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조진한 교수팀, 조지아텍 연구진과 함께 면섬유 기반의 고성능 생체연료전지 개발
  • 글쓴이 : 커뮤니케이션팀
  • 조회 : 325
  • 일 자 : 2018-11-12


조진한 교수팀, 조지아텍 연구진과 함께 면섬유 기반의 고성능 생체연료전지 개발

네이처 커뮤니케이션(Nature Communications) 논문 게재돼


왼쪽 위부터 시계 방향으로 고려대 조진한 교수, 조지아텍 이승우 교수, 고려대 고용민·권정훈 연구원
▲ 왼쪽 위부터 시계 방향으로 고려대 조진한 교수, 조지아텍 이승우 교수, 고려대 고용민·권정훈 연구원

 

 

부도체인 섬유를 이용해 인체 삽입이 가능한 고성능 생체연료전지가 개발됐다.


공과대학 화공생명공학과 조진한 교수와 이승우 교수(미국 조지아텍)가 공동연구를 통해 면섬유에 금속 나노입자를 코팅한 뒤 생체 효소를 넣어, 생체이식이 가능한 생체연료전지 개발에 성공했다.

 

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 개발하는 데 성공했다. 이렇게 제작된 면섬유 전극은 기계적·구조적 특성의 변화 없이 금속의 전기 전도도를 나타낸다. 뿐만 아니라 이러한 면섬유 전극 기반의 생체연료전지는 넓은 표면적을 갖는 다공성 구조로 전류 밀도와 전력 성능도 획기적으로 향상됐다. 연구팀은 이번 연구에서 단분자 리간드 치환 층상자기조립법을 이용했다. 금속나노 입자 간 거리를 최소화해 전극의 내부 저항을 획기적으로 낮추고 전자 전달의 효율을 극대화할 수 있었으며 이를 통해 높은 전력 성능을 구현할 수 있었다. 
 * 리간드(ligand) : 착화합물의 중심원자와 결합해 있는 이온, 혹은 분자
 * 층상자기조립법(layer-by-layer assembly) : 물질 간 강한 친화력을 바탕으로 각 물질 층을 교차로 적층하여 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 웨어러블 및 인체 삽입형 소자의 새로운 플랫폼을 제공할 수 있을 것으로 기대한다”라고 밝혔다.



이 연구는 한국연구재단 기초연구사업(중견연구)(과학기술정보통신부 소관), 학문후속세대양성사업(교육부 소관)의 지원으로 수행되었다. 연구 결과는 네이처 커뮤니케이션(Nature Communications) 10월 26일 자 논문으로 게재되었다.

* 논문명 : High-Power Hybrid Biofuel Cells Using Layer-by-Layer Assembled Glucose Oxidase-Coated Metallic Cotton Fibers
* 주저자 : 조진한 교수(교신저자, 고려대), 이승우 교수(교신저자, Georgia Tech. 미국), 권정훈 박사(제1저자, 고려대), 고용민 박사(제1저자, 고려대)

 


[ 그 림 설 명 ]

 

그림1
(그림1) 면 섬유 전극의 제작 방법 및 생체연료전지 구성 모식도

    (A) 금속 나노입자와 단분자를 이용한 층상자기조립법을 이용하여 적층한 양극 (위)과 생체효소를 도입한 음극 (아래)의 제작방법.
 (B) 양극과 음극으로 구성된 생체연료전지 시스템. 음극의 연료인 글루코오스는 포도당 산화효소 (glucose oxidase)에 의해 글루코노락톤으로 산화되고, 양극에서 산소는 물로 환원되며 전력을 생성하게 된다.

 

그림2

(그림2) 금속 코팅된 면 섬유 전극의 표면/단면 이미지와 생체연료전지의 전력성능

      (A) 금속 나노입자가 코팅되지 않은 면 섬유 (위)와 금속 나노입자가 코팅된 고전도성 면 섬유 전극 (아래)의 사진.
 (B) 금속 나노입자가 코팅된 면 섬유 전극의 표면 이미지.
 (C) 금속 나노입자가 코팅된 면 섬유 전극의 단면 이미지와 전극 표면의 성분을 분석한 에너지 분산 스펙트럼 (Energy Dispersive Spectrometer, EDS) 이미지. 금속 나노입자가 전극의 내부까지 고르게 분포됨을 확인할 수 있었고, 이를 통해 고전도성 면 섬유 전극의 전자전달 용이성을 확보할 수 있다.
 (D) 120 바이레이어의 금 나노입자를 코팅한 캐소드를 이용해 얻은 생체연료전지의 전력 생성 성능 (최대 3.7 mW/cm2)과 두 개의 생체연료전지를 직렬로 연결하여 측정한 전력 생성 성능 (최대 7.1 mW/cm2).

 

 

 

커뮤니케이션팀 서민경(smk920@korea.ac.kr)