"몸속 의료기기, 배터리 교체 없이 초음파 충전 가능해진다"

김상우 성균관대 교수 연구팀, 새 에너지 수확기술 개발

"체내에서 생성된 마찰전기로 의료기기 상시 충전 가능"

【서울=뉴시스】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.  (사진/과학기술정보통신부 제공) [email protected]

【서울=뉴시스】이국현 기자 = 국내 연구진이 몸 속에 삽입된 의료기기의 배터리를 초음파 방식으로 충전할 수 있는 기술 개발에 성공했다. 

과학기술정보통신부는 김상우 성균관대 교수 연구팀이 배터리 교체를 위한 주기적 시술 없이 체내에서 생성된 마찰전기로 생체 삽입형 의료기기를 상시 충전하는 에너지 수확 기술을 개발했다고 2일 밝혔다.

최근 인공심장박동기, 신경자극기, 인슐린펌프 등 체내 삽입형 의료기기의 전력 소모가 커지고 있지만 배터리 교체를 위해서는 추가 비용과 고통이 수반된다. 이에 인체 내부로 전력을 무선 전송하는 기술과 체내에서 발생하는 다양한 형태의 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환하는 기술 연구가 활발하게 진행되고 있다.
 
하지만 기존 무선 전력 방식인 자기유도·자기공명방식은 전자파 간섭으로 인한 오작동 우려는 물론 큰 소자 크기, 금속 패키징에 의한 차폐 등 기술적 한계가 있었다. 압전 방식 역시 인체 내부에서 발생하는 현저히 낮은 기계적 에너지 밀도와 발전 지속성 측면에서 아쉬운 점이 있었다.

이에 연구진은 실제 검진 및 치료 등에 사용되는 초음파에서 힌트를 찾았다. 외부 초음파가 체내에 삽입된 특정 소재의 변형을 가져오고, 변형에 따른 진동으로 유도되는 마찰전기를 이용해 높은 수준의 전기에너지를 발생시킬 수 있다는 사실을 입증했다.

쥐 또는 돼지의 심장 박동을 전기에너지로 변환하기 위해 마찰전기를 이용한 경우가 있었지만 발생 전력량이 미미해 실제 전력원으로 사용하기는 어려운 상황이었다. 이번 연구에서는 생체를 투과할 수 있는 초음파를 외부 기계적 에너지원으로 이용해 출력 전류를 1000배 이상 끌어 올렸다.

연구 결과, 쥐와 돼지 피부에 마찰전기 발생소자를 삽입하고, 외부에서 초음파로 마찰전기를 유도해 실제 생체 환경에서 에너지 수확을 통한 발전이 이뤄졌다. 돼지 지방층 1cm 깊이에 삽입된 발전 소자로부터 심장박기나 신경자극기를 구동할 수 있는 수준의 출력(0.91 V의 전압, 52.5 μA)을 얻었다.

개발된 마찰전기 발전소자로 최적의 조건에서 박막형 리튬이온 배터리(0.7 mAh)와 상업용 축전기(4.7 mF)를 완충하는데 성공했다.

김상우 교수는 "피부층을 통과한 초음파에 의한 마찰전기를 이용한 새로운 방식의 체내 에너지 수확 개념을 제시했다"며 "인체 삽입형 의료 시스템 산업에 새로운 이정표를 제시할 것으로 기대된다"고 밝혔다.

연구 성과는 국제학술지 '사이언스(Science)'에 게재됐다.


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