박재영 교수(전자공학과) 연구팀, 땀으로 혈당·나트륨까지 측정하는 채혈 없는 웨어러블 헬스케어 피부 패치 개발

- 개인 맞춤형 건강관리와 대사질환 조기 진단에 활용과 디지털 헬스케어 산업 활성화에 기여 -

- 국제 저명 학술지, 엘시비어 출판의 케미컬 엔지니어링 저널에 논문(IF: 13.3) 게재 -

본교 전자공학과 박재영 교수 연구팀이 운동 중 흘리는 땀만으로 혈당과 나트륨, 체온까지 한 번에 확인할 수 있는 피부 부착형 웨어러블 패치를 개발했다. 이 패치는 땀 속에 포함된 포도당과 나트륨 농도는 물론, pH와 온도까지 동시에 측정할 수 있는 것이 특징이다. 기존 혈액 채혈 방식의 한계를 뛰어넘는 기술로, 당뇨 환자를 위한 맞춤형 건강 관리에 새로운 가능성을 열 것으로 기대된다.

(좌)박재영 교수, (우)아부더스 박사과정

웨어러블 땀 센서는 통증 없이 실시간으로 건강 상태를 확인할 수 있는 차세대 기술로 주목받아 왔지만, 실제 활용에는 여러 어려움이 있었다. 특히 포도당 센서의 경우 온도나 pH 변화에 따라 측정값이 쉽게 흔들리고, 제작 비용도 높아 상용화에 제약이 많았다. 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 센서의 핵심 부품인 ‘신호 변환층’에 주목했다. 이들은 금속과 유기물로 이루어진 특수 구조체를 고온 처리해 전기가 잘 흐르고 반응성이 뛰어난 나노다공성 탄소 소재를 개발했다. 여기에 두 가지 금속을 동시에 적용하는 독자적인 설계를 도입해 기존 소재보다 감도와 안정성을 크게 향상시켰다.

전기화학 바이오센서에서 신호 변환층(Transducing layer)은 신호 생성 효율과 생체분자 고정 능력을 향상시키는 핵심 요소이다. 특히 탄소 기반 나노소재는 높은 비표면적, 우수한 전기전도도, 장기적인 전기화학적 안정성 덕분에 신호 변환 물질로 큰 관심을 받아왔다. 이 가운데 금속-유기 골격체(MOF)는 구조와 기공 특성을 정밀하게 조절할 수 있다는 장점으로 주목받아 왔지만, 본질적으로 낮은 전기전도도로 인해 바이오센서 응용에는 제약이 있었다. 이를 극복하기 위해 이차 금속 도핑이나 탄화(carbonization)와 같은 다양한 개질 전략이 시도되어 왔으며, 최근에는 MOF를 고온에서 탄화하여 얻은 나노다공성 탄소(NPC)가 감도 향상 측면에서 주목받고 있다. 그러나 단일 MOF 전구체로부터 생성된 NPC는 기능적 다양성에 한계가 있었다.

이에 연구팀은 전이금속 기반의 이중금속 MOF 공학과 고온 탄화 공정을 결합한 이중 전략을 제안했다. 이를 통해 전기전도도, 촉매 활성, 구조적 안정성이 모두 향상된 금속 도핑 나노다공성 탄소 소재를 구현했으며, 해당 신호 변환 플랫폼은 운동 등으로 인해 생리 조건이 급변하는 환경에서도 높은 감도와 안정성을 유지하며 땀 기반 생화학 신호를 정밀하게 측정할 수 있음을 입증했다.

연구팀은 유연한 폴리이미드 필름 위에 레이저 유도 그래핀(LIG) 전극을 제작하고, 이를 Co@Ni@Carbon 신호 변환층으로 표면 개질하였다. 이 소재는 니켈 기반 MOF에 코발트를 순차적으로 도핑한 뒤 고온 탄화 과정을 거쳐 합성되었으며, 그 결과 전기화학적 유효 표면적과 전기전도도, 효소 고정 효율이 크게 향상되었다. 이후 LIG/Co@Ni@Carbon 전극에 백금 나노입자를 도입하고 포도당 산화효소를 고정함으로써, 땀 속 포도당을 고감도로 검출할 수 있는 센서를 구현했다. 해당 포도당 센서는 생리적 농도 범위(0–2 mM)에서 124 µA mM⁻¹ cm⁻²의 높은 감도를 나타냈으며, 검출 한계는 2.7 µM에 달했다. 또한 폴리아닐린 기반 pH 센서와 나트륨 이온 선택성 전극은 각각 58.85 mV/pH(pH 3–9) 및 64.49 mV/decade의 준-네른스트(Nernstian) 감도를 보였고, LIG 자체는 별도의 소자 없이 온도 센서로 활용되었다.

연구팀이 개발한 패치에는 땀의 산성도(pH)를 측정하는 센서와 나트륨 이온을 감지하는 센서도 탑재됐다. 온도와 pH 변화로 인해 발생할 수 있는 오차를 자동으로 보정하는 알고리즘을 적용해, 보다 신뢰도 높은 측정이 가능하도록 했다. 온도는 별도의 센서 없이 패치 자체가 감지하도록 설계돼 소형화에도 성공했다.

개발된 패치는 실제 사람의 피부에 부착한 상태에서 운동 중 테스트됐으며, 측정된 포도당 수치는 상용 혈당계와 비교해 정확성이 검증됐다. 연구팀은 이번 기술이 향후 당뇨 환자뿐만 아니라 운동선수, 만성질환자, 일반인의 건강 모니터링에도 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 보고 있다.

박재영 전자공학과 교수는 “땀을 이용한 비침습적 센싱 기술은 환자의 부담을 크게 줄일 수 있는 장점이 있다”며 “이번 연구는 차세대 웨어러블 헬스케어 기기의 실용화 가능성을 한 단계 끌어올린 성과”라고 밝혔다.

이번 연구는 한국산업기술진흥원의 산업기술혁신사업(RS-2022-00154983, 저전력 센서와 구동을 위한 자립형전원 센서 플랫폼 개발)과 한국 경찰청/한국 관세청의 지원을 받은 한국경찰기술연구원(KIPoT)의 프로그램 (RS-2024-00406234, 불법 약물 대응을 위한 현장 기술 개발)으로 수행되었고, 연구 결과는 화학공학분야 최고 수준의 세계적 학술지인 엘시비어(Elsevier) 출판의 케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal, 인용지수: 13.3)'에 게재되었다. (끝)

Web link: https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.171869

A) 본 연구에서 개발된 패치의 개략적 구조도

B–D) Co@Ni-MOF(B), Co@Ni@Carbon(C), 그리고 LIG/Co@Ni@Carbon/PtNPs

(D)의 표면 형태를 보여주는 전계방출 주사전자현미경(FESEM) 이미지

E) 제작된 포도당 센서의 암페로메트릭(amperometric) 응답 특성

F) 나트륨 이온 선택성 전극(Na⁺ ISE)의 개방회로전위(Open Circuit Potential, OCP) 응답

G) 고정식 사이클링 운동 중 실험 참가자의 흉부에 부착된 피부 밀착형 패치의 적용 모습

H) 실제 땀 시료에서 측정한 포도당 농도를 pH 및 온도 보정 전·후로 비교한 결과

I) 보정된 센서 측정값과 상용 혈당계(glucometer)로 측정한 값 간의 비교 분석

J) 개발된 패치를 이용하여 측정한 실제 땀 내 나트륨 이온(Na⁺) 농도의 식전 및 식후 변화