김현재 교수 연구팀, 피부에 붙여 혈관 속 생체지표를 모니터링 하는 PPG 센서 및 플랫폼 제안

의학 및 과학기술 분야 국제학술 권위지 ‘Nano Energy’ 게재

[사진. 김현재 교수(왼쪽), 제1저자 강병하 박사]

전기전자공학과 김현재 교수 연구팀은 유무기 하이브리드 산화물 포토트랜지스터에 활용된 유기물 내 용매 종류를 변경함으로써 발생되는 광전류 유형의 차이를 입증하고, 이를 통해 저/고위험 상태에서 활용될 PPG(Photoplethysmogram, 광용적맥파) 센서 개발 및 심혈관 상시 모니터링 시스템 플랫폼을 제안했다.

김현재 교수가 교신저자로, 졸업생인 강병하 박사(現 삼성전자 메모리사업부)가 제1저자로 참여한 이번 논문은 에너지를 활용한 나노 물질/디바이스 연구 분야 국제학술 최고 권위지 ‘나노 에너지(Nano Energy, IF 17.881, JCR 상위 4.79%)’에 11월 25일 게재됐다. 

최근 고령화 사회가 도래하면서 단순히 수명을 연장하는 것이 아닌 건강하게 수명을 연장하는 것에 대한 관심이 높아지고 있다. 건강한 삶을 위해 다양한 질병에 대한 조기 진단과 즉각적인 치료의 중요성이 대두되고 있으며, 이에 따라 정보기술(IT, Intelligence technology)과 헬스케어(Healthcare) 기술이 결합된 전자소자가 주목받고 있다.

다양한 질병 중 세계 사망 원인 1위인 심혈관 질환은 일상생활에서 발생되는 심박수, 심박수 변동성, 산소포화도 및 혈압과 같은 생체신호들에 대한 이상 징후를 미리 감지해야 조기 진단이 가능하며 즉각적인 치료를 진행할 수 있다. 

이러한 생체신호들을 생활 속에서 파악하기 위해서는 휴대성(Portability), 비침습(Non-invasive), 지속적인 모니터링(Continuous monitoring)의 특성이 요구되며, 이를 만족할 수 있는 전자소자인 PPG 센서가 주목받고 있다. 

광다이오드(LED, Light-emitting diode)와 광검출기(Photodetector)로 구성된 PPG 센서는 광다이오드가 혈관에 빛을 인가시키고 반사된 빛을 검출함으로써 생체신호를 파악할 수 있는 유용한 소자로, 최근 스마트워치(Smartwatch)에 적용되고 있다.

하지만 현재 상용화되고 있는 PPG 센서는 부피가 크고 딱딱한 단점이 있어 피부와 PPG 센서의 차이를 형성하고 이에 따른 생체신호 검출 정확도가 떨어질 수 있다. 또한, 기존 PPG 센서는 가시광 광다이오드를 사용하기 때문에 피부 내 깊숙이 빛이 침투하지 못하는 단점이 있다.

[그림. (위) Skin-conformable PPG 센서 모식도 및 생체신호 검출 데이터, (아래) 상시 가동 심혈관 모니터링 시스템을 위한 PPG 센서 플랫폼]

이에 본 연구팀은 피부 깊숙이까지 빛이 침투할 수 있으며, 유연한 특성까지 겸비한 ‘skin-conformable PPG 센서’를 개발했다. 개발된 PPG 센서는 전기적 특성이 우수한 산화물 반도체 기반 박막트랜지스터에 적외선 및 가시광 검출이 가능한 DPP(Diketopyrrolopyrrole) 폴리머 물질을 코팅시킨 유무기 하이브리드 산화물 포토트랜지스터와 광다이오드로 구성됐다.

본 연구팀은 DPP 폴리머 용매 종류의 변화를 통해 표면전위 특성을 조절함으로써 유무기 하이브리드 산화물 포토트랜지스터의 PPC(Persistent photoconductivity) 특성 발현 여부를 선택할 수 있었다. 

이러한 결과를 통해 심박수가 낮은 상태에서는 PPC 특성이 있는 유무기 하이브리드 산화물 포토트랜지스터와 적외선 광다이오드만을 활용해 저전력 구동을 하며 심박수를 측정하고, 특정 수치 이상의 심박수 도달 시에는 PPC 특성이 없는 유무기 하이브리드 산화물 포토트랜지스터와 적외선 및 적색광 광다이오드를 활용해 심박수 및 산소포화도를 측정할 수 있는 상시 가동 심혈관 모니터링 시스템을 제안했다.

김현재 교수팀은 “본 연구팀이 제안한 skin-conformable PPG 센서 및 모니터링 시스템 플랫폼이 심혈관 질환 예방에 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다.”고 전했다.

논문정보

● 논문제목: Skin-conformable photoplethysmogram sensors for energy-efficient always-on cardiovascular monitoring systems

● 논문주소: https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106773