KR20100082151A - 나노와이어 어레이를 포함하는 효소 연료 전지 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 효소, 전도성 고분자 및 전자 매개체를 함유하는 나노와이어 어레이를 포함하는 전극, 상기 전극의 제조 방법, 상기 전극을 포함하는 효소 연료 전지 및 상기 효소 연료 전지를 포함하는 생체 이식 장치를 제공한다.
본 발명에 따른 나노와이어 어레이 형태의 전극은 전극의 표면적이 현격하게 증가하므로 효소의 반응을 증가시킬 수 있다. 또한, 전도성 고분자와 전자 매개체를 이용함으로써 전자 도체나 전자 도체에 효소를 고정하기 위한 물질을 이용하지 않고도 안정적이고 효율적으로 효소가 고정된 나노와이어 어레이 형태의 전극을 제조할 수 있다.
효소 연료 전지, 나노와이어 어레이, 전도성 고분자, 전자 매개체

Description

나노와이어 어레이를 포함하는 효소 연료 전지{Enzymatic biofuel cell comprising nanowire array}
본 발명은 효소, 전도성 고분자 및 전자 매개체를 함유하는 나노와이어 어레이를 포함하는 전극, 상기 전극의 제조 방법, 상기 전극을 포함하는 효소 연료 전지 및 상기 효소 연료 전지를 포함하는 생체 이식 장치에 관한 것이다.
효소 연료 전지는 특정 산화환원 효소를 촉매로 하여 생화학 에너지를 전기에너지로 변환시키는 전기화학적 장치이다. 산화전극에는 기질을 산화시키는 효소를 사용하고 반대로 환원 전극에는 기질을 환원시키는 효소를 사용함으로써 전자가 기질을 통하여 전달될 수 있다. 효소는 촉매 작용이 뛰어나므로 효소 연료전지의 에너지 밀도를 상당히 높일 수 있으나 환경에 민감하여 쉽게 활성을 상실할 수 있고 비싼 물질이므로 활용하기 위해서는 특별한 방법이 사용되어야 한다. 또한 효소의 활성 부위가 보통은 효소 내부에 깊이 묻혀 있어서 전극과 직접적인 전자전달반응이 어려울 수 있어 효소와 전극을 전기적으로 연결하기 위한 방법이 필요하다. 또한 효소 연료 전지의 상용화를 위해서는 효소 연료 전지의 전력 밀도를 증가시킬 수 있는 기술의 개발이 요구된다.
본 발명은 전극과 효소 사이가 전기적으로 효율적으로 연결되어 있고, 높은 전력 밀도를 제공할 수 있는 전극 및 이를 포함하는 효소 연료 전지를 제공하고자 한다.
상기 목적을 위해, 본 발명은 효소, 전도성 고분자 및 전자 매개체를 함유하는 나노와이어 어레이를 포함하는 전극, 상기 전극의 제조 방법, 상기 전극을 포함하는 효소 연료 전지 및 상기 효소 연료 전지를 포함하는 체내 이식 장치를 제공한다.
본 발명에 따른 나노와이어 어레이 형태의 전극은 전극의 표면적이 현격하게 증가하므로 효소의 반응을 증가시킬 수 있다. 또한, 전고성 고분자와 전자 매개체를 이용함으로써 전자 도체나 전자 도체에 효소를 고정하기 위한 물질을 이용하지 않고도 안정적이고 효율적으로 효소가 고정된 나노와이어 어레이 형태의 전극을 제조할 수 있다.
본 발명은 효소, 전도성 고분자 및 전자 매개체를 함유하는 나노와이어 어레이를 포함하는 전극을 제공한다.
본 발명의 한 구체예에서, 상기 전극은 산화전극 또는 환원전극으로 이용되는 것일 수 있다.
본 발명에 있어서, 산화전극은 기질의 산화를 촉매하는 산화환원효소를 포함하는 산화전극을 의미한다. 기질의 산화를 통해 산화전극은 전기회로에 전자를 공급한다. 한편, 환원전극은 기질을 환원하는 산화환원효소를 포함하는 환원전극을 의미한다. 환원전극은 전자를 받아 기질을 환원시키는 역할을 한다.
산화환원효소(oxidoreductase)는 환원제(reductant), 즉 수소 또는 전자 공여체(donor)로부터 산화제(oxidant), 즉 수소 또는 전자 수용체(acceptor)로의 전자의 전달을 촉매하는 효소를 의미한다. 산화환원효소는 '공여체:수용체 산화환원효소(donor:acceptor oxidoreductase)'라고 명명하는 것이 바람직하나, 흔히 '공여체 탈수소효소(donor dehydrogenase)' 또는 '수용체 환원효소(acceptor reductase)'라고 일컬어지고 있다. 특히, 산소가 수용체인 경우, 산화환원효소는 '공여체 산화효소(donor oxidase)'라고 불리기도 한다.
본 발명의 한 측면에서, 상기 산화전극에 포함되는 산화환원효소는 기질을 산화시켜 전자를 공급할 수 있는 산화환원효소라면 어떠한 것이든 이용가능하다. 이에 제한되는 것은 아니나, 상기 산화전극에 포함되는 산화환원효소는 예를 들어, 글루코스 산화효소, 글루코스 탈수소효소, 알코올 산화환원 효소, 알데히드 탈수소효소, CH-CH 산화환원 효소, 아미노산 산화환원 효소, CH-NH 산화환원 효소, 락테 이트 탈수소효소, 락토오스 탈수소효소, 피루베이트 탈수소효소, 포르메이트 탈수소효소 및 포름알데히드 탈수소효소로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 산화환원효소일 수 있다. 효소 연료 전지의 연료로서 사용하고자 하는 기질의 종류에 따라 상기 효소의 종류는 달라질 수 있을 것이다. 효소의 기질은 당, 탄수화물, 유기산, 알코올, 지방산, 탄화수소, 케톤, 알데히드, 아미노산, 단백질 및 핵산과 같은 유기 화합물이다. 예를 들어, 글루코오스를 효소 연료 전지의 연료로 사용하는 경우, 상기 산화전극에 포함되는 산화환원효소는 글루코스 산화효소일 수 있다. 글루코스 산화효소는 글루코스를 글루코노락톤으로 산화시키면서 전자를 방출한다.
본 발명의 한 측면에서, 상기 환원전극에 포함되는 산화환원효소는 기질을 환원시킬 수 있는 것이라면 어떠한 것이든 이용가능하다. 이에 제한되는 것은 아니나, 상기 환원전극에 포함되는 산화환원효소는 예를 들어, 라카아제, 빌리루빈 산화효소, 수퍼옥사이드 디스뮤타아제 및 퍼옥시다아제로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 산화환원효소일 수 있다. 예를 들어, 환원전극에 포함되는 산화환원효소로서 라카아제를 이용하는 경우, 라카아제는 전달받은 전자를 이용하여 산소를 물로 환원시킨다. 다른 예로, 환원전극에 포함되는 산화환원효소로서 빌리루빈 산화효소를 이용하는 경우 빌리루빈 산화효소는 빌리루빈을 빌리베르딘으로 산화시키는 동시에 산소를 물로 환원시킨다.
본 발명에 따른 전극은 전자 도체나 전자 도체에 효소를 고정하기 위한 물질을 이용하지 않고 전도성 고분자와 전자 매개체를 이용함으로써 안정적이고 효율적으로 효소를 전극에 고정시킨다.
본 발명에 있어서, 상기 전도성 고분자는 높은 전도도를 가져 전자의 이동을 매개하는 고분자라면 어떠한 것이든 이용가능하다.
본 발명의 한 구체예에서, 상기 전도성 고분자는 폴리피롤; 폴리아세틸렌; 폴리아닐린; 폴리티오펜; 폴리설퍼니트리드; 폴리플루오렌; 폴리(3-알킬티오펜); 폴리테트라티아풀발렌; 폴리나프탈렌; 폴리(p-페닐렌 설파이드); 폴리(파라-페닐렌 비닐렌) 및 이들의 유도체로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상의 고분자일 수 있다. 다르게는, 금속 또는 금속산화물이 결합된 고분자를 전도성 고분자로 이용할 수도 있다. 하기 실시예에서는 전도성 고분자로서 폴리피롤을 이용하여 나노와이어 형태의 전극을 형성한다.
본 발명에서는 전도성 고분자, 전자 매개체와 함께 효소를 혼합한 전해질 용액을 전극화학적 중합에 의해 중합함으로써 금속 또는 탄소계 물질과 같은 전자 도체를 이용하지 않으면서 나노와이어 형태의 전극을 형성하게 된다. 전도성 고분자와 전자 매개체를 이용함으로써 전자 도체나 전자 도체에 효소를 고정하기 위한 물질을 이용하지 않고도 안정적이고 효율적으로 효소가 고정된 전극을 제조할 수 있다.
전자 매개체는 효소 연료 전지에 높은 전력 밀도를 제공하도록 하기 위해 사용된다. 본 발명에 있어서, 전자 매개체는 전자를 수용 또는 공여할 수 있는 화합물이라면 어떠한 것이든 사용가능하다. 다만, 전자 매개체는 효소 연료 전지에서 사용되는 효소와의 반응 친화성, 전도성 고분자와의 전자 교환 속도, 구조 안정성 등을 고려하여 선택할 수 있다.
본 발명의 한 구체예에서, 상기 전자 매개체는 HQS(8-하이드록시퀴놀린-5-설폰산 하이드레이트), 퀴논계 화합물, 비타민 K3(2-메틸-1,4-나프토퀴논), 비오로겐계 화합물, 니코틴아미드계 화합물, 리보플라빈계 화합물, ABTS(2,2'-아지노-비스(3-에틸벤조티아졸린-6-설포네이트), Os, Ru, Fe 및 Co의 금속 착체(metal complex)로 구성되는 군으로부터 선택되는 것일 수 있다. 예를 들어, ABTS는 환원전극에 포함되는 산화환원효소로서 라카아제를 이용하는 경우 전자 매개체로서 유용하게 이용될 수 있다.
본 발명은 또한
금속이 코팅된 기판 상에 나노와이어 어레이 형성용 주형을 부착하고,
전도성 고분자, 전자 매개체 및 효소를 포함하는 전해질 용액을 준비하고,
전극화학적 중합에 의해 상기 전해질 용액을 주형 내에서 중합한 후 주형을 제거함으로써 나노와이어 어레이 형태의 전극을 형성하는 것을 포함하는
상기 전극의 제조 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 전극은 나노와이어 어레이의 고정을 위해 기판 상에 나노와이어 어레이가 형성되어 있는 형태를 취한다.
본 발명의 한 구체예에서, 상기 기판은 실리콘, 유리, 석영, 그리고 PET와 같은 고분자화합물로 이루어진 것일 수 있다.
상기 기판 상에 코팅되어 있는 금속은 금, 은, 백금, 구리를 포함하는 전도성 금속일 수 있다.
본 발명에서 사용되는 나노와이어 어레이 형성용 주형은 나노 사이즈의 포어를 갖는 것으로서, 나노와이어 어레이의 합성 후 쉽게 제거할 수 있는 것이면 어떠한 것이든 이용가능하다. 본 발명의 한 구체예에서, 상기 나노와이어 어레이 형성용 주형은 나노 사이즈의 포어를 갖는 금속산화물이나 폴리카보네이트로 만들어진 나노사이즈 포어 주형, 또는 블록공중합체(Block copolymer)를 이용한 주형 등을 이용할 수 있다. 하기 실시예에서는 산화알루미늄막 주형을 이용하여 나노와이어 어레이를 합성하고, 합성 후 인산을 이용하여 산화알루미늄막을 부분적으로 제거함으로써 나노와이어 어레이 형태의 전극을 형성한다.
주형은 기판 상에 임의의 방법으로 형성될 수 있다. 주형은 기판 상에 직접 형성될 수도 있고, 별도로 제작된 주형을 기판 상에 부착할 수도 있다. 본 발명의 한 구체예에서, 상기 기판 상의 주형의 부착은 금속 페이스트(metal paste)를 이용하여 수행될 수 있다. 상기 금속 페이스트에 사용되는 금속은 금, 은, 백금, 구리를 포함하는 전도성 금속일 수 있다.
전도성 고분자, 전자 매개체 및 효소를 포함하는 전해질 용액을 상기 주형 내에서 전극화학적 중합에 의해 중합하면 주형의 포어 내에 나노와이어가 형성되게 되며, 주형의 일부를 제거함으로써 나노와이어 어레이를 얻을 수 있게 된다.
나노와이어의 집합체인 나노와이어 어레이는 전극의 표면적이 매우 넓기 때문에 효소 반응이 필름 표면에서만 일어나는 필름 형태의 전극에 비해 전류 밀도를 현저히 증가시킬 수 있게 된다. 또한, 본 발명의 나노와이어 어레이 전극은 전도성 고분자로 이루어진 전극에 효소가 고정되어 있는 형태이므로 탄소나 금속을 이용한 전기 도체에 효소를 고정화시킨 전극에 비해 전극과 효소가 전기적으로 효율적으로 연결되어 있어, 전력 밀도의 증가를 제공하게 된다.
본 발명은 또한 상기 전극을 포함하는 효소 연료 전지를 제공한다.
상기 효소 연료 전지에서 이용하게 되는 연료는 효소가 기질로서 사용하는 유기 화합물이면 어떠한 것이든 사용가능하다. 본 발명의 한 구체예에서, 상기 유기 화합물은, 이에 제한되는 것은 아니나, 당, 탄수화물, 유기산, 알코올, 지방산, 탄화수소, 케톤, 알데히드, 아미노산, 단백질 및 핵산으로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상의 유기 화합물일 수 있다.
본 발명의 한 구체예에서, 상기 전극은 유체 채널 내에 구비되어 있는 것일 수 있다. 유체 채널은 연료 유체의 공급이 지속적으로 이루어질 수 있도록 하기 때문에, 닫힌 공간 내에 연료가 존재하는 경우에 비해 에너지 밀도와 전류 밀도의 증가를 제공할 수 있다. 연료 유체는 주입구와 배출구를 통해 지속적으로 효소 연료 전지에 제공되게 되며, 이를 통해 효소의 산화제와 환원제의 공급이 원활하게 이루어지게 된다. 또한, 닫힌 공간 내에 연료가 존재하는 경우에 비해 산화전극의 효소또는 환원전극의 효소가 이들의 기질이 아닌 다른 산화제나 환원제에 의해 반응 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있는 장점을 갖는다. 특히, 미세 유체 채널을 이용하면 효소 연료 전지의 동작 시간을 늘릴 수 있을 뿐만 아니라 전지의 소형화가 가능하다.
본 발명은 또한 상기 효소 연료 전지를 포함하는 생체 이식 장치를 제공한다. 상기 효소 연료 전지는 생체 이식 장치 이외의 전자 장치에도 사용할 수 있지만, 이의 효율적 이용을 위해서는 생체 내 환경과 같은 조건이 구비되어야 하므로 일반적인 전자 장치보다는 생체 이식 장치에 사용하는 것이 바람직할 것이다.
생체 이식 장치에 사용할 경우 상기 효소 연료 장치는 별도의 연료 공급이 필요하지 않고 생체 내에서 공급되는 유기 화합물을 연료로 이용할 수 있어 매우 유용하다.
상기 생체 이식 장치는 전력의 공급이 필요한 생체 내 이식이 요구되는 장치이면 어떠한 것이든 가능하다. 본 발명의 한 구체예에서, 상기 생체 이식 장치는 인공심박조율기(pacemaker), 신경 자극장치(nerver-stimulator), 약물 전달 펌프(drug delivery pump), 생체 이식센서(예: 실시간 포도당센서) 또는 나노 로봇 같은 초소형 생체기기일 수 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
[실시예]
실시예 1. 나노와이어 어레이 형태의 전극의 제조
도 1은 본 발명에 따른 나노와이어 어레이를 포함하는 전극의 모식도이며, 도 2는 본 발명에 따른 전극의 제조 방법을 예시적으로 나타낸 개략도이다.
먼저 나노와이어 어레이 형성용 주형으로써, 산화 알루미늄막 주형틀(Anodic Aluminum Oxide (AAO) template)을 제작하였다. 산화 알루미늄막 주형틀을 제작하기 위해서 알루미늄 판을 두 번 산화 시키는 방법을 사용했다. 처음 산화 시킬 때는 0.3 M의 옥살산 용액을 0 ℃로 온도를 낮추어 탄소전극과 알루미늄판을 옥살산 용액에 담근 후 40 V의 전압을 인가하여 24시간 동안 1차 산화를 시켰다. 그 다음으로 6 wt% 인산과 1.8 wt% 크롬산의 혼합용액으로 알루미늄 판에 생긴 산화막을 60 ℃에서 24시간 동안 녹여낸 후에 1차 산화와 같은 조건으로 원하는 두께만큼 시간을 조절하여 산화시켰다. 그 뒤에 과염소산과 에탄올을 1:1로 섞은 용액에서 45 V를 인가하여 산화알루미늄막 주형틀을 알루미늄판에서 분리시켰다. 그렇게 얻어진 주형틀을 6 wt% 인산에 넣어서 포어의 크기를 넓혔다. 전극에 사용하기 위해 한쪽 면에 크롬과 금을 증착하여 기판에 붙이기 용이하도록 하였다.
나노와이어 어레이를 포함하는 전극의 제조를 위해 금을 코팅한 실리콘 웨이퍼에 실버 페이스트(silver paste)를 이용하여 만들어 놓은 산화 알루미늄막 주형틀을 붙인 후에 건조시켰다. 실버 페이스트(silver paste)가 마른 후에 AAO부분을 제외한 나머지 부분을 에폭시와 같은 고분자 화합물을 이용해 패시베이션하였다.
주형 내에서 나노와이어 어레이를 합성하기 위해, 산화전극 제조용 전해질 용액과 환원전극용 전해질 용액을 제조하고 이를 전기화학적 중합 방법을 이용하여 나노와이어 어레이를 형성하였다(L. Brunel et al. / Electrochemistry Communications 9 (2007) 331-336, J. Wang et al. / Journal of Electroanalytical Chemistry 575 (2005) 139-146, Manoj Kumar Ram et al. / Nanotechnology 11 (2000) 112-119). 구체적으로, 0.1 M 피롤과 0.01 M HQS (8-hydroxyquinoline-5-sulfonic acid hydrate)를 증류수에 녹인 후 글루코스 산화효소 (Glucose oxidase)를 200 U/ml 녹여서 만든 전해질을 이용하여 AAO 안에 전극화학적 중합 방법으로 나노선 어레이를 제작, 산화전극으로 사용하였다. 또한, 0.1 M 피롤과 0.025 M ABTS (2,2′-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonate))를 증류수에 녹인 후 라카아제(Lacasse)를 150 U/ml 녹여서 만든 후에 산화전극과 같은 방법으로 AAO 안에 나노선 어레이를 제작하여, 이를 환원전극으로 사용하였다. 전극화학적 중합 방법을 적용할 때 counter 전극은 백금, reference 전극은 Ag/AgCl 전극을 사용했다. 산화전극은 1.5 V, 환원전극은 0.8 V 의 potential을 각각 3.5~4.0 C/cm2, 625 mC/cm2이 될 때까지 유지시켰다. 전극화학적 중합에 의해 형성된 나노와이어를 AAO 밖으로 노출시키기 위해 10 % wt 인산을 이용하여 AAO를 부분적으로 제거함으로써 산화전극과 환원전극을 제조하였다.
도 3은 본 발명의 전극의 제조를 위해 사용된 나노와이어 어레이 제조용 주형의 단면(a), 이를 이용하여 합성된 나노와이어 어레이의 단면(b) 및 측면(c)을 보여주는 사진이며, 도 4는 나노와이어 어레이의 합성을 위한 전극화학적 중합 과정을 예시적으로 나타낸 도면이다.
실시예 2. 나노와이어 어레이 형태의 전극을 포함하는 효소 연료 전지의 전류 측정
도 5는 나노와이어 어레이를 포함하는 산화전극과 나노와이어 어레이를 포함하는 환원전극을 포함하는 본 발명의 효소 연료 전지를 예시적으로 나타낸 도면이다.
PBS 용액(Phospate buffer saline solution)에 15 mM 글루코스를 넣어서 만든 연료 유체를 37℃로 유지시킨 후에 실시예 1에서 제조한 산화전극과 환원 전극을 연료 유체에 담가서 전압을 측정하고 외부 저항들을 걸어서 전압강하를 봄으로써 전류를 측정하였다. 대조군으로는 산화 알루미늄막 주형틀을 제외하고 동일한 조건으로 금을 코팅한 기판에 전기화학적으로 중합시켜 제작한 필름 전극을 동일한 연료 유체에 담가서 동일한 방법으로 전류를 측정하였다. 그 결과, 도 6(안의 그래프는 로그 스케일)에서 볼 수 있는 바와 같이, 나노와이어의 직경이 200 nm 인 산화전극의 경우가 가장 큰 에너지 밀도와 전류 밀도를 보였다. 이는 실제적으로 효소와 포도당이 만나는 빈도수가 높아져서 생긴 효과라고 생각된다. 또한 80 nm의 직경을 지닌 나노와이어로 만든 산화전극의 경우에도 200 nm 크기의 나노선을 지닌 산화전극에서보다는 못 미치지만 필름형태의 전극보다 높게 나타났다. 더불어 실리콘 웨이퍼에 직접 알루미늄을 증착하여 알루미늄 판에서와 비슷한 방법으로 산화시켜서 만든 AAO에 성장시켜 만든 산화전극(80 nm 직경)에서 더 에너지 밀도가 낮게 나타났는데(80nm nanowire(Si-based)로 표시) 직접 성장한 나노선의 길이(0.5 ~ 1 μm)가 금속 페이스트로 붙여서 만든 나노선(30 ~ 40 μm)보다 작아서 전체 효소의 개수의 차이로 생기는 현상으로 보여진다. 그리고 OCV(open circuit voltage)의 경우에는 실리콘 웨이퍼에서 직접 성장한 나노선이 높게 나타났다. 이것은 전자의 이동이 실리콘 웨이퍼에서 직접 성장시킨 나노선이 좀더 쉬워서 전압 강하가 적게 일어나기 때문이다.
또한, 유체 채널을 이용하여 동일한 연료 유체를 흘려주면서 위와 같은 전류를 측정하였다. 도 7은 유체 채널을 이용한 효소 연료 전지를 예시적으로 보여주는 모식도이다. 그 결과, 도 8에서 볼 수 있는 바와 같이, 유체 채널을 이용한 효소 연료 전지가 전극을 담가서 만든 효소 연료 전지에 비해 전체적으로 에너지 밀도와 전류 밀도가 높게 나타났다. 이는 유체 채널을 이용할 경우 연료로 사용되는 포도당의 농도와 환원전극에서 필요한 산소의 농도가 담가서 하는 경우보다 유지되고 또한 산소가 환원전극에서 소모되어서 산화전극 쪽에 산소로 인한 효율의 저하를 줄일 수 있기 때문에 도 8과 같은 결과를 얻을 수 있었다(안의 그래프는 로그 스케일). 하지만 전체적으로 OCV는 도리어 줄어드는 것을 볼 수 있었는데 연료가 유체 채널을 통해 흐르면서 연료 내의 이온분포가 달라져 생기는 현상으로 생각된다. 더불어 도 9는 유체 채널을 사용할 경우 시간에 따라 에너지 밀도의 유지 시간이 길어지는 것을 보여준다(로그 스케일).
환원전극도 산화전극처럼 나노선으로 제작할 경우 산소와 반응하여 물이 환원될 가능성이 높아지므로 좀 더 에너지 밀도와 전류 밀도의 향상을 가져오고 더불어 더 오랜 시간 동안 연료전지가 동작할 수 있을 것이라 기대 된다.
도 1은 본 발명에 따른 나노와이어 어레이를 포함하는 전극의 모식도이다.
도 2는 본 발명에 따른 전극의 제조 방법을 예시적으로 나타낸 개략도이다.
도 3은 본 발명의 전극의 제조를 위해 사용된 나노와이어 어레이 제조용 주형의 단면(a), 이를 이용하여 합성된 나노와이어 어레이의 단면(b) 및 측면(c)을 보여주는 사진이다.
도 4는 나노와이어 어레이의 합성을 위한 전극화학적 중합 과정을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 나노와이어 어레이를 포함하는 산화전극과 나노와이어 어레이를 포함하는 환원전극을 포함하는 본 발명의 효소 연료 전지를 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 효소 연료 전지와 필름 형태의 전극을 구비한 효소 연료 전지의 전력 밀도를 측정한 결과를 보여주는 그래프이다.
도 7은 본 발명에 따른 전극이 미세 유체 채널 내에 구비되어 있는 효소 연료 전지를 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 8은 유체 채널을 이용한 효소 연료 전지가 전극을 담가서 만든 효소 연료 전지에 비해 전체적으로 에너지 밀도가 높게 나타남을 보여주는 그래프이다.
도 9는 유체 채널을 사용할 경우 시간에 따라 에너지 밀도의 유지 시간이 길어지는 것을 보여주는 그래프이다.

Claims (15)

  1. 효소, 전도성 고분자 및 전자 매개체를 함유하는 나노와이어 어레이를 포함하는 전극.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전극은 산화전극으로 이용되는 것인 전극.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전극은 환원전극으로 이용되는 것인 전극.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 산화전극에 포함되는 효소는 글루코스 산화효소, 글로코스 탈수소효소, 알코올 산화환원 효소, 알데히드 탈수소효소, CH-CH 산화환원 효소, 아미노산 산화환원 효소, CH-NH 산화환원 효소, 락테이트 탈수소효소, 락토오스 탈수소효소, 피루베이트 탈수소효소, 포르메이트 탈수소효소 및 포름알데히드 탈수소효소로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 산화환원효소인 전극.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 환원전극에 포함되는 효소는 라카아제, 빌리루빈 산화효소, 수퍼옥사이드 디스뮤타아제 및 퍼옥시다아제로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 산화환원효소인 전극.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전도성 고분자는 폴리피롤, 폴리아세틸렌, 폴리아닐린, 폴리티오펜, 폴리설퍼니트리드, 폴리플루오렌, 폴리(3-알킬티오펜), 폴리테트라티아풀발렌, 폴리나프탈렌, 폴리(p-페닐렌 설파이드), 폴리(파라-페닐렌 비닐렌) 및 이들의 유도체로 구성된 군으로부터 선택되는 것인 전극.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 전자 매개체는 HQS(8-하이드록시퀴놀린-5-설폰산 하이드레이트), 퀴논계 화합물, 비타민 K3(2-메틸-1,4-나프토퀴논), 비오로겐계 화합물, 니코틴아미드계 화합물, 리보플라빈계 화합물, ABTS(2,2'-아지노-비스(3-에틸벤조티아졸린-6-설포네이트), Os, Ru, Fe 및 Co의 금속 착체(metal complex)로 구성되는 군으로부터 선택되는 것인 전극.
  8. 금속이 코팅된 기판 상에 나노와이어 어레이 형성용 주형을 형성하고,
    전도성 고분자, 전자 매개체 및 효소를 포함하는 전해질 용액을 준비하고,
    전극화학적 중합에 의해 상기 전해질 용액을 주형 내에서 중합한 후 주형을 제거함으로써 나노와이어 어레이 형태의 전극을 형성하는 것을 포함하는
    제1항의 전극의 제조 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 기판은 실리콘, 유리 또는 고분자 폴리머로 이루어진 것인 제조 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 나노와이어 어레이 형성용 주형은 나노 사이즈의 포어를 갖는 금속 산화물인 제조 방법.
  11. 제1항의 전극을 포함하는 효소 연료 전지.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 효소 연료 전지는 당, 탄수화물, 유기산, 알코올, 지방산, 탄화수소, 케톤, 알데히드, 아미노산, 단백질 및 핵산을 포함하는 유기 화합물 중 하나 이상을 연료로 이용하는 것인 효소 연료 전지.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 전극은 유체 채널 내에 구비되어 있는 것인 효소 연료 전지.
  14. 제11항의 효소 연료 전지를 포함하는 생체 이식 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 생체 이식 장치는 인공심박조율기, 신경 자극장치 또는 약물 전달 펌프, 생체 이식 센서 또는 나노로봇인 체내 이식 장치.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103746135A (zh) * 2014-02-18 2014-04-23 中国科学院长春应用化学研究所 生物燃料电池及其制备方法
WO2014200161A1 (ko) * 2013-06-10 2014-12-18 단국대학교 산학협력단 효소적 생물연료전지 기반 전기자극에 의한 세포 거동 조절 방법
KR20160015197A (ko) * 2013-06-05 2016-02-12 이 헹 퍼시벌 장 세포-비함유 합성 효소적 경로를 이용한 당의 전기로의 완전 산화
CN115148957A (zh) * 2022-09-05 2022-10-04 楚能新能源股份有限公司 一种具有双面自支撑结构的聚苯胺电极及其制备方法

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101922116B1 (ko) * 2012-04-19 2018-11-26 삼성전자주식회사 전기화학 커패시터용 전극 및 이를 포함하는 전기화학 커패시터

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050118494A1 (en) * 2003-12-01 2005-06-02 Choi Sung H. Implantable biofuel cell system based on nanostructures
US20100068461A1 (en) 2006-06-30 2010-03-18 University Of Wollongong Nanostructured composites
JP5026873B2 (ja) 2007-07-04 2012-09-19 株式会社船井電機新応用技術研究所 酵素電極、酵素電極の製造方法及び酵素センサ

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20160015197A (ko) * 2013-06-05 2016-02-12 이 헹 퍼시벌 장 세포-비함유 합성 효소적 경로를 이용한 당의 전기로의 완전 산화
US10128522B2 (en) 2013-06-05 2018-11-13 Tianjin Institute Of Industrial Biotechnology, Chinese Academy Of Sciences Complete oxidation of sugars to electricity by using cell-free synthetic enzymatic pathways
US10897057B2 (en) 2013-06-05 2021-01-19 Tianjin Institute Of Industrial Biotechnology, Chinese Academy Of Sciences Complete oxidation of sugars to electricity by using cell-free synthetic enzymatic pathways
WO2014200161A1 (ko) * 2013-06-10 2014-12-18 단국대학교 산학협력단 효소적 생물연료전지 기반 전기자극에 의한 세포 거동 조절 방법
CN103746135A (zh) * 2014-02-18 2014-04-23 中国科学院长春应用化学研究所 生物燃料电池及其制备方法
CN115148957A (zh) * 2022-09-05 2022-10-04 楚能新能源股份有限公司 一种具有双面自支撑结构的聚苯胺电极及其制备方法

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