최근의 마이크로센서는 독성 가스의 검출과 같은 여러 다양한 분야에 이미 이용되고 있다. 이들 마이크로센서는 유비쿼터스 RFID 칩과 같은 소형 송신/수신 시스템도 통합되어 있다. 그러나 센서들은 환경과 사람의 건강에 모두 해로운 독성 금속을 함유하는 경우가 많기 때문에 인체의 직접 접촉하는 의료 용품이나 식품에 포함시키는 것은 부적절하다고 한다. 이런 이유로 생분해되는 비독성 재료로 만들어진 마이크로센서의 개발에 대하여 연구자들과 산업계가 모두 관심을 크게 갖고 있다.

마그네슘 전선과 생분해성 폴리머

독일 ETH 전자 실험실의 박사 후 연구원인 Giovanni Salvatore가 주도하는 연구팀은 온도 측정을 위한 생분해성 마이크로센서의 개발에 매진하고 있다고 한다. 이들은 자신들의 최신 성과를 과학 저널인 Advanced Functional Materials에 논문으로 발표했다. 연구팀의 생체적합 마이크로센서는 마그네슘, 이산화규소, 질화물로 만들어진 미세하고 단단하게 감긴 전기 필라멘트를 퇴비화 가능 폴리머로 캡슐화시켜서 만들어졌다. 마그네슘은 우리의 식품에서 주요 성분 중 하나이며, 이산화규소와 질화물은 생체 적합하고, 물에서 녹게 된다. 해당 폴리머는 옥수수와 감자 전분에서 만들어지며, 그 조성은 EU와 미국의 식품 규정을 준수하고 있다고 한다.

Troster 박사의 연구 그룹에서 박사 후 연구원으로 재직 중인 Giovanni Salvatore는 이들 생분해성 마이크로센서에 밝은 미래가 기다리고 있음을 확신하고 있다고 한다. 예를 들어서 그는 한가지 활용 분야를 언급했다. 그는 "일본의 물고기를 유럽으로 수송하기 위한 준비에서 아주 작은 센서를 부착한다면 충분히 낮은 온도가 유지되는 것을 지속적으로 모니터링 할 수 있을 것이다."라고 밝혔다. 이런 경우에는 센서가 식품 규정을 준수해야 하며, 소비자들의 건강을 위협해서도 안된다. 또한 센서는 물고기나 다른 식품이 가득 한 용기에서 이상이 발생하지 않도록 작고, 튼튼하고, 유연할 필요가 있다.

머리카락보다 가는 센서

연구팀이 개발한 센서의 두께는 16 마이크로미터여서 사람의 머리카락(100 마이크로미터)보다 훨씬 가늘며, 길이도 몇 마이크로미터여서 무게가 mg보다도 작다고 한다. 또한 연구팀이 개발한 현재의 센서는 67일이면 1% 식염수에서 완전히 녹는다고 한다. 센서는 물에 잠겨있을 때에 1일간 충분히 기능을 수행하는 것으로 확인되었다. 이 정도의 시간은 일본에서 유럽으로 항공 운송되는 물고기를 모니터링하는데 충분하다고 한다. Salvatore는 "폴리머의 두께를 조절함으로써 운영 시간을 쉽게 조절할 수 있다."라고 밝혔다. 그러나 두꺼운 센서는 유연성이 떨어진다. 현재의 센서는 매우 얇기 때문에 완전히 구겨지거나 접혀도 기능을 수행할 수 있다고 한다. 심지어 원래 크기의 10%까지 구기더라도 센서의 기능에는 이상이 없었다.

전력 공급을 위하여 연구팀은 초박형 생분해성 아연 케이블을 이용한 외부 마이크로 배터리를 센서에 연결시켰다. 센서에 연결되는 칩에는 블루투스 기능을 통하여 외부의 컴퓨터에 온도 데이터를 보내는 마이크로프로세서와 송신기가 부착되어 있다. 이런 방식으로 제품에서 10~20 미터의 범위 이내에서 제품의 온도를 모니터링 할 수 있다고 한다.

흔해지는 바이오센서

생체적합 마이크로센서를 만드는 것은 현재 상황에서는 많은 시간과 비용이 소요되는 과정이다. 그러나 Salvatore는 거대 시장을 위하여 이런 센서들을 생산할 수 있을 것으로 확신하고 있다. 특히 전자 회로 인쇄 방법이 점점 정교해지기 때문에 이를 가능하게 해준다고 한다. 그는 "바이오센서의 가격이 충분히 하락하면 이들은 거의 모든 곳에서 이용될 수 있을 것이다."라고 밝혔다. 센서는 물리적 세계와 디지털 세계 사이의 연결 고리를 제공함으로써 식품을 사물 인터넷의 일부로 만들게 될 것이다. 또한 센서의 이용은 온도의 측정에 제한되지 않고 압력, 가스, 자외선 피폭 등을 모니터링 하는데도 활용될 수 있을 것이다.

Salvatore는 이들 생분해성 센서들이 앞으로 5~10년 이내에 우리의 삶의 일부가 될 것으로 예상하고 있다. 물론 이를 위해서는 산업계의 관심이 요구되고 있다. 그 때에는 배터리나 마이크로프로세서도 마이크로센서에 통합되게 될 것이라고 그는 지적했다. 이들 센서들이 사람의 건강이나 환경에 대한 우려 없이 이용되기 위해서는 더 많은 연구가 요구되고 있다. 이를 위하여 연구팀은 센서에 전력을 공급할 수 있는 생체 적합 에너지원도 찾고 있다.

출처: 한국바이오안전성정보센터(KBCH)『바이오화학산업동향(TWB)』

원문출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2017/09/170928094208.htm