KR101477922B1 - Method for preparing piezo-electric material, piezo-electric material prepared by the same, and nanogenerator comprising the piezo-electric material - Google Patents

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정창규
김인수
박귀일
오미화
황건태
이건재
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Abstract

The present invention relates to a method for preparing a piezo-electric material using a virus templet. Provided is a method for preparing a piezo-electric material which includes a step of mixing a barium precursor solution in a virus templet combined with an anion function on a surface; a step of mixing a titanium precursor solution in the mixed precursor solution; and a step of removing the virus templet by firing a material collected from the mixed solution.

Description

바이러스-템플릿을 이용한 압전물질 제조방법, 이에 의하여 제조된 압전물질 및 이를 포함하는 나노제너레이터{Method for preparing piezo-electric material, piezo-electric material prepared by the same, and nanogenerator comprising the piezo-electric material}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method of manufacturing a piezoelectric material using a virus-template, a piezoelectric material manufactured thereby, and a nano-generator including the same,

본 발명은 바이러스-템플릿을 이용한 압전물질 제조방법, 이에 의하여 제조된 압전물질 및 이를 포함하는 나노제너레이터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 생물학적 자기-조립 방법을 사용하여, 높은 분산도와 결정성을 동시에 가지는 페브로스카이트 압전 물질을 제조할 수 있는, 바이러스-템플릿을 이용한 압전물질 제조방법, 이에 의하여 제조된 압전물질 및 이를 포함하는 나노제너레이터에 관한 것이다. The present invention relates to a method for manufacturing a piezoelectric material using a virus-template, a piezoelectric material manufactured thereby, and a nano-generator including the same. More particularly, the present invention relates to a method for manufacturing a piezoelectric material using a virus- The present invention relates to a method for manufacturing a piezoelectric material using a virus-template capable of producing a piezoelectric material, a piezoelectric material produced thereby, and a nano-generator including the same.

현재 정보통신의 발달에 따라 압전소자, 태양전지 등의 전기 소자의 필요성 및 대용량화가 대두되고 있다. 이러한 전기 소자 중 인가되는 압력에 따라 전력을 생산하는 소자가 압전 소자이다. BACKGROUND ART [0002] With the development of information communication, electric devices such as piezoelectric elements and solar cells have become necessary and large-capacity. A piezoelectric element produces power according to the pressure applied to the electric element.

압전소자란 압전기(壓電氣) 현상을 나타내는 소자를 의미한다. 상기 압전 소자는 피에조 전기소자라고도 하며, 수정, 전기석, 로셸염 등이 일찍부터 압전소자로서 이용되었으며, 근래에 개발된 지르코늄산납, 타이타늄산바륨(BaTiO3, 이하 BTO), 인산이수소암모늄, 타타르산에틸렌다이아민 등의 인공결정도 압전성이 뛰어나며 도핑을 통해 더 뛰어난 압전특성을 유도할 수 있게 된다. A piezoelectric element means a device exhibiting a piezoelectric phenomenon. The piezoelectric element is also referred to as a piezoelectric element, and quartz, tourmaline, and rochelite have been used as piezoelectric elements since the early days. Recently, barium titanate (BaTiO 3 , BTO), ammonium dihydrogen phosphate, Artificial crystals such as ethylene ethylenediamine are also excellent in piezoelectricity and can induce more excellent piezoelectric characteristics through doping.

이중 BTO는 특히 납이 없으므로, 생체 친화적 특성을 가지므로, 활용가능성이 높은 물질로 여겨지고 있으나, 페브로스카이트 나노물질을 합성하는 일반적인 방식은 독성 유기 용매와 알콕사이드 전구체를 사용한다는 문제가 있다. 더 나아가, 얻어진 나노물질이 고분자 잔류물이나 계면 활성제에 의하여 오염되며, 이는 결국 물질의 본래 특성에 나쁜 영향을 주게 된다. Although BTO is considered to be highly utilizable because it has biocompatibility because it has no lead, the general method of synthesizing the fibrous kraft nanomaterial has the problem of using toxic organic solvent and alkoxide precursor. Furthermore, the resulting nanomaterial is contaminated by polymer residues or surfactants, which in turn has a negative impact on the original properties of the material.

최근 종래 기술에 대한 대안으로, 생물학적 물질을 주형으로 하는 바이오 템플릿(Biological Template)에 기반한 새로운 합성 방법으로, 상온 조건 하에서 독특한 특성을 갖는 무기 구조체를 생성할 수 있는 방법이 개시된다. 예를 들어, DNA, 바이러스 및 마이크로유기체를 템플릿(주형)으로 사용하여 물질 특성(예를 들어, 조성, 결정성, 상, 모폴로지 등)을 제어할 수 있고, 또한 이를 환경 친화적이고, 에너지 효율적인 제조 공정에 활용하는 기술이 개시되고 있다. 특히, 바이러스는 유적적으로 프로그램 가능한 도구로서 솰용하여, 나노 크기의 무기 구조체의 자기조립에 활용하며, 이는 특이적 펩타이드-매개 상호작용을 이용한다. Recently, as an alternative to the conventional art, a new synthesis method based on a biological template using a biological material as a template is disclosed, which can produce an inorganic structure having unique characteristics under normal temperature conditions. For example, DNA, viruses, and micro organisms can be used as templates to control material properties (e.g., composition, crystallinity, phase, morphology, etc.) and to make it environmentally friendly, Technology for use in the process is disclosed. In particular, viruses are used historically as programmable tools to self-assemble nano-sized inorganic structures, which use specific peptide-mediated interactions.

하지만, 바이오 기반의 안정된 네트워크를 가지는 플렉서블 미세발전기, 즉, 플렉서블 나노제너레이터는 아직까지 개시되지 못하는 상황이다.
However, a flexible microgenerator having a bio-based stable network, that is, a flexible nano generator, has not yet been launched.

따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 바이오 기반의 안정된 네트워크를 가지는 압전 물질 및 이에 기반한 나노제너레이터를 제공하는 것이다. Accordingly, a problem to be solved by the present invention is to provide a piezoelectric material having a bio-based stable network and a nano generator based thereon.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 바이러스-템플릿을 이용한 압전물질 제조방법으로, 바이러스-템플릿에 압전물질 전구체 용액을 결합시켜 착화합물을 형성하는 단계; 및 상기 바이러스-템플릿에 압전물질을 합성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이러스-템플릿을 이용한 압전물질 제조방법을 제공한다. According to an aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a piezoelectric material using a virus-template, comprising: forming a complex by binding a piezoelectric material precursor solution to a virus-template; And synthesizing a piezoelectric material in the virus-template. The present invention also provides a method of manufacturing a piezoelectric material using the virus-template.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 바이러스-템플릿을 이용한 압전물질 제조방법은, 표면에 음이온 기능기 또는 압전물질에 특이적 기능기가 결합된 바이러스 템플릿에 바륨 전구체 용액을 혼합하는 단계; 및 상기 혼합된 전구체 용액에 티타튬 전구체 용액을 혼합하는 단계를 포함한다. According to an embodiment of the present invention, there is provided a method of manufacturing a piezoelectric material using a virus-template, comprising: mixing a barium precursor solution with a virus template having an anionic functional group or a piezoelectric material-specific functional group bonded to its surface; And mixing the titanium precursor solution with the mixed precursor solution.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 바이러스-템플릿을 이용한 압전물질 제조방법은, 상기 혼합된 용액으로부터 회수된 물질을 하소시켜 상기 바이러스 템플릿을 제거하는 단계를 더 포함한다. In one embodiment of the present invention, the method for manufacturing a piezoelectric material using the virus-template further comprises the step of removing the virus template by calcining the recovered material from the mixed solution.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 바이러스 템플릿은 E3-M13 바이러스이다. In one embodiment of the present invention, the virus template is the E3-M13 virus.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 E3-M13 바이러스는, M13 바이러스의 pVIII 단백질 N 말단에서 글루타메이트 삼량체가 각각 결합된 것이다. In one embodiment of the present invention, the E3-M13 virus is a glutamate trimer bound to the N terminus of the pVIII protein of the M13 virus, respectively.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 음이온 기능기는 카르복실레이트기이다. In one embodiment of the present invention, the anionic functional group is a carboxylate group.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 바륨 전구체 용액 및 티타늄 전구체 용액은, 각각 바륨 글리콜레이트 및 티타늄 글리콜레이트이다. In one embodiment of the present invention, the barium precursor solution and the titanium precursor solution are barium glycolate and titanium glycolate, respectively.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 바륨 글리콜레이트는 상기 바이러스 템플릿 표면의 카르복실레이트의 정전기적으로 결합하여 배위결합을 이룬다. In one embodiment of the present invention, the barium glycolate is electrostatically bound to the carboxylate of the surface of the virus template to form a coordination bond.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 티타늄 글리콜레이트는 상기 바륨 글리콜레이트와 정전기적으로 결합한다. In one embodiment of the present invention, the titanium glycolate electrostatically binds to the barium glycolate.

본 발명은 또한 상술한 방법에 의하여 제조된 BTO 압전물질을 제공한다. The present invention also provides the BTO piezoelectric material produced by the above-described method.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 압전물질은 섬유질의 페브로스카이트 결정 구조를 이룬다. In one embodiment of the present invention, the piezoelectric material has a fibrous fibrous crystal structure.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 BTO 압전물질은 비등방성을 이루며, 상기 BTO 압전물질 구조는 상기 바이러스 템플릿 구조를 따른다. In one embodiment of the present invention, the BTO piezoelectric material is anisotropic, and the BTO piezoelectric material structure follows the virus template structure.

본 발명은 또한 상술한 방법에 의하여 제조된 BTO 압전물질을 압전층으로 포함하는 플렉서블 나노제너레이터를 제공한다. The present invention also provides a flexible nano-generator including the BTO piezoelectric material as a piezoelectric layer manufactured by the above-described method.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 플렉서블 나노제너레이터는, 하부 플렉서블 기판; 상기 하부 플렉서블 기판 상에 구비된 하부 전극; 상기 하부 전극 전극 상에 구비되며, 상술한 방법에 의하여 제조된 BTO 압전물질을 포함하는 압전물질층; 상기 압전물질층 상에 구비된 상부전극; 및 상기 상부전극 상에 구비된 상부 플렉서블 기판을 포함한다.In one embodiment of the present invention, the flexible nano generator includes: a lower flexible substrate; A lower electrode provided on the lower flexible substrate; A piezoelectric material layer provided on the lower electrode electrode and including the BTO piezoelectric material manufactured by the method described above; An upper electrode provided on the piezoelectric material layer; And an upper flexible substrate provided on the upper electrode.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 압전물질층은 상술한 방법에 의하여 제조된 BTO 압전물질을 고분자에 혼합시켜 제조된다.In one embodiment of the present invention, the piezoelectric material layer is produced by mixing the BTO piezoelectric material prepared by the above-described method into a polymer.

본 발명에 따르면, 생물학적 자기-조립 방법을 사용하여, 높은 분산도와 결정성을 동시에 가지는 페브로스카이트 압전 물질을 제조할 수 있으며, 상기 제조된 압전물질은 에너지 하베스트 소자로 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 BTO 압전물질은, 바이러스-금속간 이온 착화합물로부터 제조되며, 이는 금속-기반 리간드와 유전공학적으로 변형된 단백질간 상호 작용에 기인한 것이다. 이에 따라 제조된 바이러스-템플릿 BTO 기반 플렉서블 나노제너레이터는 별도의 에너지 공급원 없이 단독으로 상용 소자를 구동하는데 충분한 전력을 공급할 수 있다. According to the present invention, a piezoelectric self-assembling method can be used to produce a piezoelectric material having a high degree of dispersion and crystallinity, and the piezoelectric material can be used as an energy harvesting device. The BTO piezoelectric material according to the present invention is produced from a virus-intermetallic ion complex, which is due to the interaction between the metal-based ligand and the genetically engineered protein. The fabricated virus-based BTO-based flexible nano-generator can supply enough power to drive commercial devices alone without a separate energy source.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이러스 템플릿 BTO 나노구조체를 제조하는 전체 공정의 모식도이다.
도 2는 본 발명에 따른 바이러스-템플릿 BTO 나노구조체의 합성 공정을 상세히 설명하는 도면이다.
도 3은 플렉서블 매트릭스 내로 삽입된 단순화된 바이러스-템플릿 BTO 모델의 압전 전압을 나타내는 도면이다.
도 4 내지 6은 본 발명에 따라 바이러스-템플릿을 사용하여 생성된 물질의 전체적인 모폴로지 및 특성 분석 결과를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 바이러스-금속 이온 착화합물의 ATR-IR 스펙트로스코피와 XPS 분석 결과이다.
도 8은 열처리 공정에 따른 중간상과 그 성분을 분석한 결과이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노제너레이터 제조방법과, 물리적 변형으로부터 에너지를 회수하는 방법을 설명하는 도면이다.
도 10은 본 발명에 따라 제조된 바이러스-템플릿 BTO 나노제너레이터의 특성 분석과 그 응용 결과를 나타내는 사진이다.
1 is a schematic diagram of an entire process for preparing a virus template BTO nanostructure according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a view illustrating a process for synthesizing the virus-template BTO nanostructure according to the present invention in detail.
Figure 3 is a diagram showing the piezoelectric voltage of a simplified virus-template BTO model inserted into a flexible matrix.
4 to 6 are diagrams showing the overall morphology and characterization results of a substance produced using a virus-template according to the present invention.
FIG. 7 shows the results of ATR-IR spectroscopy and XPS analysis of virus-metal ion complexes according to the present invention.
8 is a result of analysis of the intermediate phase and its components in the heat treatment process.
9 is a view for explaining a method of manufacturing a nano-generator according to an embodiment of the present invention and a method of recovering energy from physical deformation.
10 is a photograph showing the characteristics of the virus-template BTO nano-generator according to the present invention and its application results.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 각 실시예에 따른 아이템 이용 기간 제어 방법 및 이를 위한 서버를 설명하기로 한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, an item usage period control method and a server therefor according to embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

이하의 설명에서 본 발명에 대한 이해를 명확히 하기 위하여, 본 발명의 특징에 대한 공지의 기술에 대한 설명은 생략하기로 한다. 이하의 실시 예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 상세한 설명이며, 본 발명의 권리 범위를 제한하는 것이 아님은 당연할 것이다. 따라서, 본 발명과 동일한 기능을 수행하는 균등한 발명 역시 본 발명의 권리 범위에 속할 것이다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The following examples are intended to illustrate the present invention and should not be construed as limiting the scope of the present invention. Accordingly, equivalent inventions performing the same functions as the present invention are also within the scope of the present invention.

이에 본 발명자는 상술한 종래 기술의 문제를 해결하기 위하여, 양이온 또는 음이온의 전하를 표면에 띠는 바이러스-템플릿을 이용하여 압전물질을 제조하며, 특히 바이러스-템플릿에 압전물질 전구체 용액을 정전기적 인력 또는 반데르발스 인력과 같은 작용으로 결합시켜 착화합물을 형성하고, 다시 이후 상기 바이러스-템플릿을 열처리 등으로 제거하여 압전물질을 제조한다. In order to solve the problems of the prior art described above, the inventor of the present invention has proposed a method of manufacturing a piezoelectric material using a virus-template having a charge of a positive ion or an anion on the surface thereof, Or Van der Waals attractive force to form a complex, and then the virus-template is removed by heat treatment or the like to produce a piezoelectric material.

이하 압전물질은 BTO로, 상기 바이러스는 M13 바이러스로 설명되나, 적어도 당업자라면 동일한 원리로 다양한 압전물질과 바이러스를 활용, 압전물질을 본 명세서로부터 도출할 수 있으며, 본 발명의 범위는 하기 실시예에 의하여 제한되지 않는다. Hereinafter, the piezoelectric material will be described as BTO, and the virus will be described as M13 virus. However, at least those skilled in the art can derive a piezoelectric material from the specification using various piezoelectric materials and viruses on the same principle. .

본 발명의 일 실시예에서는 고용량의 안정된 비등방성 BTO 플렉서블 나노제너레이터를, M13 바이러스(M13 bacteriophage)를 템플릿으로 사용하여 제조한다. 본 명세서에서 바이러스-주형이라 함은 바이러스를 주형으로 사용하였다는 것을 의미한다. In one embodiment of the present invention, a high-capacity stable anisotropic BTO flexible nano-generator is prepared using the M13 virus (M13 bacteriophage ) as a template. The term virus-template in this specification means that the virus is used as a template.

본 발명에서 사용된 M13 바이러스는 유전학적으로 엔지니어링되어, 각 pVIII 단백질의 N 말단에서 글루타메이트 삼량체가 존재한다. 상기 바이러스는 이하 'E3-M13'으로 이하 표시되며, 상기 바이러스를 주형으로 하여 BTO 기반 압전 물질이 제조된다. The M13 virus used in the present invention is genetically engineered such that there is a glutamate trimer at the N-terminus of each pVIII protein. The virus is hereinafter referred to as 'E3-M13' and a BTO-based piezoelectric material is prepared using the virus as a template.

본 발명자는 하기 설명되는 실험예에서 바륨 및 티타늄 전구체 이온이 상기 바이러스의 E3 펩타이드와 금속이온-펩타이드 결합 반응을 통하여 효과적으로 결합되는 사실을 발견하였다. The present inventors have found that barium and titanium precursor ions are effectively bound to the E3 peptide of the virus through a metal ion-peptide bond reaction in the following experimental examples.

이때 M13의 섬유질 형태는 비등방성의 압전 물질의 균일 분산상 형성을 유도하는데 매우 중요한 역할을 수행할 수 있으며, 이는 효과적인 압전 소자 제조에 있어서 매우 중요한 요소이다. 금속 이온과 바이러스 캡시드 단백질 사이의 상호 작용과, 이에 따라 바이러스-금속 이온 착화합물 형성, 그리고 이에 따라 얻어지는 비등방성 BTO 나노결정 구조체를 이하 상세히 분석된다. At this time, the fibrous form of M13 can play a very important role in inducing the formation of an evenly dispersed phase of anisotropic piezoelectric material, which is a very important factor in the production of effective piezoelectric devices. The interaction between the metal ion and the virus capsid protein, and thus the virus-metal ion complex formation, and thus the anisotropic BTO nanocrystal structure thus obtained, are analyzed in detail below.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 바이러스 템플릿 BTO 나노구조체를 제조하는 전체 공정의 모식도이다. 1 is a schematic diagram of an entire process for preparing a virus template BTO nanostructure according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 유전적으로 변형된 M13 바이러스를 리간드 용액에서 배양하여, 바이러스-금속 이온 착화합물을 제조하여, 고순도로 여과되고, 잘 분산된 나노구조체를 하소 공정을 통하여 얻었다. Referring to FIG. 1, virus-metal ion complexes were prepared by culturing the genetically modified M13 virus in a ligand solution, and a highly purified and well dispersed nanostructure was obtained by calcination.

실시예 1Example 1

M 13 바이러스의 pVIII 조작Manipulation of pVIII of M13 virus

pVIII에서 3개의 글루타메이트(이하 E3로 표시됨)를 삽입하기 위하여, M13KE 파지 벡터를 위치-표적의 돌연변이 유발효소(mutagenesis)로 개질시켰다. 6250 위치에 이미 존재하는 PstI 위치를, A를 T로 치환시킴으로써 제거하였다. pVIII로 DNA 삽입을 위한 제한 효소의 특이적 위치를 상기 돌연변히 유발효소로 생성시켰다. 또한, 1372 위치에서 T를 A로 치환시키고, 1381 위치에서 C를 G로 치화시킴으로써 PstI 위치와 BamHI 위치를 각각 추가하였다. E3의 서열은 하기와 같이 합성되었다. To insert three glutamates (hereinafter denoted as E3) in pVIII, the M13KE phage vector was modified with site-directed mutagenesis. The PstI site that was already present at position 6250 was removed by substituting A for T. [ The specific site of the restriction enzyme for DNA insertion with pVIII was generated with the mutagenesis enzyme. In addition, PstI and BamHI positions were added by replacing T with A at position 1372 and C at position 1381, respectively. The sequence of E3 was synthesized as follows.

포워드, 5ㅄ-[phos] GAA GAG GAA-3ㅄ 및 리버스, 5ㅄ-[phos] GAT CTT CCT CTT CTG CA-3ㅄ. Forward, 5 ㅄ - [phos] GAA GAG GAA-3 ㅄ and Reverse, 5 ㅄ - [phos] GAT CTT CCT CTT CTG CA-3 ㅄ.

어닐링된 DNA 절편을 pVIII-개질 M13KE 파지 벡터로 라이게이션하였으며, XL-1 블루 컴피턴트 세포(XL1-blue competent cell)로 전이시켰다. The annealed DNA fragment was ligated to the pVIII-modified M13KE phage vector and transferred to XL-1 blue competent cells.

E3를 pVIII 표면에서 발현하도록 조작된 M13 파지는 DNA 시쿼싱과, ER2738 성장 배지를 사용하여 증폭되었다.
The M13 phage engineered to express E3 on the pVIII surface was amplified using DNA sequencing and ER2738 growth medium.

바이러스-템플릿 플렉서블 BTO 소자 제조Virus - Template Flexible BTO Device Manufacturing

도 2는 본 발명에 따른 바이러스-템플릿 BTO 나노구조체의 합성 공정을 상세히 설명하는 도면이다.FIG. 2 is a view illustrating a process for synthesizing the virus-template BTO nanostructure according to the present invention in detail.

도 2를 참조하면, pVIII의 주외곽 단백질(Major Coat Protein)은 양이온으로 대전된 금속 이온 전구체와 강하게 상호작용하여 결합하는데, 이것은 도 3에서 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 바이러스 템플릿 표면과 유전학적으로 결합된 잉여의 음이온성의 카르복실레이트기(음이온 기능기, carboxylates)와의 정전기적 결합때문이다. Referring to FIG. 2, the Major Coat Protein of pVIII strongly binds to and binds to the positively charged metal ion precursor. As shown in FIG. 3, the surface of the virus template according to the present invention and the genetically- (Anionic functional groups, carboxylates) associated with the anion.

도 2에 도시된 바이러스-금속 이온 착화합물(Virus-metal ionic complex)을 제조하기 위하여, 200mM의 바륨 글리코레이트 용액을 1013 pfu·mL-로 E3-M13 바이러스와 함께 초기 2시간 동안 상온에서 배양하고, 다음 200mM의 티타늄 글리코레이트를 상기 바이러스 용액에 첨가하였다. 이때 상기 티타늄 전구체 용액을 섭씨 80도에서 pH≥10 조건에서 첨가하여 상기 두 종류의 글리콜레이트 전구체 용액의 농축과 확산을 촉진시켰는데, 상기 티타늄 글리콜레이트 킬레이트 [TiIV(OCH2CH2O)3]2-는 음이온으로 대전되어 있으므로, 전기적으로 매우 강한 음이온 전하를 띠고 있는 E3-M13와 정전기적으로 반발할 수 있기 때문에, 상기 연속된 순서의 첨가는 매우 중요하다. To a metal ion complex to produce a (Virus-metal ionic complex), barium glycolate solution of 200mM 10 13 pfu · mL - - also the virus shown in Figure 2 and by incubation at room temperature for the first two hours with E3-M13 virus , Then 200 mM of titanium glycollate was added to the virus solution. At this time, the titanium precursor solution was added at a temperature of 80 ° C. at a pH≥10 to promote the concentration and diffusion of the two types of glycolate precursor solution. The titanium glycolate chelate [Ti IV (OCH 2 CH 2 O) 3 ] 2- is electrostatically charged with E3-M13, which is electrically charged with an extremely strong negative ion charge, because of being charged with anions, it is very important to add the above sequential order.

즉, 바륨 글리콜레이트 킬레이트 [BaII(HOCH2CH2OH)4(OH2)]2+는 양이온 전하를 띠고 있으므로, 이러한 정전기적 반발을 피할 수 있으며, 따라서, 바륨 전구체 용액은 상기 바이러스와 용이하게 정전기적으로 먼저 결합할 수 있다. That is, the barium glycolate chelate [Ba II (HOCH 2 CH 2 OH) 4 (OH 2 )] 2+ has a cationic charge and thus avoids such electrostatic repulsion, Can be electrostatically coupled first.

이후, 상기 바이러스와 정전기적으로 결합한 바륨 글리콜레이트는, 추후 첨가되는 티타늄 글리콜레이트를 정전기적 작용과 수소 결합에 의하여 쉽게 결합한다. Barium glycolate, which is electrostatically bound to the virus, is then easily bound to titanium glycolate by electrostatic action and hydrogen bonding.

만약, 상기 두 전구체를 동시에 함께 첨가하는 경우, 상기 티타늄 글리콜레이트는 쉽게 자기중합되어, 매우 큰 침전 응집물을 형성하며, 바륨 글리콜레이트는 용해된 리간드 형태로만 존재하게 된다. If the two precursors are added together at the same time, the titanium glycolate is easily self-polymerized to form a very large precipitate aggregate, and barium glycolate is present only in the form of the dissolved ligand.

또한, 본 발명에 따른 BTO 기반 나노제너레이터에서 하소 공정인 열처리 공정은 페브로스카이트 결정 구조체를 형성하는데 필요한 공정인데, 이는 BTO의 높은 결정 에너지 때문이다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 하소 공정은 섭씨 600 내지 1000도에서 2시간 진행되었다. 하지만, 필요에 따라 상기 온도 및 시간은 자유로이 달리 선택할 수 있으며, 더 나아가, 템플릿 제거를 위한 상기 하소 공정을 생략할 수 있다. Also, in the BTO-based nano-generator according to the present invention, the heat treatment process as the calcination process is a process necessary for forming the perovskite crystal structure because of the high crystal energy of the BTO. In one embodiment of the present invention, the calcination process was conducted at 600 to 1000 degrees Celsius for 2 hours. However, if necessary, the temperature and time can be freely selected, and further, the calcination process for removing the template can be omitted.

본 발명의 일 실시예에 따른 상기 바이러스-템플릿은 이어지는 열처리 공정인 하소 공정에서 제거되나, 비등방성의 섬유질 형상의 BTO 나노구조체는 고결정성을 유지한 채 남게 된다(하기 도 5 참조). 단일 배양 단계를 사용하는 경우, 하소 후 잔존하는 물질은 티타늄이 풍분한 물질, 예를 들어 BaTi4O9 및 BaTi2O5와 같은 물질만이 된다.
The virus-template according to an embodiment of the present invention is removed in the subsequent calcination process, but the anisotropic fibrous BTO nanostructure remains highly crystalline (see FIG. 5). If a single incubation step is used, the remaining material after calcination will be only materials such as BaTi 4 O 9 and BaTi 2 O 5 , which are spun with titanium.

분석analysis

도 3은 플렉서블 매트릭스 내로 삽입된 단순화된 바이러스-템플릿 BTO 모델의 압전 전압을 나타내는 도면이다. Figure 3 is a diagram showing the piezoelectric voltage of a simplified virus-template BTO model inserted into a flexible matrix.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따라 제조된 비등방성 바이러스-템플릿 BTO 나노구조체의 엉킨 구조는, 나노제너레이터의 에너지 하베스팅에 매우 중요하다는 것을 알 수 있다. Referring to FIG. 3, it can be seen that the tangential structure of the anisotropic virus-template BTO nanostructure prepared according to the present invention is very important for energy harvesting of the nano-generator.

도 3에서는 비등방성 BTO 나노구조체의 압전전압 분포가 X축의 인장 스트레스에 대한 색깔로 나타났다. 유한 요소 해석(FEA)에 따라, 바이러스-템플릿 섬유질 BTO 나노구조체가 BTO 나노입자에 비하여 월등히 효과적으로 기계적 진동으로부터 전기 에너지를 생성할 수 있다는 것을 알 수 있었다. In Fig. 3, the piezoelectric voltage distribution of the anisotropic BTO nanostructure was shown as a color for tensile stress on the X axis. According to the finite element analysis (FEA), it was found that the virus-template fibrous BTO nanostructures can generate electrical energy from mechanical vibration much better than BTO nanoparticles.

본 발명에 따라 바이러스-템플릿을 사용하여 생성된 물질의 전체적인 모폴로지 및 특성 분석 결과는 도 4 내지 6에 개시된다. Results of the overall morphology and characterization of the material generated using the virus-template according to the present invention are set forth in Figures 4-6.

도 4는 우라닐 아세테이트에 의하여 음전하를 띠는 캡시드의 바이러스인 E3-M13 의 TEM 이미지이다. Fig. 4 is a TEM image of E3-M13, a virus of capsid-bearing capsid by uranyl acetate.

도 4를 참조하면, 잘 엉클어진 직경 약 7 nm인 섬유질 구조를 볼 수 있다. Referring to FIG. 4, a fibrous structure with a well-mixed diameter of about 7 nm can be seen.

도 4의 삽입 이미지는 상기 E3-M13 바이러스와 정상균주(wild type)인 M13(M13KE)의 제타-포텐셜 분석을 트리스 완축액 샐라인(TBS) 분석 결과이다. In the inset image of FIG. 4, the zeta-potential analysis of the E3-M13 virus and the wild type M13 (M13KE) is the result of Tris buffer solution Tris analysis.

도 4의 삽입 이미지를 참조하면, E3-M13이 M13KE보다 음이온 전하량이 많은 것을 알 수 있다. Referring to the inset image of FIG. 4, it can be seen that E3-M13 has more negative charge than M13KE.

또한 도 5를 참조하면, 금속 리간드를 바이러스 표면에 응집시키기 위한 글리콜레이트 하소 공정 후, 얻어지는 구조체 직경은 약 20nm 수준까지 증가하였으나, 퍼콜레이트 형의 바이러스 구조는 잘 유지되는 것을 알 수 있다. 바이러스의 비정질 매트릭스의 몇몇 결정형 구조는 티타늄 글리콜레이트의 가수분해에 의하여 관찰되었으며, 이는 도 5에 삽입된 HRTEM 이미지 분석 결과로부터 알 수 있다.Also, referring to FIG. 5, it can be seen that, after the glycolate calcination step to coagulate the metal ligand on the virus surface, the resulting structure diameter increased to about 20 nm level, but the percolate type virus structure was well maintained. Some crystalline structures of the amorphous matrix of viruses were observed by hydrolysis of titanium glycolate, which can be seen from the HRTEM image analysis results embedded in FIG.

이들 결정형 구조는, SAED(selected-area electron diffraction) 분석 결과 작은 크기의 TiO2 영역으로 판단되나, 상기 바이러스 템플릿 중간체의 전체적인 XRD 패턴은 어떠한 피크를 나타내지 않는데, 이것은 대부분의 착화합물이 글리콜레이트/금속 산화물-기반 비정질 영역으로 이루어졌기 때문이다. These crystal structures are judged to be small-sized TiO 2 regions as a result of selected-area electron diffraction (SAED) analysis, but the overall XRD pattern of the virus template intermediate does not show any peaks because most of the complexes are glycolate / - based amorphous regions.

도 6을 참조하면, 하소 공정 후, 잘 분산된 모폴로지와 비등방성 형태를 갖는 최종 바리러스-템플릿 BTO 나노구조체는, 열처리에 따라 너비 50 내지 100 nm를 갖게 되는 것을 알 수 있다. 상기 나노결정의 입자 크기는 정방상(tetragonal phase)을 형성하기에 충분하며, 이것은 본 발명에 따른 물질이 사용되는 압전 특성에 있어 매우 중요하다. 도 6의 삽입 이미지는 하소 공정 후 얻게 되는 정방상의 페브로스카이트 구조를 확실히 보여준다. Referring to FIG. 6, it can be seen that, after the calcination process, the final varnish-template BTO nanostructure having a well-dispersed morphology and an anisotropic shape has a width of 50 to 100 nm according to the heat treatment. The particle size of the nanocrystals is sufficient to form a tetragonal phase, which is very important for the piezoelectric properties in which the material according to the invention is used. The insert image of Figure 6 clearly shows the cubic structure of the perovskite obtained after the calcination process.

삼량체(tremeric) 또는 사량체(tetrameric) 글루타메이트를 발현시키는 M13 바이러스는 금속 산화물 합성에 템플릿으로 매우 유용하다. 하지만, 바이러스-금속 이온 착화합물의 화학적 성질에 대한 보다 정확한 분석을 아래에서 진행하였다. The M13 virus expressing tremeric or tetrameric glutamate is very useful as a template for metal oxide synthesis. However, a more accurate analysis of the chemical properties of the virus-metal ion complexes was conducted below.

도 7은 본 발명에 따른 바이러스-금속 이온 착화합물의 ATR-IR 스펙트로스코피와 XPS 분석 결과이다.FIG. 7 shows the results of ATR-IR spectroscopy and XPS analysis of virus-metal ion complexes according to the present invention.

도 7을 참조하면, 글루타메이트의 카르복실산에서의 2개의 산소 원자가 중심 금속의 킬레이트에 기여하는 것을 알 수 있는데, 이것은 본 발명에 따라 발현되는 글루타메이트의 카르복실레이트가 하이드록실기보다 높은 전기밀도를 가지기 때문이다. Referring to FIG. 7, it can be seen that the two oxygen atoms in the carboxylic acid of glutamate contribute to the chelate of the central metal because the carboxylate of the glutamate expressed in accordance with the present invention has a higher electrical density than the hydroxyl group It is because it has.

킬레이트의 금속-산소 배위 결합은 670cm-1 미만의 다수 피크로부터 알 수 있는데, Ti-O 결합의 신축 진동이 하소된 형태의 최종 바이러스-템플릿 BTO 뿐만 아니라, 바이러스-금속 이온 착화합물에서도 관찰되었다. 본 발명에 따른 킬레이션화는 금속 원소 주변의 탄소 원자에 의하여 이루어지므로, O1s XPS 분석 결과는 착 화합물의 결합 구조에서의 화학 상태를 이해하는데 중요하다. 넓은 스펙트럼에서, 산소-금속 킬레이트 결합이 C-O 결합 에너지(531.0 eV)보다 낮은 결합 에너지(530.8 eV)에서 관찰될 수 있다. 더 나아가, 보다 낮은 에너지(529.5 eV)에서의 금속 산화물의 명확한 접힘(envelope) 특성이 관찰되었는데, 이는 바이러스-금속 이온 착화합물로부터의 HRTEM 및 SAED 결과로 관찰된 결정질 및 비정질 TiO2와 일치한다. The metal-oxygen coordination of the chelate can be seen from multiple peaks of less than 670 cm-1, where the stretching vibration of the Ti-O bond was observed in the virus-metal ion complex as well as the final virus-template BTO in the calcined form. Since the chelation according to the present invention is made by the carbon atoms around the metal element, the result of the O1s XPS analysis is important for understanding the chemical state in the bonding structure of the complex compound. In a broad spectrum, oxygen-metal chelate bonds can be observed at binding energies (530.8 eV) lower than CO bond energies (531.0 eV). Furthermore, a clear envelope characteristic of the metal oxide at lower energy (529.5 eV) was observed, which is consistent with the crystalline and amorphous TiO 2 observed as a result of HRTEM and SAED from virus-metal ion complexes.

도 8은 열처리 공정에 따른 중간상과 그 성분을 분석한 결과이다. 8 is a result of analysis of the intermediate phase and its components in the heat treatment process.

도 8을 참조하면, TG(Thermogravimetry)와 DSC(Differential scanning calorimetry) 분석 결과는 물 증발과 M13의 연소가 각각 섭씨 100 내지 200도와 섭씨 200 내지 400도에서 이루어진다는 것을 나타낸다. 글리콜레이트의 탄소원이 섭씨 400도 이후 연소되었지만, 두 금속 원소의 어닐링과 확산에 기인한 넓은 흡열 영역이 존재하였다(도 8a 참조). 섭씨 600 내지 900도에서의 연소의 경우, 불충분한 열처리에 의한 다양한 티타늄-풍부 조성 또는 상이 생성되었다. 정방성 페브로스카이트 BTO의 일반 결과 형상에 대응하는 최종 바이러스-템플릿 BTO 나노구조체의 라만 시프트 밴드가 나타났다(도 8b 참조). 특히, 정방상은 307 cn-1에서의 B1 및 E 모드를 나타내며, 715cm-1에서의 고주파 수평 옵틱 모드를 나타내었는데, 이것은 큐빅에서의 정방상으로의 변형에 대한 실험적 증거이다. XRD 패턴 또한 BTO의 P3mm 결정 구조를 정의하는데, 이것은 도 10b의 삽입 이미지를 통하여 확인할 수 있다. Referring to FIG. 8, the results of TG (Thermogravimetry) and DSC (differential scanning calorimetry) analysis show that water evaporation and M13 combustion occur at 100 to 200 degrees Celsius and 200 to 400 degrees Celsius, respectively. Although the carbon source of the glycolate burned after 400 degrees Celsius, there was a wide endothermic region due to the annealing and diffusion of the two metal elements (see FIG. 8A). In the case of combustion at 600 to 900 degrees Celsius, various titanium-rich compositions or phases were produced by insufficient heat treatment. A Raman shift band of the final virus-template BTO nanostructure corresponding to the general resultant shape of tetragonal perbroscite BTO was revealed (see FIG. 8B). In particular, the cubic phase represents the B1 and E modes at 307 cn-1 and shows the high-frequency horizontal optic mode at 715 cm-1, which is experimental evidence for cubic to cubic deformation. The XRD pattern also defines the P3mm crystal structure of BTO, which can be confirmed through the inset image of FIG. 10b.

본 발명에 따른 바이러스-템플릿 BTO의 완전한 결정성은 HRTEM 및 SAED에 의하여 확인될 수 있는데, 이것은 도 8c-i 및 ii에서 확인할 수 있다. 존재하는 입자 경계와 큰 성장 결합은 도 8c-iii에 도시되며, 이것은 본 발명에 따라 합성된 바이러스-템플릿 BTO 나노구조체가 바이러스-금속 이온 착화합물로부터 유도된 것으로, BTO 입자간의 응집체로부터 유도되지 않았다는 것을 증명한다. The complete crystallinity of the virus-template BTO according to the present invention can be confirmed by HRTEM and SAED, which can be seen in Figures 8c-i and ii. The large grain boundaries with the existing grain boundaries are shown in Figures 8c-iii, indicating that the virus-templated BTO nanostructures synthesized according to the present invention were derived from virus-metal ion complexes and were not derived from agglomerates of BTO particles Prove it.

압전반응 분석을 실시하여, 본 발명에 따르 얻어지는 바이러스-템플릿 BTO 영역에서의 극성의 스위칭 거동을 확인하였다. 도 8d를 참조하면, 급격한 이력 루프는 전기장을 끈 후, 관찰된 압전 거동 결과이다. 상기 상 이력은 완벽한 극성 가변 특성을 나타내며, 이는 도 8d의 삽입 이미지에 나타난다. Piezoelectric reaction analysis was performed to confirm the polarity switching behavior in the virus-template BTO region obtained according to the present invention. Referring to FIG. 8D, the abrupt hysteresis loop is the result of the observed piezoelectric behavior after turning off the electric field. The phase history exhibits perfect polarity tunability, which is shown in the inset image of Figure 8d.

압전성의 바이러스-템플릿 BTO를 사용하여 에너지를 획득하기 위해서는, 압전 물질에 기반한 나노제너레이터를 제조하여야 하는데, 이는 도 9a에 도시된다. To obtain energy using a piezo-electric virus-template BTO, a nano-generator based on a piezoelectric material has to be fabricated, which is shown in Figure 9a.

도 9a를 참조하면, 교반 및 여과과정을 거친 바이러스-템플릿 BTO 나노구조체를 폴리디메틸실록산(PDMS)와 혼합하여, BTO 압전층을 제조한다. 이후, 인듐-주석 산화물(ITO)-코팅 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 기판을 PDMS 절연층으로 덮음으로, 소자의 브레이크-다운을 방지한다. 다음, 본 발명에 따라 제조된 바이러스-템플릿 BTO 기반 압전층을 PDMS 코팅 플렉서블 기판 상에 스핀 코팅한다. 상부전극으로, ITO 적층 PET 박막 기판(∼50㎛)를 상기 기판 상에 적층하였다. Referring to FIG. 9A, a BTO piezoelectric layer is prepared by mixing a virus-template BTO nanostructure subjected to stirring and filtration with polydimethylsiloxane (PDMS). Subsequently, the indium-tin oxide (ITO) -coated polyethylene terephthalate (PET) substrate is covered with a PDMS insulating layer to prevent breakdown of the device. Next, the virus-template BTO-based piezoelectric layer prepared according to the present invention is spin-coated on a PDMS coated flexible substrate. As an upper electrode, an ITO laminated PET thin film substrate (~50 mu m) was laminated on the substrate.

도 9a의 iv는 본 발명에 따라 제조된 바이러스-템플릿 BTO 나노제너레이터의 사진이다. 도 9a를 참조하면, 본 발명에 따라 제조된 바이러스-템플릿 BTO 나노제너레이터는 부드럽고 플렉서블한 특성을 가진다. 또한 M13의 비등방성 구조 때문에, 퍼콜레이트 나노구조는 부드러운 가요성 매트릭스에 특별한 분산제 사용없이도 잘 분산되며, 이는 도 9a-v에 도시된다. Figure 9 (a) is a photograph of a virus-template BTO nano-generator produced according to the present invention. Referring to FIG. 9A, the virus-template BTO nano-generator produced according to the present invention has soft and flexible characteristics. Also due to the anisotropic structure of M13, percolate nanostructures are well dispersed in a soft flexible matrix without the use of any special dispersants, as shown in Figures 9a-v.

도 9b는 바이러스-템플릿 BTO 나노제너레이터의 출력 성능을, 주기적인 굽힘/폄 동작에서 측정한 결과를 나타내는 그래프이다. 9B is a graph showing the results of measurement of the output performance of the virus-template BTO nano-generator in periodic bending / unfolding operation.

도 9b를 참조하면, 본 발명에 따른 바이러스-템플릿 BTO 나노제너레이터(유효면적 2.5 x 2.5 cm2)로부터 측정된 단락 전류 및 개방-회로 전압은 각각 ∼300nA 및 ∼6V이었다. 본 발명에 따라 제조된 나노제너레이터에서 생산되는 전기 시호를 확인하기 위하여, 출력 전류와 전압을 측정하였다. 포워드 커넥트(forward connection)에서의 전기 신호의 극성은 상기 커넥트가 역으로 바뀌는 경우, 역으로 스위칭되었다(도 9b i 및 ii). 이들 전기 출력은 BTO 나노입자를 탄소나노튜브와 복합화하여 사용하는 이전 나노제너레이터보다 높은 수치이며, 이는 비등방성인 M13 템플릿 구조의 비등방성에 기인한 분산성 향상 때문이라 판단된다. Referring to FIG. 9B, the short-circuit current and open-circuit voltage measured from the virus-template BTO nano-generator (effective area 2.5 x 2.5 cm 2 ) according to the present invention were ~ 300 nA and ~ 6 V, respectively. The output current and the voltage were measured in order to confirm the electric signal produced by the nano-generator manufactured according to the present invention. The polarity of the electrical signal at the forward connection was reversed when the connector was reversed (Figs. 9b i and ii). These electric powers are higher than those of the previous nano generators using BTO nanoparticles in combination with carbon nanotubes, which is considered to be due to the improvement in the dispersibility due to anisotropy of the anisotropic M13 template structure.

도 9c는 본 발명에 따른 나노제너레이터 소자의 에너지 전환 메커니즘을 설명하는 도면이다. 9C is a view for explaining the energy conversion mechanism of the nano generator element according to the present invention.

도 9c를 참조하면, 폴링 공정 동안, 본 발명에 따른 바이러스-템플릿 BTO 압전 영역에서의 전기 쌍극자 방향은 외부 전기장과 평행하게 정렬된다. 본 발명에 따른 나노제너레이터가 기계적 변형을 겪게 되면, 극성 스트레스에 기인하여 상부 및 하부 전극에서 압전 전압이 유도된다. 상기 전압은 쌍극자에 의하여 생성된 전기장을 중성화시키는 자유 전자 흐름을 유도한다. 바이러스-템플릿 BTO 압전층 및 절연성 PMS는 인슐레이터이므로, 전류는 외부 회로를 통해서만 흐르게 되며, 이로써 상기 주기적 측정 과정 동안 어떠한 전하 누설도 발생하지 않았다. 정적 압력 상태에서, 상기 빌트-인 전압은 사라지게 되는데, 이것은 압전 전압이 양 전극에서 축적된 자유 전하에 의하여 균형이 맞춰지기 때문이다. 하지만, 상기 압력이 사라지게 되면, 상기 전압은 사라지게 되며, 외부 회로의 양 말단에 축적된 자유 전하에 의하여 형성되는 반대 방향의 빌트-인 전압이 형성된다. 반대 방향으로의 자유 전자가 흐르게 되고, 이어서 전류는 제로 상태가 된다. Referring to FIG. 9C, during the poling process, the electric dipole direction in the virus-template BTO piezoelectric region according to the present invention is aligned parallel to the external electric field. When the nano-generator according to the present invention undergoes mechanical deformation, the piezoelectric voltage is induced in the upper and lower electrodes due to polar stress. The voltage induces a free electron flow that neutralizes the electric field generated by the dipole. Since the virus-template BTO piezoelectric layer and the insulating PMS are insulators, the current flows only through the external circuit, so that no charge leakage occurs during the periodic measurement process. In the static pressure state, the built-in voltage disappears because the piezoelectric voltage is balanced by the free charge accumulated at both electrodes. However, when the pressure disappears, the voltage disappears, and a built-in built-in voltage in the opposite direction, which is formed by the free charges accumulated at both ends of the external circuit, is formed. Free electrons flow in the opposite direction, and then the current becomes zero.

도 10은 본 발명에 따라 제조된 바이러스-템플릿 BTO 나노제너레이터의 특성 분석과 그 응용 결과를 나타내는 사진이다. 10 is a photograph showing the characteristics of the virus-template BTO nano-generator according to the present invention and its application results.

바이러스-템플릿 BTO 나노제너레이터의 출력 성능은 압력 정도에 따라 달라지게 되는데, 이것은 압전 전하는 동일 수준의 압력에서 일정하게 유지되기 때문이다. 일정한 압력에서, 빠른 압력 인가 속도는 보다 높은 출력 전압을 유도하게 된다(도 10a 참조). 유사하게, 동일 속도라고 하여도 구부러지는 곡률에 따라 출력은 증가하며, 이것은 압전층의 변형이 보다 큰 빌트-인 전압을 회로에서 발생시키기 때문이다(도 10b 참조). The output performance of the virus-template BTO nano-generator depends on the degree of pressure, since the piezoelectric charge remains constant at the same level of pressure. At constant pressure, a rapid pressure application rate leads to a higher output voltage (see FIG. 10A). Similarly, the output increases with the curvature bending even at the same speed, because deformation of the piezoelectric layer generates a larger built-in voltage in the circuit (see FIG. 10B).

바이러스-템플릿 BTO 기반 나노제너레이터의 안정성은 싸이클 테스트를 통하여 측정하였다. The stability of the virus-template BTO-based nano-generator was measured through cycle testing.

도 10c 및 d는 본 발명에 따른 바이러스-템플릿 BTO 기반 나노제너레이터의 싸이클 테스트 결과이다. Figures 10c and d are the cycle test results of the virus-template BTO-based nano-generator according to the present invention.

도 10c 및 d를 참조하면, 21,000 싸이클 동안 빠른 주기(3.5 Hz) 하에서 본 발명에 따른 나노제너레이터는 특별한 열화 현상 없이 안정한 특성을 보였다. 상기 테스트 동안 측정된 전압과 전류는 최초 측정된 결과와 유사하였다. 상기 결과는 본 발명에 따라 바이러스를 템플릿으로 하여 제조된 BTO 압전물질이, 나노제너레이터에서도 매우 안정한 특성을 보이며, 에너지 하베스트 물질로 적절하다는 것을 보여준다. Referring to Figures 10c and d, the nanosgenerator according to the present invention showed stable characteristics without any special deterioration phenomenon under a fast cycle (3.5 Hz) for 21,000 cycles. The voltage and current measured during the test were similar to those initially measured. The above results show that the BTO piezoelectric material prepared using the virus as a template according to the present invention exhibits very stable characteristics even in a nano generator and is suitable as an energy harvest material.

본 발명에 따라 제조된 바이러스-템플릿 BTO 기반 플렉서블 나노제너레이터는 별도의 에너지 공급원 없이 단독으로 상용 소자를 구동하는데 충분한 전력을 공급할 수 있다. 도 10e는 LED를 본 발명에 따른 나노제너레이터로 구동시키는 경우를 나타내는 사진이다. 또한 도 10f에서는 LCD가 본 발명에 따라 제조된 나노제너레이터로 완벽하게 구동되는 경우를 나타내는 사진이다.The virus-template BTO-based flexible nano-generator manufactured according to the present invention can supply enough power to drive commercial devices alone without a separate energy source. 10E is a photograph showing a case where the LED is driven by the nano generator according to the present invention. Also, FIG. 10F is a photograph showing a case where the LCD is completely driven by the nano-generator manufactured according to the present invention.

이상 살핀 바와 같이 본 발명자는 생물학적 자기-조립 방법을 사용하여, 높은 분산도와 결정성을 동시에 가지는 페브로스카이트 압전 물질을 제조하였으며, 상기 제조된 압전물질은 에너지 하베스트 소자로 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 BTO 압전물질은, 바이러스-금속간 이온 착화합물로부터 제조되며, 이는 금속-기반 리간드와 유전공학적으로 변형된 단백질간 상호 작용에 기인한 것이다. As described above, the present inventors have produced a fibrous kite piezoelectric material having high dispersion and crystallinity at the same time by using a biological self-assembly method, and the piezoelectric material can be used as an energy harvesting element. The BTO piezoelectric material according to the present invention is produced from a virus-intermetallic ion complex, which is due to the interaction between the metal-based ligand and the genetically engineered protein.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is clearly understood that the same is by way of illustration and example only and is not to be taken by way of limitation in the embodiment in which said invention is concerned. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and detail may be made therein without departing from the scope of the appended claims.

Claims (15)

E3-M13 바이러스-템플릿에 압전물질 전구체 용액을 결합시켜 착화합물을 형성하는 단계; 및
상기 바이러스-템플릿에 압전물질을 합성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이러스-템플릿을 이용한 압전물질 제조방법.
Binding the E3-M13 virus-template to the piezoelectric material precursor solution to form a complex; And
And a step of synthesizing a piezoelectric material in the virus-template.
제 1항에 있어서, 상기 바이러스-템플릿을 이용한 압전물질 제조방법은,
표면에 음이온 기능기 또는 압전물질에 특이적 기능기가 결합된 바이러스 템플릿에 바륨 전구체 용액을 혼합하는 단계; 및
상기 혼합된 전구체 용액에 티타튬 전구체 용액을 혼합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이러스-템플릿을 이용한 압전물질 제조방법.
The method of claim 1, wherein the method comprises:
Mixing a barium precursor solution with a virus template having an anionic functional group or a piezoelectric substance-specific functional group bonded to its surface; And
And mixing the titanium precursor solution with the mixed precursor solution to form a piezoelectric material.
제 2항에 있어서,
상기 바이러스-템플릿을 이용한 압전물질 제조방법은 상기 혼합된 용액으로부터 회수된 물질을 하소시켜 상기 바이러스 템플릿을 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바이러스-템플릿을 이용한 압전물질 제조방법.
3. The method of claim 2,
The method for manufacturing a piezoelectric material using the virus-template further comprises a step of removing the virus template by calcining the recovered material from the mixed solution.
삭제delete 제 1항에 있어서,
상기 E3-M13 바이러스는, M13 바이러스의 pVIII 단백질 N 말단에서 글루타메이트 삼량체가 각각 결합된 것을 특징으로 하는, 바이러스-템플릿을 이용한 압전물질 제조방법.
The method according to claim 1,
Wherein the E3-M13 virus is characterized in that glutamate trimer is bound to the N terminus of the pVIII protein of the M13 virus, respectively.
제 2항에 있어서,
상기 음이온 기능기는 카르복실레이트기인 것을 특징으로 하는, 바이러스-템플릿을 이용한 압전물질 제조방법.
3. The method of claim 2,
Wherein the anionic functional group is a carboxylate group.
제 2항에 있어서,
상기 바륨 전구체 용액 및 티타늄 전구체 용액은, 각각 바륨 글리콜레이트 및 티타늄 글리콜레이트인 것을 특징으로 하는, 바이러스-템플릿을 이용한 압전물질 제조방법.
3. The method of claim 2,
Wherein the barium precursor solution and the titanium precursor solution are barium glycolate and titanium glycolate, respectively.
제 7항에 있어서,
상기 바륨 글리콜레이트는 상기 바이러스 템플릿 표면의 카르복실레이트의 정전기적으로 결합하여 배위결합을 이루는 것을 특징으로 하는, 바이러스-템플릿을 이용한 압전물질 제조방법.
8. The method of claim 7,
Wherein the barium glycolate electrostatically binds carboxylate on the surface of the virus template to form a coordination bond.
제 8항에 있어서,
상기 티타늄 글리콜레이트는 상기 바륨 글리콜레이트와 정전기적으로 결합하는 것을 특징으로 하는, 바이러스-템플릿을 이용한 압전물질 제조방법.
9. The method of claim 8,
Wherein the titanium glycolate is electrostatically bound to the barium glycolate.
제 1항 내지 제 3항 및 제 5항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의하여 제조된 BTO 압전물질에 있어서,
상기 BTO 압전물질은 비등방성의 섬유 형태를 이루며, 상기 BTO 압전물질 구조는 E3-M13 바이러스-템플릿 구조를 따르는 것을 특징으로 하는 BTO 압전물질.
A BTO piezoelectric material produced by the method according to any one of claims 1 to 3 and 5 to 9,
Wherein the BTO piezoelectric material has an anisotropic fiber shape and the BTO piezoelectric material structure conforms to an E3-M13 virus-template structure.
제 10항에 있어서,
상기 압전물질은 섬유질의 페브로스카이트 결정 구조를 이루는 것을 특징으로 하는 BTO 압전물질.
11. The method of claim 10,
Wherein the piezoelectric material forms a fibrous crystal structure of fibrous material.
삭제delete 제 10항에 따른 BTO 압전물질을 압전층으로 포함하는 플렉서블 나노제너레이터.A flexible nano-generator comprising the BTO piezoelectric material according to claim 10 as a piezoelectric layer. 제 13항에 있어서,
상기 플렉서블 나노제너레이터는,
하부 플렉서블 기판;
상기 하부 플렉서블 기판 상에 구비된 하부 전극;
상기 하부 전극 전극 상에 구비되며, 상기 BTO 압전물질을 포함하는 압전물질층;
상기 압전물질층 상에 구비된 상부전극; 및
상기 상부전극 상에 구비된 상부 플렉서블 기판을 포함하는 것을 특징으로 하는 플렉서블 나노제너레이터.
14. The method of claim 13,
The flexible nano-
A lower flexible substrate;
A lower electrode provided on the lower flexible substrate;
A piezoelectric material layer provided on the lower electrode electrode and including the BTO piezoelectric material;
An upper electrode provided on the piezoelectric material layer; And
And an upper flexible substrate provided on the upper electrode.
제 14항에 있어서,
상기 압전물질층은 상기 BTO 압전물질을 고분자에 혼합시켜 제조된 것을 특징으로 하는 플렉서블 나노제너레이터.
15. The method of claim 14,
Wherein the piezoelectric material layer is manufactured by mixing the BTO piezoelectric material with a polymer.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101659225B1 (en) * 2015-05-12 2016-09-22 부산대학교 산학협력단 Virus arrangement method with extrusion and electric device thereby
KR20170010592A (en) 2015-07-20 2017-02-01 부산대학교 산학협력단 Metal Oxide Nanowire and Nano Energetic Materials Composite based on bacteriophage and Method for Fabricating the same

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20130035703A (en) * 2011-09-30 2013-04-09 한국과학기술원 Method for manufacturing flexible film nanogenerator and flexible nanogenerator manufactured by the same
JP2013089848A (en) * 2011-10-20 2013-05-13 Seiko Epson Corp Method for manufacturing piezoelectric ceramic, method for manufacturing piezoelectric element, method for manufacturing liquid injection head, and method for manufacturing liquid injection apparatus

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20130035703A (en) * 2011-09-30 2013-04-09 한국과학기술원 Method for manufacturing flexible film nanogenerator and flexible nanogenerator manufactured by the same
JP2013089848A (en) * 2011-10-20 2013-05-13 Seiko Epson Corp Method for manufacturing piezoelectric ceramic, method for manufacturing piezoelectric element, method for manufacturing liquid injection head, and method for manufacturing liquid injection apparatus

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101659225B1 (en) * 2015-05-12 2016-09-22 부산대학교 산학협력단 Virus arrangement method with extrusion and electric device thereby
KR20170010592A (en) 2015-07-20 2017-02-01 부산대학교 산학협력단 Metal Oxide Nanowire and Nano Energetic Materials Composite based on bacteriophage and Method for Fabricating the same

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