심윤보 부산대 화학과 교수
우주의 초기부터 전기에너지는 번개의 형태로 존재하였다. 우리의 행성에 생명체가 존재하기 전(40억여년 전) 이미 엄청난 전압을 띄는 번개가 하늘을 밝히고 있었다. 이는 자연이 보여 주는 가장 훌륭한 전기에너지의 예가 된다.
그 후 생명체가 탄생하고 진화됨에 따라 전기에너지가 생명체의 중요한 일부가 된다. 예를 들면, 전기 신호가 신경 신호의 근간을 이룬다든지, 눈이 빛을 작은 전기신호로 변환시켜 두뇌로 보내어 인식하기도 한다. 이러한 전기에 대한 연구가 과학자에 의해 지난 두 세기간에 걸쳐 집중적으로 연구되어 왔다.
지난 1600 년경 윌리엄 길버트(William Gilbert)가 처음으로 두 종류의 정전기에 대한 제안을 한 100여년 후 18세기 중ㆍ후반 전기를 만들어 낼 수 있는 볼타 파일(Volta file)과 같은 배터리가 만들어졌다. 이때부터 갈바니(Galvani)와 볼타(Volta)를 위시한 여러 과학자들에 의해 집중적으로 전기에너지에 대한 많은 종류의 실험이 행해지기 시작하였다.
전기에너지의 생체관련 실험은 1786년의 갈비니(Galvani)의 개구리 다리 실험이 가장 중요한 초기 과학적 실험이 된다. 이후 인체에서의 전기에너지의 검출기술이 임상의학분야에서 중요한 진단 기술로 자리를 잡게 되었다.
생체전기 에너지는 화학전지 중의 하나인 농도차 전지의 원리와 같다. 즉, 세포막 양단의 이온 농도의 차이로 인해 전기가 발생한다. 인체 전기의 경우 신경, 근육 장기들의 기능을 조절하고 기능을 수행한다. 인체의 기능과 관련된 전기신호로는 심전도ㆍ뇌전도ㆍ근전도ㆍ안구 전도ㆍ망막전도ㆍ피부전도ㆍ위전도ㆍ자궁전도 등이 있으며, 유발전위로는 청각유발전위ㆍ시각유발전위ㆍ체성감각유발전위ㆍ운동유발전위가 있다.
반면, 500~1000V, 1A 정도의 강한 전기를 일으키는 뱀장어나 나일 메기와 같은 전기어류에 의한 생체 전기도 발전 원리는 인체 전기의 경우와 같으나 그 기관의 구조와 배열이 전기의 양을 증폭시킬 수 있는 형태를 갖추고 있다.
전기에너지를 얻는 방법은 여러 가지 있으며 그 중 대량의 전기에너지는 대형 발전소 즉, 수력ㆍ화력ㆍ원자력ㆍ조력ㆍ태양력ㆍ풍력발전소를 통해 얻을 수 있다. 그 외에 소규모의 경우는 광전지ㆍ연료전지, 및 배터리 등을 들 수 있다. 연료 전지는 크게 인산 및 수소 교환막 연료전지ㆍ알칼리ㆍ용융탄산염ㆍ고체산화물 연료 전지 등을 들 수 있다.
최근 대용량 연료 전지를 사용한 소형 발전 시설 또는 대형 차량용 연료 전지의 상용화를 위한 작업이 미국ㆍ일본ㆍ한국 등에서 활발하게 연구되고 있다. 소규모 연료전지 중에서는 생체물질을 사용하는 바이오 연료전지(biofuel cell)가 있는데, 바이오 연료전지는 일반적으로 산화와 환원 극으로 구성되며, 수소이온 교환막으로 구분되어 있다는 것이 화학연료전지와 동일하다. 화학연료전지에서 연료인 수소나 메탄올의 산화를 쉽게 하려고 금속촉매(백금ㆍ루테늄 등)를 사용하는데 바이오 연료전지에서는 효소나 미생물과 같은 생체물질을 사용한다.
에너지 발생 효율을 높이기 위해서는 연료전지에 고정화되는 생체물질에 적절한 환경을 만들어야 하고 생체물질의 생물학적 특성을 이해해야 한다. 이와 함께, 생체물질과 전극간의 전자전달에 관여하는 전자전달체에 대한 연구도 중요하다.
이들 바이오 연료전지는 생체에 필요한 소형의 전기에너지원으로 활용하기 위한 노력과 함께 특정 물질을 측정할 수 있는 센서뿐 만 아니라 하수ㆍ폐수ㆍ오니 등에 포함된 유기오염물질을 제거하거나 또는 동시에 에너지를 생성하는 장치로도 연구가 진행되고 있다.
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그 후 생명체가 탄생하고 진화됨에 따라 전기에너지가 생명체의 중요한 일부가 된다. 예를 들면, 전기 신호가 신경 신호의 근간을 이룬다든지, 눈이 빛을 작은 전기신호로 변환시켜 두뇌로 보내어 인식하기도 한다. 이러한 전기에 대한 연구가 과학자에 의해 지난 두 세기간에 걸쳐 집중적으로 연구되어 왔다.
지난 1600 년경 윌리엄 길버트(William Gilbert)가 처음으로 두 종류의 정전기에 대한 제안을 한 100여년 후 18세기 중ㆍ후반 전기를 만들어 낼 수 있는 볼타 파일(Volta file)과 같은 배터리가 만들어졌다. 이때부터 갈바니(Galvani)와 볼타(Volta)를 위시한 여러 과학자들에 의해 집중적으로 전기에너지에 대한 많은 종류의 실험이 행해지기 시작하였다.
전기에너지의 생체관련 실험은 1786년의 갈비니(Galvani)의 개구리 다리 실험이 가장 중요한 초기 과학적 실험이 된다. 이후 인체에서의 전기에너지의 검출기술이 임상의학분야에서 중요한 진단 기술로 자리를 잡게 되었다.
생체전기 에너지는 화학전지 중의 하나인 농도차 전지의 원리와 같다. 즉, 세포막 양단의 이온 농도의 차이로 인해 전기가 발생한다. 인체 전기의 경우 신경, 근육 장기들의 기능을 조절하고 기능을 수행한다. 인체의 기능과 관련된 전기신호로는 심전도ㆍ뇌전도ㆍ근전도ㆍ안구 전도ㆍ망막전도ㆍ피부전도ㆍ위전도ㆍ자궁전도 등이 있으며, 유발전위로는 청각유발전위ㆍ시각유발전위ㆍ체성감각유발전위ㆍ운동유발전위가 있다.
반면, 500~1000V, 1A 정도의 강한 전기를 일으키는 뱀장어나 나일 메기와 같은 전기어류에 의한 생체 전기도 발전 원리는 인체 전기의 경우와 같으나 그 기관의 구조와 배열이 전기의 양을 증폭시킬 수 있는 형태를 갖추고 있다.
전기에너지를 얻는 방법은 여러 가지 있으며 그 중 대량의 전기에너지는 대형 발전소 즉, 수력ㆍ화력ㆍ원자력ㆍ조력ㆍ태양력ㆍ풍력발전소를 통해 얻을 수 있다. 그 외에 소규모의 경우는 광전지ㆍ연료전지, 및 배터리 등을 들 수 있다. 연료 전지는 크게 인산 및 수소 교환막 연료전지ㆍ알칼리ㆍ용융탄산염ㆍ고체산화물 연료 전지 등을 들 수 있다.
최근 대용량 연료 전지를 사용한 소형 발전 시설 또는 대형 차량용 연료 전지의 상용화를 위한 작업이 미국ㆍ일본ㆍ한국 등에서 활발하게 연구되고 있다. 소규모 연료전지 중에서는 생체물질을 사용하는 바이오 연료전지(biofuel cell)가 있는데, 바이오 연료전지는 일반적으로 산화와 환원 극으로 구성되며, 수소이온 교환막으로 구분되어 있다는 것이 화학연료전지와 동일하다. 화학연료전지에서 연료인 수소나 메탄올의 산화를 쉽게 하려고 금속촉매(백금ㆍ루테늄 등)를 사용하는데 바이오 연료전지에서는 효소나 미생물과 같은 생체물질을 사용한다.
에너지 발생 효율을 높이기 위해서는 연료전지에 고정화되는 생체물질에 적절한 환경을 만들어야 하고 생체물질의 생물학적 특성을 이해해야 한다. 이와 함께, 생체물질과 전극간의 전자전달에 관여하는 전자전달체에 대한 연구도 중요하다.
이들 바이오 연료전지는 생체에 필요한 소형의 전기에너지원으로 활용하기 위한 노력과 함께 특정 물질을 측정할 수 있는 센서뿐 만 아니라 하수ㆍ폐수ㆍ오니 등에 포함된 유기오염물질을 제거하거나 또는 동시에 에너지를 생성하는 장치로도 연구가 진행되고 있다.
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