KR101872075B1 - 에너지 생산 지속을 위한 세포 교환형 미생물 연료전지 및 미생물 연료전지용 세포 패치 - Google Patents

에너지 생산 지속을 위한 세포 교환형 미생물 연료전지 및 미생물 연료전지용 세포 패치 Download PDF

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Abstract

에너지 생산 지속을 위한 세포 교환형 미생물 연료전지 및 미생물 연료전지용 세포 패치를 제공한다. 본 발명에 따른 미생물 연료전지용 세포 패치는, 하이드로겔 및 상기 하이드로겔 내에 위치하는 세포 군집을 포함하고, 미생물 연료전지의 미세탐침 어레이를 포함하는 전극에 착탈되는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 세포와 에너지원을 공급하는 세포 패치를 미생물 연료전지의 전극에 착탈이 용이하도록 하여 보다 단순한 에너지 공급 시스템으로 에너지 생산을 지속할 수 있는 세포 패치를 제공할 수 있다. 또한, 세포 내부로 전극을 삽입하여 고에너지의 전자를 직접 추출함으로써, 에너지 효율 밀도가 증가된 세포 교환형 미생물 연료전지를 제공할 수 있다.

Description

에너지 생산 지속을 위한 세포 교환형 미생물 연료전지 및 미생물 연료전지용 세포 패치{cell exchange type microbial fuel cell for continuance energy production and microbial fuel cell type cell patch}
본 발명은 미생물 연료전지 및 미생물 연료전지용 세포 패치에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 에너지 생산 지속을 위한 세포 교환형 미생물 연료전지 및 미생물 연료전지용 세포 패치에 관한 것이다.
식물 또는 조류(algae) 세포의 광합성은 태양에너지와 물을 이용하여 세포 생존을 위해 필요한 에너지를 생성하며, 그 양자효율(quantum efficiency)은 100%에 이른다. 따라서, 최근, 이러한 광합성 과정을 직/간접적으로 이용하거나 또는 광합성 과정을 모사하여 필요한 전기 에너지 또는 산소/수소를 생성하려는 다양한 연구가 시도되고 있다.
전기에너지 생산을 위해 식물 또는 조류의 광합성 과정을 이용하는 기술의 일 예로 미생물 기반 광전기화학 전지(microbial photoelectrochemical cell)가 있으며, 미생물 기반 광전기화학 전지는 크게 광합성 세포전지(photosynthetic microbial solar cell)와 광합성 연료전지(photosynthetic microbial fuel cell)로 나눌 수 있다.
미생물 연료전지는 산화 챔버(anodic chamber)와 환원 챔버(cathodic chamber)를 포함하며 연료전지와 유사한 형태로 구성된다. 산화 챔버에서 세포의 신진대사중 발생한 전자를 전극으로 직접 추출하거나, 외부로부터의 전자 매개체 또는 세포 내부로부터 생성된 매개체를 이용하여 에너지를 생산한다.
그러나, 현재 연구중인 미생물 연료전지는, 낮은 전류 밀도, 외부 전자 매개체의 유해성(toxicity) 및 짧은 에너지 생산 지속시간에 관한 문제점이 있다. 특히 세포로부터 추출된 물질을 기반으로 전지를 제작할 경우, 추출된 물질의 생존성 문제로 에너지 지속시간에 제약이 있는 문제점이 있다.
도 1에 종래에 통상적으로 사용되는 미생물 연료전지 및 그 작동원리를 개략적으로 도시하였다. 도 1을 참조하면, 종래의 미생물 연료전지 중 직접 세포를 이용할 경우에는, 지속적으로 세포를 흘려주거나 세포 배양액을 공급해야 하기 때문에 외부 전원을 필요로 하는 펌프 시스템(solution injection으로 표시)을 필요로 한다. 이러한, 펌프 시스템은 실생활에 사용하기에 번거롭고 복잡한 구조이며, 또한, 에너지원이 공급되지 못할 때 에너지 생산이 중단된다는 문제점이 있다.
따라서, 외부 전원을 사용하지 않기 위해서, 모세관 현상, 물의 증발 또는 화학적 흡착을 이용한 다양한 형태의 무전원 펌프(Autonomous pump)가 보고되었으나, 이는 대부분 마이크로 유체 분석시스템에 적용될 수 있으며 전지 시스템에 사용되기에는 제약이 따르는 문제점이 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-1122044호
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 세포와 에너지원을 공급하며, 미생물 연료전지의 전극에 착탈이 용이한 세포 패치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 세포 내부로 전극을 삽입하여, 고에너지의 전자를 직접 추출할 수 있는 세포 교환형 미생물 연료전지를 제공할 수 있다.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 미생물 연료전지용 세포 패치를 제공한다. 본 발명에 따른 미생물 연료전지용 세포 패치는 하이드로겔 및 상기 하이드로겔 내에 위치하는 세포 군집을 포함하고, 미생물 연료전지의 미세탐침 어레이를 포함하는 전극에 착탈되는 것일 수 있다.
상기 세포 패치는 상기 전극에 부착 시, 상기 미세탐침 어레이의 미세탐침에 관통되어 고정될 수 있다.
상기 하이드로겔은 물 및 세포 영양분을 포함할 수 있다.
상기 하이드로겔은 내부에 나노재료를 더 포함할 수 있다.
상기 나노재료는 탄소나노튜브 또는 그래핀일 수 있다.
상기 세포 군집은 자체적으로 생존이 가능한 세포 또는 조직일 수 있다.
상기 세포 군집은 남조류 또는 녹조류를 포함할 수 있다.
상기 과제를 이루기 위하여 본 발명의 다른 측면은 세포 교환형 미생물 연료전지를 제공한다. 본 발명에 따른 세포 교환형 미생물 연료전지는 산화챔버, 환원챔버, 상기 산화챔버와 상기 환원챔버 사이에 위치하는 이온교환막, 상기 산화챔버의 일면에 형성된 음극, 상기 환원챔버의 일면에 형성된 양극, 상기 음극 및 양극 상에 각각 형성된 제1 미세탐침 어레이 및 제2 미세탐침 어레이 및 상기 제1 미세탐침 어레이 및 상기 제2 미세탐침 어레이의 미세탐침 중 적어도 어느 하나의 미세탐침 어레이의 미세탐침에 착탈 가능하도록 부착된 세포 패치를 포함하고, 상기 세포 패치는 세포 군집이 하이드로겔 내에 위치한 형태일 수 있다.
상기 제1 미세탐침 어레이 및 상기 제2 미세탐침 어레이의 미세탐침은 상기 세포 패치의 세포들에 삽입되어 상기 세포들의 대사과정 중에 생성되는 전자들을 추출할 수 있다.
상기 하이드로겔은 물 및 세포 영양분을 포함할 수 있다.
상기 하이드로겔은 내부에 나노재료를 더 포함할 수 있다.
상기 나노재료는 탄소나노튜브 또는 그래핀일 수 있다.
상기 세포 군집은 자체적으로 생존이 가능한 세포 또는 조직일 수 있다.
상기 세포 군집은 남조류 또는 녹조류를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 세포와 에너지원을 공급하는 세포 패치를 미생물 연료전지의 전극에 착탈이 용이하도록 하여 보다 단순한 에너지 공급 시스템으로 에너지 생산을 지속할 수 있는 세포 패치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 세포 내부로 전극을 삽입하여 고에너지의 전자를 직접 추출함으로써, 에너지 효율 밀도가 증가된 세포 교환형 미생물 연료전지를 제공할 수 있다.
본 발명의 기술적 효과들은 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래의 미생물 연료전지 시스템을 나타낸 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 미생물 연료전지용 세포 패치의 구조를 나타낸 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 세포 교환형 미생물 연료전지의 구조를 나타낸 모식도이다.
도 4는 본 발명의 미생물 연료전지용 세포 패치가 미세탐침 어레이에 고정된 모습을 나타낸 이미지이다.
도 5는 본 발명의 나노재료를 포함한 미생물 연료전지용 세포 패치의 하이드로겔을 나타낸 이미지이다.
도 6은 본 발명의 미생물 연료전지용 세포 패치를 나타낸 이미지이다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다.
층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 구성요소 "상(on)"에 존재하는 것으로 언급될 때, 이것은 직접적으로 다른 요소 상에 존재하거나 또는 그 사이에 중간 요소가 존재할 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 미생물 연료전지용 세포 패치의 구조를 나타낸 모식도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 미생물 연료전지용 세포 패치(200)는, 하이드로겔(201) 및 상기 하이드로겔(201) 내에 위치하는 세포 군집(202)을 포함하고, 미생물 연료전지의 미세탐침 어레이(113)를 포함하는 전극(110)에 착탈되는 것을 특징으로 한다.
보다 구체적으로 살펴보면, 상기 세포 패치(200)내에는 상기 세포 군집(202)들이 상기 하이드로겔(201)내에 위치할 수 있다. 예를 들어, 상기 세포 패치(200)는 상기 세포 군집(202)들이 상기 하이드로겔(201)내에 고정된 형태일 수 있다.
상기 하이드로겔(201)은 물 및 세포 영양분을 포함할 수 있다. 상기 하이드로겔(201)은 교차결합(cross-linking)으로 내부에 물 또는 영양분을 보유하면서 형태를 유지하는 친수성의 고분자 물질일 수 있다. 예를 들어, 알지네이트(Alginate)일 수 있다.
상기 세포 군집(202)은 자체적으로 생존이 가능한 세포 또는 조직(organelle)일 수 있다. 예를 들어, 상기 세포 군집(202)은 광합성을 하면서 자체적으로 생존성도 유지할 수 있는 세포 또는 조직일 수 있다. 예컨대, 상기 세포 군집(202)은 남조류 또는 녹조류를 포함할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
상기 세포 군집(202)을 상기 하이드로겔(201)에 고밀도로 고정시켜 상기 세포 패치(200)를 형성할 수 있다. 상기 세포 패치(200)는 상기 세포 군집(202)의 생존성을 유지하면서 세포의 내부로 직접 전극(110)의 삽입이 가능할 수 있다. 즉, 종래의 미생물 연료전지의 매개체 방식 또는 세포로부터 추출된 물질을 이용하는 방식이 아닌 세포 내부로 상기 전극(110)을 삽입하여 고에너지의 전자를 직접 추출할 수 있다. 이로써, 에너지 추출 효율의 증가에 따른 미생물 연료전지의 사용 가능한 에너지 밀도가 증가하는 효과를 발휘한다.
상기 세포 패치(200)의 상기 세포 군집(202)은 3일 내지 30일 동안 생존할 수 있다. 따라서, 상기 세포 패치(200)를 광합성 세포 전지에 이용할 경우, 에너지 생산 시간을 증가시키는 효과를 발휘한다.
상기 세포 패치(200)는 상기 전극(110)에 부착할 시, 미세탐침 어레이(113)의 미세탐침(113a, 113b)에 관통되어 고정될 수 있다. 상기 세포 패치(200)는 상기 전극(110)에 탈착될 수 있다. 즉, 종래의 미생물 연료전지는 미생물 연료전지의 외부에 별도의 전원시스템(펌프)이 필요했던 것과 달리, 본 발명에 따른 미생물 연료전지의 에너지 공급시스템인 상기 세포 패치(200)는, 연료전지의 전극과 용이하게 부착 및 탈락이 가능하여 보다 간편하게 에너지원을 공급할 수 있다. 또한, 미생물 연료전지의 에너지 생산이 줄어들 경우, 건전지를 교환하듯이 상기 세포 패치(200)만을 교환하여 에너지 생산 시간을 지속시키는 효과를 발휘한다.
상기 미세탐침 어레이(113)는 상기 세포 패치(200)에 고정된 세포들(202a,202b,202c)로부터 에너지를 추출할 수 있다. 즉, 상기 미세탐침 어레이(113)의 미세탐침(113a, 113b)은 상기 세포 패치(200)의 세포들(202a, 202b, 202c)에 삽입되어 상기 세포들(202a, 202b, 202c)의 대사과정 중에 생성되는 전자들을 추출하여 전극(110)으로 이동시킬 수 있다.
상기 세포 패치(200)를 포함한 미생물 연료전지의 구조는 도 3에서 자세히 후술하기로 한다.
상기 세포 패치(200)는 상기 하이드로겔(201) 내에 위치하는 나노재료(400)[도 5에 도시]를 더 포함할 수 있다. 상기 나노재료(400)는 탄소나노튜브 또는 그래핀 일 수 있다. 예를 들어, 상기 나노재료(400)는 탄소나노튜브일 수 있다.
상기 나노재료(400)는 상기 하이드로겔(201)내에 상기 세포 군집(202)과 함께 상기 세포 패치(200)에 고정될 수 있다. 상기 나노재료(400)는 상기 미세탐침 어레이(113)의 미세탐침(113a, 113b)이 상기 세포 패치(200)의 세포들(202a, 202b, 202c)에 삽입되어 상기 세포들(202a, 202b, 202c)의 대사과정 중에 생성되는 전자들을 추출하여 전극(110)으로 이동시킬 때 보다 효율적으로 전자들이 이동될 수 있도록 한다. 즉, 상기 세포들(202a, 202b, 202c) 내부로 침투한 나노재료(400)는 세포의 신진대사를 증가시켜서 상기 세포 패치(200)를 이용한 전지의 에너지 생산량을 증가시킬 수 있다. 또한, 상기 하이드로겔(201) 내부에서 상기 나노재료(400)끼리 네트워크를 형성하여 전자이동을 위한 통로를 제공함으로써, 상기 나노재료(400)를 포함하지 않을 때에 비하여 전자이동을 원활히 하여 연료전지의 효율을 높이는 효과를 발휘한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 세포 교환형 미생물 연료전지의 구조를 나타낸 모식도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 미생물 연료전지는, 산화챔버(101), 환원챔버(102), 상기 산화챔버(101)와 상기 환원챔버(102) 사이에 위치하는 이온교환막(103), 상기 산화챔버(101)의 일면에 형성된 음극(111), 상기 환원챔버(102)의 일면에 형성된 양극(112), 상기 음극(111) 및 상기 양극(112) 상에 각각 형성된 제1 미세탐침 어레이(114) 및 제2 미세탐침 어레이(115)와 상기 제1 미세탐침 어레이(114) 및 상기 제2 미세탐침 어레이(115)중 적어도 어느 하나의 미세탐침 어레이의 미세탐침(114a,114b,115a,115b)에 착탈 가능하도록 부착된 세포 패치(200)를 포함하고, 상기 세포 패치(200)는 세포 군집(202)이 하이드로겔(201) 내에 위치한 형태일 수 있다.
보다 구체적으로 살펴보면, 상기 산화챔버(101), 상기 환원챔버(102) 및 상기 산화챔버(101)와 상기 환원챔버(102) 사이에 위치하는 상기 이온교환막(103)이 구비될 수 있다. 상기 산화챔버(101)는 상기 산화챔버(101)의 공간 내부의 일면에 형성된 상기 음극(111)을 포함할 수 있다. 상기 환원챔버(102)는 상기 환원챔버(102)의 공간 내부의 일면에 형성된 상기 양극(112)를 포함할 수 있다.
상기 음극(111)상에 상기 제1 미세탐침 어레이(114)가 형성될 수 있다. 상기 양극(112)상에 상기 제2 미세탐침 어레이(115)가 형성될 수 있다. 상기 제1 미세탐침 어레이(114) 및 제2 미세탐침 어레이(115)중 적어도 어느 하나의 미세탐침 어레이의 상기 미세탐침들(114a,114b,115a,115b)에 착탈 가능하도록 부착된 상기 세포 패치(200)가 구비될 수 있다. 상기 제1 미세탐침 어레이(114) 및 제2 미세탐침 어레이(115)의 상기 미세탐침들(114a,114b,115a,115b)은 상기 세포 패치(200)의 세포들(201a,201b,201c)에 삽입되어 상기 세포들(201a,201b,201c)의 대사과정 중에 생성되는 전자들을 추출할 수 있다.
상기 하이드로겔(201)은 물 및 세포 영양분을 포함할 수 있다. 상기 하이드로겔(201)은 교차결합(cross-linking)으로 내부에 물 또는 영양분을 보유하면서 형태를 유지하는 친수성의 고분자 물질일 수 있다. 예를 들어, 알지네이트(Alginate)일 수 있다.
상기 세포 군집(202)은 자체적으로 생존이 가능한 세포 또는 조직(organelle)일 수 있다. 예를 들어, 상기 세포 군집(202)은 광합성을 하면서 자체적으로 생존성도 유지할 수 있는 세포 또는 조직일 수 있다. 예컨대, 상기 세포 군집(202)은 남조류 또는 녹조류를 포함할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
상기 세포 군집(202)을 상기 하이드로겔(201)에 고밀도로 고정시켜 상기 세포 패치(200)를 형성할 수 있다. 이를 통해, 상기 세포 군집(202)의 생존성을 유지하면서 세포의 내부로 직접 전극의 삽입이 가능해진다. 따라서, 종래의 미생물 연료전지의 매개체 방식 또는 세포로부터 추출된 물질을 이용하는 방식이 아닌 세포 내부로 전극을 삽입하여 고에너지의 전자를 직접 추출할 수 있다. 이로써, 에너지 추출 효율의 증가에 따른 미생물 연료전지의 사용 가능한 에너지 밀도가 증가하는 효과를 발휘한다.
상기 세포 패치(200)의 상기 세포 군집(202)은 3일 내지 30일 동안 생존할 수 있다. 따라서, 상기 세포 패치(200)를 광합성 세포 전지에 이용할 경우, 에너지 생산 시간을 증가시키는 효과를 발휘한다.
상기 세포 패치(200)는 상기 제1 미세탐침 어레이(114) 및 상기 제2 미세탐침 어레이(115)중 적어도 어느 하나의 미세탐침 어레이의 상기 미세탐침(114a,114b,115a,115b)에 관통되어 고정될 수 있다. 상기 세포 패치(200)는 상기 제1 미세탐침 어레이(114) 및 상기 제2 미세탐침 어레이(115)가 각각 형성된 상기 음극(101) 및 상기 양극(102)에 탈착될 수 있다. 즉, 종래의 미생물 연료전지는 미생물 연료전지의 외부에 별도의 전원시스템(펌프)이 필요했던 것과 달리, 본 발명에 따른 미생물 연료전지의 에너지 공급시스템, 세포 패치(200)는 연료전지의 전극과 용이하게 부착 및 탈락이 가능하여 보다 간편하게 에너지원을 공급할 수 있다. 또한, 미생물 연료전지의 에너지 생산이 줄어들 경우, 건전지를 교환하듯이 상기 세포 패치(200)만을 교환하여 에너지 생산 시간을 지속시키는 효과를 발휘한다.
상기 세포들(202a,202b,202c)내에서 광합성과 같은 전자를 생성하는 신진대사를 일으키면 내부에서 전자가 생성되고 전자는 여러 에너지 상태의 단계로 이동하면서 빛 에너지를 화학 에너지로 변화시킨다. 이러한 여러 에너지 상태의 전자는 높은 에너지를 지니고 있을 때 추출될수록 고효율의 에너지로 전환될 수 있다.
상기 제1 미세탐침 어레이(114)는 상기 세포 패치(200)에 고정된 세포들(202a,202b,202c)로부터 에너지를 추출할 수 있다. 상기 제1 미세탐침 어레이(114)의 상기 미세탐침(114a,114b,115a,115b)은 상기 세포 패치(200)의 세포들(202a,202b,202c)에 삽입되어 상기 세포(202a,202b,202c)들의 대사과정 중에서 생성되는 전자들을 추출하여 외부회로(300)에 전달할 수 있다.
상기 미세탐침(114a,114b,115a,115b)은 상기 세포들(202a,202b,202c)의 세포막을 관통하여 삽입될 수 있다. 상기 미세탐침(114a,114b,115a,115b)의 팁 말단의 곡률 반경은 수십 nm 정도이며, 종횡비는 5 이상으로 유지할 경우 상기 세포들(202a,202b,202c)내의 삽입이 용이할 수 있다. 상기 제1 미세탐침 어레이(114)는 광합성 대사 과정의 여러 단계 중 가장 높은 단계의 에너지에 있는 전자를 추출할 수 있다. 따라서, 높은 에너지의 전자를 추출할 때 효율적인 에너지 전환을 위해서 전극의 전하 이동 저항이 낮은 물질을 탐침의 재료로 제작하는 것이 바람직하다.
예를 들어, 상기 미세탐침(114a,114b,115a,115b)은 탄소나노튜브나 나노와이어의 형태일 수 있으며, 백금, 금 또는 흑연의 재질이 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 미세탐침(114a,114b,115a,115b)은 유리질 탄소 전극이나 ITO 전극이 코팅된 실리콘 탐침일 수 있다.
상기 제1 미세탐침 어레이(114)에서 추출된 전자는 외부회로(300)를 통하여 전달되어 사용될 수 있다.
상기 외부회로(300)를 통하여 사용된 전자는 상기 양극(112)으로 이동되어 환원반응이 일어날 수 있다.
상기 세포 패치(200)는 상기 하이드로겔(201) 내에 위치하는 나노재료(400)[도 5에 도시]를 더 포함할 수 있다. 상기 나노재료(400)는 탄소나노튜브 또는 그래핀 일 수 있다. 예를 들어, 상기 나노재료(400)는 탄소나노튜브일 수 있다.
상기 나노재료(400)는 상기 하이드로겔(201)내에 상기 세포 군집(202)과 함께 상기 세포 패치(200)에 고정될 수 있다. 상기 나노재료(400)는 상기 미세탐침 어레이(113)의 미세탐침(113a, 113b)이 상기 세포 패치(200)의 세포들(202a, 202b, 202c)에 삽입되어 상기 세포들(202a, 202b, 202c)의 대사과정 중에 생성되는 전자들을 추출하여 전극(110)으로 이동시킬 때 보다 효율적으로 전자들이 이동될 수 있도록 한다. 즉, 상기 세포들(202a, 202b, 202c) 내부로 침투한 나노재료(400)는 세포의 신진대사를 증가시켜서 상기 세포 패치(200)를 이용한 전지의 에너지 생산량을 증가시킬 수 있다. 또한, 상기 하이드로겔(201) 내부에서 상기 나노재료(400)끼리 네트워크를 형성하여 전자이동을 위한 통로를 제공함으로써, 상기 나노재료(400)를 포함하지 않을 때에 비하여 전자이동을 원활히 하여 연료전지의 효율을 높이는 효과를 발휘한다.
도 4는 본 발명의 세포 패치가 미세탐침 어레이에 고정된 모습을 나타낸 이미지이다.
도 4를 참조하면, 세포 패치(200)는 음극(111)에 부착 시, 제1 미세탐침 어레이(114)의 미세탐침(114a, 114b)에 관통되어 고정될 수 있다. 예를 들어, 상기 세포 패치(200)의 세포(202a)가 상기 미세탐침(114a)에 관통되어 고정될 수 있다. 상기 세포 패치(200)는 상기 음극(111)에 탈착될 수 있다.
즉, 종래의 미생물 연료전지는 미생물 연료전지의 외부에 별도의 전원시스템(펌프)이 필요했던 것과 달리, 본 발명에 따른 미생물 연료전지의 에너지 공급시스템, 세포 패치(200)는 연료전지의 전극과 용이하게 부착 및 탈락이 가능하여 보다 간편하게 에너지원을 공급할 수 있다. 또한, 미생물 연료전지의 에너지 생산이 줄어들 경우, 건전지를 교환하듯이 상기 세포 패치(200)만을 교환하여 에너지 생산 시간을 지속시키는 효과를 발휘한다.
도 5는 본 발명의 나노재료를 포함한 세포 패치의 하이드로겔을 나타낸 이미지이다.
도 5를 참조하면, 하이드로겔 내에 위치하는 나노재료(400)를 확인할 수 있다. 상기 나노재료(400)는 상기 하이드로겔 내에 세포 군집(202)과 함께 세포 패치에 고정될 수 있다. 상기 나노재료(400)는 미세탐침 어레이의 미세탐침이 상기 세포 패치의 세포들에 삽입되어 상기 세포들의 대사과정 중에 생성되는 전자들을 추출하여 전극으로 이동시킬 때 보다 효율적으로 전자들이 이동될 수 있도록 한다. 즉, 상기 세포 패치의 세포들 내부로 침투한 나노재료(400)는 세포의 신진대사를 증가시켜서 상기 세포 패치를 이용한 전지의 에너지 생산량을 증가시킬 수 있다. 또한, 상기 하이드로겔(201) 내부에서 상기 나노재료(400)끼리 네트워크를 형성하여 전자이동을 위한 통로를 제공함으로써, 상기 나노재료(400)를 포함하지 않을 때에 비하여 전자이동을 원활히 하여 연료전지의 효율을 높이는 효과를 발휘한다.
도 6은 본 발명의 세포 패치를 나타낸 이미지이다.
도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 세포 패치 농축된 세포들이 하이드로겔 형태로 고정된 형태일 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
101: 산화챔버 102: 환원챔버
103: 이온교환막 110: 전극
111: 음극 112: 양극
113: 미세탐침 어레이
114: 제1 미세탐침 어레이 115: 제2 미세탐침 어레이
113a,113b,114a,114b,115a,115b: 미세탐침
200: 세포 패치 201: 하이드로겔
202: 세포군집
202a,202b,202c: 세포들
300: 외부회로
400: 나노재료

Claims (14)

  1. 하이드로겔; 및
    상기 하이드로겔 내에 위치하는 세포 군집을 포함하고,
    미생물 연료전지의 미세탐침 어레이를 포함하는 전극에 착탈되는 것을 특징으로 하고,
    상기 하이드로겔은 내부에 나노재료를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 미생물 연료전지용 세포 패치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 세포 패치는 상기 전극에 부착 시, 상기 미세탐침 어레이의 미세탐침에 관통되어 고정되는 것을 특징으로 하는 미생물 연료전지용 세포 패치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 하이드로겔은 물 및 세포 영양분을 포함하는 것을 특징으로 하는 미생물 연료전지용 세포 패치.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 나노재료는 탄소나노튜브 또는 그래핀인 것을 특징으로 하는 미생물 연료전지용 세포 패치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 세포 군집은 자체적으로 생존이 가능한 세포 또는 조직인 것을 특징으로 하는 미생물 연료전지용 세포 패치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 세포 군집은 남조류 또는 녹조류를 포함하는 것을 특징으로 하는 미생물 연료전지용 세포 패치.
  8. 산화챔버;
    환원챔버;
    상기 산화챔버와 상기 환원챔버 사이에 위치하는 이온교환막;
    상기 산화챔버의 일면에 형성된 음극;
    상기 환원챔버의 일면에 형성된 양극;
    상기 음극 및 양극 상에 각각 형성된 제1 미세탐침 어레이 및 제2 미세탐침 어레이; 및
    상기 제1 미세탐침 어레이 및 상기 제2 미세탐침 어레이의 미세탐침 중 적어도 어느 하나의 미세탐침 어레이의 미세탐침에 착탈 가능하도록 부착된 세포 패치를 포함하고,
    상기 세포 패치는 세포 군집이 하이드로겔 내에 위치한 형태인 것을 특징으로 하고,
    상기 하이드로겔은 내부에 나노재료를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 세포 교환형 미생물 연료전지.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 미세탐침 어레이 및 상기 제2 미세탐침 어레이의 미세탐침은 상기 세포 패치의 세포들에 삽입되어 상기 세포들의 대사과정 중에 생성되는 전자들을 추출하는 것을 특징으로 하는 세포 교환형 미생물 연료전지.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 하이드로겔은 물 및 세포 영양분을 포함하는 것을 특징으로 하는 세포 교환형 미생물 연료전지.
  11. 삭제
  12. 제8항에 있어서,
    상기 나노재료는 탄소나노튜브 또는 그래핀인 것을 특징으로 하는 세포 교환형 미생물 연료전지.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 세포 군집은 자체적으로 생존이 가능한 세포 또는 조직인 것을 특징으로 하는 세포 교환형 미생물 연료전지.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 세포 군집은 남조류 또는 녹조류를 포함하는 것을 특징으로 하는 세포 교환형 미생물 연료전지.

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