[논문]미생물 연료 전지와 전력 조절 시스템을 이용한 생체 유기 물질로부터의 전력 생산

여정진; 양윤석

doi:10.9718/jber.2017.38.5.242

미생물 연료 전지와 전력 조절 시스템을 이용한 생체 유기 물질로부터의 전력 생산
Energy Harvesting from Bio-Organic Substance Using Microbial Fuel Cell and Power Conditioning System 원문보기

Journal of biomedical engineering research : the official journal of the Korean Society of Medical & Biological Engineering, v.38 no.5, 2017년, pp.242 - 247

여정진 (전북대학교 바이오메디컬공학부) , 양윤석 (전북대학교 바이오메디컬공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

This study presents a bio-chemical energy harvesting system which can generate electric power from bioorganic substance contained in vermicompost. It produced electricity by inoculating microbial fuel cell(MFC) with earthworm-composted food waste. The generated electricity was converted into usable voltage level for mobile electronics through power conditioning circuits. The implemented prototype showed $200{\mu}W$ of maximum output electric power, which successfully supplied a beacon device which continuously transmitted data to nearby smartphone without a battery. The proposed system can help develop portable or bio-mimetic energy supply for sustainable use with further improvement.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

먼저, 지렁이에게 음식물 쓰레기를 먹이로 급여하여 얻은 분변액을 미생물 연료 전지에 기질로 주입하고 이때 생성되는 전력의 양과 특성을 평가하였다. 또한, 생산된 전력을 전자장치 구동에 적합한 형태의 전력으로 변환하기 위한 전력 조절 회로를 개발하고 성능을 평가하였다. 마지막으로 지렁이 분변액으로부터 얻은 전력을 활용한 저전력 무선 통신 모듈의 구동 가능성을 확인하였다.
본 연구에서는 생물체가 섭취하는 음식 혹은 대사산물 등에 포함된 유기물을 전기에너지로 변환할 수 있는 생물·화학적 에너지 하베스팅 구현을 위해 미생물 연료 전지 기술의 오염 물질 처리 측면이 아닌 전력 생산 측면에 초점을 맞추었다.
본 연구에서는 생물체가 섭취하는 음식, 먹이에 함유되어 있는 유기 물질로부터 유래하는 다량의 에너지를 전기에너지로 변환하여 활용하는 것을 목표로 하여, 미생물 연료 전지 기술을 적용한 생물·화학적 에너지 하베스팅 시스템을 개발하였다.
이를 위한 대표적인 사례로, 지렁이 분변에 포함된 유기성 물질을 전기에너지로 변환하는 시스템을 개발하고 이로부터 얻어진 전기 에너지의 활용 가능성을 확인하였다. 지렁이에게 음식물 쓰레기를 먹이로 공급하여 얻은 분변액을 다시 미생물 연료 전지에 기질로 주입하여 전력 생산 가능 여부 및 전력 생산량을 확인하였다.

제안 방법

지렁이 분변액을 기질로 활용한 미생물 연료 전지의 전력추출을 최대화하기 위해 그림 4(a)와 같은 구성으로 사전 실험을 진행하였다. 개방 회로 상태에서 10 KΩ, 5 KΩ, 2 KΩ, 1 KΩ, 500 Ω, 300 Ω, 200 Ω, 120 Ω, 82 Ω, 50 Ω, 20 Ω, 12 Ω의 순서로 저항의 크기를 변화시켜가며 지속적으로 출력을 측정하였다. 이때 부하 저항 변화에 따른 미생물 연료전지의 출력 전압은 데이터 수집 장치(DAQ6009, National Instruments, USA)와 데이터 수집 소프트웨어(LabVIEW2009, National Instruments, USA)를 이용하여 1 K Hz의 샘플링 주파수로 획득하였다.
8 V로 변환된 전력을 470 μF 용량의 커패시터에 저장하여 부하에 전력을 공급하도록 설계되었다. 또한 전력 조절 회로는 회로의 입력저항을 전압비(최대전력생산전압/개방전압) 설정을 통해 조절하는 수동 방식의 MPPT(Maximum Power Point Tracking, MPPT) 기능을 갖추고 있으며, 스위치 조작을 통해 회로의 내부 저항을 변경하여 사전에 파악된 미생물 연료 전지의 최대 전력점을 추종함으로써 전력 생산을 극대화하는 것이 가능하도록 개발하였다.
지렁이에게 음식물 쓰레기를 먹이로 공급하여 얻은 분변액을 다시 미생물 연료 전지에 기질로 주입하여 전력 생산 가능 여부 및 전력 생산량을 확인하였다. 또한, 지렁이 분변액으로부터 생산된 전력을 개발된 전력 조절 회로를 통해 전자장치 구동에 적합한 형태로 변환하고 이를 저전력 무선 통신 모듈에 공급하여 데이터 송수신의 지속적인 작동을 확인하였다. 회로가 연결된 상태의 미생물 연료 전지는 지렁이 분변액으로부터 약 400-800 μW 수준의 전력을 생산함을 확인할 수 있었다.
본 연구에서는 생물체가 섭취하는 음식, 먹이에 함유되어 있는 유기 물질로부터 유래하는 다량의 에너지를 전기에너지로 변환하여 활용하는 것을 목표로 하여, 미생물 연료 전지 기술을 적용한 생물·화학적 에너지 하베스팅 시스템을 개발하였다. 먼저, 지렁이에게 음식물 쓰레기를 먹이로 급여하여 얻은 분변액을 미생물 연료 전지에 기질로 주입하고 이때 생성되는 전력의 양과 특성을 평가하였다. 또한, 생산된 전력을 전자장치 구동에 적합한 형태의 전력으로 변환하기 위한 전력 조절 회로를 개발하고 성능을 평가하였다.
그림 6(a)은 미생물 연료 전지를 이용하여 대표적인 IoT 장치인 비콘을 구동하기 위한 연결과, 각 단계에서의 전력을 측정하기 위한 실험 구성을 보여주고 있다. 모든 전압은 데이터 수집 장치(DAQ6009, National Instruments, USA)와 데이터 수집 소프트웨어(LabVIEW2009, National Instruments, USA)를 이용하여 1 K Hz의 샘플링 주파수로 측정 기록되었다. 그림 6(b)에 실험 결과를 정리하였다.
그림 5(a)는 전력 조절 회로의 작동과 성능을 측정하기 위한 실험 구성을 나타낸다. 미생물 연료 전지와 회로 사이에 전류 측정을 위한 2 Ω의 부하 저항을 연결하였으며, 전력조절 회로의 출력 전력을 측정하기 위해 40 KΩ의 부하 저항을 연결하였다. 이때 각 노드의 전압은 데이터 수집 장치(DAQ6009, National Instruments, USA)와 데이터 수집 소프트웨어(LabVIEW2009, National Instruments, USA)를 이용하여 1 KHz의 샘플링 주파수로 측정 기록되었다.
본 연구에서 개발한 전력 조절 회로는 1 V 이하인 미생물 연료 전지의 출력 전압을 승압하여 전자 기기에 공급 가능한 수준인 3.8 V로 변환하고, 3.8 V로 변환된 전력을 470 μF 용량의 커패시터에 저장하여 부하에 전력을 공급하도록 설계되었다.
따라서 액화된 형태의 지렁이 분변은 전자방출균을 접종하여 배양할 필요 없이 미생물 연료전지의 음극액으로 손쉽게 활용할 수 있으며, 사전 연구와 기존 기술을 통해 이를 확인한 바 있다[12,13]. 본 연구에서 사용한 지렁이 분변액은 지렁이에게 채소, 과일껍질, 커피찌꺼기를 주성분으로 하는 음식물 쓰레기를 급여하고, 지렁이가 이를 분해하는 과정에서 발생한 액상 물질을 수거하여 얻어졌다.
이때 수소이온은 수소이온교환막을 넘어 양극 측으로 이동해 산소와 결합하여 물 분자를 생성하고, 전자는 기전력에 의해 음극 전극으로부터 양극 전극으로 이동하는데, 이 과정에서 미량의 전기에너지를 얻을 수 있다[14]. 제작한 미생물 연료 전지의 음극에 지렁이의 분변액을 기질로 주입하여 미생물을 배양하였다. 미생물 연료 전지의 전체 부피는 2156 cm³(14 × 14 × 11 cm), 음극실은 484 cm³(11 × 11 × 4 cm), 양극실은 484 mm³(11 × 11 × 4 cm)로 구성하였다.
이를 위한 대표적인 사례로, 지렁이 분변에 포함된 유기성 물질을 전기에너지로 변환하는 시스템을 개발하고 이로부터 얻어진 전기 에너지의 활용 가능성을 확인하였다. 지렁이에게 음식물 쓰레기를 먹이로 공급하여 얻은 분변액을 다시 미생물 연료 전지에 기질로 주입하여 전력 생산 가능 여부 및 전력 생산량을 확인하였다. 또한, 지렁이 분변액으로부터 생산된 전력을 개발된 전력 조절 회로를 통해 전자장치 구동에 적합한 형태로 변환하고 이를 저전력 무선 통신 모듈에 공급하여 데이터 송수신의 지속적인 작동을 확인하였다.

대상 데이터

그림 2(a)의 전력 조절 회로(power conditioning circuit)는 Boost 방식의 DC-DC 변환 및 레귤레이션 기능을 지닌 상용 IC인 BQ25504(Texas Instruments, USA)를 이용하여 제작하였다. 회로는 그림 2(b)에서 보이는 것과 같이, 미생물 연료 전지로부터 최초 330 mV 이상의 전압이 인가되면 동작하기 시작하며, 이후 80 mV 수준의 입력 전압을 인가 받아 출력 승압이 가능하다.
미생물 연료 전지의 전체 부피는 2156 cm3(14 × 14 × 11 cm), 음극실은 484 cm3(11 × 11 × 4 cm), 양극실은 484 mm3(11 × 11 × 4 cm)로 구성하였다.
미생물 연료 전지의 전체 부피는 2156 cm³(14 × 14 × 11 cm), 음극실은 484 cm³(11 × 11 × 4 cm), 양극실은 484 mm³(11 × 11 × 4 cm)로 구성하였다. 본 연구에서는 기계적 강도가 우수한 폴리카보네이트(Poly Carbonate, PC)를 이용해 케이스를 제작했다. 음극 전극으로는 탄소 섬유(W0S1002, CeTech, Taiwan)를 사용하였으며, 면적은 121 cm²(11 × 11 cm), 양극 전극은 0.
음극 전극으로는 탄소 섬유(W0S1002, CeTech, Taiwan)를 사용하였으며, 면적은 121 cm2(11 × 11 cm), 양극 전극은 0.5 mg/cm2, 20 wt%로 백금 촉매가 담지된 탄소 섬유(EC2019, Fuel Cell Earth, USA)를 사용하였으며, 면적은 121 cm2(11 × 11 cm)로 제작하였다.
음극실과 양극실 사이는 수소이온 교환막(Nafion Membrane 212, Dupont, USA)을 이용하여 분리하였으며, 사용된 수소이온 교환막의 접촉 면적은 121 cm2(11 × 11 cm)이었다.
개방 회로 상태에서 10 KΩ, 5 KΩ, 2 KΩ, 1 KΩ, 500 Ω, 300 Ω, 200 Ω, 120 Ω, 82 Ω, 50 Ω, 20 Ω, 12 Ω의 순서로 저항의 크기를 변화시켜가며 지속적으로 출력을 측정하였다. 이때 부하 저항 변화에 따른 미생물 연료전지의 출력 전압은 데이터 수집 장치(DAQ6009, National Instruments, USA)와 데이터 수집 소프트웨어(LabVIEW2009, National Instruments, USA)를 이용하여 1 K Hz의 샘플링 주파수로 획득하였다. 측정된 전압과 연결된 부하 저항값을 이용하여 출력 전력을 계산하고 그림 4(b)에 나타냈다.

성능/효과

또한, 생산된 전력을 전자장치 구동에 적합한 형태의 전력으로 변환하기 위한 전력 조절 회로를 개발하고 성능을 평가하였다. 마지막으로 지렁이 분변액으로부터 얻은 전력을 활용한 저전력 무선 통신 모듈의 구동 가능성을 확인하였다.
이 기간 동안 승압 및 전력 컨디셔닝 회로 내부의 소모 전력은 약 575 μW, 에너지는 약 162 mJ 임을 확인하였다. 비콘이 연결된 이후에도 미생물 연료 전지 출력의 급격한 감소 없이 지속적으로 회로의 소비 전력과 비콘의 소비 전력을 공급할 수 있음을 확인하였다. 그림 7과 같이 비콘과 휴대폰 사이의 데이터(거리정보)는 0.
이 구간에서 약 132초 동안 평균 440 μW의 전력으로 58 mJ의 에너지가 미생물 연료 전지로부터 공급되었으며, 부하 저항의 소비전력은 11 μW, 소비 에너지는 약 1 mJ 이었고, 이로부터 승압 및 전력 컨디셔닝을 위한 회로 내부의 소비 전력은 약 429 μW, 소비 에너지는 약 57mJ 임을 확인할 수 있었다.
이 기간 동안 승압 및 전력 컨디셔닝 회로 내부의 소모 전력은 약 575 μW, 에너지는 약 162 mJ 임을 확인하였다.
1 mW의 전력이 전달되었다. 저전력 전자기기, 센서 등의 실시간 전력 공급이 가능한 수준의 전력량임을 확인하였다.
전력 조절 회로를 거쳐 최종적으로 디지털시스템에서 활용할 수 있는 전력은 100-200 μW 정도이지만, 실험을 통해 확인한 바와 같이 저전력 무선 통신 모듈 및 센서 등의 구동을 위한 전력으로는 충분함을 알 수 있다.
회로가 연결된 상태의 미생물 연료 전지는 지렁이 분변액으로부터 약 400-800 μW 수준의 전력을 생산함을 확인할 수 있었다.

후속연구

본 연구에서 제안된 생물·화학적 에너지 하베스팅 기술은 다양한 생체 대사 물질 및 생체 유래 물질을 활용할 수 있도록 응용이 가능하며, 향후 휴대형, 인체 착용형, 혹은 삽입형 환경에서 지속가능한 전력을 생성하는 역할도 가능할 것으로 기대된다.
본 연구에서 제안된 생물·화학적 에너지 하베스팅 기술은 다양한 생체 대사 물질 및 생체 유래 물질을 활용할 수 있도록 응용이 가능하며, 향후 휴대형, 인체 착용형, 혹은 삽입형 환경에서 지속가능한 전력을 생성하는 역할도 가능할 것으로 기대된다. 뿐만 아니라, 유기물을 분해하여 전력을 생산해내는 기술은 생명체와 같이 음식물 섭취를 통해 활동 에너지를 얻는 생물-기계 로봇 시스템의 실현 방안도 제시할 수 있을 것으로 생각된다.
전력 조절 회로를 거쳐 최종적으로 디지털시스템에서 활용할 수 있는 전력은 100-200 μW 정도이지만, 실험을 통해 확인한 바와 같이 저전력 무선 통신 모듈 및 센서 등의 구동을 위한 전력으로는 충분함을 알 수 있다. 시스템의 규모와 효율 개선 등을 통해 전력 생산량이 증가된다면 다양한 전자 시스템에 활용 가능할 것으로 생각된다.
따라서 기존의 화학 배터리 충전 문제를 해결함과 동시에 물리적 에너지 하베스팅 기술을 적용하기 어려운 환경에서 보다 안정적으로 활용할 수 있는 에너지원에 대한 탐색이 필요하다. 특히, 자연 환경과 같은 조건, 인체와 같은 생체 플랫폼에서 비주기적, 불연속적으로 발생하는 물리 에너지의 활용이 제한되는 점을 고려하여, 이러한 환경에서 화학적, 생물학적 에너지를 적극 활용하여 전기에너지를 얻을 수 있는 기술의 개발이 요구된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	무선 전자기기 시스템의 사용성과 활용성에 제한이 있는 이유는 무엇인가	이러한 무선 전자기기들은 반도체 기술의 발전과 함께 날로 소형화, 고기능화 발전을 이루고 있으며, 그 활용 영역을 확대해 나가고 있다. 그러나 무선 전자기기 시스템들은 배터리에 의존한 전력 수급 기술의 한계로 인해 그 사용성과 활용성에 제한을 받고 있다. 소형화된 전자기기들을 위한 소형의 배터리 사용과 이에 따른 한정된 전력 용량은 지속적인 충전과 번거로운 교체 작업을 요구함으로 인해 많은 경제적 비용과 유지 보수의 어려움을 초래하고 있다.
	에너지 하베스팅 기술이란 무엇인가	최근에는 이러한 문제들을 해결하기 위해 무선 전자기기 시스템들이 적용되는 플랫폼과 그 주변에서 발생하는 다양한 형태의 에너지를 전기에너지로 변환하여 활용하기 위한 에너지 하베스팅(energy harvesting) 기술의 적용이 시도되고 있다[1-3]. 주로 주변에서 발생하는 진동, 열과 같은 물리적 에너지들을 변환하여 전력을 얻는 방식이 적용되고 있는데[4-7], 이러한 에너지 하베스팅 기술은 모바일 환경에서의 저전력 무선 전자기기 시스템을 위한 지속가능 전력 공급기술로 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대되고 있다.
	에너지 하베스팅 기술의 에너지원에 대한 기술의 개발에서 고려해야 할 사항은 무엇인가	따라서 기존의 화학 배터리 충전 문제를 해결함과 동시에 물리적 에너지 하베스팅 기술을 적용하기 어려운 환경에서 보다 안정적으로 활용할 수 있는 에너지원에 대한 탐색이 필요하다. 특히, 자연 환경과 같은 조건, 인체와 같은 생체 플랫폼에서 비주기적, 불연속적으로 발생하는 물리 에너지의 활용이 제한되는 점을 고려하여, 이러한 환경에서 화학적, 생물학적 에너지를 적극 활용하여 전기에너지를 얻을 수 있는 기술의 개발이 요구된다.

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표제어: PCR

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용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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