KR102419722B1 - 생체 삽입 슈퍼커패시터 및 그 제조 방법. - Google Patents
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Abstract
슈퍼커패시터의 제조 방법이 제공된다. 상기 슈퍼커패시터의 제조 방법은, 탄소나노튜브 시트를 준비하는 단계, 상기 탄소나노튜브 시트 상에 고분자 및 금속 구조체를 포함하는 기능성 용액을 제공하여, 기능성 물질막을 형성하는 단계, 상기 기능성 물질막이 형성된 상기 탄소나노튜브 시트를 꼬아 섬유 구조체를 제조하는 단계, 및 상기 섬유 구조체를 전해질로 코팅하는 단계를 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 생체 삽입 슈퍼커패시터 및 그 제조 방법에 관련된 것으로서, 보다 상세하게는 탄소나노튜브 섬유 및 기능성 물질막을 갖는 섬유 구조체를 포함하는 생체 삽입 슈퍼커패시터 및 그 제조 방법에 관련된 것이다.
고령화 및 만성 질환 환자 증가로 인해 심박 조율기, 삽입형 심장 박동 모니터기, 척추 신경 자극기 등 인체 기관을 보조하거나 모니터링을 할 수 있는 체내 삽입형 의료장치에 대한 관심이 높아지고 있다. 현재 체내 삽입형 의료 장치는 외부 또는 내부에서 연결된 에너지 저장장치인 전지로부터 전원을 공급받아 사용하고 있다. 그러나 기존 내/외부 전지의 한계점은 소자의 부식 및 전해액 누수로 인한 체내 염증 및 독성 등의 유발 가능성, 한정된 전지 용량으로 인해, 전원교체를 위한 주기적인 수술이 필요하다는 데 있다.
외부전지로부터 전원을 공급받는 경우에는 피부를 통해 전선이 연결되므로 격한 운동 또는 외부 충격 등은 피부의 전선연결부위로 병원균이 침입할 가능성을 유발하고 2차 감염문제를 일으킬 수 있다. 또한, 내부 에너지 저장장치에 비해 수술과정이 복잡하고 인체삽입 전자기기에 따라서는 외부전지 사용이 불가능한 경우도 있다.
이러한 외부전지의 한계점을 해결하기 위해서는, 생체적합성이 우수하고 전지 전해액 누수로 인한 인체감염 및 독성문제를 피해갈 수 있는 안정적인 특성을 나타내는 내부전지 개발이 필요하다. 현재 사용되고 있는 인체 삽입형 내부전지는 용량이 제한적이며 일정 시간이 지나면 전지를 교체해야 하는 재수술과정이 필요하다. 또한 전지 팩의 부식 및 누출로 인해 2차적인 생물학적 독성을 유발하는 한계점을 넘어서야 한다.
이에 따라, 생체 삽입이 가능한 에너지 공급원을 개발하기 위하여 많은 연구 개발이 진행되고 있다. 예를 들어, 대한민국 특허 등록 번호 10-1660755(출원번호: 10-2010-0109227, 출원인: 경상대학교산학협력단)에는, 양단이 개방된 튜브형 구조를 갖는 지지부, 및 튜브형 구조의 내부 공간을 통과하는 혈액 내의 생체 연료를 이용하여 전기 에너지를 발생시키고, 발생된 전기 에너지를 이용하여 전압 또는 전류 밀도를 조절하며, 조절된 전압 또는 전류 밀도를 이용하여 전기 에너지를 충전하여 저장하는 융합 전지부를 포함하는 튜브형 구조의 생체 삽입 전지가 개시되어 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 에너지 저장용량이 향상된 생체 삽입 슈퍼커패시터 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 생체 친화적인 생체 삽입 슈퍼커패시터 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 기계적 자유도가 향상된 생체 삽입 슈퍼커패시터 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 대량생산이 용이한 생체 삽입 슈퍼커패시터 및 그 제조 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술된 것에 제한되지 않는다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 슈퍼커패시터의 제조 방법을 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 슈퍼커패시터의 제조 방법은, 탄소나노튜브 시트를 준비하는 단계, 상기 탄소나노튜브 시트 상에 고분자 및 금속 구조체를 포함하는 기능성 용액을 제공하여, 기능성 물질막을 형성하는 단계, 상기 기능성 물질막이 형성된 상기 탄소나노튜브 시트를 꼬아 섬유 구조체를 제조하는 단계, 및 상기 섬유 구조체를 전해질로 코팅하는 단계를 포함하되, 상기 금속 구조체는, 금속 산화물 및 상기 금속 산화물을 둘러싸는 단백질을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 기능성 용액을 준비하는 단계는, 상기 고분자를 포함하는 제1 소스 용액 및 상기 금속 구조체를 포함하는 제2 소스 용액을 혼합하는 단계를 포함하되, 상기 제1 소스 용액 및 상기 제2 소스 용액은 서로 혼합되어, 상기 고분자가 상기 금속 구조체를 둘러싼 기능성 물질을 형성하는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 고분자 및 상기 금속 구조체는 서로 다른 극성의 전하를 갖는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 금속 산화물은 Fe를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 고분자는 PEDOT:PSS이고, 상기 금속 구조체는 ferritin인 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 섬유 구조체의 에너지 저장 용량은, 상기 기능성 용액 내의 상기 금속 구조체의 농도에 따라 조절되는 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 기능성 용액 내의 상기 금속 구조체의 농도는, 50 wt% 초과 80wt% 미만인 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 슈퍼커패시터의 제조 방법은, 상기 기능성 용액 내의 상기 금속 구조체의 농도가 72 wt%인 경우, capacitance 값이 최대 값을 갖는 것을 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 슈퍼커패시터를 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 슈퍼커패시터는 복수의 탄소나노튜브들이 서로 꼬인 탄소나노튜브 섬유 및, 상기 탄소나노튜브 섬유를 감싸고 고분자 및 금속 구조체를 갖는 기능성 물질막을 포함하는 섬유 구조체, 및 상기 섬유 구조체를 코팅하는 전해질을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 기능성 물질막은, 상기 고분자가 상기 금속 구조체를 둘러싼 기능성 물질을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 고분자 및 상기 금속 구조체는 서로 다른 극성의 전하를 가질 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 고분자는 PEDOT:PSS이고, 상기 금속 구조체는 ferritin인 것을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 섬유 구조체의 에너지 저장 용량은, 상기 기능성 물질막 내의 상기 금속 구조체의 농도에 따라 조절되는 것을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 슈퍼커패시터의 제조 방법은, 탄소나노튜브 시트를 준비하는 단계, 상기 탄소나노튜브 시트 상에 고분자 및 금속 구조체를 포함하는 기능성 용액을 제공하여, 기능성 물질막을 형성하는 단계, 상기 기능성 물질막이 형성된 상기 탄소나노튜브 시트를 꼬아 섬유 구조체를 제조하는 단계, 및 상기 섬유 구조체를 전해질로 코팅하는 단계를 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 고분자는 및 상기 금속 구조체는 생체 친화적인 PEDOT:PSS 및 ferritin일 수 있다. 이에 따라, 상기 생체 내 체액을 전해질로 사용하는 생체 삽입 슈퍼커패시터가 제공될 수 있다.
또한, 상기 실시 예에 따른 슈퍼커패시터는, 상기 고분자 및 상기 금속 구조체가 서로 다른 극성의 전하를 가질 수 있다. 이에 따라, 상기 고분자 및 상기 금속 구조체가 혼합된 상기 기능성 물질은, 나노 클러스터 구조를 형성하여 상기 탄소나노튜브 시트와 용이하게 결합될 수 있다.
뿐만 아니라, 기능성 물질은 상기 고분자 및 상기 금속 구조체를 포함함에 따라, 상기 고분자의 electrostatic repulsion이 감소되어, 상기 탄소나노튜브 시트 상에 제공되는 상기 기능성 물질의 양이 향상될 수 있다. 결과적으로, 에너지 저장 특성이 향상된 슈퍼커패시터가 제공될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 슈퍼커패시터의 제조 공정을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 슈퍼커패시터가 포함하는 섬유 구조체를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 비교 예 1에 따른 섬유 구조체 및 실시 예 1에 따른 슈퍼커패시터가 포함하는 섬유 구조체를 촬영한 사진이다.
도 4는 본 발명의 실시 예 1에 따른 슈퍼커패시터가 포함하는 섬유 구조체의 단면을 촬영한 사진이다.
도 5는 본 발명의 실시 예 1에 따른 슈퍼커패시터가 포함하는 섬유 구조체를 확대하여 촬영한 사진이다.
도 6은 본 발명의 실시 예 1에 따른 슈퍼커패시터가 포함하는 섬유 구조체의 성분들을 촬영한 사진이다.
도 7은 본 발명의 실시 예 1에 따른 슈퍼커패시터 내의 ferritin 농도에 따른 에너지 저장 능력을 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시 예 1에 따른 슈퍼커패시터 내의 ferritin 농도에 따른 특성을 나타내는 그래프이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 실시 예 1에 따른 슈퍼커패시터의 전기적 특성을 나타내는 그래프이다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 실시 예 1에 따른 슈퍼커패시터의 에너지 저장 특성을 나타내느 그래프이다.
도 13은 본 발명의 실시 예 1에 따른 슈퍼커패시터와 비교 예 1 내지 3에 따른 섬유 구조체들의 전기적 특성을 비교하기 위한 그래프이다.
도 14 및 도 15는 본 발명의 실시 예 1에 따른 슈퍼커패시터의 기계적 내구성을 나타내기 위한 그래프이다.
도 16은 본 발명의 실시 예 1에 따른 슈퍼커패시터의 화학적 내구성을 나타내기 위한 그래프이다.
도 17은 본 발명의 실시 예 1에 따른 슈퍼커패시터의 전해질에 따른 차이를 확인하기 위한 그래프이다.
도 18 및 도 19는 본 발명의 실시 예들에 따른 슈퍼커패시터들의 생체 내 적용을 확인하기 위한 사진 및 그래프이다.
도 20은 본 발명의 실시 예 2에 따른 슈퍼커패시터의 길이에 따른 특성을 비교하기 위한 그래프이다.
도 21 및 도 22는 본 발명의 실시 예 2에 따른 슈퍼커패시터가 적용된 경우의 생체 변화를 나타내는 사진들이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 슈퍼커패시터가 포함하는 섬유 구조체를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 비교 예 1에 따른 섬유 구조체 및 실시 예 1에 따른 슈퍼커패시터가 포함하는 섬유 구조체를 촬영한 사진이다.
도 4는 본 발명의 실시 예 1에 따른 슈퍼커패시터가 포함하는 섬유 구조체의 단면을 촬영한 사진이다.
도 5는 본 발명의 실시 예 1에 따른 슈퍼커패시터가 포함하는 섬유 구조체를 확대하여 촬영한 사진이다.
도 6은 본 발명의 실시 예 1에 따른 슈퍼커패시터가 포함하는 섬유 구조체의 성분들을 촬영한 사진이다.
도 7은 본 발명의 실시 예 1에 따른 슈퍼커패시터 내의 ferritin 농도에 따른 에너지 저장 능력을 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시 예 1에 따른 슈퍼커패시터 내의 ferritin 농도에 따른 특성을 나타내는 그래프이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 실시 예 1에 따른 슈퍼커패시터의 전기적 특성을 나타내는 그래프이다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 실시 예 1에 따른 슈퍼커패시터의 에너지 저장 특성을 나타내느 그래프이다.
도 13은 본 발명의 실시 예 1에 따른 슈퍼커패시터와 비교 예 1 내지 3에 따른 섬유 구조체들의 전기적 특성을 비교하기 위한 그래프이다.
도 14 및 도 15는 본 발명의 실시 예 1에 따른 슈퍼커패시터의 기계적 내구성을 나타내기 위한 그래프이다.
도 16은 본 발명의 실시 예 1에 따른 슈퍼커패시터의 화학적 내구성을 나타내기 위한 그래프이다.
도 17은 본 발명의 실시 예 1에 따른 슈퍼커패시터의 전해질에 따른 차이를 확인하기 위한 그래프이다.
도 18 및 도 19는 본 발명의 실시 예들에 따른 슈퍼커패시터들의 생체 내 적용을 확인하기 위한 사진 및 그래프이다.
도 20은 본 발명의 실시 예 2에 따른 슈퍼커패시터의 길이에 따른 특성을 비교하기 위한 그래프이다.
도 21 및 도 22는 본 발명의 실시 예 2에 따른 슈퍼커패시터가 적용된 경우의 생체 변화를 나타내는 사진들이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 슈퍼커패시터의 제조 공정을 나타내는 도면이고, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 슈퍼커패시터가 포함하는 섬유 구조체를 나타내는 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 탄소나노튜브 시트(100)가 준비된다. 일 실시 예에 따르면, 상기 탄소나노튜브 시트(100)를 준비하는 단계는, 화학 기상 증착법으로 탄소나노튜브 숲(forest)을 제조하는 단계 및, 상기 탄소나노튜브 숲으로부터 상기 탄소나노튜브 시트(100)를 제조하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 탄소나노튜브 시트(100)는 제1 방향으로 연장하는 복수의 탄소나노튜브를 포함할 수 있다. 또한, 일 실시 예에 따르면, 상기 복수의 탄소나노튜브는 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT)일 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 탄소나노튜브 시트(100)는 지지 기판 상에 준비될 수 있다. 예를 들어, 상기 지지 기판은 유리 기판일 수 있다. 또는, 다른 예를 들어, 상기 지지 기판은 플라스틱 기판, 반도체 기판, 세라믹 기판, 또는 금속 기판 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 탄소나노튜브 시트(100) 상에 기능성 용액(140)이 제공되어, 기능성 물질막(150)이 형성될 수 있다. 상기 기능성 물질막(150)은, 기능성 물질(130)을 포함할 수 있다. 상기 기능성 물질(130)은, 고분자(110) 및 금속 구조체(120)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 고분자(110)는 PEDOT:PSS(Poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate))일 수 있다. 다른 예를 들어, 상기 고분자(110)는 polyaniline, polypyrolle등일 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 금속 구조체(120)는, 금속 산화물(120a) 및 단백질(120b)을 포함할 수 있다. 상기 단백질(120b)은, 상기 금속 산화물(120a)을 둘러쌀 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 금속 산화물(120a)은 Fe를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 금속 산화물(120a)은 FeO(OH)일 수 있다. 이에 따라, 상기 금속 구조체(120)는 ferritin일 수 있다. 다른 실시 예에 따르면, 상기 금속 산화물(120a)은 Co, Mn, Ni등을 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 금속 구조체(120)가 ferritin인 경우, 상기 금속 산화물(120a)의 평균 직경은 8 nm이고, 상기 금속 구조체(120)의 평균 직경은 12 nm일 수 있다. 또한, 상기 금속 구조체(120)가 ferritin인 경우, 상기 단백질(120b)은 24개의 protein 복합체로 구성될 수 있다. 또한, 상기 금속 구조체(120)가 ferritin인 경우, ferritin ion은 1분자당 최대 4500 iron atom을 함유할 수 있다.
상기 기능성 용액(140)을 준비하는 단계는, 제1 소스 용액 및 제2 소스 용액을 혼합하는 단계를 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 제1 소스 용액은, 상기 고분자(110)를 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 제2 소스 용액은, 상기 금속 구조체(120)를 포함할 수 있다.
상기 제1 소스 용액 및 상기 제2 소스 용액은 혼합되어, 상기 기능성 물질(130)을 형성할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 제1 소스 용액 및 상기 제2 소스 용액은 7:3의 비율로 혼합될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 기능성 물질(130)은, 상기 고분자(110)가 상기 금속 구조체(120)를 둘러싼 형태일 수 있다. 예를 들어, 상기 기능성 물질(130)은, 상기 고분자(110)가 상기 금속 구조체(120)를 둘러싼 나노 클러스터(nano cluster)구조일 수 있다.
보다 구체적으로 말하면, 상기 고분자(110) 및 상기 금속 구조체(120)는 서로 다른 극성의 전하를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 고분자(110)가 PEDOT:PSS인 경우, 상기 고분자(110)는 (-)전하를 가질 수 있다. 반면, 상기 금속 구조체(120)가 ferritin인 경우, 상기 금속 구조체(120)의 외곽이 단백질의 amino group으로 형성됨에 따라, 상기 금속 구조체(120)는 (+)전하를 가질 수 있다. 이에 따라, 상기 기능성 물질(130)은, (+)전하를 갖는 상기 금속 구조체(120) 및 (-)전하를 갖는 상기 고분자(110)의 electrostatic force에 의해, 나노 클러스터 구조를 형성할 수 있다. 또한, 상기 기능성 물질(130)이 나노 클러스터 구조를 형성함에 따라, 상기 기능성 물질(130)은, 상기 탄소나노튜브 시트(100)와 용이하게 결합될 수 있다.
상기 고분자(110) 및 상기 금속 구조체(120)는 서로 다른 극성의 전하를 가짐에 따라, 후술되는 섬유 구조체(300)의 에너지 저장 특성이 향상될 수 있다.
구체적으로, 상기 기능성 물질(130)이 상기 고분자(110)만을 포함하는 경우, 상기 고분자(110)의 electrostatic repulsion에 의해, 상기 탄소나노튜브 시트(100) 상에 제공되는 상기 기능성 물질(130)의 양이 제한될 수 있다. 하지만, 상술된 바와 같이, 상기 기능성 물질(130)이 서로 다른 극성의 전하를 갖는 상기 고분자(110) 및 상기 금속 구조체(120)를 포함하는 경우, 상기 금속 구조체(120)가 상기 고분자(110)의 electrostatic repulsion을 감소시켜, 상기 탄소나노튜브 시트(100) 상에 제공되는 상기 기능성 물질(130)의 양이 향상될 수 있다.
상기 기능성 물질막(150)이 형성된 상기 탄소나노튜브 시트(100)는, 꼬여서(twist) 섬유 구조체(300)가 제조될 수 있다. 다시 말해, 상기 섬유 구조체(300)는, 상기 기능성 물질막(150)이 탄소나노튜브 섬유(200)를 감싸는 형태일 수 있다. 상기 탄소나노튜브 섬유(200)는, 상기 탄소나노튜브 시트(100)가 꼬인 것일 수 있다. 즉, 상기 탄소나노튜브 섬유(200)는, 복수의 상기 탄소나노튜브들이 꼬인 형태일 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 섬유 구조체(300)의 에너지 저장 용량은, 상기 기능성 용액(140) 내의 상기 금속 구조체(120)의 농도에 따라 조절될 수 있다. 구체적으로, 상기 기능성 용액(140) 내의 상기 금속 구조체(120)의 농도가 향상됨에 따라, 상기 섬유 구조체(300)의 에너지 저장 용량이 향상될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 기능성 용액(140) 내의 상기 금속 구조체(120)의 농도는 50 wt% 초과 80 wt% 미만일 수 있다. 예를 들어, 상기 기능성 용액(140) 내의 상기 금속 구조체(120)의 농도가 72 wt%인 경우, 후술되는 슈퍼커패시터의 capacitance 값이 최대일 수 있다.
상기 섬유 구조체(300)는, 전해질이 코팅되어 슈퍼커패시터로 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 전해질은 PBS(phosphate buffer saline )일 수 있다. 다른 예를 들어, 상기 전해질은 생체 내 체액일 수 있다. 이에 따라, 상기 섬유 구조체(300)는, 생체 내에 삽입되어 슈퍼커패시터로 사용될 수 있다.
상술된 본 발명의 실시 예에 따른 슈퍼커패시터의 제조 방법은, 상기 탄소나노튜브 시트(100)를 준비하는 단계, 상기 탄소나노튜브 시트(100) 상에 상기 고분자(110) 및 상기 금속 구조체(120)를 포함하는 상기 기능성 용액(140)을 제공하여, 상기 기능성 물질막(150)을 형성하는 단계, 상기 기능성 물질막(150)이 형성된 상기 탄소나노튜브 시트(100)를 꼬아 상기 섬유 구조체(300)를 제조하는 단계, 및 상기 섬유 구조체(300)를 상기 전해질로 코팅하는 단계를 포함할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 상기 고분자(110)는 및 상기 금속 구조체(120)는 생체 친화적인 PEDOT:PSS 및 ferritin일 수 있다. 이에 따라, 상기 생체 내 체액을 전해질로 사용하는 생체 삽입 슈퍼커패시터가 제공될 수 있다.
또한, 상기 실시 예에 따른 슈퍼커패시터는, 상기 고분자(110) 및 상기 금속 구조체(120)가 서로 다른 극성의 전하를 가질 수 있다. 이에 따라, 상기 고분자(110) 및 상기 금속 구조체(120)가 혼합된 상기 기능성 물질(130)은, 나노 클러스터 구조를 형성하여 상기 탄소나노튜브 시트(100)와 용이하게 결합될 수 있다.
뿐만 아니라, 상기 기능성 물질(130)은 상기 고분자(110) 및 상기 금속 구조체(120)를 포함함에 따라, 상기 고분자(110)의 electrostatic repulsion이 감소되어, 상기 탄소나노튜브 시트(100) 상에 제공되는 상기 기능성 물질(130)의 양이 향상될 수 있다. 결과적으로, 에너지 저장 특성이 향상된 슈퍼커패시터가 제공될 수 있다.
이하, 본 발명의 실시 예에 따른 슈퍼커패시터의 구체적인 실험 예 및 특성 평가 결과가 설명된다.
실시 예 1에 따른 슈퍼커패시터의 제조
유리 기판이 준비된다. 상기 유리 기판 상에 화학 기상 증착법으로, 탄소나노튜브 숲(CNT forest)을 제조하였다. 상기 탄소나노튜브 숲을 제1 방향으로 잡아당겨, 상기 제1 방향으로 연장하는 복수의 탄소나노튜브를 포함하고, 3cm의 폭과 7.5cm의 길이를 갖는 탄소나노튜브 시트(CNT sheet)를 제조하였다.
11 mg/ml의 농도를 갖는 PEDOT:PSS 용액, 20 mg/ml의 농도를 갖는 ferritin 용액, 및 물이 혼합된 기능성 용액이 준비된다. 기능성 용액을 탄소나노튜브 시트 상에 제공하고, 4℃의 온도로 12시간 동안 유지하여 탄소나노튜브 시트에 PEDOT:PSS 및 ferritin이 흡수되도록 하였다.
기능성 용액이 제공된 탄소나노튜브 시트를 3,000 turns/meter 로 꼬으고(twist) 1시간 동안 건조시켜 섬유 구조체를 제조하였다. 이후, 섬유 구조체를 PBS 전해질로 코팅하여 실시 예 1에 따른 슈퍼커패시터를 제조하였다.
실시 예 2에 따른 슈퍼커패시터의 제조
상술된 실시 예 1에 따른 섬유 구조체가 준비된다. 상기 섬유 구조체를 실험용 쥐에 삽입하여 실시 예 2에 따른 슈퍼커패시터를 제조하였다.
비교 예 1에 따른 섬유 구조체 준비
탄소나노튜브 시트가 꼬여서 형성된 비교 예 1에 따른 섬유 구조체가 준비된다.
비교 예 2에 따른 섬유 구조체 준비
비교 예 1에 따른 탄소나노튜브 시트 상에 ferritin을 포함하는 기능성 용액을 제공한 후, 꼬여서 형성된 비교 예 2에 따른 섬유 구조체가 준비된다.
비교 예 3에 따른 섬유 구조체 준비
비교 예 1에 따른 탄소나노튜브 시트 상에 PEDOT:PSS를 포함하는 기능성 용액을 제공한 후, 꼬여서 형성된 비교 예 3에 따른 섬유 구조체가 준비된다.
상술된 실시 예 1에 따른 슈퍼커패시터 및 비교 예 1 내지 비교 예 3에 따른 섬유 구조체들의 구조가 <표 1>을 통하여 정리된다.
| 구분 | 구조 |
| 실시 예 1 | PEDOT:PSS - ferritin / CNT / PBS 슈퍼커패시터 |
| 실시 예 2 | PEDOT:PSS - ferritin / CNT / 실험용 쥐 삽입 슈퍼커패시터 |
| 비교 예 1 | MWNT 섬유 구조체 |
| 비교 예 2 | Ferritin / MWNT 섬유 구조체 |
| 비교 예 3 | PEDOT:PSS / MWNT 섬유 구조체 |
도 3은 본 발명의 비교 예 1에 따른 섬유 구조체 및 실시 예 1에 따른 슈퍼커패시터가 포함하는 섬유 구조체를 촬영한 사진이다.
도 3의 (a) 및 (b)를 참조하면, 상기 비교 예 1에 따른 섬유 구조체 및 상기 실시 예 1에 따른 슈퍼커패시터가 포함하는 섬유 구조체를 50 μm의 scale bar에서 SEM(scanning electron microscope) 촬영하였다. 도 3의 (a) 및 (b)에서 알 수 있듯이, 상기 실시 예 1에 따른 슈퍼커패시터가 포함하는 섬유 구조체는, 상기 비교 예 1에 따른 섬유 구조체와 비교하여, 탄소나노튜브 섬유 상에 PEDOT:PSS 및 ferritin이 포함되어 있는 것을 확인할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시 예 1에 따른 슈퍼커패시터가 포함하는 섬유 구조체의 단면을 촬영한 사진이다.
도 4를 참조하면, 상기 실시 예 1에 따른 슈퍼커패시터가 포함하는 섬유 구조체의 단면을 50 μm의 scale bar에서 SEM 촬영하였다. 도 4에서 알 수 있듯이, 상기 실시 예 1에 따른 슈퍼커패시터가 포함하는 섬유 구조체는, PEDOT:PSS 및 ferritin이 trapped structure를 형성하는 것을 확인할 수 있다. 이에 따라, PEDOT:PSS 및 ferritin이 탄소나노튜브 시트로부터 빠져나가는 것이 예방될 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시 예 1에 따른 슈퍼커패시터가 포함하는 섬유 구조체를 확대하여 촬영한 사진이다.
도 5를 참조하면, 상기 실시 예 1에 따른 슈퍼커패시터가 포함하는 섬유 구조체를 200 nm의 scale bar에서 TEM(transmission electron microscopy) 촬영하였다. 도 5에서 알 수 있듯이, 상기 실시 예 1에 따른 슈퍼커패시터가 포함하는 섬유 구조체는, PEDOT:PSS 및 ferritin이 나노 클러스터(nano cluster)구조를 형성하고 있는 것을 확인할 수 있었다.
도 6은 본 발명의 실시 예 1에 따른 슈퍼커패시터가 포함하는 섬유 구조체의 성분들을 촬영한 사진이다.
도 6의 (a) 내지 (d)를 참조하면, 상기 실시 예 1에 따른 슈퍼커패시터가 포함하는 섬유 구조체의 성분들을 30 nm의 scale bar에서 TEM 촬영하고, elemental mapping analysis를 나타내었다. 도 6의 (a)는 나노 클러스터를 나타내고, 도 6의 (b)는 C의 분포를 나타내고, 도 6의 (c)는 S의 분포를 나타내고, 도 6의 (d)는 Fe의 분포를 나타낸다.
도 6의 (a)에서 알 수 있듯이, 상기 실시 예 1에 따른 슈퍼커패시터가 포함하는 섬유 구조체는, 평균 100 nm의 직경을 갖는 나노 클러스터 구조를 형성하고 있는 것을 확인할 수 있었다. 도 6의 (b) 내지 (d)에서 알 수 있듯이, 상기 실시 예 1에 따른 슈퍼커패시터가 포함하는 섬유 구조체는, C, S, 및 Fe가 분포되어 있고, 특히 S, 및 Fe가 나노 클러스터 구조에서 주로 분포되어 있는 것을 확인할 수 있었다.
도 7은 본 발명의 실시 예 1에 따른 슈퍼커패시터 내의 ferritin 농도에 따른 에너지 저장 능력을 나타내는 그래프이다.
도 7을 참조하면, 상기 실시 예 1에 따른 슈퍼커패시터를 준비하되, 기능성 용액 내의 ferritin 농도를 0 wt% 내지 80 wt%로 조절하고, 각각의 농도에 따라 제조된 슈퍼커패시터의 areal capacitance(mF/cm2)를 측정하였다. 도 7에서 알 수 있듯이, 상기 실시 예 1에 따른 슈퍼커패시터의 areal capacitance는, 기능성 용액 내의 ferritin 농도가 0 wt%에서 72 wt%까지 점점 상승하다가, 72 wt% 초과부터 80 wt%까지는 점점 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 이에 따라, 상기 실시 예1에 따른 슈퍼커패시터는, 기능성 용액 내의 ferritin 농도가 72 wt%일 때 가장 높은 areal capacitance 값을 나타내는 것을 알 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시 예 1에 따른 슈퍼커패시터 내의 ferritin 농도에 따른 특성을 나타내는 그래프이다.
도 8의 (a)를 참조하면, 상기 실시 예 1에 따른 슈퍼커패시터를 준비하되, 기능성 용액 내의 ferritin 농도를 0 wt% 내지 80 wt%로 조절하고, 각각의 농도에 따라 제조된 슈퍼커패시터가 포함할 수 있는 전체 기능성 물질의 로딩양(mg/cm2)을 나타내었다.
도 8의 (a)에서 알 수 있듯이, 상기 실시 예 1에 따른 슈퍼커패시터는, 기능성 용액 내의 ferritin 농도가 0 wt% 에서 80 wt%로 점점 증가함에 따라, 상기 실시 예 1에 따른 슈퍼커패시터가 포함할 수 있는 전체 기능성 물질의 로딩양도 점점 향상되는 것을 확인할 수 있었다.
도 8의 (b)를 참조하면, 상기 실시 예 1에 따른 슈퍼커패시터를 준비하되, 기능성 용액 내의 ferritin 농도가 0 wt% 내지 80 wt%로 조절됨에 따라 변화되는 기능성 용액 내의 PEDOT:PSS 농도를 나타내었다.
도 8의 (b)에서 알 수 있듯이, 상기 실시 예 1에 따른 슈퍼커패시터의 제조 과정 중 사용되는 기능성 용액 내의 PEDOT:PSS 농도는, 기능성 용액 내의 ferritin 농도가 0 wt%에서 72 wt%까지 점점 상승하다가, 72 wt% 초과부터 80 wt%까지는 점점 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 이에 따라, 상기 실시 예 1에 따른 슈퍼커패시터를 제조하는 경우, 기능성 용액 내의 ferritin 농도를 72 wt%로 유지하는 것이 용이한 것을 알 수 있다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 실시 예 1에 따른 슈퍼커패시터의 전기적 특성을 나타내는 그래프이다.
도 9의 (a)를 참조하면, 상기 실시 예 1에 따른 슈퍼커패시터의 전기적 특성을 확인하기 위해, 10, 30, 50, 70, 및 100 mV/s의 scan rate에서 potential(V)에 따른 전류 밀도(mA/cm2)를 측정하고, CV(cyclic voltammetry) curve를 나타내었다.
도 9의 (a)에서 알 수 있듯이, 상기 실시 예 1에 따른 슈퍼커패시터는, scan rate가 10, 30, 50, 70, 및 100 mV/s로 증가함에 따라, CV curve의 면적도 점점 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
도 9의 (b)를 참조하면, 상기 실시 예 1에 따른 슈퍼커패시터의 전기적 특성을 확인하기 위해, 0.1 mA/cm2, 0.2 mA/cm2, 및 0.3 mA/cm2의 areal capacitance에서 시간(s)에 따른 전압(V)을 측정하고, galvano-static charge-discharge curve를 나타내었다.
도 9의 (b)에서 알 수 있듯이, 상기 실시 예 1에 따른 슈퍼커패시터는, areal capacitance가 0.1 mA/cm2, 0.2 mA/cm2, 및 0.3 mA/cm2로 증가함에 따라, galvano-static curve의 면적이 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
도 10을 참조하면, 상기 실시 예 1에 따른 슈퍼커패시터의 전기적 트ㄱ성을 확인하기 위해, 1000 mV/s의 scan rate에서 전압(V)에 따른 전류 밀도(mA/cm2)를 측정하고, CV curve를 나타내었다. 도 10에서 알 수 있듯이, 상기 실시 예 1에 따른 슈퍼커패시터는, 1000 mV/s의 scan rate에서도 안정적인 CV curve를 형성하는 것을 확인할 수 있었다. 도 9 및 도 10을 통해, 상기 실시 예 1에 따른 슈퍼커패시터는 우수한 전기적 특성을 갖는 것을 알 수 있다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 실시 예 1에 따른 슈퍼커패시터의 에너지 저장 특성을 나타내느 그래프이다.
도 11을 참조하면, 상기 실시 예 1에 따른 슈퍼커패시터의 10 mV/s 내지 100 mV/s의 scan rate에 따른 areal capacitance(mF/cm2) 및 volumetric capacitance(F/cm3)을 측정하였다. 도 11에서 알 수 있듯이, 상기 실시 예 1에 따른 슈퍼커패시터의 areal capacitance 및 volumetric capacitance 최대값은, 10 mV/s의 scan rate에서 각각 32.9 mF/cm2 및 12.0 F/cm3로 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 상기 실시 예 1에 따른 슈퍼커패시터는, 100 mV/s의 scan rate 에서, 최대 areal capacitance 및 volumetric capacitance 대비 83.5%의 areal capacitance 및 volumetric capacitance를 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 이에 따라, 상기 실시 예 1에 따른 슈퍼커패시터는, 우수한 에너지 저장 특성을 갖는 것을 알 수 있다.
도 12를 참조하면, 상기 실시 예 1에 따른 슈퍼커패시터의 에너지 저장 능력을 알아보기 위해, EIS(electrochemical impedance spectroscopy)를 측정하고, Nyquist curve를 나타내었다. 도 12에서 알 수 있듯이, 상기 실시 예 1에 따른 슈퍼커패시터는, 1 kHz에서 ESR(equivalent series resistance)가 470 ohm cm 만큼 작은 것을 확인할 수 있었다. 또한, 상기 실시 예 1에 따른 슈퍼커패시터의 Nyquist curve는 매우 가파르게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 이에 따라, 상기 실시 에 1에 따른 슈퍼커패시터는, 우수한 에너지 저장 특성을 갖는 것을 알 수 있다.
도 13은 본 발명의 실시 예 1에 따른 슈퍼커패시터와 비교 예 1 내지 3에 따른 섬유 구조체들의 전기적 특성을 비교하기 위한 그래프이다.
도 13의 (a)를 참조하면, 상기 실시 예 1에 따른 슈퍼 커피시터와 비교 예 1 내지 3에 따른 섬유 구조체들의 potential(V)에 따른 전류 밀도(mA/cm2)를 측정하고, CV curve를 나타내었다. 도 13의 (a)에서 알 수 있듯이, 상기 실시 예 1에 따른 슈퍼커패시터의 CV curve 면적은, 상기 비교 예 1 내지 비교 예 3에 따른 섬유 구조체들의 CV curve 면적보다 현저하게 넓은 것을 확인할 수 있었다. 또한, 상기 실시 예 1에 따른 슈퍼커패시터의 areal capacitance는 32.9 mF/cm2을 나타내고, 상기 비교 예 1에 따른 섬유 구조체의 areal capacitance는 0.7 mF/cm2을 나타내고, 상기 비교 예 2에 따른 섬유 구조체의 areal capacitance는 2.6 mF/cm2을 나타내고, 상기 비교 예 3에 따른 섬유 구조체의 areal capacitance는 4.3 mF/cm2을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
도 13의 (b)를 참조하면, 상기 실시 예 1에 따른 슈퍼 커피시터와 비교 예 1 내지 3에 따른 섬유 구조체들의 power density(W/cm3)에 따른 energy density(Wh/cm3)을 측정하여 나타내었다. 도 13의 (b)에서 알 수 있듯이, 상기 실시 예 1에 따른 슈퍼커패시터의 power density 및 energy density는 각각 75 mW/cm3 및 0.41 mW/cm3을 나타내고, 상기 비교 예 1에 따른 섬유 구조체의 power density 및 energy density는 각각 0.93 mW/cm3 및 0.008 mW/cm3을 나타내고, 상기 비교 예 2에 따른 섬유 구조체의 power density 및 energy density는 각각 3.9 mW/cm3 및 0.025 mW/cm3을 나타내고, 상기 비교 예 3에 따른 섬유 구조체의 power density 및 energy density는 각각 10 mW/cm3 및 0.063 mW/cm3을 나타내고,
이에 따라, 상기 실시 예 1과 같이 PEDOT:PSS 및 ferritin을 모두 포함하는 기능성 물질이 사용된 슈퍼커패시터의 energy density가, PEDOT:PSS 또는 ferritin 중 어느 하나만을 포함하는 기능성 물질이 사용된 섬유 구조체 보다 약 52배 높은 것을 알 수 있다. 즉, 상기 실시 예 1에 따른 슈퍼커패시터의 전기적 특성이, PEDOT:PSS 또는 ferritin 중 어느 하나만을 포함하는 기능성 물질이 사용된 섬유 구조체 보다 현저하게 우수한 것을 알 수 있다.
도 14 및 도 15는 본 발명의 실시 예 1에 따른 슈퍼커패시터의 기계적 내구성을 나타내기 위한 그래프이다.
도 14를 참조하면, 상기 실시 예 1에 따른 슈퍼커패시터를 준비하되, PBS 전해질이 코팅되지 않은(dry fiber) 섬유 구조체와, PBS 전해질이 코팅된(wet fiber) 슈퍼커패시터의 strain(%)에 따른 stress(Mpa)를 측정하고 나타내었다.
도 14에서 알 수 있듯이, 상기 실시 예 1에 따라 PBS 전해질이 코팅된(wet fiber) 슈퍼커패시터는, 180Mpa의 stress와 20%의 strain을 나타내고, PBS 전해질이 코팅되지 않은(dry fiber) 섬유 구조체는, 250Mpa의 stress와 9%의 strain을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
도 15를 참조하면, 상기 실시 예 1에 따른 슈퍼커패시터를 변형하지 않은 경우(nondeformed electrode) 및 묶음 변형을 가한 경우(knotted electrode)에 대해 각각 pontential(V)에 따른 전류 밀도(mA/cm2)를 측정하고, CV curve를 나타내었다.
도 15에서 알 수 있듯이, 상기 실시 예 1에 따른 슈퍼커패시터는, 변형하지 않은 경우(nondeformed electrode) 및 묶음 변형을 가한 경우(knotted electrode)에 대한 CV curve 면적이 실질적으로 일치하는 것을 확인할 수 있었다. 즉, 상기 실시 예 1에 따른 슈퍼커패시터는, 물리적 변형에도 전기적 특성이 실질적으로 동일하게 유지되는 것을 알 수 있다. 도 14 및 도 15를 통해, 상기 실시 예 1에 따른 슈퍼커패시터는, 우수한 기계적 특성을 갖는 것을 알 수 있다.
도 16은 본 발명의 실시 예 1에 따른 슈퍼커패시터의 화학적 내구성을 나타내기 위한 그래프이다.
도 16을 참조하면, 상기 실시 예 1에 따른 슈퍼커패시터의 화학적 내구성을 확인하기 위해, 100회 내지 1000회의 충전-방전 cycle에 대한 capacitance retention(%)을 측정하여 나타내고, 1회 및 1000회의 충전-방전 cycle에 대한 각각의 pontential(V)에 따른 전류 밀도(mA/cm2)를 측정하고, CV curve를 나타내었다.
도 16에서 알 수 있듯이, 상기 실시 예 1에 따른 슈퍼커패시터는, 100회의 충전-방전 cycle을 수행한 경우에 대한 capacitance retention(%) 및 1000회의 충전-방전 cycle을 수행한 경우에 대한 capacitance retention(%)과 실질적으로 일치하는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 상기 실시 예 1에 따른 슈퍼커패시터는, 100회의 충전-방전 cycle을 수행한 경우에 대한 CV curve 면적과 1000회의 충전-방전 cycle을 수행한 경우에 대한 CV curve 면적이 실질적으로 일치하는 것을 확인할 수 있었다. 이에 따라, 상기 실시 예 1에 따른 슈퍼커패시터는 우수한 화학적 내구성을 갖는 것을 알 수 있다.
도 17은 본 발명의 실시 예 1에 따른 슈퍼커패시터의 전해질에 따른 차이를 확인하기 위한 그래프이다.
도 17의 (a)를 참조하면, 상기 실시 예 1에 따른 슈퍼커패시터를 준비하되, 전해질로 사람의 혈청(human serum)을 사용하였다. 이후, 사람의 혈청이 사용된 상기 실시 예 1에 따른 슈퍼커패시터의 scan rate(mV/s)에 따른 areal capacitance(mF/cm2)를 측정하여 나타내고, potential(V)에 따른 전류 밀도(mA/cm2)를 측정하고 CV curve를 나타내었다.
도 17의 (a)에서 알 수 있듯이, 사람의 혈청이 사용된 상기 실시 예 1에 따른 슈퍼커패시터는, 10 mV/s의 scan rate에서 31 mF/cm2을 나타내어 도 11을 참조하여 설명된 PBS 전해질이 사용된 상기 실시 예 1에 따른 슈퍼커패시터의 10 mV/s scan rate에서의 areal capacitance와 유사한 것을 확인할 수 있었다. 또한, 사람의 혈청이 사용된 상기 실시 예 1에 따른 슈퍼커패시터의 CV curve 면적은, 도 9의 (a)를 참조하여 설명된 PBS 전해질이 사용된 상기 실시 예 1에 따른 슈퍼커패시터의 CV curve 면적과 유사한 것을 확인할 수 있었다.
도 17의 (b)를 참조하면, PBS 전해질이 사용된 상기 실시 예 1에 따른 슈퍼커패시터와, 사람의 혈청(human serum)이 전해질로 사용된 상기 실시 예 1에 따른 슈퍼커패시터 각각을 scan rate(mV/s)에 따른 areal capacitance(mF/cm2)를 측정하고 비교하였다. 도 17의 (b)에서 알 수 있듯이, 상기 실시 예 1에 따른 슈퍼커패시터는, 사람의 혈청이 전해질로 사용된 경우와 PBS 전해질이 사용된 경우의 areal capacitance가 모든 scan rate 구간에서 실질적으로 일치하게 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
이에 따라, 상기 실시 예 1에 따른 슈퍼커패시터는, PBS 전해질이 사람의 혈청이 전해질로 사용된 경우에 대해 특성이 서로 유사하게 나타나는 것을 알 수 있다. 즉, 상기 실시 예 1에 따른 슈퍼커패시터가 생체 내 삽입되어 사용될 수 있다는 것을 알 수 있다.
도 18 및 도 19는 본 발명의 실시 예들에 따른 슈퍼커패시터들의 생체 내 적용을 확인하기 위한 사진 및 그래프이다.
도 18의 (a)를 참조하면, 상기 실시 예 2에 따른 슈퍼커패시터가 실험용 쥐에 삽입된 것을 촬영한 사진이다. 도 18의 (a)에서 알 수 있듯이, 상기 실시 예 2에 따른 슈퍼커패시터가 실험용 쥐에 용이하게 삽입된 것을 확인할 수 있었다.
도 18의 (b)를 참조하면, 상기 실시 예 1 및 실시 예 2에 따른 슈퍼커패시터 각각의 전압(V)에 따른 전류 밀도(mA/cm2)를 측정하고, CV curve를 나타내었다.
도 18의 (b)에서 알 수 있듯이, 상기 실시 예 1 및 실시 예 2에 따른 슈퍼커패시터의 CV curve 면적이 실직적으로 일치하는 것을 확인할 수 있었다. 이에 따라, 상기 실시 예에 따른 슈퍼커패시터는, PBS를 전해질로 사용한 경우와, 실험용 쥐에 삽입된 경우, 전기적 특성이 실질적으로 일치하는 것을 알 수 있다.
도 19를 참조하면, 상기 실시 예 2에 따른 슈퍼커패시터의 시간(days)에 따른 capacitance retention(%)을 측정하여 나타내고, 실험용 쥐에 삽입된 직후(0 day)와 삽입되고 8일이 지난 후(8 day) 각각의 CV curve를 나타내었다.
도 19에서 알 수 있듯이, 상기 실시 예 2에 따른 슈퍼커패시터는, 삽입된 날 대비 삽입되고 8일이 지난 후에도 90%의 capacitance retention을 나타내었다. 또한, 상기 실시 예 2에 따른 슈퍼커패시터는, 삽입된 날 대비 삽입되고 8일이 지난 후의 CV curve 면적이 실질적으로 일치하는 것을 확인할 수 있었다. 이에 따라, 상기 실시 예 2에 따른 슈퍼커패시터는, 생체 내에서도 용이하게 동작하는 것을 알 수 있다.
도 20은 본 발명의 실시 예 2에 따른 슈퍼커패시터의 길이에 따른 특성을 비교하기 위한 그래프이다.
도 20을 참조하면, 상기 실시 예 2에 따른 슈퍼커패시터를 준비하되, 0.5cm 및 2.0cm의 길이로 준비하고, 각각의 CV curve를 나타내었다. 도 20에서 알 수 있듯이, 상기 실시 예 2에 따른 슈퍼커패시터는, 0.5cm 길이인 경우 0.33 mF 의 capacitance를 나타내고, 2.0cm인 경우 1.2 mF의 capacitance를 나타내었다. 즉, 상기 실시 예 2에 따른 슈퍼커패시터는 0.5cm 길이인 경우보다 2.0cm의 길이인 경우 energy 및 power value가 약 3.6배 높은 것을 알 수 있다.
도 21 및 도 22는 본 발명의 실시 예 2에 따른 슈퍼커패시터가 적용된 경우의 생체 변화를 나타내는 사진들이다.
도 21의 (a) 및 (b)를 참조하면, 실험용 쥐의 상처부위를 상기 실시 예 2에 따른 슈퍼커패시터를 이용하여 봉합하였다. 도 21의 (a)는 봉합된 첫날 상처부위를 촬영한 사진이고, 도 21의 (b)는 봉합되고 4주 후의 상처부위를 촬영한 사진이다. 도 21의 (a) 및 (b)에서 알 수 있듯이, 상기 실시 예 2에 따른 슈퍼커패시터를 사용하여 상처를 봉합한 경우, 상처가 용이하게 치유된 것을 확인할 수 있었다.
도 22의 (a) 및 (b)를 참조하면, 실험용 쥐에 삽입된 상기 실시 예 2에 따른 슈퍼커패시터 주위의 생체 조직들의 변화를 나타내는 사진들이다. 도 22의 (a)는 삽입되고 1주 후의 주위 조직을 촬영한 사진이고, 도 22의 (b)는 삽입되고 4주 후의 주위 조직을 촬영한 사진이다. 도 22의 (a) 및 (b)에서 알 수 있듯이, 실험용 쥐에 삽입된 상기 실시 예 2에 따른 슈퍼커패시터 주위는 vascularized adipose tissue들로 둘러싸이는 것을 확인할 수 있었다. 즉, 상기 실시 예 2에 따른 슈퍼커패시터가 생체 내 조직들과 친화적이라는 것을 알 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
100: 탄소나노튜브 시트
110: 고분자
120: 금속 구조체
120a: 금속 산화물
120b: 단백질
130: 기능성 물질
140: 기능성 용액
150: 기능성 물질막
200: 탄소나노튜브 섬유
300: 섬유 구조체
110: 고분자
120: 금속 구조체
120a: 금속 산화물
120b: 단백질
130: 기능성 물질
140: 기능성 용액
150: 기능성 물질막
200: 탄소나노튜브 섬유
300: 섬유 구조체
Claims (13)
- 탄소나노튜브 시트를 준비하는 단계;
상기 탄소나노튜브 시트 상에 고분자 및 금속 구조체를 포함하는 기능성 용액을 제공하여, 기능성 물질막을 형성하는 단계;
상기 기능성 물질막이 형성된 상기 탄소나노튜브 시트를 꼬아 섬유 구조체를 제조하는 단계; 및
상기 섬유 구조체를 전해질로 코팅하는 단계를 포함하되,
상기 금속 구조체는, 금속 산화물 및 상기 금속 산화물을 둘러싸는 단백질을 포함하고,
상기 고분자 및 상기 금속 구조체는 서로 다른 극성의 전하를 갖는 것을 포함하는 슈퍼커패시터의 제조 방법.
- 탄소나노튜브 시트를 준비하는 단계;
상기 탄소나노튜브 시트 상에 고분자 및 금속 구조체를 포함하는 기능성 용액을 제공하여, 기능성 물질막을 형성하는 단계;
상기 기능성 물질막이 형성된 상기 탄소나노튜브 시트를 꼬아 섬유 구조체를 제조하는 단계; 및
상기 섬유 구조체를 전해질로 코팅하는 단계를 포함하되,
상기 금속 구조체는, 금속 산화물 및 상기 금속 산화물을 둘러싸는 단백질을 포함하고,
상기 기능성 용액을 준비하는 단계는,
상기 고분자를 포함하는 제1 소스 용액 및 상기 금속 구조체를 포함하는 제2 소스 용액을 혼합하는 단계를 포함하고,
상기 제1 소스 용액 및 상기 제2 소스 용액은 서로 혼합되어, 상기 고분자가 상기 금속 구조체를 둘러싼 기능성 물질을 형성하는 것을 포함하는 슈퍼커패시터의 제조 방법.
- 삭제
- 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
상기 금속 산화물은 Fe를 포함하는 슈퍼커패시터의 제조 방법.
- 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
상기 고분자는 PEDOT:PSS이고, 상기 금속 구조체는 ferritin인 것을 포함하는 슈퍼커패시터의 제조 방법.
- 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
상기 섬유 구조체의 에너지 저장 용량은, 상기 기능성 용액 내의 상기 금속 구조체의 농도에 따라 조절되는 것을 포함하는 슈퍼커패시터의 제조 방법.
- 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
상기 기능성 용액 내의 상기 금속 구조체의 농도는, 50 wt% 초과 80wt% 미만인 것을 포함하는 슈퍼커패시터의 제조 방법.
- 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
상기 기능성 용액 내의 상기 금속 구조체의 농도가 72 wt%인 경우, capacitance 값이 최대 값을 갖는 것을 포함하는 슈퍼커패시터의 제조 방법.
- 복수의 탄소나노튜브들이 서로 꼬인 탄소나노튜브 섬유 및, 상기 탄소나노튜브 섬유를 감싸고 고분자 및 금속 구조체를 갖는 기능성 물질막을 포함하는 섬유 구조체; 및
상기 섬유 구조체를 코팅하는 전해질을 포함하되,
상기 고분자 및 상기 금속 구조체는 서로 다른 극성의 전하를 갖는 슈퍼커패시터.
- 제9 항에 있어서,
상기 기능성 물질막은, 상기 고분자가 상기 금속 구조체를 둘러싼 기능성 물질을 포함하는 슈퍼커패시터.
- 삭제
- 제9 항에 있어서,
상기 고분자는 PEDOT:PSS이고, 상기 금속 구조체는 ferritin인 것을 포함하는 슈퍼커패시터.
- 제9 항에 있어서,
상기 섬유 구조체의 에너지 저장 용량은, 상기 기능성 물질막 내의 상기 금속 구조체의 농도에 따라 조절되는 것을 포함하는 슈퍼커패시터.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020170132305A KR102419722B1 (ko) | 2017-10-12 | 2017-10-12 | 생체 삽입 슈퍼커패시터 및 그 제조 방법. |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020170132305A KR102419722B1 (ko) | 2017-10-12 | 2017-10-12 | 생체 삽입 슈퍼커패시터 및 그 제조 방법. |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20190041168A KR20190041168A (ko) | 2019-04-22 |
| KR102419722B1 true KR102419722B1 (ko) | 2022-07-12 |
Family
ID=66283100
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020170132305A KR102419722B1 (ko) | 2017-10-12 | 2017-10-12 | 생체 삽입 슈퍼커패시터 및 그 제조 방법. |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR102419722B1 (ko) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102685571B1 (ko) * | 2022-09-05 | 2024-07-15 | 한양대학교 산학협력단 | 생체 삽입형 커패시터 전극 구조체 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101660755B1 (ko) | 2010-11-04 | 2016-09-29 | 경상대학교산학협력단 | 튜브형 구조의 생체 삽입 전지 |
-
2017
- 2017-10-12 KR KR1020170132305A patent/KR102419722B1/ko active IP Right Grant
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| C. Choi et al., ‘Elastomeric and Dynamic MnO2/CNT Core-Shell Structure Coiled Yarn Supercapacitor,’ Adv. Energy Mater., 6(2016), 1502119 (2016.01.11.) 1부.* |
| S. Bhattacharyya et al., ‘Protein-functionalized carbon nanotube-polymer composites,’ appl. Phys. Lett. 86, 113104 (2005) (online: 2005.03.08.) 1부.* |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20190041168A (ko) | 2019-04-22 |
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