POSTECH-KAIST 공동연구팀, 자가발전 가능한 색변화 습도센서 개발

POSTECH(포항공과대학교, 총장 김무환) 기계공학과·화학공학과 노준석 교수, 화학공학과 통합과정 장재혁씨, 아이잔 이즈무하노바(Aizhan Ismukhanova)씨와 KAIST 기계과 박인규 교수 공동 연구팀이 키토산 기반의 하이드로겔을 이용한 금속-하이드로겔-금속 공진기 구조를 이용해 가변형 컬러 필터를 개발하고 이를 태양전지와 결합해 자가발전 수분센서를 구현하는데 성공했다. 

이 연구성과는 나노·광학분야 전문 학술지인 ‘어드밴스드 옵티컬 머터리얼즈(Advanced Optical Materials)’ 최신판 표지논문으로 게재됐다.

빛을 이용한 센서는 심전도, 대기질, 거리 측정 등 우리 생활에 이미 많이 활용되고 있다. 기본원리는 빛을 이용해 주변의 변화를 감지하고 이를 디지털 신호로 변환하는 것이다. 

패브리-페로 간섭은 광학 센서에 사용 가능한 공진 현상 중 하나로 금속-유전체-금속 형태의 다층박막 형태로 구현 가능하다.

이때 투과된 빛의 공진 파장은 유전체층의 두께와 굴절률에 따라 조절 가능함이 알려져 있다. 

다만 기존의 금속-유전체-금속 공진기에서는 한번 제작된 이후로 투과되는 빛의 파장을 조절할 수 없다는 큰 단점이 있어 가변형 센서에 사용하기에는 어려움이 있었다.

연구팀은 키토산 하이드로겔을 금속-하이드로겔-금속 형태로 제작할 경우, 주변 습도에 따라 실시간으로 투과되는 빛의 공진 파장이 변함을 발견했다. 

키토산 하이드로겔이 주변의 습도 변화에 따라 팽창과 수축을 반복하기 때문이다. 

이에 외부습도에 따라 공진 파장이 변하는 금속-하이드로겔-금속 구조를 이용한 ‘수분 가변형 파장필터’를 태양전지와 결합해 빛에너지를 자가전력으로 전환할 수 있는 ‘수분 센서’를 개발했다.

설계 원리는 필터의 공진파장을 태양전지의 흡수도가 급격하게 변하는 파장대와 겹치도록 하는 것이다. 

이 필터는 수분량에 따라 태양전지의 빛 흡수량이 변하고 이 변화에 따라 전류변화로 이어져 주변 습도를 감지 할 수 있도록 설계됐다. 

이번에 개발된 센서는 기존 광학 습도센서와는 다르게 자연광, LED, 실내등 빛의 종류와 관계없이 작동했다. 

또 외부 전원이 필요 없을 뿐만 아니라 필터의 색 변화에 따라 습도를 예측할 수 있다. 

연구를 주도한 노준석 교수는 “이 기술은 전원을 공급할 수 없고 원자력발전로와 같이 사람의 손이 닿기 어려운 곳에서 사용될 수 있는 센싱 기술이다”고 말했다.

이어 “외부습도를 감지해 작동하는 수분센서나 습도에 따라 색을 바꾸는 스마트 윈도우 등 IOT 기술과 결합이 된다면 더 큰 시너지를 낼 것”이라고 전했다. 

한편 이 연구는 삼성미래기술육성센터의 지원을 받아 수행됐다.