'박테리아'로 작동하는 종이 배터리
'박테리아'로 작동하는 종이 배터리
  • 함예솔
  • 승인 2018.08.28 09:40
  • 조회수 1926
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박테리아를 이용한 종이 배터리. 출처: Seokheun Choi
박테리아를 이용한 종이 배터리. 출처: Seokheun Choi

지금도, 지구촌 어딘가는 전기가 부족합니다. 의사가 환자를 진단할 장치에 전력을 공급하지 못해 어려움을 겪기도 하죠. 이런 지역에서는 상업용 배터리가 있다 하더라도 비용이 너무 비싸 무용지물일 뿐입니다.

 

그런데 최근 박테리아를 이용해 저렴하면서도 휴대가 간편한 배터리가 개발됐다고 합니다. <American Chemical Society>에 게재된 연구에 따르면, 뉴욕주립대학교 최석헌 교수가 이끄는 연구팀이 박테리아와 종이를 이용해 배터리를 만들었다고 하는데요.

 

이번 연구를 이끈 뉴욕주립대학교의 최석헌 교수. 출처: 유투브/ BinghamtonUniversity
이번 연구를 이끈 뉴욕주립대학교의 최석헌 교수. 출처: 유튜브/BinghamtonUniversity

연구팀은 이전에도 질병과 건강상태를 저렴하고 편리하게 진단할 수 있는 일회용 종이 바이오센서를 개발한 적이 있었다고 합니다. 종이는 바이오 센서의 재료로 쓰기에 가격이 저렴하고 휴대가 간편할 뿐 아니라 유연하고 표면적도 커 활용이 쉽다고 합니다.

 

기존에 개발했던 바이오 센서는 색상의 변화를 통해서 결과를 확인할 수 있었는데, 민감도가 떨어진다는 단점이 있었습니다. 민감도를 높이기 위해서는 바이오 센서의 공급원이 필요했습니다. 이에 연구팀은 박테리아를 공급원으로 이용해 저렴한 종이 배터리를 구현하기로 합니다. 박테리아는 상업용 배터리보다 일회용 기기에 결합이 더 용이하다고 하네요. 연구팀은 종이표면에 얇은 금속 및 다른 기타 물질을 인쇄해 종이 배터리를 만들었습니다. 그런 다음 동결건조한 박테리아인 'Exlectlectrogens'을 종이 위에 올려놨습니다. 

 

박테리아가 어떻게 에너지원으로?

 

박테리아가 어떻게 베터리의 에너지원으로 사용될 수 있을까요? Exlectlectrogens은 세포 외부로 전자를 전달할 수 있는 특별한 종류의 박테리아입니다. 이 박테리아들은 호흡을 통해 유기물 안의 저장된 생화학적인 에너지를 생물학적 에너지로 변환시킵니다.

 

아데노신삼인산(ATP) 프로세스. 출처:유투브/RicochetScience
아데노신삼인산(ATP) 프로세스. 출처: 유튜브/RicochetScience

아데노신삼인산(ATP) 프로세스는 전자가 최종적인 전자수용체로 전자를 전달하는 '전기전달 생체분자 시스템(electron-carrier biomolecules)'을 말합니다. 참고로 아데노신 삼인산(adenosine triphosphate, ATP)은 생명체의 주된 에너지원으로 사용되며, 고에너지의 인산결합이 깨지면서 인산기가 떨어져나갑니다. 아데노신 이인산(ADP)을 만드는 과정에서 7.4kcal/mol의 에너지를 방출하는 발열반응을 합니다. 발열반응으로 나온 에너지는 특정 물질의 능동수송이나 각종 신진대사에 사용됩니다.

 

즉, 박테리아가 호흡을 하면서 스스로 에너지를 만들어낼 때 발생한 전자는 세포막을 통과해 외부전극과 접촉하며 배터리에 전원을 공급할 수 있게 되는 것이지요. 그리고 연구팀은 이 원리를 이용해 박테리아를 배터리의 공급원으로 사용했습니다. 

 

또한, 연구팀은 배터리를 활성시키기 위해 여기에 물과 타액(saliva)을 추가했는데, 그 이유는 박테리아를 빠른 시간 안에 소생시키기 위함이었습니다. 실험 결과, 2분 내로 소생된 박테리아는 발광 다이오드와 계산기에 전력을 공급하기 충분한 전자를 생산해냈다고 합니다. 

 

연구팀은 산소가 장치의 성능에 어떤 영향을 미치는지에 대해서도 조사했다고 합니다. 산소는 종이를 쉽게 통과해 박테리아가 생성한 전자가 전극에 도달하기 전에 흡수할 수 있기 때문입니다. 연구 결과, 산소로 인한 발전량 감소가 있기는 하지만 그 효과는 미미하다는 점을 발견했습니다. 왜냐하면 박테리아 세포가 종이 섬유에 단단히 부착돼 있어 산소가 개입하기 전에 이미 전자를 양극으로 신속하게 내보내기 때문이라고 합니다.   

 

종이 배터리의 수명은 약 4개월 정도입니다. 이에 연구팀은 향후 동결 건조된 박테리아의 성장과 성능을 향상시키기 위한 연구를 통해 종이 배터리 수명을 늘리는 연구에 박차를 가할 계획이라고 합니다. 박테리아를 이용한 종이 배터리가 상용화될 날이 얼마 남지 않을 것 같네요.

 

 

##참고자료##


Gao, Yang, and Seokheun Choi. "Merging Electric Bacteria with Paper." Advanced Materials Technologies 3.8 (2018): 1800118.


 


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