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- 프로토타입은 12분 동안 0.65볼트 및 48㎂(마이크로암페어)를 공급
- 식용 배터리는 생체적합성 전자 장치에 대한 새로운 가능성을 열어

식용 배터리 개발
배터리는 비타민, 스시 해초, 활성탄, 금박 및 밀랍으로 구성돼

먹기 위한 전기 공급 장치:
연구원들은 처음으로 식용 배터리를 설계했다. 배터리는 음식과 기타 식용 구성 요소로만 구성된다. 첫 번째 테스트에서 프로토타입은 12분 동안 0.65볼트 및 48㎂(마이크로암페어)를 제공했다. 예를 들어 이것은 삼킬 수 있는 작은 센서를 작동하는 데 충분하다. 팀은 주로 의학뿐만 아니라 식품 산업에서도 이러한 식용 배터리에 대한 응용 프로그램을 보고 있다. 

▲ 식이 보조제, 활성탄, 스시 해초 및 약간의 금박 - 이들은 식용 전지의 주요 성분이다. © IIT - Istituto Italiano di Tecnologia

지금까지 리튬 이온 배터리는 모바일 애플리케이션의 가장 일반적인 전원 공급 장치였다. 그러나 과학자들은 한동안 특히 소형 장치에 대해, 보다 환경친화적이고 저렴하며 생체적합성이 더 높은 대안을 찾고 있었다. 첫 번째 예는 생분해성 종이 배터리 또는 분해 가능한 슈퍼커패시터다. 연구원들은 이미 자체 분해 스마트워치도 제작했다.

먹을 수 있는 재료로 만든 배터리

Milan Polytechnic의 Ivan Ilic과 그의 동료들이 개발한 배터리는 한 단계 더 나아갔다. 그들의 배터리는 식용 성분으로만 구성되어 있기 때문이다. 연구진은 “우리 배터리에 사용되는 재료는 모두 우리 인간이 하루에 100mg 이상 대량으로 쉽게 섭취할 수 있는 일반 식품이나 식품첨가물”이라고 말했다.

이러한 식용 배터리는 예를 들어 이미 소화관 검사에 사용되는 섭취 가능한 의료 센서 및 카메라에 전원을 공급하는 데 유용할 것이다. 지금까지 이러한 소형 전자 장치에는 소화되지 않는 구성 요소와 잠재적으로 독성이 있는 배터리 구성 요소가 포함되어 있어 폐기해야 하며 사용을 의학적으로 면밀히 모니터링해야 한다. 그러나 식용 배터리를 포함하는 식용 전자 장치는 그러한 조사를 훨씬 더 쉽게 만들 것이다.

▲ 배터리 성분 목록은 음식 항목에서 가져올 수도 있다. © Ilic et al./Advanced Materials, CC-by 4.0

배터리의 구조

구체적으로 식용 전지는 다음과 같이 만들어졌다. 양극은 천연 비타민 리보플라빈으로 구성된다. "리보플라빈은 천연 산화환원 보조인자이며 많은 식이 보조제에 비타민 B2로 포함되어 있다"고 Ilic과 그의 동료들은 설명했다. 그들은 많은 식물에서 발견되는 폴리페놀인 케르세틴을 배터리의 음극으로 선택했다. 이 식물성 영양소는 산성 환경에서 활성 산화 환원 전위를 나타내는 카테콜 화학 그룹을 포함한다. 두 전극 재료는 전도성을 높이기 위해 활성탄과 혼합된다.

황산수소나트륨(NaHSO4) 수용액은 배터리 전해질 역할을 한다. 이 식용 소금은 용해될 때 약산성이며 양성자 형태로 전하를 운반할 수 있다고 과학자들은 설명했다. 배터리 분리기는 초밥에 사용되는 김과 같은 종류의 김으로 만들어진다. 셀룰로오스는 지지 구조로, 밀랍은 케이싱으로 사용되었으며 연구팀은 전자 접점에 식용 금박을 사용했다.
"완성된 배터리는 완전히 먹을 수 있으며 셀의 모든 성분은 권장 최대 일일 복용량보다 훨씬 적다"고 Ilic과 그의 동료는 강조했다.

▲ 직렬로 연결된 2개의 충전식 배터리는 LED에 전류를 공급한다. © Ilic et al./Advanced Materials, CC-by 4.0

다재다능한 전원 공급 장치

이 식용 배터리의 초기 테스트에서는 크기가 약 1제곱 센티미터인 셀이 약 12분 동안 0.65볼트에서 약 48마이크로암페어를 전달할 수 있음을 보여주었다. 직렬로 연결된 두 개의 배터리는 예를 들어 LED를 켜기에 충분한 전기를 생성한다. "우리의 식용 배터리 팩은 전기 자동차에 전원을 공급할 수 없지만, 현재의 리튬 이온 배터리보다 더 안전한 재료로 배터리를 만들 수 있다는 증거다"고 Ilic은 말했다.

과학자들에 따르면 식용 배터리는 생체적합성 전자 장치에 대한 새로운 가능성을 열어준다. Ilic과 그의 팀은 "우리의 개념 증명은 의료 진단 및 치료를 더 안전하고 사용하기 쉽게 만들 수 있을 뿐만 아니라 식품 모니터링을 위한 미개척 방법을 가능하게 할 수 있다"고 말했다. 식용 전지는 일반 전지와 달리 삼켜도 건강에 해롭지 않기 때문에 어린이 장난감에도 사용할 수 있다.

최적화가 이미 진행 중이다.

그러나 삼킬 수 있는 의료 센서 및 카메라에 사용하려면 식용 배터리의 크기와 케이스를 최적화해야 한다. 연구원들은 다음과 같이 인정한다. “일반적으로 사용되는 배터리인 소프트 파우치 셀과 유사하게 개발될 것이다”라고 그들은 기술했다. 이러한 더 작고 더 유연한 배터리는 이미 작업 중이다.

(Advanced Materials, 2023; doi: 10.1002/adma.202211400)

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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