세계적 학술지 ‘사이언스 어드밴시스’에 온라인 게재
“기존 기술 한계, 혁신적으로 뛰어넘는 새로운 접근법 제시∙∙∙다양한 분야 응용 기대”
[바이오타임즈]서울대학교 공과대학(학장 김영오)은 재료공학부 강승균 교수 연구팀이 단국대병원, 아주대, 퍼듀대학교(Purdue University) 연구팀과 함께 세계 최고 수준의 민감도를 가진 슬롯사이트 볼트 메이저 센서를 개발했다고 23일 밝혔다.
미세균열과 메타구조의 독창적 결합을 통해 극도로 민감한 유연 신축성 슬롯사이트 볼트 메이저를 개발한 이번 연구는 실용성 높은 혁신적 기술력을 입증해 학계의 주목을 받았다. 특히 뇌혈관의 혈압 및 혈류를 연속적으로 측정해 뇌졸중을 실시간으로 진단하는 기술을 구현함으로써 정밀 생체의공학 분야의 새 가능성을 열었다는 평가를 받는다. 이번 연구 성과는 지난 20일 세계적 권위의 학술지 <사이언스 어드밴시스(Science Advances)에 온라인으로 게재됐다.
‘슬롯사이트 볼트 메이저’(Strain)은 외부에서 힘이나 하중이 가해졌을 때 물체가 원래 길이나 부피에서 얼마나 변형됐는지를 나타내는 비율이다. 재료나 구조물의 표면에 부착되거나 안쪽에 내장돼 이 슬롯사이트 볼트 메이저을 측정하는 장치가 슬롯사이트 볼트 메이저 센서(Strain Sensor)로 산업 및 연구 분야에서 널리 사용된다. 그중 우수한 신축성을 갖춘 ‘유연 슬롯사이트 볼트 메이저 센서’는 전도성 재료의 전기저항 변화를 기반으로 생체 신호나 특정 물체의 변형을 감지한다.
하지만 민감도가 제한적인 기존의 이 센서는 매우 미세한 슬롯사이트 볼트 메이저(10⁻³ 이하의 슬롯사이트 볼트 메이저)을 측정할 때 성능이 급격히 저하되는 한계를 지녔다. 이는 기계적 생체 신호를 동반하는 질환의 조기 진단이나 구조물의 신뢰성 평가 및 사전 안전 진단에 활용될 때 치명적인 약점으로 작용한다. 뇌출혈, 뇌경색 등 뇌혈관 질환은 사람을 사망에 이르게 하기 전 10⁻³ 미만의 초미세 슬롯사이트 볼트 메이저을 동반하며 건축물의 구조 재료는 수많은 인명 피해를 낳을 수 있는 파괴에 이르기 전 대개 10⁻⁵~10⁻³ 수준의 표면 슬롯사이트 볼트 메이저을 수반하기 때문이다.
이 문제의 해결에 나선 강승균 교수팀은 음의 푸아송 비율(Poisson’s ratio, 수평 방향의 슬롯사이트 볼트 메이저을 수직 방향의 슬롯사이트 볼트 메이저로 나눈 비율)을 가진 메타구조를 도입함으로써 기존 센서와 대비해 최대 100배 이상의 민감도를 갖춘 유연 신축성 슬롯사이트 볼트 메이저 센서를 개발했다. 10⁻⁵수준의 슬롯사이트 볼트 메이저, 즉, 사람의 머리카락에서 원자 하나만큼의 길이가 늘거나 준 극미세 변형까지 측정하는 센서를 선보인 것이다.
강승균 교수는 연구 과정에서 “나노스케일 미세균열의 폭이 확장되는 정도를 조절해 전기저항 변화를 증폭시키는 방법으로 세계 최고 수준의 슬롯사이트 볼트 메이저 민감도를 달성한 센서를 개발할 수 있었다”며 “그 결과, 빵에서 피어난 곰팡이 균사의 성장에 따른 접촉(10⁻⁵수준의 슬롯사이트 볼트 메이저)까지도 센서가 실시간으로 감지하는 등 미생물의 성장 과정에서 일어나는 극미세 변형도 모니터링이 가능함을 증명했다”고 설명했다.
이 같은 슬롯사이트 볼트 메이저의 우수한 민감도는 특히 생체 환경에서의 높은 활용도를 시사한다. 연구진은 슬롯사이트 볼트 메이저를 두개골 내부의 뇌혈관 표면에 부착해 혈압 및 혈류 변화를 실시간으로 모니터링하는 데 성공했다. 이를 통해 뇌출혈, 뇌경색과 같은 뇌혈관계 질환 또는 심혈관계 질환을 조기에 진단하고 정밀 의료 데이터를 제공받을 수 있음을 확인했다. 또 생분해성 소재가 사용된 슬롯사이트 볼트 메이저는 체내에 장기간 잔류하지 않고 자연 분해되므로 의료 현장에서 활용할 경우 추가 수술이나 부작용의 위험 없이 환자의 안전을 보장할 수 있다.
강 교수는 “이번 연구는 단순히 기존 유연 슬롯사이트 볼트 메이저 센서의 성능을 높인 게 아니라 기존 기술의 한계를 혁신적으로 뛰어넘는 새로운 접근법을 제시했다는 점에서 큰 의미가 있다”며 “새로 개발한 센서가 생체공학 및 의료기기뿐만 아니라 로봇공학, 재난 구조, 환경 모니터링 등 다양한 분야에서 널리 응용되길 기대한다”고 밝혔다.
한편 논문의 제1저자인 이재환 박사는 서울대 재료공학부에서 박사학위 취득 후 다차원소재 슬롯사이트 볼트 메이저실에서 박사후슬롯사이트 볼트 메이저원으로서 다양한 분야의 슬롯사이트 볼트 메이저에 매진하고 있다. 특히 후속 슬롯사이트 볼트 메이저로 균열 개방 거동의 모델링 및 최적화, 전자소자 소재 생분해 가속화에 관한 슬롯사이트 볼트 메이저를 진행 중이다.
공동 제1저자인 김윤남 박사과정생은 서울대 재료공학부에서 학위과정을 밟고 있으며 졸업 후 박사후연구원으로의 진로를 계획하고 있다. 현재 균열 슬롯사이트 볼트 메이저의 성능 향상을 목표로 공정 최적화 및 소프트 재료의 온디맨드 능동분해에 대한 연구를 수행 중이다.
또 다른 공동 제1저자인 이준상 박사는 서울대 재료공학부에서 박사학위 취득 후 현재 퍼듀대 의공학과 박사후슬롯사이트 볼트 메이저원으로서 균열 모델의 역학적 해석에 관한 슬롯사이트 볼트 메이저 활동을 펼치고 있다.
[바이오타임즈=김지수 기자]news@biotimes.co.kr
