[기계신문] 최근 들어 웨어러블 전자기기는 모자, 안경, 벨트, 시계, 옷 등 다양한 분야에서 적용되어 연구되고 있다. 이러한 웨어러블 전자기기는 착용자의 건강을 지속적으로 모니터링하여 건강관리에 도움을 주는 형태가 가장 큰 특징이다.
심박 수나 걸음 수와 같은 간단한 것부터 인간의 몸에서 나오는 신호를 분석하여 질병을 진단하는 전문적인 부분까지 연구되고 있다. 이 중에서도 스마트 렌즈는 가장 진보된 기술이 적용되는 분야로 국내외 대기업에서 증강현실(AR), 디스플레이, 당뇨수치 모니터링 기기 등을 앞다투어 개발하고 있다.
이러한 가운데, 한국과학기술연구원(KIST)은 전자재료연구단 최지원 박사 연구팀이 인간이 착용할 수 있는 웨어러블 전자기기 중 사람의 가장 밀접한 부위에 착용하는 장비인 콘택트렌즈 내에서 작동 가능한 스마트 렌즈용 박막전지 개발에 성공했다고 밝혔다.
기존 스마트 렌즈는 렌즈 외부에서 전기를 공급받아 작동을 했으나, KIST 연구팀이 개발한 박막 이차전지는 스마트 렌즈에 장착이 가능하고 렌즈 자체에 전원을 가지고 있어 전원공급이 자유로우며, 재충전하여 쓸 수 있다는 장점이 있다.
연구팀이 개발한 이 전지는 일상생활에서 사용하는 전지의 형태가 아닌 아주 얇은 필름형태의 전지로, 곡면의 콘택트렌즈 위에 전지를 제작하여 LED를 작동시키는데 성공했다. 이 스마트 렌즈용 박막전지는 유연한 특성을 가지고 있어 휘어진 상태에서도, 수분이 존재하는 환경에서도 작동한다.
우리가 일상생활에서 사용하고 있는 리튬이차전지는 양극재, 음극재, 분리막, 액체전해질, 전극 등으로 이루어져 있으며, 리튬 이온이 양극에서 음극으로 이동을 반복하면서 발생하는 전자를 이용하여 전자기기를 작동시키게 된다.
또한 현재 우리가 사용하는 리튬이차전지는 폭발의 위험에서 완전히 안전하다고 할 수 없는데, 리튬이차전지의 경우 장기간 사용하거나 충격에 의해 양극재의 손상이 생기면 음극재와 합선이 되어 액체전해질이 연료가 되어 폭발을 하게 된다.
사람의 눈에 착용하기 위해서는 높은 안정성이 필수적이다. 하지만 스마트 콘택트렌즈를 구동시킬 수 있는 전력원이 될 스마트 렌즈용 전지에 대한 연구결과는 전 세계적으로 전무한 상황으로 스마트 렌즈 개발에 어려움이 있었다.
연구팀은 이번 스마트 렌즈용 박막전지를 개발하기 위해 모든 구성요소를 유연하면서도 고체인 필름형태의 박막 이차전지로 만들었다. 이로 인해 액체전해질을 사용하지 않음으로 폭발의 위험이 없는 아주 안전한 전지를 제작했다.
또한, 콘택트렌즈에 적용이 가능하도록 유연한 재료를 사용해야 하는데, 양극재를 낮은 온도에서 제작하는 어려움이 있었다. 이에 연구팀은 일반적으로 고온에서 제작이 필요한 양극재를 저온에서 제작이 가능하도록 개발함으로써 별도의 고가 장비가 필요 없이 산업화에 유리한 기술을 개발했다.
최지원 책임연구원은 “이번에 개발한 스마트 렌즈용 박막 이차전지는 콘택트렌즈에 적용된 최초의 전지로 향후 스마트 렌즈의 핵심 부품이며, 유연한 특성으로 다른 웨어러블 전자기기의 전력원으로 활용될 것으로 기대한다”고 밝혔다.
한편, KIST는 현재 과학기술정보통신부 지원으로 한국연구재단의 ‘바이오의료기술개발사업’, ‘차세대 의료기기 플랫폼’ 사업을 수행하고 있으며, 이번 연구는 ‘접안형 당뇨병 진단기기 개발’ 연구의 일환으로 진행되었다. 연구결과는 재료분야 국제학술지 ‘Nano Energy’ 최신호에 게재되었다.