단층 텍스타일 기반 공동층류형 효소 바이오 연료전지 개발

Abstract

4차 산업혁명과 고령화, 에너지 고갈 등의 문제가 대두되며 의료기기 및 헬스케어 분야의 연구가 진행되고있다. 이에 헬스케어 및 진단기기 산업이 성장하며 주목받고 있다. 소형 진단기기 및 웨어러블 어플리케이터의 전력 공급원으로 인체 친화적이면서 저렴한 텍스타일 기반 효소 연료전지가 연구되고 있다. 연료와 산화제의 공급 및 배출을 위해서 텍스타일의 모세관 현상을 이용해 외부 펌프 없이 self-pumping을 할 수 있는 연료전지를 제작하였다. 또한 연료와 산화제의 두 액체의 층류 흐름에 의해 형성된 액체 계면이 전해질막의 역할을 대신하는 마이크로 유체 연료전지를 제작하였다. 효소 연료전지는 효소 촉매와 유기물 연료의 반응으로 전기를 생산하는 연료전지이다. 이는 친환경 적이며 생체에 적합하기 때문에 많은 연구가 진행되고있다. 그러나 선행 연구의 경우 몇가지 문제점이 있다. 기존 효소 연료전지에 주로 사용되는 효소는 반응 과정에서 독성물질을 생성시켜 인체에 유해하다. 독성물질을 분해시켜주는 catalse,HRP 효소를 Gox와 함께 사용하는 bi-enzyme 시스템을 적용함으로써 웨어러블 기기에 적합한 효소 연료전지를 제작하였다. 또한 연료전지의 기판이 종이인 경우 내구성과 지속시간이 짧다는 단점이 있어 이를 개선하기위해 텍스타일 기판으로 제작하였다. 전력량을 상대적으로 향상시키기 위해서 anolyte에 공기를, catholyte에 산소를 포화시켰으며 catholyte에도 glucose solution을 혼합한 용액을 사용하였다. 또한 텍스타일의 flexibility를 유지하며 인체에 무해한 재료인 EcoFlex를 사용하여 silk screen printing 방식으로 소수성영역을 제작하였다. 제작된 전극 위에 screen printing 공정을 통해 고전도성 고분자물질인 PEDOT:PSS를 1차적으로 도포하여 전지의 전도성을 높이고자 하였다. 전극 부분에서도 전도성을 향상시키기 위해서 SWCNT 와 MWCTN를 혼합한 Paste를 PEDOT:PSS 위에 2차로 도포하였다. 본 연구에서는 인체에 유해한 효소 조건과 인체에 무해한 효소 조건을 타입을 나누어 실험을 진행하여 Linear sweep 측정을 통해 성능을 비교하였다. 연료전지의 기판이 종이 일 경우와 텍스타일 일 경우의 성능을 비교하였으며 인체와 유사한 조건에서의 성능을 비교하였다. 이후 각 조건에서의 최적 조건,인체친화적 조건에서 Chronopotentiometry 측정법을 사용하여 전지의 지속시간을 분석하였다.