▲ 필름 위에 제작된 유연한 인체삽입용 태양전지 : 14개의 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

광주과학기술원 이종호 교수 연구팀이 박막 구조의 유연 태양전지를 피부 안에 넣어 심박조율기와 같은 인체 내 의료기기에 지속적으로 전력을 공급하는 인체삽입용 태양전지를 개발했다.

유연 태양전지는 부러지거나 휠 수 있는 성질을 띠면서 빛 에너지를 전기에너지로 바꾸는 장치이며, 심박조율기는 심장 박동수를 일정하게 유지하기 위한 대표적인 인체삽입 의료 전자기기이다.

이종호 교수 연구팀은  우주핵심기술개발사업의 지원으로 연구를 수행했으며, 이 연구는 헬스케어 분야 국제 학술지 어드밴스드 헬스케어 머터리얼스 5월 4일자에 게재되었다.(논문명 : Subdermal flexible solar cell arrays for powering medical electronic implants)

이 연구는 손전등으로 피부의 얇은 부분을 비췄을 때 일정부분의 빛은 피부를 통과한다는 사실에 착안하여 우리 몸에 흡수된 빛을 인체 내에서 전기 에너지로 변환하여 사용하는 것을 목적으로 수행되었다.

태양전지를 피부와 같이 유연하도록 제작하기 위해 고성능 태양전지를 딱딱한 원 기판에서 박막(6-7 마이크로미터: 머리카락 굵기의 약 15분의 1) 형태로 분리 하였다.

▲ 2.3cm 곡률 반경으로 휘어진 유연한 심박조율기(좌측), 인체삽입용 태양전지와 결합된 유연한 심박조율기를 쥐 피하에 삽입하는 모습(우측)

마이크로미터 두께로 분리된 태양전지를 필름에 결합하는 방법으로 얇고 유연한 인체삽입용 태양전지를 제작하였다.

살아 있는 쥐에 삽입한 실험 결과 피하에서 유연성을 유지하면서 0.07cm2 이내의 태양전지에서 직류전류로 647 마이크로와트의 매우 높은 전력을 생산할 수 있었다. 또한 크기 조정이 용이하기 때문에 밀리와트 이상의 더 높은 전력도 생산 가능하다.

투명하면서 생체 적합성이 높다고 알려진 물질로 코팅하였으며 자외선 차단제를 바른 피부 아래에서도 전력 생산량이 그대로 유지되기 때문에 화상의 위험도 줄일 수 있다.

성능 검증을 위해 살아 있는 쥐에 삽입된 태양전지에서 전기를 생산하여 생체 내 삽입된 LED를 작동시킬 수 있다는 것을 확인하였고(그림5, 동영상2) 유연한 심박조율기(pacemaker)에 결합하여 심장 박동 조절이 가능하다는 것도 확인하였다.

이번에 개발된 인체삽입용 태양전지는 간단한 피부 시술로 삽입이 가능하며 현재 실제로 사용되고 있는 심박조율기도 구동할 만큼 충분한 전력 생산이 가능하다.

이는 배터리 교체를 위한 주기적인 재수술을 피하거나 수술 주기를 늘릴 수 있어 심리적, 경제적 부담, 물리적 부담을 줄일 수 있다.

이번 연구 결과는 노령화 사회에서 지속적인 수요 증가가 예상되는 새로운 인체 삽입 전자기기 개발 및 상대적으로 많은 전력을 필요로 하는 새로운 기능의 추가에도 획기적인 도움이 될 것으로 기대된다.

▲ 피하에 삽입된 유연 인체삽입용 태양전지가 태양광을 통해 생성된 전기에너지를 이용하여 실제 사용되는 심박조율기에 전력을 공급하는 개념도

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.