KR101445166B1 - 편향기 일체형 분리막 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 적층형 분리막간 일정간격 유지 및 유체 흐름에 난류발생을 유도하여 투과율을 향상시키기 위한 편향기 일체형 분리막 구조체를 제조하는 방법에 관한 것으로, a) 멤브레인이 연속적으로 공급되는 단계; b) 상기 멤브레인에 일정간격으로 천공하는 단계; c) 상기 천공된 멤브레인에 돌출물을 출력하는 단계; d) 상기 돌출물이 출력된 멤브레인의 상측으로 또 다른 멤브레인이 연속적으로 공급되어 적층되는 단계; 및 e) 적층된 멤브레인의 상측으로 배치되는 가류기에 의해 상기 돌출물을 경화시키는 단계를 포함한다.

Description

편향기 일체형 분리막 제조방법{Manufacturing method for membrane integrated with deflector}

본 발명은 편향기 일체형 분리막 제조방법에 관한 것으로, 적층형 분리막간 일정간격 유지 및 유체 흐름에 난류발생을 유도하여 투과율을 향상시키기 위한 편향기 일체형 분리막 구조체를 제조하는 방법에 관한 것이다.

분리막은 수십 년 동안 매해 6.6% 성장률로 담수화, 염분차 발전, 레독스전지, 연료전지, 의료전기투석 등 많은 분야에서 다양한 형태로 제작이 되어 폭 넓게 사용되고 있다. 가장 보편적으로 채택되고 있는 구조는 적층형으로 여러장의 분리막을 서로 수평적으로 배열함으로써 단위셀의 공정능력을 향상시킬 수 있다(한국공개특허 제10-2008-0110643호 참조).

현재까지, 적층형 분리막 모듈은 분리막, 개스킷, 스페이서를 기본구성으로 독립적 가공 후 이들은 조립하는 방식으로 생산되고 있다. 따라서 각각의 제조 방법에 차이에 의한 공차 발생 및 불균일한 두께로 인해 내부 압력 불안정에 의해 유체 누수 문제가 발생을 하고 있다. 더욱이 메쉬형 스페이서는 내부 압력 손실을 증가시킬 뿐만 아니라, 내부 압력 증가에 의한 스페이서의 형태변형과 유체 흐름에 직결되어 분리막 투과율을 현저하게 저하시키는 문제를 가지고 있다. 또한 스페이서의 사용은 그림자효과(shadow effect)에 의해 투과율이 저하되는 큰 문제점을 가지고 있다.

개스킷은 현재 실리콘 재질의 고무판의 제단에 의해 제조되고 있어, 분리막의 성분과 조립 압력에 의한 밀착으로 내부 압력 증가에 따른 누수 발생이 자주 발생하게 된다. 또한 고무 재질에 의한 형태 변형이 쉽게 되어 모듈 조립 시 내부 유로 형상의 변형을 초래하게 될 뿐만 아니라, 모듈의 단위 면적 증가에 불균일한 압착력에 의해 분리막간의 간격이 변화하게 되어 내부 압력 불안정 및 분리막간의 간격이 불균해지는 문제점을 가지고 있다.

따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위해 스페이서 및 개스킷은 분리막에 일체형으로 제조되어야 누수 방지뿐만 아니라, 분리막간의 일정 간격을 유지할 수 있게 된다. 또한, 단위공정별 조립은 생산단가의 상승을 초래하기 때문에 이들 생산공정의 양산성 향상 및 제품 불량을 최소화 할 수 있는 새로운 공정법의 개발이 현재 적층형 분리막 기술의 발전과 더불어 매우 중요시되고 있다.

상기의 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명의 목적은, 적층형 분리막간 일정간격 유지 및 유체 흐름에 난류발생을 유도하여 투과율을 향상시키기 위한 편향기 일체형 분리막 구조체를 스페이서 및 개스킷은 분리막에 일체형으로 제조하여 분리막간 일정간격의 유지 및 누수를 방지할 수 있는 편향기 일체형 분리막 제조방법을 제공하는 데에 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, a) 멤브레인이 연속적으로 공급되는 단계; b) 상기 멤브레인에 일정간격으로 천공하는 단계; c) 상기 천공된 멤브레인에 돌출물을 출력하는 단계; d) 상기 돌출물이 출력된 멤브레인의 상측으로 또 다른 멤브레인이 연속적으로 공급되어 적층되는 단계; 및 e) 적층된 멤브레인의 상측으로 배치되는 가류기에 의해 상기 돌출물을 경화시키는 단계를 포함하는 편향기 일체형 분리막 제조방법이다.

상기 b단계 내지 e단계를 반복하는 것을 특징으로 한다.

또, 상기 c단계와 d단계 사이에 돌출물의 상측으로 접착제를 도포하는 단계를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 한다.

또, 상기 b단계 내지 e단계를 반복하되, 최종 반복시에는 b) 상기 멤브레인에 일정간격으로 천공하는 단계; c) 상기 천공된 멤브레인에 돌출물을 출력하는 단계; e) 가류기에 의해 상기 돌출물을 경화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또, 상기 돌출물은 편향기, 바이패스관, 개스킷 중에서 하나 이상 선택되는 것을 특징으로 한다.

또, c단계는 잉크젯, 플렉소(flexo), 그라비아, 그리비아 옵셋, 디스펜서 중 선택된 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또 다른 방법으로 공급되는 멤브레인이 이미 천공된 상태로 공급되거나, 또는 멤브레인(10)에 창공이 불필요한 막구조체의 경우에는 위에서 언급한 천공기에 의한 천공단계가 생략될 수 있다.

본 발명을 통하여, 편향기 및 개스킷을 분리막에 접착시켜 내부 유체의 누수를 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 분리막간격을 일정하게 유지해주고, 편향기에 의해 내부 유체 흐름에 난류를 유도하는 효과가 있을 수 있다. 또한, 롤투롤 기반 연속공정을 통해 모듈 조립시 자동화 공정이 가능하여 제조비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라, CAD와 연동하여 다양한 패턴을 적층형 분리막을 고기능화할 수 있다. 또한 이종 이상의 분리막이 적층 시 제품간이 오차 및 적층 오류를 혁신적으로 줄여 생산성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명에서 대상으로 하는 편향기 일체형 분리막을 가지는 RED장치의 분해사시도이다.
도 2는 도 1의 단면도이다.
도 3은 도 1에서 유체의 흐름을 나타내는 개략도이다.
도 4는 본 발명에 따른 편향기 일체형 분리막 제조방법의 구현예이다.
도 5는 도 4의 방법을 통해 얻어지는 편향기 일체형 분리막의 제작과정의 개략도이다.

이하, 본 발명을 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 하기의 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

먼저, 본 발명을 통해 최종적으로 얻고자 하는 장치의 일예로써 RED장치(100)를 도 1 내지 도 3을 통하여 설명한다.

상기 RED장치(100)는 기본적으로 상하부에 전극(120,170)을 가지며, 이 전극 사이에 본 발명의 실시예 1에 해당하는 편향기 일체형 분리막이 위치한다.

상기 편향기 일체형 분리막은 복수개가 적층된다. 이 때, 내부에 흐르는 유체를 구분하기 위하여 하나 이상의 제1교환막(130,150)과 하나 이상의 제2교환막(140,160)이 교대로 적층되어 이루어진다. 상기 제1교환막(130,150)과 상기 제2교환막(140,160) 중 일방은 양이온 교환막이고, 타방은 음이온 교환막이며 이는 필요에 따라서 선택할 수 있다.

또, 제1교환막의 개수와 제2교환막의 개수는 본 발명의 실시예에서는 동일하게 표현하였지만, 다르게 이루어질 수도 있다.

상기 제1교환막(130,150)과 상기 제2교환막(140,160)의 각각의 테두리에는 간격을 유지할 수 있는 개스킷(136,146,156,166)이 형성된다. 상기 개스킷(136,146,156,166)은 분리막의 적층 시 유체의 누수를 방지하는 역할도 수행한다. 상기 개스킷(136,146,156,166)의 위치는 모서리에 위치하는 것으로 제한되지는 않지만, 바람직하게는 최외측으로 배치하여 유체의 체류공간을 증대시킨다. 상기 개스킷(136,146,156,166)은 일체형 또는 분리형으로 이루어질 수 있으며, 일체형이 좀 더 바람직하다. 일체형의 개스킷(136,146,156,166)은 프린터에 의해 경화잉크(예를 들어, UV잉크)를 분사하고 경화시키는 것을 반복하는 것에 의해 형성될 수 있다.

상기 제1교환막(130,150)과 상기 제2교환막(140,160) 내부의 유체는 서로 섞이지 않도록 구성된다. 따라서 상기 제1교환막(130,150)과 상기 제2교환막(140,160)에는 유체를 바이패스시키는 한 쌍의 바이패스관(131,133,142,144,151,153,162,164)과 유체를 내부로 공급 또는 배출시키는 한 쌍의 연결홀(132,134,141,143,152,154,161,163)이 형성된다.

상기 바이패스관(131,133,142,144,151,153,162,164)과 상기 연결홀(132,134,141,143,152,154,161,163)의 위치의 제한은 없으나, 유체의 체류시간을 늘리기 위하여 상기 제1교환막(130,150)과 상기 제2교환막(140,160)의 가장자리에 위치시키는 것이 바람직하다. 또한, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 바이패스관(131,133,142,144,151,153,162,164)과 상기 연결홀(132,134,141,143,152,154,161,163)을 서로 대향되도록 배치하는 것이 동일한 구조로 막을 90도 돌려 사용하므로 제작상 유리하다.

그리고 상기 개스킷(136,146,156,166)에 의해 한정되는 영역에는 편향기(135,145,155,165)이 형성된다. 실시예1에서 편향기(135,145,155,165)의 역할은 도 3에 도시된 바와 같이 유체의 이동을 방해하여 난류를 발생시키는 것이다. 이 때, 상기 편향기(135,145,155,165)은 상기 개스킷(136,146,156,166)의 높이와 같거나 이보다 작게 형성된다.

이러한 난류의 발생은 유선을 변화시킬 뿐 아니라, 교환막을 통한 투과도를 향상시킨다.

상술한 바와 같이 구성되는 편향기 일체형 분리막의 상하측에 전극(120,170)이 배치된다. 상기 전극구조체(120)는 전극분리막(127)과, 상기 전극분리막(127)의 테두리에 형성되는 개스킷(126)과, 상기 개스킷(126)에 부착되어 상기 전극분리막(127)에 대하여 이격되어 설치되는 전극플레이트(117)와, 상기 전극플레이트(117)의 표면 또는 상기 전극분리막(127)의 표면에 형성되는 편향기(125)를 포함하고, 상기 전극플레이트(117)에는 상기 개스킷(126)과 상기 전극플레이트(117)에 한정되는 공간을 흐르는 전극유체가 공급 및 배출되는 전극유체공급홀(118)과 전극유체배출홀(119)이 형성되며, 염분차를 가지는 제1유체와 제2유체가 유통되는 바이패스관(121,122)이 설치된다.

그리고 상기 전극플레이트(117)에는 상기 바이패스관(121,122)과 연통되는 바이패스홀(111,112)가 형성된다.

상측의 전극구조체(120)는 기본적으로 전극분리막(127)을 포함하는 것을 제외하고는 하측의 전극구조체(170)와 동일하다. 상기 하측의 전극구조체(170)는 그 바로 위에 오는 분리막(160)을 공유하여 내부공간을 한정하게 된다.

따라서, 상기 전극유체는 상기 전극구조체(120,170)의 내부에서만 존재하고, 제1유체와 제2유체는 상기 교환막(130,140,150,160)을 통해 유통하게 된다. 상기 제1유체와 제2유체는 상술한 바와 같이 염분차를 가지는 액체로 이루어질 수 있다. 또한, 제 1유체는 순환형으로 구성될 수 있으며, 상측의 전극 구조체의 전극유체공급홀(118)을 통해 들어간 유체는 전극유체배출홀(119)를 통해 나온 후 하측 전극 구조체의 전극유체공급홀(178)을 통해 유입된 후 전극유체배출홀(179)을 통해 나온 후 다시 상측 전극 구조체의 전극유체공급홀(118)에 연결되어 사용될 수 있다.

도 3은 유체 공급부 바로 옆에 배열되어 있는 편향기가 유체 흐름에 영향을 주는 도식도이다.

이러한 편향기 일체형 분리막을 제조하기 위한 본 발명에 따른 편향기 일체형 분리막 제조방법을 도 4 및 도 5를 이용하여 설명한다.

먼저, 공급롤(202)을 통해 멤브레인(10)이 공급된다. 상기 멤브레인(10)은 나노막, 마이크로막, RO막 (reverse osmosis membrane), PRO막 (Pressure retarded osmosis membrane), 이온 교환막 등 목적에 따라서 공지의 막을 선택될 수 있다. 공급된 멤브레인(10)은 안내롤(204,206)에 의해 이송된다.

그리고, 천공기(216)에 의해 천공을 한다. 상기 천공기(216)는 레이저, 워터젯 등 다양한 공지의 수단을 사용할 수 있다. 상기 천공기(216)에 의해 창공(12)을 형성한다. 상기 창공(12)은 상술한 바와 같이 주위에 프린팅을 통해 바이패스관이 설치되거나, 그대로 두어 연결홀이 될 수도 있다. 또, 상기 천공기(216)의 작동 또는 부작동에 의해 도 1에 도시된 바와 같이, 연결홀이나 바이패스관이 없는 상태로 두어 유체의 흐름을 차단하는 것도 가능하다.

천공기(216)에 의한 천공은, 다른 돌출물이 형성된 이후보다 먼저 수행하는 것이 작업상 유리하기 때문이다. 즉, 이미 돌출물이 형성된 이후에 천공을 하면 상기 돌출물에 의해 간섭될 수 있기 때문이다.

또 다른 방법으로 공급되는 멤브레인(10)이 이미 천공된 상태로 공급되거나, 또는 멤브레인(10)에 창공이 불필요한 막구조체의 경우에는 위 천공기(216)에 의한 천공단계가 생략될 수 있다.

다음으로, 출력기(218,222)에 의해 돌출물이 형성된다. 도 4에서는 먼저 출력(218)에 의해 바이패스관(18)과 편향기(14)를 형성한 후에, 이후의 출력기(222)에 의해 개스킷을 출력하고 있다. 그리고, 2개의 출력기(218,222) 사이에 가류기(220)를 두고 있다. 이 경우, 상기 가류기(220)를 생략하는 것도 가능하다. 또는 하나의 출력기에 의해 편향기(14), 바이패스관(18), 및 개스킷(16)을 동시에 출력하는 것도 가능하다.

그리고, 또 하나의 공급롤(214)에 의해 상기 개스킷(16)을 덮는 추가의 멤브레인(20)이 공급된다. 상기 멤브레인(20)은 상기 개스킷(16)에 의해 지지될 수 있다. 만일, 상기 편향기(14)가 상기 개스킷(16)과 높이가 같은 경우에는 편향기(14)와 상기 개스킷(16)에 의해 지지될 수 있다.

추가의 멤브레인(20)이 공급될 때, 서로 이격된 한쌍의 안내롤(208,212)에 의해 일정한 압력으로 상기 멤브레인(20)을 상기 개스킷(16)에 밀착시킬 수 있다.

그리고, 추가의 멤브레인(20)의 상측으로 가류기(224)를 두어서, 상기 개스킷(16) 등을 가류시킬 수 있다. 상기 가류기(224)는 열조사 또는 UV광조사의 방법을 사용할 수 있다.

또, 상기 추가의 멤브레인(20)을 공급하기 전에, 상기 개스킷(16)과 상기 멤브레인(20)의 접착성능을 향상시키기 위해, 추가의 접착제 도포수단이 상기 출력기(222) 이후에 배치될 수 있다.

2층으로 적층되고 상기 가류기(224)에 의해 가류되면, 제1층의 편향기 일체형 분리막은 완성되고, 이후에 천공하는 단계, 출력하는 단계, 멤브레인을 추가적으로 공급하는 단계, 가류시키는 단계를 계속적으로 반복하는 것에 의해 편향기 일체형 분리막을 적층하여 구조체를 형성하는 것이 가능하다.

다만, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 경우에 따라 최상측 멤브레인은 생략된 상태로 제조되는 것도 가능하다. 이 경우에는 상술한 제작방법에서, 가류기(224)에 의한 가류 전에 추가의 멤브레인(20)의 공급을 생략시키는 것으로 수행할 수 있다.

적층이 완료되면 일정한 길이로 멤브레인(10,20)이 적층되어 이루어진 멤브레인 구조체를 절단한다.

또, 상술한 바와 같이 제작된 편향기 일체형 분리막 구조체는 다시 이러한 구조체를 여러개 적층하는 것에, 편향기 일체형 분리막 제조장치(200)의 크기를 늘리지 않으면서 쉽게 원하는 층수로 적층하는 것이 가능하다.

상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

10,20: 멤브레인
12: 창공
14,125,135,145,155,165,175,: 편향기
16,126,136,146,156,166,176: 개스킷
18,121,122,131,133,142,144,151,153,164,173,174: 바이패스관
100: RED장치
111,112: 바이패스홀
117,177: 전극플레이트
118,178: 전극유체공급홀
119,179: 전극유체배출홀
120,170: 전극구조체
127,177: 전극분리막
130,150: 제1교환막
140,160: 제2교환막
132,134,141,143,154,163,178: 연결홀
127,137,147,157,167: 막본체
200: 편향기 일체형 분리막 제조장치
202,214: 공급롤
204,206,208,210,212: 안내롤
216,226: 천공기
218,222: 출력기
220,224: 가류기

Claims (7)

1. a) 멤브레인이 연속적으로 공급되는 단계;
   b) 상기 멤브레인에 일정간격으로 천공하는 단계;
   c) 상기 천공된 멤브레인에 돌출물을 출력하는 단계;
   d) 상기 돌출물이 출력된 멤브레인의 상측으로 또 다른 멤브레인이 연속적으로 공급되어 적층되는 단계; 및
   e) 적층된 멤브레인의 상측으로 배치되는 가류기에 의해 상기 돌출물을 경화시키는 단계를 포함하는 편향기 일체형 분리막 제조방법.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 b단계 내지 e단계를 반복하는 것을 특징으로 하는 편향기 일체형 분리막 제조방법.
   
3. 제1항에 있어서, 상기 c단계와 d단계 사이에 돌출물의 상측으로 접착제를 도포하는 단계를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 편향기 일체형 분리막 제조방법.
   
4. 제2항에 있어서, 상기 b단계 내지 e단계를 반복하되, 최종 반복시에는
   b) 상기 멤브레인에 일정간격으로 천공하는 단계;
   c) 상기 천공된 멤브레인에 돌출물을 출력하는 단계;
   e) 가류기에 의해 상기 돌출물을 경화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 편향기 일체형 분리막 제조방법.
   
5. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 돌출물은 편향기, 바이패스관, 개스킷 중에서 하나 이상 선택되는 것을 특징으로 하는 편향기 일체형 분리막 제조방법.
   
6. 제1항 또는 제3항에 있어서, c단계는 잉크젯, 플렉소(flexo), 그라비아, 그리비아 옵셋, 디스펜서 중 선택된 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 편향기 일체형 분리막 제조방법.
   
7. a) 멤브레인이 연속적으로 공급되는 단계;
   b) 상기 멤브레인에 돌출물을 출력하는 단계;
   c) 상기 돌출물이 출력된 멤브레인의 상측으로 또 다른 멤브레인이 연속적으로 공급되어 적층되는 단계; 및
   d) 적층된 멤브레인의 상측으로 배치되는 가류기에 의해 상기 돌출물을 경화시키는 단계를 포함하는 편향기 일체형 분리막 제조방법.

Images