자가발전 삽입형 의료기기를 위한 유연 압전 에너지 하베스터의 체내 생체역학 에너지 수확 특성평가

Abstract

인체 삽입형 의료기기는 배터리 교체를 위한 주기적인 추가 수술을 필요로 한다. 하지만 반복되는 수술은 환자에게 출혈이나 염증, 감염 등을 야기할 수 있어 큰 부담으로 작용한다. 따라서 환자들의 정신적, 육체적, 경제적 부담을 덜기 위해서 삽입형 의료기기를 자가발전 하도록 만드는 것은 필수적이다. 이를 위해 압전 물질을 유연하게 만들어 체내의 생체역학적 움직임을 전기 에너지로 변환하는 방법이 큰 주목을 받고 있지만, 아직까지는 그 출력이 낮아 실질적인 어플리케이션 구동이 불가했다. 본 연구에서는 압전 특성이 뛰어난 단결정 PMN-PZT 를 사용함으로써 체내 생체역학 에너지 하베스팅의 출력을 크게 증가시켰다. 인체 적용 가능성을 검토하기 위해 세포 독성 평가 및 조직학 분석을 통하여 소자의 생체적합성을 확인하였고, 임상실험으로써 대형동물실험을 진행하였다. 돼지의 심장박동으로부터 17.8 V 의 개방회로전압과 1.74 μA 의 단락회로전류를 얻어내었으며, 이는 유연 압전 에너지 하베스터를 이용한 기존 연구 대비 각각 4.45 배, 17.4 배 높은 값이었다. 실시간 건강 진단에 사용되는 삽입형 의료기기는 무선 데이터 전송기능을 필요로 하는데, 수확된 에너지를 이용하여 무선통신을 구동함으로써 체내 생체역학 에너지의 실제적인 사용 가능성을 증명하였다.