실시간으로 땀 수집 및 성분 분석 제공

실시간으로 땀을 측정해 건강상태를 모니터링할 수 있는 무선 전자 패치 기술이 개발됐다.

한국과학기술원(KAIST) 전기및전자공학부 권경하 교수 연구팀이 성균관대학교 화학공학과 김종욱 박사과정 연구원과 땀의 체적 유량 및 총 손실을 실시간으로 측정하는 무선 전자 패치를 개발했다고 밝혔다.

땀은 혈액과 비교해 채취가 수월하고 일상에서 실시간으로 분석데이터를 제공할 수 있기 때문에, 관련 기술과 제품에 대한 수요가 높았다. 하지만 땀과 화학 시약의 변색 반응을 이용해 다양한 생체 지표 수집이 가능하더라도, 정확한 측정을 위해서는 땀의 유량과 총 손실을 실시간으로 측정하는 것이 핵심적으로 요구됐다.

권경하 교수팀은 이 문제를 해결해 변색 반응을 이용해 땀 성분 분석이 가능한 미세 유체 시스템과 통합하고 땀의 정량적 속도 및 체적 측정이 가능한 웨어러블 무선 전자 패치를 개발했다.

당뇨병, 신장 기능 장애 등에 활용 가능

그 결과, 연구팀은 땀 내 염화물, 포도당 및 크레아틴 농도, 수소이온지수(pH) 및 체적 유량을 동시에 측정하는 데 최초로 성공했다. 측정한 지표는 낭포성 섬유증, 당뇨병, 신장 기능 장애, 대사성 알칼리증 진단 등에 활용할 수 있다.

연구팀은 땀이 수집되는 짧고 정교한 미세 유체 채널 외벽에 저전력 열원을 배치해 채널을 통과하는 땀과 열 교환을 유도했다. 땀의 유속이 증가함에 따라 열원의 하류와 상류의 온도 차이가 증가하는 것에 착안, 상·하류 온도 차이와 땀의 배출 속도 간의 정확한 관계를 규명했다.

그 결과, 생리학적으로 유의미하다고 인정되는 0~5마이크로리터(μl)/분 범위의 땀 속도를 정확하게 측정하는 데 성공했다. 웨어러블 패치로 측정한 데이터는 블루투스 통신이 가능한 스마트폰 앱을 통해 실시간 확인이 가능하다.

이 패치는 미세 유체 채널을 통과하는 땀과 전자 회로가 완전히 분리되어, 기존 유속 측정 기기들의 유체와의 접촉으로 인한 부식 및 노후화에 취약하다는 단점을 극복했다. 또한, 얇고 유연한 회로 기판 인쇄 기법과 신축성 있는 실리콘 봉합 기술을 접목해 다양한 굴곡을 가진 피부 위에 편안하게 부착할 수 있도록 제작됐다. 땀 배출로 인한 피부 온도 변화를 실시간으로 감지하는 센서도 부착돼 있어 다양한 응용 분야에서 활용이 기대된다.

이 기술은 미국 노스웨스턴대 존 로저스 교수, 보스턴 소재 웨어리파이(Wearifi)사와 특허 출원 진행 중이며, 해당 연구 결과는 국제 학술지 `네이처 일렉트로닉스(Nature Electronics)'에 지난 3월 말 발표됐다.

논문명 : An on-skin platform for wireless monitoring of flow rate, cumulative loss and temperature of sweat in real time

권경하 교수는 "개발된 무선 전자 패치는 개인별 수분 보충 전략, 탈수 증세 감지 및 기타 건강 관리에 폭넓게 활용할 수 있다ˮ면서 "피부 표면 근처의 혈관에서 혈류 속도를 측정하거나, 약물의 방출 속도를 실시간으로 측정해 정확한 투여량을 계산하는 등 체계화된 약물 전달 시스템에도 활용할 수 있을 것ˮ이라고 말했다.