생체분자 압전 펩타이드 기반 에너지 발전소자 개발 동향

이주혁 대구경북과학기술원 에너지공학전공 교수

1) 압전효과

압전(piezoelectric)효과란 "압력에 의한 전기”라는 뜻을 의미하며 반전 대칭이 없는 비대칭 결정구조를 가지는 결정질 재료에서 기계적 에너지와 전기 에너지간의 선형 상호 작용에 의해 발생한다.[1]-[3] 압전 재료는 가해진 압력에 의해 전기를 생성하는 “정압전” 효과와 전기장이 가해지면 기계적 변형을 발생시키는 “역압전” 효과를 동시에 나타낸다(그림1). 압전 특성은 결정학적 구조, 특히 결정 대칭에 영향을 받으며 이는 결정학적 점군에 따라 구분이 가능하다. 결정학적 점군이란 unit cell에 채워진 분자 내부 또는 충진 구조에 대칭요소(symmetry elements)들의 존재유무를 따져 조합할 수 있으며 결정의 대칭성에 부합하는 32개의 점군(point group)으로 구분할 수 있다. 이중 반전 대칭을 나타내지 않는 결정만이 잠재적으로 압전 특성을 나타낼 수 있다. (반전 대칭을 나타내지 않는다고 해서 모두 압전특성이 나타나지는 않는다.) 총 32 개의 점군 중 21개의 점군은 비대칭구조를 가지고 있으며 (D2, C3h, S4, D6, D4, D3h, D2d, T, D3, Td, C1, C4v, C2, C3, Cs, C3v, C2v, C6, C4, C6v), 이중 20개의 점군에서 압전 특성이 나타난다.(점군 O 만 예외). 즉, 압전특성을 나타내는 재료는 비대칭 구조 점군 20개중 하나의 점군 구조를 이루고 있다. 이러한 비대칭 구조 점군을 나타내는 재료에 압력을 가하면 내부 분극이 발생하게 된다(그림 2).

그림 1 . 정압전 효과와 역압전 효과

그림 2 . 비대칭결정구조의 압전 효과

  1880 년 프랑스 과학자인 Jacques Curie와 Pierre Curie는 석영으로부터 압전 효과를 처음으로 발견하였다.[4] 압전 재료를 처음으로 응용한 분야는 1차 세계 대전 중에 처음 개발된 소나(sonar)였다. 1917 년 프랑스에서 석영의 역압전 효과를 이용하여 초음파 잠수함 탐지기를 개발하였다. 1950 년대에 Fukada에 의해 셀룰로오스 및 콜라겐과 같은 다양한 생체 고분자에서 압전 특성이 발견되었다. 그리고 1954 년 Lead zirconate titanate(PZT) 고용체 세라믹에서 우수한 압전 특성이 발견되었으며, 그 이후 PZT는 압전 응용 분야에서 중요한 역할을 하였다. 압전 재료는 초기에 군사 및 해양 응용 분야를 위한 거시적 전기 기계 변환기에 사용되었다. 압전 재료는 에너지 수확기, 센서, 변압기, 액추에이터, 피에조트로닉스 등에 널리 사용되었다. Barium titanate, PZT, ZnO, MoS2와 같은 압전 세라믹이 널리 연구되었으며 바이러스, Polyvinylidene fluoride(PVDF), PHB Polyhydroxyvalerate(PHB), Poly L-lactic acid(PLLA), 펩타이드, 아미노산 및 단백질과 같은 생체 재료에서도 압전성이 발견되었다.

2) 압전 에너지 발전소자
에너지 위기, 지구 온난화, 환경오염 등의 문제가 증가함에 따라, 사회의 지속 가능한 발전을 유지하기 위해 재생 가능 에너지 자원을 탐구하는 것이 필수적이다. 태양열, 풍력, 바이오매스 및 수소를 포함한 녹색 에너지원은 전통적인 화석 연료의 대체 에너지 원으로 사용되었다. 또한 물의 흐름, 바람, 진동 및 인간의 움직임과 같이 우리 환경에 널리 존재하지만 일반적으로 일상생활에서 낭비되고 있는 에너지원인 기계적 에너지는 풍부하고 깨끗하며 지속 가능한 에너지원이다. 2006년, 산화아연(ZnO) 나노와이어 기반 나노 발전기가 발표된 이후 다양한 나노 발전기 개발이 연구자들 사이에서 큰 관심을 끌고 있다.[5] 또한 최근 몇 년 동안 새로운 기술은 스마트 워치, 스마트 홈, 스마트 폰, 스마트 카와 같은 장치로 우리의 생활 방식을 크게 바꾸고 있다. 이러한 장치에 대한 장기적이고 환경 친화적인 에너지 공급은 매우 중요하며 압전 에너지 발전소자는 이러한 에너지 공급원으로 크게 관심을 받고 있다(그림 3). 또한 인간-기계 인터페이스, 건강 모니터링, 자동차 시스템 및 웨어러블 전자 장치와 같은 분야로 에너지 발전소자에 대한 탐구가 확대됨에 따라 생체 적합성 물질이 점점 더 주목을 받았으며 다양한 생체 적합성 에너지 발전소자가 개발 되었다. 생체 적합성 에너지 변환 물질을 이용한 에너지 발전소자에 대한 연구는 건강 모니터링, 바이오 센싱, 인체이식형 장치, 약물 전달 및 조직 공학에서의 응용을 가능하게하고 있다.

그림 3. 압전 에너지 발전소자 응용 분야[6]

3) 바이오 압전
압전성은 비 중심 대칭 결정 구조를 가진 많은 재료에서 발견되며, 기계적 응력이 가해지면 압전 전하가 생성된다. 흥미로운 점은 뼈, 힘줄, 피부, 나무, 바이러스, 단백질, 글루코스, 아미노산, DNA와 같이 인체나 자연을 구성하는 생물학적 물질 혹은 이로 만들어진 많은 기관에서 발견되었다.[7]-[11] 즉 이러한 바이오 재료들은 비중심 대칭 결정구조를 가지고 있거나 비중심 대칭 결정구조를 가지고 있는 재료들로 이루어져 있다는 것을 알 수 있다(그림 4).

그림 4 . 바이오 압전 재료 종류[12]

  이러한 생체 분자는 생체 적합성 압전 재료로 미래의 생체 의학 응용 분야에서 큰 이점을 가질 수 있다. 또한 특정 생물학적 압전 재료는 기존 압전 재료에 필적하는 강력한 압전성을 나타내는 것으로 보고되고 있다. 압전 응용 분야에 생물학적 압전 재료를 사용하는 또 다른 주요 이점은 기존 압전 재료에 비해 상대적으로 낮은 유전 상수이다. 압전 전압 상수 (gij)는 아래 식과 같이 유전 상수에 반비례하다.[13]

  여기서 d는 압전 변형 상수, g는 압전 전압 상수, ε은 유전 상수이다. 따라서 유전 상수가 낮은 재료의 경우 실제 발전되는 전압은 높게 된다. 따라서 상대적으로 낮은 유전 상수를 가지는 생체재료의 경우 유리함을 알 수 있다. 바이오 압전 재료는 강력한 압전 특성을 나타내지만, 여전히 압전 메커니즘을 정확하게 분석하는 추가 연구가 필요하다. 현재 강력한 바이오 압전 재료의 개발과 센서, 액추에이터 및 에너지 수확기와 같은 응용 분야의 실현에 있어 가장 어려운 문제는 제한된 패터닝, 방향 제어 및 분극 방향 제어이다. 최근 이러한 문제를 해결하기 위해 바이오 압전 소재 기반의 자기 조립, 잉크젯 프린팅, 3D 프린팅, 전기장 유도 정렬 방식이 시도되고 있다.[14]-[16] 본 리뷰에서는 주로 압전 펩타이드에 대해서 다루고자 한다. 압전 펩타이드는 강력한 압전성과 다양한 나노 구조로 인해 많은 주목을 받았다. 이들은 수소 결합 상호 작용, 반데르발스 상호 작용, 정전기 상호 작용, 소수성 및 π – π 적층 상호 작용과 같은 비공유 상호 작용으로 인해 자기 조립된다. 일부 자기 조립 나노 구조는 비 중심 대칭 결정 구조를 가지며 우수한 압전 특성을 나타낸다. 이러한 압전 및 생체 적합성 펩타이드는 발전기, 고감도 센서, 의료 전달 시스템, 세포 배양 및 에너지 저장 장치를 제조하는 데 중요한 역할을 하고 있다.

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