고려대, 디스플레이를 활용한 땀 센서 패치 개발

- 재사용 및 지속적 모니터링이 가능한 시스템으로

헬스케어 산업에서의 활용 기대

 

△ 디바이스 부착 후, 운동 강도가 증가하며 젖산 수치가 증가함에 따라 파란색 디스플레이가 작동하는 모습.

레벨1에서 레벨4까지 파란색이 짙어지는 디스플레이.

 

 

 

고려대학교(총장 김동원) 바이오의공학과 구자현 교수 연구팀이 재사용 가능하고 지속적인 모니터링이 가능한 디지털 발색 검사 시스템과 이를 기반으로 한 웨어러블 센서를 개발했다.

 

본 연구 성과는 최우수 저널인 Science Advances(Impact Factor=13.7) 3월호 온라인판에 지난 3월 28일 게재됐다.

*논문명: Electrophoretic digital colorimetry integrated with electrochemical sweat sensor

*DOI: 10.1126/sciadv.adu2142

*URL: https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adu2142

 

기존 바이오 산업에서는 종이 색도 검사(발색법, colorimetry) 방법을 진단 키트로 사용해 왔다. 그러나 이러한 방법은 재사용이 불가능해, 지속적인 모니터링이 필요한 바이오헬스케어 분야 활용에는 제약이 있었다.

*종이 색도 검사: 종이의 색상변화를 이용하여 검사하는 방법으로, 건강 검진 시 소변 검사 등에 주로 활용

 

본 연구팀은 기존의 색도 검사 방식의 문제점을 해결하기 위해, 재사용 가능하고 지속적인 모니터링이 가능한 디지털 발색 검사 시스템을 개발했다. 연구팀은 타이타늄 산화물(TiO2) 기반의 색깔 입자를 합성하여 작은 공간에 채워놓고, 아래에는 구리 전극, 위에는 투명전극(ITO)으로 구성했다. 여기에 전압을 가하면 타이타늄이 정렬되면서 색이 나타나는 구조다. 이러한 전자 발색 원리를 이용하여 다양한 바이오마커나 호르몬 등을 측정하고 초기화할 수 있다.

*타이타늄 산화물(TiO2): 안정적인 흰색 안료로, 빛에 의해 화학반응을 촉진하는 광 촉매

*투명전극(ITO): 플라스틱 재질에 인듐 산을 얇게 증착시켜 전극이 형성된 투명 필름 

*바이오마커: 단백질이나 DNA, RNA, 대사 물질들을 이용해 몸 안의 변화를 알아낼 수 있는 지표

 

이러한 디지털 발색 검사 시스템을 무선통신(블루투스 BLE) 시스템과 결합하여, 피부에 부착해 건강 상태를 원격으로 모니터링할 수 있는 시스템을 구현했다. 이 시스템은 기존 무선 시스템과 달리, 사용자가 설정한 농도를 초과하면 색 변화를 통해 확인할 수 있고 정량 값을 휴대폰으로 실시간 전송하여 연속적인 모니터링이 가능하다.

*블루투스 BLE: 2.4GHz 주파수 대역에서 저전력 저용량 데이터 송수신이 가능한 블루투스

 

특히, 연구팀은 땀을 통해 젖산(lactate) 농도를 모니터링할 수 있도록 했다. 그리고 성인 7명을 대상으로 검증한 결과, 운동 시간 및 강도에 따른 근육 피로도를 추측할 수 있는 연속 모니터링이 가능함을 확인했다.

*젖산(lactate): 운동 강도 증가에 따라 근육에서 생성되며, 생체 내의 에너지 대사에 관련하는 생화학 물질

 

이번에 개발한 웨어러블 센서는 저전력으로 구동하여 오랜 시간 동안 다양한 바이오마커 측정이 가능하다. 또한, 바이오마커 농도가 일정 수준이 되면 디스플레이가 켜지고, 사용자가 휴대폰 등의 디바이스를 통해 정확한 데이터를 확인할 수 있다는 점에서 의료기기 및 헬스케어 기기로의 활용 가능성이 매우 크다.

 

본 연구는 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다.

 

 

 

[그림 1]

△ [그림 1] 설명: (왼쪽부터) 고려대 바이오의공학과 구자현 교수(교신저자), 고려대 성다은 석사과정(제1저자), 고려대 한승훈 석박통합과정(제2저자)

 

 

[그림 2] 

 

△ [그림 2] 설명: 디지털 발색 (색도, colorimetry) 검사 작동 원리 모식도

 

[그림 3] 

△ [그림 3] 설명: 전자통신 시스템과 결합된 디지털 발색(색도) 검사 시스템

출처: https://www.korea.ac.kr/ko/552/subview.do?enc=Zm5jdDF8QEB8JTJGa3VzdG9yeSUyRmtvJTJGYXJ0Y2xWaWV3LmRvJTNGYXJ0Y2xTZXElM0QyNzc1MyUyNnNpdGVJZCUzRGtvJTI2cGFnZSUzRDElMjZmaW5kVHlwZSUzRCUyNmZpbmRXb3JkJTNEJTI2ZmluZENsU2VxJTNEJTI2cmdzQmduZGVTdHIlM0QlMjZyZ3NFbmRkZVN0ciUzRCUyNg%3D%3D