1.1 연구의 배경

산업혁명 이후 화석연료의 무분별한 사용과 녹지 파괴 등으로 인해 지구온난화 가속화되어 전 세계적으로 효율적인 에너지 관리 시스템을 통한 부가가치 창출에 대한 관심이 급증하고 있다. 이상기후로 인해 자동차 및 건축물의 냉난방 에너지 관리를 위한 비용이 지속적으로 증가하고 있으며, 태양광을 차단하는 기능을 통해 에너지 절감 기술이 필요하다^[1-3].

이러한 친환경 기술과 관련하여 에너지 절감을 위해 능동적인 투과율 조절이 가능한 스마트 필름 제어를 통해 불필요한 태양광을 차단하여 눈부심 방지, 사생활 보호 및 시인성 확보 등으로 쾌적한 환경을 제공할 수 있는 기술의 필요성이 대두되고 있다.

투명 스마트 필름 기술 분야에서 가시광선 영역의 투과 제어 기술과 함께 선택적인 투과 차단 특성 제어가 필수적으로 요구되고 있으며, 전기변색필름(Electrochromic Film)의 경우 저전력으로 구동이 가능하며 최종적으로 유연한 필름 형태로 대면적 공정 적용이 가능하여 우수한 경쟁력을 확보할 수 있다^[4].

1.2 연구의 목적 및 방법

본 연구의 목적은 전기변색필름의 특성을 이용하여 주변 및 조도에 따라 능동적인 투과율 조절을 할 수 있는 전력공급 제어장치의 개발이다.

먼저 전기변색필름의 투과율과 구동전압의 특성을 분석하여 전력공급 장치의 규격 선정을 위한 DB로 이용하였다. 구동전압에 따른 전기변색필름의 투과율을 제어할 수 있도록 전압제어 알고리즘을 개발하여, 전력공급 장치의 토포롤지를 선정하고 이를 설계에 적용하였다.

조도센서를 활용한 전기변색필름의 투과율 제어알고리즘을 개발하고 이를 적용하여 시뮬레이션 및 제어기 설계를 통해 시제품을 제작하였다. 시제품의 성능을 비교분석하여 최적의 투과율을 제공하는 제어기를 설계 제작하였다.

2.1 전기변색필름

전기변색필름(EC, Electrochromic Film)은 전원의 인가전압에 따라 광 투과율을 제어할 수 있는 소자이다. 1969년 S. Deb이 텅스텐산화물(WO3) 기반의 전기변색장치를 시연한 이후^[5], 다양한 산업에 응용되고 있다. 그 예로 자동차 디스플레이 또는 룸미러에 전기변색필름을 적용하고 있으며, 여객기에서 광량에 따라 창문의 투과율을 조절함으로써 승객의 시인성 확보 및 쾌적성을 향상시키고 있다^[6].

전기변색필름은 비교적 낮은 구동전압으로, 사용자의 의도에 따라 투과율이 제어가능한 부분이 장점이지만, 구조가 복잡하며, 전도성 필름 등의 고가의 소재가 사용되어 제조비용이 높은 편이다. 또한 전기변색을 위한 별도의 구동장치가 필요하다^[7].

WO3의 특성상 유기성 물질에 비해 느린 착‧탈색 속도의 문제로 인해 스마트 윈도우용 소재로 응용하기에는 아직 한계가 존재하며, 대면적화 생산기술도 아직 정착되지 않은 상태이다^[8].

Fig. 1은 전기변색필름의 구조를 나타낸다. 2개의 투명전극(ITO) 사이에 WO3(Tungstentrioxide) Coating Layer와 PB(Prussian Blue) Coating Layer, 고분자전해질(Polymer Electrolyte)이 층으로 구성된 구조이다.

WO3 Coating layer와 PB Coating Layer는 각각 Bus Bar(전도체)를 연결하여 전원공급을 통해 전위차를 인가할 수 있는 구조이다. 산화상태에서 WO3 전극은 투명한 상태이며, PB 전극은 푸른색을 띄고 있는 상태이다.

전기변색 소자가 정상 구동을 위해서는 두 전극이 모두 Bleaching(탈색) 또는 Coloring(착색) 상태에 있어야 한다. 처음으로 구동할 때에는 두 전극 중 하나를 환원시킬 필요가 있다. 인가전압은 구동전압보다는 다소 높은 전압이 필요하다. 본 논문의 필름의 구동 전압은 ±2.0V이며, 초기화 전압은 +3.0V로 진행하였다.

Fig. 2는 전기변색필름의 초기화 상태를 나타낸다. WO3 전극에 양(+)전압을 인가하고, PB 전극에 음(-)전압을 인가하여 환원 상태로 바꾸면 두 Layer가 모두 Bleaching(탈색) 상태가 된다. Fig. 3은 인가전압에 따른 전기변색필름의 Bleaching(탈색) 및 Coloring(착색) 상태이다.

PB전극이 환원될 때 WO3전극은 이미 산화되어 있기 때문에 더 이상 산화될 수 없어서 WO3 전극의 기판인 ITO전극이 WO3 전극을 대신하여 짝 반응인 산화 반응을 하게 되는데, ITO의 산화반응 에너지가 높아서 인가전압을 높게 해야 하기 때문이다.

초기화 반응 시간은 육안으로 푸른색이 없어질 때까지 초기화를 진행한 후 전기변색필름의 구동범위 이내의 전압을 인가하여 Bleaching(탈색) 및 Coloring(착색)을 위해 구동한다.

Fig. 1. Electrochromic film structure

Fig. 2. Electrochromic film initializing

Fig. 3. Bleaching and coloring of electrochromic film

3.1 전기변색필름 분석

전기변색필름의 특성분석을 위해 Fig. 4와 같이 시험 환경을 구성하였다. 전력공급장치와 전기변색필름을 연결하여 전력을 공급하고, 직류전압의 설정값에 따라 전기변색필름의 투과율을 측정하여 이를 분석하였다.

투과율 측정결과는 Fig. 5와 같이 나타났으며, 인가 직류전압의 범위는 ±2.0V이며 0.2V 단위로 투과율을 측정하였다.

Fig. 5에서 투과율 100%는 투과대상 자체가 없는 상태에서 측정했을 때의 기준이다. 분석결과, 인가전압 ±2.0V 범위에서 최저투과율은 15.43%로 나타났으며, 최고투과율은 75.65%로 나타났다. 착색화 투과율에서 최고저 투과율 대비 ±0.8V 범위에서 변화는 91.6%이며 탈색화 투과율에서는 87.43%로 나타나, 대부분의 투과율 변화는 ±0.8V에서 이루어졌다. 더불어 ±0.4V에서 전기변색 필름의 투과율이 비교적 가파르게 반응하기 때문에 이 구간에서는 정밀한 제어가 필요하다.

본 논문에서 시험한 전기변색필름은 50mm × 50mm의 사이즈의 정격구동전압 ±2.0V의 전기변색 필름을 대상으로 실험을 진행하였다. 다만 복수의 전기변색 필름 샘플을 시험한 결과, 필름의 사이즈, Coating Layer의 상태 및 방법에 따라 최고/최저 투과율과 반응속도, 전압에 따른 투과율 반응 범위가 상이하게 나타난다^{[9, 10]}. 따라서 범용으로 단순히 정해진 전압을 통해서 투과율을 제어하기에는 어려움이 있다.

Fig. 4. Electrochromic film transmittance test

Fig. 5. Electrochromic film transmittance test results

3.2 전력공급장치 토폴로지 선정

전력공급장치의 토폴로지는 기본적으로 스위칭 모드 파워 서플라이(Switching Mode Power Supply : SMPS)로 선정하였다. DC-DC 컨버터는 주 스위치와 환류 다이오드, 2차 저역 통과 필터인 LC 필터 등으로 구성되어 있다. 기본구성은 직류 입력 전압을 직류 출력 전압으로 변환하는 DC-DC 컨버터와 출력 전압을 원하는 전압으로 출력할 수 있도록 안정화시키는 궤환 제어 회로 등으로 되어 있다. 궤환 제어 회로는 다시 출력 전압의 오차를 증폭하는 오차 증폭기, 증폭된 오차와 삼각파를 비교하여 구동 펄스를 생성하는 비교기, DC-DC 컨버터의 주 스위치를 구동하는 구동회로 등으로 구성되어 있다.

3.3 전략공급장치 토폴로지 시뮬레이션

시제품의 적용범위를 고려하여 DC-DC 벅 컨버터를 선정하였으며, Fig. 6은 전기변색필름 제어용 전력공급장치의 회로 및 제어 다이어그램이다.

출력단의 전류 및 전압을 검출하여 PI회로를 통과한 값과 PWM(Pulse Width Modulation)을 이용하여 Duty 제어를 통해 원하는 결과 값을 출력할 수 있도록 구성하였다.

시뮬레이션 툴(Psim)을 활용한 시뮬레이션 모델링은 Fig. 7과 같은 구성이다. C3와 C5는 적분제어기이며, C1레퍼런스 전류와 IL 실제 전류 값의 차(Error값)을 C3(적분 게인 값)과 곱하고 그 값을 적분기(C5)에서 누적 동작시킨다.

C4 비례 제어기의 게인 값과 Error값의 곱을 더하여 출력하여, PI 제어기의 출력 값이 된다. 제어의 안정도 향상을 위해 적분기의 포화를 방지하는 기능의 Anti Windup 제어기를 추가하였으며, 출력 값은 입력 값보다 작은 값을 갖도록 Limiter의 상한 값을 선정한다.

Table 1은 전력공급장치 시뮬레이션 조건을 나타내며, Fig. 8은 전력공급장치에 DSP를 적용한 시뮬레이션모델링이다. C block에 컨버터 입출력 전압 및 전류 신호를 이용하여, 제어 코드를 설정하여 DSP 모듈에 적용 가능하도록 설계하여 시뮬레이션을 수행했다.

Fig. 6. Power supply circuit and control diagram

Fig. 7. Controller simulation modeling (Analog)

Fig. 8. Power supply simulation modeling (Digital)

3.4 전력공급장치 제어 알고리즘

전기변색필름 제어 알고리즘은 Fig. 9와 같다.

먼저 전기변색필름의 초기화를 위해 투과율 제어 전에 초기화 전압을 인가하여 전기변색필름의 초기화를 진행한 한 후 조도센서를 통해 필름으로 투과되는 광량을 측정한다. 전기변색필름 시험데이터를 기반으로 제어 알고리즘을 구성하였으며, 최대/최소 전압 및 전류를 선정, 범위 내 전력제어와 외부 조도에 따른 탈/착색을 위해 Coloring, Bleaching Mode를 적용했다. 전기변색필름의 신속한 탈/착색을 위한 PI제어기 값을 결정하여 출력을 만들어낼 수 있도록 구성하였다.

Fig. 9. Electrochromic film control algorithm

3.5 전력공급장치 제작 및 시험

Fig. 10은 제작된 전력공급장치이다. 차량용에 적용하기 위해 소형으로 PCB 사이즈 및 부품배치를 고려하여 제작했다. 양/음의 가변 전압 공급을 위해 가변저항기 및 수동 제어 소자 등을 제거하고 DSP코드로 구현하였다. 전기변색필름용 전력공급장치의 규격은 Table 2와 같다.

전기변색필름 전력공급장치의 출력 전압 파형은 Fig. 11과 같다. Coloring, Bleaching Mode에 따라 양/음의 전압을 출력할 수 있도록 구현하였으며, 정밀한 제어를 위해 각 모드에서 0.25V 차등으로 12단계로 나누어 제어가 가능하도록 구현하였다.

Fig. 12는 전기변색필름의 시험환경을 나타내었다. 암실을 만들어 외부 환경에 따른 조도 변화를 차단하였으며, 암실내부에 LED를 설치하여 조도를 변화시킬 수 있도록 구성하였다. 암실내부에 조도센서를 두어 암실 내부의 조도를 측정하고, 조도측정기를 통해 암실내부의 조도 값을 확인할 수 있도록 하였다. 직류전력공급 장치를 전기변색필름과 연결하여 전력을 공급하고 제어가 가능하도록 구성하였다.

Fig. 13은 가변 LED 조명을 통해 조도 변화를 구현한 실험 환경을 나타낸다. 암실내부의 LED 광량에 따라 3가지로 구분하여 시험을 진행하였다.

Fig. 10. Power supply prototype product

Fig. 11. Power supply controller test voltage results

Fig. 12. Power supply test environment

Fig. 13. llumination environment based on LED light output

□ Test Conditions

- Light Condition 1(LC1) - 7270lx (LED 100%)

- Light Condition 2(LC2) - 2670lx (LED 50%)

- Light Condition 3(LC3) - 831lx (LED 15%)

Fig. 14. Illumination test results based on LED light output

Fig. 14는 가변 LED 조명을 통해 조도 변화를 구현한 실험 환경에 따라 전기변색 필름의 투과율을 나타낸 것이다. Table 3은 실험결과이다. 전기변색필름의 투과율은 높은 조도 조건에서 LC1에서 투과 전 조도 7270lx에서 투과 후 조도 1830lx로 투과율은 25%이며, 중간 조도 조건의 LC2에서 투과 전 조도 2670lx에서 투과 후 조도 1333lx로 투과율은 50%이며, 낮은 조도 조건의 LC3에서는 투과 전 조도 831lx에서 투과 후 조도 544lx로 투과율은 67%의 결과가 나타났다. 조도가 높을수록 전기변색필름의 투과율은 낮아지도록 전기변색필름의 능동적인 투과율 제어를 구현한 결과를 도출하였다.