부도체인 섬유를 이용해 인체 삽입이 가능한 고성능 생체연료전지가 개발됐다. 한국연구재단이 고려대학교 조진한 교수와 미국 조지아텍 이승우 교수가 공동연구를 통해 면섬유에 금속 나노입자를 코팅한 뒤 생체 효소를 주입해 생체이식이 가능한 생체연료전지 개발에 성공했다고 밝혔다.

생체연료전지는 촉매를 생체효소로 대체하고, 포도당이 산화할 때 생성하는 전자를 전극으로 수집해 전력을 만든다. 상온에서 구동이 가능해 차세대 의료용 에너지 공급 장치로 주목받고 있다. 하지만 기존의 평판 전극형 생체연료전지는 전력생산 효율과 생체 내의 안정성이 낮고, 유연성과 물리적 특성이 좋지 않아 실용화에 한계가 있었다.

연구팀은 면섬유 표면에 나노 크기의 금 나노입자를 균일하게 코팅해 섬유의 다공성 표면을 유지하면서도 높은 전기 전도도를 갖는 고성능 생체연료전지 전극을 개발하는 데 성공했다.

이렇게 제작된 면섬유 전극은 기계적·구조적 특성의 변화 없이 금속의 전기 전도도를 나타낸다. 그뿐만 아니라 이러한 면섬유 전극 기반의 생체연료전지는 넓은 표면적을 갖는 다공성 구조로 전류 밀도와 전력 성능도 획기적으로 향상됐다.

연구팀은 이번 연구에서 단분자 리간드 치환 층상자기조립법을 이용했다. 금속나노 입자 간 거리를 최소화해 전극의 내부 저항을 획기적으로 낮추고 전자 전달의 효율을 극대화할 수 있었으며 이를 통해 높은 전력 성능을 구현할 수 있었다.

특히 전해질 분리막이 필요 없고 소형화가 가능해 심장 기능 정지 시 사용하는 페이스메이커, 신경자극기 등 체내 삽입형 의료기기 전력 공급원으로서의 활용 가능성도 확인했다.

조진한 교수는 “이번에 개발한 고전도성 면섬유 전극은 생체연료전지를 전극으로 활용한 최초 사례이며, 최고의 전력 생산 성능을 보였다”라며 “면섬유 기반 생체연료전지 전극은 유연하고 물성이 우수하고 효율과 안정성도 우수해 웨어러블 및 인체 삽입형 소자의 새로운 플랫폼을 제공할 수 있을 것으로 기대한다”라고 밝혔다.

이 연구는 한국연구재단 기초연구사업(중견연구, 과학기술정보통신부), 학문후속세대양성사업(교육부)의 지원으로 수행됐다. 연구 결과는 네이처 커뮤니케이션(Nature Communications) 논문으로 10월 26일 자에 게재됐다.

면섬유 전극의 제작 방법 및 생체연료전지 구성 모식도

(A) 금속 나노입자와 단분자를 이용한 층상자기조립법을 이용해 적층한 양극(위)과 생체효소를 도입한 음극(아래)의 제작방법
(B) 양극과 음극으로 구성된 생체연료전지 시스템이다. 음극의 연료인 글루코오스는 포도당 산화효소(Glucose Oxidase)에 의해 글루코노락톤으로 산화되고, 양극에서 산소는 물로 환원되며 전력을 생성하게 된다.
 

★ 연구 이야기 ★

Q. 연구를 시작한 계기나 배경은.

A. 이번 연구는 층상자기조립방법을 이용해 금속 나노입자 기반 섬유형 플렉시블 전극의 제작이 가능한 핵심 원천기술이다. 이를 위해, 셀룰로오스 기반으로 수분의 흡수력이 뛰어나고 많은 기공으로 이뤄져 있는 면섬유를 전극의 모체로 선택하게 됐다. 이를 통해 만들어진 전극을 전기화학소자에 적용할 경우 높은 성능을 기대할 수 있을 것이라 생각했다. 따라서 연구팀은 전기전도도가 전혀 없는 플렉시블 면섬유에 금속 나노입자를 코팅해 높은 전도성을 부여하고, 고성능의 생체연료전지를 제작해보고자 했다.

Q. 연구 전개 과정에 대한 소개.

A. 기존의 탄소나노튜브 기반 전극은 기계적, 전기화학적 성능이 뛰어나 전극의 소자로 응용성은 높지만, 값이 비싸고 구하기 어려웠다. 이번 연구를 통해 탄소나노튜브 소재를 저렴하고 구하기 쉬운 섬유소재로 대체했다는 점에 큰 의의가 있다.

즉, 비전도성 소자에 전도성을 부여해, 저렴하고, 어디에서나 손쉽게 구할 수 있는 소자에 폭넓게 응용할 수 있는 새로운 형태의 플랫폼이다. 안정적인 구동 성능을 확보하기 위해 활물질(생체효소)의 양과 두께를 층상자기조립법을 이용해 정밀하게 제어했으며, 35일 동안 구동한 후에도 전력생산 성능이 안정적으로 유지됨을 확인할 수 있었다.

Q. 연구하면서 어떤 장애 요소가 있었고, 이를 어떻게 극복(해결)했는지.

A. 생체연료전지의 전력 성능을 증가시키기 위한 일반적 방법 중에서 도입하는 포도당 산화효소의 양을 증가시키는 방법이 있다. 연구를 시작한 시점에서는 조금이라도 더 많은 양의 포도당 산화효소를 전극에 고정시키기 위해 노력했지만, 이로 인해 전극의 내부 저항도 같이 커지게 돼 결과적으로 전극의 효율이 감소함을 확인했다.

이 점에 착안해, 도입되는 산화효소의 양을 최대화하기 보다는 전도성 지지체 가까이에 균일하게 포도당 산화효소가 분포될 수 있는 방법을 모색했고, 이를 위해 산화효소도 단분자와 함께 층상자기조립법을 이용해 적층했다. 이로 인해 원하는 산화효소의 양을 정밀하게 제어함으로써, 전극 내부 저항을 낮춤과 동시에 높은 전력 생성 성능을 얻을 수 있었다.

Q. 어떻게 활용될 수 있으며, 실용화를 위한 과제는.

A. 다양한 생체연료전지에 사용되는 것 이외에 다양한 전기화학용 센서 전극을 포함한 천연섬유의 전도성 전극을 만들 수 있다. 좀 더 적극적인 실용화를 위해서는 금속 나노입자의 적층을 좀 더 빠른 시간 안에 구현해야 하며, 1차원 실 타입의 섬유 대신 2차원의 천위에 구현함으로써 파워 출력을 향상시키는 연구가 진행돼야 한다.