무선충전 더한 스마트 콘택트렌즈 … 활용 폭 넓어진다
무선충전 더한 스마트 콘택트렌즈 … 활용 폭 넓어진다
박장웅·이상영·배상영 교수 공동 연구팀 개발

스마트폰처럼 무선충전 … 시간·공간 제약 없애

“웨어러블 기기 무선전원 공급에 실마리 될 것”
  • 박정식
  • 승인 2019.12.08 04:00
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[헬스코리아뉴스 / 박정식] 눈에 착용해 증강현실(AR) 현실을 구현하는 스마트 콘택트렌즈의 활용 폭이 넓어질 전망이다. 스마트 콘택트 렌즈를 무선으로 충전할 수 있는 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐기 때문이다.

8일 한국연구재단에 따르면 연세대학교 박장웅 교수와 울산과학기술원(UNIST) 이상영 교수, 한국과학기술원(KAIST) 배병수 교수 공동 연구팀은 무선충전용 전자회로와 급속 충·방전이 가능한 전원(슈퍼커패시터)을 소프트 콘택트렌즈 내에 제작했다.

눈에 착용하는 소프트 콘택트렌즈에 전자장치를 결합한 플랫폼인 스마트 콘택트렌즈는 눈물 속의 바이오마커를 모니터링하거나 증강현실 등을 구현할 수 있어 다양한 활용성으로 주목을 받고 있다.

다만 웨어러블 기기인 만큼 지속적인 사용을 위해서는 전력공급을 확보하는 것이 중요한데, 주로 유선 방식으로 충전이 이뤄져 시간적·공간적인 제약을 가지고 있다.

연구팀은 이 같은 문제를 해결하기 위해 실제 널리 쓰이는 소프트 콘택트렌즈 물질을 기판으로 렌즈 크기에 맞게 무선충전에 필요한 전자소자(슈퍼커패시터, LED 등)들을 초정밀 인쇄공정을 통해 그려 넣었다. 시야를 가리지 않으면서, 착용자의 활동을 방해하지 않는 무선전원의 가능성을 보여준 것이다.

특히 착용감을 위해 유연하면서 투명한 구조로 설계했다. 정류회로, LED, 슈퍼커패시터 등을 집적시키면서도 렌즈의 구부러짐에 의해 소자가 부서지는 것을 막을 수 있는 구조를 고안한 데 따른 것이다.

무선충전 회로는 콘택트렌즈 상에 제작될 정도로 초소형이지만 LED 디스플레이를 구동시켜 빛을 밝히기에 충분했다. 또 충전용 단자부(port)가 노출되지 않도록 해 착용 시 감전의 위험을 없앴다.

나아가 실제 사람이 착용한 상태에서 무선충전이 되고 스마트 콘택트렌즈 내 LED 디스플레이를 작동할 수 있도록 전력을 공급하는 것을 확인했다. 렌즈 작동과정에서는 열이 발생하지 않았으며, 눈물이 닿거나 보관액에 담겨있을 때도 기능이 유지된다는 연구결과를 얻었다.

연구팀은 “신축성 있는 실제 소프트 콘택트렌즈 소재에 무선충전 전원을 초소형으로 구현할 수 있는 인쇄 기술을 개발한 것”이라며 “다양한 웨어러블 기기의 무선전원 공급에 실마리가 될 것으로 기대된다”고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 선도연구센터 사업(웨어러블플랫폼소재기술센터), 중견연구자지원사업, 바이오·의료 기술개발사업, 나노소재기술개발사업 둥의 지원으로 수행됐다. 연구 성과는 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시즈’(Science Advances) 12월 8일자에 게재됐다.

 

무선 충전용 회로(안테나-정류회로)-슈퍼커패시터-LED 디스플레이가 집적화된 스마트 콘택트렌즈 모식도 및 실제 사진(위)과 제작된 스마트 콘택트렌즈를 사람이 착용한 상태에서의 구동 사진. (사진=연세대학교)
무선 충전용 회로(안테나-정류회로)-슈퍼커패시터-LED 디스플레이가 집적화된 스마트 콘택트렌즈 모식도 및 실제 사진(위)과 제작된 스마트 콘택트렌즈를 사람이 착용한 상태에서의 구동 사진. (사진=연세대학교)

아래는 연세대 박장웅 교수와의 미니 인터뷰.

◇ 연구를 시작한 계기나 배경은?

드라마 ‘알함브라 궁전의 추억’에서 소개된 것처럼, 스마트 콘택트렌즈를 착용해 게임 또는 증강현실을 구현하려면, 콘택트렌즈에 전원이 반드시 필요하다. ‘스마트폰처럼 전원을 무선 충전할 수 있는 콘택트렌즈를 만들어보자’는 아이디어에서 연구가 시작됐다.

◇ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지?

콘택트렌즈에 무선충전 회로들을 탑재했을 때, 시야에 방해되지 않도록 사람의 동공을 가리지 않도록 디자인돼야 한다. 이를 위해 무선충전 전자회로들을 최대한 작고 얇게 만들고자 했다. 고정밀 프린팅 공정 및 신축성 안테나 설계 등을 통해 이 문제를 극복했다.

◇ 이번 성과, 무엇이 다른가?

SF영화 및 드라마에 소개되면서, 스마트 콘택트렌즈에 대한 관심이 급증했다. 디스플레이, 바이오센서 등의 다양한 전자장치들이 탑재된 스마트 콘택트렌즈가 구현되려면, 전원이 필요하다. 또한 전원이 무선으로 충전돼야 한다.

무선충전 전원장치를 신축성 있게 설계해 소프트 콘택트렌즈에 탑재하는 기술은 난이도가 매우 높다. 공동 연구팀은 4년 이상의 지속적인 연구를 통해 순수 국내기술만으로 이를 구현했다. 선도연구센터(ERC)의 장기간 연구 지원이 있었기 때문에 가능했다.

◇ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나?

사람이 착용 가능한 소프트 콘택트렌즈에 무선충전 전원을 탑재했기 때문에, 디스플레이 및 바이오센서 등의 다양한 전자장치들을 구동시킬 수 있다. 이를 통해 구글 글래스(안경 형태)와 유사한 기능들을 안경 없이, 스마트 콘택트렌즈를 착용해 구현 할 수 있을 것이라 기대한다.

◇ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은?

네비게이션 기능 또는 투명 디스플레이가 집적화된 스마트 콘택트렌즈를 개발해 증강 현실 구현이 가능하게 만들고자 한다. 또 눈물 또는 안구 상태를 자동 검진할 수 있는 질병진단용 스마트 콘택트렌즈도 개발하고 싶다.


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