시력의 미래: 과학자들이 유연한 각막을 개발하다

작성자: 난양기술대학교 2023년 8월 28일

NTU 전기전자공학부(EEE) 이석우 부교수가 인간의 각막만큼 얇은 플렉서블 배터리를 들고 있다. 크레딧: NTU 싱가포르

싱가포르 난양기술대학교(NTU Singapore) 연구진이 인간의 각막만큼 얇은 유연한 배터리를 개발했습니다. 이 혁신적인 에너지 저장 장치는 식염수에 담그면 스스로 충전되며 미래에 스마트 콘택트렌즈에 연료를 공급할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.

스마트 콘택트렌즈는 우리의 각막에 가시적인 정보를 표시하고 증강현실에 접근할 수 있는 첨단 콘택트렌즈입니다. 현재 사용되는 용도로는 시력 교정, 착용자의 건강 모니터링, 당뇨병 및 녹내장과 같은 만성 질환이 있는 사람들의 질병 표시 및 치료 등이 있습니다. 미래에는 착용자가 보고 듣는 모든 것을 기록하고 클라우드 기반 데이터 저장소에 전송하는 스마트 콘택트 렌즈가 개발될 수 있습니다.

그러나 이러한 미래의 잠재력을 실현하려면 이를 구동할 수 있는 안전하고 적합한 배터리를 개발해야 합니다. 기존의 충전식 배터리는 금속이 포함된 전선이나 유도 코일에 의존하고 있으며 불편하고 사용자에게 위험을 안겨주기 때문에 사람의 눈에 사용하기에 부적합합니다.

NTU가 개발한 배터리는 생체적합성 소재로 만들어졌으며 리튬이온 배터리나 무선 충전 시스템과 같은 전선이나 독성 중금속을 포함하지 않습니다. 배터리에는 주변 식염수에 있는 나트륨 및 염화물 이온과 반응하는 포도당 기반 코팅이 있으며, 배터리에 포함된 물은 전기가 생성되는 '와이어' 또는 '회로' 역할을 합니다.

배터리에는 낮은 농도의 나트륨 및 칼륨 이온이 포함되어 있기 때문에 인간의 눈물로도 전력을 공급할 수 있습니다. 시뮬레이션된 눈물 용액으로 현재 배터리를 테스트한 결과, 연구원들은 배터리를 사용하는 매 12시간 착용 사이클마다 배터리 수명이 1시간씩 추가로 연장된다는 사실을 보여주었습니다. 배터리는 외부 전원 공급 장치를 통해 일반적으로 충전할 수도 있습니다.

Lee 부교수 겸 연구 공동 제1저자 Miss Li Zongkang, a Ph.D. NTU EEE 학생이 배터리를 선보이고 있습니다. 크레딧: NTU 싱가포르

이번 연구를 주도한 NTU 전기전자공학부(EEE) 이석우 부교수는 “이 연구는 콘택트렌즈 배터리가 눈물로 충전될 수 있을까?라는 간단한 질문에서 시작됐다”고 말했다. 인간의 땀으로 구동되는 웨어러블 기술과 같은 자체 충전 배터리의 유사한 예가 있었습니다.

“그러나 이전의 렌즈 배터리 기술은 배터리 전극의 한쪽은 충전되고 다른 쪽은 충전되지 않았기 때문에 완벽하지 않았습니다. 우리의 접근 방식은 효소 반응과 자기 환원 반응의 독특한 조합을 통해 배터리의 두 전극을 모두 충전할 수 있습니다. 충전 메커니즘 외에도 포도당과 물만을 사용하여 전기를 생산하는데, 두 가지 모두 기존 배터리에 비해 인간에게 안전하고 폐기 시 환경에 덜 해롭습니다.”

공동 제1저자인 NTU EEE 연구원인 윤정훈 박사는 “가장 일반적인 스마트 콘택트렌즈용 배터리 충전 시스템은 렌즈에 금속 전극이 필요하기 때문에 육안으로 노출되면 유해하다”고 말했다. 한편, 렌즈에 전력을 공급하는 또 다른 모드인 유도 충전은 스마트폰용 무선 충전 패드와 마찬가지로 전력을 전송하기 위해 렌즈 안에 코일이 있어야 합니다. 우리의 눈물 기반 배터리는 이 두 가지 방법이 제기하는 두 가지 잠재적인 문제를 제거하는 동시에 스마트 콘택트 렌즈 개발에 있어 추가 혁신을 위한 공간을 확보합니다.”

Highlighting the significance of the work done by the research team, NTU School of Mechanical & Aerospace Engineering Associate Professor Murukeshan Vadakke Matham, who specializes in biomedical and nanoscaleThe nanoscale refers to a length scale that is extremely small, typically on the order of nanometers (nm), which is one billionth of a meter. At this scale, materials and systems exhibit unique properties and behaviors that are different from those observed at larger length scales. The prefix "nano-" is derived from the Greek word "nanos," which means "dwarf" or "very small." Nanoscale phenomena are relevant to many fields, including materials science, chemistry, biology, and physics." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"nanoscale optics and was not involved in the study, said: “As this battery is based on glucose oxidase, which occurs naturally in humans and powered by chloride and sodium ions, such as those in our tears, they should be compatible and suitable for human usage. Besides that, the smart contact lenses industry has been looking for a thin, biocompatible battery that does not contain heavy metals, and this invention could help further their development to meet some unmet needs of the industry.”/p>