서울대 공대 재료공학부 강승균 교수팀, 뇌졸중 실시간 모니터링하는 유연 변형률 센서 개발

서울대학교 공과대학은 재료공학부 강승균 교수 연구팀이 단국대학교병원, 아주대학교, 퍼듀대학교(Purdue University) 연구팀과 함께 세계 최고 수준의 민감도를 가진 변형률 센서를 개발했다고 밝혔다.

미세균열과 메타구조의 독창적 결합을 통해 극도로 민감한 유연 신축성 센서를 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 받고 있다. 이번 연구 성과는 지난 12월 20일 세계적 권위의 학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’에 온라인으로 게재됐다.

변형률(Strain)은 외부에서 힘이나 하중이 가해졌을 때 물체가 원래 길이나 부피에서 얼마나 변형됐는지를 나타내는 비율이다. 그리고 재료나 구조물의 표면에 부착되거나 안쪽에 내장돼 이 변형률을 측정하는 장치가 변형률 센서(Strain Sensor)로, 산업 및 연구 분야에서 널리 사용된다. 그중 우수한 신축성을 갖춘 ‘유연 변형률 센서’는 전도성 재료의 전기저항 변화를 기반으로 생체 신호나 특정 물체의 변형을 감지한다.

하지만 민감도가 제한적인 기존의 이 센서는 매우 미세한 변형(10⁻³ 이하의 변형률)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. 왜냐하면 실제로 뇌출혈, 뇌경색 등 뇌혈관 질환은 사람을 사망에 이르게 하기 전 10⁻³ 미만의 초미세 변형을 동반하며, 건축물의 구조 재료는 수많은 인명 피해를 낳을 수 있는 파괴에 이르기 전 대개 10⁻⁵~10⁻³ 수준의 표면 변형을 수반하기 때문이다.

이 문제의 해결에 나선 강 교수팀은 음의 푸아송 비율(Poisson’s ratio, 수평 방향의 변형률을 수직 방향의 변형률로 나눈 비율)을 가진 메타구조를 도입함으로써 기존 센서와 대비해 최대 100배 이상의 민감도를 갖춘 유연 신축성 변형률 센서를 개발했다. 10⁻⁵ 수준의 변형률, 즉 사람의 머리카락에서 원자 하나만큼의 길이가 늘거나 준 극미세 변형까지 측정하는 센서를 선보인 것이다.

강 교수팀은 연구 과정에서 “나노스케일 미세균열의 폭이 확장되는 정도를 조절해 전기저항 변화를 증폭시키는 방법으로 세계 최고 수준의 변형 민감도를 달성한 센서를 개발할 수 있었다”고 설명했다. 그 결과, 빵에서 피어난 곰팡이 균사의 성장에 따른 접촉(10⁻⁵ 수준의 변형률)까지도 센서가 실시간으로 감지하는 등 미생물의 성장 과정에서 일어나는 극미세 변형도 모니터링이 가능함을 증명했다.

이 같은 센서의 우수한 민감도는 특히 생체 환경에서의 높은 활용도를 시사한다. 연구진은 센서를 두개골 내부의 뇌혈관 표면에 부착해 혈압 및 혈류 변화를 실시간으로 모니터링하는 데 성공했다. 그리고 이를 통해 뇌출혈, 뇌경색과 같은 뇌혈관계 질환 또는 심혈관계 질환을 조기에 진단하고 정밀 의료 데이터를 제공받을 수 있음을 확인했다. 또한 생분해성 소재가 사용된 센서는 체내에 장기간 잔류하지 않고 자연 분해되므로 의료 현장에서 활용할 경우 추가 수술이나 부작용의 위험 없이 환자의 안전을 보장할 수 있다.

강승균 교수는 “이번 연구는 단순히 기존 유연 변형률 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 연구실에서 박사후연구원으로서 다양한 분야의 연구에 매진하고 있다. 특히 후속 연구로 균열 개방 거동의 모델링 및 최적화, 전자소자 소재 생분해 가속화에 관한 연구를 진행 중이다. 공동 제1저자인 김윤남 박사과정생은 서울대 재료공학부에서 학위과정을 밟고 있으며, 졸업 후 박사후연구원으로의 진로를 계획하고 있다. 현재 균열 센서의 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 퍼듀대학교 의공학과 박사후연구원으로서 균열 모델의 역학적 해석에 관한 연구 활동을 펼치고 있다.

참고자료
- 논문명/저널 : “Hypersensitive Meta-Crack Strain Sensor for Real-Time Biomedical Monitoring”, Science Advances
- DOI : https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ads9258

웹사이트: https://eng.snu.ac.kr/