초음파로 무선 충전 가능한 생체 삽입형 배터리 개발

허성훈 KIST 선임연구원, 송현철 고려대 교수 공동 연구팀 단체 사진. KIST 제공

국내 연구진이 초음파를 수신해 무선 충전되는 생체 삽입형 배터리 기술을 개발했다. 개발한 배터리를 차세대 웨어러블 및 이식형 전자기기에 적용할 수 있을 것으로 보인다. 

한국과학기술연구원(KIST)은 허성훈 KIST 선임연구원팀이 구부러져도 성능이 유지되는 생체 친화적 초음파 수신기를 개발했다고 20일 밝혔다. 연구논문 1저자는 김현수 KIST 전자융합소재연구센터 박사후연구원, 이만 모하마디 이마니 고려대 박사후연구원이고 교신저자는 허 선임연구원과 송현철 고려대 교수다. 

수중환경 전자기기나 이식형 의료 전자기기에 대한 수요가 높아지면서 안정적이고 지속적인 전력 공급은 필수적이다. 문제는 스마트폰과 무선 이어폰 등에 사용되는 기존의 무선 충전 방식은 전송 거리가 짧거나 생체 조직 내 에너지 전달 효율이 낮으며 전자파 간섭 등을 일으킨다는 점이다.

전자기 유도 법칙을 기반으로 하는 기존의 무선 충전 방식은 송신 코일과 수신 코일 사이의 자기장을 통해 전력을 전달하는 방법이다. 송신기에서 전자기파 형태로 에너지를 방출하면 수신기에서 이를 수신해 전기 에너지로 변환하는 것이다. 

연구팀은 고효율 압전 소재와 독자적인 구조 설계를 통해 초음파로 전력을 무선으로 전송하는 방식을 개발했다. 기존 초음파 수신기 대비 전력 변환 효율이 획기적으로 향상된 수신기를 개발했다. 초음파는 인체 친화적이며 조직 흡수가 적어 이식형 및 피부 부착형 기기에서 더욱 안정적인 에너지 전송이 가능하다는 장점이 있다. 

연구팀은 신축성과 생체 적합성을 갖춘 초음파 수신기를 설계해 인체 곡면에 밀착하면서도 안정적인 전력 변환이 가능한 배터리를 개발했다. 수신기는 수중 3cm 거리에서 20메가와트(mW)의 전력을, 피부로부터 3cm 깊이에서는 7mW 수준의 전력을 전송했다. 저전력 웨어러블 기기나 이식형 의료기기의 지속적인 구동에 충분한 전력량으로 평가된다.

연구성과는 수중 전자기기와 이식형 의료 전자기기의 실용화를 앞당기는 데 기여할 것으로 기대된다. 특히 이식형 심박 조율기, 신경 자극기, 웨어러블 센서와 같은 저전력 의료기기에 안전하고 지속적인 전력을 공급할 수 있는 새로운 패러다임을 제시할 것으로 보인다. 의료기기뿐만 아니라 수중 드론이나 장기적인 전력 공급이 필요한 해양 센서에도 적용될 가능성이 있어 다양한 산업 분야에서도 활용도가 높을 것으로 전망된다.

허 연구원은 "연구를 통해 초음파를 활용한 무선 전력 전송 기술이 실질적으로 적용될 수 있음을 입증했다"며 "향후 소형화 및 상용화를 위한 추가 연구를 진행하여 기술의 실용화를 앞당길 계획이다"고 밝혔다.

<참고자료>
-https://doi.org/10.1002/adma.202419264

[이채린 기자 rini113@donga.com]