스마트폰의 보급과 함께 터치스크린, 특히 정전기 방식 터치스크린은 우리 생활 전반에 스며들었다. 만약 터치스크린으로 즉석에서 질병 진단이 가능하다면 어떨까?
우리 학교 생명화학공학과 박현규 교수팀이 정전기 방식 터치스크린으로 생체분자의 농도를 측정하는 기술을 개발했다. 이번 연구 결과는 세계적인 화학 학술지 <앙게반테 케미> 1월 16일 자 표지논문으로 선정되었다.

터치스크린의 대세, 정전기 방식 터치스크린
정전기 방식 터치스크린은 축전기의 정전용량을 이용해 손가락을 감지한다. 정전기 방식 터치스크린은 크게 두 가지 타입으로 나뉘는데, 하나는 서피스 타입(Surface type)이고 나머지 하나는 프로젝트 타입(Project type)이다. 서피스 타입의 정전기 방식 터치스크린은 터치스크린이 하나의 축전기 역할을 한다. 전압이 걸린 스크린에 손을 대면 전류가 손을 타고 흐르게 되는데, 이때 스크린의 네 귀퉁이에 있는 센서가 이를 감지하고 터치 지점으로부터의 거리를 측정한다. 네 개의 거릿값을 이용하면 터치 지점을 계산할 수 있다. 따라서 멀티터치를 지원하지 않으며 복수의 지점을 터치하면 흐르는 전류의 양에 따라 터치 지점이 결정된다.
프로젝트 타입은 스크린에 전극이 규칙적으로 배열되어 있다. 그리고 각 전극이 충전과 방전을 반복하고 있다. 이때 충전과 방전에 걸리는 시간을 측정하면 전압이 일정하므로 전극의 정전용량을 측정할 수 있다. 만약 스크린에 손을 대면 손이 가진 유전율에 의해 정전용량이 변하게 되고, 전극의 충전과 방전시간이 달라진다. 이를 이용하면 어느 지점에 터치가 되었는지 알 수 있다. 분리된 전극이 배열되어 있기 때문에 멀티터치를 지원하며, 현재 거의 모든 스마트폰에 사용되는 터치스크린이다.

전하 띤 생체분자가 정전용량 변화 줘
대부분의 생체분자는 전하 특성을 띈다. 대표적으로 DNA의 인산골격이 음전하를 띠며, 단백질도 아민기와 카르복시기를 가져 전하 특성을 띠는 경우가 많다. 박 교수팀은 이러한 생체분자의 특성에 착안해, 터치스크린으로 생체분자를 정제한 용액의 농도를 정확하게 측정하는 데 성공했다.
성병 유발 인자 중 하나인 클라미디아 DNA를 정제한 용액을 터치스크린에 올리니 터치스크린에서 정전용량이 변하는 것을 확인할 수 있었다. DNA 100 나노몰의 용액에서 40에서 50단위 정도의 변화를 보였는데, 손으로 터치할 때 100에서 200단위 정도의 변화를 보인다는 것을 고려할 때, 충분히 검출 가능한 변화다.

터치스크린 종류에 따라 응용도 가능해
프로젝트 타입의 정전기 방식 터치스크린은 멀티터치가 가능한 것과 마찬가지로 동시에 다양한 시료를 측정할 수 있다. 한편 서피스 타입의 터치스크린은 멀티터치가 불가능하지만, 여러 곳을 터치할 때 전류의 양에 따라 터치가 인식되는 지점이 이동한다는 점을 이용할 수 있다. 만약 서피스 타입 터치스크린의 A 지점에 부도체를, B 지점에 도체를 올려놓는다면 어떻게 될까? 부도체로는 전기가 흐르지 않으므로 B 지점에 터치가 인식될 것이다. 그런데 A 쪽에 저항이 낮은 물체를 놓아 전류가 흐른다고 생각해 보자. B 쪽에 치우쳐 있던 터치 인식이 점점 A 쪽으로 향할 것이다. 마찬가지로 한쪽에 농도를 알고 있는 용액을 놓고, 다른 한쪽에 농도를 모르는 용액을 놓으면 두 용액 사이 어디쯤 터치 인식이 되는지를 확인해 농도를 측정할 수 있다. 터치스크린은 이차원이므로 같은 방법으로 최대 두 개의 시료의 농도를 동시에 측정할 수 있다.

이러한 전기적인 방법은 검출 기기의 소형화, 간편화, 대량생산이 쉽다. 따라서 이 기술이 상용화되면 대형 병원이나 연구소와 같은 곳에서만 이용 가능한 중장비가 없어도 개인 병원이나 집에서 쉽게 생체분자를 검출해 질병 감염 여부를 확인할 수 있을 것이다.

이 연구를 주도한 원병연 연구조교수는 “아직 상용화를 위해서는 시료 전처리를 비롯해 넘어야 할 산이 많다”면서도, “앞으로도 싸고, 작고, 간편한 시료 검출 기기를 위한 기술 개발을 계속해 나갈 것이다”라고 밝혔다.