[무독성·생분해 가능한 생체적합 나노발전소자 개발]

가정마다 냉장고 한쪽에 꼭 자리하고 있는 친근한 식자재인 달걀의 껍데기와 거센 바람과 폭우에도 쉽게 끊어지지 않는 탄력 좋은 거미줄을 이용해 전기를 생산할 수 있게 된다. 국내 연구팀이 거미줄 섬유와 달걀껍질의 단백질을 이용해 친환경 압전소자를 제작하는 데 성공했다.

화학공학과 블록공중합체 자기조립연구단 김진곤 교수, 산딥 마이티(Sandip Maity) 박사 연구팀은 인도 카락푸르공대(Indian Institute of Technology Kharaqpur) 카투아(Khatua) 교수 연구팀은 공동연구를 통해 생분해성 천연 재료인 달걀껍질, 거미줄을 사용해 생체적합성 나노발전소자를 개발했다. 이 연구는 압전 및 정전기 발전 소자의 전력 효율을 높였고, 이를 바탕으로 생체 적합성 재료로 인체 모니터링 센서도 개발했다. 이 연구는 에너지 분야 권위지인 어드밴스 에너지 머터리얼스(Advanced Energy Materials)지 3월 6일 자 표지 논문(front cover)으로 발표됐다.

걷거나 뛸 때 발바닥이 바닥을 누르면 생기는 에너지, 우리 몸의 체열, 손으로 가볍게 누르는 힘까지, 그냥 버려지는 이 모든 에너지를 전기로 바꿔 쓰는 기술이 에너지 하베스팅(energy harvesting)이다. 이 기술이 상용화된다면 간단한 소자를 부착해 걸어가면서 혹은 자판을 두드리는 에너지로 휴대전화를 충전할 수 있는 등 전자기기의 사용 효율이 획기적으로 높아지게 된다.

하지만 생체의학 디바이스처럼 사람의 몸에 직접 붙이거나 생체 내에서 사용되는 디바이스에는 효율이 높고 생체 적합한 발전 소자가 꼭 필요하다. 기존에 사용되었던 유기·무기 물질은 생분해성이 아니었고, 비용도 비싸고 독성을 갖고 있어서 생체에 적합하지 않다는 한계가 있었다. 많은 양의 전자폐기물로 인한 환경 오염도 문제였다.

연구팀은 이런 문제를 해결하기 위해 일상생활에서 볼 수 있는 생분해 가능하고 생체 적합한 자연 재료에 주목했다. 이렇게 선택된 재료가 달걀 껍질과 거미줄 섬유였고 이곳에서 얻을 수 있는 단백질과 다당류를 사용해 압전소자를 제작할 수 있었다. 특히 거미줄은 줄 형태의 특성상 수직 방향의 힘뿐만 아니라 구부리는 힘, 인장력으로도 전기 생산이 가능했다. 또 전자재료 폐기물 문제를 해결하는 데도 도움이 될 것으로 예상된다. 이 연구팀은 셀룰로스 섬유질은 양파껍질에 대한 압전 효과를 발표하기도 했다.

김진곤 교수는 “이번 연구성과는 풍부하고 다양한 자연 재료 자체로 전기를 생산할 수 있는 발전 소자를 개발했다는 것에 의의가 있다”라며 “인체 모니터링 센서와 같은 차세대 생체의학 디바이스 개발의 기반이 될 것”이라며 기대감을 밝혔다.

한편 이 연구성과는 ‘창의적 연구진흥 사업’의 지원 아래 수행되었다.