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초음파 구동 마찰전기 기반 체내 충전 기술 개발주기적인 배터리 교체 시술이 필요 없는 체내 삽입용 의료기기 구현 기대
조충연 기자  |  dw@doctorw.co.kr
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승인 2019.08.09  07:03:31
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▲ 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 앞뒷면 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
   
▲ 마찰전기 발전소자의 발전특성평가 확인
(A) 초음파로 구동되는 마찰전기 발전소자의 평가를 위한 실험구성
(B) 마찰전기 발전소자의 발전원리 모식도
초음파에 의해 발생한 마찰전기를 (C) 출력전압, (D) 출력전류 측정을 통해 실험적으로 검증. (E) 3w/㎠ (F) 1w/㎠ 세기의 초음파 환경에서의 마찰전기 발전소자의 전기발전량 확인.
   
▲ 마찰전기 발전소자의 충전특성과 초음파 조건에 따른 마찰전기 발전특성 분석
마찰전기 발전소자에서 발생한 전기를 저장체인 (A) 커패시터와 (B) 상업용 2차 전지를 실험적으로 완충한 결과. (C) 초음파 프로브와 발전소자간의 거리와 (D) 초음파의 세기에 따른 마찰전기 발전소자의 발전 전압과 전류특성을 실험적으로 분석
   
▲ 마찰전기 발전소자의 생체환경에서의 발전가능성 확인
(A) 인간 피부조직과 유사한 돼지 피하조직에 삽입된 마찰전기 발전소자의 모식도와 실제 삽입된 발전소자 사진
(B) (C) 실제 돼지 피하조직에 삽입돼, (D) 피부층과 지방층 사이 그리고 (E) 지방층 내부에 위치한 발전소자의 발전량을 출력전압과 전류로 확인한 결과
   
▲ 물 속에서의 발전특성평가를 위한 실험 구성
물을 매질로 진행된 초음파에 의한 마찰전기 발전소자의 발전특성 평가를 위한 실험 구성의 실제 사진

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

심장박동기, 인슐린펌프 등 체내 삽입형 의료기기의 전원 공급을 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 지속됐으나 체내에서 발생하는 기계적 에너지가 작아 충분한 발전 효과를 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 미미해 실제 전력원으로 사용하기는 어려운 상황이었다.

이번 연구는 생체를 투과할 수 있는 초음파를 외부 기계적 에너지원으로 이용해 출력 전류를 천 배 이상 끌어올린 것이다.

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

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

나아가 개발된 마찰전기 발전소자로 최적의 조건에서 박막형 리튬이온 배터리(0.7mAh, IoT용 무선 온도센서 상시구동이 가능한 용량)와 상업용 축전기(4.7mF)를 완충하는 데 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”고 연구 의의를 밝혔다.

과학기술정보통신부 중견연구자지원사업(도약) 등의 지원으로 수행된 본 연구 성과는 국제학술지 사이언스(Science) 8월 2일자에 논문명 ‘Transcutaneous ultrasound energy harvesting using capacitive triboelectric technology’, 김상우 교수(교신저자, 성균관대), 윤홍준 박사(제1저자, 성균관대), Ronan Hinchet 박사(제1저자, 성균관대), 유한준 박사(참여저자, 성균관대), 김무강 연구원(참여저자, 서울의대 심혈관센터), 최의근 교수(참여저자, 서울의대 순환기내과), 김동순 박사(참여저자, 한국전자부품연구원) 등으로 게재됐다.

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