▲  생체연료전지를 위한 섬유전극의 제조와 구조 (a) 탄소나노튜브 시트로부터 섬유전극을 제조하는 과정(b, c) 지름 50μm인 섬유전극 표면 이미지(스케일바 : b 20μm , c 500nm) (d, e) 효소를 포함하고 있는 섬유전극 단면의 이미지(스케일바 : d 5μm , e 500nm) (f, g) 전극 섬유의 개념도, 산화와 환원에 의한 전자전달 메커니즘

[동양뉴스통신] 김혜린 기자 = 한양대 전기생체공학부 김선정 교수팀이 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.
 

▲  김선정 교수

이번 연구결과는 네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)지 온라인판 6월 2일자에 게재되었다.(논문명 : High-power Biofuel Cell Textiles from Woven Biscrolled Carbon Nanotube Yarns)

촉매를 표면에 코팅하는 방식의 기존 평판 전극형 생체연료전지는 전력생산효율과 생체 내에서의 안정성이 낮고, 유연성과 물리적인 특성이 좋지 않아 실제 응용에는 한계가 있어 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 개발했다.

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 크다

탄소나노튜브 표면에 코팅된 PEDOT(나노단위의 두께로 코팅이 가능한 생체친화성이 높은 전도성 고분자로 전자전달능력이 좋아 생체이식전극으로도 활용할 수 있다.)가 효소를 보호해주는 이온분리막처럼 작용해 체내 안정성이 높아지기 때문이다.
 
고성능 전력생산도 가능해 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.

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.