[한국기술뉴스] 성균관대학교(총장 신동렬) 화학공학/고분자공학부 김태일 교수 연구팀은 박병학 박사의 주도 아래 거미 다리의 패드를 모사하여 외부 노이즈를 선택적으로 제거하는 댐핑 소재 및 이를 이용한 전자 소자를 개발하는 데 성공했다.

최근 생체 전자 소자는 상용화된 스마트워치 및 스마트폰을 비롯해 몸에 부착되거나 삽입된 형태로 중요한 생체 신호를 측정한다. 더 정밀한 측정을 위해 소자의 성능을 높이려는 연구가 많이 진행되었으나, 소자의 성능이 증가함에 따라 생체 신호 측정 시 움직임에 의한 노이즈를 비롯하여 다양한 생체 신호의 간섭이 원하는 신호를 구분하는 데 어려움을 주는 문제가 있다. 특히, 단순한 걷기, 움직임과 같은 생활 노이즈들은 대부분 30Hz 미만의 대역을 가지며 필연적으로 생체 신호 수집을 방해하는 요인 중 하나이다. 상용화된 전자 소자를 비롯하여 노이즈를 줄이기 위한 현재 연구 단계는 신호 처리 기술 및 이를 이용한 머신러닝 기반의 신호 분류가 많이 집중되고 있다. 하지만 이는 신호의 왜곡을 야기하고 추가적인 회로가 필요하며 즉각적인 신호 대역을 바꾸기 어렵다는 단점이 있다. 이 외에 다른 충격 흡수(댐핑) 재료들의 경우 선택적인 흡수가 아닌 모든 파장대를 흡수하는 문제점이 있다.

이에 연구팀은 위의 문제점을 자연의 재료로부터 영감을 받아 해결하고자 했다. 거미의 경우 매우 민감한 진동 수용체를 가지고 있어 적이나 먹이, 혹은 짝으로부터의 진동 신호를 민감하게 받아들일 수 있다. 흥미롭게도 바람이나 비와 같은 외부 노이즈들에서도 원하는 신호를 잘 읽을 수 있는데, 이는 진동 수용체 아래에 위치한 점탄성 패드(cuticular pad)가 선택적으로 낮은 주파수의 신호를 흡수하고 높은 주파수 대역을 진동수용체로 전달하기 때문이다.

이를 바탕으로 연구팀은 거미의 패드의 원리를 모사하여 필요한 영역대의 상대적으로 높은 주파수 대역을 갖는 생체 신호를 통과시키고, 낮은 주파수 대역을 갖는 노이즈들을 선택적으로 제거하는 새로운 소재를 세계 최초로 개발하였다. 거미의 패드의 경우 키틴이라는 당과 단백질로 이루어져있고, 키틴의 경우 인접한 고분자 사슬끼리 많은 수소결합을 형성하고 단백질의 경우 사슬 사이에서 상변화를 유도한다는 것을 확인하고, 젤라틴/키토산 기반의 점탄성 하이드로젤을 제작하였다. 실제로 젤라틴/키토산 기반의 점탄성 하이드로젤은 다른 소재보다 높은 충격흡수 에너지 및 주파수 선택도를 갖는 것을 확인하였다. 또한 온도를 외부에서 45도까지 조절하면 약 1 Hz에서 50 Hz 까지 댐핑 영역대를 실시간으로 조절할 수 있음을 확인하였다.

이를 이용하여 스트레인 센서와 결합하여 목 진동, 심박수 등의 기계적 생체 신호를 노이즈 하에서 높은 신호대 잡음비로 읽을 수 있고, 심전도, 뇌파 등의 전기적 생체 신호 역시 노이즈 하에서 안정적으로 검출이 가능함을 확인하였다. 신호처리를 이용하여 노이즈를 제거한 기존의 방법보다 높은 신호대 잡음비를 얻는 것으로, 재료가 선택적으로 노이즈를 댐핑하는 것이 기존의 방법보다 훨씬 효과적임을 입증하였다.    

연구를 진행한 박병학 박사는 “이 연구는 자연이 가진, 거미의 특수한 기계적 성질을 모방하여 기존의 전자 소자가 가지고 있던 고질적인 노이즈 문제를 재료적으로 해결한 사례”라며, “전자 소자의 성능만을 높이는 것 뿐 아니라 선택적으로 외부 노이즈를 줄이는 것이 더 효과적인 생체 신호 수집의 방법이 될 수 있다”고 설명했다. 김태일 교수는 “노이즈를 최소화하여 생체 신호 모니터링 연구가 활성화되어 실시간으로 얻기 어려웠던 민감한 신호를 읽어내 진단 및 의공학 분야에서 큰 활용이 있을 것으로 전망한다”고 연구의 의의와 후속연구 계획을 설명했다.

본 연구 성과는 과학기술정보통신부·한국연구재단 미래창조과학부의 학문균형발전지원사업(NRF-2019R1I1A2A01061966), 휴먼플러스융합연구개발사업(NRF-2020M3C1B8016137), 뇌과학원천기술개발사업(NRF-2019M3C7A1032076), 산업통상자원부 및 산업기술평가관리원 주관 2020년 산업기술거점센터 육성시범사업(20013794) 그리고 산업통상자원부 및 한국산업기술진흥원 주관 2021년 산업혁신인재성장지원사업(해외연계)(P0017305)의 지원으로 수행되었으며, 세계적 국제학술지 ‘Science’에 5월 6일 게재되었다.