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- 장융모 형태의 전극, 평면 전극 대비 8.3배 높은 출력 밀도 달성
- 현재까지는 인공 영양액을 사용한 상태에서만 시험돼

장(腸 Darm)을 모방한 바이오 배터리, 폐수에서 전기를 생산하다.

박테리아는 유기물을 전기 에너지로 변환할 수 있지만, 기존의 바이오 배터리는 이 잠재력을 제한적으로만 활용해 왔다. 장융모(Darmzotten) 형태로 제작된 전극은 실험실 테스트에서 동일한 부피의 평면 비교 전극보다 8.3배 높은 출력 밀도를 기록했다. 유연한 프로토타입 역시 모사된 폐수관 안에서 작동했으나, 현재까지는 인공 영양액을 사용한 상태에서만 시험되었다. 

▲ 인공 장 융모는 전기를 생성하는 박테리아에게 더 넓은 표면적을 제공하고 영양 공급을 개선하는 것을 목표로 한다. 이를 통해 미생물 바이오 배터리의 잠재력을 더욱 효과적으로 활용할 수 있다. © Binghamton University

빙햄턴 대학교의 연구팀은 장내 미생물이 유기물을 분해하며 방출하는 전자를 적절한 전극을 통해 수집하여 소형 센서 등에 전력을 공급하는 방안을 연구해 왔다. 그러나 플랫한 표면은 미생물이 자랄 공간이 부족하고, 너무 다공성인 소재는 자라나는 바이오필름으로 인해 막히기 쉬워 영양분 공급과 노폐물 배출이 어려워지는 문제가 있었다. 연구팀은 인간 소장 표면을 넓히는 손가락 모양의 미세한 돌기인 장융모의 구조에서 해답을 찾았다.

박테리아의 서식지가 되는 전도성 융모

연구팀은 유연하고 전기가 통하는 하이드로겔을 사용해 인공 장융모를 제작했다. 이 수성 고분자 소재는 환원된 산화 그래핀 등을 포함하여 촘촘하게 배열된 손가락 모양의 기둥을 형성하며, 미생물에게 고정 장소, 수분, 그리고 원활한 영양 공급 경로를 동시에 제공한다.

연구팀은 하이드로겔 내부에 바실러스 서틸리스(Bacillus subtilis) 박테리아의 휴면 포자를 심었다. 영양액이 공급되면 이 포자들은 발아하여 대사 활동이 활발한 세포로 변한다. 이렇게 미생물이 정착한 융모는 바이오 배터리의 양극(Anode) 역할을 하며, 이온 교환막이 개조된 탄소 섬유로 만들어진 두 번째 전극과 분리한다.

부피 대비 8배 이상의 성능

공간 대비 전력 수율 측면에서 장융모 구조는 동일 부피의 평면 전극 대비 8.3배 높은 체적 출력 밀도를 달성했다. 성능은 입방센티미터(cm^3)당 8.04 마이크로와트에서 66.45 마이크로와트로 증가했다.

24가지의 다양한 디자인을 테스트한 결과, 최적화된 단일 하이드로겔 융모 기둥 하나가 8.35 마이크로와트의 전력을 생산할 수 있음을 확인했다. 연속적인 영양액 공급 조건에서 이 장치는 적어도 14시간 동안 약 0.75볼트의 전압을 유지했다. LED 소자나 마이크로센서 같은 저전력 용도에는 흥미로울 수 있으나, 절대적인 전력량 자체는 여전히 낮은 편이다.

▲ 인간 장 융모를 본뜬 바이오 배터리가 미래에는 하수관에 설치되어 전기를 생산할 수 있을 것이다. © Binghamton University

폐수 적용 가능성과 향후 과제

추가 테스트에서 연구팀은 유연한 융모 필드를 모사된 파이프라인 내부에 고정했다. 구부러진 상태에서도 영양분과 접촉했을 때 전기를 생성했으며, 폐수의 영양 및 전해질 구성을 모방한 액체에서 테스트되었다(실제 폐수는 아님).

장기적으로 이러한 전극은 하수관 내부의 소형 측정 기기에 전력을 공급하는 데 사용될 수 있다. 연구를 이끈 최석헌(Seokheun Choi) 교수는 이 배터리가 파이프 주변 환경에 쉽게 적응하고 폐기물을 영양분으로 활용해 전기를 생산할 수 있다고 설명했다.

다만 실제 폐수 환경에서 장기적으로 안정적으로 작동하는지, 경제적으로 대량 생산이 가능한지는 앞으로의 실험을 통해 검증해야 한다. 연구팀은 향후 확장 가능한 인쇄 공정으로 제조 과정을 단순화하고, 미생물을 보호하고 유지하는 자연 점액층 등의 생리·화학적 특성까지 완벽히 모방하는 연구를 이어갈 계획이다.

출처:
· 학술지 Small에 발표된 원논문 (doi: 10.1002/smll.76091)
· 빙햄턴 대학교 공식 연구 발표 자료

[더사이언스플러스 / 문광주 기자 helloscienceplus@gmail.com]

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