재료硏, 다색 전기변색 스마트 윈도우 핵심 소재 국산화 개발

- 용액 공정만으로 빠른 색 전환과 우수한 내구성 갖춰 

- 진공 장비 없이 대면적 제작 가능 

- 에너지 절감형 스마트 윈도우 및 차세대 디스플레이 핵심 소재 국산화 기대

연구진 사진. 왼쪽부터 KIMS 김소연 책임연구원(제1저자), 임동찬 책임연구원(교신저자). (자료제공: 재료硏)

다색 전기변색 소자가 인가 전압에 따라 파랑·초록·노랑의 세 가지 색으로 변하는 모습. (자료제공: 재료硏)

한국재료연구원(KIMS, 원장 최철진)는 에너지·환경재료연구본부 김소연, 임동찬 박사 연구팀이 하나의 소재로 노랑·초록·파랑 세 가지 색을 빠르고 안정적으로 구현하는 용액 공정 기반의 다색 전기변색 소자를 국내 최초로 개발했다고 7월 6일 밝혔다. 

이번 기술은 기존의 ‘어둡게만 변하던 창문’을 ‘색을 조절하는 스마트 유리’로 진화시킨 성과로, 스마트 윈도우와 저전력 컬러 디스플레이 상용화를 앞당길 핵심 소재 기술로 주목된다.

전기변색 소재는 전기 신호에 따라 색이나 빛 투과율이 변하는 소재이다. 낮은 전력으로 작동하고 전기를 끊어도 변화된 상태가 일정 시간 유지돼 스마트 윈도우와 차세대 디스플레이 분야의 핵심 기술로 꼽힌다. 

그러나 현재 상용화된 전기변색 소재는 대부분 텅스텐 산화물(WO₃) 기반의 파란색 단색 변색에 머물러 있어, 다양한 색 표현이 필요한 디자인 창호, 자동차용 컬러 유리, 광고·인테리어용 디스플레이로 확장하는데 한계가 있었다. 

이에 여러 색 구현이 가능한 바나듐 산화물(V₂O₅)이 대안 소재로 주목받아 왔지만, 전기가 잘 통하지 않아 색 변화가 느리고 반복 사용 시 성능이 떨어지는 문제가 있었다.

연구팀은 이러한 바나듐 산화물의 한계를 해결하기 위해, 바나듐 산화물 나노와이어와 전기가 잘 흐르도록 돕는 전도성 고분자(PEDOT:PSS)를 결합해 노랑·초록·파랑 세 가지 색을 빠르고 안정적으로 구현하는 다색 전기변색 하이브리드 소재 기술을 개발했다. 

이는 바나듐 산화물이 가진 다색 구현 장점은 살리면서 낮은 전기전도성 문제를 보완해, 기존 다색 전기변색 소재의 약점이던 느린 색 전환과 낮은 반복 안정성을 동시에 개선한 것이 핵심이다.

연구팀은 물에 원료를 녹인 뒤 고온·고압에서 반응시키는 수열합성법으로 머리카락보다 훨씬 가는 바나듐 산화물 나노와이어를 만들고, 이를 전도성 고분자와 섞어 잉크 형태의 소재로 제조했다. 

이 소재를 유리 위에 얇게 입힌 결과, 전기 흐름을 방해하는 정도인 면저항을 97% 이상 낮춰 전기가 훨씬 잘 흐르도록 개선했으며, 전압 변화만으로 노랑·초록·파랑 세 가지 색을 약 5초 만에 안정적으로 전환했다. 

특히 단일 소재 기반 소자는 100회 이내 반복 구동에서도 초기 성능 대비 저하가 나타난 반면, 개발된 하이브리드 소재는 600회 반복 구동 후에도 안정적인 내구성과 색 변화 전후의 빛 투과율 차이를 뜻하는 광학 변조율을 43% 이상 확보해, 실제 눈으로도 색 변화가 뚜렷하게 보이는 스마트 유리 소재임을 입증했다.

이번 기술은 고가의 진공 장비 없이도 제작할 수 있다는 점에서 산업적 의미가 크다. 기존 고성능 전기변색 소자가 고가의 진공 장비에 의존했던 것과 달리, 연구팀은 바 코팅과 전기분무 등 용액 공정만으로 A4 크기의 대면적 소자 제작을 입증했다. 

향후 롤투롤(Roll-to-Roll) 공정과 연계하면 건축물·자동차용 스마트 윈도우, 광고·인테리어용 멀티컬러 디스플레이, 눈부심 방지 미러, 플렉서블 웨어러블 기기 등 다양한 제품을 보다 낮은 비용으로 생산할 수 있을 것으로 기대된다. 

또한 용액 공정 기반의 대면적 제작이 가능해 건물 외벽 일체형 에너지 절감 시스템 등 친환경 건축 분야로도 확장 가능하다. 특히 고성능 전기변색 소재의 해외 의존도가 높은 상황에서, 이번 성과는 소재 국산화에 따른 수입 대체 효과는 물론 다색 구현·빠른 응답속도·대면적 양산성을 동시에 갖춘 차별화된 기술 경쟁력을 바탕으로 향후 해외 시장 진출과 수출 경쟁력 확보에도 기여할 전망이다.

연구 개발을 주도한 KIMS 김소연 책임연구원은 “전기변색 소재는 에너지 절감형 스마트 윈도우와 차세대 디스플레이의 핵심 소재지만, 단색 위주의 기존 기술로는 다양한 산업 수요를 충족하기 어려웠다”며 “이번에 개발한 바나듐 산화물 나노와이어와 전도성 고분자 기반 하이브리드 소재는 노랑·초록·파랑 세 가지 색을 자유롭게 구현할 수 있어 건축물·자동차용 스마트 윈도우는 물론 멀티컬러 디스플레이와 플렉서블 웨어러블 기기 등 다양한 분야의 제품 경쟁력을 높일 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 지원을 받아 KIMS 기본사업과 한구연구재단 나노소재기술개발사업, 나노커넥트를 통해 수행됐다. 연구 결과는 화학공학 분야의 세계적 학술지인 ‘케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal)’에 2026년 5월 22일 온라인 게재됐다. 

연구팀은 현재 풀컬러 구현을 위한 발색 소재 조합 확장 연구와 롤투롤 공정 기반 대면적 양산화 연구 등 후속 연구를 이어가고 있다.

[Ceramic Korea (세라믹뉴스)=이광호 ]