마스크에 부착해 수면 무호흡증을 실시간 진단할 수 있는 센서가 개발됐다.
KAIST 전기및전자공학부 유승협 교수팀은 안정적인 호흡 모니터링을 하는 저전력 고속 웨어러블 이산화탄소 센서를 개발했다고 10일 밝혔다.
이번에 개발한 센서는 무게가 0.12g, 두께 0.7㎜에 불과해 마스크 내부에 붙여 이산화탄소 농도를 정확히 측정하고, 실시간 들숨과 날숨을 구별해 호흡수까지 모니터링하는 빠른 속도와 높은 해상도를 달성했다.
날숨 때 이산화탄소 농도는 호흡기나 순환기계 질병을 조기 발견하는 중요한 지표일 뿐 아니라 개인의 운동상태 모니터링 등 신체활동 진단에도 중요한 정보를 제공한다.
그러나 기존 비침습적 이산화탄소센서는 부피가 크고 전력소모가 많아 웨어러블 응용에 한계가 있었다.
또 형광염료를 사용하는 광화학적 이산화탄소센서는 소형화 및 경량화가 가능하지만, 염료분자의 광 열화현상으로 장시간 안정적 사용이 어려웠다. 광화학적 방법은 형광분자의 방출 세기가 이산화탄소 농도에 따라 감소하는 점을 이용하기 때문에 형광빛의 변화를 효과적으로 검출하는 것이 중요하다.
연구팀이 개발한 센서는 LED와 형광필름을 환형 유기 포토다이오드가 감싸는 구조로, 형광의 세기 변화를 효과적으로 감지하는 동시에 형광분자에 조사되는 여기 광량을 최소화함으로써 기존 ㎽ 수준의 소비전력을 171㎼로 대폭 낮췄다.
아울러 기존 광화학적 센서의 고질 문제인 광 열화현상에 따른 오차 발생을 효율적으로 억제하고 장시간 안정적으로 사용할 수 있다.
실제 이를 적용한 결과 유연하고 가벼워 마스크 내부에 부착해 이산화탄소 농도를 정확히 측정하면서 실시간 들숨과 날숨을 구별해 호흡수까지 모니터링하는 높은 해상도를 보였다.
이와 함께 연구팀은 이산화탄소 센서에 사용하는 형광분자의 광 열화 경로를 규명, 광화학적 센서에서 사용시간에 따라 오차가 증가하는 원인을 밝히고, 오차 억제를 위한 광학적 설계방법도 제시했다.
이를 기반으로 기존 광화학적 센서의 고질인 광 열화현상에 따른 오차 발생을 효율적으로 줄임으로써 기존 20분에 불과한 연속사용 시간을 9시간까지 가능케 했다. 또 이산화탄소 감지 형광필름 교체 시 여러 번 활용할 수 있는 장점도 갖췄다.
유 교수는 "이번에 개발한 센서는 저전력, 고안정성, 유연성 등 우수한 특성으로 웨어러블 디바이스에 폭넓게 적용해 과탄산증, 만성 폐쇄성 폐질환, 수면 무호흡 등 다양한 질병 조기진단에 활용할 수 있다”며 “특히 분진 발생 현장 등 장시간 마스크 착용 환경에서의 재호흡에 따른 부작용을 개선하는 데 유용할 것”이라고 말했다.
이번 연구는 KAIST 신소재공학과 김민재 학사과정과 전기및전자공학부 최동호 박사과정이 공동 제1저자로 참여했고, 연구결과는 국제학술지 `디바이스' 지난달 22일 온라인에 개제됐다. (논문명: Ultralow-power carbon dioxide sensor for real-time breath monitoring) DOI: https://doi.org/10.1016/j.device.2024.100681
한편, 이번 연구는 산업통상자원부 소재부품기술개발사업, 한국연구재단 원천기술개발사업, KAIST 학부생 연구참여 프로젝트(URP) 프로그램의 지원을 받아 수행됐다.
