전자전달 강화 매개체 기반 고성능 직물형 바이오 연료전지 개발

고성능 바이오센서, 생체 삽입형 의료기기 전력 공급원 등 폭넓은 사용 기대
에너지 분야 권위지 「Advanced Energy Materials」에 실려

▲ (왼쪽에서) 고려대 화공생명공학과 조진한 교수, 정윤장 교수, KU-KIST 융합대학원 장윤준 석사과정학생, 강원대 에너지자원화학공학과 권정훈 교수, 단국대 코스메티컬소재학과 최영봉 교수

고려대학교(총장 김동원)이 외부 전력에 의존하지 않고 의료기기 및 바이오 센터에 전력을 공급할 수 있는 고성능 직물형 바이오 연료 전지를 개발했다.

고려대 화공생명공학과 조진한 교수, 정윤장 교수, KU-KIST 석사과정 장윤준 학생, 강원대 권정훈 교수, 단국대 최영봉 교수가 이끄는 연구팀은 바이오 연료 전지(BFC)에 효소, 전자 전달 매개체 및 금속 나노 입자를 전도성 직물에 통합하는 새로운 조립 방법을 도입했다.

 
* 바이오 연료전지(Biofuel cell): 기존 연료전지의 촉매를 생물체 내에 존재하는 생체촉매인 효소로 대체하고, 해당 효소가 반응하는 기질을 연료로 사용한 연료전지.
* 전자전달 매개체(Redox Mediater) : 효소에서 산화/환원 반응을 통해 발생하는 전자를 전극에 효과적으로 전달하기 위해 사용하는 물질.

바이오 연료 전지(BFC)는 생물학적 촉매를 활용해 생화학적 에너지를 전기에너지로 변환하는 에너지원의 일종이다. 해당 전지는 생체 내에 이식한 전기‧전자소자(예: 혈당 센서를 포함한 다양한 바이오센서, 심장박동기 등)를 외부 전원 공급 없이 구동할 수 있는 생체 친화형 전지이다. 기존 바이오 연료 전지는 전력 효율과 생체 구동 안정성이 낮고, 유연성 및 물리적 특성도 좋지 않아 실제 응용하기 어려운 문제점이 있었다.

연구팀은 효소, 전자 전달 매개체, 금속 나노 입자를 결합하여 독창적인 전자전달 강화 매개체 조립 방식을 개발했다. 이 방법은 비전도성 결합체를 사용하지 않는다. 대신 금속 나노 입자 함유 전자 전달 강화 매개체를 기반으로 하여 효소층을 고정한다. 이를 통해 전극 사이의 전자 이동이 효과적으로 개선되어 전지의 성능이 높아진다.

이번에 연구팀이 개발한 바이오연료전지는 음극 전류 생성 기능이 기존 방식에 비해 80% 이상 증가했으며, 전력생산 기능은 8배 이상 높게 나타났다. 
 

실험을 주도한 장윤준 KU-KIST 석사과정 학생은 “이번에 개발한 바이오 연료전지는 기존에 비해 높은 성능을 요구하는 고성능 바이오센서나 생체 삽입형 의료기기의 전력 공급원으로 폭넓게 사용될 것으로 기대된다” 고 소감을 밝혔다.

본 연구는 과학기술정보통신부 ‧ 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업 및 KU-KIST 프로그램 지원 사업 연구비로 수행되었으며, 에너지 분야 세계적 학술지 어드밴스드 에너지 머터리얼즈(Advanced Energy Materials, IF =27.8)에 현지 시간 6월 7일 온라인 게재됐다.

<그림 1>

 ▲ (위) 전자전달 성능 향상 나노복합체 효소 전극 제작 방법

<그림 2> 

 ▲ (위) 바이오 연료전지 구성 모식도 및 전류, 전력 성능과 구동 안정성

커뮤니케이션팀 유정아(aajyoo@korea.ac.kr)