부도체인 섬유를 이용해 인체 삽입이 가능한 고성능 생체연료전지가 개발됐습니다. 고려대학교 조진한 교수와 미국 조지아텍 이승우 교수가 공동연구를 통해 면섬유에 금속 나노입자를 코팅한 뒤 생체 효소를 넣어 생체이식이 가능한 생체연료전지 개발에 성공했다고 합니다.
생체연료전지는 촉매를 생체 효소로 대체하고 포도당이 산화할 때 생성하는 전자를 전극으로 수집해 전력을 만듭니다. 또한, 상온에서 구동이 가능해 차세대 의료용 에너지 공급 장치로 주목받습니다. 하지만 기존의 평판 전극형 생체연료전지는 전력생산 효율과 생체 내 안정성이 낮고, 유연성과 물리적 특성이 좋지 않아 실용화에 한계가 있었습니다.
연구팀은 면섬유 표면에 나노 크기의 금 나노입자를 균일하게 코팅해 섬유의 다공성 표면을 유지하면서도 높은 전기 전도도를 갖는 고성능 생체연료전지 전극을 개발했습니다. 이렇게 제작한 면섬유 전극은 기계적·구조적 특성의 변화없이 금속의 전기 전도도를 나타냅니다. 뿐만 아니라 이러한 면섬유 전극 기반의 생체연료전지는 넓은 표면적을 갖는 다공성 구조로 전류밀도와 전력 성능도 획기적으로 향상됐습니다.
연구팀은 이번 연구에서 단분자 리간드 치환 층상자기조립법을 이용했습니다. 리간드란 착화합물의 중심원자와 결합해 있는 이온이나 분자를 말합니다. 또한 층상자기조립법은 물질 간 강한 친화력을 바탕으로 각 물질층을 교차로 적층해 박막 형태의 기능성 복합체를 제작하는 상향식 나노 제조 기술입니다.
연구팀은 금 나노 입자를 균일하게 코팅하기 위해 리간드 치환 층상자기조리법을 도입했습니다. 이를 통해 입자 간 정전기적 반발력을 없애고, 기존의 물 기반 층상자기조리법에 비해 매우 높은 입자 흡착 밀도를 가질 수 있었습니다. 연구팀은 이를 이용해 금속나노 입자 간 거리를 최소화해 전극의 내부 저항을 획기적으로 낮췄습니다. 또한, 전자 전달의 효율을 극대화하여 높은 전력 성능을 구현할 수 있었습니다.
이번에 개발된 면섬유는 독성이 없어 생체 내 안정적입니다. 또한 금속 나노입자를 이용해 고전도성을 보유한 전극이기 때문에 차세대 생체이식을 위한 시스템으로 크게 주목받을 수 있을 것으로 보입니다. 특히 전해질 분리막이 필요 없고, 소형화가 가능해 심장 기능 정지 시 사용하는 페이스메이커, 신경자극기 등 체내 삽입형 의료기기 전력 공급원으로서의 활용 가능성도 확인했습니다.
조진한 교수는 "이번에 개발한 고전도성 면섬유 전극은 생체연료전지 전극으로 활용한 최초 사례이며, 최고의 전력 생산 성능을 보였다"며 "면섬유 기반 생체연료 전지 전극은 유연하고 물성이 좋은데다 효율과 안정성도 우수해 웨어러블 및 인체 삽입형 소자의 새로운 플랫폼을 제공할 수 있을 것으로 기대한다"고 밝혔습니다. 이 연구는 <네이처 커뮤니케이션>에 게재됐습니다.
