광운대 박재영 교수팀, 땀 속 중금속 검출 패치센서 개발

(왼쪽부터) 광운대 전자공학과 박재영 교수와 혜설 박사과정생

광운대학교는 최근 전자공학과 박재영 교수 연구팀이 사람의 땀 속 구리(Cu) 이온을 검출하고 실시간으로 모니터링할 수 있는 고성능의 패치센서를 개발했다고 19일 밝혔다.


박 교수팀은 PDMS(Polydimethylsiloxane) 고분자 유연 기판 위에 전사시킨 레이저유도 그래핀(LIG)에 실록신(Siloxene, 2차원 나노소재)과 탄소나노튜브(CNT) 나노복합체를 코팅해 전기적, 기계적 특성이 우수한 유연 전극을 개발했다.

또한 온도와 pH 보정 센서를 동일한 유연 기판 위에 제작, 구리이온 검출의 정확성을 크게 향상했다. 땀 하이브리드 패치센서는 땀 속 다양한 중금속 이온 검출을 통한 건강관리 및 질병 진단과 예방에 활용될 수 있다.

인체의 땀에는 건강 상태, 질병과 관련된 분자와 이온, 바이오마커 물질이 포함되어 있다. 따라서 최근 비침습적으로 이를 감지할 수 있는 웨어러블 땀 센서가 주목받고 있다.

인체에 필요한 미량원소 중 하나인 구리 이온 검출은 그 의미가 크지만 농도가 낮기 때문에 땀에서 구리 함량을 정확하게 감지하는 것이 매우 어렵다.


현재 사용하고 있는 땀 속 구리 이온의 검출은 원자 흡수 분광법, 전자 결합 플라즈마 원자 방출 분광법, 크로마토그래피-질량 분광법 등과 같은 고가의 장비를 이용해야 한다. 이러한 기술은 검출 정확도가 좋지만 휴대성과 실시간 검출이 불가능하다.

박 교수팀은 구리 이온, pH 수준 및 피부 온도를 동시에 감지할 수 있는 하이브리드 패치센서를 개발하기 위해 기본 전극 소재로 PDMS 기판 위에 2D 적층 실록신으로 기능화 한 레이저 유도 그래핀(LIG)을 제작했다.

2D 다층 구조의 실록신 나노시트는 그래핀 전극의 표면적과 전도성을, 실록신 표면에 풍부한 산소 함유 작용기(산소, 수소 및 수산기)는 구리 이온 및 pH 감지 성능을 향상했다.

실록신 나노시트는 LIG의 수산기 기반 그룹(C-OH)과 반응하여 LIG와 실록신 사이에 걸쳐 있는 새로운 C-O-Si 결합을 생성해 LIG와 실록신의 결합 강도를 크게 높였다.

구리 이온의 검출 감도를 향상하기 위해 실록신 나노시트 사이에 탄소나노튜브(CNT)를 추가로 도입, 작동 전극의 전도성을 올렸고 실록신 나노시트의 연결을 강화해 우수한 검출 범위와 검출한계 특성을 확보했다. 아울러 땀의 pH와 온도를 동시에 측정해 보정함으로써 Cu 이온 검출의 정확도를 보완했다.

연구팀이 개발한 실록신(Siloxene)과 탄소나노튜브(CNT) 나노복합체가 코팅된 레이저유도그래핀 전극 기반의 구리이온 센서는 10~500ppb의 넓은 범위 내에서 선형 응답과 1.55ppb의 낮은 검출 한계 특성을 나타냈다.

폴리아닐린이 증착된 pH 센서는 3~10의 pH 범위에서 -64.81mV pH-1라는 우수한 감도를 보였다. 또 정확한 피부 온도 모니터링을 위한 온도 센서도 우수한 감도로 안정적인 선형 저항 응답특성을 나타냈다.

제작된 하이브리드 패치센서는 우수한 재현성, 반복성, 선택성 그리고 인공 땀과 실제 인체 땀 샘플 모두에서 안정적인 성능을 보였다.

따라서 개발된 유연 전극과 하이브리드 땀 패치센서는 초소형 센서신호처리 및 블루투스 통신 PCB 회로, MCU, 스마트폰 앱과 연동해 언제 어디서나 건강상태와 질병을 관리 및 예방하는데 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부의 재원으로 한국연구재단 바이오의료기술사업(2017M3A9F1031270) 과 한국산업기술평가관리원 산업기술혁신사업(20000773, 비혈액기반 대사증후군 모니터링용 패치형 나노멀티센서 혁신기술 개발)의 지원을 받아 진행됐다.

해당 연구 결과는 세계 최고의 소재 및 디바이스 연구 전문 저널인 WILEY 출판의 'Small'(IF: 15.535)에 게재됐다.