창문은 빛과 열을 받아들이는 데 매우 기본적인 필수품이지만 항상 두 가지를 동시에 원하는 것은 아니다. 이제 노스캐롤라이나 주립대학교(NCSU)의 엔지니어들은 창문이 세 가지 모드 사이를 쉽게 전환할 수 있는 새로운 소재를 개발했다.
새로운 동적 창은 빛과 열을 허용하는 일반 투명 모드, 열을 차단하지만 빛에 투명한 상태를 유지하는 모드, 빛을 일부 차단하지만 열은 차단하지 않는 색조 모드 사이를 전환할 수 있다. 이를 통해 사용자는 모든 계절에 걸쳐 보호받을 수 있다.
이 모든 것의 핵심은 산화텅스텐이라는 작은 물질로, 전기변색 원리에 따라 작동하는 동적 창에 자주 나타난다 . 일반적으로 투명한 산화 텅스텐은 전기 신호를 가하면 어두워지고 빛을 차단하므로 필요에 따라 착색되는 창문에 유용하다 .
그러나 새로운 연구에서 NCSU 연구원들은 숨겨진 새로운 속임수를 발견했다. 물을 첨가하면 산화텅스텐 수화물로 바뀌며, 이것이 전기 변색 창에 사용될 때 추가 설정을 제공한다.
스위치를 끄면 빛과 열이 투과되어 빛과 열이 최대한 많이 필요한 추운 겨울날에 이상적이다. 일부 전자와 리튬 이온이 재료에 주입되면 먼저 가시광선 파장에 대해 투명함을 유지하면서 적외선(열로 느껴짐)을 차단하는 단계를 거친다. 그리고 마지막으로 더 많은 전자가 물질에 전달되면서 가시광선과 적외선을 모두 차단하는 어두운 단계로 전환되어 여름에 적합하다.
정확히 왜 텅스텐 산화물 수화물이 이와 같이 작동하는지는 불확실하지만 NCSU 과학자들은 가설을 가지고 있다.
이번 연구의 제1저자인 Jenelle Fortunato는 “결정 구조에 물이 존재하면 구조의 밀도가 낮아지므로 리튬 이온과 전자가 재료에 주입될 때 구조가 변형에 더 잘 견딥니다.”라고 말했다. “우리의 가설은 산화텅스텐 수화물이 변형되기 전에 일반 산화텅스텐보다 더 많은 리튬 이온을 수용할 수 있기 때문에 두 가지 모드를 갖게 된다는 것이다. 리튬 이온과 전자의 주입이 광학 특성에 영향을 주지만 구조적 변화가 아직 발생하지 않은 경우 적외선을 흡수하는 '쿨' 모드가 있다. 그리고 구조적 변화가 일어난 후에는 가시광선과 적외선을 모두 차단하는 '다크' 모드가 있다.”
개발 중에는 동적 창이 부족하지 않지만 하나의 시스템에서 이렇게 많은 모드를 사용하는 경우는 많지 않다. 그렇게 하면 일반적으로 더 큰 설정이 필요하다. 이 경우 하나의 재료만 필요하므로 유리의 두께와 에너지 요구 사항을 일반 오래된 산화 텅스텐 창과 거의 동일하게 유지해야 한다.
연구의 공동 교신저자인 Delia Milliron은 “스마트 윈도우 커뮤니티에 이미 잘 알려진 단일 재료의 이중 대역(적외선 및 가시광) 조명 제어의 발견은 향상된 기능을 갖춘 상용 제품의 개발을 가속화할 수 있습니다.”라고 말했다.
이번 연구는 ACS Photonics 저널에 게재되었다. 출처: NCSU
