메뉴바로가기본문바로가기

동아사이언스

늘어나고 쪼그라들면 색이 바뀐다…웨어러블기기용 변형 감지센서 개발

통합검색

늘어나고 쪼그라들면 색이 바뀐다…웨어러블기기용 변형 감지센서 개발

2020.04.28 14:06
구조색을 이용해 물체의 변형률을 색으로 표현할 수 있는 물질 기반 센서가 개발됐다. 나노분야 국제학술지 ′ACS 나노′ 5월호 표지논문으로 선정됐다. 서울대 공대 제공
구조색을 이용해 물체의 변형률을 색으로 표현할 수 있는 물질 기반 센서가 개발됐다. 나노분야 국제학술지 'ACS 나노' 5월호 표지논문으로 선정됐다. 서울대 공대 제공

국내 연구팀이 물체가 늘어나거나 쪼그러들거나 휘는 것을 색 변화로 알려주는 재료 기반의 변형 감지 센서를 개발했다. 변형을 측정하는 전자센서가 없어 에너지가 필요없고 제조가 간단하며 직관적으로 변형을 할 수 있어 향후 웨어러블 장비나 부드럽게 움직이는 소프트로봇의 동작을 측정하는 데 활용될 것으로 기대를 모은다. 


안성훈 서울대 기계공학부 교수와 전영준 정밀기계설계공동연구소 연구원팀은 나비의 날개와 새의 깃털 표면의 미세한 구조에 따라 색상이 바뀌는 기술을 이용해 물체의 변형을 감지하는 신개념 센서를 개발했다고 28일 밝혔다.


물체의 색을 만드는 방법은 크게 두 가지다. 첫 번째는 화학 색소 방식으로 염료와 페인트 등 일상에서 보는 색이 대부분 이 방식으로 만들어진다. 두 번째는 ‘구조색’으로, 표면에 마이크로미터(μm, 1 μm 는 100만 분의 1m)나 나노미터(nm, 1nm는 10억 분의 1m) 크기의 미세한 구조를 일정한 패턴으로 나열하는 방식이다. 태양광과 같은 백색광이 이 미세구조에 부딪히면 사방으로 흩어지고 서로 겹쳐지면서 특정한 빛의 파장만 반사 또는 흡수돼 색을 나타낸다. 나비나 풍뎅이, 비둘기 등 새의 깃털 등 동물에서 보이는 반짝이는 색이 구조색이다.


연구팀은 부드럽고 잘 휘어지는 재료인 폴리다이메틸실로세인(PDMS)을 이용해 최대 100%까지 압축되거나 늘어날 수 있는 센서를 만들었다. 바닥을 고정시킨 채 윗면을 바닥과 평행하게 이동시키면(전단 변형) 78%까지 변형이 가능하다. 연구팀은 여기에 가시광선의 파장과 비슷한 수백 nm 간격의 패턴을 새겼다. 


그 결과 물체가 변형되면 PDMS가 따라서 변형되고, 그 변형률에 따라 PDMS 표면의 패턴 사이 간격이 변화하면서 산란되는 가시광선의 빛 파장도 함께 일정하게 변화시키는 센서를 만드는 데 성공했다. 사람은 빨강에서 노랑, 녹색을 거쳐 파랑까지 무지개처럼 변하는 색을 보면 변형 정도를 직관적으로 알 수 있다.

 

연구를 주도한 안성훈 서울대 기계공학부 교수(왼쪽)와 전영준 서울대 정밀기계설계공동연구소 연구원이 개발한 센서(작은 사진)를 들고 포즈를 취했다. 서울대 공대 제공
연구를 주도한 안성훈 서울대 기계공학부 교수(왼쪽)와 전영준 서울대 정밀기계설계공동연구소 연구원이 개발한 센서(작은 사진)를 들고 포즈를 취했다. 서울대 공대 제공

전 연구원은 “이 센서는 유연 나노임프린팅 공정을 통해 제작했으며, 추가 공정이 필요 없어서 대량 생산에 적합하다”라며 “일체형 구조를 갖기 때문에 이종재료로 제작한 구조색 나노 패턴에 비해 내구성이 좋다는 점도 장점”이라고 말했다.


안 교수는 “나노패턴의 설계와 가공을 통해 최초로 늘어남, 압축, 전단 변형을 모두 측정하는 구조색 기반 변형률 센서를 개발했다”라며 “변형이 큰 소프트로봇이나 웨어러블 장치 등의 센서로 활용할 수 있을 것”이라고 말했다.


연구 결과는 나노 분야 국제학술지 ‘미국화학회(ACS) 나노’의 5월호에 발표됐다.
 

논문에 실린 개념도다. 평소 파란색으로 보이는 센서는 장력을 가해 늘리면 빨간색으로 변한다(왼쪽 위 두 그림). 잡아 늘리면 빨간색으로 압축하면 파란색으로 변형된다(아래 둘). 전단 변형을 가해도 변형률에 따라 색이 파랑에서 녹색, 노랑, 빨강으로 변한다. ACS 나노 제공
논문에 실린 개념도다. 평소 파란색으로 보이는 센서는 장력을 가해 늘리면 빨간색으로 변한다(왼쪽 위 두 그림). 잡아 늘리면 빨간색으로 압축하면 파란색으로 변형된다(아래 둘). 전단 변형을 가해도 변형률에 따라 색이 파랑에서 녹색, 노랑, 빨강으로 변한다. ACS 나노 제공

 

이 기사가 괜찮으셨나요? 메일로 더 많은 기사를 받아보세요!

댓글 0

6 + 6 = 새로고침
###
    과학기술과 관련된 분야에서 소개할 만한 재미있는 이야기, 고발 소재 등이 있으면 주저하지 마시고, 알려주세요. 제보하기

    관련 태그 뉴스