4월 과학기술인상, 성균관대 김상우 교수 선정

인체 안전한 초음파로 체내 삽입 의료기기 충전기술 개발

▲김상우 성균관대 교수 (과기정통부 제공)

과학기술정보통신부와 한국연구재단은 이달의 과학기술인상 4월 수상자로 성균관대학교 신소재공학부 김상우 교수를 선정했다고 1일 밝혔다.

‘이달의 과학기술인상’은 우수한 연구개발 성과로 과학기술 발전에 공헌한 연구개발자를 매월 1명씩 선정해 과기정통부 장관상과 상금 1000만 원을 수여하는 시상이다.

과기정통부와 연구재단은 김 교수가 인체에 무해한 초음파와 정전기를 이용하여 에너지 하베스팅 기술로 인체 삽입형 소자를 충전하는 기술을 개발함으로써 환자의 삶의 질 향상과 차세대 의료분야 발전에 기여한 공로를 높이 평가했다고 밝혔다.

에너지 하베스팅(energy harvesting)은 진동, 하중, 빛, 열 등 일상에서 버려지는 에너지를 수집해 전기로 바꾸는 기술이다.

첨단기술이 핵심경쟁력인 4차 산업혁명 시대에는 이를 뒷받침할 에너지원 확보가 주요 과제다. 최근 일상에서 버려지는 작은 에너지를 수확해 생활에 응용하는 에너지 하베스팅 연구가 새로운 해결책으로 주목받고 있다. 세계 최초로 초음파로 정전기를 발생시켜 인체 삽입 의료기기를 충전하는 에너지 하베스팅 기술을 구현한 김 교수의 수상이 더욱 의미있는 이유다.

기존 인체 삽입형 의료기기는 전력을 공급하는 배터리의 수명이 다하면 교체 수술이 필요해 환자의 고통과 사회경제적 비용이 추가적으로 발생했다. 이를 개선하기 위해 체외에서 배터리를 충전하는 무선전송기술과 인체 에너지를 전기로 변환하는 압전기술이 연구됐지만, 각각 짧은 전송거리와 안전성 부족, 미미한 전력 생산으로 상용화에는 어려움이 있었다.

이에 김 교수는 의료현장에서 안전하게 사용하는 초음파를 이용해 인체에 삽입된 발전소자에 마찰전기를 일으켜 의료기기를 구동하는 체내 원격 에너지 충전기술을 개발하고, 이를 이용한 소자 제작에도 성공했다.

아울러 연구팀은 고출력 마찰소재인 PFA폴리머 필름과 유연한 PCB 회로기판을 결합한 발전소자에 초음파로 진동을 전달해 금과 구리 전극간 정전기를 발생시키는 데에도 성공했다.

생체조직 환경 시험결과 돼지 피하지방층 0.5cm 깊이에 삽입한 발전소자는 약 1.2볼트(V)의 전압, 98마이크로 암페아(μA) 전류 수준의 출력을 보였다. 이는 보통 1-10마이크로 와트(μW)의 전력으로 구동하는 인체 삽입용 심장박동기 등에 사용 가능한 전력량이다. 관련 기술은 2019년 ㈜에너지마이닝에 기술이전 됐으며, 연구결과는 사이언스(Science)지에 2019년 8월 2일 게재됐다.

김 교수는 “초음파로 정전기를 발생시켜 발전과 충전이 가능한 초음파 구동 정전기 하베스팅 소자를 세계 최초로 구현했다”며 “다양한 의료기술에 응용이 가능해 인체 삽입형 의료산업에 새로운 이정표를 제시할 것”이라고 수상소감을 밝혔다.