내부 배터리가 차세대 웨어러블을 구동하고 암과도 싸울 수 있을까?

웨어러블 기술은 이미 우리 일상을 재구성해 왔으며, 앞으로도 계속 성장할 것이며, 이는 2022년 613억 달러로 평가된 웨어러블 디바이스 시장에서 확인할 수 있습니다. 그 해에만 4억 9천만 대 이상의 웨어러블 유닛이 소비자에게 출하되었습니다. 

혁신에 힘입어 웨어러블은 환경 지속 가능성부터 의료에 이르기까지 다양한 산업 분야의 트렌드를 형성하고 있습니다. 이러한 전자기기는 건강 모니터링, 치료, 질병 진단 및 상처 치유를 혁신했습니다. 신뢰성 있게 작동하려면 이러한 장치는 생체 적합하면서도 충분한 용량을 가진 배터리에 의존합니다.

대부분의 이식형 디바이스는 은-아연(Ag-Zn) 및 리튬-아이오딘(Li-I2)과 같은 전통적인 배터리로 구동됩니다. 그러나 이러한 기존 배터리는 용량이 제한적이며 유기 전해질 누출로 인한 안전 위험을 초래합니다.  

이식형 디바이스에 전원을 공급하기 위해 밀폐되어 사용되는 Ag-Zn 및 Li-I2 배터리의 용량은 질량에 의해 제한되어 서비스 수명이 짧아집니다. 여기에서 새로운 연구가 살아있는 유기체가 자연적으로 함유하고 있는 성분을 활용할 것을 제안합니다. 이러한 성분에는 땀, 효소, 포도당 및 용해된 산소가 포함되며, 배터리의 지속적인 에너지 원으로 활용될 수 있습니다.

대사 과정을 통해 지속적으로 얻을 수 있는 O₂와 포도당과 같은 활성 성분을 양극/음극으로 사용하면 시험관 내외에서 우수한 전기화학적 성능을 나타냅니다. 

Cell Press에 게재된 연구는 금속-O₂ 배터리를 제안합니다. 이 배터리는 양극에 O₂를 활성 성분으로 사용하고 금속 음극과 조립됩니다. 이를 통해 현재 사용 가능한 이식형 배터리보다 5~10배 높은 에너지 밀도를 제공할 수 있습니다. 

이론적으로 Li-O₂와 나트륨‑산소(Na-O₂) 배터리는 각각 3,458 Wh/kg와 1,605 Wh/kg의 서로 다른 에너지 밀도를 제공합니다. 이 수치는 현재 리튬‑이온 배터리보다 훨씬 높습니다.

이 연구는 중국 톈진공업대학 소재 고급 기능성 다공성 물질 연구실, 신에너지 소재 및 저탄소 기술 연구소, 재료과학공학부에 소속된 양 르, 시정 류, 구충 류, 그리고 이 정이 수행했습니다.

그 외 연구진으로는 중국 허베이대학 생명과학 및 녹색 개발 연구소 화학·재료과학 대학의 쉬앙 우와 핑리 우, 톈진 의과대학 약학부의 쉬앙용 순, 푸단대학 신에너지 연구소·iChEM·상하이 분자 촉매 및 혁신 소재 핵심 실험실 화학부의 용강 왕이 포함되었습니다.

이 연구는 중국 국가자연과학기금, 국가중점연구개발프로그램, 그리고 우수 젊은 학자 국가과학기금의 재정 지원을 받았습니다.

이식형 및 생체 적합 Na-O₂ 배터리

산소는 생명에 필수적이며 살아있는 조직에 널리 존재합니다. 마찬가지로 나트륨도 필수 원소로, 우리 몸 안에 Na⁺ 형태로 널리 존재합니다. 이러한 보편성은 금속‑O₂ 배터리가 지속적으로 전원을 보충할 수 있는 유망한 후보임을 시사합니다. 

나트륨은 재충전 가능한 배터리의 유망한 음극 재료로 개발되어 왔으며, Na‑O₂ 배터리는 저비용, 높은 이론적 에너지 밀도, 스마트 그리드 및 휴대용 전자기기 활용 가능성 때문에 특히 인기를 끌고 있습니다. 또한 Na‑O₂ 배터리의 방전 생성물은 간과 신장에서 쉽게 대사될 수 있어 매력적입니다.

이러한 방식으로 Na‑O₂ 배터리는 지속적인 원료 공급 요구와 체내 생성물 대사 요구를 모두 충족할 수 있습니다.

따라서 연구자들이 Na‑O₂ 배터리에 집중하는 것이 이번이 처음은 아닙니다. 2018년에 한 연구가는 높은 이론적 에너지 밀도와 풍부한 자원 덕분에 잠재력을 강조했지만, 입방체 또는 불규칙한 입자 형태의 대형 방전 생성물 형성으로 인한 느린 반응 속도에 주의를 촉구했습니다. 

또 다른 Hossein Yadegari와 Xueliang Sun의 논문은 서부 온타리오 대학교 기계·재료공학부에서 Na‑O₂ 배터리가 Li‑O₂ 배터리의 에너지 효율적인 대안으로 부상했다고 언급했습니다. 이들은 가역적인 초산화물 화학에 의존하며, 셀은 리튬 대비 낮은 과전압 충전을 보여 높은 사이클 성능으로 이어질 수 있습니다. 

하지만 이 논문은 이온쌍 간 상호작용이 O₂가 전해질을 공격하는 핵친성 공격을 방지하기에 충분하지 않다고 지적했습니다. 또한 NaO₂의 내재적 안정성 및 금속 Na의 높은 화학 반응성이 Na‑O₂ 배터리 발전에 도전 과제로 작용합니다. 이러한 배터리에 대한 보고는 비교적 적지만, 이식형 금속‑O₂ 배터리의 잠재적 이점은 기존 과제 해결의 중요성을 강조합니다.

최신 연구는 체내에서 사용되는 배터리가 개방형 구조를 가져야 체액으로부터 O₂를 흡착할 수 있음을 강조합니다. 또한 배터리 부품이 좋은 생체 적합성을 보여야 거부 반응이나 부작용을 피할 수 있음을 강조합니다. 게다가 고반응성인 Na 기반 음극은 충분히 보호되어야 하며, 배터리 설계는 연조직과의 안정적이고 밀접한 접촉을 허용하도록 유연해야 합니다.

그 결과, 팀은 Na‑Ga‑Sn 삼원 합금(NaGaSn)을 안정적인 Na 기반 합금 음극(전기가 들어가는 부분)으로, 나노다공성 금(Au) 양극(NPG)을 전기가 나오는 부분으로 사용하고, 이들을 이온 교환막(Nafion)으로 분리한 새로운 Na‑O₂ 배터리 설계를 제안했습니다.

순수 금속 Na 대신 NaGaSn 삼원 합금을 선택해 살아있는 유기체 내에서 안전성과 내식성을 향상시켰습니다. 동시에 NPG는 금속‑공기 배터리에서 산소 환원 반응을 위한 양극으로 사용되었습니다. 방전 시 O₂는 체액으로부터 지속적으로 공급되고 NPG 촉매에 의해 환원됩니다. 

유망한 결과와 잠재적 적용

이식형 전자기기가 개인 맞춤형 건강 모니터링 및 정밀 치료를 혁신할 잠재력으로 주목받으면서, 이식형 배터리의 중요성도 함께 커지고 있습니다. 살아있는 유기체에서 얻은 활성 성분을 활용하면 장기 전원 공급이 가능해져 수술을 통한 배터리 교체 필요성을 줄이고 보다 지속 가능한 장기 솔루션을 제공할 수 있습니다. 

연구팀은 개방형 양극 구조를 갖춘 이식형 및 생체 적합 Na‑O₂ 배터리를 성공적으로 개발했으며, 쥐 실험에서 라미네이트 배터리는 1.3 V에서 2.6 μW/cm²의 전력 밀도를 달성해 뛰어난 체내 생체 적합성을 입증했습니다. 

결과는 이식된 배터리 주변에 유의미한 염증이 없음을 보여주었습니다. 또한 양극 주변의 모세관이 잘 재생되어 배터리에 지속적인 O₂ 공급원을 제공했습니다. 

한편, NPG 양극 촉매는 배터리의 뛰어난 안정성을 가능하게 했으며, 연구진은 NPG가 Na‑O₂ 배터리 양극의 “불가피한 선택”이라고 밝혔습니다. 전기방사 PLCL 막은 생체 적합성을 향상시켰으며, 질량 및 전해질 이동을 위한 채널 역할을 하는 다공성 구조는 체액 투과와 O₂ 확산을 허용했습니다. 

방전 과정에서 생성된 Na⁺와 OH⁻ 이온은 전해질 교란 없이 혈액으로 들어가며, 체내 대사 과정에서 간과 신장에 이상을 일으키지 않았습니다. 

연구 결과는 마이크로 이식형 전자기기에 전원을 공급하는 에너지 원으로서의 잠재력도 보여주었습니다. 또한 체액에서 O₂를 소비함으로써 Na‑O₂ 배터리의 생물·의학 연구 분야에서의 적용 가능성을 강조했습니다. 연구에 따르면:

“우리의 Na‑O₂ 배터리는 이식형 배터리 개념을 혁신하며, 방전 중 O₂ 소비가 탈산소화 기능을 제공해 혐기성 환경과 관련된 질병에 대한 바이오‑전자 이식물과 바이오테라피를 결합하는 새로운 방식을 제시합니다.” 

따라서 Na‑O₂ 배터리는 웨어러블 전원 공급을 넘어 암 치료 및 상처 치유 모니터링 등 훨씬 더 넓은 활용 가능성을 가지고 있습니다.

연구는 또한 노인성 치매와 암이 해당 조직의 산소 수준과 밀접하게 연관되어 있음을 언급했습니다. 최근 보고된 O₂를 소비하는 자체 충전식 염수 배터리는 항암 치료에 새로운 길을 열어 바이오전기 이식물과 바이오테라피를 결합할 수 있게 합니다.

현재 배터리에서 O₂ 농도를 정밀하게 제어함으로써 산소 축적이나 병원성 박테리아에 의해 유발되는 질병에 대한 치료 가능성을 보여줍니다. 또한 Na‑O₂ 배터리 양극의 촉매는 노인성 치매를 유발하는 초과산화물 라디칼을 감소시켜 해당 분야에서도 잠재적 적용이 가능함을 강조합니다. 

많은 과제가 남아 있지만, Na‑O₂(나트륨‑산소) 배터리는 “매우 유망하며 이식형 디바이스 분야에 새로운 혁명을 일으켜 다양한 질병 치료를 위한 새로운 방법 개발을 촉진할 수 있다”는 연구진의 평가가 있습니다.

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바이오테크 웨어러블 솔루션 개발 현황

웨어러블 기술은 주로 몸에 착용해 다양한 지표를 모니터링하는 전자기기를 의미합니다. 오늘날 이러한 기기는 의료, 스포츠, 핀테크부터 제조업까지 다양한 산업을 발전시키고 있습니다.

스포츠 산업에서는 웨어러블이 선수에게 실시간 데이터와 피드백을 제공해 경기력을 향상시킵니다. 스마트 선글라스, 신발, 의류는 센서를 통해 심박수, 걸음 수, 신체 활동 등을 추적·모니터링합니다. 이 정보는 특정 영역을 개선하고 피트니스·훈련 계획을 조정하는 데 활용됩니다. 

제조 분야에서는 이러한 기기가 실시간 알림과 위험 상황 정보를 제공해 작업장 안전을 보장합니다. 동시에 작업자 효율성과 생산성을 추적해 개선이 필요한 영역을 식별하고 워크플로를 조정합니다. 

하지만 진정으로 변화를 일으키는 분야는 의료 산업입니다. 스마트워치, 피트니스 트래커, 바이오센서, 혈압 모니터, 심전도(ECG) 모니터와 같은 웨어러블이 의료 현장을 뒤흔들고 있습니다. 

웨어러블은 사용자가 자신의 건강 데이터를 직접 수집하고 이를 기반으로 행동을 취하게 합니다. 의료 전문가들은 웨어러블을 통해 실시간 환자 모니터링을 손쉽게 수행해 생명을 위협하는 상황을 완화할 수 있습니다. 

이러한 기기는 활력징후와 건강 데이터를 추적·모니터링해 의사와 간병인이 잠재적 건강 문제를 발견하고 시기적절한 개입을 제공하도록 돕습니다. 또한 연구자와 의사에게 임상 연구를 진전시키고 새로운 치료법·치료제를 개발하는 데 유용한 통찰을 제공합니다. 

한편, 제공자와 보험사는 이러한 기기를 활용해 보다 정확하고 개인화된 건강 플랜을 제공할 수 있습니다. 기업들도 직원들의 건강 습관을 장려하기 위해 활용하고 있습니다. 

바이오테크 분야에서는 웨어러블이 비침습적인 생리 상태 모니터링, 질병 및 독소 노출 상태 파악을 가능하게 합니다. 이는 연구자와 과학자가 잠재적 부작용을 식별하는 정밀 의학에 큰 도움이 됩니다. 또한 웨어러블은 온도·공기질 등 환경 조건에 대한 통찰을 제공해 생물 시스템에 미치는 영향을 연구하는 데 활용됩니다. 

이제 웨어러블 솔루션을 개발 중인 몇몇 회사를 살펴보겠습니다. 

#1. Google-Acquired Fitbit 

이 회사는 활동량, 심박수, 수면 패턴 등 다양한 건강 지표를 모니터링하는 피트니스 트래커로 잘 알려져 있습니다. 또한 연구자, 의료 시스템, 기업 복지를 위한 솔루션을 제공하는 코칭 플랫폼을 운영합니다. Fitbit은 주로 소비자 피트니스에 집중하며 의료 기업과 파트너십을 맺고 있습니다.

올해 초 Google의 Fitbit은 실험실 검사 기업 Quest Diagnostics (DGX ) 와 협력해 웨어러블 기술이 대사 건강을 개선하고 뇌졸중, 당뇨, 치매 등 질병을 예방할 수 있는지를 연구했습니다. 또 ViviHealth와 협력해 행동 건강 센터를 변혁하는 예측·처방 분석을 제공했습니다.

Google은 시가총액 1.9조 달러 기업으로 현재 주가는 $153.16이며 연초 대비 9.5% 상승했습니다. 회사의 연간 매출(TTM)은 $307.39 억, 주당순이익(EPS, TTM) 5.80, 주가수익비율(P/E, TTM) 26.41입니다.

#2. Garmin 

이 회사는 심박수, 스트레스 수준, 심박산소포화도 등을 모니터링하는 기능을 갖춘 피트니스용 웨어러블을 생산합니다. Venu 시리즈는 신체 패턴과 수면 품질을 추적하고 Android 및 Apple (AAPL ) 스마트폰과 연동됩니다. Garmin은 사용자가 건강 목표를 유지하도록 돕고 전반적인 사회 건강 증진, 웰니스 촉진, 의료 소비 감소를 목표로 합니다.

Garmin은 30년 전 항공 분야를 위한 최첨단 GPS 내비게이션 제품으로 시작해 현재는 해양, 자동차, 야외, 피트니스 시장까지 확장했습니다. 현재는 인도 시장 확대와 증가하는 ‘중산층’ 소비자 기반 확보에 주력하고 있습니다.

#3. Abbott Laboratories

이 회사는 웨어러블 기술을 포함한 다양한 의료기기를 개발합니다. 여기에는 상완에 부착해 실시간으로 혈당을 측정하는 소형 원형 센서인 FreeStyle Libre가 포함되어 당뇨 환자가 상태를 보다 효과적으로 관리하도록 돕습니다. 시장을 선도하는 웨어러블 혈당 센서는 전 세계 500만 명 이상의 사용자를 보유하고 있습니다.

당뇨 외에도 일리노이주에 본사를 둔 이 기업은 물리적 움직임 및 심장학 분야에서도 서비스를 제공합니다. 시가총액 $193.62 억, 현재 주가는 $111.56이며 연초 대비 1.53% 상승했습니다. 회사의 연간 매출(TTM)은 $40.10 억, EPS(TTM) 3.27, P/E(TTM) 34.10입니다.

#4. BioTelemetry Inc. 

현재 Philips의 일부인 BioTelemetry는 원격 의료 모니터링 시스템을 제공하며, 심장 모니터링용 웨어러블 디바이스도 포함합니다. 이러한 웨어러블 센서는 실시간으로 심장 리듬 이상 및 기타 심장 지표를 추적합니다. 2020년 말, Philips는 28억 달러 규모의 거래로 BioTelemetry를 인수했습니다.

결론

웨어러블 기술 시장은 급성장하고 있으며 2026년까지 $118 억을 넘어설 것으로 예상됩니다. 결국 웨어러블은 피트니스, 교육, 엔터테인먼트부터 여행·패션에 이르기까지 다양한 산업에 진입하고 있습니다. 

하지만 건강 문제가 대두됨에 따라 웨어러블은 우리의 습관, 건강, 삶에 의미 있는 영향을 미치고 있습니다. 이러한 디바이스가 점점 정교해지고 있지만 배터리 문제는 반드시 해결해야 할 과제입니다. 

여기서 볼 수 있듯이, 연구는 웨어러블 수명을 연장하고 암과 같은 질병과 싸우도록 돕기 위해 진행되고 있습니다. 앞으로 기술 발전과 연구가 웨어러블이 개인 맞춤형 케어를 제공하고 환자 결과를 크게 개선하는 데 더욱 뛰어나게 만들 것입니다.

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