성균관대학교(총장 신동렬)는 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 밝혔습니다. 이는 인체 움직임을 이용하여 체내 의료기기를 충전할 수 있어, 기존 인체삽입형 의료기기의 동력원 문제를 해결할 수 있는 실마리를 제공한 것입니다.

인체삽입형 의료기기는 한정적인 배터리 수명 문제로 인해 주기적으로 의료기기를 교체하는 재수술이 필요하고, 환자의 신체적, 경제적 손실을 일으키는데요. 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 진행됐습니다. 의료기기의 소모 전력을 최소화하는 방안이 최우선적으로 연구되고 있지만, 시스템에서 소모하는 전력을 더 줄이기가 어렵고 오히려 더 많은 기능을 요구하고 있어 소모 전력이 증가하고 있습니다. 또한 체내삽입형기기의 소형화에 맞물려 배터리 크기 또한 소형화되고 있어 실제 체내삽입형기기의 사용시간이 증가하지 못합니다. 

공동연구팀은 박스 속의 물체가 외부 움직임에 의한 관성으로 인해 쉽게 움직인다는 점에서 힌트를 찾았는데요. 의료용 소재로 완전히 밀폐된 환경에서도 신체 움직임에서 발생하는 관성과 중력에 의해 수직 운동하는 자유무게층과 고정된 물질층 간의 마찰에 의한 정전기 발생을 이용하여 전기에너지를 발전시켰습니다. 발전된 에너지는 전원 관리 집적 회로(PMIC, Power Management Integrated Circuit)를 이용해 배터리를 충전할 수 있음을 입증했습니다.

대형 동물에서 발생하는 다양한 움직임을 전기에너지로 변환하는 실험을 진행하였고, 다양한 움직임에서 에너지로 발전할 수 있는 점을 무선 계측 시스템을 통해 확인했습니다. 나아가 발전소자의 무해성과 실제 동물 움직임을 활용하여 커패시터와 배터리를 충전할 수 있음을 검증하였습니다.

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 기대됩니다. 나아가 본 실험에서는 자가발전형 심장박동기 시스템을 제안하였으며, 심장박동기가 정상 동작함을 실증하였습니다. 

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 말했습니다.

본 연구는 과학기술정보통신부 나노미래소재원천기술개발사업, 중견연구자지원사업 등의 지원으로 수행되었으며, 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 7월 16일(금) 온라인 게재됐습니다.

논문명 : Self-rechargeable cardiac pacemaker system with triboelectric nanogenerators

#용어 설명

1. 마찰전기 (Triboelectricity)

서로 다른 두 물질이 접촉/비접촉하면서 마찰하면 두 물체의 표면에서의 전자교환이 발생한다. 이때, 두 물질은 서로 다른 표면전하 특성을 띠게 되어 정전기적 인력이 발생한다. 

두 물질 표면에서 발생한 전하 특성이 유도될 수 있는 전극이 존재한다면, 표면에서 발생한 정전기적 인력은 두 물질의 비접촉 시에 전자의 흐름으로 평형을 유지하게 된다. 이때, 일정 수준의 부하로 전자의 흐름이 발생하게 된다. 일상생활에서 흔히 접하는 정전기가 마찰전기이다.

2. 에너지 하베스팅

에너지 하베스팅은 우리 주변에서 버려지거나 사용하지 않은 작은 에너지를 수확하여 사용할 수 있는 전기에너지로 전환하려는 기술로, 신재생 에너지 원천 기술로 주목받고 있다. 자연적으로 발생하는 태양광, 진동, 열, 바람 등이 하베스팅 가능한 에너지원이다. 

3. 전원 관리 집적 회로 (Power Management Integrated Circuit: PMIC)

전원 관리 집적 회로는 전압 및 전류 변환, 배터리 충전 기능 등을 가지고 있다. 

4. 인공심장박동기 (Pacemaker)

인공심장박동기란 인공적으로 심장에 전기 자극을 하여 서맥성 부정맥이 발생할 경우 인위적인 전기 자극을 통해 심장이 정상적으로 동작할 수 있게 도와주는 의료기기이다.

5. ECG/EGM

ECG(Electrocardiogram)는 심장의 심실(Atrial)과 심방(Ventricle)의 박동과 관련되어 나타나는 전기적인 위상 변화를 나타내는 심장의 전기적 그림을 말한다. EGM은 전기도(electrogram)로 심장 내에 이식된 전극에 의하여 감지된 심장의 전기적 활동을 이야기한다.

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