서울대학교 공과대학(학장 차국헌) 기계항공공학부 안성훈 교수 연구팀이 구조색(structural color)기반 대변형 센서를 개발했다.

서울대학교에 따르면 이 구조색 기반 변형률 센서는 나비의 날개 또는 조류의 깃털 표면의 마이크로/나노 패턴을 모사해 개발되었다. 색을 표현하는 원리는 안료나 염료 등의 색소를 이용하는 전통적인 방식과 마이크로 나노 구조를 이용하는 구조색 방식으로 나뉜다. 구조색은 백색광이 입사되고 마이크로/나노 크기의 패턴이 있는 표면에 간섭/산란 등을 일으켜, 특정한 빛의 파장을 반사 혹은 흡수함으로써 우리 눈에 색깔로 보이게 된다. 개발된 구조색 센서는 전기회로 없이 ‘빨주노초파남보’의 색깔로 변형률을 표현할 수 있으며 최대 100%의 인장-압축 변형률(스트레인)과 최대 78%의 전단(shear) 변형률까지 측정할 수 있다.

기존의 변형률 센서는 측정할 수 있는 변형의 범위가 제한적이거나 전기회로를 사용해야 측정을 할 수 있다. 연구팀은 전기회로를 사용하지 않고도 색의 변화를 통해 변형률을 눈으로 보고 알 수 있는 센서를 개발했다.

구조색은 유연재료(PDMS: Polydimethylsiloxane)의 표면에 가시광선 영역의 파장과 비슷한 거리를 갖는 2차원 나노 패턴으로 구성되며 백색 광이 정해진 각도로 입사될 경우 가시광선 영역의 특정한 색을 반사하게 된다. 유연재료가 힘을 받아 변형되면 표면의 나노 패턴 거리가 변화됨에 따라 반사되는 색이 바뀌게 된다. 기존에 구조색을 통해 변형률을 측정하는 연구는 현상에 대한 설명에만 그친 반면, 본 연구에서는 파장-변형률 간의 수식모델을 세우고 실제 변형률 센서로의 응용이 가능하게 하였다. 또한, 다양한 회절 현상을 가지는 나노패턴 디자인을 통해 최초로 인장, 압축, 전단 변형을 측정할 수 있는 구조색 기반 변형률 센서를 개발하였다.

제1저자인 전영준 박사(서울대학교 정밀기계설계공동연구소)는 “개발된 변형률 센서는 유연 나노임프린팅(soft nanoimprinting) 공정을 통해 일체형으로 제작하였으며 추가 공정이 필요 없어 대량 생산에 적합하며 일체형 구조를 갖기 때문에 다른 멀티재료로 제작한 구조색 나노 패턴 구조에 비해 내구성이 좋은 장점이 있다”고 말했다.

교신 저자인 안성훈 교수는 “개발된 센서는 추가적인 전자회로 및 전선의 연결 없이 기계적인 대변형을 육안 또는 카메라로 보이는 색의 변화를 통해 측정할 수 있기 때문에 변형이 큰 소프트 로봇이나 웨어러블 장치 등의 센서로 활용할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

이 연구는 한국연구재단의 중견연구자 지원사업(전략과제)과 한국-독일 지능형 생산시스템 연구실(기초연구실 지원사업) 등의 지원을 받아 수행되었으며 나노분야 국제학술지 ‘’ACS Nano’’의 5월호 표지논문으로 선정되었다.

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베리타스 알파 http://www.veritas-a.com/news/articleView.html?idxno=321546
메트로신문 https://www.metroseoul.co.kr/article/20200428500212
교수신문 http://www.kyosu.net/news/articleView.html?idxno=50646
뉴스웍스 http://www.newsworks.co.kr/news/articleView.html?idxno=451392
동아사이언스 http://dongascience.donga.com/news/view/36342