DGIST, 초음파 기반 에너지 하베스터 개발… 기존보다 출력 2배 이상 향상

인체 삽입형 의료기기 '무선충전' 현실화

▲좌측부터=DGIST 전기전자컴퓨터공학과 장진호 교수, 강성우 박사과정생 제공=디지스트

대구=에너지경제신문 손중모기자 DGIST 전기전자컴퓨터공학과 장진호 교수 연구팀이 인체 삽입형 의료기기의 배터리를 빠르고 효율적으로 충전할 수 있는 초음파 기반 무선충전 기술을 개발했다고 28일 밝혔다.

이번 기술은 세계 최고 수준의 에너지 수확 효율을 기록, 인체 내부에서도 상용 배터리를 2시간 이내에 완전 충전할 수 있는 성능을 확보했다.

특히 초음파 에너지 수확 효율을 획기적으로 높인 신개념 압전 소자를 통해, 수술 없이도 삽입형 의료기기의 배터리 충전이 가능해질 것으로 기대된다.

DGIST에 따르면 최근 심박조율기, 약물주입기, 신경 자극기 등 삽입형 의료기기 수요가 급증하면서 배터리 교체를 위한 반복 수술이 환자의 부담으로 작용해 왔다.

이에 따라 외부에서 에너지를 공급해 인체 내부 기기의 배터리를 무선으로 충전하는 기술 개발이 필수적인 과제로 떠올랐다.

기존에도 초음파를 이용한 무선충전 연구는 있었지만, 인체에 삽입 가능한 에너지 수신기의 구조적 한계와 초음파 세기의 규제로 출력이 제한적이라는 문제가 있었다.

장 교수 연구팀은 이 같은 문제를 해결하기 위해 '적층형 압전 소자 기반 에너지 하베스터'를 새롭게 설계했다.

해당 소자는 두 개의 압전 재료를 앞뒤로 배치해 앞쪽은 초음파를 받아 전기를 생산하고, 뒤쪽은 잔여 초음파를 다시 수확해 추가 에너지를 생성하는 방식이다.

이 기술을 통해 기존 대비 20% 이상 향상된 에너지 변환 효율을 확보했으며, 실험에서도 수중 30mm 거리에서 140mAh 배터리를 1시간 40분 만에, 생체조직(돼지 피부) 30mm 조건에서는 60mAh 배터리를 1시간 20분 만에 완충하는 성과를 입증했다.

이는 기존 유사 기술 대비 출력 성능이 최소 2배 이상 향상된 수준이다.

장 교수는 “이번 기술은 그동안 활용되지 못했던 초음파 에너지를 유효하게 수확해 인체 삽입형 기기의 실질적인 무선충전 방식을 구현한 것"이라며, “향후 고효율 반도체 기술과 접목해 1시간 이내 충전이 가능한 시스템의 상용화를 추진하겠다"고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부가 지원하는 '미래개척융합과학기술개발사업(구 STEAM 연구사업)'의 일환으로 수행됐으며, 연구 결과는 바이오센서 및 바이오전자공학 분야 국제 학술지 'Biosensors and Bioelectronics' 최신호에 게재됐다.

손중모 기자 jmson220@ekn.kr