초음파로 무선충전...인공 심박동기 배터리 교체 걱정 던다

KIST "바닷속 또는 인체삽입형 전자기기 배터리 무선 충전에 활용"

심장에 삽입한 인공 심박동기의 배터리를 교체하려면 절개 수술을 해야 한다. 인체 내부에 무선으로 전력을 전송해 배터리를 충전할 수 있다면 이같은 불편을 덜 수 있다. 

한국과학기술연구원(원장 윤석진)은 전자재료연구센터 송현철 박사 연구팀이 인체나 물 속에서 무선 충전을 할 수 있는 초음파 무선 전력전송 기술을 개발했다고 22일 밝혔다.

인체삽입형 전자기기나 해저 환경에서 운용하는 수중 센서, 수중 드론 등 차세대 무인 로봇 기술에 적용이 기대된다.  

(자료=KIST)

현재 대표적 무선 전력 전송기술로 전자기유도 방식과 자기공명 방식이 있다. 스마트폰 무선 충전 등에 쓰이는 전자기유도 방식은 물이나 금속과 같은 전도체는 통과하지 못하고, 충전거리도 짧다. 충전 중 발열 문제로 신체에 해를 끼칠 수도 있다. 자기공명 방식은 자기장 발생 장치와 송신장치의 공진주파수가 정확하게 일치해야만 하므로 와이파이나 블루투스와 같은 무선통신 주파수와 간섭을 일으킬 우려가 있다.

연구진은 전자기파나 자기장 대신 초음파를 에너지 전송매체로 채택했다. 이미 바다에서는 초음파로 해저에서의 위치와 거리를 파악하는 소나 장비가 널리 쓰인다. 의료계에서 장기나 태아 상태를 진단할 때 초음파를 흔히 쓸 정도로 인체에 대한 안정성도 확인됐다. 그러나 기존의 초음파 기반 에너지 전송기술은 에너지 효율이 낮아 상용화가 어려웠다.

연구진은 매우 작은 기계적 진동도 전기에너지로 변환할 수 있는 마찰발전 원리를 이용하여 초음파를 수신하고 전기에너지로 변환하는 소자를 개발했다. 연구진은 마찰 발전기에 외부의 전기장 없이도 스스로 전기 분극을 가지는 강유전물질을 추가, 채 1%도 되지 않던 기존 초음파 에너지 전송효율을 4% 이상으로 크게 높였다. 

이를 통해 6㎝ 떨어진 거리에서 8㎽ 이상의 전력을 충전하는 데 성공했다. 이는 200개의 LED를 동시에 키거나, 물속에서 블루투스 센서를 작동시켜 데이터를 전송할 수 있는 수준이다. 또 에너지 전환 효율이 높아 열 발생이 거의 없었다.

송현철 박사는 "이번 연구에서 초음파를 통한 무선 전력 충전으로 전자기기 구동이 가능함을 보였기에, 앞으로 소자의 안정성과 효율을 더 개선한다면 배터리 교체가 번거로운 체내 이식형 센서 또는 심해저 센서에 전력을 무선으로 공급하는 기술로 적용이 기대된다"라고 밝혔다. 

이번 연구결과는 과학기술정보통신부 국가과학기술연구회 창의형융합연구사업, 한국연구재단 신진연구개발사업과 산업통상자원부 한국에너지기술평가원 에너지기술개발사업으로 수행되었다. 연구 결과는 학술지 '에너지 & 인바이런먼탈 사이언스(Energy & Environmental Science)' 최신호에 게재됐다.