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

30일 업계에 따르면 국내 연구팀이 외부 전력 없는 생체이식 바이오센서용 연료전지, 초음파 기반 인체삽입형 의료기기 무선 충전 기술, 건강상태 모니터링 바이오센서 전력 생산용 메타물질 등을 개발하는데 성공했다.

단국대학교 코스메티컬소재학과 최영봉 교수는 최근 고려대 화공생명공학과 조진한·정윤장 교수팀, 강원대 에너지자원화학공학과 권정훈 교수와 함께 바이오 연료전지(Biofuel Cell)의 성능을 획기적으로 향상시킨 고성능 직물형 바이오 연료전지 개발에 성공했다.

연구팀은 전력 생산 효율과 생체 내에서 구동 안정성 등 문제점을 해결하고자 전도성 직물 지지체 표면에 금속 나노입자를 결합해 효소를 고정하는 새로운 조립 매커니즘을 개발했다.

새롭게 개발한 직물형 바이오 연료전지는 기존 방식의 전지에 비해 전류 생성 성능이 80% 이상 증가했고 전력 생성 성능은 8배 이상 증가시켰다.

또 유연성 및 물리적 특성이 높아 일반적으로 이용되는 의료기기인 주사기 바늘, 카테터, 스텐트 등에 사용 가능해 다양한 분야에 이용될 것으로 기대되고 있다.

연구팀은 이번에 개발한 바이오 연료전지는 기존에 비해 높은 성능을 요구하는 고성능 바이오센서나 생체 삽입형 의료기기의 전력 공급원으로 폭넓게 사용되고 웨어러블 및 인체삽입형 소자 시장에 새로운 플랫폼을 제공할 것으로 기대했다.

대구경북과학기술원(DGIST) 전기전자컴퓨터공학과 장진호 교수팀은 최근 세계 최초로 30mAh 배터리를 무선 충전으로 1시간 20분 내에 완충이 가능한 기술을 개발, 향후 다기능 삽입형 의료용 전자기기 상용화에 기여할 것으로 기대된다.

연구팀은 이론적 해석과 실험을 수행해 초음파 기반 고효율 에너지 변환 송수신기 제작을 위한 최적의 조건을 발견했다.

연구팀은 가능한 넓은 영역에 초음파가 집중적으로 모이도록 설계해 송신기를 만들고 송신한 초음파의 에너지가 주로 모이는 영역과 크기가 동일한 직사각형 형태의 수신기를 제작했다.

30mAh 상용 배터리를 대상으로 무선 충전 송신기와 수신기 사이에 50mm의 간격을 두어 실험을 진행한 결과, 배터리의 완충까지 물에서는 1시간 20분, 생체조직에서는 1시간 50분이 소요됐다.

이 연구 결과는 현재까지 발표된 초음파 기반 무선 전력 전송 기술 대비 최소 6.6배의 단위면적당 전력 생성 효율을 보여주며, 송수신기 사이의 거리가 50mm 떨어져 있을 때 30mAh의 상용 배터리를 완충하는 실험 결과는 아직까지 보고된 적이 없기에 세계 최고 수준의 성과로 평가할 수 있다.

연구팀은 이번 연구로 무선 전력 전송 분야의 원천적 문제를 초음파 전문가의 시각에서 접근해 해결할 수 있는 이론적 근거를 마련할 수 있었기에 향후 고효율 전력 반도체와 배터리 제어 반도체 등을 개발할 수 있는 반도체 전문가와 협업을 통해 상용 배터리를 1시간 안에 완충할 수 있는 초음파 기반 고성능 무선 전력 전송 시스템을 개발하고, 상용화까지 추진할 계획이다.

한국표준과학연구원 이형진 박사팀은 최근 미세진동을 좁은 영역에서 가두고 증폭하는 메타물질을 개발, 버려지는 진동을 전기에너지로 변환하는 에너지 하베스팅에 활용할 수 있을 전망이다.

메타물질은 파동을 효율적으로 제어하기 위해 인위적으로 설계한 물질로, 영화 '해리포터'에서 주인공 해리의 투명망토가 대표적인 메타물질에 속한다.

에너지 하베스팅은 열과 빛, 진동의 형태로 버려지는 에너지를 전기에너지로 변환하는 기술이다.

햇빛을 에너지원으로 이용하는 태양광 발전은 기상 조건과 지형에 따라 전력 생산이 불가하거나 생산량이 일정하지 않은 한계가 있다.

이에 반해 언제 어디서나 존재하는 진동을 에너지원으로 활용하면 환경적 제약에서 벗어나 안정적인 전력 생산이 가능하다.

24시간 내내 일정한 전력 공급이 필요한 IoT(사물인터넷) 센서와 혈압·혈당을 실시간 측정하는 웨어러블 의료기기의 미래 전력원으로 에너지 하베스팅이 주목받는 것도 이 때문이다.

하지만 진동에너지 하베스팅은 일상 생활에서 발생하는 진동이 미세해 생산 전력량이 적고, 생산 비용이 높아 실용성이 떨어진다. 이를 위해 진동이 발생하는 곳에 압전소자 등의 변환 장치를 지속적으로 설치해야 한다.

연구팀은 물질 내부에 들어온 미세한 진동을 가두고 축적해 45배 이상 증폭시키는 메타물질을 개발했다. 적은 양의 압전소자를 사용해 큰 전력을 생산할 수 있다. 연구팀은 메타물질을 적용해 기존보다 단위 면적당 4배 이상 큰 전력을 생산하는 데 성공했다.

메타물질은 성인 손바닥 면적 정도로 작고 얇은 평면 구조로 진동이 발생하는 곳에 어디든 쉽게 부착할 수 있다.

부착 대상의 구조에 맞게 변형도 가능해 고층 빌딩과 교량의 손상을 점검하는 진단센서부터 건강상태를 모니터링하는 소형 바이오센서까지 다양하게 적용할 수 있다고 연구팀은 설명했다.

연구팀은 이번 연구가 진동을 일시적으로 가두는 표면형 메타물질을 이용해 진동을 축적하고 증폭해 전력을 생산할 수 있음을 보여줬다는 의미가 있기에 메타물질은 일반 센서로 측정이 어려운 초미세 진동을 크게 증폭함으로써 차세대 고정밀·고민감도 센서 개발에 활용할 수 있을 것으로 기대했다.