▲ 서울대 공대 안성훈 교수 연구팀이 나비의 날개와 조류의 깃털 표면의 마이크로/나노 패턴을 모사한 '구조색 센서'를 개발했다.(사진=서울대)

서울대 공대 기계공학부 안성훈 교수 연구팀이 나비의 날개와 조류의 깃털 표면의 마이크로/나노 패턴을 모사해 구조색(structural color) 기반 대변형 센서를 개발했다고 28일 밝혔다.

물체의 색을 만드는 원리는 안료나 염료 등 화학적인 색소를 이용하는 방식과, 마이크로 나노 구조를 이용하는 구조색 방식으로 나뉜다. 구조색은 마이크로/나노 크기의 패턴이 있는 표면에 백색광이 입사된 후 산란과 간섭을 일으켜 특정한 빛의 파장만 반사 또는 흡수돼 우리 눈에 색으로 보이게 된다.

이번에 개발한 구조색 센서는 전기회로 없이 ‘빨주노초파남보’의 무지개 색을 보고 변형률을 알 수 있으며, 최대 100%의 인장-압축 변형률(스트레인)과 최대 78%의 전단(shear) 변형률까지 측정 가능하다.

센서는 유연재료(PDMS: Polydimethylsiloxane)의 표면에 가시광선의 파장과 비슷한 수백 나노미터 간격의 패턴으로 제작되고, 백색광이 정해진 각도로 입사될 경우 특정한 색을 반사시킨다. 유연재료가 힘을 받아 늘어나거나 줄어들면 나노 패턴 사이의 거리도 따라서 변하고, 결과적으로 눈에 보이는 색도 바뀌게 된다.

기존에 구조색을 통해 변형을 측정하는 연구는 현상에 대한 설명에 그쳤다. 하지만 이번 연구에서는 색과 변형률 사이의 관계를 수식으로 나타내고 센서로서의 가능성을 제시했다.

이번 연구에 참여한 전영준 박사는 “이 센서는 유연 나노임프린팅(soft nanoimprinting) 공정을 통해 제작했으며, 추가 공정이 필요 없기 때문에 대량 생산에 적합하다”라며, “일체형 구조를 갖고 있어 다른 이종재료로 제작한 구조색 나노 패턴에 비해 내구성이 좋다”라고 설명했다.

안성훈 교수는 “나노패턴의 설계와 가공을 통해 최초로 인장, 압축, 전단 변형을 모두 측정하는 구조색 기반 변형률 센서를 개발했다.”며, “변형이 큰 소프트 로봇이나 웨어러블 장치 등의 센서로 활용할 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구 결과는 나노분야 국제학술지 ACS 나노(Nano) 5월호 표지논문으로 선정됐다. 이 연구는 한국연구재단 중견연구자 지원사업(전략과제)과 한국-독일 지능형 생산시스템 연구실(기초연구실 지원사업) 등의 지원으로 수행됐다.