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[신기술]폐기물도 처리하고 전기도 생산하는 지속가능한 차세대 친환경‘ 미생물연료전지’

2020-03-01

폐기물도 처리하고 전기도 생산하는 지속가능한 차세대 친환경‘ 미생물연료전지’ 최근 국내 연구진이 차세대 에너지 기술로 알려진 미생물연료전지 실용화의 걸림돌로 작용해 온 ‘전압역전현상’의 원인을 규명해 냈다고 발표했다. 폐기물을 처리하면서 동시에 전기도 생산할 수 있는, 말만 들어도 눈이 번쩍 뜨이는 이 기술은 그 효율이 낮아 실용화가 어려웠다. 미생물연료전지 상용화에 한 단계 진전을 이룰 것으로 기대되는 GIST의 연구성과를 소개하면서 미생물연료전지 동향에 대해 알아본다. 정리 김향인 기자 \| 자료제공 GIST 폐기물을 활용하는 미래에너지 미생물연료전지(Microbial Fuel Cell, MFC)는 효소 및 미생물을 기반으로 화학 에너지를 전기 에너지로 전환해 주는 기술이다. 미생물연료전지에 대한 가능성이 알려지면서 땀으로 충전되는 웨어러블 기기, 오폐수 처리장의 하수를 활용한 전기 생산 등 차세대 미래에너지로 부각되어 왔다. 화학 연료전지는 백금, 루테늄과 같은 금속 촉매를 이용하지만 미생물연료전지는 미생물을 촉매로 사용한다. 땀, 오폐수 등 여러 유기물을 미생물이 분해하는 과정에서 전자(e-)와 수소이온(H+)이 양극(+)과 음극(-)의 전극을 오가면서 전기를 생산하는 원리이다. 버려지면 환경오염이 되는 폐기물로 전기를 생산할 수 있다는 점에서 친환경적이라는 것이 미생물연료전지의 가장 큰 이점이다. 또한 석유나 석탄 등 언젠가는 고갈될 수밖에 없는 에너지원이 아니라 폐기물을 활용하는 기술이어서 에너지 자원 또한 안정적이다. 상용화만 된다면 경제적 이득을 비롯해 여러 가지로 매력적인 지속 가능한 미래에너지 기술이 아닐 수 없다. 우주비행사의 배설물 해결 미생물연료전지는 원래 우주비행사의 배설물을 지구로 되가져오지 않도록 연구되기 시작한 것으로 알려져 있다. 우주 탐사 시 우주비행사들이 쏟아내는 어마어마한 양의 배설물을 처리하는 것은 가장 큰 골칫거리 중 하나였다. 비행과정에서 발생한 처치 곤란한 쓰레기를 지구로 가져오지 않도록 미국항공우주국(NASA)에서 미생물연료전지를 연구하게 된 것이다. 2000년대 미국 리트먼 교수팀이 NASA 지원으로 지오박터균(Geobacter)을 이용해 인간의 배설물을 원료로 하는 미생물연료전지가 개발되었다. 이후 미생물연료전지에 대한 다양한 연구들이 진행되고 있다. 가축분뇨를 활용한 연구 농업분야에서도 미생물연료전지에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 고농도의 오염물질을 함유하고 처리 문제가 쉽지 않은 가축분뇨도 미생물연료전지의 원료로 이용 가능하다. 알고 보면 가축분뇨는 필수 영양분(N, P, K)이 많이 들어 있는 자원으로 에너지 잠재량이 높다. 일반적으로 퇴비나 액비 등 비료자원으로 활용되어 왔으며, 하천에 방류할 경우 부영양화와 같은 심각한 환경오염 문제가 대두되고 있기도 하다. 미국 펜실베니아 주립대에서 최초로 가축분뇨를 이용해 미생물연료전지를 만들어 오염물질 처리와 전기를 생산하는 데 성공한 이후 유럽, 미국, 중국, 일본 등 여러 나라에서 가축분뇨를 이용한 오염물질 제거와 전기를 생산하는 연구가 진행 중이다. 농촌진흥청은 2018년 가축분뇨를 에너지로 바꾸는 미생물연료전지 기술을 개발하는 등 가축분뇨 융복합 에너지화 기술을 본격적으로 연구하고 있다. 농촌진흥청과 광주과학기술원(GIST)은 혐기소화조와 미생물연료전지의 하이브리드 시스템으로 가축분뇨를 이용해 바이오가스와 전기를 동시에 생산할 수 있다는 것을 확인했다. 소변 이용해 전기 생산 버려지는 소변을 이용하여 전기를 생산하는 기술도 활발하게 연구되고 있다. 세계 인구 70억을 기준으로 할 때 전 세계 인류가 하루에 배출하는 소변의 양은 무려 105억 리터로 추산된다. 2019년 8월 기준 세계 인구가 77억이라는 것을 감안하면 그 양은 어마어마하게 늘어난다. 소변은 98%가 물이고 2%는 탄소, 질소, 수소, 산소로 이루어진 요소로 소변의 처리를 위해 대부분 정화조 시설로 보내 걸러지는 과정을 거친다. 미생물연료전지는 지금까지는 에너지 효율이 낮은 단계여서 에너지 하베스팅 기술과 접목해 이루어지고 있다. 전기 생산을 위한 인프라가 부족한 아프리카 오지의 어린이들에게 가정에서 배출하는 하수나 가축분뇨를 이용해 LED 등을 밝혀 책을 읽을 수 있도록 하거나 화장실이 없는 인도에서 소변을 이용해 화장실에 전기를 공급해 주는 연구를 들 수 있다. 하베스팅 기술을 접목한 미생물연료전지는 각종 센서 및 IoT 기술과 함께 무선네트워크 기기와 소형 기기 등의 전원으로 사용 가능하다. 또한 농업시설 내의 환경 모니터링 및 제어를 위한 정보 수집, 송신 등을 위한 전원 기술로 개발이 기대되고 있다. 단위 셀들 간의 성능 차이 광주과학기술원(GIST) 장인섭 교수 연구팀은 지난 2월 미생물연료전지 실용화를 앞당길 수 있는 새로운 방안을 제시했다고 밝혔다. 미생물연료전지는 효소 및 미생물을 기반으로 화학에너지를 전기 에너지로 전환하여 회수하는 차세대 에너지기술임에도 단위 셀의 낮은 에너지 생산능력으로 인해 실용화에 어려움이 있었다. 단위 셀의 에너지 생산능력을 개선하기 위해 연료전지 및 2차전지에서 일반적으로 사용되는 직병렬 연결을 통한 전압과 전류값을 높이는 방법을 도모해 왔다. 미생물연료전지는 이론적 발생전압이 낮기 때문에 단위 셀(Unit Cell)을 길이 방향, 즉 직렬로 연결하는 방식을 통해 출력을 높인다. 그런데 이 과정에서 단위 셀의 전압이 역전되는 전압역전(voltage reversal) 현상이 빈번하게 발생하여, 결과적으로 전체 시스템의 성능을 저하시키는 것이 실용화의 걸림돌 가운데 하나였다. 그동안 이 현상에 대한 특징과 추정 원인들에 대한 논문이 발표되었으나 해결에 대한 실마리는 찾지 못한 상태였다. GIST 연구팀 역시 전압역전현상의 발생 원인에 대한 연구를 수행하면서, 역전현상을 초래하는 요인들을 음극부, 양극부 등 각 부분별로 확인한 연구결과를 국제 학술지를 통해 여러 번 발표한 바 있다. 이같은 연구를 지속한 결과 연구팀은 전압역전의 근본적인 원인이 시스템을 구성하는 단위 셀들 간의 성능 차이 때문임을 알아냈다. 단위 셀 내의 양극과 음극의 반응속도 차이 또는 단위 셀들 간의 성능 불균형(imbalance)을 최소화하는 것이 전압역전을 극복하는 해결책임을 밝혀 낸 것이다. 이에 따라 연구팀은 각 셀들의 전류생산 능력(State of Current Production)이라는 용어를 제안하고, 이들 간 균형을 유지할 수 있는 방안을 제시하였다. 연구팀은 이번에 밝혀낸 연구결과를 산화환원효소를 사용하는 극소형 효소연료전지 시스템 집적화에 우선적으로 적용할 계획이라고 밝혔다. 이를 통해 단계적으로 미생물연료전지 매크로 시스템의 효율화에 대한 연구를 지속해 나갈 계획이다. 전압역전현상 규명 미생물연료전지의 상용화를 앞당길 수 있는 핵심인 전압역전현상을 좀 더 자세히 살펴보면 다음과 같다. [그림 1]은 미생물연료전지의 직렬연결 과정에서 발생하는 전압역전현상을 보여준다. 좌측 상단의 건전지 형태의 셀은 단위 셀 1을 나타내며, 우측 상단과 하단의 셀은 단위 셀 2를 나타낸다. 우측 상단의 경우 직렬연결 과정에서 전압역전현상이 발생하지 않는 상태의 셀을 나타내는 것으로 그래프 A에서와 같이 모든 셀의 전압이 (+) 전압을 형성하고 있다. 이와는 달리 우측 하단의 경우 전압역전현상이 발생한 것으로, 전지의 두 양극과 음극의 위치가 변형되어 있는 것을 확인할 수 있는데 이는 전압역전현상을 나타내기 위한 것으로, 그래프 B에서도 단위 셀 2의 전압이 (-) 전압을 형성하여, 전체 셀의 전압이 단위 셀 1의 전압보다 낮은 것을 볼 수 있다. [그림 1] 미생물연료전지에서의 직렬연결 과정에서 발생하는 전압역전현상 전류생산 능력 해결방안 이번 연구논문은 전압역전현상에 대한 연구경험들과 자료들을 기반으로, 기존에 발표되었던 선행 연구들에서 추출된 의미를 상호 비교 분석하여, 단위 셀들 간의 전류생산능(State of current production)의 불균형을 전압역전현상의 근본적인 발생 원인으로 처음 제시하였다. 제시된 이론은 그 동안 산발적으로 진행되고 이해되었던 전압역전현상과 그 해결방안에 대해 총망라한 것이라고 볼 수 있다. 미생물연료전지의 전압역전현상을 개선하기 위해서 전류생산 능력의 균형을 유지할 수 있는 방안들을 시스템의 규모에 맞게 제시하였으며, 직렬 시스템에서 예방할 수 있는 방법들을 논의하였다. 또한 향후 전압역전현상을 좀 더 효율적으로 개선할 수 있는 비전과 추가적으로 검증되어야 하는 연구방향들에 대해서도 함께 제시하였다. 대부분의 연구결과들이 하나의 현상에 대해 부분적인 해결책을 제시하는 것과 달리, 이번 논문은 전압역전현상이라는 현상에 대해 전반적으로 다룬 점에서 의미가 있어 보인다. 전압역전현상의 전체적인 의미와 발생원인 및 해결방안, 향후 필요한 연구 등에 걸쳐 전반적으로 다룬 것으로 미생물연료전지 개발에 한 발짝 다가설 것으로 기대된다. 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구 지원사업으로 수행된 것으로, 연구성과는 국제 학술지 트렌드인 바이오테크놀로지(Trends in Biotechnology)에 1월 21일 게재되었다. 또한 해당 성과는 국제적 학술출판사 Cell Press가 발행하는 국제 학술지로부터 의뢰받아 관련 분야의 연구동향을 망라하면서 직접 도출한 연구성과를 더한 리뷰(Review) 논문으로 소개되어 더욱 주목을 받고 있다. < Energy News >