남미에 사는 ‘헤라클레스 장수풍뎅이’는 습도에 따라서 색깔이 변하는 신기한 특징이 있다.

이는 장수풍뎅이의 껍질 내부가 사각형 구멍이 이어진 다공성 격자 구조로 이뤄져 있기 때문이다. 특정 파장의 빛을 받으면 이를 반사하는데, 습도에 따라 빛의 파장이 달라져 각기 다른 색이 나타난다. 이러한 장수풍뎅이와 같이 습도에 따라 색이 바뀌면서도, 속도를 기존 광학 센서보다 1만 배 더 높인 센서가 나왔다.

포스텍 기계공학과·화학공학과 노준석<사진> 교수·화학공학과 통합과정 정충환·장재혁 씨, ETRI(한국전자통신연구원, 원장 김명준) 홍성훈 책임연구원· 김수정 박사, GIST(광주과학기술원, 총장 김기선) 송영민 교수와의 공동연구로 초고속 광학 습도 센서를 개발했다.

이 연구성과는 최상위 국제 학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’에 최근 게재됐다.

빛을 이용한 센서는 심전도나 대기질 측정 등 이미 우리 생활에서도 활용되고 있다. 빛을 이용해 주변의 변화를 감지하고 이를 디지털 신호로 변환하는 원리다.

연구팀은 무질서한 금속 나노 입자층과 키토산 하이드로젤, 금속 반사판을 이용해, 금속-하이드로젤-금속 구조의 광학 센서를 만들었다. 주변의 습도가 바뀌면 팽창과 수축을 반복하는 키토산 하이드로젤의 특성 때문에 센서의 공진 주파수가 변화한다.

이 센서는 기존의 파브리-페로(Fabry-Perot) 간섭1) 기반의 광학 센서보다 약 1만 배나 빠른 속도를 자랑한다. 이처럼 빠른 반응속도는 습도에 따라 색깔이 바뀌는 장수풍뎅이의 껍질과 같이 센서를 구성하는 나노 입자 사이에 다공성 공간이 존재하기 때문이다.

포스텍 노준석 교수는 “본 습도 센서는 나노물질과 나노구조가 적용되었지만 저비용으로 대량생산할 수 있다는 게 특징”이라며 “습도 변화에 따라 다양한 보안 코드를 보여줌으로써 습도에 민감한 전자 장치, 지폐, 여권, 신분증 등의 보안 태그로 활용할 준비를 하고 있다”고 말했다.

한편, 이 연구는 삼성미래기술육성센터의 지원을 받아 이뤄졌다.