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인체 삽입·웨어러블 의료기 전원 기술 잇단 등장
피부 부착 LED 패치·온도조절 소자 등 개발
[기사입력 2020-07-08 06:45]
△인체에 삽입하거나 입는 의료기기 전원 기술이 잇달아 등장했다.

국내에서 인체 삽입형을 포함한 웨어러블 의료기기의 전원 기술이 등장해 상용화가 기대되고 있다.

8일 업계에 따르면 국내 연구팀이 피부 부착 마이크로 LED 패치, 온도조절 소자 등을 개발했다.

광주과학기술원 기계공학부 이종호 교수팀은 최근 피부에 직접 부착해 인체 내 전력 전송을 위한 유연한 마이크로 발광다이오드(LED) 패치를 개발했다.

마이크로 LED 패치 개발로 향후 안정적인 전력 공급을 통해 수명 연장과 삶의 질을 높일 수 있는 다기능 고성능 삽입용 헬스케어 기기 개발뿐 아니라 피부 치료와 미용 용도로도 활용 가능할 것으로 기대된다.

그간 인체 내 전력량 부족 문제는 다기능 고성능 인체삽입 헬스케어 기기 출현의 가장 큰 제약 중 하나로 꼽혀왔다.

이를 극복하고자 최근에 주변 빛을 흡수해 발전할 수 있는 인체 삽입 태양전지 관련 연구가 진행되고 있으나 실내, 야간, 또는 삽입된 부위가 옷으로 가려질 경우 광량이 부족해 충분한 전력을 생산할 수 없다는 한계가 있다.

이번에 개발한 마이크로 LED 패치는 피부에 직접 부착해 태양전지가 통합된 인체 삽입 기기에 능동적으로 전력을 공급 할 수 있다.

연구팀은 이번 연구의 성과물인 빛을 매개로 한 능동적 전력 공급 방법은 간단하면서도 필요할 때 언제나 인체에 전력을 공급할 수 있어 인체의 기능을 보조하는 새롭고 다양한 기술 개발에 기여할 수 있을 것으로 내다봤다.

한국전자통신연구원(ETRI)은 최근 사람의 피부 표면 온도와 비슷한 31℃에서 온도가 낮으면 팽창해 구멍이 닫히고 높으면 자동으로 열려 열 방출을 전원 없이 조절이 가능한 방열(放熱, heat sink)소자 개발에 성공했다.

연구진은 온도에 따라 물의 흡수량이 달라지는 온도 반응성 하이드로겔을 마치'풍차'와 같은 모양으로 만들어 일정온도 보다 낮으면 물을 머금어 팽창해 닫히고 온도가 높게 되면 물을 배출해 수축하는 밸브를 만들었다.

연구진이 만든 방열소자의 크기는 3 cm x 3 cm 크기로 인공 땀샘 2만개가 들어가 있다. 소자 두께는 70 마이크로 미터(㎛)이고 땀샘의 단위구조인 셀의 크기는 100 ㎛, 밸브는 20 ㎛ 크기의 수준이다.

박막의 구조는 두 개의 층으로 구분돼 위층은 프레임으로 단위구조 셀을 지지해 주는 역할을 하며 아래층은 밸브 구조로 제작돼 고분자간 결합을 통해 유연한 박막 형태의 냉각 소자를 만들었고 내부는 용매인 물로 채워지게 된다.

특히 팽창수축을 반복하는 밸브는 사람의 땀샘 크기와 유사하게 설계됐다. 연구진은 본 기술의 핵심으로 밸브구조를 설계하는 기술과 기능을 갖추기 위해 밸브를 제작하는 기술로 국내·외 특허출원을 해둔 상태다.

구조 성능 입증을 위해 온도에 따른 증발량을 측정한 결과 기존 박막에  비해 저온에서 증발이 30% 가량 억제됨을 보였다. 반복되는 실험에도 구조체는 일정한 성능을 유지하는 것을 확인하여 인공 땀샘으로의 기능도 입증했다.

연구진은 이 기술로 향후 크기의 대면적화도 가능하고 밸브의 패턴은 반도체 공정을 통해 만들었으며 이를 고분자 재료로 복제해 만들었다고 설명했다.

여기에 사용된 기술들은 모두 상용 기술로서, 대면적 적용이 가능하다.

연구진은 이 기술을 열전소자의 히트싱크(방열판)로 활용해 균일하고 높은 출력을 오래 냄으로써 무전원 유연소자를 만드는 게 목표로 기존 연구성과인 열전소자를 보강해 손목에 시계와 같은 전자장치를 착용만 하고 있어도 체온과 같은 생체정보를 주기적으로 센싱이 가능토록 만들 방침이다.

한양대 바이오나노학과 방진호 교수팀은 전극제조 과정에 쓰이는 소금 속 나트륨 이온이 금 나노클러스터 태양전지의 효율에 영향을 미치는 요인임을 밝혀 웨어러블 디바이스나 실내용 디바이스의 전원공급에 보다 유리할 수 있을 것으로 기대된다.

연구팀은 전극제조 과정에 쓰이는 나트륨 이온이 금 나노클러스터와 전극과의 흡착을 돕는 요인임을 알아냈다.

빛을 흡수한 금 나노클러스터에서 전자가 생성되면 접합돼 있는 반도체 산화물 전극(TiO2)으로 이동한 후 전자가 백금 상대 전극으로 수송되면서 전기가 생성된다.

이 때 나트륨 이온이 광흡수체와 산화물 전극간 흡착을 강하게 함으로써 생성된 전자의 분리와 원활한 수송을 촉진, 광전환 효율을 높이는 열쇠라는 것을 알아냈다.

중금속이 아닌 금 나노클러스터를 광흡수체로 이용하는 것은 웨어러블 디바이스나 실내용 디바이스의 전원공급에 보다 유리할 수 있어 금 나노클러스터 태양전지 효율 향상의 실마리를 제공한 이번 연구성과가 특히 주목받는다.


강찬우 기자  ehealth@e-healthnews.com
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