"사막의 선인장처럼"…건물이 스스로 창문 열어 온도 조절

이황 아주대 교수 연구팀, 4D프린팅·형상기억합금 활용
기후변화에 자동 대응하는 건축 외피 모듈 개발

[아시아경제 김봉수 기자] 기공을 열고 닫으면서 가혹한 사막에서 살아남는 선인장처럼 기온에 따라 창호나 외벽 등이 스스로 열리고 닫히는 움직이는 건물이 한국 연구진에 의해 개발됐다.

한국연구재단은 이황 아주대 교수 연구팀이 스마트 소재의 4D 프린팅을 통해 기온변화에 감응해 자동으로 움직이는 건축외피(차양) 모듈을 개발했다고 29일 밝혔다.

건물의 냉난방 등에 사용되는 에너지는 비산업부문 중 가장 큰 비중을 차지한다. 외부 창호 등을 통한 일사 부하를 해결하기 위해 건물의 외장 입면이 필요에 따라 자동으로 열리고 닫히는 외장 시스템이 필요하다. 연구팀은 가혹한 사막에서도 잘 자라는 선인장류의 기공 개폐 방식에서 착안했다. 개발된 합성 모듈이 고온에서는 부드럽게 펼쳐져 열과 햇빛을 차단하고, 쾌적 온도에서는 자동으로 다시 열려 바람과 빛을 받아들이는 방식으로 실내 환경을 조절하도록 했다. 기존에도 기온에 따라 형상이 변하는 스마트 소재를 이용한 시도가 있었지만 다시 원래 모습으로 돌아오는 변형회복력이 낮았다.

연구팀은 소음과 진동이 따르고 복잡한 전자회로가 이용되는 전자기 모터 같은 기계시스템이 아니라 온도에 따라 형태가 복원되는 형상기억소재를 이용했다. 이 소재는 형상기억효과(물질 구조가 화학작용, 온도, 광반응 등에 의해 변화하는 것)를 갖는 스마트 소재로, 형상기억합금 중 하나인 니티놀(Nitinol)은 의료용 스텐트, 자동차 에어컨 장치 등에 실험적으로 활용된 바 있다.

특징적 소재를 활용한 4D 프린팅 디자인으로 실내 냉방부하를 줄일 수 있는 방법을 제안한 것으로 연구팀은 도로차폐벽이나 태양광 패널 등에도 응용될 수 있을 것으로 기대하고 있다.

연구팀은 변형력(최대 6% 이내)은 낮지만 복원력이 높은 니켈-티타늄 합금 와이어와 복원력은 낮지만 변형이 자유로운(최대 800%) 형상기억 고분자를 조합해 변형률을 20% 수준으로 높였고 외력 없이 스스로 회복과 변형을 반복하는 합성물을 만드는데 성공했다. 4D 프린팅을 이용한 외장 재료의 변화를 제안해 제작의 복잡성을 크게 낮췄다. 다양한 형태의 움직이는 외장 모듈을 저비용으로 제작하는 데 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

이번 연구 결과는 건축·건설 분야 국제학술지 ‘Journal of Building Engineering’에 지난 8일 게재됐다.

김봉수 기자 bskim@asiae.co.kr