바이오인

핵심내용

피부 안에 넣는 태양전지 개발
- 실시간 혈당 분석기 등 체내 헬스케어 기기 개발 기대 -

  
□ 미래창조과학부(장관 최양희)는 “박막 구조의 유연 태양전지*를 피부 안에 넣어 심박조율기**와 같은 인체 내 의료기기에 지속적으로 전력을 공급하는 인체삽입용 태양전지를 개발했다.”고 밝혔다.
       * 유연 태양전지: 부러지거나 휠 수 있는 성질을 띠면서 빛 에너지를 전기에너지로 바꾸는 장치
       * 심박조율기: 심장 박동수를 일정하게 유지하기 위한 대표적인 인체삽입 의료 전자기기 

□ 이종호 교수 연구팀(광주과학기술원)은 미래창조과학부 기초연구사업(개인연구), 우주핵심기술개발사업의 지원으로 연구를 수행했으며, 이 연구는 헬스케어 분야 국제 학술지 어드밴스드 헬스케어 머터리얼스 5월 4일자에 게재되었다.

 o 논문명과 저자 정보는 다음과 같다. 
   - 논문명 : Subdermal flexible solar cell arrays for powering medical electronic implants
   - 저자 정보: 이종호 교수(교신저자, 광주과학기술원), 송광선(공동 제1저자,  광주과학기술원), 한정현 박사(공동 제1저자, 광주과학기술원), 임태훈 광주과학기술원), 김남윤(광주과학기술원), 신성호(광주과학기술원), 김주호( 광주과학기술원), Prof. Hyuck Choo(Caltech, 캘리포니아공대), 정성호 교수(광주과학기술원), 김용철 교수(광주과학기술원), Zhong Lin Wang 교수(조지아공대)

□ 논문의 주요 내용은 다음과 같다. 

 1. 연구의 필요성
  ○ 인간의 수명을 연장하거나 삶의 질을 유지하기 위해 기능이 저하되는 인체 기관을 보조하기 위한 생체 삽입용 전자기기들이 개발되고 있다. 하지만 이러한 전자기기는 주로 용량이 제한된 배터리에 의존하게 되어 일정시간이 지나면 배터리를 교체하기 위한 재수술이 필요하다. 실제로 현재 가장 많이 사용되는 심박조율기(pacemaker)의 경우 배터리가 5-8년 정도 유지된다.

  ○ 인체 내에서 자체적인 전력 생산이 가능하다면 이러한 주기적 재수술로 인한 심리적, 물리적, 경제적 부담을 줄일 수 있다.

 2. 연구 내용
  ○ 이 연구는 손전등으로 얇은 피부를 비췄을 때 빛의 일부는 피부를 통과한다는 사실에 착안하여 인체 내에 흡수된 빛을 태양전지를 통해 전기 에너지로 변환하여 인체삽입용 전자기기의 지속적인 구동을 목적으로 수행되었다.

  ○ 체외 태양전지에서 생산된 전력을 체내로 공급할 경우 피부를 통과해 인체 내로 연결되는 전선을 통해 균이 침입하여 염증이 발생할 위험이 크기 때문에 태양전지는 체내에 완전히 삽입된 형태로 사용되는 것이 이러한 위험성을 줄일 수 있다. 또한 최대한의 빛을 활용하여 전기 에너지를 생산하기 위해서 태양전지는 얇은 피부층 아래에 삽입되는 것이 유리하다.

  ○ 기존의 태양전지는 두껍고 깨지기 쉽게 때문에 피하에 삽입할 경우 몸의 움직임에 의해 파손되어 성분이 체내로 노출되거나 피부에서 분리될 수 있다. 이러한 점을 극복하기 위해 피부와 같이 유연한 특성을 갖도록 고성능 태양전지를 딱딱한 기판에서 박막(6-7마이크로미터) 형태로 분리하여 필름에 결합하는 방법으로 얇고 유연한 인체 삽입용 태양전지를 제작하였다.

  ○ 살아 있는 쥐에 삽입하여 실험한 결과, 0.07cm2(순수 태양전지 면적) 이내의 태양전지에서 직류전류로 647마이크로와트의 매우 높은 전력을 생산할 수 있었고, 소형 충전지, 유연한 심박조율기와 결합하여 태양광이 없을 경우에도 태양전지를 통해 충전된 배터리로 전력 공급이 가능함을 확인하였다.

  ○ 이는 기존에 보고된 체내 전력 생산량과 비교했을 때 수십에서 수백 배에 이르는 수치로, 하루 약 2시간 정도의 발전으로 현재 상용화 되어 있는 심박조율기를 24시간 구동할 수 있는 전력량이다. 크기 조절이 용이한 구조이기 때문에 태양전지 발전시간을 더욱 줄이는 것도 가능하다.

  ○ 또한, 자외선 영역의 빛은 태양전지 발전에 미치는 영향이 미미하므로 피부가 그을리거나 타는 화상을 방지하기 위해 자외선 차단제를 바르더라도 인체 내 전력 생산량은 비슷하게 유지된다.

 3. 연구 성과   
  ○ 피부 밑에 삽입할 수 있는 유연한 인체삽입용 태양전지를 디자인하였으며 동물실험을 통하여 피하에서 태양전지의 전기적 특성을 분석하고 정량화하였다.

  ○ 이 연구는 인체 내 안정적인 전력공급원의 부재로 인해 제한되었던 실시간 혈당 분석기, 질병 진단 센서, 혈액 분석 센서와 같은 실시간 체내 헬스케어 기기 개발에 기여할 것으로 기대된다.

  ○ 다만, 실제 사람의 피부는 쥐 피부보다 두껍기 때문에 사람에게 적용하기 위해서는 좀 더 넓은 면적의 유연한 인체삽입용 태양전지를 개발하는 것이 과제로 남는다.

□ 이종호 교수는“이 연구 결과는 인체삽입 의료 전자기기의 난제인 전력 부족 문제를 획기적으로 해결할 수 있는 방법을 제시한 것으로,  많은 전력을 지속적으로 필요로 하는 실시간 혈당 분석기, 질병 진단 센서, 혈액 분석 센서 등과 같은 헬스케어 인체삽입기기 개발에 기여할 것으로 기대된다.”라고 연구의 의의를 설명했다.

상세내용

연 구 결 과  개 요

 1. 연구배경
  ㅇ 전 세계적으로 노년층의 인구는 급격히 증가하고 있으며 이로 인하여 기능이 저하된 인체기관을 모니터 및 보조하기 위한 다양한 생체삽입용 의료기기들이 개발되어 사용되고 있다.
  ㅇ 하지만 체내에서의 지속적인 전력 공급 부재로 인하여 배터리를 교체하기 위한 주기적인 수술이 필요하다. 심박조율기를 삽입한 환자의 경우 약 5-7년 마다 배터리를 교체하기 위해 주기적인 수술을 받아야 한다. 이러한 재수술은 노년층에게 정신적, 육체적, 경제적인 고통을 야기한다.
  ㅇ 유연한 인체 조직에 삽입될 수 있는 지속가능한 체내 전력원 확보는 다양한 인체 삽입 기기의 발전을 앞당기고 주기적인 수술로 인한 고통을 줄이는데 크게 기여할 것으로 기대된다.

 2. 연구내용
  ㅇ 이 연구는 손전등으로 피부의 얇은 부분을 비췄을 때 일정부분의 빛은 피부를 통과한다는 사실에 착안하여 우리 몸에 흡수된 빛을 인체 내에서 전기 에너지로 변환하여 사용하는 것을 목적으로 수행되었다.
  ㅇ 태양전지를 피부와 같이 유연하도록 제작하기 위해 고성능 태양전지를 딱딱한 원 기판에서 박막(6-7 마이크로미터: 머리카락 굵기의 약 15분의 1) 형태로 분리 하였다.
  ㅇ 마이크로미터 두께로 분리된 태양전지를 필름에 결합하는 방법으로 얇고 유연한 인체삽입용 태양전지를 제작하였다.(그림1 참조)
  ㅇ 살아 있는 쥐에 삽입한 실험 결과(그림2, 동영상1) 피하에서 유연성을 유지하면서(그림3, 그림4) 0.07cm2 이내의 태양전지에서 직류전류로 647 마이크로와트의 매우 높은 전력을 생산할 수 있었다. 또한 크기 조정이 용이하기 때문에 밀리와트 이상의 더 높은 전력도 생산 가능하다.
  ㅇ 투명하면서 생체 적합성이 높다고 알려진 물질로 코팅하였으며 자외선 차단제를 바른 피부 아래에서도 전력 생산량이 그대로 유지되기 때문에 화상의 위험도 줄일 수 있다.
  ㅇ 성능 검증을 위해 살아 있는 쥐에 삽입된 태양전지에서 전기를 생산하여 생체 내 삽입된 LED를 작동시킬 수 있다는 것을 확인하였고(그림5, 동영상2) 유연한 심박조율기(pacemaker)에 결합하여 심장 박동 조절이 가능하다는 것도 확인하였다(그림6, 동영상3).  

3. 기대효과
  ㅇ 이번에 개발된 인체삽입용 태양전지는 간단한 피부 시술로 삽입이 가능하며 현재 실제로 사용되고 있는 심박조율기도 구동할 만큼 충분한 전력 생산이 가능하다.
  ㅇ 이는 배터리 교체를 위한 주기적인 재수술을 피하거나 수술 주기를 늘릴 수 있어 심리적, 경제적 부담, 물리적 부담을 줄일 수 있다.
  ㅇ 이번 연구 결과는 노령화 사회에서 지속적인 수요 증가가 예상되는 새로운 인체 삽입 전자기기 개발 및 상대적으로 많은 전력을 필요로 하는 새로운 기능의 추가에도 획기적인 도움이 될 것으로 기대된다.

★ 연구 이야기 ★

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

심박조율기와 같은 체내 의료기기들의 안정적인 전력원에 대한 필요성이 증대되고 있고 손전등을 피부에 비췄을 때 일정 깊이까지는 빛이 피부를 투과한다는 사실에 착안하여 태양전지를 피하에 삽입하여 빛 에너지를 전기 에너지로 변환 가능할 것으로 예상하여 연구를 시작하게 되었다.     

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

피부층에 삽입하여 사용하기 위해 딱딱한 태양전지 기판에서 6~7 μm(머리카락 두께의 15분의 1) 두께로 분리하여 필름과 결합하는 방법으로 유연한 인체삽입용 태양전지를 제작하였다. 제작된 인체삽입용 태양전지를 살아있는 쥐에 삽입하여 소자의 성능과 특성을 분석하였고 피하에 삽입된 태양전지를 통해 생산된 전력을 이용하여 LED를 구동 가능함을 확인하였다. 나아가 인체삽입용 태양전지와 유연 심박조율기를 결합하여 심장박동 조절이 가능하다는 것을 동물실험을 통해 확인하였다. 

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

이번 연구에서 목표로 하는 인체삽입 태양전지의 설계, 해석, 제작, 검증, 동물 실험 등을 수행하기 위해서는 기계, 전자, 재료, 생명, 의학 등의 다양한 배경 지식 및 기술이 필요하였다. 이를 위해 국내외(GIST, Caltech, Georgia Tech)의 다양한 전문가(태양전지, 피부, 생명, 광학, 나노에너지)의 공동 연구로 수행되었다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

대부분의 태양전지는 건물 외부에서 사용하기 위한 목적으로 개발되어왔다. 그러나 이번 연구에서는 인체에 삽입하여 사용하기 위해 박막 형태의 유연한 구조로 설계 제작하였으며 투명한 여러 겹의 막으로 코팅을 하여 생체 적합성을 높였다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표와, 향후 연구계획은?

지속적인 연구 개발을 통해 장기적인 내구성 및 전기적 성능을 확보하여 실제 인체 삽입용 전자기기에 활용될 수 있도록 하고자 한다.  

□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?

연구를 통해 개발된 인체삽입용 태양전지는 실제 피하에 완전히 삽입되어 사용되므로 피부 밖으로 노출되어야 하는 요소는 전혀 없다. 하지만 개발 과정중  인체삽입 태양전지의 특성을 분석하고 검증하기 위해서는 +극과 –극 전선이 쥐의 피부 밖으로 노출되어 있어야 했다. 이렇게 노출된 전선이 유연한 쥐에 의해 지속적으로 제거되기도 하면서 전기적 특성 분석에 어려움을 겪기도 했다.

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