Energy에너지
Bio-Fuel Cell
생체연료전지
Previously we focused our research on biofuel cells & supercapacitors for continuous and efficient mechanical actuations of artificial muscles. Our first goal was to create a high performance biofuel cell that can generate electrical energy by only using glucose in the human body, and storing the generated energy into supercapacitors for later use in artificial muscle actuation (fig. 1). This system, using the inherent fast charge and discharge characteristic of supercapacitors, will be able to actuate with great strength and power. The proposed energy generating and storing medium will be in the form of fibers, mimicking muscle fibers and allowing easy integration with fiber type artificial muscles.
기존에 수행된 생체인공근육 연구단에서는 인공근육의 지속적이고 효율적인 기계적 구동을 위한 에너지 원으로써 생체연료전지와 슈퍼커패시터에 대한 연구를 진행해 왔었다. 체내에 존재하는 에너지 원인 글루코오즈로부터 전기에너지를 수확하여 외부에 추가적인 에너지의 도움 없이 생체 스스로 전기에너지를 발전할 수 있는 고성능 생체연료전지의 구현을 첫 번째 목표로 하였으며 이을 통해 생성된 전기 에너지를 슈퍼커패시터에 저장 및 추후 방전을 통해 인공근육을 구동하는 시스템의 구현을 목표로 하였다 (그림1). 이는 슈퍼커패시터 고유의 고속 방전특성을 이용함으로써 큰 힘과 일률로 구동하는 차세대 인공근육 시스템을 구현하기 위해 제안된 연구 목표로써 제시된 에너지 발전 및 저장 매체는 인체의 근섬유를 모방 및 현재 개발된 섬유형 인공근육과의 적절한 일체형 디바이스를 구현하기 위해 모두 섬유 형태로의 구현하는 것으로 연구 목표가 설정되었다.
Supercapacitor
슈퍼커패시터
Our lab created yarn type biofuel cell electrodes thinner than human hair by adding redox polymer and various active materials on hydrophilic treated carbon nanotube sheet surface, and biscrolling them. (fig. 2A) The fiber electrode demonstrated excellent generating property and long stable life due to the high loading, above 90 wt%, of active materials and physical fixation inside the yarn. We demonstrated the world’s first textile applicable fiber type biofuel cell, opening new application possibilities. This result received recognition and published in “Nature Communications”. Also, fabricated a fiber type supercapacitor (fig. 2B) by biscrolling PEDOT, a conductive polymer, with carbon nanotube sheet and coating with solid electrolytes. The high specific surface area due to the inherent porous structure and the realization of minimum ion transport distance of carbon nanotube sheets supercapacitor showed world-class world best power & storing performance, getting published in “Nature Communications”. Our lab also succeeded in replacing conductive polymers with inexpensive and environment friendly manganese dioxide as active materials, creating high performance fiber type supercapacitors (Adv. Mater., Adv. Energy Mater.).
본 연구단에서는 친수성 처리된 탄소나노튜브 시트 표면에 효소 및 Redox polymer 등 다양한 활성물질을 올린 후 이를 꼬아(biscrolling) 머리카락보다 더 가는 수십 마이크로 미터의 지름을 가지는 섬유형태의 생체연료전지 전극을 제조하였다 (그림2 A). 섬유전극의 단면 분석에서 확인된 바와 같이 90 wt% 이상의 높은 활성물질이 섬유 내부에 기계적으로 단단하게 고정된 형태로 로딩됨으로써 매우 우수한 발전 특성 및 긴 수명을 보여주었다. 뿐 만 아니라, 세계최초로 직물형태의 생체연료전지 형태로 제작가능성을 보여주어 다양한 응용 가능성을 제시하였으며 이러한 결과를 인정받아 세계적인 과학 저널인 “네이쳐 커뮤니케이션즈”에 게재되었다(Nat. Comm.). 또한 전도성 고분자 중 하나인 PEDOT을 탄소나노튜브 시트와 함께 biscrolling 한 후 고체전해질을 코팅함으로써 섬유형 슈퍼커패시터를 제작하였다 (그림2 B). 이렇게 제조된 슈퍼커패시터는 탄소나노튜브 시트 고유의 다공성 구조에 기인하는 높은 비표면적과 최소 이온 이동거리를 구현해 냄으로써 세계 최고 수준의 일률 및 에너지 저장 성능을 나타내었으며 이는 “네이쳐 커뮤니케이션즈” 지에 게재 되었다(Nat. Comm.). 뿐 만 아니라, 전도성 고분자를 대체하여 저렴하고 친환경적인 금속산화물인 이산화망간을 활성물질로 사용하여 고성능 섬유형 슈퍼커패시터의 제작에도 성공하였다 (Adv. Mater., Adv. Energy Mater.).
Self-Powered Energy Generation and Storage
자가에너지생성 및 저장
Our lab conducted research on fiber type energy generating biofuel cells and energy storing supercapacitors achieving successful results and acquiring original technology. Based on these research experience and results we upgraded our aim to a new paradigm of self-energy actuating artificial muscle. Previously reported artificial muscles requires electrical energy to be generated and stored by auxiliary biofuel cells & supercapacitors, resulting in the limitation of applications due to complex systems, large size, and low efficiency. However, the newly suggested self-energy actuating artificial muscle overcomes these limitations by self-generating & storing energy required for its actuation in one-body. To realize such self-actuating artificial muscle, creative research is required in structural & material aspects. (fig. 3) Research objective is to create artificial muscles with self-energy generation by enzyme multichange & the optimization of electron transfer system and self-energy storage by using 2D nano-materials for high performance battery property and the recaptured energy concept
지난 생체인공근육 연구단에서 수행된 연구를 통하여 섬유형태의 에너지 발전 매체인 생체연료전지와 저장 매체인 슈퍼커패시터를 성공적으로 개발하였으며 관련된 원천 기술을 확보하였다. 이러한 연구 경험과 결과를 바탕으로 현재는 한 단계 더 업그레이드 된 새로운 패러다임의 자가 에너지 구동 인공근육 연구를 목표로 제시하고 있다. 기존에 제시된 인공근육은 구동에 필요한 전기에너지를 발전 및 축전하기 위해서는 외부의 별도로 생체연료전지와 슈퍼커패시터가 필요하므로 시스템이 복잡하고 부피가 크며 효율이 떨어지는 등 실제 응용을 위한 제약이 많이 존재해 왔었다. 하지만 새롭게 제시되는 자가 에너지 구동 인공근육은 기존 스스로 구동에 필요한 에너지를 발전하고 축전하는 기능이 있는 일체형이라는 점에서 기존의 인공근육의 문제를 극복한 혁신적인 개념이다. 이러한 자가 구동 인공근육을 구현하기 위해서는 기존에 개발된 연구내용을 토대로 다양한 구조와 재료적인 측면에서 창의적인 연구가 요구 되는데(그림3), 효소의 다변화와 전자전달 시스템의 최적화를 통한 자가에너지 생성 기능성과 2D 나노재료를 이용한 고성능 배터리 및 Recaptured energy 개념을 도입한 자가 에너지 저장 기능성을 갖춘 인공근육을 구현하는 것을 목표로 연구를 진행하고 있다.