[사이언스] 놀라워라 '스마트 윈도'

[바람 불고 비 내리면 창문 스스로 전기 생산… 카멜레온처럼 자유자재로 창문 색깔 바꿔]

비바람 거센날엔 발전량 많아… 스마트폰 충전 가능할 정도
정전기로 발전 자판커버도 개발… 전지 필요없는 무선키보드 눈앞

커튼과 블라인드는 오랫동안 햇빛을 가려주고 사생활을 보호해주는 중요한 도구이자 인테리어의 필수품이었다. 하지만 커튼·블라인드는 별도 비용을 들여 설치해야 하고, 사람이 직접 치고 걷어야 한다. 이런 불편함을 없애줄 것으로 기대를 모으는 것이 '스마트 윈도(smart window)'다. 스마트 윈도는 '똑똑한 창문'이라는 이름처럼 스스로 투명도를 조절하고 색깔도 변한다. 창문의 오랜 짝꿍인 커튼과 블라인드가 사라질 날이 머지않았다는 전망도 나온다.

◇자연이 색깔 바꾸는 창문

지금까지 상용화된 스마트 윈도의 작동 원리는 다음과 같다. 우선 유리 사이에 전류를 흡수하는 성질을 가진 나노미터(㎚·1㎚는 10억분의 1m) 크기의 입자를 넣는다. 전류가 통하면 나노 입자들은 빛이 통과하지 못하는 형태로 구조가 바뀐다. 전원을 켜면 유리가 불투명하게 바뀌고, 끄면 다시 투명해진다. 투명한 유리로 만들어진 화장실, 빛을 감지하면 일부를 반사해 눈부심을 방지하는 자동차 후사경 등이 이런 원리다. 대부분의 연구는 변색 속도를 빠르게 하는 데 초점이 맞춰져 있다. 한국전자통신연구원(ETRI)은 지난해 말 변색 속도가 세계에서 가장 빠른 '스마트 광셔터' 기술을 개발하기도 했다.

▲ 스마트 윈도가 설치된 집 안 풍경. 햇빛이 자연스럽게 내리쬐다가(왼쪽), 전원을 켜면 커튼을 친 것처럼 불투명하게 변한다. /스마트윈도 산업협회 제공

전원이 필요 없는 스마트 윈도도 있다. 미국 조지아공대 쭝린 왕 교수는 국제학술지 'ACS나노' 최신호에 발표한 논문에서 "빗방울과 바람에서 에너지를 얻어 색깔이 변하는 스마트 윈도를 만들었다"고 밝혔다. 왕 교수팀은 스마트 윈도에서 전원 공급장치를 뺀 대신, 두 종류의 발전장치를 넣었다. 첫 번째 발전장치는 비에서 정전기(마찰전기) 에너지를 얻는다. 빗방울은 떨어지면서 공기와 마찰해 내부에 양전하(陽電荷)가 생긴다. 스마트 윈도의 발전장치는 음전하(陰電荷)를 가진 실리콘 물질로 코팅돼 있다. 빗방울이 스마트 윈도를 때리면 양전하와 음전하가 만나면서 전류가 흐른다.

두 번째 발전장치는 바람을 이용한다. 전기적 성질을 가진 투명한 플라스틱 두 층으로 이뤄졌고, 가운데에 조그만 스프링들이 들어 있다. 바람이 불어 창문이 압력을 받으면 스프링이 압축되면서 플라스틱 판이 가까워졌다 멀어졌다를 반복하며 전류가 만들어진다. 이렇게 만들어진 전류는 스마트 윈도 사이의 나노 입자 구조를 바꾸면서 색깔이 변하게 한다. 비와 바람이 스마트 윈도에 전기를 공급해주는 것이다.

◇키보드·가로등에도 사용

실험 결과 이 스마트 윈도는 비와 바람이 거센 날이면 1㎡ 면적에서 130밀리와트(㎽)의 전기를 생산해냈다. 스마트 윈도의 색을 바꾸고, 추가로 대기 모드인 스마트폰도 충전할 수 있는 수준이다. 왕 교수는 "기존의 스마트 윈도는 건전지 또는 전원에 연결하거나 태양전지판을 유리창 사이에 끼워넣는 형태였다"면서 "자연에서 에너지를 얻으면 전기가 없어도 계속 사용할 수 있는 스마트 윈도를 만들 수 있다"고 말했다.

이 스마트 윈도가 상용화되기 위해서는 풀어야 할 과제가 있다. 과학 학술지 '사이언스'는 "비와 바람이 없을 때도 스마트 윈도가 작동하기 위해서는 별도의 저장장치가 필요하다"면서 "스마트 윈도 안에 넣을 수 있는 투명한 축전지(전기를 저장하는 장치)를 만들어내야 할 것"이라고 말했다.

정전기나 압력을 이용한 발전장치는 다양한 분야에서 활용할 수 있다. 예를 들어 보도블록에 압력을 이용한 발전장치를 넣으면 사람들이 걸어다니는 것만으로 가로등에 전원을 공급할 수 있다. 조지아공대의 준 첸 박사는 지난 1월 국제학술지 'ACS나노'에 "정전기를 이용한 무선 키보드용 커버를 개발했다"고 발표했다. 키보드 커버는 사람이 키보드 자판을 누를 때 생기는 정전기를 흡수해 키보드에 전기를 공급한다. 첸 박사는 "몇 년 뒤면 건전지나 전원이 필요 없는 무선 키보드가 상용화될 것"이라고 밝혔다.