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[액체 창문] 연구원들은 창문을 통해 투과되는 빛의 파장, 강도 및 분산을 최적화하여 난방, 냉방 및 조명 건물의 에너지 비용을 줄일 수 있는 다층 유체 시스템을 개발했다. 오징어 피부에서 영감을 얻은 '액체 창'은 건물이 변화하는 환경에 반응하고 에너지 비용을 절약하는 데 도움이 될 수 있다.

https://news.engineering.utoronto.ca/liquid-windows-inspired-by-squid-skin-could-help-buildings-react-to-changing-environments-save-on-energy-costs/

JM Kim | 기사입력 2023/02/01 [00:00]

[액체 창문] 연구원들은 창문을 통해 투과되는 빛의 파장, 강도 및 분산을 최적화하여 난방, 냉방 및 조명 건물의 에너지 비용을 줄일 수 있는 다층 유체 시스템을 개발했다. 오징어 피부에서 영감을 얻은 '액체 창'은 건물이 변화하는 환경에 반응하고 에너지 비용을 절약하는 데 도움이 될 수 있다.

https://news.engineering.utoronto.ca/liquid-windows-inspired-by-squid-skin-could-help-buildings-react-to-changing-environments-save-on-energy-costs/

JM Kim | 입력 : 2023/02/01 [00:00]

U of T Engineering 연구원들이 개발한 이 플랫폼은 오징어와 같은 유기체의 역동적인 색상 변화 피부에서 영감을 받았다. 기존 기술과 비교할 때 단순한 기성품 구성 요소를 사용하기 때문에 비용을 낮게 유지하면서 훨씬 더 많은 제어 기능을 제공한다.

 

PNAS에 발표된 새 논문의 수석 저자인 최근 졸업생인 Raphael Kay(MIE MASc 2T2) "건물은 내부 공간을 가열, 냉각 및 조명하기 위해 엄청난 양의 에너지를 사용한다."라고 말한다.

 

"건물에 들어오는 태양 에너지의 양, 유형 및 방향을 전략적으로 제어할 수 있다면 히터, 냉각기 및 조명에 요청하는 작업량을 크게 줄일 수 있다."

 

현재 자동 블라인드 또는 전기 변색 창(전류에 따라 불투명도가 변경됨)과 같은 특정 '스마트' 빌딩 기술을 사용하여 실내로 들어오는 햇빛의 양을 제어할 수 있다. 그러나 Kay는 이러한 시스템이 제한적이라고 말한다. 서로 다른 파장의 빛을 구별할 수 없으며 빛이 공간적으로 분산되는 방식을 제어할 수 없다.

 

"햇빛에는 건물의 조명에 영향을 미치는 가시광선이 포함되어 있지만 본질적으로 열이라고 생각할 수 있는 적외선과 같은 다른 보이지 않는 파장도 포함되어 있다."고 그는 말한다.

 

“겨울의 한낮에는 둘 다 들여보내고 싶겠지만, 여름의 한낮에는 열이 아닌 가시광선만 들여보내고 싶을 것이다. 현재 시스템은 일반적으로 이를 수행할 수 없다. 둘 다 차단하거나 둘 다 차단하지 않는다. 그들은 또한 유익한 방식으로 빛을 인도하거나 산란시키는 능력이 없다.”

 

Ben Hatton 교수(MSE)가 이끄는 Kay와 팀이 개발하고 박사 후보인 Charlie Katrycz(MSE) Alstan Jakubiec 교수(Daniels Architecture)가 포함된 이 시스템은 미세 유체역학의 힘을 활용하여 대안을 제시한다.

 

그들의 프로토타입은 유체가 펌핑될 수 있는 밀리미터 두께의 채널 배열로 스며든 평평한 플라스틱 시트로 구성된다. 맞춤형 안료, 입자 또는 기타 분자를 유체에 혼합하여 어떤 종류의 빛(: 가시광선 대 근적외선 파장)을 제어하고 이 빛이 분산되는 방향을 제어할 수 있다.

 

이 시트는 다층 스택으로 결합될 수 있으며 각 층은 강도 제어, 파장 필터링 또는 실내 투과광 산란 조정과 같은 다양한 유형의 광학 기능을 담당한다. 소형 디지털 제어 펌프를 사용하여 각 층에서 유체를 추가하거나 제거함으로써 시스템은 광 투과를 최적화할 수 있다.

 

“간단하고 비용이 적게 들지만 놀라운 조합 제어도 가능하다. 우리는 기본적으로 광학 특성 측면에서 원하는 모든 작업을 수행하는 액체 상태의 동적 건물 외관을 설계할 수 있다.”라고 Kay는 말한다.

 

이 작업은 올해 초 같은 팀이 개발하고 Nature Communications에 발표된 주입된 색소를 사용하는 또 다른 시스템을 기반으로 한다. 이 연구가 해양 절지동물의 색상 변화 능력에서 영감을 얻었지만 현재 시스템은 오징어의 다층 피부와 더 유사하다.

 

많은 오징어 종의 피부에는 빛 흡수를 조절하는 색소포와 반사와 무지개빛에 영향을 미치는 홍채포를 포함하여 특수 기관이 쌓인 층을 포함하고 있다. 개별적으로 주소를 지정할 수 있는 이러한 요소는 결합된 작업을 통해서만 가능한 고유한 광학 동작을 생성하기 위해 함께 작동한다.

 

University of T Engineering 연구원이 프로토타입에 집중하는 동안 Jakubiec은 이러한 유형의 동적 외관에서 가상 건물을 덮을 때 잠재적인 에너지 영향을 분석하는 상세한 컴퓨터 모델을 구축했다.

 

이러한 모델은 프로토타입에서 측정된 물리적 특성에 의해 정보를 얻었다. 팀은 또한 변화하는 주변 조건에 대응하여 레이어를 활성화 또는 비활성화하기 위한 다양한 제어 알고리즘을 시뮬레이션했다.

 

"근적외선의 투과를 조절하는 데 초점을 맞춘 단 하나의 레이어만 있다면, 따라서 스펙트럼의 가시적 부분에 손을 대지 않고도 정적 기준선에 비해 난방, 냉방 및 조명 에너지를 연간 약 25% 절약할 수 있다는 것을 알게 되었다.”라고 Kay는 말한다.

 

“적외선과 가시광선의 두 레이어가 있으면 50% 정도이다. 이것은 매우 중요한 절감 효과이다.”

 

이 연구에서 제어 알고리즘은 인간에 의해 설계되었지만 이를 최적화하는 문제는 인공지능에 이상적인 작업이 될 것이며 연구의 향후 방향이 될 것이라고 Hatton은 지적한다.

 

"학습할 수 있고 이 동적 배열을 자체적으로 조정하여 태양 조건의 계절 및 일별 변화에 최적화할 수 있는 건물에 대한 아이디어는 우리에게 매우 흥미진진하다."라고 그는 말한다.

 

“우리는 또한 건물 전체를 실제로 덮을 수 있도록 효과적으로 확장하는 방법을 연구하고 있다. 작업이 필요하겠지만 간단하고 독성이 없으며 비용이 저렴한 재료로 이 모든 작업을 수행할 수 있다는 점을 고려하면 해결할 수 있는 과제이다.”

 

보다 광범위하게, Hatton은 이 연구가 다른 연구자들이 건물에서 에너지를 관리하는 새로운 방법에 대해 보다 창의적으로 생각하도록 장려하기를 희망한다.

 

"전 세계적으로 건물이 소비하는 에너지의 양은 막대하다. 우리가 제조 또는 운송에 소비하는 것보다 훨씬 크다."라고 그는 말한다. "우리는 건물을 위한 스마트 재료를 만드는 것이 더 많은 관심을 받을 만한 도전이라고 생각한다."

 

 
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