섬유형태 고성능 생체연료전지 개발

스텐트 등 삽입형 의료기기의 전력공급원으로 응용 가능한 고효율 연료전지 시스템

▲ (자료제공=미래부) 생체연료전지를 위한 섬유전극의 제조와 구조

   국내 연구진이 탄소나노튜브에 생체효소를 넣어 유연하면서도 강한 섬유형태의 고성능 생체연료전지를 만들었다. 포도당을 산화시킬 때 생성되는 전자를 전극으로 수집해 전력을 만드는 생체연료전지는 상온에서 구동할 수 있고, 친환경적이기 때문에 차세대 에너지 공급장치로 주목받고 있다.

  한양대 전기생체공학부 김선정 교수팀이 주도한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 리더연구자지원사업(창의적 연구)의 지원으로 수행되었고, 연구결과는 네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)지 온라인판 6월 2일자에 게재되었다.(논문명 : High-power Biofuel Cell Textiles from Woven Biscrolled Carbon Nanotube Yarns)

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

  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.

  연구팀은 탄소나노튜브 시트 표면에 산화·환원 효소를 고정시킨 후, 이를 꼬아 만든 다층 구조의 실 형태 전극을 이용한 고효율 생체연료전지 시스템을 개발하였다. 유연하고 강한 섬유로 이루어져 꼬거나 직물형태로 만들 수 있어 카테터나 스텐트 등 의료용 기구 형태로 쉽게 가공하는 것이 가능해 질 것으로 기대된다.

  특히 전해질 분리막이 필요 없고 소형화가 가능해 페이스메이커(심장 기능이 정지하였을 때 인공적으로 자극 펄스를 주기 위해 사용하는 전자 장치), 신경자극기 등 체내 삽입형 의료기기를 위한 전력공급원으로서의 가능성도 주목받는다는 설명이다.

  탄소나노튜브 표면에 코팅된 PEDOT(나노단위의 두께로 코팅이 가능한 생체친화성이 높은 전도성 고분자)가 효소를 보호해주는 이온분리막처럼 작용해 체내 안정성이 높아지기 때문이다.

  아울러 고성능 전력생산도 가능하여, 생체조건과 유사한 포도당 농도의 혈청에서 다층구조의 실형태를 이용한 생체연료전지는 1cm의 전극만으로도 1.02 mW/cm2의 전력을 낼 수 있는 것으로 나타났다. 대부분 삽입형 의료기기는 구동하는 데에 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.

▲ (자료제공=미래부) 생체연료전지의 응용

과천 = PE NEWS 이성화 기자