땀으로 혈당 읽는다…레이저로 찍어내는 차세대 센서[과학을읽다]

생기원·한양대, 마스크 공정 없는 비침습 혈당 센서 기술 개발

당뇨 환자가 하루에도 수차례 손가락을 찔러야 하는 혈당 측정의 불편을 줄일 수 있는 비침습 혈당 센서 제조 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 복잡한 마스크 공정을 없애고 레이저만으로 전극을 구현해 고감도·고내구성을 동시에 확보했다는 점이 특징이다.

한국생산기술연구원(생기원)과 한양대학교 공동 연구팀은 마스크 공정 없이 레이저 패터닝만으로 제작할 수 있는 비효소식(Non-enzymatic) 포도당 센서 기술을 개발했다고 11일 밝혔다. 이번 기술은 땀을 이용해 혈당을 측정하는 웨어러블 센서 적용을 염두에 두고 설계됐다.

레이저 공정으로 제작한 유연 땀 혈당 센서. 생기원 제공

기존 비침습 혈당 센서는 전극 제작을 위해 마스크 제작, 노광·식각 등 여러 공정을 거쳐야 하고, 설계를 바꾸려면 공정을 처음부터 다시 진행해야 하는 한계가 있었다. 또한 효소 기반 센서는 열과 빛에 약해 장기간 사용 시 성능 저하가 발생하는 문제도 있었다.

연구팀은 이러한 제약을 해결하기 위해 레이저로 전극 형상을 직접 그려내는 패터닝 기술을 적용했다. 산화주석(SnO₂) 나노입자를 포함한 플라스틱 기판에 레이저를 조사해 표면을 활성화한 뒤, 구리 용액에 담가 레이저 조사 부위에만 구리가 선택적으로 증착되도록 했다. 이후 니켈과 금을 차례로 입혀 3중 보호 구조의 전극을 완성했다.

레이저 조사로 형성된 미세한 요철 구조는 포도당과의 접촉 면적을 넓혀 감지 성능을 높였으며, 고온 처리나 진공 장비 없이도 유연한 플라스틱 기판에 적용할 수 있다. 전극 설계 변경 역시 컴퓨터에서 레이저 경로만 수정하면 가능해 제작 유연성도 크게 향상됐다.

연구팀은 전극 위에 효소 대신 금속 촉매 기반 감지층을 적용해 비효소식 센서를 구현했다. 백금(Pt)과 탄소 복합체를 도포해 땀 속 포도당과 직접 반응하도록 설계함으로써 레이저 공정과의 결합이 가능한 구조를 완성했다.

성능 평가 결과, 개발된 센서의 포도당 검출 민감도는 상용 전극 대비 약 18배 높은 것으로 나타났다. 또한 굽힘 반경 5㎜ 조건에서 10만 회 반복 굽힘 시험을 거친 뒤에도 전기적 성능 변화가 웨어러블 센서 내구 기준 이내로 유지됐다.

이번 기술은 비침습 당뇨 모니터링은 물론, 장시간 착용이 필요한 웨어러블 헬스케어 기기 전반으로 확장 가능성이 크다는 평가다. 공정 단순화로 제조 비용을 낮출 수 있어 상용화 측면에서도 경쟁력을 갖췄다.

이번 연구를 이끈 양찬우 한국생산기술연구원 수석연구원은 "마스크 공정 없이 레이저만으로 고감도·고내구성 땀 혈당 센서를 구현했다"며 "비침습 당뇨 모니터링과 웨어러블 헬스케어 플랫폼으로 발전시켜 나갈 계획"이라고 말했다.

이번 성과는 생기원 뿌리 분야 대표과제와 한국연구재단 중견연구(창의연구형) 과제 지원을 받아 수행됐으며, 연구 결과는 바이오 소재·센서 분야 국제학술지 ACS Applied Bio Materials에 지난해 12월 게재됐다.

김종화 기자 justin@asiae.co.kr