종이기반 마이크로유체 효소 연료전지 전력량 향상을 위한 연구

Abstract

전 세계적으로 대기오염의 문제가 심각해지면서 바이오산업은 더 이상 치료 목적의 범주에서 벗어나 개개인의 수명 연장, 삶의 질 개선, 건강에 대한 산업으로 확장되었다. 이에 헬스케어 및 진단기기 산업이 성장하여 크게 주목받고 있으며 연평균 8%를 넘는 시장규모 성장률로 수요가 지속적으로 높아지고 있다. 이러한 분위기 속에서 소형 진단기기 및 현장 진단기기의 일회성 전력 공급원으로 친환경적이면서도 저렴한 종이기반 효소 연료전지가 활발히 연구되고 있다. 연료, 산화제를 공급 및 배출하기 위해 외부펌프가 필요했던 기존의 연료전지와는 다르게 종이 기반 연료전지는 종이의 모세관 작용을 이용하여 외부펌프 없이 유체를 self-pumping할 수 있는 연료전지이다. 저렴하면서 처분하기 쉬운 장점이 있어 일회성 전력 공급원으로써 연구되고 있다. 효소 연료전지는 효소 촉매와 유기물 기반의 연료를 사용하여 효소의 전자를 전극에 전달하여 전기를 생산하는 연료전지로서 친환경적이면서 생체에 적합하기에 많은 연구가 진행되고 있다. 그러나 기존의 종이 및 효소 연료전지 선행연구에서 몇 가지 문제점이 있다. 종이 연료전지의 경우 전극을 테이핑 방식으로 접착제를 이용하여 붙여 사용하고 있으며, 이는 수작업이 들어가 대량생산에 적합하지 않으며 정밀하지 못한 문제점을 갖고 있다. 효소 연료전의 경우 효소의 전자를 잘 이동시키기 위해 Mediator(매개체) 물질을 사용하는데 Mediator 물질이 독성성분이 강하며 복잡한 제작방식, 효소가 걸러내지는 현상 등의 문제점을 갖고 있다. 이에 본 연구는 독성성분 및 Enzyme leaching 등의 문제점을 해결하기 위해 Mediator를 사용하지 않고 DET(Direct electron transfer)방식의 종이기반 마이크로유체 효소 연료전지를 제작하였고 상대적으로 전력량을 향상시키기 위해 Anolyte에 공기를, Catholyte에 산소를 포화시키는 조건을 적용하였다. 또한, 수작업을 줄이고 보다 정밀하게 제작하기 위해 Su-8 Photolithography 공정으로 종이 위에 Su-8 유로를 제작하고 그 위에 Printing 공정을 통해 MWCNT 전극을 바로 집적하여 제작하였다. 연료로 사용되는 Glucose의 산화과정과 산소의 환원반응을 돕기 위해 촉매제로 각각 Glucose oxdase와 Laccase를 사용하였고 PBS(Phosphate buffered saline) solution과 혼합하여 전극 위에 고정시켰다. Y형, Cross형의 두 가지 유로구조로 연료전지를 설계하였으며 유로 내 연료 및 산화제의 확산영역을 확인하기 위해 전산유체해석을 진행하였다. 이를 통해 기존 선행연구의 전극 간격을 줄여 소형화를 가능케 했다. 제작된 두 가지 유형의 연료전지를 정확하게 성능 평가하기 위해 Linear sweep, 전기화학 임피던스 분광법(EIS)측정법으로 Glucose 용액의 농도에 따른 비교실험을 진행하였다. 이후 각 유로 구조의 최적 농도 조건에서 Chronopotentiometry 측정법을 사용하여 전지의 지속시간을 분석하였다. 추가적으로 전극재료(MWCNT, SWCNT)에 따른 전지 성능 비교 실험과 전극 위에 효소 촉매를 고정시키는 Immobilization 방식과 효소 촉매를 연료 및 산화제와 혼합하여 공급하는 방식과의 성능 비교실험을 진행하였다.