손목에서 혈중산소까지 측정…GIST-DGIST 광센서 개발

2차원 반도체·실리콘 결합…광전류 최대 9.82배 향상

다양한 생체신호 측정 웨어러블 헬스케어 센서 개발 활용

[그림] 2차원 반도체와 실리콘을 수직으로 쌓은 웨어러블 광센서의 구조와 작동 원리. (왼쪽) 손목에 부착한 센서에 적색광과 근적외선을 비춘 뒤 반사되는 빛을 감지해 생체신호를 측정하는 웨어러블 센서의 개념도이다. (오른쪽) 위쪽의 이종 접합 광검출기는 두 종류의 2차원 반도체인 이황화텅스텐(WS2)과 이황화몰리브덴(MoS2)을 겹쳐 만든 것으로 적색광에 강하게 반응하고, 근적외선은 이 층을 통과해 아래쪽 실리콘 광검출기가 감지한다. 두 광검출기 사이의 절연층은 각각의 전기 신호가 서로 섞이는 것을 막아 별도의 광학 필터 없이 두 종류의 빛을 구별해 감지할 수 있도록 한다. (그래픽=GIST 제공) [email protected] *재판매 및 DB 금지

[전남광주=뉴시스]이창우 기자 = 광주과학기술원(GIST)과 대구경북과학기술원(DGIST) 연구진이 적색광과 근적외선을 별도의 광학 필터 없이 구별해 감지하는 무기 반도체 기반 웨어러블 광센서를 개발했다. 이 광센서는 손목에 부착해 실험한 결과 심박수와 혈중 산소포화도(SpO₂) 변화도 실시간으로 측정할 수 있다.

2일 GIST에 따르면 대학 신소재공학과 이한얼 교수팀과 DGIST 에너지공학과 이태훈 교수팀은 2차원 반도체와 실리콘을 층층이 쌓아 서로 다른 파장의 빛을 각각 감지하는 센서를 구현하는데 성공했다.

연구진은 이황화텅스텐(WS₂)과 이황화몰리브덴(MoS₂)으로 만든 2차원 반도체를 실리콘 광검출기 위에 수직으로 결합했다.

위쪽 반도체는 적색광을, 이를 통과한 근적외선은 아래 실리콘 센서가 감지하도록 설계해 별도 필터 없이 두 빛을 구분했다.

(왼쪽부터) GIST 신소재공학과 이한얼 교수, 전북대학교 신소재공학부 김정현 박사과정생, (우측 상단) DGIST 에너지공학과 이태훈 교수. (사진=GIST 제공) [email protected] *재판매 및 DB 금지

센서의 광전류는 기존 단일층 반도체보다 최대 9.82배 높아졌으며 반응도는 최대 97 암페어 퍼 와트(A/W)를 기록했다.

손목에 부착해 실험한 결과 심박수와 혈중 산소포화도(SpO₂) 변화도 실시간으로 측정됐다.

특히 적색광 신호 대 잡음비는 기존 실리콘 광검출기보다 221% 향상됐음을 확인했다.

센서 면적을 고려한 성능도 기존 웨어러블 광검출기 대비 23배에 달했다.

이한얼 교수는 "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 과학기술정보통신부·한국연구재단, 광주광역시·광주RISE센터, 교육부·한국연구재단, 포스코청암재단 포스코사이언스펠로십의 지원을 받았다 

연구 결과는 재료과학 분야 국제학술지 'e사언스(eScience)' 온라인에 지난달 11일 실렸다.


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