관성을 이용한 인체삽입형 에너지 하베스팅 기술 개발
성균관대학교는 신소재공학부 김상우 교수(교신저자)와 유한준 박사(제1저자)가 에너지마이닝社 박현문 대표(공동 제1저자) 및 서울대학교병원 순환기내과 최의근 교수(공동저자) 연구팀과 함께 마찰전기 현상을 활용하여 인체 움직임에 의해 체내에서 발생하는 운동에너지를 전기에너지로 전환하는 동전 형태 건전지 크기와 유사한 인체삽입형 에너지 하베스팅 소자 기술을 개발했다고 밝혔다. 이는 인체 움직임을 이용하여 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.
의료기기의 소모 전력을 최소화하는 방안이 최우선적으로 연구되고 있지만, 시스템에서 소모하는 전력을 더 줄이기가 어렵고 오히려 더 많은 기능을 요구하고 있어 소모 전력이 증가하고 있다. 또한 체내삽입형기기의 소형화에 맞물려 배터리 크기 또한 소형화되고 있어 실제 체내삽입형기기의 사용시간이 증가하지 못하고 있다.
공동연구팀은 박스 속의 물체가 외부 움직임에 의한 관성으로 인해 쉽게 움직인다는 점에서 힌트를 찾았다. 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.
본 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 본 실험에서는 자가발전형 심장박동기 시스템을 제안하였으며, 심장박동기가 정상 동작함을 실증하였다.
김상우 교수는 “본 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 기술이다”며 “기존 연구결과가 제시하지 못했던 체내 배터리 충전 가능성, 자가발전형 심장박동기 시스템까지 실증하였으며, 추후 후속 연구를 통해 발전 효율을 극대화할 예정이다”라고 말했다.
본 연구는 과학기술정보통신부 나노미래소재원천기술개발사업, 중견연구자지원사업 등의 지원으로 수행되었으며, 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 7월 16일(금) 온라인 게재되었다.
※ 논문명
: Self-rechargeable cardiac pacemaker system with triboelectric nanogenerators(https://www.nature.com/articles/s41467-021-24417-w)
※ 저자 : 김상우 교수(교신저자, 성균관대학교 신소재공학부), 유한준 박사(제1저자, 현 Northwestern University 박사후연구원), 박현문 박사(제1저자, 현 에너지마이닝 대표이사), 김무강 연구원(참여저자, 서울대학교병원), 김보성 연구원(참여저자, 성균관대 박사과정), 명현석 박사(참여저자, 에너지마이닝 연구원), 김태윤 박사(참여저자, 현 삼성반도체연구소), 윤홍준 박사(참여저자, 현 Northwestern University 박사후연구원), 곽성수 박사(참여저자, 현 Northwestern University 박사후연구원), 김지혜 박사(참여저자, 현 Northwestern University 박사후연구원), 황태호 박사(참여저자, 전자부품연구원), 최의근 교수(참여저자, 서울대학교병원 순환기내과)
연구결과 개요
1. 연구배경
ㅇ 인체삽입형 의료기기를 이용해 환자의 상태를 모니터링하고 치료하는 것은 매우 고차원적인 기술의 집합체이다. 특히, 시스템의 내구성 문제가 아닌 배터리 방전으로 인한 반복적인 의료기기 교체 수술은 환자에게 경제적·육체적인 부담이 되며, 이를 해결하기 위한 무선 에너지 송신 등 다양한 방법이 시도 중이지만 금속 패키징에 의한 효율 감소, 발열 문제 등 다양한 문제점에 의해 아직 해결하지 못하였다.
ㅇ 스프링의 공진 현상을 이용한 MEMS(Microelectromechanical system)를 활용한 에너지 하베스팅 연구가 진행되었지만, 인체 움직임을 이용한 공진 현상을 만드는 것은 실제 접목하기에는 매우 어려운 한계가 있었으며, 2.3 Ah 용량을 갖는 배터리를 충전하기에는 발전량이 매우 부족하다는 한계를 가지고 있다.
ㅇ 이에 연구팀은 스프링과 같은 공진 현상이 필요 없는 인체 움직임에 의해 발생하는 관성과 중력을 기계 에너지원으로 활용하였고, 마찰대전 및 전하유도 현상을 이용하여 기계 에너지를 전기에너지로 변환하여 배터리를 충전하는 기술을 개발하였다.
2. 연구내용
ㅇ 본 연구에서는 다양한 인체 움직임에 의해 발생하는 관성과 중력을 활용하여 에너지 발전 소자 내부의 자유롭게 움직일 수 있는 무게층의 상하 움직임을 발생시켰으며, 마찰대전 및 전하 유도 현상을 이용하여 무게층에 존재하는 운동에너지를 고출력 전기에너지로 변환하는 기술을 제안하였다.
ㅇ 본 연구는 동전형 배터리와 유사한 크기의 마찰전기 발전 소자(직경 3 cm, 높이 2 mm)를 개발하였으며, 사람 걸음걸이와 유사한 3 Hz수준의 작은 진동수 실험 환경에서 5개의 소자가 병렬연결로 적층하였을 때 약 40 μW의 에너지를 발전할 수 있었다. 또한 PMIC를 이용하여 리튬 이온 배터리를 충전할 수 있었다.
ㅇ 본 연구진은 서울대학교병원 및 ㈜에너지마이닝과 공동 연구를 통해 대동물 실험을 수행하였으며, 실제 동물의 움직임에 의해 발생하는 무게층의 운동에너지를 전기에너지로 전환하였고 이는 무선 계측 시스템을 활용하여 검증하였다.
ㅇ 또한 본 연구진은, PMIC를 이용하여 발전 에너지를 효율적으로 관리하여 대동물 실험을 이용해 사육실 내의 환경에서 동물의 미세한 움직임에 의한 에너지 하베스팅 가능성을 확인하였고, 동물의 일상적인 행동 속에서 리튬 이온 배터리의 충전 가능성을 실증하였다.
ㅇ 연구진은 발전 소자의 생체 무해성을 검증하기 위해 상용 제품과의 염증 반응 정도를 비교하였으며, 발전 소자에 의해 발생하는 염증 수준은 상용 티타늄 제품과 유사함을 확인하였다. 또한, ㈜에너지마이닝과 협력을 통해 에너지 하베스팅 시스템과 심장박동기 시스템을 융합한 새로운 자가 발전형 심장박동기 시스템을 개발하여, 자가 발전형 심장박동기의 정상 동작을 대동물 실험을 통해 검증하였다.
3. 기대효과
ㅇ 본 연구에서 제안한 인체삽입형 마찰전기 에너지 하베스팅 시스템은 기존 인체삽입형 의료기기의 에너지 문제를 극복할 수 있는 새로운 기술이다.
ㅇ 이는 심장박동기 뿐만 아니라 다양한 신경 자극 의료 기기, 무전원 의료기기 등 다양한 인체삽입형 의료기기에 활용될 수 있다.
ㅇ 본 기술은 기존 체내삽입형기기의 소형화로의 유도를 통해 수술 중심의 현재 의료 환경을 시술로 변화시켜, 의료기기 혁신을 유도할 수 있다.
ㅇ 또한 관성과 중력을 기반으로 한 에너지 하베스팅 시스템이기 때문에, 인체 외 다른 다양한 환경(자동차, 기차 등)에 응용할 수 있다.
ㅇ 향후 자가발전형 의료기기의 연구가 고도화된다면, 반영구적인 인체삽입형 의료기기의 개발 가능성이 있으며, 환자의 경제적·육체적 부담을 최소화하여 환자의 삶의 질이 크게 향상될 것으로 기대된다.
(그림 1)
(상단 좌측 이미지) 5층 적층된 관성(inertia) 구동 마찰전기 발전기(triboelectric nanogenerator: TENG) 개략도(좌상)
(상단 우측 이미지) 5층 적층된 관성 구동 마찰전기 발전기 (I-TENG) 실제 이미지(왼쪽) 및 상업용 코인 배터리 이미지(오른쪽)
(하단 이미지) 신체 움직임에서 발생하는 관성과 중력에 의해 마찰전기 발전기 내 수직 운동하는 자유무게층과 고정된 물질층간의 마찰에 의한 정전기 발생을 이용하여 전기에너지를 발전시키는 메커니즘
(그림 2)
다층 적층된 관성 구동 마찰전기 발전기로부터 얻어진 전압(왼쪽 이미지) 및 전류밀도(중간 이미지) 특성. 마찰전기 발전기로부터 발생된 전력을 이용한 배터리 충전특성(오른쪽 이미지)
(그림 3)
(상단 좌측 이미지) 잡견(mongrel model) 등허리 피하지방 부위를 개복하여 마찰전기 발전기를 삽입 후 봉합을 시행한 이미지
(상단 우측 이미지) 잡견이 움직일 때 체내에 삽입된 발전기에서 발생되는 전력 발생 정보를 외부 핸드폰과의 통신을 통해 데이터를 획득하는 개략도
(하단 이미지) 잡견의 움직임이 있을 때와 없을 때의 출력 전압. 움직임이 없을 때 전압은 발생하지 않음
(그림 4)
(상단 좌측 이미지) 관성 구동 마찰전기 발전기 (I-TENG)를 내부에 장착한 자가발전 심장박동기(pacemaker) 사진
(상단 우측 이미지) 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 이미지) 자가발전 심장박동기에 심실과 심방과 연결된 리드(lead)를 넣어 센싱과 자극을 하고, I-TENG로부터 발전된 에너지를 심장박동기의 배터리에 저장하는 구조도
(그림 5)
(상단 가운데 이미지) 잡견 대동물 전임상 실험에서 얻어진 생체 내 심실 EGM 신호
(상단 좌측 이미지) 정상 심실의 EGM 신호
(상단 우측 이미지) 심실이상(부정맥) 유도 후 심실 자극이 있는 심실 EGM 신호
의학약학 성균관대학교 (2021-07-20)
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