[논문] 실시간 모니터링을 위해 빠르게 반응하는 측색 센서로 색 영역이 확장되었습니다.

비색 센서는 직관적으로 색상을 변경하여 환경 변화를 감지하며 추가 장비 없이도 육안으로 쉽게 볼 수 있습니다. 또한 전력 소모가 전혀 없이 작동합니다. 추가 장비 없이 색상을 눈에 띄게 변화시킴으로써 이러한 센서는 최적의 습도가 품질 관리에 중요한 식품 포장 및 고대 유물 보존과 같은 응용 분야에서 중요한 역할을 할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.

정확한 습도 감지를 위해 비색 센서는 광범위한 색상을 포괄하고 사이의 선형 상관 관계를 보여야 합니다. 색상 및 습도에 신속하게 대응하고 장기적인 안정성을 유지합니다. 구조 변화를 통해 착색을 달성하는 센서는 일반적으로 화학 반응 기반 센서보다 유리합니다.

이 중에서 Fabry-Pérot 공명을 활용한 금속-하이드로겔-금속(MHM) 구조는 단순성과 다양한 색상 생성으로 인해 두드러집니다. 종종 키토산과 같은 팽창 물질을 사용하여 하이드로겔 공동의 두께 변화가 다른 색상으로 이어지기 때문입니다. 그러나 기존 디자인은 여전히 ​​제한된 색상 표현과 느린 응답 속도로 인해 어려움을 겪고 있습니다.

이러한 문제를 해결하기 위해 부산대학교 전기전자공학부 이길주 부교수가 이끄는 한국 연구팀은 혁신적인 2차원(2D) 나노 구조의 Fano 공진 비색 센서(nFRCS)를 개발했습니다.

이 박사는 “우리의 디자인은 파노 공명과 플라즈몬 공명을 활용하는 나노홀 배열을 도입하여 감색에서 가색까지 반사 스펙트럼을 제어함으로써 색 영역을 크게 향상시킵니다. 또한 이러한 나노홀 채널은 응답성을 향상시킵니다.”라고 설명합니다. 연구 결과는 다음과 같습니다 출판됨 일지에 광학.

nFRCS는 얇은 상부층과 두꺼운 하부층을 갖는 은-키토산-은의 MHM 구조로 구성됩니다. MHM에는 또한 얇은 다공성 게르마늄(Pr-Ge) 코팅이 있습니다. 이 코팅은 MHM을 Fabry-Perot 공진기에서 Fano 공진기로 변환하여 색상 표현을 크게 향상시키는 핵심 추가 요소입니다.

또한 nFRCS는 2D 나노홀 어레이(NHA)를 MHM 층에 통합하여 주변 환경의 수증기가 키토산 층에 도달하고 상호 작용할 수 있는 직접적인 경로를 설정합니다. 키토산의 친수성 특성으로 인해 습도가 높은 환경에서는 키토산이 물 분자를 흡수하여 부풀어 오르고, 건조한 환경에서는 물 분자를 방출하여 부피가 줄어들어 습도에 따라 색상이 변합니다.

이러한 NHA는 또한 센서의 반응성을 향상시키며, 규칙적인 패턴은 다음과 같은 추가적인 가벼운 물질 상호 작용을 촉진합니다. 표면 플라즈몬 공명 (SPP) 및 국소 표면 플라즈몬 공명(LSPR)을 통해 성능을 더욱 향상시킵니다.

연구진은 NIL(roll-to-plate nano-imprint lithography)을 사용하여 nFRCS 센서를 제작했습니다. NIL은 스탬핑과 유사한 방법을 사용하여 나노 규모 패턴을 MHM 층에 전사합니다. 기존의 값비싼 나노구조 제조 기술에 비해 이 방법은 시간과 비용을 모두 절약합니다.

실험에서 제작된 nFRCS는 표준 RGB(sRGB)를 초과하는 넓은 색 영역을 보여 sRGB 커버리지 141%, Adobe RGB 커버리지 105%를 나타내어 이전 연구를 능가하는 성능을 보였습니다. 또한 응답 시간은 각각 287밀리초, 복구 시간은 87밀리초로 뛰어난 응답성을 보여주었습니다.

이 박사는 “nFRCS는 습도 감지를 넘어 건강 모니터링 장치, 지능형 디스플레이, 내장재로도 활용 가능해 외부 자극에 반응해 뚜렷한 색상 변화를 만들어낸다”며 “이번 디자인은 센서의 활용 범위가 더욱 넓어질 것”이라고 말했다. 다양한 색상을 감지하는 다른 유형의 비색 센서를 위한 프레임워크 환경 변화 습기 빼고요.”

전반적으로 이 혁신적인 센서는 무전력 실시간 환경 모니터링에 있어 중요한 도약을 의미합니다.