건물이 살짝 기울어졌네? 미세한 변화 감지하는 압력센서 개발

고려大, 박홍규 고려대 물리학과 교수팀

레이저 색 변화 이용해 압력 크기와 방향까지 측정

‘네이처 커뮤니케이션’에 실려

    박홍규 고려대 물리학과 교수(사진)팀은 압력을 가하면 색이 변하는 나노 레이저 압력센서를 개발했다고 23일 밝혔다. 이 장비를 건축물에 적용하면 건물이 소폭 기울거나, 지진 등으로 압력이 가해지는 것을 쉽게 감지할 수 있다. 

 

연구팀이 개발한 나노 레이저의 색 변화. 정상 상태의 나노 레이저(가운데)

를 늘리자 보라빛으로 색이 변화하고(오른쪽), 압축시키면 보라빛이 

줄어든다(왼쪽). - 고려대 제공

최근 압력 변화를 감지하는 센서를 기찻길, 건축물, 의료기기 등에 적용하기 위한 연구가 활발하다. 하지만 실제 적용하기에는 측정의 정확도가 떨어진다는 한계가 있었다.

 

연구진은 레이저가 하나의 파장(색)만을 갖는다는 점에 착안해 압력센서를 개발했다. 레이저는 내부의 격자 구조에 따라 색이 결정되는데, 유연한 기판에 압력을 가하면 격자 구조가 달라지고 파장 역시 바뀐다는 원리를 이용했다.

 

정상 상태의 나노 레이저(가운데)를 늘리자 보라빛으로 색이 변화하고(오른쪽), 압축시키면 보라빛이 줄어든다(왼쪽). - 고려대 제공

연구팀이 개발한 나노 레이저의 색 변화. 정상 상태의 나노 레이저(가운데)를 늘리자 보라빛으로 색이 변화하고(오른쪽), 압축시키면 보라빛이 줄어든다(왼쪽). - 고려대 제공

이 레이저는 격자 구조가 ―10%에서 12%까지 변형되는 동안 26nm(나노미터·1nm는 10억 분의 1m)의 파장 변화를 보였다. 기존 레이저는 0.6nm 정도로 작은 파장 변화를 보이는 데 그쳤다. 

 

연구진은 이 레이저를 적용한 압력센서를 개발해 0.5% 미만의 미세한 압력 변화도 측정할 수 있다는 사실을 확인했다. 또 산성도(pH) 변화에 따라 부피가 변하는 하이드로겔을 장착해 산성도 변화 역시 파악할 수 있도록 설계했다. 하이드로겔의 부피가 변화해 센서에 압력을 가하면 색이 바뀌는 형태다. 

 

박 교수는 “건축물의 구조 변화부터 생체 내부의 화학 반응 등을 감지할 수 있는 초소형 바이오센서까지 널리 응용될 수 있다”며 “최종적으로는 민감도를 더 높여 몸속 암세포의 유무까지도 정확하게 판단할 수 있는 기기 개발이 목표”라고 말했다.

 

이번 연구 결과는 학술지 ‘네이처’의 자매지인 ‘네이처 커뮤니케이션’ 12일자에 실렸다.

권예슬 기자 yskwon@donga.com 동아사이언스

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