화석에너지의 고갈과 지구온난화를 비롯한 환경 문제들은 새로운 에너지 자원들을 찾으려는 노력을 가속시키는 원동력이 되고 있다. 인공장기, 신약 등의 의료 분야의 개발이 뜨거운 바이오 분야에서의 에너지 개발은 에탄올, 수소, 메탄, 부탄올 등을 생산할 수 있는 박테리아들이 속속 발견되면서 최근 각광을 받고 있다. 또한 박테리아를 이용하여 유기물의 소화로부터 전기 에너지를 발생시키는 미생물 연료전지(Microbial fuel cell)의 개발도 속속 이루어지고 있다.



현재 개발이 이루어지고 있는 미생물 연료전지, 즉 바이오 전지들은 일반적으로 생활 폐기물 등의 유기 폐기물에서 쉽게 얻을 수 있는 바이오 물질을 지속적으로 이용하는 재생에너지로 전환하는 것이다. 아울러 바이오 물질은 자연계에서 분해되는 친환경 특성이 있을 뿐만 아니라, 인체와의 친화성을 바탕으로 체내 삽입형 의료 기기의 전원으로도 사용될 수 있다. 일례로 일본 동북대학 니시자와 교수의 연구팀은 2005년 5월 혈액 중의 글루코오스와 효소를 이용하여 발전하는 바이오 전지 개발에 성공하였다고 발표했다. 개발된 바이오 전지는 1원짜리 동전 크기이며 혈액 속에 포함된 글루코오스가 일반적인 연료전지에서의 수소 역할을 하게 된다. 개발된 바이오 전지의 발전량은 대략 0.2mW이다. 혈액 속의 글루코오스를 원료로 이용하기 때문에 몸 안에 삽입하는 의료 기기의 전원에 이용할 수 있다.








또한, 일본의 소니사도 바이오 전지 개발에 착수한 상태이다. 최근 소니사는 포도당을 효소로 분해하여 전력을 생산하는 바이오 전지를 개발하였으며, 이를 이용하여 메모리 타입의 워크맨과 패시브형 스피커로 음악을 재생하는 데 성공했다고 발표했다. 소니사가 개발한 바이오 전지의 주요 사양은 최대 출력 50mW, 외형 크기가 폭 39mm, 높이 39mm, 길이 39mm이며, 몸체를 뺀 전지 부분의 실제 용량은 약 40cc이다. 포도당 용액과 산소 등의 반응 물질을 자연 확산을 통해 전극에 공급하는 패시브형 바이오 전지로서는 세계 최고 출력을 실현한 것이라고 한다. 이번의 음악 재생 시연 실험에서는 개발된 바이오 전지 유닛이 총 4개가 사용되었다(그림 1참조).



소니사의 바이오 전지는 음극에 포도당을 분해하는 효소와 전자 전달 물질을 고정화시켰으며 양극에는 산소를 환원하는 효소와 전자 전달 물질을 고정화시켜서 이루어진다. 이들 두 개의 전극을 세퍼레이터 사이에 배치함으로써 포도당을 원료로 이용하는 바이오 전지가 구성된다. 전력 생산은 다음과 같은 순서를 통해서 이루어진다.








이와 같이 소니사의 바이오 전지는 이러한 일련의 전기 화학 반응을 통해 전자가 외부 회로를 이동할 때의 전기 에너지를 추출하는 방식으로 발전한다.



소니사의 바이오 전지 개발 및 출력 향상을 목표로 한 기술개발은 크게 다음의 3가지 (1) 효소와 전자 전달 물질을 활성을 유지한 상태에서 음극에 고밀도로 고정화시킬 수 있는 기술의 개발, (2) 반응에 필요한 산소를 효율적으로 공급할 수 있도록 양극의 수분량을 적정량으로 유지하는 기술의 개발, (3) 전해질의 최적화 기술 로 구성된다.



첫 번째 기술 개발에서는, 산소와 전자 전달 물질을 고정화하는 접착체와 같은 역할의 물질로서 서로 다른 부호의 이온 성질을 가지는 두 종류의 폴리머를 활용한다. 두 개의 폴리머의 정전 상호 작용을 이용하여 효소와 전자 전달 물질을 전극상에 고밀도로 고정화시키고, 이 작업을 최적화함으로써 포도당을 분해하여 전자를 추출하는 효율을 향상시키게 된다. 두번째 기술 개발에서는, 산소와 전자 전달 물질을 고정화 한 다공질 카본을 양극 재료로 사용하고 세퍼레이터에는 셀로판을 사용하여, 구조와 공정의 최적화를 통해 양극을 적당한 정도의 습한 상태로 유지할 수 있도록 한다. 세 번째 기술 개발에서는, 전해질에 포함된 인산나트륨 완충액의 농도를 보통의 0.1M에서 1M 정도로 변경함으로써 전극 표면에 고정화한 산소의 활성을 효율적으로 이끌어 낼 수 있음을 발견하였고 이것이 발전 특성 향상에 기여하게 된다.








바이오 물질을 이용한 전력 생산 기술 개발은 다양한 분야에서 활발히 진행되고 있다. 발효 등의 생물 공정을 이용한 전력 생산, 가스화, 열분해 등의 열화학 공정을 이용한 전력생산 등은 수십에서 수백메가와트의 대형 플랜트 기술로서 개발되고 있다면 소니사의 바이오 전지는 소형 플랜트를 대상으로 개발되고 있다. 특히 인체와의 친화성을 가진 바이오 물질을 이용함으로써 체내 삽입형 각종 전자기기의 전원으로 이용할 수 있다는 큰 장점이 있다. 이 같은 장점들로 인해 선진국에서는 바이오 전지 개발이 큰 활기를 띄는 상황에 비해 국내의 연구 개발은 아직 걸음마 단계에 있어 시급한 개발이 요구된다.