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자가발전 삽입형 의료기기를 위한 유연 압전 에너지 하베스터의 체내 생체역학 에너지 수확 특성평가 = Characterization of in-vivo biomechanical energy harvesting using flexible piezoelectric generators for self-powered biomedical implants
서명 / 저자 자가발전 삽입형 의료기기를 위한 유연 압전 에너지 하베스터의 체내 생체역학 에너지 수확 특성평가 = Characterization of in-vivo biomechanical energy harvesting using flexible piezoelectric generators for self-powered biomedical implants / 김동현.
저자명 김동현 ; Kim, Dong Hyun
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2017].
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8030551

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초록정보

Additional surgeries for implantable biomedical devices are inevitable to replace discharged batteries, but repeated surgeries could serve as big risk to patients causing bleeding, inflammation, and infection. Therefore, developing self-powered implantable devices is essential to reduce the patient’s physical/psychological pain and financial burden. Although flexible piezoelectric energy harvesting technology has attracted huge attentions for self-powered system, output power was too low to operate practical electronic applications. In this study, we report highly efficient in vivo energy harvesting enabled by single crystalline PMN-PZT which has outstanding piezoelectric characteristics. The excellent biocompatibility of the device was also proved by cytotoxicity test and histological analysis, and then large animal experiment was conducted to show the practical usage of the device in human body before human clinical trial. The single crystalline PMN-PZT energy harvester generated open-circuit voltage of 17.8 V and short-circuit current of 1.74 μA from porcine heartbeats, which were higher by a factor of 4.45 and 17.4, respectively, than previous in vivo results using piezoelectric energy harvester. As powerful application, wireless communication was operated with the energy derived from contraction and relaxation of a porcine heart because most of implantable health-monitoring devices contain the function of wireless data transmitting. This successful wireless data transmission shows the possibility of practical application directly using in vivo biomechanical energy harvesting.

인체 삽입형 의료기기는 배터리 교체를 위한 주기적인 추가 수술을 필요로 한다. 하지만 반복되는 수술은 환자에게 출혈이나 염증, 감염 등을 야기할 수 있어 큰 부담으로 작용한다. 따라서 환자들의 정신적, 육체적, 경제적 부담을 덜기 위해서 삽입형 의료기기를 자가발전 하도록 만드는 것은 필수적이다. 이를 위해 압전 물질을 유연하게 만들어 체내의 생체역학적 움직임을 전기 에너지로 변환하는 방법이 큰 주목을 받고 있지만, 아직까지는 그 출력이 낮아 실질적인 어플리케이션 구동이 불가했다. 본 연구에서는 압전 특성이 뛰어난 단결정 PMN-PZT 를 사용함으로써 체내 생체역학 에너지 하베스팅의 출력을 크게 증가시켰다. 인체 적용 가능성을 검토하기 위해 세포 독성 평가 및 조직학 분석을 통하여 소자의 생체적합성을 확인하였고, 임상실험으로써 대형동물실험을 진행하였다. 돼지의 심장박동으로부터 17.8 V 의 개방회로전압과 1.74 μA 의 단락회로전류를 얻어내었으며, 이는 유연 압전 에너지 하베스터를 이용한 기존 연구 대비 각각 4.45 배, 17.4 배 높은 값이었다. 실시간 건강 진단에 사용되는 삽입형 의료기기는 무선 데이터 전송기능을 필요로 하는데, 수확된 에너지를 이용하여 무선통신을 구동함으로써 체내 생체역학 에너지의 실제적인 사용 가능성을 증명하였다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {MMS 17007
형태사항 v, 72 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 한국어
일반주기 저자명의 영문표기 : Dong Hyun Kim
지도교수의 한글표기 : 이건재
지도교수의 영문표기 : Keon Jae Lee
학위논문 학위논문(석사) - 한국과학기술원 : 신소재공학과,
서지주기 참고문헌 : p. 69-72
주제 압전 단결정
유연 에너지 하베스터
생체역학 에너지 하베스팅
대형 동물실험
생체 적합성
Piezoelectric single crystal
Flexible energy harvester
Biomechanical energy harvesting
Large animal experiment
Biocompatibility
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