배터리 교체를 위해 주기적으로 시술하지 않고 체내에서 생성된 마찰전기로 인공심장박동기, 인슐린펌프 등을 충전할 수 있는 기술이 개발됐다.

과학기술정보통신부는 2일 성균관대 신소재공학부 김상우 교수 연구팀이 체내에서 생성된 마찰전기로 삽입형 의료기기를 상시 충전하는 새로운 방식의 에너지 수확(energy harvesting) 기술을 개발했다고 밝혔다.

인공심장박동기나 신경자극기, 인슐린펌프 등 체내 삽입형 의료기기는 다양한 기능이 탑재되면서 전력소모도 커져 환자는 배터리 교체를 위한 추가적인 비용과 고통을 감수해야 한다.

또한 전원공급을 위해 상당한 출력의 외부전력을 무선으로 체내에 전송하려면 생체 영향력 부분도 고려해야 한다.

이에 심장박동이나 혈류, 근육운동 등 생체 내 기계적 에너지를 전기에너지로 변환하는 에너지 수확 연구가 이어졌지만 충분한 발전효과를 보이지는 못했다.

김 교수팀은 실제 검진과 치료 등에 사용되는 인체에 무해한 초음파에 착안해 마찰전기를 이용해 높은 수준의 전기에너지를 발생시킬 수 있다는 사실을 입증했다.

기존에도 쥐나 돼지의 심장박동을 전기에너지로 변환하고자 마찰전기를 이용한 경우가 있었지만 발생 전력량이 미미했다.

하지만 김 교수팀은 이번 연구에서 생체를 투과할 수 있는 초음파를 외부 기계적 에너지원으로 이용해 출력 전류를 1,000배 이상 끌어 올렸다.

연구진은 쥐와 돼지 피부에 마찰전기 발생소자를 삽입하고 외부에서 초음파로 마찰전기를 유도해 실제 생체 환경에서 에너지 수확을 통한 발전이 가능하다는 사실을 입증했다.

돼지 지방층 1cm 깊이에 발전소자를 삽입해 심장박동기나 신경자극기를 구동할 수 있는 수준의 출력인 0.91V의 전압, 52.5μA를 얻어냈다.

또한 개발한 마찰전기 발전소자로 박막형 리튬이온 배터리(0.7 mAh, IoT용 무선 온도센서 상시구동이 가능한 용량)와 상업용 축전기(4.7 mF)를 완충하는데 성공했다.

김 교수는 “피부층을 통과한 초음파에 의한 마찰전기를 이용한 새롱누 방식의 체내 에너지 수확 개념을 제시했다”며 “인체 삽입형 의료시스템 산업에 새롱누 이정표를 제시할 것으로 기대한다”고 말했다.

이번 연구결과를 담은 논문 ‘Transcutaneous ultrasound energy harvesting using capacitive triboelectric technology’은 이날 국제학술지 ‘사이언스(Science)'에 게재됐다.