혈액 체취나 영상촬영을 하지 않고도 사람의 호흡만으로 폐암, 당뇨 등 각종 질병을 실시간으로 파악할 수 있는 초소형 감지 센서 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

김일두 교수(KAIST 신소재공학과) 연구팀은 사람의 호흡 내에 질병과 관련된 극미량의 특정 가스의 농도를 실시간으로 정확하게 분석할 수 있는 세계 최고 수준의 고감도·초소형 센서를 개발하였다고 밝혔다.

이를 통해, 현재 병원에서 혈액 체취나 조직 검사, MRI 등을 통해 고비용으로 진단하고 있는 폐암이나 당뇨 등의 질병을 개인 스마트폰이나 웨어러블 장치를 통해 수시로 저렴하게 진단할 수 있는 길을 열었다.

사람이 숨을 쉬면서 내뱉는 호흡 속 가스 성분 중에는 다양한 휘발성 유기화합물 가스들이 포함되어 있으며, 이중 일부 가스는 질병과 밀접한 연관이 있는 것으로 알려져 있다.

대표적으로 아세톤, 톨루엔, 황화수소 가스는 각각 당뇨병, 폐암, 구취 환자에서 더 높은 농도로 배출되며, 이러한 호흡 속 특정 가스의 농도를 정확하게 분석할 수 있다면 여러 질병들을 간편한 방법으로 조기에 진단할 수 있다.

  

그러나, 입안에는 수분을 포함하여 수백 종의 가스들이 존재하기 때문에, 그간 개발된 센서는 사람 호흡 속에 포함되어 있는 극미량(10 ~ 2,000ppb)의 특정 가스를 선택적으로 검출하는데 한계가 있었다.

연구팀은 수백 종의 가스 중 질병과 관련된 특정 가스만 선택적으로 탁월하게 검출할 수 있는 고성능 촉매를 개발하였으며, 이를 나노 섬유 형상의 센서 소재에 적용하여 개인 스마트폰과 연동이 가능한 초소형·고감도 질병 진단 센서를 구현하는데 성공하였다.

  

김일두 교수는 “질병 진단 센서는 차량이나 모바일 기기 등에 활용하여 개인 질병을 지속적으로 모니터링 할 수 있을 뿐만 아니라, 향후 대기 오염 분석, 실내 공기질 분석 등 가스 센서와 관련된 산업분야에서 사물인터넷(IoT) 제품과 융합되어 새로운 시장을 창출할 것으로 기대된다.”라고 연구의의를 밝혔다.

이번 연구는 김일두 교수 외 최선진·김상준 연구원(KAIST 신소재공학과)이 주도하였고, 미래창조과학부 글로벌프런티어사업(스마트 IT 융합시스템 연구단(단장 : 경종민 교수))의 지원으로 수행되었다.

  

연구결과는 재료과학분야 세계적 국제학술지인 ‘스몰(small)’ 표지논문에 2016년 2월 17일(수) 게제 되었으며, 관련 특허는 국내기업에 기술이전 되어 향후 조기 상용화가 이뤄질 것으로 기대 된다.

  

날숨분석을 통한 헬스모니터링의 개념은 날숨을 통해 배출되는 생체지표(biomarker) 가스의 성분 및 농도를 정확하게 측정하여, 환자에게 고통을 주지 않고 간편하게 질병 및 신체의 변화를 확인 할 수 있는 호기 성분 분석 기반 진단 방법임

기존에 호기가스를 분석하는 기술의 한계점을 살펴보면, 첫 번째로 현재 병원 및 연구기관에서 사용되는 가스 질량분석법은 정밀한 날숨분석이 가능하나, 장비의 규모가 크기 때문에 휴대하면서 실시간으로 분석이 불가능한 문제점이 있으며, 분석기기가 매우 고가임. 두 번째로, 상대적으로 저렴하면서 휴대 가능한 센서로 개발할 수 있는 반도체식 가스센서는 호기가스 속에 포함된 극미량의 생체지표 가스를 선택적으로 ppb(part-per-billion) 수준의 낮은 농도로 감지할 수 있는 성능의 한계를 나타냄. 세 번째로, 휴대형 호기가스 분석 센서를 개발하기 위해서는 초저전력 센서 소자의 구현과 다른 기기와의 연동성 및 장기간 신뢰성이 요구되는데, 현재의 보고된 기술로는 한계가 있음

상기 현재 직면하고 있는 호기 가스 분석을 위한 센서의 한계점을 극복하기 위해서는, 날숨의 고습한 환경에서도 소재의 안정성이 높고, 극미량의 특정 휘발성 유기화합물 기체와의 반응성이 우수하며, 간단한 동작 원리를 바탕으로 다른 전자기기와의 집적이 가능한 센서가 구현되어야 함. 따라서 현존하는 금속산화물 감지소재의 한계를 극복할 수 있는 혁신적인 감지소재의 설계 및 촉매의 기능화가 필요하며, 이를 통해 건강 진단 및 질병 조기 진단이 가능한 날숨 가스 센서 개발이 가능 할 것임

본 연구팀에서는 동물의 비장에서 발견되는 독특한 구조를 가지는 단백질 템플릿을 활용하여 수용액상에서 분산성이 우수한 나노촉매를 2나노의 작은 크기로 합성할 수 있는 기술을 개발함. 단백질 템플릿은 내부가 비어있는 구조를 가지기 때문에, 내부에 다양한 종류의 금속(Au, Pd, Pt, Rh 등)을 이온형태로 주입시켜서 최종적으로 환원 단계를 거치면 단백질 템플릿에 감싸여진 금속 나노촉매 입자를 얻을 수 있음. 이렇게 합성된 금속 촉매 입자들은 단백질 템플릿에 둘러싸여 있기 때문에, 매우 작은 크기로 수용액상에서 고분산성을 유지할 수 있음

다종의 나노입자 촉매를 기능화 시킨 금속산화물 나노 구조체를 합성하여 날숨 속 생체지표 가스를 탁월하게 검출 할 수 있는 가스센서 소재를 개발함. 특히 수용액에 분산된 나노촉매 입자와 수용액 기반 전기방사기술(Electrospinning)을 접목하여 촉매간의 응집이 없는 다공성 나노섬유 산화물 구조를 형성하는 원천기술을 확립하여, 호기 가스가 유입될 시에 반응 감도를 극대화 시킬 수 있는 나노섬유-나노촉매 복합소재를 개발함

또한, 본 연구팀에서는 개발된 나노복합소재를 다양한 형태의 스마트 날숨분석용 플랫폼에 적용함. 실시간 진단을 위한 소형화, 유연화, 무선통신 시스템을 도입하여 스마트기기와의 연동 가능한 플랫폼을 구현하였으며, 스마트 기기 내의 직접화를 위해 MEMS 기반형 초소형 단일 센서 칩을 개발 중임

다종의 가스에 대한 각각의 센서 특성을 주성분분석(PCA : Principal Component Analysis)을 이용하여 패턴인식을 통해 일반인도 쉽게 건강의 이상을 판별 할 수 있는 질병진단 플랫폼을 개발하는 것이 최종 목표임. 본 연구를 통해 개발될 센서 플랫폼은 국민의 건강을 스스로 손쉽게 관리할 수 있는 혁신적인 기술이 될 것으로 사료됨

금속산화물 기반 호기가스 분석 센서의 새로운 기준안을 제시하고, 특정 질병의 생체지표 가스 검출에 탁월한 감지특성을 갖는 새로운 감지소재 원천 특허군을 확보할 수 있음. 또한, MEMS 플랫폼을 도입함으로써 모바일 기기와 연동 가능하면서 높은 정확도를 지니는 건강 진단 센서는 기존에 보고된 바 없었던 만큼 그 파급 효과는 상당할 것으로 예상됨

더 나아가 기존 스마트폰 시장의 크기만큼 질병 진단 센서 시장이 형성 될 것이며, 이와 더불어 질병 진단 센서가 스마트폰 시장의 확대에도 영향을 미쳐, MEMS 센서 시장, 스마트폰 시장, 질병 진단 센서 시장의 서로간의 시너지 효과로 큰 가치 창출이 이루어질 것으로 예상됨

본 기술이 성공적으로 개발 완료되면 크기가 작고 특성이 우수하며 가격이 저렴한 센서 어레이 시스템의 구현이 가능해져, 질병 진단용 가스센서 뿐만 아니라 대기오염분석, 실내 공기질 분석 등과 관련된 다양한 산업분야에서 필요로 하는 경제적인 가스센서 시장을 조기에 선점 할 수 있게 될 것으로 예상됨. 또한, 센서 어레이 기술을 선점하게 되면, 이미 연구된 각종 알고리즘과의 융합을 통해 국내의 가스센서 기술을 한층 발전시키는 효과를 발휘할 것으로 기대됨. 특히, 본 기술이 가지는 초소형, 초저전력의 장점은 모바일기기 외에도 각종 사물인터넷(IoT) 제품과 융합되어 새로운 시장 창출을 이룩할 것으로 예상됨

김일두 교수 연구팀은 50여건의 센서 원천 특허를 확보하고 있으며, 본 연구 개발과 관련된 등록특허가 2015년 5월 기술이전실시계약을 통해 2015년 11월 국내기업에 선급금 1억원, 러닝로열티 2%의 조건으로 통상실시되는 성과를 달성함. 호흡 가스 분석을 통한 질병진단용 센서의 조기 상용화를 위해 현재 국내외 기업들과 공동 연구 개발을 진행하고 있음

그림 3. 재료과학분야 세계적 국제학술지 ‘스몰(small)’에 2016년 2월 17일 게재된 논문의 표지 이미지. 

S.J. Choi et al.: WO₃ Nanofiber-Based Biomarker Detectors Enabled by Protein-Encapsulated Catalyst Self-Assembled on Polystyrene Colloid Templates. Small. 2016. 12. 964. Copyright Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. Reproduced with permission.  

 . 10억분의 1

 . 감지소재의 표면에 가스가 흡착이 될 때, 바뀌는 저항변화 신호를 인식하는 센서. 금속산화물 반도체 감지소재를 이용한 센서는 현재 음주측정기 및 유해 환경가스를 검출하는 센서로 상용화되어 있음.

 . 질병의 유무를 판단 할 수 있는 생체지표를 포함하는 사람의 호기가스 패턴을 의미함. 개개인의 지문을 인식하여 본인임을 증명하듯이, 호기가스를 분석하여 호흡지문을 인식하게 되면 특정 질병의 유무를 알 수 있게 됨. 

. 바이오마커는 일반적으로 대사물질 등을 이용해 몸 안의 변화를 알아낼 수 있는 지표를 의미한다. 본 연구에서 호기 속에 특징적으로 농도가 증가하는 가스는 특정 질병이 나타남을 알려주는 바이오마커 가스다.