발명의 배경과 필요성

기술의 배경과 문제점

• 기존 웨어러블 바이오 장치는 다양한 센서를 고집적하기 어렵고, 여러 요인으로 인해 측정 정확도가 떨어져 신뢰성이 낮았습니다.

• 고령화 사회와 잘못된 생활 습관으로 인해 당뇨병 유병률이 지속적으로 증가하고 있으며, 적절한 혈당 조절의 중요성이 커지고 있습니다.

• 기존 혈당 측정기는 대부분 혈액을 채취하는 침습적 방식으로, 환자에게 고통과 불편함을 유발합니다.

기술의 필요성

• 채혈 없이 비침습적 방식으로 혈당을 정확하게 측정할 수 있는 새로운 기술 개발이 시급합니다.

• 정확한 측정과 더불어, 측정된 혈당 수치에 따라 즉각적으로 혈당을 조절할 수 있는 통합적인 장치가 필요합니다.

• 소형화되고 고집적화된 센서를 통해 사용 편의성을 높인 웨어러블 장치의 상용화가 요구됩니다.

구현 방법

기술의 원리

• 땀에 포함된 글루코스를 측정하는 비침습적 방식을 사용합니다.

• 글루코오스 분해층(글루코오스 옥시다아제 효소)이 땀 속의 글루코스를 분해하여 과산화수소를 생성합니다.

• 과산화수소 분해층(프러시안 블루)이 과산화수소를 분해하면서 전자를 발생시킵니다.

• 전기화학적 활성 표면이 극대화된 다공성 금층이 발생한 전자를 포획하여 전기 신호를 생성하고, 이를 통해 글루코스 농도를 측정합니다.

• 함께 탑재된 pH 센서와 온도 센서가 땀의 상태 변화에 따른 측정 오류를 실시간으로 보정하여 정확도를 높입니다.

구체적인 구현 방법

1. 지지층 (Support Layer): 유연한 고분자(PDMS 등) 소재로, 센서와 배선 패턴을 안정적으로 지지합니다.

2. 바이오 센서 (Bio Sensor): 글루코스, pH, 온도 센서가 하나의 기판 위에 고집적화되어 있습니다.

3. 땀 수집 구조: 스페이서와 커버층(또는 땀흡수층)이 땀을 모으는 공간(땀흡수 갭)을 형성하여 센서에 땀을 효율적으로 전달합니다.

4. 전극 구조: 글루코스 센서는 작업 전극, 상대 전극, 기준 전극으로 구성되며, 다공성 금층을 적용하여 측정 감도를 극대화합니다.

피부에 부착된 패치형 바이오 센싱 장치 예시

기술의 장점

• 우수한 신뢰성 및 정확성: pH 및 온도 센서를 통한 실시간 보정으로 측정값의 신뢰도를 높였습니다.

• 고집적화 및 소형화: 바이오 센서들을 소형화하여 작은 면적에 여러 센서를 집적할 수 있습니다.

• 비침습적 방식: 땀을 이용하여 통증과 불편함 없이 혈당을 측정합니다.

• 고감도 측정: 다공성 금층 구조 덕분에 약 1㎕의 매우 적은 양의 땀으로도 정확한 측정이 가능합니다.

• 사용 편의성: 피부에 붙이는 패치형 또는 1회용 스트립 형태로 개발되어 간편하게 사용할 수 있습니다.

실험 및 결과

실험의 목적

본 연구에서는 개발된 비침습 바이오 센서의 핵심 성능을 검증하는 것을 목표로 하였습니다. 특히 다공성 금층을 사용한 글루코스 센서의 높은 민감도를 입증하고, pH 및 온도 변화에 따른 측정 오차를 효과적으로 보정할 수 있는지 확인하고자 하였습니다.

실험 방법 및 과정

1. 전기도금 및 드랍 캐스팅 방식을 이용하여 글루코스, pH, 온도 센서를 포함하는 바이오 센서를 제작했습니다.

2. 다공성 금층과 일반 평면형 금층의 과산화수소 센싱 성능을 비교하여 다공성 구조의 효과를 평가했습니다.

3. pH 농도를 4에서 7까지 변화시키며 글루코스 센서 측정값의 변화를 관찰하고, pH 센서 데이터를 이용한 실시간 보정 기능을 테스트했습니다.

실험 결과

실험 결과, 다공성 금층은 평면형 금층에 비해 월등히 우수한 센싱 능력을 보였습니다. 이는 다공성 구조가 전기화학적 활성 표면을 크게 넓혀 적은 양의 물질로도 민감하게 반응할 수 있음을 의미합니다.

활용 방안 및 기대효과

활용 방안

• 웨어러블 헬스케어 기기: 스마트워치, 패치, 링 등 다양한 형태의 기기에 탑재하여 실시간 연속 혈당 모니터링 시스템을 구축할 수 있습니다.

• 당뇨 환자 관리 솔루션: 본 기술의 약물 전달 장치와 연동하여, 측정된 혈당 수치에 따라 필요한 양의 약물을 자동으로 투여하는 '진단-치료 통합 시스템'을 구현할 수 있습니다.

• 1회용 진단 스트립: 저렴하고 간편한 1회용 스트립 형태로 제작하여 가정이나 병원에서 손쉽게 땀으로 혈당을 검사하는 데 활용할 수 있습니다.

기대효과

• 환자 삶의 질 향상: 매일 반복되는 채혈의 고통과 불편함을 해소하여 당뇨 환자 및 만성질환자의 삶의 질을 획기적으로 개선할 수 있습니다.

• 의료비용 절감: 지속적인 건강 모니터링을 통한 질병의 조기 발견 및 예방으로 장기적인 사회·경제적 의료비용을 절감할 수 있습니다.

• 신시장 창출 및 선도: 급성장하는 비침습 혈당 측정 및 웨어러블 헬스케어 시장에서 핵심 기술을 선점하고 새로운 시장을 창출할 수 있습니다.

시장 동향

시장 규모 및 성장 전망

본 기술이 속한 웨어러블 바이오센서 시장은 높은 성장 잠재력을 가지고 있습니다. 웨어러블용 바이오센서 시장은 2023년 2억 1천200만 달러 규모에서 2028년에는 4억 2천200만 달러까지 두 배로 성장할 것으로 예측되며, 이 기간 동안 연평균 성장률(CAGR)은 14.7%에 달할 전망입니다. (출처: 연합뉴스)

특히, 글로벌 비침습성 포도당 측정기 시장은 2024년 1억 9,526만 달러에서 연평균 8.65%로 성장하여 2032년에는 3억 7,919만 달러에 이를 것으로 예상됩니다. 이는 통증 없고 편리한 혈당 모니터링 솔루션에 대한 수요가 크게 증가하고 있음을 보여줍니다. (출처: Data Bridge Market Research)

주요 플레이어 및 경쟁 환경

웨어러블 기기 시장의 선두 주자인 Apple, 삼성전자, Google 등 글로벌 빅테크 기업들이 바이오센서 기술 개발에 적극적으로 투자하고 있습니다. 이들은 심박수, 혈중 산소 농도 측정 기능의 정확도를 높이는 동시에, 스마트링과 같은 새로운 폼팩터를 통해 헬스케어 시장의 주도권 경쟁을 벌이고 있습니다.

산업 동인 및 기회 요인

1. 만성 질환 유병률 증가: 전 세계적으로 당뇨병, 심혈관 질환 등 만성 질환 환자가 증가함에 따라, 조기 진단 및 지속적인 관리를 위한 바이오센서 수요가 급증하고 있습니다. (출처: gminsights)

2. 기술 발전과 소형화: 센서의 정확도, 편의성, 수명을 향상시키는 기술 혁신과 부품의 소형화는 웨어러블 기기 시장의 성장을 가속화하는 핵심 동력입니다. (출처: GIIKOREA)

3. 개인 맞춤형 헬스케어 수요 증가: 소비자들이 자신의 건강 데이터를 직접 추적하고 관리하려는 욕구가 커지면서, 자가 건강 모니터링을 위한 웨어러블 기기 채택이 빠르게 증가하고 있습니다.

4. 스마트링 등 새로운 폼팩터의 등장: 삼성전자의 '갤럭시 링'과 같이 하루 종일 착용 부담이 적은 스마트링이 등장하면서, 바이오센서를 통한 건강 관리 기능이 한 단계 더 발전할 기회가 열리고 있습니다. (출처: 연합뉴스)