눈을 깜빡이면 스마트 콘택트 렌즈용 전력이 생산된다.

최근 미국 유타대 박사 과정생이자 텍사스 인스트루먼트(TI) 프로세스 통합 엔지니어가 다양한 분야에서 엄청난 제품화 잠재력을 갖춘 스마트 콘택트 렌즈를 개발해 발표했다.

핵심은 듀얼(2) 모드 에너지 수확 시스템 기반 스마트 콘택트 렌즈다. 이 렌즈는 착용자가 눈을 깜빡일 때(눈을 뜨거나 감을 때) 모두 에너지를 수확할 수 있게 해주며, 태양광 전원도 함께 갖추었다.

특히 이 분야는 지난 2014년 구글이 스마트 콘택트 렌즈인 ‘구글렌즈’를 개발했다가 4년 만에 철수 선언한 분야여서 주목된다. 당뇨병 환자들의 편리한 혈당측정을 도울 것으로 기대를 모았던 구글렌즈 포기 배경에는 콘택트 렌즈 속 배터리 기술 부족도 한몫 했을 것으로 보인다.

이 기술적 문제 해결의 실마리가 풀린 것이다.

이로써 이 스마트 렌즈가 당뇨병 환자 혈당치 측정을 넘어 눈에 착용할 수 있는 바이오 센서, 전기 반응성 약물 전달 시스템 등 광범위한 응용 가능성의 문을 연 것으로 평가받는다. 이뿐만이 아니다. 이 센서는 달리는 등 운동하는 사람들에게 심박수, 심박수, 칼로리 소모량을 보여주는 렌즈처럼 소비자용 분야로 적용될 가능성도 제시한다. 또한 소매업자들에게는 쇼핑객이 선반을 스캔하고 상품을 선택하는 방법을 추적해 귀중한 통찰력을 얻도록 해 줄 것으로도 예상된다. 무엇보다도 가장 큰 응용분야는 특히 40대 이상의 나이에(또는 그 이전) 시작되는 노안에서 녹내장에 이르는 눈건강 관찰용 렌즈 상품화다. 그 잠재력은 엄청날 것으로 전망되고 있다. 스마트 콘택트렌즈의 활용 및 상업화 잠재력을 보여주는 화제의 유타대 스마트 콘택트 렌즈에 대해 알아봤다. 유타대 연구원들은 지난달 13일자 스몰(Small) 저널에 실린 논문에서 이 장치 개발 과정에 대해 자세히 밝혔다.

스마트 콘택트렌즈 엄청난 잠재력과 전원공급 문제

스마트 콘택트렌즈의 잠재적 사용 사례는 매력적이고 다양하다. 눈에 렌즈를 켜고 포도당 수치와 같은 건강 지표를 관찰하고, 안구 질환에 대한 표적 약물을 전달받고, 증강 현실(AR)을 경험하고, 말 그대로 얼굴에 정보 표시와 함께 뉴스 업데이트를 읽는다.

그러나 눈은 전자공학 설계에 있어서 매우 어려운 도전을 요구하고 있다. 눈은 모든 인간 조직 가운데 가장 높은 밀도로 신경이 분포돼 있는 곳 중 하나다. 눈의 각막은 우리의 피부보다 300~600배 민감할 정도다. 그동안 연구자들이 작고 유연한 칩을 개발했지만 분명한 것은 큰 배터리와 전선은 분명히 이 민감한 곳에 배치할 수 없기 때문에 동력원을 확보하기가 더 어렵다는 게 증명됐다. 기존 응용품들은 야간 유도 충전 및 특정 유형의 외부 배터리에 의존하는 설계처럼 덜 이상적인 솔루션을 제공한다.

이런 가운데 미국 유타대 연구팀이 더 나은 해결책을 개발해 제시했다.

이들은 눈(眼) 기반 기술을 위해 특별히 설계된 올인원 하이브리드 에너지 수확(발전) 장치 개발에 성공했다.

유타대 연구원들은 스몰(Small) 저널에 실린 논문에서 이 장치 개발 과정에 대해 “유연한 실리콘 태양 전지와 눈물을 에너지로 변환시키는 새로운 장치를 결합했다”고 설명했다. 이 시스템은 스마트 콘택트와 다른 안구(眼球) 장치들을 작동시키기에 충분한 전기를 안정적으로 공급할 수 있다.

이 시스템을 연구한 에르판 포르샤반 유타대학교 박사과정생은 “이는 별도의 배터리에서 무선 전력을 전송하는 것에 비해 크게 향상된 것”이라고 말한다.

현재 텍사스 인스트루먼트의 프로세스 통합 엔지니어인 포르샤반은 “현재 대부분의 연구는 렌즈에 하나의 안테나가 달리고 다른 하나는 약 1cm 정도 떨어져 있는 장치에 두는 방식의 무선 전력 전송을 포함한다. 이건 아주 작은 격차다. 그것은 당신의 시야에 정확히 들어맞아야 하는데 이런 방식은 실용적이지 않다. 우리는 만약 당신이 그것을 실제로 착용할 수 없다면 스마트 콘택트 렌즈의 실제 기술이 훌륭하지 않더라도 상관없다. 우리는 독립(스탠드얼론) 기능의 장치를 만들어야 한다”고 말했다.

광전지 및 금속-공기 전지

포르샤반과 그의 동료들은 파워팩(듀얼모드 전지)을 만들기 위해 맞춤형 부품을 제작했다.

첫 단계는 물론 램프와 같은 인공 광원은 물론 태양으로부터도 빛을 포획할 수 있는 소형화되고 유연한 실리콘 태양 전지였다. 이 팀은 유연한 태양광 시스템을 만들기 위해 8개의 아주 작은(1.5×1.5×0.1mm) 단단한 결정질 전지를 연결하고 이를 폴리머로 캡슐화했다.

둘째 단계는 눈 깜빡임으로 작동하는 시스템인데 금속-공기 전지와 같은 기능을 한다. 바이오 연료는 착용자의 자연스러운 눈물, 구체적으로는 그 속에 들어 있는 전해질이 전력을 생성하는 역할을 한다. 전력 수확은 말 그대로 눈 깜짝할 사이에 일어난다. 눈을 완전히 뜨면 수확기는 꺼진다. 그리고 나서 눈이 깜빡이기 시작하면 눈물 전해질이 마그네슘 음극과 만나 산화 반응과 전자를 생성시킨다. 마지막으로, 눈물 전해질은 음극과 백금 양극 모두와 접촉하게 되고, 음극 표면의 추가 산화와 양극 표면의 산소 환원을 통해 더 많은 에너지를 만들어 낸다. 눈꺼풀의 움직임과 눈물의 지속적인 상쾌함에 의해 전극이 오염되는 것을 방지한다.

이 에너지 생성의 절반씩을 맡는 두 구성 장치(솔라셀과 금속-공기 전지)는 통합된 11밀리 패럿(mF)의 슈퍼커패시터와 통합된 전력 관리 회로를 통해 함께 제공되며, 이 회로는 전압을 직류로 변환하고, 이를 증가시키며, 궁극적으로 안테나, 외부 배터리 팩 또는 특수 충전 케이스 없이 안정적인 3.3V 전압으로 약 150마이크로와트(1μW=100만분의 1 W)의 전력을 공급한다.

노안에서 녹내장에 이르는 다양한 눈건강 모니터링제품화 잠재력

연구에 참여하지 않은 웨이 가오 바이오센서 전문가이자 칼테크 의학공학 조교수는 “이 시스템이 스마트 콘택트 렌즈 영역에서 흥미로운 발전”이라고 말했다. 그는 “이러한 기기들에 대한 핵심 장애물이 지속 가능한 전원에 대한 필요성이라는 점에서 스마트 콘택트렌즈의 가능성은 방해받아 왔다”고 지적했다. 그는 “이 새로운 파워팩이 사용자 친화적일 뿐만 아니라 눈을 뜨든 감든 두 가지 에너지 수확 모드를 활용해 지속적으로 전력을 발생시킬 수 있는 ‘혁신적 듀얼 모드 접근 방식’”이라고 말했다.

웨이 가오 교수는 “이 장치로부터 나오는 신뢰할 수 있는 전력은 착용 가능한 바이오 센서와 전기 반응성 약물 전달 시스템을 포함한 광범위한 눈안의 응용 분야에 직접적으로 에너지를 공급할 수 있다”고 덧붙였다.

포르샤반은 이에 동의하면서 “운동 중 주자에게 심박수, 심박수, 칼로리 소모량을 보여주는 렌즈와 같은 명백한 소비자용 적용 분야가 있다”고 덧붙였다. 소매업자들은 쇼핑객이 선반을 스캔하고 상품을 선택하는 방법을 추적하여 귀중한 통찰력을 얻을 수 있다. 그는 상업화 가능성은 엄청나며 다양하다고 말한다.

그러나 포르샤반은 아마도 40대 중반에 시작될 수 있는 노안과 같은 활기없는 상태에서부터 녹내장을 포함한 더 잠행성인 질병에 이르기까지 눈 건강을 관찰하는 잠재적인 적용에 대해 가장 흥분하고 있을 것이다.

포르샤반은 “녹내장은 조용한 시력 도둑으로 알려져 있다. 통증이 없고, 눈에 띄는 것이 없을 수도 있으며, 갑자기 안과를 방문하는 사이에 안압이 너무 높아지면 시력을 되돌릴 수 없을 정도로 잃을 수 있다”고 말한다. 그는 “이러한 상황과 다른 상황에 대한 경고 신호를 실시간으로 감지하고 빠르게 개입할 수 있다면 그것은 사람의 삶의 방향을 바꿀 수 있다”고 말한다.

눈 깜빡임으로 작동하는 전력수확기의 3단계 메커니즘

눈깜빡임으로 작동하는 과산화마그네슘 전력수확기는 말 그대로 과산화마그네슘(Mg O₂)으로 만들어졌다. 이는 금속-공기 전지의 원리를 기반으로 작동한다. 위 그림에서 보듯이 자연스런 눈 깜빡임 동작 시 눈 눈물을 전해질로 사용한다. 이 에너지 수확기의 활성화 메커니즘은 크게 3단계로 이루어진다.

먼저, 수확기는 오프(꺼짐) 모드에 있으며, 여기서 전해질은 장치의 어느 부분에도 접촉되지 않으며, 이는 완전히 눈꺼풀이 열린 상태에 해당한다.

그러면 전해질이 음극 금속과 접촉해 자발적인 산화 반응과 전자의 생성(눈이 반쯤 닫혀 있음)을 유도한다.

마지막으로, 전해질은 음극 표면의 산화 반응 및 양극 표면의 산소 환원 반응에 의해 에너지 생성을 불러오는 두 전극과 접촉하게 된다.

눈물은 눈꺼풀 아래에 위치한 눈물샘에 의해 생성되고 눈깜빡임 주기마다 안구 표면을 통과하기 때문에 이 수확기가 기능적이라는 점이 부각된다.

이 에너지 수확기의 성능을 최적화하기 위한 재료를 찾기 위해 다양한 음극(알루미늄, 구리, 아연,철 및 마그네슘)과 공기-전극(코발트, 니켈, 금, 백금)을 조사했다.

연구진은 최고 출력과 생체 적합성 때문에 마그네슘(하루 섭취 허용량 350mg)을 음극으로 사용하고 백금을 양극 재료로 사용하기로 결정했다.