2021년 영국 스마트폰 사용자 수는 5,550만 명에 달했습니다. 이는 인구의 약 83%가 ‘앱’으로 더 잘 알려진 모바일 애플리케이션을 이용할 수 있음을 의미합니다. 현재 구글 플레이에는 약 330만 개의 앱이, 애플의 앱 스토어에는 약 220만 개의 앱이 등록되어 있습니다. 이러한 앱 붐의 한 축을 이루는 것은 건강 관련 앱에 대한 수요가 급증하고 있다는 점으로, 전 세계 디지털 헬스케어 시장 규모는 2030년까지 1,311bn 파운드에 달할 것으로 전망됩니다.
분명히 스마트폰의 기능성은 인공지능(AI), 위치 기반 기술, 증강 현실, 웨어러블 기술, 모바일 결제, 생체 인식 등의 분야에서 크게 발전해 왔습니다. 몇 년 전만 해도 상상조차 할 수 없었던 방식으로 일상적으로 사용되고 있는 스마트폰은 수많은 기기를 대체하고 시장에 큰 변화를 일으키고 있습니다. 스마트폰이 발전함에 따라, 특히 디지털 헬스케어 시장에서 이를 활용하기 위한 점점 더 정교한 앱들이 개발되고 있습니다.
오늘날 스마트폰에는 기록적인 속도로 대량의 데이터를 처리할 수 있는 센서와 마이크로프로세서가 기본으로 탑재되어 있어, 집에서 스마트폰을 이용해 복잡한 건강 모니터링 측정을 수행할 수 있게 되었습니다. 예를 들어, 가시광선을 활용하여 스마트폰 및 기타 스마트 기기로 심박수를 측정하고, 신체 활동과 수면을 모니터링하며, 폐, 눈, 피부와 같은 장기의 상태를 관찰할 수 있습니다.
애플(Apple Inc.)에 최근 등록된 특허에 따르면, 이 회사는 스마트폰에 테라헤르츠(THz) 방출 및 감지 모듈을 탑재해 추가 기능을 제공할 가능성이 있는 것으로 보이며, 이는 건강 관련 앱의 향후 일반적인 추세에 대한 단서를 제공하고 있다.
암 모니터링 및 조기 발견
테라헤르츠 복사란 주파수가 0.3 THz에서 10 THz 사이인 전자기파를 일컫는 용어입니다. 전자기 스펙트럼에서 적외선과 마이크로파 영역 사이에 위치하는 테라헤르츠 복사는 비이온화 성질을 띠고 있어 사용하기에 안전하며, 예를 들어 피부암을 효과적으로 검출하는 데 유망한 수단으로 입증된 바 있습니다.
테라헤르츠 복사의 광자 에너지는 1~40 meV 범위에 있으며, 이는 분자의 회전-진동 전이 에너지, 고체의 격자 진동 에너지, 반도체의 밴드 간 재결합 에너지와 비슷한 수준이어서 광범위한 응용 분야를 가지고 있습니다. 테라헤르츠 분광법은 또한 (발암 생물표지자로 간주되는) 메틸화 DNA와 같은 생물학적 분자에 대해서도 민감하게 반응하므로, 상피암은 물론 일부 유방암을 식별하는 데 유용한 도구로 활용됩니다.
또 다른 탐지 능력은 테라헤르츠 복사가 물에 흡수된다는 사실에서 비롯됩니다. 이는 양질의 테라헤르츠 신호가 필요한 실험실에서는 방해가 되는 요인으로 여겨지지만, 암 조직의 수분 함량이 비정상적이라는 점을 고려할 때 암 조직과 정상 조직을 구별하는 데 유용하게 활용될 수 있습니다.
당뇨병 진단
이 같은 특성은 당뇨병성 족부 증후군의 조기 발견에도 활용될 수 있다. 말초 혈관 질환으로 인해 탈수 상태가 될 수 있는 당뇨병 환자의 발에서 나타나는 비정상적인 테라헤르츠 반사 현상은, 본문에서 설명한 바와 같이 조기 진단에 활용될 수 있다. 이러한 유형의 영상 촬영은 스마트폰의 성능을 넘어설 수 있지만, 애플(Apple Inc.)의 특허에 기술된 테라헤르츠 파형 방출 및 감지 기술을 활용하면 많은 성과를 거둘 수 있다.
애플(Apple Inc.)
2019년에 애플(Apple Inc.)이 출원하여 2년 후 등록된 미국 특허 US11099072B2에 따르면, 제안된 테라헤르츠 방출/감지 시스템은 스마트폰에 내장되어 있다. 방출 모듈은 테라헤르츠파를 방출하며, 이 파동은 방이나 사무실과 같은 환경을 통과하여 벽이나 기타 장애물에서 반사된 후 기기로 되돌아와 감지된다. 검출 모듈은 반사되어 돌아오는 파동을 감지하고 스펙트럼 응답을 계산합니다. 동적 환경 내에 존재하는 일산화탄소(CO)나 이산화탄소(CO₂)와 같은 가스는 테라헤르츠 주파수 대역의 특정 주파수를 흡수하므로, 이를 통해 환경 내 가스의 존재 여부와 농도를 파악할 수 있습니다. 이 특허는 현재 유럽에서도 심사 중입니다.
센서 산업
제안된 시스템은 센서 산업에 획기적인 변화를 가져올 잠재력을 지니고 있습니다. 기존의 가스 센서는 가스를 감지하기 위해 공기가 센서 위로 유입될 수 있도록 장치에 개구부가 필요합니다. 반면 테라헤르츠 기반 감지기는 단순히 빛을 이용하기 때문에 이러한 개구부가 필요하지 않습니다. 즉, 스마트폰만 있다면 누구나 어디서든 위험 수준에 달하는 가스를 감지할 수 있게 됩니다.
원칙적으로 본 발명은 휴대용 기기 하나로 환경 내 가스의 검출은 물론 정량화뿐만 아니라, 액체 또는 고체 물질의 상태나 품질 측정까지 가능하게 한다.
이 글에서 간략히 설명한 바와 같이, 독립형 테라헤르츠 스캐너는 이미 전 세계적으로 사용되고 있습니다.
물질과 생체분자의 테라헤르츠 흡수 스펙트럼을 얻기 위해 상당한 연구가 이루어졌으며, 그 중 일부는 일본 국립정보통신기술연구소(NICT)와 리켄(RIKEN) 연구소가 관리하는 데이터베이스에서 무료로 이용할 수 있습니다. 기계 학습 모델 및 알고리즘과 결합된 테라헤르츠 분광법은 물체의 구성 물질을 식별하거나 물질의 혈청 농도를 측정하는 데 활용될 수 있습니다( 여기 및 여기에서 설명된 바와 같이).
테라헤르츠 스캐너는 방출된 테라헤르츠파를 이용하여 사람의 몸에 숨겨진 물체(칼이나 총 등)를 탐지하는데, 이러한 물체들은 테라헤르츠파를 차단하기 때문입니다. 의류와 대부분의 직물은 테라헤르츠파를 투과하며, 획득된 이미지의 해상도가 낮기 때문에 사생활 침해 문제가 발생하지 않습니다. 이러한 영상 촬영 기술은 특허에 기술된 범위를 넘어설 수도 있지만, 폭발물과 마약은 테라헤르츠 대역에서 고유한 스펙트럼 지문을 가지고 있어, 이산화탄소나 일산화탄소와 같은 가스에 대해 특허에 기술된 방식과 매우 유사한 방법으로 테라헤르츠 분광기를 사용하여 식별할 수 있습니다.
스마트폰 기반의 테라헤르츠 분광기는 뚜렷한 장점을 가지고 있으며, 공항이나 교통역은 물론 외딴 지역에서도 활용될 수 있다.
더 먼 미래를 내다보면, 여러 연구에서 테라헤르츠 분광법이 밀의 신선도 측정, 빵에 곰팡이 존재 여부 확인, 그리고 일반적으로 식품 내 농약, 항생제, 유기 오염 물질, 금속, 방사성 핵종 및 식품 내 미코톡신 존재 여부 확인, 유전자 변형 작물 식별, 음료의 당분 또는 알코올 함량 측정, 수질 오염 감지, 불순물이 섞인 유제품 식별, 그리고 꿀 속의 유해 화학 잔류물 검출 등 테라헤르츠 분광법의 잠재적 활용 가능성을 보여주고 있습니다.
그러나 연구 대상 시료의 테라헤르츠 스펙트럼을 측정하고, 그 과정에서 얻어지는 종종 복잡한 데이터를 분석하는 데는 많은 시간이 소요될 뿐만 아니라, 광원, 테라헤르츠 방출기, 테라헤르츠 검출기, 그리고 대개는 고가이며 부피가 큰 테라헤르츠 분광기가 필요합니다. 이 과정을 소형화하여 스마트폰과 같은 소비자용 전자 기기에 탑재하는 새로운 방법은, 해결하고자 하는 문제와 제안된 해결책에 따라 특허를 받을 수 있을 것입니다.
다분야: 자동차, 항공우주, 재생에너지, 제약
테라헤르츠 기술의 시장성을 입증하고 있는 2012년 설립된 스페인 기술 스타트업 ‘das-Nano’는 최근 유럽 IP 헬프데스크(European IP Helpdesk)의 사례 연구에서 주목받은 바 있으며, 2020년 7월 폭스바겐 나바라 공장에서 최초로 도입된 자동차 산업의 모든 코팅층 두께를 분석하는 특허 받은 비접촉식 장치인 ‘IRYS’와 같은 시스템에서 테라헤르츠 파동의 잠재력을 활용하고 있습니다. 이 회사는 또한 풍력 및 항공 산업에서 사용되는 복합 재료의 전체 층 두께를 검사하고, 각 코팅층의 접착력 및 층간 접착력을 측정하는 또 다른 특허 시스템을 제공하고 있다. 이 회사가 개발한 또 다른 제품인 ‘ONYX’는 그래핀, 박막 및 기타 2차원(2D) 소재에 대한 전체 면적 분석을 수행하는 데 도움을 준다.
테라헤르츠 분광법을 이용한 이 비접촉식 특성 분석의 또 다른 응용 분야는 의약품 정제 내 화합물 층의 두께와 분포를 측정하는 것으로, 이는 테라헤르츠 분광법이 등장하기 전처럼 시료를 물리적으로 파괴하지 않고도 수행할 수 있습니다. 테라헤르츠 분광 기술의 잠재력과 적용 범위는 분명 막대하지만, 현재 그 능력은 실험실 안에 갇혀 있습니다. 이 기술을 스마트폰에 탑재하는 것이 그 잠재력을 발휘할 수 있는 한 가지 방법이 될 수 있을까요? 이 기술이 어떻게 발전하여 우리 일상생활의 필수적인 부분이 되어갈지 지켜보는 것은 흥미로운 일이 될 것입니다.
이 기사에 대해 더 자세히 논의하고 싶으시다면, 저자나 평소 상담하시는 Barker Brettell 담당 변호사에게 문의해 주시기 바랍니다.
“오늘날 스마트폰에는 기록적인 시간 내에 방대한 양의 데이터를 처리할 수 있는 센서와 마이크로프로세서가 기본으로 탑재되어 있다”
