거울도 되고 유리도 되는 거울유리

AIST(National Institute of Advance Industrial Science and Technology; 국립 고등 산업 과학 기술원)의 지속 가능한 개발을 위한 자원 연구기관의 에너지 컨트롤 박막 그룹(Energy Control Thin Film Group of the Materials Research Institute for Sustainable Development)의 책임연구원 카주키 요시무라(Kazuki Yoshimura)는 산후 바오(Shanhu Bao) 연구원과 공동으로 반사거울을 투명한 유리로 바꿀 수 있는 거울유리를 위한 박막을 개발했다.

 

이제까지의 연구에서는 마그네슘-니켈(magnesium-nickel) 합금으로 만든 박막을 사용했다.

그러나 이 재질은 투명한 유리가 되면 노란색을 띠는 문제가 있다.

이 노란색은 건물이나 자동차 창문에 사용하기에는 적합하지 않아 실제 응용에 장애 요인이었다.

새로 개발된 박막은 마그네슘-티타늄(magnesium-titanium) 합금으로 만들었다.

이 박막으로 가로 60cm 세로 70cm크기의 유리를 만들었다.

이 시제품이 반사거울에서 투명한 유리로 바뀐다는 점은 확인했다. 

 

 

거울 유리는 내부 표면이 이 박막으로 코팅된 두개의 층으로 되어있다.

1%정도의 낮은 농도의 수소나 20%정도 농도의 산소를 함유한 기체를 두 층 사이에 주입하여 거울에서 유리로 유리에서 거울로 바꿔준다.

 

이 거울유리는 투명도와 색상을 조절할 수 있다.

이 유리를 건물이나 자동차의 창문에 사용할 경우 상당히 많은 양의 에너지를 절약할 수 있다.

그동안 여러 종류의 스위치 가능한 거울유리가 개발 되었다.

전기 신호에 따라 유리의 색깔 변화로 빛의 투과율을 조절하는 전기 크롬화 유리(electrochromic glasse)는 이미 상업화 되었다.

그러나 이런 제품들은 에너지 효율문제를 해결 하지 못했다.

빛의 투과율을 조절하는 색상을 띠는 박막은 빛을 흡수하면 유리의 온도가 올라간다.

온도가 올라가면, 실내에 적외선을 방출하게 되고 유리의 에너지 효율이 떨어지게 된다.

이런 단점을 극복하기 위해서는 빛의 흡수가 아니라 빛의 반사로 빛의 투과율을 조절하는 반사 물질이 이상적이다.

1996년에 네덜란드의 한 연구진이 이트리윰(yttrium)과 란탄늄(lanthanum)으로 얇은 층의 팔라디윰(palladium) 박막을 개발했다.

이 박막은 수소화와 탈수소화 반응에 따라 반사 거울에서 투명한 유리로 바뀌는 제품이었다.

그러나 이 재질은 너무 희귀하고 비싸서 큰 창문과 같은데 쉽게 응용 할 수 없었다.

미국의 로렌스 버클리 국립연구소(Lawrence Berkeley National Laboratory)의 연구진은 마그네슘-니켈 합금으로 스위치 가능한 박막 거울을 개발했다.

이 제품은 투명한 상태에서도 짙은 갈색을 띠어 선명한 시야를 확보할 수 없다.

 

따라서 투명성이 높으면서도 값싸고 스위치 가능한 재질을 개발해야 했다.

우리는 박막 증착 장비를 이용해 마그네슘과 티타늄을 동시에 유리판에 증착해 40나노미터 두께의 마그네슘-티타늄 합금 박막을 만들었다.

이 위에 4나노미터 두께의 팔라디윰 박막을 진공 증착해 스위치 가능한 박막을 만든 것이다.

이를 유리에 대면 반사 거울이 되지만 산소가 없는 수소기체에 노출되면 다시 투명한 유리로 변한다.

수소가 없는 산소기체에 노출되면 다시 반사 거울로 변한다.

이런 변화는 정말 인상적이다.

실제 사용되는 스위치 가능한 창문은 안쪽을 박막으로 코팅한 두층의 유리로 되어있다.

1%정도의 낮은 수소농도를 함유한 기체와 20%정도의 산소농도의 기체를 이 두 창 사이에 주입함으로써 스위치가 일어난다.

이 변화 과정에 사용되는 수소와 산소는 물분해로 쉽게 생산할 수 있다.

 

우리는 가로 60cm 세로 70cm 크기의 시제품을 개발해 테스트 해봤다.

이 박막의 스위치 기능은 훌륭했다.

이 제품은 풀 사이즈로 생산된 첫 번째 스위치 가능한 거울유리이다.

우리는 반복되는 스위칭으로 인해 생기는 제품의 내구성 문제를 개선하기 위한 기술을 개발 중이다.

동시에 이 박막이 유리 이외에도 다양한 투명 물질에 적용될 수 있기 때문에 연구소의 지원을 받고 있는 "에너지의 효율적 사용을 위한 전략적 기술개발" 프로젝트의 일환으로 이 물질로 코팅한 다양한 스위치 가능한 거울 필름들을 개발하고 있다.

우리는 이 박막을 단지 창문에 붙이기만 해도 에너지를 절약할 수 있는 기술 개발에 더 박차를 가할 것이다.

 

출처: AIST