생체적합 소재만으로 구성, 높은 유연성에도 누전 및 누액 없고 뛰어난 내구성의 완전 생체적합형 고성능 슈퍼커패시터 섬유 개발

[실시간 해와 토토사이트필요성]

심박조율기, 신경자극기, 헬스케어 센서, BCI(Brain-Computer Interface) 등 차세대 이식형 전자 시스템은 장기간 안정적으로 에너지를 공급할 수 있는 안전한 에너지 저장 장치를 필요로 한다. 그러나 현재 대부분 바이오 전자 시스템에 사용되는 에너지 저장 장치는 소재의 독성, 발열, 누액, 누전, 폭발 등 다양한 안전성 문제를 내포하고 있으며, 유연성의 부족으로 인해 체내의 복잡한 구조나 움직임에 적응하지 못하여, 생체 내의 장기나 조직에 물리적 스트레스를 줄 수 있다. 따라서 바이오 목적의 차세대 에너지 저장 장치는 생물학적, 전기적, 화학적으로 안전하면서도 체내의 복잡한 해부학적 구조에 안정적으로 적응 가능한 높은 유연성이 필수적이다.

지금까지 완전 생체적합 소재를 사용하면서도 유연성, 장기 안정성, 전기화학 성능을 모두 만족하는 바이오 에너지 저장 장치를 구현하는 것은 큰 도전 과제였다. 이러한 기술이 확보되면, 인체에 삽입된 상태에서 장기간 안전하게 다양한 의료기기와 BCI 시스템을 구동할 수 있어, 차세대 이식형 전자 시스템의 상용화를 앞당길 수 있다.

[실시간 해와 토토사이트성과/기대효과]

실시간 해와 토토사이트팀은 본 실시간 해와 토토사이트를 통해, 완전 생체적합 소재만으로 구성된 고성능 섬유형 슈퍼커패시터를 개발했다. 열인발(thermal drawing) 공정을 통해 전극·전해질·집전체·패키징을 수백 μm 직경의 한 가닥의 섬유 형태로 완전히 통합하여, 체내 삽입에 적합한 초소형, 고유연성의 구조를 구현하면서도, 체내에서 장기간 안정적인 에너지를 공급하는 데 성공했다.

이 에너지 저장 장치는 뛰어난 유연성과 내구성을 바탕으로 생체 내의 복잡한 구조 하에서 성능의 저하 없이 안정적으로 작동하며, 자유롭게 움직이는 동물 모델에서의 생체적합 에너지 저장 장치의 안정적인 구동을 세계 최초로 구현하는 데 성공하였다. 또한, 쥐의 체내에 이식된 LED에 에너지를 공급하여, 말초신경 및 중추신경에 대한 광유전학적 자극에도 성공하였으며, 체내에서 5주 이상의 기능을 유지하여 세계 최고 수준의 장기간 사용성을 달성하였다.

뿐만 아니라, 이번에 개발된 섬유형 슈퍼커패시터는 완전 생체적합 소재로 구성되고 누전과 누액을 방지하는 완전 패키징 공정 기술을 적용하는 것으로, 기존 에너지 저장 장치의 문제점을 원천적으로 줄이는 동시에, 섬유 형태의 유연성을 통해 다양한 기계적 변형 환경과 복잡한 해부학적 구조하에서도 안정적인 성능을 유지한다.

열인발 공정을 통한 대량 생산이 가능해 산업 확장성이 높으며, 향후 심박조율기, 신경자극기, 이식형 센서, BCI 등의 차세대 이식형 전자장치 기술로의 응용이 기대된다.

40학부대학

토토사이트 첨단융합학부 박성준 교수 실시간 해와 토토사이트팀 (토토사이트 의학실시간 해와 토토사이트원 전성하 박사, KAIST 바이오및뇌공학과 서현엽·김예지 박사과정)과 경희대 식물·환경신소재공학과 이정태 교수 실시간 해와 토토사이트팀 등으로 구성된 공동실시간 해와 토토사이트진이 완전 생체적합 소재로 만든 섬유형 슈퍼커패시터를 개발하고, 이를 통해 자유 보행 동물모델에서 생체적합 에너지 저장 장치의 안정적 구동을 세계 최초로 5주 이상 구현하였다.

현재 심박조율기, 신경자극기, 헬스케어 센서, BCI (Brain-Computer Interface) 시스템 등 대부분의 이식형 전자기기는 리튬 기반 배터리를 전원으로 사용한다. 리튬 기반 배터리는 소재의 독성·발열·누액 등의 안전성 문제가 있고, 유연성의 부족으로 인해 체내의 복잡한 구조나 움직임에 적응하지 못하여, 생체 내의 장기나 조직에 물리적 스트레스를 부가할 수가 있었다. 따라서 바이오 목적의 차세대 에너지 저장 장치는 소재적으로 안전하면서도 체내의 복잡한 해부학적 구조에 안정적으로 적응 가능한 높은 구조적 유연성을 필요로 한다.

실시간 해와 토토사이트팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 PVA/PEG/Borax 하이드로겔 기반의 고인성·자가치유 전극·전해질을 개발하였다. 또한 열인발(thermal drawing) 공정을 이용하여, 개발된 전극과 전해질 그리고 고분자 기반의 집전체와 패키징을 수백 μm 직경의 단일 섬유 형태로 통합하여, 체내 삽입에 적합한 초소형·고유연성의 구조를 구현하는 데 성공하였다. 모든 구성 요소가 완전 생체적합 소재로 제작되어 장기 이식 시 소재적 안전성을 확보한다.

개발된 섬유형 슈퍼커패시터는 뛰어난 유연성과 내구성을 바탕으로 굽힘·비틀림·매듭 등 다양한 기계적 변형과 복잡한 체내 구조 속에서도 전기화학 성능 저하 없이 안정적으로 작동한다. 실시간 해와 토토사이트팀은 개발된 생체적합 에너지 저장 장치를 이용하여, 자유롭게 움직이는 실험용 쥐의 체내에서 LED를 구동하는 것으로 안정성과 실용성을 검증하였고, 말초신경 (좌골신경) 및 중추신경 (대뇌신경) 대상 광유전학적 자극 또한 세계 최초로 성공적으로 시연했다. 또한 체내 5주 이상 연속 구동이라는 세계 최고의 장기간 사용성을 기록했다.

박성준 교수는 “이번 기술은 영화 〈매트릭스〉 속 뇌-기계 인터페이스 기술이나 애니메이션 〈공각기공대〉 속의 인공장기·인공의족 처럼, 향후 인체와 통합되는 장치가 안전하게 에너지를 공급받아 안정적으로 작동할 수 있는 핵심 기반을 마련했다”라며 “우수한 생체적합성과 높은 유연성, 장기간 내구성을 동시에 갖춘 이 기술은 차세대 이식형 전자 시스템 개발에 큰 기여를 할 것”이라고 밝혔다.

아울러 열인발 공정은 공정 특성상 대량 생산과 제조 확장성에 유리해 상용화 관점에서도 장점을 갖는다. 향후 이 기술은 심박조율기, 신경자극기, 이식형 센서, BCI 등의 차세대 이식형 전자 장치와의 다양한 기술 협력으로 확장될 것으로 기대된다.

본 실시간 해와 토토사이트는 국제 학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 게재되었으며(논문명: Fully Biocompatible, Thermally Drawn Fiber Supercapacitors for Long-Term Bio-Implantation),한국실시간 해와 토토사이트재단, 범부처재생의료기술개발사업단, 보스턴코리아사업단, 토토사이트의 실시간 해와 토토사이트 지원을 받아 수행되었다.

전극, 전해질, 집전체, 패키징을 모두 완전 생체적합 소재로 구성한 섬유형 슈퍼커패시터를 개발함. 열인발 공정을 통해 수백 μm 직경의 단일 섬유 구조로 통합하였으며, 우수한 유연성과 내구성 바탕으로 굽힘·비틀림·매듭 등의 기계적 변형이나 복잡한 체내 변형 환경에서도 전기화학 성능의 저하나 누전, 누액의 문제없이 장기간 안정적인 구동을 달성함. 해당 장치는 쥐의 체내에 이식되어 5주 이상 연속 구동에 성공하여 세계 최고 수준의 장기간 사용성을 입증했으며, 말초신경 (좌골신경) 및 중추신경 (대뇌신경)에 대한 광유전학적 자극도 성공적으로 수행됨. 본 기술은 심박조율기, 신경자극기, 이식형 센서, BCI 등의 차세대 이식형 전자 장치와의 다양한 기술 협력으로 확장될 것으로 기대됨.

[실시간 해와 토토사이트결과]

Fully Biocompatible, Thermally Drawn Fiber Supercapacitors for Long-Term Bio-Implantation

Sungha Jeon*, Hyeonyeob Seo*, Yeji Kim*, Youngin Choi, Youngbin Lee, Youngmin Jung, Somin Lee, Jung Tae Lee#, and Seongjun Park#
(Nature Communications, 16, 8207 (2025), https://www.nature.com/articles/s41467-025-63649-y)

[그림설명]

그림. 고유연성, 고성능, 고내구성을 가지는 완전 생체적합 섬유형 슈퍼커패시터에 대한 모식도