전북대, 레고처럼 쌓아 올린 웨어러블 헬스케어 센서 개발

[아이뉴스24 박종수 기자] 전북대학교 김정현 박사과정(신소재공학부 전자재료공학전공 및 JBNU-KIST 산학연융합학과)이 유기물 없이 무기 반도체만 여러 층을 쌓아 올린 웨어러블 광센서를 개발했다.

이 센서는 손목에 붙이는 것만으로 심박수와 혈중 산소포화도(SpO2)를 정확하게 측정할 수 있다.

스마트워치 등 웨어러블 기기에 널리 쓰이는 기존 광센서는 대부분 유기 소재 기반이다. 유기 소재는 얇고 유연하게 만들기 쉽지만, 습기나 열에 약해 오래 쓰기 어렵고, 서로 다른 파장의 빛을 구분하려면 별도의 광학 필터가 필요해 기기가 커지고 전력 소모도 늘어나는 한계가 있다.

반면 실리콘 같은 무기 반도체는 안정적이고 성능도 뛰어나지만, 서로 다른 소재를 여러 층으로 쌓아 올리기가 어려워 지금까지 웨어러블 기기에 적용하기 힘들었다.

연구팀은 단층 두께의 2차원 반도체 2차원 반도체: 원자 한 겹 수준인 수 나노미터 이하의 두께로 배열된 차세대 반도체 소재.

(WS2·MoS2)를 실리콘(3차원 반도체) 위에 이종집적하는 방식으로 이 딜레마를 풀었다.

이 3차원 이종집적 구조 덕분에 별도의 광학 필터 없이도 적색광은 위쪽 2차원 반도체 층에서, 근적외선은 아래쪽 실리콘 층에서 각각 나누어 감지할 수 있다.

여기에 더해 두 반도체(WS2·MoS2)를 이종접합하는 과정에서 자연적으로 생기는 미세한 원자 결함에 주목했다.

결함에 물 분자가 약하게 달라붙으면 반도체 속에 남아있던 과도한 전자가 빠져나가고, 광발광(Photoluminescence; PL) 특성이 크게 강해진다는 사실을 확인했으며, 결과적으로 강도를 최대 1140%까지 끌어올렸다.

PL 강도가 상승했다는 것은 반도체 계면이 그만큼 깨끗하게, 효율적으로 전하를 분리하고 있다는 신호이기도 하다.

실제로 광검출기의 광전류의 경우 단일층 반도체 대비 최대 982% 높은 16.4μA, 반응도는 97A/W을 달성했다. 이는 웨어러블 심박·산소포화도 센서 구동에 필요한 최소 기준을 훌쩍 넘어서는 수치다.

최종적으로, 이 소자를 손목 부착형 웨어러블 패치에 적용하여 심박수와 SpO2를 실시간으로 측정하는 데 성공했다. 개발된 센서는 기존 보고된 웨어러블 PPG 소자 대비 23배 높은 단위 면적당 신호대잡음비를 달성했으며, 호흡 정지 및 재개에 따른 산소포화도 변화까지 정밀하게 포착했다.

연구팀은 “이번 연구는 유기 소재 기반 웨어러블 광센서의 고질적 한계로 지적되던 신뢰성과 파장 선택성 문제를, 무기 반도체 이종접합과 결함 공학으로 극복한 사례”라며 “원자 단위 계면 제어를 통해 발광 및 광전 특성을 동시에 향상시킴으로써, 차세대 비침습 헬스케어 센서 개발에 기여할 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구는 GIST 신소재공학과 이한얼 교수와 DGIST 에너지공학과 이태훈 교수의 지도 아래 전북대 신소재공학부 김정현 박사과정생이 수행했다. 연구는 과학기술정보통신부 중견연구사업, 광주광역시 지자체-대학 협력기반 지역혁신사업, 교육부 박사과정생 연구장려금 지원사업, 포스코청암재단 포스코사이언스펠로십의 지원을 받았다.

연구 결과는 공학 분야 최상위 국제학술지인 『eScience』(영향력지수 52.9) 최신호에 게재됐다.