back 수상자 상세정보

김상우

성균관대학교, 신소재공학부

인체 안전한 초음파로 체내 삽입 의료기기 충전기술 개발

공적 요약

인체에 무해한 초음파와 정전기를 이용한 에너지 하베스팅(energy harvesting) 기술로 인체 삽입형 소자를 충전하는 기술을 개발해 환자의 삶의 질 향상과 차세대 의료분야 발전에 기여함

구체적 내용

4차 산업혁명 시대, 첨단기술을 뒷받침할 에너지원 확보가 주요 과제이다. 이에 따라 정전기처럼 일상에서 버려지는 작은 에너지를 수확해 생활에 응용하는 에너지 하베스팅 연구가 주목받고 있다. 심장박동기, 인슐린펌프와 같은 생체삽입형 의료기기의 안전하고 효율적인 충전기술을 개발해 의료산업 발전에 기여한 김상우 교수의 수상 소식이 4월 22일 지구의 날을 앞두고 더욱 의미를 더했다.
( * 에너지 하베스팅 : 진동, 하중, 빛, 열 등 일상에서 버려지는 에너지를 수집해 전기로 바꾸는 기술)
인체 삽입형 의료기기는 전력을 공급하는 배터리의 수명이 다하면 교체 수술이 필요해 환자의 고통과 사회경제적 비용이 발생했다. 이를 개선하기 위해 체외에서 배터리를 충전하는 무선전송기술과 인체 에너지를 전기로 변환하는 압전기술이 연구됐지만, 각각 짧은 전송거리와 안전성 부족, 미미한 전력 생산으로 상용화에는 어려움이 있었다.
김상우 교수는 의료현장에서 안전하게 사용하는 초음파를 이용해 인체에 삽입된 발전소자에 마찰전기를 일으켜 의료기기를 구동하는 체내 원격 에너지 충전기술을 개발하고, 이를 이용한 소자 제작도 성공했다.
연구팀은 고출력 마찰소재인 PFA폴리머 필름과 유연한 PCB 회로기판을 결합한 발전소자에 초음파로 진동을 전달해 금과 구리 전극의 마찰을 일으켜 정전기를 발생시키는데 성공했다.
생체조직 환경 시험결과 돼지 피하지방층 0.5cm 깊이에 삽입한 발전소자는 약 1.2볼트(V)의 전압, 98마이크로 암페아(μA) 전류 수준의 출력을 보였다. 이는 보통 1-10마이크로 와트(μW)의 전력으로 구동하는 인체 삽입용 심장박동기 등에 사용 가능한 전력량이다. 관련 기술은 2019년 ㈜에너지마이닝에 기술이전 되었으며, 연구결과는 사이언스(Science)지에 2019년 8월 2일 게재되었다.
김상우 교수는 “초음파로 정전기를 발생시켜, 발전과 충전이 가능한 초음파 구동 정전기 하베스팅 소자를 세계 최초로 구현하였다”라며 “관련 기술은 다양한 의료기술에 응용이 가능해 인체 삽입형 의료산업에 새로운 이정표를 제시할 것으로 기대된다”고 수상소감을 밝혔다.

주요경력
2017 .4 . ~ 현재 성균관대학교 신소재공학부 정교수, SKKU Fellow(특훈교수)
2015. 1. ~ 현재 Advanced Electronic Materials(Wiley社) 실행자문위원
2012. 1. ~ 현재 Nano Energy(Elsevier社) 부편집장
2017. 1. ~ 2019. 1 SAMSUNG-SKKU 그래핀/2D 연구센터 센터장
2015. 1. ~ 2016. 8. 조지아공과대학교 방문교수
2009. 9. ~ 2017 .3. 성균관대학교 신소재공학부 조교수, 부교수, SKKU Young Fellow
2005. 3. ~ 2009. 8. 금오공과대학교 신소재시스템공학부 조교수
2004. 10. ~ 2005. 2. 케임브릿지대학교 나노사이언스센터 박사후연구원
주요학력
2001. 10. ~ 2004. 2. 일본 교토대학교 전자공학 박사
1998. 3. ~ 2000. 2. 광주과학기술원 신소재공학과 석사
1992. 3. ~ 1998. 2. 성균관대학교 금속공학과 학사

구글의 ‘인간수명 500세’프로젝트를 위시해 의료 산업에도 4차 산업혁명 바람이 거세다. 터미네이터, 공각기동대와 같은 SF영화의 단골소재로 등장하는 인체 삽입형 전자기기의 에너지원 확보 기술은 의료혁신을 이끌 주요 기반기술 중 하나이다.

성균관대학교 김상우 교수는 세계 최초로 초음파로 정전기를 발생시켜, 인체 삽입 의료기기를 충전하는 기술을 구현한 에너지 하베스팅의 선구자이다. 그는 새로운 기술이 탄생하기까지 기초연구부터 응용연구, 나아가 산업화에 이르는 다학제간 협력이 중요함을 강조한다. 융합과 협력의 시대, 소통과 상호존중 및 신뢰는 연구자의 제1 덕목이라는 설명이다. 유(有)와 유(有)가 만나 보다 고차원의 유(有)를 창조하는 창의적이고 도전적인 연구자의 길을 걷어온 김상우 교수를 소개한다.

이달의 과학기술인상 수상을 진심으로 축하드립니다. 수상 소감 부탁드립니다.

2007년 처음 나노발전기(nanogenerator) 연구를 시작했습니다. 당시 검증되지 않은 생소한 분야임에도 신진연구, 핵심연구에 이어 9년간 도약연구를 지원해주신 과학기술정보통신부와 한국연구재단에 감사의 말씀을 드립니다. 또한 아낌없는 격려와 성원을 보내주신 대학과 신소재공학부 동료 교수님들, 그리고 공동연구를 함께 수행한 국내외 교수님들과 연구원 분들께도 깊은 감사 말씀 드립니다. 그 동안 NESEL 연구실을 졸업한, 그리고 현재 재학 중인 모든 제자와 연구원들의 열정과 노력이 없었으면 이번 수상은 불가능했습니다. 마지막으로 가장으로서 낙제점인 저를 항상 응원해 준 가족들에게 수상의 영광을 돌리고 싶습니다.

국내 최초로 압전 소재 기반 에너지 하베스팅 기술을 개발하셨습니다. 학부에서 금속공학을 전공한 후 대학원에서는 신소재, 전자공학으로 학문의 깊이를 더하셨는데요. 에너지 하베스팅에 대한 관심은 어떻게 시작 되었나요?

석사 때 ‘질화갈륨(GaN) 소재기반 청색 LED 소자 제작’연구 결과를 응용물리학 분야의 저명 학술지 ‘Applied Physics Letters’에 주저자로 논문을 발표하며, 처음으로 연구자로서의 희열과 연구의 재미를 느꼈습니다. 원래 박사진학은 생각지 않았는데 이를 계기로 진로를 바꾸었어요. 화합물반도체로 주목받기 시작한 산화아연(ZnO)을 선도적으로 연구하던 교토대학에서 박사과정을 마친 후 케임브릿지 대학교 박사후 연구원, 또 교수 임용 후에도 ZnO 중심의 화합물반도체 연구를 지속했습니다.
당시 화합물반도체 분야에서는 새로운 태양전지 연구가 활발했는데요. 태양 외에 에너지원을 고민하던 중 사람의 움직임에 의한 운동에너지, 또는 바람처럼 자연에서 전기에너지로 변환되지 못하고 사라지는 기계적 에너지들이 많다는 사실을 알았습니다. 또 제가 연구해 온 ZnO은 반도체 특성뿐만 아니라 압전이라는 기계적 힘을 전기적 시그널로 바꿀 수 있는 특성도 지니고 있었고요. 마침 2006년 조지아텍 왕종린(Zhong Lin Wang) 교수 그룹이 ZnO를 이용한 압전 나노제너레이터를 개발해 논문으로 발표했습니다. 이에 확신을 갖고 본 분야에 뛰어들었습니다.

초음파로 체내에서 마찰전기를 발생시켜 인체에 삽입된 의료 기기를 구동하는 새로운 에너지 하베스팅 개념을 제안하셨습니다. 기존 기술과 차별화된 특장점은 무엇인가요?

그 동안 인체삽입형 의료기기의 전원공급을 위해 전력을 무선으로 전송하는 기술과 체내에서 발생하는 에너지를 전기에너지로 변환하는 기술이 주로 연구돼 왔습니다. 하지만 무선 에너지 전송기술은 짧은 체내 전송거리 및 인체유해성의 문제가 있었고, 체내에서 발생하는 에너지는 충분한 발전효과를 내기 어려웠습니다. 본 연구에서는 실제 검진과 치료에 사용되는 초음파로 쥐와 돼지 피부층에 삽입된 마찰발전기에 진동을 일으켜 정전기를 발생시켜 발전과 배터리 충전을 가능케 하는 기술을 세계 최초로 개발했는데요. 기존 생체 삽입형 발전소자 대비 1000배 이상의 출력 전류를 발전시켰으며, 인체삽입형 의료기기를 구동할 수 있는 수준의 출력을 얻어 세계 최고 수준의 기술력을 입증했습니다.

4차 산업혁명 기술을 뒷받침 할 에너지원 확보가 중요한데요. 이번 연구로 심장박동기, 인슐린펌프와 같은 생체삽입형 의료산업 발전이 기대됩니다.

초음파와 마찰전기 에너지 하베스팅 기술을 접목한 체내 발전기술은 외과적 교체 수술 없이 간편하게 배터리를 충전이 가능합니다. 차세대 인체삽입형 의료기기의 전력원이 될 뿐만 아니라, 다양한 의료기술에 적용 가능하리라 예상합니다. 구글은 ‘인간수명 500세’프로젝트를 추진하며 노화를 막는 생물학적 접근방식과 증강인간(Augmented Human) 개념으로 인공장기, 인공혈관 등을 개발하리라 예상되는데요. 후자의 경우 인체에 삽입된 수많은 의료전자기기가 365일 24시간 원활히 작동하려면 체내 에너지 솔루션이 중요한 기반 기술이 되리라 예상합니다.

인체 삽입형 의료기기 연구개발은 다양한 기반 기술이 요구되는 만큼 협력연구가 중요할 것 같습니다. 이번 연구가 결실을 보기까지 어떤 과정을 거치셨나요?

말씀처럼 다양한 전공분야의 협력이 꼭 필요한 분야입니다. 에너지 하베스팅 소재 및 소자개발, 그리고 체내에서 발생된 전력을 충전하기 위한 고효율 에너지 변환 시스템, 삽입된 디바이스 구동을 위한 무선 칩셋 및 극소전력 무선 시스템, 인체 유해성이 없는 패키징 기술, 생체신호 감지 회로 및 제어 소프트웨어, 동물 전임상 실험을 통한 유효성과 안정성 검증에 이르기까지 다방면의 협력을 바탕으로 연구가 진행되었습니다. 전자부품연구원, 서울대병원, 삼성병원 및 정부출연연구소, 국내외 기업체와 지속적으로 협력했습니다. 관련 기술은 지난해 ㈜에너지마이닝社에 기술이전해 기술고도화를 위한 협력을 지속적으로 해 나가고 있습니다.

세계적인 연구그룹은 물론 출연연 및 기업과도 다양한 협업을 추진하셨는데요. 융합연구가 좋은 결실을 보려면 어떤 노력이 필요한가요?

융합?공동연구는 서로 전문분야가 다른 만큼 각 그룹간 소통과 상호이해, 배려가 출발점이 되어야 합니다. 그리고 좋은 성과가 도출됐을 때 어떻게 하면 서로 윈-윈하며 성과를 공유할 수 있을지를 늘 유념해야합니다. 제 경험을 말씀드리면 프랑스나 이탈리아 등 유럽 그룹과의 공동연구의 경우 대부분 제한된 연구비와 부족한 연구인력 관계로 광범위한 응용분야 보다는 소규모 기초연구를 심도 있게 수행하는 경우가 많습니다. 그 동안 유럽에서 쌓아온 이론적 기초에 저희 그룹의 소재기술 및 응용기술을 접목해 좋은 성과를 이끈 경우가 꽤 있었는데요. 신뢰와 상호존중이 협력연구에 있어 가장 중요함을 느낍니다.

에너지/소재분야 전문학술지‘Nano Energy’와‘Advanced Electronic Materials’의 편집위원으로 활동하고 계십니다. 최근 교수님의 흥미를 끄는 이슈는 무엇인가요?

특정 연구분야를 말씀드리기 보다는 연구라는 전체적인 측면에서 제가 주목하는 이슈는 ‘기초연구와 응용연구를 어떻게 조화롭게 공유할 수 있을까?’입니다. 사견입니다만 목적이 불분명한 기초연구는 오래 지속되기 어렵고 탄탄한 기초에 기반을 두지 않은 응용연구는 사상누각이 될 수 있습니다. Nano Energy 저널의 부편집장으로서 논문심사를 진행할 때, 너무 응용측면에 치우친 단순 실증 (demonstration)이 중점인 논문이나 연구목적이 명확하지 않은 논문은 게재불가 판정을 내립니다. 더불어 제가 최근 개인적으로 관심 있는 연구는 에너지 기술에 기반을 둔 의료 및 환경분야 연구라고 간단히 말씀 드릴 수 있을 것 같습니다.

창의적 연구와 더불어 인재양성에도 큰 노력을 기울이셨는데요. 평소 연구자로서, 스승으로서 학생들과 연구실 구성원들에게 강조하는 내용도 소개해주세요.

소통을 제일로 강조합니다. 제가 신소재공학과에 소속되어 있습니다만, 저희 연구실에는 소재전공 뿐만 아니라 기계, 전기전자, 화공, 물리, 화학 등 다양한 전공출신의 학생들이 연구를 수행합니다. 無에서 有를 창조하기 보다는 有와 有가 만나 새로운 창의적인 有를 창조하는 것이 목표인데요. 이를 위해서는 그룹 구성원 간의 소통, 상호존중 및 신뢰를 기반으로 한 팀워크가 매우 중요합니다. 그리고 다른 그룹들과의 협력, 특히 해외그룹과의 협력연구를 적극 독려하고 있습니다. 더불어 저희 연구실은 연구의 연속성 및 수월성 측면에서 석사과정은 모집하지 않고 석박사통합과정 및 박사과정만으로 이루어져 있기 때문에 지도교수로서 학생들에 대한 책임감이 더욱 큽니다. 창의적이고 훌륭한 연구자로 성장할 수 있도록 재학 중에는 국내외 공동연구를 적극 지원하고 박사학위 후에는 세계적 연구그룹에서 박사후연구원으로 활약할 수 있게 독려하고 있습니다.

원천기술 개발부터 기술이전, 산학협력, 학술활동에 이르기까지 열정 넘치는 연구자이신데요. 교수님께 귀감이 되어준 인물이 있다면 소개해주세요.

대학졸업 후 광주과기원 신소재공학과 박성주 교수님 연구실로 진학했습니다. 교수님께서는 연구자로서 최선을 다하시는 모습을 항상 보여주셨고, 학생들의 연구수행에 지원을 아끼지 않으셔서 석사과정 동안 연구의 재미와 연구에 임하는 참 자세에 대해서 배울 수 있었습니다. 또 박사과정을 지도해 주신 교토대학 후지타 시게오(Shigeo Fujita) 교수님은 당시 암으로 투병 중이셨음에도 교수로서의 삶에 최선을 다하셨고 임종을 얼마 안 남긴 상황에서도 유언으로 제 졸업을 끝까지 챙겨주신 것을 잊을 수가 없습니다. 마지막으로 조지아텍의 왕종린 교수님입니다. 2009년 보잘 것 없던 저를 세계 무대로 이끌어 주시고 제가 매너리즘에 빠질 때 마다 일으켜 세워주셨습니다. 지금도 변함없이 저를 성원하고 지원해주는 선배 교수이자 동료 연구자, 그리고 인생의 멘토이십니다.

궁극적으로 도전하고 싶은 목표는 무엇인가요?

조지아텍 왕종린 교수님과 10여년 이상 함께 관련 분야를 이끌어 오며 위기도 많았습니다. 중간 중간 포기하고 싶었던 순간도 있었는데, 많은 연구자가 관심을 갖고 새롭게 뛰어드는 것을 보며 격세지감을 느낍니다. 최근에는 정전기를 이용한 나노발전기를 의료 및 환경분야에 접목하는 연구를 진행하고 있습니다. 정전기 현상은 기원전 처음 발견됐지만 아직도 밝혀지지 않은 과학적 이슈가 산재해 기초연구로도 흥미 있는 토픽입니다. 지난 10년 나노발전기에 매진한 만큼 관련 기술을 상용화하고 새로운 응용분야를 찾아 끊임없는 도전을 지속하고 싶습니다.

미래 과학자를 꿈꾸는 학생들에게 한 말씀 부탁드립니다.

학창시절 제가 과학자의 길에 들어설 줄은 생각지 못했습니다. 대학원에 진학하며 어느 순간 연구의 재미를 알게 되었고, 전공서적에서 접했던 지루했던 내용이 제 연구의 원리를 설명해 줄 보석처럼 다가왔습니다. 지금까지 한 번도 제가 머리가 좋다는 생각을 해 본적이 없습니다. 그러나 항상 남들이 하지 않았던 일을 찾았고, 지금까지도 찾고 있습니다. 학교에서 수업을 하다보면 가끔 기존의 학문 틀에 얽매여 있는 학생들을 보곤 합니다. 미래 과학자를 꿈꾸는 학생들이 자신만의 호기심과 창의적 사고를 꾸준하게 지켜나갔으면 좋겠습니다. 마지막으로 과학자의 길을 생계유지 수단이 아닌 본인의 취미이자 천직(天職)으로 생각하고 과학자의 삶을 사랑한다면 세계적인 과학자가 한국에서 많이 배출되지 않을까 생각합니다.

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