오늘날 많은 사람들이 불규칙한 생활 패턴과 식습관으로 인해 후천적으로 비만과 더불어 당뇨병에 걸리는 환자가 증가한다. 당뇨병 환자의 질병 이환 기간이 길고 글루코스 농도 조절이 적절하게 되지 않으면, 다양한 합병증을 유발한다. 당뇨병 환자들은 다양한 합병증 예방을 위해 글루코스 농도를 지속적으로 검사하길 원하며, 간편한 자가 진단 시스템을 필요로 한다. 본 논문에서는 신체에 부착이 가능하여 수시로 또는 환자가 원할 때에 부착한 글루코스 센서를 이용해 혈당 농도를 측정할 수 있도록 구리 나노 큐브를 전기 도금한 레이저 유도 그래파이트 전극 기반 유연 글루코스 센서를 제작하였고 성공적으로 글루코스를 측정하였다.
유연한 특성을 가지는 폴리이미드 필름 기판에 8.9 W 파워를 가지는 CO2 레이저를 조사하여 다공성 레이저 유도 그래파이트 전극을 형성하였다. 전극의 감지 영역과 패드 부분만을 노출시키기 위해 5 mm의 폴리이미드 테이프를 이용해 전극의 패스 부분을 패시베이션 하였다. 전극 패드를 보호하기 위해 전도성 은 에폭시를 도포하였으며, 기준 전극에 Ink Ag/AgCl을 도포해 센서 제작을 완료하였다. 제작된 센서의 전자 전달 속도와 글루코스와의 촉매 반응을 향상시키기 위해 대시간전위차법으로 400초 동안 1 mA의 전류를 인가해 레이저 유도 그래파이트 전극에 구리 나노 큐브를 전기 도금하였다.
공정 조건 별 전극의 특성 분석을 위해 8.5 W ? 9.0 W 레이저 파워 별 전극 특성 분석을 진행한 결과 130.4 Ω으로 8.9 W 레이저 파워를 사용해 전극을 제작할 경우 저항이 가장 작았다. 또한, 100 uA, 200 uA, 300 uA, 500 uA, 1000 uA 전기 도금 공정 조건 별 전극 특성 분석을 진행한 결과 90.7 Ω으로 1000 uA의 전류를 인가해 전기 도금을 진행할 경우 저항이 가장 작았다. 특성 분석을 통해 전극 형성 시 8.9 W 레이저 파워를 인가하여 전극을 제작하고, 전기 도금 시 1000 uA의 전류를 인가하여 구리 나노 큐브를 전기 도금하는 공정 조건이 최적의 조건인 것을 확인하였다.
구리 나노 큐브가 전기 도금된 레이저 유도 그래파이트 전극은 높은 민감도 (1438.8 uA/mM?cm2)를 나타내며, 0 mM ? 4 mM의 넓은 글루코스 측정 선형 범위와 0.124 uM의 낮은 최저 측정 농도를 나타내었다. 글루코스 센서를 인체에 부착할 경우 움직임으로 인해 벤딩되어 측정의 오차가 발생할 수 있으므로 유연한 상태에서도 글루코스 측정이 가능한지 입증할 필요가 있다. 그러므로 제작된 센서를 45°, 90°, 135°, 180°로 벤딩하여 글루코스 센서의 특성 분석을 진행한 결과 104.7 Ω, 121.1 Ω, 144 Ω, 168.2 Ω, 198.5 Ω으로 벤딩 각도가 증가함에 따라 저항이 증가하였다. 또한 벤딩 각도 별 센서의 성능을 확인한 결과 45°는 1244.7 uA/mM?cm2, 90°는 1085.8 uA/mM?cm2, 135°는 977.6 uA/mM?cm2, 180°는 812.4 uA/mM?cm2의 민감도를 나타내었다.
본 연구를 통해 구리 나노 큐브를 전기 도금한 레이저 유도 그래파이트 전극 기반 글루코스 센서는 특정 범위의 글루코스 측정이 가능할 뿐만 아니라 유연 센서로 사용 가능하다는 것을 입증하였다. 따라서 제작된 글루코스 센서는 인체 부착용 글루코스 센서로 응용이 가능하며, 생리학적 물질인 눈물, 침, 땀 등의 시료를 이용한 글루코스 센서로 사용 가능할 것이다.

Modern people are increasingly living more irregular lives with erratic eating habits. This has resulted in the increase of diabetic patients. Living with diabetes for an extended period of time with abnormal glucose levels can lead to many complications. This leads to diabetic patients having to periodically check their glucose levels to prevent further serious health problems. To meet this increased demand for a simple self-diagnostics system, we have developed a flexible and wearable glucose sensor which the patient can stick and unstick to the body on-demand. This sensor is a non-enzymatic glucose sensor based on Copper Nanocube (Cu NC) electroplated Laser Induced Graphite (LIG) electrode that can detect a certain range of glucose concentrations even under physical deformation.
A flexible polyimide film was irradiated with CO2 laser with a power of 8.9 W to form porous LIG electrode. The electrode was passified by a 5 mm polyimide tape covering the electrode path, leaving the sensing area and pad exposed. Conducting silver epoxy was applied to the pads for protection purposes and Ag/AgCl ink was applied to the reference electrode pad. Cu NC was electrochemically deposited on the LIG electrodes using chronopotentiometry by applying a current of 1 mA for 400 s to improve electron transfer rates and to enhance electrocatalytic reaction with glucose.
Electrode characteristics of electrodes fabricated under 8.5W - 9.0W laser power were analyzed. The results showed that electrodes fabricated under 8.9 W laser power had the lowest resistance at 130.4 Ω. Therefore the most ideal laser power condition was concluded to be 8.9 W. In addition, electrode characteristics were analyzed for various electrodes with different electroplating currents at 100 uA, 200 uA, 300 uA, 500 uA, and 1000 uA. Resistance was smallest when electroplated at 1000 uA which at 90.7 Ω. These results show that the optimal conditions for sensor fabrication and electroplating is when laser power is at 8.9 W and electroplating current is at 1000 uA.
The LIG electrodes with Cu NC demonstrated a high degree of sensitivity (1438.8 uA/mM·cm2), good stability with a linear response to glucose ranging from 0 mM to 4 mM concentration, and a limit of detection of 0.124 uM. Glucose sensing under mechanical deflection must be possible for wearable, skin-attachable glucose sensors. In order to verify that the fabricated sensor can measure glucose levels under mechanical deflection, the electrodes were bent to 45°, 90°, 135° and 180° angles. Current values per glucose concentration were 1244.7 uA/mM·cm2 at 45°, 1085.8 uA/mM ·cm2 at 90°, 977.6 uA/mM·cm2 at 135°, and 812.4 uA/mM·cm2 at 180°.
In conclusion, we have successfully designed and fabricated a flexible glucose sensor based on Cu NC electroplated LIG electrode that can detect glucose. This glucose sensor can be attached to the skin and can detect glucose levels commonly found in bodily fluids such as saliva, tears, and perspiration, showing potential applications in these areas of research.