땀으로 전기 만드는 바이오 연료전지 개발
땀으로 전기 만드는 바이오 연료전지 개발
  • 임도이
  • admin@hkn24.com
  • 승인 2020.11.03 12:00
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[헬스코리아뉴스 / 임도이] 몸에서 분비되는 땀으로 지속적으로 전기에너지를 만드는 스포츠 섬유 기반의 바이오 연료전지가 개발됐다. 흡한속건 소재로 된 의류에 접목, 땀으로 구동되는 전자 디바이스 또는 비침습적 혈당 센서 등을 구현하기 위한 실마리가 될 것으로 기대된다.

서강대 기계공학과 박정열 교수와 숙명여대 의류학과 김혜림 교수 공동연구팀은 땀 흡수와 건조가 빠른 스포츠 섬유소재를 기반으로 땀에 함유된 포도당을 전기에너지로 전환하는 방법을 개발했다고 3일 밝혔다.

 

스포츠의류 기반 바이오연료전지 개요도
[스포츠의류 기반 바이오연료전지 개요도]
개발된 바이오 연료전지는 땀에 있는 포도당을 원료로 하여 전기에너지로 전환 할 수 있다. 연료전지의 구성은 글루코즈 산화효소 Glucose oxidase (GOD)가 코팅된 카본섬유(carbon cloth)를 산화 전극으로 Prussian Blue 나노입자와 Multi wall carbon nanotube가 기능화된 카본섬유를 환원 전극으로 활용하였으며, 빠른 모세관 유동과 증발에 의해 자동적으로 효율적인 연료(땀) 공급을 할 수 있도록 스포츠 섬유 기반의 연료 공급 채널이 양 전극 사이에 집적화되어 있다.

이번 연구결과는 의료, 엔터테인먼트, 금융 등 여러 분야에서 웨어러블 디바이스에 대한 수요가 늘어나고 있는 가운데 웨어러블 디바이스에 적합한 작고 유연하고 가벼운 에너지 공급원이 필요한 시기에 나온 것이다.

특히 그동안에는 착용성과 유연성 측면에서 뛰어난 섬유를 활용하려는 시도가 있었으나, 전기화학적 성능 향상을 위한 전극소재 연구가 주로 이뤄졌다.

반면 연구팀은 연료전지의 모든 구성요소를 섬유로 전환하고, 직물 내 마이크로 채널의 형상을 모세관 유동과 증발속도를 제어할 수 있도록 설계, 지속적으로 땀이 공급될 수 있도록 했다.

흡한속건 소재의 모세관 유동에 의해 땀이 공급되면 땀에 들어 있는 글루코스가 산화전극의 효소에 의해 산화되어 전자를 만들고, 이 때 함께 생성된 과산화수소가 환원전극의 기능성 나노입자와 반응해 전기를 만드는 원리를 이용했다.

종이나 일반 면에 비해 흡한속건 소재는 땀 흡수 및 증발 속도가 탁월해 연료(땀) 공급이 훨씬 원활하다. 그 결과 더 오래 상당한 에너지 밀도(16.7μW/cm2)를 유지할 수 있다.

실제 이를 팔에 착용하고 빠르게 걸으면서 땀을 흘렸을 때 LCD 전자시계를 구동할 정도의 에너지를 만들어내는 것을 확인했다. 섬유 기반 연료전지 가운데 가장 높은 수준이라는 설명이다.

 

<strong>[벤드 및 의복 형태로 개발된 웨어러블 바이오 연료전지]</strong><br>바이오 연료전지를 멀티셀 형태로 제작하여 팔에 찰 수 있는 벤드 및 의복 형태로 제작 할 수 있으며, 이를 사용자가 착용하고 운동하였을 때 발생하는 땀으로 별도의 추가적인 증폭회로 없이 전자시계를 직접 구동할 수 있는 에너지가 발생됨을 시연하였다.
[벤드 및 의복 형태로 개발된 웨어러블 바이오 연료전지]
바이오 연료전지를 멀티셀 형태로 제작하여 팔에 찰 수 있는 벤드 및 의복 형태로 제작 할 수 있으며, 이를 사용자가 착용하고 운동하였을 때 발생하는 땀으로 별도의 추가적인 증폭회로 없이 전자시계를 직접 구동할 수 있는 에너지가 발생됨을 시연하였다.

한편 같은 소재의 섬유라도 편성 방식에 따라 에너지 발생 효율의 차이가 나타났다. 또한 바람이 없는 환경보다 나뭇잎이 약간 움직일 정도의 실바람(0.8 m/s)에 해당하는 바람이 불면, 에너지 발생 효율이 더 높아졌다.

섬유 기반 바이오 연료전지의 성능 향상과 지속 사용 가능성을 보여준 이번 연구성과는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 국가간협력기반조성사업(한-프 협력기반조성)의 지원으로 수행되었다.

연구결과는 ‘바이오센서 앤 바이오일렉트로닉스(Biosensors&Bioelectronics)’ 9월 24일자에 게재됐다.

 

(왼쪽부터) 교신저자 숙명여대 김혜림 교수, 교신저자 서강대 박정열 교수, 제1저자 서강대 왕총 연구원(박사).
(왼쪽부터) 교신저자 숙명여대 김혜림 교수, 교신저자 서강대 박정열 교수, 제1저자 서강대 왕총 연구원(박사).

[연구자 인터뷰]

# 연구를 시작한 계기나 배경은?

본 연구팀은 이전부터 미소유체역학을 기반으로 하여 화학적 에너지를 전기에너지로 전환시키는 연구를 진행하였으며 이의 일환으로 전기 뱀장어의 에너지 발생원리를 바탕으로 전기를 발생시키는 연구를 수행한 바가 있었다. 이러한 연구경험을 바탕으로 유체환경에서의 화학적 에너지의 전기에너지에 변환에 있어서 유체의 효율적 수송이 중요하다는 점을 인지하게 되었다. 의류소재의 특성상 모세관 현상에 의한 자발적 유체수송이 가능하기 때문에, 빠르고 지속적인 유체제어를 달성한다면 인체 체액의 화학적 에너지를 기반한 바이오 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있을 것이라는 가설을 기반으로 연구를 진행하게 되었다.

# 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

본 연구는 웨어러블 디바이스를 위해 연구초기부터 섬유기반으로 구성요소를 제작하여야 한다고 판단하였으나 유체수송에 효율적인 섬유소재의 선정 및 에너지 밀도 향상을 위한 글루코즈 산화효소의 집적화에 어려움이 있었다. 이러한 어려움은 섬유소재 전문가인 숙명여자대학교 김혜림 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 극복할 수 있었다.

# 이번 성과, 무엇이 다른가?

기존에도 섬유기반의 바이오 연료전지가 개발된 바가 있으나 전기화학적 성능 향상을 위해 주로 전극 소재에 대한 연구가 집중되어져 왔으며, 본 공동연구와 같이 스포츠의류 내 마이크로 채널의 형상 설계를 통한 모세관 유동 및 증발 속도 제어를 통해 연료(땀)을 빠르고 지속적으로 공급함으로써 제작된 바이오 연료전지가 높은 효율의 고밀도 에너지 발생시킬 수 있음을 밝힌 사례는 없었다.

# 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

모든 소재가 섬유 기반으로 제작되었기 때문에 전통적인 대량생산성을 갖춘 섬유 제조 기술을 적용할 수도 있으며, 추후 의류, 양말 또는 속옷 등에 통합하여 땀, 눈물 또는 소변과 같은 체액을 연료 자원으로 활용하여 에너지를 생성할 것으로 기대된다. 또한 실용화를 위해서는 세탁 후에도 활용될 수 있는 견실하면서 효율적인 섬유기반 전극 개발에 대한 연구가 필요하다.

[연구 주요 내용 설명]

1. 연구의 필요성

○ 웨어러블 디바이스는 건강상태 모니터링, 엔터테인먼트, 정보교환 및 금융 거래 등 다양한 분야에 적용되었거나 확대될 예정이며, 학계뿐만 아니라 산업계에서 차세대 웨어러블 디바이스에 대해 집중적으로 연구하고 있다. 웨어러블 디바이스는 다양한 장치 구성요소(예: 센서, 마이크로 컨트롤러 또는 통신 시스템)를 통해 여러 복잡한 작업을 수행할 수 있는 고성능 웨어러블 장치로 발전하고 있으며, 이를 위해서는 지속적으로 사용가능하고 장기간 작동할 수 있는 에너지원과의 집적화가 필수적이다. 이러한 점에서 볼 때 인체 내 생체에너지를 활용한 에너지 발생장치의 개발은 차세대 웨어러블 기기 개발에 있어서 핵심적인 요소이다.

○ 웨어러블 기기에 사용되는 에너지원은 착용의 용이함을 위해 크기, 무게 및 기계적 특성에 있어서 결정적인 한계가 있을 수밖에 없다. 예를 들어, 피부 착용 에너지원은 인체에 잘 밀착되고, 반복적인 스트레스에 견딜 수 있도록 유연성과 신축성이 있어야 한다. 그러나 기존의 에너지 저장 장치 및 수확 장치는 부피가 크고 무겁고 단단해 신체에 대한 착용성이 떨어져서 웨어러블 기기에 응용하는 데에 큰 어려움이 있다. 따라서 이를 해결하기 위해서는 착용 가능한 유연성 있는 소재 기반으로 생체 에너지를 지속적이면서 효율적으로 전환할 수 있는 에너지 발생장치의 개발이 요구된다. 이러한 측면에서 인체에서 분비되는 체액(예: 눈물, 땀 또는 오줌)을 이용하여 전기에너지를 생산할 수 있는 유연성과 신축성 있는 섬유기반 바이오 연료전지(biofuel cell)가 해결책이 될 수 있다.

○ 기존에도 섬유기반의 바이오 연료전지가 개발된 바가 있으나 성능 향상을 위해 주로 전극 소재에 대한 연구가 집중되어져 왔으며, 본 공동연구와 같이 직물 내 마이크로 채널의 형상 설계를 통한 모세관 유동 및 증발 속도 제어를 통해 바이오 연료전지의 성능을 향상시킬 수 있음을 밝힌 사례는 보고된 바 없었다.

2. 연구내용

○ 공동연구팀은 가볍고 유연하며 신축성 있는 웨어러블 에너지원을 제조하기 위해 전극 소재를 포함하여 모든 구성요소를 섬유를 기반으로 제작하였다.

○ 글루코즈 산화효소(Glucose oxidase, GOD)가 코팅된 카본섬유(carbon cloth)를 산화 전극으로 Prussian Blue 나노입자와 Multi wall carbon nanotube가 기능화된 카본섬유를 환원 전극으로 활용하였으며, 모세관 유동과 증발에 의해 자동적으로 효율적인 연료(땀) 공급을 할 수 있도록 친수성/소수성 패턴에 의해 형상 제어된 스포츠 섬유 기반의 연료 공급 채널이 양 전극 사이에 집적화 되었다.

○ 자발적 유동을 발생시킬 수 있는 종이 및 면소재와 비교하였을 때 스포츠 의류용 흡한속건 소재는 땀의 흡수 및 증발 속도가 탁월하여 빠르고 지속적으로 연료공급이 이루어져 결과적으로 더 오랜 시간 동안 높은 에너지 밀도(16.7μW/cm2)가 발생하였으며, 이는 비슷한 전극 구조를 갖는 연료전지 중에서 가장 높은 에너지 밀도를 보여준 사례이다.

○ 같은 섬유 소재라도 편성 방식에 따라 성능 차이가 발생할 수 있으며 바람이 없는 것보다 사람이 가볍게 뛰는 정도의 속도(0.8 m/s)에 해당하는 바람이 불면, 에너지 발생효율이 더 높아짐을 보였다.

○ 단일 바이오 연료전지를 전도성 실로 병렬-직렬 연결하여 다른 추가 적인 증폭회로 없이 전자 장치를 직접적으로 구동시킬 수 있는 에너지를 발생시킬 수 있었으며, 의복 및 밴드 형태로 제작하여 착용 후 운동하여 땀을 배출시켰을 때 전자시계를 작동시킬 수 있는 충분한 에너지가 발생됨을 시연하였다.

3. 연구성과/기대효과

○ 본 연구는 유연성과 착용성을 갖춘 섬유기반 연료전지 개발에 있어서 전극소재와 같은 재료적, 전기화학적 특성 뿐만 아니라 인체에서 발생한 땀을 빠르고 지속적으로 전달할 수 있는 유체역학적 제어가 성능에 결정적인 영향을 미친다는 것을 최초로 밝혀낸 점이 의미 있는 성과이다.

○ 모든 소재가 섬유 기반으로 제작되었기 때문에 전통적인 대량 생산성을 갖춘 섬유 제조 기술을 적용할 수도 있으며, 추후 의류, 양말 또는 속옷 등에 통합하여 땀, 눈물 또는 소변과 같은 체액을 연료 자원으로 활용하여 에너지를 생성할 수 있다.


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