웨어러블 센서의 배터리 걱정, 이제 끝날까
운동을 막 시작했는데 피트니스 트래커가 꺼져 버려 당황한 적이 있을 것이다. 심박수와 소모 칼로리, 운동 강도를 확인하려던 기기가 갑자기 손목에 찬 쓸모없는 플라스틱 조각이 된다. 충전 케이블을 찾아 헤매고, 벽면 콘센트에 자주 연결해야 하는 기기를 쓰며, 일회용 배터리에 죄책감을 느끼는 일은 오랫동안 웨어러블 기술 업계를 괴롭혀 왔다. 일본 연구진이 이런 불편을 과거의 일로 만들 수 있는 기술을 개발했다. 도쿄이과대 연구팀은 사람의 땀에서 직접 전기를 만드는 얇은 피부 부착형 패치를 개발해 충전식 배터리와 충전 케이블을 완전히 없앨 가능성을 열었다.
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이번 성과의 핵심은 수성 효소 잉크다. 이 잉크를 이용하면 종이 기판에 완전한 바이오연료전지를 한 번의 스크린 인쇄 공정으로 만들 수 있다. 2026년 2월 6일 ACS Applied Engineering Materials에 온라인으로 발표된 연구에 따르면, 이 전지는 0.63볼트에서 제곱센티미터당 약 165마이크로와트(제곱인치당 약 1,065마이크로와트)의 최대 전력 밀도를 보였다. 이 정도 출력이면 저전력 바이오센서와 무선 데이터 전송에 충분해 운동 중이나 임상 진료, 일상생활에서 건강을 확인하는 방식을 바꿀 수 있다. 이번 기술은 에너지를 저장하는 방식에서 수확하는 방식으로의 근본적인 전환을 보여준다. 인체 자체의 화학 작용을 연료로 활용하기 때문이다.
연구를 이끈 순수·응용화학과의 시탄다 이사오 부교수는 비슷한 기술이 수년간 실험실에 머물게 한 제조 장벽을 넘는 것이 연구의 목표였다고 설명했다. 한 번의 인쇄로 균일하게 도포되는 잉크를 개발함으로써 연구팀은 배터리 없는 웨어러블 바이오센서의 양산을 위한 실용적인 길을 열었다. 전 세계 웨어러블 의료기기 시장 규모가 1,950억 달러에 육박하는 가운데 나온 이번 성과는 배터리 제거가 이 분야에서 가장 시급한 공학 과제 중 하나임을 보여준다.
인체의 화학 작용을 전기로 바꾸다
이 기기는 효소 바이오연료전지(EBFC)라고 불리며, 생물학적 효소를 이용해 체액 속 화학 반응을 일으켜 전기를 만든다. 이번 연구에서 주된 연료는 땀에 들어 있는 대사 부산물인 젖산이다. 운동할 때 근육은 포도당을 에너지로 쓰면서 젖산을 만들고, 이 물질 일부는 땀으로 배출된다. 일본 연구진은 가벼운 활동부터 격렬한 운동까지 실제 운동 상황에 해당하는 리터당 약 1~25밀리몰의 젖산 농도를 측정하도록 시스템을 설계했다.
전기화학 반응은 단순하면서도 정교하다. 한 전극에서는 효소가 젖산 분자에서 전자를 끌어내는 반응을 돕는다. 전자는 외부 회로를 따라 이동하며 전류를 만든다. 반대편 전극에서는 주변 공기의 산소가 전자를 받아 반응을 마무리한다. 이처럼 전자가 지속적으로 흐르면서 저장된 전하나 외부 전원 없이도 감지와 데이터 전송에 쓸 수 있는 전력이 공급된다. 기기가 인체에서 자연적으로 생성되는 화학 물질에 의존하기 때문에 걷거나 운동하거나 일상적인 일을 하는 동안 수동적으로 전기를 만들어 낸다.
같은 연구팀은 앞선 연구에서 이 출력으로 블루투스 저전력(Bluetooth Low Energy) 시스템을 구동할 수 있음을 이미 보였다. 덕분에 배터리 없이도 땀 속 젖산 측정값을 무선으로 전송할 수 있다. 몸을 더 많이 움직일수록 땀이 더 많이 나고, 이에 따라 신체 상태에 관한 데이터를 전송할 전력도 더 많이 확보되는 자가 발전형 모니터링 구조다. 웨어러블 건강 모니터링에서 이는 큰 의미가 있다. 신체 상태를 가장 면밀히 관찰해야 하는 순간에 센서의 전력도 더 강해진다는 뜻이다.
생산 병목 현상 해결
효소 바이오연료전지는 수년간 실험실에서 가능성을 보여 왔지만, 제조상의 어려움 때문에 널리 보급되지 못했다. 기존 제작 방식은 노동집약적인 여러 단계를 거친다. 제조업체는 먼저 탄소 전극층을 인쇄한 다음 효소와 매개체 용액을 표면에 따로 떨어뜨려 바르고, 고르지 않은 막이 마를 때까지 기다려야 한다. 이런 다단계 공정은 기기 간 편차를 크게 만들어 품질 관리를 어렵게 하고 대량 생산을 비현실적으로 한다. 액체가 얼마나 도포되는지, 건조 시간이 얼마나 되는지에 따라 패치마다 출력과 감지 성능이 달라질 수 있다.
시탄다 이사오 부교수와 연구팀은 도쿄이과대의 오모리 마히로 연구원, RESONAC Co. Ltd의 하나사키 미쓰루 씨와 함께 이런 문제에 대응해, 취약한 공정들을 인쇄 가능한 단일층으로 통합한 조성물을 개발했다. 핵심은 활성 성분을 인쇄용 잉크에 미리 섞는 것이다. 이를 통해 얇은 종이 기판 위에 메시 스크린을 이용해 한 번에 양쪽 전극을 모두 만들 수 있다.
노동집약적이고 비효율적이며 비용이 많이 드는 EBFC 제작 기술을 피하려면, 균일하게 인쇄할 수 있고 대량 생산에 적합한 효소 잉크를 시장에 내놓아야 합니다.
이 스크린 인쇄 방식은 산업 제조 현장에서 이미 널리 쓰이고 있어 기존 생산 라인에 원활하게 통합될 수 있다. 수성 조성물은 섬세한 효소 구조를 손상할 수 있는 유기용제를 쓰지 않아 인쇄 후에도 생물학적 성분의 활성을 유지한다. 공정을 통합하면 기기 간 편차를 줄일 수 있다. 이제 남은 과제는 실험실에서 만든 인쇄물을 공장에서 실제로 생산할 수 있는 내구성 있는 웨어러블 센서로 발전시키는 일이다.
최적의 잉크 설계
안정적이고 인쇄 가능한 효소 잉크를 만들려면 여러 성분의 균형을 세심하게 맞춰야 했다. 연구팀은 표면적이 매우 넓고 다공성인 산화마그네슘 주형 메조다공성 탄소에 전자 전달을 돕는 화학 매개체를 결합했다. 여기에 POLYSOL이라는 새로운 수성 바인더를 더했다. 이 고분자 에멀전은 탄소 표면에 강하게 결합하면서도 다공성 구조 안의 효소가 안정적으로 유지되는 환경을 조성한다. 카복시메틸셀룰로스는 스크린 인쇄에 알맞은 점도를 내기 위한 증점제로 사용됐다.
카복시메틸셀룰로스의 첨가는 특히 중요하다. Nature에 발표된 관련 연구에 따르면 이 첨가제는 메조다공성 탄소 잉크의 분산성을 높이고 재료 내부 기공의 접근성을 개선한다. 이전 연구에서는 비슷한 탄소 조성물에 CMC를 더했을 때 첨가제를 쓰지 않은 전극보다 최대 전류 밀도가 두 배 이상으로 증가하고 전력 밀도는 2.5배 넘게 높아졌다.
바이오연료전지를 만들 때 가장 까다로운 부분은 산소를 사용하는 전극인 음극이었다. 이곳에서 전자는 회로를 완성한다. 산소를 처리하는 효소는 특히 민감해 기존 제조 방식으로 안정화하기 어렵다. 일본 연구팀은 전지의 나머지 부분에 쓰이는 것과 동일한 인쇄용 잉크 혼합물에 빌리루빈 산화효소를 직접 넣어 한 번의 인쇄로 안정적이고 성능이 뛰어난 음극을 만들었다. 효소 잉크를 이용해 완전한 기능을 갖춘 음극을 스크린 인쇄한 것은 이번이 처음이다. 이로써 바이오연료전지의 대량 생산을 가로막던 마지막 주요 병목이 해소됐다.
실생활에 맞는 성능
전기화학 시험에서 인쇄 전극은 기존의 액적 도포 전극보다 훨씬 뛰어난 성능을 보였다. 완전한 젖산-산소 바이오연료전지는 0.63볼트의 작동 전압에서 제곱센티미터당 최대 165마이크로와트의 전력 밀도를 기록했다. 이는 유사 시스템에서 앞서 보고된 제곱센티미터당 96마이크로와트를 크게 웃도는 수치로, 웨어러블 기기의 에너지 수확 효율을 크게 끌어올린 성과다.
신뢰성 시험 결과도 인상적이었다. 액적 도포 전극은 효소가 고르지 않게 분포하고 기판에 잘 붙지 않아 대개 수분에서 수시간 내에 초기 활성의 절반 이하로 떨어진다. 반면 효소 잉크 전극은 장시간 시험 중 성능 저하가 거의 없었고 안정적인 성능을 유지했다. 이는 실제 웨어러블 기기에 활용하는 데 필수적인 특성이다.
이 시스템은 운동 중 건강한 사람에게서 관찰되는 생리적 젖산 농도 범위인 리터당 약 1~25밀리몰에서 효과적으로 작동한다. 자연적인 땀의 화학적 특성에 맞춰져 있어 실제 환경에서 활용하기에 적합하다. 연구팀은 약 1,312피트(400미터) 길이의 기판을 연속 인쇄하는 롤투롤 시연을 통해 확장성도 입증했다. 이 제조 방식이 산업 규모에서도 작동한다는 뜻이다. 섭씨 5도, 진공 조건에서 보관 시험을 한 결과 효소 활성을 가장 잘 보존할 수 있었다. 이는 상용 제품의 유통 방안으로도 활용할 수 있음을 시사한다.
스포츠와 의료 분야의 활용
자가 발전형 땀 센서는 다양한 분야에 활용될 수 있다. 스포츠 과학 분야에서는 실시간 젖산 측정으로 운동선수가 채혈을 위해 멈추지 않고도 운동 강도와 근육 피로도에 대한 즉각적인 정보를 얻을 수 있다. 코치는 피로가 누적되는 기준점을 살피고, 선수는 속도를 최적화하며, 훈련량은 추정치가 아니라 실시간 생화학 데이터에 따라 조정할 수 있다. 땀 속 젖산과 혈중 젖산의 관계는 복잡하지만 경기력 모니터링에 활용하기에는 상관관계가 충분히 높아 지금도 실질적인 정보를 제공할 수 있다.
의료 현장에서는 지속적인 대사 모니터링으로 건강 이상을 조기에 발견할 수 있다. 요양원이나 노인 돌봄 시설의 환자는 증상을 명확히 전달하지 못하는 경우가 있다. 탈수와 열 스트레스, 초기 감염은 모두 측정 가능한 방식으로 땀의 화학적 조성을 바꾼다. 피부에 붙이는 자가 발전형 패치가 이런 변화를 계속 감지한다면 기존의 주기적인 검사로는 알아채기 몇 시간 전에 신호를 보낼 수 있다. 의료진에게 조기 경보는 신속한 개입과 응급 상황 악화 방지, 환자 예후 개선으로 이어질 수 있다. 환자 입장에서는 얇은 종이처럼 가벼운 패치를 피부에 붙이기만 하면 돼 지속적인 착용을 방해하는 요인이 사라진다.
이와 비슷한 센서는 더운 날씨에 단순한 활동도 위험한 상황으로 바뀌기 전에 초기 대사 이상 신호를 감지해 열사병 예방 시스템에 기여할 수 있다. 수술 후 회복과 만성질환 관리에도 같은 부담이 적은 모니터링 방식이 적용될 수 있다. 지금까지는 배터리에 의존하는 기기로 꾸준히 데이터를 수집하기 어려웠다.
환경·경제적 영향
웨어러블 기기 하나하나는 작아 보이지만, 전체적으로는 환경에 상당한 영향을 미친다. 전 세계 전자폐기물 발생량은 2022년 약 6,830만 톤에 달했으며, 이 가운데 적절히 수거·재활용된 것으로 확인된 양은 약 22%에 불과했다. 배터리 없는 패치만으로 전자폐기물 위기를 해결할 수는 없다. 특히 일회용으로 설계된다면 더욱 그렇다. 하지만 소형 배터리 수요를 줄이고 기기 설계를 크게 단순화할 수 있다.
수십 년간 웨어러블 센서 설계의 중심이었던 코인셀 배터리를 없애면 부피와 비용, 환경 부담을 동시에 줄일 수 있다. 현재 배터리를 교체하거나 독성 부품과 함께 폐기해야 하는 일회용 의료 패치에 이 기술을 적용하면 인체가 이미 만들어 내는 화학 물질만으로 작동하는 더 친환경적인 대안을 마련할 수 있다.
경제적 측면에서도 큰 비용 절감이 기대된다. 기기 전체를 풀 스크린 인쇄 공정으로 만들 수 있다면 생산 비용을 기기당 약 10엔까지 낮출 수 있어 일회용 또는 대규모 웨어러블 활용이 경제성을 갖출 수 있다. 시장조사기관들이 2030년까지 1,950억 달러를 넘을 것으로 전망하는 전 세계 웨어러블 의료기기 시장에서 판도를 바꿀 잠재력이 있는 기술이다.
시장 출시까지 남은 과제
성과는 유망하지만 땀으로 작동하는 바이오연료전지를 상용 기기에 널리 적용하려면 추가 연구가 필요하다. 종이 기판이 땀과 구부림, 일상적인 움직임을 견디면서 성능을 유지할 수 있는지 입증해야 한다. 효소는 착용 중 온도 변화와 산소 노출, 환경 조건의 영향을 받아 점차 활성을 잃을 수 있다. 연구팀은 추가적인 최적화와 장기간 검증, 웨어러블 플랫폼과의 통합을 거친 뒤인 2030년경에야 실용화에 가까워질 수 있다고 밝혔다.
실제 가치를 내려면 다양한 체형과 활동 수준에서도 착용감이 편안하고 측정값이 안정적이며 의료진과 사용자가 신호를 명확히 이해할 수 있는 패치를 개발해야 한다. 롤투롤 시연으로 제조 규모를 키울 수 있다는 점은 입증했지만, 실험실에서 소비자 제품으로 나아가려면 엄격한 내구성 시험과 임상 검증이 필요하다. 연구진은 이런 마지막 장벽이 해소되면 인쇄 업체와 의료기기 제조사가 이 기술을 도입할 유력한 후보가 될 것으로 보고 있다.
이런 과제가 해결된다면 활용 방안은 쉽게 그려진다. 실시간 젖산 추적으로 선수들이 운동 강도를 세밀하게 조절하고, 지속적인 대사 모니터링으로 수동적이고 부담이 적은 관찰이 중요한 돌봄 현장을 지원할 수 있다. 이 기술은 착용만으로 신체 상태를 확인하는 센서의 기반이 되어 더 안전하고 건강한 사회를 실현하는 데 기여할 잠재력이 있다.
핵심 내용
- 도쿄이과대 일본 연구진은 땀으로 작동하는 바이오연료전지를 한 번의 스크린 인쇄 공정으로 만들 수 있는 수성 효소 잉크를 개발했다. 전지는 0.63볼트에서 제곱센티미터당 165마이크로와트의 출력을 기록했다.
- 이 기술은 효소 반응으로 땀 속 젖산을 전기로 바꿔 웨어러블 센서에 배터리가 필요 없게 한다. 블루투스 저전력 데이터 전송에 충분한 전력을 공급할 수 있다.
- 기기 간 편차를 일으키는 기존의 다단계 제조 방식과 달리, 새 효소 잉크를 쓰면 종이 기판에 양쪽 전극을 동시에 인쇄할 수 있어 기기당 약 10엔까지 비용을 낮출 가능성이 있다.
- 시스템은 리터당 1~25밀리몰의 젖산 농도를 측정해 실제 운동 조건에 맞춰 작동한다. 선수와 노인 돌봄 환자의 지속적인 건강 모니터링, 열사병 예방에 활용될 수 있다.
- 보관 안정성 최적화와 장기 검증, 웨어러블 플랫폼 통합이 이뤄진다는 전제 아래 2030년경 실용화를 목표로 한다.
