KAIST 연구팀, 전력 소모 줄이고 사용 시간 늘린 호흡 모니터링 센서 개발
국내 연구팀이 호흡·순환기계 질병을 조기 발견하는 데 중요한 지표가 될 실시간 호흡 모니터링 센서를 개발했다.
KAIST(카이스트)는 유승협 전기및전자공학부 교수 연구팀이 실시간으로 호흡을 모니터링하는 저전력 고속 웨어러블 이산화탄소 센서를 개발했다고 10일 밝혔다. 연구 성과는 국제 학술지 '디바이스' 온라인판에 지난달 22일 공개됐다.
사람이 숨을 내쉴 때 발생하는 이산화탄소의 농도를 측정하면 각종 폐 질환 여부를 진단할 수 있다. 하지만 기존 비침습적 이산화탄소 센서는 부피가 크고 소비전력이 높다는 문제가 있었다.
형광 분자에서 방출되는 형광의 세기가 이산화탄소 농도에 따라 변화하는 특성을 이용한 '광화학적 이산화탄소 센서'의 경우 기계 무게를 줄일 순 있지만 염료 분자에서 광 열화 현상이 나타나 장기적으로 사용하기 어려웠다.
연구팀은 유연한 박막형 유기 포토다이오드가 LED를 감싸는 형태의 광화학적 이산화탄소 센서를 개발했다. LED에서 방사된 빛은 형광 필름을 거치며 형광 신호로 바뀌는데, 이때 LED를 감싼 포토다이오드가 형광의 세기 변화를 감지하는 동시에 형광 분자에 내리쬐는 광량을 최소화했다.
그 결과 새롭게 개발한 센서는 수 밀리와트(mW)의 전력을 소비하던 기존 센서에 비해 수십 배 낮은 수준인 171마이크로와트(μW)의 전력만 소비했다.
연구팀은 이어 형광 분자의 광 열화 경로를 규명하고 이를 억제하기 위한 설계 방법을 적용했다. 그 결과 기존 센서와 동일 재료를 썼음에도 열화 현상이 줄어 사용 시간을 20분에서 최대 9시간으로 늘릴 수 있었다. 이산화탄소 감지 형광 필름을 교체할 경우 여러 번 사용할 수 있다.
연구팀은 개발한 센서를 마스크 내부에 부착해 이산화탄소 농도를 정확히 측정하는 데 성공했다. 센서는 실시간으로 들숨과 날숨을 구별해 호흡수까지 기록했다.
유 교수는 "저전력, 고안정성, 유연성 등 우수한 특성을 가진 웨어러블 디바이스로 향후 과탄산증, 만성 폐쇄성 폐 질환, 수면 무호흡 등 다양한 질병을 조기 진단하는 데 사용할 수 있을 것"이라고 밝혔다.
한편 이번 연구는 산업통상자원부, 한국연구재단, KAIST 자체 사업의 지원을 받아 수행됐다. 김민재 KAIST 신소재공학과 학사과정생과 최동호 KAIST 전기및전자공학부 박사과정생이 공동 1 저자로 참여했다.
