세계 최고 성능 외부 전원 필요 없는 친환경 양자점 광센서 개발

무겁고 딱딱해 장시간 착용 불편한 기존 광센서 한계점 보완 평가

왼쪽부터 DGIST 양지웅 교수, UNIST 최문기 교수, 서울대 김대형 교수, DGIST Shi Li 박사과정생, UNIST 장재홍 석박사통합과정생. DGIST 제공.

대구경북과학기술원(DGIST) 에너지공학과 양지웅 교수팀이 '세계 최고 성능의 외부 전원이 필요 없는 친환경 양자점 광센서'를 개발했다고 DGIST가 7일 밝혔다.

울산과학기술원(UNIST) 신소재공학과 최문기 교수팀, 서울대 화학생물공학부 김대형 교수팀과 공동 연구를 통해 개발한 기술로 만든 친환경 양자점 광센서는 광전압 효과에 의해 외부 전원 없이도 안정적으로 광신호를 측정할 수 있다. 또한, 공동 연구팀은 해당 광센서를 사용해 매우 얇은 '피부 부착형 초박막 맥박 센서'도 제작하는 등 다양한 변형에도 안정적으로 맥박 신호를 획득할 수 있는 웨어러블 맥박 센서를 선보였다.

최근 인구 고령화, 코로나19와 같은 유행성 질환의 대유행으로 인해, 장기간 몸에 부착하여 생체 신호를 획득할 수 있는 헬스케어 모니터링 시스템에 대한 수요가 커지고 있다. 하지만 기존의 실리콘 기반 광센서는 무겁고 딱딱해 장시간 착용이 불편하다는 단점과 함께 피부와 밀접하게 접촉하지 못해 생체 신호를 정확하게 획득하지 못한다는 한계점이 있다는 지적이 많았다.

이에 공동 연구팀은 중금속이 포함되지 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 일반적이었지만 공동 연구팀은 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 제작했다.

연구팀이 제작한 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 장점이라는 평가다.

DGIST 양지웅 교수는 "친환경 양자점의 구조 제어와 친환경 양자점에 최적화된 전하전달층을 개발해 고성능으로 구동하는 친환경 양자점 광센서 제작이 가능했다"고 말했다.

UNIST 최문기 교수는 "외부 전원이 필요 없는 친환경 양자점 광센서를 이용해 높은 유연성을 가진 초박막 맥박 센서를 제작할 수 있었다"며 "웨어러블 헬스케어 모니터링 시스템 뿐 아니라 적외선 카메라 등 다양한 차세대 광센서 응용도 가능할 것으로 보인다"고 했다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단 우수신진연구사업, DGIST 센소리움 연구소 등의 지원을 통해 수행됐으며, 연구결과는 나노과학분야 저명학술저널 'ACS Nano' 10월호에 게재됐다.