연구팀이 개발한 OLED 및 유기포토다이오드를 이용한 심박 및 산소포화도 센서
[대전=일요신문] 육군영 기자 = KAIST 전기및전자공학부 유승협 교수 연구팀이 초저전력 심박 및 산소포화도 센서 구현에 성공했다.
같은 학부 유회준 교수 연구팀과의 협력을 통해 개발된 이번 센서는 유기발광다이오드(OLED)와 유기포토다이오드(OPD)를 활용해 전력소비량을 대폭 낮췄다. 크기도 10㎜ 미만의 작은 칩으로 돼 있어 전력량의 제한을 받는 다양한 웨어러블 기기에 적용될 수 있는 계기가 될 것으로 기대된다.
이 대학 이현우 박사과정이 1저자로 참여한 이번 연구는 ‘사이언스 어드밴스 (Science Advances)’ 11월 9일자 온라인 판에 논문명 ‘Toward all-day wearable health monitoring: An ultralow-power, reflective organic pulse oximetry sensing patch’로 게재됐다.
심박 및 산소포화도 센서란 신체의 심장 박동과 혈액 내 헤모글로빈의 농도를 확인할 수 있도록 측정하는 기기로, 일반적으로 LED와 포토다이오드로 구성된 광학적 방법이 이용된다.
이 기술은 간단하고 소형화가 쉬운 비침습적 방법이면서 주요 생체 신호의 감시가 가능하다는 이점이 있어 병원용 기기뿐 아니라 스마트 워치 등 웨어러블 기기에도 탑재된다.
이러한 센서는 배터리 용량이 매우 제한적인 웨어러블 기기의 특성상 센서의 전력 소모를 줄이는 것이 매우 중요하지만, 현재 상용화된 심박 및 산소포화도 센서는 이산 소자들의 배열로 구성돼 피부에서 산란해 전방위로 전달되는 빛을 효율적으로 감지하기 어려워 강한 빛을 사용하기 때문에 장기간 실시간 모니터링에는 많은 전력량이 필요했다.
연구팀은 문제 해결을 위해 광원의 발광 파장에 따른 피부에서의 빛의 전달 형태를 실험과 피부 모델 시뮬레이션을 통해 검토해 실마리를 얻었다. 유기소자의 경우 자유로운 패턴 구현이 쉬운 점을 최대한 활용해 유기포토다이오드가 유기발광다이오드를 동심원 형태로 감싸 피부에서 전방위로 분포되는 빛을 효율적으로 감지하는 유연 심박 및 산소포화도 센서를 구현했다.
이를 통해 평균소비전력 약 0.03㎽(밀리와트)만으로도 심박 및 산소포화도를 측정할 수 있었는데, 이는 LED와 PD가 일렬로 배치된 상용 센서가 갖는 통상 전력소모 양의 약 수십분의 일에 해당하는 매우 작은 값으로 24시간 동작에도 1㎿h(메가와트시)가 채 되지 않는다.
이 기술은 매우 낮은 전력 소모 외에도 유기소자가 갖는 유연 소자의 형태적 자유도도 그대로 가져 스마트 워치부터 작게는 무선 이어폰, 스마트 반지, 인체 부착형 패치 등 웨어러블 기기에서 배터리로 인한 제한을 최소화하면서 일상에 지장 없이 지속적인 생체 신호 모니터링을 가능하게 할 것으로 기대된다.
유승협 교수(좌)와 이현우 박사과정
이현우 박사과정은 “현재 국내 특허 출원 과정에 있으며 해외 특허를 준비하고 있다”며 “향후 연구실에서 시제품 제작해 각종 사업과 연계를 진행할 예정”이라고 밝혔다.
유승협 교수는 이번 연구에 대해 “생체 신호의 지속적인 모니터링은 건강의 이상 신호를 상시 검출할 수 있게 할 뿐 아니라 향후 빅데이터 등과 연계하면 이들 생체신호의 특정 패턴과 질병 간의 상호 관계를 알아내는 등에도 활용될 것으로 기대된다”고 말했다.
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