화학공학과 캡스톤설계 학부생들(지도교수 김영훈),

자외선과 적외선을 선택적으로 차단하는 차광용 나노구조체 필름 개발

- 가시광선만 선택적으로 투광할 수 있는 CuS-TiO2 중공 나노구조 필름 개발 -

- 화공열역학적 해석을 바탕으로 건축 및 도시설계 분야에 융합 가능한 기술 개발 -

- 국제 저명 학술지 Building and Environment (IF 7.1, JCR Rank 상위 4.1%) 게재 -

모교 화학공학과 캡스톤설계 학부생(지도교수 김영훈 교수)인 김민성(1저자), 안우근, 김두현, 홍영기 등은 태양광 차단과 실내 온도 조절을 위한 CuS-TiO₂중공 나노구조 필름을 개발하고 이를 건축 및 도시설계 분야에 적용 가능한 신소재로 제안했다. 이번 연구는 학부생 수준에서 수행하기 어려운 나노구조체 제조 및 에너지 절감에 대한 모델링을 동시에 수행했다는 점이 뛰어난 평가를 받았다. 뿐만 아니라 에너지 절감 및 환경 보호를 동시에 실현할 수 있는 차세대 차광 기술로서의 가능성을 입증하며 국제 저명 학술지 Building and Environment에 게재되었다. 

태양광 조절을 통한 실내 냉방 에너지 절감 및 환경 보호

건축물의 냉방 에너지 소비는 지속적으로 증가하고 있으며, 특히 태양광으로 인한 실내 온도 상승이 주요 원인으로 작용한다. 전통적인 차광 기술은 단순한 유리 코팅이나 열반사 필름에 의존하는 경우가 많아 가시광선 투과도가 낮아지거나 실내 채광이 저해되는 문제가 있었다. 본 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해, CuS(황화구리)와 TiO₂(이산화티타늄)를 복합화한 중공 나노구조체를 설계하고 이를 유리 기판에 코팅하여 실내 온도를 효과적으로 조절할 수 있는 차세대 차광 필름을 개발했다. CuS는 강한 적외선(IR) 흡수 특성을 지니고 있어 태양열 차단에 유리하며, TiO₂는 우수한 자외선(UV) 차단 기능을 보유하고 있다. 이를 조합함으로써 가시광선 투과도를 유지하면서도 태양열 유입을 효과적으로 차단할 수 있는 최적의 구조를 구현했다.

CuS-TiO₂ 중공 나노구조 필름의 우수한 성능

연구팀은 다양한 CuS:TiO₂ 비율을 조정하여 최적의 성능을 갖는 필름을 도출하였다. 특히, 20:1 비율의 CuS-TiO₂ 복합 소재를 유리에 코팅했을 때, 가시광선 투과도가 86.1%로 유지되는 동시에 자외선 27.9%, 적외선 18.0%를 효과적으로 차단하는 것으로 확인되었다. 이는 기존 유리 대비 실내 온도 상승을 약 9.6°C 억제하며, 태양열 유입을 조절하는 데 매우 효과적임을 의미한다. 또한, 에너지 시뮬레이션을 통해 이 필름을 건물 창호에 적용했을 때 연간 냉방 에너지 소비가 36% 감소할 수 있음을 확인하였다. 이는 연간 82.8 kWh/m²의 에너지 절감 효과에 해당하며, 이를 통해 이산화탄소 배출량 또한 연간 34.1 kg/m² 감소할 수 있음을 입증하였다. 이러한 수치는 건물 규모가 커질수록 더욱 의미 있는 결과로 작용하며, 에너지 절약뿐만 아니라 탄소 배출 저감 및 환경 보호에도 기여할 수 있음을 시사한다.

건축 및 도시설계 분야에서의 응용 가능성

이번 연구에서 개발한 CuS-TiO₂ 중공 나노구조 필름은 높은 가시광선 투과도를 유지하면서도 태양광 차단 효과를 극대화할 수 있어 스마트 윈도우, 친환경 건축자재, 에너지 절감형 유리 코팅 등에 광범위하게 활용될 수 있다. 기존의 태양광 차단 유리는 주로 금속 산화물 코팅을 활용하여 가시광선 투과도와 차폐 성능 간의 균형을 맞추지만, 이 경우 원료 비용이 높고 제조 과정이 복잡하다는 단점이 있다. 반면, 본 연구에서 제안한 CuS-TiO₂ 나노구조 필름은 비용 효율적이면서도 제조 공정이 단순하고, 기존 건축 자재에 쉽게 적용할 수 있어 실용성이 뛰어나다. 특히, 도시 환경에서의 열섬 현상을 완화하고, 건물의 냉방 에너지 소비를 줄이는 데 효과적이므로 향후 대규모 건축 프로젝트에도 적용될 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 필름 자체의 내구성이 우수하여 외부 환경 변화에도 안정적인 성능을 유지할 수 있으며, 자외선과 습기에 강한 특성을 지니고 있어 장기적인 사용이 가능하다. 

본 연구는 화학공학적 소재 설계와 열역학적 해석을 결합하여, 차세대 에너지 절감형 건축 자재를 개발하는 데 성공한 점에서 높은 학술적·산업적 가치를 가진다. 기존의 유리 코팅 기술이 가지고 있는 단점을 보완하면서도, 건축물의 에너지 효율성을 극대화할 수 있는 새로운 접근법을 제시했다는 점에서 의미가 크다. 향후 연구에서는 필름의 내구성을 더욱 강화하고, 대면적 적용이 용이하도록 제조 공정을 최적화하는 방향으로 연구를 확장할 계획이다. 또한, 필름의 광학적 특성을 더욱 정밀하게 조절하여 계절별, 지역별로 최적화된 태양광 조절 솔루션을 개발하는 것도 중요한 연구 과제가 될 것이다.

한편, 본 연구는 한국연구재단(NRF-2022R1F1A1059495)의 지원을 받아 수행되었으며, 연구 결과는 Building and Environment (DOI: 10.1016/j.buildenv.2025.112707)에 게재되었다.

출처 : 광운대학교 최신연구성과 (kw.ac.kr)