인간이 착용할 수 있는 웨어러블 전자기기 중 사람의 가장 밀접한 부위에 착용하는 콘택트 렌즈 내에서 작동 가능한 스마트 렌즈용 박막전지가 개발됐습니다. 한국과학기술원(KIST) 전자재료연구단 최지원 박사팀이 콘택트 렌즈 내에서 작동 가능한 유연한 박막 2차전지를 최초로 구현한 건데요. 박막 2차전지는 두께가 종이보다 얇은 0.15mm에 불과한데다 액체 전해질을 세라믹 소재의 필름 형태로 고체화해 폭발의 위험이 적고 종이처럼 휘어지는 특성을 띱니다. 이는 향후 다양한 형태의 웨어러블 기기 등에 차세대 전력 저장 장치로 응용이 가능할 것으로 보입니다.
최근 들어 웨어러블 전자기기는 모자, 안경, 벨트, 시계, 옷 등 다양한 분야에 적용돼 연구 중입니다. 이중에서도 스마트 렌즈는 가장 진보된 기술이 적용되는 분야로 국내외 대기업에서 증강현실(AR), 디스플레이, 당뇨 수치 모니터링 기기 등을 앞 다투어 개발하고 있습니다. 기존의 스마트 렌즈는 렌즈 외부에서 전기를 공급받아 작동했는데요. KIST 연구진이 개발한 이 박막 2차전지는 스마트렌즈에 장착이 가능하고, 렌즈 자체에 전원을 가지고 있어 전원 공급이 자유롭고 재충전해 쓸 수 있다는 게 장점입니다.
KIST 연구진이 개발한 이 전지는 일상 생활에서 사용하는 전지의 형태가 아닌 아주 얇은 필름 형태의 전지로, 곡면의 콘택트 렌즈 위에 전지를 제작해 LED를 작동시키는데 성공했습니다. 이 스마트 렌즈용 박막전지는 유연한 특성을 가지고 있어 휘어진 상태에서도 수분이 존재하는 환경에서도 작동합니다.
우리가 일상생활에서 사용하고 있는 리튬 2차전지는 양극재, 음극재, 분리막, 액체전해질, 전극 등으로 이뤄져 있습니다. 리튬 이온이 양극에서 음극으로 이동을 반복하며 발생시키는 전자를 이용해 전자기기를 작동하게 됩니다. 하지만, 리튬 2차전지는 폭발의 위험에서 완전히 안전하다고 할 수 없는데요.
리튬 이차전지의 경우 장기간 사용하거나 충격에 의해 양극재의 손상이 생기면 음극재와 합선돼 액체전해질이 연료가 돼 폭발합니다. 따라서 사람의 눈에 착용하기 위해서는 높은 안정성이 필수적이지만, 스마트 콘택트 렌즈를 구동시킬 수 있는 전력원이 될 스마트 렌즈용 전지에 대한 연구결과가 전 세계적으로 전무한 상황이라 스마트 렌즈 개발에 어려움이 있었습니다.
KIST 최지원 박사팀은 이번 스마트 렌즈용 박막전지를 개발하기 위해 모든 구성 요소를 유연하면서도 고체인 필름형태의 박막 2차전지로 만들었습니다. 액체전해질을 사용하지 않음으로 폭발의 위험이 없는 아주 안전한 전지를 제작했습니다. 또한 콘택트 렌즈에 적용 가능하도록 유연한 재료를 사용해야 했는데, 연구진은 일반적으로 고온에서 제작이 필요한 양극재를 저온에서 제작이 가능하도록 개발해 별도의 고가 장비의 도움없이 산업화에 유리한 기술을 개발했습니다.
KIST 최지원 책임연구원은 "이번에 개발한 스마트 렌즈용 박막 2차전지는 콘택트 렌즈에 적용된 최초의 전지로 향후 스마트 렌즈의 핵심 부품이며, 유연한 특성으로 다른 웨어러블 전자기기의 전력원으로 활용될 것"이라고 밝혔습니다. 이 연구는 재료분야 국제 학술지인 <Nano Energy>에 게재됐습니다.
