– 웨어러블 디바이스, 스마트 헬스케어 분야의 실용화 기대 –
국내 연구진이 일상생활에서 버려지는 에너지를 인체로 전달하여 세포 에너지와 전기 에너지를 동시에 생산할 수 있는 신기술을 개발하였다.
한국연구재단(이사장 이광복)은 이상민 교수(중앙대학교)와 홍진기 교수(연세대학교) 공동연구팀이 인체로 전자기장이 전달될 때 국소 부위에 전기장이 집중된다는 현상을 발견하고, 이를 통해 배터리, 전선, 심지어 발전기도 없이 전기 자극과 전기 발전을 동시에 구현하는 동기식 에너지 생성 원천 기술을 개발했다고 밝혔다.
전기 자극은 비침습적이며 화학물질 없이 세포의 활성화를 유도하는 치료법으로 가장 유망한 스마트 헬스케어 기술로 알려져 있다.
그러나 기존 전기 자극은 병원에 직접 방문하여 치료를 받아야 하며, 전기 자극을 포함한 웨어러블 디바이스를 일상생활 속에서 구현하기 위해선 배터리나 전선 등 사용자의 불편함을 초래하기 때문에 실용화의 어려움이 있었다.
이를 극복하기 위해 인간 스스로 전기를 만들 수 있는 나노발전기(Nanogenerator)* 개발연구가 활발하게 진행되어 왔으나 발전기의 설치나 자극부와의 전선 연결 등 여전한 한계점이 존재했다.
* 나노발전기(Nanogenerator): 마찰 전기, 압전, 태양광, 열전 소자 등 다양한 버려지는 에너지로부터 사용가능한 에너지로 변환하는 소자
연구팀은 스마트폰과 같은 주변 전자기기나 신발, 옷 등에서 발생하는 정전기가 인체를 통해 전달될 때 국소적으로 전기장을 집중시키지만, 이것이 오히려 긍정적인 생리적 효과를 가져온다는 것을 밝혀냈다.
인체 매개 에너지 전달*을 통해 형성된 전기장은 임상에서 근전도(EMG) 분석**을 통해 신호 근육 피로를 줄이는 효과가 있었다.
* 인체 매개 에너지 전달, 인체 결합 에너지 전달: 인체를 통해 전자기장 에너지를 전달하는 기술
** 근전도(Electromyography) 분석: 근전도기기를 사용하여 근육의 전기적 활성도를 확인하는 검사 방법
또한, 피부 아래에서 전기 자극이 이루어짐과 동시에 피부 바깥에서는 새로운 전기에너지가 생성, 이 에너지로 소형 디스플레이(1.5 mW)가 지속적으로 구동되는 것도 확인했다.
이번 연구의 핵심은 그 어떠한 부수적인 장치의 필요 없이, 핸드폰을 잡거나, 걷기만 해도 원하는 부위에 무선으로 전기 에너지와 세포 에너지가 동시에 생성된다는 것이다.
이상민 교수는 “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”이라고 전했다.
과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구실의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 에너지 분야 국제 저명 학술지 에이씨에스 에너지 레터스(ACS Energy Letters)의 7월호 표지 논문으로 게재되었다.
주요내용 설명
<작 성 : 중앙대학교 이상민 교수>
논문명
Synchronous Generation of Electrical and Cellular Energies via Body-Mediated Energy Transfer: Inevitable Electric Field Concentration
저널명
ACS Energy Letters
키워드
Body-mediated energy transfer(인체 매개 에너지 전달), Electrical stimulation(전기 자극), Energy harvesting(에너지 하베스팅), Wearable Technology(웨어러블 기술), Wireless(무선)
DOI
https://doi.org/10.1021/acsenergylett.3c00708
저 자
이상민 교수 (교신저자/중앙대학교), 홍진기 교수 (교신저자/연세대학교), 용형석 박사 (제1저자/중앙대학교,연세대학교 공동소속), 김동창 (제1저자/중앙대학교), 송현희 (제1저자/연세대학교), 박준일 (중앙대학교), 허덕재 (중앙대학교), 차경환 (중앙대학교), 송명환 (중앙대학교), 정성원 (연세대학교), 최우진 박사 (한국화학연구원), 황태준(Patrick.T.J.Hwang) 교수 (University of Alabama), 김승한 교수 (중앙대학교), 남우철 교수 (중앙대학교), 이기욱 교수 (중앙대학교)
1. 연구의 필요성
○ 전기 자극 기술은 화학물질을 사용하지 않고 비침습적으로 세포를 활성화할 수 있어서 유망한 헬스케어 기술로 간주된다. 그러나 배터리나 전선과 같은 사용자의 불편을 초래하는 요소들로 인해 일상생활에서 전기자극을 구현하는 것에는 한계가 존재해왔다. 이를 극복하기 위해 소형/나노 발전기를 사용한 기술들이 개발되어왔으나, 여전히 부수적인 발전기의 설치나 자극부와의 전선 연결 등 한계점을 가지고 있었다.
○ 한편, 웨어러블 디바이스 분야를 포함하여 친환경 발전기 분야에서는 전선의 최소화를 위해 무선으로 에너지를 전달할 수 있는 기술들이 개발되어 왔다. 특히, 인체는 복합적인 물질로 이루어져 있고 높은 유전율을 갖기 때문에 전자기장을 쉽게 전달할 수 있어 인체 통신 기술이나 인체 매개 (커플링) 에너지 발전기 분야에 활용되고 있다. 그러나 인체 매개 기반의 에너지 활용 기술이 생체조직에 미치는 영향은 확인된 적이 없어서, 관련 기술들의 파급력이 저하되는 한계에 부딪히고 있다.
2. 연구내용
○ 본 연구팀은 인체로 전자기장이 전달될 때 국소 부위에 전기장이 집중되는 현상을 발견하였고, 이를 통해 배터리나 전선 없이도 자체적인 전기 자극으로 세포 에너지를 생산하면서 동시에 전기 에너지를 생산할 수 있는 신기술을 개발했다.
○ 스마트폰과 같은 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.
○ 이 전기장은 임상에서 근육 피로를 줄이는 효과(6.4% 피로감소 효과, P-value=0.020)를 보여주었으며, 전기장의 파형(AC/DC)과 세기를 조절(10~3000 mV/mm)함으로써 목적에 따라 유용성과 에너지 세기를 손쉽게 조정할 수 있음을 확인했다.
○ 또한, 전기 자극이 피부 아래에서 이루어짐과 동시에 피부 바깥에서는 새로운 전기 에너지가 생성되어 소형 디스플레이를 구동(1.5 mW)할 수 있는 것을 보였다.
3. 연구성과/기대효과
○ 이 연구의 핵심은 전극을 제외한 그 어떠한 부수적인 장치도 필요 없다는 점으로, 피부 안쪽 세포 에너지와 피부 바깥 쪽 전기 에너지의 동기식 생성은 추가적인 배터리나 전선 연결을 필요로 하지 않으며, 심지어 소형/나노 발전기조차 필요하지 않다.
○ 사용자는 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.
○ 특히, 기존의 웨어러블 기술과 비침습적 전기 자극 치료의 한계를 동시에 해결할 수 있기 때문에 두 기술의 상용화에 모두 기여할 수 있을 것으로 기대됩니다. 이러한 파급력에 의해 본 기술이 과학계에서 즉시 활용될 것으로 예상되며, 모든 인체 매개 관련 연구의 잠재력을 높일 수 있다는 점을 강조된다.
○ 최종적으로, 인체 매개 에너지 전달 기술을 기반한 동기식 에너지 생성 기술을 통해 의료기기, 웨어러블 기술, 친환경 발전기, 헬스케어, 전기 자극 등 다양한 산업 분야에서 혁신적인 발전이 이루어질 수 있을 것으로 기대된다.
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 구현되었으며, 지속적으로 소형 디스플레이를 구동(1.5 mW)함과 동시에 전기 자극을 통해 근섬유를 활성화시켜 운동 시 근피로 저감 효과(6.4%)를 임상에서 확인하였다.
※ 그림제공 : 중앙대학교 이상민 교수 연구팀
연구 이야기
<작성 : 중앙대학교 이상민 교수>
□ 연구를 시작한 계기나 배경은?
– 전기 자극을 포함한 웨어러블 디바이스는 헬스케어 분야에 가장 핵심이 되는 기술임에도, 배터리 교체, 전선 연결, 발전기 설치 등 사용자의 불편함을 초래하여 실용화에 한계가 있었음. 버려지는 에너지를 수확(에너지 하베스팅)하기 위해 다양한 나노발전기들이 개발되고 있으나, 나노발전기의 특성상 대면적의 발전소자나 특정한 설치 장소 등을 요구하며 (태양빛에 노출이 있는 곳, 기계적 움직임이 있는 곳, 열이 나는 곳 등), 역시나 자극부나 구동 소자와의 전선 연결이 필요하다는 근본적인 한계가 있음.
– 이러한 문제점을 동시에 해결하기 위해 인체 매개 에너지 전달 기술과 생체 조직 사이의 상관관계에 대해 분석하기 시작하였으며, 수년간의 연구 끝에 인체를 통한 전자기장의 전달과 에너지 하베스팅이 인체 내에 국소적으로 전기장을 집중시켜 전기 자극을 일으킨다는 점을 확인하였고, 최종적으로 임상에서도 긍정적인 생리적 효과를 확인하였다.
□ 연구 전개 과정에 대한 소개
– 선행 연구에서 인체를 통해 전자기장을 전달하여 무선으로 전기 에너지를 만들 수 있다는 점을 확인하였으나 이러한 전자기장이 생체 조직에 영향을 미칠 수밖에 없지 않을까라는 의문에서 연구가 시작되었음.
– 앞서 인체 매개 에너지 전달이 체외 실험 및 시뮬레이션을 통해 국소적인 전기장을 형성한다는 점을 예측하였고, 각종 체외 실험, 동물 실험에서 상처 치유 효과, 무독성 검증, 탈모 개선 효과 등을 확인하였음.
– 이번 연구에서는 전기 에너지와 세포 에너지 사이의 상관관계에 대한 분석이 진행되었으며 실제 활용 가능한 접지, 전극 설계가 제시되었고 인체 매개 웨어러블 디바이스를 구현하여 소형 디스플레이의 지속적 구동과 임상에서의 근피로 저감 효과를 확인.
□ 이번 성과, 무엇이 다른가?
– 본 연구의 가장 큰 성과는 배터리, 전선, 심지어 나노발전기들도 없이 그저 핸드폰을 집거나 걷기만 해도 일상생활 속 전기 자극과 전기 발전을 구현할 수 있다는 점임. 기존 전기 자극이나 웨어러블 디바이스의 상용화 한계점들을 전부 극복함과 동시에 동기식 에너지 생성으로 두 가지 이상 분야의 목적을 동시에 이룸.
– 본 연구에서 제시된 전극의 설계안은 사용자의 목적(세기 혹은 유용성)에 따라 선택적으로 활용될 수 있으며, 내외부 회로 설계를 통해 전기장의 파형과 세기까지 손쉽게 조절 가능함. 기존 연구 분야들의 근본적인 문제점들을 극복하면서 전기 자극과 전기 발전의 동기식 생성이라는 점은 웨어러블 디바이스, 의료기기, 에너지 하베스팅, 바이오 일렉트로닉스 등 다양한 분야에 새로운 패러다임을 제시할 것 임.
□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?
– 본 연구에서 개발한 인체 매개 에너지 전달을 통한 세포/전기 에너지의 동기식 생성은 웨어러블 디바이스, 의료기기, 에너지 하베스팅, 바이오 일렉트로닉스 등 다양한 분야에서 폭 넓게 활용될 수 있으며 대부분 학계에 남아있는 신규 연구 분야의 실용화와 산업화를 촉진할 수 있음.
– 본 연구가 다양한 분야에 접목되기 위해서는 더욱더 많은 연구자들이 본 연구결과를 확인하고 이해함으로써 후속연구를 진행하거나 수많은 공동 연구 및 협력 관계를 가져야함. 산학연에 많은 홍보와 협력 연구들이 이루어짐으로써 차세대 인류 문명으로 나아갈 수 있는 핵심 기술이 될 것이라 믿어 의심치 않음.
– 임상에서의 결과를 확인하였으나, 전세계 아무도 시도해보지 않았던 연구이기에 다양한 후속 연구를 통해 기술이 정제될 필요가 있음. 특히 생체 조직과 전기 에너지 사이의 상관관계는 비침습적으로 확인하기에 많은 어려움이 따르기 때문에 기술의 표준화와 다양한 분야와의 협력 연구 및 대규모 임상 연구가 필요하다고 여겨짐.
□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은?
– 본 연구 결과를 토대로 실용적인 디자인의 제품화(일상 운동복, 양말 등)를 위한 후속 연구를 진행할 예정임. 현재 비침습적으로 근전도 신호 분석을 통해 임상 결과를 확인하였으나, 추후 상처 치유, 탈모 개선 등 다양한 의학적 효과를 위한 임상을 진행하고자 함. 다만, 의료효과를 확인하기 위해 많은 비용과 시간이 필요하므로 본 연구 결과를 토대로 국가과제 및 산학연 협력 연구를 통해 기술의 성숙도를 높이고자 함. 본 기술이 아직 학계에 남아있는 수많은 연구 분야들을 실용화할 수 있는 새로운 패러다임을 제시할 수 있음에 믿어 의심치 않으며, 이번 연구 결과가 향후 수많은 응용 연구들의 시발점이 될 것이라 기대함.
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