웨어러블 센서, 홀로그램으로 유독 가스 감지

포항공과대학교(POSTECH) 연구원 안경이나 장갑에 스티커처럼 붙일 수 있는 작은 가스 센서를 만들었습니다. 홀로그램 디스플레이를 통해 센서는 휘발성 가스 감지를 즉시 사용자에게 알립니다.

웨어러블 기술은 언젠가 공장의 유독가스 누출, 보일러의 일산화탄소 누출, 맨홀 청소 중 유독가스 질식과 관련된 가스 사고를 예방하는 데 도움이 될 것입니다.

웨어러블 가스 센서의 작동 원리

300 x 300 µm 센서는 독성 가스에 민감한 메타표면과 액정(LC) 셀로 구성됩니다. 가스가 감지되면 셀의 방향이 변경되어 맞춤형 경고를 형성합니다.

홀로그램은 빛의 굴절률을 제어하여 보이는 물체를 사라지게 하는 메타표면에 의해 생성됩니다.

셀에서 액정의 방향이 바뀌면 들어오는 빛의 원형 편광이 오른쪽에서 왼쪽으로 바뀝니다.

그런 다음 이 원형 편광된 빛은 각 편광에 대해 하나씩 두 개의 고유한 홀로그램을 생성하도록 설계된 메타표면과 상호 작용합니다.

"안전한 상태"에서 LC는 "안전한" 홀로그램을 생성하는 빛의 편광을 생성하도록 구성됩니다. 독성 가스에 대한 노출은 LC가 반대 원형 편광을 생성하는 방식으로 방향을 지정하여 "알람" 홀로그램 신호를 생성하는 데 영향을 줍니다.

POSTECH 연구원인 Trevon Badloe는 "우리는 원하는 이미지를 생성하는 위상 분포를 얻고 그에 따라 메타 표면에 나노 구조를 배열합니다. "그런 다음 메타표면이 원형 편광으로 조명되면 홀로그램 이미지가 표시됩니다."

Badloe와 그의 팀은 메타표면을 보안경의 곡면에 부착했습니다.

메타표면을 통해 가스 센서는 투과된 빛의 편광을 제어하여 단 몇 초 만에 우주에 홀로그램 이미지 경보를 띄울 수 있습니다. 홀로그램은 샘플 위나 착용자가 결정한 곳에 표시되도록 만들 수 있다고 Badloe는 말합니다.

연구원은 "홀로그램을 생성하기 위해 레이저 조명을 사용했지만 OLED나 MicroLED와 같은 작은 광원과 장치를 통합하여 미래에 완전한 온칩 장치를 만들 계획"이라고 말했습니다.

기존의 다른 상업용 가스 센서와 달리 POSTECH 장치는 외부 기계 또는 전자 장치의 지원이 필요하지 않습니다.

실험에서 연구원들은 복통, 두통, 현기증을 유발하는 독성 물질인 이소프로필 알코올을 표적 유해 가스로 사용했습니다. 연구팀의 연구에 따르면 센서는 약 200ppm의 미세한 가스까지도 감지했다.

유연하고 착용할 수 있는 가스 센서는 원스텝 나노복합 인쇄 방법을 통해 빠르게 만들어집니다. 이전에 단단한 기판에서 처리된 메타표면 구조는 한 단계로 구부러지거나 유연한 기판에 나노캐스팅됩니다.

다음은 무엇입니까?

다음으로 연구진은 홀로그램 경보로 주변의 가스나 생화학물질의 종류와 농도를 표시하는 고성능 환경센서를 개발할 예정이다. 엔지니어들은 또한 다양한 홀로그램 이미지를 인코딩할 수 있는 광학 설계 기술을 연구하고 있습니다. 연구가 성공하면 생화학 물질이나 가스 누출로 인한 사고를 줄이는 데 사용할 수 있습니다.

포스텍 노준석 교수가 이끄는 Badloe와 그의 팀에 따르면 센서 제조업체는 이 기술을 Apple, Samsung, Google 및 Facebook에서 개발 중인 유리형 AR 디스플레이 시스템과 통합하기를 희망하고 있습니다.

Rho 교수 그룹의 일원이자 Science Advances에서 연구원의 최근 논문의 공동 저자인 Badloe , 기술 요약 과의 대화 이메일을 통해 그가 홀로그램 이미지의 미래를 구상하는 방법에 대해 설명합니다. Badloe는 팀을 대신하여 논문의 주저자인 김인기 박사와 협력하여 의사소통을 했습니다.

기술 개요 :"즉시 시각적 홀로그램 알람"은 어떤 모습인가요?

트레본 배들로 :시각적 홀로그램 알람은 안전 및 경고 상태에 대해 선택한 이미지를 표시할 수 있습니다. 여기에는 텍스트, 이미지 또는 기호가 포함될 수 있습니다. 이미지를 디자인하고 홀로그램 메타표면으로 인코딩하는 방법은 잘 알려져 있으므로 제작 프로세스 전에 이미지를 선택합니다.

기술 개요 :이 센서로 어떤 가스를 감지할 수 있나요?

트레본 배들로 :가스 감지 기능은 액정 셀에만 의존하기 때문에 특정 독성 가스에 대한 반응의 선택성은 장치에 상당히 쉽게 통합될 수 있습니다. 클로로포름, 아세톤, 톨루엔, IPA, p-자일렌, 메탄올 및 DMF를 감지할 때 응답 시간을 테스트하고 확인했습니다. "안전"에서 "알람" 신호에 대한 응답 시간은 가스의 양과 종류에 따라 다릅니다.

기술 개요 : 하 메타서페이스에서 고유한 홀로그램을 어떻게 디자인합니까?

트레본 배들로 :프로세스가 상당히 복잡하지만 잘 이해하고 있습니다.

먼저 원하는 위치에서 필요한 간섭 패턴(즉, 표시하려는 이미지)을 생성하는 위상 맵을 디지털 방식으로 생성해야 합니다. 홀로그램의 디자인은 컴퓨터 생성 홀로그래피(CGH)로 알려진 계산 방식으로 수행됩니다. 여기에서는 "단계 전용" CGH를 사용했습니다. 필요한 이미지에 대한 위상 맵 생성은 매우 간단하고 잘 이해되며 가장 일반적으로 Gerchberg-Saxton 알고리즘 을 사용합니다. . 그런 다음 이 위상 맵은 필요한 위상 특성을 나타내도록 설계된 나노구조를 사용하여 메타표면에 물리적으로 인코딩됩니다.

기술 개요 :두 개의 별도 홀로그램을 만드는 것이 어려운 과정인가요?

트레본 배들로 :빛의 동일하고 반대되는 편광(좌우 원형 편광)을 유도할 수 있다는 사실을 이용합니다. 그런 다음 고유한 위상 특성을 사용하여 나노구조를 인코딩할 수 있는 방식으로 두 개의 별개의 위상 맵을 결합할 수 있으며 나노구조의 회전에만 관련된 추가 보상(각각 전파 및 기하학적 위상으로 알려짐) ).

기술 개요 :이 센서의 적용 예를 설명해 주시겠습니까?

트레본 배들로 :유연한 액정 셀과 메타 표면을 사용하면 매끄럽고 평평한 표면에 관계없이 모든 표면에 가스 감지 시각적 경보를 적용할 수 있습니다. 예를 들어 메타서피스를 보안경의 곡면에 부착했습니다. 또한 사용자의 장갑과 같은 곳에 부착하거나 시각적 경보를 제공하기 위해 쉽게 볼 수 있는 곳에 부착할 수도 있습니다.

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기술 개요 :연구의 다음 단계는 무엇입니까?

트레본 배들로 :후속 연구로 안전 및 경보 신호를 제공할 뿐만 아니라 사용자에게 존재하는 유독 가스 수준에 대한 정보를 제공할 수 있는 장치를 생산할 예정입니다. 예를 들어, 위험한 수준에 도달하기 전에 독성 가스의 존재를 아는 것이 유용할 수 있습니다. 그런 다음 원치 않는 가스의 흐름을 차단하기 위해 올바른 조치를 취할 수 있습니다.

기술 개요 :이 기술과 그 가능성에 대해 가장 흥미로운 점은 무엇입니까?

트레본 배들로 :이 기술은 메타표면이 실생활에 미칠 수 있는 영향을 증명합니다. 메타표면과 액정의 간단한 통합으로 수많은 기능을 실현할 수 있습니다. 홀로그램 시각 경보는 실험실이나 생물학적 유해 가스의 신속한 감지를 위한 군사 환경과 같이 사용자의 안전을 위해 즉각적인 경보가 필요한 다양한 분야에서 매우 유용할 수 있습니다.

어떻게 생각하세요? 홀로그램 경고의 다른 용도가 있습니까? 아래에서 질문과 의견을 공유하세요.