일반적으로 광학소자를 이용한 심박 및 산소포화도 센서는 비침습적으로 비교적 간단하게 생체정보를 확인 할 수 있다. 피부를 통과하는 빛은 피부 내부의 산란효과로 인해 산란이 일어나게 되기 때문에 조사된 빛의 입사각 보다 넓게 빛이 분포하고 발광 파장에 따라 흡수 및 산란의 정도가 다르기 때문에 빛 분포의 경향에 차이가 발생한다.

따라서 기존의 상용 광학소자의 비유연하고 형태 변화에 비가변적인 특성으로 인해 효율적인 광 수신이 가능한 형태 구현이 어려운 상황이다. 또한 심박 및 산소포화도 센서의 경우 발광부의 전력소모가 매우 크기 때문에 상시 모니터링이 가능해야 할 웨어러블 헬스케어 센서의 전력 소모 해결에 그 한계점이 있었다.

이에 국내 연구진 KAIST(총장 신성철) 전기및전자공학부 유승협 교수 연구팀이 유기발광다이오드(OLED)와 유기포토다이오드(OPD)를 이용해 초저전력 심박 및 산소포화도 센서 구현에 성공했다. 이는 KAIST 전기및전자공학부 유회준 교수 연구팀과의 협력을 통해 이뤄진 것으로 이 기술을 통해 심박 및 산소포화도 센서가 다양한 웨어러블 기기에 적용될 수 있는 계기가 될 것으로 기대된다.

보통 심박 및 산소포화도 센서는 신체의 건강 상태를 나타내는 가장 중요한 생체 신호의 하나인 심장 박동과 혈액 내 산소와 결합한 헤모글로빈의 농도로서 신체 내 원활한 산소 공급 여부를 가늠할 수 있는 산소포화도를 측정하는 기기이다.

또한 심박 및 산소포화도 센서에는 일반적으로 LED와 포토다이오드로 구성된 광학적 방법이 이용된다. 이 기술은 간단하고 소형화가 용이한 비 침습적 방법이면서 주요 생체신호의 모니터링이 가능하다는 이점이 있어 병원용 기기뿐 아니라 스마트 워치 등 웨어러블 기기에도 탑재되는 경우가 많다. 이러한 센서는 배터리 용량이 매우 제한적인 웨어러블 기기의 특성상 센서의 전력소모를 줄이는 것이 매우 중요하다.

연구팀은 문제 해결을 위해 광원의 발광 파장에 따른 피부에서의 빛의 전달 형태를 실험과 피부 모델 시뮬레이션을 통해 검토했으며, 유기소자의 경우 자유로운 패턴 구현이 용이한 점을 최대한 이용해 유기포토다이오드가 유기발광다이오드를 동심원 형태로 감싸 피부에서 전방위로 분포되는 빛을 효율적으로 감지하는 최적 구조를 갖는 유연 심박 및 산소포화도 센서를 구현한 것이다.

이를 통해 평균소비전력 약 0.03밀리와트(mW)만으로도 심박 및 산소포화도를 측정할 수 있었다. 이는 LED와 PD가 일렬로 배치된 상용 센서가 갖는 통상 전력소모 양의 약 수십 분의 일에 해당하는 매우 작은 값으로 24시간 동작에도 1메가와트시(mWh)가 채 되지 않는 양이다.

이 기술은 매우 낮은 전력 소모 외에도 유기소자가 갖는 유연 소자의 형태적 자유도도 그대로 갖는다. 따라서 스마트 워치부터 작게는 무선 이어폰, 스마트 반지, 인체 부착형 패치 등의 웨어러블 기기에서 배터리로 인한 제한을 최소화하면서 일상에 지장 없이 지속적인 생체 신호 모니터링을 가능하게 할 것으로 기대된다.

유승협 교수는 “생체 신호의 지속적인 모니터링은 건강의 이상 신호를 상시 검출 할 수 있게 할 뿐 아니라 향후 빅데이터 등과 연계하면 이들 생체신호의 특정 패턴과 질병 간의 상호 관계를 알아내는 등에도 활용될 수 있다.”고 말했다.

한편 이번 연구는 한국연구재단-나노·소재원천기술개발사업 및 선도연구센터 사업의 지원을 받아 수행됐으며, KAIST 이현우 박사과정이 1저자로 참여한 연구 결과는 ‘사이언스 어드밴스 (Science Advances)’ 11월 9일자 온라인에 게재됐다. (논문명 : Toward all-day wearable health monitoring: An ultralow-power, reflective organic pulse oximetry sensing patch)