[시사뉴스 정은주 기자] 공장 유독가스 유출, 보일러 일산화탄소 유출 또는 맨홀 청소 도중 유독가스 질식사와 같은 가스 사고로 인한 인명피해는 지속적으로 발생하고 있다. 유독가스나 생화학 물질을 빠르게 탐지할 수 있는 센서를 개발하는 것은 공중 보건, 환경 모니터링, 군사 분야에서도 여전히 매우 중요한 이슈이다. 최근 POSTECH(포항공과대학교, 총장 김무환) 연구팀에서 가스 탐지 정보를 신속하게 사용자에게 알려줄 수 있으면서도 가격은 저렴한 초소형 웨어러블 홀로그램 센서를 개발했다.
POSTECH 기계공학과·화학공학과 노준석 교수·통합과정 김인기씨 연구팀과 화학공학과 김영기 교수·통합과정 김원식씨 연구팀이 공동연구를 통해 메타표면과 가스 반응형 액정 기술을 접목해 외부로부터 유해가스가 유입되면 즉각적인 홀로그램 형태의 시각 알람을 눈앞에 띄울 수 있는 센서를 개발했다. 이번 연구의 성과는 세계적인 학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’ 7일 자에 게재됐다.
석유화학 공장 등 위험 환경 작업자에게 있어 가스센서는 생명과도 직결된다. 그러나 현장에서 상용 가스센서 보급률이 높지 않은데, 이는 상용 가스센서가 복잡한 기계와 전자장치로 이루어져 있어 비용이 높다는 것이 가장 큰 이유다. 뿐만 아니라 상용 가스센서는 사용법이 복잡하며, 휴대성이 떨어지고, 반응속도가 느리다는 한계가 지적되고 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해 연구팀은 빛을 굴절률을 제어해 보이는 물체를 사라지게 하는 ‘투명망토’를 구현할 수 있는 미래 광학소자로 잘 알려진 메타표면에 주목했다. 특히, 메타표면은 빛을 자유자재로 제어해 양방향 홀로그램이나 3D 영상 이미지를 전송하는 데도 활용된다.
연구팀은 메타표면을 활용해 외부에서 가스가 유입되면, 센서 소자 내부 액정 층에서 액정 분자 배열이 바뀌고 이를 통해 변화되는 편광 빛을 활용해 단 몇 초 만에 알람 형태의 홀로그램 이미지를 공간상에 띄울 수 있는 가스센서를 개발했다. 더욱이 연구팀이 개발한 가스센서는 기존의 상용 가스센서와 달리 외부의 복잡한 기계나 전자 장치의 도움이 전혀 필요치 않다. 특히, 연구팀은 복통, 두통, 현기증, 백혈병까지 유발할 수 있는 독성 물질로 알려진 이소프로필알콜을 테스트 휘발 가스로 사용했다.
이번에 개발한 센서는 200ppm 정도 극미량의 가스도 감지할 수 있는 것으로 확인됐다. 일상에서 사용하는 보드마커를 가스원으로 사용한 실제 실험에서 마커를 센서에 가져다 댄 순간 즉각적으로 홀로그램 경고 알람이 눈앞에 뜨는 것을 확인할 수 있었다.
또한, 연구팀은 플렉서블·웨어러블 형태의 가스센서를 구현하기 위해 나노복합재 단일 프린팅 공정을 개발했다. 기존의 딱딱한 기판 위에서 가공되던 메타표면 구조를 곡면이나 유연 기판에서 한 번의 프린팅만으로 빠르게 생산할 수 있도록 설계하고 이를 실험으로 입증했다.
이 공정을 통해 제작된 플렉서블 센서는 보안경에 스티커처럼 부착하면, 가스센서와 마찬가지로 가스를 탐지, 홀로그램 알람을 띄울 수 있다. 이는 현재 애플, 삼성, 구글, 페이스북 등에서 활발히 개발 중인 안경 형태의 AR 디스플레이 시스템과도 연동이 가능할 것으로 기대된다.
여기에서 한발 더 나아가 주변에 노출된 가스 또는 생화학 물질의 종류와 농도까지 홀로그램 알람으로 띄울 수 있는 고성능 환경 센서를 개발 중이며, 다양한 홀로그램 이미지를 인코딩할 수 있는 광학 설계 기법도 연구하고 있다. 이런 연구가 성공적으로 개발된다면, 생화학 물질이나 가스 누출로 인한 사고를 줄이는 데에 활용할 수 있다.
노준석 교수는 “이번에 개발한 초소형 웨어러블 형태의 가스센서는 기존의 청각이나 단순 불빛 알람 신호보다 더욱 직관적인 홀로그램 형태의 시각 알람을 제공함한다”며, “주변 청각적, 시각적 잡음이 많고, 급박하게 돌아가는 작업 환경에서 더욱 효과를 발휘할 것으로 기대된다”고 말했다.
이 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단 중견연구, 글로벌프론티어, RLRC 지역선도연구센터, 미래소재디스커버리, 세종펠로우십 사업의 지원으로 수행됐다.
