10년마다 돌아오는 고통…인공심장 교체수술 사라질까

김상우 성대 연구팀, 초음파로 몸속 기기 충전

마찰전기 활용한 새로운 에너지 수확 방식 개발

2일자 사이언스지 게재..."삽입형 의료기 새 이정표"

초음파가 피부를 통과해 몸 속 의료기기에 마찰전기를 일으키는 모습을 설명한 그림/자료제공=과학기술정보통신부

초음파가 돼지 피부를 통과해 몸 속 의료기기에 마찰전기를 일으키는 모습을 설명한 그림과 표/자료제공=과학기술정보통신부

인공심장박동기 같은 인체 삽입용 의료기기를 몸 바깥에서 쏜 초음파로 충전하는 기술을 국내 연구진이 개발했다. 배터리 교체 주기가 돌아오는 5~10년마다 위험한 외과수술을 받아야 하는 환자들의 고통을 덜어줄 것으로 기대된다.

과학기술정보통신부는 김상우(사진) 성균관대 신소재공학부 교수가 이끄는 연구팀이 체내에서 만들어진 마찰전기로 생체 삽입형 의료기기를 상시 충전하는 새로운 방식의 에너지 수확 기술을 개발했다고 1일 밝혔다. 과기정통부 중견연구자지원사업(도약) 등의 지원을 받은 이번 연구 성과는 저명한 국제학술지 ‘사이언스(Science)’ 2일자에 실렸다.



인공심장박동기와 신경자극기, 인슐린 펌프 등 인체 삽입용 의료기기가 발전하면서 성능은 좋아졌지만, 전력 소모가 많아지는 또 다른 고민을 낳았다. 인공심장박동기는 5~10년마다 배터리를 교체해야 하는데, 다양한 기능을 갖춘 새 장비를 쓰려면 수술도 더 잦아지는 것이다. 이 때문에 전자파를 활용한 무선 전송 기술이나 체내 기계적 에너지를 전기로 바꾸는 등 몸속 의료기기를 충전할 다양한 연구가 세계적으로 이뤄졌으나 인체에 유해하거나, 전기 효율이 떨어지는 문제로 상용화 문턱을 넘지 못했다. 국내 연구진은 건강에 영향을 주지 않는 초음파로 몸속 기기에 마찰을 일으킨다면 상당한 전기에너지를 확보할 수 있다는 아이디어로 이번 연구를 시작했다. 초음파를 받으면 변형을 일으키는 특정 소재를 몸 안에 넣어두면 초음파를 쏠 때마다 변형 과정에서 진동을 일으켜 마찰전기가 발생할 것이라는 가설이었다. 연구진은 쥐와 돼지 피부에 마찰전기 발생소자를 삽입해 외부에서 초음파로 마찰전기를 유도함으로써 실제 생체 환경에서 에너지 수확을 통한 전기 생산이 가능하다는 점을 입증했다. 돼지 지방층 1㎝ 깊이에 삽입된 발전소자로부터 얻은 전기는 0.91V(볼트), 52.5㎂(마이크로암페어)로, 심장박동기나 신경자극기를 충분히 구동할 수 있는 출력이다. 연구진은 또 마찰전기 발전소자로 사물인터넷(IoT)용 무선 온도센서를 움직일 수 있는 용량의 박막형 리튬이온 배터리와 상업용 축전기를 완충하는 데도 성공했다.

이번 연구는 인공심장박동기 등의 의료기기 수명을 대폭 늘려 외과수술을 줄이는 것은 물론, 체내용 기기의 전력 소비 부담을 덜어줌으로써 다양한 기능을 추가하는데도 유용할 것으로 전망된다. 김 교수는 “피부층을 통과한 초음파로 에너지를 얻는 새로운 개념”이라며 “인체 삽입형 의료 시스템 산업에 새로운 이정표를 제시할 것으로 기대된다”고 말했다.
/임진혁기자 [e-mail]

김상우 성균관대 교수