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몸 안에서 전기 생산…"배터리 교체 필요 없는 심장박동기 빛보나"

돼지 지방 1cm 아래서 심장박동기 구동 가능한 0.9v 전압 출력 성공
성균관대 연구진, 2일 사이언스지에 게재

(서울=뉴스1) 최소망 기자 | 2019-08-02 03:00 송고
(A) 인간 피부조직과 유사한 돼지 피하조직에 삽입된 마찰전기 발전소자의 모식도와 실제 삽입된 발전소자 사진과 (B) (C) 실제 돼지 피하조직에 삽입된 모습.(과기정통부 제공)© 뉴스1
(A) 인간 피부조직과 유사한 돼지 피하조직에 삽입된 마찰전기 발전소자의 모식도와 실제 삽입된 발전소자 사진과 (B) (C) 실제 돼지 피하조직에 삽입된 모습.(과기정통부 제공)© 뉴스1

국내 연구진이 몸 안에서 생성되는 마찰전기로 전압 0.91볼트(V)와 전류 52.5마이크로암페어(㎂) 수준의 출력을 낼 수 있는 기술을 개발했다. 이는 체내 심장박동기나 신경자극기를 구동할 수 있는 수준으로 배터리 교체가 필요없는 의료기기가 개발될지 주목된다. 연구진은 5년 내로 상용화가 가능할 것으로 보고 있다.
 
과학기술정보통신부는 김상우 성균관대 교수 연구팀이 생체 안정성을 보유한 고출력 마찰소재인 '퍼플 루오로 알콕시'(Perfluoroalkoxy·PFA) 폴리머 필름과 '플렉서블 PCB'(f-PCB)를 사용해 체내에서도 초음파를 쪼이면 전기 발전이 가능한 '초음파 구동 마찰전기 하베스팅 소자'를 개발했다고 1일 밝혔다.

지금까지 심장박동기·인슐린펌프 등 체내 삽입형 의료기기에 전원을 공급하는 방식은 상당 출력의 외부전력을 무선으로 체내로 전송하거나 주기적으로 배터리를 갈아주는 방법밖에 없었다. 이에 심장박동, 혈류, 근육운동 등 생체 내 기계적 에너지를 전기에너지로 변환하려는 에너지 하베스팅(energy harvesting) 연구가 지속됐지만 체내서 발생하는 기계적 에너지가 작아 충분한 발전효과가 적었다.

연구진은 실제 검진이나 치료에 자주 사용되는 인체에 무해한 초음파에 집중했다. 새로 개발한 소자를 체내에 넣으면 외부의 변형을 일으키고 변형에 따른 진동으로 유도되는 마찰전기를 이용해 높은 수준의 전기에너지를 발생시킬 수 있음을 입증했다.

연구진은 쥐와 돼지 피부에 마찰전기 발생소자를 삽입하고 외부에서 초음파로 마찰전기를 유도해 에너지 수확에 성공했다. 돼지 지방층 1cm 깊이에 삽입된 발전소자로부터 심장박동기나 신경자극기를 구동할 수 있는 수준의 전압 0.91V와 전류 52.5㎂ 수준의 출력을 만든 것이다. 기존 발생 전류가 나노암페어(㎁) 수준인 점과 비교하면 출력 전류를 천배 이상 끌어 올렸다.

또 개발된 소자로 최적 조건에서 박막형 리튬이온 배터리와 상업용 축전기를 완충하는 데도 성공했다.

김상우 교수는 "피부층을 통과한 초음파에 의한 마찰전기를 이용한 새로운 방식의 체내 '에너지 하베스팅' 개념을 제시한 것"이라면서 "인체 삽입형 의료 시스템 산업에 새로운 이정표를 제시할 것"이라고 말했다.

이 기술에 대한 상용화 시기에 대해 김상우 교수는 "현재 국내외 다양한 기업들이 기술에 관심을 보이고 있기 때문에 이 기술에 대한 상용화는 5년 내로 가능할 것"이라고 내다봤다.

과기정통부 중견연구자지원사업 지원을 통해 도출된 이번 성과는 2일 국제학술지 '사이언스'(Science)에 실렸다.


somangchoi@

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