전북대학교는 김정현 박사과정생(신소재공학부)이 속한 공동 연구팀이 유기물 없이 무기 반도체만으로 구성된 차세대 웨어러블 광센서를 개발했다.
전북대학교는 김정현 박사과정생(신소재공학부)이 속한 공동 연구팀이 유기물 없이 무기 반도체만으로 구성된 차세대 웨어러블 광센서를 개발했다고 4일 발표했다.
기존 스마트워치 등에 쓰이는 유기 소재 광센서의 고질적 단점인 내구성 저하와 광학 필터 탑재로 인한 전력 소모 문제를 완벽하게 극복한 성과다.
광주과학기술원(GIST) 이한얼 교수와 대구경북과학기술원(DGIST) 이태훈 교수의 지도를 받은 연구팀은 3차원 실리콘 기판 위에 원자 한 겹 두께의 2차원 반도체(WS2·MoS2)를 겹쳐 쌓는 ‘이종집적’ 기술을 성공적으로 구현했다.
이 기술을 통해 부피를 차지하는 별도의 광학 필터 없이도, 센서 상단과 하단 층이 각각 적색광과 근적외선을 스스로 분리 감지할 수 있는 시스템을 구축했다.
특히 연구팀은 반도체 접합 과정에서 발생하는 미세 원자 결함에 주목하는 발상의 전환을 보여줬다.
해당 결함에 물 분자를 결합해 불필요한 전자를 제거하는 독자적 공정으로 광발광(PL) 강도를 최대 1140%까지 향상시켰다.
빛을 전기 신호로 변환하는 광전류 역시 단일층 대비 982% 급증한 16.4μA(마이크로암페어)를 기록하며 웨어러블 기기 구동 기준을 크게 상회했다.
연구팀이 최종 개발한 손목 부착형 패치는 기존 기기 대비 단위 면적당 신호대잡음비가 23배 뛰어나, 호흡 정지와 같은 미세한 심박수 및 산소포화도(SpO2) 변화를 오차 없이 포착해냈다.
연구팀은 “무기 반도체 이종접합과 결함 공학이라는 새로운 접근으로 기존 유기 소재 센서의 신뢰성과 파장 선택성 한계를 돌파했다”며 “이번 성과가 차세대 비침습 헬스케어 기기 상용화에 핵심적으로 기여할 것”이라고 말했다.
한편, 과학기술정보통신부 등의 지원을 받아 수행된 이번 연구는 공학 분야 최상위 국제 학술지 ‘이사이언스(eScience, 영향력 지수 52.9)’ 최신호에 게재됐다.
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