손가락에 붙일 수 있을 만큼 얇고 잘 휘어지는 광센서를 통해 다양한 신호를 안정적으로 감지하고, 필요할 때는 빛을 제어해 보안과 안전까지 확보할 수 있는 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

아주대학교(총장 최기주)는 서울시립대학교와 공동 연구를 통해 두께가 3마이크로미터(μm)에 불과한 초박막·초유연 근적외선 광센서를 개발했다고 5일 밝혔다. 이는 사람 머리카락 두께의 약 20분의 1 수준으로, 피부에 붙여도 큰 이물감이 없을 정도로 얇고 유연하다. 동시에 기존 광센서보다 빠른 반응 속도와 높은 감도도 갖췄다.

이번 연구 성과는 ‘각도 무관·장거리 근적외선 통신이 가능한 피부 부착형 MHz급 유기 광검출기 개발’이라는 제목으로 국제 학술지 Nature Communications 12월호에 게재됐다.

광센서는 빛의 유무와 세기를 감지해 전기 신호로 바꾸는 장치다. 스마트폰의 자동 밝기 조절이나 스마트워치의 심박수·산소포화도 측정, 보안·안전 시스템, 자율주행 기술 등 이미 우리 생활 곳곳에서 활용되고 있다. 이 가운데 근적외선 유기 광검출기는 눈에 보이지 않는 근적외선을 감지할 수 있어 웨어러블 헬스케어와 피부 부착형 통신 기기, 무선 광통신 분야의 핵심 기술로 주목받아 왔다.

다만 기존 기술은 반응 속도와 감도, 유연성을 동시에 확보하기 어렵다는 한계가 있었다. 빠른 반응을 위해 단단한 소재를 사용하면 잘 휘지 않고, 유연성을 높이면 성능이 떨어지는 문제가 반복됐다. 또 빛이 비스듬히 들어올 경우 성능이 크게 낮아지는 점도 실제 활용에 걸림돌이었다.

공동 연구팀은 센서 내부 구조를 정밀하게 설계하는 새로운 방식으로 이 문제를 해결했다. 센서 안에서 전기가 이동하는 경로를 안정적으로 만들고, 특수한 박막과 브롬 성분을 활용해 성능과 구조 안정성을 동시에 높였다. 그 결과, 매우 얇은 구조에서도 초당 100만 번 이상 반응할 수 있는 속도와 높은 감도를 유지하면서, 빛의 방향과 관계없이 안정적으로 작동하는 센서를 구현하는 데 성공했다.

연구팀은 이 센서를 실제 사람 피부에 부착한 뒤, 100m 이상 떨어진 거리에서 전달되는 빛 신호를 안정적으로 받아내는 실험에도 성공했다. 이는 웨어러블 기반 광통신과 원격 헬스케어, 보안 통신 분야로 활용 가능성을 넓힌 성과로 평가된다.

김혁 서울시립대 교수는 “기존 유기 광검출기의 주요 한계였던 속도와 유연성, 각도 의존성을 동시에 해결했다는 점에서 의미가 크다”며 “피부 부착형 센서와 장거리 무선 광통신 등 다양한 웨어러블 기술로 확장될 수 있을 것”이라고 말했다.

박성준 아주대 교수는 “초박막 구조와 내부 설계를 함께 고려해 실제 인체 환경에서도 안정적으로 작동하는 기술을 구현했다”며 “차세대 헬스케어와 사람–기계 간 인터페이스 기술로 이어질 핵심 기반이 될 것”이라고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 산업통상자원부, 한국연구재단(NRF) 등의 지원을 받아 수행됐다.