KR101365108B1 - Multi scrolled yarn electrode fiber and its preparing method - Google Patents

Multi scrolled yarn electrode fiber and its preparing method Download PDF

Info

Publication number
KR101365108B1
KR101365108B1 KR1020120132402A KR20120132402A KR101365108B1 KR 101365108 B1 KR101365108 B1 KR 101365108B1 KR 1020120132402 A KR1020120132402 A KR 1020120132402A KR 20120132402 A KR20120132402 A KR 20120132402A KR 101365108 B1 KR101365108 B1 KR 101365108B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
electrode
carbon nanotube
nanotube sheet
poly
fiber
Prior art date
Application number
KR1020120132402A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
김선정
김시형
권정훈
이성호
Original Assignee
한양대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한양대학교 산학협력단 filed Critical 한양대학교 산학협력단
Priority to KR1020120132402A priority Critical patent/KR101365108B1/en
Application granted granted Critical
Publication of KR101365108B1 publication Critical patent/KR101365108B1/en

Links

Images

Classifications

    • DTEXTILES; PAPER
    • D01NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01FCHEMICAL FEATURES IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OF CARBON FILAMENTS
    • D01F9/00Artificial filaments or the like of other substances; Manufacture thereof; Apparatus specially adapted for the manufacture of carbon filaments
    • D01F9/08Artificial filaments or the like of other substances; Manufacture thereof; Apparatus specially adapted for the manufacture of carbon filaments of inorganic material
    • D01F9/12Carbon filaments; Apparatus specially adapted for the manufacture thereof
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y40/00Manufacture or treatment of nanostructures
    • DTEXTILES; PAPER
    • D01NATURAL OR MAN-MADE THREADS OR FIBRES; SPINNING
    • D01DMECHANICAL METHODS OR APPARATUS IN THE MANUFACTURE OF ARTIFICIAL FILAMENTS, THREADS, FIBRES, BRISTLES OR RIBBONS
    • D01D5/00Formation of filaments, threads, or the like
    • D01D5/42Formation of filaments, threads, or the like by cutting films into narrow ribbons or filaments or by fibrillation of films or filaments
    • DTEXTILES; PAPER
    • D02YARNS; MECHANICAL FINISHING OF YARNS OR ROPES; WARPING OR BEAMING
    • D02GCRIMPING OR CURLING FIBRES, FILAMENTS, THREADS, OR YARNS; YARNS OR THREADS
    • D02G3/00Yarns or threads, e.g. fancy yarns; Processes or apparatus for the production thereof, not otherwise provided for
    • D02G3/02Yarns or threads characterised by the material or by the materials from which they are made
    • D02G3/06Threads formed from strip material other than paper
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/58Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of inorganic compounds other than oxides or hydroxides, e.g. sulfides, selenides, tellurides, halogenides or LiCoFy; of polyanionic structures, e.g. phosphates, silicates or borates
    • H01M4/583Carbonaceous material, e.g. graphite-intercalation compounds or CFx
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/16Biochemical fuel cells, i.e. cells in which microorganisms function as catalysts
    • DTEXTILES; PAPER
    • D10INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10BINDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10B2101/00Inorganic fibres
    • D10B2101/10Inorganic fibres based on non-oxides other than metals
    • D10B2101/12Carbon; Pitch
    • D10B2101/122Nanocarbons
    • DTEXTILES; PAPER
    • D10INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10BINDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10B2401/00Physical properties
    • D10B2401/16Physical properties antistatic; conductive
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/02Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M2004/022Electrodes made of one single microscopic fiber
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10Energy storage using batteries
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

The present invention relates to electrode fibers of a twisting structure for providing enhanced catalytic activities, mechanical strength, activities in in-vivo environments, and electrode performance, and a manufacturing method thereof, characterized by including: a carbon nanotube sheet coated with a conductive polymer; and an enzyme fixed to the carbon nanotube sheet, and formed in a multilayered structure. The electrode fibers according to the present invention have excellent mechanical strength enough to manufacture textile, and are able to be easily applied to in-vivo environments, as well as have remarkable electrode performance so as to include an implantable form such as a syringe needle, a catheter, a stent and the like. Therefore, if the electrode fibers are applied as biological fuel cells and various medical devices or mediums, remarkable performance enhancement can be produced.

Description

꼬임 구조의 전극 섬유 및 이의 제조방법{multi scrolled yarn electrode fiber and its preparing method}Multi-scrolled yarn electrode fiber and its preparing method

본 발명은 꼬임 구조의 전극 섬유 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다층 및 다공성 구조와 꼬임(twist) 구조를 포함하여, 촉매활성의 향상을 통해 높은 전극 성능을 제공하면서도 우수한 기계적 강도를 제공하는 생체환경에서 구동 가능한 꼬임 구조의 전극 섬유 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a twisted structure of the electrode fiber and a method for manufacturing the same, and more particularly, including a multilayer and porous structure and twisted structure, providing high electrode performance through improved catalytic activity and excellent mechanical strength The present invention relates to a twisted structure electrode fiber that can be driven in a living environment and a method of manufacturing the same.

생체연료전지(biofuel cell, 이하 BFC)는 생물학적 에너지를 전기 에너지로 변환하는 초소형 장치로서, 심박조율기, 신경 자극기, 약물전달 펌프를 비롯한 이식용 바이오메디컬 기기의 전원으로서 각광받고 있다(A. Heller, Miniature biofuel cells, Physical Chemistry Chemical Physics. 6 (2004) 209., I. Ivanov, T. Vidakovic-Koch, K. Sundmacher, Recent Advances in Enzymatic Fuel Cells: Experiments and Modeling, Energies. 3 (2010) 803-846.). 그러나 최근까지도, BFC는 낮은 전력과 짧은 가동시간, 질 낮은 기계적 특성 등으로 인한 기술적 한계점을 보인다.Biofuel cell (BFC) is a micro device that converts biological energy into electrical energy, and has been in the spotlight as a power source for implantable biomedical devices including pacemakers, nerve stimulators, and drug delivery pumps (A. Heller, Miniature biofuel cells, Physical Chemistry Chemical Physics. 6 (2004) 209., I. Ivanov, T. Vidakovic-Koch, K. Sundmacher, Recent Advances in Enzymatic Fuel Cells: Experiments and Modeling, Energies. 3 (2010) 803-846 .). However, until recently, BFC has shown technical limitations due to low power, short uptime and poor mechanical properties.

BFC의 성능은 전극에 고정되는 전기발생용 효소의 양을 증가시키거나, 나노구조체 물질을 이용하여 상기 전극의 활성표면적을 넓히거나, 효소로부터 외부 회로까지 이르는 전자의 이동을 더욱 용이하도록 설계함으로써 개선될 수 있다. 특히, 효소로부터 전극체에 이르는 전자의 이동 능력에는 전극의 표면구조가 결정적인 역할을 수행하고, 따라서 BFC 전극의 표면구조는 높은 활성 표면적을 갖는 동시에 높은 전도 특성을 보유하여 효율적인 전류의 흐름을 제공해야 하며, 이에 따른 개발의 노력이 활발하다. 또한, 플렉서블하고 고활성을 갖는 전극의 개발은 BFC를 인체 이식용 기기 또는 휴대용 기기로까지 확장시킬 수 있다(T. Miyake, S. Yoshino, T. Yamada, K. Hata, M. Nishizawa, Self-regulating enzyme-nanotube ensemble films and their application as flexible electrodes for biofuel cells., Journal of the American Chemical Society. 133 (2011) 5129-34.).The performance of the BFC is improved by increasing the amount of electrogenerated enzyme immobilized on the electrode, by increasing the active surface area of the electrode using nanostructured materials, or by designing to facilitate the transfer of electrons from the enzyme to the external circuit. Can be. In particular, the surface structure of the electrode plays a decisive role in the ability of electrons to move from the enzyme to the electrode body. Therefore, the surface structure of the BFC electrode should have a high active surface area and at the same time have a high conduction property to provide efficient current flow. Therefore, development efforts are active. In addition, the development of flexible and highly active electrodes can extend BFCs to implantable or portable devices (T. Miyake, S. Yoshino, T. Yamada, K. Hata, M. Nishizawa, Self- regulating enzyme-nanotube ensemble films and their application as flexible electrodes for biofuel cells., Journal of the American Chemical Society.133 (2011) 5129-34.).

이를 달성하기 위하여, 종래기술로서 바이스크롤링(biscrolling) 공정을 통해 제조된 다목적 섬유가 BFC를 포함한 에너지 분야의 전극 물질로 응용 가능하도록 하는 기술이 개시된 바 있다(M.D. Lima, S. Fang, X. Lepro, C. Lewis, R. Ovalle-Robles, J. Carretero-Gonzㅱlez, et al., Biscrolling nanotube sheets and functional guests into yarns., Science. 331 (2011) 51-5.). 상기 기술은 큰 표면적 영역을 갖는 다중층 탄소나노튜브(Multi-walled carbon nanotube, 이하 MWNT) 멤브레인과 기능적으로 설계된 나노물질, 그리고 이들을 함께 꼬아-방적함으로써(twist-spinning) 고활성의 MWNT-나노물질 혼성체 섬유를 제조하는 방법을 개시한다. 상기 "꼬는" 공정은 MWNT-나노물질에 압축응력을 부여하여 이들을 밀착시키며, 이로써 제조된 섬유는 전극물질로서의 전하포집능력, 그리고 내구성의 향상을 기대할 수 있다고 알려졌다. 그러나 이러한 장점에도 불구하고, 상기 기술은 생체환경에서 즉각적인 응용이 불가능하다. 이는 소수성의 MNWT에 수용액 환경에서 조작이 가능한 생체 재료가 작동이 가능한 정도로 침습되지 않기 때문으로(M. Zhang, S. Fang, A. a Zakhidov, S.B. Lee, A.E. Aliev, C.D. Williams, et al., Strong, transparent, multifunctional, carbon nanotube sheets., Science. 309 (2005) 1215-9.), 상기 기술에 따라 제조된 섬유의 이러한 한계점은 BFC로의 적용에 있어 치명적인 결점이다.In order to achieve this, as a prior art, a technique has been disclosed in which a multipurpose fiber manufactured through a biscrolling process can be applied as an electrode material in the energy field including BFC (MD Lima, S. Fang, X. Lepro). , C. Lewis, R. Ovalle-Robles, J. Carretero-Gonz ㅱ lez, et al., Biscrolling nanotube sheets and functional guests into yarns., Science.331 (2011) 51-5.). The technique uses a multi-walled carbon nanotube (MWNT) membrane with a large surface area, functionally designed nanomaterials, and highly active MWNT-nanomaterials by twist-spinning them together. A method of making hybrid fibers is disclosed. The "twisting" process imparts compressive stress to the MWNT-nanomaterials to bring them into close contact, and the fibers thus produced are expected to improve the charge trapping capacity and durability as electrode materials. Despite these advantages, however, the technique is not readily available in the biological environment. This is because biomaterials that can be manipulated in an aqueous solution environment are not invasive to hydrophobic MNWTs (M. Zhang, S. Fang, A. a Zakhidov, SB Lee, AE Aliev, CD Williams, et al., Strong, transparent, multifunctional, carbon nanotube sheets., Science.309 (2005) 1215-9.), This limitation of fibers made according to the above technique is a fatal flaw in its application to BFC.

상기의 한계점은 서술된 기술만의 것은 아니다. 현재까지 개발된 BFC용 전극물질은 생체 환경에서의 적용성, 내구성, 친수성, 유연성, 고활성을 모두 만족시키지는 못하며, 이를 개선하여 BFC 분야의 기술을 전진시키기 위한 개발의 노력이 활발하게 경주되고 있다.The above limitations are not the only techniques described. The electrode materials for BFC developed to date do not satisfy all of applicability, durability, hydrophilicity, flexibility, and high activity in the biological environment, and efforts to develop them to improve the technology in the field of BFC are being actively made. .

본 발명이 해결하고자 하는 첫 번째 과제는, 생체 환경에서 용이하게 적용이 가능하면서도, 기계적 강도가 우수하고, 전극 성능이 뛰어난 미세상의 전극 섬유를 제공하는 것이다.The first problem to be solved by the present invention is to provide a fine-phase electrode fibers that can be easily applied in a living environment, excellent mechanical strength and excellent electrode performance.

본 발명이 해결하고자 하는 두 번째 과제는, 상기 전극 섬유의 제조방법을 제공하는 것이다.The second object of the present invention is to provide a method for producing the electrode fiber.

본 발명이 해결하고자 하는 세 번째 과제는, 상기 전극 섬유를 포함함으로써 생체 작동능을 보유함과 동시에, 흡착된 촉매의 우수한 효율을 나타내는 전극 직물을 제공하는 것이다.The third problem to be solved by the present invention is to provide an electrode fabric exhibiting excellent efficiency of the adsorbed catalyst while retaining the bio-operational ability by including the electrode fibers.

본 발명이 해결하고자 하는 네 번째 과제는, 상기 전극 섬유를 포함함으로써 용이한 소형화가 가능하고, 생체 작동능을 보유함과 동시에, 우수한 발전 효율을 나타내는 생체연료전지를 제공하는 것이다.The fourth problem to be solved by the present invention is to provide a biofuel cell which can be easily downsized by including the electrode fibers, retains bio-operational capability and exhibits excellent power generation efficiency.

본 발명이 해결하고자 하는 다섯 번째 과제는, 상기 전극 섬유를 포함함으로써 용이한 소형화가 가능하고, 생체 작동능을 보유함과 동시에, 우수한 기기 성능을 나타내는 주사바늘, 카테터, 스텐트 등 이식 가능한 형태의 BFC 및 생체전극을 제공하는 것이다.The fifth problem to be solved by the present invention is the implantable form of BFC, such as a needle, catheter, stent, etc., which can be easily downsized by including the electrode fibers, retaining the bio-operational performance and excellent device performance And to provide a bioelectrode.

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여,In order to solve the above problems,

전도성 고분자가 코팅된 탄소나노튜브 시트 및 상기 탄소나노튜브 시트에 흡착된 기능성 입자를 포함하고, 다층 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전극 섬유를 제공한다.Provided is an electrode fiber comprising a carbon nanotube sheet coated with a conductive polymer and functional particles adsorbed on the carbon nanotube sheet, and having a multilayer structure.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 전극 섬유는 상기 탄소나노튜브 시트를 꼬아서 제조한 실 형태일 수 있으며, 상기 탄소나노튜브 시트가 실 형태로 꼬이는 과정에서 상기 다층구조가 형성될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the electrode fiber may be in the form of a yarn prepared by twisting the carbon nanotube sheet, the multi-layer structure may be formed in the process of twisting the carbon nanotube sheet in the form of a yarn.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 전도성 고분자는 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜), 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리에틸렌 및 폴리티오펜 중에서 선택될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the conductive polymer may be selected from poly (3,4-ethylenedioxythiophene), polyaniline, polypyrrole, polyethylene, and polythiophene.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 흡착된 기능성 입자는 글루코오스 산화효소 및 빌리루빈 산화효소와 같은 산화환원이 가능한 효소 중에서 선택되는 것을 특징으로 한다.According to one embodiment of the present invention, the adsorbed functional particles are selected from enzymes capable of redox, such as glucose oxidase and bilirubin oxidase.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 전극 섬유는 오스뮴(Os) 기반의 산화환원 전자매개체(redox mediator)를 더 포함할 수 있으며, 상기 산화환원 전자매개체는 (폴리(N-비닐이미다졸)-[Os(4,4'-다이메톡시-2,2'-바이피리딘)2Cl])+/2+ 및 (폴리(아크릴산)-폴리(N-비닐이미다졸)-[Os(4,4'-다이클로로-2,2'-바이피리딘)2Cl])+/2+ 중에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the electrode fiber may further include an osmium (Os) -based redox mediator, and the redox mediator may be (poly (N-vinylimidazole) -[Os (4,4'-dimethoxy-2,2'-bipyridine) 2 Cl]) + / 2 + and (poly (acrylic acid) -poly (N-vinylimidazole)-[Os (4 , 4'-dichloro-2,2'-bipyridine) 2 Cl]) + / 2 + .

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 전극 섬유는 산화 전극 및 환원 전극을 일체형으로 동시에 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the electrode fiber may simultaneously include an oxidation electrode and a reduction electrode in one piece.

또한, 본 발명은 상기 전극 섬유를 애노드 전극, 캐소드 전극 또는 애노드/캐소드 일체형 전극으로 포함하는 생체연료전지 또는 주사바늘, 카테터, 스텐트 등의 이식가능한 형태의 생체전극을 제공한다.The present invention also provides a biofuel cell or implantable form of bioelectrode, such as a needle, catheter, or stent, including the electrode fiber as an anode electrode, a cathode electrode, or an anode / cathode integrated electrode.

또한, 본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여,Further, in order to solve the above problems,

a) 탄소나노튜브 시트를 준비하고, 상기 탄소나노튜브 시트에 전도성 고분자를 코팅하는 단계,a) preparing a carbon nanotube sheet, and coating a conductive polymer on the carbon nanotube sheet,

b) 상기 전도성 고분자가 코팅된 탄소나노튜브 시트를 효소, 산화환원 전자매개체 및 가교제를 포함하는 혼합 용액에 담지 후 효소와 산화환원 전자매개체를 탄소나노튜브 시트에 흡착시키는 단계 및b) immersing the carbon nanotube sheet coated with the conductive polymer in a mixed solution containing an enzyme, a redox electron mediator and a crosslinking agent, and then adsorbing the enzyme and the redox electronic mediator on the carbon nanotube sheet;

c) 상기 탄소나노튜브 시트를 꼬아서(twist) 다층 구조의 전극 섬유를 제조하는 단계를 포함하는 전극 섬유의 제조방법을 제공한다.c) twisting the carbon nanotube sheet (twist) to provide an electrode fiber manufacturing method comprising the step of producing an electrode fiber of a multi-layer structure.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 a) 단계는 준비된 탄소나노튜브 시트는 탄소나노튜브 에어로젤 시트에서 알코올을 증발시켜 형성한 고밀도 탄소나노튜브 시트일 수 있으며,According to an embodiment of the present invention, the step a) may be a prepared carbon nanotube sheet is a high-density carbon nanotube sheet formed by evaporating the alcohol in the carbon nanotube airgel sheet,

상기 전도성 고분자는 증기상 중합법(vapor-phase polymerization)을 통해서 탄소나노튜브 시트에 코팅된 것일 수 있다.The conductive polymer may be coated on a carbon nanotube sheet through vapor-phase polymerization.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 전도성 고분자는 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜), 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리에틸렌 및 폴리티오펜 중에서 선택되는 것일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the conductive polymer may be selected from poly (3,4-ethylenedioxythiophene), polyaniline, polypyrrole, polyethylene and polythiophene.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 b) 단계의 혼합용액은 글루코오스 산화효소 및 빌리루빈(bilirubin) 산화효소 중에서 선택되는 1종 이상의 효소와, (폴리(N-비닐이미다졸)-[Os(4,4'-다이메톡시-2,2'-바이피리딘)2Cl])+/2+ 및 (폴리(아크릴산)-폴리(N-비닐이미다졸)-[Os(4,4'-다이클로로-2,2'-바이피리딘)2Cl])+/2+ 중에서 선택되는 1종 이상의 산화환원 전자매개체와, 폴리(에틸렌 글리콜)다이글리시딜에테르 가교제를 포함하는 것일 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the mixed solution of step b) is one or more enzymes selected from glucose oxidase and bilirubin (bilirubin) oxidase, and (poly (N-vinylimidazole)-[Os ( 4,4'-dimethoxy-2,2'-bipyridine) 2 Cl]) + / 2 + and (poly (acrylic acid) -poly (N-vinylimidazole)-[Os (4,4'- Dichloro-2,2'-bipyridine) 2 Cl]) + / 2 + may be one containing a redox electron mediator and a poly (ethylene glycol) diglycidyl ether crosslinking agent.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 c) 단계는 상기 탄소나노튜브 시트를 꼬아서(twist) 실 형태로 제조하고, 실 형태로 꼬이는 과정에서 다층 구조가 형성되는 것일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the step c) may be to form the yarn by twisting the carbon nanotube sheet (twist), the multi-layer structure may be formed in the process of twisting in the yarn form.

본 발명에 따른 전극 섬유는 수용성 재료의 흡착이 용이하면서도, 기계적 강도가 우수하고, 전극 성능이 뛰어나며, 따라서 직물 등 여러 형태로의 가공이 가능함으로 주사바늘, 카테터, 스텐트를 포함한 다양한 의료용 기기에 내장 가능하며, 이를 이용해 생체연료전지 및 생체전극을 포함하는 다양한 의료용 기기 또는 매체로 응용될 경우 탁월한 성능적 개선을 이끌어낼 수 있다.Electrode fiber according to the present invention is easy to adsorb a water-soluble material, excellent mechanical strength, excellent electrode performance, and thus can be processed into various forms, such as fabric, embedded in a variety of medical devices, including needles, catheters, stents This can lead to excellent performance improvement when applied to various medical devices or media including biofuel cells and bioelectrodes.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 섬유에 포함되는 산화환원 전자매개체의 구조(a, b) 및 전기활성도(c, d)를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 섬유의 개념도(a, f), 표면의 주사전자현미경 이미지(b, c), 단면의 주사전자현미경 이미지(d, e)이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 섬유의 기계적 강도를 측정하여 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 섬유 중, 산화환원 전자매개체 대비 효소의 함량비율에 따라 전극 섬유가 나타내는 전류밀도의 변화를 측정한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전극 섬유가, 버퍼 용액 중 글루코오스의 함량비율 또는 포화기체 종류에 따라 나타내는 각 전극의 전류밀도 또는 출력밀도의 변화를 측정한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 섬유의 제조공정 중, 전도성고분자로 탄소나노튜브를 코팅한 후, 효소, 산화환원 전자매개체, 그리고 가교제의 흡착 전후의 탄소나노튜브 표면 주사전자현미경 이미지이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 섬유를 포함하여 제조된 BFC가, 시간의 흐름에 따라서 나타내는 출력밀도의 변화를 측정한 그래프(a), 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 섬유로써 직조된 전극 직물이 출력하는 전력 및 전압을 직렬연결 구조와 비교하여 측정한 그래프(b), 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 섬유를 포함하는 이중나선 타입 BFC의 예시적 개념도(c), 및 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 섬유로써 직조된 전극 직물의 이미지(d)이다.
1 is a view showing the structure (a, b) and the electrical activity (c, d) of the redox electron media contained in the electrode fiber according to an embodiment of the present invention.
2 is a conceptual diagram (a, f) of the electrode fiber according to an embodiment of the present invention, scanning electron microscope images (b, c) of the surface, scanning electron microscope images (d, e) of the cross section.
Figure 3 is a graph showing the measurement of the mechanical strength of the electrode fiber according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 is a graph measuring the change in the current density represented by the electrode fiber according to the content ratio of the enzyme to the redox electron media in the electrode fiber according to an embodiment of the present invention.
5 is a graph in which the electrode fiber according to the embodiment of the present invention measures the change in current density or output density of each electrode according to the content of glucose in the buffer solution or the type of saturated gas.
Figure 6 is a carbon nanotube surface scanning electron microscope image before and after the adsorption of the enzyme, the redox electron media, and the crosslinking agent after coating the carbon nanotubes with the conductive polymer during the manufacturing process of the electrode fiber according to an embodiment of the present invention to be.
7 is a graph (a) of measuring a change in output density exhibited over time by a BFC prepared by using an electrode fiber according to an embodiment of the present invention, as an electrode fiber according to an embodiment of the present invention. Graph (b) measured by comparing the power and voltage output from the woven electrode fabric with a series connection structure, an exemplary conceptual diagram (c) of a double helix type BFC comprising an electrode fiber according to an embodiment of the present invention, and Image (d) of an electrode fabric woven with electrode fibers according to one embodiment of the invention.

본 발명에 따른 전극 섬유는 기계적 강도가 우수하고, 친수성의 표면을 구비하여 수용성 재료의 흡착효과가 높으며, 생체 환경에서도 활성도가 높아, 출력하는 전류밀도를 비롯한 전극으로서의 성능이 매우 우수하다.The electrode fiber according to the present invention has excellent mechanical strength, has a hydrophilic surface, high adsorption effect of a water-soluble material, high activity in a living environment, and excellent performance as an electrode including a current density to output.

이하, 본 발명에 따른 전극 섬유의 구성적 특징을 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, the structural features of the electrode fiber according to the present invention will be described in detail.

본 발명의 전극 섬유는, 탄소나노튜브, 상기 탄소나노튜브에 코팅된 전도성 고분자와, 이에 고정된 효소를 포함하는 전극 섬유로서, 상기 탄소나노튜브 시트를 꼬아서 제조한 실 형태인 것을 특징으로 하고, 특히 실 형태로 꼬이는 과정에서 다층 구조(layer-by-layer)가 형성되어 다층 구조로 이루어진 것을 특징으로 한다.The electrode fiber of the present invention is an electrode fiber comprising carbon nanotubes, conductive polymers coated on the carbon nanotubes, and enzymes fixed thereto, wherein the electrode fibers are formed by twisting the carbon nanotube sheets. In particular, a multi-layer structure (layer-by-layer) is formed in the process of twisting into a thread form, characterized in that consisting of a multi-layer structure.

바람직한 구현예에 의하면, 상기 탄소나노튜브 시트가 1 내지 6000 꼬임수(twist)/m로 꼬아지면서 다층 구조가 형성될 수 있다.According to a preferred embodiment, the carbon nanotube sheet is twisted at 1 to 6000 twist / m can be formed in a multi-layer structure.

상기 탄소나노튜브 시트는 본 발명에 따른 전극 섬유의 기본적인 몸체를 구성하는 부분으로서, 이후에 설명될 각종 포함 요소들을 담지하는 한편, 다공성 및 다중층의 구조를 포함하여 전극 섬유의 활성표면적을 넓히고, 따라서 담지된 포함요소들의 활성을 더욱 우수하게 만드는 역할을 한다.The carbon nanotube sheet is a part constituting the basic body of the electrode fiber according to the present invention, while supporting a variety of containing elements to be described later, including the porous and multilayer structure to increase the active surface area of the electrode fiber, Therefore, it plays a role in making the supported elements more active.

따라서, 탄소나노튜브 뿐만 아니라 상기의 특징을 제공하는 탄소 소재의 담체라면 제한없이 선택되어 이용할 수 있으나, 본 발명을 구현 또는 재현을 위해서는 바람직하게 탄소나노튜브를 이용할 수 있고, 더욱 바람직하게는 탄소나노튜브 숲(multi-layered carbon nanotube forest)으로부터 만들어진 탄소나노튜브 에어로졸 시트(multi-layered carbon nanotube aerosol sheet)를 이용할 수 있다.Therefore, any carbon carrier as well as carbon nanotubes that provide the above characteristics can be selected and used without limitation, but in order to implement or reproduce the present invention, preferably carbon nanotubes are used, and more preferably carbon nanotubes. Multi-layered carbon nanotube aerosol sheets made from multi-layered carbon nanotube forests can be used.

상기 전도성 고분자는 본래적으로 소수성의 표면을 갖는 상기 탄소나노튜브 시트에 코팅되어 친수성의 표면을 제공하는 것을 목적으로 한다. 이러한 전도성 고분자의 소재로서는, 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜), 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리에틸렌 및 폴리티오펜으로 이루어지는 군으로부터 선택된 한 가지 이상일 수 있고, 더욱 바람직하게는 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(이하, 'PEDOT'이라 한다.)일 수 있다. PEDOT은 친수성 폴리머인 전도성 고분자로서 높은 전기전도도와 투명도를 나타내는 한편, 플렉서블하여 섬유와 같이 고강도가 요구되는 분야로의 응용이 용이하다.The conductive polymer is originally coated on the carbon nanotube sheet having a hydrophobic surface to provide a hydrophilic surface. The conductive polymer may be at least one selected from the group consisting of poly (3,4-ethylenedioxythiophene), polyaniline, polypyrrole, polyethylene, and polythiophene, and more preferably poly (3,4-ethylene Deoxythiophene) (hereinafter referred to as 'PEDOT'). PEDOT is a conductive polymer that is a hydrophilic polymer, exhibits high electrical conductivity and transparency, and is flexible and easy to be applied to fields requiring high strength such as fibers.

또한 상기 효소는 연료 등으로 목적된 물질의 산화를 촉진하여 전자를 발생시키는 촉매 물질로서, 적합한 촉매능을 갖는 글루코오스 산화효소 및 빌리루빈(bilirubin) 산화효소 중에서 선택된 한 가지 이상의 효소일 수 있고, 더욱 바람직하게는 생체연료전지용 애노드 전극을 위해 글루코오스 산화효소를 포함하거나, 생체연료전지용 캐소드 전극을 위해 빌리루빈 산화효소를 포함할 수 있고, 일체형 전극 형성을 위하여 모두 포함할 수 있다.In addition, the enzyme is a catalyst material that generates electrons by promoting oxidation of a target substance as a fuel, and the like, and may be one or more enzymes selected from glucose oxidase and bilirubin oxidase having suitable catalytic ability, and more preferably. Preferably, it may include glucose oxidase for the anode electrode for the biofuel cell, or bilirubin oxidase for the cathode electrode for the biofuel cell, and may include all for forming an integrated electrode.

실시예에서 후술하겠지만, 본 발명자들은 상기 애노드 및 캐소드의 조합을 선택하여, 글루코오스를 연료물질로 사용하는 생체연료전지에 적용하였을 경우 최적화된 효율을 나타냄을 확인한 바 있다.As will be described later in the Examples, the present inventors have selected that the combination of the anode and the cathode, it was confirmed that when applied to a biofuel cell using glucose as a fuel material shows an optimized efficiency.

본 발명에 따른 전극 섬유는 (폴리(N-비닐이미다졸)-[Os(4,4'-다이메톡시-2,2'-바이피리딘)2Cl])+/2+ 및 (폴리(아크릴산)-폴리(N-비닐이미다졸)-[Os(4,4'-다이클로로-2,2'-바이피리딘)2Cl])+/2+ 중에서 선택된 한 가지 이상의 산화환원 전자매개체(redox mediator)를 더 포함할 수 있다.The electrode fibers according to the invention are (poly (N-vinylimidazole)-[Os (4,4'-dimethoxy-2,2'-bipyridine) 2 Cl]) + / 2 + and (poly ( At least one redox electron mediator selected from acrylic acid) -poly (N-vinylimidazole)-[Os (4,4'-dichloro-2,2'-bipyridine) 2 Cl]) + / 2 + redox mediator) may be further included.

산화환원 전자매개체를 포함시킴으로써 전극 섬유 중 전자 또는 전하의 이동을 더욱 용이하게 할 수 있으며, 이러한 포함은 결과적으로 전극으로서의 성능 향상이라는 결과를 가져온다. 산화환원 전자매개체로서는 전자 또는 전하를 용이하게 이동시키면서도 물질의 이동 역시 방해하지 않는 물질이 선택되어야 하며, 바람직하게는 오스뮴(Os) 기반의 물질이 선택될 수 있고, 더욱 바람직하게는 애노드용 산화환원 전자매개체로서 (폴리(N-비닐이미다졸)-[Os(4,4'-다이메톡시-2,2'-바이피리딘)2Cl])+/2+를, 캐소드용 산화환원 전자매개체로서 (폴리(아크릴산)-폴리(N-비닐이미다졸)-[Os(4,4'-다이클로로-2,2'-바이피리딘)2Cl])+/2+를 선택하여 적용할 수 있다.The inclusion of redox electron mediators can facilitate the transfer of electrons or charges in the electrode fibers, which in turn results in improved performance as electrodes. As the redox electron mediator, a material that easily moves electrons or charges but does not interfere with the movement of materials should be selected. Preferably, an osmium (Os) -based material may be selected, and more preferably, a redox for anode As the electron mediator, (poly (N-vinylimidazole)-[Os (4,4'-dimethoxy-2,2'-bipyridine) 2 Cl]) + / 2 + is a redox electron mediator for cathode Can be applied by selecting (poly (acrylic acid) -poly (N-vinylimidazole)-[Os (4,4'-dichloro-2,2'-bipyridine) 2 Cl]) + / 2 + as have.

실시예에서 후술하겠지만, 본 발명자들은 이들 애노드 또는 캐소드용 산화환원 전자매개체의 조합을 선택하여 생체연료전지에 적용하였을 경우 최적화된 효율을 나타냄을 확인한 바 있다.As will be described later in the Examples, the inventors have found that the combination of these anode or cathode redox electron mediators exhibits optimized efficiency when applied to biofuel cells.

또한, 본 발명에 따른 전극 섬유는 폴리(에틸렌 글리콜)다이글리시딜 에테르와 같은 가교제(cross-linker)를 더 포함할 수도 있다. 이러한 가교제를 포함시킴으로써 상기 탄소나노튜브 시트, 전도성 고분자, 산화환원 전자매개체 또는 효소 사이를 더욱 견고하게 결합시킬 수 있으며, 물질 또는 전자의 이동을 방해하지 않으면서도 이러한 역할을 수행할 수 있는 것이면 제한 없이 선택될 수 있으나, 바람직하게는 폴리(에틸렌 글리콜)다이글리시딜 에테르가 선택될 수 있다.In addition, the electrode fibers according to the invention may further comprise a cross-linker such as poly (ethylene glycol) diglycidyl ether. By including such a crosslinking agent, the carbon nanotube sheet, the conductive polymer, the redox electron media or the enzyme can be more firmly bonded, and without limitation, as long as it can perform such a role without interfering with the movement of materials or electrons. It may be selected, but preferably poly (ethylene glycol) diglycidyl ether may be selected.

본 발명에 따른 전극 섬유는, 꼬인 형상(twisted structure)을 나타낸다. 후술할 제조공정에서 설명하겠지만, 효소, 전도성 고분자, 산화환원 전자매개체 또는 가교제 등의 물질들이 흡착된 탄소나노튜브 시트에 꼬는 공정(twisting-method)을 부여함으로써 본 발명에 따른 전극 섬유는 1 내지 6000 꼬임수(twist)/m를 나타내는 섬유상으로 형성된다.The electrode fiber according to the present invention exhibits a twisted structure. As will be described later in the manufacturing process, the electrode fibers according to the present invention by providing a twisting-method to the carbon nanotube sheet adsorbed such as enzymes, conductive polymers, redox electron media or crosslinking agents 1 to 6000 It is formed into a fibrous form that exhibits twist / m.

이러한 꼬임 구조로 인하여, 본 발명에 따른 전극 섬유에 포함되는 탄소나노튜브 시트, 효소, 전도성 고분자, 산화환원 전자매개체 또는 가교제 등의 물질들 사이에는 압축 응력(compression)이 부여되고, 이로써 각 물질들은 물리적으로 더욱 밀착하여 전하, 전자 또는 물질의 이동을 더욱 용이하게 하며, 동시에 전극 섬유는 다중층과 다공성 구조를 획득하게 된다. 이러한 특이적 구조는 본 발명에 따른 전극 섬유를 기계적으로 더욱 견고하게 만들고, 활성표면적을 확장시키며, 전자, 전하 또는 물질의 이동을 더욱 용이하게 하여 전극 또는 촉매 활성을 현저하게 향상시킨다.Due to this twisted structure, a compressive stress is imparted between materials such as carbon nanotube sheets, enzymes, conductive polymers, redox electron media or crosslinking agents included in the electrode fibers according to the present invention. It is more physically in close contact to facilitate the transfer of charge, electrons or materials, while at the same time the electrode fibers acquire multiple layers and porous structures. This specific structure makes the electrode fibers according to the invention mechanically more robust, expands the active surface area, and facilitates the movement of electrons, charges or materials, thereby significantly improving electrode or catalytic activity.

이하, 본 발명에 따른 전극 섬유를 제조하는 방법을 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, a method of manufacturing the electrode fiber according to the present invention will be described in detail.

본 발명에 따른 전극 섬유의 제조방법은 하기의 단계를 포함한다.The method for producing an electrode fiber according to the present invention includes the following steps.

a) 탄소나노튜브 시트를 준비하고, 상기 탄소나노튜브 시트에 전도성 고분자를 코팅하는 단계,a) preparing a carbon nanotube sheet, and coating a conductive polymer on the carbon nanotube sheet,

b) 상기 전도성 고분자가 코팅된 탄소나노튜브 시트를 효소, 산화환원 전자매개체 및 가교제를 포함하는 혼합 용액에 담지 후 효소와 산화환원 전자매개체를 탄소나노튜브 시트에 흡착시키는 단계,b) immersing the carbon nanotube sheet coated with the conductive polymer in a mixed solution containing an enzyme, a redox electron mediator and a crosslinking agent, and then adsorbing the enzyme and the redox electronic media on the carbon nanotube sheet;

c) 상기 탄소나노튜브 시트를 꼬아서(twist) 다층 구조의 전극 섬유를 제조하는 단계.c) twisting the carbon nanotube sheet to produce electrode fibers having a multilayer structure.

먼저 a) 단계로서, 본 발명에 따른 전극 섬유의 지지체로 사용될 탄소나노튜브 시트를 제조한다. 평면 또는 다중층 평면 형상의 다공성 탄소나노튜브 시트를 직접 구매할 수도 있으나, 탄소나노튜브 숲으로부터 뽑아내는(drawing) 방법에 의해 탄소나노튜브 에어로겔 시트를 제조하는 것이 바람직하다. 이렇게 형성된 탄소나노튜브 에어로겔 시트는 평면상의 구조를 가지면서도, 탄소나노튜브 단위섬유 사이에 빈 공간을 포함하고, 전극 등으로 사용되었을 경우 표면적 향상 효과가 더욱 우수해지기 때문이다.First, as a step, to prepare a carbon nanotube sheet to be used as a support of the electrode fiber according to the present invention. Although it is possible to purchase a planar or multilayer planar porous carbon nanotube sheet directly, it is preferable to prepare a carbon nanotube aerogel sheet by drawing from a carbon nanotube forest. The carbon nanotube airgel sheet thus formed has a planar structure and includes an empty space between the carbon nanotube unit fibers, and when used as an electrode, the surface area improvement effect is further improved.

다음으로 상기 탄소나노튜브 시트에 전도성 고분자를 코팅함으로써 표면에 친수성을 부여한다. 탄소나노튜브는 기본적으로 40 내지 80 mN/m의 표면장력을 갖는 소수성의 물질로서, 이를 그대로 생체연료전지의 전극재료로 활용할 경우에는 작동이 가능한 만큼의 젖음성을 지닐 수 없다. 따라서 본 발명에서는 친수성의 표면을 부여할 수 있는 폴리머를 탄소나노튜브 시트 표면에 코팅한다. 이를 위한 구체적인 공정으로서는, 예컨대, 기상중합법(vapor-phase polymerization)을 이용하여, 전도성 고분자를 코팅할 수 있다.Next, the surface of the carbon nanotube is coated with a conductive polymer to impart hydrophilicity to the surface. Carbon nanotubes are basically hydrophobic materials having a surface tension of 40 to 80 mN / m, and when used as an electrode material of a biofuel cell, they cannot have wettability as much as possible to operate. Therefore, in the present invention, a polymer capable of imparting a hydrophilic surface is coated on the surface of the carbon nanotube sheet. As a specific process for this, it is possible to coat the conductive polymer, for example by using a vapor-phase polymerization (vapor-phase polymerization).

다만, 상기 기상중합법을 제외한 공정을 거쳐서라도 상기의 목적이 달성될 수 있다면, 본 발명은 이러한 코팅 방법에 의해서 한정되지는 않는다.However, if the above object can be achieved even through the process except the vapor phase polymerization method, the present invention is not limited by this coating method.

다음 b) 단계로서, 상기 코팅된 탄소나노튜브 시트에 효소, 산화환원 전자매개체 또는 가교제의 혼합 용액에 일정 시간 담가 이들 물질을 흡착시키는 단계를 수행한다. 이들 물질의 선택에 관련한 사항은 본 발명의 구성을 설명한 부분에서 전술된 것으로 갈음하기로 하며, 본 발명을 재현 또는 구현하려는 당업자는 이들을 적절하게 선택 또는 조합하여 혼합한 용액을 사용할 수 있다.Next, as a step b), the step of adsorbing these substances by immersing the coated carbon nanotube sheet in a mixed solution of an enzyme, a redox electron mediator, or a crosslinking agent for a predetermined time. Matters relating to the selection of these materials will be replaced with those described above in the description of the construction of the present invention, and those skilled in the art to reproduce or implement the present invention may use a solution in which these are appropriately selected or mixed.

바람직한 일 구현예로서, 41 중량%의 GOx(글루코오스 산화효소), 52 중량%의 (폴리(N-비닐이미다졸)-[Os(4,4'-다이메톡시-2,2'-바이피리딘)2Cl])+/2+(산화환원 전자매개체) 및 7 중량%의 폴리(에틸렌 글리콜)다이글리시딜 에테르(가교제)를 포함하는 애노드용 혼합 용액을 제조할 수 있고, 또 다른 구현예로서, 41 중량%의 BOD(빌리루빈 산화효소), 53 중량%의 (폴리(아크릴산)-폴리(N-비닐이미다졸)-[Os(4,4'-다이클로로-2,2'-바이피리딘)2Cl])+/2+(산화환원 전자매개체) 및 5 중량%의 폴리(에틸렌 글리콜)다이글리시딜 에테르(가교제)를 포함하는 캐소드용 혼합 용액을 제조할 수 있다.In a preferred embodiment, 41% by weight of GOx (glucose oxidase), 52% by weight of (poly (N-vinylimidazole)-[Os (4,4'-dimethoxy-2,2'-bi Pyridine) 2 Cl]) + / 2 + (redox electron mediator) and 7% by weight of poly (ethylene glycol) diglycidyl ether (crosslinking agent) can be prepared and another embodiment For example, 41 wt% BOD (bilirubin oxidase), 53 wt% (poly (acrylic acid) -poly (N-vinylimidazole)-[Os (4,4'-dichloro-2,2'- Bipyridine) 2 Cl]) + / 2 + (redox electron mediator) and 5% by weight of poly (ethylene glycol) diglycidyl ether (crosslinker) can be prepared for a cathode mixed solution.

이들 용액에 상기 전도성 고분자가 코팅된 탄소나노튜브 시트를 담가 일정 시간 흡착시킨다. 본 발명은 탄소나노튜브 시트를 용액에 담가놓는 시간을 비롯한 추가적인 환경에 의해 한정되지는 아니하나, 물질들이 충분히 흡착될만한 시간 및 온도환경, 바람직하게는 12 내지 36 시간 동안 0 내지 10 ℃에서 이루어질 수 있다.The carbon nanotube sheet coated with the conductive polymer is immersed in these solutions for a certain time. The invention is not limited by additional circumstances, including the time of immersing the carbon nanotube sheet in solution, but may be made at 0 to 10 ° C. for a time and temperature environment, preferably 12 to 36 hours, at which the materials will be sufficiently adsorbed. have.

다음 c) 단계로서, 상기 b) 단계의 물질들이 흡착된 탄소나노튜브 시트를 꼬아서(twist) 다중층 구조의 전극 섬유를 제조한다. 이러한 공정은 상기 탄소나노튜브 시트 양 말단을 서로 반대의 방향으로 회전시켜 이루어질 수도 있고, 양 말단을 고정시키되, 반대쪽 말단만을 회전시켜 이루어질 수도 있다. 즉, 상기 탄소나노튜브 시트에 뒤틀림(twist)을 부여할 수 있는 것이라면 제한없이 사용 가능하며, 본 발명은 이를 구현하기 위한 공정이나 기기에 의해서 한정되지는 않는다. 이러한 꼬임 공정을 통해서, 전술한 본 발명의 특징적 요소들(압축 응력(compression), 물질들의 밀착, 전자 또는 물질의 이동도 향상, 또는 다중층과 다공성 구조)을 구현할 수 있는 정도라면 제한되지는 않으나, 전극 섬유의 꼬임 공정은 1 내지 6000 꼬임수/m를 형성할 때까지 이루어질 수 있다.Next, as step c), twisting the carbon nanotube sheet to which the materials of step b) are adsorbed to produce electrode fibers having a multilayer structure. Such a process may be achieved by rotating both ends of the carbon nanotube sheet in opposite directions, or by fixing both ends, but rotating only the opposite ends. That is, as long as it can impart twist to the carbon nanotube sheet, it can be used without limitation, and the present invention is not limited by the process or device for implementing the same. This twisting process is not limited so long as it is possible to realize the above-mentioned characteristic elements of the present invention (compression stress, adhesion of materials, improvement of electron or material mobility, or multilayer and porous structure). The twisting process of the electrode fibers can be made until forming 1 to 6000 twists / m.

그 이후의 공정으로서, 상기 제조된 전극 섬유를 충분한 시간을 들여 양생시킴으로써 형성된 구조를 고정시키는 단계를 더 포함할 수도 있는데, 이는 바람직하게는 0 내지 10 ℃의 환경에서 24 내지 60 시간 동안, 더욱 바람직하게는 4 ℃의 환경에서 48 시간 동안 이루어질 수 있다.Thereafter, the method may further include the step of fixing the structure formed by curing the prepared electrode fibers in sufficient time, preferably for 24 to 60 hours in an environment of 0 to 10 ° C. Preferably for 48 hours in an environment at 4 ° C.

이하, 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않는다는 것은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to preferred embodiments. It will be apparent to those skilled in the art, however, that these examples are provided to further illustrate the present invention, and the scope of the present invention is not limited thereto.

실시예Example

기재 및 사용물질Substrate and material used

애노드용 효소로서, Amano Enzyme 社로부터 구입한 aspergillus niger(219 U/mg)에서 추출한 글루코오스 산화효소(이하, GOx)를 사용하였다. GOx가 용해된 버퍼 용액은 HiTrap QFF 크로마토그래피 컬럼(GE Healthcare Bio-Sciences AB 社, 세파덱스 G-25, PD 10, 고속 단백질 액체 크로마토그래피(fast protein liquid chromatography, FPLC))을 이용하여 정제 및 탈염하였다. 캐소드용 효소로서는 myrothecium verrucaria (10.5 U/mg, Sigma Aldrich 社)로부터 유래된 빌리루빈 산화효소(이하, BOD)를 정제하지 않은 채로 사용하였다. Polysciences 社로부터 구입한 폴리(에틸렌 글리콜)다이글리시딜 에테르(PEGDGE)가 가교제로 사용되었으며, 산화환원 전자매개체로, poly(N-vinylimidazole)-[Os(4,4′-dimethoxy-2,2′-bipyridine)2Cl])+/2+을 애노드용으로, poly(N-vinylimidazole)-[Os(4,4′-dimethoxy-2,2′-bipyridine)2Cl])+/2+을 캐소드용으로 사용하였다.
As the enzyme for the anode, glucose oxidase (hereinafter referred to as GOx) extracted from aspergillus niger (219 U / mg) purchased from Amano Enzyme was used. GOx-dissolved buffer solution was purified and desalted using HiTrap QFF chromatography column (GE Healthcare Bio-Sciences AB, Sephadex G-25, PD 10, fast protein liquid chromatography (FPLC)). It was. As the cathode enzyme, bilirubin oxidase (hereinafter referred to as BOD) derived from myrothecium verrucaria (10.5 U / mg, Sigma Aldrich) was used without purification. Poly (ethylene glycol) diglycidyl ether (PEGDGE) purchased from Polysciences was used as a crosslinking agent, and as a redox electron mediator, poly (N-vinylimidazole)-[Os (4,4′-dimethoxy-2,2 ′ -Bipyridine) 2 Cl]) + / 2 + for anode, poly (N-vinylimidazole)-[Os (4,4′-dimethoxy-2,2′-bipyridine) 2 Cl]) + / 2 + Used for cathode.

효소를 포함하는 멀티-Multi-containing enzyme 스크롤된Scrolled (( multimulti -- scrolledscrolled ) 전극 섬유의 제조) Fabrication of Electrode Fiber

고체 상태의 다중층 탄소나노튜브(Multi-walled carbon nanotube, 이하 MWNT) 시트를 MWNT 숲(MWNT forest)의 일측 벽면에서 뽑아내었으며, 상기 MWNT 시트에 기상중합법(vapor-phase polymerization, VPP)을 이용하여 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(PEDOT)을 코팅하였다. 같은 공정으로 애노드용 및 캐소드용으로 총 2 개체를 만들었다.Solid-walled multi-walled carbon nanotube (MWNT) sheets were extracted from one wall of the MWNT forest, and vapor-phase polymerization (VPP) was applied to the MWNT sheets. Poly (3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) was coated. In the same process, a total of two individuals were made for the anode and the cathode.

이하, PEDOT 코팅된 MWNT 시트를 PEDOT/MWNT라 통칭한다.Hereinafter, the PEDOT coated MWNT sheet is collectively referred to as PEDOT / MWNT.

상기의 애노드 또는 캐소드용 효소, 산화환원 전자매개체 및 가교제를 혼합하여 애노드 또는 캐소드용 촉매 용액을 제조하였다. 더욱 상세하게는, 애노드용 촉매 용액은 41 중량%의 GOx, 52 중량%의 (폴리(N-비닐이미다졸)-[Os(4,4'-다이메톡시-2,2'-바이피리딘)2Cl])+/2+, 7 중량%의 폴리(에틸렌 글리콜)다이글리시딜 에테르가 혼합되어 제조되었고, 캐소드용 촉매 용액은 41 중량%의 BOD, 53 중량%의 (폴리(아크릴산)-폴리(N-비닐이미다졸)-[Os(4,4'-다이클로로-2,2'-바이피리딘)2Cl])+/2+, 가교제로는 5 중량%의 폴리(에틸렌 글리콜)다이글리시딜 에테르가 혼합되어 제조되었다. 이로써 제조된 캐소드 또는 애노드용 촉매 용액 중, 산화환원 전자매개체의 구조와 전기활성도가 도 1에 도시되어 있다(도 1a 및 도 1c: 애노드용, 도 1b 및 도 1d: 캐소드용).A catalyst solution for the anode or the cathode was prepared by mixing the enzyme for the anode or the cathode, the redox electron mediator, and the crosslinking agent. More specifically, the catalyst solution for the anode comprises 41% by weight of GOx, 52% by weight of (poly (N-vinylimidazole)-[Os (4,4'-dimethoxy-2,2'-bipyridine ) 2 Cl]) + / 2 + , 7% by weight of poly (ethylene glycol) diglycidyl ether was mixed and the catalyst solution for the cathode was 41% by weight of BOD, 53% by weight of (poly (acrylic acid) -Poly (N-vinylimidazole)-[Os (4,4'-dichloro-2,2'-bipyridine) 2 Cl]) + / 2 + , 5% by weight of poly (ethylene glycol as crosslinker Diglycidyl ether was prepared by mixing. In the catalyst solution for the cathode or anode thus prepared, the structure and electrical activity of the redox electron mediator are shown in FIG. 1 (FIGS. 1A and 1C: for anode, FIGS. 1B and 1D for cathode).

다음으로, 85 중량%의 PEDOT를 포함하는, 앞서 제조한 2 개체의 PEDOT/MWNT 시트를 각각 상기 애노드 촉매 용액 및 캐소드 촉매 용액에 담갔다. 이후, 4 ℃의 환경에서 24 시간 동안 촉매 용액 내의 물질들을 PEDOT/MWNT 시트의 양면에 균일하게 흡착시켰다.Next, two previously prepared PEDOT / MWNT sheets containing 85% by weight of PEDOT were immersed in the anode catalyst solution and the cathode catalyst solution, respectively. Thereafter, the materials in the catalyst solution were adsorbed uniformly on both sides of the PEDOT / MWNT sheet for 24 hours in an environment of 4 ° C.

다음으로, 상기 촉매 용액에 담긴 PEDOT/MWNT 시트를 저속-rpm 모터를 이용하여 50-300 rpm 범위에서 m당 6000회의 회전수를 갖는다. 회전시킴으로써 꼬임(twisted)을 부여하였으며, 이후 4 ℃의 환경에서 48 시간동안 양생하여 뒤틀림을 포함하는 섬유상의 애노드(실시예 1) 및 캐소드(실시예 2) 전극을 제조하였다. 실시예 1의 길이는 4.0 mm, 지름은 60 μm였고, 실시예 2의 길이는 4.8 mm, 지름은 50 μm였다. 실시예 1 및 실시예 2의 활성표면적은 각각 0.75 mm2인 것으로 계산되었다.
Next, the PEDOT / MWNT sheet contained in the catalyst solution has 6000 revolutions per meter in the range of 50-300 rpm using a low-rpm motor. Twisting was imparted by rotation, and then cured for 48 hours in an environment at 4 ° C. to prepare a fibrous anode (Example 1) and cathode (Example 2) electrodes including warping. The length of Example 1 was 4.0 mm, the diameter was 60 µm, the length of Example 2 was 4.8 mm, and the diameter was 50 µm. The active surface areas of Example 1 and Example 2 were calculated to be 0.75 mm 2 , respectively.

시험예Test Example

전기화학적 특성 시험을 위한 세팅Settings for Testing Electrochemical Properties

전기화학적인 특성을 시험하기 위하여, 실시예에서 제조된 전극 섬유의 일 말단을 통상의 은 페이스트(ELCOAT P-100)를 사용하여 구리 와이어에 결속시킨 뒤, 은 페이스트는 에폭시 접착제로 격리 및 건조시켰다.To test the electrochemical properties, one end of the electrode fibers prepared in the examples was bound to copper wire using a conventional silver paste (ELCOAT P-100), and the silver paste was isolated and dried with an epoxy adhesive. .

순환전압 전류법(cyclic voltametry)과 크로노암페로메트리(chronoamperometry)를 수행하기 위하여 실시예 1에 따른 애노드(작업 전극), 실시예 2에 따른 캐소드(작업 전극), Ag/AgCl 기준 전극, Pt 망을 대전극으로 포함하는 3-전극 BFC가 구성되었으며(이하, 이를 실시예 3이라 통칭한다), 이는 CHI 600B 일정 전위기에 연결되었다.Anode (working electrode) according to Example 1, cathode (working electrode) according to Example 2, Ag / AgCl reference electrode, Pt to perform cyclic voltametry and chronoamperometry A three-electrode BFC comprising a network as a counter electrode was constructed (hereinafter referred to as Example 3), which was connected to a CHI 600B constant potentiometer.

측정은 50 mL의 PBS(20 mM 포스페이트, 0.14 M NaCl, pH 7.4) 버퍼용액 환경, 37 ℃의 상온 환경에서 500 rpm 세팅으로 이루어졌다. 각각의 시험예에 따라서, 기포 발생기를 이용하여 산소와 대기 가스 각각을 PBS에 30 분간 통과시킴으로써 이들을 버퍼 용액 중에 포화시켰다.Measurements were made at a 500 rpm setting in a 50 mL PBS (20 mM phosphate, 0.14 M NaCl, pH 7.4) buffer environment, at 37 ° C. ambient temperature. According to each test example, each of oxygen and atmospheric gas was passed through PBS for 30 minutes using a bubble generator to saturate them in a buffer solution.

전기량 측정은 5 mV/s의 속도로 이루어졌다.
Electricity measurements were made at a rate of 5 mV / s.

전극 섬유의 특성 관찰Observation of the properties of electrode fibers

실시예 1 및 실시예 2의 구조는 주사전자현미경(scanning electron microscopy, SEM)을 통하여 관찰되었다. 꼬는(twisting) 공정은, 일반적으로 이중-아르키메디언 내부 스크롤 구조(dual-Archimedean internal scroll structure)를 결과한다. 도 2에 도시된 SEM 이미지는 상기 실시예들이 다공질 표면을 갖는, 뒤틀린 섬유의 형상을 갖는 것을 보여준다(도 2b, 도 2c).The structures of Examples 1 and 2 were observed through scanning electron microscopy (SEM). The twisting process generally results in a dual-Archimedean internal scroll structure. The SEM image shown in FIG. 2 shows that the embodiments have the shape of warped fibers, with a porous surface (FIGS. 2B, 2C).

도 2d 및 도 2e에는 실시예의 단면도가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 실시예는 반복적으로 적층된 다층 구조를 포함하고, 이들 레이어는 각각 PEDOT/MWNT 및 촉매 물질을 포함하며, 이러한 구조는 글루코오스와 산소를 포함하는 BFC의 연료 물질 전달을 용이하게 한다. 이러한 구조로써, 강도를 떨어뜨릴 가능성이 큰 촉매 물질을 88.1 ± 0.6 wt% 포함하면서도, 실시예의 기계적인 강도는 106.6 ± 8.2 MPa인 높은 수준으로 측정되었다(도 3).
2D and 2E show cross-sectional views of the embodiment. As shown, the embodiment includes a multi-layered structure that is repeatedly stacked, and these layers each include PEDOT / MWNT and catalytic material, which structure facilitates fuel material delivery of BFCs including glucose and oxygen. . With this structure, the mechanical strength of the example was measured at a high level of 106.6 ± 8.2 MPa, while containing 88.1 ± 0.6 wt% of the catalyst material that was likely to drop in strength (Figure 3).

애노드Anode , , 캐소드Cathode , , BFCBFC 의 성능 및 출력밀도 측정Performance and power density measurements

본 발명자들은 최적의 애노드-캐소드 성능을 이끌어내기 위한 산화환원 전자매개체와 효소의 비율을 산출해낸 바 있다. 생체연료전지로서의 성능(전류밀도)은 특히 캐소드 중 BOD 효소의 질량%에 의해 크게 영향받는다. 도 4에는, 캐소드 중 BOD의 성분비(10 내지 70 질량%)에 따른 BFC의 전류밀도 변화를 측정한 그래프가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 전류밀도는 캐소드 중 BOD의 질량%에 비례하는 양상을 보이다가, BOD가 35 내지 45 질량%에 도달하였을 경우 최고점에 이르고, 그 이상의 경우에 전류밀도는 빠르게 감소한다.The inventors have calculated the ratio of redox electron mediator and enzyme to derive optimal anode-cathode performance. The performance (current density) as a biofuel cell is particularly affected by the mass% of BOD enzyme in the cathode. 4 shows a graph of measuring the current density change of the BFC according to the component ratio (10 to 70 mass%) of the BOD in the cathode. As shown, the current density is proportional to the mass% of the BOD in the cathode, and reaches a peak when the BOD reaches 35 to 45 mass%, and the current density rapidly decreases above that point.

최적의 작동 환경을 더욱 찾아내기 위하여, 버퍼용액 환경을 변인으로 설정하고 전류밀도를 측정하였다. 애노드의 연료인 글루코오스 함량이 증가(0 내지 60 mM)할수록, 애노드인 실시예 1의 전류밀도는 25.3 mA/cm2까지 증가한다(도 5a). 60 mM 이상의 경우에서 더 이상의 전류밀도 증가는 관찰되지 않았는데, 이는 GOx 효소가 미카엘리스-멘텐 타입에 해당하는 행동양식을 갖기 때문으로 생각된다. 또한 산소가 포화된 버퍼용액 환경에서 애노드인 실시예 1의 전류밀도의 최고점은 17.7 mA/cm2에서 형성되었고 이는 대기 가스를 포화시킨 경우(25.3 mA/cm2)보다 낮은 것으로 관찰되었는데(도 5b), 이는 GOx가 산소로부터 부반응을 일으켜 과산화수소를 생성하였기 때문이다.To further find the optimum operating environment, the buffer solution environment was set as a variable and the current density was measured. As the glucose content of the anode increased (0 to 60 mM), the current density of the anode, Example 1, increased to 25.3 mA / cm 2 (FIG. 5A). No further increase in current density was observed in cases above 60 mM, presumably because the GOx enzyme has a behavior corresponding to the Michaelis-menten type. In addition, the peak of the current density of the anode of Example 1 in the oxygen-saturated buffer solution environment was formed at 17.7 mA / cm 2 , which was observed to be lower than that of saturating the atmospheric gas (25.3 mA / cm 2 ) (FIG. 5B). This is because GOx reacted sideways with oxygen to produce hydrogen peroxide.

캐소드인 실시예 2의 성능을 시험한 결과가 도 5c에 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 대기로 포화된 버퍼용액 환경에서 캐소드로부터의 전류밀도는 3.4 mA/cm2의 최고점을 형성하고, 산소로 포화된 버퍼용액 환경에서 캐소드의 전류밀도는 5.7 mA/cm2의 최고점을 형성한다. 또한, 실시예 1을 애노드로, 실시예 2를 캐소드로 포함하여 구성된 2-전극 BFC(이하, 실시예 4)는, 글루코오스 농도가 60 mM인 산소포화 버퍼용액 환경에서 구동되어 약 +0.8 V의 개방회로 전압(open-circuit voltage)을 나타내었다.The results of testing the performance of the cathode of Example 2 is shown in FIG. 5C. As shown, the current density from the cathode peaks at 3.4 mA / cm 2 in an atmosphere saturated buffer solution environment, and the cathode current density peaks at 5.7 mA / cm 2 in an oxygen saturated buffer solution environment. To form. In addition, a two-electrode BFC (Example 4) comprising Example 1 as an anode and Example 2 as a cathode (hereinafter referred to as Example 4) was driven in an oxygen saturation buffer solution having a glucose concentration of about 60 mM, Open-circuit voltage is shown.

본 발명에서 얻어진 상기 전류밀도의 값들은 동일한 또는 더 높은 활성도의 효소를 이용한 기존 방법에 비해 매우 높은 수준이다. 도 5d에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예 4는 60 mM 글루코오스 농도의 산소-포화된 버퍼용액 환경에서 2.31 mW/cm2(=840mW/cm3, 가동전압 0.4 V)의 최대 출력밀도를 나타내고, 60 mM 글루코오스 농도의 공기-포화된 버퍼용액 환경에서는 1.65 mW/cm2(가동전압 0.4 V)의 최대 출력밀도를 나타내며, 이러한 BFC 성능은 종래에는 찾아볼 수 없을 정도로 현저히 개선된 것이다. 비교예로서, 종래기술에 의해 제조된 BFC(F. Gao, L. Viry, M. Maugey, P. Poulin, N. Mano, Engineering hybrid nanotube wires for high-power biofuel cells, Nature Communications. 1 (2010) 1-7.)를 들 수 있는데, 본 발명의 실시예 4에 의해 구현된 상기 최대 출력밀도 성능(2.31 mW/cm2)은 같은 환경에서 시험된 상기 비교예에 비해 약 3 배에 해당한다.The values of the current density obtained in the present invention are very high compared to conventional methods using enzymes of the same or higher activity. As shown in FIG. 5D, Example 4 of the present invention provides a maximum power density of 2.31 mW / cm 2 (= 840 mW / cm 3 , operating voltage of 0.4 V) in an oxygen-saturated buffer solution at a 60 mM glucose concentration. The maximum power density of 1.65 mW / cm 2 (operating voltage 0.4 V) in an air-saturated buffer solution at a concentration of 60 mM glucose is shown. This BFC performance is remarkably improved. As a comparative example, BFCs prepared by the prior art (F. Gao, L. Viry, M. Maugey, P. Poulin, N. Mano, Engineering hybrid nanotube wires for high-power biofuel cells, Nature Communications. 1 (2010) 1-7.), Wherein the maximum power density performance (2.31 mW / cm 2 ) implemented by Example 4 of the present invention is about three times that of the comparative example tested in the same environment.

특히, 실시예 4의 체적 대비 전력 출력은 840 mW/cm3이며, 질량 대비 전력 출력은 191 mW/g를 나타내는 바, 이는 비교예에 비해 각각 506 배와 103 배에 해당한다(A. Zebda, C. Gondran, A. Le Goff, M. Holzinger, P. Cinquin, S. Cosnier, Mediatorless high-power glucose biofuel cells based on compressed carbon nanotube-enzyme electrodes., Nature Communications. 2 (2011) 370.).In particular, the power output relative to the volume of Example 4 is 840 mW / cm 3 , and the power output to mass represents 191 mW / g, which corresponds to 506 times and 103 times, respectively (A. Zebda, C. Gondran, A. Le Goff, M. Holzinger, P. Cinquin, S. Cosnier, Mediatorless high-power glucose biofuel cells based on compressed carbon nanotube-enzyme electrodes., Nature Communications. 2 (2011) 370.).

즉, 본 발명의 실시예에 따른 전극 섬유는 분자구조가 잘 정렬되어 높은 전자 이동도를 나타내는 MWNT 시트에, 전도성 폴리머인 PEDOT를 코팅함으로써 젖음성, 전자 전도성 및 기계적 물성이 우수해졌다. 뿐만 아니라, 나노튜브 각각의 표면에 코팅된 PEDOT 레이어는 다공성 구조를 제공함으로써 상기 촉매 물질들을 3 차원적으로 견고히 고정시키며, 이로써 전류의 흐름과 효소의 활성을 비롯한 화학반응을 더욱 촉매한다(도 6). 본 발명의 실시예에 따른 애노드와 캐소드, 그리고 BFC가 종래대비 현저히 우수한 성능을 나타내는 것은, 또한 본 발명을 통하여 구현되는 특이적인 삼차원 적층 마이크로-구조(3-dimensional hierarchicalmicro-structure)때문이다. 또한 본 발명에 따라 실시되는 꼬는(twisting) 공정은, 전극 섬유에 적층 멀티-바이레이어 내부 구조를 제공한다. 이러한 구조는 애노드 또는 캐소드에서 효소의 고정과 활성을 크게 촉진하며, 따라서 이를 포함하는 BFC의 성능은 매우 향상된다. 이는 곧, 본 발명의 일 실시예에 따라 구현된 전극 섬유의 구조가 버퍼 용액 중 기질(연료)의 확산을 가속시킨다는 것을 의미한다.
That is, the electrode fiber according to the embodiment of the present invention has excellent wettability, electronic conductivity, and mechanical properties by coating PEDOT, a conductive polymer, on an MWNT sheet having a highly aligned molecular structure and exhibiting high electron mobility. In addition, the PEDOT layer coated on each surface of the nanotubes provides a porous structure to firmly fix the catalyst materials in three dimensions, thereby further catalyzing chemical reactions including current flow and enzyme activity (FIG. 6). ). Anodes, cathodes, and BFCs according to embodiments of the present invention exhibit significantly better performance than before, due to the specific three-dimensional hierarchical micro-structure implemented through the present invention. The twisting process carried out in accordance with the present invention also provides a laminated multi-layer internal structure to the electrode fibers. This structure greatly promotes the fixation and activity of enzymes at the anode or cathode, thus greatly improving the performance of BFCs comprising them. This means that the structure of the electrode fibers implemented according to one embodiment of the present invention accelerates the diffusion of the substrate (fuel) in the buffer solution.

본 발명에 따른 전극 섬유가 우수한 성능을 나타내는 요인을 정리하면 다음과 같다.The electrode fiber according to the present invention is summarized as follows.

1) 다공성 및 다중층 구조의 탄소담체(실시예 중, PEDOT/MWNT)가 높은 활성 표면적을 제공한다.1) Carbon carriers of porous and multilayer structure (PEDOT / MWNT in the examples) provide high active surface area.

2) 꼬는(twisting) 공정을 통해 형성된 다중-꼬임 구조는 상기 다공성 구조로의 촉매 활성 물질 담지량을 더욱 증가시킨다. 따라서, 다량의 효소가 직접적으로 전류와 전류 생산을 증대시킨다.2) The multi-twist structure formed through the twisting process further increases the amount of catalytically active material loaded into the porous structure. Thus, large amounts of enzyme directly increase current and current production.

3) 꼬는(twisting) 공정은 상기 전극 섬유 내부에 압축(compression) 응력을 부여하며, 따라서 더욱 근접된 촉매 활성 물질은 매우 우수한 전기적 연결도와 좋은 전자 이동도를 갖는다.3) The twisting process imparts a compression stress inside the electrode fibers, so that the more closely catalytically active material has very good electrical connectivity and good electron mobility.

촉매 물질과 담체 사이의 전하 이동을 촉진하는 상기 요인들로써, 본 발명에 따른 전극 섬유의 성능은 극적으로 향상된다. 또한, 본 발명에 따른 전극 섬유는 작동을 위한 추가적인 담체를 필요로 하지 않고, 따라서 체적 또는 질량 대비 출력밀도가 더욱 우수하다.
With these factors promoting charge transfer between the catalyst material and the carrier, the performance of the electrode fibers according to the invention is dramatically improved. In addition, the electrode fibers according to the present invention do not require additional carriers for operation, and thus have better output density relative to volume or mass.

전극 섬유의 안정성 측정Measurement of stability of electrode fibers

실시예 4의 BFC를 12 시간 동안 연속적으로 가동하여 안정성을 측정하였다. 캐소드가 작업전극에 연결된 크로노암페로메트리법을 시행하였으며, BFC로부터 생성된 전류가 일정 전압에서 시간의 흐름에 따라 측정되었다. 고정전압 0.4 V, PBS 용액 환경, 37 ℃의 온도조건에서 관찰된 결과가 도 7a에 도시되어 있다. BFC의 발전 양상이 안정화된 다음, BFC는 12 시간 동안 연속적으로 구동되었고, 그 이후에는 약 90%의 발전 성능을 나타냈다.
Stability was measured by running the BFC of Example 4 continuously for 12 hours. A chronoamperometric method in which the cathode was connected to the working electrode was carried out, and the current generated from the BFC was measured over time at a constant voltage. The results observed in a fixed voltage of 0.4 V, PBS solution environment, temperature conditions of 37 ℃ is shown in Figure 7a. After the development of the BFC had stabilized, the BFC was run continuously for 12 hours, after which about 90% of the generation performance was achieved.

응용예Application example : 전극 섬유를 포함하는 바늘 형태의  : In the form of a needle containing electrode fibers BFCBFC

도 7c에는 본 발명에 따른 전극 섬유를 포함하는 이중나선 타입의 BFC가 도시되어 있다. 캐소드 및 애노드 전극이 바늘을 에워싸고 있으며, 이들은 겹쳐지지 않고 따라서 하나의 시스템 내에서 각각 독립적으로 구동된다. 게다가, 바늘 타입의 구조는 인체에 이식되기도 용이한 구조이다.
Figure 7c shows a double helix type BFC comprising electrode fibers according to the present invention. The cathode and anode electrodes surround the needles, which do not overlap and are therefore driven independently of each other in one system. In addition, the needle-type structure is a structure that is easy to be implanted in the human body.

응용예Application example : 전극 섬유로  : With electrode fiber 직조된Weave 전극 직물 Electrode fabric

도 7d에는 본 발명에 따른 전극 섬유로써 직조된 전극 직물의 이미지가 도시되어 있다. 직경 50 μm의 전극 섬유가 이에 사용되었으며, 직조된 직물의 크기는 5 mm x 7 mm이다. 직물의 세부구조를 보여주는 도 7d의 오른쪽 사진의 scale bar는 500 μm 이다. 도 7b에 도시된 바와 같이, 이렇게 제조된 전극 직물 BFC의 경우, 약 74 μW의 전력 및 0.77 V의 개방회로 전압을 나타내며(검정색 그래프), 두 개의 전극 직물을 직렬 적용할 경우에는 전력 및 전압이 모두 두 배(148 μW 및 1.54 V)로 증가하는 비례의 양상을 나타내었다(붉은색 그래프).
Figure 7d shows an image of an electrode fabric woven with electrode fibers according to the present invention. Electrode fibers of 50 μm in diameter were used for this, and the size of the woven fabric was 5 mm × 7 mm. The scale bar in the right picture of FIG. 7D showing the fabric's detailed structure is 500 μm. As shown in FIG. 7B, the electrode fabric BFC thus produced exhibits a power of about 74 μW and an open circuit voltage of 0.77 V (black graph), with the power and voltage being applied in series with the two electrode fabrics. All showed a proportional increase that was doubled (148 μW and 1.54 V) (red graph).

상기 응용예들에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 전극 섬유는 형태 구성의 자유성으로 말미암아 그 응용범위가 무궁무진하다고 할 것이며, 초소형의 전극 장치로 구현될 수 있을 뿐만 아니라 현저한 성능적 개선을 제공하여 추후 주사바늘, 카테터, 스텐트(stent)를 포함한 인체-이식가능한 형태의 기구로 만들어지거나, 의료용 전자기기, 나노로봇 등으로의 응용까지도 기대해볼 만하다.As discussed in the above applications, the electrode fiber according to the present invention will be said to be infinite in the scope of application due to the freedom of configuration, and can be implemented not only as an ultra-small electrode device but also provide a significant performance improvement in the future. It is also expected to be made from a human-transplantable device, including needles, catheters and stents, or to medical electronics and nanorobots.

Claims (15)

전도성 고분자가 코팅된 탄소나노튜브 시트; 및 상기 탄소나노튜브 시트에 흡착된 기능성 입자를 포함하고, 다층 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 전극 섬유.Carbon nanotube sheet coated with a conductive polymer; And a functional particle adsorbed on the carbon nanotube sheet, wherein the electrode fiber has a multilayer structure. 제1항에 있어서,
상기 전극 섬유는 상기 탄소나노튜브 시트를 꼬아서 제조한 실 형태이고, 다층 구조는 상기 탄소나노튜브 시트가 실 형태로 꼬이는 과정에서 형성되는 것을 특징으로 하는 전극 섬유.
The method of claim 1,
The electrode fiber is in the form of a yarn made by twisting the carbon nanotube sheet, the multilayer structure is an electrode fiber, characterized in that formed in the process of twisting the carbon nanotube sheet in the form of a yarn.
제1항에 있어서,
상기 전도성 고분자는 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜), 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리에틸렌 및 폴리티오펜 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 전극 섬유.
The method of claim 1,
Wherein the conductive polymer is selected from poly (3,4-ethylenedioxythiophene), polyaniline, polypyrrole, polyethylene, and polythiophene.
제1항에 있어서,
상기 흡착된 기능성 입자는 산화환원이 가능한 효소 중에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 전극 섬유.
The method of claim 1,
The adsorbed functional particles are electrode fibers, characterized in that at least one selected from enzymes capable of redox.
제1항에 있어서,
상기 전극 섬유는 오스뮴(Os) 기반의 산화환원 전자매개체(redox mediator)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 섬유.
The method of claim 1,
The electrode fiber further comprises an osmium (Os) -based redox mediator (redox mediator).
제5항에 있어서,
상기 산화환원 전자매개체는 (폴리(N-비닐이미다졸)-[Os(4,4'-다이메톡시-2,2'-바이피리딘)2Cl])+/2+ 및 (폴리(아크릴산)-폴리(N-비닐이미다졸)-[Os(4,4'-다이클로로-2,2'-바이피리딘)2Cl])+/2+ 중에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 전극 섬유.
The method of claim 5,
The redox electron mediator is (poly (N-vinylimidazole)-[Os (4,4'-dimethoxy-2,2'-bipyridine) 2 Cl]) + / 2 + and (poly (acrylic acid) ) -Poly (N-vinylimidazole)-[Os (4,4'-dichloro-2,2'-bipyridine) 2 Cl]) at least one electrode selected from + / 2 + fiber.
제1항에 있어서,
상기 전극 섬유는 산화 전극 및 환원 전극을 일체형으로 동시에 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 섬유.
The method of claim 1,
The electrode fiber is an electrode fiber, characterized in that it comprises an oxidation electrode and a reduction electrode at the same time integrally.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 전극 섬유를 포함하는 전극 직물.An electrode fabric comprising the electrode fibers according to claim 1. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 전극 섬유를 포함하는 생체연료전지.A biofuel cell comprising the electrode fiber according to any one of claims 1 to 7. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 전극 섬유를 포함하는 생체전극으로서,
상기 생체전극은 주사 바늘, 카테터 및 스텐트 중에서 선택되는 어느 하나로서 생체에 이식가능한 것을 특징으로 하는 생체전극.
A bioelectrode comprising the electrode fiber according to any one of claims 1 to 7,
The bioelectrode may be implantable into a living body as any one selected from a needle, a catheter, and a stent.
a) 탄소나노튜브 시트를 준비하고, 상기 탄소나노튜브 시트에 전도성 고분자를 코팅하는 단계;
b) 상기 전도성 고분자가 코팅된 탄소나노튜브 시트를 효소, 산화환원 전자매개체 및 가교제를 포함하는 혼합 용액에 담지 후 효소와 산화환원 전자매개체를 탄소나노튜브 시트에 흡착시키는 단계; 및
c) 상기 탄소나노튜브 시트를 꼬아서(twist) 다층 구조의 전극 섬유를 제조하는 단계를 포함하는 전극 섬유의 제조방법.
a) preparing a carbon nanotube sheet and coating a conductive polymer on the carbon nanotube sheet;
b) immersing the carbon nanotube sheet coated with the conductive polymer in a mixed solution including an enzyme, a redox electron mediator and a crosslinking agent, and then adsorbing the enzyme and the redox electronic mediator on the carbon nanotube sheet; And
c) twisting the carbon nanotube sheet to produce electrode fibers having a multilayer structure.
제11항에 있어서,
상기 a) 단계는 준비된 탄소나노튜브 시트는 탄소나노튜브 에어로젤 시트에서 알코올을 증발시켜 형성한 고밀도 탄소나노튜브 시트이고,
상기 전도성 고분자는 증기상 중합법(vapor-phase polymerization)을 통해서 탄소나노튜브 시트에 코팅된 것을 특징으로 하는 전극 섬유의 제조방법.
12. The method of claim 11,
In step a), the prepared carbon nanotube sheet is a high density carbon nanotube sheet formed by evaporating alcohol from a carbon nanotube airgel sheet,
The conductive polymer is a method of manufacturing an electrode fiber, characterized in that the coating on the carbon nanotube sheet through vapor-phase polymerization (vapor-phase polymerization).
제11항에 있어서,
상기 전도성 고분자는 폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜), 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리에틸렌 및 폴리티오펜 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 전극 섬유의 제조방법.
12. The method of claim 11,
The conductive polymer is a method of producing an electrode fiber, characterized in that selected from poly (3,4-ethylenedioxythiophene), polyaniline, polypyrrole, polyethylene and polythiophene.
제11항에 있어서,
상기 b) 단계의 혼합용액은 글루코오스 산화효소 및 빌리루빈(bilirubin) 산화효소 중에서 선택되는 1종 이상의 효소;
(폴리(N-비닐이미다졸)-[Os(4,4'-다이메톡시-2,2'-바이피리딘)2Cl])+/2+ 및 (폴리(아크릴산)-폴리(N-비닐이미다졸)-[Os(4,4'-다이클로로-2,2'-바이피리딘)2Cl])+/2+ 중에서 선택되는 1종 이상의 산화환원 전자매개체; 및
폴리(에틸렌 글리콜)다이글리시딜에테르 가교제;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전극 섬유의 제조방법.
12. The method of claim 11,
The mixed solution of step b) is at least one enzyme selected from glucose oxidase and bilirubin (bilirubin) oxidase;
(Poly (N-vinylimidazole)-[Os (4,4'-dimethoxy-2,2'-bipyridine) 2 Cl]) + / 2 + and (poly (acrylic acid) -poly (N- At least one redox electron mediator selected from vinylimidazole)-[Os (4,4'-dichloro-2,2'-bipyridine) 2 Cl]) + / 2 + ; And
Poly (ethylene glycol) diglycidyl ether crosslinking agent; manufacturing method of the electrode fiber comprising a.
제11항에 있어서,
상기 c) 단계는 상기 탄소나노튜브 시트를 꼬아서(twist) 실 형태로 제조하고, 실 형태로 꼬이는 과정에서 다층 구조가 형성되는 것을 특징으로 하는 전극 섬유의 제조방법.
12. The method of claim 11,
In the step c), the carbon nanotube sheet is twisted (twist) and manufactured in a yarn form, and a method of manufacturing an electrode fiber, wherein a multilayered structure is formed in the process of twisting into a yarn form.
KR1020120132402A 2012-11-21 2012-11-21 Multi scrolled yarn electrode fiber and its preparing method KR101365108B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020120132402A KR101365108B1 (en) 2012-11-21 2012-11-21 Multi scrolled yarn electrode fiber and its preparing method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020120132402A KR101365108B1 (en) 2012-11-21 2012-11-21 Multi scrolled yarn electrode fiber and its preparing method

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR101365108B1 true KR101365108B1 (en) 2014-02-20

Family

ID=50271491

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020120132402A KR101365108B1 (en) 2012-11-21 2012-11-21 Multi scrolled yarn electrode fiber and its preparing method

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101365108B1 (en)

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016027020A1 (en) * 2014-08-21 2016-02-25 Universite Joseph Fourier Method for manufacturing a conductive film from an electrochemical bioreactor
US9662197B2 (en) 2015-01-15 2017-05-30 Electronics And Telecommunications Reserach Institute Artificial muscle
KR20190047490A (en) * 2017-10-27 2019-05-08 한양대학교 산학협력단 Asymmetric super capacitor and method of fabricating of the same
KR102037390B1 (en) * 2018-07-17 2019-10-28 한양대학교 산학협력단 Fiber-type Stretchable Biofuel Cell and Method for Manufacturing Same
CN114122437A (en) * 2021-11-13 2022-03-01 复旦大学 Flexible fiber biofuel cell capable of being implanted into brain, and preparation method and application thereof
KR102630552B1 (en) * 2022-11-07 2024-01-30 어썸레이 주식회사 Secondary battery
CN117577818A (en) * 2024-01-15 2024-02-20 中国第一汽车股份有限公司 Silicon-carbon composite aerogel and preparation method and application thereof

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100992154B1 (en) * 2008-09-19 2010-11-05 한국전자통신연구원 Transparent Conductive Thin Film Using Carbon Nano Tube and Method for Preparation thereof
US20110020210A1 (en) * 2009-07-21 2011-01-27 Tsinghua University Method for making twisted carbon nanotube wire
KR101150887B1 (en) * 2011-02-03 2012-05-30 신슈 다이가쿠 Method for manufacturing fabric containing carbon nano structure
JP5089035B2 (en) * 2005-11-22 2012-12-05 学校法人 東洋大学 CNT thin film manufacturing method and biosensor using the thin film

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5089035B2 (en) * 2005-11-22 2012-12-05 学校法人 東洋大学 CNT thin film manufacturing method and biosensor using the thin film
KR100992154B1 (en) * 2008-09-19 2010-11-05 한국전자통신연구원 Transparent Conductive Thin Film Using Carbon Nano Tube and Method for Preparation thereof
US20110020210A1 (en) * 2009-07-21 2011-01-27 Tsinghua University Method for making twisted carbon nanotube wire
KR101150887B1 (en) * 2011-02-03 2012-05-30 신슈 다이가쿠 Method for manufacturing fabric containing carbon nano structure

Cited By (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR3024982A1 (en) * 2014-08-21 2016-02-26 Univ Joseph Fourier METHOD FOR MANUFACTURING A CONDUCTIVE FILM OF AN ELECTROCHEMICAL BIOREACTOR
CN107075497A (en) * 2014-08-21 2017-08-18 格勒诺布尔大学 Method for manufacturing conducting film by electrochemica biological reactor
JP2017530517A (en) * 2014-08-21 2017-10-12 ユニヴェルシテ グルノーブル アルペス Method for producing a conductive thin film from an electrochemical bioreactor
WO2016027020A1 (en) * 2014-08-21 2016-02-25 Universite Joseph Fourier Method for manufacturing a conductive film from an electrochemical bioreactor
US9662197B2 (en) 2015-01-15 2017-05-30 Electronics And Telecommunications Reserach Institute Artificial muscle
KR102411723B1 (en) 2017-10-27 2022-06-21 한양대학교 산학협력단 Asymmetric super capacitor and method of fabricating of the same
KR20190047490A (en) * 2017-10-27 2019-05-08 한양대학교 산학협력단 Asymmetric super capacitor and method of fabricating of the same
KR102037390B1 (en) * 2018-07-17 2019-10-28 한양대학교 산학협력단 Fiber-type Stretchable Biofuel Cell and Method for Manufacturing Same
CN114122437A (en) * 2021-11-13 2022-03-01 复旦大学 Flexible fiber biofuel cell capable of being implanted into brain, and preparation method and application thereof
CN114122437B (en) * 2021-11-13 2023-10-03 复旦大学 Brain-implantable flexible fiber biofuel cell, and preparation method and application thereof
KR102630552B1 (en) * 2022-11-07 2024-01-30 어썸레이 주식회사 Secondary battery
CN117577818A (en) * 2024-01-15 2024-02-20 中国第一汽车股份有限公司 Silicon-carbon composite aerogel and preparation method and application thereof
CN117577818B (en) * 2024-01-15 2024-03-29 中国第一汽车股份有限公司 Silicon-carbon composite aerogel and preparation method and application thereof

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101365108B1 (en) Multi scrolled yarn electrode fiber and its preparing method
Kwon et al. High-power biofuel cell textiles from woven biscrolled carbon nanotube yarns
Zhao et al. Nanostructured material-based biofuel cells: recent advances and future prospects
Wu et al. Wearable biofuel cells: advances from fabrication to application
Zhang et al. Performance improvement of air-cathode single-chamber microbial fuel cell using a mesoporous carbon modified anode
Ding et al. Control of bacterial extracellular electron transfer by a solid-state mediator of polyaniline nanowire arrays
Wu et al. Fabrication of flexible and disposable enzymatic biofuel cells
Pereira et al. Application of carbon fibers to flexible enzyme electrodes
Liu et al. Direct electrochemistry based biosensors and biofuel cells enabled with nanostructured materials
Kulkarni et al. Characteristics of two self-powered glucose biosensors
Kwon et al. Mediator-free carbon nanotube yarn biofuel cell
Kwon et al. Stability of carbon nanotube yarn biofuel cell in human body fluid
Perveen et al. Development of a ternerry condunting composite (PPy/Au/CNT@ Fe3O4) immobilized FRT/GOD bioanode for glucose/oxygen biofuel cell applications
Jeerapan et al. Challenges and opportunities of carbon nanomaterials for biofuel cells and supercapacitors: personalized energy for futuristic self-sustainable devices
Kashyap et al. Multi walled carbon nanotube and polyaniline coated pencil graphite based bio-cathode for enzymatic biofuel cell
KR101877681B1 (en) Flexible electrode, biofuel cell and its preparing method
Campbell et al. Improved power density of an enzymatic biofuel cell with fibrous supports of high curvature
Zhang et al. Long-term effect of carbon nanotubes on electrochemical properties and microbial community of electrochemically active biofilms in microbial fuel cells
Cui et al. Architecture of electrospun carbon nanofibers–hydroxyapatite composite and its application act as a platform in biosensing
KR101670581B1 (en) A fiber shaped mediatorless enzymatic biofuel cell
Kabir et al. Energy harvesting by mesoporous reduced graphene oxide enhanced the mediator-free glucose-powered enzymatic biofuel cell for biomedical applications
A. Karim et al. Mini-review: recent technologies of electrode and system in the enzymatic biofuel cell (EBFC)
Ha et al. Nanobiocatalysis for enzymatic biofuel cells
Dong et al. Design synthesis of polypyrrole–Co3O4 hybrid material for the direct electrochemistry of hemoglobin and glucose oxidase
Jeyaraman et al. Membranes, immobilization, and protective strategies for enzyme fuel cell stability

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20161227

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20180102

Year of fee payment: 5

LAPS Lapse due to unpaid annual fee