ホログラフィックディスプレイで有毒ガスを警告する小型ウェアラブルガスセンサー

ポハン工科大学（POSTECH）の研究者たちが、メガネや手袋にシールのように貼り付けられる小型ガスセンサーを開発しました。ホログラムディスプレイにより、センサーは揮発性ガスの検知をユーザーに即座に通知します。

このウェアラブル技術は、将来的に工場での有毒ガス漏れ、ボイラーの一酸化炭素漏れ、マンホール清掃時の有毒ガス窒息など、ガス事故の防止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

300×300μmのセンサーは、メタサーフェスと液晶（LC）セルで構成され、有毒ガスに感応します。ガスが検知されると、セルの配向が変化してカスタマイズされた警告を形成します。

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物体を消失させます。

セル内の液晶の配向変化により、入射光の円偏光が右から左へ反転します。

この円偏光がメタサーフェスと相互作用し、メタサーフェスは各偏光に対して2つの異なるホログラムを生成するよう設計されています。

「安全状態」では、LCが「安全」ホログラムを生成する偏光を生み出すよう構成されています。有毒ガスへの曝露によりLCが反対の円偏光を生成する方向に配向し、「警報」ホログラム信号を生成します。

「望む画像を生成する位相分布を取得し、それに応じてメタサーフェス上にナノ構造を配置します」とPOSTECH研究者のトレボン・バドロー氏は述べています。「その後、メタサーフェスを円偏光で照明すると、ホログラム画像が表示されます。」

バドロー氏と彼のチームは、メタサーフェスを安全メガネの曲面に取り付けました。

メタサーフェスにより、ガスセンサーは透過光の偏光を制御することで、わずか数秒で空間にホログラム画像アラームを浮遊させられます。ホログラムはサンプルの上や、着用者が決めた場所に表示させられるとバドロー氏は述べています。

「ホログラム生成にはレーザー照明を使用しましたが、将来的にはOLEDやマイクロLEDなどの小型光源とデバイスを統合し、完全なオンチップデバイスを作成する計画です」と研究者は述べています。

他の従来の市販ガスセンサーとは異なり、POSTECHデバイスは外部の機械的・電子的デバイスのサポートを必要としません。

テストでは、研究者たちは胃痛、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標的有害ガスとして使用しました。チームの研究によると、センサーは約200ppmという微量のガスも検知しました。

柔軟でウェアラブルなガスセンサーは、ワンステップナノコンポジット印刷法で迅速に製造されます。以前は硬い基板上で処理されていたメタサーフェス構造が、ワンステップで曲面や柔軟な基板にナノキャストされます。

今後の展開

次に研究者たちは、周囲のガスや生化学物質の種類と濃度レベルをホログラムアラームで表示する高性能環境センサーを開発します。エンジニアたちはまた、様々なホログラム画像をエンコードする光学設計技術も研究しています。成功すれば、生化学物質やガス漏れによる事故を減らすために使用できます。

バドロー氏と彼のチーム、そしてPOSTECH教授のユンスク・ロー氏率いるセンサーメーカーたちは、アップル、サムスン、グーグル、フェイスブックで開発中のメガネ型ARディスプレイシステムとこの技術を統合することを望んでいます。

バドロー氏は、ロー教授のグループの一員であり、研究者たちの最近の『Science Advances』論文の共著者として、Tech Briefsのメールインタビューに答え、ホログラム画像の未来についてのビジョンを語りました。バドロー氏はチームを代表して、論文の筆頭著者であるキム・インキ博士との調整のもとで発言しました。

Tech Briefs: 「即時視覚ホログラムアラーム」はどのような見た目ですか？

トレボン・バドロー: 視覚ホログラムアラームは、安全状態と警告状態で任意の選択した画像を表示できます。テキスト、画像、シンボルなどが含まれます。ホログラムメタサーフェスへの画像設計・エンコード手法はよく知られているため、製造プロセス前に選択されます。

Tech Briefs: このセンサーでどのガスを検知できますか？

トレボン・バドロー: ガスセンシング機能は液晶セルのみに依存するため、特定の有毒ガスへの応答選択性も比較的容易にデバイスに統合できます。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、DMFでの応答時間をテスト・検証しました。「安全」から「警報」信号への応答時間は、ガスの用量と種類によります。

Tech Briefs: メタサーフェスで個別のホログラムをどのように設計するのですか？

トレボン・バドロー: 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、望む場所で必要な干渉パターン（表示したい画像）を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計算的に行われ、コンピューター生成ホログラフィ（CGH）として知られています。ここでは「位相のみ」CGHを使用しました。必要な画像の位相マップ生成はかなり簡単でよく理解されており、最も一般的にはガーバーサクストンアルゴリズムを使用します。次に、この位相マップを、必要な位相特性を示すように設計されたナノ構造を用いて、物理的にメタサーフェス上にエンコードします。

Tech Briefs: 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・バドロー: 等しく逆の光の偏光（左・右円偏光）を誘起できる事実を利用します。その後、2つの異なる位相マップを、ナノ構造の固有の位相特性に加えて、ナノ構造の回転にのみ関連する追加補償（伝播位相と幾何学的位相として知られる）を用いて、ナノ構造をエンコードできる方法で組み合わせます。

Tech Briefs: このセンサーの応用例を教えていただけますか？

トレボン・バドロー: 柔軟な液晶セルとメタサーフェスを使用することで、平らで滑らかな表面に関わらず、あらゆる表面にガスセンシング視覚アラームを適用できます。例として、安全メガネの曲面にメタサーフェスを取り付けました。ユーザーの手袋や、視認しやすいあらゆる場所に取り付けて視覚アラームを提供できます。

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Tech Briefs: 研究の次のステップは？

トレボン・バドロー: フォローアップ研究として、安全と警報信号の提供だけでなく、存在する有毒ガスのレベルについてユーザーに情報を提供するデバイスを作成します。例えば、危険レベルに達する前に有毒ガスの存在を知ることは有用です。それにより、望まないガスの流れを止めるための適切な行動を取れます。

Tech Briefs: この技術とその可能性で最もエキサイティングなことは何ですか？

トレボン・バドロー: この技術は、メタサーフェスが実生活アプリケーションで持つ影響を証明しています。メタサーフェスと液晶のシンプルな統合により、多数の機能が実現できます。ホログラム視覚アラームは、ラボや軍事環境での生物学的有害ガスの迅速検知など、ユーザーの安全のために即時アラームが必要な様々な分野で極めて有用である可能性があります。

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