중금속 없는 '구리-인듐-셀레나이드' 양자점 이용
아주 작은 크기여도 인체 맥박 측정
(내외방송=정지원 기자) 크기가 아주 작으면서도 중금속 노출 걱정이 없는 맥박 센서가 개발되면서 앞으로 웨어러블 헬스케어 시스템 산업에 큰 활력이 될 것으로 보인다.
DGIST(대구경북과학기술원)는 "양지웅 에너지공학과 교수 연구팀이 최문기 UNIST 신소재공학과 교수 연구팀과 김대형 서울대 화학생물공학부 교수 연구팀과 공동연구를 통해 세계 최고 성능의 '외부 전원이 필요 없는 친환경 양자점 광센서'를 개발했다"고 7일 밝혔다.
친환경 양자점(초미세 반도체 나노 입자) 광센서는 광전압(빛을 쐐면서 직류 전압을 가함) 효과로 외부 전원이 없어도 안정적으로 광신호를 측정할 수 있다.
연구팀은 이 광센서를 활용해 다양한 변형을 줘도 안정적으로 맥박 신호를 측정할 수 있는 '피부 부착형 초박막 맥박 센서'도 제작했다.
양자점은 10억분의 1m 크기인 초미세 반도체 입자로 기존 반도체보다 광학적, 전기적 특성이 우수해 전자와 정공(분자 내 전자 자리에 전자가 없는 경우)을 빠르게 분리할 수 있고, 광센서로 활용하면 응답시간이 빠르다는 장점이 있다.
하지만, 기존 양자점 광센서는 독성이 있는 중금속인 황화납 등을 사용해 웨어러블 광센서로 활용이 불가능했다.
연구팀은 중금속이 포함되지 않은 구리-인듐-셀레나이드(Cu-In-Se)의 친환경 양자점을 이용한 초고성능 양자점 광센서를 개발하는 데 성공했다.
친환경 양자점의 크기와 조성 제어를 통해 전기적 특성을 향상했고, 유·무기 하이브리드 전하 전달층을 새롭게 개발해 기존 광센서의 성능을 뛰어넘는 친환경 양자점 광센서를 만들어낸 것이다.
친환경 양자점 광센서는 40nm(나노미터) 크기의 아주 작은 흡광층(빛을 흡수하는 층)으로도 높은 성능을 나타냈다.
더 나아가 유연성이 있는 고분자 기판에서 광센서를 광원(빛을 내는 장치)과 결합해 웨어러블 맥박 센서를 제작했는데, 이 센서는 0.5mm의 곡률반경(반지름)에서도 인체 부착 후 움직임이 있는 여러 상황에 관계없이 안정적으로 맥박을 측정할 수 있었다.
양 교수는 "친환경 양자점에 최적화된 전하 전달층을 개발해 고성능 친환경 양자점 광센서 제작이 가능했다"고 말했다.
이어 최 교수는 "웨어러블 헬스케어 모니터링 시스템뿐만 아니라 라이다(레이저로 물체 거리를 측정하는 장치)와 적외선 카메라 등 다양한 차세대 광센서에 응용이 가능할 것으로 보인다"고 덧붙였다.
한편, 이 연구는 과학기술정보통신부 등의 지원을 받아 수행됐으며 국제학술지인 'ACS 나노(ACS Nano)'에 최근 게재됐다(논문명: Ultrathin Self-Powered Heavy-Metal-Free Cu-In-Se Quantum Dot-Photodetectors for Wearable Health Monitoring).
