나노기술 및 정책 정보

• 목록

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

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

물체의 색을 만드는 방법은 크게 두 가지임. 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 방식임. 태양광과 같은 백색광이 이 미세구조에 부딪히면 사방으로 흩어지고 서로 겹쳐지면서 특정한 빛의 파장만 반사 또는 흡수돼 색을 나타냄. 나비나 풍뎅이, 비둘기 등 새의 깃털 등 동물에서 보이는 반짝이는 색이 구조색임.

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

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 성공함. 사람은 빨강에서 노랑, 녹색을 거쳐 파랑까지 무지개처럼 변하는 색을 보면 변형 정도를 직관적으로 알 수 있음.

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 말함.

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

본 연구 성과는 ‘ACS Nano’ 지에 게재됨