장마철이나 한여름 바깥 습도에 따라 색이 변하는 스마트윈도 원천기술이 개발됐다.
포스텍(총장 김무환)은 노준석 기계공학과·화학공학과 교수와 화학공학과 통합과정 장재혁 씨, 아이잔 이즈무하노바 씨, 박인규 KAIST 기계과 교수 공동 연구팀이 키토산 기반 하이드로겔을 이용한 금속-하이드로겔-금속 공진기 구조를 이용해 가변형 컬러 필터를 개발하고, 이를 태양전지와 결합해 자가발전 수분센서를 구현하는 데 성공했다고 26일 밝혔다.
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 하나다. 금속-유전체-금속 형태의 다층박막 형태로 구현 가능하다. 이때 투과된 빛의 공진 파장은 유전체층 두께와 굴절률에 따라 조절할 수 있다. 기존 금속-유전체-금속 공진기에서는 제작 이후 투과되는 빛의 파장을 조절할 수 없다는 단점이 있어 가변형 센서에 사용하기에는 어려움이 있었다.
연구팀은 키토산 하이드로겔을 금속-하이드로겔-금속 형태로 제작하면 주변 습도에 따라 실시간으로 투과되는 빛의 공진 파장이 변함을 발견했다. 키토산 하이드로겔이 주변 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 '수분센서'를 개발했다. 필터의 공진파장을 태양전지 흡수도가 급격하게 변하는 파장대와 겹치도록 한 것이 원리다.
필터는 수분량에 따라 태양전지의 빛 흡수량이 변하고, 이 변화에 따라 전류변화로 이어져 주변 습도를 감지 할 수 있도록 설계됐다. 이번에 개발한 센서는 기존 광학 습도센서와 달리 자연광, 발광다이오드(LED), 실내등 빛의 종류와 관계없이 작동한다. 또 외부 전원이 필요 없고, 필터 색 변화에 따라 습도를 예측할 수 있다.
노준석 교수는 “이 기술은 전원을 공급할 수 없고, 원자력발전로와 같이 사람 손이 닿기 어려운 곳에서 사용될 수 있는 센싱 기술”이라며 “외부습도를 감지해 작동하는 수분센서나, 습도에 따라 색을 바꾸는 스마트윈도 등 사물인터넷(IoT) 기술과 결합하면 큰 시너지를 낼 것”이라고 말했다. .
포항=정재훈기자 jhoon@etnews.com
