고려대 조진한 교수· 조지아텍 이승우 교수, 고성능 생체연료전지 개발

면섬유에 금 나노입자 코팅해 체내 의료기 전원으로 사용할 수 있게 돼

▲ 면 섬유 전극의 제작 방법 및 생체연료전지 구성 모식도 ⓒ한국연구재단

고려대 조진한 교수와 미국 조지아텍 이승우 교수가 면섬유에 금속 나노입자를 코팅한 뒤 생체 효소를 넣어 생체에 이식할 수 있는 생체연료전지 개발에 성공했다.

이번에 개발된 전지는 전해질 분리막이 필요 없고 소형화가 가능해 심장기능 정지 시 사용하는 페이스메이커, 신경자극기 등 체내 삽입형 의료기기 전력 공급원으로 활용할 수도 있는 것으로 확인됐다.

특히 촉매를 생체효소로 포도당이 산화할 때 생성하는 전자를 전극으로 수집해 전력을 만드는 생체연료전지는 상온에서 구동할 수 있어 차세대 의료용 에너지 공급 장치로 주목받고 있다.

기존의 평판 전극형 생체연료전지는 전력생산 효율과 생체 내 안정성이 낮고, 유연성과 물리적 특성이 좋지 않아 실용화에 어려움을 겪어왔다.

연구팀이 개발한 생체연료전지는 면섬유 표면에 나노 크기의 금 나노입자를 균일하게 코팅해 섬유의 다공성 표면을 유지하면서도 높은 전기 전도도를 갖는 고성능 생체연료전지 전극이다.

▲ 금속 코팅된 면 섬유 전극의 표면/단면 이미지와 생체연료전지의 전력성능 ⓒ한국연구재단

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

연구팀은 이번 연구에서 단분자 리간드 치환 층상자기조립법을 이용해 금속나노 입자 간 거리를 최소화해 전극의 내부 저항을 획기적으로 낮추고 전자 전달의 효율을 극대화해 높은 전력 성능을 구현했다.

리간드(ligand)는 착화합물의 중심원자와 결합해 있는 이온, 혹은 분자이며 층상자기조립법(layer-by-layer assembly)은 물질 간 강한 친화력을 바탕으로 각 물질 층을 교차로 적층하여 박막 형태의 기능성 복합체를 제작하는 상향식 나노제조기술이다.

▲ 조진한 교수 ⓒ한국연구재단

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

이 연구 결과는 10월26일 자 네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)에 High-Power Hybrid Biofuel Cells Using Layer-by-Layer Assembled Glucose Oxidase-Coated Metallic Cotton Fibers라는 제목의 논문으로 게재됐다.