DGIST, 마찰전기 이용한 차세대 인공와우 제작 기술 개발

최홍수 디지스트 교수
최홍수 디지스트 교수

국내 연구팀이 기존 인공와우(Cochlear implant)의 한계를 극복할 수 있는 차세대 인공와우 핵심기술을 개발했다.

최홍수 디지스트(DGIST) 로봇공학전공 교수 연구팀은 마찰전기 원리를 이용해 달팽이관 기능을 모사한 인공기저막을 세계 최초로 개발했다고 13일 밝혔다.

인간의 달팽이관 내부에는 기저막(Basilar Membrane)이라는 유연한 막이 있다. 외이와 중이를 통해 전달된 소리신호 주파수가 기저막의 물리적 특성에 의해 기계적으로 분리된다.

기저막의 움직임은 달팽이관 유모세포를 움직여 생체전기신호를 만들고 청각 신경세포를 자극해 최종적으로 뇌가 소리를 인식한다.

고도 난청에 해당하는 감각신경 난청환자는 인공와우 수술이 소리를 들을 수 있는 유일한 방법이다. 하지만 인공와우 장치는 체외 노출로 인한 장애, 복잡한 전기신호 처리 회로, 잦은 배터리 충전, 높은 생산단가 등이 문제점으로 지적돼 왔다.

인공와우 단점을 개선하기 위해 국내외 연구진에서 압전물질을 이용한 인공기저막을 개발한 바 있다. 하지만 압전물질 기반 인공기저막은 사람 음성에 비해 상대적으로 높은 주파수 응답범위와 낮은 감도, 압전물질 및 실리콘 기반 공정이 복잡하다는 단점이 있다.

최홍수 교수 연구팀이 장정훈 아주대병원 교수 연구팀과 함께 개발한 마찰전기 기반 인공기저막은 달팽이관 주파수 분리 기능과 에너지변환 기능을 폴리이미드 필름과 알루미늄 필름 사이에서 발생하는 마찰전기를 이용해 구현했다.

연구팀은 이렇게 제작한 인공기저막은 동물의 청력 복원에 활용될 수 있음을 실험을 통해 증명했다.

디지스트 로봇공학전공 최홍수 교수 연구팀이 마찰전기 기반 인공기저막(TEABM)을 활용해 동물실험을 하고 있다.
디지스트 로봇공학전공 최홍수 교수 연구팀이 마찰전기 기반 인공기저막(TEABM)을 활용해 동물실험을 하고 있다.
디지스트 로봇공학전공 최홍수 교수 연구팀이 개발한 마찰전기 기반 인공기저막(TEABM))
디지스트 로봇공학전공 최홍수 교수 연구팀이 개발한 마찰전기 기반 인공기저막(TEABM))

연구팀은 기술 개발에 최근 주목받고 있는 마찰전기를 이용한 나노발전기술(TENG)을 적용했다. 나노발전기술은 두 물질이 접촉할 때 발생하는 대전 및 정전기 유도 원리를 이용한 것이다. 기계 에너지를 전기에너지로 변환한다.

연구팀은 폴리이미드 필름과 알루미늄 필름 사이에서 발생하는 마찰전기를 이용해 음성 영역의 특정 주파수에 반응하도록 빔의 폭, 길이 등을 설계했다. 이를 통해 음성 영역에 해당하는 4㎑ 이하 음향 자극에 반응하는 전기신호를 생성했다.

생성된 전기신호를 신호처리회로와 전극어레이를 이용해 청력이 손상된 동물 청성뇌간유발반응을 측정한 결과 작동주파수 영역이 음성 영역에 가깝고 감도도 기존대비 7배 정도 높았다.

최 교수는 “이는 배터리와 복잡한 전기신호 처리회로가 필요 없는 차세대 인공와우를 개발할 수 있는 핵심기술”이라며 “고도 난청 환자들이 청력을 회복할 수 있도록 상용화 연구를 추진할 것”이라고 말했다.

이번 연구 성과는 바이오소재 분야 국제학술지 `어드밴드스 헬스케어 머티리얼스(Advanced Healthcare Materials)` 온라인판에 게재됐다.

대구=정재훈기자 jhoon@etnews.com