연세대, 몸속에서 전기 만들고 빛으로 상태 알려준다…보이는 소자 개발

- AI로 설계한 이리듐 기반 발광 분자 적용한 생분해성 삽입형 소자

AI 기반 발광·마찰전기 분자 예측 및 검증 과정. (자료제공: 한국연구재단)

상태가 보이는 삽입형 소자의 구동 및 활용 모식도. (자료제공: 한국연구재단)

몸속에 삽입된 뒤 체외 초음파만으로 전기를 만들고 빛으로 자신의 상태를 알려주는 생분해성 소자가 개발돼 삽입형 의료기기의 새로운 플랫폼이 될 것으로 기대된다.

한국연구재단(이사장 홍원화)은 연세대 신소재공학과 김상우 교수와 홍콩폴리텍대 공동연구팀이 머신러닝으로 설계한 발광 분자를 생분해성 마찰전기 에너지 하베스팅 소자에 적용, 체외에서 쏘는 초음파만으로 배터리 없이 전력을 생산하고 자외선 램프를 피부에 비추면 몸속 소자의 윤곽이 드러나는 삽입형 소자를 개발했다고 밝혔다고 8월 17일 밝혔다.

마찰전기 에너지 하베스팅은 두 가지 서로 다른 물질이 접촉하거나 마찰할 때 발생하는 정전기 현상을 활용해 버려지는 기계적 에너지를 전기 에너지로 수확·전환하는 기술이다.

심장박동기나 신경 자극기처럼 몸속에 넣는 의료기기는 한 번 삽입하면 위치가 바뀌거나 손상돼도 상태를 확인하기 어렵다. 현재는 CT, MRI 같은 대형 영상장비를 이용하거나, 필요한 경우 2차 수술로 직접 확인해야 하는 부담이 따른다.

일정 기간 작동 후 몸에 흡수돼 사라지는 생분해성 소자의 경우 영상에서도 경계가 선명하지 않아 상태 확인이 쉽지 않고, 소자 내부에 별도의 센서를 넣는 방식은 추가 전원과 회로가 필요해 구조가 복잡해지는 문제가 있다.

손쉽게 전력을 만들면서 소자의 상태까지 확인할 수 있는 체내 삽입형 소자의 개발이 필요한 상황이다. 연구팀은 이런 문제를 초음파 기반 마찰전기 에너지 하베스팅 소자의 특성과 빛을 흡수한 뒤 비교적 오래 머금었다가 천천히 내보내는 인광 효과를 결합해 해결했다.

이번 소자는 이리듐 화합물의 인광을 이용해 피부 너머로도 보이는 밝기를 확보했다. 먼저 연구팀은 AI를 이용해 뛰어난 발광 성능을 보이는 이리듐(Ir) 기반 발광 소재를 찾았다.

AI는 약 27만 개의 가상 후보 분자에 대해 발광 색과 밝기를 예측, 연구팀은 이중 육안으로 가장 잘 볼 수 있는 초록~노랑 영역에서 밝게 빛나는 후보를 선별했다. 이후 분자의 구조를 추가로 설계해 발광 성능은 유지하면서도 마찰전기 출력을 약 1.8배 높인 최종 분자(Ir1b)를 개발했다.

이 분자를 생분해성 고분자에 넣어 몸 밖에서 쏘는 초음파만으로 전력을 생성하는 삽입형 에너지 하베스팅 소자가 완성됐다.

실제 동물실험에서 자외선 램프를 피부에 비추면 몸속 소자의 윤곽이 그대로 드러나는 것은 물론, 손상된 즉시 발광 윤곽이 사라져 육안으로 소자의 작동 여부를 확인할 수 있음을 입증했다.

김상우 교수는 “배터리 없는 시한성 소자가 다음 단계로 가려면 전력을 만드는 것을 넘어 스스로 상태를 알리는 것까지 함께 설계돼야 한다”며, “AI를 이용한 소재 설계와 생분해성 에너지 소자를 결합한 이번 플랫폼을 바이오센서, 약물 전달 시스템 등에 적용해 차세대 의료기기로 발전시켜 나갈 예정”이라고 밝혔다.

이번 연구 성과는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 나노소재기술개발 사업 등의 지원으로 수행됐으며, 나노 기술 분야 세계적인 국제학술지인 ‘네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology)’에 8월 14일 온라인 게재됐다.

[Ceramic Korea (세라믹뉴스)=이광호 ]