반도체 여러 층 쌓아 광학필터 없애 … 신호대잡음비 23배 높여
전북대학교는 신소재공학부 김정현 박사과정생이 서로 다른 반도체를 여러 층으로 쌓아 심박수와 혈중 산소포화도(SpO2)를 측정할 수 있는 웨어러블 광센서를 개발했다고 5일 밝혔다.
스마트워치 등에 사용되는 광센서는 빛을 피부에 비춘 뒤 반사되는 빛의 변화를 분석해 심박수와 산소포화도를 측정한다. 기존 웨어러블 센서는 얇고 유연한 유기 소재가 주로 사용되지만 습기와 열에 약하고, 서로 다른 파장의 빛을 구분하기 위해 별도의 광학필터가 필요한 경우가 많다.
연구팀은 얇은 2차원 반도체를 실리콘 반도체 위에 층층이 쌓는 방법으로 이를 해결했다. 센서 위쪽에서는 적색광을, 아래쪽에서는 근적외선을 각각 감지할 수 있도록 해 별도의 광학필터 없이 두 종류의 빛을 구분하도록 했다.
적색광과 근적외선은 혈중 산소 상태에 따라 흡수되는 정도가 달라 산소포화도를 측정하는 데 이용된다.
연구팀은 반도체를 결합하는 과정에서 생기는 원자 수준의 미세한 결함도 활용했다. 이 결함에 물 분자가 결합하면서 불필요한 전자가 줄어들고 빛에 대한 반응이 크게 높아지는 현상을 확인했다. 빛을 받아 전기신호로 바꾸는 성능도 기존 단일층 반도체보다 향상됐다.
이를 손목에 붙이는 패치 형태의 센서에 적용한 결과 심박수와 산소포화도를 실시간으로 측정할 수 있었다. 연구팀에 따르면 개발한 센서는 기존에 보고된 웨어러블 광용적맥파(PPG) 소자보다 단위 면적당 신호대잡음비가 최대 23배 높았다. 호흡을 멈췄다가 다시 시작했을 때 나타나는 산소포화도 변화도 측정했다.
연구팀은 유기소재 대신 안정성이 높은 무기 반도체를 이용하면서도 얇은 웨어러블 센서로 만들 수 있다는 데 이번 연구의 의미가 있다고 설명했다.
김정현씨는 GIST 이한얼 교수와 DGIST 이태훈 교수의 지도 아래 연구를 수행했다. 연구 결과는 국제학술지 ‘이사이언스(eScience)’ 최신호에 게재됐다.
이번 연구는 과학기술정보통신부 중견연구사업과 교육부 박사과정생 연구장려금 지원사업 등의 지원을 받아 수행됐다.
댓글
0