컴퓨팅 장치의 소형화는 스마트폰을 필두로 한 모바일 혁명을 일으켰으며, 이러한 전자산업의 발전은 인류와 전자 기기를 더 친숙하게 만들었다. 스마트폰과 같은 휴대용 기기가 점차 발전해 현재는 안정세에 접어들었고, 이제 IT 산업은 인류와 상호작용을 할 수 있는 웨어러블 전자 기기 기술로 향하고 있다. 

웨어러블 전자 기기는 사용자와 사용자의 주변 환경에 대한 정보를 수집하고, 기존의 모바일 기기와의 연동을 통해 인류의 삶을 윤택하게 하는 데에 그 목적이 있다. 최근에는 사용자에게 거부감이 적고 비교적 착용이 쉬우며 실생활과 잘 어우러질 수 있는 착용형 웨어러블 전자 기기인 스마트 워치, 스마트 안경 등의 개발이 두드러지며 이 외에도 피부 부착형이나 삽입형 (implanted) 등 웨어러블 디바이스 전반에서 다양한 길로 활발히 연구가 진행중이다(그림 1).1,2

▲ 그림 1. 웨어러블 디바이스가 적용될 수 있는 예

웨어러블 전자 기기의 가장 큰 기능들 중 하나는 사용자의 건강을 정기적이고 지속적으로 모니터링 하는 것이다. 예를 들어, 심박수나 걸음 수와 같은 간단한 것 역시 사용자의 건강과 연관이 있을 수 있다. 보다 전문적으로는, 인류의 생체 신호를 실제로 질병 진단과 관련 지을 수 있다. 웨어러블 전자 기기가 사용자 및 사용자의 환경에 대한 정보를 수집하면 그 정보를 의료 전문가에게 전달하여 원격으로 진단 받거나 스마트 기기가 자체적으로 진단을 내릴 수도 있다. 

사용자는 병원에 가는 대신 시간의 여유를 가지는 것은 물론이고, 물리적인 행동에 방해를 받지 않으면서 건강 및 피트니스 관리가 가능해져 중대한 질병의 예방에 큰 도움이 될 수 있다. 웨어러블 전자 기기가 신체와 잘 조화되려면 무엇보다도 우수한 착용감이 매우 중요한데, 시계나 안경, 벨트는 기존에 사용자가 착용하던 것이고, 이러한 제품들은 사용자가 거부감 없이 받아들일 수 있다.

인류가 가장 가까이 할 수 있는 착용형 기기 중 대표적인 것은 바로 ‘콘택트렌즈’이다. 1801년, 과학자 토마스 영 (Thomas Young)이 안구에 직접 접촉하여 착용하는 ‘콘택트렌즈’를 처음 개발한 이래로, 콘택트렌즈는 인간의 선명한 시력을 위해 많은 형태로 발전해 왔다. 시력 문제는 전 세계 어디서나 존재하기 때문에, 콘택트렌즈 이전에는 안경으로 교정했다. 

하지만 보다 활동적인 일을 할 때나 심미적 기능이 요구될 때 콘택트렌즈가 월등한 시력 교정 기기로 사용된다. 현재는 소프트 콘택트렌즈가 이물감이 거의 없고 산소 투과도가 우수해 국내에서만 500만 명 이상이 시력 교정 기기로 사용하고 있고 콘택트렌즈 사용인구가 가파른 상승세를 그리는 것을 보아 향후에도 사용인구는 꾸준히 증가할 것으로 예상된다. 

이와 같이, 콘택트렌즈는 착용형 전자기기 시장에서 큰 이점을 가지고 있기 때문에 여러 기업 역시 개발 및 투자에 관심을 보여 왔다. 대표적으로, 구글 글래스로 웨어러블 디바이스 시장의 포문을 연 구글이 스마트 콘택트렌즈에 대한 프로젝트 콘셉트를 발표하며 많은 주목을 받았고, Novatis, Microsoft 역시 이에 대한 청사진을 알려왔다. 이처럼, 콘택트렌즈라는 가장 인간에게 친숙한 기기가 사용자의 건강과 직결되는 의료적 기능과 더해지면 매우 큰 가치를 창출할 것이다. 

눈물을 통해서 당뇨병, 암, 면역력, 스트레스, 두통 등 매우 다양한 질병 및 증상에 대해 진단 및 예방이 가능하다. 사람의 몸 상태, 외부의 자극에 따라 눈물이 가지고 있는 정보는 시시각각으로 변화한다. 눈을 통해서 진단 및 예방할 수 있는 가장 대표적인 질병은 당뇨병 진단과 녹내장 예방이다. 현재 당뇨병 환자는 혈당 수치를 모니터링 하기 위해 손가락을 찌르는 방법을 매일 사용하고 있지만 이 방법은 사용자로 하여금 통증과 불편함을 가져다 준다. 

혈액이 아닌 다른 체액 (소변, 타액, 장액, 눈물 등)에서 당 수치를 모니터링하면 비 침습적인 진단 및 당뇨병 통제가 가능하다. 사람의 눈물 속 당 수치와 체내의 혈당 수지가 일치한다는 사실에 착안, 환자의 눈물 속에 있는 포도당 수치를 실시간으로 확인할 수 있다는 점에서 여러 체액 중에서 눈물을 통해 당 수준을 지속적으로 모니터링 하는 스마트 콘택트렌즈가 급부상 하고 있다. 

이를 위해선 스마트 콘택트렌즈는 사람의 다양한 눈 모양에 맞춰 유연하게 변할 수 있어야 하며 시야를 방해하지 않기 위해 투명해야 한다. 또한 정보를 실시간으로 또 무선으로 외부로 전달을 해야 한다. 이러한 요구 사항을 만족하는 물질로는 그래핀, 탄소 나노 튜브 (CNTs), 금속 나노 와이어 (mNWs), 금속 메쉬 구조, 전도성 고분자 및 하이브리드 구조 등이 있다. 특히 그래핀은 나노와이어 (AgNWs) 하이브리드 구조가 투명(투과도 88%, 550 nm, 그림 2a)하고, 뛰어난 전기적(면저항 ~ 33 Ω/sq) 및 기계적 특성(100% 신축 시 저항 변화 5% 미만)을 가지는 등 금속 나노와이어만 존재하는 것 보다 특성이 뛰어나다는 결과가 보고되었다.3 따라서 콘택트렌즈에 적용할 수 있는 신축성이 있는 투명 물질 중 하나로 관심 받고 있다. 

▲ 그림 2. (a) 그래핀은 나노와이어 하이브리드 필름의 사진. (b) ILED가 통합된 콘택트렌즈의 개략도. (c) ILED가 통합된 

콘택트렌즈의 광학 현미경 이미지 및 콘택트렌즈의 표면 사진. (d) 토끼 눈에 콘택트렌즈를 착용 시키기 전후의 ILED의 

current-voltage 특성 곡선.3

그래핀은 나노와이어 하이브리드 전극을 이용하여 2013년 소프트 콘택트렌즈에 무기 발광 다이오드 (ILED)를 통합하여 단일 픽셀 콘택트렌즈 디스플레이가 보고됐다(그림 2b). 이 간단한 콘택트렌즈를 통해 미래에는 실제 세계에 시각적 정보를 통합하여 자유롭게 액세스 할 수 있는 시선 콘택트렌즈 장치를 만들 수 있다고 생각하게 됐다. 그림 2c는 이 콘택트렌즈 디스플레이의 투명성을 보여주고 있다. 또한, 착용 후에도 콘택트렌즈가 성능 저하 없이 동작되는지 시험하기 위해서 토끼가 실제로 착용했고, 그림 2d와 같이 성능 저하가 없는 것을 볼 수 있었다. 이 결과를 통해서 그래핀은 나노와이어는 콘택트렌즈에 적용할 수 있는 신축성이 있는 투명 물질임을 증명했다.

앞서 말했듯이, 눈물에 포함된 수많은 생체 분자 중에서 포도당은 당뇨병 진단에 중요한 생체 지표이다. 이에 이 물질을 이용하여 당뇨를 진단할 수 있는 포도당 센서가 통합된 스마트 콘택트 렌즈 센서 결과가 보고됐다(그림 3a).4 이를 위해 그래핀 채널과 그래핀은 나노와이어 하이브리드 전극으로 구성된 그래핀 field-effect transistor (FET)를 기반으로 하는 포도당 센서가 콘택트렌즈에 제작되었다.4 포도당의 선택적인 검출을 위해, 포도당 산화 효소 (Aspergillus niger의 GOD, β-D-glucose)를 그래핀 채널에 고정시켰다. 

포도당의 감지 메커니즘은 그림 3b와 같다. GOD는 포도당을 글루콘산(gluconic acid)로 산화시키고, 물을 과산화수소로 환원시킨다. 생성된 과산화수소는 산화되어 산소, 양성자 및 전자를 생성하게 되고, 채널 내의 전하 캐리어가 되어 전류가 증가하게 된다(그림 3c). 제작된 센서를 통해서 실시간으로 1 μM ~ 10 mM의 포도당 농도를 측정했다. 또한 센서는 눈물 속에 있는 포도당 농도인 0.1 ~ 0.6 mM를 감지할 수 있었다. 

▲ 그림 3. (a) 콘택트렌즈위에 포도당 센서가 제작된 사진. (b) 그래핀과 GOD를 이용한 포도당 감지의 원리. (c) 실시간 포도당

농도의 모니터링 결과 그래프. (d) 콘택트렌즈 위 투명한 포도당 센서의 개략도. (e) 살아있는 토끼의 눈에 착용된 무선 포도당

센서의 사진. (f) 살아있는 토끼의 눈에 콘택트렌즈를 착용하기 전과 후에 포도당 농도의 무선 감지 그래프.4

위에 설명 된 투명성과 신축성 외에도 스마트 콘택트렌즈는 렌즈 모양의 Polyethylene terephthalate (PET) 또는 Polydimethylsiloxane (PDMS) 기판 대신 착용 가능할 수 있도록 높은 산소 및 수분 투과성을 가져야한다.5 또한 렌즈에 전기적인 연결을 위해서 전선 등을 연결하는 것이 실용적이지 않기 때문에 장치에 전원을 공급하고 센서 반응을 기록하는 작업은 모두 무선으로 할 수 있도록 기술이 개발되고 있다. 그림 3d는 그래핀은 나노와이어 전극, 안테나 및 그래핀 채널이 소프트 콘택트렌즈에 제작된 모습을 보여준다. 

이 센서는 그래핀 채널의 저항 (R), 그래핀은 나노와이어 하이브리드로 만든 안테나 코일의 인덕턴스 (L) 및 하이브리드 전극 (C)로 이루어져 있다. 무선 안테나는 반사값 (S11)이 센서의 저항 변화에 따라 변화하므로 포도당 농도를 측정하여 사용자에게 전달 할 수 있다. 그림 3e는 생체 내에서 콘택트렌즈가 잘 작동하는지 보기 위해 콘택트렌즈 센서를 살아있는 토끼에게 적용한 사진을 보여준다. 콘택트렌즈를 토끼의 눈에 넣은 후에도 토끼는 이상 행동의 흔적을 보이지 않았고 반복적인 토끼의 눈 깜빡임에도 센서는 안정적인 동작이 된다고 보고되었다. 그림 3f는 토끼가 콘택트렌즈를 착용한 후에도 소자가 안전적인 구동을 하고 있다는 것을 보여준다. 이렇게 콘택트렌즈에 통합된 포도당 센서는 현재 손가락 찌르는 방법을 대체 할 수 있는 기술이다.

사람의 눈에서 얻을 수 있는 또 다른 중요한 건강지표는 안구의 압력 (안압)이다. 안압의 상승은 녹내장의 가장 큰 위험 요소이며, 이는 사람의 실명의 주요 원인이다. 따라서 녹내장의 조기 진단과 치료가 중요하다. 그러나 녹내장은 천천히 증상이 없는 진행으로 인해 진단에 어려움을 겪는다. 안압의 상승은 낮보다는 밤에 발생하지만, 환자가 장소의 한계로 인해 병원을 방문 할 때만 측정할 수 있으므로 오진의 가능성이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 24 시간 동안 지속적으로 안압을 측정하기 위해서 소프트 콘택트렌즈에 적용한 착용 가능하고 투명한 안압 센서가 보고되었다. 

안압을 모니터링하기 위해 우리는 샌드위치 구조의 그래핀은 나노와이어 하이브리드 전극으로 만들어진 두 개의 안테나 사이에 탄성 중합체가 배치되었다. 그림 4a는 콘택트 렌즈 센서가 안압이 높을 때 상승된 안압에 의해 센서가 어떻게 반응하는지 보여준다. 높은 안압은 각막의 곡률 반경을 증가 시키며, 이는 안테나 사이의 유전체가 얇아지게 하고, 정전 용량을 증가시킨다. 결과적으로, 높은 안압은 안테나의 resonance 주파수를 낮은 주파수로 이동시킨다. 

▲ 그림 4. (a) 안압의 감지 메커니즘을 보여주는 개략도. (b) 소 눈알 (왼쪽)과 마네킹 눈 (오른쪽)에 착용된 콘택트렌즈 센서의

사진. (c) 5 mmHg에서 50 mmHg까지 소의 눈 안의 안압 센서의 resonance frequency 주파수 측정 값.4

이 콘택트렌즈 센서는 인간의 안구와 구조적으로 유사한 소의 안구를 통해서 체외에서 시험되었다. 그림 4b와 같이, 소의 안구 또는 마네킹 상에서의 센서는 시야를 방해하지 않고 충분한 투명성을 갖는 것을 볼 수 있다. 

그림 4c는 소의 안구에 착용된 콘택트렌즈 안압 센서로부터 무선으로 측정된 resonance 주파수를 측정한 결과를 보여준다. 실제 사람의 안압 범위인 5~50 mmHg에서 모두 센서가 작동한 것을 알 수 있다. 콘택트렌즈 센서는 최소한의 침습성과 지속적인 모니터링이 필요한 당뇨병에서 녹내장에 이르는 질병 및 상태를 진단 할 수 있다. 센서를 모바일 의료 애플리케이션과 페어링하는 기능을 사용하면 실시간으로 데이터를 수신하고 효율적인 진단을 위해 임상의에게도 전달할 수 있다. 이 콘택트렌즈를 기반으로 한 플랫폼은 진단 전용으로만 제한되지 않을 것이며, 앞으로 이 플랫폼은 약물 전달과 같은 치료 기능을 통합하게 될 것이다.6 

김주희·박장웅

울산과학기술원 (UNIST) 신소재공학부