- 간단한 패치 형태로 인체삽입 기기에 능동적 전력공급 기술 개발... 다기능 고성능 삽입용 헬스케어 기기 개발 기대
- 이종호 교수 연구팀, 연구성과 과학분야 세계적 권위지인 미국국립과학원회보(PNAS)에 게재
간단한 패치 형태로 옷 속이나 야간에도 빛을 매개로 인체삽입 헬스케어 기기에 능동적으로 전력을 공급할 수 있는 기술이 개발됐다. 지스트(광주과학기술원, 총장 김기선) 기계공학부 이종호 교수 연구팀이 피부에 직접 부착해 인체 내 전력 전송을 위한 유연한 마이크로 LED 패치를 개발했다.
이번 연구성과로 향후 안정적인 전력 공급을 통해 수명 연장과 삶의 질을 높일 수 있는 다기능 고성능 삽입용 헬스케어 기기 개발 뿐 아니라 마이크로 LED 패치는 피부에 부착하여 치료 및 미용 용도로도 활용 가능할 것으로 기대된다.
인체 내 전력량 부족 문제는 다기능 고성능 인체삽입 헬스케어 기기 출현의 가장 큰 제약 중 하나로 꼽힌다. 이를 위해 최근에 주변 빛을 흡수하여 발전할 수 있는 인체 삽입 태양전지 관련 연구가 진행되고 있으나 실내, 야간, 또는 삽입된 부위가 옷으로 가려질 경우 광량이 부족하여 충분한 전력을 생산할 수 없다는 한계가 있다.
이종호 교수 연구팀이 이번에 개발한 마이크로 LED 패치는 피부에 직접 부착하여 태양전지가 통합된 인체 삽입 기기에 능동적으로 전력을 공급 할 수 있다.
연구팀은 적색 및 근적외선 영역(파장: 650nm 이상)의 빛이 상대적으로 생체 조직 투과율이 높다는 사실에 기반하여 적색 마이크로 LED(파장: 670 nm) 패치를 제작했다. 패치에서 발생시킨 빛은 생체 조직을 투과하고 태양전지에 도달하여 광전류(photocurrent)*를 생성시킨다. 이러한 능동적인 과정은 날씨, 실내, 야간에 관계없이 생체 내에서 전력 공급이 가능하게 한다. 패치는 복잡한 회로 없이 시중에서 쉽게 구할 수 있는 건전지를 이용하여 구동할 수 있다.
* 광전류: 태양전지 등의 반도체에 빛이 조사되었을 형성되는 전자-정공 쌍에 의해 생성되는 전류
피부 부착 시 발생할 수 있는 이물감, 화상, 땀 문제를 해결하기 위해 설계 및 제작 과정을 개발하였다. 얇은 필름 위에 유연성 향상을 위한 연결선(interconnect)과 땀구멍을 설계했다.
또한 상대적으로 넓은 히트싱크(heat sink)*에 박막 마이크로 LED(두께: 4µm)를 직접 본딩하는 방법으로 패치를 제작하였다. 마이크로 패치는 3mm의 반지름으로 반복적으로 굽혀도 부서지지 않으며 피부에 부착시 온도는 저온화상의 기준(6시간 동안 44°C이하) 이내인 41.2°C 이하로 유지 됐다.
* 히트싱크(heat sink): 전자기기 등에서 발생하는 열을 효율적으로 제거하기 위한 형상 구조
동물 실험을 통해 쥐 피부에 부착된 마이크로 LED 패치는 피하에 삽입된 작은 면적(0.11cm2)의 태양전지에 8.2 µW의 전력을 공급할 수 있다는 것을 확인하였다. 이는 이미 일부 상용 심박 조율기*(소비전력: 1~10µW)를 구동할 수 있는 전력이며 면적을 늘리는 간단한 방법만으로도 전력량을 더욱 증가 시킬 수 있다.
* 심박조율기(pacemaker): 심장의 부정맥을 치료하기 위해 주기적인 전기 자극을 줄 수 있는 삽입형 헬스케어 기기
이종호 교수는 “이번 연구의 성과물인 빛을 매개로한 능동적 전력 공급 방법은 간단하면서도 필요시 언제나 인체에 전력을 공급할 수 있어 인체의 기능을 보조하는 새롭고 다양한 기술 개발에 기여할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.
지스트 이종호 교수(교신저자)가 주도하고, 김주호 박사(제1저자)가 수행한 이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업과 지스트 연구원(GRI)의 지원으로 수행되었으며, 관련 논문은 미국국립과학원회보*(PNAS, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America)에 7월 6일(현지시간) 온라인 게재됐다.
* 미국국립과학원회보(PNAS): 미국 국립과학원에서 공식적으로 발행하는 저널로 전세계에서 가장 많이 인용되는 저널 중에 하나이다. 다학제적 성격의 과학 논문을 게재한다.