“2시간 완충” 인체 삽입 의료기기…수술없이 ‘무선충전’한다

- DGIST, 초음파 기반 무선충전 기술 개발

제작된 적층형 압전 소자 기반 초음파 하베스터(SW-PUSH).[DGIST 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 대구경북과학기술원(DGIST) 전기전자컴퓨터공학과 장진호 교수 연구팀이 인체 삽입형 의료기기의 배터리를 빠르고 효율적으로 충전할 수 있는 ‘초음파 기반 무선충전 기술’을 개발했다고 밝혔다. 이 기술은 인체 내부에서도 2시간 이내에 상용 배터리를 완충할 수 있는 세계 최고 수준의 에너지 효율을 기록했다.

최근 인구 고령화와 질병, 사고 등으로 인해 인체 삽입형 의료기기(심박조율기, 신경 자극기 등)에 대한 수요가 급증하고 있다. 하지만 이들 의료기기의 배터리는 일정 주기로 교체가 필요해, 환자가 수술을 반복적으로 받아야 하는 불편함과 위험이 있었다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 외부에서 무선으로 에너지를 전송해 별도의 수술 없이 의료기기 배터리를 충전하는 기술 개발이 필수적이었다.

기존에도 초음파를 활용한 무선충전 기술이 있었지만, 인체 내부에 삽입할 수 있는 하베스터(에너지 수신기)는 크기와 구조에 한계가 있고, 인체에 사용할 수 있는 초음파 세기도 제한적이어서 출력이 부족하다는 문제가 있었다.

장진호 교수 연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 새로운 구조의 ‘적층형 압전 소자 기반 에너지 하베스터’를 개발했다. 이 기술은 두 개의 압전 소자를 적층 구조로 설계해, 앞쪽 압전 소자는 초음파 에너지를 받아 전기를 생산하고, 뒤쪽 압전 소자는 남는 초음파를 다시 활용해 추가 에너지를 생성하는 방식이다. 두 소자에서 발생한 에너지를 합쳐 기존 대비 20% 이상 높은 효율을 확보했다.

이번 연구를 수행한 장진호(왼쪽) 교수와 강성우 박사과정생.[DGIST 제공]

연구팀은 이번 기술을 통해 수중 30mm 거리에서는 140mAh 상용 배터리를 1시간 40분 만에, 돼지 생체조직 30mm 두께를 통한 실험에서는 60mAh 배터리를 1시간 20분 만에 완충하는 성과를 입증했다. 이는 지금까지 발표된 유사 기술 대비 최소 2배 이상의 출력 성능을 달성한 세계 최고 수준의 성과다.

장진호 교수는 “이번 연구는 그동안 활용되지 못했던 초음파 에너지를 효과적으로 수확해, 인체 삽입형 의료기기의 무선충전에 활용할 수 있게 만든 혁신적 기술”이라며 “향후 초음파 기반 무선충전 시스템과 고효율 반도체 기술을 결합해 1시간 이내 완충이 가능한 시스템 상용화를 목표로 하고 있다”고 밝혔다.

이번 연구결과는 생체 센서 및 바이오전자공학 분야 국제학술지 ‘바이오센서 & 바이오일렉트로닉스’에 게재됐다.