국내에서 차세대 웨어러블 의료기기 기술들이 잇따라 개발, 상용화가 기대되고 있다.

3일 의료계 등에 따르면 국내 연구진들은 최근 배터리 없이도 동작하는 고감도 압력센서, 더 오래·효율적 사용할 무선 전력 기술, 외부 전력 없는 생체이식 바이오센서용 연료전지 등을 개발했다.

광운대학교 전자공학과 박재영 교수팀은 최근 높은 전기 음성도를 갖는 바나듐멕신(V2CTX-MXene)이 기능화된 불소고분자 복합 나노섬유 소재, 통기성을 갖는 고성능의 마찰전기 나노발전기, 배터리 없이도 인체활동 및 자세를 실시간 모니터링 할 수 있는 웨어러블 무전원 센서를 성공적으로 개발했다.

연구팀은 전기방사 기술을 사용해 높은 전기 음성도와 안정성, 유연성을가진 'V2CTX폴리(비닐리덴-플루오라이드-코-헥사플루오로프로필렌)' 복합 나노섬유 매트를 성공적으로 개발했고 이를 이용해 마찰 전기 나노발전기의 성능을 크게 향상시켰다.

바나듐 멕신 표면의 풍부한 작용기(-F, -O 및-OH)를 활용해 전기 음성도를 높였고 폴리머 매트릭스에 마이크로 커패시터 네트워크를 형성해 전자 포획용량과 함께 유전 특성을 향상 시켰으며, 전하 손실은 크게 감소시켰다.

전기 양성도를 갖는 폴리에틸렌옥사이드(PEO) 나노섬유 매트와 결합해 제작된 마찰 전기 나노발전기는 18.2W/m2의 높은 전력밀도를 나타냈으며 이는 순수한 PVDF-HFP 나노섬유 기반 나노발전기보다 3.5배 더 높은 성능이다.

나노섬유 메트를 이용해 제작된 나노발전기는 통기성이 뛰어나서착용성과 안정성이 우수하며 다양한 인체 활동으로부터 수확된 에너지는 스톱워치나 온습도계와 같은 상업용 전자기기 구동에 필요한 전기를 충분히 공급했다.

또 25.17 VkPa-1(1~42kPa)의 높은 민감도를 가진 무전원 웨어러블 압력센서로 활용해 걷기, 달리기, 점프, 앉기 및 자전거 타기 등 다양한 인체활동 및 자세의 실시간 모니터링에 성공적으로 시연했다.

연구팀은 이 무전원 센서가 전자피부, 로봇, 휴먼-머신 인터페이스, 다양한 웨어러블 의료·헬스케어 기기 등에 폭넓게 활용·응용될 것으로 기대했다.

울산과학기술원(UNIST) 전기전자공학과 권지민 교수팀은 최근 포항공과대학교(POSTECH) 신소재공학과 정성준 교수와 함께 폴리머 쇼트키 다이오드의 안정성을 오래 확보하고 존의 수분과 산소에 의한 다이오드 성능 저하 문제를 극복한 기술을 개발했다다.

연구팀은 폴리머와 금속 사이의 문제를 해결해 얇지만 안정적으로 작동하는 쇼트키 다이오드를 구현했다. 전기를 한 방향으로만 흐르게 해 낮은 전력으로도 고성능 웨어러블 기기 사용이 가능하다.

특히 쇼트키 다이오드는 금속과 폴리머 사이에 산화물 층을 추가해 전기 흐름 효율을 유지했다. 유연한 재질의 기판에서도 13.56㎒ 신호를 안정적으로 처리할 수 있어 빠른 무선 통신과 에너지 수집 기술 발전에 큰 도움이 될 전망이다.

연구팀은 다이오드 성능 저하 원인을 파악하기 위해 다양한 실험을 진행했다. 반도체층과 음극 금속층 사이의 문제가 주요 원인임을 밝혀냈다. 이를 X선 광전자 분광법과 이차이온질량분석법 등으로 분석하고 전기적 분석을 통해 체계적으로 규명했다.

연구팀은 웨어러블 기기 연구가 많은 진전을 이뤘지만 무선 전력 전송 시 안정성 문제는 여전히 해결되지 않았기에 이번에 개발한 기술이 몇 개월 이상 성능이 저하되지 않는 플렉시블 무선 전력 전송 기술로 차세대 웨어러블 기기 연구에 큰 도움이 될 것으로 기대했다.

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.

바이오 연료 전지(BFC)는 생물학적 촉매를 활용해 생화학적 에너지를 전기에너지로 변환해주는 에너지 원이다. 특히 생체에 이식한 바이오센서·심장박동기 등의 전자소자를 외부 장치 없이도 구동할 수 있도록 해주는 생체 친화형 전지로 주목받고 있다.

다만 기존 바이오 연료전지는 촉매 역할을 하는 효소가 전자를 전달하는 매개체에 제대로 고정되지 않아 시간이 지나면서 효소가 떨어지는 문제로 전력 생산 효율과 생체 내에서 구동 안정성을 낮춰 실제 응용에 걸림돌이 되고 있다.

연구팀은 이런 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 연료전지가 기존에 비해 높은 성능을 요구하는 고성능 바이오센서나 생체 삽입형 의료기기의 전력 공급원으로 폭넓게 사용되고 웨어러블 및 인체삽입형 소자 시장에 새로운 플랫폼을 제공할 것으로 내다봤다.