생물학적 감지 응용 분야를 위한 광센서의 기술 동향

이전 기사에서 설명한 SWIR 기술의 기본 원리를 바탕으로, 특정 응용 분야로 주목받고 있는 비침습적 바이오센싱 기술에 대해 논의해보겠습니다.

전 세계 당뇨병 환자 증가

최근 몇 년간 세계 경제 발전과 이에 따른 식생활 변화로 인해 전 세계적으로 당뇨병 환자와 당뇨병 위험군의 수가 증가하고 있습니다. 국제당뇨병연맹(IDF)*에 따르면, 2021년 5억 4천만 명이었던 전 세계 당뇨병 인구는 2045년에는 7억 8천만 명에 이를 것으로 예상됩니다.
* 당뇨병 정보 및 수치 | 국제 당뇨병 연맹

전 세계적으로 당뇨병이 증가함에 따라 의료비 상승, 삶의 질 저하, 사회적 부담 증가 등의 사회적 문제가 발생합니다.

당뇨병 치료에서 혈당 조절은 매우 중요합니다. 당뇨병 환자의 경우, 기본적인 치료 접근법은 안정적인 혈당 수치를 유지하기 위해 식이요법과 운동 요법, 그리고 경구 약물이나 인슐린 주사를 병행하는 것입니다. 따라서 환자는 일상생활에서 혈당 수치를 지속적으로 모니터링해야 하며, 이를 위해 다양한 혈당 측정기가 사용됩니다.

혈당 측정의 과제: 침습적 방법부터 비침습적 방법까지

혈당 측정에는 두 가지 방법이 있습니다. 첫 번째는 손가락 끝에서 채취한 혈액의 혈당을 측정하는 SMBG(Self Monitoring of Blood Glucose, 자가 혈당 측정)입니다. 두 번째는 팔에 부착하는 패치형 센서를 사용하여 혈당을 지속적으로 측정하는 CGM(Continuous Glucose Monitoring, 연속 혈당 측정)입니다. 최근까지 SMBG와 CGM 모두 바늘을 피하 조직에 삽입해야 하는 "침습적" 접근 방식을 사용했습니다. 그러나 센서 기술의 발전으로 피부 위에서 혈당을 측정할 수 있는 "비침습적" 센서 개발이 활발해지고 있습니다.

침습적 측정에서 비침습적 측정으로의 전환은 당뇨병 환자에게 여러 가지 중요한 이점을 제공합니다. 첫 번째 이점은 채혈 시 바늘을 삽입할 때 발생하는 통증을 없앨 수 있다는 것입니다. 채혈 바늘은 매우 가늘어 통증을 최소화하지만, 각 검사마다 불편함을 피할 수는 없습니다. 특히 주사를 두려워하는 당뇨병 소아에게는 이러한 불편함이 더욱 심각하며, 이는 치료에 지장을 줄 수 있습니다.

채혈의 또 다른 문제점은 같은 부위에 반복적으로 주사를 맞으면 피부가 딱딱해질 수 있다는 것입니다. 따라서 주사 부위를 끊임없이 바꿔가며 사용해야 합니다. 반면, 비침습적 연속혈당측정(CGM) 기기는 피부 위에서 측정합니다. 기기에 부착하면 통증 없이 10일에서 2주 동안 지속적인 모니터링이 가능합니다.

환자에게 두 번째 주요 이점은 경제적입니다. 침습적 SMBG 장치는 매 검사마다 란셋과 포도당 센서를 교체해야 합니다. 장치 자체 가격은 64.30달러에서 96.46달러(2025년 1월 기준 155.51엔 대 1달러 환율 기준)입니다. 검사당 센서와 란셋 비용은 0.96달러에서 1.29달러입니다. 하루 세 번(아침, 정오, 저녁) 검사를 하면 건강 보험 적용을 받더라도 연간 비용은 약 128.61달러입니다. 비침습적 장치는 소모품이 없어 초기 장치 구매만 필요합니다. (개별 비용은 국가/지역 및 보험 적용 범위에 따라 다릅니다.)

전 세계 당뇨병 인구가 증가함에 따라 혈당 측정 시장도 크게 성장할 것으로 예상됩니다. 전 세계 여러 기업들이 새로운 비침습 센서를 탑재한 웨어러블 기기를 개발하여 이 시장에 진출하기 위해 경쟁하고 있습니다.

바이오센싱에 사용되는 광센서

웨어러블 기기용 비침습적 바이오센서의 핵심 기술은 이전 글에서 설명한 SWIR과 같은 광학적 특성을 활용합니다. (참고: 기본 섹션 (자세한 광학적 특성은 참조.) 아래 다이어그램은 Dexerials의 SWIR 반사 센서 설계를 보여줍니다.

왼쪽 그림에서는 빛이 무기물에 닿으면 반사됩니다. 반대로 오른쪽 그림에서는 빛이 손가락 끝(생물 조직)을 통과하여 내부 층에 도달합니다. 일부 빛은 물과 생물 물질에 흡수되어 감쇠된 상태로 센서로 돌아옵니다. 광 반도체를 사용하는 바이오센서는 다양한 파장의 빛을 측정합니다. 바이오센서는 빛의 흡수량을 측정하여 대상 물질을 감지합니다.

덱세리얼즈(Dexerials)에서는 웨어러블 기기에 통합되도록 특별히 설계된 다양한 바이오센서용 부품을 개발했습니다. 이제 이 제품들에 대해 자세히 설명해 드리겠습니다.

2톤 PD(KP-2 시리즈)

덱세리얼즈의 2톤 PD(투톤 포토다이오드)는 독특한 디자인이 특징입니다. 이 제품은 Si 기반 및 InGaAs 기반 광 다이오드를 서로 다른 밴드갭과 동일한 패키지에 결합합니다. 이를 통해 단일 광축에서 400-1700nm의 넓은 파장 범위에서 검출할 수 있습니다.

소재 구성:
실리콘 기반 포토 다이오드: 가시광선/근적외선 영역(400-1000nm)
InGaAs 기반 포토 다이오드: 적외선/근적외선 영역(900~1700nm)

포도당과 헤모글로빈과 같은 혈액 바이오마커는 특정 파장에서 반응합니다. 이를 위해서는 광범위한 스펙트럼 범위에서의 검출이 필요합니다. 이 혁신을 통해 단일 패키지 장치에서 다양한 바이오마커를 동시에 검출할 수 있게 되었습니다. 이전에는 각 마커마다 별도의 센서가 필요했습니다. *물은 1450nm에서, 포도당은 1600nm에서, 산소헤모글로빈은 940nm에서, 환원헤모글로빈은 660nm에서 강한 흡광도를 보입니다.

또한, 이 단일 패키지 구현은 두께 1.1mm, 너비 4mm, 길이 5.7mm의 초소형 크기를 달성합니다. 이러한 소형화는 스마트워치와 같은 웨어러블 기기에 통합을 가능하게 합니다. 이 투톤 PD는 재료 과학과 반도체 기술을 결합한 획기적인 기술입니다.

2톤 PD는 혈중 산소 포화도와 일산화탄소 수치를 측정하는 맥박 산소 측정기, 비침습적 혈당 측정기 등의 기기용으로 설계되었습니다. 넓은 파장 범위를 제공하기 때문에 의료 및 헬스케어 분야 외에도 광통신 장비 및 5G 통신 기기에도 잠재적으로 적용될 수 있습니다.

SWIR-타입 반사 센서

의료 및 웨어러블 애플리케이션을 위한 또 다른 덱세리얼즈의 제품은 "SWIR-형 반사 센서"입니다. SWIR 파장 범위는 900~1700nm입니다. 이 범위는 물, 포도당, 헤모글로빈에 쉽게 흡수되기 때문에 바이오센서 응용 분야에서 발전하고 있습니다.

이 센서의 주요 특징은 SWIR 적외선)을 방출하는 LED와 반사광을 포착하는 PD(면역전파)를 하나의 장치에 통합한 컴팩트한 패키지 디자인입니다. 또 다른 중요한 장점은 표적 바이오마커에 따라 다양한 파장에 적응할 수 있다는 것입니다.

이중 소자형은 수분 함량 감지를 위해 1450nm LED를 사용합니다. 삼중 소자형은 혈중 헤마토크릿 수치 측정을 위해 810nm와 1300nm LED를 사용합니다.

웨어러블 기기를 활용한 바이오센싱 기술은 지속적으로 발전하고 있습니다. 센서 기술과 AI 분석 기술의 발전을 통해 더욱 정확한 실시간 생체 데이터 수집이 가능해지고 있습니다. 이러한 기술 혁신은 의학 발전에 새로운 가능성을 가져올 것으로 기대됩니다.

Dexerials에서는 다양한 센서 기능을 향상시키는 제품을 개발하여 글로벌 보건에 기여하는 것을 목표로 합니다.