생체 적합성 에너지 저장 소자 및 capacitive circuit element 제작을 위한 유사 체액으로 포화 된 자가 치유 polyampholyte 겔 전해질

국문 초록 (Abstract)

이식형 전자 의료기기의 개발이 증가함에 따라 전기적 손실을 최소화하면서 이식형 전자 의료기기의 착용자에게 편안함을 제공할 수 있는 유연하고 생체 적합적인 인체에 무해한 물질을 사용하는 전원과 제어장치를 개발할 필요가 있다. 이러한 이유로 이식형 전자 의료기기를 위한 생체적합성 에너지 저장체에 대한 적극적인 연구가 필요하다. 인체 유해하지 않은 무독성, 무세포독성, 생체적합성 물질인 p-styrenesulfonate (NaSS)과 and 3-(methacryloylamino) propyl-trimethylammonium chloride (MPTC)으로 제조된 polyampholyte에 체액과 유사한 simulated body fluid를 포화시켜 인체에 들어있는 체액 환경 조건에서 실험하여 생체적합성 에너지 저장 장치를 위한 겔 고분자 전해질의 전기화학적 성능을 측정하였다. 배터리와 커패시터의 장점을 모두 가지는 supercapacitor를 이식형 전자 의료기기에 적합한 체액을 직접 활용하여 EDLC로 제작하였다. 체액을 직접 활용할 경우 상당히 유연하고 구조를 단순하게 제작하여 체내에서 사용하기에 적합할 수 있도록 설계할 수 있다. 또한 전해액을 체액으로 사용하기 때문에 전해액으로 인한 폭발의 가능성이 없고 안전성이 높아 이식형 전자 의료기기에 사용 가능하다. 본 연구는 NaSS와 MPTC 단량체가 랜덤공중합으로 중합된 polyampholyte에 simulated body fluid를 포화시켜 supercapacitor에 적용하였다. PA-SBF는 높은 기계적 안정성과 유연성을 지녔으며, 정상체온 (35 ℃)에서 17.6 mS cm-1의 높은 전도도를 보여주었다. 또한 다양한 기계 변형 조건에서도 성능 저하가 없는 것을 확인하였다. PA-SBF에 탄소기반 전극으로 만든 supercapacitor는 10 mA cm-2에서 219.6 mF cm-2의 성능을 보여줬으며, 8,000 cycles 까지 안정하였다. discharge current와 scan rate가 그래프에서 직선적으로 비례하기 때문에 EDLC의 형태를 보여주었으며, self-healing test에서 회복 전과 후의 성능은 332 mF cm-2에서 237 mF cm-2 71.5 %만큼 전도도는 0.023, 0.019 S cm-1로 82 %의 회복률을 보여주었다. 이는 우리 몸에 예측할 수 없는 변화가 일어나도 이식형 전자 의료기기의 에너지 저장체로 사용될 수 있음을 보여준다.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 2. 연구 배경 4
• 2.1 Supercapacitor 4
• 2.2 Polymer gel electrolyte 8
• 2.3 Polyampholyte 9
• 3. 실험방법 10
• 3.1 Polyampholyte 겔 합성 10
• 3.2 Polyampholyte 겔 전해질 제조 12
• 3.3 Self-healing test 방법 13
• 3.4 Polyampholyte 특성 평가 14
• 3.5 Supercapacitor 제작 15
• 3.6 전기적 및 전기화학적 측정 평가 17
• 4. 실험 결과 및 고찰 18
• 4.1 PA-SBF 하이드로겔 전해질의 구조 및 특성 18
• 4.2 PA-SBF 하이드로겔의 기계적 및 열적 특성 23
• 4.3 PA-SBF 하이드로겔 전해질의 전기적 특성 28
• 4.4 PA-SBF electrolyte based EDLC 41
• 5. 결론 52
• 6. 참고문헌 53
• 7. 국문 요약 58