바이오인

핵심내용

인체 피부 감각기관을 닮은 신개념 압력센서 개발
- 압력센서를 기반으로 하는 다양한 산업 응용 소자로의 활용 기대 -
(디스플레이, 의료, 연료전지, 각종 센서 제작 등 다양한 분야에 응용가능)

□ 미래창조과학부(장관 최양희)와 글로벌프런티어 나노기반소프트일렉트로닉스 연구단(단장 조길원)은 “인체 피부 감각기관”을 세포수준까지 심층적으로 모사하여 압력강도에 따라 저전력 또는 무전원으로 작동하는 부착 가능한 초고감도 소프트 압력센서를 개발했다”고 밝혔다.

□ 이 기술의 핵심인 이온채널* 센서는 인체 감각기관 생체 세포의 메커니즘을 모방한 인공센서로 ① 이온 액체의 운동에너지를 활용,많은 에너지원이 필요하지 않아(저전력 또는 무전원) 반영구적으로 사용가능하며 ② 전자회로, 증폭기 등 전자소자가 많이 필요하지 않고 ③ 유연성을 가져 인체의 곡면 부위와 다양한 형상에서도 압력 검출이 가능한 신개념의 웨어러블 압력소자이다.
     * 이온채널 (ion channel) : 세포막에 있는 기공 형태의 단백질(protein)로서 이온이나 물분자를 세포 내·외부로 이송하는 역할을 한다. 인체 감각기관도 자극을 받아들이는 부분과 이온채널이 결합된 구조로 되어 있으며, 이온채널에서 이온이 움직일 때 발생하는 신호를 신경을 통해 뇌가 인지하게 된다. 

□ 미래부 및 연구관계자는“이번 연구는 기존의 개념과 전혀 다른 새로운 형태의 센서로서 IoT를 포함하여 소모 전력이 문제가 되는 기계, 전자, 에너지, 환경 등 다양한 산업분야에 적용이 가능하며, 동물의 감각기관을 모사한 센서 개발 등 새로운 개념의 다양한 센서를 창출하는 핵심원천기술이 될 것으로 기대 된다”며 연구의 의의를 설명했다.

□ 한창수 교수 연구팀 (고려대)은 미래창조과학부 글로벌프론티어사업 소프트일렉트로닉스연구단 지원으로 연구를 수행하고 있으며, 이 연구는 세계적인권위의 나노분야 학술지인 ACS 나노(ACS Nano)지 4월 12일자에 온라인 게재되었다.

 o 논문명과 저자 정보는 다음과 같다.
   - 논문명 : Highly Sensitive and Patchable Pressure Sensors Mimicking Ion-Channel-Engaged Sensory Organs
   - 저자 정보 : 한창수(교신저자, 고려대 교수), 전경용(공동제1저자, 고려대 교수), 손영준(공동저자, 고려대 박사과정)

상세내용

연 구 결 과 개 요

 1. 연구배경
  ㅇ 자연에서 영감받은 세포벽에 부착된 인공 이온 채널을 모사한 센서에 관한 연구 중에서, 이온 채널 시스템을 사용한 압력 감지는 거의 보고된 바 없다. 생물학 분야에서, 기계적 에너지변환이 세포막 전위에서의 변화를 일으켜 기계적 감각 수용기에서 기계적 자극에 대응한다는 것으로만 알려져 있다. 예를 들어, 달팽이관에서 부동 섬모의 기계적 움직임 등을 들 수 있다. 또한, 아직 정확한 메가니즘은 알려지지 않았지만, 인장 활성 이온 채널은 미생물, 이스트, 그리고 식물에서 존재하는 압력-감지 구성의 하나이다.
 
  ㅇ 압력 감지를 위한 대부분의 연구는 실리콘 그리고 폴리머 기반 소자에 한정되어 있다. 그러나, 이들 시스템은 불안정한 전기적 성질, 낮은 선택성, 높은 동작 전력을 요한다는 단점이 있다. 예를 들어, 압전 센서의 높은 내부 저항에 의해 전기 회로의 입력 임피던스, 온도 및 정적 힘에 대한 낮은 감도의 결과를 낳을 수 있다.

  ㅇ 이온 채널기반의 센서는 다음과 같은 중요한 성질을 가진다. 첫째로, 이온 채널은 이들을 동작시키기 위하여 많은 에너지원이 필요하지 않다. 둘째로, 수용기를 가진 기재의 높은 선택적 감지가 가능하다. 또한, 신호를 추가적인 증폭 시스템 또는 전자 회로 없이 전기화학적 구배에 따라 멤브레인(세포벽 모사)을 통과하는 이온 전달로부터 얻게 된다. 이온 채널은 에너지 소모를 염려하지 않아서 반영구적인 사용이 가능하고, 나노스케일 또는 마이크로 스케일 차원에서 매우 빠른 속도에서 이온을 수송할 수 있다. 따라서, 이온 채널은 가속도, 온도, 음파, 유체공학, 또한 압력을 포함한 물리적 변수를 모니터링함에 있어 센서로서 사용될 수 있다.
  ㅇ 본 연구에서는 낮은 작동전력 및 무전원에서 구동되는 고민감성 및 고 선택성의 이온채널 압력센서를 개발하는 것이다. 이온채널 센서는 유연성을 가지고 인체의 곡면 부위 또는 어떠한 형상에서도 압력을 검출할 수 있는 웨어러블한 압력소자이다.
 
 2. 연구내용
  ㅇ 연구팀은 이온채널시스템을 포함하는 감각기관의 생체 세포를 모방하여 압력 수용기, 전해질, 이온채널의 세 가지 요소를 결합한 저전력 및 무전원의 고감도 소프트 압력센서를 구현하였다. 
 
  ㅇ 특히, 일정한 압력범위 (1~ 3 kPa)에서 증가한 민감도는 자극 수용기의 변형과 전해질에서 상호 작용 사이에서 유도되는 이온 운동의 거동 및 수용기의 재료적 특성으로 부터 기인할 수 있다. 본 연구에서는 세가지의 수용기용 재료를 사용하였는데, 특히 폴리아닐린의 경우 매우 민감하고 안정된 압력센서 특성을 나타내었다. 즉, 수용기 종류에 따라 다양한 압력센싱 신호가 나타날 수 있다는 것을 의미한다.

  ㅇ 또한, 수용기 종류에 따라 특유의 변형을 가지고, 다양한 선폭을 나타내었다. 이러한 결과는 이온 채널 압력 센서가 고유한 신호 모양, 동적 출력, 그리고 신호 선폭을 제공할 수 있음을 말한다.

  ㅇ 매우 낮은 구동 전력인 50 밀리볼트의 전압을 1 헤르츠의 주파수에서 520 파스칼의 압력 하에서 가하였을 때 이온 채널 압력 센서의 안정성이 약 10,000 사이클에 있어서 일관된 전류 진폭을 나타냄으로써 신뢰성 있는 결과를 보였다.    

  ㅇ 기존의 전자회로 기반의 압력센서와는 달리 본 이온 채널 센서는 20~80 % 습도범위에서 전류 변화(압력센싱)는 다양한 외력에 대하여 일정하게 나타났다. 즉, 이온 채널 압력 센서는 습도에 영향 받을 수 있는 전자 회로, 증폭기, 전기적 요소를 요구하지 않기 때문에, 높은 습도 범위에서도 동작이 가능하다. 

  ㅇ 또한 이 센서를 이용해 실시간으로 인체 혈압을 모니터링 하였다. 압력 센서 (면적: 8 x 8 mm2)를 세 명의 피검자의 손목에 부착하여, 혈압 펄스의 전류 진폭을 관측하였다.

  ㅇ 그리고, 일정한 누름, 구부림( 10~20 kPa)에서 무전원으로 전압변화를 측정함으로써 압력감지를 가능함을 보여주었다. 향후, 보다 미세한 낮은 압력에서 무전원으로 감지할 수 있는 기술을 개발할 계획이다.
 
3. 기대효과
  ㅇ 본 연구는 감각기관의 세포막 이온채널 시스템까지 모방한 압력센서 구현으로 수용기, 전해질, 이온채널의 세가지 요소를 적절하게 구성하여 디자인하면 매우 다양한 모션과 광범위한 압력 범위에서 고감도의 압력 센싱을 가능하게 할 수 있다는 것을 증명한 첫 번째 연구이다. 따라서 압력센싱 뿐만 아니라 다양한 외부자극에 있어 이러한 이온채널 시스템을 기반으로 하는 센서를 개발하는 것은 새로운 개념의 다양한 센서를 창출하는 원천 기술이 될 것이다.

  ㅇ 이온이송에 따른 전력 발생은 학문적으로 유동현상 및 에너지 하베스팅 분야에 있어서도 매우 고무적인 결과이며, 보다 깊은 연구와 실용적 개발이 이루어지길 것으로 기대하고 있다.

  ㅇ 이러한 인공 이온채널 시스템은 센서뿐만 아니라 이온발전기, 이온전지, 연료전지용 전해질 막 등으로의 활용 및 국가의 그린 에너지 육성정책과 부합하여 관련 산업에도 큰 파급효과를 줄 것으로 판단되며, 특히 바이오분야와 나노분야, 기계, 전자 등 다양한 분야의 융합 학문이 필요한 부분이므로 새로운 형태의 융합된 학문을 창출하는데 기여할 것으로 기대된다.

  ㅇ 센서분야에서는 특히 노약자나 장애를 가지고 있는 많은 사람들에게 부가적인 장치 혹은 대체 장치로서 활용이 가능할 것으로 보이며, 이를 위한 핵심요소기술로 활용될 수 있을 것이다. 또한 열, 유동, 압력, 중량, 냄새 등 다양한 센서에 대해 매우 성능이 우수하고 선택성이 높은 새로운 형태의 센서를 제공하고, 이를 소형화하고 고감도화 할 수 있는 신개념 센서의 창출에 기여함과 동시에 센서를 구현하기 위한 다양하고 복합적인 감각정보들을 동시에 측정할 수 있는 기술을 개발함으로써 유비쿼터스에 부합하는 센서 네트워크을 구현하는데도 중요한 역할을 할 것으로 기대한다.

논문 주요내용

1. 연구의 필요성

   ○ 압력센서는 다양한 환경에서의 힘에 의한 변형 혹은 미세한 압력변화를 감지함으로써 의료, 자동차, 항공, 가전 및 환경분야 등의 폭넓은 분야에서 활용되고 있다.

   ○ 최근에는 생체를 모방한 미세한 압력의 감지 및 저전력 혹은 무전원 압력센서에 관한 관심이 높아지고 있다. 
      
 2. 발견 원리

   ○ 기존의 실리콘 혹은 폴리머 기반의 압력소자 등은 낮은 감도, 높은 구동 전력, 높은 내부 저항등의 단점을 가지고 있다. 이러한 단점을 극복하고, 새로운 형태의 저전력 및 무전원 압력센서를 개발하고자 하였다.  
       
   ○ 생체내에서의 세포벽에 부착된 이온채널 메커니즘을 이용하기 위해 압력을 직접적으로 받는 수용기 부분과 수용기의 움직임에 따라 이온을 전달시키는 전해질 부분 그리고 이온을 통과시키는 이온채널 부분의 세가지 요소를 결합시켜 미세한 압력에서도 센싱할 수 있는 생체모방형 이온채널 소프트 압력센서를 구현하였다.
   * 수용기 (receptor): 외부의 자극이 들어왔을 때, 자극에 반응하여 물리적, 화학적 방법으로 이온채널을 열리게 하거나 작동하게 하는 구조물을 말함.
   * 전해질 (electrolyte):  용액에 녹은 상태에서 이온으로 쪼개져 전류를 흐르게 할 수 있는 물질임.   

   ○ 연구팀은 낮은 구동 전압(10 밀리볼트)에서도 미세 압력을 전류변화에 의해 감지하는 이온채널 압력센서를 구현하였고, 일정한 압력범위 (10~20 킬로 파스칼) 에서는 전력없이 무전원으로 센싱이 가능하였다. 민감도는 약 5.6 KPa-1 의 수치를 보였고, 반응시간은 1 헤르츠에서 약 0.012초의 감도를 보였다. 또한 약 10,000번의 반복테스트를 통해서 매우 신뢰성있는 결과를 나타내었다.        
   * 헤르츠(Hz) : 주파수 단위로써 1 헤르츠는 “1초에 한번”을 의미한다.

 3. 연구 성과
   ○ 감각기관의 세포수준까지 모사한 이온채널 구조의 압력센서 보고로는 최초이며 특히 인체내에서의 여러 압력 수용기중 머켈(Merkel) 수용기 (구동 주파수: 0.3~3 헤르츠)를 모방하였고, 이는 인공 이온채널 센서 개발에 원천기술이 될 수 있을 것이다. 
  
  ○ 기존의 압력센서에서 보여주는 민감도에 비교하면 상위권에 포함되는 수치이다. 특히 같은 민감도에서는 가장 낮은 구동 전력을 나타내었고, 이를 통해 인체의 혈압을 측정하는데도 성공하였다. 특히 수십 킬로파스칼의 압력에서는 무전원으로 센싱할 수 있는 능력을 나타내었다.

  ○ 주위 환경 중 온도와 습도 변화에 대해서는 매우 안정적인 값을 보였다. 특히 약 20에서 80 퍼센트의 습도변화 시 일정한 압력을 가할 때에 안정적으로 고정된 전류변화 특성 값을 보임으로써 습도 변화 시 압력 선택도에 있어서 매우 우수함을 입증하였다.

  ○ 연구팀이 개발한 이온채널 센서는 인체에 부착이 가능하며, 인체에서 표현되는 다양한 움직임, 즉 구부림, 누름, 꺽임, 휨등으로 발생되는 압력변화를 감지하는데 매우 유용함을 보였다.

  ○ 연구팀이 제안한 생체 이온채널 모방형 압력센서는 수용기, 전해질, 이온채널 등의 세가지 요소를 알맞게 결합시키면 다양한 압력 범위에서 높은 민감도와 무전원으로 외부자극을 센싱할 수 있는 매우 다이나믹한 센서소자를 구현할 수 있음을 보여주었고, 이러한 다양한 요소 구성을 통해 센서분야에서 새로운 패러다임을 제시하고 이 분야의 학문적 돌파구를 제시할 수 있을 것으로 기대된다.

  ○ 이외에 인체의 노화 및 질병, 사고에 의한 감각기관을 대체 및 복구, 로봇 등에  장착, 이온발전기, 이온전지, 연료전지용 전해질 막 등으로의 활용이 가능하고, 또한 열, 유동, 중량, 냄새 등 다양한 센서에 대해 매우 성능이 우수하고 선택성이 높은 새로운 형태의 센서를 제공하고, 이를 소형화하고 고감도화 할 수 있는 신개념 센서의 창출에 기여할 것이다. 

연구 이야기

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

기존의 센서에서 발견되는 여러 가지 문제점에 대해 고민하고 생각하던 중, 생체에서 발현되는 다양한 외부 힘에 대해서 미묘하면서도 정확하고 안정적인 반응을 보면서 이를 모방하거나 모사하면 새로운 패러다임의 센서를 개발할 수 있지 않을까 하는 기대로 연구를 시작하게 되었고, 먼저 인체의 오감중 촉각과 관련되는 압력센서에 대해 생체의 이온채널 시스템을 모방하여 이를 구현하고자 하였다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

이 과제의 연구책임자인 고려대학교 한창수 교수는 2011년부터 글로벌 프론티어 사업 수행하는 동안 나노공정을 이용한 소프트 소자인 유연 센서에 대한 연구를 진행하고 있다. 또한 나노공정, 나노채널, 나노패턴, 나노 유동현상, 그래핀 나노 멤브레인 등의 연구를 선도적으로 수행했다. 이 연구의 제 1저자는 본 연구실의 연구교수인 전경용 박사이다.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

큰 어려움은 없었으나, 수용기, 전해질, 이온채널(나노, 마이크로 기공)의 인자가 상호적으로 매우 밀접하고도 중요한 관계에 있어서 이를 찾아내는데 초기 장애가 되었다. 특히 전해질과 이온채널과의 물리적, 기계적 현상이 매우 흥미로왔으며 보다 깊은 연구가 필요하였다. 이는 이론적인 면과 더불어 극복해야 할 것이다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

기존의 전기회로 방식의 압력센서와 달리 이온채널 기반 압력센서는 전기회로나 다른 부수적인 장치가 필요하지 않으며 특히 낮은 구동전력 혹은 무전원으로 이를 작동시킬 수 있다는 점에서 매우 고무적이라 할 수 있다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표와, 향후 연구계획은?

향후 연구계획은 무전원으로 다양한 미세 압력을 감지할 수 있는 이온채널 기반 압력센서를 개발하는 것이다. 또한, 인체에 무해하게 부착은 물론 삽입이 가능하며 일정한 구부림, 휨, 꼬임에 있어서도 안정적으로 구현될 수 있는 센서 개발이다.   

□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?

무전원에서 일정한 압력 인가시 전압특성이 감지되는 것을 확인할 때 약간 흥분되었다.

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