수중환경 전자기기 혹은 이식형 의료 전자기기에 대한 수요 증가에 따라 이에 대한 안정적이고 지속적인 전력 공급은 필수적이다. 그러나 스마트폰과 무선 이어폰 등에 사용되는 기존의 무선 충전 방식(전자기 유도, Radio Frequency 기반 충전 등)은 전송 거리가 짧거나, 생체 조직 내 에너지 전달 효율이 낮으며, 전자파 간섭 등의 문제를 안고 있다. 이러한 한계를 극복하기 위해 최근 연구진들은 새로운 무선 전력 전송 기술 방식으로 초음파를 이용한 방식을 고려하고 있다. 초음파는 인체 친화적이며 조직 흡수가 적어, 이식형 및 피부 부착형 기기에서 더욱 안정적인 에너지 전송이 가능하다는 장점이 있다. 이에 따라 초음파 에너지를 활용한 무선 충전 기술이 차세대 전력 전송 방식으로 부상하고 있다.

 한국과학기술연구원(KIST, 원장 오상록) 전자융합소재연구센터 허성훈 박사 연구팀과 고려대학교 송현철 교수 연구팀은 구부러져도 성능이 유지되는 생체 친화적 초음파 수신기를 개발했다. 개발 수신기는 기존 무선 전력 전송 방식이 가진 여러 한계를 극복하는 동시에 생체 적합성을 높여, 차세대 웨어러블 및 이식형 전자기기에 적용할 수 있을 것으로 보인다. 또한, 연구진은 초음파를 수신해 배터리 무선 충전을 실증함으로써 기술의 실용화를 위한 중요한 발판을 마련했다. 

 특히, 연구진은 고효율 압전 소재와 독자적인 구조 설계를 통해 기존 초음파 수신기 대비 전력 변환 효율을 획기적으로 향상시켰다. 신축성과 생체 적합성을 갖춘 초음파 수신기를 설계해 인체 곡면에 밀착하면서도 안정적인 전력 변환을 성공시킨 결과, 수중 3cm 거리에서 20mW의 전력을, 피부로부터 3cm 깊이에서는 7mW 수준의 전력을 전송할 수 있었다. 이는 저전력 웨어러블 기기나 이식형 의료기기의 지속적인 구동에 충분한 전력량으로 평가된다.

 이번 연구 성과는 초음파 기반 무선 충전 기술이 수중 전자기기 및 이식형 의료 전자기기의 실용화를 앞당기는 데 기여할 것으로 기대된다. 특히, 이식형 심박 조율기, 신경 자극기, 웨어러블 센서와 같은 저전력 의료기기에 안전하고 지속적인 전력을 공급할 수 있는 새로운 패러다임을 제시할 것으로 보인다. 또한, 의료기기뿐만 아니라 수중 드론이나 장기적인 전력 공급이 필요한 해양 센서에도 적용될 가능성이 있어, 다양한 산업 분야에서도 활용도가 높을 것으로 전망된다.

 KIST 허성훈 박사는 "이번 연구를 통해 초음파를 활용한 무선 전력 전송 기술이 실질적으로 적용될 수 있음을 입증했다"며 "향후 소형화 및 상용화를 위한 추가 연구를 진행하여 기술의 실용화를 앞당길 계획"이라고 밝혔다.

 본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유상임)의 지원을 받아 KIST 기관고유사업 및 한국연구재단 나노·소재기술개발사업(RS202400448865)으로 수행됐다. 이번 연구 성과는 소재 분야 국제 학술지인 「Advanced Materials」 (IF: 27.4, JCR 소재 분야 상위 1.9%) 최신호에 게재 및 표지로 선정됐다.

* (논문명) A Body Conformal Ultrasound Receiver for Efficient and Stable Wireless Power Transfer in Deep Percutaneous Charging

[그림 1] 초음파 무선 충전을 통한 배터리 충전

인체 삽입형 의료 전자기기의 배터리 무선충전과정을 가정 시, 인체에 밀착 부착과정에서 구부러지고 변형되어도 성능이 유지됨을 보여주는 초음파 수신기 모식도

[그림 2] 소자 활용 개념도 및 내부 구성도

(좌) 마찰전기 방식의 초음파 수신기를 삽입형 의료 전자기기기에 적용할 경우의 예상도

(우) 소자 세부 구성도