서울대학교 공과대학은 기계공학부 웨어러블 소프트 전자소자 연구실(Wearable Soft Electronics Lab)의 고승환 교수 연구팀이 반창고처럼 피부에 부착해 장기간에 걸쳐 혈압을 실시간 연속 측정할 수 있는 웨어러블 전자소자를 개발했다.

이 기술은 팔에 공기주머니를 감아 압력을 가한 뒤 혈압을 측정하는 기존 커프(Cuff) 방식과 달리 작고 부드러운 전자소자만으로 혈압 변화를 지속적으로 측정할 수 있다는 강점 덕분에 세계적 주목을 받고 있다.

서울대학교 해외 첨단 공동연구센터 설립 사업의 지원으로 미국 카네기멜론대학교(Carnegie Mellon University)와 함께 수행한 이번 공동연구의 결과는 재료과학 분야의 국제 저명학술지 ‘Advanced Functional Materials’(IF 19.0, JCR 상위 4.9%) 온라인판에 게재됐다.

연구 배경

전 세계적으로 13억 명에 달하는 고혈압 환자 중 불과 21%만 질환을 효과적으로 관리 중인 현실은 심각한 건강 문제를 초래하고 있다. 그러나 현재 널리 사용되는 커프 기반 혈압 측정 방식의 경우 측정이 일회성에 그쳐 연속적 측정이 어려울 뿐 아니라 크기에 따른 불편함으로 일상생활 중 장기간의 혈압 모니터링에 부적합하다. 또한 환자가 부정확한 위치에서 측정하거나 심리적으로 긴장하면 측정 정확도가 저하되는 문제도 있다.

이처럼 개인의 건강 상태와 생활 습관에 따라 다이내믹하게 바뀌는 혈압의 동적 변화를 파악하지 못하는 기존의 측정법은 심혈관계 질환의 조기 진단 및 예방에 한계를 보인다. 따라서 환자가 소자를 피부에 부착해 편안하게 사용하면서 연속적으로 혈압을 측정할 수 있는 새로운 형태의 혈압 모니터링 기술의 개발이 시급한 실정이다.

연구 성과

이 문제의 해결에 나선 연구팀은 심장에서 동시에 발생하는 전기적 신호(심전도)와 기계적 신호(맥박)가 손목에 도달하는 시간이 혈압에 따라 달라지는 점에 착안해 연속 혈압 모니터링 기술을 고안했다. 전기적 신호는 심장이 뛰는 순간 신체를 따라 빠르게 전달되기 때문에 거의 즉시 손목에서 감지된다. 반면 기계적 신호는 심장이 수축하며 혈액이 밀려오는 과정에서 전달이 지연되므로 심장이 뛴 후 손목 피부가 미세하게 움직이기까지 어느 정도의 시간이 걸린다.

이 시간차는 혈압과 직접적으로 연관돼 있는데, 혈압이 높으면 혈류 속도가 빨라져 두 신호의 도달 시간 차이가 짧아지고, 반대로 혈압이 낮으면 차이가 더 길어진다. 연구팀은 이 원리를 바탕으로 매 심장 박동마다 두 신호를 정밀하게 감지하고 그 결과를 분석해 수축기·이완기 혈압을 연속 측정하는 모델을 구현했다.

그런데 혈액의 흐름에 따라 나타나는 피부의 미세한 변화를 포착하기란 쉽지 않다. 이에 연구팀은 다음 단계로 액체금속(Liquid Metal)이라는 독특한 소재를 활용해 환자의 피부에 자연스럽게 밀착되는 전자소자를 고안했다. 상온에서도 액체 상태를 유지하면서 전기가 잘 흐르는 액체금속은 마치 피부처럼 늘어나는 특성도 지녀 이 전자소자의 소재로서 적합했다.

그러나 액체금속은 표면 장력이 매우 높아 회로를 정밀하게 그리거나 고정된 형태로 만들기 매우 어려웠다. 이 한계를 뛰어넘기 위해 연구팀은 ‘레이저 소결(Laser-sinter)’이라는 독자적 공정을 고안했다. 미세하게 분산된 액체금속 입자를 순간 레이저로 가열해 서로 융합시키는 이 방식을 활용하면 원하는 특정 위치에만 회로를 그릴 수 있기 때문이다. 마침내 연구팀은 해당 공정을 통해 별도의 화학물질 추가 없이 우수한 전기 전도성을 지니면서 쉽게 변형 가능한 연속혈압측정 웨어러블 전자소자를 개발하는 데 성공했다.

해당 전자소자는 전기적·기계적 성능이 모두 우수해 심장에서 유래한 심전도와 맥박을 모두 정밀하게 측정할 수 있다. 또한 연구팀은 실험을 통해 소자가 원래 길이의 700%까지 늘어나거나 1만 번 이상 반복해 늘어나도 성능이 유지됨을 확인했다. 더불어 실제 운동 전후에 나타나는 혈압의 급격한 상승 및 회복 과정을 연속 측정하는 데 성공하며, 기존 커프 방식보다 더 섬세한 혈압 모니터링 능력을 입증했다.

기대 효과

이번 연구에서 개발된 연속혈압측정 웨어러블 전자소자는 향후 일상 속 건강 관리 방식을 획기적으로 변화시킬 것으로 기대된다. 손목에 간단히 부착하는 것만으로도 혈압 변화를 실시간으로 확인할 수 있어 이전처럼 병원이나 정적인 장소에서만 혈압 측정이 가능했던 번거로움을 줄일 수 있다. 특히 조용한 시한폭탄이라 불리는 고혈압과 같은 만성 질환을 가진 환자들에게 언제 어디서나 현재 상태를 모니터링할 수 있는 전자소자는 실질적 도움이 된다.

그리고 운동 중 혈압의 급격한 변화나 회복을 추적할 수 있어 개인 맞춤형 운동 처방이나 피트니스 코칭에도 활용 가능하다. 나아가 스마트워치, 패치형 의료기기, 통기성 의류형 센서 등 다양한 형태의 웨어러블 디바이스에 통합될 수 있는 핵심 기술로서의 산업적 잠재력도 지닌다. 장기적으로는 누구나 병원이 아닌 일상적 공간에서 질병을 예방하고 건강을 관리하는 스마트 헬스케어 시대를 앞당기는 데 기여할 것으로 예상된다.

연구진 의견

연구를 이끈 고승환 교수는 “이번 연구성과는 혈압 측정은 귀찮고, 번거롭고, 하루에 한 번 정도면 충분하다는 기존 인식을 전환시킬 것”이라며 “특히 비침습적 방식으로 신체의 생리 신호를 일상에서 실시간 감지하고 해석할 수 있는 헬스케어 인터페이스를 제시했다는 점에서 그 의미가 크다”고 밝혔다.

아울러 “이 기술은 중환자 모니터링, 작업자 안전 모니터링, 생활 건강 데이터 분석 등 다양한 분야로 확장 가능한 잠재력을 지녔으므로 앞으로 현대인이 삶의 질을 향상하는 데 사용하는 실질적 도구로 자리매김할 것”이라고 덧붙였다.

연구진 진로

이번 논문의 공동 제1저자인 박정재 연구원과 홍상우 연구원은 본 연구를 바탕으로 생체신호 기반 스마트 센서 기술을 한층 더 고도화하는 후속 연구에 정진하고 있다. 두 연구원은 향후 다양한 소재의 기판, 무선통신 기능, 인공지능 기반 데이터 분석 기술 등을 해당 기술에 통합해 실사용성과 확장성을 높이는 연구를 이어갈 계획이다.