신소재공학부 김상우 교수 연구팀이 배터리 교체를 위한 주기적 시술 없이 체내에서 생성된 마찰전기로 생체 삽입형 의료기기를 상시 충전하는 새로운 방식의 에너지 수확(energy harvesting) 기술을 개발했다고 밝혔다. 

이 연구 성과는 세계 최고 수준의 국제학술지 사이언스(Science)紙에 2019년 8월 2일자로 게재되었다. 

※ 논문정보: “Transcutaneous ultrasound energy harvesting by using capacitive triboelectric technology”, Science 365, 491 (2019) 

※ 주저자: 김상우 교수(교신저자, 성균관대 신소재공학부), 윤홍준 박사(공동 1저자, 성균관대 신소재공학부), Ronan Hinchet 박사(공동 1저자, 성균관대 신소재공학부, 현 스위스 EPFL 연구원) 

심장박동기, 인슐린펌프 등 체내 삽입형 의료기기의 전원공급을 위해 상당한 출력의 외부전력을 무선으로 체내로 전송하기 위해서는 생체 영향력 부분을 고려해야 했다. 이에 심장박동이나 혈류, 근육운동 등 생체 내 여러 기계적 에너지를 전기에너지로 변환하려는 에너지 수확 연구가 지속되었으나 체내에서 발생하는 기계적 에너지가 작아 충분한 발전효과를 내기 어려웠다. 

연구진은 실제 검진 및 치료 등에 사용되는 인체에 무해한 초음파에서 힌트를 찾아냈다. 외부의 초음파가 체내에 삽입된 특정 소재의 변형을 가져오고 변형에 따른 진동으로 유도되는 마찰전기를 이용해 높은 수준의 전기에너지를 발생시킬 수 있음을 입증했다. 

쥐 또는 돼지의 심장박동을 전기에너지로 변환하고자 마찰전기를 이용한 경우가 있었지만 발생 전력량이 미미하여 실제 전력원으로 사용하기는 어려운 상황이었다. 

이번 연구에서는 생체를 투과할 수 있는 초음파를 외부 기계적 에너지원으로 이용해 출력 전류를 천 배 이상 끌어 올린 것이다. 실제 연구진은 쥐와 돼지 피부에 마찰전기 발생소자를 삽입하고 외부에서 초음파로 마찰전기를 유도함으로써 실제 생체 환경에서 에너지 수확을 통한 발전(發電)이 가능함을 입증하였다. 

돼지 지방층 1cm 깊이에 삽입된 발전소자로부터 심장박동기나 신경자극기를 구동할 수 있는 수준의 출력(0.91 V의 전압, 52.5 μA)을 얻어 낸 것이다. 나아가 개발된 마찰전기 발전소자로 최적의 조건에서 박막형 리튬이온 배터리(0.7 mAh, IoT용 무선 온도센서 상시구동이 가능한 용량)와 상업용 커패시터(4.7 mF)를 완충하는데 성공했다. 

김상우 교수는 “피부층을 통과한 초음파에 의한 마찰전기를 이용한 새로운 방식의 체내 에너지 하베스팅 개념을 제시한 것”이라며, “인체 삽입형 의료 시스템 산업에 새로운 이정표를 제시할 것으로 기대된다”고 의의를 밝혔다. 

이 연구성과는 과학기술정보통신부 한국연구재단 기초연구지원사업(중견연구), 산업통상자원부 산업기술혁신사업의 지원으로 수행되었다. 

김상우 교수는 2007년 국내에서 최초로 압전 나노발전기(piezoelectric nanogenerator) 연구를 시작하였고, 미국 Georgia Tech의 Zhong Lin Wang 교수와 함께 압전/마찰 나노발전기 기반 에너지 하베스팅 분야 세계적 권위자이다. 김상우 교수 연구팀은 다양한 압전/마찰전기 신소재 개발 및 자가발전(self-powering) 에너지 하베스팅 기술을 스마트 웨어러블, IoT 센서, 인체삽입 의료전자기기에 적용하는 연구를 전세계적으로 주도하고 있다. 김상우 교수는 250편 이상의 국제학술지 논문 발표(2019년 9월 기준, h-index: 61; total citation: 12,375회) 및 100건 이상의 국내외 특허를 보유하고 있으며 에너지 분야 저명한 국제 학술지 중 하나인 “Nano Energy” (Elsevier사 출간, IF 15.548, JCR 3.716%)의 부편집장(Associate Editor) 및 “Advanced Electronic Materials” (Wiley사 출간, IF 5.466)의 상임고문(Executive Advisory Board)으로 활동하면서 에너지/소재 분야 발전에 전세계적으로 큰 기여를 하고 있으며, 이러한 학문적 성과를 인정받아 본교의 SKKU Young Fellow 교수(2013년) 및 SKKU Fellow 교수(2019년)로 선정되었다. 김 교수팀은 국내외 산학연 공동연구를 통해 원천연구부터 응용연구까지 광범위한 연구를 진행하고 있고, 최근에도 Science, Nature Communications, Energy & Environmental Science, Advanced Materials 등 최상위 저널지에 지속적으로 연구 결과물을 발표하고 있으며, 연구 결과물은 국내외 다양한 기업으로의 기술이전 실적으로 이어지고 있다. 이러한 우수한 실적을 바탕으로 김 교수 연구실의 출신들은 국내외 연구중심대학(DGIST, 인도 IIT, 파키스탄 NUST 등)의 전임교원 및 국내외 유수의 기업연구소, 정부출연연구소, 해외대학에서 연구원으로 활발히 활동하고 있다.