이종호 GIST 연구팀, '피부형 마이크로 LED 패치' 개발
건전지로 날씨·실내·야간 상관없이 생체 내 전력공급 가능

쥐 피부에 부착된 마이크로LED 패치로 피하에 삽입된 헬스케어 기기에 전력을 공급, 심박을 조율하는 실험. <영상=GIST 제공>
 

마이크로LED를 이용한 전력공급과정 개념도: 피부 부착 마이크로LED 패치에서 발광 된 빛이 생체 조직을 투과하고 피하의 삽입형 헬스케어기기에 통합된 태양전지에서 광전류(photocurrent)를 생성한다. <사진=GIST 제공>
마이크로LED를 이용한 전력공급과정 개념도: 피부 부착 마이크로LED 패치에서 발광 된 빛이 생체 조직을 투과하고 피하의 삽입형 헬스케어기기에 통합된 태양전지에서 광전류(photocurrent)를 생성한다. <사진=GIST 제공>
간단한 패치 형태로 옷 속이나 야간에도 빛을 매개로 인체삽입 헬스케어 기기에 능동적으로 전력을 공급할 수 있는 기술이 개발됐다. 향후 안정적인 전력 공급을 통해 수명 연장과 삶의 질을 높일 수 있는 다기능·고성능 헬스기기 개발과 치료·미용 용도로도 활용 가능할 것으로 기대된다.

GIST(총장 김기선)는 이종호 기계공학부 교수 연구팀이 피부에 직접 부착해 인체 내 전력을 전송하는 유연한 마이크로 LED 패치를 개발했다고 7일 밝혔다.

인체 내 전력량 부족 문제는 인체삽입 헬스케어 기기의 가장 큰 제약이다. 최근 주변 빛을 흡수해 발전할 수 있는 인체 삽입 태양전지 관련 연구가 진행되고 있으나 실내, 야간, 또는 삽입된 부위가 옷으로 가려질 경우 광량이 부족해 충분한 전력을 생산할 수 없다는 한계가 있다. 반면 연구진이 개발한 마이크로 LED 패치는 피부에 직접 부착해 태양전지가 통합된 인체 삽입 기기에 능동적으로 전력을 공급할 수 있다.

연구진은 적색·근적외선 영역의 빛이 상대적으로 생체 조직 투과율이 높다는 사실에 기반해 적색 마이크로 LED 패치를 제작했다. 패치에서 발생시킨 빛은 생체 조직을 투과하고 태양전지에 도달해 광전류를 생성시킨다. 이러한 과정은 날씨, 실내, 야간에 상관없이 생체 내 전력공급이 가능하다. 패치는 복잡한 회로 없이 시중에서 쉽게 구할 수 있는 건전지를 이용해 구동할 수 있다. 

더 나아가 연구진은 피부 부착 시 발생할 수 있는 이물감, 화상, 땀 문제를 해결하기 위해 설계·제작 과정을 개발했다. 얇은 필름 위에 유연성 향상을 위한 연결선과 땀구멍을 설계했다. 상대적으로 넓은 히트싱크에 박막 마이크로 LED를 직접 본딩해 패치를 제작했다. 패치는 3mm 반지름으로 반복적으로 굽혀도 부서지지 않으며, 피부 부착 시 온도는 저온화상의 기준(6시간 동안 44도 이하) 이내인 41.2도 이하로 유지됐다.

동물실험을 통해 쥐 피부에 부착된 마이크로 LED 패치는 피하에 삽입된 작은 면적의 태양전지에 8.2 µW 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.

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

이종호 교수(교신저자)가 주도하고, 김주호 박사(제1저자)가 수행한 이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업과 GIST 연구원(GRI) 지원으로 수행됐으며, 관련 논문은 미국국립과학원회보(PNAS, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America)에 지난 6일(현지시간) 온라인 게재됐다.

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