박재영 교수(전자공학과) 연구팀, 땀 성분 분석 및 모니터링 가능한 멀티센서 패치 개발

- MXene@Pt, 나노복합체와 하이브리드 나노다공성 탄소(HNPC)를 활용해 고감도·넓은 범위 땀 멀티센서 패치 기술 개발 -

- 감도와 선택성이 뛰어나서 공공 헬스케어, 운동·스포츠 증진, 맞춤형 질병 관리 등 다양한 실생활 활용 기대 -

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

모교 박재영교수 연구팀(전자공학과)은 땀 속 주요 성분을 실시간으로 분석 및 모니터링 할 수 있는 차세대 웨어러블 전기화학 센서 패치를 개발했다. 이번 기술은 피부에 부착해 땀 속의 포도당, 나트륨, 젖산, pH 등을 실시간으로 측정할 수 있어, 개인 맞춤형 건강관리 시대를 앞당길 핵심 기술로 주목받고 있다.

박재영교수(좌), 아사두박사(우)

최근 몸에 직접 붙여 사용하는 피부 부착형 웨어러블 기기는 인체 내부 생화학 정보를 비침습적으로 실시간 측정할 수 있어 차세대 개인용 건강 모니터링 장치로 각광을 받고 있다. 그러나 기존의 효소 기반 바이오센서는 감도가 낮고 측정 범위가 제한적이며, 효소 반응이 pH 변화에 크게 영향을 받는다는 한계가 있었다.

연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 우수한 전기화학적 특성을 가진 MXene 소재와 백금 나노입자(PtNPs)를 결합한 새로운 구조의 나노복합체를 제작했다. MXene은 넓은 표면적과 높은 친수성을 갖고 있지만, 층간 응집으로 인해 활성 표면적이 감소하는 단점이 있었다. 이를 해결하기 위해 연구팀은 화학 환원 공정을 통해 MXene 표면에 균일한 백금 나노입자 씨앗을 형성한 뒤 전기화학 증착법을 추가로 적용해, 고르게 분포된 구형 백금 나노입자를 성장시키는 데 성공했다.

또한, 연구팀은 금속 유기 골격체(MOFs)를 활용한 하이브리드 나노다공성 탄소(HNPC)를 도입해 젖산 센서의 전극 성능을 크게 향상시켰다. ZIF-8과 ZIF-67로 구성된 코어-쉘 구조의 MOF를 전구체로 사용해 넓은 표면적과 우수한 전기 전도성을 동시에 확보했다. 이를 통해 젖산 센서는 최대 100mM까지 넓은 농도 범위를 안정적으로 측정할 수 있게 됐다.

제작된 웨어러블 패치는 실제로 가슴 부위에 부착해 실험한 결과, 포도당 센서는 86.45 µA mM⁻¹ cm⁻²의 높은 감도와 최대 32mM까지의 넓은 검출 범위를 보여줬다. pH 센서는 -50.99 mV/pH로 안정적으로 pH 변화를 감지했으며, 나트륨 이온 센서는 56.26 mV/decade로 이상적인 Nernst 반응에 근접한 성능을 보였다. 젖산 센서도 PVC 기반의 확산 제한막을 도입해 효소에 도달하는 젖산의 양을 조절함으로써 90 nA mM⁻¹ cm⁻²의 감도와 1mM의 낮은 검출 한계를 달성했다. 특히, 측정값을 땀의 pH 변화에 따라 보정할 수 있는 알고리즘을 함께 적용해 보다 정확한 생체 신호 분석이 가능하다.

박재영 교수는 “이번 연구로 땀 속의 다양한 생체 정보를 정확하고 실시간으로 분석 및 모니터링 할 수 있는 웨어러블 스마트 헬스케어 기기 개발의 토대를 마련했다”며 “향후 상용화를 통해 개인 맞춤형 건강관리 및 예방의료 분야에 크게 기여할 것으로 기대한다”고 말했다.

이번 연구는 한국산업기술진흥원의 산업기술혁신사업(RS-2022-00154983, 저전력 센서와 구동을 위한 자립형전원 센서 플랫폼 개발) 으로 수행되었고, 연구 결과는 화학공학분야 최고 수준의 세계적 학술지인 엘시비어 (Elsevier) 출판의 케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal, 인용지수: 13.3)'에 게재되었다. 1저자인 아사두 박사는 2025년 4월부터 방글라데시 중등 및 고등 교육국 특별임무 담당관로 재직하고 있다.

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894725041269

그림 (A)는 개발된 패치의 개략도를 나타낸다. (B-D)는 MXene@Pt 나노복합체의 성공적인 합성 과정, MXene@Pt의 확대 이미지, 그리고 MXene@Pt/PtNPs 나노복합체를 각각 보여준다. 그림 1(E-J)는 제작된 멀티센서 패치의 실시간 감지 응답을 나타낸다

출처 : 광운대학교 최신연구성과 (kw.ac.kr)