땀 한 방울로 건강을 읽는다…생체지표 정량 분석하는 ‘차세대 웨어러블 센서’ 등장

△ 색상 변화로 땀 속 생체지표를 즉각적, 정성적으로 검사할 수 있으며, 라만분광을 이용하여 정량 분석까지 정확하게 할 수 있는 플랫폼 개념도

작은 센서 하나를 붙이기만 해도 땀 속 생체 정보를 정밀하게 읽어낸다. 고려대학교(총장 김동원) 바이오의공학과 구자현 교수, 화학과 곽경원 교수 연구팀과 육군사관학교 화학과 김성봉 교수 연구팀이 공동으로 차세대 웨어러블 진단기기의 실용화를 앞당길 수 있는 핵심 기술을 개발했다.

땀 속에는 포도당, 나트륨 등 다양한 물질이 포함되며, 이 농도를 파악하면 혈당 수치 및 체내 수분 균형 등 여러 건강 지표를 파악할 수 있다. 하지만 표면증강 라만 분광법(SERS) 기반의 기존 웨어러블 센서는 측정 신호가 불균일하게 증폭되는 ‘핫스팟’ 문제로 인해 정확한 농도 측정이 어려웠다. 따라서 물질의 종류를 확인하는 ‘정성 분석’ 수준에 머무르며, 물질의 양을 측정하는 ‘정량 분석’은 어렵다는 한계가 있었다.

*표면증강 라만 분광법(SERS): 분자의 고유한 진동 신호를 이용해 매우 낮은 농도의 물질까지 감지할 수 있는 고감도 분석 기술

연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 SERS에 색 변화 분석을 결합한 새로운 형태의 피부 부착형 센서를 개발했다. 기존의 SERS 방식을 사용하는 동시에, 효소 반응을 통해 분석 대상 물질을 ‘말라카이트 그린’이라는 색소로 변환시키는 방식을 진행했다. 즉, 두 가지 방식으로 하나의 결과를 교차 검증해 보다 정밀하게 측정하는 기술이다.

측정의 안정성 및 정확도도 높였다. 연구팀은 센서 내부에 오차를 줄이는 역할을 하는 기준 물질을 함께 넣어 신호를 보정했다. 이를 통해 환경에 따라 결과값이 달라지는 SERS의 변동성을 줄여 일정한 값을 도출했다. 또 색상 분석 시, 조명·환경에 상관없이 색을 객관적으로 인식하는 ‘색 공간 모델’을 적용해 실제 환경에서도 안정적인 측정이 가능하다.

센서 구조 역시 중요한 특징이다. 부드러운 고분자 기반의 미세유체 채널을 사용해 피부에 밀착되며, 땀을 자동으로 모아 분석 영역으로 전달한다. 이후 별도의 장비 없이도 인체 표면에서 실시간으로 화학 반응과 측정이 동시에 이뤄진다.

*미세유체 채널: 미세한 양의 액체가 흐를 수 있도록 설계된 머리카락 굵기 정도의 좁은 관

특히 SERS 기술의 가장 큰 난제였던 정량성 문제를 해결했다는 점에서 의미가 크다. 연구진은 13명의 참가자를 대상으로 실제 착용 실험을 진행한 결과, 움직임이 있는 환경에서도 안정적인 신호를 확보하고 생체 지표 농도를 분석할 수 있음을 확인했다.

곽경원 교수는 “이번 연구는 인체에서 분비되는 생체 물질을 단순히 검출하는 수준을 넘어, 정확한 수치로 분석할 수 있는 기반을 마련했다”며 “향후 운동 중 생리 상태 모니터링, 만성질환 관리, 개인 맞춤형 의료 등 다양한 분야에 활용될 것으로 기대된다”고 밝혔다. 

본 연구 성과는 국제 학술지인 ‘npj Flexible Electronics’ 온라인에 2월 23일 게재됐다. 

*논문명: Quantitative surface-enhanced Raman spectroscopy analysis of sweat integrated with a skin-mounted soft microfluidic reactor

*DOI: doi.org/10.1038/s41528-026-00549-1

*URL: https://www.nature.com/articles/s41528-026-00549-1

이번 연구는 한국연구재단, 기초과학연구원, 중소벤처기업부의 지원을 받아 수행됐다. 

[연구진 사진]

△(왼쪽부터) 고려대 화학과 곽경원 교수, 바이오의공학과 구자현 교수, 육군사관학교 화학과 김성봉 교수(공동 교신저자)