KR20090040797A - 자가 발전형 생체 내 전원 공급 시스템 - Google Patents

자가 발전형 생체 내 전원 공급 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 생체 내의 연료를 이용하여 자체적으로 전기를 발생시키는 생체 연료 전지를 포함하는 전력 발생 장치, 상기 전력 발생 장치에서 발생된 전기를 저장하며, 이차전지, 커패시터, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 전력 저장 장치, 상기 전력 발생 장치에서 발생된 전기를 상기 전력 저장 장치에 저장시키기 위하여 전압 및 전류밀도를 조절할 수 있는 반도체 회로, 및 상기 전력 발생 장치, 전력 저장 장치, 및 반도체 회로를 둘러싸는 생체 적합성 코팅막을 포함하는 자가 발전형 생체 내 전원 공급 시스템을 제공한다.
상기 자가 발전형 생체 내 전원 공급 장치는 극소형이며, 자체적인 충방전 시스템을 갖는 자가 발전형 전원으로서, 기존 인체 삽입형 의료 기기들의 크기를 현저히 줄일 수 있도록 하고, 전지 교체를 위한 외과적 수술의 번거로움을 피할 수 있도록 해준다.
생체연료전지, 이차전지, 커패시터, 회로, 코팅막, 생체적합성

Description

자가 발전형 생체 내 전원 공급 시스템{SELF-GENERATING IMPLANTABLE POWER SOURCE}
본 발명은 자가 발전형 생체 내 전원 공급 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 극소형이며, 자체적인 충방전 시스템을 갖는 자가 발전형 전원인 생체 내 전원 공급 시스템에 관한 것이다.
인공 심장, 심장 박동 조절 장치(pacemaker), 캡슐형 내시경, 진단용 의료센서, 약물 주입 펌프(drug infusion pump) 등의 생체 이식형 의료 기기들은 환자의 상태를 진단하고 치료하는 데 도움을 주고 있다. 그러나, 상기 생체 이식형 의료 기기들은 그 크기가 환자들이 부담을 느낄 정도로 커서 이를 이식받은 많은 환자들이 착용감에 대한 불편함을 호소하고 있다.
따라서, 이의 크기를 줄이기 위한 많은 노력이 이루어지고 있으나, 이들 기기에서 약 20 내지 60 부피%의 상당 부분을 차지하는 일차 전지 자체의 부피가 크기 때문에 의료 기기의 크기를 획기적으로 줄이는 데 한계가 있다. 특히, 일차 전지는 일정 기간이 지나면 그 수명을 다하므로 외과적 수술을 통하여 주기적으로 이식된 기기를 교체해야만 하는 번거로움도 있다.
인체 이식형 이차 전지의 경우에도 이미 많은 발전을 이루어 왔으며, 상업화가 진행되고 있다. 이차 전지의 충전 방식에서도 외부에서 RF(radio frequency)를 이용하여 충전을 하거나 외부로 노출된 단자를 이용하여 유선으로 충전을 하는 방식이 있다. 이런 방식은 외부에서 계속하여 충전을 해주어야하는 번거로움이 발생하고, 외부 단자 노출 방식의 경우에는 환자들이 불편함을 느끼게 된다. 또한 무선충전의 경우에는 안전성에 문제가 있는 것으로 지적되고 있다.
한편, 환자들이 착용감에 대한 거부감이 없고 이식시 고통이 거의 없는 수준의 장치의 크기는 0.5cm(길이)×500μm(폭)×200μm(두께)로 보고되었다(Adam Heller, Potentially implantable miniature batteries, Anal. Bioanal. Chem. 2006년 제 385호, 469-473). 따라서, 이를 위해서는 이들의 전원으로 사용하는 전지의 크기를 극소형 규모로 줄여야만 하는데, 이럴 경우 전지의 용량이 함께 줄어들게 되어 장시간 사용이 불가능하게 된다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 최근 미국 텍사스 대학의 Heller 교수팀(Adam Heller, Biological fuel cell and methods, 미국공개특허 제2006/0159981호; Adam Heller et al ., Characteristics of a miniature compartment-less glucose-O2 biofuel cell and its operation in a living plant)은 탄소 나노 와이어에 효소를 고정화시킨 전극을 이용하여 생체 내에 존재하는 글루코오스로 부터 전기를 발생하는 마이크로 크기의 인체 이식형 생체 연료 전지를 개발하였다고 보고하였다.
생체 연료 전지는 극소형이지만 인체 내에 존재하는 글루코오스를 산화시켜 자가 발전이 가능하기 때문에 지속적으로 인체 내에서 이식된 기기에 전기를 공급할 수 있다. 그러나 이로부터 발생되는 전압 및 전류밀도가 매우 낮아 인체이식형 기기에 공급하는 데 충분한 전원으로서 실제적 적용이 불가능하다는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 극소형이며, 자체적인 충방전 시스템을 갖는 자가 발전형 전원으로서, 기존 인체 삽입형 의료 기기들의 크기를 현저히 줄일 수 있도록 하고, 전지 교체를 위한 외과적 수술의 번거로움을 피할 수 있도록 하는 자가 발전형 생체 내 전원 공급 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 생체 내의 연료를 이용하여 자체적으로 전기를 발생시키는 생체 연료 전지를 포함하는 전력 발생 장치, 상기 전력 발생 장치에서 발생된 전기를 저장하며, 이차전지, 커패시터, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 전력 저장 장치, 상기 전력 발생 장치에서 발생된 전기를 상기 전력 저장 장치에 저장시키기 위하여 전압 및 전류밀도를 조절할 수 있는 반도체 회로, 및 상기 전력 발생 장치, 전력 저장 장치, 및 반도체 회로를 둘러싸는 생체 적합성 코팅막을 포함하는 자가 발전형 생체 내 전원 공급 시스템을 제공한다.
본 발명의 생체 내 전원 공급 장치는 극소형이며, 자체적인 충방전 시스템을 갖는 자가 발전형 전원으로서, 기존 인체 삽입형 의료 기기들의 크기를 현저히 줄일 수 있도록 하고, 전지 교체를 위한 외과적 수술의 번거로움을 피할 수 있도록 해준다.
본 발명의 일 실시예 생체 내의 연료를 이용하여 자체적으로 전기를 발생시키는 생체 연료 전지를 포함하는 전력 발생 장치, 상기 전력 발생 장치에서 발생된 전기를 저장하며, 이차전지, 커패시터, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 전력 저장 장치, 상기 전력 발생 장치에서 발생된 전기를 상기 전력 저장 장치에 저장시키기 위하여 전압 및 전류밀도를 조절할 수 있는 반도체 회로, 및 상기 전력 발생 장치, 전력 저장 장치, 및 반도체 회로를 둘러싸는 생체 적합성 코팅막을 포함하는 자가 발전형 생체 내 전원 공급 시스템을 제공한다.
상기 자가 발전형 생체 내 전원 공급 시스템은 생체 내에 존재하는 생체 물질을 원료로 이용하여 안정적으로 전기를 생산하고, 생산된 전기를 이차전지 또는 커패시터에 저장할 수 있도록 한다.
상기 자가 발전형 생체 내 전원 공급 시스템은 상기 자가 발전형 생체 내 전원 공급 시스템을 포함하는 인체 이식용 의료 기기의 크기를 크게 줄일 수 있도록 한다. 이로써, 환자의 착용 부담감을 덜어주고, 전지의 교체 주기를 증가시킴으로써 외과적 수술의 번거로움을 피할 수 있도록 한다.
상기 생체 연료 전지는 상기 이차 전지 또는 커패시터가 요구하는 고밀도의 전력을 발생시킬 수 있는 것이 바람직하다. 상기 이차전지 또는 커패시터는 낮은 전류 밀도에서도 충전이 가능한 것이 바람직하다.
상기 반도체 회로는 생체 연료 전지에서 발생한 전기의 전류 및 전압을 조절하여 상기 발전 저장 장치의 충전에 적합하게 조절하고, 상기 발전 저장 장치에서 발생하는 전기를 인체 내의 의료 기기 등에 적합하도록 조절하는 기능을 할 수 있 는 융합 회로(power management system)인 것이 바람직하다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 일 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자가 발전형 생체 내 전원 공급 시스템의 절개 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 자가 발전형 생체 내 전원 공급 시스템(100)은 생체 연료 전지(110), 이차 전지(120), 반도체 회로(130), 및 생체 적합성 코팅막(140)을 포함한다. 도 1에서는 상기 전력 저장 장치가 이차 전지(120)인 경우를 도시하였으나, 상기 전력 저장 장치는 커패시터일 수도 있다.
기존 생체 연료 전지는 생체 내에서 연속적으로 전기를 생산할 수 있어서 많은 전기를 생산하지만, 단위 시간당 발생하는 전기량이 매우 적어서, 실제 이차전지나 커패시터를 충전하는 데 어려움이 있다. 특히, 생체 연료 전지는 이론 전압이 1V 이하이므로 충전 전압이 1V 이상인 일반적인 이차 전지를 충전시키는 것은 불가능하다.
따라서, 생체 연료 전지의 전압 및 전류를 높이거나, 낮은 전압이나 전류 밀도에서도 충전 가능한 이차 전지나 커패시터를 구성하여야 한다. 또는, 생체 연료 전지에서 발생한 낮은 전압을 충전에 적당한 전압으로 승압시킬 수 있는 반도체 회로를 통하여, 이차 전지 등을 충전시킬 수 있어야 한다.
따라서, 상기 생체 연료 전지(110)는 단위 연료 전지(111)를 직렬로 연결하는 스택 구조로 구성하거나, 여러 쌍의 전극을 직렬로 사용하여 전압을 높이는 것이 바람직하다. 또한, 상기 이차 전지(120)는 적은 전류에서도 충전이 가능하도록 활물질의 양이 적은 박막 전지나 나노 전극 형태로 구성하는 것이 바람직하다. 또한, 일반적인 형태의 생체 연료 전지의 전압 및 전류 밀도를 조절할 수 있는 반도체 회로(130)를 이용하여 생체 연료 전지(110)와 이차 전지(120)를 연결하는 것도 바람직하다.
한편, 생체 내에서 사용하여야 하므로, 상기 자가 발전형 생체 내 전원 공급 장치(100)를 생체 적합성이 우수한 재료를 포함하는 생체 적합성 코팅막(140)으로 둘러싸는 것이 바람직하다. 특히, 상기 이차 전지(120)나 커패시터(도시하지 않음)는 생체의 물질과 완전히 차단하여도 된다.
상기 생체 적합성 코팅막(150)은 현재 사용되는 방법이면 어느 것이나 사용 가능하며, 특히 생체 적합성이 우수한 코팅막 재료로는 폴리 유산(polylactic acid, PLA), 폴리-베타-하이드록시부티레이트(poly-β-hydroxybutyrate), 키토산(chitosan), 또는 실리콘(silicon) 등을 이용할 수 있다.
또한, 코팅된 막의 견고성과 방습성을 증가시키기 위하여, 티타늄, 또는 니켈과 같은 금속, 지르코니아 등과 같은 세라믹 재료, 카본, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 물질 등으로 1차 코팅하고, 상기 생체 적합성이 우수한 재료로 2차 코팅하는 방식도 가능하다.
단, 생체 연료 전지(100)는 생체 내의 연료를 이용하여 발전하므로, 상기 생 체 적합성 코팅막(140)은 상기 생체 내의 연료가 통과할 수 있도록 하는 반투과막(150)을 포함하는 것이 바람직하다. 상기 생체 연료 전지의 전극은 생체 내의 단백질 등에 의하여 퇴화가 가능하므로, 상기 반투과막(150)은 상기 생체 내의 연료만을 통과시키는 것이 바람직하다.
상기 반투과막은 셀룰로오스(cellulose), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate, PMMA), 폴리술폰(polysulfone), 폴리(에틸렌-비닐아세테이트) 공중합체(poly(ethylene-covinylacetate)), 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 물질을 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 다른 반도체 회로를 나타낸 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 반도체 회로는 5 개의 PMOS 트랜지스터(M1-M5), 5개의 커패시터(C1-C5), 및 5 개의 CMOS 트랜지스터(CM1-5)를 포함한다. 5 개의 CMOS 트랜지스터(CM1-5) 각각은 하나의 NMOS 트랜지스터(MN1-5) 및 하나의 PMOS 트랜지스터(MP1-5)로 구성된다. 본 발명의 일 실시예에서는 5개의 CMOS 트랜지스터(CM1-5)를 포함하는 것으로 도시하였으나, 입력 전압(Vin)을 소정 범위의 출력 전압(Vout) 범위로 조절하기 위해 적절한 개수의 CMOS 트랜지스터를 사용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 클록 신호(clk) 및 반전 클록 신호(clkb)는 반도체 회로 내부의 오실레이터로부터 생성될 수 있으며, 오실레이터의 필요한 전압은 생체 연료 전지로부터 입력되는 전압 범위로 동작할 수 있다.
CMOS 트랜지스터(CM1-5)의 NMOS 트랜지스터와 PMOS 트랜지스터가 연결되는 각 노드에 PMOS 트랜지스터(M1-M5) 각각의 게이트 전극이 연결되어 있다. 입력 전압(Vin)은 PMOS 트랜지스터(M1)의 소스 전극에 입력되고, 출력 전압(Vout)은 커패시터(C5)에 충전된 전압이다.
반도체 회로는 입력 전압(Vin)을 승압시키기 위해 제어신호로서 클록 신호(clk)와 이를 반전시킨 반전 클록 신호(clk)를 사용한다. 반전 클록 신호(clk)는 CMOS 트랜지스터(CM2,4)를 구성하는 NMOS 트랜지스터(MN2, 4) 및 CMOS 트랜지스터(MP2, 4)의 게이트 전극으로 인가된다. 클록 신호(clk)는 PMOS 트랜지스터(MP1,3,5)를 구성하는 NMOS 트랜지스터(MN1,3,5) 및 PMOS 트랜지스터(MP1, 3, 5)의 게이트 전극으로 인가된다.
커패시터(C1)는 NMOS 트랜지스터(MN3)의 드레인 전극에 일단이 연결되고, 타단에 반전 클록 신호(clk)가 인가된다. 커패시터(C2)는 NMOS 트랜지스터(MN3)의 드레인 전극과 NMOS 트랜지스터(MN4)의 드레인 전극에 일단이 연결되고, 타단에 클록 신호(clk)가 인가된다. 커패시터(C3)는 NMOS 트랜지스터(MN4)의 드레인 전극과 NMOS 트랜지스터(MN5)의 드레인 전극에 일단이 연결되고, 타단에 반전 클록 신호(clk)가 인가된다. 커패시터(C4)는 NMOS 트랜지스터(MN5)의 드레인 전극에 일단이 연결되고, 타단에 반전 클록 신호(clk)가 인가된다. 커패시터(C5)는 PMOS 트랜지스터(MP5)의 드레인 전극과 접지 사이에 연결되며, 출력 전압(Vout)은 커패시터(C5)에 충전된 전압에 의해 결정된다.
이하, 도 3을 참조하여 구체적인 승압 과정을 설명한다.
도 3은 도 2의 반도체 회로에서 클록 신호(clk) 및 반전 클록 신호(clk)에 따라 발생하는 승압 과정을 나타낸 도면이다.
먼저, 시점 T1에서, 클록 신호(clk)가 하이 레벨 및 반전 클록 신호(clk)가 로우 레벨이 되면, NMOS 트랜지스터(MN1)이 턴온되어, PMOS 트랜지스터(M1)이 턴온된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 클록 신호(clk) 및 반전 클록 신호(clk)의 하이 레벨 및 로우 레벨은 NMOS 트랜지스터(MN1-5), PMOS 트랜지스터(M1-5, MP1-5)를 턴온시키기에 충분할 레벨이다. PMOS 트랜지스터(M1)가 턴온되면, 접점(a)의 전압은 입력 전압(Vin)과 동일해지고, 이 때, 커패시터(C1)의 타단에는 로우 레벨의 전압이 인가되어 있으므로, 커패시터(C1)의 양단에는 입력 전압(Vin)과 로우 레벨의 차에 해당하는 전압(이하, 제1 전압(V1))이 충전된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 로우 레벨은 접지 전압으로 제1 전압(V1)과 입력 전압(Vin)은 동일한 레벨이다.
다음, 시점 T2에서 반전 클록 신호(clk)가 하이 레벨이 되고 클록 신호(clk)가 로우 레벨이 되면, 커패시터(C1)의 타단의 전압이 로우 레벨에서 하이 레벨로 상승하여 상승분의 전압(이하, 상승 전압(△V))만큼 접점(a)의 전압이 증가한다. 그러면 접점(a)의 전압은 전압(V1 + △V) 레벨이 된다. 이 때, 전압(VDD)은 전압(V1 + △V)과의 전압과의 차가 NMOS 트랜지스터(MN2)의 문턱 전압보다 크도록 로우 레벨의 전압으로 설정된다. 따라서 NMOS 트랜지스터(MN2)가 턴온되어 로우 레벨의 전압(VDD)이 PMOS 트랜지스터(M2)의 게이트 전극에 인가되어 PMOS 트랜지스터(M2)가 턴온된다. 그러면 접점(b)의 전압은 전압(V1 + △V)이 되고, 커패시터(C2)의 타단에는 로우 레벨의 전압이 인가되어 있으므로, 커패시터(C2)의 양단에는 전압(V1 + △V)이 충전된다.
다음, 시점 T3에서 반전 클록 신호(clk)가 로우 레벨이 되고 클록 신호(clk)가 하이 레벨이 되면, 커패시터(C2)의 타단의 전압이 로우 레벨에서 하이 레벨로 상승하여 상승분의 전압(이하, 상승 전압(△V))만큼 접점(b)의 전압이 증가한다. 그러면 접점(b)의 전압은 전압(V1 + 2△V) 레벨이 된다. 이 때, NMOS 트랜지스터(MN3)는 하이 레벨의 전압(V1+ 2△V)에 의해 턴온되고, PMOS 트랜지스터(M3)의 게이트 전극과 소스 전극의 전압차는 전압(△V)이 되며, 전압(△V)는 PMOS 트랜지스터(M3)의 문턱전압의 절대값 보다 크게 설정된다. 따라서 PMOS 트랜지스터(M3)가 턴온된다. 이 때, 접점(c)의 전압은 전압(V1 + 2△V)이 된다. 커패시터(C3)의 일단에는 전압(V1 + 2△V)이 인가되고, 타단에는 로우 레벨의 인가되므로, 커패시터(C3) 양단에 전압(V1 + 2△V)이 충전된다.
다음, 시점 T4에서 반전 클록 신호(clk)가 하이 레벨이 되고 클록 신호(clk)가 로우 레벨이 되면, 커패시터(C3)의 타단의 전압이 로우 레벨에서 하이 레벨로 상승하여 상승분의 상승 전압(△V))만큼 접점(c)의 전압이 증가한다. 그러면 접점(c)의 전압은 전압(V1 + 3△V) 레벨이 된다. 이 때, NMOS 트랜지스터(MN4)는 하이 레벨의 전압(V1+ 3△V)에 의해 턴 온되고, PMOS 트랜지스터(M4)의 게이트 전극과 소스 전극의 전압차는 전압(△V)이 되어 턴 온 된다. 이 때, 접점(d)의 전압은 전압(V1 + 3△V)이 된다. 커패시터(C4)의 일단에는 전압(V1 + 3△V)이 인가되고, 타단에는 로우 레벨의 인가되므로, 커패시터(C4) 양단에 전압(V1 + 3△V)이 충전된다.
다음, 시점 T5에서 반전 클록 신호(clk)가 로우 레벨이 되고 클록 신호(clk) 가 하이 레벨이 되면, 커패시터(C4)의 타단의 전압이 로우 레벨에서 하이 레벨로 상승하여 상승분의 상승 전압(△V))만큼 접점(d)의 전압이 증가한다. 그러면 접점(d)의 전압은 전압(V1 + 4△V) 레벨이 된다. 이 때, NMOS 트랜지스터(MN5)는 하이 레벨의 전압(V1+ 4△V)에 의해 턴 온 되고, PMOS 트랜지스터(M5)의 게이트 전극과 소스 전극의 전압차는 전압(△V)이 되어 턴 온 된다. 이 때, 커패시터(C5)의 일단의 전압은 전압(V1 + 4△V)이 된다. 커패시터(C5)의 타단은 접지 전압이므로 출력 전압은 전압(V1 + 4△V))으로 결정된다. 이와 같은 방식으로 반도체 회로(230)는 입력 전압(Vin)을 승압시켜 출력 전압(Vout)을 전압(V1 + 4△V) 레벨까지 상승시킨다.
도 4a 내지 4c는 본 발명에 따른 자가 발전형 생체 내 전원 공급 시스템의 모식도이다. 도 4a 내지 4c는 각각 상기 전력 발생 장치, 전력 저장 장치, 및 반도체 회로의 연결 위치에 따른 다양한 형태의 자가 발전형 생체 내 전원 공급 시스템을 나타낸다.
도 4a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 자가 발전형 생체 내 전원 공급 시스템(200)은 상기 반도체 회로(230) 위에 상기 전력 발생 장치(210)와 상기 전력 저장 장치(220)를 집적하여 제조할 수 있다.
상기 반도체 회로(230)는 실리콘 등의 기판 위에 CMOS 공정 등을 이용하여 구성할 수 있다. 또한, 상기 반도체 회로(230)와 전력 발생 장치(210) 또는 전력 저장 장치(220) 사이에는 전기적인 절연을 위하여 패시베이션층(passivation layer)을 코팅하고, 전기가 통하는 통로만 알루미늄 등의 금속으로 채운다.
상기 자가 발전형 생체 내 전원 공급 시스템(200)의 외부에는 생체 적합성 코팅층(240)을 형성하고, 전력 발생 장치(210) 주위는 생체 내의 연료가 통과할 수 있는 반투과막(250)으로 둘러싼다.
도 4b를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 자가 발전형 생체 내 전원 공급 시스템(300)은 반도체 회로(330) 아래에 전력 저장 장치(320)를 제조하고, 전력 발생 장치(310)를 반도체 회로(330) 위에 집적하여 제조할 수 있다. 또한, 상기 자가 발전형 생체 내 전원 공급 시스템(300)의 외부에는 생체 적합성 코팅층(340)을 형성하고, 전력 발생 장치(310) 주위는 생체 내의 연료가 통과할 수 있는 반투과막(350)으로 둘러싼다.
도 4c를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자가 발전형 생체 내 전원 공급 시스템(400)은 반도체 회로(430)를 전원을 공급할 기기와 일체화하여 형성하고, 전력 발생 장치(410)와 전력 저장 장치(420)를 따로 제조한 후, 상기 반도체 회로(430)와 연결하여 제조할 수 있다. 또한, 상기 자가 발전형 생체 내 전원 공급 시스템(400)의 외부에는 생체 적합성 코팅층(440)을 형성하고, 전력 발생 장치(410) 주위는 생체 내의 연료가 통과할 수 있는 반투과막(450)으로 둘러싼다.
도 5는 상기 생체 연료 전지(110)의 전극의 개략적인 구성을 나타내는 사시도이다.
도 5를 참조하면, 상기 생체 연료 전지의 전극(500)은 집전체(510) 위에 금 등의 나노 입자(520) 시드를 형성한 후, 카본 나노 튜브(530)를 성장시키고, 상기 카본 나노 튜브(530)에 효소(540)를 고정화하여 제조할 수 있다. 다만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니고, 상기 효소(540)는 모든 종류의 전도성 나노 튜브, 또는 전도성 나노 와이어에 형성될 수 있다.
음극의 경우, 글루코오스 산화 효소, 피루브산 산화 효소, 젖산 산화 효소, 아미노산 산화 효소 등의 음극 효소를 고정화하여 제조한다. 양극의 경우, 라케이즈, 빌리루빈 산화 효소 등의 양극 효소를 고정화하여 제조한다.
상기 전력 저장 장치(120)로는 일반적인 형태의 이차 전지나 커패시터가 모두 사용 가능하지만, 생체 연료 전지(110)의 낮은 전류 밀도에서 충전하기 위해서는 박막 형태의 전극 또는 3차원 나노 형태의 전극으로 구성하는 것이 바람직하다.
상기 3차원 나노 형태의 전극은 카본 나노 튜브 등과 같은 나노 튜브, 또는 나노 와이어에 전극 활물질을 코팅하거나, 전극 활물질 자체를 나노 튜브나 나노 와이어 형태로 제조하여 구성할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 구조 이차 전지(600)의 개략 단면도이다. 도 6을 참조하면, 양극 집전체(640) 위에 형성된 나노 구조의 양극(610)과 음극 집전체(650) 위에 형성된 나노 구조의 음극(620)을 서로 어긋나게 배치하여 크기가 작고, 고에너지 밀도인 나노 구조 이차 전지(600)를 제조할 수 있다.
도 7 내지 도 10은 각각 생체 연료 전지를 구성하는 효소를 개량해서 전자 전달 속도와 발생 전류 밀도를 증가시키는 방법을 나타낸다.
도 7b를 참조하면, 전자 발생에 관여하는 효소의 활성부위가 효소 내부에 감추어져 있는 경우, 전달 속도가 감소되어 발전량이 부족한 경우를 나타낸다.
반면, 도 7a를 참조하면, 효소의 활성부위를 덮고 있는 효소의 불필요한 부 분을 절단해서 전자 발생 활성 부위가 전극표면에 바로 접촉하도록 함으로써 전자 전달 속도를 증가시키는 경우를 나타낸다.
도 8b를 참조하면, 효소 고정화시에 전극 표면에 효소가 무질서하게 배열되어 발전량이 부족한 경우를 나타낸다.
반면, 도 8a를 참조하면, 히스티딘-태그(his-tag) 또는 시스테인 아미노산 잔기(cysteine amino acid residue)를 효소 단백질 표면의 특정 위치에 발현시키는 경우를 나타낸다. 상기 히스티딘-태그(his-tag) 또는 시스테인 아미노산 잔기(cysteine amino acid residue)를 통하여, 상기 효소가 전극 표면에 규칙적으로 배열되게 함으로써, 효소 집적량을 증가시킬 수 있다.
도 9는 효소의 기질에 대한 반응속도를 증가시키기 위해서 효소의 기질 결합 부위를 개질시켜서 기질 친화도를 증가시키는 방법을 나타낸다.
도 10은 분자 진화 기술의 일종인 페밀리 디엔에이 셔플링(family DNA shuffling) 기술을 이용하여, 유사한 기능을 가지는 효소들의 전자 발생에 관여하는 촉매 부위와 전자 전달 부위를 조합해서 생체 연료 전지에 적합한 최적의 촉매 부위와 전자 전달 부위를 갖는 인공 효소를 제조하는 방법을 나타낸다.
상기 본 발명의 일 실시예에 따른 자가 발전형 생체 내 전원 공급 시스템은 약물 주입 펌프, 인체 삽입용 나노로봇, 능동형 약물 전달 시스템, 심장 박동 조절 장치, 신경 자극 장치, 바이오 센서, 및 바이오 칩으로 이루어진 군에서 선택되는 생체 이식용 기기 등의 다양한 분야에 적용될 수 있다.
한 예로서, 상기 본 발명의 일 실시예에 따른 자가 발전형 생체 내 전원 공 급 시스템을 이용하면 현재 시판 중인 당뇨병 치료용 외장형 인슐린 주입 펌프의 크기를 대폭 줄여 내장형 인슐린 주입 펌프도 제조할 수 있다. 또한, 현재 사용 중인 인체 삽입형 의료 기기의 전원, 및 미래에 개발될 진단 및 수술용 인체 이식형 로봇의 전원으로도 사용가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자가 발전형 생체 내 전원 공급 시스템의 절개 사시도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 반도체 회로를 나타내는 도면.
도 3은 도 2의 반도체 회로에서 클록 신호(clk) 및 반전 클록 신호(clk)에 따라 발생하는 승압 과정을 나타내는 도면.
도 4a 내지 4c는 본 발명에 따른 자가 발전형 생체 내 전원 공급 시스템의 모식도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 생체 연료 전지의 전극의 개략적인 구성을 나타내는 사시도.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 구조 이차 전지의 개략 단면도.
도 7 내지 도 10은 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 생체 연료 전지를 구성하는 효소를 개량하는 방법을 나타내는 도면.

Claims (16)

  1. 생체 내의 연료를 이용하여 자체적으로 전기를 발생시키는 생체 연료 전지를 포함하는 전력 발생 장치;
    상기 전력 발생 장치에서 발생된 전기를 저장하며, 이차전지, 커패시터, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 전력 저장 장치;
    상기 전력 발생 장치에서 발생된 전기를 상기 전력 저장 장치에 저장시키기 위하여 전압 및 전류밀도를 조절할 수 있는 반도체 회로; 및
    상기 전력 발생 장치, 전력 저장 장치, 및 반도체 회로를 둘러싸는 생체 적합성 코팅막
    을 포함하는 자가 발전형 생체 내 전원 공급 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 자가 발전형 생체 내 전원 공급 시스템은 상기 반도체 회로 위에 상기 전력 발생 장치와 상기 전력 저장 장치를 집적하여 제조한 것인 자가 발전형 생체 내 전원 공급 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 자가 발전형 생체 내 전원 공급 시스템은 상기 반도체 회로 아래에 상기 전력 저장 장치를 제조하고, 상기 반도체 회로 위에 상기 전력 발생 장치를 집 적하여 제조한 것인 자가 발전형 생체 내 전원 공급 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 자가 발전형 생체 내 전원 공급 시스템은 상기 전력 발생 장치, 전력 저장 장치, 및 반도체 회로를 각각 제조한 후, 연결하여 제조한 것인 자가 발전형 생체 내 전원 공급 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 생체 내의 연료는 글루코오스, 피루브산, 젖산, 아미노산, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 자가 발전형 생체 내 전원 공급 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 생체 연료 전지는
    전도성 나노 튜브 또는 전도성 나노 와이어에 음극 효소를 고정화한 음극,
    전도성 나노 튜브 또는 전도성 나노 와이어에 양극 효소를 고정화한 양극, 및
    상기 양극과 음극 사이에 위치한 고분자 전해질 막
    을 포함하는 것인 자가 발전형 생체 내 전원 공급 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 음극 효소, 양극 효소, 및 이들의 조합으로 이루어지 군에서 선택되는 효소는 상기 효소의 전자 발생 활성 부위가 전극 표면에 바로 접촉된 되도록 하기 위하여, 상기 효소의 불필요한 부분이 절단된 것인 자가 발전형 생체 내 전원 공급 시스템.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 음극 효소, 양극 효소, 및 이들의 조합으로 이루어지 군에서 선택되는 효소는 상기 효소 단백질 표면에 발현된 히스티딘-태그(His-tag) 또는 시스테인 아미노산 잔기(cysteine amino acid residue)에 의하여 전극 표면에 접촉된 것인 자가 발전형 생체 내 전원 공급 시스템.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 음극 효소, 양극 효소, 및 이들의 조합으로 이루어지 군에서 선택되는 효소는 상기 생체 내의 연료와의 친화도를 증가시키기 위하여 상기 효소의 기질 결합 부위가 개질된 것인 자가 발전형 생체 내 전원 공급 시스템.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 음극 효소, 양극 효소, 및 이들의 조합으로 이루어지 군에서 선택되는 효소는 전자 발생에 관여하는 촉매 부위와 전자 전달 부위를 조합하여 제조된 인공 효소인 것인 자가 발전형 생체 내 전원 공급 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 이차전지, 커패시터, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 전력 저장 장치의 전극은 박막 형태의 전극, 및 3차원 나노 형태의 전극으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 자가 발전형 생체 내 전원 공급 시스템.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 생체 적합성 코팅막은 폴리 유산(polylactic acid, PLA), 폴리-베타-하이드록시부티레이트(poly-β-hydroxybutyrate), 키토산(chitosan), 실리콘(silicon), 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 생체 적합성 물질을 포함하는 것인 자가 발전형 생체 내 전원 공급 시스템.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 생체 적합성 코팅막은 금속, 카본, 세라믹 재료, 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 물질을 포함하는 제1 코팅막, 및
    상기 제1 코팅막 위에 형성되며, 상기 생체 적합성 코팅막을 포함하는 제2 코팅막
    을 포함하는 것인 자가 발전형 생체 내 전원 공급 시스템.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 생체 적합성 코팅막은 상기 생체 내의 연료는 통과시키고 단백질 분해 효소는 통과시키지 않는 반투과막을 포함하는 것인 자가 발전형 생체 내 전원 공급 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 반투과막은 셀룰로오스(cellulose), 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate, PMMA), 폴리술폰(polysulfone), 폴리(에틸렌-비닐아세테이트) 공중합체(poly(ethylene-covinylacetate)), 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 물질을 포함하는 것인 자가 발전형 생체 내 전원 공급 시스템.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 자가 발전형 생체 내 전원 공급 시스템은 약물 주입 펌프, 인체 삽입용 나노로봇, 능동형 약물 전달 시스템, 심장 박동 조절 장치, 신경 자극 장치, 바이오 센서, 및 바이오 칩으로 이루어진 군에서 선택되는 생체 이식용 기기에 사용되는 것인 자가 발전형 생체 내 전원 공급 시스템.
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