초록 ▼

□ 연구개요
군사용/의료용 소형 전자기기 사용에 대한 필요성이 증가하면서, 그러한 전자기기의 전원 시스템 개발이 필요함. 이러한 소형 전원 시스템으로, 신규 효소기반 촉매구조를 이용한 분리막 없는 바이오연료전지를 이용할 수 있으며 이의 개발이 본 연구의 목표임. 이러한 바이오연료전지 개발을 위해, 바이오 연료들을 이용한 레독스 반응 (당 산화 및 산소 환원 반응들)을 최적화 하는 것이 중요함. 이를 위한 효소 촉매구조는 정전기력물리력 및 본딩활성제 도입, 및 다중 파이렌 고분자 물질 등을 통해 합성되며, 빠른 레독스 반응성을

□ 연구개요
군사용/의료용 소형 전자기기 사용에 대한 필요성이 증가하면서, 그러한 전자기기의 전원 시스템 개발이 필요함. 이러한 소형 전원 시스템으로, 신규 효소기반 촉매구조를 이용한 분리막 없는 바이오연료전지를 이용할 수 있으며 이의 개발이 본 연구의 목표임. 이러한 바이오연료전지 개발을 위해, 바이오 연료들을 이용한 레독스 반응 (당 산화 및 산소 환원 반응들)을 최적화 하는 것이 중요함. 이를 위한 효소 촉매구조는 정전기력물리력 및 본딩활성제 도입, 및 다중 파이렌 고분자 물질 등을 통해 합성되며, 빠른 레독스 반응성을 얻기 위한 전자전달 기작을 새롭게 제안함. 또한, 효소촉매 구조들의 성능은 관련 전자/이온들의 생성 및 전달현상을 새로운 물리적/전기화학적 방법으로 해석하는 것을 통해 정량화 함. 이를 통해 고성능/초소형 분리막 없는 바이오 연료전지의 원형 (prototype) 개발을 목표로 함.

□ 연구 목표대비 연구 결과
첫째 목표 : 글루코스 산화반응용 효소촉매구조 개발 : 글루코스 산화반응용 효소촉매구조 개발을 위해 기질로서는 CNT를 이용하고, 거기에 Polyethyleneimine (PEI) 층을 도핑하고 추가로 나노입자 (Ag nanoparticle, Ag NP)와 나프탈렌-씨올기 (Naphthalene-thiol group, Naph-SH)를 도핑한 상태에서 글루코스산화효소 (GOx)를 고정화하는 CNT/PEI/Ag NPs/Naph-SH/GOx 구조를 개발함. 이를 위해 물질 극성 차를 이용한 물리적본딩, 씨올기 및 금속 입자촉매와 효소입자 및 CNT/PEI 층과의 화학적 본딩을 이용하였고, 전자전달 기작으로 직접전자전달 (DET) 법을 이용하였음. 이러한 효소구조 개발을 통해 효소의 고정화도가 증가하고 당산화반응을 위한 효소의 활동도가 증가하였으며 적절한 바이오연료전지 성능을 보여주었음. 이러한 인자들의 측정을 위해 CV 법이나 Nyquist 선도를 이용한 전기화학적 분석, UV-Vis spectrophotometer를 이용한 효소활성도를 측정하였고 이러한 촉매를 이용한 바이오 연료전지를 측정하여 우수한 성능을 얻었음.
둘째 목표 : 산소 환원반응용 효소촉매구조 개발 : 산소 환원반응용 효소촉매구조 개발을 위해 기질로서는 CNT를 이용하고, 거기에 PEI층을 도핑하고 거기에 금 나노입자 (Gold nanoparticle, GNP) 와 나프탈렌기 (Naphthalene group, NPT)를 추가로 도핑한 상태에서 라케이즈 (Lac)효소를 고정화하는 CNT/PEI/[GNP-NPT]/Lac 구조를 개발함. 극성 차를 이용한 물리적본딩, 씨올기 및 금속 입자촉매와 효소입자 및 CNT/PEI 층과의 화학적 본딩을 이용하였고, 직접전자전달 (DET) 법이 적용되었음. 이러한 효소구조 개발을 통해 효소의 고정화도가 증가하고 산소환원반응을 위한 효소의 활동도가 증가하였으며 적절한 바이오연료전지 성능을 보여주었음. 이러한 인자들의 측정을 위해 전기화학적 분석, UV-Vis spectrophotometer를 이용한 효소활성도를 측정하였고 이러한 촉매을 이용한 바이오 연료전지를 측정하여 우수한 성능을 얻었음.
셋째 목표 : 분리막 없는 연료전지 개발 : 위에서 개발된 효소 촉매구조를 이용하여 분리막 없는 연료전지 개발에 성공함. 분극 선도를 통해 연료전지 성능의 전기화학적 성능 평가 방법 개발. PEM 연료전지형 연료전지 셀 (cell)에서 분리막 유무 및 글루코스 및 산소 연료의 조건변화에 따른 최적화된 바이오연료전지 시스템 개발하였음.
넷째 목표: 전자들의 이동 경로에 대한 정량적 분석법 개발: 바이오연료전지의 성능 및 효소 촉매의 촉매 활성을 정량적으로 평가하는 새로운 분석 방법들 개발. (1) 생성/소비된 전자들의 전달속도를 정량적으로 분석. Laviron‘s formula 이용. (2) 전자 및 양이온 저항 분석. (3) 효소촉매에 의한 전자 생성율 분석 등의 방법을 간헐적으로 사용하여 효소촉매 고정화 및 활성을 정량적으로 평가함.

□ 연구개발결과의 중요성
본 연구에서 수행될, 분리막 없는 바이오 연료전지의 원천기술들은 바이오 에너지 분야에 새로운 획을 긋는 모멘텀이 될 것임. 이러한 바이오소자 개발은 또한 BT-NT-IT-ET 융합형 기술이므로, 전 세계적으로 관련 연구가 되고 있는 현실에서, 기술 우월성을 득하기 위해 적극적인 투자가 필요한 연구이며 기술이 완성될 때, 국내 관련 학문 및 산업 발전에 공헌하고 국가 기술 경쟁력 강화에 큰 도움이 될 것으로 예상됨. 응용분야로는, 소형의 생체이식용 의료 기기가 될 것임 (예, 몸속의 피는 혈당 및 산소를 가지고 있으므로 생체이식용 기기의 연료전지에 의한 반영구적 전원공급이 가능, 또한 군사용 소형 전자기기 및 센서가 숲이나 산에 장기간 매복으로 그 전원이 떨어졌을 때, 당 성분이 있는 과일이나 채소 등에 분리막이 필요 없는 바이오 연료전지의 전극을 연결시키면 지속적인 전원 공급이 가능). 현재까지 본 연구주제와 관련하여 본격적인 시장이 형성되지 않았으나, 본 연구에 의한 기술 개발이 이루어져 국내 전자 및 의료산업들과 접목될 경우 차세대 성장동력산업에 큰 영향을 끼칠 것으로 기대됨.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 2. 연구수행내용 및 연구결과 ... 5
• [1] Anode 전극을 위한 산화반응 효소 기반 촉매 구조 개발 ... 5
• [2] Cathode 전극을 위한 산소환원반응 효소 기반 촉매 구조 개발 ... 6
• [3] 분리막을 제거한 바이오연료전지 (Membraneless Enzymatic Biofuel Cell (EBC))개발 ... 7
• 3. 연구개발결과의 중요성 ... 7
• 4. 참고문헌 ... 8
• 5. 연구성과 ... 10
• 끝페이지 ... 10