DGIST, 이식형 의료기기용 초음파 기반 무선 충전 기술 개발

DGIST, 이식형 의료기기용 초음파 기반 무선 충전 기술 개발

2025년 8월 5일

- 상업용 배터리를 2시간 이내에 완전히 충전합니다... 세계적 수준의 에너지 효율 달성
- 수술 없이 체내 배터리 충전 가능…미래 헬스케어 기술 혁신 기대

 

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[ 대구경북과학기술원 전경 / DGIST ]

 

DGIST, 이식형 의료기기용 초음파 기반 무선 충전 기술 개발

2025년 8월 5일

- 상업용 배터리를 2시간 이내에 완전히 충전합니다... 세계적 수준의 에너지 효율 달성
- 수술 없이 체내 배터리 충전 가능…미래 헬스케어 기술 혁신 기대

[(좌측부터) DGIST 전기전자컴퓨터공학과 장진호 교수, 강성우 박사과정생]

 

DGIST(총장 이건우) 전기전자컴퓨터공학과 장진호 교수 연구팀은 체내 삽입형 의료기기의 배터리를 빠르고 효율적으로 충전할 수 있는 "초음파 기반 무선 충전 기술"을 개발했습니다. 이 기술은 상용 배터리를 인체 내에서도 2시간 이내에 완전히 충전하는 세계 최고 수준의 에너지 효율을 달성했습니다.

최근 인구 고령화, 질병, 사고 등으로 인해 심장 박동기, 신경 자극기 등 이식형 의료기기 수요가 급증하고 있습니다. 그러나 이러한 기기의 배터리는 주기적으로 교체해야 하므로 환자는 반복적인 수술을 받아야 하며, 이는 불편함과 위험을 동시에 안겨줍니다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 추가 수술 없이 배터리를 충전할 수 있도록 체외에서 무선으로 에너지를 전송할 수 있는 기술 개발이 필수적입니다.

초음파를 이용한 무선 충전 기술은 이전에도 존재했지만, 인체에 이식할 수 있는 에너지 수집기(수신기)는 크기와 구조에 제약이 있었습니다. 또한, 인체에 안전하게 사용할 수 있는 초음파 강도가 제한되어 출력이 충분하지 않았습니다.

이러한 한계를 극복하기 위해 DGIST 장 교수 연구팀은 새로운 유형의 "샌드위치 구조 압전 에너지 수확기"를 개발했습니다. 두 개의 압전 층을 적층하여 앞면 층은 유입되는 초음파 에너지를 수확하여 전기를 생성하고, 뒷면 층은 잔류 초음파를 포집하여 추가 전력을 생산합니다. 두 층의 출력을 결합하여 기존 설계 대비 20% 이상 향상된 효율을 달성합니다.

[적층형 압전소자 기반 초음파 수확기(SW-PUSH) 제작]

[10 Manufactured laminated piezoelectric element-based ultrasonic harvester (SW-PUSH)]

연구팀은 이 기술을 사용하여 140mAh 용량의 상용 배터리를 30mm 수중 거리에서 단 1시간 40분 만에 완전히 충전할 수 있음을 입증했습니다. 30mm 두께의 돼지 조직을 사용한 또 다른 실험에서는 60mAh 용량의 배터리를 1시간 20분 만에 완전히 충전했습니다. 이러한 결과는 기존에 보고된 기술보다 최소 두 배 이상의 출력을 달성하는 세계 최고 수준의 성능을 보여줍니다.

장 교수는 "이 연구는 기존에 충분히 활용되지 못했던 초음파 에너지를 효과적으로 수확하여 이식형 의료기기의 무선 충전에 활용하는 혁신적인 기술을 제시합니다. 이 초음파 기반 무선 충전 기술과 고효율 반도체 부품을 결합하여 1시간 이내에 완전 충전이 가능한 시스템을 상용화하는 것을 목표로 합니다."라고 밝혔습니다.

본 연구는 과학기술정보통신부의 미래융합선도형과학기술개발사업(구 STEAM 연구사업)의 지원을 받아 수행되었습니다. 연구 결과는 바이오센서 및 바이오전자공학 분야의 최고 권위 학술지 중 하나인 바이오센서스앤드바이오일렉트로닉스(Biosensors and Bioelectronics)에 게재되었습니다.

 

한국 연구진, 이식형 의료기기용 초음파 무선 충전 기술 개발

Michael C. Anderson , August 6, 2025

DGIST 연구진은 초음파를 통해 이식형 장치를 충전하는 이중층 압전 에너지 수확기를 개발해 수술적 배터리 교체가 필요 없게 했습니다.

 

*  새로운 샌드위치 구조 설계로 기존 시스템보다 20% 더 높은 효율성을 달성했습니다.
*  이 기술은 30mm 거리에서 140mAh 배터리를 2시간 이내에 완전히 충전합니다.
*  1시간 충전으로 상용화할 수 있는 시스템을 목표로 하고 있습니다.

[ 수술용 장갑을 낀 손에 심박 조율기를 착용한 사진. Peter Dazeley/The Image Bank via Getty Images ]

 

우리는 휴대전화용 무선 충전에 대해 다루었고 전기 자동차용 무선 충전 의 개발에 관심을 가지고 지켜보았습니다 . 이제 무선 충전 기술의 새로운 전선이 등장했습니다. 바로 우리의 마음에 가까운 분야입니다. 심장 박동 조절기와 기타 이식형 의료 기기입니다.

한국 대구경북과학기술원(DGIST)의 연구팀은 이식형 의료기기에서 수술적 배터리 교체가 필요 없는 획기적인 초음파 기반 무선 충전 기술을 개발했습니다.

 

DGIST 전기 및 컴퓨터공학과의 장진호 교수가 이끄는 연구팀은 신체 내부 충전 애플리케이션에 대해 전례 없는 에너지 효율을 달성하는 새로운 샌드위치 구조의 압전 에너지 수확기를 개발했습니다.

 

증가하는 의료 수요에 대응

 

인구 고령화와 질병 유병률 증가로 인해 심박 조율기나 신경 자극기와 같은 이식형 의료기기 수요가 급증하는 중요한 시기에 이러한 개발이 이루어졌습니다. 현재 이러한 기기는 주기적인 수술적 배터리 교체가 필요하여 환자의 불편함과 의료적 위험을 초래합니다.

"이 연구는 기존에 충분히 활용되지 못했던 초음파 에너지를 효과적으로 수확하여 이식형 의료기기의 무선 충전에 활용하는 혁신적인 기술을 제시합니다."라고 장 교수는 말했습니다. "이 초음파 기반 무선 충전 기술과 고효율 반도체 부품을 결합하여 1시간 이내에 완전히 충전 가능한 시스템을 상용화하는 것을 목표로 합니다."

 

혁신적인 디자인으로 기존의 한계를 극복하다

 

이 기술은 함께 작동하는 두 개의 압전층을 적층한 구조로 되어 있습니다. 앞면 층은 유입되는 초음파 에너지를 포착하여 전기를 생성하고, 뒷면 층은 잔류 초음파를 이용하여 추가 전력을 생산합니다.

[ 적층 압전소자 기반 초음파 수확기(SW-PUSH)를 제작했다. 출처: DGIST ]

이 이중 레이어 방식은 기존 설계 대비 20% 이상 향상된 효율을 제공하여 기존 초음파 기반 충전 시스템의 중요한 한계를 해결합니다. 초음파를 이용한 무선 충전 기술은 이전에도 존재했지만, 인체 이식형 하베스터는 크기와 구조의 제약을 받았으며, 초음파 강도가 제한되어 출력이 부족했습니다.

 

테스트에서 인상적인 성능

 

이 기술은 실험실 테스트에서 놀라운 충전 성능을 보여주었습니다. 140mAh 용량의 상용 배터리는 30mm 수중 거리에서 단 1시간 40분 만에 완전히 충전되었습니다. 30mm 두께의 돼지 조직을 사용한 또 다른 실험에서는 60mAh 용량의 배터리가 1시간 20분 만에 완전히 충전되었습니다.

이러한 결과는 기존에 보고된 기술보다 최소 두 배 높은 출력을 나타내며, 이 분야의 새로운 기준을 제시합니다. 본 연구팀의 접근 방식은 기존 초음파 기반 충전 시스템의 한계였던 전력 제한을 성공적으로 극복했습니다.

이 연구 결과는 권위 있는 학술지인 '바이오센서 앤 바이오일렉트로닉스(Biosensors and Bioelectronics)'에 게재되었습니다. ( 이식형 기기 착용자가 전력망에 전력을 되돌려 보낼 수 있도록 하는 V2G 유형 무선 시스템 관련 연구에 대한 소식은 아직 없습니다.)

 

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