[ 아시아경제 ] 마스크에 부착한 센서로 이산화탄소 농도를 측정할 수 있는 기술이 국내에서 개발됐다. 이산화탄소는 주요 호흡 대사의 산물로, 날숨 안에 이산화탄소 농도를 모니터링하면 호흡·순환기계 질병을 조기에 발견·진단할 수 있을 뿐 아니라 개인 운동 상태를 확인하는 등에서 폭넓게 사용될 수 있다.

KAIST는 전기 및 전자공학부 유승협 교수 연구팀이 실시간 호흡 모니터링이 가능한 저전력 고속 웨어러블 이산화탄소 센서를 개발했다고 10일 밝혔다.

기존에 비침습적 이산화탄소 센서는 부피가 크고, 소비전력이 높은 한계를 보였다. 또 형광 분자를 이용한 광학적 이산화탄소 센서는 소형·경량화 장점을 가진 대신 염료 분자의 광열화 현상 때문에 장시간 안정적으로 사용하기 어려워 웨어러블 헬스케어 센서로 활용하는 데 제약이 따랐다.

광화학적 이산화탄소 센서는 형광 분자에서 방출되는 형광의 세기가 이산화탄소 농도에 따라 감소하는 점을 이용한다. 이때 형광 빛의 변화를 효과적으로 검출하는 것이 중요하다.

이에 착안해 연구팀은 LED와 이를 감싸는 유기 포토다이오드로 이뤄진 저전력 이산화탄소 센서를 개발했다. 높은 수광 효율을 바탕으로 형광 분자에 조사되는 광량을 최소화한 것이 개발한 센서의 특징이다. 연구팀은 수 mW 수준을 소비하는 기존 센서와 비교해 수십 배 낮은 171μW의 소자 소비전력을 달성하는 데 성공했다.

또 이산화탄소 센서에 사용되는 형광 분자의 광 열화 경로를 규명해 광화학적 센서에서 사용 시간에 따라 오차가 증가하는 원인을 밝혀낸 동시에 오차 발생을 억제할 수 있는 광학적 설계 방법을 제시했다.

이를 기반으로 연구팀은 기존 광화학적 센서의 고질적 문제였던 광 열화 현상에 따른 오차 발생을 효율적으로 줄였다. 동일 재료에 기반 한 기존 기술은 20분 이내지만, 연구팀이 개발한 센서는 최대 9시간까지 안정적으로 연속 사용이 가능하다는 점도 장점으로 꼽힌다. 이산화탄소 감지 형광 필름을 교체하면 다회 사용도 가능하다는 것이 연구팀의 설명이다.

무엇보다 새롭게 개발한 센서는 무게(0.12 g)·두께(0.7 mm)·유연함이 강점이다. 이는 센서를 마스크 안에 부착해 이산화탄소 농도를 정확히 측정할 수 있게 한다. 또 들숨과 날숨을 실시간 구별해 호흡수까지 모니터링 가능할 수 있는 빠른 속도와 높은 해상도를 자랑한다.

유승협 교수는 "연구팀이 개발한 센서는 저전력, 고안정성, 유연성 등에서 우수한 특성을 가져 웨어러블 디바이스에 폭넓게 적용될 수 있다“며 ”이는 과탄산증, 만성 폐쇄성 폐 질환, 수면 무호흡 등 다양한 질병의 조기 진단에 사용될 가능성을 높인다“고 말했다.

한편 이번 연구는 산업통상자원부 소재부품 기술개발사업, 한국연구재단 원천기술개발사업, KAIST 학부생 연구 참여 프로젝트 (URP) 프로그램의 지원을 받아 수행됐다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr
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