이식용 바이오메디컬 기기의 전원으로 기대를 받고 있는 생체연료전지(biofuel cell, BFC). 이는 생물학적 에너지를 전기 에너지로 변환하는 초소형 장치로서, 심박조율기와 신경 자극기, 약물전달 펌프 등이 있다.
많은 주목을 받고 있지만 그동안 생체연료전지는 전력이 낮고 가동시간이 짧으며 기계적 물성이 낮다는 기술적 한계가 지적되곤 했다. 생체연료전지의 성능은 효소로부터 전극체에 이르는 전자의 이동능력에 의해 좌우된다. 전극의 표면구조가 결정적인 역할을 수행하는 것이다.
이에 따라 성능을 개선시키기 위해서는 전극에 고정되는 전기발생용 효소의 양을 증가시키거나 나노구조체 물질을 이용해 상기 전극의 활성표면적을 넓히는 등의 방법을 사용할 수 있다. 또한 효소로부터 외부 회로까지 이르는 전자의 이동을 더욱 용이하도록 설계하는 것도 방법이다.
즉 인체 의료기기 혹은 휴대용 기기로까지 범위를 확장하기 위해 생체연료전지 전극의 표면구조는 높은 활성 표면적을 갖는 동시에 높은 전도 특성을 보유해 전류의 흐름을 효율적으로 제공해야 하는 것이다.

유연하면서도 강한 고성능 전지

국내 연구진이 유연하면서도 강한 섬유형태의 고성능 생체연료전지를 만들어 주목을 받고 있다. 김선정 한양대 전기생체공학부 교수팀이 탄소나노튜브에 생체효소를 넣어 장치를 개발했다. 김선정 교수팀의 연구결과는 포도당을 산화시킬 때 생성되는 전자를 전극으로 수집해 전력을 만드는 생체연료전지로, 상온에서 구동할 수 있을 뿐 아니라 친환경적 소재를 갖고 있어 차세대 에너지 공급장치로 주목받고 있다.
“생체연료전지는 생물학적 에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치를 의미합니다. 기존 연료전지의 촉매를 생물체 내에 존재하는 생체 촉매인 효소로 대체하고 있죠. 수소보다 저렴하고 다루기 편한 포도당을 연료로 합니다. 효소의 산화환원 반응으로 연료물질에서 발생한 전자가 전극으로 이동하는 원리를 이용해 에너지를 발생시키죠.”
앞서도 언급했듯 생체연료전지는 최근 인체 이식 등의 연구가 확대되면서 바이오메디컬 기기로 그 활용성이 기대됐다. 하지만 많은 단점들이 보완되지 않고 있어 더욱 널리 상용화 되는 데는 한계가 있었다.
이런 가운데 김선정 교수팀은 기존의 한계를 극복해 유연하고 강한 전기적 특성을 가지면서 높은 전력생산을 수행하는 전지를 만들었다. 김 교수팀은 유연하고 강한 전극을 이용한 직물형태의 고성능 셩체연료전지를 처음으로 제시했으며 이는 전해질 분리막이 필요 없고 소형화가 가능해 페이스메이커, 신경 자극기 등 체내 삽입형 의료기기를 위한 전력공급원으로서의 가능성도 함께 고려되는 상황이다.
“기존에 보고된 바 있는, 촉매를 표면에 코팅하는 방식의 평판 전극형 생체연료전지는 생체촉매를 전극 표면에 코팅함으로써 만들어졌습니다. 하지만 이 형태의 경우 수 센티미터 이상의 넓은 표면적을 이용하고 전극의 부피가 다소 큽니다. 때문에 단위 표면적/단위 부피 당 전력 생산효율이 매우 낮아요. 또한 유연성과 물리적 특성이 좋지 않아 실재 바이오메디컬 기기로 응용하기에는 한계가 있었죠. 즉 생체연료전지 실용화를 위해서는 성능과 안정성을 향상시키는 것이 핵심과제였던 셈입니다.”
김선정 교수팀은 기존의 문제점을 해결하기 위해 전극 내 포함된 촉매의 활성도와 기계적 강도, 그리고 생체 환경에서의 활성 및 성능을 동시에 제공해 줄 수 있는 마이크로 사이즈 전극 섬유를 개발했다.
“우선 전도성고분자인 PEDOT(Poly(3,4-ethylenedioxythiophene))을 이용해 카본 나노 튜브 시트를 나노코팅 했습니다. 이는 효소와의 결합에도 유연하고 강한 전극의 특성을 지속적으로 유지하는데 큰 기여를 하죠. 그 다음 포도당 산화 촉매로 포도당 산화효소 또는 산소 환원 촉매로 빌리루빈 산화효소를 이용했습니다. 결과적으로 다층 구조의 생체연료전지 섬유 전극이 개발될 수 있었죠.”

의료용 기구 형태로 쉽게 가공 可

해당 연구결과는 유연하고 강한 섬유로 이뤄져 있으므로 꼬거나 직물형태로 만들 수 있다. 이에 따라 카테터나 스텐트 등 의료용 기구 형태로 쉽게 가공하는 것이 가능해 질 것으로 기대되고 있다.
특히 전해질 분리막이 필요 없고 소형화가 가능한 만큼 페이스메이커, 혹은 신경자극기 등 체내 삽입형 의료기기를 위한 전력공급원으로서 가능성도 주목받고 있다. 인체 내에 삽입할 수 있다는 것은 안정성에 대한 신뢰가 높아졌음을 의미한다. 이는 탄소나노튜브 표면에 코팅된 PEDOT(나노단위 두께로 코팅이 가능한 생체친화성 높은 전도성 고분자)가 효소를 보호해주는 이온분리막처럼 작용하기 때문에 얻을 수 있던 결과다.
“일반적인 생체연료전지의 경우 기본적인 전력 생산 효율이 낮을 뿐만 아니라 사람의 혈청 조건에서의 전력저하로 인해 더 낮은 전력을 보이고 있습니다. 하지만 저희팀의 연구는 생체 조건과 유사한 포도당 농도에서 실험을 입증했습니다. 뿐만 아니라 실제 사람의 혈청 조건에서 실험을 진행한 결과 1 센티미터(cm)의 전극만으로 1.02  미리와트 퍼 제곱 센티미터(mW/cm2)의 전력을 낼 수 있다는 것을 증명했어요. 여기에 더해 24시간 후에도 80% 이상 전력을 유지하는 것으로 나타났죠.
포도당을 이용해 친환경적인 에너지 생산뿐 아니라 인체 삽입형 의료기기 전원으로 활용할 수 있는 시스템을 개발하기 위해 연구를 시작했습니다. 물론 어려운 점도 많았어요. 가장 힘들었던 것은 얇은 실 형태의 물질을 다루고 있다는 사실이었죠. 지름이 마이크로 단위예요. 머리카락 굵기보다 가는 거죠. 그만큼 물질을 다루기 위해 실험 시 고도의 집중력이 필요했습니다.”
이렇게 개발된 섬유 형태의 생체연료전지는 기존의 생체연료전지보다 성능이 좋고 체액 내에서도 그 성능이 안정적으로 유지된다. 이는 지금까지 보고되고 있는 생체연료전지의 한계점들을 어느 정도 극복하고, 실제 의료기기로의 활용 가능성을 높였다는 점에서 의의를 찾을 수 있다.
“해당 연구의 결과는 실형태의 전극 섬유를 다양한 형태로 직조하거나 꼬아서 인체 내 삽입 혹은 이식이 가능한 구조의 전력공급원으로 활용 가능하다는 데 의미가 있습니다. 따라서 현재 의료시장에서 일반적으로 이용되고 있는 주사바늘, 카테터, 스텐트 등에 적용할 수 있어요. 또한 가공이 용이 하기 때문에 나노 로봇, 미래 친환경 에너지 생산 등의 분야에도 응용될 수 있습니다.
지금까지의 연구들은 생체연료전지를 안정적이고 효율적으로 구동시킬 수 있는 시스템을 개발하기 위한 기초연구단계였어요. 때문에 아직 실용화까지는 수년 정도의 시간과 연구가 더 필요한 상태입니다. 향후 생체연료전지를 통해 얻은 전력을 이용해 본 연구단에서 개발하고 있는 생체인공근육 시스템을 구동시키는 부분까지 연구를 확대할 것입니다.”