다기능 고성능 인체 삽입 헬스케어 기기 개발 기대
연구 성과 미국국립과학원회보(PNAS) 온라인 게재

생체 조직(손가락)을 통과하는 마이크로LED의 적색광 사진(좌측)과 유연성 마이크로LED 패치에서 피부를 통해 빛을 조사하는 사진(우측). (사진=GIST 제공).
생체 조직(손가락)을 통과하는 마이크로LED의 적색광 사진(좌측)과 유연성 마이크로LED 패치에서 피부를 통해 빛을 조사하는 사진(우측). (사진=GIST 제공).

간단한 패치 형태로 야간에도 빛을 매개로 몸속에 삽입된 헬스케어 기기에 능동적으로 전력을 공급할 수 있는 기술이 개발됐다.

광주과학기술원(GIST·총장 김기선)은 이종호 GIST 기계공학부 교수 연구팀이 피부에 직접 부착해 인체 내 전력 전송을 위한 유연한 마이크로 LED 패치를 개발했다고 7일 밝혔다.

인체 내 전력량 부족 문제는 다기능 고성능 인체 삽입 헬스케어 기기 출현에 있어 가장 큰 제약 가운데 하나로 꼽힌다. 이에 최근 주변 빛을 흡수해 발전할 수 있는 인체 삽입 태양전지 관련 연구가 진행되고 있으나 실내나 야간 또는 삽입된 부위가 옷으로 가려질 경우 광량이 부족해 충분한 전력을 생산할 수 없었다.

이종호 교수 연구팀이 개발한 마이크로 LED 패치는 피부에 직접 부착해 태양전지가 통합된 인체 삽입 기기에 능동적으로 전력을 공급할 수 있다.

피부에 부착 가능한 마이크로LED 패치로 피부에 자유롭게 붙였다 뗄 수 있다(위). 의복 아래에 피부에 부착하여 사용할 수 있음(아래). (사진=GIST 제공).
피부에 부착 가능한 마이크로LED 패치로 피부에 자유롭게 붙였다 뗄 수 있다(위). 의복 아래에 피부에 부착하여 사용할 수 있음(아래). (사진=GIST 제공).

연구팀은 적색과 근적외선 영역(파장 650nm 이상)의 빛이 상대적으로 생체 조직 투과율이 높다는 사실에 기반해 적색 마이크로 LED(파장 670 nm) 패치를 제작했다. 패치에서 발생시킨 빛은 생체 조직을 투과하고 태양전지에 도달해 광전류(photocurrent)를 생성한다. 이러한 능동적 과정으로 날씨, 실내, 야간에 관계없이 생체 내에 전력 공급이 가능하게 된다. 패치는 복잡한 회로 없이 시중에서 쉽게 구할 수 있는 건전지를 이용해 구동할 수 있다.

연구팀은 피부 부착 시 발생할 수 있는 이물감과 화상, 땀 문제를 해결하기 위해 얇은 필름 위에 유연성 향상을 위한 연결선(interconnect)과 땀구멍을 설계했다. 또 상대적으로 넓은 히트싱크(heat sink)에 박막 마이크로 LED(두께 4µm)를 직접 본딩하는 방법으로 패치를 제작했다.

마이크로 패치는 3mm의 반지름으로 반복적으로 굽혀도 부서지지 않는다. 피부에 부착 시 온도는 저온화상의 기준(6시간 동안 44°C 이하) 이내인 41.2°C 이하로 유지 되도록 했다.

마이크로LED를 이용한 전력공급과정 개념도. 피부 부착 마이크로LED 패치에서 발광된 빛이 생체 조직을 투과하고 피하의 삽입형 헬스케어기기에 통합된 태양전지에서 광전류(photocurrent)를 생성한다. (사진=GIST 제공).
마이크로LED를 이용한 전력공급과정 개념도. 피부 부착 마이크로LED 패치에서 발광된 빛이 생체 조직을 투과하고 피하의 삽입형 헬스케어기기에 통합된 태양전지에서 광전류(photocurrent)를 생성한다. (사진=GIST 제공).

이번 연구 성과는 향후 안정적인 전력 공급을 가능하게 함으로써 수명 연장과 삶의 질 개선을 위한 다기능 고성능 삽입용 헬스케어 기기 개발에 기여할 전망이다. 아울러 마이크로 LED 패치는 피부에 부착해 치료와 미용 용도로도 활용 가능할 것으로 기대된다.

이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업과 GIST 연구원(GRI)의 지원으로 이종호 교수(교신저자)가 주도하고 김주호 박사(제1저자)가 수행했다. 관련 논문은 미국국립과학원회보(PNAS)에 6일(현지시간) 온라인 게재됐다.

이 교수는 “빛을 매개로한 능동적 전력 공급 방법은 간단하면서도 필요시 언제나 인체에 전력을 공급할 수 있어 인체의 기능을 보조하는 새롭고 다양한 기술 개발에 기여할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.