GIST-DGIST, ‘적색광·근적외선’ 따로 읽는 무기 반도체 웨어러블 광센서 개발 – GIST 이한얼 교수팀-DGIST 이태훈 교수팀, 2차원 반도체·실리콘 층층이 쌓아 적색광·근적외선 구별 – 별도 광학 필터 없이 두 빛 구별하고 전기 신호도 높여… 광전류 최대 9.82배 향상 – 손목 부착형 센서로 심박수·혈중 산소포화도 변화 실시간 측정… 국제학술지《eScience》게재 ▲ (왼쪽부터) GIST 신소재공학과 이한얼 교수, 전북대학교 신소재공학부 김정현 박 사과정생, (우측 상단) DGIST 에너지공학과 이태훈 교수 광주과학기술원(GIST·지스트, 총장 임기철)은 신소재공학과 이한얼 교수 연구팀이 대구경북과학기술원(DGIST) 에너지공학과 이태훈 교수 연구팀과 공동으로, 하나의 작은 센서에서 서로 다른 파장의 빛을 구별해 감지할 수 있는 무기 반도체 기반 웨어러블 광센서를 개발했다고 밝혔다.
공동연구팀은 원자 몇 층 수준의 매우 얇은 2차원 반도체와 실리콘을 위아래로 쌓 아 ‘적색광’과 ‘근적외선’ 신호를 각각 구분해 감지하면서 빛에 대한 전기적 반응도 높였다.
개발한 광센서를 손목에 부착해 심박수와 혈중 산소포화도(SpO2)*의 변화를 실시간 으로 측정하며 웨어러블 생체신호 센서로서의 활용 가능성을 확인했다.
* 혈중 산소포화도(SpO2): 혈액 속 헤모글로빈 가운데 산소와 결합한 헤모글로빈의 비율을 나타 내는 지표이다. 스마트워치에서 심박수나 혈중 산소포화도를 측정할 때는 피부에 빛을 비춘 뒤, 혈 액의 양과 산소 상태에 따라 달라지는 반사광을 센서로 감지한다.
특히 혈중 산소포화도는 산소와 결합한 헤모글로빈과 그렇지 않은 헤모글로빈이 ‘적색광’과 ‘근적외선’을 서로 다르게 흡수하는 성질을 이용해 측정하기 때문에, 두 빛의 반사 신호가 섞이지 않도록 각각 구별해 감지하는 것이 중요하다.
반면 실리콘 같은 무기 반도체는 안정적이고 광센서 성능도 우수하지만, 서로 다른 무기 반도체를 여러 층으로 쌓으려면 결정 구조를 정밀하게 맞춰야 해 하나의 작 은 센서에서 여러 파장의 빛을 구별해 감지하는 구조를 만들기 어려웠다.
연구진은 이러한 한계를 해결하기 위해 종이처럼 얇게 겹쳐 쌓을 수 있는 ‘2차원 반도체’에 주목했다. ‘2차원 반도체’는 일반적인 무기 반도체와 달리 서로의 결정 구조를 정밀하게 맞추 지 않아도 다른 반도체와 층층이 결합할 수 있다.
공동연구팀은 2차원 무기 반도체인 이황화텅스텐(WS2)과 이황화몰리브덴(MoS2)을 겹쳐 하나의 광검출기로 만든 뒤, 이를 실리콘 광검출기 위에 수직으로 쌓았다.
▲ 2차원 반도체와 실리콘을 수직으로 쌓은 웨어러블 광센서의 구조와 작동 원리. (왼쪽) 손목에 부착한 센서에 적색광과 근적외선을 비춘 뒤 반사되는 빛을 감지해 생체신호를 측정하는 웨어러블 센서의 개념도이다. (오른쪽) 위쪽의 이종 접합 광검 출기는 두 종류의 2차원 반도체인 이황화텅스텐(WS2)과 이황화몰리브덴(MoS2)을 겹쳐 만든 것으로 적색광에 강하게 반응하고, 근적외선은 이 층을 통과해 아래쪽 실리콘 광검출기가 감지한다. 두 광검출기 사이의 절연층은 각각의 전기 신호가 서 로 섞이는 것을 막아 별도의 광학 필터 없이 두 종류의 빛을 구별해 감지할 수 있 도록 한다.
이렇게 만든 위쪽 2차원 반도체 광검출기는 적색광에 강하게 반응하고, 근적외선은 위쪽 2차원 반도체층을 통과해 아래쪽 실리콘 광검출기가 감지한다.
두 광검출기 사이에는 전기가 통하지 않는 절연층을 넣어 적색광과 근적외선에 대 한 신호가 서로 섞이지 않고 각각 측정되도록 했다. 이를 통해 별도의 광학 필터 없이 두 종류의 빛을 구별해 감지할 수 있었다.
연구진은 두 종류의 빛을 구별하는 것뿐 아니라, 센서가 빛을 받아 만들어내는 전 기 신호도 키웠다. 두 2차원 반도체를 옮겨 쌓는 과정에서 생기는 원자 수준의 미 세한 결함을 활용한 것이다.
실험과 계산 결과, 적절한 열처리를 하면 이 미세한 결함과 주변 공기 분자의 상호 작용이 달라지면서 반도체의 전자 상태가 변하고, 빛에 대한 반응이 커지는 것으로 나타났다.
그 결과 적색광을 받아 만들어내는 전기 신호인 ‘광전류’는 단일층 반도체 광검출기 보다 최대 9.82배 높아졌으며, 광검출기에 들어온 빛의 양(W)에 비해 얼마나 큰 전 류(A)를 만들어내는지를 나타내는 ‘반응도’는 최대 97 암페어 퍼 와트(A/W)를 기록 했다.
공동연구팀은 개발한 광센서가 실제로 사람의 생체신호를 읽어낼 수 있는지 확인 하기 위해 적색광과 근적외선을 내는 초소형 LED와 결합해 손목 부착형 센서를 제 작했다.
손목에 센서를 부착한 결과, 심장 박동에 따른 혈류 변화를 연속적으로 감지했으며, 혈류를 일시적으로 차단했다가 회복시키는 실험에서도 그 변화를 뚜렷하게 포착했 다.
▲ 2차원 반도체 광검출기의 성능 향상 원리와 웨어러블 생체신호 측정 결과. 2차 원 반도체를 옮겨 쌓는 과정에서 생긴 미세한 결함과 주변 공기 분자의 상호작용 을 조절해 빛에 대한 전기적 반응을 높인 원리와 실험 결과이다. 개발한 센서는 적 색광과 근적외선에 각각 반응했으며, 손목에 부착했을 때 심장 박동에 따른 혈류 변화를 연속적으로 감지했다. 또한 센서 면적을 고려한 ‘신호 대 잡음비’가 논문에 서 비교한 기존 웨어러블 광검출기보다 높은 성능을 보였다.
특히 적색광의 ‘신호 대 잡음비(SNR)*’는 14.5 데시벨(dB)로 기존 실리콘 광검출기보 다 221% 향상됐으며, 센서 면적을 고려한 ‘신호 대 잡음비’도 논문에서 비교한 기 존 웨어러블 광검출기의 23배에 달했다.
적색광과 근적외선에서 각각 얻은 신호로 혈중 산소포화도(SpO2)의 변화도 실시간 으로 추정했으며, 호흡을 멈추자 낮아지고 다시 호흡하자 회복되는 변화를 확인했 * 신호 대 잡음비(Signal-to-Noise Ratio, SNR): 측정하려는 신호가 주변 잡음에 비해 얼마나 뚜렷 한지를 나타내는 값으로 높을수록 원하는 신호를 선명하게 구별할 수 있다.
신소재공학과 이한얼 교수는 “이번 연구는 서로 다른 무기 반도체를 수직으로 결합 해 하나의 작은 센서에서 서로 다른 파장의 빛을 구별하는 동시에, 광전류까지 높 일 수 있음을 보여줬다는 데 의미가 있다”며 “향후 심박수와 혈중 산소포화도 등 다양한 생체신호를 지속적으로 측정하는 웨어러블 헬스케어 센서 개발에 활용될 것으로 기대한다”고 말했다.
GIST 신소재공학과 이한얼 교수와 DGIST 에너지공학과 이태훈 교수가 지도하고 전 북대학교 신소재공학부 김정현 박사과정생이 제1저자로 참여한 이번 연구는 ▴과 학기술정보통신부·한국연구재단 ▴광주광역시·광주RISE센터 ▴교육부·한국연구재단 및 포스코청암재단 포스코사이언스펠로십의 지원을 받았다.
연구 결과는 재료과학 분야 국제학술지 《eScience》에 2026년 8월 11일 온라인으로 게재됐다. 한편 GIST는 이번 연구 성과의 기술사업화 및 산업적 활용에 관심 있는 기업·기관 의 문의를 창업혁신진흥원 기술사업화센터(hgmoon@gist.ac.kr)를 통해 받고 있다고 밝혔다.
논문 정보 ○ 논문명, 저자정보 – 저널명 : eScience (Impact factor: IF: 52.9, JCR 상위 0.5%, 2026년 기준) – 논문명 : Spectrally Decoupled, Signal-Boosted Photodetection via Vertical 2D/3D Heterointegration for Non-Invasive Biosignal Monitoring – 저자 정보 : 김정현(제1저자, 전북대 신소재공학부), 윤순주(공동저자, 전북대 신 소재공학부), 이상엽(공동저자, 포항공과대학교(POSTECH) 기계공학 과), 조창규(공동저자, 전북대 신소재공학부), 조주형(공동저자, 한국 표준과학연구원(KRISS) 바이오의료표준센터), 김석(공동저자, POSTECH 기계공학과), 이윤경(공동저자, 전북대 신소재공학부), 이 태훈(공동교신저자, DGIST 에너지공학과), 이한얼 (대표교신저자, GIST 신소재공학과, 차세대에너지연구소, 반도체특성화대학원)
