금속-유전체-금속 공진기 단점 보완…모든 빛에 작동 가능
국내 연구팀이 주변 수분량에 따라 색이 변하는 스마트 윈도우를 개발했다.
포스텍(POSTECH,포항공과대학교) 공동 연구팀은 키토산 기반의 하이드로겔을 이용한 금속-하이드로겔-금속 공진기 구조로 가변형 컬러 필터를 개발, 이를 태양전지와 결합해 자가발전 수분센서를 구현하는 데 성공했다고 26일 밝혔다.
공동 연구팀은 포스텍 기계공학과·화학공학과 노준석 교수, 화학공학과 통합과정 장재혁씨, 아이잔 이즈무하노바(Aizhan Ismukhanova)씨와 KAIST 기계과 박인규 교수로 구성됐다.
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.
이번 금속-하이드로겔-금속 구조는 기존 금속-유전체-금속 공진기에서의 단점을 보완했다. 금속-유전체-금속 공진기는 한번 제작된 이후로 투과되는 빛의 파장을 조절할 수 없어 가변형 센서에서 사용하기에 어려움이 있었다.
키토산 하이드로겔은 주변의 습도 변화에 따라 팽창과 수축을 반복하는 특성이 있다. 때문에 금속-하이드로겔-금속 형태는 주변 습도에 따라 실시간으로 투과되는 빛의 공진 파장이 변하는 게 가능하다.
이를 기반으로 만든 수분센서는 수분량에 따라 태양전지의 빛 흡수량이 변하고, 이 변화에 따라 전류변화로 이어져 주변 습도를 감지 할 수 있도록 설계됐다. 필터의 공진파장을 태양전지의 흡수도가 급격하게 변하는 파장대와 겹치도록 하는 게 원리다.
기존 광학 습도센서와는 다르게 자연광, LED, 실내등 빛의 종류와 관계없이 작동할 수 있고 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"며 "외부습도를 감지해 작동하는 수분센서나, 습도에 따라 색을 바꾸는 스마트 윈도우 등 IoT 기술과 결합이 된다면 더 큰 시너지를 낼 것"이라고 말했다.
한편, 이 연구는 삼성미래기술육성센터의 지원을 받아 수행됐다. 연구성과는 나노·광학분야 전문 학술지 '어드밴스드 옵티컬 머터리얼즈(Advanced Optical Materials)' 표지논문으로도 게재됐다.
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