초소형 착용형 가스 센서, 홀로그래픽 디스플레이로 유독 가스 즉각 경고

포항공과대학교(POSTECH) 연구자들이 안경이나 장갑에 스티커처럼 붙일 수 있는 초소형 가스 센서를 개발했습니다. 홀로그램 디스플레이로 휘발성 가스 감지 시 사용자에게 즉각 알립니다.

착용형 가스 센서 작동 원리

300 x 300 µm 크기의 센서는 메타표면과 액정(LC) 셀로 구성되어 있으며 유독 가스에 민감합니다. 가스가 감지되면 셀의 배향이 변해 맞춤형 경고를 형성합니다.

홀로그램은 메타표면에 의해 생성되며, 빛의 굴절률을 제어해 가시 물체를 사라지게 만듭니다.

셀 내 액정 배향 변화는 입사광의 원편광을 오른쪽에서 왼쪽으로 반전시킵니다.

이 원편광은 메타표면과 상호작용하는데, 메타표면은 두 가지 뚜렷한 홀로그램을 생성하도록 설계되어 있습니다(각 빛 편광마다 하나씩).

'안전 상태'에서는 LC가 '안전' 홀로그램을 생성하는 빛 편광을 만듭니다. 유독 가스에 노출되면 LC가 반대 원편광을 생성하도록 배향되어 '경보' 홀로그램 신호를 생성합니다.

"원하는 이미지를 생성하는 위상 분포를 얻고 메타표면에 나노구조를 그에 맞게 배치합니다."라고 POSTECH 연구원 트레본 배드루(Trevon Badloe)는 말합니다. "그러면 메타표면이 원편광으로 조명될 때 홀로그램 이미지가 표시됩니다."

배드루와 팀은 메타표면을 안전 안경의 곡면에 부착했습니다.

메타표면을 통해 가스 센서는 투과광의 편광을 제어해 단 몇 초 만에 공간에 홀로그램 이미지 경보를 띄울 수 있습니다. 홀로그램은 시료 위나 착용자가 원하는 곳 어디에나 나타나게 할 수 있다고 배드루는 말합니다.

"홀로그램 생성을 위해 레이저 조명을 사용했지만, 향후 OLED나 마이크로LED 같은 소형 광원과 통합해 완전한 온칩 장치를 만들 계획입니다."라고 연구원은 말했습니다.

기존 상용 가스 센서와 달리 POSTECH 장치는 외부 기계적/전자적 장치의 지원이 필요 없습니다.

테스트에서 연구자들은 위장통, 두통, 현기증을 유발하는 독성 물질인 이소프로필 알코올을 대상 유해 가스로 사용했습니다. 팀 연구에 따르면 센서는 약 200ppm의 미량 가스도 감지했습니다.

유연하고 착용 가능한 가스 센서는 원스텝 나노복합체 프린팅 방법으로 빠르게 제작됩니다. 딱딱한 기판에서 미리 가공된 메타표면 구조가 한 단계로 곡면이나 유연한 기판에 나노주조됩니다.

향후 연구 방향

다음으로 연구자들은 주변 환경의 가스 또는 생화학 물질의 종류와 농도 수준을 홀로그램 경보로 표시하는 고성능 환경 센서를 개발할 예정입니다. 엔지니어들은 다양한 홀로그램 이미지를 인코딩할 수 있는 광학 설계 기술도 연구 중입니다. 성공하면 생화학 또는 가스 누출로 인한 사고를 줄이는 데 활용될 수 있습니다.

배드루와 그의 팀, 그리고 POSTECH 교수인 조준석 교수가 이끄는 센서 제작자들은 애플, 삼성, 구글, 페이스북에서 개발 중인 안경형 AR 디스플레이 시스템과 기술을 통합하길 희망합니다.

배드루는 조준석 교수 그룹의 일원이자 연구자들의 최근 Science Advances 논문 공동 저자로, Tech Briefs와 이메일 인터뷰를 통해 홀로그램 이미지의 미래에 대한 비전을 이야기했습니다. 배드루는 팀을 대표해 김인기 박사(논문 제1저자)와 협력하여 답변했습니다.

인터뷰: 홀로그램 경보의 모습과 감지 가능 가스

Tech Briefs: "즉각적인 시각적 홀로그램 경보"는 어떤 모습인가요?

트레본 배드루: 시각적 홀로그램 경보는 안전 상태와 경고 상태에 원하는 이미지를 표시할 수 있습니다. 텍스트, 이미지, 심볼 등이 포함될 수 있습니다. 홀로그램 메타표면에 이미지를 설계하고 인코딩하는 방법은 잘 알려져 있어 제조 공정 전에 선택됩니다.

Tech Briefs: 이 센서로 어떤 가스를 감지할 수 있나요?

트레본 배드루: 가스 감지 기능이 액정 셀에만 의존하므로 특정 유독 가스에 대한 반응 선택성도 장치에 비교적 쉽게 통합할 수 있습니다. 클로로포름, 아세톤, 톨루엔, IPA, p-자일렌, 메탄올, DMF 감지 시 반응 시간을 테스트하고 검증했습니다. '안전'에서 '경보' 신호로의 반응 시간은 가스 종류와 농도에 따라 다릅니다.

Tech Briefs: 메타표면에 구별되는 홀로그램을 어떻게 설계하나요?

트레본 배드루: 과정은 꽤 복잡하지만 잘 이해되어 있습니다.

먼저 원하는 간섭 무늬(즉, 표시하고자 하는 이미지)를 원하는 위치에서 생성하는 위상 맵을 디지털로 생성해야 합니다. 홀로그램 설계는 계산적으로 수행되며 컴퓨터 생성 홀로그래피(CGH)로 알려져 있습니다. 여기서는 '위상만' CGH를 사용했습니다. 필수 이미지의 위상 맵 생성은 상당히 간단하고 잘 이해되어 있으며, 가장 일반적으로 게르히버그-삭스톤 알고리즘을 사용합니다. 그런 다음 이 위상 맵을 메타표면에 물리적으로 인코딩하는데, 필요한 위상 특성을 나타내도록 설계된 나노구조를 사용합니다.

Tech Briefs: 두 개의 별도 홀로그램을 만드는 과정이 어렵나요?

트레본 배드루: 우리는 동일하고 반대되는 빛의 편광(왼쪽 및 오른쪽 원편광)을 유도할 수 있다는 사실을 이용합니다. 그런 다음 두 개의 구별되는 위상 맵을 나노구조의 고유한 위상 특성에 추가로 나노구조 회전과 관련된 보상(전파 위상과 기하 위상)을 더해 인코딩하는 방식으로 결합합니다.

Tech Briefs: 이 센서의 응용 예시를 들어주실 수 있나요?

트레본 배드루: 유연한 액정 셀과 메타표면을 사용하면 매끄럽고 평평한 표면 여부에 관계없이 모든 표면에 가스 감지 시각 경보를 적용할 수 있습니다. 예로 안전 안경의 곡면에 메타표면을 부착했습니다. 사용자의 장갑이나 쉽게 볼 수 있는 어디에나 부착해 시각적 경보를 제공할 수도 있습니다.

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Tech Briefs: 연구의 다음 단계는 무엇인가요?

트레본 배드루: 후속 연구로 안전 및 경보 신호뿐만 아니라 사용자에게 주변 독성 가스 수준 정보를 제공하는 장치를 제작할 예정입니다. 예를 들어 위험 수준에 도달하기 전에 독성 가스 존재를 알면 원치 않는 가스 흐름을 차단하는 적절한 조치를 취할 수 있습니다.

Tech Briefs: 이 기술과 가능성에서 가장 흥미로운 점은 무엇인가요?

트레본 배드루: 이 기술은 메타표면이 실제 응용에서 가질 수 있는 영향을 입증합니다. 메타표면과 액정의 간단한 통합으로 수많은 기능을 구현할 수 있습니다. 홀로그램 시각 경보는 연구실이나 생물학적 위험 가스의 신속한 감지가 필요한 군사 환경 등 즉각적인 경보가 사용자 안전에 필수적인 다양한 분야에서 극히 유용할 수 있습니다.

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