반창고처럼 붙이는 ‘LED 패치’로 몸 속 심박조율기 돌린다

(좌측)생체 조직(손가락)을 통과하는 마이크로LED의 적색광 사진, (우측)유연성 마이크로LED 패치에서 피부를 통해 빛을 조사하는 사진/자료=GIST

국내 연구진이 작은 LED 패치를 이용해 몸 속에서 전기를 얻는 기술을 개발했다.


광주과학기술원(GIST) 기계공학부 이종호 교수 연구팀이 피부에 부착하면 몸속으로 전력을 공급할 수 있는 ‘마이크로 LED 패치’를 개발했다고 7일 밝혔다. 이는 치료 및 수명 연장과 관련된 인체삽입형 헬스케어 기기, 피부에 부착하는 미용기기 등에 활용될 전망이다.


다기능·고성능 인체삽입 헬스케어 기기의 제약 중 하나는 인체 내부로 전력을 충분히 공급하지 못한다는 것이다. 이를 위해 최근 주변 빛을 흡수해 발전할 수 있는 인체 삽입 태양전지 관련 연구가 진행되고 있지만 실내나 야간, 삽입된 부위가 옷으로 가려질 경우 등은 광량이 부족해 충분한 전력을 생산할 수 없다는 한계가 있다.

마이크로LED를 이용한 전력공급과정 개념도피부 부착 마이크로LED 패치에서 발광 된 빛이 생체 조직을 투과하고 피하의 삽입형 헬스케어기기에 통합된 태양전지에서 광전류(photocurrent)를 생성한다./자료=GIST

연구팀이 개발한 마이크로 LED 패치는 피부에 직접 부착해 태양전지가 통합된 인체 삽입 기기에 전력을 공급 할 수 있다. 즉, 피부에 부착한 마이크로 LED 패치에서 발광한 빛이 생체 조직을 투과한다. 이 빛은 피하에 삽입된 헬스케어 기기에 부착돼 있는 태양전지에 도달해 광전류를 생성한다. .

연구팀은 적색 및 근적외선 영역(파장 650nm 이상)의 빛이 상대적으로 생체 조직 투과율이 높다는 점을 이용, 적색 마이크로 LED(파장 670 nm) 패치를 제작했다. 이 때문에 날씨, 실내, 야간에 관계없이 생체 내에서 전력 공급이 가능하다.

(상) 피부에 부착 가능한 마이크로LED 패치 사진. 피부에 자유롭게 붙였다 뗄 수 있다. (하) 의복 아래에 피부에 부착하여 사용할 수 있음/사진=GIST

연구진은 피부 부착 시 발생할 수 있는 이물감, 화상, 땀 문제를 해결하기 위해 얇은 필름 위에 유연성을 높이기 위한 연결선과 땀구멍을 설계했다. 또 전자기기에서 발생하는 열을 효율적으로 제거하는 히트싱크에 두께 4마이크로미터(μm, 1 μm 는 100만 분의 1m) 수준인 박막 마이크로 LED를 직접 본딩하는 방법으로 패치를 제작했다. 마이크로 패치는 3미리미터(mm)의 반지름으로 반복적으로 굽혀도 부서지지 않고, 피부 부착시 온도는 저온화상의 기준(6시간 동안 44°C이하) 이내인 41.2°C 이하로 유지됐다.

(좌측) 태양전지가 통합된 삽입형 유연성 헬스케어 기기 사진, (가운데) 헬스케어 기기를 피하에 삽입하는 사진, (우측) 마이크로LED 패치를 부착하여 삽입된 헬스케어기기에 전력을 공급하는 사진/자료=GIST

연구팀은 실험 쥐를 통해 피부에 부착된 마이크로 LED 패치가 피하에 삽입된 작은 면적(0.11㎠)의 태양전지에 8.2마이크로와트(μW)의 전력을 공급할 수 있다는 것을 확인했다. 이 정도면 심장의 부정맥을 치료하기 위해 주기적 전기 자극을 줄 수 있는 삽입형 심박조율기(소비전력 1~10μW)를 구동할 수 있다.

이 교수는 “이번 연구는 인체의 기능을 보조하는 새롭고 다양한 기술 개발에 기여할 수 있을 것”이라고 말했다. 이번 연구성과는 미국 국립과학원회보(PNAS)에 게재됐다.