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Reserach 

본 “에너지 촉매 시스템 연구실”은 다양한 기능성 나노재료를 합성하고, 층상자기조립을 통해 고성능 차세대 에너지 소자(바이오 연료전지, 나노바이오 센서, 에너지 생성/저장/변환 소자, 에너지 하베스팅 소자 등)를 개발하는 연구를 수행하고 있다.

​본 연구실의 바이오 연료전지 개발 현황

​본 연구실의 대표적인 전극 제작 모식도

​주 연구분야

1. 바이오 연료전지 (Biofuel Cells)

  • ​본 연구실에서 대표적으로 연구하고 있는 바이오 연료전지는 생물학적인 원료를 사용하여 전기 에너지를 생성하는 전지이다. 일반적으로 생물학적인 원료로는 글루코오스, 에탄올, 메탄 등이 사용된다. 바이오 연료전지는 바이오매스, 바이오가스, 바이오알코올 등의 생물학적인 원료를 산화시켜 전기를 생성하는 원리로 작동하게 된다. 이러한 특성으로 인해 지속적인 전기 공급이 필요한 의료 분야에서 일체형 전력원 개발에 많은 관심이 집중되고 있다.

  • 현재 바이오 연료전지는 일부 제약사항이 있다. 첫째, 전력 출력이 상대적으로 낮다. 바이오 연료전지는 생물학적인 원료로부터 전기를 생성하기 때문에 일반적인 전지에 비해 전력 출력이 제한적이다. 둘째, 구동 안정성이 낮을 수 있다. 바이오 연료전지는 생물학적인 원료의 특성상 변동성이 있을 수 있으며, 이로 인해 전기 출력의 안정성에 영향을 줄 수 있다. 이러한 한계를 극복하기 위해, 바이오 연료전지의 효율성 향상과 안정성을 개선하기 위한 다양한 연구를 진행하고 있다.

  • 특히, 바이오 연료전지의 구동 안정성을 향상하기 위해, 전극의 유연성도 함께 고려되어야 한다. 생체 내에서 구동 시 전극이 파손되거나 분리될 수 있는 문제를 해결하기 위해, 새로운 형태의 웨어러블 바이오 연료전지 전극을 개발하여 생체 내에서도 안정적으로 구동할 수 있는 전력, 높은 개회로 전압(> ~0.9 V), 그리고 구동 안정성(> 15일 이상)을 동시에 지니는 고성능 바이오 연료전지를 개발하고 있다. 이러한 바이오 연료전지는  생체 환경에서 쉽게 적용이 가능하면서도, 기계적 강도가 우수하고, 전극 성능이 뛰어나, 다양한 의료용 기기에 전력 공급원으로 사용될 수 있다.

< 기존 바이오 연료전지의 한계점 및 극복방안 >

< 리간드 치환 층상자기조립을 활용한 고전도성 하이브리드 바이오 연료전지 제작 과정 모식도 >

< 효소층 내 전도성 나노입자 도입을 통한 전자전달 능력 향상 에너지 전극의 저항 최소화 >

2. 나노바이오 센서 (Nanobio Sensors)

  • 나노바이오 센서는 나노 기술과 생물학적 감지 원리를 결합한 장치로, 매우 미세한 물질을 감지하거나 측정하는 데 사용된다. 이 장치는 질병 진단, 환경 모니터링, 식품 안전, 그리고 약물 개발 등의 분야에서 중요한 역할을 수행한다. 나노바이오 센서는 높은 민감도와 정확성을 가지며, 실시간으로 결과를 제공할 수 있다.

  • 본 연구실에서는 고전도성 전극 기반의 나노바이오 센서를 개발하고, 이러한 센서의 감지 능력과 접근성을 높이는 연구를 수행하고 있다. 또한, 다양한 애플리케이션을 위한 새로운 나노바이오 센서의 개발에도 주력하고 있다.

  • 특히, 본 연구실에서  개발하고자 하는 고도화된 포도당 모니터링 시스템은 기존의 일회성 글루코오스 측정이 아닌 인체 피부에 부착하여 연속적으로 글루코오스를 모니터링 할 수 있는 Continuous Glucose Monitoring System(CGMs) 기술로 당뇨병으로 고통받는 환자의 당 관리에 효과적인 기술이 될 것이다. Continuous Glucose Monitoring System(CGMs) 기술에서 적용되는 측정 센서의 경우 지속적 측정을 위한 고전도성 전극의 개발, 높은 전자전달효율을 갖는 매개체의 개발, 효소 활성 효과를 증가시킬 수 있는 효소 정제 및 전극의 안정성을 위한 생체적합성 고분자의 기술 개발이 필요하며 이 기술은 다른 질병을 측정하는 바이오 센서에 폭넓게 적용이 가능하다.

<층상자기조립기반의 산화전극 제작 모식도 및 바이오 센서로의 활용>

3. 에너지 생성/저장/변환 소자 (Energy Storage/Conversion Devices)

  • 에너지 생성/저장/변환 소자는 에너지를 생성하고, 저장하며, 필요에 따라 다른 형태의 에너지로 변환하는 기기이다. 이러한 기기는 에너지의 효율적인 사용을 가능하게 하며, 전력 그리드, 전기 자동차, 휴대용 전자기기 등 다양한 분야에서 중요한 역할을 한다. 이들은 우리의 일상 생활에서 에너지를 효과적으로 활용하는 데 필수적이다.

  • 본 연구실에서는 에너지 변환 효율의 향상, 에너지 저장 용량의 증가, 그리고 에너지 생성 효율의 최적화할 수 있는 방법을 연구한다. 이러한 에너지 생성/저장/변환 소자는 에너지 효율성을 향상시키고, 에너지 소비를 줄여, 지속 가능한 미래를 위한 중요한 단계를 제공한다. 또한, 이들은 재생 가능한 에너지원을 효과적으로 활용하는 데 크게 기여할 것이다. 즉, 소자의 성능 향상 뿐만 아니라, 소자의 물리적 특성과 구조를 이해하는 데 중점을 두고 연구를 수행하고 있으며, 이는 결과적으로 에너지 소자의 성능을 최적화하고, 새로운 에너지 응용 분야를 찾는 데 중요한 지표가 될 수 있다.

< 계면 설계를 기반으로 한 유연 에너지 생성/저장/변환 소자 응용분야 >

4. 에너지 하베스팅 소자 (Energy Harvesting Devices)

  • 에너지 하베스팅 소자는 주변 환경에서 에너지를 수집하고 저장하는 기기입니다. 이 기기들은 소형 전자 제품에서 독립적으로 전력을 공급하는 데 사용된다. 일반적으로. 태양광, 바람, 열, 진동 등의 다양한 에너지 원을 이용하여 에너지를 수집한다. 이를 통해, 기존의 전력 인프라가 도달하지 못하는 곳에서도 전력 공급이 가능하게 할 수 있다. 이러한 에너지 하베스팅 소자는 IoT 기기, 웨어러블 기기, 리모트 센서 등의 전력 공급에 사용될 수 있으며, 전력 소모가 적고 지속적인 전력 공급이 필요한 기기에 이상적으로 사용될 수 있다. 더 나아가, 스마트 시티, 스마트 홈, 스마트 그리드 등의 분야에서 에너지 효율성을 향상시키는 데에도 폭넓게 사용될 수 있다.

  • 본 연구실에서는 에너지 하베스팅 소자의 성능을 향상시키는 데 집중하고 있다. 이는 에너지 수집 효율, 에너지 저장 능력, 그리고 에너지 변환 효율 등을 개선하는 것을 포함한다. 본 연구실에서는 이러한 소자의 신뢰성과 내구성을 향상시키는 데도 주력하고 있다. 이는 이들 소자가 가혹한 환경에서도 안정적으로 작동할 수 있도록 하는 것을 목표로 한다.

  • 에너지 하베스팅 소자의 핵심 기술 중 하나는 나노재료이다. 본 연구실에서는 다양한 기능성 나노재료의 합성과 이를 이용한 층상자기조립 기술을 연구하고 있으며, 앞으로의 연구에서 에너지 하베스팅 소자의 다양한 응용 분야를 탐색하고, 이들 소자의 상용화를 위한 기술 개발에 집중할 예정이다. 이는 우리 사회가 더욱 지속 가능하고 에너지 효율적인 방향으로 나아가는 데 중요한 역할을 수행할 것이다.

< 리간드 엔지니어링을 통한 에너지 하베스팅용 나노입자 기반 전극 제작  모식도 >

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