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▲  개발된 친환경 양자점 광센서 모식도 및 양자점과 정공수송층 전자현미경 이미지.
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광전압 효과에 의해 외부 전원 없이도 안정적으로 광신호를 측정할 수 있는 초고성능 '친환경 양자점 광센서'를 국내 연구진이 개발했다. 

나아가 해당 광센서를 이용해 '피부 부착형 초박막 맥박 센서'도 제작해서 인체에 부착 후 걷기, 뛰기와 같은 여러 상황에서도 안정적으로 맥박을 측정해 기술적 가치를 증명하면서 향후 '차세대 웨어러블 광센서'로서 응용 기술에 널리 사용될 것으로 기대된다. 

DGIST(대구경북과학기술원, 총장 국양)는 7일 에너지공학과 양지웅 교수팀이 UNIST(총장 이용훈) 신소재공학과 최문기 교수팀, 서울대학교(총장 유홍림) 화학생물공학부 김대형 교수팀과 공동연구를 통해 "세계 최고 성능의 외부 전원이 필요 없는 '친환경 양자점 광센서'를 개발했다"고 밝혔다. 

이어 DGIST는 "공동연구팀은 친환경 양자점 광센서가 광전압 효과에 의해 외부 전원 없이도 안정적으로 광신호를 측정할 수 있는 것을 확인했다"면서 "해당 광센서를 사용하여 매우 얇은 '피부 부착형 초박막 맥박 센서'도 제작해 다양한 변형에도 안정적으로 맥박 신호를 획득할 수 있는 웨어러블 맥박 센서를 선보였다"고 알렸다. 
 

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▲  기존 연구와의 소자 성능 비교, 초박형 양자점 광센서 구현.
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특히 DGIST는 "친환경 양자점 광센서는 약 40나노미터(nm)의 양자점 흡광층으로도 높은 소자 성능을 나타내고 외부 전원 없이 우수한 광검출 성능을 보여 웨어러블 광센서 응용 및 활용에 큰 장점을 가지고 있다"면서 "고분자 기반의 유연 기판 위에서 제작된 광센서를 광원과 결합해 웨어러블 맥박 센서를 제작했는데, 해당 센서는 0.5밀리미터(mm)의 곡률반경에서도 안정적으로 구동할 수 있는 유연성을 가지고 있어서 인체 부착 후 걷기와 뛰기 등 움직임이 있는 여러 상황에서도 안정적으로 맥박 측정이 가능했다"고 강조했다.

참고로, '곡률반경'이란 곡선의 미소한 부분을 생각하면 원호(圓弧)로 간주하는데, 이 원호의 반지름을 곡률 반경이라고 한다.

공동연구팀은 이번 연구를 시작하게 된 것은 최근 인구 고령화, 코로나19와 같은 유행성 질환의 대유행으로 인해, 장기간 몸에 부착하여 생체 신호를 획득할 수 있는 헬스케어 모니터링 시스템에 대한 수요가 커지고 있다는 점이 작용했다. 

또한 기존의 실리콘 기반 광센서는 '무겁고 딱딱해 장시간 착용이 불편하다'는 단점과 함께, '피부와 밀접하게 접촉하지 못해 생체 신호를 정확하게 획득하지 못한다'는 한계점이 있어 실생활에서 흔하게 활용하지 못하고 있다는 것이 연구의 시작한 계기가 됐다. 

더군다나 '나노기술의 씨앗'이라고 불리는 양자점을 발견하고 발전시킨 과학자 3인이 2023년 노벨화학상을 수상했다. 

연구팀은 "양자점은 크기가 수 나노미터(㎚, 10억분의 1m) 크기에 불과한 초미세 반도체 입자로 기존 반도체 소재 대비 우수한 광학적·전기적 특성으로 인해 전자와 정공(분자 내 전자들이 차지할 수 있는 자리에 전자들이 없을 경우를 의미)의 빠른 분리가 가능하다"면서 "광센서로 활용 시 응답시간이 빠르다는 장점을 가지고 있기에 이를 이용한 광센서 연구가 활발히 이뤄지고 있다"고 설명했다. 

이어 "기존 양자점 광센서는 주로 수 마이크로미터 이상의 두꺼운 두께를 가지고 있고, 대부분의 연구가 독성이 있는 중금속을 포함한 황화납(PbS)과 같은 양자점을 활용하고 있기에 웨어러블 광센서로 실생활의 활용이 불가능했다"면서 "이처럼 기술 실용화에 한계가 존재하는 것을 극복하기 위해 '친환경 양자점 기반의 광센서' 기술 개발을 위해 본 연구를 개시했다"고 부연했다. 
 

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▲  웨어러블 유연 맥박 센서의 구현 및 다양한 상황에서 측정된 맥박 신호
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결국, 공동연구팀은 중금속이 포함되어 있지 않은 구리-인듐-셀레나이드(Cu-In-Se)의 친환경 양자점을 이용한 초고성능의 양자점 광센서를 개발하는데 성공했다. 

기존에는 친환경 양자점을 이용할 경우 광센서의 성능이 좋지 않다는 것이 일반적이었으나 이번에 공동연구팀은 친환경 양자점의 크기·조성 제어를 통해 친환경 양자점의 전기적 특성을 향상시키고 친환경 양자점에 적합한 유·무기 하이브리드 전하전달층을 새롭게 개발해, 기존 독성 양자점 광센서의 성능을 뛰어넘는 친환경 양자점 광센서를 제작하게 된 것이다. 
 

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▲  왼쪽부터 DGIST 양지웅 교수(교신저자), UNIST 최문기 교수(공동교신저자), 서울대 김대형 교수(공동교신저자), DGIST Shi Li 박사과정생(제1저자), UNIST 장재홍 석박통합과정생(공동제1저자)
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양지웅 DGIST 교수는 "친환경 양자점의 구조 제어와 친환경 양자점에 최적화된 전하전달층을 개발해 고성능으로 구동하는 친환경 양자점 광센서 제작이 가능했다"고 말했다. 

최문기 UNIST 교수도 "외부 전원이 필요 없는 친환경 양자점 광센서를 이용해 높은 유연성을 가진 초박막 맥박 센서를 제작할 수 있었다"면서 "웨어러블 헬스케어 모니터링 시스템뿐만 아니라 라이다, 적외선 카메라 등의 다양한 차세대 광센서 응용에 잠재적으로 응용이 가능할 것으로 보인다"고 전망했다. 

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단 우수신진연구사업, DGIST 센소리움 연구소 등의 지원을 통해 수행됐다. 관련 연구결과는 나노과학분야 저명학술저널 <ACS 나노(Nano)>에 해당 논문이 10월에 게재됐다.