전기뱀장어를 모방한 고전압 에너지 발생기 개발- 마이크로/나노 로봇 등 체내 헬스케어 기기 개발 기대

전기뱀장어를 모방한 고전압 에너지 발생기 개발- 마이크로/나노 로봇 등 체내 헬스케어 기기 개발 기대

등록일 2017.12.21.

 

 

전기뱀장어를 모방한 고전압 에너지 발생기 개발
- 마이크로/나노 로봇 등 체내 헬스케어 기기 개발 기대 -
 

□ 한국연구재단(이사장 조무제)은 박정열(서강대학교)·최은표(전남대학교) 교수 연구팀이 전기뱀장어의 발전 원리와 구조를 모사한 마이크로 크기의 고전압 에너지 발생기를 개발하였다고 밝혔다. 

□ 인체 삽입형 의료기기 및 마이크로·나노 로봇과 같은 미래기기 개발을 위해서는 에너지 공급원에 관한 연구가 필수적이다. 하지만 마이크로·나노 크기의 디바이스의 급속한 발전에도 여전히 오염물질 방출 없이 지속해서 전원을 공급할 수 있는 장치 연구는 부족한 실정이다.

 ㅇ 최근 마이크로 디바이스의 전원공급 장치로서 오염물질 없이 전기 생산이 가능한 이온 농도차 발전이 주목받고 있으나, 기존 기술로는 양이온 또는 음이온 막 한 개만 사용이 가능하여 출력 전압이 매우 낮아 실제 활용에는 한계가 있었다.  

□ 연구팀은 수천 개 이상의 전기발생세포(eletrocyte)*가 직렬 연결되어 있어 필요시 이온 농도차에 의한 이온 이동을 통해 약 600V의 전압을 발생시킬 수 있는 전기뱀장어의 발전 원리를 모방해 마이크로 크기의 고전압 에너지 발생기를 개발하는 데 성공했다.
   * 전기발생세포(eletrocyte) : 전기뱀장어의 생체 내 이온 농도차를 유지하고, 이온의 선택적인 이동을 허용하는 세포. 전기뱀장어와 같은 전기물고기는 전기방전기관(EOD)에 전기발생세포가 있어 필요에 따라 강·약의 전기를 발생시킴.
 ㅇ 이 연구에서 개발된 고전압 에너지 발생기는 양이온 또는 음이온만을 통과시키는 3차원 나노채널 네트워크* 기반의 이온 교환막*을 제작해 일정한 간격으로 직렬 배치하고, 그사이에 이온 농도차를 발생시켜 수 mm의 크기에서 1V 정도의 전압을 얻었다.  
    * 3차원 나노채널 네트워크 : 마이크로 채널에 균질한 크기의 나노입자가 구성요소들간의 상호작용에 의해 자발적으로 조직적인 구조나 형태를 형성하면서 생기는 입자 사이의 나노크기 공간으로 이루어진 3차원 네트워크
    * 이온 교환막 : 양이온 또는 음이온만을 선택적으로 이동시키는 막

 ㅇ 연구팀은 이온 교환막 사이의 거리를 최적화시켜 전기뱀장어의 전기발생세포의 세포막 사이 거리와 비슷한 간격(약 80㎛)을 찾아냈으며 인공적인 단일 셀(cell)에서 발생하는 전압도 전기뱀장어의 전기발생세포에서 생성되는 전압(150㎷)과 매우 유사하다는 사실을 확인했다.

□ 박정열 교수는 “작은 부피에서도 높은 전압을 발생시킬 수 있다면 인체 삽입형 의료기기나 마이크로·나노 로봇과 같은 미래기기 개발을 현실화할 수 있을 것”이라며 “나아가 이 기기를 활용하면 인체의 땀, 혈액, 오줌 등을 통해서도 에너지를 얻을 수 있다”라고 연구의 의의를 설명했다.

□ 이 연구 성과는 과학기술정보통신부‧한국연구재단 기초연구지원사업(개인연구‧기초연구실) 등의 지원으로 수행되었으며, 에너지분야 국제학술지 나노에너지(Nano Energy) 12월 1일에 게재되었다.

<참고자료> : 1. 논문의 주요내용
             2. 연구결과 개요
             3. 연구이야기
             4. 용어설명
             5. 그림설명

논문의 주요 내용

□ 논문명, 저자정보

   - 논문명 : High-voltage nanofluidic energy generator based on ion-concentration-gradients mimicking electric eels
   - 저  자 : 박정열 교수(교신저자, 서강대학교), 최은표 교수(교신저자, 전남대학교), 왕총(제1저자, 서강대학교).

□ 논문의 주요 내용

 1. 연구의 필요성
   ○ 인체 삽입형 의료기기 및 마이크로/나노로봇과 같은 미래기기의 개발을 위해서는 이에 대한 에너지 공급원에 대한 연구가 반드시 병행되어야한다.
   ○ 마이크로 / 나노 스케일 디바이스의 급속한 발전에도 불구하고, 여전히 오염물질의 방출 없이 지속 가능한 전원 공급 장치에 대한 연구는 많이 부족한 편이었다.
   ○ 오염물질 없이 전기를 생산할 수 있는 이온 농도차 발전이 많은 주목을 받고 있었으나, 기존의 마이크로 디바이스에서 선보인 이온 농도차 발전 에너지 발생기는 제작 기술의 한계로 인해 양이온 또는 음이온 교환막 한 개만 사용하여 구현되어있어 출력 전압이 매우 낮아 실제 활용할 때 많은 어려움이 있다. 높은 전압을 발생시키려면 마이크로 시스템에서 양이온과 음이온 교환막을 교차로 직렬 연결하여 배치할 수 있는 제작기술이 필요했었다. 

 2. 연구 내용
   ○ 본 연구진은 나노입자를 마이크로 채널 내에 자기조립화하고 이때 형성되는 나노입자간의 공간을 나노채널로 활용하여 이 채널 내에서의 이온 흐름 거동이 마이크로 채널의 형상 및 나노입자의 재질에 바뀐다는 기초연구를 2015년 Lab on a Chip을 통해 발표하였다. 본 연구는 이러한 기존 연구결과를 바탕으로  전기뱀장어의 전기발전세포들의 직렬연결 구조를 모방하여 마이크로 시스템에서 양이온 과 음이온 교환막을 교차로 직렬 배치하여 기존 양이온 또는 음이온 교환막 한 개만을 사용했을 때 보다, 훨씬 높은 전압을 생성할 수 있는 고전압 마이크로 에너지 발생기를 구현하였다. 또한 교환막 사이의 마이크로 채널의 사이즈를 최적화시켜 성능을 높였으며, 형광이온 흐름 또는 다중물리 기반 시뮬레이션을 통해 최적화된 마이크로 채널의 크기 및 출력전압을 이론적, 실험적으로 증명하였다.

 3. 연구 성과
   ○ 연구팀은 마이크로 시스템에서 이온교환막의 막간 거리를 최적화시켜 전기뱀장어의 전기발전세포의 세포막 간의 거리와 비슷한 수치인 80 um를 찾아냈으며,  인공적인 단일 셀(cell)에서의 발생전압(138mV)도 전기뱀장어의 전기발생세포에서 생성되는 전압(150 mV)과 매우 유사함을 확인하였다.

   ○ 연구팀은 수 mm의 크기 내에서 20 개의 단일 인공셀이 직렬 구성되어있는 최적화된 마이크로 에너지 발생기를 제작하여 기존 반전지(half cell)의 출력 전압 수십 mV보다 활씬 높고 보통 건전지와 근사한 1 V정도의 출력 전압을 얻었다.

연 구 결 과  개 요

 1. 연구배경
  ㅇ 이온 농도차 발전 원리를 이용한 미소유체 기반 에너지 발생기에 대한 연구는 최근 들어 많이 진행되고 있다. 하지만 종래의 제작 기술에 한계가 있어서 값비싼 공정장비 및 복잡한 공정을 통해 양이온 또는 음이온 교환막 한 개만 사용하여 구현할 수 있다. 이러한 나노유체 에너지 발생기는 출력 전압이 매우 낮아 실제 마이크로 바이오센서나 의료기기의 에너지 공급원으로서 활용할 때 많은 어려움이 있다. 마이크로 시스템에서 양이온 또는 음이온 교환막을 교차로 직렬 배치하여 제작할 수 있다면 활씬 더 높은 전압을 발생시킬 수 있다.

 2. 연구내용
  ㅇ 본 연구에서는 마이크로채널 내 나노입자의 자기조립화를 통해 3차원 나노채널 네트워크를 구현함으로써, 나노입자의 표면 전하에 따라 양이온 또는 음이온 교환막을 구현할 수 있으며, 이들을 교차로 직렬 배치하여 기존 반전지보다 활씬 높은 전압을 생성할 수 있는 고전압 마이크로 에너지 발생기를 제작하였다. 또한 이온 교환막 사이의 마이크로 채널의 사이즈를 최적화시켜 성능을 높였으며, 형광이온 흐름 또는 다중물리 기반 시뮬레이션을 통해 최적화된 마이크로 채널의 크기 및 출력전압을 이론적, 실험적으로 증명하였다. 최적화된 이온교환막의 막간 거리는 전기뱀장어의 전기발전세포의 세포막 간의 거리 80 um와 비슷했으며 인공 단일 셀을 통해 전기발전세포에서 발생시킬 수 있는 150 mV와 근사한 출력 전압 138 mV를 얻었다. 연구팀은 수 mm의 크기 내에서 20 개의 단일 인공셀이 직렬 구성되어있는 최적화된 마이크로 에너지 발생기를 제작하여 기존 반전지(half cell)의 출력 전압 수십 mV보다 활씬 높고 보통 건전지와 근사한 1 V정도의 출력 전압을 얻었다.

3. 기대효과
  ㅇ 기존에는 값비싼 장비와 복잡한 공정을 통해 양이온 또는 음이온막 한가지 종류에 대한 미소유체 시스템의 집적화가 가능했으나, 발생시킬 수 있는 출력 전압이 너무 낮아 마이크로 디바이스의 에너지 공급원으로 응용에 있어서 많은 한계를 보여 왔다. 본 연구를 통해 작은 부피에서 고전압을 발생시킬 수 있는 장치를 구현하여 인체 삽입형 의료기기 및 마이크로/나노로봇과 같은 미래기기의 개발을 현실화 하는 데 많은 기여를 할 수 있다.

연구 이야기

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

연구팀은 미소유체 제어를 통해 원하는 위치 및 형상으로 마이크로 채널 내에 나노입자를 자기조립화하는 기술을 확보하고 이를 이용하여 다채널 농도구배 생성장치를 개발(2012년 Lab on a Chip)하였다. 추후 이러한 나노입자의 자기조립화로 이루어진 구조를 3차원 나노채널 네트워크로 활용하여 이온 이동성 연구에 활용할 수 있다는 아이디어로 발전하였다. 이를 기반으로 고전압을 발생시킬 수 있는 전기뱀장어에서 영감을 얻어 마이크로 에너지 발생 장치 개발을 목적으로 한 미래창조과학부 개인연구(기본연구 (구)모험연구)를 수행하게 되었다. 이를 통해 이온 이동성 연구(2015년 Lab on a Chip), 고용량 이온 다이오드 개발(2016년 Nano Letters)하고, 본 연구결과를 달성하게 되었다. 

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

현재까지 마이크로 에너지 발생기에 대한 연구들은 기존 마이크로/나노 가공기술을 기반으로 반전지(half cell)만을 구현할 수 있어 발생시킨 출력 전압이 낮아 고전압이 필요한 장치 또는 동시에 여러 디바이스들 에너지 공급하는 데에는 적용이 어려웠다. 그러나 우리가 갖고 있는 마이크로 시스템에서는 3차원 나노채널 네트워크의 제작기술을 활용하여 전기뱀장어의 전기발생세포(electrocyte) 처럼 직렬 연결 구현을 통해 이 문제를 해결할 수 있을 것이라는 가정을 세우고 연구를 전개하게 되었다.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

마이크로 에너지 발생기를 개발하려면 디바이스 크기를 최소화시키면서도 에너지 발생 성능을 높이는 것은 중요하다. 크기를 최소화시키려면 구현된 멀티스택 이온교환막의 막간 거리를 줄어야 하나 실험으로는 일정한 범위를 이하로 줄였을 때 생성된 에너지가 오히려 떨어지게 되었다. 연구팀은 형광이온의 흐름 관측 및 다중 물리 기반 시뮬레이션을 통해 최적화된 막간 거리를 찾아냈다. 이를 활용하여 직렬 연결된 마이크로 에너지 발생기를 제작하였고 전보다 활씬 높은 에너지를 발생시킬 수 있었다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

기존 마이크로 에너지 발생기는 이중 전하층과 비슷한 크기를 갖는 2차원 나노채널 또는 나노구멍을 값비싼 공정장비 및 복잡한 공정을 통해 제작하였음에도 불구하고 단일한 이온교환막을 구현할 수 있는 반전지를 통해 출력 전압이 매우 한정적이었다. 연구팀은 간단한 공정을 통해 제작된 마이크로 채널과 나노입자 자기조립화 제어를 통해 3차원 나노채널 네트워크로 구성된 이온교환막을 만들고 양이온 또는 음이온 교환막을 교차로 직렬연결해서 기존보다 수십~수백 배에 이르는 전압이 가능한 고전압 에너지 발생기를 개발하였다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표와 향후 연구계획은?

본 연구에서 개발한 마이크로 에너지 발생기가 집적화할 수 있게 3차원 마이크로채널 형태로 개발하고, 주변의 다른 재생 에너지원(빛, 마찰, 압력 등)도 최대한 이용할 수 있게 다중 에너지 수확기술을 활용하여 하이브리드-리소스 에너지 발생기를 개발하여 인체 삽입형 의료기기 및 마이크로/나노로봇과 같은 미래기기의 에너지 공급원으로 응용하고 싶다.

용 어 설 명

1. 나노에너지(Nano Energy) 誌
  ○ 네덜란드 암스테르담을 기반으로하는 국제적인 출판사 엘제비어(Elsevier)에서 발행하는 에너지 분야에서 권위를 인정받고 있는 국제학술지 (인용자수: 12.343)

2. 전기발생세포(eletrocyte)
  ○ 전기뱀장어의 생체 내 이온 농도차를 유지하고, 이온의 선택적인 이동을 허용하는 세포로써, 전기뱀장어와 같은 전기물고기는 전기방전기관(EOD)에 전기발생세포가 있어 필요에 따라 강·약의 전기를 발생시킴.

3. 나노채널 네트워크(Nanochannel Networks)
  ○ 일정이상 농도를 갖는 나노입자를 포함한 미소유체를 증발시키게 되면 미소유체가 증발하면서 나노입자 간의 표면장력(surface tension)으로 인해  특별한 외력이나 간섭 없이 나노입자가 자기조립화하게 됨. 나노입자를 포함한 미소유체를 제어함으로써 원하는 위치와 형상으로 채널 내에 나노입자를 자기 조립화할 수 있으며, 나노입자 간의 연결된 빈 공간이 3차원으로 연결된 나노채널 네트워크를 형성함.

4. 이온교환막 (Ion-exchange Membrane)
  ○ 순수제조 등에 사용되고 있는 이온교환수지를 막상으로 형성한 것으로, 이온교환기를 갖는 하전 막을 의미함. 이온 교환막에는 양이온 교환막과 음이온 교환막이 있고, 이온 교환막의 특징은, 이온의 선택투과성이며, 용액중의 이온은 반대 부호의 고정전하를 갖는 이온교환막은 투과할 수 있지만, 동 부후의 고정전하를 갖는 이온 교환막은 투과할 수 없음.

5. 나노유체 에너지 발생기(Nanofluidic Energy Generator)
  ○ 나노채널 양쪽에 유체 내 이온 농도차로 인한 이온의 흐름을 이용하여 전기를 발생시키는 장치.

그 림 설 명

             

(그림1) 전기뱀장어를 모사한 고전압 나노유체 에너지 발생기
(a) 전기뱀장어에서 영감을 받은 나노유체 에너지 발생기의 개념도
(b) 전기뱀장어의 electrocyte 세포 구조
(c) 전기뱀장어의 electrocyte 세포에서 Na+ 이온 및 K+ 이온의 농도차 및 이온 흐름 제어를 통해 전기 발생.
(d) 미세유체 채널 내 양이온과 음이온 교환막의 교차 직렬연결로 이루이진 마이크로 시스템의 구조.
(e) 나노입자들이 자기조립화되어 나노입자 간에 형성된 빈공간이 3차원으로 연결된 나노채널 네트워크를 형성하여 이온교환막의 역할을 하며, 이온 농도차로 인해 양이온 또는 음이온이 서로 반대 방향으로 이온교환막을 통과할 때 생성된 전압 증폭.

(그림2) 제작된 나노유체 에너지 발생기
인공적인 단일 셀(cell)을 제작하여 마이크로 시스템에서 이온교환막의 막간 거리를 최적화시켜 전기뱀장어의 전기발생세포 세포막 간의 거리와 비슷한 수치인 80 um를 찾아냈다. 이를 활용하여 5, 10 또는 20 개의 인공셀이 직렬 연결되어있는 마이크로 에너지 발생기를 각각 제작하여 성능 평가하였다. 20개의 인공셀이 직렬 연결되었을 경우 1 V정도의 전압을 얻었으며 더 나아가 직렬 연결 수가 많을수록 출력 전압이 증폭될 것을 예측함.