DGIST, 인체 삽입형 의료기기 초음파 무선충전 기술 개발

대구경북과학기술원(DGIST) 전기전자컴퓨터공학과 장진호 교수 연구팀이 인체 삽입형 의료기기의 배터리를 빠르고 효율적으로 충전할 수 있는 초음파 기반 무선충전 기술을 개발했다.

이번 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 의료기기 배터리는 일정 주기로 교체가 필요해 환자가 수술을 반복적으로 받아야 하는 불편함과 위험이 있었다. 또 이런 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.

DGIST 장진호 교수 연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 새로운 구조의 적층형 압전 소자 기반 에너지 하베스터를 개발했다.

이 기술은 2개 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.

연구팀은 이번 기술을 통해 수중 30㎜ 거리에서는 140mAh 상용 배터리를 1시간40분만에 돼지 생체조직 30㎜ 두께를 통한 실험에서는 60mAh 배터리를 1시간20분만에 완충하는 성과를 입증했다. 이는 지금까지 발표된 유사 기술 대비 최소 2배 이상의 출력 성능을 달성한 세계 최고 수준의 성과다.

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

이번 연구는 과학기술정보통신부의 미래개척융합과학기술개발사업(구 STEAM 연구사업) 지원을 받아 수행됐으며 연구 결과는 생체 센서 및 바이오전자공학 분야 최고 권위 학술지인 Biosensors and Bioelectronics에 게재됐다.