신개념 착용형 홀로그램 센서, 가스 누출 즉각 경보

공장 유독가스 누출, 보일러 일산화탄소 누출, 맨홀 청소 중 유독가스 질식 등 가스 사고는 여전히 인명 피해를 낳고 있습니다. 유독가스나 생화학 물질을 신속히 감지하는 센서 개발은 공중보건, 환경 모니터링, 군사 분야에서 여전히 중요한 과제입니다. 연구팀이 저렴하고 초소형인 착용형 홀로그램 센서를 개발해 유해 가스 감지 시 사용자에게 즉각 시각적 홀로그램 경보를 알립니다.

연구자들은 메타표면과 가스 반응성 액정 광학 변조기를 결합해 유해 가스 감지 시 즉각적인 시각적 홀로그램 경보를 제공하는 센서를 개발했습니다. 기존 가스 감지 장치는 제조 비용이 높아 널리 쓰이지 않습니다. 또한 상용 가스 센서는 사용이 어렵고 휴대성과 반응 속도가 떨어진다는 한계가 있습니다.

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엔지니어 트레본 배들로(Trevon Badloe)가 Tech Briefs에 착용형 센서 설계에 대해 이야기합니다.

이 문제들을 해결하기 위해 팀은 메타표면을 활용했습니다. 메타표면은 빛의 굴절률을 제어해 가시 물체를 사라지게 하는 '투명 망토' 효과로 알려진 광학 소자입니다. 메타표면은 빛을 자유롭게 제어해 양방향 홀로그램이나 3D 영상 전송에 특히 쓰입니다.

메타표면을 이용해, 센서 장치 내 액정층의 액정 분자 배향 변화로 인한 투과광 편광 제어 변화를 이용해 단 몇 초 만에 공간에 홀로그램 경보 이미지를 띄우는 가스 센서를 개발했습니다. 또한 이 가스 센서는 기존 상용 가스 센서와 달리 외부 기계적·전자적 장치 지원이 필요 없습니다.

연구자들은 위장 통증, 두통, 어지러움, 심지어 백혈병을 유발하는 독성 물질로 알려진 이소프로필 알코올을 대상 유해 가스로 사용했습니다. 센서는 약 200ppm의 미량 가스도 감지함을 확인했습니다. 일상생활에서 휘발성 가스원인 보드 마커를 사용한 실제 실험에서 마커를 센서에 가져가는 순간 시각적 홀로그램 경보가 즉각 떴습니다.

유연 착용형 가스 센서 생산을 위해 원스텝 나노복합체 프린팅 공정이 개발됐습니다. 이전에는 딱딱한 기판에서 가공되던 메타표면 구조를, 곡면이나 유연 기판에서 단일 단계 나노캐스팅 공정으로 신속 제작할 수 있게 설계했습니다. 이 방법으로 제작된 유연 센서를 안전안경에 스티커처럼 붙이면 가스를 감지하고 홀로그램 경보를 표시합니다. 애플, 삼성, 구글, 페이스북 등에서 개발 중인 안경형 AR 디스플레이 시스템과 통합될 것으로 기대됩니다.

팀은 주변 가스나 생화학 물질의 종류와 농도 수준을 홀로그램 경보로 표시하는 고성능 환경 센서 개발과 다양한 홀로그램 이미지를 인코딩할 수 있는 광학 설계 기법 연구를 진행 중입니다. 이 연구들이 성공하면 생화학·가스 누출 사고를 줄이는 데 쓰일 수 있습니다. 특히 음향·시각 소음이 심한 극한 작업 환경에서 특히 효과적일 것입니다.