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- 포도당 연료 전지에 대한 아이디어 실험은 1960년대로 거슬러 올라간다.
- 전해질로서 세라믹 이산화세륨, 두께가 370나노미터에 불과
- 두 개의 백금 전극으로 구성, 웨이퍼처럼 얇은 세라믹 이산화세륨(CeO2) 층으로 분리
- 마이크로 임플란트용으로 충분한 전압

포도당으로 작동하는 미니 연료 전지
마이크로시스템은 내인성 당*을 사용해 의료용 임플란트에 전기를 공급한다.
(* 내인성 당은 과일이나 꿀 같은 당, 외인성 당은 설탕처럼 정제된 당)

초소형 전기 공급 장치:
미래에 의료용 임플란트는 배터리 대신 신체에서 생성된 전기로 작동할 수 있다. 연구원들이 신체 자체의 포도당을 분해하여 필요한 전기를 생산하는 미니 연료 전지를 개발했다. 웨이퍼 두께의 세라믹 전해질과 백금 전극 덕분에 두께가 400나노미터(nm)에 불과한 포도당 연료 전지는 문제없이 멸균될 수 있으며 생체 적합성이 있다고 연구팀은 보고했다.

▲ 이 실리콘 칩에는 포도당에서 전기를 생성하는 30개의 작은 마이크로 연료 전지가 있다. © Kent Dayton/ MIT

통증 완화 또는 심부 뇌 자극을 위한 센서, 심박 조율기 또는 전극과 같은 의료용 임플란트에는 가능한 한 작은 안정적인 전원이 필요하다. 지금까지 일반적인 임플란트는 리튬 이온 배터리에서 실행되었지만 이러한 배터리는 임의로 줄일 수 없다. 따라서 과학자들은 다른 방식으로 전기를 생성하는 방법을 찾고 있다. 예를 들어 심장의 움직임에서 마찰 전기를 사용하는 방법이다. 그러나 이것은 움직이는 기관에서만 가능하다.

에너지 공급자로서의 내인성 포도당

MIT(Massachusetts Institute of Technology)의 필립 사이몬스(Philipp Simons)와 그의 동료들은 이제 또 다른 솔루션을 개발했다. 그들은 신체의 당을 전기로 변환하는 포도당 연료 전지를 개발했다. 포도당은 신체의 모든 곳에 존재하므로 쉽게 사용할 수 있는 에너지를 전기화학적으로 사용하는 것이 합리적이라고 Simons는 말했다. 포도당 연료 전지에 대한 아이디어는 새로운 것이 아니며 실험은 1960년대로 거슬러 올라간다.

▲ 임플란트 기술과 이식 가능한 전원 개발의 기술-역사적 타임라인. 이식 가능한 장치와 그 전원은 1960년대부터 서로 영향을 미쳤다. 현재까지 시장 단계에 있는 가장 확립된 장치의 지배적인 이식 가능한 전원은 1971년에 발명된 Li-I2 심박 조율기 배터리이다. 임플란트 기술의 최근 동향에는 소형화 및 신경 인터페이스 증가가 포함돼 있어 고도로 소형화되고 장기적이고 안정적인 이식 가능한 전원이 있다. 마찰 전기 및 압전 나노 발전기와 같은 새로운 전원은 효율적인 에너지 수확과 온칩 통합을 결합하여 새롭고 소형화된 이식 가능한 장치의 요구 사항을 충족하는 것을 목표로 한다.(출처: 관련논문 Fig. A Ceramic-Electrolyte Glucose Fuel Cell for Implantable Electronics / Advanced Materials)

이전 접근법은 전해질 층으로 폴리머를 사용했다. 그러나 폴리머들은 열에 민감하기 때문에 살균이 어려웠다. 또한 일반적인 임플란트의 실리콘 칩과 연결하기 어려워 조기에 리튬이온 배터리로 대체됐다. "최근 생체 전자공학의 소형화 추진으로 인해 더 높은 에너지 밀도를 가진 이식 가능한 전원에 대한 필요성이 생겼다"라고 연구자들은 설명했다.

▲ 포도당 연료 전지, 칩 및 개별 장치의 개략도. a) 다공성 Pt 양극/CeO2 전해질/조밀한 Pt 음극의 독립형 멤브레인을 기반으로 하는 세라믹 포도당 연료 전지의 개략도. b) 30개의 개별 포도당 연료 전지 장치를 포함하는 연료 전지 칩의 광학 사진. c) 개별 독립형 세리아 막의 광학 현미경 이미지.(출처: 관련논문)

전해질로서의 세라믹 이산화세륨

따라서 팀은 폴리머 대신 세라믹 전해질을 사용하는 새로운 버전의 포도당 연료 전지를 개발했다. 두께가 370나노미터에 불과한 이 앙상블은 백금으로 만들어진 두 개의 전극으로 구성돼 있으며 웨이퍼처럼 얇은 세라믹 이산화세륨(CeO2) 층으로 분리됐다. 이 물질은 단단하고 생체 적합성 및 양성자 투과성이 높기 때문에 이미 일반 수소 연료 전지에 사용되고 있다.

이 연료 전지는 체액에 존재하는 포도당으로부터 전기를 생성한다. 이것은 양극에서 글루콘산으로 전환되어 한 쌍의 양성자와 한 쌍의 전자를 방출한다. 전해질은 연료 전지를 통해 양성자를 음극으로 전도하고 공기와 결합해 물 분자를 형성한다. 방출된 전자는 전자 임플란트에 전원을 공급하는 데 사용할 수 있는 외부 회로로 전환된다.

▲ 세라믹 포도당 연료 전지의 개략도 및 구성 요소의 SEM 분석. a,b) 양성자 전도성 전해질로서의 독립형 세리아 막, 다공성 Pt 양극 및 조밀한 Pt 음극으로 구성된 세라믹 포도당 연료 전지의 개략도. b) 세리아 전해질의 두 가지 다른 미세 구조, 즉 조밀한 원주형 미세 구조(왼쪽)와 콜리플라워 모양의 거친 미세 구조(오른쪽)가 사용되었다. c) 평면도 및 d) 조밀한 세리아 전해질 미세구조의 단면도 SEM 이미지. e) 평면도 및 f) 거친 세리아 전해질 미세구조의 횡단면도 SEM 이미지. g, h) 다공성 Pt 양극의 다양한 배율의 SEM 이미지. i,j) 두께가 370 nm이고 다공성 Pt 양극(상단), 거친 세리아 세라믹 양성자 전도성 전해질(가운데) 및 조밀한 Pt 음극으로 구성된 전체 포도당 연료 전지의 다양한 배율에서 단면 SEM 이미지 (맨 아래).

마이크로 임플란트용으로 충분한 전압

첫 번째 테스트를 위해 Simons와 그의 동료들은 5개의 실리콘 칩에 분포된 약 300마이크로미터 너비의 연료 전지 장치 150개로 테스트 시스템을 제작했다. 그런 다음 그들은 각 웨이퍼에 포도당 용액을 흐르게 하고 시스템에서 생성된 전압을 측정했다.

▲ c) 스프링이 장착된 바늘과 플러그 보드를 통해 30개의 개별 포도당 연료 전지 장치를 신속하게 스크리닝할 수 있는 테스트 설정. e) 이전에 보고된 고분자 전해질 기반 포도당 연료 전지와 이 연구, 즉 세라믹 전해질 포도당 연료 전지의 비교: 연료 전지 두께의 함수로서의 전력 밀도. 세라믹 포도당 연료전지는 기존의 비생물적 포도당 연료전지보다 3배 더 높은 소형화와 높은 출력밀도를 보인다.

결과:
작은 박막 연료 전지는 약 35밀리볼트(mV)의 평균 전압을 생성했다. 에너지 밀도는 제곱센티미터당 거의 12마이크로와트(μW)였으며 최대값은 제곱센티미터당 43마이크로와트에 이르렀다.
"따라서 시스템은 소형화된 장치와 관련된 가치를 달성한다"며 "세라믹 마이크로 포도당 연료 전지는 현재까지 잠재적으로 이식 가능한 가장 작은 전원이므로 새롭고 고도로 소형화된 임플란트를 가능하게 할 수 있다"라고 연구팀은 말했다.
(Advanced Materials, 2022; doi: 10.1002/adma.202109075)
출처: MIT, TU Munich

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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