몸속 기계도 문제없이 충전…초음파 기반 '고성능 무선충전 기술' 개발

조인준 기자 / 기사승인 : 2024-04-25 10:03:42
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▲DGIST 장진호 교수팀이 초음파 기반 무선 전력 전송 기술을 실험해보고 있다. (사진=DGIST)

국내 연구진이 초음파를 통해 몸 속에 있는 장치를 1시간만에 완충할 수 있는 무선충전 기술을 개발했다.

대구과학기술원(DGIST) 전기전자컴퓨터공학과 장진호 교수팀은 인체삽입형 의료기기의 배터리를 초음파로 무선충전할 수 있는 압전 소자 기반 고성능 에너지 하베스터를 개발했다고 25일 밝혔다.

연구팀은 세계 최초로 30밀리암페어(mAh) 배터리를 무선충전으로 1시간20분 내에 완충 가능한 기술을 개발했다며 향후 다기능 삽입형 의료용 전자기기 상용화에 기여할 것으로 기대하고 있다.

최근 의료계에는 신체 및 장기 기능 장애를 극복하기 위한 인체 삽입형 의료기기에 대한 수요가 증가하고 있으나, 의료기기 충전기술의 한계로 인해 활용 분야와 효용성이 제한적이었다. 환자의 상태가 안좋을 수록 인체 삽입형 의료기기에 대한 활용 의존도가 높아져 기기 사용 빈도와 전력량이 증가하는데, 이로 인해 배터리 교체를 위한 수술이 빈번해지면서 환자에게 부담을 주게 된다.

이를 해결하기 위해 초음파를 활용한 무선 전력 전송 기술 개발을 위한 연구가 활발히 이뤄지고 있지만 대부분 수신 압전 발전기의 소재와 구조에 관한 연구만 집중하고, 송신 초음파에 의해 형성되는 음장의 형태와 압전 발전기 크기 및 모양의 최적화가 미흡해 발전으로 생성되는 전력이 매우 작아 상용 배터리를 빠르게 완충하기 어렵다는 한계가 있었다.

이에 연구팀은 이론적 해석과 실험을 통해 초음파 기반 고효율 에너지 변환 송수신기를 제작했다. 연구팀은 가능한 넓은 영역에 초음파가 모이도록 설계한 송신기와 송신한 초음파의 에너지가 주로 모이는 영역과 크기가 동일한 직사각형 수신기를 제작했다. 30mAh 상용 배터리를 대상으로 무선 충전 송수신기 사이에 50㎜ 간격을 두어 실험한 결과, 배터리의 완충까지 물에서는 1시간20분, 생체조직에서는 1시간 50분이 소요됐다.

이 무선충전 기술은 현재까지 발표된 초음파 기반 무선 전력 전송 기술 대비 최소 6.6배의 단위면적당 전력 생성 효율로 세계 최고 수준의 성과를 보여줬다.

DGIST 전기전자컴퓨터공학과 장진호 교수는 "이번 연구로 무선 전력 전송 분야의 원천적 문제를 초음파 전문가의 시각에서 접근해 해결할 수 있는 이론적 근거를 마련할 수 있었다"며 "향후 고효율 전력 반도체와 배터리 제어 반도체 등을 개발할 수 있는 반도체 전문가와 협업을 통해 상용 배터리를 1시간 안에 완충할 수 있는 초음파 기반 고성능 무선 전력 전송 시스템을 개발하고, 상용화까지 추진하고자 한다"고 말했다.

이번 연구결과는 에너지공학 분야 국제학술지 '나노에너지'(Nano Energy) 온라인으로 지난 15일 게재됐다.

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