고려대 연구진, 고에너지·고안정성 생체연료전지 개발

다양한 형태의 나노바이오 의료소재에 적용 가능

[이데일리 강민구 기자] 국내 연구진이 전류 생성 성능이 우수하면서 구동 안정성을 동시에 지닌 생체연료전지를 개발했다.

고려대는 조진한 화공생명공학과 교수와 권정훈 강원대 교수 연구팀이 이같은 연구성과를 발표했다고 31일 밝혔다.

조진한 교수, 권정훈 교수, 강민철 연구원, 남동현 박사,안정연 연구원.(사진=고려대)

생체연료전지는 산화환원 반응에 기반한 화학 에너지를 전기 에너지로 바꾸는 초소형 장치다. 심박조율기, 신경 자극기, 약물 전달 펌프를 비롯한 이식용 바이오메디컬 기기의 전력 공급원으로의 활용이 기대되고 있다.

지금까지 알려진 대부분의 생체연료전지 전극은 탄소 기반의 전도체를 주로 사용했다. 그러나 기존 탄소 기반 전지는 전력이 낮고, 가동시간이 짧을 때 전극이 두꺼워지며 활물질 층 내의 전하, 전자전달 능력의 한계로 생체연료전지 성능을 구현하기 어려웠다. 생체연료전지 성능은 발생한 전자가 생체효소로부터 전극에 이르는 전자의 이동 능력에 의해 좌우되는데 이때 전극의 표면, 계면 구조가 중요하다.

전극에 고정되는 전류 생성용 생체효소의 양을 증가시키는 방법, 나노구조체 물질을 이용해 전극의 활성 표면적을 증가시키는 방법, 생체효소로부터 전극까지의 전자전달을 용이하도록 구조를 디자인하는 방법 등을 통해 생체연료전지의 성능을 높일 수 있다.

생체연료전지 전극의 표면구조는 높은 활성 표면적을 갖는 동시에 높은 전도 특성을 보유해 원활한 전류의 흐름을 제공해야 한다. 유연성과 안정성을 동시에 지닌 생체연료전지 전극 개발도 인체 이식용 의료기기나 휴대용 기기로 추후 쓰기 위해 고려해야 한다.

이에 연구팀은 계면 상호작용을 이용해 다공성 면섬유에 탄소나노튜브와 금속 나노입자 기반의 전도성 박막을 도입하고, 독특한 구조를 지닌 금속산화물 나노입자와 생체효소를 섬유 가닥 표면에 균일하게 코팅했다. 이를 통해 높은 비표면적과 전기전도성을 동시에 지닌 전극을 개발했다. 금속산화물 나노입자와 생체효소 간 안정적인 결합을 통해 높은 전력 밀도와 구동 안정성도 확보했다.

연구진이 만든 전지는 기존에 보고된 다공성 전극들 대비 높은 단위 면적당 전력과 함께 60일 후에도 50%가량의 높은 구동 안정성을 보였다.

조진한 고려대 화공생명공학과 교수는 “섬유 기반의 생체연료전지 전극은 유연하고, 다양한 형태의 나노바이오 의료소재에 적용할 수 있다”며 “생체조건속에서도 전력 생산 안전성이 우수해 웨어러블이나 인체 삽입형 소자 시장에 새로운 플랫폼을 제공할 수 있다”고 했다.

한편, 연구결과는 국제학술지 ‘Advanced Materials’에 지난 26일 온라인 게재됐다.

강민구 (science1@edaily.co.kr)