‘박테리아’를 차세대 에너지저장장치로 쓴다?

우리는 흔히 박테리아와 바이러스를 세균이라고 말합니다. 박테리아와 바이러스는 단세포 생물로 대부분 무해하지만, 일부는 변종으로 바뀌어 각종 질병을 일으키는 유해한 세균으로 발전합니다. 그래서 서구의 학자들은 백여 년 전부터 세균을 연구하며 퇴치방법에 심혈을 기울여 많은 성과들을 이룩했습니다. 

그런데 이런 의학적 연구와는 달리 최근에 이 세균을 이용한 한 재미있는 학문적 연구가 과학 전문잡지에 실렸습니다. 지난 7월 31일 ‘네이처’가 발행하는 학술지 사이언티픽 리포트에 보도된 바에 따르면 박테리아가 차세대 에너지저장장치 재료로 쓰일 수 있다는 것입니다. 이런 내용의 논문을 발표한 사람은 미래창조과학부와 한국연구재단의 지원을 받은 아주대학교 에너지시스템학과의 김동완 교수팀입니다. 김 교수는 논문에서 “박테리아는 차세대 에너지저장장치 재료로 아주 적합한 대상이며, 앞으로 급속 충전이 가능하고 높은 효율과 반영구적인 수명을 자랑하는 보조 배터리 개발에도 충분히 활용될 것”이라는 내용을 발표했습니다. 한낱 미미한 세균인줄만 알았던 박테리아가 어떻게 차세대 에너지저장장치 재료로 쓰일 수 있는지 김 교수팀의 연구 내용을 살펴보겠습니다.

에너지 용어 중에 ‘슈퍼 커패시터(super capacitor)’라는 말이 있습니다. 에너지를 가볍고, 안정적으로 오랜 기간 공급하기 위해 용량을 중점적으로 강화한 축전기를 말합니다. 축전기는 두 개의 금속 전극을 일정 거리 떼어놓고 그 사이에 유전체를 넣고 전압을 걸어 전하이온층을 형성하는 원리로 만듭니다. 이 경우 전극이 손상되지 않아 수명은 거의 무한대이지만 유효면적을 늘려야하는 문제가 있습니다. 이 유효면적은 전극에 작은 구멍을 만드는 방식으로 늘리는데 얼마 전까지는 활성탄을 주로 이용해왔습니다. 

△탄소나노튜브 구조(출처: 위키피디아)

그러나 나노기술이 발전하면서 최근에는 탄소나노튜브, 금속 산화물 합성 등의 방법이 연구되어 왔는데, 이중에서 금속산화물 합성방법은 동물의 DNA 또는 바이러스 등의 생체고분자 물질을 지지체로 이용해 코발트 산화물 등의 나노분말을 합성하는 방법을 개발해 연구에 큰 진척을 이뤘습니다. 코발트 산화물은 코발트를 포함한 전이금속 산화물을 기존의 활성탄 전극보다 산화환원 반응에 의해 높은 축전용량을 띠기 때문에 흔히 전극소재로 활용됩니다. 이 방법을 사용하면 표면의 형상과 성질이 다양할 뿐 아니라 유효면적이 넓고, 상온에 가까운 상태에서 전극을 만들 수 있다는 장점이 있습니다. 하지만 이 방법은 생체고분자의 가격이 비싼데다 공정이 복잡하고, 수율이 낮다는 단점이 있습니다. 따라서 그 동안의 연구는 마이크로그램(㎍)이나 밀리그램(㎎)단위에서 이뤄졌고, 학자들에게는 이런 단점들을 극복할 해결방안을 찾아내는 것이 초미의 관심사였습니다. 

김동완 교수 연구팀은 발상의 전환으로 박테리아를 이용해 기존의 마이크로그램이나 밀리그램 단위로 합성하던 코발트 산화물 나노 분말 합성을 그램(g) 단위로 끌어올리는데 성공해 이 문제를 깔끔히 해결했습니다. 연구팀의 연구결과가 성공적이었던 것은 모두 박테리아 덕분이었습니다. 박테리아는 증식력이 왕성하고, 유전자 조작이 쉬우며 세포벽이 강력한 금속이온 흡착력을 띠고 있다는 특징이 있습니다. 연구팀은 박테리아 세포벽의 흡착력을 이용해 음전하를 띠는 세포벽과 양전하를 띠는 코발트 이온 사이에서 정전기적 인력을 이끌어낸 것입니다.

△ 김동완 교수

이렇게 연구팀이 개발한 공정은 상온과 상압의 수용액에서 이루어지기 때문에 작업이 간단할 뿐 아니라 친환경적이기까지 합니다. 또 합성된 코발트 산화물은 슈퍼 커패시터의 축전용량을 높이고 효율을 높이는 데에도 많은 기여를 할 것으로 예상됩니다. 박테리아 표면에 고르게 분포된 분말 입자들 사이에 있는 미세한 기공들이 전해질 속에 있는 이온의 접촉면적을 넓혀 에너지 저장밀도를 더욱 높여주기 때문입니다. 

△ 박테리아(보라색) 주변에 코발트 산화물 나노분말(녹색)이 달라붙은 모습.

이렇게 만든 분말은 고용량 고효율 축전지에 활용할 수 있다. (제공: 아주대)

김동완 교수는 연구팀이 개발한 이 공정이 “4,000번 이상의 충전과 방전 후에도 저장효율이 95%이상을 유지하고, 충․방전 속도도 빨라지는 것을 확인할 수 있었다”고 말했습니다. 이어서 그는 연구의 결과가 “차세대 에너지 저장장치의 전극소재로 활용될 수 있는 다양한 조성의 금속 산화물 나노분말들을 높은 수율로 확보할 수 있는 합성공정”이라고 의미를 부여했습니다.  

에너지 자원 고갈에 직면해 세계 각국이 대체 에너지 개발과 차세대 에너지 저장장치 개발에 나서는 요즘, 많은 사람들이 새롭고 효율적인 에너지 저장 시스템에 주목하고 있습니다. 새로운 에너지원의 개발도 중요하지만, 기존에 생산된 에너지의 보존과 관리 역시 그에 못지않게 중요합니다. 아주대학교 김동완 교수 연구팀이 박테리아를 이용하여 차세대 에너지저장장치를 개발한 사례처럼 앞으로 국내 연구진들이 제 2, 제 3의 차세대 에너지 저장장치들을 개발하여 우리나라 뿐 아니라 전 세계의 에너지 절약과 환경보호에 큰 도움을 주었으면 하는 바람입니다.