기존 산업과 디지털의 융합을 통한 스마트 시대가 본격화하면서, 센서 기술이 더욱 중요해지고 있다. 특히 사람의 오감을 대신하는 촉각 및 후각 등은 물론 압력 및 가속도, 그리고 균형 감각을 감지하는 기능 등이 향후 미래 시장에서 주목받을 것으로 예상되고 있다.

글로벌 시장예측 기관인 가트너에 따르면 올해 세계 센서 시장은 351억 달러로서, 전체 반도체 시장의 11퍼센트(%)를 차지하는 것으로 나타났다. 이미 D램 반도체 시장과 비슷한 규모를 형성하고 있는 것이다. 국내업체인 유진투자증권 경제연구소도 오는 2020년까지의 세계 센서 시장이 2012년을 기준으로 2배 가까이 성장할 것으로 전망했다.

이처럼 센서 산업의 규모가 하루가 다르게 증가하고 있는 상황에서, 최근 미국의 과학자들이 센서 산업 중에서도 가장 성장 가능성이 높은 의료 분야의 특수 센서들을 잇달아 선보이고 있어 주목을 끌고 있다.

혈관을 누비며 질병을 치료할 로봇에 탑재되는 센서

과학기술 전문 매체인 피스오알지(phys.org)는 미 퍼듀대의 과학자들이 의료용 로봇에 사용될 수 있는 초미세 센서를 개발하는데 성공했다고 보도하면서, 멀지 않은 미래에 세포만큼 작은 로봇들이 혈관을 누비면서 암세포나 박테리아를 제거하는 모습을 보게 될 것 이라고 전망했다. (관련 링크)

널리 알려지지는 않았지만 세포를 움직일 수 있을 만큼의 초소형 로봇은 이미 개발되어 있는 상태다. 물론 이 로봇을 작동시킬 수 있는 초미세 모터도 마련되어져 있다. 하지만 로봇을 효율적으로 조작하는 방법만큼은 아직도 과학자들에게 숙제로 남겨져 있다.

몸 속에 들어간 로봇이 원하는 방향으로 세포를 이동시키기거나 파괴하기 위해서는, 정확한 위치에서 세포에 적당한 힘을 가해야 하고 동작할 수 있어야 한다. 하지만 이는 초미세 모터를 개발하는 일 보다 훨씬 어려운 문제다.

그런데 이 같은 난제를 퍼듀대의 데이빗 카펠리(David Cappelleri) 교수와 그의 동료들이 다양한 시도 끝에 최근 해결했다. 연구진은 이 센서를 통해 로봇이 세포에 가하는 힘을 측정하고, 계산하여, 세포를 누르는 힘이나 이동시키는 힘을 조종할 수 있다고 밝혔다.

연구진이 개발한 센서는 마이크로뉴턴(micronewton) 단위의 힘까지도 조정할 수 있는 것으로 파악됐다. 1뉴턴(newton)은 질량 1킬로그램(kg)의 물체에 초당 1미터(m) 씩의 가속을 붙일 수 있는 힘이다. 예를 들어 50마이크로뉴턴이라 하면 작은 깃털을 들어 올릴 수 있는 정도의 힘이다. 따라서 한 자리 숫자의 마이크로뉴턴이라면 상당히 미세한 힘이라 할 수 있다는 것이 전문가들의 의견이다.

이 초미세 센서는 현재 700마이크로미터(㎛) 크기의 초소형 로봇에 사용될 수 있다. 이에 대해 카펠리 교수는 “우리가 개발한 센서가 현존하는 로봇용 센서 중에서 가장 작은 크기이기는 하지만, 아직도 세포 단위를 조종하기에는 많이 큰 편”이라고 언급하며 “앞으로 센서의 크기를 500마이크로미터 이하 사이즈로 줄일 계획”이라고 밝혔다.

크기만큼이나 중요한 것이 센서의 가격인데, 현재 사용하고 있는 센성의 경우는 제작하기도 어렵고 비용도 상당히 비싼 편이다. 원자현미경 등을 필요로 하기 때문이다. 반면에 퍼듀대 연구진이 개발한 센서의 가격은 매우 저렴한 것으로 드러났다.

커펠리 교수는 “우리는 초미세 센서를 사용한 로봇을 인체에 들여보내 암세포를 처치하는 용도보다는, 기초 연구에 먼저 활용할 계획”이라고 밝히며 “예를 들면 세포들이 미세한 힘에 어떻게 반응하는지를 알아보거나, 줄기세포 같은 특정 세포를 골라내 일렬로 세우는 등의 기본적 임무를 테스트해 보려한다”고 덧붙였다.

두뇌의 잠재능력을 끌어올려주는 센서도 개발

퍼듀대의 과학자들이 로봇에 센서를 탑재하는 연구를 하고 있다면, 위슨콘신대의 과학자들은 두뇌의 잠재능력을 끌어올려주는 센서를 개발하고 있어 관심을 끌고 있다. 이들이 개발 중인 센서는 뇌의 상태를 실시간으로 파악해주고, 자극을 가해 뇌의 기능을 향상시켜주는 의료용 센서다.

의료용 센서의 재료는 ‘꿈의 신소재’라 불리는 그래핀(graphene)이다. 이 물질은 0.2나노미터(nm)에 불과한 미세 두께에도 구리보다 100배 이상 전도성이 높고, 강철보다 200배 이상 내구력이 강해 차세대 나노물질로 각광받고 있다.

연구진은 이런 그래핀의 물질적 특수성을 활용하여 유연하고 전도성이 강하면서도 투명성까지 겸비한 센서를 개발하고 있다. 특히 이 센서는 기존 장치들과 달리 지속적으로 뇌의 활동을 감시하면서, 특정한 부작용이나 불안정한 뇌 혈류의 흐름 등을 찾아낼 수 있는 것이 장점인 것으로 알려졌다.

뿐만 아니라, 함께 장착된 영상화 기술로 뇌세포에 침투한 악성 물질의 흐름과 원인을 보다 정확하고 효율적으로 찾아내 치료효과를 높일 수 있다. 또한 주기적으로 전기적인 자극을 가해 뇌세포를 발달시킴으로써, 두뇌의 잠재성을 끌어올릴 수 있다.

이번 연구를 주도한 위스콘신대의 저스틴 윌리엄스(Justin Wiliams) 교수는 “우리가 개발한 센서가 기존의 뇌신경 조종술을 개선시켜, 전혀 새로운 신개념 치료법을 개발하는데 있어 촉매제로 작용할 수도 있을 것”이라고 기대했다.

한편 국내 의료용 센서의 경우는 기술력이 취약해 센서 대부분을 수입하고 있는 실정이다. 최근 정부가 스마트센서 분야를 한국경제의 차세대 성장동력으로 집중 육성하겠다는 계획을 세운 이유가 여기에 있다.

산업통상자원부는 향후 6년간 총 1508억원을 투입하여 첨단 스마트센서 원천기술과 유망제품을 개발하고, 현장중심의 기업 맞춤형 고급인력양성 등을 통해 센서산업의 글로벌 경쟁력을 키워나갈 계획이다.

이런 가운데 국내 연구진이 얼마 전 콘택트렌즈 착용만으로 당뇨 여부와 진행 정도를 판단할 수 있는 센서를 개발하여 화제가 된 적이 있다. 한국과학기술연구원(KIST)이 개발한 이 센서는 콘택트렌즈에 삽입하여 눈물에 포함된 미량의 당류인 글루코스(Glucose)를 측정할 수 있다.

미국의 구글도 올해 초 무선 칩과 센서를 탑재한 의료용 스마트 콘택트렌즈를 개발했다고 발표한 바 있는데, KIST는 센서 분야에서 구글보다 기술적으로 앞서 있다고 주장하고 있다.

이번 연구를 추진한 KIST 계면제어연구센터의 관계자는 “구글은 당류의 일종인 글루코스 용액으로 센서를 실험한 반면에, 우리는 실제 당뇨 환자의 눈물을 사용해 당류 성분을 판독하는 데 성공했다”고 전하며 “센서의 정확도에서 훨씬 앞서 있다”고 자신했다.

이 외에도 콘택트렌즈에 나노발전기를 설치하여 눈을 깜박일 때 마다 발생하는 미세 전력을 사용하는 것도 기술적으로 앞선 측면이라고 설명한 이 관계자는 “앞으로 이 센서를 통해 합병증 진단과 같은 분야로 까지 활용 범위를 확대할 계획"이라고 밝혔다.