Wireless Electrical Power Delivery Using Light through Soft Skin Tissues under Misalignment and Deformation

Abstract

인체 삽입 의료기기는 인체 내부에서 실시간 지속적인 모니터링 및 정밀 치료를 제공할 수 있어 개발이 활발히 이뤄지고 있다. 용량에 한계가 있는 배터리 대신 이러한 의료기기가 다양한 기능을 수행하기 위해서는 외부에서의 지속적인 에너지 공급이 가능해야 한다. 최근 빛 에너지를 받아 전기적 에너지로 변환시킬 수 있는 태양전지를 이용한 방법이 연구되고 있다. 하지만 태양 빛을 에너지원으로 사용하면 날씨나 계절에 영향 받고 실내 활동 시 제약이 있어 저희 그룹에서는 태양전지에 언제 어디서나 빛을 공급할 수 있도록 LED 배열로 이루어진 피부에 부착할 수 있는 유연성 광원 패치를 개발했다. 그러나 불투명하고 변형할 수 있는 피부를 사이에 두고 태양전지와 광원 패치의 오정렬 및 변형에 의한 전기적 성능 변화에 대한 분석은 보고된 바가 없다. 본 논문에서는 시스템의 실제 활용에서 발생할 수 있는 오정렬, 이식 깊이 및 변형에 따라 태양전지와 외부 광원 패치의 전기적 성능 특성에 관한 연구 결과를 보고했다. 실험의 경우 실제 인체 삽입 환경을 모사하기 위해 태양전지를 돼지 피부 아래에 위치하여 성능을 평가했다. 연구 결과를 통해 전력 생산량이 삽입 깊이와 오정렬의 증가로 인해 감소되는 것을 측정했다. 그러나, 더 넓은 광원 패치를 사용하면 오정렬에 의한 전력 성능 감소가 완화되는 것을 확인했다. 마지막으로 변형의 경우 방향이나 굽힌 정도와 관계없이 평평 했을 대비 10% 내의 감소가 일어남을 알 수 있다. 본 연구를 통해 얻은 특성 결과는 빛을 사용하는 무선 전력 전송 시스템의 상용화를 위한 설계에 중요하게 활용될 수 있을 것으로 기대한다.|Providing sustainable electrical power to medical electronic implants is key to enabling the diverse functions of implants and to avoiding repetitive replacement surgeries of depleted batteries. Subcutaneous photovoltaic energy harvesting with an external light source patch can be a reliable approach that provides sufficient power using light. However, from a practical perspective, aligning the external light source patch over opaque skin by patients may affect the amount of delivered electrical power. The amount of delivered power may also be affected by the deformation of the light source and receiver patches by thin skin layers. In this paper, we present an experimental and analytical study on the performance of a power implant under an animal skin depending on the implantation depth, lateral misalignment with the external light patch, and bending radius and direction. The results provide important characteristic data that are required for the design of wireless power transfer systems for medical implants.