대구경북과학기술원(DGIST) 에너지공학과 양지웅 교수팀은 세계 최고 성능의 외부 전원이 필요 없는 친환경 양자점 광센서를 개발했다고 7일 밝혔다.

UNIST 신소재공학과 최문기 교수팀, 서울대 화학생물공학부 김대형 교수팀과 공동연구를 통해 개발한 기술로 만든 친환경 양자점 광센서는 광전압 효과에 의해 외부 전원 없이도 안정적으로 광신호를 측정할 수 있는 것을 확인했다.

공동연구팀은 해당 광센서를 사용해 매우 얇은 피부 부착형 초박막 맥박 센서도 제작해 다양한 변형에도 안정적으로 맥박 신호를 획득할 수 있는 웨어러블 맥박 센서를 선보였다.

최근 인구 고령화, 코로나19와 같은 유행성 질환의 대유행으로 인해 장기간 몸에 부착해 생체 신호를 획득할 수 있는 헬스케어 모니터링 시스템에 대한 수요가 커지고 있다.

하지만 기존의 실리콘 기반 광센서는 무겁고 딱딱해 장시간 착용이 불편하다는 단점과 함께 피부와 밀접하게 접촉하지 못해 생체 신호를 정확하게 획득하지 못한다는 한계점이 있어 실생활에서 흔하게 활용하지 못하고 있다.

올해 나노기술의 씨앗이라고 불리는 양자점을 발견하고 발전시킨 과학자 3인이 노벨화학상을 수상했다.

양자점은 크기가 수 나노미터(㎚, 10억분의 1m) 크기에 불과한 초미세 반도체 입자로 기존 반도체 소재 대비 우수한 광학적·전기적 특성으로 인해 전자와 정공의 빠른 분리가 가능하다.

광센서로 활용 시 응답시간이 빠르다는 장점을 가지고 있기에 이를 이용한 광센서 연구가 활발히 이뤄지고 있으나 기존 양자점 광센서는 주로 수 마이크로미터 이상의 두꺼운 두께를 가지고 있고 대부분의 연구가 독성이 있는 중금속을 포함한 황화납(PbS)과 같은 양자점을 활용하고 있기에 웨어러블 광센서로 실생활의 활용이 불가능했다.

이에 공동연구팀은 중금속이 포함돼 있지 않은 구리-인듐-셀레나이드(Cu-In-Se)의 친환경 양자점을 이용한 초고성능의 양자점 광센서를 개발하는 데 성공했다.

기존에는 친환경 양자점을 이용할 경우 광센서의 성능이 좋지 않다는 것이 일반적이었다.

하지만 공동연구팀은 친환경 양자점의 크기·조성 제어를 통해 친환경 양자점의 전기적 특성을 향상시키고 친환경 양자점에 적합한 유·무기 하이브리드 전하전달층을 새롭게 개발해 기존 독성 양자점 광센서의 성능을 뛰어넘는 친환경 양자점 광센서를 제작했다.

연구팀이 제작한 친환경 양자점 광센서는 약 40나노미터(㎚)의 양자점 흡광층으로도 높은 소자 성능을 나타내고 외부 전원 없이 우수한 광검출 성능을 보여 웨어러블 광센서 응용 및 활용에 큰 장점을 가지고 있다.

연구팀은 고분자 기반의 유연 기판 위에서 제작된 광센서를 광원과 결합하여 웨어러블 맥박 센서를 제작했으며 해당 센서는 0.5㎜의 곡률반경에서도 안정적으로 구동할 수 있는 유연성을 가지고 있어서 인체 부착 후 걷기와 뛰기 등 움직임이 있는 여러 상황에서도 안정적으로 맥박 측정이 가능했다.

DGIST 양지웅 교수는 "친환경 양자점의 구조 제어와 친환경 양자점에 최적화된 전하전달층을 개발해 고성능으로 구동하는 친환경 양자점 광센서 제작이 가능했다"고 말했다.

UNIST 최문기 교수는 "외부 전원이 필요 없는 친환경 양자점 광센서를 이용해 높은 유연성을 가진 초박막 맥박 센서를 제작할 수 있었다"며 "웨어러블 헬스케어 모니터링 시스템 뿐만 아니라 라이다, 적외선 카메라 등의 다양한 차세대 광센서 응용에 잠재적으로 응용이 가능할 것으로 보인다"고 밝혔다.

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단 우수신진연구사업, DGIST 센소리움 연구소 등의 지원을 통해 수행됐으며 관련 연구결과는 나노과학분야 저명학술저널 ACS Nano에 10월 게재됐다.