[과학을 읽다]인체 삽입 태양전지 나왔다

실시간 혈당 분석기 등에 이용 가능

▲인체삽입용 태양전지를 간단한 피부 시술을 통해 쥐 피하에 넣고 있다.[사진제공=미래부]

[아시아경제 정종오 기자] 피부 안에 넣는 태양전지가 나왔습니다. 실시간 혈당 분석기 등 체내 헬스케어 기기 개발에 도움이 될 것으로 기대됩니다.

인간의 수명을 연장하거나 삶의 질을 유지하기 위해 기능이 떨어지는 인체 기관을 보조하기 위한 생체 삽입용 전자기기들이 개발되고 있습니다. 전자기기는 용량이 제한된 배터리에 의존합니다. 일정시간이 지나면 배터리를 교체해야 합니다. 재수술이 필요한 것이죠. 가장 많이 사용되는 심박조율기(pacemaker)의 경우 배터리가 5~8년 정도 유지됩니다. 인체 내에서 자체적 전력 생산이 가능하다면 재수술을 피할 수 있고 심리·물리·경제적 부담을 줄일 수 있습니다.

이번 연구는 손전등으로 얇은 피부를 비췄을 때 빛의 일부는 피부를 통과한다는 사실에 착안했습니다. 인체 내에 흡수된 빛을 태양전지를 통해 전기 에너지로 변환해 인체삽입용 전자기기의 지속적 구동을 목적으로 수행됐습니다. 체외 태양전지에서 생산된 전력을 체내로 공급할 경우 피부를 통과해 인체 내로 연결되는 전선을 통해 균이 침입해 염증이 발생할 위험이 큽니다. 태양전지는 체내에 완전히 삽입된 형태로 사용되는 것이 이러한 위험성을 줄일 수 있습니다.

최대한 빛을 활용해 전기 에너지를 생산하기 위해서 태양전지는 얇은 피부층 아래에 삽입되는 것이 유리합니다. 기존의 태양전지는 두껍고 깨지기 쉽기 때문에 피하에 삽입할 경우 몸의 움직임에 의해 파손돼 성분이 체내로 노출되거나 피부에서 분리될 수 있습니다.

이 같은 문제점을 극복하기 위해 피부와 같이 유연한 특성을 갖도록 고성능 태양전지를 딱딱한 기판에서 박막(6-7마이크로미터) 형태로 분리해 필름에 결합하는 방법을 사용했습니다. 얇고 유연한 인체 삽입용 태양전지를 제작할 수 있었습니다.

살아 있는 쥐에 삽입해 실험한 결과 0.07㎠(순수 태양전지 면적) 이내의 태양전지에서 직류전류로 647마이크로와트의 매우 높은 전력을 생산할 수 있었습니다. 소형 충전지, 유연한 심박조율기와 결합해 태양광이 없을 경우에도 태양전지를 통해 충전된 배터리로 전력 공급이 가능함을 확인했습니다.

인체 내 안정적 전력공급원의 부재로 제한됐던 실시간 혈당 분석기, 질병 진단 센서, 혈액 분석 센서와 같은 실시간 체내 헬스케어 기기 개발에 기여할 것으로 기대됩니다. 다만 실제 사람의 피부는 쥐 피부보다 두껍기 때문에 사람에게 적용하기 위해서는 좀 더 넓은 면적의 유연한 인체삽입용 태양전지를 개발하는 것이 과제로 남았습니다.

이번 연구는 광주과학기술원 이종호 교수 연구팀이 수행했습니다. 연구 결과는 헬스케어 분야 국제 학술지 어드밴스드 헬스케어 머터리얼스 5월 4일자(논문명: Subdermal flexible solar cell arrays for powering medical electronic implants)에 실렸습니다.

이종호 교수는 "인체삽입 의료 전자기기의 난제인 전력 부족 문제를 획기적으로 해결할 수 있는 방법을 제시한 것"이라며 "많은 전력을 지속적으로 필요로 하는 실시간 혈당 분석기, 질병 진단 센서, 혈액 분석 센서 등과 같은 헬스케어 인체삽입기기 개발에 기여할 것으로 기대된다"고 말했습니다.