ウェアラブルセンサーがホログラムで有毒ガスを検出

浦項工科大学（POSTECH）の研究者 ステッカーのように眼鏡や手袋に貼ることができる小さなガスセンサーを作成しました。ホログラムディスプレイを使用すると、センサーは揮発性ガスの検出をユーザーに即座に通知します。

ウェアラブル技術は、いつの日か、工場での有毒ガスの漏れ、ボイラーの一酸化炭素の漏れ、またはマンホールの清掃中の有毒ガスの窒息に関連するガス事故を防ぐのに役立つ可能性があります。

ウェアラブルガスセンサーの仕組み

300 x 300 µmセンサーは、有毒ガスに敏感なメタ表面と液晶（LC）セルで構成されています。ガスが検出されると、セルの向きが変わり、カスタマイズされた警告が表示されます。

ホログラムはメタサーフェスによって生成され、光の屈折率を制御することで可視オブジェクトを非表示にします。

セル内の液晶の向きが変わると、入射光の円偏光が右から左に反転します。

次に、この円偏光はメタサーフェスと相互作用します。メタサーフェスは、光の偏光ごとに1つずつ、2つの異なるホログラムを生成するように設計されています。

「安全な状態」では、LCは「安全な」ホログラムを生成する光の偏光を生成するように構成されます。有毒ガスへの曝露は、LCに影響を与えて、反対の円偏光を生成するように配向し、「アラーム」ホログラム信号を生成します。

「目的の画像を生成する位相分布を取得し、それに応じてメタ表面にナノ構造を配置します」と、POSTECHの研究者であるTrevonBadloe氏は述べています。 「次に、メタサーフェスを円偏光で照らすと、ホログラフィック画像が表示されます。」

バドルーと彼のチームは、メタサーフェスを安全メガネの曲面に取り付けました。

メタサーフェスを使用すると、ガスセンサーは、透過光の偏光を制御することにより、ホログラフィックイメージアラームをわずか数秒で宇宙に浮かせることができます。ホログラムは、サンプルの上、または着用者がそれを置くことを決定した場所に表示することができます、とバドルーは言います。

「私たちはレーザー照明を使用してホログラムを作成しましたが、将来的にはデバイスをOLEDやMicroLEDなどの小さな光源と統合して、完全なオンチップデバイスを作成する予定です」と研究者は述べています。

他の従来の商用ガスセンサーとは異なり、POSTECHデバイスは外部の機械的または電子的デバイスからのサポートを必要としません。

試験では、研究者らは、標的となる危険ガスとして、胃の痛み、頭痛、めまいを引き起こす有毒物質であるイソプロピルアルコールを使用しました。チームの調査によると、センサーは約200ppmの微量のガスでも検出しました。

柔軟でウェアラブルなガスセンサーは、ワンステップのナノコンポジット印刷方式ですばやく作成されます。以前に硬質基板上で処理されたメタ表面構造は、湾曲した基板または柔軟な基板上に1つのステップでナノキャストされます。

次は何ですか？

次に、研究者は、ホログラフィックアラームで周囲のガスまたは生化学物質の種類と濃度レベルを表示する高性能環境センサーを開発します。エンジニアは、さまざまなホログラフィック画像をエンコードできる光学設計技術も研究しています。研究が成功すれば、生化学的またはガス漏れによって引き起こされる事故を減らすために使用することができます。

Badloeと彼のチームによると、POSTECHのJunsuk Rho教授が率いるセンサーメーカーは、Apple、Samsung、Google、Facebookで開発中のガラスタイプのARディスプレイシステムとこの技術を統合したいと考えています。

Rho教授のグループのメンバーであり、Science Advances に関する研究者の最近の論文の共著者であるバドルー 、 Tech Briefsと話しました 彼がホログラフィック画像の未来をどのように想像しているかについての電子メールを介して。バドルーは彼のチームを代表して、論文の筆頭著者であるインキ・キム博士と調整して連絡を取りました。

技術概要 ：「即時視覚ホログラフィックアラーム」はどのように見えますか？

トレボンバドルー ：視覚的なホログラフィックアラームは、安全な状態と警告状態のために選択された画像を表示できます。これには、テキスト、画像、または記号が含まれる場合があります。画像を設計してホログラフィックメタサーフェスにエンコードする方法はよく知られているため、製造プロセスの前に選択されます。

技術概要 ：このセンサーで検出できるガスは何ですか？

トレボンバドルー ：ガス検知の機能は液晶セルにのみ依存しているため、特定の有毒ガスに対する応答の選択性も、デバイスにかなり簡単に統合できます。クロロホルム、アセトン、トルエン、IPA、p-キシレン、メタノール、およびDMFを検知したときの応答時間をテストおよび検証しました。 「安全」信号から「警報」信号への応答時間は、ガスの投与量と種類によって異なります。

技術概要 s ： H メタサーフェスに明確なホログラムをデザインしますか？

トレボンバドルー ：プロセスはかなり複雑ですが、よく理解されています。

まず、必要な干渉パターン（つまり、表示したい画像）を目的の場所に生成する位相マップをデジタルで生成する必要があります。ホログラムの設計は、コンピューター生成ホログラフィー（CGH）として知られる計算によって行われます。ここでは、「フェーズのみ」のCGHを使用しました。必要な画像の位相マップの生成は非常に簡単でよく理解されており、最も一般的にはGerchberg-Saxtonアルゴリズムを使用します。 。次に、この位相マップは、必要な位相特性を示すように設計されたナノ構造を使用して、メタサーフェスに物理的にエンコードされます。

技術概要 ：2つの別々のホログラムを作成するのは難しいプロセスですか？

トレボンバドルー ：光の偏光を等しく反対に誘導できるという事実を利用しています（左右の円偏光）。次に、2つの異なる位相マップを組み合わせて、固有の位相特性を使用してナノ構造をエンコードできるようにします。さらに、ナノ構造の回転にのみ関連する追加の補正（それぞれ、伝播位相と幾何位相として知られています）を使用できます。 。

技術概要 ：このセンサーのアプリケーション例を教えていただけますか？

トレボンバドルー ：柔軟な液晶セルとメタサーフェスを使用すると、滑らかで平らであるかどうかに関係なく、ガス検知視覚アラームを任意のサーフェスに適用できます。例として、メタサーフェスを安全メガネの曲面に取り付けました。また、ユーザーの手袋など、視覚的なアラームを提供するために簡単に確認できる場所に取り付けることもできます。

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技術概要 ：あなたの研究の次は何ですか？

トレボンバドルー ：追跡調査として、安全な警報信号を提供するだけでなく、存在する有毒ガスのレベルに関する情報をユーザーに提供できるデバイスを製造する予定です。たとえば、危険なレベルに達する前に有毒ガスの存在を知ることは有用かもしれません。次に、不要なガスの流れを止めるための正しいアクションを実行できます。

技術概要 ：このテクノロジーとその可能性について、あなたにとって最もエキサイティングなことは何ですか？

トレボンバドルー ：このテクノロジーは、メタサーフェスが実際のアプリケーションに与える可能性のある影響を証明します。メタ表面と液晶の単純な統合により、多くの機能を実現できます。ホログラフィックビジュアルアラームは、バイオハザードガスを迅速に検出するための実験室や軍事環境など、ユーザーの安全のために瞬時のアラームが必要なさまざまな分野で非常に役立つ可能性があります。

どう思いますか？ホログラフィック警告の他の用途はありますか？以下で質問やコメントを共有してください。