△ 웨어러블 의료기기 전원기술이 잇따라 개발되고 있다.

국내에서 웨어러블 의료기기의 전력 기술을 잇따라 개발, 상용화가 기대되고 있다.

13일 의료계 등에 따르면 국내 연구팀이 고신축성 슈퍼커패시터, n형 고체 열갈바닉 전지, 주변 빛으로 웨어러블 의료기기의 전기를 생산하는 기술을 개발하는데 성공했다.

서울시립대 윤진환 교수팀은 최근 원래 길이의 4배까지 늘려도 저장 용량이 거의 줄어들지 않는 고신축성 슈퍼커패시터를 개발했다.

슈퍼커패시터(supercapacitor)는 배터리보다 수백 배 빠르게 충전돼 신체의 미세한 움직임에서 발생하는 전기 에너지를 즉시 저장할 수 있다는 장점이 있다.

그러나 지금까지 개발된 슈퍼커패시터는 늘어나거나 변형될 경우, 저장 용량이 크게 감소하는 문제가 있었다. 높은 에너지 저장 성능과 뛰어난 신축성을 동시에 구현하는 것은 어려운 기술적 난제였다.

연구팀은  전극 소재 개발과 강력 접착력을 갖는 젤 개발로 이 문제를 해결했다. 

연구팀은 망간 산화물, 탄소나노튜브, 전도성 고분자를 말랑말랑한 실리콘 고무 안에 섞어 유연한 전극을 만들었다. 여기에 인산 처리를 하면 망간 산화물이 머리카락 굵기의 약 1만 분의 1에 해당하는 가느다란 바늘 모양으로 변한다. 실리콘 고무가 늘어날 때 바늘 모양 구조들이 서로 연결되면서 전기가 흐르는 통로를 계속 유지한다.

연구팀은 또 양전하와 음전하를 동시에 가진 특수 분자를 이용해 젤을 만들고, 여기에 자외선을 쬐면 전극과 젤 사이에 화학결합이 생겨 접착제처럼 단단히 붙는다. 이 결합은 강하게 유지되어 1만 번 늘렸다 줄이는 반복 변형에도 분리되지 않는다.

이렇게 개발된 슈퍼커패시터는 300% 늘어난 상태에서도 저장 용량이 95% 이상을 유지했다. 이는 기존 기술을 크게 뛰어넘는 세계 최고 수준의 성능이다. 실제로 팔에 부착한 상태에서 팔을 구부리는 동작에서도 정상적으로 작동했고, 스마트폰을 이용한 무선 충전도 가능했다.

연구팀은 이 기술이 피부에 직접 부착해 생체 신호를 측정하는 전자 피부를 비롯해 가상현실 촉각 슈트, 재활 치료용 웨어러블 기기 등 고도의 신축성과 안정성이 요구되는 다양한 응용 분야를 여는 핵심 기술이 될 것으로 기대했다.

울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 장성연 교수팀은 최근 실제 전자 기기를 작동할 수 있을 만큼의 출력을 갖춘 n형 고체 열갈바닉 전지를 세계 최초로 개발했다.

열갈바닉 전지는 사람의 체온과 주변 공기 사이의 온도 차를 이용해 전기를 만드는 소형 발전기다.

지금까지는 체온과 공기의 온도 차가 크지 않아 전자 기기를 구동할 만큼의 출력을 얻기는 어려웠다.

장 교수팀은 이번에 개발한 고체형 전지는 충분한 전압과 전류를 확보해 전자 기기를 구동할 수 있는 출력을 얻을 수 있다고 소개했다.

일반적으로 고체형은 누액 위험이 없다는 장점이 있지만 고체 전해질 내부에서 이온이 잘 움직이지 못해 전류가 부족하다.

장 교수팀은 이온 통로를 잘 확보할 수 있도록 전해질을 설계했으며 이온의 열 확산은 추가 전압 상승으로도 이어져 전체 출력이 향상됐다고 밝혔다.

이 전지 16개를 연결하면 LED 조명, 전자시계, 온습도 센서 등을 실제로 켤 수 있다고 설명했다.

또 전지 100개를 레고 블록처럼 직렬로 연결하면 체온으로 AA 건전지 수준인 약 1.5V의 전압을 얻을 수 있다고 덧붙였다.

연구팀은 웨어러블 기기나 자율형 사물인터넷(IoT) 기기에 전원을 공급하는 자가발전형 시스템의 기반이 될 수 있을 것으로 기대했다.

한국과학기술원(KAIST)은 전기및전자공학부 권경하 교수팀은 최근 미국 노스웨스턴대 박찬호 박사팀과 함께 주변 빛으로 심박수, 혈중산소포화도, 땀 성분 등을 분석하는 건강 모니터링 의료용 웨어러블 기기의 배터리 전력 부담을 줄인 적응형 무선 차세대 웨어러블 플랫폼을 개발했다.

개발 플랫폼은 세 가지 상호 보완적인 빛 에너지 기술을 통합했다.

먼저 핵심 기술인 '광 측정 방식'은 주변 광원 세기에 따라 발광다이오드(LED) 밝기를 조절한다. 자연광이 강할 때는 LED를 어둡게, 자연광이 약할 때는 밝게 자동 조절한다.

또 '고효율 다접합 태양전지' 기술이다. 단순 태양광 발전을 넘어 실내외 모든 환경의 빛을 전력화한다. 적응형 전력 관리 시스템으로 주변 환경과 배터리 상태에 따라 11가지 서로 다른 전력 구성으로 자동 전환돼 에너지 최적 효율을 달성한다.

이어 '축광·발광'기술로, 야광 페인트나 안전 표지판에 쓰이는 '스트론튬 알루미네이트 미세입자'를 센서 실리콘 캡슐화 구조에 혼합해, 낮 동안 주변 빛을 흡수했다가 어둠 속에서 방출한다. 태양광 500W/m²에 10분 노출되면 완전한 어둠에서도 2.5분간 연속 측정이 가능하다.

이 세 가지 기술이 상호 보완적으로 작동해 밝은 환경에서는 첫 번째와 두 번째 방식이, 어두운 환경에서는 세 번째 방식이 추가로 지원하는 방식으로 24시간 연속 작동이 가능하다.

연구팀은 이 플랫폼을 다양한 의료 센서에 적용해 검증했다.

광용적맥파 측정 센서는 심박수·혈중산소포화도를 실시간 모니터링해 심혈관 질환 조기 발견을 가능케 한다.

청색광 노출량 측정 센서는 피부 노화·손상을 유발하는 블루라이트를 정확히 측정해 개인 맞춤형 피부 보호 가이드를 제공한다.

땀 분석 센서는 마이크로 유체 기술을 활용, 땀 속 염분, 포도당, pH를 동시에 분석해 탈수나 전해질 불균형을 실시간으로 감지할 수 있다.

추가로 센서 내 데이터 처리 기술을 도입해 무선 통신 전력 소모도 대폭 줄였다. 센서 내부에서 필요한 결과만 계산·전송해 데이터 전송량을 400B/s에서 4B/s로 100배 감소시켰다.

모든 조건에서 상용 의료기기와 동등한 측정 정확도를 보였고, 생쥐 모델을 이용한 저산소 상태 실험에서도 정확한 혈중산소포화도 측정이 가능했다.

연구팀은 이 기술로 24시간 연속 건강 모니터링이 가능해짐에 따라 의료 패러다임이 치료에서 예방 중심으로 전환될 것으로 내다봤다.

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