전기및전자공학부 권경하 교수 연구팀이 성균관대학교 화학공학과 김종욱 박사과정 연구원과 땀의 체적 유량 및 총 손실을 실시간으로 측정하는 무선 전자 패치를 개발했다. 이 기술은 미국 노스웨스턴대 존 로저스 교수, 보스턴 소재 웨어리파이(Wearifi)사와 특허 출원 진행 중이며, 해당 연구 결과는 지난 3월 29일 국제 학술지 <네이처 일렉트로닉스(Nature Electronics)>에 발표됐다.

    땀은 비침습적으로 수집할 수 있는 생체 유체다. 침습적인 혈액 채취와 비교했을 때 채취하기가 더 쉬워, 일상에서 실시간으로 땀 수집 및 성분 분석을 제공할 수 있는 웨어러블 기술에 대한 수요가 증가하고 있다. 이에 연구팀은 땀의 유량과 총 손실을 실시간으로 측정하는 것이 가능한 웨어러블 무선 전자 패치를 개발하였다. 그 뒤, 변색 반응을 이용해 땀 성분 분석이 가능한 미세 유체 시스템과 통합했다.

연구의 원리

    연구팀은, 우선 땀을 수집할 수 있는 미세 유체 채널을 제작했다. 피부를 통해 배출된 땀은 이 채널의 입구를 통해 수집되어 좁고 가는 채널을 따라 흐르게 된다. 채널 바깥쪽 표면에 열원을 배치하여, 채널 안쪽에서 흐르는 땀과의 열 교환을 유도했을 때 땀의 유속이 증가함에 따라 열원으로부터 흡수된 열이 빠르게 하류로 전달되기 때문에 하류의 온도가 증가하는 것을 발견했다. 연구팀은 땀의 유속이 증가함에 따라 하류와 상류의 온도 차이가 증가한다는 사실에 착안하여, 상 하류 온도 차이와 땀의 배출 속도 간의 관계를 도출하였다. 이 온도 차이를 전자 회로로 측정하고 디지털 신호로 변환하여 땀의 배출 속도를 실시간으로 측정해주는 무선 전자 패치를 개발한 것이 이 기술의 핵심이다. 연구팀은 미세 유체 채널에 생화학 시료를 추가하여, 수집된 땀에 포함된 크레아틴, 포도당, 염화물의 농도, pH 레벨에 따라 다른 발색을 나타내도록 패치를 제작하였다. 또한 이 패치의 이미지를 분석하여 색상 코드를 추출함으로써 땀 속 각 성분의 농도를 계산하였다. 

기존 기술과의 차별점

    기존에는 땀의 배출 속도 및 성분을 수집 및 측정하기 위해 일반적으로 엄격히 통제된 실험실에서 전신 세척(Whole Body Washdown, WBW) 방식*을 사용했다. 이 방식은 피실험자의 피부 표면에 남아있는 땀 수집은 가능하지만, 공기 중으로 증발한 땀의 양은 측정할 수 없다. 추가로 피실험자의 몸에 흡수성 패드를 부착하여, 패드에 흡수된 땀을 수집 및 분석하는 방법이 있다. 이 방식은 운동이 종료된 후에 실험실에서 결과 분석이 가능하므로, 실시간 정보를 얻는 것은 불가능하다. 최근에는, 미세 유체 채널을 피부 표면에 부착하여 땀 손실 양을 실시간으로 모니터링 하는 연구 결과가 발표되었다. 이러한 기술들은 미세 유체 채널에 인쇄된 눈금을 읽는 시각적인 판독이므로 열 스트레스 지수(Heat Stress Index, HIS)가 높은 소방관, 군인, 운동 선수 등이 사용하기 어렵다. 연구팀에서 개발한 전자 패치는 실시간으로 정보 확인이 가능하고 HIS가 위험 수준인 경우 알람을 제공할 수 있다. 또한, 얇고 유연한 회로 인쇄 기법과 신축성 있는 실리콘 봉합 기술을 접목해 다양한 굴곡을 가진 피부 위에 편안하게 부착할 수 있다는 장점이 있다. 

    연구팀은 시스템 검증을 위해 사람을 대상으로 실험을 진행하는 중, 피실험자가 땀을 흘리는 속도나 땀 성분의 농도 등을 자유롭게 조절할 수 없었다. 다양한 땀 속도 및 성분을 갖는 피실험자 집단이 필요했고 이에 관한 충분한 데이터를 모으기 위해 스타트업과 협업을 진행했다. 이에 대해 권 교수는 “연구를 진행하는 과정에서 어려움에 직면했을 때, 적합한 조력자 혹은 협력업체를 찾는 것이 연구의 좋은 타개점이 될 수 있다”고 강조했다. 또한, 개발된 무선 전자 패치는 개인별로 운동 후 적절한 수분 보충, 탈수 증세의 감지 및 기타 건강 관리에 폭넓게 활용할 수 있다. 피부 근처에 위치하는 혈관에서 혈류 속도를 측정하는 등 신체에 유량 측정이 중요한 곳에 활용하여 다른 용도로의 발전 가능성이 크다. 이 외에도 약물의 방출 속도를 실시간으로 확인하고 정량을 계산할 수 있는 체계화된 약물 전달 시스템에도 활용할 수 있는 등 미래의 발전 가능성이 주목된다.

전신 세척 방식(Whole Body Washdown, WBW)*
운동 전에 피실험자의 전신을 탈 이온수로 세척하고, 운동 후에 피실험자의 전신을 황산 암모늄 용액으로 세척하여 배출된 땀을 수집 및 측정하는 방식.