최근 스마트 윈도우 기술을 다룬 ‘어드밴스드 옵티컬 머터리얼즈’ 표지논문.주변의 수분량이나 햇빛의 강도에 따라 자동으로 색이 변해 실내로 들어오는 햇빛을 조절할 수 있는 ‘스마트 윈도우’를 구현할 원천기술이 나왔다. 이렇게 되면 여름철 가시광선 투과를 차단해 냉방비용을 줄이고 장마철이나 한여름 바깥 습도에 따라 햇빛을 더 통과시킬 수 있게 된다.
키토산 기반의 하이드로겔을 이용한 금속-하이드로겔-금속 공진기 구조를 활용해 가변형 컬러 필터를 개발하고 태양전지와 결합해 자가발전 수분센서를 개발한 것이다. POSTECH(포항공대)의 노준석 기계공학과·화학공학과 교수, 장재혁·아이잔 이즈무하노바 화학공학과 통합과정생, 박인규 KAIST(한국과학기술원) 기계공학과 교수 공동 연구팀은 이같은 연구성과를 최근 나노·광학분야 전문 학술지인 ‘어드밴스드 옵티컬 머터리얼즈’ 표지논문으로 게재했다.
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. 이는 광학 센서에 사용 가능한 공진 현상 중 하나로 금속-유전체-금속 형태의 다층박막 형태로 구현 가능한 페브리-페로 간섭을 활용한 것이다. 패브리-페로 간섭은 여러 파장이 필터에 입사되면 특정 공간에서 다중간섭현상을 발생시켜 특정한 파장만 투과시키고 다른 파장들은 반사함으로써 원하는 데이터만 선별하는 것을 말한다.
이때 투과된 빛의 공진 파장은 유전체층의 두께와 굴절률에 따라 조절 가능하다. 다만 기존의 금속-유전체-금속 공진기에서는 한번 제작된 이후로 투과되는 빛의 파장을 조절할 수 없다는 큰 단점이 있어 가변형 센서에 사용하기에는 애로가 있었다.
공동 연구팀은 키토산 하이드로겔을 금속-하이드로겔-금속 형태로 제작할 경우, 주변 습도에 따라 실시간으로 투과되는 빛의 공진 파장이 변함을 발견했다. 키토산 하이드로겔이 주변의 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 ‘수분 센서’를 개발했다.
설계 원리는 필터의 공진파장을 태양전지의 흡수도가 급격하게 변하는 파장대와 겹치도록 하는 것이다. 이 필터는 수분량에 따라 태양전지의 빛 흡수량이 변하고, 이 변화에 따라 전류변화로 이어져 주변 습도를 감지 할 수 있도록 설계됐다. 이번에 개발된 센서는 기존 광학 습도센서와는 다르게 자연광, LED, 실내등 빛의 종류와 관계없이 작동했다. 또한 외부 전원이 필요 없을 뿐만 아니라, 필터의 색 변화에 따라 습도를 예측할 수 있다.
연구를 주도한 노준석 교수는 “이 기술은 전기가 들어오지 않고 원자력발전로와 같이 사람이 닿기 어려운 곳에서 사용할 수 있는 센싱 기술”이라며 “외부습도를 감지해 작동하는 수분센서나 습도에 따라 색을 바꾸는 스마트 윈도우 등 IoT 기술과 결합하면 시너지를 낼 것”이라고 설명했다. 이 연구는 삼성미래기술육성센터의 지원을 받았다. /고광본 선임기자 kbgo@sedaily.com
