[한국기술뉴스] 고려대학교(총장 정진택) 화공생명공학과 및 KU-KIST 융합대학원 조진한 교수, 권정훈 박사 및 조지아텍 이승우 교수 연구팀은 물 속에 녹아 있는 효소를 기름 속에 분산되어 있는 금속 나노입자와 결합하는 새로운 양친화성 어셈블리(amphiphilic assembly) 방법을 바이오 시스템에 도입하고 효소를 전극 위에 안정적으로 고정하여 직접 전자전달(direct electron transfer) 방식의 고성능 바이오 연료전지를 개발했다.

바이오 연료전지는 생체 내에서 에너지원으로 활용되는 포도당을 산화시킬 때 생성되는 전자를 전극으로 수집해 전력을 생산할 수 있다. 따라서, 바이오 연료전지는 생체 내에 이식한 전기전자소자(예: 혈당 센서를 포함한 다양한 바이오센서, 심장박동기 등)를 외부 전원 공급 없이 구동시킬 수 있는 생체 친화형 전지이다.

기존의 바이오 연료전지는 전력 생산 효율이 매우 낮고 생체 내에서 구동 안정성이 좋지 않을 뿐만 아니라 유연성과 물리적 특성도 좋지 않아 실제 응용에는 많은 한계가 존재했다. 따라서 이러한 전력 성능과 안정성을 동시에 향상하는 것이 바이오 연료전지 분야에서의 해결해야 할 핵심과제로 여겨지고 있다.

연구팀은 물속에 녹아 있는 효소를 기름 속에 분산되어있는 금속 나노입자와 결합하는 새로운 양친화성 어셈블리 방법(amphiphilic assembly)을 바이오 시스템에 도입했고,

효소를 전극 위에 안정적으로 고정하여 직접 전자전달(direct electron transfer) 방식의 고성능 바이오 연료전지를 개발했다(그림1). 조진한 고려대 교수는 “이러한 독특한 어셈블리 방법은 효소를 비롯한 바이오 물질들이 기름에서 활성이 완전히 사라질 것이라는 기존 개념에서 벗어난 매우 독창적인 방법이며, 전해질 내에서의 구동안정성을 획기적으로 향상할 수 있다. 더 나아가서, 효소와 전극 사이의 전자 이동을 매우 쉽게 유도함으로써 전극 내 전자전달 효율을 향상시키고 결과적으로 바이오 연료전지의 성능을 큰 폭으로 향상할 수 있다”라며 본 연구의 독창성을 강조했다.

특히, 이번에 개발된 직접적 전자전달 방식의 바이오 연료전지 전극은 기존에 가장 높은 성능을 보일 수 있다고 알려져있는 메디에이터(mediator) 방식의 전극보다 최대 전류생성 성능이 2배 정도 더 높음을 확인했다. 또한, 이번에 개발된 직물형 바이오 연료전지의 전력 생성성능은 네 개의 셀을 직렬로 연결하여 테스트하였을 때, 기존 바이오 연료전지의 성능을 25배 이상 증가시킬 수 있었다(그림2).

이번 연구를 주도한 권정훈 박사는 “이번에 개발된 양친화성 어셈블리 기반의 바이오 연료전지 전극은 생체와 유사한 체액 내에서 구동 안정성과 전력생산 효율이 획기적으로 뛰어나므로 높은 전하전달 현상을 요구하는 고성능 바이오센서나 생체 삽입형 의료기기의 전력공급원으로 폭넓게 사용될 수 있을 것으로 기대한다.”고 연구의 의의를 밝혔다.

이러한 연구결과는 응용물리 분야에서 최우수 저널인 Applied Physics Reviews (IF =19.162)에 미국 현지시간 5월 24일 온라인 게재됐으며, 저널 편집자들이 최우수 논문으로 선정했다.