초록 ▼

□ 연구개요
본 연구의 목표는 인체에서 분비되는 땀에 존재하는 젖산을 CO₂와 물로 완전 산화하여 전기를 생산하는 고성능 연료전지 시스템 개발이다. 웨어러블(wearable) 타입의 효소-미토콘드리아 전극 개발에 필요한 핵심요소기술은 1) 표면적이 넓고 전기전도성이 우수한 전극, 2) 고활성 젖산 산화효소 전극, 3) 고밀도 미토콘드리아 회수를 위한 미생물 배양방법 최적화, 4) 고활성 미토콘드리아 전극, 5) 젖산산화효소 -미토콘드리아 전극 및 이를 anode로 사용하는 연료전지 시스템 설계이다. 유연 전극재료 탐색· 발굴,

□ 연구개요
본 연구의 목표는 인체에서 분비되는 땀에 존재하는 젖산을 CO₂와 물로 완전 산화하여 전기를 생산하는 고성능 연료전지 시스템 개발이다. 웨어러블(wearable) 타입의 효소-미토콘드리아 전극 개발에 필요한 핵심요소기술은 1) 표면적이 넓고 전기전도성이 우수한 전극, 2) 고활성 젖산 산화효소 전극, 3) 고밀도 미토콘드리아 회수를 위한 미생물 배양방법 최적화, 4) 고활성 미토콘드리아 전극, 5) 젖산산화효소 -미토콘드리아 전극 및 이를 anode로 사용하는 연료전지 시스템 설계이다. 유연 전극재료 탐색· 발굴, 고활성 젖산산화효소 탐색·발굴, 나노구조체 코팅방법 개발, 젖산산화효소 고정화 전극의 생화학학·전기화학적 특성 분석을 수행을 통하여 유연 젖산산화효소 전극을 개발하였다. 젖산산화효소-미토콘드리아 전극 기반 연료전지를 개발하였다. 이를 위하여 고밀도 미토콘드리아 확보를 위한 미생물 배양 및 회수방법을 확립하였다. 젖산산화효소와 미토콘드리아 부착 전극 제작·성능 테스트를 수행하였다. 젖산산화효소-미토콘드리아 전극 기반 연료전지 제작·성능 테스트를 수행하였다.

□ 연구 목표대비 연구결과
탄소종이와 폴리에틸렌테레프탈레이즈 기반 유연 전극 재료를 발굴하였다. 탄소나노튜브 또는 그래핀으로 표면 개질된 나노구조체 코팅 전극을 개발하였다. 반응표면 분석법을 이용하여 최적화 젖산산화효소 전극을 개발하였다. 고밀도 배양된 효모균에서 미토콘드리아를 회수하고 이를 현광 현미경으로 확인하였다. 미토콘드리아의 생화학적 활성을 분석하고 전극표면에 이의 고정화방법을 개발하였다. 젖산산화효소-카탈레이즈, 젖산산화효소-미토콘드리아, 젖산산화효소-카탈레이즈-미토콘드리아 전극 제작 및 성능 테스트 결과 젖산산화효소-카탈레이즈-미토콘드리아 전극이 가장 우수한 결과를 나타내었다. 젖산산화효소-카탈레이즈-미토콘드리아 anode 기반 연료전지를 제작하고 방전전류에 따른 셀 전압을 측정하였다. 연료전지는 방전전류 130 μA/cm²에서 최대전력 밀도인 30 μW/cm²를 나타내었다. 계획된 연구를 모두 수행하였으며 이를 통해 다양한 데이터와 아이디어가 새롭게 창출되었음. 수집된 데이터로 논문 작성 중에 있으며 근 시내일 내에 우수 논문들이 많이 발표될 것으로 기대함.

□ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과 (연구개발결과의 중요성)
기존 젖산 연료전지의 문제점을 발견하고 이의 해결책을 제시하는 창의적이고 독창적인 연구임. 땀의 다른 성분(나트륨, 칼륨, 포도당)을 검출하기 위한 바이오센서 전원으로도 사용이 가능하므로 결과의 파급력이 높다. 땀 성분분석을 위한 비침습웨어러블 바이오센서 실용화의 걸림돌이었던 전원공급 문제가 해결됨으로써 이의 실용화 연구가 가속화 될 것임. 피부에 부착 가능한 웨어러블 자가충전형 (self-powered) 바이오센서개발의 기폭제 역할을 할 것으로 기대. 본 연구에서 개발되는 기술들은 타 효소연료전지 개발에도 적용 가능한 플랫폼 기술임: 글리신, 세린, 시스테인 등 피루브산으로 전환되는 아미노산을 포함한 다양한 생체 물질을 연료로 사용하는 효소연료전지 개발에 기여. 본 연구에서 전기화학, 효소반응, 미생물학, 나노화학, 분석화학 등과 관련된 이론과 방법들이 화학적으로 융합된 기술들을 도출할 수 있어 융합연구의 모범사례가 될 것임.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 1.1 최종 연구 목표 ... 4
• 1.2. 핵심 아이디어 (개념도 참조) ... 4
• 1.3. 핵심 요소 기술 ... 4
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 5
• 2.1. 탄소종이(carbon paper)-젖산산화효소(LOx) 기반 연료전지 시스템 개발 ... 5
• 2.2. 반응표면 분석법을 이용한 탄소종이(carbon paper) 표면에 젖산산화효소-가교제 부착량 최적화 ... 7
• 2.3. 그래핀 기반 유연 전극 개발 ... 8
• 2.4. 미토콘드리아의 분리, 관찰 및 생화학적 테스트 ... 9
• 2.5. 탄소나노튜브로 개질된 탄소종이(CP-SWCNTs) 표면에 젖산산화효소, 카탈레이즈 및 미토콘드리아가 부착된 전극 제조 및 성능 테스트 ... 10
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 수준 ... 12
• 1) 정성적 연구개발성과(연구개발결과) ... 12
• 2) 세부 정량적 연구개발성과 ... 12
• 3) 목표 달성 수준 ... 12
• 4) 목표 미달 시 원인 분석 ... 13
• 4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도(연구개발결과의 중요성) ... 13
• 4.1. 연구결과의 의미 및 중요성 ... 13
• 4.2. 기술적, 사회·경제적 파급효과 ... 13
• 5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 13
• 6. 자체점검표 ... 14
• 7. 참고문헌 ... 14
• 붙임1. 세부 정량적 연구개발성과 ... 15
• 붙임2. 연구책임자 대표적 연구실적 및 증빙(요약문 및 사본) ... 17
• 끝페이지 ... 32