1. 논문관련 분야의 소개, 동향 및 전망

미생물 연료전지(microbial fuel cell, MFC)는 하폐수 속 유기물을 미생물이 분해하면서 동시에 전기를 생산하는 기술로, ‘물-에너지 연계 기술’의 가장 대표적인 예입니다. MFC의 핵심 요소은 바이오 애노드(bioanode)로, 전자방출균이 유기물을 분해하여 전극표면에 전달합니다. Bioanode가 MFC의 가장 핵심적인 역할을 하는 것입니다. MFC는 기존 하폐수처리 방식과 달리 유기물에서 바로 전기에너지를 생산합니다. 버려지는 에너지 자원을 처리하면서 우리 사회에 에너지를 공급을 가능케 합니다. 기존의 에너지 소비형에서 에너지 생산형 하폐수처리장으로 탈바꿈 되는 것입니다. MFC는 자원순환과 탄소중립을 지향하는 인류에게 필수적인 기술입니다.

MFC는 하폐수처리와 동시에 전기생산을 뛰어난 장점을 가지고 있음에도 불구하고 기존 하폐수처리 공정에 비해 그 구조가 매우 단순합니다. 고로, 기존의 중앙형 하폐수인프라 뿐만 아니라 분산형 인프라에도 적용이 가능합니다. 최근 엄청난 경제적 공학적 이점으로 분산형 인프라를 추구하는 현대 하폐수처리시장에 있어 상당히 매력적인 기술임에 분명합니다. 물산업 인프라의 70%를 차지하는 관로 건설 비용을 대폭 줄일 수 있습니다. 나아가 우주 개발 시대에 우주선이나 타행성에서 우주인이 사는 닫힌 생태계의 자원순환에 있어 핵심적인 역할을 할 것입니다.

최근 MFC 분야는 전극 재료 및 구조 개선, 내부 메커니즘 규명, 그리고 실제 하수 및 폐수를 활용한 처리와 같은 다양한 방향에서 활발히 연구되고 있습니다. 이러한 연구들은 실험실 환경을 넘어 실제 하폐수 처리 공정에 적용될 수 있도록 꾸준히 발전하고 있습니다.

MFC는 생물과 비생물이 결합된 하폐수라는 매우 불균질한 유입수를 처리하는 시스템입니다. 이 복잡한 전기화학을 해석하고 규명하는 것은 과학적 사실 규명과 실용화에 필수적인 요소임에도 불구하고 연구는 답보상태입니다. Bioanode의 특성상 실험 데이터와 해석의 재현성과 정확성 확보가 어렵기 때문입니다. 그래서 미생물 전기화학 연구가 여전히 답보 상태에 있는 상황입니다. 때로는 미생물 전기화학 연구가 왜 필요한지 의문을 던지는 연구자도 있습니다.

기술의 발전과 실용화 과정에서, 무턱대고 실용화를 시도하는 접근으로는 기술의 성공을 보장할 수 없습니다. 실제로, 기술이 성공적으로 실용화되기 위해서는 현상 이면에 숨어있는 과학적인 진실을 발견하고, 이를 실제 기술에 적용할 때 기술적 돌파구를 만들 수 있습니다. 과학적 진실 추구와 실용화 노력은 기술의 성공의 양대 축인 셈입니다.

이러한 맥락에서, 본인이 속한 EFET center (환경에너지융합연구센터)는 미생물 전기화학 연구에 많은 연구자들이 참여할 수 있도록 이에 대한 근간을 잡아가고 있습니다. 이번 연구는 Bioanode impedance를 연속식에서 보다 정확하게 측정하여 정교한 해석을 한 연구입니다. 앞으로 많은 연구진들이 미생물 전기화학 연구에 참여하여 새로운 과학의 영역을 넓히는 의미있는 일에 참여했으면 합니다.

2. 연구과정에서 생긴 에피소드

지금으로부터 약 15년 전으로 거슬러 올라갑니다. 정석희 교수님이 펜실베이니아 주립대에서 박사 과정을 밟던 중, 세계 최초로 다양한 pH 조건과 다양한 전위 환경에서 bioanode impedance를 측정하여 비생물학적, 생물학적, 물질 이동이라는 전기화학 반응 단계별로 구분하고, 그것을 미생물막의 전기전달 과정과 연결시켜 과학적 의미를 분석한 한 연구 결과를 발표했습니다. 그 당시 지도교수님께서 회분식의 한계와 전기화학 분석의 한계를 인지하고 계셨기에, 추후 자신의 연구실을 꾸리게 된다면 이 미완의 숙제를 해결할 것이라고 다짐하셨다고 합니다.

지도교수님이 전남대에 연구실을 만드시고 제가 합류하면서, 저에게 이 주제를 주셨습니다. 저는 이것을 위한 연속식 반응기를 구축하였고, 전남대 이종숙 교수님의 도움으로 Z-view라는 사양이 뛰어난 임피던스 분석 툴을 적용했습니다. 그리고 전극 특성에 따른 변화를 관찰하기 위해 전남대 홍창국 교수님으로부터 인산 처리 탄소펠트 전극을 제공받아 실험에 도입하게 되었습니다. 지도교수님께서 미국에서 홀로 고군분투하며 연구를 초석을 놓고 기반을 쌓아 두셨고, 전남대에서 다양한 협업관계를 통해 당시 미완의 숙제 저를 통해 해결된 것 같아 기쁩니다.

이번 연구에서 인산 처리 탄소펠트 전극에서 전하전달저항 93%, 확산저항은 84%까지 감소했습니다. 그동안 임피던스에서는 주로 회분식 실험이 이뤄졌었는데, 기존에 bioanode의 최적 전위는 -400 mV로 알려져 있었습니다. 하지만 저희 연속식 반응기에서는 전위가 높아짐에 따라 임피던스가 낮아지는 사실을 발견했습니다. 무엇보다 중요한 것은 지도교수님께서 단계별로 임피던스를 정량화하고 확산 임피던스의 존재를 언급하셨는데, 연속식 반응기와 Z-view의 도입으로 더욱 정교하게 측정하고 분석한 것입니다. 이를 통해 확산 임피던스를 정량화 할 수 있었습니다.

3. 연구를 진행했던 소속기관 또는 연구소에 대해 소개 부탁드립니다.

제가 소속된 전남대학교 EFET center는 기후위기, 자원고갈, 에너지 전환이라는 복합적 난제에 대응하기 위해 전통 환경공학에 미생물 전기화학, 신소재 공학, 데이터 과학을 융합한 차세대 환경에너지 기술을 연구하는 전문기관입니다. 센터의 핵심 연구 축은 미생물 전기화학 시스템이나 현재 저변을 넓히고 있습니다. 연구는 실험실 단계의 기초 과학부터 파일럿 플랜트 검증, 산업현장 실증까지 전주기적으로 진행되며, 이를 위해 반응기 모듈의 3D-프린팅 제작, 전극 신소재 개발, 실시간 데이터 분석 플랫폼 구축 등에서 적극적 접근을 지속 도입하고 있습니다. 또한 국내외 산·학·지·연·관 협력 네트워크를 통해 실증성과를 가속화하고 있으며, 국제 공동 연구 및 고부가가치 창출을 통해 세계적인 탄소중립 기술 표준을 선도하고 있습니다.

연구실 홈페이지를 통해 자세한 최신 정보들을 확인하실 수 있습니다. https://sites.google.com/site/sokheejung

4. 연구활동 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람

MFC에 사용하는 작은 전극 하나하나, 미세한 전압 변화 하나하나가 그동안 숨겨져 있던 생물전기화학 반응의 실체를 드러내는 과정을 지켜보며 큰 감동을 느꼈습니다. 눈에 보이지 않는 미생물과 전극 간의 상호작용을 통해 발생하는 전기화학적 반응은, 그 안에서 발생하는 미생물 내부의 복잡한 메커니즘을 이해하고 추론하는 중요한 단서를 제공합니다. 이를 통해, 그간 미처 알지 못했던 생물학적 과정을 하나하나 풀어내며, 과학자가 되어가고 있다는 것을 실감합니다. 본 연구 성과를 통해, 새로운 지식을 쌓고, 그 지식이 실제 기술 발전에 기여하는 과정이 매우 보람있었으며, 이러한 학문의 길을 꾸준히 걸어갈 것을 다짐해봅니다.

5. 이 분야로 진학하려는 후배들 또는 유학준비생들에게 도움이 되는 말씀을 해 주신다면?

좋은 연구는 결국 좋은 질문에서 시작되며, 좋은 질문은 탁월한 스승으로부터 얻게 되는 경우가 많은 것 같습니다. 제가 EFET에 소속된 오랜 기간동안 단순한 성과를 위한 연구가 전부가 아닌, 과학자로서 왜 이 문제가 중요한지, 어떤 방식으로 접근해야 본질에 도달할 수 있는지를 끊임없이 질문하는 시간이었습니다. 연구자는 혼자서 연구하는 존재가 아니라, 결국 연구문화를 함께 만들어가는 집단이 상당히 큰 영향이 있다고 생각합니다.

미생물 전기화학 시스템에 대한 연구에 관심이 있으시다면, 자신있게 EFET을 추천합니다. 단순한 학위를 취득하는 곳이 아니라, 연구자로서의 관점을 건강하게 세우는 곳입니다. 현재 EFET 구성원 모두는 이러한 목표와 사명을 품은 채 미생물 전기화학 시스템의 질적, 양적 개발에 매진하고 있습니다.

6. 연구활동과 관련된 앞으로의 계획이 있으시다면?

먼저, 다양한 환경과 조건에서 최적의 성능을 갖는 미생물 전기화학 시스템의 전극 재료와 구조 개발에 집중하고 싶습니다. 현재 전극 성능의 향상에만 연구가 집중되어 있는데, 저는 이와 더불어 내구성이 강한 전극을 개발하고 싶습니다. 나아가 미생물 전기화학 시스템의 임피던스 연구에 집중하여 미생물 전기화학 시스템의 전기화학적 연구를 계속 이어 나가고 싶습니다. 저전류 조건의 미생물 전기화학 시스템은 매우 양질의 임피던스 데이터를 생산합니다. 이를 바탕으로 미생물 전기화학의 미지의 영역을 개척하고 싶습니다.

환경분야에서는 저전류, 폐열, 바이오 가스의 저장 및 활용이 매우 중요합니다. 미생물 전기화학 시스템에서도 에너지 저장이 매우 중요합니다. 이런 특수한 환경에 맞는 에너지 저장 및 활용 시스템을 개발하고자 합니다. 기존에 사용되지 않았던 생물 기반의 전극이나 혁신적인 재료 및 전기화학 기술을 이용하여 이 분야를 개척하고 싶습니다.

이러한 연구 수행 활동을 위해 앞으로 대학이나 연구소에 자리를 잡아 연구활동을 어이나가고 싶습니다. 이 글을 보시는 분들 관심 가져 주시면 고맙겠습니다.