초음파, 마찰전기로 인공심장 충전…배터리 교체시술 사라질까

마찰전기 기반 체내 충전기술 개발…주기적인 배터리 교체시술 필요 없어

피부를 통해 인가된 초음파에 의한 마찰전기 발전소자 모식도(실제 소자 사진) 및 초음파에 의한 이론적 진동 발생 수준 계산 <br><br>(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/그림=성균관대

국내연구진이 인공심장박동기, 신경자극기, 인슐린펌프 등 몸속에 삽입한 의료기기를 체내 마찰전기를 일으켜 충전하는 기술을 개발했다.

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

심장박동, 혈류, 근육운동 등 생체 내 기계적 에너지를 전기에너지로 변환하려는 에너지 수확 연구가 활발하다. 하지만 체내에서 발생하는 기계적 에너지가 작아 충분한 발전효과를 내기 어려웠다.

연구진은 검진·치료 등에 사용하는 초음파에서 힌트를 얻었다. 연구진에 따르면 우선 체내에 마찰전기 발생소자를 삽입한 뒤 초음파를 쏜다. 그러면 소자에 변형이 일어나면서 진동이 발생, 마찰전기가 생긴다. 이런 식으로 높은 수준의 전기에너지를 발생시킬 수 있음을 입증했다.

연구진은 “생체를 투과할 수 있는 초음파를 외부 기계적 에너지원으로 이용해 출력 전류를 1000배 이상 끌어 올렸다”고 설명했다.

연구진은 쥐와 돼지 피부에 마찰전기 발생소자를 삽입하고 외부에서 초음파로 마찰전기를 유도함으로써 실제 생체 환경에서 에너지 수확을 통한 발전이 가능함을 입증했다.

연구진은 “돼지 지방층 1cm 깊이에 삽입된 발전소자로부터 심장박동기나 신경자극기를 구동할 수 있는 수준의 출력(0.91V의 전압, 52.5μA)을 얻었다”고 말했다.

연구진은 개발한 마찰전기 발전소자로 박막형 리튬이온 배터리(0.7 mAh)와 상업용 축전기(4.7mF)를 완충하는데 성공했다.

김 교수는 “피부를 통과한 초음파로 체내에서 마찰전기를 발생시켜 전기를 발생시키고 필요에 따라 이를 저장하여 체내에 삽입된 의료기기를 구동할 수 있는 새로운 체내 충전개념을 제안한 것”이라며 “인체 삽입형 의료 시스템 산업에 새로운 이정표를 제시할 것으로 기대된다”고 말했다. 이번 연구성과는 국제학술지 '사이언스'에 게재됐다.