연세대학교 화공생명공학과 홍진기 교수 연구팀은 중앙대학교 이상민 교수팀과 공동연구를 통해 인체로 전자기파가 전달될 때 국소 부위에 전기장이 집중된다는 현상을 발견하고, 이를 통해 배터리, 전선, 심지어 발전기도 필요없이 자체적인 전기 자극으로 세포 에너지를 생산 하면서 동시에 전기 에너지를 생산할 수 있는 신기술을 개발했다.

비침습적이며 화학물질을 사용하지 않는 전기 자극 기술은 노령화 시대에 맞추어 가장 유망한 바이오 헬스케어 분야로 간주된다. 그러나 일상생활 속 전기자극을 구현하기에는 배터리나 전선 등 사용자의 불편함을 초래하는 문제가 있었으며, 이를 극복하기 위한 소형/나노발전기들이 개발되어 왔으나 부수적인 발전기의 설치나 자극부와의 전선 연결 등 여전한 한계점이 존재했다.

한편 인체는 세포질, 세포외액 등 복합적인 물질로 이루어져 있으며 높은 유전율을 갖기 때문에 전자기파를 손쉽게 전달할 수 있다. 인체의 전자기파 전달 특성을 활용하여 인체 무선 통신 기술이나 인체 매개 에너지 발전 기술들이 제시되어 왔으나, 이러한 인체 매개 기반 에너지 활용 기술이 생체조직에 미치는 영향은 확인된 바가 없었다. 결국 인체에 미치는 영향이 제대로 확인되지 않아 관련 기술들의 파급력이 저하되는 등 많은 한계에 부딪혀 왔다.

연세대 홍진기 교수팀과 중앙대 이상민 교수팀은 스마트폰과 같은 주변 전자기기나 신발, 옷 등에서 발생하는 정전기가 인체를 통해 전달될 때 국소적으로 전기장을 집중시키지만, 이것이 오히려 긍정적인 생리적 효과를 가져온다는 것을 밝혀냈다. 이러한 전기장은 임상에서 근육 피로를 줄이는 효과를 가져왔으며, 피로 감소율은 6.4%에 이르렀다 (P-값 = 0.020). 이러한 전기장의 파형 (교류 및 직류) 및 세기(~3000 mV/mm)는 목적 (유용성, 에너지 세기)에 따라 여러 변수 (접지 방법, 외부 저항, 충전 커패시터)를 통해 조절할 수 있음을 보여주었다. 또한 피부 아래에서 전기 자극이 이루어짐과 동시에 피부 바깥에서는 새로운 전기에너지가 생성되며 소형 디스플레이(1.5 mW)가 반영구적으로 구동될 수 있음을 보였다. 전기자극을 통한 세포 에너지(ATP)와 피부 바깥에서 생성되는 전기 에너지의 동기식 생성은 추가적인 배터리나 와이어링을 필요로 하지 않으며, 소형/나노발전기도 필요가 없다.

특히, 이번 연구의 핵심은 자극부의 설치된 전극을 제외하고 그 어떠한 부수적인 장치가 필요 없다는 점이고, 전기 자극 뿐만 아니라 동시에 소형 전자기기를 충전시킬 수 있다는 점이다. 전기 자극을 하고 싶은 부위에 간단한 전극을 붙인 뒤에, 핸드폰을 잡거나, 걸으면 자연스럽게 전기 에너지와 세포 에너지가 동시에 생성된다.

연세대 홍진기 교수는 “이번 연구는 전원 공급과 전기 배선이 필요한 기존 웨어러블 기술과 비침습적 전기 자극 치료의 한계를 동시에 해결할 수 있기 때문에 두 기술 모두의 상용화에 기여할 수 있을 것이라 기대하며, 이러한 결과가 과학계에서 즉시 활용될 것으로 믿습니다. 또한, 이 결과가 모든 인체 매개 관련 연구의 잠재력을 높일 수 있다고 강조합니다.”라고 전했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부가 추진하는 기초연구실지원사업과 과학기술정보통신부, 산업통상자원부, 보건복지부 공동으로 추진하는 국가신약개발사업의 지원으로 연세대 용형석 박사, 송현희 연구원 및 중앙대 김동창 연구원이 공동 1저자로 참여했고, 세계적인 에너지 기술 분야 국제 저명 학술지 (IF=23.991) ‘ACS Energy Letters’에 표지논문으로 게재 되었다.

Professor Jinkee Hong's research team in the Department of Chemical and Biomolecular Engineering at Yonsei University, in collaboration with Professor Sangmin Lee's team from Chung-Ang University, found that electric fields are concentrated locally when electromagnetic waves are transferred to the human body. With this discovery, they has developed a remarkable technology that enables the synchronous generation of cellular and electrical energies without the need for batteries, wiring, or even generators.

Electrical stimulation, which is non-invasive and chemical-free technology, has been considered the most promising solution for bio-healthcare field with the aging era. However, implementing electrical stimulation in daily life has caused inconvenience to users such as batteries and wiring. To overcome this, small/nano-generators have been developed but there are still limitations such as installation of additional generators or wire connection with the stimulation part.

On the other hand, the human body is made of complex substances such as cytoplasm and extracellular fluid and has a high permittivity, so electromagnetic waves can be easily transmitted. Human body communication technologies or body-mediated (body-coupled) energy generation technologies have been proposed using the electromagnetic wave transmission characteristics of the human body, but the impact of these human-body-mediated energy utilization technologies on living tissues has not been confirmed. In the end, the impact on the human body has not been properly confirmed, and the ripple effect of related technologies has been reduced, which has faced many limitations.

Professor Jinkee Hong of Yonsei University and Professor Sangmin Lee of Chung-Ang University found that electric field is concentrated inevitably and locally under the skin when electromagnetic waves and static electricity (triboelectrification) generated from nearby electronic devices such as smartphones, shoes, and clothes is transmitted through the human body. However, this electric field concentration leads to positive physiological effects. These electric fields had the effect of reducing muscle fatigue (up to 6.4% with P-value = 0.020). It has been shown that the waveforms (AC and DC) and intensity (~3000 mV/mm) of these electric fields can be adjusted through several variables (grounding method, external resistance, charging capacitor) depending on the purpose (usefulness, energy intensity). In addition, it was shown that while electrical stimulation occurs beneath the skin, a new electrical energy is simultaneously generated outside the skin, allowing for the operation of small displays (1.5 mW) semi-permanently. This synchronous generation of cellular energy (ATP) and electrical energy does not require additional batteries or wiring, nor does it require small/nano-generators.

In particular, the core of this study is that no additional device is required except for the electrodes installed in the stimulation part, and it is possible to charge small electronic devices as well as electrical stimulation at the same time. After attaching a simple electrode to the area where you want to stimulate electricity, holding smartphone or walking naturally generates electrical energy and cellular energy simultaneously.

Professor Jinkee Hong said, "We believe that this study can contribute to the commercialization of both existing wearable and non-invasive electrical stimulation technologies that require power supply and electrical wiring at the same time. Furthermore, we emphasize that our results can boost the potential of all body-mediation-related studies by enhancing their usability and impact."

This research was supported by Basic Research Laboratory (BRL) grant from the National Research Foundation and Korea Drug Development Fund funded by Ministry of Science and ICT, Ministry of Trade, Industry, and Energy, and Ministry of Health and Welfare. Dr. Hyungseok Yong, Song Hyun-hee, and Chung-Ang University's Dongchang Kim participated as first authors. The research was published as a cover paper in ‘ACS Energy Letters’, the internationally renowned academic journal in the field of energy.

ACS Energy Letters (2023) (IF:23.991)
Published: June 9, 2023
https://doi.org/10.1021/acsenergylett.3c00708