박테리아 종이 배터리는 엑소일렉트로겐(exoelectrogens)이라고 불리는 박테리아를 사용한 종이 배터리이다. 자신의 세포 바깥으로 전자를 전달하는 특별한 형태의 박테리아인데 수분이 닿으면 전자를 생성하는 활동을 한다. 생성된 전자는 세포막을 통과해 외부에 있는 전극과 접촉을 하고 전원을 공급한다. 이러한 성질을 이용해 배터리를 개발했다.
태양광이나 풍력 등 발전설비가 없고 기존 배터리 이용도 어려운 밀림지대 같은 오지에서는 전기로 작동하는 질병 진단기기를 사용하거나 온도에 민감한 백신 등을 저장하는 일은 운반성이 좋은 전원장치 없이는 어렵다. 하지만 이제 이 역할을 박테리아 종이 배터리가 할 수 있게 됐다. 그러나 배터리의 짧은 수명 문제는 여전히 보완점으로 남아 있다.
2018년 8월, 미국 보스턴에서 열리고 있는 제256차 미국화학회(ACS) 연례학술대회 및 전시회에서 뉴욕주립 빙엄턴대 한인 과학자인 최석흔 부교수가 종이로 제작되고 박테리아로 구동되는 전지를 발표했다. 출력이 낮아 낮은 전력을 요구하는 바이오센서에 응용할 수 있다. [1]
종이는 바이오센서 재료로서 독특한 이점을 가지고 있다. 저렴하고 일회용으로도 쓸 수 있고, 유연하고 넓은 표면적을 지닌다. 그러나 정교한 센서들은 전원 공급이 필요한데, 시중에서 파는 전지들은 너무 낭비적이고 비싸서 종이 기판용으로 쓸 수가 없다. 어쨌든 가장 좋은 솔루션은 종이 기반의 바이오-배터리이다.
최교수 연구팀은 이전에 주변 환경에서 오염물질을 검출할 뿐 아니라 값싸고 편리하게 질병과 건강상태를 진단할 수 있는, 종이 기반의 일회용 바이오센서들을 개발한 적이 있다.
이런 도구들은 색깔 변화에 따라 결과를 나타내나 종종 감지율이 좋지 않을 때가 있다. 감지율을 높이려면 바이오센서에 전원공급이 필요하다. 이에 따라 최교수는 이같은 일회용 도구에 쉽게 통합시킬 수 있는, 박테리아로 구동되는 값싼 종이 전지 개발을 구상했다.
연구팀은 종이 표면에 금속과 다른 재료로 만든 얇은 층을 인쇄한 종이 배터리를 만들었다. 그런 다음 종이 위에 동결 건조된 엑소일렉트로겐(exoelectrogens)을 입혔다. 엑스일레트로겐이란 자신의 세포 바깥으로 전자를 전달하는 특별한 형태의 박테리아다.
전자는 이 박테리아들이 스스로 에너지를 만들 때 생성돼 세포막을 통과해 나가게 된다. 세포막을 통과한 전자는 외부에 있는 전극과 접촉해 전지에 전원을 공급한다.
또한, 연구팀은 배터리를 활성시키기 위해 여기에 물과 타액(saliva)을 추가했는데, 그 이유는 박테리아를 빠른 시간 안에 소생시키기 위함이었다. 실험 결과, 2분 내로 소생된 박테리아는 발광 다이오드와 계산기에 전력을 공급하기 충분한 전자를 생산해냈다고 한다.[2]
과학자들이 제안한 엑소일렉트로겐이 전자를 전달하는 방법. 왼쪽부터 직접 전송, 전자 셔틀을 통한 전송, 전도성 바이오 필름을 통한 전송, 전도성 필리(Pili)를 통한 전송.
참고자료[편집]
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