'초음파'로 인공장기 무선 충전…삽입형 의료기기 '난제' 풀릴까

DIGIST 전기전자컴퓨터공학과 장진호 교수팀, 세계 최초 기술 개발
"30mAh 배터리, 무선 충전으로 80분 완충"

DGIST 전기전자컴퓨터공학과 장진호 교수팀이 연구결과를 확인하고 있다 /사진제공=DGIST

대구경북과학기술원(DGIST)은 장진호 전기전자컴퓨터공학과 교수팀이 인체 삽입형 의료기기의 배터리를 초음파로 무선 충전할 수 있는 압전 소자 기반 고성능 에너지 하베스터를 개발했다고 25일 밝혔다.

연구팀은 30mAh 배터리를 무선 충전으로 1시간 20분 내 완충할 수 있는 기술을 세계 최초로 개발했다. 이는 다기능 삽입형 의료용 전자기기 상용화에 기여할 수 있다.

최근 신체와 장기 기능 장애를 극복하기 위해 인체에 삽입하는 형태의 의료기기 수요가 늘어나고 있지만, 기기의 배터리 충전기술이 최대 걸림돌로 지목된다. 신체와 장기 상태가 나쁠수록 인체 삽입형 의료기기의 사용 빈도와 소모되는 전력량이 늘어나지만, 배터리 교체 목적의 수술이 빈번해지면 환자로서는 신체·정신적 부담은 물론 비용 문제까지 짊어져야 한다.

이에 수술 없이 인체 내 의료기기를 초음파를 활용해 빠르게 무선 충전할 수 있는 기술의 연구가 활발하다. 지금까지는 압력을 가해 전기를 생성하는 '압전 발전기 방식'이 주로 활용됐다. 비교적 일정한 에너지를 생성하고 초음파 무선 전력 수신기의 소형화가 쉬워서다. 하지만 송신 초음파에 의해 형성되는 음장의 형태, 또 압전 발전기 크기와 모양의 최적화가 미흡해 발전으로 생성되는 전력이 매우 작았다. 상용 배터리의 빠른 완충이 어려웠던 이유다.

이에 장 교수팀은 이론적 해석과 실험으로 초음파 기반 고효율 에너지 변환 송수신기 제작의 최적 조건을 발견했다. 연구팀은 가능한 넓은 영역에 초음파가 집중적으로 모이도록 설계해 송신기를 만들고, 송신한 초음파의 에너지가 주로 모이는 영역과 크기가 동일한 직사각형 형태의 수신기를 제작했다.

30mAh 상용 배터리를 대상으로 무선 충전 송신기와 수신기(압전 발전기) 사이에 50㎜의 간격을 두고 실험한 결과, 배터리의 완충까지 물에서는 1시간 20분, 생체조직(돼지)에서는 1시간 50분이 소요됐다. 이는 현재까지 발표된 초음파 기반 무선 전력 전송 기술 대비 최소 6.6배의 단위면적당 전력 생성 효율이다. 특히 송수신기 사이의 거리가 50㎜ 떨어져 있을 때 30mAh의 상용 배터리를 완충하는 실험 결과는 아직까지 보고된 적이 없어 세계 최고 수준의 성과로 평가받는다.

장 교수는 "상용 배터리를 1시간 안에 완충할 수 있는 초음파 기반 고성능 무선 전력 전송 시스템을 개발하고 상용화까지 추진할 것"이라며 "고효율 전력 반도체와 배터리 제어 반도체 등을 개발할 수 있는 반도체 전문가와 협업하겠다"고 말했다.

한편 이번 연구는 DGIST의 그랜드챌린지연구혁신 프로젝트(P-CoE)와 한국연구재단의 중견연구자지원사업의 지원을 통해 수행됐다. 연구 결과는 에너지 공학 분야의 저명 국제 학술지 중 하나인 '나노 에너지(Nano Energy)'에 게재됐다．

변휘 기자 hynews@mt.co.kr