국내 연구진이 땀으로 건강 상태를 확인할 수 있는 전자 패치를 개발했다.

한국과학기술원(KAIST, 카이스트)은 전기및전자공학부 권경하 교수와 성균관대 화학공학과 김종욱 박사과정 연구원이 땀의 체적 유량과 총 손실을 실시간으로 측정하는 무선 전자 패치를 개발했다고 6일 밝혔다.

채취하기 쉬운 땀으로 생체 지표를 수집하려면 화학 시약과 반응해 나타나는 변색을 활용한다. 이를 위해서는 땀의 유량과 총 손실을 실시간으로 측정해야 한다.

연구진은 땀의 정략적 속도와 체적 측정이 가능한 웨어러블 무선 전자 패치를 개발했다. 또 변색 반응을 이용해 땀 성분 분석이 가능한 미세 유체 시스템과 통합했다.

연구진은 땀 배출 속도를 실시간으로 모니터링하기 위해 열 기반 유량 센싱 모듈(thermal flow sensing module)을 설계했다. 수집된 땀이 좁은 통로로 흐를 수 있도록 정교한 미세 유체 채널을 제작한 뒤 채널 바깥쪽 표면에 열원을 놓아 채널 안쪽에서 흐르는 땀과 가열된 채널 사이에 열 교환을 유도했다.

그 결과, 열원의 상류와 하류의 특정 위치에서 온도 차이를 전자 회로로 측정하고 이를 디지털 신호로 변환해 땀 배출 속도를 실시간으로 측정할 수 있는 무선 전자 패치를 개발했다. 이 패치는 생리학적으로 유의미하다고 인정되는 0~5마이크로리터/분(μl/min) 범위의 땀 속도를 정확하게 측정했다.

연구진은 이를 통해 땀 내 염화물, 포도당, 크레아틴 농도, 수소이온지수(pH), 체적 유량을 동시에 측정하는데 최초로 성공했다. 이렇게 측정한 지표는 낭포성 섬유증, 당뇨병, 신장 기능 장애, 대사성 알칼리증 진단 등에 활용할 수 있다.

또한 미세 유체 채널을 통과하는 땀과 전자 회로가 완전히 분리돼 기존 유속 측정 기기들이 부식과 노후화에 취약하다는 단점을 극복했다. 유연한 회로 기판 인쇄 기법과 실리콘 봉합 기술을 접목해 피부에도 편안하게 부착할 수 있으며 피부 온도 변화를 감지하는 센서도 부착돼 있다.

웨어러블 패치로 측정한 데이터는 블루투스 통신이 가능한 스마트폰 앱을 통해 실시간 확인이 가능하다.

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

이 기술은 미국 노스웨스턴대 존 로저스 교수, 보스턴 소재 웨어리파이(Wearifi)사와 특허 출원 진행 중이다. 연구 결과는 국제 학술지 ‘네이처 일렉트로닉스(Nature Electronics)’에 ‘An on-skin platform for wireless monitoring of flow rate, cumulative loss and temperature of sweat in real time’라는 논문으로 지난 3월 말 발표됐다.