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청각장애인을 위한 생체모사 소자 기술 개발

기계연, 소리를 전기신호로 변환하는 무전원 소자 개발

기사입력 2014-12-31 15:54:02
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청각장애인을 위한 생체모사 소자 기술 개발
한국기계연구원 나노자연모사연구실 허신 박사




[산업일보]
청각장애인들의 삶의 질을 향상시킬 생체모사 인공달팽이관의 핵심 기술이 개발됐다. 귓속 달팽이관을 모사해 소리 감지 기능을 구현하는 생체기계전자 소자의 세계 최초 기술이다.

미래창조과학부 산하 한국기계연구원(원장 임용택) 나노자연모사연구실 허신 박사팀은 미래창조과학부 미래유망융합기술 파이오니아사업의 생체모사 인공청각계 융합연구단(단장 김완두)의 지원으로 신개념 인공와우의 핵심소자인 ‘생체모사 무전원 인공기저막 소자’를 개발했다.

개발된 인공기저막 소자는 생체 달팽이관의 기저막과 유모세포의 기능을 모사해 소리 신호의 주파수를 기계적으로 분리하고, 각각의 분리된 주파수 성분을 전기신호로 변환해 청신경을 자극할 수 있도록 개발한 소자이다.

이 소자는 압전박막 인공기저막, 전극채널, 액체 챔버, 신호입력부로 구성돼 있다. 소리 음압이 고막을 통해 이소골의 접속핀과 연결된 소자의 입력부에 전달되고 음압에 의해 챔버 내부의 유체를 통해 소리가 전파되는 것이 생체모사 인공기저막 소자의 작동 원리이다. 전파된 소리 주파수는 압전소재 인공기저막의 특정 위치의 주파수와 공진현상으로 국부적인 변형이 발생하고, 그 변형에 따라 전기신호가 발생하게 되며, 이것이 결국 소리의 각 주파수 성분에 대한 전기신호를 발생하는 것이다.

또한 소리신호를 주파수대역 100Hz~5,000Hz에서 6채널의 주파수 성분을 분리할 수 있는 성능을 가지고 있다. 생체적합성 타이타늄 소재를 사용해 40mm×20mm 크기로 패키징돼 체내 이식도 가능하다.



기존의 인공와우 달팽이관 소자는 마이크로폰 소자를 사용해 소리신호를 전기신호로 변환한 다음, 신호처리 전자 칩을 통해 주파수 분리가 진행돼 전력소모가 크고, 체내 및 체외 장치로 돼 있어 장애에 대한 노출이 있어 왔다. 이번에 개발된 생체모사 인공기저막 소자는 기존 방식과는 달리 전력소모가 적고 완전 체내이식이 가능하며 작동원리가 실제 달팽이관의 소리 감지 메커니즘과 유사해 신호처리를 한층 간단하게 할 것으로 기대된다.

개발된 기술은 완전이식형 신개념 인공와우 장치에 통합돼 체내에 이식될 수 있어 청각장애인들의 장애 노출을 최소화시킬 수 있으며, 배터리 교체의 불편함도 해소 가능하다. 궁극적으로 달팽이관이 손상된 고도의 청각장애인의 삶의 질 향상에 크게 기여할 전망이다.

연구책임자인 허신 박사는 “태어날 때부터 달팽이관이 손상돼 청각 고도장애를 지니고 태어나는 아기가 1000명당 1명, 한해 400~500명에 이르고, 난청 환자는 인구 1,000명당 4.4명이나 된다는 말에 이 연구를 시작하게 됐다”며, “개발된 생체모사 인공달팽이관 소자 기술은 체내이식형 인공와우 및 에너지 수확소자, 수중 음향센서, 특수용 음향분석기 등에도 응용이 가능하다”고 밝혔다. 본 기술의 세계시장 규모는 2020년 약 26.0억 달러(약 2조 6000억 원) 수준으로 예상된다.

또한 본 융합연구단의 KAIST 신소재공학과 이건재 교수, 서울의대 이비인후과 오승하 교수, 기계연의 허신 박사는 서로의 강점 기술을 융합해 연구한 “고효율 유연 압전박막 기반의 인공 기저막 연구”결과를 세계적인 저널인 Advanced Functional Materials의 2014년 표지 논문에 게재했다. 본 논문의 핵심기술은 유기소재 압전박막(PVDF)의 단점인 미약한 전기신호 발생을 보완하기 위해 무기소재 압전박막(PZT)을 유연기판에 전사해 기존의 압전박막 인공기저막 소자의 감도를 획기적으로 향상시켰다는데 의의가 있다.

한편 이번 연구개발을 통해 논문 9편 (SCI 5편), 특허등록 15건 (국외등록 3건), 특허출원 15건의 연구성과를 이루었으며, 기계·전자·신소재 공학의 전문가들과 융합을 통한 연구로 KIST 융합연구정책센터의 융합연구 우수사례로 선정되기도 했다.



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