기계연 허신 박사팀, 소리의 전기신호 변환 '무전원 소자' 개발
전력소모 적고 완전체내이식 가능…'청각장애인 삶의 질 향상 기대'

생체모사 인공달팽이관의 핵심 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 

한국기계연구원(원장 임용택)은 허신 나노자연모사연구실 박사팀이 신개념 인공와우의 핵심소자인 '생체모사 무전원 인공기저막 소자'를 세계 최초로 개발했다고 3일 밝혔다.

허신 기계연 나노자연모사연구실 박사. <사진=기계연 제공>
허신 기계연 나노자연모사연구실 박사. <사진=기계연 제공>
무전원 인공기저막 소자는 생체 전기신호를 발생하는 달팽이관의 기저막과 유모세포를 모사한 것을 말한다.

실로폰과 유사한 사다리꼴 형상의 압전박막 인공기저막은 소리의 주파수 성분을 분리해 주는 기능과 분리된 신호를 자체적으로 발생한 전기신호로 변환해 주는 기능을 가지고 있다.

이번에 개발된 소자는 생체 달팽이관의 기저막과 유모세포의 기능을 모사해 소리 신호 주파수를 기계적으로 분리했다.

각각 분리된 주파수 성분은 전기신호로 변환돼 청신경을 자극할 수 있다.

이 소자는 ▲압전박막 인공기저막 ▲전극채널 ▲액체 챔버 ▲신호입력부로 구성됐다.

작동 원리는 소리 음압이 고막을 통해 이소골의 접속핀과 연결된 소자의 입력부에 전달되고, 음압에 의해 챔버 내부의 유체를 통해 소리를 전파 시키는 방법이다. 

전파된 소리 주파수는 압전소재 인공기저막의 특정 위치의 주파수와 공진현상으로 국부적인 변형이 발생하게 된다. 그 변형에 따라 전기신호가 발생된다.  이 신호를 주파수대역 100Hz~5,000Hz에서 6채널의 주파수 성분으로 분리할 수 있으며, 생체적합성 타이타늄 소재를 사용해 40mm×20mm 크기로 체내 이식할 수 있다.

이를 통해 기존 소자의 문제점도 해결했다.

기존 소자는 마이크로폰 소자로 소리신호를 전기신호로 변환하고, 신호처리 전자 칩을 통해 주파수 분리를 진행한다. 때문에 전력소모가 크고, 체내와 체외 장치로 되어 있어 장애에 대한 노출이 있다는 단점이 있었다.

이번에 개발된 소자는 상대적으로 전력소모가 적고 완전 체내이식이 가능하다. 또  작동원리가 실제 달팽이관의 소리 감지 메커니즘과 유사해 신호처리를 한층 간단하게 할 것으로 기대된다. 

이 소자는 완전이식형 신개념 인공와우 장치에 통합해 체내 이식될 수 있다. 따라서, 청각장애인의 장애 노출 최소화, 배터리 교체 불편함 해소도 가능해졌다. 

허신 박사는 "태어날 때부터 달팽이관이 손상돼 청각 고도장애를 지니고 태어나는 아기가 1000명당 1명, 난청 환자는 인구 1,000명당 4.4명이나 된다는 말에 연구를 시작했다"며 "개발된 기술은 ▲체내이식형 인공와우 ▲에너지 수확소자 ▲수중 음향센서 ▲특수용 음향분석기 등에 응용될 수 있다"고 밝혔다. 

이번 연구 결과는 Advanced Functional Materials지 표지 논문으로 게재됐다. 또 ▲논문 9편 (SCI 5편) ▲특허등록 15건 (국외등록 3건) ▲특허출원 15건의 성과를 달성했다. 

한편, 이번 연구는 미래부 미래유망융합기술 파이오니아사업의 생체모사 인공청각계 융합연구단(단장 김완두)의 지원을 받아 수행됐다.​

생체모사 인공기저막 소자의 구성. <자료=기계연 제공>
생체모사 인공기저막 소자의 구성. <자료=기계연 제공>
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