전기에너지, 생명체에서 꺼내 쓴다!
SF영화 속 장면이 현실로…

SF영화 '매트릭스'에서 가장 기억에 남는 장면 중 하나는 검은색 가죽코트를 입은 주인공 '네오'가 공중부양을 하며 악당들을 향해 하이킥을 날리는 장면일 것이다. 하지만 매트릭스에서 더 충격적인 장면은 사람의 신체가 인큐베이터 속에 가둬진 '인간 배터리'로, 전기에너지의 공급원으로 사용되는 인간 배터리 공장 장면이다.

영화에서처럼 생명체를 이용해 전기를 생산하는 기술이 점차 현실화되고 있다. 최근 부각되고 있는 생물 연료전지(Bio fuel cell) 기술은 생물의 대사과정을 이용해 미생물이나 효소로부터 전기를 생산하는 기술이다. 생물 연료전지는 유기물을 이용하므로, 폐수, 토양, 식물, 동물 심지어 영화 매트릭스에서처럼 인간을 이용해 전기를 만들 수 있어 응용 분야가 매우 광범위하다.

생물 연료전지 연구의 효시는 1960년대 우주 개발을 주도하던 미국이었다. 우주 폐기물을 우주로 배출하거나 지구로 되가져올 수 없는 문제를 해결하고자 연구를 시작했으나 미생물이나 효소의 매개체가 갖는 문제점과 전지 출력의 한계로 그간 연구가 활발하지 않았다. 그러나 최근 환경 친화적이고 다양한 응용이 가능한 생물 연료전지가 갖는 장점이 주목을 받고 있다. 즉, 스스로 전기에너지를 생산하고 이 전기에너지를 이용해 폐수와 같은 유기 폐기물을 처리, 매우 낮은 비용으로 환경문제를 해결하는 것이 가능하다.

생물 연료전지의 또 다른 장점은 일반적인 연료전지와 달리 관리가 힘든 수소 또는 최근 국가 간 자원 전쟁까지 유발시키고 있는 희토류 및 비싼 귀금속 같은 무기물을 사용하지 않고 유기물인 생체물질을 이용한다는 점이다. 한국과학기술기획평가원(KISTEP)은 금년 3월, 미생물 연료전지를 10년 후 경제를 책임질 미래 10대 유망 기술 중 하나로 선정한 바 있다.

생물 연료전지는 생체물질의 종류에 따라 크게 미생물 연료전지(MFC, Microbial Fuel Cell)와 효소촉매반응 연료전지(ECFC, Enzyme Catalyst Fuel Cell)로 나뉜다. 미생물 연료전지(MFC)는 음식물 쓰레기나 폐수 같은 유기성 오염물질을 연료로 사용, 저비용·친환경적으로 오염물질을 처리한다. 이에 반해, 효소촉매반응 연료전지(ECFC)는 생명체의 혈액 속 당분을 연료로 사용해 전기를 발생시키는 것으로, 인체 내 삽입하는 소형 의료 장치로부터 곤충 또는 쥐와 융합된 사이보그형 생체 로봇에 이르기까지 다양한 응용 분야가 있다.

특허청 자료에 따르면, 한·미·일·유럽 등 주요국의 미생물 연료전지 분야 특허출원이 2005년까지 57건에 불과했으나 2006년 이후 343건으로 증가했으며, 효소촉매반응 연료전지 분야 특허출원도 2004년까지 47건에서 2005년 이후 135건으로 증가해, 각국이 생물 연료전지 연구개발에 박차를 가하고 있다.

국가별로는 미국이 미생물 연료전지 분야 특허출원 210건으로 선두를 달리며, 우리나라는 82건으로 유럽(29건), 일본(21건)에 앞서고 있다. 특히 우리나라는 미생물 연료전지 기술 실용화의 걸림돌인 단위 출력을 향상하는 모듈화 기술 등 구조체 관련 출원이 활발하다. 반면 효소촉매반응 연료전지 분야에서는 일본이 82건으로 상당히 앞서 있고, 미국(66건)과 한국(26건)이 그 뒤를 잇고 있다.

생물 연료전지 분야는 아직 특정 국가가 절대적 기술 우위를 점하지 못하고 있는 연구개발 초기 단계인 만큼 효율적인 산·학·연 협력과 선제적 투자가 이뤄진다면 미래 한국 경제의 한 축을 담당할 산업으로 육성 가능하다. 박길채 환경에너지심사과장은 "생물 연료전지는 이제 영화 속 흥밋거리가 아닌 현실의 산업으로 부각되고 있으므로, 미래 먹거리 기술로 키워나가기 위해 로봇기술, 약물 전달 장치 기술 등과의 융합 연구를 통해 응용 분야를 선점하고, 기술 전쟁 시대에 대비해 원천특허를 미리 확보할 필요가 있다"고 말했다.