DGIST, 땀으로 건강 읽는 웨어러블 반도체 섬유 개발 ‘펌프도, 배터리도 필요 없다’

DGIST(총장 이건우) 로봇및기계전자공학과 김봉훈 교수 연구팀이 외부 구동 장치 없이도 땀을 자동으로 수집하고, 다양한 생체 신호를 동시에 분석할 수 있는 반도체 섬유 기반의 웨어러블 땀 센서를 개발했다.

땀은 전해질과 대사물질 등 다양한 생체 정보를 포함하고 있어 건강 상태를 실시간으로 파악할 수 있는 유용한 지표로 주목받고 있다. 그러나 기존 웨어러블 땀 센서는 미세유로(미세한 관) 구조를 쓰거나 외부 자극을 통해 땀을 억지로 유도하는 방식이어서, 피부와의 접촉이 불안정하고 아주 적은 양의 땀을 안정적으로 모으기 어려운 한계가 있었다.

김봉훈 교수 연구팀은 이런 한계를 극복하기 위해 2차원 나노 소재인 이황화 몰리브덴(MoS2)과 고분자 소재(PLA)를 결합한 특수 복합 섬유를 개발했다. 이 섬유는 내부에 미세한 구멍이 많은 다공성 구조를 지녀, 식물의 뿌리가 물을 빨아들이는 것과 같은 '모세관 현상'을 통해 별도의 펌프나 전력 없이도 땀을 자연스럽게 흡수하고 센서로 전달한다. 또한, 섬유 자체의 단열 효과로 피부와 센서 사이의 열 손실을 막아 미량의 땀도 마르지 않게 유지하며 분석할 수 있다.

이번에 개발된 센서는 실 한 가닥(단일 섬유)에서 땀 속 성분과 신체의 움직임까지 한 번에 읽어내는 '멀티모달 센싱' 기능을 구현했다. 전해질(전도도 증가)과 대사물질(전도도 감소)이 닿을 때 나타나는 상반된 전기적 반응을 이용해 복잡한 계산 없이 각종 건강 지표를 쉽게 구분할 수 있다. 나아가 압력에 따라 전기적 성질이 변하는 특성을 더해 신체의 움직임도 함께 감지하며, 마이크로리터(μL, 100만분의 1리터) 수준의 극소량 땀만으로도 안정적으로 작동함을 실제 실험을 통해 입증했다.

DGIST로봇및기계전자공학과 김봉훈 교수는 “이번 연구는 섬유 자체가 땀을 수집하고 분석하는 기능을 동시에 수행하도록 설계된 것이 핵심”이라며, “앞으로 개인 맞춤형 헬스케어와 스포츠 모니터링은 물론, 환자의 실시간 생체 상태 추적과 질환 조기 진단 플랫폼으로 널리 확장될 것으로 기대한다”고 밝혔다.

연구는 보건복지부 한국형 ARPA-H 프로젝트 사업, 한국연구재단의 글로벌 생체융합 인터페이싱 선도연구센터(ERC) 및 나노및소재기술개발사업, 인류확장 로보틱스(TransHuman Robotics) 글로컬랩의 지원을 받아 수행됐다.

DGIST 로봇및기계전자공학과 박준현 박사과정생과 최민석 석박사통합과정생, 아주대 에너지시스템학과 박재우 석사과정생이 공동 제1저자로, DGIST 김봉훈 교수, 아주대 김장환 교수, 고려대 정하욱 교수, POSTECH 김진태 교수가 교신저자로 참여한 연구 결과는 우수성을 인정받아 나노·소재 분야 국제 저명 학술지인 'Small Structures' 3월호 표지 논문으로 선정됐다.