공과대학 뉴스
조진한 교수 연구팀, 고에너지-고안정성 섬유 합사형 생체연료전지 개발
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｜2023.10.31
▲ (왼쪽부터) 조진한 화공생명공학과 교수(교신저자), 권정훈 강원대 에너지자원화학공학과 교수(공동교신저자),
강민철 고려대 화공생명공학과 연구원(제1저자), 남동현 고려대 화공생명공학과 박사(공동제1저자),
안정연 고려대 화공생명공학과 연구원(공동제1저자)
고려대학교 공과대학(학장 이해근) 조진한 화공생명공학과 교수 및 권정훈 강원대 교수로 구성된 연구팀이 높은 전류 생성 성능과 구동 안정성을 동시에 지닌 세계 최고 성능의 생체연료전지를 개발했다.
생체연료전지(biofuel cell, 이하 BFC)는 산화환원 반응에 기반한 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하는 초소형 장치로 심박조율기, 신경 자극기, 약물 전달 펌프를 비롯한 이식용 바이오메디컬 기기의 전력 공급원으로의 활용이 기대되고 있다. 지금까지 보고된 대부분의 BFC 전극은 탄소 기반의 전도체를 주로 사용하였다.
그러나 기존 탄소 기반의 BFC는 낮은 전력과 짧은 가동시간, 효소의 도입량을 증가시킬 때 전극이 두꺼워지며 활물질 층 내의 전하, 전자전달 능력의 한계로 우수한 생체연료전지의 성능 구현에 어려움이 있었다. BFC의 성능은 발생한 전자가 생체효소로부터 전극에 이르는 전자의 이동 능력에 의해 좌우되는데 이때 전극의 표면, 계면 구조가 중요한 이슈로 여겨지고 있다.
전극에 고정되는 전류 생성용 생체효소의 양을 증가시키는 방법, 나노구조체 물질을 이용하여 전극의 활성 표면적을 증가시키는 방법 및 생체효소로부터 전극까지의 전자전달을 더욱 용이하도록 구조를 디자인하는 방법 등을 통해 생체연료전지의 성능을 향상할 수 있다. 또한, 생체연료전지 전극의 표면구조는 높은 활성 표면적을 갖는 동시에 높은 전도 특성을 보유하여 원활한 전류의 흐름을 제공해야 하며, 유연성과 안정성을 동시에 지닌 생체연료전지 전극의 개발은 BFC를 인체 이식용 의료기기 또는 휴대용 기기로까지 확장하기 위해 중요하게 고려되어야 할 사항이다.
생체연료전지(biofuel cell, 이하 BFC)는 산화환원 반응에 기반한 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하는 초소형 장치로 심박조율기, 신경 자극기, 약물 전달 펌프를 비롯한 이식용 바이오메디컬 기기의 전력 공급원으로의 활용이 기대되고 있다. 지금까지 보고된 대부분의 BFC 전극은 탄소 기반의 전도체를 주로 사용하였다.
그러나 기존 탄소 기반의 BFC는 낮은 전력과 짧은 가동시간, 효소의 도입량을 증가시킬 때 전극이 두꺼워지며 활물질 층 내의 전하, 전자전달 능력의 한계로 우수한 생체연료전지의 성능 구현에 어려움이 있었다. BFC의 성능은 발생한 전자가 생체효소로부터 전극에 이르는 전자의 이동 능력에 의해 좌우되는데 이때 전극의 표면, 계면 구조가 중요한 이슈로 여겨지고 있다.
전극에 고정되는 전류 생성용 생체효소의 양을 증가시키는 방법, 나노구조체 물질을 이용하여 전극의 활성 표면적을 증가시키는 방법 및 생체효소로부터 전극까지의 전자전달을 더욱 용이하도록 구조를 디자인하는 방법 등을 통해 생체연료전지의 성능을 향상할 수 있다. 또한, 생체연료전지 전극의 표면구조는 높은 활성 표면적을 갖는 동시에 높은 전도 특성을 보유하여 원활한 전류의 흐름을 제공해야 하며, 유연성과 안정성을 동시에 지닌 생체연료전지 전극의 개발은 BFC를 인체 이식용 의료기기 또는 휴대용 기기로까지 확장하기 위해 중요하게 고려되어야 할 사항이다.
▲ 계면 상호작용 기반의 섬유형 생체연료전지 전극 제작 모식도
▲ 섬유 합사형 생체연료전지의 전력 생성 성능과 구동 안정성
A. 양극과 음극을 외부저항과 함께 연결하여 생체연료전지의 전력 생성 성능 측정시스템 구성 모식도
B. 합사 공정을 적용한 양극과 음극의 모식도
C. 섬유 합사형 생체연료전지의 전력 생성 성능 (최대 10.4mW cm-2)
D. 생체 조건과 유사한 글루코오스 농도에서 측정된 섬유 합사형 생체연료전지의 구동 안정성. 전력 생성 성능은 60일 후에도 50% 정도 유지됨을 확인할 수 있다.
이에 본 연구팀은 계면 상호작용을 이용하여 다공성 면섬유에 탄소나노튜브와 금속 나노입자 기반의 전도성 박막을 도입하고, 독특한 구조를 지닌 금속산화물 나노입자와 생체효소를 섬유 가닥 표면에 균일하게 코팅함으로써 높은 비표면적과 전기전도성을 동시에 지닌 전극을 개발하였으며, 금속산화물 나노입자와 생체효소 간 안정적인 결합을 통해 높은 전력 밀도 및 구동 안정성을 동시에 확보할 수 있었다.
특히, 계면 상호작용 기반의 면ㅁ섬유 전극 제작 기술은 생체효소를 도입한 후에도 면섬유의 다공성 구조를 계속 유지함과 동시에 벌크 금속에 준하는 전기전도성을 확보할 수 있다. 또한, 활성 면적을 극대화할 수 있고 금속산화물 나노입자와 생체효소 간의 우수한 전하, 전자전달 능력을 유도하여 높은 전류밀도를 구현할 수 있었다. 이러한 독특한 생체연료전지 전극설계 방법 및 성능, 안정성은 기존에 보고된 생체연료전지와는 눈에 띄게 차별화된다. 제작된 생체연료전지는 기존에 보고된 다공성 전극들 대비 매우 높은 단위 면적당 전력(10.4mW cm-2)과 함께 60일 후에도 50% 가량의 높은 구동 안정성을 보였다.
조진한 화공생명공학과 교수는 "이번에 개발된 고전도성, 고안정성 섬유 합사형 생체연료전지는 세계 최고 수준의 전력 생산 성능과 우수한 구동 안정성을 동시에 보유하고 있다"라며, "섬유 기반의 생체연료전지 전극은 유연할 뿐만 아니라, 다양한 형태의 나노바이오 의료소재에 적용될 수 있을 것이다. 더 나아가 생체조건 하에서도 전력 생산 안정성이 우수해 웨어러블 및 인체 삽입형 소자 시장에 새로운 플랫폼을 제공할 수 있을 것으로 기대된다"라고 밝혔다.
한편, 이번 연구성과는 과학기술정보통신부 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업(후속 연구지원(도전)), 유형 1-1(중견연구))의 지원으로 수행되었고, 연구 결과는 국제학술지인 'Advanced Materials' (IF=29.4)에 10월 26일 온라인 게재되었다. /공과대학신문
