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양지웅 교수팀, 세계 최고 성능의 외부 전원이 필요 없는 친환경 양자점 광센서 개발

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작성일 23-11-08 18:14

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- DGIST-UNIST-서울대 공동연구팀, 친환경 양자점을 이용한 초고성능 초박형 광센서 개발

- 피부 위에서도 안정적으로 작동하는 웨어러블 맥박 센서 구현 성공

- 연구결과는 나노과학분야의 저명학술저널 ‘ACS Nano’에 논문 게재

 DGIST(총장 국양) 에너지공학과 양지웅 교수팀이 ‘세계 최고 성능의 외부 전원이 필요 없는 친환경 양자점 광센서’를 개발했다. UNIST(총장 이용훈) 신소재공학과 최문기 교수팀, 서울대학교(총장 유홍림) 화학생물공학부 김대형 교수팀과 공동연구를 통해 개발한 기술로 만든 친환경 양자점 광센서는 광전압 효과에 의해 외부 전원 없이도 안정적으로 광신호를 측정할 수 있는 것을 확인했다. 또한, 공동연구팀은 해당 광센서를 사용하여 매우 얇은 ‘피부 부착형 초박막 맥박 센서’도 제작해 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 있어 실생활에서 흔하게 활용하지 못하고 있다.

  올해 ‘나노기술의 씨앗’이라고 불리는 양자점을 발견하고 발전시킨 과학자 3인이 노벨화학상을 수상했다. 양자점은 크기가 수 나노미터(㎚, 10억분의 1m) 크기에 불과한 초미세 반도체 입자로 기존 반도체 소재 대비 우수한 광학적·전기적 특성으로 인해 전자와 정공의 빠른 분리가 가능하다. 광센서로 활용 시 응답시간이 빠르다는 장점을 가지고 있기에 이를 이용한 광센서 연구가 활발히 이뤄지고 있으나, 기존 양자점 광센서는 주로 수 마이크로미터 이상의 두꺼운 두께를 가지고 있고, 대부분의 연구가 독성이 있는 중금속을 포함한 황화납(PbS)과 같은 양자점을 활용하고 있기에 웨어러블 광센서로 실생활의 활용이 불가능했다.

  이에 공동연구팀은 중금속이 포함되어 있지 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 일반적이었다. 하지만, 공동연구팀은 친환경 양자점의 크기·조성 제어를 통해 친환경 양자점의 전기적 특성을 향상시키고 친환경 양자점에 적합한 유·무기 하이브리드 전하전달층을 새롭게 개발하여, 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 장점을 가지고 있다. 또한 연구팀은 고분자 기반의 유연 기판 위에서 제작된 광센서를 광원과 결합하여 웨어러블 맥박 센서를 제작했는데, 해당 센서는 0.5밀리미터(mm)의 곡률반경에서도 안정적으로 구동할 수 있는 유연성을 가지고 있어서 인체 부착 후 걷기와 뛰기 등 움직임이 있는 여러 상황에서도 안정적으로 맥박 측정이 가능했다.

 

 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 뿐만 아니라 라이다, 적외선 카메라 등의 다양한 차세대 광센서 응용에 잠재적으로 응용이 가능할 것으로 보인다”고 밝혔다.

 

 한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단 우수신진연구사업, DGIST 센소리움 연구소 등의 지원을 통해 수행되었으며, 관련 연구결과는 나노과학분야 저명학술저널 ‘ACS Nano’에 10월 게재됐다.

연구결과개요

Ultrathin Self-Powered Heavy-Metal-Free Cu-In-Se Quantum Dot-Photodetectors for Wearable Health Monitoring

Shi Li, Jae Hong Jang, Wookjin Chung, Hyojin Seung, Soo Ik Park, Hyeongjong Ma, Won Jun Pyo, Changsoon Choi, Dae Sung Chung, Dae-Hyeong Kim*, Moon Kee Choi*, and Jiwoong Yang*

(ACS Nano, published 10.24, 2023)

 

최근 인구고령화, 코로나19와 같은 유행성 질환의 대유행으로 인해, 장기간 몸에 부착하여 생체 신호를 획득할 수 있는 헬스케어 모니터링 시스템에 대한 수요가 높아지고 있다. 기존 실리콘 반도체 기반의 웨어러블 센서들은 딱딱하고 무거운 실리콘 기반의 소자 구성으로 인해 장시간 착용이 어려우며, 딱딱한 실리콘으로 인해 피부와 밀접한 접촉이 어려워 정확한 생체 신호의 측정이 어렵다는 단점이 존재해왔다.

양자점은 기존 반도체 소재 대비 우수한 광학적·전기적 특성을 지녀, 빠른 전자와 정공의 분리가 가능하여 광센서로 활용시 빠른 응답시간을 지녀 최근 이를 이용한 광센서 연구가 활발히 이루어지고 있다. 하지만, 대부분의 연구는 독성이 있는 중금속을 포함한 황화납(PbS)과 같은 양자점으로 진행되었으며 기존 양자점 광센서는 주로 수 마이크로미터 이상의 두꺼운 두께를 지녀 웨어러블 광센서로 활용되지 못하였다.

본 연구에서는 중금속이 포함되어 있지 않은 구리-인듐-셀레나이드 (Cu-In-Se) 친환경 양자점 이용한 고성능 광센서를 개발하는데 성공하였다. 친환경 양자점의 크기·조성 제어를 통해 친환경 양자점의 전기적 특성을 향상시키고 친환경 양자점에 적합한 유·무기 하이브리드 전하전달층을 새롭게 개발하여, 기존 독성 양자점 광센서의 성능을 뛰어넘는 친환경 양자점 광센서를 제작하였다. 해당 소자는 높은 광전압 효과를 나타내어 외부 전원 공급 없이도 효과적으로 광신호를 검출할 수 있는 특징을 나타내었다. 이 방식으로 제작한 친환경 양자점 광센서는 약 40나노미터(nm)의 양자점 흡광층으로도 높은 소자 성능을 나타내어, 얇고 유연한 형태의 웨어러블 광센서로의 활용에 적합하였다. 연구진은 고분자 기반의 유연 기판 위에서 제작된 광센서를 광원과 결합하여 웨어러블 맥박 센서를 제작하였다. 제작된 맥박 센서는 0.5밀리미터(mm)의 곡률 반경에서도 안정적으로 구동할 수 있는 유연성을 가졌으며, 인체에 부착 후 걷기, 뛰기와 같은 여러 상황에서도 안정적으로 맥박 측정이 가능했다. 해당 기술은 차세대 웨어러블 헬스케어 모니터링 시스템의 응용에 활용될 수 있을 것이라고 전망된다.

 
연구결과문답


Q. 이번 성과 무엇이 다른가?

중금속이 포함되어 있지 않은 구리-인듐-셀레나이드 (Cu-In-Se) 친환경 양자점 이용한 고성능의 양자점 광센서를 개발하는데 성공하였다. 본 연구진은 친환경 양자점의 크기·조성 제어를 통해 친환경 양자점의 전기적 특성을 향상시키고 친환경 양자점에 적합한 유·무기 하이브리드 전하전달층을 새롭게 개발하여, 기존 독성 양자점 광센서의 성능을 뛰어넘는 친환경 양자점 광센서를 제작하였다.

 
Q. 어디에 쓸 수 있나?
이 방식으로 제작한 친환경 양자점 광센서는 약 40나노미터(nm)의 양자점 흡광층으로도 높은 소자 성능을 나타내어, 얇고 유연한 형태의 웨어러블 광센서 응용에 적합하였다. 또한, 개발된 친환경 양자점 광센서는 외부 전원 없이 우수한 광검출 성능을 나타내기 때문에 외부 전원의 공급이 제한적인 웨어러블 센서로의 활용에 큰 이점을 지닌다. 실제로 연구진은 고분자 기반의 유연 기판 위에서 제작된 광센서를 광원과 결합하여 웨어러블 맥박 센서를 제작하였다. 제작된 맥박 센서는 0.5밀리미터(mm)의 곡률 반경에서도 안정적으로 구동할 수 있는 유연성을 가졌으며, 인체에 부착 후 걷기, 뛰기와 같은 여러 상황에서도 안정적으로 맥박 측정이 가능했다.

 
Q. 실용화까지 필요한 시간과 과제는?
이번 연구에서 개발된 기술이 실용화되기 위해서는 유기물 및 무기물로 이루어진 광 검출기를 구성하는 층의 외부 환경에 대한 안정성 문제를 해결하는 것이 중요하며, 관련 연구를 통해 실용화를 앞당기고자 한다.

 
Q. 연구를 시작한 계기는?
2023년 노벨화학상을 수상한 양자점은 기존 반도체 소재 대비 우수한 광학적·전기적 특성을 지녀, 빠른 전자와 정공의 분리가 가능하여 광센서로 활용시 빠른 응답시간을 지녀 최근 이를 이용한 광센서 연구가 활발히 이루어지고 있다. 하지만, 대부분의 양자점 광센서 연구는 독성이 있는 중금속을 포함한 황화납(PbS)과 같은 양자점으로 진행되어 기술 실용화에 한계가 존재한다. 친환경 양자점 기반의 광센서 기술 개발을 위해 본 연구를 개시하였다.

 
Q. 어떤 의미가 있는가?
기존 연구에서는 친환경 양자점을 이용한 양자점 소자의 성능이 좋지 않은 것을 상식으로 여겨져 왔다. 이번 연구로 친환경 양자점의 특성 제어 및 친환경 양자점에 적합한 전하전달층 개발을 통해 기존 독성 양자점 광센서 보다 우수한 성능의 양자점 광센서를 구현할 수 있었다. 또한, 중금속이 없는 친환경 양자점 광센서를 웨어러블 맥박 센서에 접목하여 차세대 웨어러블 센서로서의 기술적 가치를 증명했다.

 
Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?
이번 연구를 바탕으로 지속적인 연구를 통해 친환경 양자점 기반의 광센서 기술 상용화에 기여하는 것이 목표이다.

 
 
 
그림설명
[그림 1] 개발된 친환경 양자점 광센서 모식도 및 양자점과 정공수송층 전자현미경 이미지

세계 최고 성능의 외부 전원이 필요 없는 친환경 양자점 광센서 개발 이미지2
 

 

[그림 2] 기존 연구와의 소자 성능 비교, 초박형 양자점 광센서 구현

세계 최고 성능의 외부 전원이 필요 없는 친환경 양자점 광센서 개발 이미지3

 
[그림 3] 웨어러블 유연 맥박 센서의 구현 및 다양한 상황에서 측정된 맥박 신호

세계 최고 성능의 외부 전원이 필요 없는 친환경 양자점 광센서 개발 이미지4

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