전자
새로운 초음파 기술이 의료 임플란트를 무선으로 구동
고급 의료 임플란트에 전원을 공급하는 도전 과제
인체를 개선하거나 결함이 있는 부위를 교체하는 것은 고대의 최초 원시 의수와 같이 오래전부터 의학의 목표였습니다. 기계 부품이 점점 복잡해짐에 따라 신체 일부를 교체한다는 개념은 공상과학 애호가들 사이에서 점점 인기를 얻었고, 인간과 기계가 반반씩 결합된 사이보그라는 아이디어로 이어졌습니다.
어느 정도는 이미 실현되고 있다고 말할 수 있습니다. 심박조정기 이식이나 고관절 수술과 같이 일상적으로 수행되는 수술들은 환자의 심장 근육이나 관절 문제를 보완하고 금속 임플란트를 통해 개선하고 있습니다.
신경 임플란트와 기타 고급 의료 임플란트가 다가오는 10년 안에 현실이 될 가능성이 높아짐에 따라, 우리는 진정한 사이버네틱 신체를 만드는 데 그 어느 때보다 가까워지고 있습니다.
하지만 대부분의 의료 임플란트에 여전히 반복되는 문제가 있습니다: 전원 공급입니다. 심박조정기는 매우 제한된 전력만 필요하기 때문에 아주 작은 배터리로 버틸 수 있습니다. 그러나 신경 칩과 같은 임플란트는 훨씬 더 많은 에너지가 필요할 것으로 예상됩니다.
스마트폰과 이어버드에 일반적으로 사용되는 전자기 유도 및 라디오 주파수 기반 시스템과 같은 전통적인 무선 충전 방식은 여러 가지 어려움에 직면합니다.
전송 거리가 짧고, 생물 조직 내 에너지 효율이 낮으며, 전자기 간섭에 취약한 문제에 노출될 수 있습니다.
다른 방법이 가능할 수도 있습니다. 이는 고려대학교, 한국과학기술원(KIST), 성균관대학교(SKKU – 한국), 연세대학교(한국) 및 캘리포니아 대학교 연구진의 연구에 따른 것입니다.
그들은 초음파를 이용해 의료 기기를 무선으로 재충전하는 방법을 개발했습니다. 이 발견은 Advanced Materials1에 “A Body Conformal Ultrasound Receiver for Efficient and Stable Wireless Power Transfer in Deep Percutaneous Charging”라는 제목으로 발표되었습니다.
무선 에너지가 인간 조직을 관통하기 어려운 이유
전자식 이식형 의료 기기(IMD)는 신경 자극 치료 및 심혈관 치료/모니터링과 같은 질병이나 부상의 치료에 사용됩니다.
이들은 배터리 교체를 위해 정기적인 수술이 필요하며, 이는 수술 부위 감염, 바이오필름 형성 및 높은 의료 비용과 같은 환자 합병증을 초래할 수 있습니다.
일부 방법은 혈당과 같은 신체의 주변 에너지를 활용해 이러한 장치를 구동하려고 시도합니다.
그러나 일부 적용 분야에서는 전력 요구량이 이러한 옵션을 비현실적으로 만듭니다. 신경 임플란트와 같은 미래의 적용에서는 더욱 작동 가능성이 낮아져 여전히 매우 침습적인 방식이 될 것입니다.
전자기 또는 라디오파 시스템을 이용한 원격 에너지 전송은 생물 조직에 잘 침투하지 못하고 원치 않는 부작용을 일으킬 수 있습니다.
광전식 무선 에너지 전송도 조직 내부에서 빛 침투가 낮고 열 손상이 발생하는 문제 때문에 부적합합니다.
반면 초음파는 생물 조직에 잘 견디며 손상을 일으키지 않고 깊게 침투할 수 있어, 임산부를 포함한 진단 목적에 일상적으로 사용됩니다.
초음파가 무선 임플란트 충전을 가능하게 하는 방법
진단에 오랜 역사를 가진 초음파는 이미 방대한 의료 연구와 규범을 통해 안전한 에너지 수준(미국 FDA는 이를 제곱센티미터당 최대 0.72W로 정의) 을 결정하고 있습니다.
초음파를 전기로 변환할 수 있는 두 종류의 장치가 있습니다: 압전(US-PENG)과 트리보전기 나노발전기(US-TENG).
US-PENG은 전자 임플란트에 전력을 공급하기 위해 개발되었지만, 일반적으로 납 기반 압전 세라믹을 사용하며, 이는 경직되고 독성 문제가 있을 수 있습니다.
그래서 연구진은 대신 US-TENG 기술에 집중했습니다.
두께 0.4 mm의 생체 적합성 커버를 가진 이 장치는 비침습적인 초음파 강도에서 약 6 cm 깊이까지 전자 장치를 구동할 수 있는 높은 전하 밀도를 달성합니다.
작동 원리
얇은 고분자 필름을 사용해 완전히 유연한 US-TENG를 만들었으며, 아크릴 또는 폴리(메틸 메타크릴레이트)(PMMA)와 같은 플라스틱 재료를 겹겹이 쌓았습니다.
기계적 에너지 하에서 트리보전기 특성을 갖는 퍼플루오로알콕시 알케인(PFA)이 사용되었습니다. PFA 필름의 고유한 특성을 유지하기 위해 나노 규모의 전극 층이 증착되었습니다.
전기 전하 생산을 극대화하기 위해 폴리우레탄(PU) 및 폴리비닐리덴 플루오라이드-트리플루오로에틸렌(P(VDF-TrFE))와 칼슘 구리 티타네이트(CCTO) 복합층도 사용되었습니다.
실제 조건에서 초음파 구동 임플란트 테스트
전체 장치는 방수 처리를 위해 폴리디메틸실록산(PDMS) 용액에 캡슐화되었습니다.
이 유연한 US-TENG는 물, 폴리머/하이드로겔 및 돼지 조직에서 성능 테스트를 진행했습니다.
첫 번째 실용적인 적용은 이 장치를 심박조정기에 적용하여 배터리 교체를 위한 추가 수술이 필요 없도록 하는 것입니다.
동시에 P(VDF-TrFE)/CCTO 복합재의 세포독성 및 유전독성 측면에서 생체 적합성이 확인되어, 이전 연구가 주장한 바와 같이 실제로도 안전함이 검증되었습니다.
에너지 생성은 레이저 진동계로 정밀 측정했으며, 장치의 진동을 확인했습니다. 이를 통해 기존 유사 기술 대비 US-TENG의 출력이 44% 향상된 것으로 확인되었습니다.
궁극적으로, 초음파 강도, 거리 및 초음파 소스의 각도에 따라 시스템 효율을 테스트하여 인체 내 의료 기기에서 현실적인 조건으로 사용할 수 있는지를 판단했습니다.
그 결과 비교적 낮은 초음파 강도와 4~8 cm(1.5~3 인치) 깊이까지의 거리, 그리고 비교적 넓은 각도 범위에서도 작동할 수 있음을 확인했습니다.
의료 임플란트의 유연성 및 내구성 확보
이식형 의료 기기의 또 다른 과제는 인간 몸이 로봇 프레임이 아니며 장기가 움직이기 때문에, 특히 심장 근육이 움직이므로 매우 유연해야 한다는 점입니다.
그래서 연구진은 유연한 재료를 사용했을 뿐만 아니라, 굽혔을 때 효율이 유지되는지도 측정했습니다.
그들은 한 방향으로 굽혔을 때 에너지 생성이 약간 감소했지만, 반대 방향으로 굽혔을 때는 오히려 증가함을 발견했습니다. 에너지 생성 증가의 원인은 그릇 모양 장치 내부에서 초음파 파가 더 잘 포획되고 장치 표면에서 파 충돌이 증가했기 때문입니다.
이것은 장치를 구부려도 손상되거나 에너지 생성 특성을 잃지 않음을 입증했습니다.
“이번 연구를 통해 초음파를 이용한 무선 전력 전송 기술을 실제로 적용할 수 있음을 입증했습니다.
우리는 기술의 실용적 적용을 가속화하기 위해 소형화 및 상용화에 대한 추가 연구를 진행할 계획입니다.”
Dr. Sunghoon Hur – KIST 연구원
최종 생각: 초음파 임플란트 기술의 다음 단계
무선으로 재충전이 가능한 의료 기기는 전 세계 수백만 환자에게 큰 개선을 가져올 것입니다.
이는 지금까지 현실적인 에너지 공급 부족으로 제한받아 온 더 야심찬 임플란트 아이디어의 한계를 뛰어넘을 수 있게 하며, 혈류에 직접 약물을 전달하거나 특정 화학 물질을 모니터링하는 임플란트, 신경 임플란트 등을 포함할 수 있습니다.
이 임플란트 기술은 두께 0.4 mm, 높은 유연성, 우수한 생체 적합성, 희귀한 이국적인 재료 없이도 제조가 용이해 빠르게 적용될 수 있습니다.
이 기술은 의료 기기를 넘어 수중 드론을 접촉 없이 재충전하는 등 방수 전기 충전기를 만들 필요 없이도 활용될 수 있습니다.
헬스테크에 투자하기
Koninklijke Philips N.V.
(PHG )
필립스는 면도기, 전동 칫솔 등 소형 전자 소비재로 잘 알려진 브랜드이며, 헬스케어 분야에서도 활발히 활동하고 있습니다. 예를 들어 2022년 유럽에서 MedTech 특허 출원 1위를 차지했습니다.
웨어러블부터 영상, 인공호흡기, 의료 로봇에 이르기까지 연결된 의료 제품에 참여하고 있습니다.
또한 반도체(자기 부상 기술 포함)와 첨단 기술/로봇공학/자동화 분야에도 활발히 참여하고 있으며, 모든 활동이 공통 기술 기반을 공유합니다.
출처: Philips
필립스는 심장, 호흡 및 활동 지표를 측정하는 웨어러블을 제공하며, 센서는 스마트워치, 건강 모니터, 의료 패치 및 활동 추적기에 통합될 수 있습니다.
생체 적합성 센서, 반도체 및 무선 솔루션에 대한 필립스의 전문성은 무선 충전이 가능한 고급 의료 임플란트 분야에서 선두주자가 될 수 있습니다.
의료 기기의 경우, 필립스는 파트너십 솔루션을 선호합니다. 이는 타사와 함께 연결된 IoT(사물인터넷) 의료 기기를 개발해 필립스의 다른 솔루션과 완전히 호환되도록 하는 것입니다. 이러한 맥락에서 필립스는 고객에게 프로토타이핑, 규제 자문, 엔드투엔드 제품 개발 및 대규모 생산을 제공합니다.
이로 인해 필립스는 기술 중심 기업이자 기존 의료 기기에 혁신을 빠르게 통합할 수 있는 유력 후보가 됩니다. 전체적으로 필립스의 장치는 18억 명 이상의 사람들에게 직접적인 영향을 미치고 있습니다.
필립스는 센서와 장치를 일치시키는 완전 통합 디지털 헬스케어 환경을 구축하고, 다양한 연결 솔루션을 활용해 Philips HealthSuite Cloud와 통합하여 심층 데이터 분석을 가능하게 하려 합니다.
출처: Philips
다른 브랜드를 위해 제조하는 경우가 많은 MedTech 산업 공급업체로서, 필립스는 다른 더 눈에 띄는 기업만큼 분야에서 두드러지지는 않지만, 고성능 전자 장치와 센서를 구축하는 전문가이며, 헬스케어와 웨어러블 분야에서 가능한 한계를 지속적으로 확장하고 있습니다.
웨어러블과 의료 전자 제품이 점점 더 헬스케어 및 의료 프로토콜에 통합됨에 따라, 필립스의 헬스케어 부문은 그룹 내에서 성장할 가능성이 높습니다.
최신 Koninklijke Philips N.V. (PHG) 주식 뉴스 및 개발
연구 참고:
1. Iman M. Imani, Hyun Soo Kim, et al. 효율적이고 안정적인 무선 전력 전송을 위한 심부 경피 충전용 체형 적합 초음파 수신기. Advanced Materials. Volume37, Issue19. 2025년 5월 12일
