“인체 삽입형 의료기기 초음파로 상시 충전” 새로운 이정표 제시
“인체 삽입형 의료기기 초음파로 상시 충전” 새로운 이정표 제시
김상우 교수 “새로운 방식의 체내 에너지 수확 개념 제시”
  • 박정식 기자
  • 승인 2019.08.02 03:00
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[헬스코리아뉴스 / 박정식 기자] 국내 연구진이 인체 삽입형 의료기기에 새로운 이정표를 제시했다.

2일 과학기술정보통신부에 따르면 성균관대 김상우 교수 연구팀은 배터리 교체를 위한 주기적 시술 없이 체내에서 생성된 마찰전기로 생체 삽입형 의료기기를 상시 충전하는 기술을 개발했다.

그동안 인공심장박동기, 신경자극기, 인슐린펌프 등 인체 삽입형 의료기기는 다양한 기능이 탑재되면서 전력소모가 많아지고 있다. 배터리 교체주기가 짧아지면서 심장박동이나 혈류, 근육운동 등 생체 내 기계적에너지를 전기에너지로 변환하려는 연구가 지속되고 있다.

이중 무선전력방신인 자기유도·자기공명방식은 전자파 간섭으로 인한 오작동과 큰 소자 크기, 그리고 금속 패키징에 의한 차폐 등의 기술적 한계가 있었다. 또 압전 방식은 인체 내부에서 발생하는 현저히 낮은 기계적 에너지 밀도와 발전 지속성 측면에서 아쉬운 점으로 꼽힌다.

 

(A) 피부층 아래에 위치한 마찰전기 발전소자가 초음파에 의해 구동된다는 모식도. (B) 마찰전기 발전소자도. (C) 초음파로 구동되는 마찰전기 발전소자의 앞·뒷면 실제 사진. (D) 마찰전기 발생을 위한 초음파 인가에 따른 음압 수준 계산 결과. (E) 마찰 소재의 다중진동 발생에 따른 마찰전기 발생 가능성 분석 결과. (자료=성균관대학교)
(A) 피부층 아래에 위치한 마찰전기 발전소자가 초음파에 의해 구동된다는 모식도. (B) 마찰전기 발전소자도. (C) 초음파로 구동되는 마찰전기 발전소자의 앞·뒷면 실제 사진. (D) 마찰전기 발생을 위한 초음파 인가에 따른 음압 수준 계산 결과. (E) 마찰 소재의 다중진동 발생에 따른 마찰전기 발생 가능성 분석 결과. (자료=성균관대학교)

연구팀은 이 같은 문제를 해결하고자 피부를 통과한 초음파로 체내에서 마찰전기를 발생시키는 새로운 체내 충전개념을 제안하고, 쥐와 돼지 피부에 마찰전기 발생소자를 삽입해 외부에서 초음파로 마찰전기를 유도했다.

그 결과 돼지 지방층 1cm 깊이에 삽입된 발전소자로부터 심장박동기나 신경자극기를 구동할 수 있는 수준의 출력(0.91 V의 전압, 52.5 μA)을 얻으면서 실제 생체 환경에서 에너지 수확을 통한 발전(發電)이 가능함을 입증했다.

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.

 

(A) 인간 피부조직과 유사한 돼지 피하조직에 삽입된 마찰전기 발전소자의 모식도와 실제 삽입된 발전소자 사진. (B) (C) 실제 돼지 피하조직에 삽입된 발전소자. (D) (E) 피부층과 지방층 사이, 지방층 내부에 위치한 발전소자의 발전량을 출력전압과 전류로 확인한 결과. (자료=성균관대학교)
(A) 인간 피부조직과 유사한 돼지 피하조직에 삽입된 마찰전기 발전소자의 모식도와 실제 삽입된 발전소자 사진. (B) (C) 실제 돼지 피하조직에 삽입된 발전소자. (D) (E) 피부층과 지방층 사이, 지방층 내부에 위치한 발전소자의 발전량을 출력전압과 전류로 확인한 결과. (자료=성균관대학교)

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”고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 중견연구자지원사업(도약) 등의 지원으로 수행됐다. 연구성과는 국제학술지 ‘사이언스’(Science) 8월2일자에 게재됐다.

 

아래는 김상우 교수와의 미니 인터뷰.

■ 연구를 시작한 계기나 배경은?

차세대 인체삽입형 의료기기의 전력소모가 커지고 있어, 전력을 무선으로 전송하는 기술과 체내에서 발생하는 다양한 형태의 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 에너지 하베스팅 관련 기술에 대한 연구가 많이 보고되고 있다.

하지만 인체에 전자기파의 직접적인 노출은 허가가 어려우며 인체 내부에서 발생하는 기계적 에너지는 밀도가 매우 낮아 발전 지속성 측면에서 의료장치에 적용하기에는 한계가 있다.

이러한 한계를 극복하기 위해 인체에 무해한 초음파를 인체에 인가하면 체내에서 일정 수준의 마찰과 이에 따른 마찰전기를 발전·충전할 수 있겠다는 아이디어에서 시작됐다.

 

■ 연구 전개 과정에 대한 소개

초음파의 주파수 대역에 따라 체내 환경에서 마찰소재가 어떻게 거동하는지를 분석하고 이해하는 것을 선행했다. 다중물리 시뮬레이션으로 20kHz 주파수 초음파 환경에서 마찰소재의 거동을 계산해 본 결과, 일정 수준의 기계적 강도를 갖는 고출력 마찰소재인 Perfluoroalkoxy(PFA) 폴리머 소재에서 불규칙한 다중진동이 발생한다는 것을 확인했다.

이러한 다중진동 특성은 초음파 프로브와 마찰소재 간의 거리와 초음파의 세기에 따라 달라진다는 것을 이해했고 실험적으로 PFA와 금속전극간의 다중 진동에 의한 충분한 마찰을 일으킬 수 있는 소자 구조를 디자인했다.

초음파에 의해 마찰전기를 발생시킬 수 있는 발전소자를 높은 초음파 전달이 가능한 물과 체액에서의 전기 발전량을 측정 및 분석했다. 체내에서 발전된 전기를 충전할 수 있는 회로와 융합된 마찰전기 발전소자를 제안했고, 실제로 2차 전지를 초음파 인가로 완충에 성공해 인체삽입용 의료 전자기기의 차세대 전력원 기술로의 가능성이 매우 기대된다.

 

■ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지?

초음파는 20kHz 이상의 주파수를 가진 음파로 알려져 있다. 기존의 마찰전기를 이용한 발전소자는 매우 낮은 주파수대역(<100Hz)에서 연구됐다. 초음파 환경에서 다중진동하는 마찰소재에 의해 발생하는 마찰전기의 발전량을 분석하기 위해서는 출력되는 마찰전기의 전기적 신호에 대한 이해도 요구된다.

초음파 환경에 따라 서로 다른 마찰전기 신호가 출력됐고 20kHz 가 아닌 10kHz에 가깝게 출력된 마찰전기 신호에서 높은 발전량이 확인된 것이 설명되지 않았다. 인가된 초음파는 20kHz의 주파수 조건이므로, 10kHz 주파수에 가깝게 출력되는 마찰전기 특성은 원리 규명도 쉽지 않았다. 이러한 현상은 본 연구 그룹에서 처음으로 발견한 현상이다. 이러한 상이한 출력 원리는 초음파 환경에서 마찰소재(PFA)에 인가되는 음압 수준, 그리고 이에 따른 하부 기판과의 상대적인 위치가 결정한다는 것으로 이해됐다.

또한 기존의 마찰전기 발전소자는 낮은 출력 전류값이 가장 큰 한계점이었으나 초음파에 의한 마찰전기 발전소자는 기존의 소자들과 비교해 1000배 이상 높다. 이러한 특성은 초음파에 의한 마찰전기 발전소자만이 갖는 우수한 발전 특성으로서 본 연구 그룹에서 처음으로 발견, 규명하였고 이를 의료용 전자기기를 무해한 방법으로 충전하는 새로운 개념으로 제시할 수 있었다.

 

■ 이번 성과, 무엇이 다른가?

기존에 보고된 마찰전기 발전소자는 높은 출력전압에 비해, 상대적으로 낮은 출력전류 특성이 발전소자로서 가장 큰 한계점이었다. 본 연구에서는 초음파를 기계적 에너지원으로 사용함으로써 단위시간당 높은 전하량의 변화에 따라 상대적으로 매우 높은 출력전류 특성의 발전소자를 제안했다는 점이 기존에 보고된 연구들과의 차별점이다.

또한 인체삽입용 전자기기에 전력을 공급하기 위해 생체 내부에서 발생하는 기계적 에너지를 전환한 기존의 마찰전기 발전소자는 매우 낮은 밀도의 전환 가능한 에너지 환경에 있었지만, 본 연구 결과는 체외에서 인가한 높은 밀도의 초음파 에너지를 체내에서 하베스팅할 수 있다는 새로운 개념이 기존의 마찰전기 발전기술과의 차별점이다. 따라서 안전성이 확보된 인체삽입형 의료기기의 전력원으로서 역할이 가능하다.

 

■ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나?

전세계적으로 많은 연구 그룹이 기계적 에너지 하베스팅 기술을 연구하고 이에 대해 보고하고 있다. 다양한 소재, 소자, 그리고 응용 연구가 활발히 진행되고 있으나 아직 상업적인 단계를 보이지 않고 있다. 하지만 본 연구 그룹은 인체에 무해한 초음파로 체내에서 의료기기의 구동시간을 연장할 수 있는 새로운 충전 개념과 소재기술을 제시해싸.

이번 결과가 기계적 에너지 하베스팅 기술의 상용화를 앞당기는데 기여하기를 희망한다. 향후, 더 높은 효율의 충전기술에 대한 연구를 계획 중이며 높은 수준의 전기 발전 및 이의 제어가 가능하기 때문에 다양한 의료기술에의 접목 및 응용이 가능하여 향후 인체삽입형 의료분야의 발전에 크게 공헌할 것으로 기대한다.


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