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배터리 없이 전기뱀장어처럼 전기 일으킨다

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2017년 12월 14일 03:00 프린트하기

미국 연구진이 전기뱀장어의 ‘전기생산세포’를 모방해 배터리 없이도 전기를 생산할 수 있는 투명하고 유연한 발전 시트를 개발했다. 최대 110V(볼트)의 전압을 낼 수 있어 상용 웨어러블 기기 개발의 새로운 장을 열 전망이다.

 

토머스 슈로더 미국 미시건대 화학공학과 교수팀은 애너반 구하 스위스 프리부르대 교수팀과 공동으로 부드러운 하이드로겔 소재를 이용해 전기뱀장어처럼 전기를 생산하는 전원을 개발했다고 ‘네이처’ 14일자에 발표했다.

 

네이처 제공
네이처 제공

전기뱀장어는 몸의 꼬리 쪽 근육 안쪽 전기생산세포로 이뤄진 특수 조직에서 최대 전압 600~800V, 전류 1A(암페어)의 전기를 일으킨다(위 그림 참조). 이 조직 안에는 전극 판처럼 생긴 전기생산 신경세포(뉴런)가 일정한 간격을 두고 배열돼 있고 사이 사이 빈 공간에는 체액이 흐른다. 전기생산 뉴런 안쪽의 양끝에는 특정 이온만 통과시키는 이온 채널인 나트륨(Na+) 채널과 칼륨(K+) 채널이 있다. 뉴런의 신호 자극으로 채널이 닫히거나 열리면서 안팎의 이온 농도차가 생기면 양(+)극과 음(-)극이 형성되면서 전하의 흐름(전류)이 생긴다. 이 양극과 음극 간 에너지 차이가 전위차, 즉 전압이 된다.
 

연구진은 이런 전기뱀장어의 전기생산 원리를 모방해 서로 다른 농도의 소금물(NaCl)을 번갈아 배치하는 방식으로 발전 패드를 만들었다. 3D 바이오프린터를 이용해 농도가 2.5M(몰농도)인 소금물과15mM(밀리몰농도)인 소금물, 다시 2.5M인 소금물을 일정 간격을 두고 물방울처럼 폴리아크릴아마이드 하이드로겔 형태로 얇은 플라스틱 패드 위에 인쇄했다. 고농도와 저농도 용액 사이에는 이온 채널 역할을 하는 양이온 친화 겔과 음이온 친화 겔을 인쇄해 배치했다.
 

네이처 제공
3D 바이오프린터를 이용해 하이드로겔 형태로 서로 다른 농도의 소금물을 인쇄한 발전 패드. 물방울 하나의 높이는 100㎛(마이크로미터·100만분의 1m) 수준이다. 고농도 소금물(빨간색)과 저농도 소금물(파란색) 사이의 양이온 친화 겔(초록색)과 음이온 친화 겔(노란색)을 통해 나트륨 이온(Na+)과 염소 이온(Cl-)이 선택적으로 이동하면서 전하의 흐름(전류)이 생겼다. - 네이처 제공

그 결과 양이온 친화 겔을 사이에 둔 지점에서는 고농도 용액에서 Na+만 가운데 저농도 용액으로 이동했다. 음이온 친화 겔을 사이에 둔 지점에서는 음이온인 염소(Cl-) 이온이 가운데 저농도 용액으로 이동했다. 즉, 양이온과 음이온이 각각 서로 반대 방향으로 흐르면서 전류가 생겼다. 이렇게 생긴 양극의 전위차(전압)는 130~185mV가량이었다.
 
연구진은 부피를 줄이기 위해 패드를 종이접기(오리가미) 방식으로 접어 전극 세트가 여러 겹 겹치도록 만들었다. 그 결과, 손바닥보다 작은 크기로 최대 110V의 전압을 얻는 데 성공했다.
 
슈로더 교수는 “보통 배터리와 달리 이 발전 패드는 투명하고 유연할 뿐만 아니라 생체에 거부 반응 없이 적용할 수 있는 만큼 인공심장박동기, 보철 장치 등 몸 안에서 작동해야 하는 다양한 전자기기에 응용할 수 있을 것”이라고 밝혔다.

 

연구진은 종이접기(오리가미) 방식을 이용해 전극 세트를 여러 겹 겹처 양 끝의 전위차(전압)를 최대 110V까지 높였다. - 네이처 제공
연구진은 종이접기(오리가미) 방식을 이용해 전극 세트를 여러 겹 겹처 양 끝의 전위차(전압)를 최대 110V까지 높였다. - 네이처 제공

송경은 기자

kyungeun@donga.com

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2017년 12월 14일 03:00 프린트하기

 

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