심박동기 교체 수술 줄인다…무선충전 효율 높이는 회로 기술 개발

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국내연구진이 체내 삽입형 의료기기의 무선 충전 효율을 높이는 기술을 개발했다. 기기 내부 회로의 부하 특성에 따라 전력 전달 경로를 실시간으로 전환해 충전 과정에서 발생하는 열 손실을 줄인 것이 핵심이다. 심박동기나 신경자극기 같은 기기의 배터리 수명을 늘려 환자들이 겪는 주기적인 교체 수술 부담을 덜어줄 것으로 기대된다.

울산과학기술원(UNIST) 전기전자공학과 변영재 교수팀은 체내 삽입 기기 내부의 전력 사용량에 따라 전기 에너지 전달 경로를 자동으로 변경하는 무선 전력 전송 기술을 개발했다고 27일 밝혔다.

심박동기 같은 체내 삽입형 기기에는 신경 자극 회로처럼 큰 전류가 필요한 고부하 회로와 데이터 처리 회로처럼 적은 전류로 작동하는 저부하 회로가 함께 탑재된다. 부하가 달라지면 전력이 기기 안으로 가장 효율적으로 유입되는 조건도 달라지지만, 기존 충전 기술은 이 조건을 고정해 운용 상황에 따라 전력 손실이 불가피했다. 손실된 전력은 열로 변환돼 주변 조직을 손상하거나 이물 반응을 유발할 수 있다는 점에서 임상적으로도 중요한 문제였다.

연구팀이 개발한 기술은 고부하와 저부하 상황을 구분해 각각의 조건에 최적화된 '전용 정합 회로'를 적용하는 방식이다. 정합 회로는 송신코일에서 수신코일을 거쳐 기기 안으로 전력이 원활히 유입되도록 조건을 맞춰주는 일종의 관문 역할을 한다. 부하가 바뀔 때마다 내부 전자 스위치가 해당 조건에 맞는 정합 회로를 자동으로 연결해 전력 전달 효율을 유지하는 구조다.

교류 전력을 직류로 변환하는 정류 회로의 효율도 함께 높였다. 몸 밖에서 넘어온 전력은 수신코일에 교류 형태로 도달하는데, 의료기기 회로가 이를 실제로 활용하려면 직류로 전환해야 한다. 연구팀은 스위치의 개폐 시점을 정밀하게 제어하는 기술을 적용해 이 변환 과정에서의 손실을 최소화했다.

실험 결과, 저부하 조건(3mA)에서 링크 효율 94.4%, 고부하 조건(30mA)에서 92.7%를 기록했다. 능동 정류기의 전력 변환 효율도 최고 94.5%에 달했으며, 입력 전압이 2.5~5.0V로 변동되는 환경에서도 92.3% 이상의 효율을 안정적으로 유지했다.

연구팀은 이번 기술이 장시간 사용이 필요한 체내 삽입형 의료기기의 안정성과 사용 시간을 높이는 데 기여할 것으로 전망했다. 또 웨어러블(착용형) 기기와 초소형 IoT(사물인터넷) 기기 등 저전력 전자기기 분야로의 응용 가능성도 열려 있다.

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