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  • 시편연마기 Minitech 233~365 series
  • 신진연구자 인터뷰

    신진연구자 인터뷰는 기계공학과 건설공학 분야의 젊은 연구자들의 연구성과를 알리고자 기획되었습니다.
    대상은 박사과정 이상 40세 미만의 연구자로 뚜렷한 연구성과가 있으면 언제든 참여 가능합니다.
    또한 주변에 추천할 만한 연구자가 있으면 추천을 부탁드립니다. (ariass@naver.com)

    • 최정일(Jungil Choi)
      미세유체를 이용한 웨어러블 땀 센서
      최정일(Jungil Choi)(국민대학교)
      이메일:jchoi at kookmin.ac.kr
      1672 1 2
    1. 본인의 연구에 대해서 소개를 부탁 드립니다.

    - 현대 의학이 기존에는 병원에서 고가의 정밀 장비를 이용해서 진단하는 방식에서 현장에서 바로 진단하는 휴대형 장비로 확장되었고 이제는 신체에 부착해서 실시간으로 측정하는 웨어러블 장비로 발전되어 있습니다. 그런데 많은 웨어러블 디바이스들이 물리적인 신호 곧, 맥박, 온도, 움직임, 심전도만 측정할 수 있습니다. 하지만 사람의 건강 상태를 파악하기 위해서는 화학적인 신호들, 혈당, 전해질 농도, 탈수정도 등의 정보도 매우 중요합니다. 이 정보를 얻기 위해서는 혈액이 가장 좋은 biomarker 이지만 바늘을 써서 고통을 수반하며 측정해야 한다는 단점 때문에 웨어러블 센서와는 접점이 맞지 않습니다. 그래서 많은 연구자들이 피부에서 배출되는 땀을 이용해서 신체의 화학적인 상태를 파악하려는 연구를 진행하고 있습니다.

    제가 처음 John Rogers 연구실에 조인했을 때에 원래 이 연구실이 해왔던 것처럼 물리적인 신호를 측정하는 웨어러블 센서에 대한 연구를 하고 싶었습니다. 하지만 연구실 내에서 땀을 측정하는 연구에 대한 첫번째 연구 결과가 나왔고 저는 저의 배경지식을 백분 활용할 수 있는 이 분야에 관심을 가지고 연구를 시작하였습니다.


    저는 학부와 석사를 기계공학을 전공하였고 박사과정은 전기공학부에서 하였는데 그 때 미세유체를 이용한 바이오칩을 제작하는 연구를 하였습니다. 이러한 경험을 이용하여서 포닥연구시절에는 미세유체 채널을 이용해서 땀을 정밀하게 컨트롤하고 분석하는 연구를 진행하였습니다.

    첫번 째 연구는 땀을 순차적으로 모으는 연구였습니다. 사람이 운동을 하면서 땀을 흘릴 경우, 몸의 상태에 따라서 땀성분이 변화합니다. 그래서 땀을 순차적으로 모을 수 있는 장치가 있다면 그 변화를 측정할 수 있습니다. 그런데 웨어러블 디바이스에서는 외부적인 동력을 사용하기가 어렵습니다. 저는 모세관 밸브와 땀샘에서 나오는 압력을 이용해서 채널 디자인을 통해서 땀이 순차적으로 모이는 디바이스를 제작했습니다.

    이 연구후에 저희는 좀 더 정확한 땀 측정 센서를 만들기 위해서는 땀샘의 압력을 측정하는 것이 필요했습니다. 50년 전에 의사가 측정한 값이 있는데 그 값이 너무 범위가 커서 정확한 값을 예측하기가 어려웠습니다. 그리고 일상적인 운동을 하면서 피부 표면에서의 압력에 대한 정보는 없었습니다. 저는 이전에 사용한 모세관 밸브를 이용해서 특정 압력에서 밸브가 터지는 원리를 이용해서 땀의 압력을 측정하는 웨어러블 센서를 제작하였습니다.



    마지막 단계로 저희는 땀의 성분을 피부에서 바로 측정할 수 있는 디바이스를 제작했습니다. 특별히 간단하면서도 정확한 색상 변화를 기반으로 한 디바이스를 제작하기로 방향을 정했습니다. 다른 방식으로는 전기화학 방식이 있는데 이 경우, 복잡한 전자장치가 들어가야 하기 때문에 생산 가격이 올라가고 또한 리더기가 필요한 단점이 있었습니다. 저희는 간단하면서도 현장에서 눈으로 확인할 수 있는 디바이스를 만들고자 했습니다. 염화이온, 포도당, 젖산, pH, 그리고 땀배출량과 땀의 온도를 모두 색상 변화를 기반으로 한 장치를 만들었습니다.



    이런 미세유체를 이용한 웨어러블 땀 센서는 먼저 스포츠 분야에서 사용할 수 있습니다. 연구를 하는 동안에 LA Lakers, Chicago Cubs, Seattle Mariners 와 같은 스포츠 팀에 디바이스를 보내서 실전 테스트를 진행하였습니다. Epicore라는 회사에서 이 디바이스를 상용화하기 위해서 본격적으로 양산화 제품을 개발하고 있습니다. 이 회사를 통해서 스포츠 음료를 만드는 게토레이 회사와도 긴밀하게 협력을 하였습니다. 이번에 게토레이 공식 광고에도 테니스계의 유명 스타인 세레나 윌리엄스가 이 디바이스를 부착하고 연습하는 장면이 등장하였습니다.

    동영상: 미세유체를 이용한 땀 센서를 테스트하고 광고하는 게토레이



    다른 적용분야는 화장품입니다. 세계적인 화장품 회사인 로레알에서 피부의 pH를 측정하기 위해서 저희와 공동 연구를 진행하였습니다. 이는 피부의 pH 값에 따라서 다른 화장품을 사용해야 하는데 이것을 간단하게 측정할 수 있는 장치가 필요하기 때문입니다. 2019년 라스베가스에서 열린 CES 에서 로레알에 웨어러블 pH 센서를 소개하였습니다.

    동영상: 로레알과 공동개발한 웨어러블 스킨 pH 센서



    다른 사용분야는 재활분야입니다. 뇌졸증 환자의 경우, 몸의 일부분이 마비가 되어서 운동 능력을 상실하는 경우가 많습니다. 시카고에 위치한 Abilitylab 은 미국에서 가장 좋은 재활병원입니다. 이 곳에서는 다양한 재활 프로그램을 제공합니다. 이런 재활 프로그램에서 중요한 부분은 환자가 운동능력을 회복하고 있는지 확인하는 것입니다. 예전에는 숙련된 전문가가 환자의 움직임을 관찰하여 회복 정보를 파악했습니다. 그리고 최근에는 웨어러블 센서 중에서 가속도계를 부착하여 움직임을 좀 더 정확하게 측정합니다. 그런데 의학 논문에 따르면 이런 환자의 경우 땀의 배출되는 양의 정도가 마비 정도에 따라 영향을 받습니다. 특별히 이마와 허리 부분에서 좌우 비대칭적으로 땀이 배출됩니다. 그래서 저희는 뇌졸증 환자의 이마의 좌우에 땀센서를 부착하여 그 차이를 분석하고 있습니다. 이후에 새로운 재활 확인 바이오마커로 사용이 가능할 것이라고 예상합니다.



    동영상: 웨어러블 센서를 이용해서 재활 프로그램의 진행을 확인하는 기술



    2. 본인의 대표 논문 기재해 주세요.

    - J. Choi#, A.J. Bandodkar#, J.T. Reeder, T.R. Ray, A. Turnquist, S.B. Kim, N. Nyberg, A. Hourlier-Fargette, J.B. Model, A.J. Aranyosi, S. Xu, R. Gha?ari and J.A. Rogers, "Soft, Skin-Integrated Multifunctional Microfuidic Systems for Accurate Colorimetric Analysis of Sweat Biomarkers and Temperature," ACS Sensors 4, 379-388 (2019). (#equally contributed first authors)
    논문 링크: https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acssensors.8b01218

    - A.J. Bandodkar#, P. Gutruf#, J. Choi#, K.H. Lee, Y. Sekine, J.T. Reeder, W.J. Jeang, A.J. Aranyosi, S.P. Lee, J.B. Model, R. Ghaffari, C.-J. Su, J.P. Leshock, T. Ray, A. Verrillo, K. Thomas, V. Krishnamurthi, S. Han, J. Kim, S. Krishnan, T. Hang, J.A. Rogers, "Battery-free, Skin-interfaced Microfluidic/Electronic Systems for Simultaneous Electrochemical, Colorimetric and Volumetric Analysis of Sweat," Science Advances 5: eaav3294 (2019). (#equally contributed first authors)
    논문 링크:http://advances.sciencemag.org/content/5/1/eaav3294
    뉴스 :https://www.nytimes.com/2019/01/18/health/wearable-tech-sweat.html

    - Y. Ma#, J. Choi#, A. Hourlier-Fargette, Y. Xue, H.U. Chung, J.Y. Lee, X. Wang, Z. Xie, D. Kang, H. Wang, S. Han, S.-K. Kang, Y. Kang, X. Yu, M.J. Slepian, M.S. Raj, J.B. Model, X. Feng, R. Ghaffari, J.A. Rogers and Yonggang Huang, "Relation Between Blood Pressure and Pulse Wave Velocity for Human Arteries," Proceedings of the National Academy of Sciences 115(44), 11144-11149 (2018). (#equally contributed first authors)
    논문 링크: https://www.pnas.org/content/115/44/11144
    뉴스 링크: https://spectrum.ieee.org/the-human-os/biomedical/diagnostics/blood-cuff




    3. 본인이 개발한신 웨어러블 땀센서가 다른 연구자들이 개발한 것에 비해 장점이 있다면?

    - 저는 미세유체를 이용해서 땀을 정밀하고 채취하고 분석하는 디바이스를 만들었습니다. 전기화학 방식의 디바이스들은 제일 먼저 땀의 배출량을 측정할 수 없습니다. 미세유체를 기반으로 만든 디바이스를 특정 피부 면적에서 나오는 땀의 배출량을 정확하게 측정할 수 있고 이를 통해서 전체 땀 배출량을 예측할 수 있습니다. 이는 운동선수들에게 땀의 배출량 정보를 주어서 물을 흡수하는 양을 조절하는데 큰 도움을 줄 수 있습니다. 그리고 색상 변화를 통해서 땀의 성분을 알려 주기 때문에 별도의 전기 장치가 필요가 없습니다. 이것은 무엇보다 양산화 면에서 아주 큰 장점을 지니고 있습니다. 전기화학 방식의 경우, 디바이스의 재활용이 어렵기 때문에 가격의 단가가 높다는 단점이 있습니다. 땀센서의 경우, 웨어러블 센서 중에서 시장성이 좋고 다양한 사람을 대상으로 할 수 있기 때문에 색상 변화를 이용한 디바이스를 만든다면 시장개척을 도전할 수 있다고 생각합니다. 그래서 제품의 개발의 경우, 단가를 아주 낮추어서 일회용으로 개발한다면 사용자 입장에서 편하고 새로운 경험을 제공할 수 있는 장점이 있습니다.


    4. 연구활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면?

    - 땀을 분석하는 화학적 센서와 물리적인 신호를 측정하는 디바이스를 결합한 하이브리드 시스템을 개발하여서 신체 활동에 대해서 다각도로 분석하는 연구를 진행하고 싶습니다.
    - 땀의 성분 중에서 좀 더 다양한 바이오마커를 발견하여서 질병을 진단하는 연구를 의대, 생명과학 연구자들과 진행하고자 합니다.
    - 저는 미세유체를 기반으로 체외 진단 장치를 연구하였고 포닥 연구에서는 피부에서 진단하는 장비를 개발했습니다. 장기적으로는 신체 내에서 압력과 온도와 같은 것을 측정한 뒤에 미세유체 칩을 이용해서 약물을 정밀하게 전달하는 시스템을 개발하고자 합니다.


    5. 본인이 영향을 받은 다른 연구자나 논문이 있다면?

    - Samuel Sia: 컬럼비아 대학 의공학과에 교수로 계신 분입니다. 이 분은 미세유체를 이용해서 AIDS나 성간염병을 아프리카와 같이 기반 시설이 없는 곳에서 진단할 수 있는 획기적인 시스템을 개발했습니다. 이 연구는 제게 미세유체 분야가 현장에서 바로 쓰일 수 있는 디바이스를 제공할 수 있다는 가능성을 보게 하였고 제 박사 연구 주제에도 큰 영향을 미쳤습니다. 앞으로 저는 미세유체를 이용해서 접근이 용이한 진단 장치를 개발하여서 사회에 영향력을 미치는 연구자가 되고 싶습니다.

    논문 링크 :https://www.nature.com/articles/nm.2408


    6. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소, 지도 교수에 대한 소개를 부탁 드립니다.

    - John Rogers 교수님은 원래 UIUC 대학에 계시다가 2016년 가을에 Northwestern 대학으로 옮기셨습니다. 이 대학은 시카고 바로 위에 위치한 에반스톤 시에 있는 대학입니다. 워낙 유명한 교수님이라서 많은 사람이 알고 있습니다. 제가 발견한 점은 먼저 진행하고 계신 유연전자소자 처럼 유연한 생각을 가지고 계신다는 점입니다. 그리고 많은 사람들과 교류를 통해서 새로운 아이디어, 특별히 현장에서 적용할 수 있고 영향력을 미칠 수 있는 연구를 하고자 끊임없이 노력하시는 분입니다. 현재 선두주자로 하고 있는 epidermal electronics 연구도 바이오 쪽에 종사하시는 분의 제안으로 시작하게 되었다는 이야기를 들었습니다. 연구실은 한국, 중국, 인도, 미국 등 많은 나라에서 온 포닥, 대학원생들이 있습니다. 규모가 크기 때문에 각자가 가진 경험과 지식을 바탕으로 새로운 연구 분야를 쉽게 개척할 수 있는 큰 장점이 있습니다.




    7. 연구활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람

    - 연구를 할 때 중요한 것은 실제 현장에서 무엇을 필요로 하는지 아는 것이 중요하다는 것을 배웁니다. 물론 자기 기술을 기반으로 확장하는 연구도 중요합니다. 그러나 제 경험적으로는 현장에서 문제를 발견하고 이것을 해결하는 연구를 할 때 영향력이 있으며 다양한 적용이 가능하다는 것을 배웠습니다. 올해 부터 국민대학교에서 새롭게 연구를 시작해야 하는데 저는 계속해서 각분야의 전문가들을 만나서 현장에서 필요한 기술을 찾고 여기에 부합한 기술을 제공하는 연구를 하고 싶습니다.

    특별히 박사 때 연구한 것이 퀀타매트릭스라는 회사에서 상용화 하였고 실제 병원에서 진단을 하는데 쓰이고 있다는 것이 제게 큰 보람을 주었습니다. 포닥 연구에서 개발했던 웨어러블 땀 센서도 상용화를 진행 중입니다. 이런 연구가 Scientific 하게는 큰 매력을 느끼기 어려울 수가 있습니다. 하지만 다양한 분야의 전문가들과 실제 있는 문제를 해결하는 즐거움이 있고 그것이 실현되었을 때 만족감이 크다고 생각합니다.


    8. 이 분야로 진학하려는 후배나 학생에게 도움이 되는 말씀을 해 주신다면?

    - 제 분야를 정의하려면 크게는 의공학, 좀 더 세분화하면 미세유체를 기반으로 하는 진단장치, 그리고 현재는 웨어러블 땀 센서라고 말할 수 있겠습니다. 특히 미세유체 분야는 이미 많은 연구가 진행이 되었고 국내외에 많은 전문가들이 있습니다. 저도 이 연구 분야를 계속해야 하는가 고민이 될 때가 있습니다. 그런데 사람의 몸은 대부분 물로 이루어져 있고 혈액과 땀과 같이 유체가 생명 유지 현상에 결정적인 역할을 합니다. 또한, 세포들도 유체를 기반으로 물질을 전달하고 생존하고 있습니다. 미세유체 분야는 앞으로 진단과 치료 부분에서 더 많은 도전을 받게 될 것이며 해결책을 제시해야 하기 때문에 발전 가능성이 크다고 생각합니다. 그리고 웨어러블 센서 분야는 시장이 계속해서 확장되고 있고 좋은 바이오마커를 찾고 측정할 수 있다면 영향력이 큰 연구가 될 수 있을 것입니다. 그 중에서 땀센서는 현재 시작단계에 있는 연구입니다. 여기에도 해결해야 할 문제가 많은데 그 중 하나가 땀을 운동을 하지 않고 채취하는 문제입니다. 물론 신경전달물질을 전류 자극을 통해 주입하여 땀을 인위적으로 배출하도록 할 수 있는데 약물을 피부에 전류를 흘려서 주입하는 것이 사람들에게 거부감을 줍니다. 이 문제를 해결하는 방법도 중요한 이슈입니다. 인체를 대상으로 하는 연구인 만큼 어렵지만 그만큼 영향력도 클 것입니다.


    9. 다른 하시고 싶은 이야기들.

    -연구를 하면서 결국 남는 것은 사람들이라는 생각이 듭니다. 논문이 남지만 결국 논문도 사람들과 같이 의논하고 실험하고 했던 기억을 되새기게 해 주는 것 같습니다. 사람들과 같이 연구할 때 최대한 배려하고 배우고 돕고자 하는 자세로 했던 것이 제게는 결과적으로 좋은 결과로 나타났다고 생각합니다. 그리고 나중에 좋은 친구이자 동료로 길게 일할 수 있는 것 같습니다. 그동안 같이 어려운 문제를 같이 안고 시간을 공유했던 동료들, 지도교수님들에게 감사의 말씀을 드리고 싶습니다. 그리고 저도 후배들과 학생들에게 그런 시간을 공유하는 연구자로 살고 싶습니다.
    우리나라의 가장 큰 장점이 좁은 공간에 뛰어난 인재가 모여 있다는 것입니다. 미국에 비해서 여러 인프라가 적은 것은 사실이지만 이런 인적 인프라를 적극 활용해서 융합 연구를 한다면 앞으로 뛰어난 연구로 새로운 시장을 개척하고 어려운 시대를 이겨낼 수 있다고 생각합니다. 저와도 같이 연구하시고 싶은 분들이 있다면 언제든지 환영합니다.
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    전체댓글 2

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    |2019.04.01
    심근경색이시분들에게 유용한 정보가 될것 같습니다. 심장에 파스처럼 붙이는 패드까지 나온것으로 알고 있는데 ... 땀 연구로 노폐물까지 성분까지 분석한다면 정말 좋을 것 같습니다 ㅎㅎㅎ
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    |2019.03.29
    땀나는 인터뷰네요. 재미있는 분야를 소개해 주셔서 감사합니다. 관련 영상과 자료도 찾아주셔서 관련연구자들에게 많은 도움이 될거 같습니다.
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