홍진기 교수팀, 인체 매개 에너지 생성 신기술 개발

스마트폰 잡는 것만으로 전기 자극 치료·웨어러블 기기 충전 동시에

‘ACS Energy Letters’ 표지 논문 선정

[사진 1. (왼쪽부터) 홍진기 교수, 중앙대 이상민 교수, 용형석 박사]

공과대학 화공생명공학과 홍진기 교수 연구팀은 중앙대 이상민 교수팀과의 공동 연구를 통해 인체로 에너지를 전달해 세포 에너지와 전기 에너지를 동시에 생산할 수 있는 신기술을 개발했다. 

연구팀은 인체로 전자기장이 전달될 때 국소 부위에 전기장이 집중되는 현상을 발견하고, 이를 통해 배터리, 전선, 심지어 발전기도 없이 전기 자극과 전기 발전을 동시에 구현하는 동기식 에너지 생성 원천 기술을 개발했다.

전기 자극 기술은 비침습적이며 화학물질을 사용하지 않고도 세포의 활성화를 유도할 수 있어 가장 유망한 스마트 헬스케어 기술로 알려져 있다. 그러나 기존 전기 자극 기술은 병원에 직접 방문해 치료를 받아야 하며, 전기 자극 기술을 포함한 웨어러블 디바이스는 배터리나 전선 등이 사용자의 불편을 초래해 실용화에 어려움이 있었다.

이를 극복하기 위해 인간 스스로 전기를 만들 수 있는 나노 발전기(Nanogenerator) 개발 연구가 활발하게 진행돼 왔다. 나노 발전기는 마찰 전기, 압전, 태양광, 열전 소자 등 다양한 버려지는 에너지를 사용 가능한 에너지로 변환하는 소자로, 많은 연구에도 불구하고 발전기의 설치나 자극부와의 전선 연결 등 여전한 한계점이 존재했다.

한편, 웨어러블 디바이스 분야에서는 무선으로 에너지를 전달하는 기술들이 개발돼 왔다. 특히, 인체는 복합적인 물질로 이뤄져 있고 높은 유전율을 갖기 때문에 전자기장을 쉽게 전달할 수 있어 인체 통신 기술이나 인체 매개 에너지 발전기 분야에 활용되고 있다. 그러나 인체 매개 에너지 활용 기술이 생체조직에 미치는 영향은 확인된 적이 없어서, 관련 기술들의 파급력이 저하되는 한계에 부딪히고 있다.

연구팀은 스마트폰과 같은 주변 전자기기에서 발생하는 전자기장이나 신발, 옷 등에서 발생하는 정전기가 인체를 통해 전달될 때 국소적으로 전기장이 집중되지만, 이러한 전기 자극이 오히려 긍정적인 생리적 효과를 가져온다는 것을 밝혀냈다.

인체 매개 에너지 전달을 통해 형성된 이 전기장은 임상에서 근육 피로를 줄이는 효과(6.4% 피로 감소 효과, P-value=0.020)를 보였으며, 전기장의 파형(AC/DC)과 세기를 조절함으로써 목적에 따라 유용성과 에너지 세기를 손쉽게 조정할 수 있음을 확인했다.

또한, 피부 아래에서 전기 자극이 이뤄짐과 동시에 피부 바깥에서는 새로운 전기 에너지가 생성돼, 이 에너지로 소형 디스플레이(1.5mW)를 지속적으로 구동할 수 있음을 보였다.

[사진 2. 표지 논문]

이번 연구의 핵심은 전극을 제외한 그 어떠한 부수적인 장치도 필요 없이, 핸드폰을 잡거나, 걷기만 해도 원하는 부위에 무선으로 전기 에너지와 세포 에너지가 동시에 생성된다는 것이다. 

피부 안쪽 세포 에너지와 피부 바깥쪽 전기 에너지의 동기식 생성은 추가적인 배터리나 전선 연결을 필요로 하지 않으며, 심지어 나노 발전기조차 필요하지 않다. 사용자가 원하는 부위에 간단한 전극을 부착한 후 핸드폰을 잡거나 걷기만 한다면 자연스럽게 전기 에너지와 세포 에너지가 동시에 생성되기 때문에, 일상생활 속에서 웨어러블 기술의 유용성과 범용성을 동시에 확보할 수 있다.

연구팀은 “이 연구는 전원 공급과 전기 배선이 필요한 기존 웨어러블 기술과 비침습적 전기 자극 치료의 한계를 동시에 해결할 수 있기 때문에 두 기술의 상용화에 기여할 수 있을 것”이라며 “의료기기, 웨어러블 기술, 친환경 발전기, 헬스케어 등 다양한 산업 분야에서 혁신적인 발전이 이뤄질 수 있을 것으로 기대된다.”고 연구의 의의를 전했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부‧한국연구재단의 기초연구실사업 지원으로 수행됐으며, 연구 결과는 에너지 분야 국제 저명 학술지 ‘에이씨에스 에너지 레터스(ACS Energy Letters)’ 7월호 표지 논문으로 선정됐다. 또한 이번 연구와 관련된 핵심 기술은 ㈜바른바이오로 기술이전이 완료돼 기술사업화에 더욱 박차를 가할 것으로 보인다.

논문정보

● 논문제목: Synchronous Generation of Electrical and Cellular Energies via Body-Mediated Energy Transfer: Inevitable Electric Field Concentration

● 논문주소: https://doi.org/10.1021/acsenergylett.3c00708

그림설명

그림 1. 인체 매개 에너지 전달을 통한 세포/전기 에너지의 동기식 생성 개요.

스마트폰, 노트북과 같은 전자기기나 신발, 옷 등의 정전기에서 전자기장은 인체를 통해 전달되며, 이를 서로 다른 전위를 갖는 전극의 배열을 통해 전위 왜곡을 발생시킴으로써 피부 안쪽에서는 전기 자극을 통한 세포 에너지를 생성하고 피부 바깥쪽에서는 에너지 하베스팅을 통한 전기 에너지를 생성한다.

그림 2. 인체 매개 웨어러블 디바이스의 동기식 에너지 생성 및 활용.

동기식 에너지 생성을 위한 인체 매개 웨어러블 디바이스가 구현됐으며, 지속적으로 소형 디스플레이를 구동(1.5mW)함과 동시에 전기 자극을 통해 근섬유를 활성화시켜 운동 시 근피로 저감 효과(6.4%)를 임상에서 확인했다.