(왼쪽부터)이길주 교수, 김영재 박사, 홍미진 박사과정생, 김선경 연구원.(사진=부산대 제공)

부산대학교는 전기전자공학부 이길주 교수팀과 한국세라믹기술원 김영재 박사팀이 공동연구를 통해 차량 및 건물 외벽 적용을 위한 색 가변 열 조절 유리를 개발했다고 27일 밝혔다.

이 유리는 가시광 대역은 물론, 장적외선 ‘대기의 창’ 영역의 반사율까지 조절할 수 있어 복사 냉각 또는 광열 효과를 이용한 가열 등 다양한 열 관리 기능을 선택적으로 구현할 수 있다.

연구팀은 은의 탈습(脫濕) 현상을 활용해 가시광 및 장적외선 대역의 광학 특성을 조절할 수 있는 열 조절 유리를 개발했다.

이 구조는 금속-절연체-금속 적층 구조 내 공진(특정 진동수에서 진폭이 증가) 현상을 기반으로 하며, 시안(Cyan, 청록색), 마젠타(Magenta, 자홍색), 노랑(Yellow)과 같은 감산혼합 방식의 색상 표현이 가능하다. 특히 이 기술은 별도의 전력 공급 없이 광열 현상에 기반한 가열 또는 복사 냉각이 가능하다는 장점이 있으며, 기계적 장치 없이도 수증기 증발을 유도할 수 있어 자동차 유리나 건물 외벽 등 다양한 환경 응용에 적합하다.

연구팀이 개발한 열 관리 유리는 무작위하게 분포된 은 나노파티클로 인해 입사각에 관계없이 일정한 광학 특성을 유지하는 장점이 있다. 일반적인 구조색 기반 유리는 관찰 각도에 따라 색이 달라 보이는 반면, 무질서하게 배열된 은 나노입자는 빛의 산란 방향성과 간섭 효과를 최소화해 시야각에 무관한 균일한 색상을 구현할 수 있다. 즉 어느 방향이나 위치에서 관찰하더라도 유리의 색이 일정하게 유지돼 실내 조명 환경이나 외부 관찰 조건에 상관없이 일관된 시각적 품질을 제공한다.

또한 상부와 하부에 위치한 은층은 서로 다른 방식으로 광학 특성에 영향을 미친다. 어닐링(annealing, 열처리)에 의한 탈습 현상으로 각 층을 메쉬 구조 또는 나노파티클 형태로 조절할 수 있으며, 이를통해 전반적인 광학 응답을 제어할 수 있다. 특히 하부 은층은 장파 적외선 대역에서의 반사 특성에 큰 영향을 미치며, 상부 은층은 가시광 영역의 반사율을 조절해 색상 변화에 기여한다.

연구팀은 하부 은층에서 은이 차지하는 부피 비율을 유효 매질 이론(Effective Medium Theory, EMT)으로 분석했고, 이를 바탕으로 광학 시뮬레이션용 CAD 모델을 구성해 플라즈몬 공진 및 캐비티 공진 효과 등을 이론적으로 확인했다.

이번 연구는 부산대 전기전자공학부 이길주 교수 연구팀(공동 제1저자 홍미진 박사과정생)과 한국세라믹기술원 김영재 박사 연구팀(공동 제1저자 김선경 연구원)이 공동으로 수행했으며, 부산대 전기전자공학부 김정진 박사과정생, 김민주·임정미·정익훈 석사과정생이 공동저자로 참여했다.

해당 연구 성과는 재료 및 응용과학 분야의 저명한 해외 저널인 '어드밴스드 사이언스(Advanced Science)' 온라인 6월 10일자에 게재됐다.

이번 연구는 과학기술정보통신부의 한국연구재단과 부산대 BK21 FOUR 대학원혁신지원사업 지원으로 수행됐다.