광주과학기술원(GIST·총장 임기철)은 이한얼 신소재공학과 교수팀이 이태훈 대구경북과학기술원(DGIST) 에너지공학과 교수팀과 공동으로 하나의 작은 센서에서 서로 다른 파장의 빛을 구별해 감지할 수 있는 무기 반도체 기반 웨어러블 광센서를 개발했다고 2일 밝혔다.
스마트워치에서 심박수나 혈중 산소포화도를 측정할 때는 피부에 빛을 비춘 뒤, 혈액의 양과 산소 상태에 따라 달라지는 반사광을 센서로 감지한다. 혈중 산소포화도는 산소와 결합한 헤모글로빈과 그렇지 않은 헤모글로빈이 적색광과 근적외선을 서로 다르게 흡수하는 성질을 이용해 측정하기 때문에 두 빛의 반사 신호가 섞이지 않도록 각각 구별해 감지하는 것이 중요하다.
반면 실리콘 같은 무기 반도체는 안정적이고 광센서 성능도 우수하지만, 서로 다른 무기 반도체를 여러 층으로 쌓으려면 결정 구조를 정밀하게 맞춰야 해 하나의 작은 센서에서 여러 파장의 빛을 구별해 감지하는 구조를 만들기 어려웠다.
연구진은 종이처럼 얇게 겹쳐 쌓을 수 있는 2차원(2D) 반도체에 주목했다. 2D 반도체는 일반적인 무기 반도체와 달리 서로의 결정 구조를 정밀하게 맞추지 않아도 다른 반도체와 층층이 결합할 수 있다. 2D 무기 반도체인 이황화텅스텐과 이황화몰리브덴을 겹쳐 하나의 광검출기로 만든 뒤, 이를 실리콘 광검출기 위에 수직으로 쌓았다.
이렇게 만든 위쪽 2D 반도체 광검출기는 적색광에 강하게 반응하고, 근적외선은 위쪽 2D 반도체층을 통과해 아래쪽 실리콘 광검출기가 감지한다.
연구팀이 적색광과 근적외선을 내는 초소형 발광다이오드(LED)와 결합해 제작한 손목 부착형 센서는 심박수와 혈중 산소포화도 변화를 실시간으로 측정하며 웨어러블 생체신호 센서로서의 활용 가능성을 확인했다.
적색광의 신호 대 잡음비(SNR)는 14.5 데시벨(㏈)로 기존 실리콘 광검출기보다 221% 향상됐으며 센서 면적을 고려한 신호 대 잡음비도 논문에서 비교한 기존 웨어러블 광검출기의 23배에 달했다.
이한얼 교수는 “이번 연구는 서로 다른 무기 반도체를 수직으로 결합해 하나의 작은 센서에서 서로 다른 파장의 빛을 구별하는 동시에, 광전류까지 높일 수 있음을 보여줬다는 데 의미가 있다”며 “향후 심박수와 혈중 산소포화도 등 다양한 생체신호를 지속적으로 측정하는 웨어러블 헬스케어 센서 개발에 활용될 것으로 기대한다”고 말했다.
이번 연구는 이한얼 교수와 이태훈 교수가 지도하고 김정현 전북대학교 신소재공학부 박사과정생이 제1저자로 참여했다.
전남광주=김한식 기자 hskim@etnews.com
