실내 온도 낮추고 빗방울로 전력 생산하는 '스마트 창문'

서울대

스마트 창문의 투명 히터 기능을 이용하면 가시성을 확보할 수 있다. 서울대 제공.

빗방울의 마찰 전기를 활용해 전력을 생산하고 전력 소비 없이 냉방 에너지를 확보할 수 있는 스마트 창문 기술이 개발됐다. 추운 날에는 성에를 없앨 수 있어 사계절 활용도가 높은 창문 기술이다. 

서울대는 고승환 기계공학부 응용 나노 및 열공학 연구실 교수 연구팀이 전력 소비 없이 실내 온도를 낮추고 전력도 생산하는 ‘다기능 스마트 창문 기술’을 개발했다고 13일 밝혔다. 

최근 ‘제로 에너지’를 넘어 ‘플러스 에너지’를 구현하는 건축물이 에너지 자립을 위한 중요한 과제로 떠오르고 있다. 플러스 에너지 빌딩은 에너지 부하를 줄이는 것을 넘어 에너지를 생산할 수 있는 건물이다. 

건물은 기본적으로 내부 열 관리에 막대한 에너지를 소비한다. 지구온난화로 더워진 탓에 특히 냉방 수요 증가로 인한 에너지 사용량이 많다. 빌딩 창문들은 태양광 흡수율이 높고 반사광은 적어 냉방 시 막대한 에너지 손실의 원인이 된다. 

이 문제를 해결하기 위해 연구팀은 새로운 스마트 창문을 개발했다. 기존 스마트 창문은 창문 색깔을 변경해 태양광 세기를 조절하는 방식으로 냉각 기능을 구현한다. 냉각되는 동안 창문 본연의 기능인 투과도를 유지하지 못하고 불투명한 상태가 된다는 한계가 있다. 

연구팀은 창문 투명도를 손상시키지 않는 기술을 개발했다. 투명도를 유지하면서 전기 없이 냉각을 하는 ‘투명 복사 냉각 기술’을 개발한 것이다. 떨어지는 물방울이 창문과 맞닿는 순간 발생하는 마찰 전기를 이용해 전력을 생산하는 ‘자가 발전 기술’도 개발했다. 창문에 끼는 성에를 제거하는 ‘투명 히터 기술’도 개발해 복사 냉각, 전력 생산, 성에 및 서리 제거 등 3가지 기능을 하나의 소자로 구현했다. 

전기 전도성이 우수하고 독특한 광학적 특성이 있는 은과 인듐주석산화물(ITO)의 적층 구조를 이용해 3가지 기능을 한꺼번에 구현할 수 있었다. 

투명 복사 냉각 기술은 실내로 들어오는 태양광을 최소화하고 복사열은 외부로 방출해 실내 온도를 낮춘다. 태양광 중 우리 눈에 보이는 가시광선 영역만 창을 통과시키고 근적외선 영역의 태양광은 선택적으로 반사시켜 냉각 기능을 극대화했다. 냉매를 사용하는 기존 에어컨과 달리 별도의 전기 에너지 소비 없이도 냉각 성능을 구현할 수 있다. 

비가 오는 날에는 빗방울이 창문과 맞닿을 때 발생하는 마찰 전기로 전력을 생산할 수 있도록 했다. 은과 ITO 적층 구조는 전기 전도성이 뛰어나기 때문에 마찰 전기를 수확하고 자가 발전할 수 있다.

추운 날 창문에 끼는 성에나 서리를 신속하게 제거해 가시성을 확보하는 기술은 투명 전극을 통한 줄 발열의 히터 기능을 이용했다. 줄 발열은 전류가 흘러 열이 발생하는 과정을 의미한다. 

연구팀은 개발한 스마트 창문이 일반 창문 대비 약 7도 낮은 온도를 유지하는 것을 확인했다. 비가 내리는 환경을 모사한 실험에서는 물방울 하나로 제곱미터당 8.3W(와트)의 전력이 생산됐고, 줄 발열을 통해 일반 창문 대비 2배 빠른 속도로 성에가 제거된다는 점도 확인됐다.
 
고 교수는 “화석연료 고갈과 지구온난화에 대응하는 ESG 실천에 최적화된 차세대 스마트 윈도우 기술을 제시한 이번 성과가 향후 플러스 에너지 기술 기반 건물 및 친환경 전기차 산업 분야의 기술 발전에 귀중한 통찰력을 제공하리라 기대한다”며 “특히 스마트 윈도우는 환경 오염을 해결하고 냉방 에너지를 저감할 뿐 아니라 자가 전력 생산 기술을 통해 기존 배터리 기술의 한계도 극복했기 때문에 다양한 산업 분야에 활용될 것으로 예상한다"고 말했다. 연구 결과는 국제학술지 ‘나노 에너지’ 10월호에 실린다. 

(왼쪽부터) 정영주 서울대 기계공학부 박사, 이진우 동국대 기계로봇에너지공학과 교수, 고승환 서울대 기계공학부 교수. 서울대 제공.

[문세영 기자 moon09@donga.com]