텍스타일 기반 공동층류형 단층 하이브리드 미생물-효소 태양전지 개발

Abstract

코로나바이러스（COVID-19)의 발생으로 소비자들은 자신의 건강과 관련된 제품에 더 많은 관심을 갖게 되었고 스마트 시계, 스마트 심전도 의류와 같은 웨어러블 바이탈 사인 모니터링 장치는 원격 진단 및 치료와 솔루션을 제공할 수 있다. 전염병 이후 시대에 웨어러블 의료 기기는 새로운 의료 트렌드가 되었고, 의료 및 건강에 대한 관심이 높아지면서 시장 규모가 커지고 업계의 발전이 가속화되었다. 동시에 "탄소 피크 및 탄소 중립"을 배경으로 에너지 위기 및 환경오염 문제를 해결하기 위한 새롭고 지속 가능한 에너지 기술 개발이 점차 사람들의 관심 대상이 되었다. 효율적인 재생 에너지 기술인 미생물 태양 전지가 빠르게 개발되었다. 에너지 전환 효율이 높아 광합성으로 생성된 에너지를 전기로 전환할 수 있다. 기존 배터리에 대한 의존도를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 환경에 미치는 영향도 줄일 수 있다. 동시에 미생물 태양 전지의 고효율은 웨어러블 의료 기기의 장기 사용 요구를 충족시키기 위해 지속적인 에너지 공급을 제공할 수 있다. 미생물 태양전지는 미생물의 광합성을 이용해 전기를 생산하는 장치다. 그 원리는 미생물을 이용하여 빛 조건에서 광합성을 하고, 빛 에너지를 화학 에너지로 변환하고, 전자전달계를 통해 전자 흐름을 생성하고, 최종적으로 전자 흐름을 전기 에너지로 변환하는 것이다. 그리고 변환 효율은 일반적으로 2-10% 사이이며 기존의 태양광전지보다 에너지 변환 효율이 더 높다. 그리고 미생물 태양 전지의 생산 공정은 유해 물질을 생성하지 않기 때문에 환경오염이 없으며 필요에 따라 다양한 모양과 크기로 생산할 수 있어 다양한 시나리오에 적용할 수 있다. 요약하면, 미생물 태양전지는 고효율 에너지 변환, 재생 가능성, 지속 가능성, 환경 보호 및 가소성과 같은 장점으로 인해 광범위한 응용 전망을 가진 유망한 에너지 기술이다. [1] 지금까지 개발된 미생물 전지 중 종이 기판으로 만든 미생물 태양전지는 내구성이 낮은 문제가 여전히 존재한다. 양성자 교환막(PEM, Proton Exchange Membrane)을 이용한 미생물 태양전지는 고가일 뿐만 아니라 전지의 형상에 대한 고정적인 요구가 있어 필요에 따라 자유롭게 모양을 바꾸기 어렵다. 본 연구는 미생물 태양전지의 저비용, 유연성, 내구성 등의 특성을 유지하면서 발전 효율을 향상시키는 것을 목표로 한다. 따라서 본 연구에서는 미생물 태양연료전지의 유연성과 내구성을 향상시키기 위한 기반으로 섬유를 선정하였다. 그리고 미생물의 공생배양을 통해 전지 제조공정에 필요한 복잡한 단계와 장비가 줄어들고 미생물 태양전지의 제조원가가 낮아진다. 미생물 태양 전지의 미생물 수와 유형을 증가시켜 세포의 자가 수리 및 재생 능력을 향상시키고 세포의 수명을 연장한다. 미생물을 공생배양함으로써 미생물 태양전지 내 미생물의 항산화 능력을 향상시켜 운전 중 전지의 손실 및 고장을 줄일 수 있다. 또한 미생물 태양전지에서 미생물의 광합성 효율을 향상시켜 전지의 발전 효율을 높일 수 있다. 본 연구는 Screen printing 기술을 이용하여 섬유에 유로와 전극을 단일층으로 구성한 후, 양극에 세 가지 다층 미생물을 추가하여 제작했다. 이후, 전극과 미생물의 다양한 조합을 평가하여 최적의 조합을 찾았다. 그리고 내구성을 검증하기 위해 Flexible 테스트를 수행하여, 종이 전지보다 높은 내구성을 확인할 수 있었다.