KR20240009623A - 섬유기반 하이브리드 미생물-효소 바이오 연료 전지 - Google Patents

섬유기반 하이브리드 미생물-효소 바이오 연료 전지 Download PDF

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KR20240009623A
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안유민
김진용
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Abstract

본 발명은 하이브리드 미생물-효소 바이오 연료 전지에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 하이브리드 미생물-효소 바이오 연료 전지는 마이크로 사이즈의 유로가 형성되어 있고, 섬유성 소재로 제공되는 기판; 및 상기 유로와 접하도록 상기 기판에 위치되는 전극을 포함하되, 상기 전극은 어노드 및 캐소드를 포함하고, 상기 어노드에는 어노드 미생물 촉매가 고정되고, 상기 캐소드에는 캐소드 효소 촉매가 고정된다.

Description

섬유기반 하이브리드 미생물-효소 바이오 연료 전지{Hybrid Microbial-Enzyme Biofuel cell}
본 발명은 섬유기반 하이브리드 미생물-효소 바이오 연료 전지에 관한 것으로, 보다 상세하게는 인체에 무해하여 웨어러블 형태로 사용 가능하면서, 유연성 및 내구성이 높고, 발전 효율이 우수한 섬유기반 하이브리드 미생물-효소 바이오 연료 전지에 관한 것이다.
연료 전지는 연료와 산화제의 전기화학 반응에 의해 화학에너지를 전기에너지로 발생시키는 에너지원이다. 이러한 연료 전지는 온난화 현상의 주범인 이산화탄소 발생을 약 40% 감소시키고 에너지 사용량을 약 26% 절감하는 효과가 있어 신재생에너지의 전력 공급원으로 기대되고 있다.
연료 전지는 어노드, 캐소드 및 양성자 교환막(Proton Exchange Membrane)으로 구성되는 양성자 교환막 구조가 일반적이다. 그러나, 양성자 교환막 구조를 가지는 연료 전지는 기기의 소형화에 한계를 주고, 복잡한 제족 공정 및 높은 비용 등의 문제점이 있다. 이를 해결하기 위해 근래에는 마이크로 유체 연료 전지가 연구되고 있으나, 마이크로 유체 연료 전지 또한, 연료와 산화제를 펌핑하기 위한 외부 펌핑수단이 요구되는 구조적 한계를 가진다.
그로 인해, 근래에는 구조가 간단하면서도 친환경적인 연료 전지에 대한 연구가 지속적으로 요구되고 있다.
특허문헌1: 대한민국 등록특허공보 제10-1885285호
본 발명은 웨어러블 형태로 적용 가능한 인체 친화적인 섬유기반 하이브리드 미생물-효소 바이오 연료 전지를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 유연성 및 내구성이 우수한 섬유기반 하이브리드 미생물-효소 바이오 연료 전지를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 전극에 고정되는 효소를 통해 인체 친화적인 환경에서 효과적으로 반응하여 우수한 발전 효율을 갖는 섬유기반 하이브리드 미생물-효소 바이오 연료 전지를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 효소 고정과 효소 활성화가 향상된 섬유기반 하이브리드 미생물-효소 바이오 연료 전지를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 마이크로 사이즈의 유로가 형성되어 있고, 섬유성 소재로 제공되는 기판; 및 상기 유로와 접하도록 상기 기판에 위치되는 전극을 포함하되, 상기 전극은 어노드 및 캐소드를 포함하고, 상기 어노드에는 어노드 미생물 촉매가 고정되고, 상기 캐소드에는 캐소드 효소 촉매가 고정되는 섬유기반 하이브리드 미생물-효소 바이오 연료 전지가 제공될 수 있다.
또한, 상기 어노드 미생물 촉매는 쉬와넬라 오네이덴시스로 제공될 수 있다.
또한, 상기 캐소드 효소 촉매는 페록시다아제를 포함할 수 있다.
또한, 상기 캐소드 효소 촉매는 글루코스산화효소를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 캐소드 효소 촉매는 페록시다아제와 글루코스산화효소가 10:0.9 내지 10:1.1의 질량비를 갖도록 제공될 수 있다.
또한, 상기 캐소드 효소 촉매는 폴리에틸렌이민을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 캐소드 효소 촉매는 페록시다아제 및 글루코스산화효소의 혼합물과 폴리에틸렌이민이 5:2.3 내지 5:2.7의 질량비를 갖도록 제공될 수 있다.
또한, 상기 전극은 탄소나노뷰트로 제공되는 전극 형성 물질이 상기 기판에 도포되어 형성될 수 있다.
또한, 상기 전극 형성 물질은 다중벽 탄소 나노튜브(Multi-Walled Carbon NanoTube, MWCNT) 및 단일벽 탄소 나노튜브(Single-Walled Carbon NanoTube, SWCNT)의 혼합물로 제공될 수 있다.
또한, 연료가 흐르는 통로로 제공되는 연료 유입 유로; 산화재가 흐르는 통로로 제공되는 산화재 유입 유로; 및 상기 연료 유입 유로 및 상기 산화재 유입 유로에 연결되는 반응 유로를 포함하되, 상기 연료 유입 유로 및 상기 산화재 유입 유로는 병렬로 배열될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 마이크로 사이즈의 유로가 형성되어 있고, 섬유성 소재로 제공되는 기판; 및 상기 유로와 접하도록 상기 기판에 위치되는 전극을 포함하되, 상기 전극 중에서 어노드에는 어노드 미생물 촉매가 고정되고, 상기 전극과 상기 기판 사이에는 전도성 향상을 위한 전도성 개선 물질이 위치될 수 있다.
또한, 상기 전도성 개선 물질은 poly(3,4-ethylenedioxythiophene): polystyrene sulfonate (PEDOT: PSS)일 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 의하면, 웨어러블 형태로 적용 가능한 인체 친화적인 섬유기반 하이브리드 미생물-효소 바이오 연료 전지가 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 의하면, 유연성 및 내구성이 우수한 섬유기반 하이브리드 미생물-효소 바이오 연료 전지가 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 의하면, 전극에 고정되는 효소를 통해 인체 친화적인 환경에서 효과적으로 반응하여 우수한 발전 효율을 갖는 섬유기반 하이브리드 미생물-효소 바이오 연료 전지가 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 의하면, 효소 고정과 효소 활성화가 향상된 섬유기반 하이브리드 미생물-효소 바이오 연료 전지가 제공될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 섬유기반 하이브리드 미생물-효소 바이오 연료 전지를 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1의 섬유기반 하이브리드 미생물-효소 바이오 연료 전지에서 전극이 제거된 기판을 나타내는 도면이다.
도 3은 기판에 유로, 전극 부착부를 형성하는 방법을 나타내는 도면이다.
도 4는 기판에 전극을 형성하는 과정을 나타내는 도면이다.
도 5는 도 3 및 도 4의 방법으로 만들어진 섬유기반 하이브리드 미생물-효소 바이오 연료 전지의 사진이다.
도 6은 도 3 및 도 4의 방법의 각 단계의 SEM 촬영 사진이다.
도 7은 전극에 각각 어노드 미생물 촉매, 캐소드 효소 촉매가 고정된 상태를 나타내는 전계방출형 주사현미경(Field Emission Scanning Electron Microscopy) 사진이다.
도 8은 실험 설정 상태를 나타내는 도면이다.
도 9은 전산 유체 해석에서의 유입 유로 구조에 따른 확산 영역을 나타내는 도면이다.
도 10은 각각의 유입 유로 구조에서 전극 길이에 따른 확산 영역을 나타내는 그래프이다.
도 11은 각각의 유입 유로 구조에 따른 확산 길이를 비교한 그래프이다.
도 12는 전극 형성에 사용된 물질에 따른 OCV(Open Circuit Voltage), 전류밀도, 그리고 전력밀도를 나타내는 도면이다.
도 13은 캐소드 효소 촉매 종류에 대한 OCV(Open Circuit Voltage), 전류밀도, 그리고 전력밀도를 나타낸 그래프이다.
도 14는 HRP&GOx 효소 촉매의 전극 면적당 농도 변화에 따른 OCV(Open Circuit Voltage), 전류밀도, 그리고 전력밀도에 대한 그래프이다.
도 15는 캐소드액에 포함되는 글루코스의 농도 변화에 따른 OCV, 전류밀도 그리고 전력밀도에 대한 그래프이다.
도 16은 연료 전지 종류에 따른 OCV, 전류밀도, 그리고 전력밀도를 나타낸 그래프이다.
도 17 및 도 18은 연료 전지 종류에 대한 지속시간을 나타낸 그래프이다.
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 구체화될 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, 본 명세서에서 "연결"은 복수의 구성 요소를 간접적으로 연결하는 것, 및 직접적으로 연결하는 것을 모두 포함하는 의미로 사용된다.
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 일 실시 예에 따른 섬유기반 하이브리드 미생물-효소 바이오 연료 전지를 나타내는 도면이고, 도 2는 도 1의 섬유기반 하이브리드 미생물-효소 바이오 연료 전지에서 전극이 제거된 기판을 나타내는 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 섬유기반 하이브리드 미생물-효소 바이오 연료 전지는 기판(2) 및 전극(3)을 포함한다.
기판(2)은 유연성 소재로 제공된다. 기판(2)은 섬유성 소재로 제공된다. 기판(2)은 직물 소재로 제공될 수 있다. 후술할 실험에서, 기판(2)은 두께 0.3 mm의 30수 cotton 100% 광목 원단이 사용되었다. 기판(2)에는 유체가 유동하는 마이크로 사이즈의 유로(10)가 형성된다.
유로(10)는 유입 유로(11, 12) 및 반응 유로(13)를 포함한다.
유입 유로(11, 12)는 연료 유입 유로(11) 및 산화재 유입 유로(12)를 포함한다. 연료 유입 유로(11)는 연료가 흐르는 통로로 제공된다. 산화재 유입 유로(12)는 산화재가 흐르는 통로로 제공된다. 연료 유입 유로(11) 및 산화재 유입 유로(12)는 반응 유로(13)에 연결된다. 연료 유입 유로(11) 및 산화재 유입 유로(12)는 각각 반응 유로(13)의 양측에 위치될 수 있다. 연료 유입 유로(11) 및 산화재 유입 유로(12)는 반응 유로(13)에 Y자형상으로 연결될 수 있다. 도 1 및 도 2에 도시된 유입 유로(11, 12) 및 반응 유로(13)의 배열 방향은 예시적인 것이며 상호 위치는 변경될 수 있다.
연료 유입 유로(11)는 2개가 병렬로 배열로 될 수 있다. 산화재 유입 유로(12)는 2개가 병렬로 배열될 수 있다. 유입 유로(11, 12)의 상류측에는 보조 유입 유로(11a, 12a)가 연결될 수 있다.
반응 유로(13)는 연료 유입 유로(11) 및 산화재 유입 유로(12)를 통해 유입된 연료 및 산화재가 층류를 형성하도록 기 설정 폭을 갖도록 형성된다. 유로(10)가 섬유성 소재의 기판(2)에 형성됨에 따라, 섬유성 소재의 재질 특성에 의한 모세관 현상으로 인해 유로(10)를 따라 유체가 자가-펌핑에 의해 층류 유동 가능하다. 즉, 섬유성 소재로 제공되는 기판(2)에 유로(3)가 형성되어, 기판(2)의 기공을 통한 모세관 작용(Capillary action)으로 인해 외부 펌프 없이도, 유체(F)의 운반을 장기간 지속시킬 수 있으며, 비용 및 소형화에서 유리하다.
반응 유로(13)의 양측에는 전극 부착부(13a, 13b)가 위치된다. 전극 부착부(13a, 13b)는 내측 전극 부착부(13a) 및 외측 전극 부착부(13b)를 포함한다. 내측 전극 부착부(13a)는 반응 유로(13)에서 외측 방향으로 연장되게 제공된다. 외측 전극 부착부(13b)는 내측 전극 부착부(13a)의 외측 단부에 인접하게 위치된다. 외측 전극 부착부(13b)는 내측 전극 부착부(13a)와 끊어진 상태로 제공된다.
전극(3)은 반응 유로(13)와 접하도록 기판(2)에 위치되어, 전기적 에너지를 발생시킨다. 전극(3)은 어노드(anode) 및 캐소드(cathode)를 포함한다. 어노드 및 캐소드는 반응 유로(13)의 양측에 각각 위치된다. 반응 유로(13) 방향에 위치되는 전극(3)의 내측 단부는 반응 유로(13)의 경계 안쪽에 위치될 수 있다. 전극(3)은 반응 유로(13)에서 층류를 형성하면서 흐르는 연료 및 산화재와 전자가 이동하는 통로를 형성한다. 어노드 및 캐소드는 전극 부착부(13a, 13b)의 상면에 각각 부착될 수 있다. 전극(3)은 별도의 매개체 없이 반응 유로(13)를 흐르는 연료 및 산화재와 전자가 이동하는 경로를 형성할 수 있다. 반응 유로(13)의 반대 방향에 위치되는 전극(3)의 외측 단부는 외측 전극 부착부(13b)에 부착되게 제공된다. 전극(3)에 연결되는 외부 전기 장치의 연결 단자와 연료 또는 산화재가 접하여 전기 반응을 하면 노이즈가 발생한다. 반면, 본 발명에 따른 섬유기반 하이브리드 미생물-효소 바이오 연료 전지는 전극(3)의 외측 단부가 반응 유로(13)를 흐르는 연료 및 산화재와 접하지 않게 되어 있어, 외부 전기 장치의 연결 단자를 전극(3)의 외측 단부에 연결하면 노이즈가 발생하지 않는다.
반응 유로(13)의 하류 방향에는 배출 수용부(14)가 형성된다. 배출 수용부(14)는 반응 유로(13)의 하류측 단부에서 배출된 연료 및 산화재의 반응 액체를 수용한다. 배출 수용부(14)에 의해 연료 및 산화재는 보다 효과적으로 유로를 흐를 수 있게 된다.
일 예로, 성능 실험을 위한 섬유기반 하이브리드 미생물-효소 바이오 연료 전지의 실물 제작에 있어, 전극(3)은 반응 유로(13) 방향에 위치되어 반응 유로(13) 길이 방향으로 배열되는 내측 단부의 폭(a)은 1.5 mm, 길이(b)는 10 mm으로 하였다. 전극(3)의 내측 단부는 반응 유로(13)의 경계에서 반응 유로(13) 안쪽으로 1.5mm 돌출되어, 서로 마주하는 전극의 이격 거리(c)는 2 mm가 되게 하였다. 반응 유로(13)는 폭(d) 5 mm, 유입 유로(11, 12)는 폭(f) 2.5mm, 길이(e) 16.97 mm로 하였다. 외측 전극 부착부(13b)는 내측 전극 부착부(13a)와 이격거리(g) 0.5mm로 하였다.
도 3은 기판에 유로, 전극 부착부를 형성하는 방법을 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하여, 기판(2)에 유로(10), 전극 부착부(13a, 13b)를 형성하는 방법을 설명한다. 기판(2)에 있어, 유로(10), 전극 부착부(13a, 13b), 배출 수용부(14)는 그 외의 영역에 대해 소수화 영역(15)으로 형성하여 만들어 진다.
a) 섬유성 소재의 기판(2)이 제공된다. 성능 실험을 위한 본 실험 예에서는 두께 0.3 mm의 30수 cotton 100% 광목 원단을 기판(2)으로 사용하였다.
b) 프린팅을 수행하기 위한 제판(20)이 기판(2)에 위치된다. 제판(20)은 기판(2)에 있어 소수화 처리될 영역과 정렬되는 부분이 유체를 통과시킬 수 있도록 제공된다. 일 예로, 실물 제작에 있어 본 실험 예에서는 제작할 기판(2)에 대응되는 도면이 프린팅 된 silk screen 제판(20)이 사용되었다.
c) 제판(20)을 통해 기판(2)에 있어 소수화 될 영역에 소수화 영역 형성 물질이 도포되게 한다. 본 실험 예에서는 소수화 영역 형성 물질로 인체 안정성을 위해 Ecoflex(00-30, Smooth-on, 미국)를 사용하였다. Ecoflex는 주제(Silicone Elastomer, Part A)와 경화제(Silicone Elastomer Crosslinker, Part B)를 기 설정 비율로 혼합하여 사용한다. 본 실험 예에서는 주제와 경화제를 1:1의 비율로 사용하였다. Ecoflex를 제판(20) 위에 도포한 후 스퀴지(Squeegee) 등을 통해 제판(20)에 고르게 펴지도록 하여, Ecoflex가 기판(2)에 있어 소수화 처리될 영역에 침투되게 한다.
d) 이에 따라, 소수화 영역 형성 물질이 도포된 기판(2)이 준비된다.
e) 기판(2)을 건조한다. 본 실험예에서는 기판(2)을 80℃에서 30분간 건조하였다.
f) 이에 따라, 유로(10), 전극 부착부(13a, 13b), 배출 수용부(14) 이외의 영역이 소수화 영역으로 형성된 기판(2)이 제공된다.
도 4는 기판에 전극을 형성하는 과정을 나타내는 도면이다.
이하, 도 4를 참조하여, 기판(2)에 전극(3)을 형성하는 방법을 설명한다.
a), b) 마스크(30)를 이용하여 기판(2)에 전도성 개선 물질을 도포
먼저, 전극의 형상에 대응되는 패턴이 형성된 마스크(30), 그리고 전도성 개선 물질을 준비한다.
마스크(30)는 어노드 및 캐소드에 대응되는 패턴이 모두 형성된 상태로 준비된다. 본 발명은 어노드와 캐소드 사이의 폭이 아주 작게 제공된다. 이에 따라 본 실험 예에서는 마스크(30)를 OHP(Overhead Projector) 필름에 패턴을 가공하여 제작하였다. 패턴의 가공에는 레이저 커팅기(laser cutting) (Speedy 100, Trotec, Germany)를 사용하였다.
기판(2)에 전도성 개선 물질을 도포한다. 전도성 개선 물질은 마스크(30)를 이용하여 전극(3)이 형성될 영역에 도포된다. 전도성 개선 물질은 전도성을 향상시킨다. 전도성 개선 물질은 고전도성 고분자물질로 제공된다. 고전도성 고분자물질은 poly(3,4-ethylenedioxythiophene): polystyrene sulfonate (PEDOT: PSS)일 수 있다.
본 실험 예에서는 글리콜(Glycol)에 분산하여 스크린 프링팅(screen printing) 전용 페이스트(paste) 형태로 만들어진 PEDOT: PSS paste(CleviosTM S V4 STAB, Heraeus, Germany)를 사용하였다.
비교 예로, PEDOT:PSS (CleviosTM PH 1000, Heraeus, Germany)를 에틸렌 글리콜(ethylene glycol, EG)(102466-500ML, Sigma Aldrich)에 분산하여 페이스트(paste) 형태로 하였다. 구체적으로, PEDOT: PSS(CleviosTM PH 1000)와 EG를 9v/v%로 30분간 초음파로 분산시킨다. 그 후, 60℃오븐에서 3시간 동안 중량의 50%가 되도록 증발시킨다. 이 때, PEDOT: PSS와 EG의 혼합물은 골고루 건조되도록 저어 준다.
이후, 마스크(30)를 이용하여, 스크린 프린팅 방식으로 전도성 개선 물질을 기판(2)에 도포한다. 본 실험예어서 PEDOT:PSS는 단위 면적당 0.067g/cm2 도포되었다.
c), d) 이후 기판(2)은 마스크(30)와 분리된 후, 건조된다.
기판은 오븐을 이용하여, 80℃에서 30분간 건조시켰다.
e) 전극 형성 물질이 마스크(30)를 이용하여 기판(2)에 도포된다.
전극 형성 물질은 탄소나노튜브(Carbon Nano Tube, CNT)로 제공된다. 본 발명에 따른 전극 형성 물질은 두가지 종류의 CNT를 포함하여, 전도성이 향상되게 제공된다. 전극 형성 물질은 다중벽 탄소 나노튜브(Multi-Walled Carbon NanoTube, MWCNT) 및 단일벽 탄소 나노튜브(Single-Walled Carbon NanoTube, SWCNT)를 포함한다.
본 실험 예에서는 MWCNT는 US4315(>95%, OD: 50-80nm, US-nano, USA)를 사용하고, SWCNT는 GCS131(Carbon Nanotubes Plus, USA)를 사용하여 Paste를 제작하였다. 구체적으로, MWCNT 10mg과 SWCNT 5mg를 질산(HNO3, 70wt%) 10mL, 황산(H2SO4, 95wt%) 20mL와 혼합하고, 30분간 초음파로 분산시킨다. 이후, 탈이온수(DI Water)를 70mL 추가하여 5℃, 500rpm 조건에서 5분간 교반 한다. 이후, 탈이온수(DI Water)를 계속해서 추가해주며 진공필터로 여과한다. 여과된 MWCNT와 SWCNT의 혼합물은 셀룰로스 이온 액(Cellulose ionic liquid))와 혼합하여 페이스트 형태로 제작한다. 셀룰로스 이온 액은 셀룰로스(Cellulose)(Sigma Aldrich, USA)와 1-Ethyl-3-methylimidazolium acetate (EMIM, Sigma Aldrich, USA)을 5wt%: 95 wt%의 질량비로 혼합하고 60℃에서 1시간 초음파 분산하여 제작한다. MWCNT와 SWCNT의 혼합물과 셀룰로스 이온 액을 5wt%: 95wt%의 질량비로 혼합한 후 마노유발(Agate Mortal, GK.600-M-100, od 100mm, 50ml, C-GIESE, Germany)을 15분간 그라인딩하는 방식으로 혼합하여 페이스트 형태로 만들어 준다.
상술한 본 실험예에서 사용한 페이스 형태의 전극 형성 물질의 형성 과정은 다음 표 1과 같다.
전극 형성 물질이 마스크(30)를 이용하여 기판(3)에 도포된다. 본 실험 예에서는 전극 형성 물질이 스크린 프린팅(screen printing) 방식을 사용하여, 단위 면적당 0.021g/cm2 도포 되었다.
f), g) 이후 기판(2)은 마스크(30)와 분리된 후, 건조된다.
기판(2)은 오븐을 이용하여, 40℃에서 60분간 건조시켰다.
h) 기판(2)을 린스 한다.
전극 형성 물질에 포함된 EMIM을 제거하기 위해 기판(2)을 린스한다. 린스 과정은 기판(2)을 탈이온수에 20분간 담궈 수행하였다.
i), j) 기판(2)을 건조하여, 전극 형성 과정을 완료한다.
기판(2)은 오븐을 이용하여 40℃에서 20분간 건조하였다.
도 5는 도 3 및 도 4의 방법으로 만들어진 섬유기반 하이브리드 미생물-효소 바이오 연료 전지의 사진이고, 도 6은 도 3 및 도 4의 방법의 각 단계의 SEM 촬영 사진이다.
도 6의 a)는 기판(2)으로 제공된 30수 's 면직물(cotton)의 1mm scale사진이다.
도 6의 b)는 PEDOT:PSS가 도포, 건조된 기판(2)의 1mm scale사진이다.
도 6의 c)는 기판(2)으로 제공된 30수 면직물의 100μm scale 사진이다.
도 6의 d)는 PEDOT:PSS가 도포, 건조된 기판(2)의 100μm scale 사진이다.
도 6의 e)는 PEDOT:PSS가 도포, 건조된 기판(2)의 50μm scale사진이다.
도 6의 f)는 전극 형성물질이 도포, 건조된 기판(2)의 50μm scale사진이다.
이후, 전극(3)에 촉매를 고정시킨다.
어노드에는 어노드 미생물 촉매가 고정된다. 어노드 미생물 촉매는 쉬와넬라 오네이덴시스(Shewanella oneidensis)로 제공된다. 본 실험 예에서는 어노드 미생물 촉매로 Shewanella oneidensis MR-1 Venkateswaran et al. (BAA-1096, ATCC ®, USA)이 사용되었다. 어노드 미생물 촉매는 L-Broth media(LB-broth, BD DIFCO, USA)에서 25°C 48시간 동안 배양 후 Minimal Media-Lacatate(100mM)에서 25°C, 72시간 동안 배양하였다. 어노드 미생물 촉매는 글루타르알데히드로 어노드에 고정된다. 본 실험 예에서는 2%의 글루타르알데히드 용액에 어노드 미생물 촉매가 접종된 어노드를 넣어 25℃에 24시간 동안 고정시킨다. 이 후 탈수과정으로 에탄올 25, 50, 70, 80, 90, 95, 100%에 5분씩 담그어 탈수시키고 건조시켰다.
캐소드에는 캐소드 효소 촉매가 고정된다.
캐소드 효소 촉매는 호스래디시 유래 페록시다아제(Peroxidase from horseradish, HRP) 및 글루코스산화효소(glucose oxidase, Gox)를 포함한다. 본 설험 예에서는 HRP(Peroxidase from horseradish, Sigma Aldrich, USA)와 검정곰팡이 유래 GOx(Glucose oxidase from Aspergillus, Sigma Aldrich, USA)가 사용되었다.
캐소드 효소 촉매에는 폴리에틸렌이민(Poly(ethylenimine) solution, PEI)가 첨가될 수 있다. 본 실험 예에서는 PEI(Poly-ethylenimine solution, Sigma Aldrich, USA)가 사용되었다. 폴리에틸렌이민은 전극의 탄소나노튜브가에 효소가 고정되는 것을 촉진한다. HRP와 GOx는 10:0.9 내지 10:1.1의 질량비로 사용될 수 있으며, 특히 HRP와 GOx는 10:1 질량비일 때 가장 최적의 성능을 보인다. 캐소드 효소 촉매에서 글루코스산화효소 및 페록시다아제의 혼합물은 폴리에틸렌이민와 5: 2.3 내지 5:2.7의 질량비를 가질 수 있다. 이에 따라, 특히 HRP와 GOx가 10:1 질량비를 가지고, HRP와 GOx 혼합물과 폴리에틸렌이민이 5:25의 질량비를 갖도록, 효소량 5mg(4.5mg의 HRP와 0.45mg의 GOx), 그리고 2.5mg의 폴리에틸렌이민을 1M의 인산완충생리식염수 (Phosphate buffered saline, PBS) 용액(PH 7.0) 1ml에 혼합하여 캐소드 효소 촉매 용액을 제작하였다.
본 발명에 따른 캐소드 효소 촉매와 대조를 위한 효소는 Laccase from Trametes versicolor(Sigma Aldrich, USA), Laccase from Rhus vernicifera(Sigma Aldrich, USA), Laccase from Agaricus bisporus(Sigma Aldrich, USA)가 사용되고, 효소량 5mg으로 1M의 인산완충생리식염수 용액(PH7.0) 1ml에 혼합하여 대조 실험을 위한 효소 용액을 제작하였다.
캐소드 효소 촉매 용액은 캐소드에 도포 후 건조되어 고정된다. 본 실험 예에서는 캐소드 효소 촉매 용액을 마이크로 피펫을 이용하여 20μL를 캐소드 (면적0.15cm2)에 도포 후 상온에서 1시간 건조하였다. 효소량의 변화에 따른 실험을 위해, HRP와 GOx를 10:1 질량비로 혼합된 효소 혼합물을 5mg, 7.5mg, 10mg, 12.5mg, 15mg로 각각 양을 달리하여 준비하고 2.5mg의 PEI와 1M 인산완충생리식염수 용액 1ml와 혼합하여 실험에 적용한다.
도 7은 전극에 각각 어노드 미생물 촉매, 캐소드 효소 촉매가 고정된 상태를 나타내는 전계방출형 주사현미경(Field Emission Scanning Electron Microscopy) 사진이다.
a) 촉매가 고정되기 전의 전극(3)의 5μm scale 사진이다.
b) 쉬와넬라 가 고정된 전극(3)의 5μm scale 사진이다.
c) 효소 용액이 0.67mg/cm2 고정된 전극의 1μm scale이다.
연료
어노드액(Anolyte)
어노드액은 미생물을 배양했던 Minimal Media-Lactate(100mM)를 사용한다.
캐소드액 (Catholyte)
캐소드액은 1M 인산완충생리식염수 용액 solution(PH 7.4)을 사용한다.
또한, 캐소드액은 1M 인산완충생리식염수 용액(PH 7.4)와 50mM 페리시안화칼륨(potassium ferricyanide(III))를 혼합하여 PH7.0±1로 하여 사용한다.
하이브리드 미생물-효소 연료 전지의 캐소드액에는 효소 종류에 따라 조건을 달리 해준다. HRP&GOx에는 1M 인산완충생리식염수 용액(PH 7.4)에 글루코스 용액을 혼합하여 제작하고 산소를 포화시켜 준다.
Laccase 계열의 효소에는 1M PBS solution(PH 7.4)를 준비한다. Laccae 계열의 효소는 PH 4.5 환경에서 최적의 성능을 보여준다고 한다. 하지만 웨어러블에 적합하기 위해서는 PH 4.5는 인체에 유해할 수 있어 PH 7.4에서 실험을 진행하였다.
글루코스 용액은 글루코스(Sigma Aldrich, USA)를 탈이온수와 혼합하여 1M 농도로 제작하고, 1M의 인산완충생리식염수 용액(PH 7.4)과 혼합하여 5mM, 50mM, 100mM, 200mM, 300mM, 400mM 농도로 각각 제작하였다.
미생물 연료 전지의 전극 변화에 따른 성능 측정
연료 전지에 사용되는 전극 변화에 따른 성능 측정을 하였다. 전극의 종류로는 1번 조건은 PEDOT:PSS paste(Clevios S V4 STAB)를 전도성 개선 물질로 사용하고, 전극 형성 물질로 MWCNT와 SWCNT를 사용하였다. 2번 조건은 PEDOT:PSS(Clevios PH 1000)&EG를 전도성 개선 물질로 사용하고, 전극 형성 물질로 MWCNT와 SWCNT를 사용하였다. 그리고 탄소전극 비교를 위한 3번 조건 은 전도성 개선 물질로 PEDOT:PSS(Clevios S V4 STAB)를 사용하고, 전극 형성 물질로 그래핀(Graphene)을 사용하여, 각각 조건에서의 성능 비교를 진행하였다. 표 2와 같이 어노드액(Anolyte)은 Minimal media, 캐소드액(Catholyte)은 PH 7.4의 PBS solution을 사용하였다.
캐소드 효소 촉매 종류에 대한 성능 측정
캐소드에 고정되는 효소의 종류에 따른 성능을 측정하였다. 효소 군으로는 [Laccase from Trametes versicolor, Laccase from Rhus vernicifera, Laccase from Agaricus bisporus, HRP&GOx]에서의 성능 비교를 하였다. 실험에서 사용된 효소 촉매량은 5mg으로 전극의 단위 면적당 0.67mg/cm2이다. 표 3과 같이 어노드액은 Minimal Media-Lactate(100mM)을 사용하였고, 캐소드액은 HRP&GOx의 경우 1M의 인산완충생리식염수 용액(PH 7.4)과 글루코스 용액 5mM을 혼합하여 사용하여 산호 포화 상태로 사용하였고, 그 외에 Laccase의 경우 1M의 인산완충생리식염수 용액(PH 7.4)을 사용하였다.
캐소드 효소 촉매의 농도 변화에 따른 성능 측정
캐소드 효소 촉매의 농도 변화에 따른 성능 측정을 하였다. 캐소드 에서의 최적 농도를 선정하고자 전극의 단위 면적당 [0.67mg/cm2. 1mg/cm2. 1.33mg/cm2. 1.67mg/cm2. 2mg/cm2]으로 조건을 달리하여 실험을 진행하였다. 표 4와 같이 어노드액은 Minimal Media-Lactate(100mM)을 사용하였고, 캐소드액은 캐소드 효소 촉매가 HRP와 GOx이므로 1M의 인산완충생리식염수 용액(PH 7.4)과 글루코스 용액 5mM을 혼합하여 산소 포화 상태에서 사용하였다.
Catholyte의 Glucose 농도 변화에 따른 성능 측정
전술한 조건에 실험 조건에 따른 측정에 의한 최적 캐소드 효소 촉매 농도에서 캐소드액의 농도를 달리하여 성능 측정을 하였다. 표 5와 같이 캐소드액은 1M의 인산완충생리식염수 용액(PH 7.4)에 글루코스 용액을 [5mM, 50mM, 100mM, 200mM, 300mM, 400mM]로 각각 달리한 조건에서 실험을 진행하였다. 어노드액은 Minimal Media-Lactate(100mM)을 사용한다.
연료 전지 성능 비교
전술한 실험을 통해 만들어진 최적 조건의 섬유기반 하이브리드 미생물-효소 연료 전지와 종이기반 하이브리드 미생물-효소 연료 전지, 그리고 페리시안화칼륨이 들어간 섬유기반 미생물 연료 전지, 페리시안화칼륨이 사용하지 않은 섬유기반 미생물 연료 전지에서의 성능 비교를 하여 OCV(Open Circuit Voltage), 최대 전류밀도, 최대 전력밀도 그리고 지속시간을 측정하였다. 각각에 사용된 어노드액, 캐소드액은 표 6과 같다.
실험 설정(Experiment set-up)
도 8은 실험 설정 상태를 나타내는 도면이다.
도 8을 참조하면, 효소 고정과 미생물 접종 후 연료 전지의 성능을 측정한다. 연료 전지의 외부연결전극과 전기화학측정장치(Ivium Technologies Inc, Ivium-n-stat, Netherlands)와의 원활한 접촉을 위해 구리 테이프(5mm x 5mm)를 이용하였다. 어노드액과 캐소드액은 각각의 용기(Petri dish)에 담아 연료 전지의 주입구로 흘려보낸다.
전극 변화에 따른 연료 전지 성능, 캐소드 효소 촉매의 종류에 대한 연료 전지 성능, 캐소드 효소 촉매 농도 변화에 따른 연료 전지 성능 그리고 캐소드액 의 글루코스 농도 변화에 따른 연료 전지 성능을 측정하여 하이브리드 미생물-효소 연료 전지의 최적의 조건을 구한다. 먼저 시간대전류법 (Chronoamperometry)에서 전류값이 정상상태에 돌입하면 리니어 스위프 메서드(Linear Sweep method)를 이용하여 연료 전지의 OCV(Open Circuit Voltage), 최대전류밀도, 그리고 최대전력밀도를 측정한다. 리니어 스위프의 측정 조건은 표 7과 같다.
내구성 향상을 확인하기 위해 본 연구인 섬유기반 하이브리드 미생물-효소 연료 전지와 종이기반 하이브리드 미생물-효소 연료 전지의 지속시간을 측정한다. 지속시간 측정을 위해 일정한 전류를 인가하여 시간에 따른 전압변화를 확인하는 크로노퍼텐쇼메트리 메서드(Chronopotentiometry metod)를 이용하였다. 연료 전지의 지속시간 측정 조건은 표 8과 같다.
전산유체해석
도 9은 전산유체해석에서의 유입 유로 구조에 따른 확산 영역을 나타내는 도면이고, 도 10은 각각의 유입 유로 구조에서 전극 길이에 따른 확산 영역을 나타내는 그래프이고, 도 11은 각각의 유입 유로 구조에 따른 확산 길이를 비교한 그래프이다.
도 9 및 도 10에서 a)는 연료 유입 유로(11) 및 산화재 유입 유로(12)가 각각 1개인 경우이고, b)는 연료 유입 유로(11) 및 산화재 유입 유로(12)가 병렬인 경우이다.
도 9 내지 도 11을 참조하면, 전산유체해석을 통해 유입 유로(11, 12)가 병렬로 구성되는 경우 반응 유로(13)에 대한 확산 영역을 확인하였다. 연료 유입 유로(11) 및 산화재 유입 유로(12)가 각각 1개인 일반적인 연료 전지와 본 발명에 따라 연료 유입 유로(11) 및 산화재 유입 유로(12)가 병렬인 연료 전지의 확산길이를 비교하고자 전극의 시작인 0mm부터 끝부분인 10mm 지점까지의 1mm당 확산길이를 확인하였고 확산길이가 가장 큰 10mm에서의 길이를 비교하였다.
표 9에 나타낸 바와 같이 연료 유입 유로(11) 및 산화재 유입 유로(12)가 각각 1개인 경우는 확산길이가 0.68mm이고, 연료 유입 유로(11) 및 산화재 유입 유로(12)가 병렬인 경우는 확산길이가 0.49mm이다. 즉, 연료 유입 유로(11) 및 산화재 유입 유로(12)를 병렬로 구성하여 확산길이를 줄일 수 있다.
이후 실험은, 연료 유입 유로(11) 및 산화재 유입 유로(12)를 병렬로 구성하여 진행하였다.
연료 전지의 성능 측정
미생물 연료 전지의 전극 변화에 따른 분극곡선
도 12는 전극 형성에 사용된 물질에 따른 OCV(Open Circuit Voltage), 전류밀도, 그리고 전력밀도를 나타내는 도면이다.
도 12를 참조하면, 전극 형성에 사용된 물질에 따른 OCV(Open Circuit Voltage), 전류밀도, 그리고 전력밀도가 달라짐을 확인할 수 있다. 그 결과는 표 10으로 정리하였다.
먼저 1번 조건과 2번 조건의 전류밀도와 전력밀도 측정 결과 1번 조건에서는 최대전류밀도 128.89μA/cm2로 2번 조건에서의 최대전류밀도인 153.33μA/cm2 보다 낮게 측정되었다. 하지만 1번 조건의 최대전력밀도는 11.48μW/cm2로 2번 조건에서의 최대전력밀도 값인 11.35μW/cm2보다 높게 측정되었다. 또한, 1번 조건을 통한 전극 제작 과정이 2 번 조건보다 제작과정과 소요 사간 측면에서 유리하다.
1번 조건과 3번 조건을 비교하면, 1번 조건이 모든 측면에서 더 높은 성능을 나타내는 것이 확인된다. 이는 1번 조건의 전극 형성 물질이 3번 조건의 전극 형성 물질보다 미생물 친화적이기 때문인 것으로 판단된다. 이 후 실험은 1번 조건의 전극으로 실험을 진행하였다.
캐소드 효소 촉매 종류에 대한 분극곡선
캐소드 효소 촉매 종류에 대한 OCV(Open Circuit Voltage), 전류밀도, 그리고 전력밀도를 측정하였다.
도 13은 캐소드 효소 촉매 종류에 대한 OCV(Open Circuit Voltage), 전류밀도, 그리고 전력밀도를 나타낸 그래프이다.
도 13을 참조하면, HRP&GOx 효소에서 OCV(Open Circuit Voltage)값은 0.430V, 최대전류밀도는 271.11μA/cm2, 최대전력밀도는 29.10μW/cm2 로 가장 높은 값이 측정되었다. 그 결과는 표 11로 정리하였다. 일반적으로 Laccase 효소는 PH 4.5에서 최적의 성능을 보이나, 이 같은 PH값은 인체에 유해한 범위로 웨어러블 연료 전지로써 인체에 유해할 수 있기 때문에 PH 4.5 대신 PH 7.4 조건에서 실험을 진행하였다.
다음 실험은 캐소드 효소 촉매로 HRP + Gox를 사용하여 실시하였다.
캐소드 효소 촉매의 농도 변화에 따른 분극곡선
도 14는 HRP&GOx 효소 촉매의 전극 면적당 농도 변화에 따른 OCV(Open Circuit Voltage), 전류밀도, 그리고 전력밀도에 대한 그래프이다.
도 14를 참조하면, 캐소드 효소 촉매의 농도가 1.33mg/cm2될 때까지는 농도 증가함에 따라 OCV(Open Circuit Voltage), 전류밀도, 전력밀도 값이 오르는 것을 확인할 수 있었다. 하지만 캐소드 효소 촉매 농도가 1.67mg/cm2, 2mg/cm2으로 증가하면서 성능이 낮아지게 됨을 확인할 수 있었다. 농도가 증가하면서 과도하게 고정된 효소가 전극을 막아 연료 전지의 성능이 낮아진 것으로 판단된다. 효소 촉매의 농도 1.33mg/cm2에서 OCV(Open Circuit Voltage)값은 0.462V, 최대전류밀도는 275.56μA/cm2 최대전력밀도는 31.78μW/cm2로 가장 높게 측정되었다. 비교 결과는 표 12로 나타 내었다. 이에 따라, 효소 농도는 1.23 mg/cm2 내지 1.43 mg/cm2, 보다 바람직 하게 1.25 mg/cm2 내지 1.38 mg/cm2이면 최적의 연료 전지 성능을 나타낼 수 있을 것으로 판단된다.
이 후 실험에서는 가장 높은 성능을 보인 캐소드 효소 촉매 농도 1.33mg/cm2으로 진행하였다.
Catholyte의 Glucose 농도 변화에 따른 분극곡선
도 15는 캐소드액에 포함되는 글루코스의 농도 변화에 따른 OCV, 전류밀도 그리고 전력밀도에 대한 그래프이다.
도 15를 참조하면, 글루코스 농도가 증가함에 따라 최대전력밀도가 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 하지만 글루코스 농도가 300mM이상으로 증가하면서 최대전류밀도와 최대전력밀도가 낮아지는 것을 확인할 수 있었는데, 이는 글루코스 농도가 증가하면서 점도가 생겨 유체흐름을 방해하였고 연료 전지 성능의 영향을 끼친 것으로 파악된다. 가장 높은 성능을 보인 글루코스 200mM에서의 OCV(Open Circuit Voltage)값은 0.457V, 최대전류밀도는 388.89μA/cm2 그리고 최대전력밀도는 44.93μW/cm2으로 측정되었다. 결과는 표 13에 정리하였다. 이에 따라, 글루코스는 180Mm 내지 220mM 범위, 보다 바람직 하게 190Mm 내지 210mM 범위에서 사용되면 우수한 성능을 보일 수 있을 것으로 판단된다.
연료 전지 비교 실험
전극변화에 따른 연료 전지 성능비교, 캐소드 효소 촉매 종류에 따른 연료 전지의 성능비교, 캐소드 효소 촉매의 농도 변화에 따른 연료 전지 성능비교, 그리고 캐소드액의 글루코스 농도 변화에 따른 연료 전지 성능비교로 최적조건의 하이브리드 미생물-효소 연료 전지를 제작할 수 있었다. 이 후의 실험은 최적조건의 하이브리드 미생물-효소 연료 전지가 페리시안화칼륨을 사용하지 않은 미생물 연료 전지보다 얼마나 성능이 향상되었는지, 그리고 페리시안화칼륨을 사용한 미생물 연료 전지와 성능차이가 얼마나 나는지 확인하고자 연료 전지별 성능비교를 하였다. Fabric Microbial - Enzyme은 본 발명에 따라, 섬유성 소재 기판, 어노드 미생물 촉매, 캐소드 효소 촉매가 사용된 경우이다. Paper Microbial - Enzyme는 기판으로 종이가 사용된 경우이다. Fabric Microbial는 섬유성 소재 기판, 미생물 촉매가 사용된 경우이다. Fabric Microbial(ferricyanide)는 섬유성 소재 기판, 미생물 촉매가 사용된 경우에서, 캐소드액에 페리시안화칼륨이 포함된 경우이다.
연료 전지 종류별 분극곡선
도 16은 연료 전지 종류에 따른 OCV, 전류밀도, 그리고 전력밀도를 나타낸 그래프이다.
도 16을 참조하면, 페리시안화칼륨 산화제를 사용한 섬유기반 미생물 연료 전지에서 최대전력밀도가 49.61W/cm2으로 가장 높은 성능을 보였다. 최적조건의 섬유기반 하이브리드 미생물-효소 연료 전지의 최대전력밀도는 44.93W/cm2으로 약간 낮은 값을 보이지만 페리시안화칼륨을 사용하지 않은 섬유기반 미생물 연료 전지의 최대전력밀도가 11.48W/cm2인 것과 비교하면, 친환경적이며 인체에 무해하면서 충분한 성능을 나타내는 것으로 판단된다. 결과는 표 14로 정리하였다.
연료 전지 종류별 지속시간
도 17 및 도 18은 연료 전지 종류에 대한 지속시간을 나타낸 그래프이다.
도 17 및 도 18을 참조하면, 어노드액과 캐소드액이 계속해서 흐르는 연속 흐름(Continuous Flow) 조건에서는 초기 전압 값의 50%가 되는 지점까지의 시간을 측정하였다. 섬유기반 하이브리드 미생물-효소 연료 전지가 종이기반 하이브리드 미생물-효소 연료 전지의 지속시간보다 약 7시간 긴 것으로 확인되었다. 또한 전극의 끝지점에 어노드액과 캐소드액이 도달하면 공급을 중단하는 정지 흐름(Stop Flow)조건에서도 약 27분 긴 것을 확인할 수 있었다. 섬유성 기판이 종이 기반 기판보다 유연(flexible)하여 연료 전지의 내구성 향상되면서, 긴 지속시간을 가지는 장점이 있다. 결과는 표 15로 정리하였다.
본 발명에 따른 섬유기반 하이브리드 미생물-효소 바이오 연료 전지는 기판이 섬유성 소재로 제공되어, 높은 유연성 및 내구성을 갖는다. 이에 따라, 기판이 종이로 제공되는 연료 전지에 대비하여 웨어러블 형태로의 채용 적합성이 높다.
본 발명에 따른 섬유기반 하이브리드 미생물-효소 바이오 연료 전지는 환원전극에 효소 촉매를 사용하여, 환경 및 인체에 유해한 페리시안화합물을 사용하지 않으면서, 충분한 성능 특성을 나타낸다.
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.
2: 기판 3: 전극
10: 유로 11: 연료 유입 유로
12: 산화재 유입 유로 13: 반응 유로
15: 소수화 영역

Claims (12)

  1. 마이크로 사이즈의 유로가 형성되어 있고, 섬유성 소재로 제공되는 기판; 및
    상기 유로와 접하도록 상기 기판에 위치되는 전극을 포함하되,
    상기 전극은 어노드 및 캐소드를 포함하고,
    상기 어노드에는 어노드 미생물 촉매가 고정되고, 상기 캐소드에는 캐소드 효소 촉매가 고정되는 섬유기반 하이브리드 미생물-효소 바이오 연료 전지.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 어노드 미생물 촉매는 쉬와넬라 오네이덴시스로 제공되는 섬유기반 하이브리드 미생물-효소 바이오 연료 전지.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 캐소드 효소 촉매는 페록시다아제를 포함하는 섬유기반 하이브리드 미생물-효소 바이오 연료 전지.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 캐소드 효소 촉매는 글루코스산화효소를 더 포함하는 섬유기반 하이브리드 미생물-효소 바이오 연료 전지.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 캐소드 효소 촉매는 페록시다아제와 글루코스산화효소가 10:0.9 내지 10:1.1의 질량비를 갖도록 제공되는 섬유기반 하이브리드 미생물-효소 바이오 연료 전지.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 캐소드 효소 촉매는 폴리에틸렌이민을 더 포함하는 섬유기반 하이브리드 미생물-효소 바이오 연료 전지.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 캐소드 효소 촉매는 페록시다아제 및 글루코스산화효소의 혼합물과 폴리에틸렌이민이 5:2.3 내지 5:2.7의 질량비를 갖도록 제공되는 섬유기반 하이브리드 미생물-효소 바이오 연료 전지.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 전극은 탄소나노뷰트로 제공되는 전극 형성 물질이 상기 기판에 도포되어 형성되는 섬유기반 하이브리드 미생물-효소 바이오 연료 전지.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 전극 형성 물질은 다중벽 탄소 나노튜브(Multi-Walled Carbon NanoTube, MWCNT) 및 단일벽 탄소 나노튜브(Single-Walled Carbon NanoTube, SWCNT)의 혼합물로 제공되는 섬유기반 하이브리드 미생물-효소 바이오 연료 전지.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 유로는,
    연료가 흐르는 통로로 제공되는 연료 유입 유로;
    산화재가 흐르는 통로로 제공되는 산화재 유입 유로; 및
    상기 연료 유입 유로 및 상기 산화재 유입 유로에 연결되는 반응 유로를 포함하되,
    상기 연료 유입 유로 및 상기 산화재 유입 유로는 병렬로 배열되는 섬유기반 하이브리드 미생물-효소 바이오 연료 전지.
  11. 마이크로 사이즈의 유로가 형성되어 있고, 섬유성 소재로 제공되는 기판; 및
    상기 유로와 접하도록 상기 기판에 위치되는 전극을 포함하되,
    상기 전극 중에서 어노드에는 어노드 미생물 촉매가 고정되고,
    상기 전극과 상기 기판 사이에는 전도성 향상을 위한 전도성 개선 물질이 위치되는 섬유기반 하이브리드 미생물-효소 바이오 연료 전지.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 전도성 개선 물질은 poly(3,4-ethylenedioxythiophene): polystyrene sulfonate (PEDOT: PSS)인 섬유기반 하이브리드 미생물-효소 바이오 연료 전지.
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