[아이뉴스24 박종수 기자] 전북대학교 정성용 교수 연구팀(신소재공학부 전자재료공학전공)이 날숨 속 미량의 가스를 분석해 질병을 조기에 발견하는 차세대 호흡 진단 센서의 핵심 기술과 발전 방향을 제시해 주목받고 있다.
연구팀은 호흡 분석에 활용되는 산화물 반도체 가스센서의 최신 연구 성과를 종합하고, 질병과 관련된 특정 가스를 선택적으로 검출하기 위한 설계 전략과 임상 적용 과제를 체계적으로 정리했다.
이번 연구는 ‘Metal Oxide Semiconductor Gas Sensors for Breath Analysis: Principles, Selectivity Strategies, and Clinical Perspectives'라는 제목으로 국제학술지 『Small Structures』에 게재됐으며, 커버 피처(Cover Feature)로 선정됐다.
사람의 날숨에는 인체 대사 과정에서 생성되는 다양한 가스가 포함돼 있다. 이 가운데 아세톤은 당뇨병, 이소프렌은 심혈관질환, 암모니아는 신장질환, 황화수소는 구강질환, 일산화질소는 천식, 수소는 소화기 건강 상태와 관련된 바이오마커로 연구되고 있다.
이러한 성분을 분석하는 호흡 진단은 혈액을 채취하지 않고도 건강 정보를 얻을 수 있다는 점에서 차세대 비침습 진단 기술로 관심을 모으고 있다.
산화물 반도체 가스센서는 미량의 가스를 높은 민감도로 검출할 수 있고, 소형화와 대량생산에도 유리해 호흡 진단의 핵심 기술로 꼽힌다.
다만 실제 날숨에는 여러 가스가 섞여 있고 수분 함량도 높아, 질병과 관련된 특정 성분만을 정확하게 구별하기가 쉽지 않다. 서로 다른 가스에 비슷하게 반응하거나 높은 습도에서 성능이 떨어지는 문제는 의료 현장 적용을 위해 해결해야 할 과제다.
연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 질병별 바이오마커를 중심으로 기존 연구 성과를 분석하고, 센서의 선택성을 높이는 핵심 기술을 비교했다.
귀금속 촉매를 활용한 가스 반응 제어, 나노구조와 반도체 계면 설계, 촉매 필터를 통한 간섭가스 제거 등 다양한 접근법의 작동 원리와 장단점을 정리했다.
또한 높은 습도에서도 안정적으로 작동하는 센서 소재와 저전력 초소형 센서 시스템의 필요성을 강조했다. 인공지능 기반 데이터 분석을 접목해 여러 가스가 섞인 복잡한 호흡 신호를 해석하는 기술도 주요 발전 방향으로 제시했다.
이번 연구는 개별 센서 소재의 성능 향상을 넘어 소재 설계부터 센서 시스템, 데이터 분석, 임상 적용까지 연결하는 통합적인 연구 방향을 제안했다는 데 의미가 있다.
향후 휴대용 호흡 분석기와 개인 맞춤형 건강관리 시스템 등 일상에서 활용할 수 있는 비침습 헬스케어 기술 발전에 기여할 것으로 기대된다.
정성용 교수는 “호흡 분석 기술은 간단히 숨을 내쉬는 것만으로 다양한 건강 정보를 얻을 수 있다는 점에서 미래 의료 분야의 활용 가능성이 크다”며 “이번 연구를 통해 고선택성 가스센서의 핵심 설계 전략과 기술적 과제를 체계적으로 정리하고, 차세대 호흡 진단 플랫폼이 나아가야 할 방향을 제시하고자 했다”고 밝혔다.
이어 “앞으로도 고성능 가스센서 소재와 초소형 센서 시스템, 인공지능 기반 데이터 분석 기술을 융합해 일상생활에서 손쉽게 건강 상태를 모니터링할 수 있는 지능형 헬스케어 센서 기술을 개발해 나가겠다”고 덧붙였다.
이번 논문에는 정성용 교수 연구팀의 윤성영·서정후 연구원이 공동 제1저자로, 전북대 정성용 교수와 중국 지린대 Tianshuang Wang 교수, 국립공주대 장아랑 교수가 공동 교신저자로 참여했다. 스페인 하우메 1세 대학교 연구진도 함께한 국제 공동연구로 수행됐다.
한편, 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단의 중견연구(창의연구형) 사업, 교육부·한국연구재단의 글로컬 R&D 지원사업, 산업통상자원부의 산업기술혁신사업 등의 지원을 받아 수행됐다.
/전북=박종수 기자(bells@inews24.com)