KAIST(총장 신성철)는 유승협 전기및전자공학부 교수 연구팀이 유기발광다이오드(OLED)와 유기포토다이오드(OPD)를 이용해 초저전력 심박·산소포화도 센서 구현에 성공했다고 12일 밝혔다.

심박·산소포화도 센서는 신체의 건강 상태를 나타내는 심장박동과 신체 내 원활한 산소 공급 여부를 가늠할 수 있는 산소포화도를 측정하는 기기다.

심박·산소포화도 센서에는 보통 LED와 포토다이오드로 구성된 광학적 방법이 이용된다. 이 기술은 간단하고 소형화가 용이하다. 또 주요 생체신호의 모니터링이 가능해 병원, 스마트 워치 등에 탑재되는 경우가 많다.

기술은 센서의 전력소모를 줄이는 것이 중요하다. 배터리 용량이 매우 제한적인 웨어러블 기기의 특성 때문이다. 현재 상용화된 심박·산소포화도 센서는 빛을 효율적으로 감지하기 어려워 실시간 모니터링에는 한계가 있다.

이런 문제를 해결하기 위해 연구팀은 광원의 발광 파장에 따른 피부에서의 빛 전달 형태를 실험과 피부 모델 시뮬레이션으로 검토했다.

연구팀은 자유로운 패턴을 구현하는 유기소자를 이용, 유기포토다이오드가 유기발광다이오드를 동심원 형태로 감싸도록 했다. 이어 피부에서 전방위로 분포되는 빛을 효율적으로 감지하는 최적 구조를 갖는 유연 심박·산소포화도 센서를 구현했다.

이를 통해 평균소비전력 약 0.03밀리와트(mW)로 심박·산소포화도를 측정할 수 있었다. 센서마다 전력소모가 다르지만, 연구팀에 의하면 이는 LED와 PD가 일렬로 배치된 상용 센서가 갖는 통상 전력소모 양의 약 수십 분의 일에 해당한다. 24시간 동작에도 1메가와트시(mWh)가 되지 않는 양이다.  

이외에도 유기소자가 갖는 유연 소자의 형태적 자유도도 그대로 갖는다. 스마트 워치부터 무선 이어폰, 스마트 반지, 인체 부착형 패치 등의 웨어러블 기기에서 배터리로 인한 제한을 최소화하면서 일상에 지장 없이 지속적인 생체 신호 모니터링을 가능하게 할 것으로 기대된다.

유승협 교수는 "생체 신호의 지속적인 모니터링은 건강의 이상 신호를 상시 검출 할 수 있게 한다"며 "향후 빅데이터 등과 연계하면 생체신호의 특정 패턴과 질병 간의 상호 관계를 알아내는 데 활용될 수 있다"고 말했다.

한편, 이번 연구는 과기부, 한국연구재단 나노·소재원천기술개발사업과 선도연구센터사업의 지원을 받았다. 이현우 KAIST 박사과정생이 1저자로 참여한 이번 연구는 '사이언스 어드밴스(Science Advances)'에 게재됐다.