국내 연구진이 고효율·유연 압전나노발전기에서 자체 생성되는 전기에너지를 이용하여 반영구적으로 작동 가능한 자가발전 심장박동기 실험을 세계 최초로 성공하였다. 

향후 인체 적용을 통해 배터리가 필요 없는 인공심장박동기를 구현을 앞당길 것으로 예상되며, 더 나아가 심장마비를 예방하고 생체이식형 의료기기의 수명을 획기적으로 늘릴 수 있을 것으로 기대된다.

 

본 연구는 미래창조과학부가 추진하는 글로벌프론티어사업(스마트IT융합시스템연구단(단장 경종민))과 중견연구자지원사업의 지원으로, 한국과학기술원 이건재 교수팀과 연세대학교 세브란스 병원 정보영 교수팀이 수행하였다. 이번 연구 결과는 세계적 학술지인 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’지 최신호 7월 23일(수)자 표지논문으로 게재되었다.

 

인공심장박동기는 심장박동이 불규칙한 환자의 몸속에 이식되어 심장에 전기자극을 가해 박동을 정상적으로 만들어주는 의료장치이다. 하지만 제한된 배터리의 수명 때문에 주기적으로 기기를 교체하는 시술이 필요한데, 이는 노약자 등 많은 환자들에게 감염 및 출혈을 유발 할 수 있기 때문에 매우 위험하고 불편하였다.

이번 연구에서는 ㈜아이블포토닉스의 단결정 PMN-PT 압전박막을 활용하여 고효율의 유연 나노발전기를 제작하였으며, 이 나노발전기는 굽힘과 누름 등 압력에 의해 8.2볼트(V)의 전압과 0.22밀리암페어(mA)의 전류를 생성하고 쥐의 심장을 직접 자극하여 심장박동을 인위적으로 규칙화하는데 최초로 성공하였다.

 

세브란스병원 심장내과 정보영 교수는 “이번 연구성과를 임상에 적용하면 자가발전 심장박동기에 사용될 뿐만 아니라, 부정맥과 같은 심장의 이상증후를 미리 진단하여 심장마비 등을 예방 할 수 있으며, 그 외에도 다양한 이식형 의료기기의 에너지원으로 활용할 수 있을 것이다.”라고 말했다. 

연 구 결 과 개 요

1. 연구배경

인공심장박동기는 심장박동이 불규칙한 환자의 몸속에 이식되어 심장박동을 정상적으로 유지시키는데 필수적인 의료장치이다. 하지만 제한된 배터리의 수명 때문에 주기적으로 기기를 교체하는 시술이 필요한 단점이 있다. 만약 인체 내에서 스스로 전기발전이 가능해 배터리를 충전하고 심장을 직접적으로 자극 할 수 있다면 기기교체수술에서 발생 할 수 있는 의료사고 및 부대비용을 줄여 환자의 불편을 최소화 할 수 있을 것이다. 본 연구에서는 체내에서 스스로 전원공급이 가능한 심장박동기 구현을 위해 고효율의 PMN-PT 단결정 압전박막을 이용하여 고성능의 유연한 압전나노발전기(Nanogenerator)를 개발하였다.

 

2. 연구내용

본 연구에서는 스스로 전기발전이 가능한 인공심장박동기의 구현을 위해 고성능의 유연한 압전나노발전기를 개발하였고, 이를 이용해 배터리를 충전하고 심장을 인공적으로 자극하여 심장박동을 규칙화하는데 성공하였다. 그림 1의 (a)는 이번 연구의 개략도 이다. 이를 살펴보면, 압전특성이 매우 우수한 단결정 PMN-PT 압전박막을 딱딱한 기판에서 박리하여 플라스틱 필름에 부착하고 유연한 압전나노발전기를 제작하였다. 그리고 완성된 나노발전기에서 생성되는 전기에너지를 이용하여 배터리를 충전하고 심장을 직접적으로 자극하는 실험을 실시하였다. 그림1의 (b)는 완성된 유연한 압전나노발전기의 실제모습인데 매우 유연한 특성을 가지고 있다.

 

제작된 유연한 압전나노발전기가 실제로 얼마만큼의 전기에너지를 생성 할 수 있는지를 출력측정을 통해 확인해 보았다. 굽힘기계를 이용해 유연 나노발전기를 반복적으로 구부리고 폈을 때 최고 8.2 V의 전압과 145 μA의 전류가 출력되는 것을 확인 하였다. 그리고 나노발전기를 손가락으로 툭툭 쳤을 때 최고 0.22 mA의 전류가 출력 되었다. 이때 출력된 전류의 값은 현존하는 유연한 압전나노발전기중 최고의 값이다. 이처럼 큰 전류를 발생 시킬 수 있는 이유는 가장 우수한 압전특성을 가진 PMN-PT를 넓은 면적의 박막구조로 제작하였기 때문이다. 

 

유연한 압전나노발전기를 실제 전자기기 등에 응용하기 위해서는 교류형태의 출력을 모두 양의 값으로 만들어 주는 정류 작업이 필요하다. 4개의 다이오드를 이용해 정류를 시켰는데 나노발전기를 굽혔을 때 출력은 그림 3의 (a)와 (b)에 나타난 것처럼 8 V, 100 µA 였다. 이를 이용해 (b)에서 보이는 것처럼 병렬로 연결된 50개의 LED를 켜보았다. 또한 유연한 압전나노발전기를 인공심장박동기에 응용하기 위해서는 나노발전기를 이용한 배터리 충전이 필수적이라 생각되어 그림 3의 (c)와 같이 상용 코인 배터리를 충전시켰다. 그리고 그림 3의 (d)에서는 충전된 배터리를 이용해 초시계를 작동시키는 모습을 보여준다.

 

고성능의 유연한 압전나노발전기를 이용한 쥐의 심장 자극실험은 그림 4의 (a)와 같이 진행하였다. 나노발전기가 인공심장박동기로써 심장을 직접적으로 자극 할 수 있는 지 확인하기 위해 마취된 쥐를 이용해 동물실험을 진행 하였다. 먼저 유연한 압전나노발전기를 전극에 연결하고 자극바늘을 심장에 고정 시킨다. 다음으로 쥐의 심전도를 확인하는 장치를 쥐의 몸에 부착 시키고 유연한 압전나노발전기를 굽혔다 폈을 때 쥐의 심전도가 어떻게 바뀌는지 살펴보았다. 그 결과 그림 4의 (d)와 같이 쥐의 심전도가 변하는 모습을 관찰 할 수 있었다. 이를 통해 유연한 압전나노발전기를 이용하면 쥐의 심장박동을 규칙적으로 만들 수 있음을 증명 하였다.

3. 기대효과

이번 연구에서 제작된 고효율의 유연한 압전나노발전기를 인체에 적용해 사람의 심장을 인공적으로 자극할 수 있으면 스스로 전기생성이 가능해 배터리가 필요 없는 인공심장박동기의 구현 가능성을 앞당길 수 있을 것으로 생각된다. 더 나아가 인공심장박동기 뿐만 아니라 여러 가지 생체이식형 의료기기(예: 뇌심부자극기, DBS)의 수명을 늘릴 수 있을 것으로 예상된다.

그 림 설 명

유연한 압전나노발전기는 인체 내부의 움직임이나 압력에 의해 전기에너지 생성이 가능하다. 몸속에서 생성된 전기에너지를 이용하면 심장을 직접적으로 자극하여 인공적인 심장박동을 만들 수 있다. 

유연한 압전나노발전기는 인체 내부의 움직임이나 압력에 의해 전기에너지 생성이 가능하다. 몸속에서 생성된 전기에너지를 이용하면 심장을 직접적으로 자극하여 인공적인 심장박동을 만들 수 있다. 

 

 

 

(a) 본 연구의 개략도

본 연구에서는 압전특성이 매우 우수한 단결정 PMN-PT 압전박막을 딱딱한 기판에서 박리하여 플라스틱 필름에 부착하고 유연한 압전나노발전기를 제작하였다. 그리고 완성된 나노발전기에서 생성되는 전기에너지를 이용해 심장을 직접적으로 자극하는 실험을 실시하였다.

(b) 완성된 유연한 압전나노발전기의 모습

완성된 유연한 압전나노발전기는 얇은 플라스틱 필름에 부착이 되어 있기 때문에 쉽게 구부릴 수 있는 특징을 가지고 있다.

 

  

 

(a) 유연한 압전나노발전기를 굽힘기계를 이용해 구부리는 모습

유연한 압전나노발전기의 전기에너지 출력특성을 측정하기 위해서 반복적으로 나노발전기를 굽혀주는 굽힘기계를 이용하였다. 굽힘기계를 이용하면 나노발전기의 굽히고 펴는 동작을 반복적으로 만들 수 있다.

(b) 유연한 압전나노발전기에서 출력되는 전압과 전류의 크기

굽힘기계를 이용해 유연 나노발전기를 반복적으로 구부리고 폈을 때 최고 8.2 V의 전압과 145 μA의 전류가 순간적으로 출력되는 것을 확인 하였다. 그리고 나노발전기를 손가락으로 툭툭 쳤을 때 최고 0.22 mA의 전류가 출력 되었다.

 

 

(a) 정류 후 유연한 압전나노발전기에서 생성되는 전압

유연한 압전나노발전기를 실제 전자기기 등에 응용하기 위해서는 교류형태의 출력을 모두 양의 값으로 만들어 주는 정류 작업이 필요하다. 4개의 다이오드를 이용해 정류를 시켰는데 나노발전기를 굽혔을 때 출력전압은 8 V였다.

(b) 정류 후 압전나노발전기에서 생성되는 전류 및 LED 점등

정류 후 유연한 압전나노발전기를 굽혔을 때 출력전류는 100 µA 였다. 나노발전기에서 전기에너지가 실제로 생성되는 지를 확인하기 위해 50개의 LED를 동시에 켜보았다.

(c) 유연 나노발전기를 이용한 배터리 충전

유연한 압전나노발전기를 인공심장박동기에 응용하기 위해서는 나노발전기를 이용한 배터리 충전이 필수적이라 생각되어 시중에서 구입한 코인 배터리를 충전시켰다.

(d) 충전된 배터리를 이용한 초시계 구동

유연한 압전나노발전기를 이용해 배터리가 제대로 충전이 되었는지를 확인하기 위해 배터리를 이용해 초시계를 켜보았다.

 

(a) 유연한 압전나노발전기를 이용한 쥐 심장자극 실험의 개략도

유연한 압전나노발전기에서 생성되는 전기에너지를 이용해 인공적인 심장박동을 만들기 위해 나노발전기와 마취된 쥐, 심전도 측정 장비를 이용해 실험을 진행 하였다.

(b) 마취된 쥐를 이용한 실험의 실제모습

쥐의 심장을 나노발전기를 이용해 자극하기 위해 쥐의 흉부를 개복하고 전기 자극을 위한 금속전극을 심장에 부착하였다.

(c) 일반적인 쥐의 심전도 모습

일반적인 쥐의 심전도는 규칙적인 QRS, P, T파로 이루어져있다.

(d) 유연한 압전나노발전기를 이용한 인공적인 심장박동 생성

유연한 압전나노발전기를 구부렸을 때 나노발전기에서 발생한 전기에너지가 쥐의 심장에 전달되고, 심전도에 커다란 높이를 가진 파형이 발생하는데 이를 통해 인공적인 심장박동이 생성되었음을 확인하였다.

 

 

용 어 설 명

1. 유연한 압전나노발전기

○ 압력이나 구부러짐의 물리적 힘이 가해질 때 전기를 발생하는 물질인 압전물질을 유연하게 만들어 소형 전기발전기로 제작 한 것이다.

 

2. 전기에너지

○ 전자의 이동을 통해 일을 하거나 다른 에너지를 발생시킬 수 있는 에너지. 유연한 압전나노발전기를 구부리면 압전효과에 의해 표면에서 전자가 발생하는데 이를 이용해 여러 가지 일을 할 수 있다.

 

3. 인공심장박동기

○ 심장리듬의 문제를 감지하여 심장이 규칙적이고 제시간에 박동할 수 있도록 전기자극을 보내는 장치. 심장은 전기자극에 의해 박동이 만들어지는데 인공심장박동기를 이용해 심장에 인위적인 전기자극을 줄 수 있다. 이번 연구에서는 몸속에서 스스로 전기생성이 가능한 자가발전 인공심장박동기에 대해 다루고 있다.

 

4. 단결정 PMN-PT 압전박막

○ 현존하는 최고효율의 압전물질로, 결정이 규칙적으로 배열된 수 μm두께의 Pb(Mg1/3Nb2/3) - PbTiO3 막을 뜻한다.

 

5. 생체이식형 의료기기

○ 질병을 치료할 목적으로 사람의 몸속에 이식된 의료기기. 대표적인 예로 심장박동을 조절하는 인공심장박동기, 파키슨병을 완화하는 뇌심부 자극기 등이 있다.

 

6. 다이오드

○ 전류를 한 방향으로만 흐르게 하고, 그 역방향으로 흐르지 못하게 하는 성질을 가진 반도체 소자의 명칭이다.

 

7. 상용 코인 배터리

○ 시중에서 구입할 수 있는 단추(버튼) 모양의 건전지이다.