△ 웨어러블 의료기기 전원기술이 잇따라 개발되고 있다.

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

25일 업계에 따르면 국내 연구팀이 체온과 주변 빛, 호흡 수분으로 웨어러블 의료기기의 전기를 생산하는 방법을 개발하는데 성공했다.

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.

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

한양대학교 바이오메디컬공학부 최창순 교수팀은 최근 성균관대학교 기계공학부 백상열 교수팀과 함께 피부 접착력과 전기 발생 효율을 높인 패치를 개발했다.

연구팀은 탄소나노튜브를 마이크로 수준의 주름 형태로 설계하고 기판에 흡착컵(suction-cup) 형태의 특수 패턴 구조를 적용해 높은 신축성과 우수한 피부 부착력을 동시에 구현했다.

또 CNT 표면에 전기화학적 산화 처리를 통해 비대칭적으로 산소 작용기를 도입함으로써 습기 노출 시 양성자 확산을 이용한 전기 발생 효율을 극대화했다.

개발된 패치는 주변 습도 변화만으로 최대 102mV의 전압과 1.75mA/m²의 전류를 생성할 수 있으며, 300%에 이르는 높은 신축성에서도 안정적으로 전기를 생산할 수 있다.

아울러 건조한 피부는 물론 땀이 많은 습윤 환경에서도 최대 3.66N/cm²의 강력한 접착력을 유지해 다양한 신체 부위에서 활용 가능하다.

연구팀은 해당 패치를 실제 사람의 코 아래에 부착해 운동 후 변화하는 호흡 패턴을 실시간으로 모니터링하는 데 성공했으며 이는 배터리 없이 자가 구동이 가능한 차세대 헬스케어 모니터링 시스템으로의 발전 가능성을 보여준다.

연구팀은 이번 기술이 수분에서 전기 에너지를 효율적으로 수확함과 동시에 높은 신축성과 습윤 조건에서도 안정적인 접착성을 확보한 혁신적인 연구 성과로 향후 스마트 의료기기 및 웨어러블 전자기기 등 다양한 분야에서 배터리 없는 친환경 자가 구동 장치로 널리 응용될 것으로 내다봤다.

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#웨어러블의료기기#열갈바닉 전지#건강 모니터링#패치