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압전 효과를 이용한 심박조율기 ?



 압전 효과 (piezoelectric effect) 란 물체의 힘을 가하면 전기가 발생하거나 (1차 압전효과) 반대로 전기적 신호를 가하면 재질에 기계적인 변화가 일어나는 것 (2차 압전효과 혹은 역압전효과) 을 의미합니다. 압전 효과는 다양한 분야에 이용되고 있거나 앞으로 응용이 기대된 다고 할 수 있는데 이에 대한 자세한 설명은 아래 네이버 캐스트를 참조하시가 바립니다.  




 복잡한 변화 장치와 발전기 없이도 전기 에너지를 생산할 수 있기 때문에 압전 소자는 여러가지 분야에서 사용이 가능합니다. 막대한 양의 전기를 효과적으로 생산하려면 물론 제대로 된 발전기가 필요하겠지만 아주 적은 전류만 있으면 되는 영역에서는 압전 소자만으로도 충분히 필요한 전기를 공급받을 수 있습니다.  


 미국과 중국의 복수의 기관의 연구자들은 압전 소자를 이용해서 심박조율기 (pacemaker) 에 영구적인 전원을 공급하는 디바이스를 개발했습니다. 이들이 Proceedings of the National Academy of Sciences  에 발표한 내용에 따르면 심장 수축을 이용한 이 압전 소자를 이용해서 심박 조율기가 작동하는 데 필요한 전류를 충분히 공급 가능하다고 합니다.  


 심박조율기는 다양한 부정맥으로 인해 심장이 제대로 뛰지 못할 우려가 있는 환자에서 전기 신호를 보내 심장이 강제로 뛰도록 해주므로써 증상을 호전시키고 생명을 연장할 수 있는 기계입니다. (심박 조율기에 대해서는 아래 링크 참조)  




 그런데 이 심박 조율기가 작동하는데는 반드시 배터리가 필요합니다. 이 배터리는 환자와 병의 종류에 따라 수명의 차이가 있지만 아무튼 6-9 년 정도 주기의 교체가 필요하게 됩니다. 그런데 이 때 마다 교체 시술을 받아야 하는데다 특정 상황에서는 배터리 소모가 빨라지므로 환자에게는 꽤 불편한 일이라고 할 수 있습니다.  


 따라서 한번 삽입하면 영구적으로 교체가 필요없는 형태의 심박 조율기를 개발하려는 노력이 이전 부터 있어왔는데 심장 자체의 수축을 이용한 압전 소자 역시 그 중 하나라고 하겠습니다. 압전 소자는 다양한 곳에 삽입이 가능하긴 하지만 한 순간이라도 전류 공급이 끊어지면 안되는 분야 중 하나기 때문에 평생 박동이 멈추지 않는 심장 자체에 아예 압전 소자를 삽입하면 계속해서 전류 공급이 가능하게 됩니다.  


 다만 이 압전 소자 심박 조율기가 안정적으로 삽입되어 부작용을 일으키지는 않는지, 혹은 떨어져 나갈 위험은 없는지는 아주 신중하게 접근할 문제입니다. 따라서 연구팀은 일단 소의 심장을 대상으로 동물 실험을 먼저 진행했습니다. 동물 실험에서 이 압전 소자 심박 조율기는 정상적으로 작동했다고 합니다. 하지만 장기간의 테스트를 거쳐 안전성이 확립되기 전까지는 실제 사람을 대상으로 한 임상 테스트는 바로 진행되지 않을 것 같습니다. 심장 처럼 중요한 장기에 대한 임상 테스트는 허가 자체가 까다롭기 때문이죠.  




(애리조나 대학 및 일리노이 대학 등이 포함된 국제 연구팀이 개발한 압전 소자 심박 조율기. 소의 심장에 붙여서 테스트를 진행 중 Thin, flexible mechanical energy harvester, with rectifier and microbattery, mounted on the bovine heart. Credit: University of Illinois and University of Arizona.)




 이 압전 소자는 생김새도 특이한데 심장표면에 붙이는 형태로 압전효과를 일으키는 나노리본 소자를 사용한 것이라고 합니다. 기존에 있는 압전 소자는 심장의 수축과 이완에 방해가 될 수도 있지만 이런 막 형태의 소자는 심장의 자연스런 수축과 이완에 딱 맞게 구부러질 수 있습니다. 연구팀은 이 소재가 횡격막 같은 다른 막형태의 근육에도 적용될 수 있다고 생각하고 있습니다.  


 이 막형태의 압전 소자는 lead zirconate titanate 으로 제작되었는데 마음대로 구부릴 수 있는 것은 물론이고 곡면에도 부착이 가능해서 꼭 삽입형 심박 조율기가 아니라 다른 영역에서도 사용이 가능할 수 있습니다. 예를 들어 미래에 사용자 마음대로 접을 수 있는 스마트폰이 있다면 이 소재를 이용해서 접었다 펼치는 것 만으로도 충전이 가능할 수 있는 것입니다. (얼마나 많은 전력을 생산할지는 모르긴 하지만...)


 과연 이런 형태의 심박 조율기가 상용화 될지는 알 수 없지만 아무튼 막형태의 압전 소자와 전기 회로 위에 배터리 까지 붙인 모습을 보니 참 신기하긴 하네요. 꼭 심박 조율기가 아니더라도 이 기술은 어딘가 다른 분야에서도 활용이 가능할 것 같습니다.     


 참고  


1. Canan Dagdeviren et al. Conformal piezoelectric energy harvesting and storage from motions of the heart, lung, and diaphragm.  PNAS doi: 10.1073/pnas.1317233111 




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