스마트폰으로 질병 진단 가능한 초소형 센서 등장 혈액 체취나 영상촬영 없어 비용절감 및 신시장 창출 기대 날숨분석을 통한 헬스모니터링의 개념은 날숨을 통해 배출되는 생체지표(biomarker) 가스의 성분 및 농도를 정확하게 측정해, 환자에게 고통을 주지 않고 간편하게 질병 및 신체의 변화를 확인 할 수 있는 호기 성분 분석 기반 진단 방법이다. 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 고가라는 점이다. 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 보였다. 휴대형 호기가스 분석 센서를 개발하기 위해서는 초저전력 센서 소자의 구현과 다른 기기와의 연동성 및 장기간 신뢰성이 요구되는데, 현재의 보고된 기술로는 한계가 있어 왔다. 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 개발했다고 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 포함돼 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 포함해 수백 종의 가스들이 존재하기 때문에, 그간 개발된 센서는 사람 호흡 속에 포함돼 있는 극미량(10~2천ppb)의 특정 가스를 선택적으로 검출하는데 한계가 있었다.연구팀은 수백 종의 가스 중 질병과 관련된 특정 가스만 선택적으로 탁월하게 검출할 수 있는 고성능 촉매를 개발했으며, 이를 나노 섬유 형상의 센서 소재에 적용해 개인 스마트폰과 연동이 가능한 초소형·고감도 질병 진단 센서를 구현하는데 성공했다.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 예상된다.더 나아가 기존 스마트폰 시장의 크기만큼 질병 진단 센서 시장이 형성됨과 동시에, 질병 진단 센서가 스마트폰 시장의 확대에도 영향을 미쳐, MEMS 센서 시장, 스마트폰 시장, 질병 진단 센서 시장의 서로간의 시너지 효과로 큰 가치 창출로까지 이어질 것이라는 게 전문가들의 시각이다.이 같은 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 있을 것으로 기대를 모으고 있다.센서 어레이 기술을 선점하게 되면, 이미 연구된 각종 알고리즘과의 융합을 통해 국내의 가스센서 기술을 한층 발전시키는 효과를 발휘할 수 있고 초소형, 초저전력의 장점은 모바일기기 외에도 각종 사물인터넷(IoT) 제품과 융합돼 새로운 시장 창출이 가능할 것으로 보인다.김 교수 연구팀은 50여건의 센서 원천 특허를 확보하고 있으며, 연구 개발과 관련된 등록특허가 2015년 5월 기술이전실시계약을 통해 2015년 11월 국내기업에 선급금 1억 원, 러닝로열티 2%의 조건으로 통상실시되는 성과를 달성했다.호흡 가스 분석을 통한 질병진단용 센서의 조기 상용화를 위해 현재 국내외 기업들과 공동 연구 개발을 진행하고 있는 김일두 교수는 “질병 진단 센서는 차량이나 모바일 기기 등에 활용해 개인 질병을 지속적으로 모니터링 할 수 있을 뿐만 아니라, 향후 대기 오염 분석, 실내 공기질 분석 등 가스 센서와 관련된 산업분야에서 사물인터넷(IoT) 제품과 융합돼 새로운 시장을 창출할 것으로 기대된다”고 밝혔다.

스마트폰으로 질병 진단 가능한 초소형 센서 등장

혈액 체취나 영상촬영 없어 비용절감 및 신시장 창출 기대

기사입력 2016-03-04 05:25:50

[산업일보]
날숨분석을 통한 헬스모니터링의 개념은 날숨을 통해 배출되는 생체지표(biomarker) 가스의 성분 및 농도를 정확하게 측정해, 환자에게 고통을 주지 않고 간편하게 질병 및 신체의 변화를 확인 할 수 있는 호기 성분 분석 기반 진단 방법이다. 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 고가라는 점이다. 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 보였다. 휴대형 호기가스 분석 센서를 개발하기 위해서는 초저전력 센서 소자의 구현과 다른 기기와의 연동성 및 장기간 신뢰성이 요구되는데, 현재의 보고된 기술로는 한계가 있어 왔다.

상단=스마트폰과 연결된 호기가스 분석 센서 및 호흡지문 패턴 인식을 통한 질병 진단, 하단=동글 타입(Dongle-type), 패치 타입(Patch-type), 및 시계 타입(Watch-type) 센서 모듈을 이용한 휴대형, 실시간 호기가스 분석 센서

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 개발했다고 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 포함돼 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 포함해 수백 종의 가스들이 존재하기 때문에, 그간 개발된 센서는 사람 호흡 속에 포함돼 있는 극미량(10~2천ppb)의 특정 가스를 선택적으로 검출하는데 한계가 있었다.

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

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 예상된다.

더 나아가 기존 스마트폰 시장의 크기만큼 질병 진단 센서 시장이 형성됨과 동시에, 질병 진단 센서가 스마트폰 시장의 확대에도 영향을 미쳐, MEMS 센서 시장, 스마트폰 시장, 질병 진단 센서 시장의 서로간의 시너지 효과로 큰 가치 창출로까지 이어질 것이라는 게 전문가들의 시각이다.

이 같은 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 있을 것으로 기대를 모으고 있다.

센서 어레이 기술을 선점하게 되면, 이미 연구된 각종 알고리즘과의 융합을 통해 국내의 가스센서 기술을 한층 발전시키는 효과를 발휘할 수 있고 초소형, 초저전력의 장점은 모바일기기 외에도 각종 사물인터넷(IoT) 제품과 융합돼 새로운 시장 창출이 가능할 것으로 보인다.

김 교수 연구팀은 50여건의 센서 원천 특허를 확보하고 있으며, 연구 개발과 관련된 등록특허가 2015년 5월 기술이전실시계약을 통해 2015년 11월 국내기업에 선급금 1억 원, 러닝로열티 2%의 조건으로 통상실시되는 성과를 달성했다.

호흡 가스 분석을 통한 질병진단용 센서의 조기 상용화를 위해 현재 국내외 기업들과 공동 연구 개발을 진행하고 있는 김일두 교수는 “질병 진단 센서는 차량이나 모바일 기기 등에 활용해 개인 질병을 지속적으로 모니터링 할 수 있을 뿐만 아니라, 향후 대기 오염 분석, 실내 공기질 분석 등 가스 센서와 관련된 산업분야에서 사물인터넷(IoT) 제품과 융합돼 새로운 시장을 창출할 것으로 기대된다”고 밝혔다.