스플레이 등 여러 관계사와 협업하여 전기변색 방식의 스마트 글라스를 개발 중에 있다. 네패스의 스마트 글라스는 기존 전기변색 기술에 비해 변색속도를 개선시킴과 동시에 스마트폰 앱으로 간단하게 전기변색을 조절할 수 있는 샘플도 개발한 상태이다.
소재 기업 제이캠은 투명전극 용액으로 스마트 글라스 시장을 공략히고 있다. 제이캠이 개발한 투명전극 용액은 전도성 고분자로 만들어진다. 제이캠은 투명전극 용액을 상용화하는 첫 공략 대상을 스마트 글라스로 정했다. 제이캠은 이 기술을 활용 일본 숙박 업체에 스마트 글라스를 공급했으며 국내 호텔과 병원 등에 스마트 글라스를 적용하기 위해 노력하고 있다.
미국 스마트 글라스 공급업체 PLEOTINT도 스마트 글라스를 공급하고 있다. PLEOTINT 제품은 가시광선 투과율 65∼70%로 태양열에 의해 색깔이 변하면서 자외선을 100% 차단하고 외부 태양열에 의한 솔라에너지는 97% 막아준다. SHGC값이 0.5(∼0.09)∼0.8(∼0.16)로 유리가 열을 머금고 통과시키지 않으며 색상만 그레이에서 진한그레이로 변한다. 로이유리와 같이 적용되면 최상의 에너지효율과 함께 접합 복층유리 제품으로 안전성까지 겸비한다.
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연구기관에서의 스마트 글라스 연구개발도 활발하다. 지난 8월 한국기계연구원은 나노응용역학연구실과 한국과학기술원 공동 연구팀이 광반응 전기변색 투명종이를 개발했다고 밝혔다. 광반응 전기변색 투명종이는 빛에 따라 투과 정도를 조절시키는 게 특징이다.
지금까지는 외부의 전력원이 반드시 필요하며 투명한 유리로 만들기에 이동성이 떨어지고 유연한 제품에는 활용할 수 없었다. 연구팀은 나노 셀룰로오스 섬유 위에 나노 사이즈로 만든 투명한 은 나노선과 그래핀 박막을 그물망처럼 코팅해 전기가 통하면서 종이 같이 얇고 휘어지는 종이를 제작했다.
전자부품연구원의 연구 활동도 활발하다. 전자부품연구원의 ‘태양광 유입량 자동조절 유리’는 창호를 통해 건축물 내부에 유입되는 적외선 파장대역을 차폐할 수 있는 나노박막소재 및 근적외선 반사 또는 흡수용 원천재를 개발, 이 기술을 바탕으로 근적외선 반사 유리의 고굴절률/저굴절률 다중 코팅막을 이용해 상대적으로 에너지가 높은 800~1,300nm 파장 영역의 근적외선만을 효율적으로 반사시킬 수 있는 코팅유리를 적용한 제품이다.
전자부품연구원의 또 다른 그래핀 기반의 스마트 글라스 기술은 계절 및 외부온도에 따라 적외선 투과율이 능동적으로 조절돼 실내로 유입되는 태양열의 이용 효율을 높여 건물의 냉난방부하를 절감 시킬 수 있는 기술이다.
한국에너지기술평가원은 한양대학교, 서울대학교, 울산대학교와 스마트 윈도우 사업단 공동 연구 체계를 구축하고 대면적 스마트 글라스에 대한 연구를 현재 활발히 진행 중에 있다.
높은 가격 부담은 해결해야 할 과제
스마트 글라스의 기술은 햇빛차단과 사생활 보호 기능을 넘어 보다 진일보한 기술로 계속 발전 중에 있다. 하지만 기술적으로 좀 더 보완되어야 할 부분도 분명 있다. 구현 가능한 색상이나 내구성 문제를 포함하여 태양광 투과율을 자유자재로 조절하는 상용화 단계까지는 아직 좀 더 보완이 필요하다는 게 업계 관계자 의견이다.
특히 광 투과율의 연속적 변화, 대면적화 공정 개발은 스마트 글라스가 지금보다 적용이 확대되는데 개선돼야할 기술로 꼽힌다. 더불어 경제성 문제도 꼭 해결해야 할 과제이다. 현재 스마트 글라스는 적용 현장이 많지 않아 단가를 추산하기 어렵지만 보통 대형 건축물에 적용될 때 ㎡당 약 250만원 수준으로 파악되며 전원주택 등 일반 소비자가 개별적으로 시공을 원할 경우는 ㎡당 약 300만원 수준을 상회한다는 게 업계 관계자 의견이다.
업계 관계자는 “스마트 글라스 기술이 복잡하고 구현하기가 까다로워 제조도 쉽지 않다”며“ 스마트 글라스가 보다 상용화되기 위해서는 기술적인 부분보다 단가를 낮출 수 있는 경제성을 확보하는 게 가장 시급하다. 최근 스마트 글라스를 출시하는 기업들도 단가 책정 때문에 고민이 많은 것으로 알고 있는 것으로 파악하고 있다”고 말했다.
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