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제작된 적층형 압전 소자 기반 초음파 하베스터(SW-PUSH)/사진=DGIST
대구경북과학기술원(DGIST)은 전기전자컴퓨터공학과 장진호 교수 연구팀이 인체 삽입형 의료기기 배터리를 빠르고 효율적으로 충전할 수 있는 '초음파 기반 무선충전 기술'을 개발했다고 28일 밝혔다. 이번 기술은 인체 내부에서도 2시간 이내 상용 배터리를 완충할 수 있을 정도로 세계 최고 수준의 에너지 효율을 기록했다. 향후 무수술 헬스케어 기술에 새로운 돌파구가 될 것으로 기대를 모은다.
최근 고령화와 만성질환 증가 등으로 심박조율기, 신경 자극기 등 인체 삽입형 의료기기에 대한 수요가 빠르게 늘고 있다. 그러나 이들 기기의 배터리는 일정 주기로 교체해야 하며, 환자는 그때마다 수술을 반복해야 하는 부담과 위험을 감수해야 했다.
이에 따라, 체외에서 에너지를 전송해 기기 배터리를 무선으로 충전할 수 있는 기술은 환자의 삶의 질을 개선할 핵심 요소로 주목받아 왔다.
초음파를 이용한 무선충전 기술은 기존에도 존재했지만, 인체 내부에 삽입 가능한 에너지 수신기(하베스터)는 구조적·물리적 제약으로 인해 성능이 제한적이었다.
특히 인체에 적용할 수 있는 초음파의 강도 역시 일정 수준 이하로 제한되기 때문에, 효율적인 에너지 수집이 쉽지 않았다.
장 교수 연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 새로운 구조의 '적층형 압전 소자 기반 에너지 하베스터'를 개발했다. 이 구조는 초음파 에너지를 두 번 활용하는 방식이다. 앞쪽의 압전 소자가 초음파를 받아 전기를 생산하고, 통과한 잔여 초음파는 뒤쪽 소자가 다시 흡수해 추가 전력을 생산한다. 이중 에너지 수확 방식을 통해 기존 대비 20% 이상 향상된 에너지 변환 효율을 달성했다.
연구팀은 이 기술을 수중 환경 및 생체 조직 환경에서 직접 실험해 성능을 검증했다. 수중 30mm 거리에서는 140mAh 상용 배터리를 1시간 40분 만에 완충했고, 돼지 생체조직 30mm를 통한 실험에서도 60mAh 배터리를 1시간 20분 만에 충전하는 데 성공했다. 이는 기존 기술과 비교해 최소 2배 이상 향상된 출력 성능으로, 세계 최고 수준의 기술적 성과로 평가된다.
장 교수는 "이번 연구는 그동안 효과적으로 활용되지 못했던 초음파 에너지를 실제 의료기기 충전에 적용할 수 있게 만든 기술적 전환점"이라며 "향후 고효율 반도체 기술과 접목해 1시간 이내 완충이 가능한 상용 무선충전 시스템을 개발해 나갈 계획"이라고 말했다.
