釜山大学 Lee Gilju 教授团队开发纳米结构湿度传感器…可通过颜色实时监测湿度变化
釜山大学·光州科学技术院·纳米综合技术院联合研究成果刊登《Optica》期刊
利用纳米结构实现高反应性、高色彩还原率的结构色湿度传感器开发成功
一种无需电力或电池、仅凭颜色即可实时、准确测量湿度变化的传感器已经被开发出来。
这一传感器是利用名为“水凝胶”的特殊材料制成的。水凝胶具有随湿度变化而体积发生改变的特性，研究团队正是利用这一变化来实现颜色的转变。以往的传感器颜色表现有限、响应速度较慢，而研究团队在水凝胶中加入多层结构和微小纳米孔，提高了传感器的响应性。
尤其是，该结构可以呈现红（R）、绿（G）、蓝（B）等多种颜色，使色彩更加鲜明。同时，得益于这些纳米孔，水分子可以直接接触水凝胶，从而更快速地对湿度变化作出反应。
通过利用光学结构和精密工艺技术制成的这款传感器，相比传统方式能够更快地感知湿度，并且色彩表现更为准确，预计还可应用于温度或压力测量传感器。
釜山大学电气电子工程学部电子工程系研究团队在 Park Gilju 教授带领下，与光州科学技术院电气电子计算机工程学部 Song Youngmin 教授团队、纳米综合技术院 Kang Ilseok 博士团队共同合作，通过联合研究，成功开发出一种可随湿度变化而改变颜色的、基于结构色的高响应性、高色彩再现率结构色湿度传感器，并于15日作出上述表示。
（自左起）Lee Gilju 教授、Song Youngmin 教授、Kang Ilseok 博士、Nam Heejun 硕士研究生、Ko Juhwan 博士。
View original image基于法布里–珀罗共振结构的金属–水凝胶–金属结构，利用水凝胶体积变化特性，根据共振腔厚度不同呈现不同颜色，一直被视为一种具有湿度响应性的结构色。然而，现有结构的反射色基于减色（减法混色，CMY，青–品红–黄，颜色越叠加越暗）模型，可表现的颜色有限，而且最上层金属层会阻碍水分子渗入水凝胶层，导致响应性较低。
对此，研究团队在金属–水凝胶–金属结构中引入损耗介质，实现多层法诺共振结构，将反射色转变为基于加色（加法混色，RGB，红–绿–蓝，颜色越叠加越亮）模型的颜色，从而提高了传感器的色彩再现率，并通过构建水分子可与水凝胶层直接接触的纳米孔通道，提升了响应性。
损耗介质是指光或能量通过时，会有一部分被吸收或散射而消失的物质。当光穿过这种介质时，其能量不会被完全反射或透射，而是看上去有一部分消失。损耗介质与光相互作用，会产生其特有的共振现象，并在这一过程中吸收或消耗能量。将其与多层结构结合，可实现具有更高色彩再现率的结构。例如，可以通过对特定波长的光进行高效吸收或反射，用于改变结构的颜色。
法诺共振（Fano resonance）是由连续能级结构（损耗介质）与离散能级结构（金属–水凝胶–金属）耦合而产生的一种共振现象，其共振结果会随各结构的能级状态以及耦合程度不同而变化。为此，研究团队使用孔隙率不同、光学特性随之变化的多孔损耗介质，设计出具有高色彩再现率反射色的法诺共振结构，并通过斜角沉积工艺实现多孔损耗介质。
另一方面，在多层法诺共振结构中额外加入通道结构时，法诺共振区域会缩减，导致由于不期望的反射而使色彩再现率下降。围绕这一问题，研究团队设计出一种与偏振方向无关、可激发相同等离子体共振的纳米孔结构，在维持法诺共振的同时，设计出具备更高色纯度的反射光谱，从而同时提升色彩再现能力和响应性。
纳米孔图案由数百纳米（nano，10-9）尺度构成，若采用传统曝光方式实现，往往需要较长时间和高昂成本，难以实际应用。然而，研究团队采用卷对板纳米压印光刻（Roll-to-plate nano imprint lithography）工艺方法，使滚轮如同“盖章”一般旋转，将预先图案化的结构在短时间内大面积转印到已涂覆的光敏溶液层上。
通过精密光学结构设计与半导体工艺技术集成制备的这款超高速法诺共振比色湿度传感器，在标准RGB（standard RGB）色域中实现了141%的高色彩表现力，并展现出287毫秒的响应时间和87毫秒的恢复时间。
釜山大学 Park Gilju 教授表示：“本次研究通过将多层法诺共振结构与纳米孔结构相结合，得以突破既有比色湿度传感器的局限，实现了飞跃式发展。”
光州科学技术院 Song Youngmin 教授表示：“该技术不仅可用于湿度测量，还可结合多种材料，应用于温度及应变测量比色传感器的开发，前景值得期待。”
纳米综合技术院 Kang Ilseok 博士则表示：“本研究之所以得以实现，离不开三家共同研究机构的通力合作，尤其是纳米综合技术院娴熟的纳米工艺技术，能够对这一突破性技术开发作出重大贡献，我感到非常高兴”，强调了该研究成果是协作的结晶。
此次研究由釜山大学 Park Gilju 教授、光州科学技术院 Song Youngmin 教授、纳米综合技术院 Kang Ilseok 博士担任通讯作者，釜山大学硕士研究生 Nam Heijun、光州科学技术院博士 Go Juhwan 担任第一作者参与完成。
在韩国研究财团基础研究室深化项目、“一口井式”基础研究、纳米及材料技术开发项目战略型项目、世宗科学学者计划以及釜山大学BK21 FOUR研究生院创新支援项目的资助下完成的本项研究成果，将刊登于美国光学学会在光学与光子学领域具有权威性的学术期刊《Optica（OPTICA）》2024年10月20日出版的期刊上。
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