물 속, 체내에서 초음파로 충전...열발생 없어 안전

인공 심장박동기, 제세동기 같은 인체 삽입형 의료기기를 사용하는 환자들은 일정 기간이 지나면 배터리 교체를 위해 외과수술을 해야 한다. 이 과정에서 합병증이 발생하는 경우도 적지 않다. 또 해저케이블의 상태를 진단하는 센서도 장거리 이동을 해야하기 때문에 물 속에서 배터리를 충전해야 할 때도 많다. 물 속에서, 그리고 수술 없이 몸 속 전자장치 배터리를 충전하는 방법은 없을까.

한국과학기술연구원(KIST) 전자재료연구센터, 인하대 물리학과 공동 연구팀이 이런 필요성에 응답하는 연구 성과를 내놨다. 연구진은 기존 무선충전 방식과는 다른 초음파로 전력을 무선 전송할 수 있는 기술을 개발했다고 23일 밝혔다. 이번 연구 결과는 에너지 분야 국제학술지 ‘에너지 및 환경과학’에 실렸다.

현재 사용되고 있는 무선 전력 전송기술은 전자기 유도, 자기공명 2가지 방식이 있다. 스마트폰 충전에 쓰이는 전자기 유도 방식은 물이나 금속 같은 전도체는 통과하지 못하고 충전거리가 짧다. 또 충전 중 발열 문제 때문에 체내 삽입장치에 사용하기는 위험하다. 자기공명 방식은 자기장 발생 장치와 송신 장치의 주파수가 정확히 일치해야 하는데 와이파이나 블루투스 같은 무선통신 주파수와 간섭을 일으켜 충전효율이 현저히 떨어질 수 있다.이에 연구팀은 건강검진을 할 때나 해저 물체 탐지에 쓰이는 초음파를 이용해 에너지를 전송하는 방식을 개발했다. 기존에도 초음파 전력 전송기술이 있었지만 에너지 효율이 낮아 상용화가 쉽지 않았다.

연구진은 작은 기계적 진동을 전기 에너지로 변환이 가능한 마찰발전 원리를 이용해 초음파를 수신해 전기 에너지로 변환하는 소자를 만들었다. 강유전물질을 추가해 기존에는 1%에 불과한 초음파 에너지 전송효율을 4% 이상으로 높였다. 이를 통해 6㎝ 떨어져 있는 거리에서 LED 전등 200개를 동시에 켜거나 물 속에서 블루투스 센서를 작동시켜 데이터를 전송할 수 있는 정도인 8㎽(밀리와트) 이상 전력을 충전하는데 성공했다. 또 전기 에너지로 전환하는 동안 열 발생이 거의 없었다.

송현철 KIST 박사는 “이번 연구로 초음파를 이용해 무선 전력 충전이 가능하다는 것을 보여준 만큼 소자의 안정성과 효율을 개선한다면 배터리 교체가 번거로운 장비 구동을 위한 전력을 무선으로 손쉽게 공급할 수 있게 될 것”이라고 설명했다.