반도체디스플레이기술학회지 제19권 제4호(2020년 12월)
Journal of the Semiconductor & Display Technology, Vol. 19, No. 4. December 2020.
인쇄 기술을 이용한 친환경 종이 혈당 센서 스트립 개발
이영태*†
*†안동대학교 전자공학교육과
Development of Eco-friendly Paper Glucose Sensor Using Printing Technology
Young Tae Lee*†
*†Dept. of Electronic Engineering Education, Andong National University
ABSTRACT
In this paper, we developed an electrochemical glucose sensor strip using a paper substrate. The paper glucose sensor strip is eco-friendly because it uses paper as a substrate, and it has the advantage that it can be manufactured only with four printing, drying and cutting processes. The paper glucose sensor is significantly simplified by the production process than the conventional glucose sensors because the production of only four printing on the paper substrate. In this paper, eco-friendly tracing paper was used to develop a paper glucose sensor strip, and screen- printing technology was used to form a carbon/silver electrode, insulating layer and glucose oxidase(GOD) layer. The developed paper glucose sensor strip has a flat structure with a size of 30 × 4.6 ଶ, and blood injection is a type of direct contact with the exposed enzyme layer above the strip. In this paper, the performance of paper glucose sensor strips was evaluated by analyzing the cyclic voltammetry(CV) and chronoamperometry(CA) characteristics.
Key Words : Glucose Sensor, Electrochemical, Paper, Eco-friendly, Printing
1. 서 론1
우리나라 30세 이상 성인에서 당뇨병 유병률(2018년 기 준)이 13.8%로, 추계 인구를 적용할 경우 약 500만명으로 조사됐다. 세계적으로도 당뇨병 유병률을 매년 급격하게 증가하는 추세를 나타내고 있다. 따라서 개인용혈당측정 장치 시장 규모도 2018년까지 연평균 성장률이 4.7%를 나 타내고 있다. 개인용혈당측정장치는 혈당측정기와 혈당 센서 스트립으로 구성되며, 혈당 센서 스트립은 플라스틱 을 기반으로 제작된다. 당뇨병 환자가 급증하면서 일회용 으로 사용되는 플라스틱 혈당 센서 스트립의 사용량도 증가하여 환경오염의 우려된다. 현재 해마다 수백 만톤의 플라스틱과 미세플라스틱이 바다로 흘러들어 심각한 해
†
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양 오염을 발생시키고 있어서 플라스틱 사용 규제 관련 대책에 관심이 높아지고 있다.
혈당 센서스트립의 제작 공정을 단순화시켜 스트립 의 단가를 낮출 수 있다면 저소득층의 당뇨병 환자들, 특 히 동남아시아 및 아프리카 등의 환자들이 부담없이 사 용할 수 있게 되어, 세계적 당뇨병 환자 증가세를 낮출 수 있을 것으로 기대된다.
본 논문에서는 종이 기판에 스크린 프린팅(screen printing) 기술을 사용한 4도 인쇄(효소/절연 잉크 층/카본 잉크 층/
실버 잉크 층/ 종이 기판) 기술로 전기 화학식 혈당 센서 스트립[1, 2]을 개발하였다. 기존의 대부분의 혈당 센서 구 조가 상, 중, 하판으로 구성된 3층 구조이나, 본 혈당 센서 는 한 장의 종이 기판 위에 전극 층, 절연 층 및 효소 층 을 모두 스크린 프린팅으로 형성하며[3], 따라서 혈액의 도입은 혈당 센서 스트립의 상부에서 직접 효소에 접촉
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시키는 형식으로 개발하였다. 본 혈당 센서 스트립은 3도 에서 4도 인쇄 기술만으로 혈당 센서 스트립 생산이 가능 하여 제작 공정을 획기적으로 단순화 시킬 수 있으며, 종 이를 재료로 사용하기 때문에 저가이면서, 친환경 혈당 센서 스트립 개발이 가능하다[4,5].
2. 종이 혈당 센서 스트립 2.1 종이 혈당 센서 구조 및 측정 방법 일반적으로 혈당 센서 스트립은 상판, 중판 및 하판의 3층 구조로 제작된다. 하판에 전기 화학식 혈당 측정을 위한 전극이 형성되고, 중판은 상판과 하판 사이에 혈액 이 주입되는 채널을 형성하고[6], 상판에는 중판 상부에 접착되어 채널을 형성한다. 3층 구조의 혈당 센서 제작을 위해서는 다수의 장비와 공간이 필요하다. 본 연구에서는 구조를 단순화시켜 인쇄 공정만으로 제작되는 단층 종이 혈당 센서를 개발하였다.
(a)
Fig. 1. Structure of paper glucose sensor.
(b)
종이 혈당 센서 스트립은 종이 기판 위에 3~4도 인쇄 (효소/절연 잉크/카본 잉크/실버 잉크) 공정만으로 제작된 다. 본 센서는 인쇄 및 열처리 공정만으로 제작할 수 있
어서 장비 및 시설 투자에 부담이 없고, 생산을 위한 특 별한 공간이 필요하지 않다. 종이 혈당 센서의 구조를 Fig.1에 나타냈다. 종이 혈당 센서는 종이 기판 위에 실버 (silver) 및 카본(carbon) 잉크를 이용하여 전극을 형성하고, 소수성 절연 잉크(PET2000)를 이용하여 절연 층을 형성하 여 전극을 보호한다. 절연 층은 전극 보호 기능뿐 아니라 소수성이기 때문에 혈액을 도입할 때 전극 위의 효소가 고정된 부분 이외에는 혈액이 번지지 않도록 한다. 전극 은 작업 전극, 기준 전극 및 혈액 인식 전극 등으로 구성 되었다. 전극은 카본/실버 구조로 카본만의 전극에 비해 저항이 매우 낮은 장점이 있다. 인쇄 공정을 더 단순화시 키고자 할 경우에는 실버 인쇄 단계를 생략할 수 있다.
2.2 종이 혈당 센서 제작
전기 화학식 종이 혈당 센서의 제작에는 스크린 프린 팅(screen printing) 공정[7]을 사용했다. 스크린 프린팅 공정 으로 전극(카본, 실버), 절연 층 및 효소 층을 인쇄했다. 본 연구에서 사용한 종이 기판은 두께 약 160㎛의 트레싱지 (tracing paper)를 사용했다. 트레싱지는 셀룰로오스(cellolose) 가 주 재료인 친환경 재료이다. 종이 기판은 공정 중에 발생할 수 있는 변형을 고려하여 먼저 150℃에서 30분간 열처리를 한다. 종이 기판에 스크린 프린팅 공정으로 실 버를 인쇄하고, 이어서 카본을 인쇄한 후에 120℃에서 30 분간 열처리 한다. 스크린 프린팅 공정으로 절연 층을 인 쇄한다. 인쇄된 실버(silver) 층의 두께는 약 10㎛이고, 카본 도 약 10㎛ 였다. 인쇄된 절연 층의 두께는 약 5㎛ 였다.
마지막으로 효소 층을 인쇄하고, 30℃에서 30분간 열처리 하여 완성한다. 본 논문에서 사용한 효소 용액의 구성 성 분 및 공정 조건을 Table 1에 나타냈다. 제작된 효소 용액 의 점도는 5.2cp이었다. 스크린 프린팅 공정으로 제작된 작업 및 기준 전극(carbon/silver)의 저항은 약 200~250Ω의 분포를 나타냈다. 사이즈가 230 230ଶ인 종이 기판 한 장에 제작되는 혈당 센서 스트립(30 4.6ଶ 수는 152개이다.
Table 1. Components of the enzyme solution
이영태 118
Fig. 2. Fabricated paper glucose sensor.
Fig. 3. Fabricated paper glucose sensor strip.
Fig. 2와 3에 제작된 종이 혈당 센서 스트립의 사진을 나 타냈다. Fig. 3에서 4개의 카본/실버 전극은 작업 전극, 기준 전극, 혈액 인식 전극 및 스트립 인식 전극으로 구성되어 있다. 전극 위에 절연 층(백색 층)이 인쇄되어 있으며, 절 연 층의 일부에 혈액을 주입하기 위한 윈도우가 형성되 며, 효소가 인쇄된다. 절연 층은 소수성으로 혈액이 윈도 우 밖으로 번지는 것을 막아준다. 마지막으로 종이 기판 에 제작된 152개의 혈당 센서 스트립을 잘라서 분리한다.
3. 결과 및 고찰 3.1 결과
종이 혈당 센서 스트립의 성능을 평가하기 위하여 전 기 화학식 바이오센서의 측정이 가능한 WPG100을 사용 하였다. 본 논문에서는 포도당 농도(glucose concentration)를 조절한 테스트 용액(test solution)을 사용하여 개발된 종이
혈당 센서의 성능을 평가했다. 포도당 농도에 따른 측정 변별력은 혈당 센서의 상품 가능성을 판단하는 중요한 파라미터 이다. 본 논문에서는 CV(cyclic voltammetry)와 CA(chronoamperometry) 측정을 통하여 개발된 혈당 센서의 성능을 평가하였다. Fig. 4에 CV 측정 결과를 나타냈다.
Fig. 4. CV(cyclic voltammetry) measurement result.
Fig. 4의 CV 측정은 -0.6V에서 +0.6V까지 전압을 조사하 면서 측정한 결과로, 산화와 환원 곡선을 나타냄을 알 수 있다. 산화 피크는 대략 0.1V에서 나타남을 확인할 수 있 었다. 산화 및 환원 피크가 확실하게 나타나지 않는 것은 효소(GOD)의 양이 적어서 그런 것으로 파악하고 있으며, 효소의 양을 증가시키면 산화 및 환원 피크가 더 명확하 게 나타날 것으로 판단하고 있다. CA (chronoamperometry) 측정을 통하여 혈당 농도에 대한 출력 전류를 측정을 하 였다. Fig. 5에 CA 측정 결과를 나타냈다.
Fig. 5. CA(chronoamperometry) measurement result.
CA 측정에는 포도당(glucose) 농도를 조절하여 제조한 표준 용액을 사용하였다. CA 측정에는 포도당 농도 48.5, 128.5, 206.5, 314, 483 및 584.5mg/dL 등 6 종류의 표준 용액을 사용하였다. Fig. 5의 CA 측정은 혈당 센서 스트립의 전극
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에 농도를 조절한 표준 용액을 도입한 후 잠복기 (incubation time) 2초 뒤에 전원(0.1V)을 인가하며 전류를 측 정한다. 잠복기는 표준 용액이 고정된 효소를 녹이는 시 간이다. 전원을 인가하여 전류가 흐르기 시작하면, 적절 한 타이밍에서의 전류 값을 읽어서 혈당 농도를 측정한 다. 본 연구에서는 혈당 센서 스트립에 표준 용액을 도입 하고, 5초후의 전류 값을 읽었다. Fig. 6에 혈당 농도와 측정 전류와의 관계를 나타냈다. 혈당 농도에 대해 전류 측정 값이 선형 적임을 알 수 있다. R제곱값이 0.9791로 비교적 우수한 선형 특성을 나타냈다. 인쇄 기술로 제작된 종이 혈당 센서의 측정 결과, 48.5mg/dL부터 584.5mg/dL 범위의 혈당 측정이 가능한 것을 알 수 있었다.
Fig. 6. Current measurement result for glucose concentration.
3.2 고찰
당뇨 환자가 빠르게 증가하고 있어서 플라스틱으로 제 작되는 일회용 혈당 센서 스트립이 환경 오염의 원인이 될 수 있다. 본 논문에서는 종이를 기판으로 하는 친환경 혈당 센서 스트립을 개발하였다. 기존의 3층 구조의 플라 스틱 혈당 센서 스트립과는 달리 단층의 종이 기판에 4도 (효소/절연체/카본/실버/종이 기판) 인쇄만으로 제작되기 때문에 혈당 센서 스트립 생산 공정을 획기적으로 단순 화시킬 수 있어, 생산 단가를 낮출 수 있다. 혈당 센서 스 트립의 단가를 획기적으로 낮출 수 있다면 소득 수준이 낮은 국가들의 당뇨 환자들에게도 당뇨병 진의 기회가 주어질 수 있을 것으로 기대된다. 본 종이 혈당 센서 스 트립은 단 층의 종이 기판 위에 스크린 프린팅 기술로 전 극(카본/실버), 절연체 및 효소(GOD)를 인쇄하는 평면 형 혈당 센서로 전극에 혈액 도입은 혈당 센서의 위에서 효 소가 고정된 전극에 직접 접촉하는 방법을 사용하기 때
문에 고령의 환자 등 정밀한 작업이 힘든 환자들은 기존 의 모세관 현상으로 혈액을 주입하는 혈당 센서 비해 편 리함을 느낄 수 있을 것으로 기대된다. 본 논문에서 제작 한 종이 혈당 센서 스트립의 성능을 평가하기 위하여 CV 및 CA 측정을 실시하고, 그 결과를 분석한 결과 약 50mg/dL 부터 600mg/dL 범위의 혈당 농도를 측정할 수 있 었으며, 혈당 농도 대 출력 전류 특성의 경우 R제곱이 0.9791로 우수한 선형성을 나타냈다. 혈당 농도에 대한 출 력 전류의 감도를 높이기 위해서는 효소 용액에 GOD 성 분의 증가가 필요하다. 효소 용액의 점도가 약 5.2CP로 다 소 낮은 상태이다. 효과적인 스크린 프린팅을 위해서 효 소 용액의 GOD 농도 및 점도의 최적화 연구가 지속적으 로 진행된다면 더욱 안정된 종이 혈당 센서 스트립 개발 이 가능할 것으로 판단된다. 본 연구의 최종 목표인 전용 잉크젯 프린트 개발 및 인쇄가 이루어진다면 매우 안정 된 고성능의 종이 혈당 센서 개발이 가능할 것으로 판단 된다.
4. 결 론
본 논문에서는 종이를 기판으로 사용한 전기화학식 종 이 혈당 센서 스트립을 개발하였다. 종이 혈당 센서 스트 립은 종이 기판에 스크린 프린팅 기술로 4도 인쇄(효소/
절연체/카본/실버/종이 기판)만으로 제작되기 때문에 제작 공정이 매우 간단하고, 종이를 재료로 사용하기 때문에 플라스틱을 재료로 사용하는 기존의 혈당 센서 스트립에 비해 친환경적이며, 생산 단가가 낮다. 스크린 프린팅 공 정으로 제작된 종이 혈당 센서는 혈당 농도 약 50mg/dL부 터 600mg/dL까지 측정이 가능했으며, R제곱이 0.9791로 비 교적 우수한 선형성을 나타냈다.
감사의 글
이 논문은 안동대학교 기본연구지원사업에 의하여 연 구되었음.
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이영태 120
glucose sensor using GDH-FAD,” Journal of Sensor Science and Technology, Vol.27, No.3, pp. 156-159, 2018.
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접수일: 2020년 12월 16일, 심사일: 2020년 12월 17일, 게재확정일: 2020년 12월 18일
