[서울=뉴스핌] 김영섭 기자 = 신체에 삽입된 의료기기의 배터리를 교체하지 않고 상시 충전할 수 있는 기술이 나왔다. 인체 삽입형 의료 시스템 산업에 새로운 이정표를 제시했다는 평가다.

2일 과학기술정보통신부에 따르면 성균관대 신소재공학부 김상우 교수 연구팀은 배터리 교체를 위한 주기적 시술 없이 체내에서 생성된 마찰전기로 생체 삽입형 의료기기를 상시 충전하는 새로운 방식의 에너지 수확(energy harvesting) 기술을 개발했다.

연구결과(논문명 “Transcutaneous ultrasound energy harvesting using capacitive triboelectric technology”)는 저명한 국제학술지 '사이언스(Science)' 온라인판에 이날 게재됐다.

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. 2019.08.01. [이미지=과기정통부]

연구진에 따르면 그간 학계는 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 지속됐지만, 체내에서 발생하는 기계적 에너지가 적어 충분한 발전효과를 내기 어려웠다.

연구진은 문제해결을 위해 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 1000배 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 입증했다. 돼지 지방층 1cm 깊이에 삽입된 발전소자로부터 심장박동기나 신경자극기를 구동할 수 있는 수준의 출력을 얻어 낸 것이다.

나아가 개발된 마찰전기 발전소자로 최적의 조건에서 박막형 리튬이온 배터리와 상업용 축전기를 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 의의를 밝혔다.

kimys@newspim.com