색깔 변화만으로도 건축물의 노후화 진단한다!

- 기계연, 필름 형태의 나노광학 소자로 변형 발생을 검출하는 센서 기술 세계 최초 개발 -

기계적 변형의 색상 표시 및 머신러닝 통한 모니터링 솔루션으로 사회 안정성 증대 기여 -

□건축물의 노후화에 따라 위험도 및 안정성 모니터링의 중요성이 높아지는 가운데, 구조물의 변형과 안정성을 간편하게 측정할 수 있는 나노광학 센서 기술이 개발됐다. 고비용과 전문성이 필요한 구조물 진단 및 모니터링 분야에 획기적인 변화가 예상된다.

□ 과학기술정보통신부 산하 한국기계연구원(원장 류석현, 이하 기계연) 나노융합연구본부 나노리소그래피연구센터 윤재성 책임연구원(과학기술연합대학원대학교(UST) 겸임교수) 및 녠황민 학생연구원(UST-KIMM 스쿨 박사과정) 연구팀은 공작새 깃털, 모포나비 등의 발색 원리인 ‘구조색 현상’에 착안하여 나노패턴이 형성된 필름형태의 변형센서를 개발했다. 필름을 건물 등에 부착하면 변형여부 및 변형량에 따라 색상이 자연스럽게 바뀌어 노후화 및 손상 등 안전성 파악이 손쉽게 가능하다.

한국기계연구원 나노융합연구본부 나노리소그래피연구센터 윤재성 책임연구원(왼쪽)과 녠황민 학생연구원(오른쪽, UST-KIMM스쿨 박사과정)

□기계연이 개발한 필름 나노광학 센서는 기계적 변형을 나노패턴에 의한 광학적 발색으로 표현했다. 변형량을 시각정보로 표현해 색소나 염료, 별도 전원이 필요 없는 형태다. 스마트폰을 이용해 색상을 수치화하면 정밀 계측이 가능해 기존 구조물 측정 및 모니터링 과정을 패치 부착으로 단순화했다.

□국내외 나노구조색 연구분야의 오래된 기술적 난제는 관찰각도에 따라 색상이 변한다는 점이었다. 연구팀은 이를 보정하여 관찰각도에 영향받지 않는 기술을 세계 최초로 개발했다. 색상이 일정하게 유지되는 나노패턴을 최초 개발함으로써 각도로 인한 영향을 보정하는 기준값으로 활용하도록 했다. 이를 이용하면 관찰 각도를 모르는 상태에서도 변형량의 정밀 측정이 가능하다.

□ 연구팀은 색상변화 이미지를 인공지능으로 학습해 위험 여부를 판별하는 모니터링 솔루션을 확보했다. 스마트폰의 앱을 통하거나 드론, 로봇, CCTV 등 측정 방법을 다양화하면 기존에 측정이 어려웠던 건축물, 구조물의 손상 및 위험성도 판별할 수 있다. 원천기술을 이용해 색상의 발현 자체를 제어하는 필름도 개발했다. 투명 필름에서 특정 조건에서만 모양이 나타나는 필름으로 제작할 수 있어 위조방지 및 보안용 필름으로 적용 가능하다.

□ 기계연의 필름 나노광학 센서 기술은 10건 이상의 국내특허, 1건의 국제특허(PCT)를 출원했으며, 현재 1건의 미국 특허를 추진 중이다. 또한, 저명 학술지인 미국 화학회(American Chemical Society, ACS) ‘Applied Nano Materials’ 저널에 표지논문으로 선정되었으며, 영국 왕립화학회(Royal Society of Chemistry, RSC)의 권위 있는 학술지인 ‘Nanoscale Advances’ 저널에도 게재가 확정됐다.

* 논문명: "Photonic Crystals for Dichotomous Sensitivity to Strain for Sensor and Indicator Applications", 「ACS Applied Nano Materials」, September 13, 2024, Volume 7, Issue 17

□기계연 윤재성 책임연구원은 “필름 나노광학 센서 기술을 활용하면 건축물과 시설물의 노후화 진단이 획기적으로 간편해진다”며 “정확도 높은 모니터링 솔루션을 낮은 비용으로 제공함으로써 사회 안정성 증대에 기여하겠다”고 밝혔다.

□한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부의 STEAM연구사업 중 브릿지융합연구인 나노광학AI건설안전연구단(단장 윤재성)의 ‘나노광학-머신러닝 기반의 건축물 안전 및 재난 관리를 위한 스마트 모니터링 기술개발’ 과제의 지원을 받아 수행됐다. 연구팀은 개발된 기술의 활용도를 극대화 하기 위하여 관련 분야의 기업들과 꾸준한 교류 및 기술설명을 하고 있으며, 그중 일부 기업에 대해 기술이전을 추진 중이다.

나노광학 센서 실험을 위한 장치