인간의 눈물로 충전되는 스마트 콘택트렌즈 배터리

NTU 싱가포르

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싱가포르 난양기술대학교(NTU) 연구원들이 스마트 콘택트렌즈에 전원을 공급하고 눈물을 충전할 수 있는 마이크로미터 두께의 배터리를 고안했다고 대학 보도자료가 밝혔습니다.

콘택트렌즈는 오랫동안 시력 교정을 위해 사용되어 왔습니다. 기술이 발전함에 따라 기업들은 스마트폰과 같은 장치에 연결하고 착용자의 눈 가까이에 정보를 표시하는 등 더욱 스마트한 버전을 만들기 위해 노력해 왔습니다. 이러한 용도에는 렌즈에 내부 배터리가 있어야 합니다.

Interesting Engineering은 이전에 기업들이 스마트 콘택트 렌즈의 증강 현실 디스플레이를 어떻게 관리했는지 보고했습니다. 이러한 장치는 금속으로 구성된 유도 코일과 와이어가 포함된 매우 얇은 배터리를 사용하므로 사용자의 눈에 위험을 초래할 수 있습니다. NTU 전기전자공학부(EEE) 조교수 이석우가 이끄는 연구팀이 어떤 금속도 사용할 수 있는 배터리를 고안했다.

배터리는 생체 적합성 재료로 구성되어 있으며 포도당 기반 코팅이 되어 있습니다. 이 코팅은 배터리 내부 물의 나트륨 및 염화물 이온과 반응하여 전기를 생성하는 회로 역할을 할 수 있습니다. 눈물에서도 나트륨과 염화물 이온이 발견되기 때문에 렌즈를 착용하면 실제로 렌즈가 충전될 수 있습니다.

"이 연구는 '눈물로 콘택트렌즈 배터리를 충전할 수 있을까?'라는 간단한 질문에서 시작되었습니다." Woo는 보도 자료에서 이렇게 말했습니다. "렌즈 배터리에 대한 이전 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." 포도당과 물을 사용하는 방식이므로 수명이 끝난 후에도 사용자와 환경에 안전합니다.

배터리는 1mm보다 얇기 때문에 얼마나 많은 에너지를 담을 수 있는지, 얼마나 오래 사용할 수 있는지가 가장 큰 문제입니다. 그들의 발명품을 테스트하기 위해 연구원들은 시뮬레이션된 눈 모델을 사용하여 작업했습니다.

그들의 실험에 따르면 배터리는 45마이크로암페어의 전류와 201마이크로와트의 최대 전력을 생성할 수 있습니다. 이 전력량은 하루 종일 장치를 작동하는 데 충분합니다.

눈물로 충전하는 것도 도움이 되는 곳입니다. 모의 눈물액에 보관하면 12시간 사용할 때마다 배터리 수명이 1시간씩 추가로 연장될 수 있습니다. 사용하지 않을 때에는 배터리를 다량의 포도당, 칼륨, 나트륨 이온이 포함된 농축 식염수 용액에 보관하여 충전할 수 있습니다.

연구팀은 배터리가 200회의 충전-방전 주기를 겪을 수 있다는 사실을 발견했습니다. "무선 전력 전송과 슈퍼커패시터는 높은 전력을 공급하지만 렌즈 공간이 제한되어 있어 이들의 통합이 상당한 과제를 안겨줍니다." Li Zongkang 박사는 말했습니다. 이 작업에 참여한 NTU 학생입니다. "배터리와 바이오연료전지를 하나의 부품으로 결합함으로써 유무선 부품을 위한 추가 공간이 필요 없이 배터리가 스스로 충전할 수 있습니다. 또한 콘택트렌즈 바깥쪽에 배치된 전극은 눈의 시력을 보장합니다. 방해할 수 없어."

현재 팀은 배터리가 방전할 수 있는 전류량을 늘리고 이를 시장에 출시하기 위해 콘택트 렌즈 회사와 협력하고 있습니다.

이번 연구 결과는 나노 에너지(Nano Energy) 저널에 게재됐다.

추상적인

의료 및 개인용으로 개발된 스마트 콘택트 렌즈에는 유망한 옵션을 제공하는 통합 배터리와 함께 소형화된 전원 공급 장치가 필요합니다. 하지만 소형 웨어러블 기기의 배터리 충전은 소형화된 유선 연결이나 무선 전송 장치를 통해 전력을 전달하기 어렵기 때문에 어려운 과제입니다. 여기서 우리는 보관 중에 바이오 연료로 충전되는 콘택트 렌즈에 통합된 안전한 눈물 기반 배터리를 개발합니다. 포도당 산화효소의 효소 반응과 전도성 고분자의 자기 환원이 각각 음극과 양극을 충전하는 데 활용됩니다. 전극은 콘택트 렌즈에 내장되어 인공 눈물 용액에서 방전된 후 생체 반응(생체 충전이라고 함)을 통해 포도당 용액에서 충전됩니다. 바이오 충전 배터리는 방전용량 45 μA cm− 2 , 최대 출력 201 μW cm− 2 를 나타내며, 15사이클에 걸쳐 성능이 검증되었습니다. 생체 충전 배터리는 외부 전원 공급 장치를 통해 기존 방식으로 충전할 수도 있습니다.