협소 공간 내 위험 물질의 실시간 분석을 위한 연속체 로봇 탑재용 SERS 센서 개발에 관한 연구 = Development of a Continuum Robot-Integrated SERS Sensor for Real-Time Analysis of Hazardous Materials in Confined Spaces

국문 초록 (Abstract)

현대 사회의 급격한 생산연령인구 감소와 안전 확보 요구에 따라, 인간이 접근하기 어려운 위험 환경 내 무인화 설비 도입이 가속화되고 있다. 그러나 기존 로봇 시스템은 복잡한 설비 내부와 같은 협소 공간에서 발생하는 위험 물질 누출을 실시간 모니터링하는 데 한계가 있다. 본 연구는 이러한 과제를 해결하기 위해 협소 공간 접근이 용이한 연속체 로봇（Continuum Robot）과 미량 화학 물질을 비표지 방식으로 신속히 식별하는 표면 증강 라만 분광법（SERS） 센서를 결합한 융합형 센싱 플랫폼을 제안한다.
동적인 로봇 구동 환경에서 신뢰성 있는 라만 분석을 수행하려면 일정한 초점 거리 유지와 외부 광 간섭 배제가 필수적이다. 이를 위해 광 투과율이 우수한 투명 고분자（NOA 65） 기반 마이크로니들 SERS 기판을 설계하였다. 이러한 구조적 혁신은 센서 후면에서 레이저를 조사하고 신호를 수집하는 후면 광조사（Backside illumination） 방식을 가능케 하여 안정적인 광학 측정을 보장한다.
제작된 센서는 Langmuir-Blodgett 공정을 통해 금 나노로드（Gold Nanorod, GNR） 기반의 GNR@Ag 코어-쉘 나노입자를 집적하여 국소 전자기장（핫스팟）을 극대화하였다. 실험을 통해 복합 매질 내 pH 센싱 및 타겟 물질 검출 능력을 입증하였으며, 3D 프린팅 기반 연속체 로봇에 형상기억합금（SMA） 브레이크를 도입하여 특정 구간의 강성 제어 메커니즘을 검증하였다.
본 연구에서 개발된 투명 마이크로니들 SERS 센서 시스템은 다양한 국소 영역 및 가혹 환경에 적용 가능한 혁신적인 차세대 무인 감시 솔루션으로서 높은 학술적·산업적 효용성을 가진다. 이는 복잡하고 가혹한 환경 내 미상의 위험 물질을 비파괴적이고 안정적으로 실시간 식별하는 데 기여할 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

With the rapid decline in the working-age population and the growing demand to ensure safety, the introduction of unmanned facilities in hazardous environments inaccessible to humans is accelerating. However, existing robotic systems face limitations in real-time monitoring of hazardous material leaks within narrow
spaces like complex equipment interiors. To solve these challenges, this study proposes a convergent sensing platform combining a continuum robot, which easily accesses confined spaces, and a Surface-Enhanced Raman Spectroscopy （SERS） sensor capable of rapidly identifying trace chemical substances in a label-free manner.
In dynamic robotic environments, maintaining a constant focal length and excluding external light interference are essential for reliable Raman analysis. To address this, a transparent polymer （NOA 65）-based microneedle SERS substrate with excellent optical transmittance was designed. This structural innovation enables a
backside illumination method—irradiating the laser and collecting signals from the sensor's rear—ensuring stable optical measurements.
The fabricated sensor maximized localized electromagnetic fields （hotspots） by integrating gold nanorod （GNR）-based GNR@Ag core-shell nanoparticles via the Langmuir-Blodgett process. Experimental evaluations demonstrated pH sensing and target substance detection capabilities in complex media. Furthermore, a
shape memory alloy （SMA）-based brake was introduced to the 3Dprinted continuum robot, verifying a mechanism for controlling stiffness in specific sections.
Consequently, the transparent microneedle SERS sensor system developed in this study holds high academic and industrial utility as an innovative next generation unmanned monitoring solution applicable to various localized areas and harsh environments. It is expected to contribute to the stable, non-destructive, and real-time identification of unknown hazardous materials inside complex and harsh environments.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서 론 1
• 제2장 이론적 배경 4
• 제1절 Surface-Enhanced Raman Spectroscopy （SERS） 5
• 1. 라만 분광법（Raman Spectroscopy）의 원리 5
• 2. SERS의 메커니즘 7
• 3. FDTD 기반 나노구조 전자기장 시뮬레이션 12
• 4. SERS 활성 센싱 플랫폼 동향 13
• 제2절 연속체 로봇（Continuum Robot） 16
• 1. 연속체 로봇의 개요 및 생체모방적 특징 16
• 2. 구동 방식 분류 18
• 3. 기구학 및 동역학 모델링 기법 21
• 4. 최신 제어 기법 및 경로 생성 22
• 5. 강성 조절 메커니즘 24
• 제3절 연속체 로봇 기반 센싱 시스템 및 융합 기술 동향 25
• 제3장 투명 폴리머 기반 SERS 플랫폼 27
• 제1절 연구 개요 27
• 제2절 연구 및 실험 방법 29
• 1. SERS 물질 합성 29
• 2. 투명 폴리머 기반 마이크로니들 제작 32
• 3. Langmuir-Blodgett 방식을 이용한 센서 제작 34
• 제3절 연구 결과 및 고찰 37
• 1. SERS 물질 특성 37
• 2. 센서 성능 평가 및 최적화 39
• 제4장 연속체 로봇 설계 및 제작 46
• 제1절 연구 개요 46
• 제2절 3D 프린팅 기반 로봇 및 브레이크 시스템 제작 47
• 제3절 브레이크 성능 평가 49
• 제5장 결 론 51
• 참 고 문 헌 53
• ABSTRACT 61