섬유형태 고성능 생체연료전지 개발

김선정 교수팀, 탄소나노튜브에 생체효소 넣어 제작

김선정 교수

아주경제 이한선 기자 = 국내연구진이 섬유형태 고성능 생체연료전지를 개발했다.

미래창조과학부는 김선정 한양대 전기생체공학부 교수팀이 탄소나노튜브에 생체효소를 넣어 유연하면서도 강한 섬유형태의 고성능 생체연료전지를 만들었다고 12일 밝혔다.

포도당을 산화시킬 때 생성되는 전자를 전극으로 수집해 전력을 만드는 생체연료전지는 상온에서 구동할 수 있고 친환경적으로 차세대 에너지 공급장치로 주목받고 있다.

생체연료전지는 기존 연료전지의 촉매를 생물체내에 존재하는 생체촉매인 효소로 대체하고 수소보다 저렴하고 다루기가 편한 포도당을 연료로 한 연료전지로 효소의 산화환원 반응으로 연료물질에서 발생한 전자가 전극으로 이동하는 원리로 에너지를 발생시킨다.

이번 연구는 미래부와 한국연구재단이 추진하는 리더연구자지원사업의 지원으로 수행돼 연구결과는 네이처 커뮤니케이션지 온라인판 2일자에 게재됐다.

촉매를 표면에 코팅하는 방식의 기존 평판 전극형 생체연료전지는 전력생산효율과 생체 내에서의 안정성이 낮고 유연성과 물리적인 특성이 좋지 않아 실제 응용에는 한계가 있었다.

생체연료전지 실용화를 위해서는 성능과 안정성을 향상시키는 것이 핵심과제였다.

연구팀은 탄소나노튜브 시트 표면에 산화·환원 효소를 고정시킨 후 이를 꼬아 만든 다층 구조의 실 형태 전극을 이용한 고효율 생체연료전지 시스템을 개발했다.

시스템은 유연하고 강한 섬유로 이루어져 꼬거나 직물형태로 만들 수 있어 카테터나 스텐트 등 의료용 기구 형태로 쉽게 가공하는 것이 가능해 질 것으로 기대된다.

전해질 분리막이 필요 없고 소형화가 가능해 페이스메이커, 신경자극기 등 체내 삽입형 의료기기를 위한 전력공급원으로 역할을 할 것으로 예상된다.

이는 탄소나노튜브 표면에 코팅된 PEDOT가 효소를 보호해주는 이온분리막처럼 작용해 체내 안정성이 높아지기 때문이다.

PEDOT는 나노단위 두께로 코팅이 가능한 생체친화성이 높은 전도성 고분자로 전자전달능력이 좋아 생체이식전극으로도 활용할 수 있다.

고성능 전력생산도 가능해 생체조건과 유사한 포도당 농도의 혈청에서 다층구조의 실형태를 이용한 생체연료전지는 1cm의 전극만으로도 1.02mW/cm2의 전력을 낼 수 있는 것으로 나타났다.

대부분 삽입형 의료기기는 구동하는 데 수 mW 수준의 전력이 필요하다.

김 교수는 “개발한 섬유형태의 생체연료전지는 직물제조가 가능할 정도로 유연하고 물성이 좋으면서도 사람의 체액 내에서 전력생산 효율과 안정성이 우수해 삽입형 의료기기의 전력공급원으로 응용될 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다.

생체연료전지를 위한 섬유전극의 제조와 구조, (a)는 탄소나노튜브 시트로부터 섬유전극을 제조하는 과정 (b, c)는 지름 50μm인 섬유전극 표면 이미지, (d, e)는 효소를 포함하고 있는 섬유전극 단면의 이미지 (f, g)는 전극 섬유의 개념도, 산화와 환원에 의한 전자전달 메커니즘, 섬유전극의 제조방법은 전도성고분자인 PEDOT을 코팅한 다음 각각의 효소를 고정화하고 바이스크롤링을 통해 최종 섬유 전극을 제조한다. 생체연료전지를 위해 만들어진 섬유 전극의 표면과 단면은 (b~e) 에서의 주사전자현미경 이미지로 확인할 수 있다