수면 무호흡증 간편하게 파악…KAIST, 초저전력 CO₂ 센서 개발

KAIST 연구진이 개발 센서를 마스크 내부에 부착해 보이고 있다.

한국과학기술원(KAIST·총장 이광형) 연구진이 실시간으로 안정적인 호흡 모니터링이 가능한 저전력 고속 웨어러블 이산화탄소(CO₂) 센서를 개발했다.

날숨 내 CO₂ 농도를 지속 모니터링해 호흡·순환기계 질병을 조기 발견·진단할 수 있고, 개인 운동 상태 모니터링 등에도 폭넓게 사용할 수 있다.

KAIST는 유승협 전기 및 전자공학부 교수팀이 이같은 성과를 거뒀다고 10일 밝혔다.

기존 비침습적 CO₂ 센서는 부피가 크고 소비전력이 높았다. 특히 이번 성과와 같은 '광화학적 CO₂ 센서'는 소형·경량화가 가능하지만, 염료 분자 광 열화 현상 탓에 장시간 안정적 사용이 어려웠다.

광화학적 CO₂ 센서는 형광 분자에서 방출되는 형광 세기가 CO₂ 농도에 따라 감소하는 점을 이용하며, 형광 빛 변화를 효과적으로 검출하는 것이 중요하다.

이에 연구팀은 발광다이오드(LED)와 이를 감싸는 유기 포토다이오드로 이뤄진 저전력 CO₂ 센서를 개발했다. 수 밀리와트(㎽) 수준을 소비하는 기존 센서 대비 수십 배 낮은 171마이크로와트(㎼) 소자 소비전력을 달성했다.

연구진이 개발한 광화학적 CO₂ 센서 구조와 작동 원리

연구팀은 또 형광 분자 광 열화 경로를 규명해 센서 사용 시간에 따른 오차 증가 원인을 밝히고, 이를 억제하는 광학 설계 방법을 제시했다.

개발 센서는 최대 9시간까지 안정적으로 연속 사용(기존 기술은 20분 이내)이 가능하며, CO₂ 감지 형광 필름 교체시 다회 활용도 가능한 센서를 개발했다.

개발 센서는 0.12g으로 가볍고, 0.7㎜로 얇고, 유연하다. 마스크 내부에 부착해 CO₂ 농도를 정확히 측정한다. 또 실시간으로 들숨·날숨을 구별해 호흡수까지 모니터링 가능한 빠른 속도, 높은 해상도를 보였다.

유승협 교수는 “개발 센서는 저전력·고안정성·유연성 등 우수 특성을 가져 웨어러블 디바이스에 폭넓게 적용될 수 있어 과탄산증, 만성 폐쇄성 폐질환, 수면 무호흡 등 다양한 질병 조기 진단에 사용될 수 있다”며 “장시간 마스크 착용 환경에서의 재호흡에 따른 부작용 개선에도 사용될 것”이라고 밝혔다.

김민재 신소재공학과 학사과정, 최동호 전기 및 전자공학부 박사과정이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 셀 자매지인 '디바이스' 온라인판에 지난달 22일 공개됐다.

한편 이번 연구는 산업통상자원부 소재부품기술개발사업, 한국연구재단 원천기술개발사업, KAIST 학부생 연구참여 프로젝트(URP) 프로그램 지원으로 수행됐다.

김영준 기자 kyj85@etnews.com

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