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땀으로 혈당 재는 센서, 레이저로 한 번에 '만든다'

□ 당뇨 환자는 하루에도 수차례 손가락을 찔러 혈당을 측정하지만, 통증과 감염 위험이 따르고 일상에서 수시로 측정하기 어렵다.

ㅇ 이 때문에 침이나 땀으로 혈당을 측정하는 비침습 센서 개발이 활발한데, 전극 제작용 틀(마스크)을 만들고, 노광 및 식각 공정을 거쳐야 한다. 

ㅇ 설계를 바꾸려면 처음부터 다시 틀을 만들어야 하는 과정도 번거롭다. 

ㅇ 더욱이 포도당을 감지하는 효소는 열과 빛에 쉽게 변질되는 특성 때문에 장기간 사용할 경우 성능이 떨어진다. 

□ 한국생산기술연구원(원장 이상목, 이하 생기원)과 한양대학교(총장 이기정, 이하 한양대) 공동 연구팀이 마스크 공정 없이 제작할 수 있는 비효소식(Non-enzymatic) 포도당 센서기술을 개발했다. 

ㅇ 생기원 신산업부품화연구부문 양찬우 박사 수석연구원과 한양대 재료화학공학과 이화성 교수 연구팀은 레이저를 이용해 전극을 직접 형성하는 방식으로 땀 기반의 혈당 센서에 적용할 수 있는 전극 구조와 제작기술을 개발했다고 밝혔다.

□ 연구팀은 기존의 복잡한 공정을 거치지 않고 전극을 제작하기 위해 레이저로 원하는 전극 모양을 직접 그려내는 패터닝 기술을 개발했다.

ㅇ 먼저, 산화주석(SnO₂) 나노입자를 섞은 플라스틱 소재에 레이저를 조사해 내부 산화주석을 표면에 노출시키고, 이를 구리 용액에 담가 레이저를 쏜 부분에만 구리가 붙어 전극이 만들어지도록 했다.

ㅇ 이어 구리 전극의 산화를 막기 위해 니켈과 금을 차례로 입혀 3중 구조의 보호막을 만들었다. 

ㅇ 레이저 조사로 울퉁불퉁해진 표면은 포도당과 닿는 면적이 넓어져 감지 기능이 크게 향상되는 것으로 나타났는데, 이 기술을 활용하면 고온 처리나 진공 장비 없이도 휘어지는 플라스틱 기판에 직접 적용할 수 있고, 전극 모양을 바꿀 때도 컴퓨터에서 레이저 경로만 수정하면 된다.

□ 연구팀은 이러한 방식으로 제작한 전극 위에 효소 대신 금속 촉매를 사용하는 비효소식 센서를 구현했다.

ㅇ 단백질 촉매인 효소는 열에 약해 레이저 공정 적용이 어렵지만, 금속 촉매는 고온에서도 안정적이어서 레이저 공정과 결합이 가능하다.

ㅇ 연구팀은 전극에 백금(Pt)과 탄소 복합체를 도포해 포도당 감지 층을 형성하고, 이를 통해 금속 촉매가 땀 속 포도당과 직접 반응해 전기 신호를 만들어내는 센서를 구현했다.

□ 실험 결과 제작된 센서의 포도당 검출 민감도는 상용 전극 대비 약 18배* 높은 것으로 나타났다.

 * 포도당 검출 민감도 : 16.3±1.40㎃ mM⁻¹ cm⁻², 상용 전극 민감도 : 0.92±0.10㎃ mM⁻¹ cm⁻²

ㅇ 해당 센서는 굽힘반경 5㎜ 조건에서 10만 회 반복 굽힘 시험을 거친 결과, 전기 저항 변화가 웨어러블 센서의 내구성 기준인 25% 이내로 확인됐다.

□ 개발된 성과는 생기원 뿌리분야 대표과제와 한국연구재단 중견연구(창의연구형) 과제를 통해 창출됐으며, 지난해 12월 바이오 소재 및 센서 분야의 세계적 학술지‘ACS Applied Bio Materials’온라인판에 게재됐다.

* 논문 제목 : Mask-Free Laser-Defined Nonenzymatic Glucose Biosensors for High-Sensitivity and Durable Monitoring (doi.org/10.1021/acsabm.5c01950)

□ 양찬우 수석연구원은 “마스크 공정 없이 레이저만으로 고감도·고내구성 땀 혈당 센서를 구현했다”라고 설명하며, “비침습 당뇨 모니터링 기술과 웨어러블 헬스케어 플랫폼으로 발전시켜 나갈 계획”이라고 밝혔다.