미래창조과학부는 “박막 구조의 유연 태양전지를 피부 안에 넣어 심박조율기와 같은 인체 내 의료기기에 지속적으로 전력을 공급하는 인체삽입용 태양전지를 개발했다”고 5월 17일 밝혔다. 광주과학기술원 이종호 교수 연구팀은 미래창조과학부 기초연구사업(개인연구), 우주핵심기술개발사업의 지원으로 이 연구를 수행했으며, 헬스케어분야 국제학술지 어드밴스드 헬스케어 머터리얼스 5월 4일자에 논문명(Subdermal flexible solar cell arrays for powering medical electronic implants)으로 게재됐다.
‘빛의 일부 피부통과’사실에 착안
2시간 발전으로 24시간 구동 가능
인간의 수명을 연장하거나 삶의 질을 유지하기 위해 기능이 저하되는 인체기관을 보조하기 위한 생체 삽입용 전자기기들이 개발되고 있다. 하지만 이러한 전자기기는 주로 용량이 제한된 배터리를 사용, 일정시간이 지나면 배터리를 교체하기 위한 재수술이 필요하다. 현재 가장 많이 사용되는 심박 조율기의 경우 배터리가 5~8년 정도 유지된다. 인체 내에서 자체적인 전력생산이 가능하다면, 이러한 주기적 재수술로 인한 심리적 부담 등을 줄일 수 있다는 결론이 도출된다. 이번 연구는 손전등으로 얇은 피부를 비췄을 때 빛의 일부는 피부를 통과한다는 사실에 착안하고, 인체 내에 흡수된 빛을 태양전지를 통해 전기에너지로 변환하여 인체삽입용 전자기기의 지속적인 구동을 목적으로 수행됐다.
체외 태양전지에서 생산된 전력을 체내로 공급할 경우 피부를 통과해 인체 내로 연결되는 전선을 통해 균이 침입, 염증을 유발할 가능성이 커서 태양전지는 체내에 완전히 삽입된 형태로 사용되는 것이 유리하다. 또한, 최대한의 빛을 활용해 전기에너지를 생산하기 위해 서 태양전지는 얇은 피부층 아래에 삽입되는 것이 유리하다. 특히, 기존의 태양전지는 두껍고 깨지기 쉽게 때문에 피하에 삽입할 경우 몸의 움직임에 의해 파손되어 성분이 체내로 노출되거나 피부에서 분리될 수 있다. 이러한 문제점들을 극복하기 위해 피부와 같이 유연한 특성을 갖도록 고성능 태양전지를 딱딱한 기판에서 박막(6~7마이크로미터)형태로 분리하여 필름에 결합하는 방식으로 얇고 유연한 인체삽입용 태양전지를 제작했다. 0.07㎠(순수 태양전지 면적) 이내의 태양전지에서 직류전류로 647마이크로와트의 매우 높은 전력을 생산할 수 있었다. 소형 충전지, 유연한 심박조율기와 결합하여 태양광이 없을 경우에도 태양전지를 통해 충전된 배터리로 전력공급이 가능함을 확인했다. 이는 기존에 보고된 체내 전력생산량과 비교했을 때 수십에서 수백 배에 이르는 수치로, 하루 약 2시간 정도의 발전으로 현재 상용화된 심박 조율기를 24시간 구동할 수 있는 전력량이다. 또한, 자외선 영역의 빛은 태양전지 발전에 미치는 영향이 미미하므로 피부가 그 을리거나 타는 화상을 방지하기 위해 자외선 차단제를 바르더라도 인체 내 전력생산량은 비슷하게 유지된다.
[그림 1] 필름 위에 제작된 유연한 인체삽입용
태양전지 14개의 태양전지 배열(단일 태양전지 크기: 760μm×760μm)을 폴리이미드 필름에 결합하고, 심박 조율기에 필요한 전압전류를 제공하기 위해 얇은 금속선을 이용하여 직·병렬로 연결하여 제작된 유연한 인체삽입용 태양전지
[그림 2] 피하에 삽입된 유연 인체삽입용 태양
전지가 태양광을 통해 생성된 전기에너지를 이용하여 실제 사용되는 심박 조율기에 전력을 공급하는 개념도
이종호 교수
헬스케어 인체삽입기기 개발에 기여
대부분의 태양전지는 건물 외부에서 사용하기 위한 목적으로 개발돼 왔지만, 이번 연구에서는 인체에 삽입·사용하기 위해 박막형태의 유연한 구조로 설계·제작했다. 따라서 투명한 여러 겹의 막으로 코팅해 생체 적합성을 높였다. 특히, 피부 밑에 삽입할 수 있는 유연한 인체삽입용 태양전지를 디자인했으며 동물실험을 통해 피하에서 태양전지의 전기적 특성을 분석하고 정량화했다. 이 전지는 인체 내 안정적인 전력공급원의 부재로 인해 제한됐던 실시간 혈당 분석기, 질병진단 센서, 혈액 분석 센서 등과 같은 실시간 체내 헬스케어기기 개발에 기여할 것으로 기대된다. 다만, 사람에게 적용하기 위해서는 좀 더 넓은 면적의 유연한 인체삽입용 태양전지를 개발하는 것이 과제로 남는다.
이번에 개발된 인체삽입용 태양전지는 간단한 피부시술로 삽입이 가능하며, 현재 사용되고 있는 심박조율기도 구동할 만큼 충분한 전력생산이 가능하다. 이는 배터리교체를 위한 주기적인 재수술을 피하거나 수술주기를 늘릴 수 있어 심리적인 부담은 물론, 경제적·물리적 부담까지 줄일 수 있을 것으로 기대되고 있다. 또한, 노령화 사회에서 필수적인 인체삽입전자기기 개발과 많은 전력을 필요로 하는 새로운 기능의 추가에도 획기적인 도움이 될 것으로 기대된다. 이종호 교수는 “이 연구 결과 는 인체삽입 의료 전자기기의 난제인 전력부족 문제를 획기적으로 해결할 수 있는 방법을 제시한 것으로, 많은 전력을 지속적으로 필요로 하는 실시간 혈당 분석기, 질병진단센서, 혈액분석 센서 등과 같은 헬스케어 인체삽입기기 개발에 기여할 것으로 기대된다”고 연구의의를 설명했다.
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