습도·빛 강도 따라 색 변하는 ‘스마트 윈도우’ 구현
포스텍·카이스트 공동연구
2020-05-26 이예진기자
햇빛의 강도에 따라 창문의 색이 변하는 스마트 윈도우는 여름철 가시광선 투과를 차단해 냉방비용을 줄일 수 있는 기술로 기대를 모으고 있는데 포스텍과 카이스트 공동연구팀이 습도에 따라 색이 변하는 창문을 구현하는데 성공해 관심을 모으고 있다.
빛을 이용한 센서는 심전도, 대기질, 거리측정 등 우리 생활에 이미 많이 활용되고 있다. 기본원리는 빛을 이용해 주변의 변화를 감지하고 이를 디지털 신호로 변환하는 것이다.
패브리-페로 간섭은 광학 센서에 사용 가능한 공진 현상 중 하나로 금속-유전체-금속 형태의 다층박막으로 구현 가능하다.
이때 투과된 빛의 공진 파장은 유전체의 두께와 굴절률에 따라 조절 가능함이 알려져 있다.
다만 기존의 금속-유전체-금속 공진기에서는 한번 제작된 이후로 투과되는 빛의 파장을 조절할 수 없다는 큰 단점이 있어 가변형 센서에 사용하기에는 어려움이 있었다.
연구팀은 키토산 하이드로겔을 금속-하이드로겔-금속 형태로 제작할 경우, 주변 습도에 따라 실시간으로 투과되는 빛의 공진 파장이 변함을 발견했다. 키토산 하이드로겔이 주변의 습도 변화에 따라 팽창과 수축을 반복하기 때문이다.
이에 외부습도에 따라 공진 파장이 변하는 금속-하이드로겔-금속 구조를 이용한 ‘수분 가변형 파장칠터’를 태양전지와 결합해 빛에너지를 자가전력으로 전환할 수 있는 ‘수분센서’를 개발했다.
설계 원리는 필터의 공진파장을 태양전지의 흡수도가 급격하게 변하는 파장대와 겹치도록 하는 것이다.
이 필터는 수분량에 따라 태양전지의 빛 흡수량이 변하고 이 변화에 따라 전류변화로 이어져 주변 습도를 감지할 수 있도록 설계됐다.
이번에 개발된 센서는 기존 광학 습도센서와는 다르게 자연광, LED, 실내등빛의 종류와 관계없이 작동했다. 또한 외부 전원이 필요 없을 뿐만 아니라 필터의 색 변화에 따라 습도를 예측할 수 있다.
노준석<사진> 교수는 “외부습도를 감지해 작동하는 수분센서나 습도에 따라 색을 바꾸는 스마트 윈도우 등 IoT 기술과 결합이 된다면 더 큰 시너지를 낼 것”이라고 말했다.