초음파 구동 마찰전기 기반 체내 충전기술 개발

주기적인 배터리 교체시술이 필요 없는 체내 삽입용 의료기기 구현 기대

(그림1) 피부를 통해 인가된 초음파에 의한 마찰전기 발전소자 모식도(실제 소자 사진) 및 초음파에 의한 이론적 진동 발생 수준 계산 (A) 피부층 아래에 위치한 마찰전기 발전소자가 초음파에 의해 구동된다는 모식도. (B) 마찰전기 발전소자 구성, (C) 초음파로 구동되는 마찰전기 발전소자의 앞·뒷면 실제 사진, (D) 마찰전기 발생을 위한 초음파 인가에 따른 음압 수준 계산 결과 및 (E) 이에 따른 마찰 소재의 다중진동 발생에 따른 마찰전기 발생 가능성 분석 결과.

돼지 피하에 삽입한 마찰전기 발전소자의 출력특성평가를 위한 실험적 구성 (A) 초음파가 돼지 피하에 삽입된 발전소자에 전달되지 않는 경우에는 어떠한 발전 특성이 확인되지 않았으나, (B) 1 의 초음파를 인가한 경우에 돼지피하를 통해 전달된 초음파에 의해 마찰전기의 발생을 확인한 결과임.

성균관대 김상우 교수

성균관대 윤홍준 박사

과학기술정보통신부는 성균관대 김상우 교수 연구팀이 배터리 교체를 위한 주기적 시술없이 체내에서 생성된 마찰전기로 생체 삽입형 의료기기를 상시 충전하는 새로운 방식의 에너지 수확(energy harvesting) 기술을 개발했다고 2일 밝혔다.

과학기술정보통신부 중견연구자지원사업(도약) 등의 지원으로 수행된 본 연구의 성과는 저명한 국제학술지 '사이언스(Science)' 8월 2일자에 게재되었다.

심장박동기, 인슐린펌프 등 체내 삽입형 의료기기의 전원공급을 위해 상당한 출력의 외부전력을 무선으로 체내로 전송하기 위해서는 생체 영향력 부분을 고려해야 했다. 이에 심장박동이나 혈류, 근육운동 등 생체 내 기계적 에너지를 전기에너지로 변환하려는 에너지 수확 연구가 지속되었으나 체내에서 발생하는 기계적 에너지가 작아 충분한 발전효과를 내기 어려웠다.

연구진은 실제 검진 및 치료 등에 사용되는 인체에 무해한 초음파에서 힌트를 찾아냈다.

외부의 초음파가 체내에 삽입된 특정 소재의 변형을 가져오고 변형에 따른 진동으로 유도되는 마찰전기를 이용해 높은 수준의 전기에너지를 발생시킬 수 있음을 입증했다.

쥐 또는 돼지의 심장박동을 전기에너지로 변환하고자 마찰전기를 이용한 경우가 있었지만 발생 전력량이 미미하여 실제 전력원으로 사용하기는 어려운 상황이었다.

이번 연구에서는 생체를 투과할 수 있는 초음파를 외부 기계적 에너지원으로 이용해 출력 전류를 천 배 이상 끌어 올린 것이다.

실제 연구진은 쥐와 돼지 피부에 마찰전기 발생소자를 삽입하고 외부에서 초음파로 마찰전기를 유도함으로써 실제 생체 환경에서 에너지 수확을 통한 발전(發電)이 가능함을 입증하였다.

돼지 지방층 1cm 깊이에 삽입된 발전소자로부터 심장박동기나 신경자극기를 구동할 수 있는 수준의 출력(0.91 V의 전압, 52.5 μA)을 얻어 낸 것이다.

나아가 개발된 마찰전기 발전소자로 최적의 조건에서 박막형 리튬이온 배터리(0.7 mAh, IoT용 무선 온도센서 상시구동이 가능한 용량)와 상업용 축전기(4.7 mF)를 완충하는데 성공했다.

김상우 교수는 “피부층을 통과한 초음파에 의한 마찰전기를 이용한 새로운 방식의 체내 에너지 수확(energy harvesting) 개념을 제시한 것”이라며, “인체 삽입형 의료 시스템 산업에 새로운 이정표를 제시할 것으로 기대된다”라고 의의를 밝혔다.

[e-mail] 조석장 기자