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- 전자 폐기물, 2030년이 되면 전 세계적으로 연간 약 7,500만 톤이 소비
- 이러한 배경에서 환경친화적이고 무독성인 전자 제품의 개발이 점점 더 중요해져
- 처음으로 두 종류의 균류를 결합해 작동하는 연료 전지 만들어
- 배터리4개를 동시에 연결하면 이러한 센서는 최대 65시간 동안 전력을 공급받을 수 있다.
- 버섯 전지는 300~600㎷(밀리볼트) 생성

버섯으로 만든 살아있는 배터리
미생물 연료 전지는 미래에 작은 센서를 작동시킬 수 있다

과학자들 버섯과 셀룰로스 기반 잉크로 만든 생분해성 배터리를 개발했다. 이 미생물 연료 전지는 3D로 인쇄되었으며, 온도 센서나 기타 소형 센서에 전력을 공급할 수 있는 충분한 전력을 생성한다. 배터리의 수명이 다하면 내부에서 외부로 분해된다. 이 발명품은 미래에 농업이나 환경 연구에 사용될 수 있을 것이라고 연구진은 보고했다. 

▲ 3D 프린터로 생산된 생체 배터리는 간단한 센서를 작동시키는 데 충분한 전력을 생성한다. © empa

전자 기기의 많은 부품이 재활용되지 않아 매년 엄청난 양의 전자 폐기물이 발생하고 있다. 2030년이 되면 전 세계적으로 연간 약 7,500만 톤이 소비될 것으로 추산된다. 사용된 충전식 배터리, 배터리와 전기 제품에서 나오는 엄청난 양의 폐기물은 카드뮴, 납, 수은과 같은 오염 물질과 온실 가스를 방출하여 기후와 인간의 건강에 부담을 준다.

이러한 배경에서 환경친화적이고 무독성인 전자 제품의 개발이 점점 더 중요해지고 있다. 예를 들어, 박테리아나 다른 미생물로 만든 미생물 연료 전지가 특별한 역할을 할 수 있다. 모든 생명체와 마찬가지로 미생물도 영양소를 에너지로 전환한다. 미생물 연료 전지는 이러한 대사 작용을 이용하여 생화학 반응 중에 방출되는 전자 중 일부를 전기로 포착한다. 

▲ 생체배터리 생산 및 구성 © Reyes et al./ ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2024 /CC-by 4.0

버섯 팀워크로 전기 생산

스위스 연방 재료 과학 및 기술 연구소(Empa)의 Carolina Reyes가 이끄는 연구원들은 이제 완전히 새로운 유형의 살아있는 배터리를 개발했다. "우리는 처음으로 두 종류의 균류를 결합하여 작동하는 연료 전지를 만들었다"고 레이예스는 설명했다. 하이라이트는 두 균류의 신진대사가 서로 보완되어 버섯 배터리의 효율성을 높여준다.

▲ (A) 잉크 양극의 효모에 대한 SEM 이미지. (B) 양극이 MEA를 함유한 아가로 위에 인쇄되었을 때 효모가 흰색 고리로 성장하는 모습을 보여주는 사진. (C) 인쇄된 잉크의 단일 필라멘트와 인쇄된 잉크 아래에 효모 군집이 보이는 인쇄된 양극의 클로즈업. (D) 잉크 음극에서 뻗어 나온 흰 썩음균 균사 필라멘트의 SEM 이미지. (E 및 F) 잉크에서 뻗어 나온 균사. SEM 사진의 노란색 화살표는 세포를 나타낸다. (출처:관련논문 3D Printed Cellulose-Based Fungal Battery / Acs publications)

양극 쪽에는 제빵효모(Saccharomyces cerevisiae)가 있는데, 그 대사 활동을 통해 전자를 방출한다. 음극에는 벨벳 같은 트라메테(Trametes pubescens)라는 흰 썩음균이 서식하고 있다. 트라메테는 빵 효모로부터 전자를 포획하여 연료 전지 밖으로 운반할 수 있는 특수 효소를 생산한다. 이 생명체는 전기를 생산한다.

3D 프린팅으로 만든 생체연료전지

또 다른 특별한 특징은 버섯연료 전지가 3D 프린팅을 사용하여 만들어졌다는 것이다. 이를 통해 레이예스와 그녀의 동료들은 곰팡이 세포가 가능한 한 쉽게 영양소에 접근할 수 있는 방식으로 전극을 구성할 수 있었다. 곰팡이와 곰팡이의 먹이는 처음부터 인쇄 잉크에 첨가된다. 그러나 적합한 잉크를 개발하는 것은 팀에 큰 과제를 안겨주었는데, 수석 저자인 Gustav Nyström이 다음과 같이 설명했다.

▲ 58°C에서 3주 동안 인공 퇴비에서 조립된 왁스 MFC의 분해. (B) 숲, 들판, 농업에서 온도, CO2, 습도를 모니터링하기 위한 환경 센서와 페어링했을 때 MFC가 가질 수 있는 다양한 미래 응용 분야. Empa 로고는 허가를 받아 사용되었습니다. 블루투스 아이콘은 CC by 4.0 비상업적 저작자 표시 국제에 따라 사용된다. (출처:관련논문 3D Printed Cellulose-Based Fungal Battery / Acs publications)

"곰팡이가 잘 자랄 수 있는 재료를 찾는 것만으로도 충분히 어려운 일이다. 하지만 잉크는 곰팡이 세포를 죽이지 않고 쉽게 압출될 수 있어야 하며, 물론 전기 전도성과 생분해성이 있어야 한다." 니스트롬과 그의 동료들은 마침내 셀룰로스 기반 소재에서 그들이 찾던 것을 찾아냈다. 곰팡이 세포는 셀룰로오스를 영양소의 공급원으로 사용할 수 있으며, 사용 후 연료 전지를 분해하는 데 도움을 준다. 카본블랙과 플레이크 흑연은 잉크의 전도성을 높인다. 밀랍은 생분해성 코팅재 역할을 한다.

<© Empa-TV>

 

간단한 센서에 충분한 전력

초기 실험에서 생체 연료 전지는 실제로 전기의 원천임이 입증되었다. 따라서 제곱센티미터당 12.5㎼(마이크로와트)의 최대 전력 밀도와 제곱센티미터당 49.2㎂(마이크로암페어)의 최대 전류 밀도를 생성했다. 예를 들어, 이는 간단한 온도 센서를 작동시키기에 충분하다. 레이예스와 그녀의 동료들이 발견한 바에 따르면, 배터리4개를 동시에 연결하면 이러한 센서는 최대 65시간 동안 전력을 공급받을 수 있다. 버섯 전지는 300~600㎷(밀리볼트)를 생성했다.

연구자들은 미래에는 살아 있는 연료 전지가 원격 지역의 농업이나 환경 연구를 위한 센서에 전기를 공급할 수 있을 것으로 예한다. 그 전에 연구팀은 버섯 배터리를 더욱 강력하고 내구성 있게 만들고 전력 공급원으로 적합한 다른 유형의 버섯을 찾고자 한다.
"특히 재료 과학 분야에서 버섯은 여전히 ​​연구가 부족하고 활용도가 낮다"고 Reyes와 Nyström이 강조했다.
(ACS Sustainable Chemistry&Engineering,

2024; doi: 10.1021/acssuschemeng.4c05494)
출처: Empa

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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