섬유형태의 고성능 생체연료전지 개발

[산업일보]
국내 연구진이 탄소나노튜브에 생체효소를 넣어 유연하면서도 강한 섬유형태의 고성능 생체연료전지(biofuel cell, BFC)를 만들었다. 포도당을 산화시킬 때 생성되는 전자를 전극으로 수집해 전력을 만드는 생체연료전지는 상온에서 구동할 수 있고, 친환경적이기 때문에 차세대 에너지 공급 장치로 주목받고 있다. 기존 연료전지의 촉매를 생물체내에 존재하는 생체촉매인 효소로 대체하고, 수소보다 저렴하고 다루기가 편한 포도당을 연료로 한 연료전지이다. 효소의 산화환원 반응으로 연료물질에서 발생한 전자가 전극으로 이동하는 원리로 에너지를 발생시킨다.

한양대 전기생체공학부 김선정 교수팀이 주도한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 리더연구자지원사업(창의적 연구)의 지원으로 수행했고, 연구결과는 네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)지에 게재됐다.

촉매를 표면에 코팅하는 방식의 기존 평판 전극형 생체연료전지는 전력생산효율과 생체 내에서의 안정성이 낮고, 유연성과 물리적인 특성이 좋지 않아 실제 응용에는 한계가 있었다. 따라서 생체연료전지 실용화를 위해서는 성능과 안정성을 향상시키는 것이 핵심과제였다.

최근까지 연구에서 BFC는 낮은 전력과 짧은 가동시간, 낮은 기계적 물성 등으로 인한 기술적 한계점을 보이고 있다. BFC의 성능은 효소로부터 전극체에 이르는 전자의 이동 능력에 좌우되는데, 전극의 표면구조가 결정적인 역할을 수행한다. 전극에 고정되는 전기발생용 효소의 양을 증가시키거나, 나노구조체 물질을 이용해 상기 전극의 활성표면적을 넓히거나, 효소로부터 외부 회로까지 이르는 전자의 이동을 더욱 용이하도록 설계함으로써 개선될 수 있다. 따라서 BFC 전극의 표면구조는 높은 활성 표면적을 갖는 동시에 높은 전도 특성을 보유해 효율적인 전류의 흐름을 제공해야 하며, 유연하고 안정성이 있고 높은 활성을 갖는 전극의 개발은 BFC를 인체 이식용 의료기기 또는 휴대용 기기로까지 확장시키기 위해 중요하게 고려해할 요소이다.

연구팀은 탄소나노튜브 시트 표면에 산화 · 환원 효소를 고정시킨 뒤, 이를 꼬아 만든 다층 구조의 실 형태 전극을 이용한 고효율 생체연료전지 시스템을 개발했다. 본 연구는 향상된 촉매활성, 기계적 강도, 생체 환경에서의 활성 및 전극 성능을 동시에 제공해 줄 수 있는 전극 섬유의 개발로 인해 직물형태의 생체연료전지가 개발됨을 보여준다. 이러한 전극을 제조하기 위해 전도성고분자인 PEDOT을 이용해 카본 나노 튜브 시트를 나노 코팅했으며, 이는 효소와의 결합에도 유연하고 강한 전극의 특성을 계속적으로 유지하는데 큰 기여를 했다. 전도성고분자인 PEDOT을 나노코팅한 다음 포도당 산화 촉매로 포도당 산화효소 또는 산소 환원 촉매로 빌리루빈 산화효소를 이용하고 각각의 효소를 고정화해 바이스크롤링 (biscrolling) 함으로 최종 섬유 전극이 제조된다.

유연하고 강한 섬유로 이루어져 꼬거나 직물형태로 만들 수 있다. 이러한 특성은 현재 의료시장에서 일반적으로 이용되는 의료기구인 주사바늘, 카테터, 스텐트 등에 적용할 수 있어 삽입형 의료용 기기에 응용할 수 있다. 뿐만 아니라 가공이 용이한 섬유형태의 전극은 친환경에너지 생산, 나노로봇 등의 미래기술 분야에 응용이 기대된다.

특히 전해질 분리막이 필요 없고 소형화가 가능해 페이스메이커, 신경자극기 등 체내 삽입형 의료기기를 위한 전력공급원으로서의 가능성도 주목받는다는 설명이다.

심장 기능이 정지하였을 때 인공적으로 자극 펄스를 주기 위해 사용하는 전자 장치 탄소나노튜브 표면에 코팅된 PEDOT가 효소를 보호해주는 이온분리막처럼 작용해 체내 안정성이 높아지기 때문이다. PEDOT는 나노단위의 두께로 코팅이 가능한 생체친화성이 높은 전도성 고분자로 전자전달능력이 좋아 생체이식전극으로도 활용할 수 있다.

고성능 전력생산도 가능해 생체조건과 유사한 포도당 농도의 혈청에서 다층구조의 실 형태를 이용한 생체연료전지는 1cm의 전극만으로도 1.02 mW/cm2의 전력을 낼 수 있는 것으로 나타났다. 대부분 삽입형 의료기기는 구동하는 데에 수 mW 수준의 전력이 필요하다.

김선정 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.