조진한·이승우 교수 연구팀 "면섬유 기반···유연·효율·안정 우수"

면 섬유 전극의 제작 방법과 생체연료전지 구성 모식도.<사진=한국연구재단 제공>
면 섬유 전극의 제작 방법과 생체연료전지 구성 모식도.<사진=한국연구재단 제공>
국내 연구팀이 인체에 삽입 가능한 면섬유 기반 고성능 생체연료전지를 개발했다.

한국연구재단(이사장 노정혜)은 조진한 고려대 교수와 이승우 미국 조지아텍 교수가 공동으로 면섬유에 금속 나노입자를 코팅한 뒤 생체 효소를 넣어 생체이식이 가능한 생체연료전지 개발에 성공했다고 6일 밝혔다.

생체연료전지는 촉매를 생체효소로 대체하고 포도당이 산화할 때 생성하는 전자를 전극으로 수집해 전력을 만든다. 상온에서 구동이 가능해 차세대 의료용 에너지 공급 장치로 주목받고 있다.

하지만 기존의 평판 전극형 생체연료전지는 전력생산 효율과 생체 내 안정성이 낮고, 유연성과 물리적 특성이 좋지 않아 실용화에 한계가 있었다.

연구팀은 면섬유 표면에 나노 크기의 금 나노입자를 균일하게 코팅해 섬유의 다공성 표면을 유지하면서도 높은 전기 전도도를 갖는 고성능 생체연료전지 전극을 개발했다.

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

연구팀은 이번 연구에서 단분자 리간드1) 치환 층상자기조립법2)을 이용했다. 금속나노 입자 간 거리를 최소화해 전극의 내부 저항을 획기적으로 낮추고 전자 전달의 효율을 극대화할 수 있었으며 이를 통해 높은 전력 성능을 구현할 수 있다.
 

· 리간드1) : 착화합물의 중심원자와 결합해 있는 이온 혹은 분자.
· 층상자기조립법2) : 물질 간 강한 친화력을 바탕으로 각 물질 층을 교차로 적층해 박막 형태의 기능성 복합체를 제작하는 상향식 나노제조기술.

특히 전해질 분리막이 필요 없고 소형화가 가능해 심장 기능 정지 시 사용하는 페이스메이커, 신경자극기 등 체내 삽입형 의료기기 전력 공급원으로서의 활용 가능성도 확인했다.

조진한 교수는 "이번에 개발한 고전도성 면섬유 전극은 생체연료전지 전극으로 활용한 최초 사례이며 최고의 전력 생산 성능을 보였다"라며 "면섬유 기반 생체연료전지 전극은 유연하고 물성이 좋은데다 효율과 안정성도 우수해 웨어러블이나 인체 삽입형 소자의 새로운 플랫폼을 제공할 수 있을 것"이라고 말했다.

한편, 이번 연구 결과는 네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)에 지난달 26일 자 논문으로 게재됐다.

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