▲ 스포츠의류 기반의 바이오 연료전지 개요도 / 개발된 바이오 연료전지는 땀에 있는 포도당을 원료로 하여 전기에너지로 전환 할 수 있다. 연료전지의 구성은 글루코즈 산화효소 Glucose oxidase (GOD)가 코팅된 카본섬유(carbon cloth)를 산화 전극으로 Prussian Blue 나노입자와 Multi wall carbon nanotube가 기능화된 카본섬유를 환원 전극으로 활용하였으며, 빠른 모세관 유동과 증발에 의해 자동적으로 효율적인 연료(땀) 공급을 할 수 있도록 스포츠 섬유 기반의 연료 공급 채널이 양 전극 사이에 집적화되어 있다. / 제공 : 서강대학교 박정열 교수  © 특허뉴스

웨어러블 디바이스는 건강상태 모니터링, 엔터테인먼트, 정보교환 및 금융 거래 등 다양한 분야에 적용되었거나 확대될 예정이며, 학계뿐만 아니라 산업계에서 차세대 웨어러블 디바이스에 대해 집중적으로 연구하고 있다.

웨어러블 디바이스는 다양한 장치 구성요소(예: 센서, 마이크로 컨트롤러 또는 통신 시스템)를 통해 여러 복잡한 작업을 수행할 수 있는 고성능 웨어러블 장치로 발전하고 있으며, 이를 위해서는 지속적으로 사용가능하고 장기간 작동할 수 있는 에너지원과의 집적화가 필수적이다.

이러한 점에서 볼 때 인체 내 생체에너지를 활용한 에너지 발생장치의 개발은 차세대 웨어러블 기기 개발에 있어서 핵심적인 요소이다.

웨어러블 기기에 사용되는 에너지원은 착용의 용이함을 위해 크기, 무게 및 기계적 특성에 있어서 결정적인 한계가 있을 수밖에 없다. 예를 들어, 피부 착용 에너지원은 인체에 잘 밀착되고, 반복적인 스트레스에 견딜 수 있도록 유연성과 신축성이 있어야 한다. 그러나 기존의 에너지 저장 장치 및 수확 장치는 부피가 크고 무겁고 단단해 신체에 대한 착용성이 떨어져서 웨어러블 기기에 응용하는 데에 큰 어려움이 있다.

따라서 이를 해결하기 위해서는 착용 가능한 유연성 있는 소재 기반으로 생체 에너지를 지속적이면서 효율적으로 전환할 수 있는 에너지 발생장치의 개발이 요구된다. 이러한 측면에서 인체에서 분비되는 체액(예: 눈물, 땀 또는 오줌)을 이용하여 전기에너지를 생산할 수 있는 유연성과 신축성 있는 섬유기반 바이오 연료전지(biofuel cell)가 해결책이 될 수 있다.

이러한 시기, 몸에서 분비되는 땀으로 지속적으로 전기에너지를 만드는 스포츠 섬유 기반의 바이오 연료전지가 소개됐다.

흡한속건 소재로 된 의류에 접목, 땀으로 구동되는 전자 디바이스 또는 비침습적 혈당 센서 등을 구현하기 위한 실마리가 될 것으로 기대된다.

한국연구재단은 서강대학교 기계공학과 박정열 교수와 숙명여자대학교 의류학과 김혜림 교수 공동연구팀이 땀 흡수와 건조가 빠른 스포츠 섬유소재를 기반으로 땀에 함유된 포도당을 전기에너지로 전환하는 방법을 개발했다고 3일 밝혔다.

앞서 언급한 바와 같이 의료, 엔터테인먼트, 금융 등 여러 분야에서 웨어러블 디바이스에 대한 수요가 늘어나는 가운데 웨어러블 디바이스에 적합한 작고 유연하고 가벼운 에너지 공급원이 필요하다. 특히 착용성과 유연성 측면에서 뛰어난 섬유를 활용하려는 시도가 있었으나, 전기화학적 성능 향상을 위한 전극소재 연구가 주로 이뤄졌다.

반면 연구팀은 연료전지의 모든 구성요소를 섬유로 전환하고, 직물 내 마이크로 채널의 형상을 모세관 유동과 증발속도를 제어할 수 있도록 설계, 지속적으로 땀이 공급될 수 있도록 했다.

흡한속건 소재의 모세관 유동에 의해 땀이 공급되면 땀에 들어 있는 글루코스가 산화전극의 효소에 의해 산화되어 전자를 만들고, 이 때 함께 생성된 과산화수소가 환원전극의 기능성 나노입자와 반응해 전기를 만드는 원리를 이용했다.

▲ 벤드 및 의복 형태로 개발된 웨어러블 바이오 연료전지 / 바이오 연료전지를 멀티셀 형태로 제작하여 팔에 찰 수 있는 벤드 및 의복 형태로 제작 할 수 있으며, 이를 사용자가 착용하고 운동하였을 때 발생하는 땀으로 별도의 추가적인 증폭회로 없이 전자시계를 직접 구동할 수 있는 에너지가 발생됨을 시연하였다. / 제공 : 서강대학교 박정열 교수   © 특허뉴스

종이나 일반 면에 비해 흡한속건 소재는 땀 흡수 및 증발 속도가 탁월해 연료(땀) 공급이 훨씬 원활하다. 그 결과 더 오래 상당한 에너지 밀도(16.7μW/cm2)를 유지할 수 있다.

실제 이를 팔에 착용하고 빠르게 걸으면서 땀을 흘렸을 때 LCD 전자시계를 구동할 정도의 에너지를 만들어내는 것을 확인했다. 섬유 기반 연료전지 가운데 가장 높은 수준이라는 설명이다.

한편 같은 소재의 섬유라도 편성 방식에 따라 에너지 발생 효율의 차이가 나타났다. 또한 바람이 없는 환경보다 나뭇잎이 약간 움직일 정도의 실바람(0.8 m/s)에 해당하는 바람이 불면, 에너지 발생 효율이 더 높아졌다.

섬유 기반 바이오 연료전지의 성능 향상과 지속 사용 가능성을 보여준 이번 연구성과는 ‘바이오센서 앤 바이오일렉트로닉스(Biosensors&Bioelectronics)’에 9월 24일 게재되었다.