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주요연구성과
이종호 교수팀, 피부 안에 넣는 태양전지 개발
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. 이종호 교수 연구팀(광주과학기술원)은 미래창조과학부(한국연구재단) 기초연구사업(개인연구), 우주핵심기술개발사업의 지원으로 연구를 수행했으며, 이 연구는 헬스케어 분야 국제 학술지 어드밴스드 헬스케어 머터리얼스 5월 4일자에 게재되었다.
·필름 위에 제작된 유연한 인체삽입용 태양전지(맨 왼쪽). 4개의 태양전지 배열(단일 태양전지 크기: 760μm × 760μm)을 폴리이미드 필름에 결합하고, 심박조율기에 필요한 전압 전류를 제공하기 위해 얇은 금속선을 이용하여 배열을 직·병렬로 연결하여 제작된 유연한 인체삽입용 태양전지
·피하에 삽입된 유연 인체삽입용 태양전지가 태양광을 통해 생성된 전기에너지를 이용하여 실제 사용되는 심박조율기에 전력을 공급하는 개념도 (가운데)
  • 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)
  • 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.
·제작된 유연한 인체삽입용 태양전지를 간단한 피부 시술을 통해 쥐 피하에 삽입하는 사진(좌측)
·인체삽입용 태양전지를 피하에 삽입 후 절개한 피부를 봉합한 직 후 모습과 삽입 시술 후 봉합선을 제거하고 2주 뒤 상처가 치유된 모습(우측)
·쥐 피부 밑에 안정적으로 정착된 유연 인체삽입용 태양전지가 태양광을 통해 전력을 생산하고 있는 모습(좌측)
·피부 밑에서 안정적으로 정착된 유연한 인체삽입용 태양전지를 구부렸을 때 피부와 같이 유연한 특성을 보이는 모습(우측)
  • 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.
·LED와 결합된 유연 인체삽입용 태양전지를 쥐에 삽입. 태양전지에 조사된 유사 태양광을 통해 생성된 전력으로 LED가 구동되고 있음
·2.3cm 곡률 반경으로 휘어진 유연한 심박조율기(좌측)
·인체삽입용 태양전지와 결합된 유연한 심박조율기를 쥐 피하에 삽입하는 모습(우측)
    • 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.
  • 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.
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