[녹색경제신문 = 이지웅 기자] 유승협 카이스트 전기및전자공학부 교수 연구팀이 실시간으로 안정적인 호흡 모니터링이 가능한 저전력 고속 웨어러블 이산화탄소 센서를 개발했다.

기존 비침습적 이산화탄소 센서는 부피가 크고 소비전력이 높았다. 특히 형광 분자를 이용한 광화학적 이산화탄소 센서는 염료 분자의 광 열화 현상으로 인해 장시간 안정적 사용이 어려웠다. 이에 이는 웨어러블 헬스케어 센서로 사용되기 힘들었다.

이러한 상황에서, 연구팀은 LED와 이를 감싸는 유기 포토다이오드로 이뤄진 저전력 이산화탄소 센서를 개발했다. 높은 수광 효율을 바탕으로 형광 분자에 조사되는 여기 광량이 최소화된 센서는 수 mW 수준을 소비하는 기존 센서에 비해 수십 배 낮은 171μW의 소자 소비전력을 달성했다.

또한 연구팀은 이산화탄소 센서에 사용되는 형광 분자의 광 열화 경로를 규명해 광화학적 센서에서 사용 시간에 따라 오차가 증가하는 원인을 밝히고, 오차 발생을 억제하기 위한 광학적 설계 방법을 제시했다.

이를 통해 연구팀은 기존 광화학적 센서의 고질적 문제였던 광 열화 현상에 따른 오차 발생을 효율적으로 감소시키는 데 성공했다. 최대 9시간까지 안정적으로 연속 사용이 가능한 동시에 이산화탄소 감지 형광 필름 교체 시 다회 활용도 가능한 센서를 개발했다.  

개발된 센서는 가볍고(0.12 g) 얇으며(0.7 mm) 유연하기 때문에 마스크 내부에 장착 가능하다. 이를 통해 이산화탄소 농도를 정확히 측정했다. 또한 실시간으로 들숨과 날숨을 구별해 호흡수까지 모니터링 가능한 빠른 속도와 높은 해상도를 보였다.

유 교수는 "개발한 센서는 저전력, 고안정성, 유연성 등 우수한 특성을 가져 웨어러블 디바이스에 폭넓게 적용될 수 있어 과탄산증, 만성 폐쇄성 폐질환, 수면 무호흡 등 다양한 질병의 조기 진단에 사용될 수 있다”면서 “특히 분진 발생 현장이나 환절기 등 장시간 마스크 착용 환경에서의 재호흡에 따른 부작용 개선에도 사용될 것으로 기대된다ˮ 라고 밝혔다.

한편 이번 연구는 산업통상자원부 소재부품기술개발사업, 한국연구재단 원천기술개발사업, 카이스트 학부생 연구참여 프로젝트(URP) 프로그램의 지원을 받아 수행됐다.