KAIST 유승협 교수 연구팀…웨어러블 기기서 생체 신호 실시간 모니터링

[ 시티저널 허송빈 기자 ] KAIST 전기·전자 공학부 유승협 교수 연구팀이 유기 발광 다이오드(OLED)와 유기 포토 다이오드(OPD)를 이용, 초저전력 심박·산소 포화도 센서 구현에 성공했다.

연구팀에 따르면 심박·산소 포화도 센서는 신체의 건강 상태를 나타내는 가장 중요한 생체 신호의 하나인 심장 박동과 혈액 내 산소와 결합한 헤모글로빈의 농도를 가늠할 수 있는 산소 포화도를 측정하는 기기다.

심박·산소 포화도 센서에는 일반적으로 LED와 포토 다이오드로 구성된 광학적 방법을 이용한다.

이 기술은 간단하고 소형화가 용이한 비 침습적 방법이면서 주요 생체 신호 모니터링이 가능하다는 이점이 있어 병원용 기기뿐 아니라 스마트 워치 등 웨어러블 기기에도 탑재되는 경우가 많다.

이런 센서는 배터리 용량이 매우 제한적인 웨어러블 기기의 특성상 센서의 전력 소모를 줄이는 것이 매우 중요하다.

그러나 현재 상용 심박·산소 포화도 센서는 이산소자의 배열로 구성돼 피부에서 산란에 따라 전방위로 전달되는 빛을 효율적으로 감지하기 어렵다.

이 같은 이유로 더 강한 빛을 필요로 하기 때문에 장기간 실시간 모니터링에는 한계가 있다.

연구팀은 문제 해결을 위해 광원의 발광 파장에 따른 피부에서 빛의 전달 형태를 실험과 피부 모델 시뮬레이션을 통해 검토했다.

유기 소자의 경우 자유로운 패턴 구현이 용이한 점을 최대한 이용해 OPD가 OLED를 동심원 형태로 감싸 피부에서 전방위로 분포되는 빛을 효율적으로 감지하는 최적 구조를 갖는 유연 심박·산소 포화도 센서를 구현했다.

이를 통해 평균 소비전력 약 0.03mW만으로도 심박·산소 포화도를 측정할 수 있었다.

이는 LED와 PD가 일렬로 배치된 상용 센서가 갖는 통상 전력 소모 양의 약 수십 분의 일에 해당하는 매우 작은 값으로 24시간 동작에도 1mWh가 채 되지 않는 양이다.

이 기술은 매우 낮은 전력 소모 외에도 유기 소자가 갖는 유연 소자의 형태적 자유도도 그대로 갖는다.

따라서 스마트 워치부터 작게는 무선 이어폰, 스마트 반지, 인체 부착형 패치 등의 웨어러블 기기에서 배터리 제한을 최소화하면서 일상에 지장 없이 지속적인 생체 신호 모니터링을 가능하게 할 것으로 기대되고 있다.

KAIST 이현우 박사 과정이 1저자로 참여한 이번 연구는 사이언스 어드밴스 11월 9일자 온라인 판에 게재됐다.

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