[그린포스트코리아 김동수 기자] 햇볕이 쨍하게 내리쬐는 날 유리창이 어두워지고 반대로 흐린 날에는 알아서 밝아지는 신소재가 국내 연구진에 의해 발견됐다.

포항공과대학교(POSTECH)에 따르면 신소재공학과 이동화 교수와 이준호 박사 연구팀이 제일원리(First-principles) 계산을 사용해 구리(Cu)를 바탕으로 하는 페로브스카이트 물질이 스마트 윈도우의 소재로 사용될 수 있음을 제시했다.

해당 물질은 상전이(온도, 압력 등과 같은 외부 변수의 변화로 물질의 상이 바뀌는 현상) 온도의 조절이 쉬우면서 저온에서 높은 광(光) 투과율 보였다는 게 연구팀의 설명이다.

스마트 윈도우는 외부 온도에 따라 광 투과율이 조절돼 건물의 냉·난방 비용을 절감할 수 있는 친환경 기술로 주목받고 있다. 금속-절연체 상전이 물질은 이러한 기술에 적합한데, 높은 온도에서는 금속(낮은 투과율)으로 낮은 온도에서는 절연체(높은 투과율)로 존재하는 물질이기 때문이다.

지금까지 스마트 윈도우용으로 사용하는 이산화바나듐(VO2)의 경우 상전이 온도가 너무 높고 절연체 상태에서의 광 투과율이 너무 낮았다. 그 결과, 에너지 절감 효율이 낮은 단점이 존재했다. 스마트 윈도우에서는 상온에서 상전이가 발생해야 하므로 비교적 낮은 밴드 갭(band gap, 전자의 전이가 허용되지 않는 구역)이 필요하지만 낮은 밴드 갭은 저온에서 광 투과율을 감소시킨다는 모순이 있었기 때문이다.

연구팀은 스핀이 분극 된 밴드 갭(spin-polarized band gap)을 가지는 물질은 선택 규칙(selection rule)에 의해 광 투과율에 영향을 주지 않을 것이라는 가설을 세웠다. 이 경우 기존 소재의 모순점을 해결할 수 있을 것으로 판단하고 이를 검증하기 위해 제일원리 계산을 사용, 연구를 수행했다.

계산 결과, 구리 기반 층상 할라이드 페로브스카이트가 스핀 분극 된 밴드 갭을 가지고 있고 이러한 밴드 갭은 광 투과율에 어떠한 악영향도 주지 않음을 확인했다. 또 스핀 분극 된 밴드 갭은 원소의 치환이나 외부 응력에 의해 손쉽게 조절이 될 수 있음을 추가적으로 확인하고 이 물질의 상전이 온도 조절도 쉽게 가능하다는 것을 검증했다. 

이번 연구 성과는 ‘미국 화학회지(Journal of the American Chemical Society)’에 최근 게재됐다.

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