패브릭 기반 층류형 광합성 미생물 연료전지 개발 및 애노드 변경에 따른 성능 고찰

Abstract

최근 팬데믹으로 비대면 진료와 건강관리에 대한 관심이 증가하면서 비대면 헬스케어 기기에도 관심을 갖는 추세이다. 이에 따라 체외진단기기나 웨어러블 헬스케어 기기의 시장 규모는 매년 증가하고 있다. 동일한 성능을 보이면서 기기의 소형화를 추구하는 경향이 뚜렷하며, 이러한 기기들의 동력원으로 바이오 연료전지가 개발되고 있다. 본 연구는 광합성 미생물을 활용한 연료전지의 개발을 목적으로 한다. 연구실의 선행 연구에서 미생물 연료전지는 슈와넬라를 사용하였다. 슈와넬라는 미생물 연료전지에 사용될 경우 높은 성능을 보이지만 지속시간이 짧고 전자 발생용 유기물의 지속적인 공급을 필요로 한다. 반면 광합성 미생물은 오랜 지속시간과 빛을 활용한 광합성 작용으로 전자를 발생시키기 때문에 별도로 유기물 공급을 필요로 하지 않는다. 또한 빛이 없는 환경에서도 세포 대사 작용인 호흡을 통해 전자 발생이 가능하다. 다만 광합성 미생물 연료전지는 다른 미생물 연료전지와 비교해 성능이 떨어진다는 단점을 가진다. 본 연구에서는 MnO2와 금 나노 입자를 활용해 광합성 미생물의 단점을 보완하고자 하였다. 본 연구에서 광합성 미생물 연료전지는 패브릭을 기반으로 제작되어 기존 종이 기반 연료전지의 내구성이 약하고 유연성이 없는 문제를 극복하였다. 패브릭은 다공성 물질로 모세관 현상을 활용한 self-pumping으로 지속적인 연료공급이 가능하다. 전해질막을 사용하지 않고 Anolyte와 catholyte가 흐르며 생기는 액체 사이의 계면이 그 역할을 대신함으로써 비용절감 효과를 갖는다. 연료전지 채널 제작에는 패브릭의 유연성을 유지하기 위해 인체에 무해하며 유연한 재료인 Eco Flex를 사용해 silk screen printing 방식으로 패브릭 위에 도포하였다. 전극은 screen printing 방식으로 PEDOT:PSS를 먼저 도포한 뒤 MWCNT, SWCNT, MnO2를 혼합하여 PEDOT:PSS 위에 도포하였다. 전극 도포를 완료하고 anode 위에 미생물을 접종하였다. 실험은 Anode에서 MnO2와 금 나노 입자의 유무에 따라 총 4가지 타입으로 나누어 진행하였다. Chronoamperometry, Chronopotentiometry, Cyclic Voltammetry Linear sweep voltammetry, Electrochemical Impedance Spectroscopy(EIS)를 사용하여 연료전지의 성능을 분석하고 지속시간을 측정한다.