불투명하지만 유리보다 광량 더 받는 신소재

건축물은 자연광을 최대한 활용해 소비 에너지를 절약할 수 있지만 투명한 유리로 벽을 덮으면 실내가 노출되어 프라이버시가 침해되고 낮에는 태양광으로 인해 지나치게 더워지는 문제가 있다. 독일 카를스루에 공과대학 연구팀이 유리처럼 불투명하지만 유리보다 많은 빛을 취득하고 실내를 냉각하는 효과도 있는 새로운 소재를 개발했다.

유리는 전 세계에서 가장 일반적인 건축 재료 중 하나로 높은 광 투과율 덕분에 실외 빛을 실내로 끌어들일 수 있는 장점이 있다. 따라서 자연광을 효과적으로 활용하려는 건축물에서는 창문 유리 면적을 크게 하거나 천창을 설치하거나 벽 전체를 유리로 만드는 경우가 많다. 하지만 여름철에는 일광을 실내로 들이면 지나치게 더워지고 투명한 유리벽이면 실내가 노출되어 프라이버시 문제가 있다.

연구팀은 이런 유리 단점을 해결하기 위해 다양한 특성을 갖춘 새로운 폴리머 기반 메타물질을 개발했다. 연구팀이 PMMM(Polymer-based Micro-Photonic Multi-Functional Metamateria)이라고 부르는 새 소재는 마이크로 스케일 실리콘 피라미드 구조로 이뤄져 있으며 정방형 피라미드 크기는 머리카락 지름 10분의 1인 10마이크로미터다.

일반 유리와 PMMM을 나란히 놓은 사진을 보면 PMMM에서는 엄청난 수 실리콘 마이크로 피라미드에 의해 투과되는 빛 73%가 즉시 확산되어 소재 반대편이 유리처럼 불투명해 보인다. 하지만 광 투과율은 유리 91%에 비해 PMMM이 95%로 더 높아 취득하는 광량은 유리보다 많지만 반대편은 보이지 않는 상태를 실현한다.

또 실리콘 마이크로 피라미드는 PMMM 필름에 초소수성을 부여해 물방울을 구슬처럼 부유시켜 표면 오염을 제거하는 셀프클리닝 메커니즘이 있어 소재 유지 관리성이 향상된다. 나아가 마이크로 피라미드에는 열을 방출하는 효과가 있어 PMMM은 전력 소모 없이 패시브 방사 냉각이 가능하다. 연구팀이 PMMM을 실내에서 테스트한 결과 PMMM 필름은 주변 온도를 6도 냉각하는 것으로 확인됐다.

연구팀은 이 소재가 지붕이나 벽에 사용되면 밝지만 번쩍이지 않고 프라이버시가 보호된 작업 및 생활 공간을 실현할 수 있다며 온실에서는 광합성 효율이 유리온실보다 9% 높아져 수확량 증가 가능성이 있다고 밝혔다. 이 소재는 실내 태양광 활용을 최적화하는 동시에 패시브 냉각을 제공해 에어컨 의존도를 낮출 수 있으며 확장성이 있어 친환경 건물 건설과 도시 개발 계획에 원활히 통합될 수 있다고 덧붙였다. 관련 내용은 이곳에서 확인할 수 있다.