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산업 인체에 전력 공급…피부형 마이크로 LED 패치 개발
메디컬투데이 남연희 기자
입력일 : 2020-07-07 11:26:14
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피부에 직접 부착해 태양전지가 통합된 인체 삽입 기기에 능동적으로 전력 공급
▲마이크로LED를 이용한 전력공급과정 개념도 (사진= GIST 제공)

[메디컬투데이 남연희 기자]

간단한 패치 형태로 옷 속이나 야간에도 빛을 매개로 인체삽입 헬스케어 기기에 능동적으로 전력을 공급할 수 있는 기술이 개발됐다.

광주과학기술원(GIST)는 기계공학부 이종호 교수 연구팀이 피부에 직접 부착해 인체 내 전력 전송을 위한 유연한 마이크로 LED 패치를 개발했다고 7일 밝혔다.

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

이를 위해 최근에 주변 빛을 흡수하여 발전할 수 있는 인체 삽입 태양전지 관련 연구가 진행되고 있으나 실내, 야간, 또는 삽입된 부위가 옷으로 가려질 경우 광량이 부족하여 충분한 전력을 생산할 수 없다는 한계가 있었다.

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

연구팀은 적색 및 근적외선 영역(파장: 650nm 이상)의 빛이 상대적으로 생체 조직 투과율이 높다는 사실에 기반해 적색 마이크로 LED(파장: 670 nm) 패치를 제작했다.

패치에서 발생시킨 빛은 생체 조직을 투과하고, 태양전지에 도달하여 광전류(photocurrent)를 생성시키는 것으로, 이러한 능동적인 과정은 날씨, 실내, 야간에 관계없이 생체 내에서 전력 공급이 가능하게 한다. 패치는 복잡한 회로 없이 시중에서 쉽게 구할 수 있는 건전지를 이용하여 구동할 수 있다.

광전류는 태양전지 등의 반도체에 빛이 조사되었을 형성되는 전자-정공 쌍에 의해 생성되는 전류를 말한다.

또한 피부 부착 시 발생할 수 있는 이물감, 화상, 땀 문제를 해결하기 위해 설계 및 제작 과정을 개발했다. 이를 위해 얇은 필름 위에 유연성 향상을 위한 연결선(interconnect)과 땀구멍을 설계했으며, 이어 상대적으로 넓은 히트싱크에 박막 마이크로 LED(두께: 4µm)를 직접 본딩하는 방법으로 패치를 제작했다.

마이크로 패치는 3mm의 반지름으로 반복적으로 굽혀도 부서지지 않으며, 피부에 부착시 온도는 저온화상의 기준(6시간 동안 44°C이하) 이내인 41.2°C 이하로 유지됐다.

히트싱크는 전자기기 등에서 발생하는 열을 효율적으로 제거하기 위한 형상 구조를 말한다.

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더불어 동물 실험을 통해 쥐 피부에 부착된 마이크로 LED 패치는 피하에 삽입된 작은 면적(0.11cm2)의 태양전지에 8.2 µW의 전력을 공급할 수 있다는 것을 확인했다. 이는 이미 일부 상용 심박 조율기(소비전력: 1~10µW)를 구동할 수 있는 전력이며, 면적을 늘리는 간단한 방법만으로도 전력량을 더욱 증가 시킬 수 있다.

심박조율기(pacemaker)는 심장의 부정맥을 치료하기 위해 주기적인 전기 자극을 줄 수 있는 삽입형 헬스케어 기기이다.

이번 연구 성과로 향후 안정적인 전력 공급을 통해 수명 연장과 삶의 질을 높일 수 있는 다기능 고성능 삽입용 헬스케어 기기 개발 뿐 아니라 마이크로 LED 패치는 피부에 부착하여 치료 및 미용 용도로도 활용 가능할 것으로 기대된다.

이종호 교수는 “이번 연구의 성과물인 빛을 매개로한 능동적 전력 공급 방법은 간단하면서도 필요시 언제나 인체에 전력을 공급할 수 있어 인체의 기능을 보조하는 새롭고 다양한 기술 개발에 기여할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

한편 이종호 교수(교신저자)가 주도하고, 김주호 박사(제1저자)가 수행한 이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업과 지스트 연구원(GRI)의 지원으로 수행됐으며, 관련 논문은 미국국립과학원회보(PNAS)에 7월 6일(현지시간) 온라인 게재됐다.  
메디컬투데이 남연희 기자(ralph0407@mdtoday.co.kr)
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