김상우 교수팀, 인체 움직임을 이용한 자가발전형 심장박동기 기술 개발
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이는 인체 움직임을 이용해 체내 의료기기를 충전할 수 있어, 기존 인체삽입형 의료기기의 동력원 문제를 해결할 수 있는 실마리를 제공한 것이다.
인체삽입형 의료기기는 한정적인 배터리 수명 문제로 인해 주기적으로 의료기기를 교체하는 재수술이 필요하고, 환자의 신체적, 경제적 손실을 일으키고 있다. 특히 인체삽입형 의료기기 중 심장박동기의 경우 전 세계적으로 신규 환자 및 재수술 건수가 지속적으로 증가하고 있으며, 의료기기의 동작 수명을 증가시키기 위해 시스템의 소모 전력을 최소화하려는 연구가 주로 진행됐다.
공동연구팀은 의료용 소재로 완전히 밀폐된 환경에서도 신체 움직임에서 발생하는 관성과 중력에 의해 수직 운동하는 자유무게층과 고정된 물질층 간의 마찰에 의한 정전기 발생을 이용하여 전기에너지를 발전시켰다. 발전된 에너지는 전원 관리 집적 회로(PMIC, Power Management Integrated Circuit)를 이용해 배터리를 충전할 수 있음을 입증했다.
대형 동물에서 발생하는 다양한 움직임을 전기에너지로 변환하는 실험을 진행하였고, 다양한 움직임에서 에너지로 발전할 수 있는 점을 무선 계측 시스템을 통해 확인하였다. 나아가 발전소자의 무해성과 실제 동물 움직임을 활용하여 커패시터와 배터리를 충전할 수 있음을 검증하였다.
실험에서 발전소자가 발전하는 에너지양을 역산해 보았을 때, 심장박동기 구동 수명을 약 10% 이상 증가시킬 수 있을 것으로 예측되며, 향후 집적화된 소자의 개수를 증가시키면 발전 출력이 선형 증가할 것으로 기대된다. 나아가 자가발전형 심장박동기 시스템을 제안하였으며, 심장박동기가 정상 동작함을 실증하였다.
김상우 교수는 "이 연구는 마찰대전 기반 인체삽입형 에너지 하베스팅 기술로, 기존 무선 에너지 송신 기술과 다르게 전자파, 발열 등이 없어 체외로부터의 충전 없이 구동하는 자가발전 의료기기의 가능성을 제시해 주는 기술"이라며, "기존 연구결과가 제시하지 못했던 체내 배터리 충전 가능성, 자가발전형 심장박동기 시스템까지 실증하였으며, 추후 후속 연구를 통해 발전 효율을 극대화할 예정"이라고 말했다.
연구는 과학기술정보통신부 나노미래소재원천기술개발사업, 중견연구자지원사업 등의 지원으로 수행되었으며, 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)‘에 7월 16일(금) 온라인 게재되었다.
※ 논문정보
- 논문명 : Self-rechargeable cardiac pacemaker system with triboelectric nanogenerators
- 저자 : 김상우 교수(교신저자, 성균관대 신소재공학부), 유한준 박사(제1저자, Northwestern University 박사후연구원), 박현문 박사(제1저자, 에너지마이닝 대표이사), 김무강 연구원(참여저자, 서울대학교병원), 김보성 연구원(참여저자, 성균관대 박사과정), 명현석 박사(참여저자, 에너지마이닝 연구원), 김태윤 박사(참여저자, 현 삼성반도체연구소), 윤홍준 박사(참여저자, Northwestern University 박사후연구원), 곽성수 박사(참여저자, Northwestern University 박사후연구원), 김지혜 박사(참여저자, Northwestern University 박사후연구원), 황태호 박사(참여저자, 전자부품연구원), 최의근 교수(참여저자, 서울대병원 순환기내과)
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▲ [상단 좌측] 5층 적층된 관성(inertia) 구동 마찰전기 발전기(triboelectric nanogenerator: TENG) 개략도(좌상), [상단 우측] 5층 적층된 관성 구동 마찰전기 발전기 (I-TENG) 실제 이미지(왼쪽) 및 상업용 코인 배터리 이미지(오른쪽), [하단] 신체 움직임에서 발생하는 관성과 중력에 의해 마찰전기 발전기 내 수직 운동하는 자유무게층과 고정된 물질층간의 마찰에 의한 정전기 발생을 이용하여 전기에너지를 발전시키는 메커니즘 |
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▲ 다층 적층된 관성 구동 마찰전기 발전기로부터 얻어진 전압(왼쪽) 및 전류밀도(중간) 특성. 마찰전기 발전기로부터 발생된 전력을 이용한 배터리 충전특성(오른쪽) |
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▲ (상단 좌측) 잡견(mongrel model) 등허리 피하지방 부위를 개복하여 마찰전기 발전기를 삽입 후 봉합을 시행한 이미지(상단 우측) 잡견이 움직일 때 체내에 삽입된 발전기에서 발생되는 전력 발생 정보를 외부 핸드폰과의 통신을 통해 데이터를 획득하는 개략도(하단) 잡견의 움직임이 있을 때와 없을 때의 출력 전압. 움직임이 없을 때 전압은 발생하지 않음 |
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▲ (상단 좌측)관성 구동 마찰전기 발전기 (I-TENG)를 내부에 장착한 자가발전 심장박동기(pacemaker) 사진(상단 우측)자가발전 심장박동기 내 I-TENG 용 에너지 하베스팅 에너지 수집 및 저장 모듈(i)과 심장박동기의 센싱 및 자극을 위한 회로 및 무선통신 모듈(ii) 사진(하단)자가발전 심장박동기에 심실과 심방과 연결된 리드(lead)를 넣어 센싱과 자극을 하고, I-TENG로부터 발전된 에너지를 심장박동기의 배터리에 저장하는 구조도 |
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▲ (상단 가운데) 잡견 대동물 전임상 실험에서 얻어진 생체 내 심실 EGM 신호, (상단 좌측) 정상 심실의 EGM 신호(상단 우측) 심실이상(부정맥) 유도 후 심실 자극이 있는 심실 EGM 신호 (자료=성균관대) |
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