고려대·강원대 연구팀, 고에너지·고안정성 생체연료전지 개발

조진한·권정훈 교수팀, 섬유합사형 최고성능 BFC 개발
심박조율기·신경자극기 등 이식용기기 전력원 활용 기대

▲고려대·강원대 연구팀이 개발한 계면 상호작용 기반의 섬유형 생체연료전지(BFC)의 전극 제작 모식도. 사진=고려대학교

[에너지경제신문 김철훈 기자] 고려대학교(총장 김동원)는 화공생명공학과 조진한 교수와 강원대 권정훈 교수로 구성된 연구팀이 높은 전류 생성 성능과 구동 안정성을 동시에 지닌 세계최고 성능의 생체연료전지를 개발했다고 31일 밝혔다.

생체연료전지(biofuel cell·BFC)는 산화환원 반응에 기반한 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하는 초소형 장치다. 조·권 교수팀의 개발로 심박조율기, 신경 자극기, 약물 전달 펌프를 비롯한 이식용 바이오메디컬 기기의 전력 공급원으로 활용될 것으로 기대된다.

1일 고려대에 따르면, 현재까지 보고된 대부분의 BFC 전극은 탄소 기반의 전도체를 주로 사용했다. 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 따라 좌우되기에 전극의 표면, 계면 구조가 성능의 관건으로 여겨져 왔다.

▲계면 상호작용 기반의 섬유형 생체연료전지(BFC)를 개발한 고려대·강원대 연구진들. 왼쪽부터 조진한 교수(교신저자, 고려대 화공생명공학과), 권정훈 교수(공동교신저자, 강원대 에너지자원화학공학과), 강민철 연구원(제1저자, 고려대 화공생명공학과), 남동현 박사(공동제1저자, 고려대 화공생명공학과), 안정연 연구원(공동제1저자, 고려대 화공생명공학과). 사진=고려대학교

이번 고려대·강원대 연구팀은 계면 상호작용을 이용해 다공성 면섬유에 탄소나노튜브와 금속 나노입자 기반의 전도성 박막을 도입하고, 독특한 구조를 지닌 금속산화물 나노입자와 생체효소를 섬유가닥 표면에 균일하게 코팅함으로써 높은 비표면적과 전기전도성을 동시에 지닌 전극을 개발하는데 성공했다.

또한, 금속산화물 나노입자와 생체효소 간 안정된 결합을 통해 높은 전력 밀도 및 구동 안정성을 동시에 확보할 수 있게 됐다고 대학측은 설명했다.

조진한 고려대 교수는 "이번에 개발된 고전도성, 고안정성 섬유 합사형 생체연료전지는 세계 최고 수준의 전력 생산 성능과 우수한 구동 안정성을 동시에 보유하고 있다"고 설명했다.

이어 "섬유 기반의 생체연료전지 전극은 유연할 뿐만 아니라 다양한 형태의 나노바이오 의료소재에 적용될 수 있을 것이다. 더 나아가 생체조건 하에서도 전력 생간 안전성이 우수해 웨어러블 및 인체 삽입형 소자 시장에 새로운 플랫폼을 제공할 수 있을 것"이라며 기대감을 피력했다.

이번 연구성과는 과학기술정보통신부 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업 후속 연구지원(도전), 유형1-1 (중견연구)의 지원으로 수행됐고, 연구 결과는 국제학술지 ‘Advanced Materials’ (IF=29.4)에 지난달 26일 온라인 게재됐다.