초록 ▼

■ 연구의 목적 및 내용

연구목적: 전기뱀장어의 전기발생 원리를 모사하여, 양이온 또는 음이온만을 선택적으로 이동시키는 이온선택성 멤브레인을 교차로 200cell 이상을 배치하고, 그 사이에 고농도/저농도의 미소유체를 흘려주어 이온 농도차를 발생시킴으로써, 수 cm의 크기 내에서 수십 V 이상의 전압을 발생시킬 수 있는 고전압 전기 발생장치를 개발

1) 1차년도 연구목표 및 내용 - Single electrocyte cell 모사 플랫폼 개발 및 나노스케일 전기적 특성분석
2) 2차년도 연구목표 및 내

■ 연구의 목적 및 내용

연구목적: 전기뱀장어의 전기발생 원리를 모사하여, 양이온 또는 음이온만을 선택적으로 이동시키는 이온선택성 멤브레인을 교차로 200cell 이상을 배치하고, 그 사이에 고농도/저농도의 미소유체를 흘려주어 이온 농도차를 발생시킴으로써, 수 cm의 크기 내에서 수십 V 이상의 전압을 발생시킬 수 있는 고전압 전기 발생장치를 개발

1) 1차년도 연구목표 및 내용 - Single electrocyte cell 모사 플랫폼 개발 및 나노스케일 전기적 특성분석
2) 2차년도 연구목표 및 내용 - 비선형 나노스케일 동전기 연구 및 미소유체의 제어를 통한 에너지변환 효율 극대화
3) 3차년도 연구목표 및 내용 - Multilayered microchannel을 이용한 200 cell 이상의 직렬 집적화 를 통한 마이크로 고전압 발생장치 개발


■ 연구결과

본 연구 계획에 따라, 1차년도에는 마이크로 채널 내에 원하는 위치 및 형상으로 나노입자를 자기조립화 시켜 이온선택성 멤브레인을 성공적으로 제작함으로써, single electrocyte cell 모사 플랫폼을 개발하고, 나노입자의 크기, 종류, 마이크로 채널의 형상에 따른 나노스케일에서의 전기적 특성을 이온결핍층 현상 및 I-V 측정을 통해 나노스케일 전기적 특성분석을 수행하였다. 2차년도에는 기존의 ionic diode보다 이온 흐름이 급격히 증가된 고성능 ionic diode를 구현하였고 이에 대한 전기적 특성 및 이온의 거동을 형광을 통해 정량 분석하였다. 또한 ionic diode가 설치되었을 때의 single electrocyte cell 모사 초소형 에너지 발생장치 효율을 정량 분석하였으며 목표치인 85 mV를 초과한 100mV 내외의 높은 open circuit voltage를 얻었다. 3차년도에는 multilayered microchannel을 이용하여 양극(+) 또는 음극(-)으로 대전된 나노입자로 이루어진 양이온 또는 음이온 교환막을 직렬로 연결함으로써, multi-cell 고전압 발생장치을 구현하였다. 본 연구에서는 1, 3 및 5 개로 스택한 full cell을 제작하였으며 농도 구배에 따라 생성된 open circuit voltage, short circuit current 및 전력을 정량적으로 비교하였다.


■ 연구결과의 활용계획

인체 삽입형 의료기기 및 마이크로/나노로봇과 같은 미래기기의 개발을 위해서는 이에 대한 에너지 공급원에 대한 연구가 반드시 병행되어야한다. 본 연구를 통해 작은 부피에서 고전압을 발생시킬 수 있다면 이러한 미래기기의 개발을 현실화 할 수 있으며, 더 나아가 인체의 땀, 혈액, 오줌 등을 통해서도 본 기기를 활용하여 에너지를 발생시킬 수 있다. 또한 본 연구에서 진행하는 나노스케일에서의 비선형 동전기 최적화 기술 및 이에 대한 모델링, 분석 기술은 미래 청정 에너지원인 해수/담수를 이용한 농도차 발전의 성능을 극대화 시키는 데에도 크게 기여할 수 있다.

(출처:연구결과 요약문 p.4)

Abstract ▼

■ Purpose & contents

Purpose of Study: The main objective is to develop a high potential electric power generator by mimicking an electric eel, which can produce up to 600 V potential. The mechanism for this high potential generation is by moving ions into and out of highly selective channels

■ Purpose & contents

Purpose of Study: The main objective is to develop a high potential electric power generator by mimicking an electric eel, which can produce up to 600 V potential. The mechanism for this high potential generation is by moving ions into and out of highly selective channels along the membrane, producing an ionic gradient. In this study, several tens of voltage will be realized by optimization of nanoscale nonlinear electerokinetics and arranging more than 200 electric cells serially in microchannel.

1) Research Objectives and Contents of the 1st year - Development of a single electrocyte cell mimicking platform and analysis of nanoscale electrical characteristics
2) Research objectives and contents of the second year - Maximization of energy conversion efficiency through nonlinear nano-scale electrokinetic research and microfluidic control
3) Third Year Research Objective and Contents - Development of micro high voltage generator by serial connection of more than 200 cells using multilayered microchannel


■ Result

According to this research plan, in the first year, we developed a single electrocyte cell mimicking platform by self-assembling the nanoparticles into desired positions and shapes in the microchannel and successfully producing ion selective membranes. The electrical characteristics of nanoscale depending on size and type of nanoparticle, the shape of microchannel were analyzed by ion depletion layer and I-V measurement. In the second year, a high-performance ionic diode with a dramatically increased ionic current than the conventional ionic diode was realized. The electrical characteristics and ion behavior were quantitatively analyzed by fluorescence. In addition, when the ionic diode was installed, the efficiency of a single electrocyte cell inspired micro energy generator was quantitatively analyzed and a high open circuit voltage of about 100 mV exceeding the target value of 85 mV was obtained. In the third year, a multi-cell high voltage generator was realized by connecting a cation or anion exchange membrane, consisting of charged nanoparticles in series with a positively or a negative surface charge using a multilayered microchannel. In this study, full cell stacked with 1, 3, and 5 cells were fabricated and quantitatively compared open circuit voltage, short circuit current and power according to various concentration gradient.


■ Expected Contibution

In order to develop future devices such as human implantable medical devices and micro / nano robots, it is necessary to study the energy supply sources for these devices. In this study, it is possible to realize the development of such a future device if a high voltage can be generated in a small volume, and furthermore, energy can be generated by utilizing this device through the sweat of the human body, blood, and urine. In addition, modeling and analysis for nonlinear nanoscale electrokinetics can contribute to maximizing the performance of the concentration generation power using the future clean energy energy of seawater / fresh water.

(출처:SUMMARY p.5)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 목차 ... 2
• 연구계획 요약문 ... 3
• 연구결과 요약문 ... 4
• 한글요약문 ... 4
• SUMMARY ... 5
• 연구내용 및 결과 ... 6
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 6
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 7
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 7
• 4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 22
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 22
• 6. 연구과정에서 수집한 해외 과학기술정보 ... 22
• 7. 참고문헌 ... 23
• 8. 연구성과 ... 25
• 9. 국가과학기술지식정보서비스에 등록한 연구시설.장비 현황 ... 32
• 10. 연구개발과제 수행에 따른 연구실 등의 안전조치 ... 32
• 11. 기타사항 ... 32
• 끝페이지 ... 32