낮은음부터 높은음까지 전 대역의 주파수에서 소리 전달력을 높인 신개념 골전도 보청기가 세계 최초로 개발됐다. 기존 골전도 보청기는 낮은음의 저주파 대역에서만 우수한 성능을 보였던 만큼, 이번 개발로 전 주파수 대역에서 높은 청각 보조 효과가 예상된다.

최준 고려대 안산병원 이비인후과·두경부외과 교수팀(제1저자 백현우 의생명연구센터 박사)은 박성훈 숭실대 기계공학부 교수팀(제1저자 이동관, 강병호 대학원생), 이상현 고려대 공대 전기전자공학부 교수팀, 손일수 서울과학기술대 컴퓨터공학과 교수팀과 함께 작성한 ‘전자기력과 정전기력 결합을 통한 그래핀 기반 하이브리드 골전도 보청기의 음압 출력 향상’(Enhancing sound pressure output in graphene-based hybrid bone conduction hearing aids through electromagnetic and electrostatic integration)’ 논문에서 소리 전달 성능을 강화한 하이브리드 골전도 보청기를 공개했다.

기존 부착형 골전도 보청기는 전자기 방식의 단일 구동방식으로 저주파 대역에서만 높은 성능을 보였다. 음압 레벨도 상대적으로 낮고 평탄하지 않아 전체적으로 소리의 크기가 작고 주파수에 따라 들쭉날쭉했다.

연구팀은 이 같은 기존 골전도 보청기의 한계를 극복하기 위해 전자기 방식과 정전기 방식을 결합한 하이브리드 구동 시스템을 구축, 이를 2차원 나노소재인 그래핀(graphene)에 결합한 새로운 골전도 보청기를 개발했다. 그래핀은 전자기력과 정전기력을 모두 수용할 수 있는 초경량·고성능 진동판 소재로 고주파수 영역에서 안정적인 성능을 제공할 수 있는 특징이 있다.

연구팀은 하이브리드 골전도 보청기의 음향 성능을 정략적으로 비교하기 위해 소리 반사를 없앤 무반향실에서 전자기 모드, 정전기 모드, 하이브리드 모드 각각의 음압 레벨을 측정했다. 그 결과 하이브리드 모드의 새 골전도 보청기는 전자기 모드와 정전기 모드에 비해 각각 최대 11.6dB, 20dB 이상의 우수한 음압 레벨을 보였고, 전 주파수 대역에서 보더 평탄하고 안정적인 주파수 응답을 나타냈다. 또 사람 두개골과 유사한 구조를 가진 토끼 모델을 활용한 청각 뇌간반응 실험에서도 실제 청각 보조 효과를 확인했다.

   최준 고려대 안산병원 이비인후과 교수(왼쪽), 백현우 의생명연구센터 박사

최준 교수는 “고려대의료원에서 진행한 알키미스트 프로젝트(혁신 기술 개발 지원 사업)를 통해 시작된 이번 연구는 결과를 얻기가지 4개 연구팀이 4년 동안 동고동락했다”며 “그래핀을 기반으로 한 세계 최초 하이브리드 방식의 골전도 보청기를 개발하고 이를 동물실험을 통해 청각 향상 효과를 과학적으로 입증했다는 점에서 의의가 있다”고 강조했다. 또 “어린이와 고령자처럼 골전도 보청기 이식수술이 어려운 대상자에게 비침습적 청각 보조장치로서 의료적 활용도가 높을 것으로 기대된다”고 설명했다.

연구팀은 인체 대상 임상시험을 통해 상용화 가능성을 확인하고, 장치의 경량화, 웨어러블 디자인 최적화, 인공지능 기반 스마트 알고리즘과의 융합을 통해 개인맞춤형 고성능 보청기로 발전시켜 나갈 예정이다.

이번 연구는 나노과학 분야 저명 국제 학술지 ‘Nano Research’(IF=9.6) 4월호의 표지 논문으로 선정됐다.