나노광학 온도 시각화 센서 원리/GIST 제공

광주과학기술원(GIST) 전기전자컴퓨터공학과 정현호 교수와 한국과학기술원(KAIST) 전기·전자공학부 송영민 교수 공동 연구팀이 나노광학 온도 시각화 센서를 개발했다고 24일 밝혔다.
이 센서는 배터리 내부 온도가 위험 수준에 도달하기 전인 80도 이하에서 열폭주 위험을 실시간으로 감지하고 사용자에게 직관적으로 경고할 수 있다.
연구팀은 단원소 물질인 '텔루륨(tellurium)'의 특이한 광변조 특성에 주목해 10나노미터 두께의 텔루륨 초박막(ultrathin film)을 활용한 열변색 나노광소자를 개발했다.
텔루륨은 상온에서 80도로 온도가 상승할 때 고체 상태에서 준액체 상태로 녹으며, 가시광 영역에서 굴절률이 0.7 이상 변화하는 우수한 광변조 특성이 있어 1억분의 1초 단위로 초고속 온도 감지가 가능하다.
연구팀은 알루미늄 기반 배터리 표면 위에 10나노미터 두께의 매우 얇은 텔루륨층(Te)을 증착하고, 그 위에 수십 나노미터 두께의 유리(SiO2) 보호층을 적층해 온도에 따라 반사색이 변하는 가이레스-토어노이스 공진기(Gires-Tournois resonator)를 제작했다.
이 공진기는 80도 이하의 비교적 낮은 온도에서도 텔루륨의 고체, 준액체 상변화에 의한 광특성 변화를 극대화하며, 유리 보호층을 통해 외부 환경으로부터 텔루륨의 손상을 방지해 안정성을 확보하도록 설계됐다.
제작된 나노광소자는 상온 25도부터 80도까지 온도 변화를 색깔로 정밀하게 구분할 수 있으며, 상용 열전대와 유사한 수준의 온도 감지 성능을 보인다. 나아가 17밀리초(ms) 단위의 빠른 동영상 프레임 간격으로 배터리 표면의 온도 분포와 열 확산 과정을 실시간으로 시각화한다.
수십 번의 가열·냉각 사이클과 주변 습도 변화에도 안정적으로 온도를 감지하며, 9개월 이후에도 열변색 특성이 유지되는 내구성도 입증됐다.
GIST 정현호 교수는 "텔루륨의 광변조 특성을 나노포토닉스 기술과 결합해 배터리 폭발 위험을 조기에 경고할 수 있는 원천기술을 확보했다"며 "향후 전기차, 항공, 우주, 소방, 웨어러블 기기 등 다양한 분야에서 활용될 전망"이라고 설명했다.
 

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