- 체내 의료기기 충전 장벽 티타늄 투과로 전달 효율 310% 높여

- 연구 결과 에너지 분야 세계적 학술지 줄(Joule) 최신판 게재

- 체내 삽입형 의료기기 고효율·소형화의 기폭제가 될 것으로 기대

▲‘액체층을 이용한 티타늄 투과 초음파 에너지 전달 효율 증폭 현상’의 개요(사진= 에너지마이닝) A: 제안된 초음파 정전기 발전소자 구조 B: 발전 메커니즘 C: 티타늄과 멤브레인의 진동 변위 측정값 D: 티타늄 패키지을 적용에 따른 출력 증폭 현상에 대한 그래프

▲소동물 실험을 통한 생체 안정성, 장기 구동 안정성, 블루투스 성능 평가(사진= 에너지마이닝)

인체 삽입형 의료기기 충전 솔루션을 개발하는 에너지마이닝(대표 박현문, 김상우)은 체내 삽입형 의료기기의 충전 효율을 기존 대비 약 300% 이상 높일 수 있는 기술을 개발했다고 17일 밝혔다.

지금까지 체내 삽입형 의료기기의 주요 패키지로 사용되는 티타늄 소재는 에너지 전달의 장벽으로 작용해 무선 충전의 효율을 크게 떨어뜨렸으나, 이번 연구에서는 초음파와 티타늄 케이스 내의 의료용 실리콘 액체층을 이용해 에너지 전달 효율을 기존 대비 310% 높이는 데 성공했다고 밝혔다.

연세대학교 신소재공학과 연구팀과 공동 수행한 이번 연구 결과는 ‘금속-액체 커플링을 이용해 음향 에너지 장벽을 극복하는 거대 마찰전기 발전(Gigantic triboelectric power generation overcoming acoustic energy barrier using metal-liquid coupling)’이라는 제목으로 에너지 분야 세계적 학술지인 ‘줄(Joule)’ 7월 17일자(한국시간) 온라인에 게재됐다. ‘줄’은 네이처(Nature), 사이언스(Science)와 함께 과학 분야 세계 3대 저널로 알려진 셀(Cell)의 에너지 분야 자매지로, 피인용지수(IF)가 38.6에 달하는 에너지 분야의 세계 정상급 저널이다.

에너지마이닝은 이번 연구에서 티타늄 패키지 안의 의료용 실리콘 액체층을 활용, 초음파로 인해 패키지에 발생하는 진동을 수집해 전류를 발생시키는 데 성공함으로써, 지금까지 고질적인 문제로 꼽혔던 복합진동 모드를 단일진동 모드로 변환하면서 발전 성능이 증폭된다는 것을 입증했다. 이로써 체내 삽입형 의료기기의 소형화 및 다기능화와 같은 진전에 크게 기여할 것으로 기대된다.

최근 전자약 및 체내 삽입형 의료기기 수요가 크게 증가하고 있지만, 배터리 및 전원 공급 문제는 여전히 해결해야 할 과제로 남아있었다. 한정적인 배터리 수명으로 인해 주기적인 교체가 필요하고, 수술을 통한 교체로 인한 번거로움과 위험 부담 및 비용 부담은 시장 확대를 가로막는 걸림돌이 되고 있다. 그나마 무선 충전이 그 해결책으로 부상했지만 체내 의료기기의 티타늄 케이스가 에너지 전송의 장벽으로 작용해 효율이 크게 감소되고 발열, 출력 부족, 안정성 등이 한계로 지적돼 왔다.

인체에 무해하며, 체내 깊이 위치한 의료기기도 충전할 수 있도록 ‘정전기를 이용한 초음파 에너지 하베스팅 기술’을 연구해 온 에너지마이닝은 체내 의료기기에 사용되는 티타늄 케이스의 에너지 장벽을 해결하기 위한 기술 개발에 매진해 왔다.

에너지마이닝의 공동대표이자 이번 연구를 담당한 연세대학교 신소재공학과 김상우 교수는 “이번에 개발한 기술은 체내 삽입형 의료기기에서 티타늄 패키지를 투과해 에너지 전달 효율을 크게 향상시킬 수 있어, 체내 삽입형 의료기기의 고효율·소형화에 큰 기여를 할 것으로 기대한다”고 말했다. 박현문 공동대표도 “체내 삽입형 의료기기의 고질적 문제점인 배터리 및 충전의 한계를 극복함으로써, 삽입형 의료기기의 소형화를 넘어 수술 대신 시술로 반영구적 사용이 가능해질 것”이라며 “의료기기 분야의 퍼스트 무버(First Mover) 기업들과 협력해 체내 삽입형 의료기기의 패러다임 전환을 이루겠다”고 포부를 밝혔다.

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부 바이오의료기술개발사업, 개인기초연구사업(리더연구), 중소벤처기업부 창업성장기술개발사업 그리고 산업통상자원부 차세대지능형반도체사업의 지원을 받아 수행됐다. 제1저자는 에너지마이닝 정영욱, 정장묵, 황준하 선임연구원이며, 교신저자는 에너지마이닝 공동대표 겸 연세대학교 신소재공학과 김상우 교수, 박현문 공동대표, 가천대학교 전자공학부 윤홍준 교수다.