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한양대학교 화학공학과 김도환 교수 연구팀과 KAIST 안승영 교수 공동연구팀이 기존 무선 바이오센서의 한계로 지적돼 온 생체 안전성과 신호 불안정성 문제를 극복한 수백 kHz 저주파 기반 무선 바이오센싱 플랫폼을 세계 최초로 개발에 성공했다. 이 플랫폼은 기존 수십~수백 MHz 고주파 기반 센서와 달리 생체에 부담이 적은 저주파 대역에서 동작하면서도 높은 민감도와 우수한 선택성을 동시에 구현했으며, 외부 잡음에 강한 안정적 신호 검출 성능을 입증했다.

연구팀은 기존 유전체 커패시터 기반 LC 공진 구조가 갖는 정전용량 한계와 고주파 의존성에서 벗어나기 위해, 이온의 움직임을 전자 공진 신호로 직접 읽어내는 무선 전기화학 센싱 개념을 도입했다. 이온의 전기 이중층 형성을 통해 기존보다 훨씬 높은 정전용량을 구현하고, 이를 무선 공진 구조에 접목함으로써 저주파에서도 큰 신호 변화를 유도했다. 특히 이온의 재분포와 계면 분극이 무선 공진 신호를 직접 지배하도록 설계해 기존 방식 대비 높은 감도와 함께 외부 잡음을 효과적으로 억제하는 선택성을 확보했다.

김도환 교수는 “이번 연구는 이온의 재분포와 계면 분극이라는 전기화학적 현상이 무선 공진 신호를 직접 지배하도록 설계했다는 점에서 의미가 크다”며 “생체에 부담이 큰 고주파 구동 의존도를 낮추면서도 생체 신호를 안정적으로 읽어낼 수 있는 바이오센싱 플랫폼의 가능성을 처음으로 제시했다”고 밝혔다.

연구팀은 향후 해당 기술을 혈압을 포함한 다양한 생체 신호를 실시간으로 감지하는 체내 이식형 무선 바이오전자 플랫폼으로 발전시킬 계획이며, 특히 심혈관 질환 및 중증 환자 치료·관리 분야에 적용되어 차세대 스마트 헬스케어 핵심 기술로 활용될 것으로 기대된다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 지원을 받아 수행되었으며, 연구 결과는 국제학술지 「Nature Communications」 3월 11일 자에 온라인 게재되었으며 관련 기술로는 1건의 특허도 등록되었다.

(논문명: Low-frequency ionic-electronic coupling for energy-efficient noise-resilient wireless bioelectronics)