[논문]웰니스 의류에 적용 가능한 바이오센서 동향 연구

김효진

doi:10.14400/jdc.2017.15.11.231

[국내논문] 웰니스 의류에 적용 가능한 바이오센서 동향 연구
A Review Study of Biosensors applicable to Wellness Wear 원문보기

디지털융복합연구 = Journal of digital convergence, v.15 no.11, 2017년, pp.231 - 243

초록
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본 논문은 전기적 감지 방식 바이오센서의 개념을 리뷰하고, 의류 및 텍스트 기반의 바이오센서의 연구 사례를 조사하였다. 생체 신호를 측정 할 수 있는 바이오센서는 생물학적 감지 물질을 이용하여 생물학적 물질의 물리적, 화학적 특성을 감지하는 장치이다. 따라서 바이오센서를 사용하여 생체신호를 측정할 수 있는 웰니스 의류는 U-Health 서비스를 제공하는데 중요한 역할을 한다. 기존 센서와 다르게 바이오센서의 차별화된 특징은 선택적 반응과 생물학적 물질의 결합을 사용한다는 점이다. 이러한 바이오센서 중 전기적 감지 바이오센서는 전기 신호의 처리로 인해 크기가 매우 작아 유비쿼터스 환경을 조성하는데 이용될 수 있다. 따라서 웰니스 의류를 개발하기 위해 소형화가 쉬운 전기적 감지 바이오센서를 연구할 필요가 있다. 본 논문에서는 전기적 감지 바이오센서(전기화학적 방식, 나노와이어/탄소나노튜브 기반 FET 방식)에 대해 자세히 기술하였다. 마지막으로, 이러한 고찰을 통해 향후 웰니스 의류에 적용 가능할 바이오센서의 기술개발 방향을 제언하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper provides a review of the electrical sensing biosensors and examine research cases of biosensors based on clothing and textiels. A biosensor which can measure bio-signals is a device that senses the physical and chemical characteristics of biological materials by using biological sensing materials. Therefore, wellness wear that is closely integrated with the user's real life will play an important role in achieving U-Health. The biosensors' unique feature which can be differentiated from the existing sensors is it's using of selective reactions and binding of biological substances. The electrical sensing biosensors are very small in size due to the processing of electrical signals, which can be used to create ubiquitous. Therefore, it is necessary to study electrical sensing biosensors that are easy to miniaturize to develop wellness wear. This paper describes the electrical sensing biosensor (an electrochemical method nanowire/carbon nanotube FET method) in detail. Finally, the future direction of biosensors to be applied to wellness wear is suggested.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

8]과 같이 속옷의 허리 부분에 직접 탄소 전극을 인쇄하여 섬유기반 전류 센서를 연구하였다. 그리고 기계적 스트레스가 전기화학적 성능에 미치는 영향을 연구하였다. 직물 기질에 전극을 직접 스크린-프린팅(screen-printing)하는 것은 의복 기반 전기 화학적 센서 제조에 매우 편리한 기술이다.
전기적 감지 방식을 이용하는 바이오센서를 전기화학적 방식 바이오센서와 나노와이어/탄소나노튜브 기반 FET 바이오센서로 나누어 이들의 개념, 원리, 제작 방법 그리고 관련 선행연구들을 기술하였다. 또한 의류 및 텍스타일 기반 바이오센서의 연구 사례들을 제시하여 웰니스 의류에 적용된 바이오센서에 대한 이해를 높이고자 하였다. 이러한 고찰을 통해 향후 웰니스 의류에 적용 가능할 바이오센서의 기술개발 방향을 제언하였다.
또한 생체물질은 환경 조건에 매우 민감하기 때문에 열악한 환경에서 잘 견디고 신뢰성 높은 바이오센서를 개발해야 한다. 또한, 바이오센서 기술개발 추세는 여러가지 성분을 동시에 검출할 수 있는 마이크로 어레이 형태를 개발하는 것이다. 바이오센서가 한 가지 바이오물질을 검출하던 기존의 제품을 뛰어넘어 바이오센서가 서브타입 바이러스, 병원균 등을 검출할 수 있는 새로운 제품으로 확대되기 위해서는 동시에 여러 가지 바이오물질의 측정이 가능해야하기 때문이다.
본 논문에서는 바이오센서의 정의와 신호변환기의 형태에 따른 유형을 소개하고, 이 중 U-Health 환경을 구현하기에 적합한 전기적 감지 방식을 이용하는 바이오센서에 대해 기술하였다. 전기적 감지 방식을 이용하는 바이오센서를 전기화학적 방식 바이오센서와 나노와이어/탄소나노튜브 기반 FET 바이오센서로 나누어 이들의 개념, 원리, 제작 방법 그리고 관련 선행연구들을 기술하였다.
본 논문은 향후 웰니스 의류의 개발을 위해 웰니스 의류에 적용 가능한 전기적 감지 방식 바이오센서인 전기화학적 방식의 바이오센서와 나노와이어/탄소나노튜브 기반 FET 바이오센서의 개념, 원리 그리고 선행연구들에 대하여 고찰하였다. 웰니스 의류로서 의복의 기능과 U-Health 서비스 제공의 기능을 동시에 가지려면 기본적으로 소형화, 비표지, 대량생산 등이 가능한 바이오센서의 개발이 필수적이다.

제안 방법

전기적 감지 방식에 의한 바이오센서는 검출하고자 하는 생체물질(DNA, 단백질 등)이 센서 생체감지물질의 탐침(probe)과 특이적으로 결합할 때 유도되는 센서의 전기적 특성 변화를 검출한다[10]. 이러한 바이오센서를 소형화하여 고감도의 센서를 제조하는 연구가 주로 진행되어 왔다.
본 논문에서는 바이오센서의 정의와 신호변환기의 형태에 따른 유형을 소개하고, 이 중 U-Health 환경을 구현하기에 적합한 전기적 감지 방식을 이용하는 바이오센서에 대해 기술하였다. 전기적 감지 방식을 이용하는 바이오센서를 전기화학적 방식 바이오센서와 나노와이어/탄소나노튜브 기반 FET 바이오센서로 나누어 이들의 개념, 원리, 제작 방법 그리고 관련 선행연구들을 기술하였다. 또한 의류 및 텍스타일 기반 바이오센서의 연구 사례들을 제시하여 웰니스 의류에 적용된 바이오센서에 대한 이해를 높이고자 하였다.
FET는 소스(source), 드레인(drain), 게이트(gate) 등 세 개의 전극으로 구성되는데, 소스와 드레인 사이에 흐르는 전류의 양을 게이트 전압을 통해 조절할 수 있다. 표면전하를 가지는 생체분자들이 게이트 전극 표면에 존재하게 되면 표면전하의 영향으로 FET에 흐르는 전류에 변화가 생기는데, 이렇게 달라진 전류를 감지하여 항원, 항체, DNA, 단백질, 효소, 바이러스 등 다양한 생체물질의 신호를 감지하여 정량분석을 한다. FET는 도핑(doping)이란 불순물을 주입하는 공정을 통해서 p형, n형 등 특성이 다른 소자를 만들 수 있어 분석하고자 하는 생물학적 요소에 따라 알맞게 사용할 수 있다[5].

이론/모형

먼저 기판을 만들고 필요 없는 부분을 깎아 내려가면서 만드는 것이다. bottom-up 방법은 위치제어가 어려워 대량 생산이나 센서의 집적화에는 한계가 있어 이를 해결하기 위해 리소그래피(lithography)와 식각 기술을 이용한 top-down 방법의 실리콘 반도체 제작 공정을 사용한다. 이는 기존의 상보형금속산화반도체(complementary metal-oxide semiconductor, CMOS; p 채널의 MOS 트랜지스터와 n채널의 그것을 서로 절연하여 동일 칩에 만들어 넣어 양자가 상보적으로 동작하도록 한 것) 공정을 그대로 활용 할 수 있어 대량 생산을 통한 실용화에 유리하다[10].
(2014)은 간단하고 저렴한 면 FED(fabric-based electrochemical device, 직물 기반 전기화학 장치)를 사용하여 타액 샘플의 젖산 농도를 신속하고 비침습적으로 측정하는 방법을 연구하였다. 면FED는 전극을 패터닝(patterning)하기 위한 템플레이트(template) 방법과 샘플배치 및 반응영역을 생성하기 위한 왁스-패터닝(wax-patterning) 기술을 사용하여 제작되었다. 젖산 산화효소(lactate oxidase)는 간단한 포획 방법을 사용하여 반응 구역에서 고정화시켰다.

성능/효과

센서는 인체에서 나오는 수증기(수산화 암모늄, 에탄올, 피리딘, 트리 에틸 아민, 메탄올, 아세톤)에 전형적으로 존재하는 다양한 휘발성 화합물로 시험되었다. 간단한 패턴 인식 기술을 사용함으로써 프로토 타입 전자코가 사람의 체취에 따라 서로 다른 개인을 구별할 수 있음을 발견하였다. 센서 어레이(array)는 소형 데이터 수집 시스템과 통합되어 향후에는 직물에 내장될 수 있을 것이다.
화학적 감지 FET를 반도체 집적회로 제조공정 기법을 이용하여 만들게 되면 바이오센서가 대단히 정교해져서 극소형 및 초경량 바이오센서의 대량생산이 가능하게 될 것이다. 넷째, 탄소나노튜브 기반 바이오센서는 합성과정에서 전자특성을 쉽게 제어할 수 있고, 탄소나노튜브에 DNA를 붙이는 과정에서 신호를 증폭하기 용이하며 재현성이 높을 뿐만 아니라 제조공정 또한 쉽다. 탄소나노튜브 기반 FET 바이오센서는 고감도의 신호 변환이가능하고 극소량의 생체물질을 이용하여 유전자를 분석할 수 있으며 단일세포 또는 국소부위에서 세포의 생화학적 신호전달, 신진대사 등을 실시간으로 모니터링하는 것이 가능하다.
탄소나노튜브 기반 FET 바이오센서는 고감도의 신호 변환이가능하고 극소량의 생체물질을 이용하여 유전자를 분석할 수 있으며 단일세포 또는 국소부위에서 세포의 생화학적 신호전달, 신진대사 등을 실시간으로 모니터링하는 것이 가능하다. 다섯째, 탄소나노튜브 기반 FET 바이오 센서는 고가의 장비가 필요 없고 소형화, 집적화 및 실시간 측정을 할 수 있으며 우수한 감도 특성을 가지고 있다. 여섯째, CVD법을 이용하면 불순물이 없는 고순도, 고밀도의 정렬된 나노튜브를 성장시킬 수 있고 규모의 확대가 가능하기 때문에 나노튜브를 어레이 형태로 대량 생산할 수 있다.
첫째, 나노와이어는 높은 종횡비(aspect ratio)를 지니고 있기 때문에 표면에서의 정밀한 바이오 상호작용 검출을 가능하게 한다. 둘째, 나노와이어는 전기적으로 스위칭(switching)이 가능하기 때문에 직접적인 비표지 바이오 물질 검출에 매우 유용하다. 셋째, 나노와이어의 크기는 100nm 이하로 축소가 가능하기 때문에 칩 내에서 높은 밀도를 이루어 생체 내에서 실시간으로 여러 가지 시료를 검출할 수 있다[17].
다만, CVD법을 이용한 bottom-up 방법은 나노와이어 위치제어가 어려워 대량 생산에 한계가 있으므로 top-down 방법의 실리콘 반도체 제작 공정을 사용해야 할 것이다. 셋째, 화학적 감지 FET는 감지반응이 빨라서 생체 내외의 측정에 유리한 조건을 갖추고 있다. 화학적 감지 FET를 반도체 집적회로 제조공정 기법을 이용하여 만들게 되면 바이오센서가 대단히 정교해져서 극소형 및 초경량 바이오센서의 대량생산이 가능하게 될 것이다.
다섯째, 탄소나노튜브 기반 FET 바이오 센서는 고가의 장비가 필요 없고 소형화, 집적화 및 실시간 측정을 할 수 있으며 우수한 감도 특성을 가지고 있다. 여섯째, CVD법을 이용하면 불순물이 없는 고순도, 고밀도의 정렬된 나노튜브를 성장시킬 수 있고 규모의 확대가 가능하기 때문에 나노튜브를 어레이 형태로 대량 생산할 수 있다. CVD법으로 생성된 나노튜브는 초고감도를 지니나, 그 가격이 고가이기 때문에 비용을 낮추는 방안을 모색할 필요가 있다.

후속연구

나노와이어 기반 FET 방식의 바이오선세는 고감도의 신호 변환이 가능하고 공정과정이 저렴하며 편리하다는 장점이 있다. 다만, CVD법을 이용한 bottom-up 방법은 나노와이어 위치제어가 어려워 대량 생산에 한계가 있으므로 top-down 방법의 실리콘 반도체 제작 공정을 사용해야 할 것이다. 셋째, 화학적 감지 FET는 감지반응이 빨라서 생체 내외의 측정에 유리한 조건을 갖추고 있다.
바이오센서의 시장 규모를 확장하기 위해서 는 사용 과정이 단순해야 하고 낮은 단가로 생산해야 한다. 또한 생체물질은 환경 조건에 매우 민감하기 때문에 열악한 환경에서 잘 견디고 신뢰성 높은 바이오센서를 개발해야 한다. 또한, 바이오센서 기술개발 추세는 여러가지 성분을 동시에 검출할 수 있는 마이크로 어레이 형태를 개발하는 것이다.
웰니스 의류로서 의복의 기능과 U-Health 서비스 제공의 기능을 동시에 가지려면 기본적으로 소형화, 비표지, 대량생산 등이 가능한 바이오센서의 개발이 필수적이다. 또한 수준 높은 의료서비스를 제공하는 웰니스 의류의 개발을 위해서는 고감도 센싱, 실시간 측정 등이 가능한 바이오센서의 개발도 필요하다.
비표지 방식 바이오센서의 구현을 위해서는 신호 변환 공정 기술, 바이오마크 구성기술, 플렉서블한 바이오센서를 위한 전도성 고분자 도입 기술 등의 개발이 필요하다. 또한, 비침습형 바이오센서의 구현을 위해서는 생체 정보 모니터링 시스템 기술, 의류에 적용 가능한 바이오센서 구성 요소 기술, 무선 원격 측정 시스템 기술 등이 개발되어야 할 것이다. 아직은 해결할 부분이 많은 바이오센서의 개발을 통해 안정적이고 정확한 U-Health 서비스를 실시간으로 구현할 수 있는 웰니스 의류가 개발되고 대중화되길 기대해 본다.
또한, 비침습형 바이오센서의 구현을 위해서는 생체 정보 모니터링 시스템 기술, 의류에 적용 가능한 바이오센서 구성 요소 기술, 무선 원격 측정 시스템 기술 등이 개발되어야 할 것이다. 아직은 해결할 부분이 많은 바이오센서의 개발을 통해 안정적이고 정확한 U-Health 서비스를 실시간으로 구현할 수 있는 웰니스 의류가 개발되고 대중화되길 기대해 본다.
또한 의류 및 텍스타일 기반 바이오센서의 연구 사례들을 제시하여 웰니스 의류에 적용된 바이오센서에 대한 이해를 높이고자 하였다. 이러한 고찰을 통해 향후 웰니스 의류에 적용 가능할 바이오센서의 기술개발 방향을 제언하였다.
현재 딥-코팅으로 기능화 된 의류 호환 바이오센서 소재(나일론), 센서 어레이와 소형 데이터 수집 시스템의 통합으로 직물에 내장하는 바이오센서, 의복 기반 전기화학적 바이오센서를 제조할 수 있는 스크린-프린팅, 면사의 기능화로 직물 기반 전기화학적 바이오센서를 제조,친수성 및 소수성 원사를 사용하여 간단한 유체 제어로 샘플 흐름 경로를 패턴화, 간단하고 저렴한 면 FED 등 의류 및 텍스타일 기반의 바이오센서 개발을 위한 연구들이 진행되고 있다. 이러한 선행연구들을 바탕으로 향후 Health ICT 기반 바이오메카트로닉스인 웰니스 의류를 개발하기 위해서는 나노와이어/탄소나노튜브 기반 FET 바이오센서와 같은 비표지 방식의 바이오센서와 전기화학적 방식의 바이오센서와 같은 비침습형 바이오센서가 필요하다고 사료된다. 비표지 방식 바이오센서의 구현을 위해서는 신호 변환 공정 기술, 바이오마크 구성기술, 플렉서블한 바이오센서를 위한 전도성 고분자 도입 기술 등의 개발이 필요하다.
셋째, 화학적 감지 FET는 감지반응이 빨라서 생체 내외의 측정에 유리한 조건을 갖추고 있다. 화학적 감지 FET를 반도체 집적회로 제조공정 기법을 이용하여 만들게 되면 바이오센서가 대단히 정교해져서 극소형 및 초경량 바이오센서의 대량생산이 가능하게 될 것이다. 넷째, 탄소나노튜브 기반 바이오센서는 합성과정에서 전자특성을 쉽게 제어할 수 있고, 탄소나노튜브에 DNA를 붙이는 과정에서 신호를 증폭하기 용이하며 재현성이 높을 뿐만 아니라 제조공정 또한 쉽다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	생체 신호를 측정 할 수 있는 바이오센서는?	본 논문은 전기적 감지 방식 바이오센서의 개념을 리뷰하고, 의류 및 텍스트 기반의 바이오센서의 연구 사례를 조사하였다. 생체 신호를 측정 할 수 있는 바이오센서는 생물학적 감지 물질을 이용하여 생물학적 물질의 물리적, 화학적 특성을 감지하는 장치이다. 따라서 바이오센서를 사용하여 생체신호를 측정할 수 있는 웰니스 의류는 U-Health 서비스를 제공하는데 중요한 역할을 한다.
	웰니스 의류의 특징은?	생체 신호를 측정 할 수 있는 바이오센서는 생물학적 감지 물질을 이용하여 생물학적 물질의 물리적, 화학적 특성을 감지하는 장치이다. 따라서 바이오센서를 사용하여 생체신호를 측정할 수 있는 웰니스 의류는 U-Health 서비스를 제공하는데 중요한 역할을 한다. 기존 센서와 다르게 바이오센서의 차별화된 특징은 선택적 반응과 생물학적 물질의 결합을 사용한다는 점이다.
	표지식 바이오 포토닉 센서 기술의 단점은?	일반적으로 형광물질, 인광물질, 발색물질, 방사선물질 등의 발광 물질을 인식물질에 표지하여 인식물질과 분석물질과의 반응 유무를 표지된 발광물질의 광신호를 감지하여 검출해 내는 기술을 표지식 바이오 포토닉 센서 기술이라고 한다. 이러한 분석 방법은 상당히 민감하지만 매우 느리고 고가의 분석 장비가 있어야 한다는 단점을 가지고 있다. 이러한 단점을 극복하기 위하여 생화학 반응 유무를 비표지(label-free) 방식으로 측정하는 기술이 개발되었다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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