지난, 19일부터 23일까지 미국 보스턴에서 열린 제256차 미국화학회(ACS) 연례학술대회 및 전시회에서 뉴욕주립 빙엄턴대의 한인과학자인 최석흔 부교수(생물전자공학 및 마이크로시스템 연구실)가 종이로 제작되고 박테리아로 구동되는 새로운 형태의 전지를 발표했다.

미국화학회는 세계 최대의 과학 학술 단체로, 이번 연례 학술대회에서만 1만 개가 넘는 과학 분야의 연구 결과가 쏟아져 나왔다.

최교수와 뉴욕주립 빙엄턴대 동료연구팀은 과거 주변 환경에서 오염물질을 검출할 뿐 아니라 값싸고 편리하게 질병과 건강상태를 진단할 수 있는, 종이 기반의 일회용 바이오센서들을 개발한 경험을 바탕으로 박테리아로 구동되는 값싼 종이 전지 개발을 구상했다.

최교수는 “종이는 바이오센서 재료로서 독특한 이점을 가지고 있다”며, “저렴하고 일회용으로도 쓸 수 있고, 유연하고 넓은 표면적을 지닌다”고 말했다.

연구팀은 종이 표면에 금속과 다른 재료로 만든 얇은 층을 인쇄한 종이 배터리를 만들었다. 

그런 다음 종이 위에 동결 건조된 ‘엑소일렉트로겐(exoelectrogens)’을 입혔다. 엑소일렉트로겐이란 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.

연구팀은 배터리를 활성화시키기 위해 물이나 타액을 추가해 봤다. 그러자 2분 안에 용액이 박테리아에 활기를 불어넣어 발광 다이오드와 계산기에 전원을 공급할 수 있을 만큼의 전자를 생산해 냈다.

연구팀은 또한 산소가 이 장치에 어떤 영향을 미치는지를 조사했다. 종이를 쉽게 통과할 수 있는 산소는 박테리아가 만든 전자가 전극에 도달하기 전에 이를 흡수할 수 있다.

연구팀은 산소가 비록 전력 생산을 약간 감소시켰으나 그 효과는 미미하다는 사실을 알아냈다. 이것은 박테리아 세포들이 종이의 섬유질에 단단하게 붙어있어 산소가 중간에서 전자를 가로채기 전에 신속하게 전달되기 때문이다.

한번 사용하고 버리는 종이 배터리는 현재 4개월 정도의 수명을 지니고 있다. 최교수는 전지의 유효기간을 늘리기 위해 동결 건조 박테리아의 생존과 성능을 향상시킬 수 있는 조건에 대해 연구하고 있다.

최교수는 “모든 실제 응용물에 쓰이기 위해서는 전지의 전력 성능을 1000배 정도 향상시킬 필요가 있다”고 말하고, 이는 여러 개의 종이 배터리를 쌓아 연결시킴으로써 가능할 것이라고 덧붙였다.

최교수는 이 종이 배터리에 대한 특허를 신청하고, 상용화를 위해 업계 파트너를 찾고 있다.