한양대학교 전기·생체공학부 바이오메디컬공학전공 이병훈·김성환 교수 공동연구팀이 실크 단백질과 천연 색소인 멜라닌을 이용해 피부에 부착하는 방식의 '수분 감응형 생체 반도체 전자문신(BSET, Bio-Semiconductor-Based Electronic Tattoo)'을 개발했다고 밝혔다. 이 센서는 무선으로 사용자의 호흡 상태를 연속 모니터링할 수 있어, 향후 수면 무호흡증 및 호흡 부전 진단 방식에 혁신을 가져올 것으로 기대된다.

호흡은 인체의 핵심 활력 징후로, 심정지나 수면 무호흡증 등을 진단하는 필수 지표다. 하지만 기존의 수면 다원 검사(PSG)는 환자의 몸에 20개 이상의 전선을 연결해야 해 비용이 높고 수면을 방해한다는 치명적인 단점이 있었다. 또한 기존의 가슴 부착형 웨어러블 기기들은 단순히 가슴의 팽창 정도를 측정하기 때문에, 움직임에 따라 데이터가 왜곡되는 한계가 있었다.
▲(좌측부터) 한양대 이병훈 교수, 한양대 김성환 교수

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 수분에 따라 전도성이 민감하게 변하는 '멜라닌'의 특성에 주목했다. 실크 피브로인과 멜라닌을 결합한 생체 친화적 나노섬유 복합체를 인중 부위에 문신처럼 얇게 부착해, 내쉬는 숨에 포함된 미세한 수분을 즉각적인 전기 신호로 변환하여 호흡을 직접 측정하는 방식을 채택했다. 이를 통해 신체 움직임으로 인한 데이터 오류를 원천적으로 차단했다.

이번에 개발된 전자 문신 센서는 두께가 18마이크로미터로 사람의 머리카락보다 얇으며, 비누방울 위에 뜰 정도로 가볍다. 특히 나노섬유가 얽힌 다공성 구조를 지녀 땀과 수분을 효과적으로 배출하며, 장시간 부착해도 피부 발진이나 이물감이 없는 뛰어난 생체적합성을 자랑한다.

또한 연구팀은 얇은 센서와 외부 무선 회로를 안정적으로 연결하기 위해 '나노섬유 직접방사 접합(direct-spun nanofiber bonding)' 기술을 독자 개발했다. 이 기술은 기존 은 접착제 방식보다 기계적 변형에 강해, 격렬한 움직임 속에서도 센서가 끊어지지 않고 작동하게 한다. 함께 개발된 무선 통신 회로는 3g의 초경량으로, 한 번 충전 시 7시간 이상 스마트폰으로 호흡 데이터를 전송할 수 있다.

연구팀은 실제 수면 무호흡증 환자를 대상으로 한 테스트에서 10~20초간 지속되는 무호흡 및 저호흡 현상을 정확하게 잡아내는 데 성공했다. 아울러 달리기 등 격렬한 활동 중에도 땀이나 움직임의 간섭 없이 역동적인 호흡 변화를 안정적으로 기록해 실용성을 입증했다.

김성환 교수는 "이번 연구는 기존 기계적 측정 방식의 한계를 넘어, 생체 소재와 무선 기술의 융합을 통해 수면 및 일상 호흡 진단의 새로운 패러다임을 제시한 것"이라며, "가볍고 위생적인 헬스케어 기기로써 임상 및 스포츠 등 다양한 분야에 적용될 것으로 기대한"고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부의 중견연구자지원사업과 바이오·의료기술개발사업 지원을 받아 수행됐으며, 연구 성과는 센서 분야의 저명 국제학술지 『ACS Sensors』에 4월 15일 온라인 게재됐다.

[그림자료 1] 연구 개요도
 

[그림자료 2] 바이오반도체 전자문신의 특징

[그림자료 3] 무선 연결을 통한 호흡 검지