얼마 전에는 연료전지의 재료로 설탕을 사용하는 연구가 진행되고 있다는 소식이 외신을 타고 전해져 에너지업계의 비상한 관심을 끈 적이 있는데, 이제는 여기서 한 발 더 나아가 사람의 침, 즉 타액을 소재로 한 연료 전지가 개발되고 있어 이목이 집중되고 있다.


물리과학 전문 매체인 Physicsworld는 미국과 사우디아라비아의 공동 연구진이 사람의 침을 재료로 사용하는 미생물 연료전지를 개발 중에 있다고 보도했다. 매체는 이 연료전지가 성공적으로 개발되면 앞으로 랩온어칩(Lab on a chip)이나 현장진단(Point of care diagnostics) 등과 같은 생체 전자공학 분야에 크게 기여할 것이라고 예상했다.

타액을 재료로 하는 미생물 연료전지

미생물 연료전지(MFC, microbial fuel cell)는 박테리아(Bacteria)를 이용하여 폐기물로부터 전기를 생산하는 것으로서, 환경 및 에너지 분야에서 미래의 유망한 기술로 인정받고 있다.

미생물 연료전지의 작동 원리는 전지의 양극에서 존재하는 박테리아가 유기물을 분해하면서 전자를 방출하면, 이 전자가 외부 회로를 거쳐 음극으로 이동하면서 전류를 생성하기 때문에 일어난다.

킹압둘라과학기술대와 펜실베이니아대의 공동 연구진은 이와 같은 미생물 연료전지의 원리를 활용하여 마이크로 크기의 전자기기를 구동할 수 있는 정도인 약 1마이크로와트(μW)의 동력을 만들어 내기 위해 사람의 타액(saliva)을 사용했다.

사람의 타액은 주로 물이지만 포도당(Glucose)과 같은 유기물과 무기물도 포함되어 있어서 박테리아가 연료로 사용할 수 있다. 공동 연구진은 침을 사용한 미생물 연료전지가 다른 크기의 미생물 연료전지보다 더 높은 전류 밀도를 생성하는 것을 발견했다.


그리고 이전의 연구에서 공동 연구진은 전지의 양극 재료로 다중벽 탄소 나노튜브(multi walled carbon nanotube)를 사용했지만, 이번 연구에서는 양극 재료로 순수한 다층 그래핀(multi layer graphene)을 사용함으로써 연료 전지의 동력 생산을 추가로 증가시켰다.

그 결과, 연구진은 기존에 다중벽 탄소 나노튜브를 양극으로 사용하여 실험을 했을 때 보다 40배나 더 높은 출력을 생성하는 결과를 확보할 수 있었다. 이는 그래핀의 엄청난 전기 전도도 덕분으로서 이를 통해 박테리아가 만들어낸 전자들을 음극으로 대단히 신속하게 보낼 수 있었던 것으로 파악됐다.

이로써 공동 연구진은 타액이 실제로 미생물 연료 전지에 동력을 공급할 수 있으며, 양극에 기존의 탄소 나노튜브보다 그래핀을 사용했을 때 더 우수한 성능을 나타낸다는 사실을 확인했다.

이번 연구의 공동 책임자인 사우디아라비아 킹압둘라과학기술대(KAUST) 전기공학과의 무하마드 후세인(Muhammad Hussain) 교수는 “미생물 연료전지의 재료로는 사람의 타액 외에도 오수나 폐수 또는 당이 들어있는 음료 등과 같이 유기물이 포함된 액체라면 어떤 종류의 것이라도 가능하다”고 밝혔다. 

후세인 교수는 “마이크로 크기의 미생물 연료전지는 마이크로 크기의 다른 전지들 보다 더 적은 전극 면적과 더 적은 액체 연료의 부피를 이용하기 때문에, 효율적인 전지를 만드는 과정에 있어 전극 재료의 선택은 매우 중요하다”고 강조했다.

크기가 작을수록 전지의 효율성이 뛰어나

후세인 교수와 함께 이번 연구를 주도하고 있는 펜실베이니아대의 저스틴 밍크(Justine Mink) 연구원은 미생물 연료전지의 소형화 노력에 집중하고 있는데, 마이크로 크기의 미생물 연료 전지를 위해서는 지속 가능한 나노기술 디자인이 필수적이라는 것이 그의 생각이다.

미생물 연료전지의 소형화를 위해 연구진은 우선 그래핀 포일(foil)을 1cm2의 크기로 잘랐다. 그리고는 1mm 두께의 고무판 스페이서(spacer)를 음극과 양극 사이에 끼워 넣고 5mm2의 사각 구멍을 고무판 중앙에 뚫어 그것을 양극실(anode chamber)로 사용했다.

다음에는 주사기 바늘을 고무판 양쪽에서 삽입하여 타액을 양극실에 주입했는데, 이에 대해 후세인 교수는 “고무가 재질인 새로운 연료전지는 유연하기 때문에 다양한 표면에 쉽게 부착될 수 있다”고 설명했다. 그는 또한 “공기 음극(air cathode)이기 때문에, 기능을 구현하는데 화학물질이 필요하지 않다”고 덧붙였다.

이어서 연구팀은 양자 교환막을 제거하고, 공기 음극과 함께 음극 및 화학적 전자 수용기와 대기 산소 전자 수용기(ambient oxygen electron acceptor)를 대체함으로써, 단일 챔버 장치를 개발했다. 이 장치는 랩온어칩 등에 적용하기 충분할 정도로 작아졌다.

또한 연구진은 이번 미생물 연료전지 개발 과정에서 멤브레인(membrane)을 전혀 사용하지 않으면서도 같은 효율을 확보하는 작업에 성공했다. 이를 통해 디자인이 대폭 단순해졌고, 멤브레인 구조로 인한 내부 저항을 제거하여 연료 전지에서 나오는 전류를 감소시키는 원인을 제거하는 성과를 거뒀다.


이와 같은 결과에 대해 후세인 교수는 “디자인의 단순화를 통한 미생물 연료전지의 소형화는 타액으로 동력을 공급하는 연료전지 구현에 필수적인 조건”이라며 “이번 연구가 타액이 생체 전자 공학 디바이스의 동력으로 이용될 수 있음을 보여준 최초의 사례”라고 밝혔다.

그러면서 후세인 교수는 “타액을 재료로 하여 미생물 연료전지가 만드는 1µW에 달하는 출력은 뇌전도(EEG) 발작 감지 시스템과 같은 초저전력의 랩온어칩 디바이스를 구동시키는데 충분한 동력이라는 것이 실험결과를 통해 입증됐다”고 설명했다.

한편 후세인 교수는 연구결과의 상용화 작업을 진행하던 중에 연구진도 미처 예상치 못한 응용 분야가 하나 더 있음을 공개했는데, 바로 임신을 위한 여성의 배란 측정기(ovulation predictor)인 것으로 나타났다.

의학적으로 이미 잘 알려진 바와 같이 배란 5일 전쯤이 되면 여성은 타액의 전도도가 급격히 떨어지는데, 이는 여성 호르몬인 에스트로겐의 수치가 절정에 달하기 때문으로 추정하고 있다.

후세인 교수는 “타액을 통한 미생물 연료전지가 이 같은 전도도의 변화를 측정하기 때문에, 여성의 임신 가능성이 가장 높은 때를 알아낼 수 있다”며 “디바이스에서 생성된 데이터가 스마트폰으로 전송되기 때문에 이런 응용 분야가 가족계획을 수립하는 데 많은 도움을 제공할 것”이라고 전망했다.

현재 공동 연구진은 지금의 미생물 연료전지를 개선하여 지금의 µW 수준에서 mW 범위로 까지 출력을 생성할 수 있도록 개량 중인데, 보다 효율적인 공기 음극을 사용하면 가능할지 모른다는 것이 연구진의 공통된 의견인 것으로 알려졌다.