KR101457629B1 - 전기삼투펌프 및 이를 포함하는 유체 펌핑 시스템 - Google Patents

전기삼투펌프 및 이를 포함하는 유체 펌핑 시스템 Download PDF

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Abstract

전기삼투펌프로서, 상기 전기삼투펌프는, 유체의 이동을 허용하는 멤브레인; 및 상기 멤브레인의 양측에 각각 마련되고, 유체의 이동을 허용하도록 다공성 재질 또는 구조로 형성되는 제1 전극 및 제2 전극을 포함하되, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 음이온 고분자가 혼입된 전도성 고분자를 포함하고, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극의 전기화학 반응은 양이온이 이동됨으로써 일어날 수 있다.

Description

전기삼투펌프 및 이를 포함하는 유체 펌핑 시스템{ELECTROOSMOTIC PUMP AND FLUID PUMPING SYSTEM INCLUDING THE SAME}
본원은 전기삼투펌프 및 이를 포함하는 유체 펌핑 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전도성 고분자와 이의 복합체를 전극으로서 활용한 전기삼투펌프 및 이를 포함하는 유체 펌핑 시스템에 관한 것이다.
전기삼투펌프는 모세관 혹은 다공성 막[다공성 멤브레인(membrane)]의 양단에 구비된 전극에 전압을 걸었을 때 생기는 전기삼투현상에 의해 유체가 이동하는 것을 이용한 펌프이다.
종래에는 전극의 물질로 안정된 백금을 많이 사용하였는데, 최근에는 가스 발생 없이 안정적으로 전기삼투펌프가 구동될 수 있도록, 전극의 물질로 은(Ag)/산화은(AgO), MnO(OH), 폴리아닐린(polyaniline) 등을 사용한다.
전극에 사용되는 물질 중 폴리아닐린 등과 같은 전도성 고분자는 일반적으로 전기화학적 또는 화학적으로 단량체(monomer)를 산화시키는 중합반응을 통해 합성된다. 이러한 중합반응이 일어나는 과정에서, 고분자사슬에 (+) 전하가 지속적으로 증가하기 때문에 (-) 전하를 띤 음이온의 혼입이 수반되어야 전도성 고분자의 합성이 지속적으로 진행될 수 있다.
전도성 고분자 합성 방법 중 가장 일반적인 방법은 질산(HNO3) 혹은 염산(HCl) 용액에서 아닐린(aniline), 피롤(pyrrole), 티오펜(thiophene) 등의 단량체(monomer)를 전기화학적으로 산화시키거나 혹은 산화제를 이용하여 화학적으로 산화시키는 것인데, 이 때, 용액에 있는 음이온(NO3 -, Cl- 등)이 전하균형 맞추어 주기 위해 고분자사슬에 지속적으로 혼입되면서 전도성 고분자의 합성이 진행된다. 즉, 생성된 고분자 사슬 자체는 (+) 전하를 띠고 있어, 전하균형을 맞추기 위해 NO3 -, Cl- 등과 같은 음이온이 고분자 사슬의 내부에 혼입됨으로써 전도성 고분자가 합성된다.
이와 관련하여, 일본 공개특허공보 특개2001-240730호(발명의 명칭: 도전성 폴리티오펜)에는 비스(퍼플루오로 알칸술포닐) 이미드 등과 같은 분자성 음이온을 도핑한 폴리티오펜을 개시하고 있다.
이렇게 만들어진 전도성 고분자를 포함하는 (+) 전극과 (-) 전극에 각각 전압을 걸어주면, 고분자 매트릭스 전체에 산화/환원반응이 일어나며 전하균형이 깨진다. 따라서, 전하균형을 맞추어 주기 위해 전도성 고분자 내로 쉽게 움직일 수 있는 이온이 이동하게 된다. 예를 들어, 폴리아닐린(PANI)의 경우 질산(HNO3) 용액에서 합성되었다면, 분자성 음이온인 NO3 -가 혼입된 형태의 고분자가 만들어지는데, 이러한 작은 분자성 음이온을 포함하는 에메랄딘 염기(아래의 반응식 1의 Emeraldine salt) 형태의 폴리아닐린이 환원되면 고분자사슬의 (+) 전하가 없어지므로, 전하균형을 맞추기 위해 혼입된 음이온인 NO3 -(아래의 반응식 1의 A-)가 빠져 나온다. 따라서, 폴리아닐린은 환원형인 루코에메랄딘 염기(아래의 반응식 1의 Leucoemeraldine base) 형태로 바뀌어 중성 형태의 고분자 사슬이 된다.
[반응식 1]
Figure 112013077692302-pat00001
이와 같이 전극의 산화/환원 반응 시, 어느 하나의 전극에 포함된 전도성 고분자의 전하균형을 맞추기 위해 빠져나온 음이온은, 다른 전극에 포함된 전도성 고분자의 전하균형을 맞추어 주기 위해 이동되는데, 이러한 이온의 이동속도가 늦어지면 전극의 산화/환원반응도 잘 일어나지 않게 된다.
NO3 -, Cl- 등과 같이 전도성 고분자에 혼입된 작은 음이온은 전해질이 거의 없는 용액에서 전극반응이 일어나는 경우에는 빠져 나온 다음에 다시 고분자로 혼입되기 어려워진다. 전기삼투펌프는 대부분 전해질 농도가 낮은 용액에서 작동하므로 이와 같이 이동이 용이한 음이온이 혼입된 물질을 전극으로 활용하면 지속적인 전극반응을 기대하기 어려워 전기삼투펌프의 성능이 급격이 떨어진다.
한편, 전기삼투펌프에 포함된 다공성 막의 재료로는 일반적으로 실리카(silica), 유리(glass) 등이 사용되는데, 이와 같은 재료로 이루어진 다공성 막은 수용액 내에서 표면이 음전하를 띠게 된다.
앞서 설명한 전극의 산화/환원 반응 시 전도성 고분자로부터 빠져나온 음이온은 전극의 사이를 이동하기 위해 다공성 막을 통과해야 하는데, 다공성 막의 표면이 전술한 바와 같이 음전하를 띠게 되므로, 이와 동일한 전하를 띠는 음이온은 다공성 막과의 사이에 척력이 작용하여 다공성 막을 이동하기가 어렵다. 따라서, 전극의 산화/환원반응이 원활하게 일어날 수 없고, 전기삼투펌프의 성능이 떨어진다는 문제점이 있었다.
본원은 전도성 고분자가 포함된 전극의 전기화학 반응을 원활하게 할 수 있는 전기삼투펌프 및 이를 포함하는 유체 펌핑 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본원의 제 1 측면에 따른 전기삼투펌프는, 유체의 이동을 허용하는 멤브레인; 및 상기 멤브레인의 양측에 각각 마련되고, 유체의 이동을 허용하도록 다공성 재질 또는 구조로 형성되는 제1 전극 및 제2 전극을 포함하되, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은, 음이온 고분자가 혼입된 전도성 고분자를 포함하고, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극의 전기화학 반응은 양이온이 이동됨으로써 일어날 수 있다.
한편, 본원의 제 2 측면에 따른 유체 펌핑 시스템은, 본원의 제 1 측면에 따른 전기삼투펌프; 및 상기 전기삼투펌프 적어도 일단에 설치되어 상기 유체와 이송대상유체를 분리하는 격리재를 포함할 수 있다.
전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 제1 전극 및 제2 전극의 물질로 음이온 고분자가 혼입된 전도성 고분자를 사용하여, 제1 전극 및 제2 전극의 전기화학 반응 시 양이온이 이동되도록 함으로써, 전극의 전기화학 반응 속도를 향상시킬 수 있고, 이를 통해 전기삼투펌프의 성능을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본원의 일 실시예에 따른 전기삼투펌프의 구성도이다.
도 2는 본원의 일 실시예에 따른 전기삼투펌프의 작용을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본원의 일 실시예에 따른 전기삼투펌프의 가역적인 전극반응을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본원의 일 실시예에 따른 전기삼투펌프의 분해 사시도이다.
도 5는 본원의 일 실시예에 따른 전기삼투펌프의 단면도이다.
도 6은 본원의 일 실시예에 따른 유체 펌핑 시스템의 구성도이다.
도 7의 (a)는 NO3 -가 혼입된 폴리아닐린(PANI-NO3 -)을 포함하는 전극과 PSS-가 혼입된 폴리아닐린(PANI-PSS-)을 포함하는 전극을 각각 사용한 경우의 전기삼투펌프의 전류값 변화를 비교한 그래프이다.
도 7의 (b)는 PANI-NO3 -을 포함하는 전극과 PANI-PSS-을 포함하는 전극을 각각 사용한 경우의 전기삼투펌프의 유속을 비교한 그래프이다.
도 8의 (a)는 PANI-NO3 -을 포함하는 전극을 사용한 전기삼투펌프의 가역적인 반응에 따른 전류응답 그래프이다.
도 8의 (b)는 PANI-PSS-를 포함하는 전극을 사용한 전기삼투펌프의 가역적인 반응에 따른 전류응답 그래프이다.
도 9는 PANI-PSS-를 포함하는 전극을 사용한 전기삼투펌프를 포함하는 유체 펌핑 시스템의 수명을 나타낸 그래프이다.
도 10은 SO4 2 -가 혼입된 폴리아닐린(PANI-SO4 2-)을 포함하는 전극을 사용한 전기삼투펌프의 가역적인 반응에 따른 전류응답 그래프이다.
도 11은 PSS-가 혼입된 PEDOT(PEDOT-PSS-)를 포함하는 전극을 사용한 전기삼투펌프의 가역적인 반응에 따른 전류응답 그래프이다.
도 12의 (a)는 탄소나노튜브가 추가 포함된 PANI-PSS-(PANI-PSS-CNT)를 포함하는 전극을 사용한 전기삼투펌프의 가역적인 반응에 따른 전류응답 그래프이다.
도 12의 (b)는 PANI-PSS-CNT 전극을 사용한 전기삼투펌프의 유속을 나타낸 그래프이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 “상에” 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "~(하는) 단계" 또는 "~의 단계"는 "~ 를 위한 단계"를 의미하지 않는다.
본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 “이들의 조합”의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본원을 상세히 설명하기로 한다.
우선, 본원의 일 실시예에 따른 전기삼투펌프(10)(이하 '본 전기삼투펌프'라 함)에 대해 설명한다.
도 1은 본 전기삼투펌프(10)의 구성도이다.
전기삼투펌프(10)는 멤브레인(11), 멤브레인(11)의 양측에 각각 마련된 제1 전극(13) 및 제2 전극(15)을 포함하며, 제1 전극(13) 및 제2 전극(15)은 전원 공급부(17)에 연결된다.
멤브레인(11)은 유체가 이동하여야 하는 유체경로부(19)에 설치되며, 유체의 이동을 허용하도록 다공성 재질 또는 구조로 형성된다.
제1 전극(13) 및 제2 전극(15)은 유체경로부(19) 상에서 멤브레인의 양측에 각각 마련되며, 제1 전극(13) 및 제2 전극(15)은 음이온 고분자가 혼입된 전도성 고분자를 포함할 수 있다. 제1 전극(13) 및 제2 전극(15)은 멤브레인(11)에 의해 이들 사이의 간격이 일정하게 유지된다. 멤브레인(11)과 마찬가지로 제1 전극(13) 및 제2 전극(15)은 유체의 이동을 허용하도록 다공성 재질 또는 구조로 형성된다.
전원 공급부(17)는 제1 전극(13) 및 제2 전극(15)과 연결되어, 제1 전극(13)과 제2 전극(15)에 전기화학 반응이 일어날 수 있도록 전원을 공급하며, 제1 전극(13)과 제2 전극(15)의 전기화학 반응은 양이온이 이동됨으로써 일어나게 된다.
전원 공급부(17)는 제1 전극(13) 및 제2 전극(15)에 전압의 극성을 교번하여 공급할 수 있으며, 여기서, 전원 공급부(17)가 전압의 극성을 교번하여 공급한다는 의미는, 전류를 반대 방향으로 공급하는 의미를 포함할 수 있다.
이를 통해, 본 전기삼투펌프(10)는 유체의 이동을 통해 펌핑력을 발생시킴과 동시에, 제1 전극(13) 및 제2 전극(15)의 소모 및 재생이 반복적으로 일어날 수 있다.
예를 들어, 전원 공급부(17)는 제1 전극(13) 및 제2 전극(15) 각각에 직류 전압을 공급하는 직류공급장치(미도시)를 포함할 수 있다. 또한, 전원 공급부(17)는 제1 전극(13) 및 제2 전극(15) 각각에 공급되는 직류 전압의 극성을 설정된 시간마다 교번하여 전환시키는 전압방향 전환장치(미도시)를 포함할 수 있다.
이를 통해, 제1 전극(13) 및 제2 전극(15) 각각에 걸리는 전압을 지속적으로 설정된 시간마다 반대 극성으로 바꿔줄 수 있다.
유체경로부(19)는 멤브레인(11)과 제1 전극(13) 및 제2 전극(15)을 사이에 두고 양측으로 이동하는 유체의 이동경로를 제공한다.
여기서, 유체경로부(19)는 내측에 유체가 채워지는 용기 형태를 가질 수 있고, 일례로 실린더 형태를 가질 수 있으며, 이에 제한하지 않고, 다양한 형태를 가질 수 있다.
또한, 유체는 유체경로부(19) 뿐만 아니라, 다공성(porous)의 멤브레인(11)과 제1 전극(13) 및 제2 전극(15)에도 채워질 수 있다.
또한, 유체경로부(19)는 펌핑력의 전달을 위해 개구를 가질 수 있다. 예시적으로, 개구는 멤브레인(11)과 제1 전극(13) 및 제2 전극(15)에 의해 양분되는 양측 공간 중 어느 일측 공간 또는 양측 공간 모두에 형성되어 유체의 이동에 의한 펌핑력을 외측으로 제공할 수 있다. 이를 테면, 유체경로부(19)에 형성된 개구는 후술하는 도 6에 도시된 유체 펌핑 시스템(1000)의 펌핑라인(70)과 연결될 수 있고, 이를 통해 펌핑력을 외측으로 제공할 수 있다.
도 2는 본 전기삼투펌프(10)의 작용을 설명하기 위한 도면이고, 도 3은 본 전기삼투펌프(10)의 가역적인 전극반응을 설명하기 위한 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하여, 본 전기삼투펌프(10)의 동작에 대해 설명한다.
전원 공급부(17)를 통해 제1 전극(13) 및 제2 전극(15)에 전원을 공급하게 되면 제1 전극(13)과 제2 전극(15) 사이에 전압 차이가 발생하게 된다.
제1 전극(13) 및 제2 전극(15)의 전압 차이에 의해, 제1 전극(13) 및 제2 전극(15)에 산화환원 반응이 일어나 전하균형이 깨지게 되는데, 이 때, 전극 내에서 쉽게 이동될 수 있는 이온이 이동됨으로써 전하균형을 맞추게 된다.
이러한 산화환원 반응에 따른 이온의 이동이 멤브레인(11)을 통해 이루어지면 유체가 이동될 수 있다.
멤브레인(11)은 유체뿐만 아니라, 이온의 이동도 허용하며, 유체와 이온은 전기삼투펌프(10)의 전극(13, 15)에 전원 공급부(17)를 연결하면, 멤브레인(11)의 일측에서 타측으로, 또는 타측에서 일측으로 이동될 수 있다. 이와 같이 유체와 이온이 멤브레인(11)을 통과하며 이동됨으로써 펌핑력을 발생시킨다.
예시적으로, 멤브레인(11)은 약 0.1 ㎛ 내지 약 5 ㎛ 크기의 입상물의 형태를 가지는 실리카(silica), 유리(glass) 등을 이용하여 제조될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 예시적으로, 멤브레인(11)은 디스크 멤브레인일 수 있고, MEA(membrane electrode assembly)일 수도 있으며, 이외에도 다양한 형태의 다공성 재질이나 구조를 가지는 것일 수 있다.
제1 전극(13) 및 제2 전극(15)은 음이온 고분자가 혼입된 전도성 고분자를 포함한다. 제1 전극(13) 및 제2 전극(15)의 전기화학 반응은 전하균형이 맞추어지는 방향으로 양이온이 이동됨으로써 일어나며, 이 때 제1 전극(13) 및 제2 전극(15) 중 어느 하나는 전기화학 반응을 통해 양이온을 발생시키고, 다른 하나는 양이온을 소모할 수 있다.
예를 들어, 제1 전극(13) 및 제2 전극(15)의 전기화학 반응 시 발생되고 소모되는 양이온은 1가 양이온일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
예를 들어, 양이온은 수소 이온(H+)을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
다양한 양이온들 중 양성자인 H+의 이온이동속도는 다른 양이온들에 비해 월등히 빠르다. 앞서 설명한 바와 같이, 전기삼투펌프(10)는 이온의 이동과 유체의 이동이 수반되기 때문에, 따라서, 전극반응 시 수소 이온이 이동되는 경우, 유체의 이동 속도가 빨라져 전기삼투펌프(10)의 성능을 보다 향상시킬 수 있다.
예시적으로, 전기삼투펌프(10)는 유체로 수용액을 사용할 수 있다. 이를 통해, 전극반응 시, 수소 이온이 이동될 수 있다.
전기삼투펌프(10)는 일반적으로 전해질이 거의 없는 용액에서 더 좋은 펌핑 성능을 보이는데, 이 때는 물의 해리에 의해 생긴 양이온인 수소 이온이 전하균형을 맞추어 주도록 이동될 수 있다.
또는, 양이온은 사용되는 유체에 따라 Na+, K+ 등과 같이 다양한 이온을 포함할 수 있다.
제1 전극(13) 및 제2 전극(15)에는 전도성 고분자가 전착된다.
종래에는 전극에 전착되기 위한 전도성 고분자의 합성 시, 가장 일반적인 방법인 질산(HNO3) 혹은 염산(HCl) 용액에서 아닐린(aniline), 또는 피롤(pyrrole), 티오펜(thiophene) 등의 단량체(monomer)를 전기화학적 혹은 화학적으로 산화시키는 방법을 사용하였다. 이와 같은 전도성 고분자 합성 방법은 용액에 있는 음이온(NO3 -, Cl- 등)이 전하균형 맞추어 주기 위해 고분자사슬에 지속적으로 혼입되면서 전도성 고분자의 합성이 진행되는 방법이다.
이렇게 합성된 전도성 고분자를 포함하는 전극에 전압을 걸어주면, 전하균형을 맞추기 위해, 아래의 반응식 2의 A-와 같은 분자성 음이온(예를 들어, NO3 -, Cl- 등)이 이동된다.
[반응식 2]
Figure 112013077692302-pat00002
한편, 전기삼투펌프에 포함된 다공성 막의 재료로는 일반적으로 실리카(silica), 유리(glass) 등이 사용되는데, 이와 같은 재료로 이루어진 다공성 막은 수용액 내에서 표면이 음전하를 띠게 된다.
전하균형을 위해 전도성 고분자로부터 빠져나온 음이온(A-)은 다공성 막을 통과하게 되는데, 다공성 막의 표면이 전술한 바와 같이 음전하를 띠게 되므로, 이와 동일한 전하를 띠는 음이온은 다공성 막과의 사이에 척력이 작용하여 다공성 막을 원활하게 통과할 수 없다. 따라서, 종래의 전도성 고분자를 포함한 전극은 산화/환원반응이 빠르게 일어날 수 없고, 이송대상유체의 신속한 이동에 어려움이 있었다.
반면, 본 전기삼투펌프(10)는 전도성 고분자가 거대음이온 고분자, 즉 음이온 고분자를 포함하므로, 전극(13, 15)의 산화환원 반응 시, 음이온 고분자는 고정되어 이동될 수 없기 때문에, 용액 중에 있는 양이온이 이동하며 전하균형을 맞추게 된다.
예를 들어, 양이온 고분자-음이온 고분자를 -[P+]n-[S-]n-로 표시하였을 때, 이러한 전도성 고분자를 포함하는 전극(13, 15)의 산화환원 반응은 아래의 반응식 3 및 반응식 4와 같다.
[반응식 3]
(+) 전극; -[P+]n-[S- C+]n- → -[P+]n-[S-]n- + nC+ + ne-
[반응식 4]
(-) 전극; -[P+]n-[S-]n- + nC+ + ne- → -[P+]n-[S- C+]n-
이와 같이, (-) 전극의 환원 반응 시, 전도성 고분자 매트릭스가 중성이 되면(P+→P), 고정된 음이온 고분자(S-)의 전하균형을 맞추기 위해 용액 중에 존재하는 양이온(C+)이 혼입되어 들어오게 된다.
다시 말해, 도 2 및 반응식 3, 반응식 4를 참조하면, 전극(13, 15)의 산화환원 반응 시 음이온 고분자(S-)는 이동되지 않고, 용액 내의 양이온(C+)이 이동하는데, 이러한 양이온은 음전하로 대전된 멤브레인(11)과 인력이 작용하여 쉽게 멤브레인(11)을 통과할 수 있으므로, 산화환원 반응이 빠른 속도로 일어날 수 있다.
즉, 본 전기삼투펌프(10)는 전극(13, 15)에 전도성 고분자를 전착시키되, 작은 크기의 움직일 수 있는 음이온(small mobile anion)이 아닌 거대 고분자형태의 음이온이 혼입된 전도성 고분자를 전착시킴으로써, 전극(13, 15)의 산화환원 시, 거대 고분자형태의 음이온 대신, 용액 중의 작은 양이온을 이동시킨다. 이와 같은 양이온은 음전하를 띠는 멤브레인(11)을 쉽게 통과할 수 있으므로, 전극(13, 15)의 전기화학 반응 속도를 향상시킬 수 있다. 따라서, 유체의 이동이 원활해질 수 있으므로, 효과적이면서도 안정적인 전기삼투펌프(10)를 구현할 수 있다.
이 때, 전도성 고분자는 음이온 고분자를 포함하는 용액에서 단량체의 중합반응을 통해 형성될 수 있다.
예를 들어, 음이온 고분자가 존재하는 용액에서 단량체를 산화시키면, 용액 상에 있던 음이온 고분자가 혼입되며 중합반응이 진행되므로, 양이온 고분자-음이온 고분자로 이루어진 고분자 복합체가 합성될 수 있다.
이 때, 전도성 고분자는 전기화학적 산화 또는 산화제를 이용한 화학적 산화 등을 통해 합성될 수 있다.
예를 들어, 전도성 고분자는 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤(polypyrrle), 폴리티오펜(polythiophene), 폴리타이오닌(polythionine), 및 퀴논 폴리머(quinone polymer), 이들의 유도체 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이 외에도, 전도성 고분자는 전기 전도성을 가지는 다양한 고분자일 수 있다.
예를 들어, 음이온 고분자는 폴리스티렌 설포네이트(polystyrene sulfonate), SPEEK(sulfonated-polyetheretherketone), 폴리아크릴레이트(polyacrylate), 폴리비닐포스포네이트(polyvinylphosphonate), 폴리옥소메탈레이트(polyoxometalate), 및 나피온(nafion), 이들의 유도체 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
나피온은 폴리테트라플루오르에틸렌[poly(tetrafluoroethylene)]의 골격에 술폰산기를 도입한 고분자이다.
이외에도, 음이온 고분자는 음전하를 띠는 다양한 고분자일 수 있다. 예시적으로, 음이온 고분자는 폴리에틸렌 글리콜(polyethylene glycol), 폴리아크릴아미드(polyacrylamide) 등과 같은 중성 고분자와 합성된 복합체 등을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
또한, 예시적으로, 전극(13, 15)은 탄소 나노 구조체를 추가 포함할 수 있다.
예를 들어, 탄소 나노 구조체는 탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT), 그래핀(graphene), 탄소 나노입자(carbon nanoparticle), 풀러렌(fullerene), 흑연(graphite) 등을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
도 12를 참조하면, 탄소 나노 구조체 중 탄소나노튜브가 포함된 전도성 고분자의 복합체를 전착시킨 전극은, 보다 안정적이고 빠른 속도로 산화환원 반응이 일어날 수 있다. 이에 대한 자세한 내용은, 후술하는 실시예 3에서 설명하기로 한다.
도 3은 본원의 일 실시예에 따른 전기삼투펌프의 가역적인 전극반응을 설명하기 위한 도면이다.
제1 전극(13) 및 제2 전극(15) 중 어느 하나는 전기화학 반응을 통해 양이온을 발생시키고, 다른 하나는 양이온을 소모할 수 있다. 즉, 제1 전극(13) 및 제2 전극(15)에 포함된 전도성 고분자는 가역적인 전기화학 반응을 일으키는 것일 수 있으며, 이를 통해, 제1 전극(13)과 제2 전극(15)은 각각 정반응과 역반응이 모두 일어날 수 있다.
예를 들어, 도 3의 (a)를 참조하면, 제1 전극(13)은 양이온을 발생시킬 수 있고, 제2 전극(15)은 양이온을 소모할 수 있다. 이와 반대로, 도 3의 (b)를 참조하면, 제2 전극(15)은 양이온을 발생시킬 수 있고, 제1 전극(13)은 양이온을 소모할 수 있다.
전기삼투펌프(10)의 가역적인 전극반응은 제1 전극(13) 및 제2 전극(15) 각각에 전압의 극성을 교번하여 공급함으로써 이루어질 수 있으며, 이와 같이 전기화학 반응이 정방향과 역방향으로 반복해서 일어나도록 하여, 유체의 반복적인 왕복 이동에 의해 지속적인 펌핑력을 발생시키는 것이 가능하다.
제1 전극(13) 및 제2 전극(15)은 가역적인 전기화학 반응을 일으킬 수 있으므로, 제1 전극(13) 및 제2 전극(15)에 가하는 전압의 극성을 바꾸어 제1 전극(13) 및 제2 전극(15)에 일어나는 반응을 반대로 하면, 유체의 흐름을 반대 방향으로 할 수 있다.
보다 구체적으로, 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, 제1 전극(13)에 (+) 전압을 공급하고, 제2 전극(15)에 (-) 전극을 공급하여, (+) 전극(즉, 제1 전극(13))에서 (-) 전극(즉, 제2 전극(15))으로 유체(예를 들어, 도 3의 H2O)를 이동시킬 수 있고, 이를 교번시키면 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, 제2 전극(15)에 (+) 전압을 공급하고, 제1 전극(13)에 (-) 전극을 공급하여, (+) 전극(즉, 제2 전극(15))에서 (-) 전극(즉, 제1 전극(13))으로 유체(예를 들어, 도 3의 H2O)를 이동시킬 수 있다.
또한, 제1 전극(13) 및 제2 전극(15)이 가역적인 전극반응을 하는 전극물질을 활용한 경우, 제1 전극(13) 및 제2 전극(15)에 전압을 반대 극성으로 걸면, 전술한 바와 같이 유체 흐름을 바꿀 수 있을 뿐만 아니라, 전극반응이 역방향으로 일어나므로, 정방향으로 유체를 흘릴 때 정반응에 의해 소모된 전극활성물질을 원래의 상태로 되돌릴 수 있다.
즉, 제1 전극(13) 및 제2 전극(15)에 정방향으로 유체를 이동시키는 데에 사용된 전하량만큼 반대 방향의 전압 또는 전류를 걸어주게 되면, 정방향으로 이동된 유체의 양과 동일한 양의 유체를 반대 방향으로 이동시킬 수 있을 뿐 아니라, 제1 전극(13) 및 제2 전극(15)의 상태를 초기 상태로 돌이킬 수 있다.
따라서, 제1 전극(13) 및 제2 전극(15) 각각이 소모된 만큼 다시 재생될 수 있으므로, 전극(13, 15)의 소모를 방지할 수 있어, 전기삼투펌프(10)의 수명을 늘릴 수 있다. 따라서, 본 전기삼투펌프(10)는 다량의 이송대상유체를 지속적으로 이동시킬 수 있다.
도 4는 본원의 일 실시예에 따른 전기삼투펌프(10)의 분해 사시도이고, 도 5는 도 4에 도시된 전기삼투펌프(10)의 단면도이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 멤브레인(11)은 원판 형태일 수 있다. 이 때, 멤브레인(11)의 외주면에는 유체의 유출이 방지될 수 있도록 코팅재, 차단시트, 접착시트 등이 접합될 수 있다.
또한, 제1 전극(13) 및 제2 전극(15)은 멤브레인(11)의 형상에 대응하도록 원판 형태를 가질 수 있으며, 이 때, 제1 전극(13) 및 제2 전극(15)의 외주면에도 유체의 유출이 방지될 수 있도록 코팅재, 차단시트, 접착시트 등이 접합될 수 있다.
유체경로부(19)는 제1 전극(13)에 접합되는 중공의 제1 캡(191)을 포함할 수 있다. 또한, 유체경로부(19)는 제2 전극에 접합되는 중공의 제2 캡(193)을 포함할 수 있다.
제1 캡(191) 및 제2 캡(193)의 양단 중, 전극(13, 15)이 위치하는 단부와 반대 방향에 위치한 단부에는 유체가 이동될 수 있는 튜브(195)가 연결될 수 있다.
여기서, 튜브(195)는, 예시적으로 실리콘 튜브 등일 수 있다.
또한 본 전기삼투펌프(10)는 제1 전극(13)의 외주면에 끼워지는 제1 컨택 스트립(131)을 포함할 수 있다. 또한, 본 전기삼투펌프(10)는 제2 전극(15)의 외주면에 끼워지는 제2 컨택 스트립(151)을 포함할 수 있다.
제1 컨택 스트립(131) 및 제2 컨택 스트립(151)은 전원 공급부(17)와 연결되어 각각 제1 전극(13)과 제2 전극(15)에 전압 또는 전류를 전달할 수 있다.
제1 컨택 스트립(131) 및 제2 컨택 스트립(151)은 도전성 재질로 이루어질 수 있다. 예시적으로, 제1 컨택 스트립(131) 및 제2 컨택 스트립(151)은 은(Ag) 또는 구리(Cu) 등을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
예를 들어, 제1 컨택 스트립(131) 및 제2 컨택 스트립(151)은, 도 4에 도시된 바와 같이 제1 전극(13) 및 제2 전극(15) 각각의 외주면에 끼워질 수 있는 고리 형태일 수 있다.
한편, 이하에서는, 본원의 일 실시예에 따른 유체 펌핑 시스템(1000)(이하 '본 유체 펌핑 시스템'이라 함)에 대해 설명한다. 다만, 앞서 살핀 본원의 일 실시예에 따른 전기삼투펌프(10)에서 설명한 구성과 동일 또는 유사한 구성에 대해서는 동일한 도면부호를 사용하고, 중복되는 설명은 간략히 하거나 생략하기로 한다.
도 6은 본 유체 펌핑 시스템(1000)의 구성도이다.
본 유체 펌핑 시스템(1000)은 본 전기삼투펌프(10)를 포함한다.
앞서 설명한 바와 같이, 본 전기삼투펌프(10)는 전극(13, 15)에 전도성 고분자를 전착시키되, 작은 크기의 움직일 수 있는 음이온(small mobile anion)이 아닌 거대 고분자형태의 음이온을 포함하는 전도성 고분자를 전착시킴으로써, 전극(13, 15)의 산화환원 반응에 따라 음이온의 이동을 불가능하게 하는 대신, 양이온의 이동을 가능하게 한다. 양이온은 음전하를 띠는 멤브레인(11)을 통과하여 쉽게 이동할 수 있으므로, 본 전기삼투펌프(10)는 전극(13, 15)의 전기화학 반응 속도를 향상시킬 수 있어, 뛰어난 펌핑 성능을 가질 수 있다.
본 유체 펌핑 시스템(1000)은 본 전기삼투펌프(10)로부터 발생되는 펌핑력을 통해 이송대상유체를 용기에서 다른 용기 또는 외부로 이송시킬 수 있다.
여기서, 이송대상유체는, 비제한적 예시로서 약물, 수용액, 유기용액을 비롯하여 다양한 유체를 포함하는 것일 수 있다.
본 유체 펌핑 시스템(1000)은 격리재(30)를 포함한다.
격리재(30)는 전기삼투펌프(10)의 적어도 일단에 설치되어 유체와 이송대상유체를 분리한다.
격리재(30)는 유체와 이송대상유체가 섞이는 것이 방지되도록 유체가 들어있는 공간과 이송대상유체가 들어있는 공간을 구획하면서, 유체의 이동에 의해 발생되는 펌핑력을 이송대상유체에 전달하는 역할을 한다.
이와 같은 격리재(30)는, 비제한적 예시로서, 오일 갭(oil gap)을 형성하도록 하는 오일, 탄성을 가진 얇은 막으로 이루어지는 고무나 금속판 등의 다이아프램, 고분자막, 슬라이더 등을 포함하는 것일 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 전도성 고분자는 가역적인 전기화학 반응을 일으킬 수 있다. 이를 통해, 제1 전극(13) 및 상기 제2 전극(15) 각각에 전압의 극성을 교번하여 공급함으로써 전기화학 반응이 정방향과 역방향으로 반복해서 일어나도록 하여, 유체의 반복적인 왕복 이동에 의해 펌핑력을 발생시킬 수 있다.
예를 들어, 전기삼투펌프(10)는 격리재(30)를 통해 이송대상유체에 흡입력과 배출력을 반복적으로 전달할 수 있다. 이송대상유체에 흡입력이 전달되는 경우, 이송대상유체는 용기(60)로부터 이송라인(50)으로 유출될 수 있고, 이송대상유체에 배출력이 전달되는 경우, 이송대상유체는 이송라인(50)에서 외부로 유출될 수 있다. 즉, 전기삼투펌프(10)가 발생시키는 펌핑력은 흡입력 및 배출력일 수 있다.
또한, 앞서 설명한 바와 같이, 제1 전극(13)및 제2 전극(15)이 가역적인 전기화학 반응을 하는 전도성 고분자 물질을 포함함으로써, 제1 전극(13) 및 제2 전극(15)에 전압을 반대 극성으로 걸면, 제1 전극(13) 및 제2 전극(15) 각각이 소모된 만큼 다시 재생될 수 있다. 따라서, 전기삼투펌프(10)의 수명을 늘릴 수 있어, 다량의 이송대상유체를 지속적으로 이송시킬 수 있다.
본 유체 펌핑 시스템(1000)은 전기삼투펌프(10)로부터의 펌핑력을 전달받아 이송대상유체를 이송시키기 위한 경로를 제공하는 이송라인(50)을 포함할 수 있다.
이송라인(50)은 일단이 용기(60)에 연결되고, 타단이 외부와 연결됨으로써, 이송대상유체가 이송되는 경로를 제공할 수 있다.
예시적으로, 이송라인(50)은 파이프나 호스 등일 수 있고, 이송대상유체의 특성에 따라 적절한 재질로 이루어질 수 있다.
본 유체 펌핑 시스템(1000)은 이송라인(50)의 양단에 구비되어 이송대상유체의 흐름을 허용하거나 제한하도록 개폐되는 제1 개폐부(20) 및 제2 개폐부(40)를 포함한다.
즉, 제1 개폐부(20) 및 제2 개폐부(40)는 각각 유체가 흐를 수 있도록 열리거나 유체가 흐르지 않도록 닫힐 수 있으며, 예시적으로 밸브, 보다 구체적으로는 일방향으로만 유체의 흐름을 허용하는 체크밸브(check valve)일 수 있다.
이 때, 제1 개폐부(20) 및 제2 개폐부(40)의 개폐는 상호 반대의 상태로서, 제1 개폐부(20) 및 제2 개폐부(40) 중 어느 하나가 열리면 다른 하나는 닫힐 수 있다.
예를 들어, 이송대상유체에 흡입력이 전달되면, 제1 개폐부(20)는 열리고, 제2 개폐부(40)는 닫힐 수 있다. 이와 반대로, 이송대상유체에 배출력이 전달되면 제1 개폐부(20)는 닫히고, 제2 개폐부(40)는 열릴 수 있다.
전기삼투펌프(10)의 유체가 ① 방향으로 이동되면, 격리재(30)가 ① 방향으로 이동된다. 이에 따라, 이송대상유체는 전기삼투펌프(10)를 향하는 방향으로 흡입력을 받게 된다. 이 때, 용기(60) 내에 존재하는 이송대상유체는 이송라인(50)으로 유출되어야 하지만, 외부로 이미 주입된 이송대상유체는 다시 이송라인(50)으로 역주입되는 것이 방지되어야 한다. 따라서, 이송대상유체에 흡입력이 전달되면, 제1 개폐부(20)는 열림으로써 용기(60)에서 이송라인(50)으로 이송대상유체가 이동되도록 할 수 있고(이송대상유체가 ⓐ 방향으로 이동), 제2 개폐부(40)는 닫힘으로써 외부에서 이송라인(50)으로 이송대상유체가 역주입되는 것을 방지할 수 있다.
전기삼투펌프(10)의 유체가 ① 방향으로 이동될 때의 전압과 반대 극성의 전압을 전극(13, 15)에 걸어주면, 유체가 ② 방향으로 이동되고, 격리재(30)가 유체에 의해 밀려 ② 방향으로 이동된다. 이에 따라, 이송대상유체는 전기삼투펌프(10)로부터 멀어지는 방향으로 배출력을 받게 된다. 이 때, 이송라인(50) 내에 존재하는 이송대상유체는 외부로 전달되어야 하지만, 다시 용기(60)로 역주입되는 것이 방지되어야 한다. 따라서, 이송대상유체에 배출력이 전달되면, 제2 개폐부(40)는 열림으로써 이송라인(50)에서 외부로 이송대상유체가 이동되도록 할 수 있고(이송대상유체가 ⓑ 방향으로 이동), 제1 개폐부(20)는 닫힘으로써 이송라인(50)에서 용기(60)로 이송대상유체가 역주입되는 것을 방지할 수 있다.
이 때, 제1 개폐부(20) 및 제2 개폐부(40)가 체크밸브인 경우, 이송라인(50) 내에 각 체크밸브를 반대 방향으로 설치함으로써, 전술한 바와 같이 이송대상유체가 원하는 방향으로만 유출되도록 하는 제1 개폐부(20) 및 제2 개폐부(40)의 동작을 쉽게 구현할 수 있다.
이와 같이, 본 유체 펌핑 시스템(1000)은 제1 전극(13) 및 제2 전극(15)의 양단에 걸리는 전압을 반복해서 교번시킴으로써 이송대상유체에 흡입력과 배출력을 번갈아 가며 전달하되, 제1 개폐부(20) 및 제2 개폐부(40)를 통해 이송대상유체의 흐름을 허용하거나 제한함으로써, 이송대상유체를 지속적으로 이송시킬 수 있다.
본 유체 펌핑 시스템(1000)은 제1 개폐부(20)와 제2 개폐부(40) 사이의 이송라인(50)에서 분기되어 전기삼투펌프(10)와 연결되어, 펌핑력을 이송라인(50)에 전달하는 펌핑라인(70)을 포함할 수 있다.
펌핑라인(70)은 제1 개폐부(20)와 제2 개폐부(40) 사이의 이송라인(50)에서 분기되도록 구비됨으로써, 제1 개폐부(20) 측과 제2 개폐부(40) 측에 모두 펌핑력을 전달할 수 있다.
펌핑라인(70) 내에는 격리재(30)가 구비될 수 있다. 이를 통해, 전기삼투펌프(10)에 의해 발생되는 펌핑력을 이송대상유체에 전달할 수 있다.
본 유체 펌핑 시스템(1000)은, 유체의 이동에 의한 격리재(30)의 이동 시, 격리재(30)의 이동 거리를 제한하도록 구비되는 스토퍼(80)를 포함할 수 있다.
예를 들어, 스토퍼(80)는 전기삼투펌프(10)에 의해 발생되는 펌핑력으로 인해 격리재(30)가 펌핑라인(70)의 단부까지 이동되어 빠지는 것을 방지할 수 있다. 또한, 스토퍼(80)는 격리재(30)가 이송대상유체로부터 미는 힘을 받아 전기삼투펌프(10)와 접촉되는 것을 방지할 수도 있다.
이 때, 스토퍼(80)는 격리재(30)의 양측에 각각 설치될 수 있다.
전기삼투펌프(10)측에 인접하게 설치된 스토퍼(80)는 격리재(30)가 전기삼투펌프(10)와 접촉되는 것을 방지할 수 있고, 이송라인(50)에 인접하게 설치된 스토퍼(80)는 격리재(30)가 펌핑라인(70)의 단부를 통해 빠지는 것을 방지할 수 있다.
본 전기삼투펌프(10) 및 본 유체 펌핑 시스템(1000)은, 분자성 음이온이 아닌 음이온 고분자(거대고분자 음이온)가 혼입된 전도성 고분자를 전극(13, 15)에 전착시킴으로써, 전극(13, 15)의 산화환원 반응에 따른 전하균형을 맞추기 위한 이온의 이동 시, 음이온의 이동을 불가능하게 하는 대신, 유체 내에 존재하는 양이온의 이동을 가능하게 한다. 양이온은 음전하를 띠는 멤브레인(11)과의 사이에 인력이 발생되어, 멤브레인(11)을 원활하게 이동할 수 있으므로, 전극(13, 15)의 전기화학 반응 속도를 향상시킬 수 있고, 이를 통해 전기삼투펌프(10)의 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 전기삼투펌프(10) 및 본 유체 펌핑 시스템(1000)은, 제1 전극(13) 및 제2 전극(15)이 가역적인 전기화학 반응을 할 수 있는 전도성 고분자를 포함함으로써, 제1 전극(13) 및 제2 전극(15)에 전압을 반대 극성으로 걸어 전극반응이 역방향으로 일어나도록 하여, 정방향으로 유체를 흘릴 때 소모된 전극활성물질을 원래의 상태로 되돌릴 수 있다. 따라서, 본 전기삼투펌프(10) 및 본 유체 펌핑 시스템(1000)은, 전극(13, 15)의 크기 및 구성을 그대로 유지하면서 가스 발생 없이 다량의 유체를 장시간 이동시킬 수 있으므로, 긴 수명과 높은 활용도를 가질 수 있다.
이하에서는, 다양한 실시예와 비교예를 통해 본원에 의한 효과를 구체적으로 확인한다. 다만, 본원이 이하의 실시예에 의하여 제한되는 것은 아니다.
[실시예 1]
멤브레인은 500 nm 크기의 실리카를 이용하여 만든 두께 2 mm, 지름 8 mm의 디스크 멤브레인을 사용하였고, 전극은 8 mm 지름의 디스크형 다공성 탄소전극에 PANI-PSS-를 전착시킨 것을 사용하였다. PANI-PSS- 의 전착은 -0.2 V 내지 1.2 V vs Ag/AgCl 구간을 50 mV/s로 20 번 순환시키는 산화전착법을 이용하였다. PANI-PSS-를 합성할 때는 단량체를 0.1 M 아닐린으로 하고, 0.3 M PSSA (polystyrenesulfonic acid) 용액을 사용하였다.
[실시예 2]
실시예 2는 디스크형 다공성 탄소전극에 PANI-PSS- 가 아닌 PEDOT-PSS-를 전착시킨 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 조건으로 수행되었다. PEDOT는 EDOT(3,4-ethylenedioxythiophene)를 단량체로 사용하여 전도성 고분자를 중합시킨 것이다.
[실시예 3]
실시예 3은 CNT(carbon nanotube)가 포함된 전도성 고분자의 복합체를 전기삼투펌프의 전극 물질로 활용하였다. 전극의 제조는 아래와 같이 수행했다. MW-CNT (multiwall carbon nanotube)를 염산용액에서 세정한 후, 50 mg을 30 % PSSA 용액 6 mL 와 함께 90 mL 부피의 물에 넣어 24시간 저어주어 잘 분산되도록 하였다. 이 분산용액에 아닐린 원액 0.9 mL를 넣은 후, 초음파 처리를 한 다음, 밤새 잘 저으면서 섞이도록 하였다. 그 후, 용액에 0 ℃로 유지하며 2.2 g의 APS (ammonium peroxysulfate)를 천천히 넣어주면 PANI-PSS-CNT 복합체가 형성되어 분산된 상태로 존재하게 된다. 여기에 다공성 탄소전극을 딥코팅(dip-coating)하여 상온에 말리기를 2번 반복하면, PANI-PSS-CNT 복합체가 코팅된 전극이 만들어진다.
[비교예 1]
비교예 1은 디스크형 다공성 탄소전극에 PANI-PSS- 가 아닌 PANI-NO3 -를 전착시킨 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 조건으로 수행되었다. PANI-NO3 - 를 합성할 때는 0.1 M 아닐린을 단량체로 하고, 0.3 M HNO3 용액을 사용하였다.
[비교예 2]
비교예 2는 디스크형 다공성 탄소전극에 PANI-PSS- 가 아닌 PANI-SO4 2 -를 전착시킨 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 조건으로 수행되었다. PANI-SO4 2 - 를 합성할 때는 0.1 M 아닐린을 단량체로 하고, 0.3 M H2SO4 용액을 사용하였다.
[실시예 1 vs 비교예 1]
실시예 1의 전극(PANI-PSS-가 전착된 전극)과 비교예 1의 전극(PANI-NO3 -가 전착된 전극)을 각각 포함하는 전기삼투펌프의 양단에 1.5 V를 인가하였을 때, 10분 동안 관찰한 전류값의 변화는 도 7의 (a)와 같고, 측정된 유속은 도 7의 (b)와 같다.
도 7을 참조하면, PANI-NO3 -가 전착된 전극을 포함하는 전기삼투펌프의 경우, 초기에 3 μL/min 정도의 유속을 보일 뿐, 1분 후에는 거의 펌프로서의 기능을 상실함을 알 수 있다. 반면, PANI-PSS-가 전착된 전극을 포함하는 전기삼투펌프의 경우, 초기 13 μL/min의 유속을 보이고 조금씩 유속은 감소하지만 10분 정도까지 펌핑이 가능함을 확인할 수 있다.
이를 통해, 작은 분자성 이온이 혼입된 전도성 고분자 전극에 비해, 음이온 고분자가 혼입된 전도성 고분자 전극을 포함하는 전기삼투펌프가 펌핑 성능이 훨씬 뛰어남을 알 수 있다.
또한, 도 8의 (a)은 비교예 1의 전극을 포함하는 전기삼투펌프의 양단에 1.5 V의 전압을 1분마다 교번하여 걸어주었을 때의 전류응답 그래프이고, 도 8의 (b)는 실시예 1의 전극을 포함하는 전기삼투펌프의 양단에 1.5 V의 전압을 1분마다 교번하여 걸어주었을 때의 전류응답 그래프이다.
도 8의 (a)를 참조하면, PANI-NO3 -가 전착된 전극을 포함하는 전기삼투펌프의 경우, 50 μA 이내의 전류가 흐름을 확인할 수 있고, 유속이 3 μL/min 이내에 불과하였다. 반면, 도 8의 (b)를 참조하면, PANI-PSS-가 전착된 전극을 포함하는 전기삼투펌프의 경우, 약 150 μA의 전류가 흐름을 확인할 수 있고, 10 μL/min의 유속을 정방향, 역방향 각각 유지할 수 있었다.
이를 통해, 작은 분자성 이온이 혼입된 전도성 고분자 전극에 비해, 음이온 고분자가 혼입된 전도성 고분자 전극을 포함하는 전기삼투펌프가 정방향 및 역방향의 전극반응에 따라 훨씬 안정되고 빠른 유속을 가지는 것을 알 수 있다.
한편, 도 9는 PANI-PSS-가 전착된 전극을 사용한 전기삼투펌프를 포함하는 유체 펌핑 시스템의 수명을 나타낸 그래프이다. 도 9를 참조하면, PANI-PSS-가 전착된 전극을 사용한 전기삼투펌프를 포함하는 유체 펌핑 시스템의 경우, 2달 이상 안정되게 작동하였고, 이 기간 동안 이송대상유체를 약 150 ㎖ 이상 이송시킴을 확인할 수 있다. 즉, 전극의 소모와 재생이 반복적으로 일어남에 따라, 전기삼투펌프를 안정적으로 장기간 사용할 수 있다.
[실시예 1 vs 비교예 2]
도 10은 비교예 2의 전극(PANI-SO4 2 -가 전착된 전극)을 포함하는 전기삼투펌프의 양단에 1.5 V 전압을 1분마다 교번하여 걸어주었을 때의 전류응답 그래프이다.
도 10을 참조하면, PANI-SO4 2 -가 전착된 전극을 포함하는 전기삼투펌프의 경우, 40 μA 이내의 전류가 흐름을 확인할 수 있고, 유속이 3 μL/min에 불과하였다. 이를 통해, 약 150 μA의 전류가 흐르고, 유속이 10 μL/min인 실시예 1의 PANI-PSS- 가 전착된 전극을 포함하는 전기삼투펌프의 경우에 비해, 펌프 성능이 현저히 떨어짐을 알 수 있다.
[실시예 2 vs 비교예 1, 2]
도 11은 실시예 2의 전극(PEDOT-PSS-가 전착된 전극)을 포함하는 전기삼투펌프의 양단에 1.5 V 전압을 1분마다 교번하여 걸어주었을 때의 전류응답 그래프이다.
도 11을 참조하면, PEDOT-PSS-가 전착된 전극을 포함하는 전기삼투펌프의 경우, 약 80 μA의 전류가 흐름을 확인할 수 있고, 유속이 7 μL/min로서, 비교예 1, 2에 비해 전류응답의 크기가 크고, 유속이 빠름을 알 수 있다. 즉, 분자성 음이온이 혼입된 전도성 고분자에 비해, 음이온 고분자가 혼입된 전도성 고분자를 포함하는 전극이 뛰어난 펌프 성능을 가짐을 알 수 있다.
[실시예 3 vs 실시예 1, 2]
도 12의 (a) 및 (b)는 각각, 실시예 3의 전극(PANI-PSS-CNT 복합체가 코팅된 전극)을 포함하는 전기삼투펌프의 양단에 1.5 V 전압을 1분마다 교번하여 걸어주었을 때의 전류응답을 나타낸 그래프와, 유속을 나타낸 그래프이다.
PANI-PSS-CNT 복합체가 코팅된 전극을 포함하는 전기삼투펌프의 경우, 도 12의 (a)를 참조하면, 약 250 μA이상의 전류가 흐름을 확인할 수 있고, 도 12의 (b)를 참조하면, 유속이 약 15 μL/min임을 확인할 수 있다. 이는 실시예 1, 2에 비해 전류응답이 크고 유속이 빠르므로, 실시예 1, 2에 비해 펌프 성능이 뛰어남을 알 수 있다.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10: 전기삼투펌프 11: 멤브레인
13: 제1 전극 15: 제2 전극
17: 전원 공급부 19: 유체경로부
191: 제1 캡 193: 제2 캡
131: 제1 컨택 스트립 151: 제2 컨택 스트립
1000: 유체 펌핑 시스템 30: 격리재
50: 이송라인 70: 펌핑라인
20: 제1 개폐부 40: 제2 개폐부
80: 스토퍼 195: 튜브
60: 용기

Claims (25)

  1. 전기삼투펌프에 있어서,
    유체의 이동을 허용하는 멤브레인; 및
    상기 멤브레인의 양측에 각각 마련되고, 유체의 이동을 허용하도록 다공성 재질 또는 구조로 형성되는 제1 전극 및 제2 전극을 포함하되,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 음이온 고분자가 혼입된 전도성 고분자를 포함하고,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극의 전기화학 반응은 전하균형이 맞추어지는 방향으로 양이온이 이동됨으로써 일어나는 것인, 전기삼투펌프.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전도성 고분자는 상기 음이온 고분자가 포함된 용액에서 단량체의 중합반응을 통해 형성되는 것인, 전기삼투펌프.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 양이온은 상기 유체의 해리로 인해 상기 유체 내에 존재하는 것인, 전기삼투펌프.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 어느 하나는 상기 전기화학 반응을 통해 양이온을 발생시키고, 다른 하나는 양이온을 소모하는 것인, 전기삼투펌프.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 양이온은 1가 양이온을 포함하는 것인, 전기삼투펌프.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 양이온은 수소 이온(H+)을 포함하는 것인, 전기삼투펌프.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 전도성 고분자는 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤(polypyrrle), 폴리티오펜(polythiophene), 폴리타이오닌(polythionine), 및 퀴논 폴리머(quinone polymer), 이들의 유도체 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함하는 것인, 전기삼투펌프.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 음이온 고분자는 폴리스티렌 설포네이트(polystyrene sulfonate), SPEEK(sulfonated-polyetheretherketone), 폴리아크릴레이트(polyacrylate), 폴리비닐포스포네이트(polyvinylphosphonate), 폴리옥소메탈레이트(polyoxometalate), 및 나피온(nafion), 이들의 유도체 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 것을 포함하는 것인, 전기삼투펌프.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극은 탄소 나노 구조체를 포함하는 것인, 전기삼투펌프.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 탄소 나노 구조체는 탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT), 그래핀(graphene), 탄소 나노입자(carbon nanoparticle), 풀러렌(fullerene), 흑연(graphite) 중 하나 이상을 포함하는 것인, 전기삼투펌프.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 전도성 고분자는 가역적인 전기화학 반응을 일으키는 것인, 전기삼투펌프.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 각각에 전압의 극성을 교번하여 공급함으로써 정방향 및 역방향의 상기 전기화학 반응이 반복해서 일어나도록 하여, 상기 유체의 반복적인 왕복 이동에 의해 펌핑력을 발생시키는 것인, 전기삼투펌프.
  13. 제 12 항에 있어서,
    반복적인 정방향 및 역방향의 상기 전기화학 반응에 의해, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 각각은 소모 및 재생이 반복되는 것인, 전기삼투펌프.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극에 전압의 극성을 교번하여 공급하는 전원 공급부를 더 포함하는, 전기삼투펌프.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 전원 공급부는,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 각각에 직류 전압을 공급하는 직류공급장치; 및
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 각각에 공급되는 상기 직류 전압의 극성을 설정된 시간마다 교번하여 전환시키는 전압방향 전환장치를 포함하는 것인, 전기삼투펌프.
  16. 유체 펌핑 시스템에 있어서,
    제 1 항에 따른 전기삼투펌프; 및
    상기 전기삼투펌프의 적어도 일단에 설치되어 상기 유체와 이송대상유체를 분리하는 격리재를 포함하는, 유체 펌핑 시스템.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 전도성 고분자는 가역적인 전기화학 반응을 일으키는 것인, 유체 펌핑 시스템.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 각각에 전압의 극성을 교번하여 공급함으로써 정방향 및 역방향의 상기 전기화학 반응이 반복해서 일어나도록 하여, 상기 유체의 반복적인 왕복 이동에 의해 펌핑력을 발생시키는 것인, 유체 펌핑 시스템.
  19. 제 18 항에 있어서,
    반복적인 정방향 및 역방향의 상기 전기화학 반응에 의해, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 각각은 소모 및 재생이 반복되는 것인, 유체 펌핑 시스템.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 전기삼투펌프는, 상기 격리재를 통해 상기 이송대상유체에 흡입력과 배출력을 반복적으로 전달하여 상기 펌핑력을 발생시키는 것인, 유체 펌핑 시스템.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 전기삼투펌프로부터의 상기 펌핑력을 전달받아 상기 이송대상유체를 이송시키기 위한 경로를 제공하는 이송라인을 더 포함하는, 유체 펌핑 시스템.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 이송라인의 양단에 구비되어 상기 이송대상유체의 흐름을 허용하거나 제한하도록 개폐되는 제1 개폐부 및 제2 개폐부; 및
    상기 제1 개폐부와 상기 제2 개폐부 사이의 상기 이송라인에서 분기되어 상기 전기삼투펌프와 연결되어, 상기 펌핑력을 상기 이송라인에 전달하는 펌핑라인을 더 포함하는, 유체 펌핑 시스템.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 제1 개폐부 및 상기 제2 개폐부의 개폐는 상호 반대로 작용하는 것인, 유체 펌핑 시스템.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 이송대상유체에 상기 흡입력이 전달되면, 상기 제1 개폐부는 열리고, 상기 제2 개폐부는 닫히는 것인, 유체 펌핑 시스템.
  25. 제 23 항에 있어서,
    상기 이송대상유체에 상기 배출력이 전달되면, 상기 제1 개폐부는 닫히고, 상기 제2 개폐부는 열리는 것인, 유체 펌핑 시스템.
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