▲ 논문 게재 학술지

중앙대와 연세대 연구진이 일상생활에서 버려지는 에너지를 인체로 전달하여 세포 에너지와 전기 에너지를 동시에 생산할 수 있는 신기술을 개발하였다.

전기 자극 기술은 화학물질을 사용하지 않고 비침습적으로 세포를 활성화할 수 있어서 유망한 헬스케어 기술로 간주되나 배터리나 전선과 같은 사용자의 불편을 초래하는 요소들로 인해 일상생활에서 전기자극을 구현하는 것에는 한계가 존재해왔다.

▲ 인체 매개 에너지 전달을 통한 세포/전기 에너지의 동기식 생성 개요스마트폰, 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.

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.

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.

▲ 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.

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 기대된다.

이러한 파급력에 의해 본 기술이 과학계에서 즉시 활용될 것으로 예상되며, 모든 인체 매개 관련 연구의 잠재력을 높일 수 있다는 점이 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 기대된 다.

▲ 이상민 교수

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.

이번 연구의 성과는 에너지 분야 국제 저명 학술지 에이씨에스 에너지 레터스(ACS Energy Letters)의 7월호 표지 논문으로 게재되었다.