산소 저투과율 재료기반 요철전극 마이크로유체 미생물 연료전지 개발

Abstract

최근 마이크로시스템의 중요성은 기존의 에어백 센서와 잉크젯 등에서 벗어나 무선부품, 광부품, 바이오칩, 미세기계 분야 등으로 급속히 확산되고 있다. 이러한 마이크로시스템을 완성하기 위해서는 마이크로화된 휴대형 전력원이 매우 중요한 요소이다.[1] 많은 연구자들이 개발하고 있는 마이크로 연료전지는 주로 화학연료를 이용하는데,[2] 미생물의 전기화학작용을 이용하는 미생물 연료전지(MFC)는 연소없이 화학에너지를 전기에너지로 변환시키는 장점이 있다. 미생물 연료전지에 사용되는 미생물은 자기 재생하는 촉매로서 체온 정도의 온도와 거의 중성에서 유기물과 무기물을 산화시킨다. 특별한 효소를 촉매로서 사용하는 효소 바이오연료전지에 비해서, 미생물 연료전지는 완전한 에너지 추출을 위해 연료를 다양한 내생의 효소에 의해 단순 분자들로 효과적으로분해한다.[3] 더구나, 미생물 연료전지는 효소의 특별한 분리 및 정제 그리고 전극 표면에의 안정화 등의 작업이 필요치 않다. 따라서 신에너지형태의 휴대용 보건의료와 전자기기 전력공급 장치의 개발을 위해 마이크로 미생물 연료전지에 관한 연구가 필요하며 중요하다. 마이크로 미생물 연료전지는 휴대용 의료기기, 몸 속 작은 기계 파워 뿐만 아니라 휴대용 전자기기, 원거리 센서, 마이크로 로봇, 유기물 센서, 독성 탐지기등 여러 방면으로 응용이 가능하리라 여겨지기에 앞으로 관련 연구가 활발하게 진행되리라 생각된다.[4] 그 밖에 미생물 전기화학 시스템은 폐수리, 온실가스 저감, 화학물질 생산을 위한 지속가능 기술로서도 기대되고 있다. 마이크로 연료전지의 개발은 특히 생체 친화적인 요건이 필요로 하는 초소형 의료기기의 전력원으로 사용화 가능성을제시한 데에 큰 의의가 있다.[5] 마이크로 미생물 연료전지기술은 지금까지 선보이지 않은 전기 생산에 관한 새로운접근 방법으로서, 미생물을 이용해 생물학적으로 분해 가능한 유기물로부터 전기를 생산하는 공정이다. 미생물 연료전지에서 미생물이 유기물을 산화시킬 때 방출되는 전자는 미생물 세포막에 존재하는 일련의 전자전달계를 지나면서 ATP(Adenosine Tri-Phosphate)형태의 에너지를 생산하게 된다. 전자전달계를 빠져나온 전자가 최종전자수용체(Terminal Electron Aceptor, TEA)를 환원시키면서 미생물의 대사작용은 완성된다. 미생물은 전자를 체외로 방출하기에 전자방출균(전자방출미생물, Exoelectrogen)이라고 불리고, 이 미생물이 연료전지에서 전기를 발생하기 위한 촉매로 사용된다. 여기에서 산소는 산화전극(anode)에 있는 미생물의 전기화학적인 반응을 저해할 수 있으므로, 환원전극(cathode)에 존재하는 산소와 산화전극의 미생물을 분리하도록 연료전지를 설계할 필요가 있다. 이것을 위해 연료전지에 이온의 투과가 가능한 막(membrane)을 사용한 결과, 산화전극조(anode chamber)와 환원전극조(cathode chamber)로 나뉘게 되는데, 이를이실형 미생물 연료전지(Two chamber MFC)라 한다. 미생물 연료전지를 이용한 전기생산은 이론적으로 새로운 것은 아니지만, 에너지 생산을 위한 실제적인 방법으로서 매우 새로운 접근 방법이라고 할 수 있다. 그러나 에너지 생산의 관점에서 미생물 연료전지를 경제적으로 타당하게 만드는 일은 실제로 많은것을 요구한다. 미생물 연료전지의 경우 여러 종류의 유기물을 이용하면서 전기를 발생시키는 장점을 가지고 있지만, 현재 가장 큰 문제점은 생성가능한 전력이 수소연료전지에 비하여 아주 작다는데 있다. 이러한 문제점을 개선할 경우 소형 전원, 바이오매스발전, 배수처리, 바이오센서 등 다양한 분야로의 응용이 가능하다. 지금까지 연구된 마이크로 미생물 연료전지들 Proton exchange membrane 양성자 교환막(Nafion 117, Dupont, USA)을 동일하게 사용하였는데, 최근에 교환막이 없는 층류기반 마이크로유체 연료전지 구조를 응용한, 미생물 연료전지의 성능 향상을 도모하는연구들이 북미, 일본 등의 소수 국가에서 이루어지고 있다고 보고되고 있다.[6],[7] 하지만 아직 초기 검증 단계에 머무르고 있으며, 미생물과 연료의 종류, 전극의 재료, 형상 및 구성, 전자 전달매개체와 전해질 그리고 산화제의 구성 등을 변화시켜 단위면적당 전력밀도(Power density)를 상승시키려는 목적의 연구가 주로 진행되고 있다. 아직까지는 전체적으로 실제 전력원으로 사용되기에는 최대전력밀도나 최대전류밀도가 필요치에 도달하지 못하고, 대부분의 경우 산소가 투과되는 PDMS 재료로 채널을 제작하여, 산화전극 주위에 산소에 의한 전자 흐름의 손실과 혐기성인 폐수 지오박테리아 미생물균체에 악영향을 미치는 문제점이 있다. 따라서 본 연구에서는 기존의 선행연구에서 문제시 되었던 것들을 해결하기 위한 방안으로, 마이크로 제조 기법을 이용하여 전극의 형태에 변화를 주어 주입되는 미생물의 농도손실을 최소화 하며 전극과 미생물의 반응 면적으로 최대한 높이고, 채널내부로의 산소침투를 극소화시킴으로써 전력밀도, 전류밀도를 향상시키는 마이크로유체 미생물 연료전지를 제안한다. 본 연구에서 제작된 연료전지의 전기화학반응 유무와 용액 내의산소를 제거하기 위해 첨가되는 L-cysteine의 영향을 알아보기 위해 순환전류법(Cyclic-voltammetry)와 시간대전류법(Choronoamperometry)를 이용하여 측정하고 판단하였다. 그 다음으로 미생물이 연료전지 내에 접종하는 시간에 따라 전류를 발생하기 까지 걸리는 시간과 발생 전류량의 조건을 구하기 위해 시간대전류법 측정을 통해 가장 좋은 조건을 구하였다. 그리고 구해진 접종 시간 조건을 기반으로 주입되는 유체의 유량이 성능에 어떤 영향을 미치는지 측정하기 위해 유량 조건을 5가지로 나누고, 각각에 대해 시간대전류법, 선형주사법(Linear sweep), 전기화학 임피던스 분광(Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS)으로 측정하여 성능을 비교 하였다. 마지막으로 앞의 두 실험에서 나온 결과와 선행 연구들을 토대로 제작한 연료전지와의 비교를 통해 본 연구의 우수성을 입증하였다.