KR101523174B1

KR101523174B1 - 이온농축장치 및 이를 이용한 이온농축방법

Info

Publication number: KR101523174B1
Application number: KR1020140061978A
Authority: KR
Inventors: 김성재; 김기홍; 김원석
Original assignee: 주식회사 포스코
Priority date: 2014-05-23
Filing date: 2014-05-23
Publication date: 2015-05-27

Abstract

본 발명은 이온농도분극 현상을 이용한 이온농축장치 및 이를 이용한 이온농축방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 이온농축장치는 이온농도분극층을 형성하여 금속 이온을 농축하고, 농축된 금속 이온을 액적화함으로써 농축하고자 하는 대상이온을 농축조건의 영향을 많이 받지 않으면서 안정적으로 대량 농축할 수 있으므로, 리튬 이온 등의 금속 이온을 농축하는데 유용하게 사용될 수 있다.

Description

이온농축장치 및 이를 이용한 이온농축방법{Device for concentrating ion and concentrating method of ion using the same}

본 발명은 이온농도분극 현상을 이용한 이온농축장치 및 이를 이용한 이온농축방법에 관한 것이다.

최근 리튬의 수요가 급격하게 증가되고 있으며, 이를 위하여 해수 등과 같은 수용액이나, 폐용액 등으로부터 미량으로 용해되어 있는 리튬을 획득하기 위한 연구가 큰 주목을 받고 있다. 이와 함께, 실제 사용을 위하여 획득한 리튬의 농축과 관련된 연구 활발히 진행되고 있다.

그 예로서, 특허문헌 1은 해수로부터 강제증발법 및 침전법을 이용하여 기타 불순물을 제거함과 동시에 고순도 리튬 산물인 탄산 리튬을 제조하는 방법이 개시하고 있다.

또한, 특허문헌 2는 해수 담수화 처리에서의 역삼투 공정에서 발생되는 농축수를 해양으로 방류하지 않고, 농축수에 함유되는 불순물을 제거한 후 유용금속을 회수할 수 있도록 하는 해수 담수화에 따른 농축수 내 유용금속 회수 장치 및 그 회수 방법을 개시하고 있다.

아울러, 특허문헌 3은 해수 등의 리튬 이온을 포함하는 용액에 인 공급 물질을 투입하여 용존 리튬을 인산리튬으로 석출시킴으로써 장시간에 걸친 염수의 증발 및 농축 과정이 요구되지 않는 리튬 회수방법을 개시하고 있다.

최근에는 미세유체 시스템(microfluidic system)을 이용한 농축 장치가 개발되고 있으며, 그 종류로는 배치형 농축기(batch type concentrator), 연속형 농축기(continuous type concentrator) 등이 있다.

상기 배치형 농축기는 1,000 내지 100만 배의 높은 농축율을 특징으로 하나, 시간에 따라 변화하는 전기장, 농도장 등의 조건에 의존하므로 농축을 위한 안정적 구동이 요원한 문제가 있다. 연속형 농축기는 시료 흐름의 정교한 제어가 가능하나, 수행하는 시료의 양이 증가됨에 따라 장치의 크기도 거의 선형적으로 증가하므로, 장치의 스케일링-업(scaling-up)에 대한 한계를 가지게 된다. 또한, 이러한 시료 흐름 특성으로 인하여 시료의 빠른 혼합이 어려운 문제가 있다. 이와 함께, 일반적으로 입자의 크기가 작을수록 확산계수가 큰 특성을 가지게 된다. 즉, 액상시료 내에 존재하는 금속 이온의 경우 큰 확산계수로 인하여 농축 후 농도가 감소될 수 있다.

따라서, 대량의 금속 이온을 농축할 수 있을 뿐만 아니라, 농축된 금속 이온의 농도를 안정적으로 유지시킬 수 있는 이온농축장치 및 농축방법의 개발이 요구되고 있다.

국제 공개특허 제2012091305호; 대한민국 등록특허 제10-1338233호; 대한민국 등록특허 제10-1353342호.

본 발명의 목적은 대량의 대상이온을 안정적으로 농축하는 이온농축장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 상기 이온농축장치를 이용한 이온농축방법을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 일실시예에서,

대상이온을 포함하는 액상시료가 유입되는 시료 유입로;

시료 유입로와 유체 연결되어 대상이온이 농축되는 농축로;

농축로와 유체 연결되고, 농축된 대상이온이 액적화되는 액적로;

액적로와 유체 연결되어 대상이온 액적이 배출되는 유출로;

농축로 말단을 접지하는 구조이고, 이온농도분극층을 형성하는 접합부;

시료 유입로의 초입에 전압(V_in)을 인가하고, 전압(V_in)의 전위에 따라 이온농도분극층의 형성영역을 제어하는 유닛; 및

유출로 초입에 유체 연결되고, 오일을 주입하는 오일 주입기를 포함하는 이온농축장치를 제공한다.

또한, 본 발명은 일실시예에서, 상기 이온농축장치를 이용하여 대상이온을 농축하는 이온농축방법을 제공한다.

본 발명에 따른 이온농축장치는 이온농도분극층을 형성하여 금속 이온을 농축하고, 농축된 금속 이온을 액적화함으로써 농축하고자 하는 대상이온을 농축조건의 영향을 많이 받지 않으면서 안정적으로 대량 농축할 수 있으므로, 리튬 이온 등의 금속 이온을 농축하는데 유용하게 사용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 이온농축장치(n=1인 경우)의 구조를 도시한 구조도이다;
도 2는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 이온농축장치(n≥2인 경우)의 구조를 도시한 구조도이다;
도 3은 상기 도 2에 도시된 이온농축장치(n≥2인 경우)의 농축로 및 액적로를 확대하여 나타낸 확대도이다;
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 이온농축장치(n=1인 경우)를 이용하여 대상이온이 농축되고 액적화되는 과정을 촬영한 이미지이다: 여기서, A는 농축로 내부에 이온농도분극층이 형성된 직후의 이미지이고; B는 이온농도분극층에 의해 대상이온이 농축된 이미지이며; 및 C는 대상이온이 농축된 액상시료에 오일을 주입하여 액적화된 액상시료가 이동하는 이미지이다;
도 5는 본 발명의 이온농축장치(n=1인 경우)를 이용하여 대상이온을 농축하는 과정에 따른 대상이온의 농도를 나타낸 그래프이다;
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 이온농축장치(n≥2인 경우)를 이용하여 대상이온을 농축시키는 단계를 촬영한 이미지이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다.

그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

또한, 본 발명에서 첨부된 도면은 설명의 편의를 위하여 확대 또는 축소하여 도시된 것으로 이해되어야 한다.

이하, 본 발명에 대하여 도면을 참고하여 상세하게 설명하고, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

이온농도분극 현상은 나노막을 갖는 구조에서 관찰되는 전기화학 전달 현상 중 하나로서, 상기 나노막은 전기 이중층의 두께가 나노막의 두께와 가까워지면, 전기 이중층의 겹침으로 인하여 단일 이온 투과성을 보이는 것으로 알려져 있다. 최근, 이온농도분극 현상을 기반으로 하는 농축 장치가 개발되고 있으며, 그 종류로는 배치형 농축기(batch type concentrator), 연속형 농축기(continuous type concentrator) 등이 있다.

상기 배치형 농축기는 1,000 내지 100만 배의 높은 농축율을 특징으로 하나, 시간에 따라 변화하는 전기장, 농도장 등의 조건에 의존하므로 농축을 위한 안정적 구동이 요원한 문제가 있다. 연속형 농축기는 설계된 마이크로관의 분지 개수 혹은 분지의 크기비율에 따라 최대 농축비가 결정되므로, 분지 개수를 증가시킬 경우, 관의 크기가 작아짐에 따라 처리 용량이 감소되어 클로깅 현상이 발생될 수 있다. 이와 함께, 일반적으로 입자의 크기가 작을수록 확산계수가 큰 특성을 가지게 된다. 즉, 액상시료 내에 존재하는 금속 이온의 경우 큰 확산계수로 인하여 농축 후 농도가 감소될 수 있다. 따라서, 대량의 금속 이온을 농축할 수 있을 뿐만 아니라, 농축된 금속 이온의 농도를 안정적으로 유지시킬 수 있는 이온농축장치 및 농축방법의 개발이 요구되고 있다.

이러한 문제점들을 극복하기 위해서, 본 발명은 이온농도분극 현상을 이용한 이온농축장치 및 이를 이용한 이온농축방법을 제안한다.

이하, 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

본 발명은 일실시예에서,

대상이온을 포함하는 액상시료가 유입되는 시료 유입로;

시료 유입로와 유체 연결되어 대상이온이 농축되는 농축로;

액적로와 유체 연결되어 대상이온 액적이 배출되는 유출로;

시료 유입로의 초입에서 전압(V_in)을 인가하고, 전압(V_in)의 전위에 따라 이온농도분극층의 형성영역을 제어하는 유닛; 및

본 발명에 따른 상기 이온농축장치는 이온농도분극 현상을 이용하여 대상이온을 농축할 수 있다.

상기 이온농도분극 현상은 나노막을 갖는 구조에서 관찰되는 전기화학 전달 현상 중의 하나로서, 전기 이중층의 두께가 나노막의 크기와 유사해질 경우, 전기 이중층의 겹침에 의해 나노막 전하와 동일한 전하를 갖는 이온들은 확산과 표류력에 의해 나노막을 통과하지 못하고, 나노막 전하와 반대 전하를 갖는 이온들만이 통과할 수 있게 된다. 이때, 나노막 경계에서는 이온들의 공핍과 과다 현상이 유도되는데, 나노막을 통과하지 못한 이온들 사이에서는 강한 전기적인 반발력이 작용하여 양이온과 음이온 모두 영향을 받게 된다. 이에 따라 이온농도분극층 외부에는 이온들의 농축된다.

본 발명에 따른 이온농축장치는 상술된 이온농도분극 현상을 이용한 것으로, 마이크로 구조를 갖는 농축로의 말단에 나노 구조의 접합부를 도입하여 이온농도분극층을 형성함으로써, 농축하고자 하는 대상이온을 농축할 수 있으며, 농축된 대상이온의 액적화를 통하여 안정적으로 농축된 대상이온을 얻을 수 있다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 상기 이온농축장치(100 및 00A)의 구조를 도시한 구조도이다.

도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 상기 이온농축장치(100 및 100A)는 시료 유입로(101), 농축로(102), 액적로(103), 유출로(104), 접합부(105), 유닛(111), 및 오일 주입기(106)를 포함한다. 이하, 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명에 따른 이온농축장치(100 및 100A)의 각 구성요소를 보다 상세히 설명한다.

먼저, 본 발명에 따른 이온농축장치(100 및 100A)에 있어서, 상기 시료 유입로(101)는 농축하고자 하는 대상이온을 함유하고 있는 액상시료(107)가 유입되는 곳으로서, 유입된 액상시료(107)가 농축로(102)로 이동할 수 있는 경로를 제공하는 역할을 수행한다.

이때, 상기 시료 유입로(101)는 초입에 전압(V_in)을 인가하는 유닛(111)을 포함할 수 있다.

다음으로, 본 발명에 따른 이온농축장치(100 및 100A)에 있어서, 상기 농축로(102)는 시료 유입로(101)와 유체 연결되어 시료 유입로(101)로부터 유입되는 액상시료(107)에 포함된 대상이온을 농축하는 역할을 수행한다.

이때, 본 발명에 따른 상기 농축로(102)는 n개(n≥1을 만족하는 정수)의 분지를 포함하는 분지 구조를 가질 수 있다. 구체적으로, 본 발명의 따른 상기 농축로(102)가 1개의 분지 농축로를 포함하는 구조를 가질 수 있으며, 도 2에 나타낸 바와 같이, 2개 이상의 분지 농축로를 포함하는 분지 구조를 가질 수도 있다.

상기 이온농도분극층은 전압(V_in) 인가 시, 나노 정션(105a)으로부터 거리가 멀어질수록 정전기력의 세기(F_ICP)는 약해지므로 대량의 대상이온을 농축하기 위하여 농축로(102)의 너비가 넓힐 경우, 농축로(103)의 확장된 너비로 인해 이온농도분극층이 형성되지 않거나, 형성되더라도 그 영역이 충분하지 않아 대상이온의 농축이 효율적으로 수행되지 않을 수 있다. 그러나, 본 발명에 따른 상기 농축로(102)는 도 6에 나타낸 바와 같이, 1개 이상의 분지 농축로(102)를 포함하는 분지 구조를 가짐으로써, 각 분지 농축로(102)에 이온농도분극층을 형성하여 넓은 영역에 걸쳐 형성할 수 있으므로, 대량의 대상이온 농축이 용이하다.

이때, 본 발명에 따른 상기 분지 너비, 즉 분지 농축로의 너비는 액상시료(107)의 이동 시, 저항이 높게 발생하지 않으면서, 나노 정션에 의해 이온농도분극층이 충분히 형성될 수 있는 범위라면, 특별히 제한되는 것은 아니다. 구체적으로 예를 들면, 10 내지 200 μm일 수 있다. 보다 구체적으로 예를 들면, 10 내지 200 μm; 10 내지 160 μm; 25 내지 150 μm; 50 내지 120 μm; 50 내지 100 μm; 20 내지 100 μm; 50 내지 150 μm; 10 내지 50 μm; 또는 10 내지 25 μm 일 수 있다.

다음으로, 본 발명에 따른 이온농축장치(100 및 100A)에 있어서, 상기 액적로(103)는, 농축로(102)와 유체 연결되어 농축로(102)로부터 유입되는 대상이온이 농축된 액상시료(107)를 액적화하는 역할을 수행한다.

이때, 본 발명에 따른 상기 액적로(103)는 n개(n≥1을 만족하는 정수)의 분지를 포함하는 분지 구조를 가질 수 있다. 구체적으로, 본 발명의 따른 상기 액적로(103)가 1개의 분지 액적로(103)를 포함하는 구조를 가질 수 있으며, 도 2에 나타낸 바와 같이, 2개 이상의 분지 액적로(103)를 포함하는 분지 구조를 가질 수도 있다.

본 발명에 따른 상기 농축로(103)는 1개 이상의 분지 액적로(103)를 포함하는 분지 구조를 가짐으로써, 유체 연결된 농축로(103)로부터 유입되는 액상시료(107)를 용이하게 액적화할 수 있다.

본 발명에 따른 상기 분지 너비, 즉 분지 액적로(103)의 너비는 액상시료의 이동 시 저항이 높게 발생하지 않는 범위라면, 특별히 제한되는 것은 아니나, 상기 농축로(102)에 대응되는 동일한 너비를 가질 수 있다. 구체적으로 예를 들면, 10 내지 200 μm일 수 있다. 보다 구체적으로 예를 들면, 10 내지 200 μm; 10 내지 160 μm; 25 내지 150 μm; 50 내지 120 μm; 50 내지 100 μm; 20 내지 100 μm; 50 내지 150 μm; 10 내지 50 μm; 또는 10 내지 25 μm 일 수 있다.

다음으로, 본 발명에 따른 이온농축장치(100 및 100A)에 있어서, 상기 유출로(104)는 대상이온이 농축된 액적(110)을 수집하여 배출하는 역할을 수행한다.

이때, 상기 유출로(104)는 농축된 대상이온의 액적화가 용이하고, 형성된 액적(110)이 이동하는데 장애가 발생하지 않는다면, 그 형태가 특별히 제한되지는 않는다. 구체적으로, 예를 들면 도 1에 나타낸 바와 같이 n=1인 경우, 액적로(103)에서 주입되는 오일(109)에 의해 높은 전단력이 발생되도록 액적로(103)와 유체 연결된 유출로(104) 초입은 그 너비가 좁고, 유출로(104) 말단으로 갈수록 너비가 증가되는 형태를 가질 수 있다. 또한, 도 2에 나타낸 바와 같이 n=2 이상인 경우, 형성된 대상이온 액적(110)이 적체되어 대상이온의 농축 및 액적화가 방해되지 않도록 넓은 너비의 채널 구조를 가질 수도 있다.

다음으로, 본 발명에 따른 이온농축장치(100 및 100A)에 있어서, 상기 접합부(105)는, 농축로(102)의 말단에 도입되어 전압(V_in) 인가 시, 접합부(105)가 도입된 지점에 이온농도분극층을 형성하는 역할을 수행한다.

이때, 상기 접합부(105)는, 제1 접합부 및 제2 접합부를 포함할 수 있으며, 상기 제1 접합부 및 제2 접합부는 농축로를 중심으로 대칭구조를 가질 수 있다.

농축로(102)에 하나의 접합부(105)를 도입할 경우, 형성되는 이온농도분극층이 액상 시료(107)의 대상이온을 농축하기에 충분한 넓이로 형성되지 않을 수 있으며, 충분한 넓이의 이온농도분극층을 형성하기 위하여 보다 높은 전압이 요구될 수 있다. 그러나, 본 발명에 따른 접합부(105)는 농축로(102) 말단을 중심으로 제1 접합부 및 제2 접합부가 대칭되는 구조를 가짐으로써, 전압(V_in) 인가에 의해 형성되는 이온농도분극층이 충분한 넓이로 농축로(102) 말단을 가로질러 형성될 수 있으며, 이에 따라 액상 시료(107)의 대상이온을 보다 안정적으로 농축할 수 있는 이점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 상기 접합부(105)는, 농축로(102)를 접지하는 접지부(105b)와, 접지부(105b) 및 농축로(102)를 가로지르는 나노 정션(105a)을 포함하는 구조를 가질 수 있으며, 상기 접합부(105)가 농축로(102)와 이루는 각도는 특별히 제한되는 것은 아니나, 구체적으로 예를 들면, 75±25°일 수 있으며, 보다 구체적으로는 70±10°일 수 있다.

나아가, 본 발명에 따른 상기 접합부(105)에 포함되는 나노 정션(105a)은, 1 - 100 nm의 직경을 갖는 나노 공극이 막에 형성된 이온 교환막을 포함하는 할 수 있다. 상기 나노 정션(105a)은 1 - 100 nm의 직경을 갖는 나노 공극을 포함함으로써, 전압(V_in) 인가 시 내부에 전기장을 유도할 수 있으며, 이에 따라 농축로(102)에 나노 정션(105a)이 도입되는 지점, 즉 농축로(102)와 나노 정션(105a)의 경계에 이온 공핍을 유도하여 이온농도분극층을 형성할 수 있다.

여기서, 상기 이온 교환막의 종류는, 큰 표면 전도률(surface conductivity)을 가져 전압인가 시, 용이하게 이온농도분극층을 형성할 수 있는 것이라면 특별히 제한하는 것은 아니다. 구체적으로 예를 들면, 양이온을 선택적으로 투과시킬 수 있는 나피온(nafion), 하이드로겔 등을 사용할 수 있다. 나아가, 상기 이온 교환막의 두께는 이온농도분극층을 형성할 수 있는 두께라면 특별히 제한하는 것은 아니다. 구체적으로 예를 들면, 10 내지 100 μm일 수 있다. 보다 구체적으로는 10 내지 80 μm; 15 내지 100 μm; 15 내지 20 μm; 30 내지 50 μm; 25 내지 50 μm; 10 내지 50 μm; 25 내지 100 μm; 50 내지 100 μm; 또는 50 내지 80 μm일 수 있다.

다음으로, 본 발명에 따른 이온농축장치(100 및 100A)에 있어서, 상기 유닛(111)은, 시료 유입로(101)의 초입에 전압(V_in)을 인가하고, 전압(V_in)의 전위에 의해 이온농도분극층 형성영역을 제어하는 역할을 수행한다.

본 발명에 따르면, 전압(V_in) 인가 시, 농축로(102)에 접합부(105)가 접지된 지점을 시작점으로 하여 이온농도 구배에 의한 이온농도분극 현상이 유도된다. 이때, 하기 수학식 1에 나타낸 유체의 흐름에 의한 힘(F_drag)과 이온농도분극 현상에 의한 나노막으로부터의 정전기적 반발력(F_ICP)이 평형(F_drag= F_ICP)을 이룰 경우, 대상이온 및 전하를 띤 물질들이 농축될 수 있다. 여기서, 대상이온이 농축되는 농도는 시간에 의존하며, 시간에 따라 수 내지 수만 배 농축이 가능하다.

[수학식 1]

F_drag = - 6πμUa

상기 F_drag는 외부 유체의 흐름에 의하여 이온이 받는 힘으로서, μ는 유체의 점도, U는 유속, a는 이온의 대표 반경을 의미한다.

본 발명에 따른 상기 유닛(111)은, 유체압력 제어장치(미도시)를 더 포함할 수 있다.

상기 유체압력 제어장치는 시료 유입로(101)를 따라 이동하는 액상시료(107)에 압력을 가감하는 장치로서, 시료 유입로(102)에 주입된 액상시료(107)에 압력을 가감하여 유속을 제어함으로써, 최종적으로 형성되는 액적(110)의 크기, 간격 등을 제어할 수 있다.

다음으로, 본 발명에 따른 이온농축장치(100 및 100A)에 있어서, 상기 오일 주입기(106)는, 액적로(103) 초입에 유체 연결되어 유입로(101)로부터 유입된 농축대상 이온에 오일을 주입하여 대상이온이 농축된 액적(110)을 형성하는 역할을 수행한다.

본 발명에 있어서 상기 액적(110)은, 서로 섞이지 않는 두 유체 간의 높은 계면 장력에 의해 상대적으로 액적로(103)에 대한 높은 젖음성(wetability)을 가지고 있는 유체는 연속상으로서 유로 벽면을 타고 흐르게 되고, 상대적으로 낮은 젖음성을 가진 유체는 액적(110)을 형성한 후 연속상의 흐름에 따라 액적로(103)를 이동하는 원리는 이용하여 형성될 수 있다. 즉, 대상이온이 농축된 액상시료(107)은 오일 주입기(106)로부터 주입되는 오일(109)과의 높은 계면 장력에 의해 액적(110)을 형성하게 된다.

이때, 본 발명에 따른 상기 오일 주입기(106)는, 제1 오일 주입기 및 제2 오일 주입기를 포함할 수 있으며, 제1 오일 주입기 및 제2 오일 주입기는 액적로(103)를 중심으로 대칭구조를 가질 수 있다.

본 발명에 따르면, 액적로(103) 초입에서 대상이온이 농축된 액상시료(107)와 오일 주입기(106)로부터 주입된 오일(109)이 접하게 되는데, 여기서 상기 오일(109)이 액적로(103)를 중심으로 대칭구조를 주입되는 경우, 주입되는 오일(109)에 의해 전단력이 발생되어 액적(110)을 형성하게 된다. 다시 말하면, 상기 오일 주입기(106)는 제1 오일 주입기 및 제2 오일 주입기를 포함하고, 이를 액적로(103)를 중심으로 대칭이 되도록 유체 연결함으로써, 높은 전단력이 유도되므로, 대상이온이 농축된 액체시료(107)의 액적화가 용이하다.

또한, 이를 위하여 본 발명에 따른 상기 오일 주입기(106)는, 농축로(102) 및 액적로(103)가 2 이상인 경우(n≥2의 정수) 각 액적로(103)에 개별적으로 유체 연결될 수 있다. 구체적으로, 본 발명에 따른 이온농도농축기(100 및 100A)는 도 2에 나타낸 바와 같이 각 액적로(103)에 주입된 액상시료(107)를 액적화하기 위하여 각 액적로(103)를 중심으로 대칭이 되도록 한 쌍의 오일 주입기(106)가 유체 연결될 수 있다.

구체적으로, 본 발명에 따른 상기 이온농축방법은 상기 이온농축장치를 이용하여 대상이온을 농축하는 방법으로서, 상기 이온농축장치는 마이크로 구조를 갖는 농축로의 말단에 나노 구조의 접합부를 도입하여 이온농도분극층을 형성함으로써, 농축하고자 하는 대상이온을 농축할 수 있으며, 이렇게 대상이온이 농축된 액상시료의 액적화를 통하여 안정적으로 농축된 대상이온을 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 대량의 대상이온을 농축할 수 있다.

이때, 본 발명에 따른 상기 이온농축방법은,

시료 유입로의 초입에 전압(V_in)을 인가하여 이온농도분극층을 형성하는 단계;

형성된 이온농도분극층에 의해 대상이온을 농축하는 단계; 및

인가된 전압(V_in)을 차단하고, 농축된 대상이온에 오일을 주입하여 대상이온 액적을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 이온농축장치를 이용하여 대상이온이 농축되고 액적화되는 과정을 촬영한 이미지이다. 여기서, A는 농축로 내부에 이온농도분극층이 형성된 직후의 이미지이고, B는 이온농도분극층에 의해 대상이온이 농축된 이미지이며, 및 C는 대상이온이 농축된 액상시료에 오일을 주입하여 액적화된 액상시료가 이동하는 이미지이다.

도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 상기 이온농축장치의 시료 유입로에 대상이온을 포함하는 액상시료를 주입하고, 시료 유입로의 초입에 위치하는 유닛을 이용하여 시료 유입로에 전압(V_in)을 인가하여, 농축로에 나노 정션이 도입되는 지점에서부터 이온농도분극층이 형성할 수 있다(이온농도분극층 형성단계, 도 4의 A). 그 후, 액상시료가 시료 유입로를 지나 농축로로 주입되면 농축로에 형성된 이온농도분극층에 의하여 대상이온이 농축될 수 있다(대상이온농축단계, 도 4의 B). 그런 다음, 대상이온이 농축되면 인가된 전압(V_in)을 차단하여 이온농도분극층을 소멸시키고, 이에 따라 농축된 대상이온을 액적로로 이동하면 이동된 대상이온에 오일을 주입하여 액적을 형성할 수 있다(대상이온 액적 형성단계, 도 4의 C).

본 발명에 따른 상기 액적은 농축하지 않은 액상시료와 대비하여 대상이온에 대하여 높은 농도를 가질 수 있다.

보다 구체적으로, 도 5를 참조하면 대상이온이 농축된 액상시료의 농도는 농축로 내부에 이온농도분극층을 형성한 전후의 액상시료, 즉 농축되지 않은 액상시료의 농도와 대비하여 약 50배 이상 높은 것으로 나타났으며, 대상이온이 농축된 액상이온을 액적화한 액적의 농도 또한, 농축되지 않은 액상시료의 농도에 비하여 약 5배 이상 높은 것을 확인할 수 있다(실험예 1 참조).

따라서, 본 발명에 따른 상기 이온농축장치를 이용하여 수행되는 이온농축방법은 대상이온을 안정적으로 농축할 수 있는 것을 알 수 있다.

이때, 본 발명에 따른 상기 이온농도분극을 형성하는 단계 이후에,

유체압력 제어를 통하여 유체속도를 조절하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 이온농축방법은 시료 유입로에 주입된 액상시료가 농축로에 형성된 이온농도분극층까지 도달하기 위하여, 이온농도분극층이 형성된 이후 주입된 액상시료에 유체압력을 가하여 일정한 유체속도를 갖도록 할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 상기 유체속도는 액적의 형성, 크기, 간격 등에 영향을 미치며, 유체압력에 의해 제어될 수 있다.

상기 유체속도는, 농축된 대상이온을 포함하는 액상시료의 액적화가 가능한 속도라면 특별히 제한되는 것은 아니다. 구체적으로 예를 들면, 30 내지 200 nL/min일 수 있다. 보다 구체적으로, 30 내지 200 nL/min, 30 내지 100 nL/min, 50 내지 150 nL/min, 40 내지 60 nL/min, 30 내지 80 nL/min, 150 내지 200 nL/min, 75 내지 125 nL/min, 또는 25 내지 100 nL/min일 수 있다.

나아가, 본 발명에 따른 상기 인가 전압(V_in)은, 액상시료에 포함된 대상이온을 농축하기 위하여 요구되는 이온농도분극층을 충분히 형성할 수 있는 전압이라면 특별히 제한되지는 않는다. 구체적으로 예를 들면, 10 내지 110 V일 수 있다. 보다 구체적으로 10 내지 110 V, 10 내지 50 V, 20 내지 80 V, 40 내지 60 V, 30 내지 80 V, 45 내지 110 V 또는 25 내지 110 V일 수 있다.

상기 범위 내에서 이온농도분극층은 대상이온을 농축하기에 충분한 영역으로 형성될 수 있을 뿐만 아니라 에너지 효율적인 측면에서도 경제적인 이점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 상기 오일을 주입하는 속도는, 액적의 형성, 크기 등에 영향을 미칠 수 있으며, 농축된 대상이온을 포함하는 액상시료의 액적화가 가능한 속도라면 특별히 제한되는 것은 아니다. 구체적으로 예를 들면, 100 내지 1000 nL/min일 수 있다. 보다 구체적으로 100 내지 500 nL/min, 150 내지 450 nL/min, 500 내지 800 nL/min, 200 내지 400 nL/min, 300 내지 900 nL/min, 500 내지 1000 nL/min, 150 내지 600 nL/min, 200 내지 750 nL/min, 275 내지 325 nL/min, 100 내지 750 nL/min, 또는 290 내지 310 nL/min일 수 있다.

한편, 상기 액상시료에 포함되어 있는 대상이온은, 농축하고자 하는 금속 이온을 의미하며, 그 종류가 특별히 제한되는 것은 아니다. 구체적으로 상기 금속 이온으로는 예를 들면, 리튬 이온(Li⁺), 나트륨 이온(Na⁺), 칼륨 이온(K⁺), 루비듐 이온(Ru⁺) 등의 알칼리 금속 이온; 베릴륨 이온(Be² ⁺), 마그네슘 이온(Mg² ⁺), 칼슘 이온(Ca² ⁺) 등의 알칼리 토금속 이온; 크롬 이온(Cr² ⁺, Cr³ ⁺), 망간 이온(Mn² ⁺, Mn³⁺), 니켈 이온(Ni² ⁺, Ni³ ⁺), 구리 이온(Cu² ⁺, Cu³ ⁺) 등의 전이금속 이온일 수 있다. 보다 구체적으로는 상기 금속 이온으로는 리튬 이온(Li⁺), 나트륨 이온(Na⁺), 칼륨 이온(K⁺), 루비듐 이온(Ru⁺) 등의 알칼리 금속 이온일 수 있으며, 보다 더 구체적으로는 리튬 이온(Li⁺), 나트륨 이온(Na⁺) 또는 이들이 혼합된 이온 혼합물일 수 있다.

이하, 본 발명을 실시예 및 실험예에 의해 보다 상세히 설명한다.

단, 하기 실시예 및 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예 및 실험예에 한정되는 것은 아니다.

실시예 1.

도 1에 나타낸 바와 같이, n=1인 구조를 갖는 이온농축장치를 제조하였다. 먼저, 실리콘 웨이퍼 상에 감광액인 SU-8(Microchem Co., SU-8 2015)로 농축로 및 액적로의 너비가 15 μm가 되도록 패터닝하였다. 그 후, 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS)과 가교제를 중량비 10:1로 혼합하고, 2시간 동안 진공 챔버(chamber)에서 기포를 제거한 다음, 기포가 제거된 폴리디메틸실록산을 패터닝된 실리콘 웨이퍼 상에 붓고, 65℃ 오븐에서 3시간 동안 경화하여 몰딩하였다. 이때, 시료 유입로의 폭은 10 내지 200 μm, 유출로의 폭은 유입로의 3 - 4배가 되도록 하였으며, 상기 시료 유입로 및 유출로의 각 깊이는 15 μm였다.

한편, 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS)이 코팅된 기판에 나피온(Sigma-aldrich, Nafion 20 wt%) 수지를 산소 플라즈마로 패터닝하여 나노막을 형성하였다. 이때, 상기 나피온은 직경이 1 - 10 nm인 나노기공을 포함하는 것을 사용하였으며, 그 두께는 20 μm였다. 나노막이 형성된 유리 기판을 상기에서 몰딩된 폴리디메틸실록산과 접합하고, 유닛에 포함되는 외부전원(Keithley 238) 및 압력펌프(PHD2000, Harvard Apparatus)를 결합하여 이온농축장치를 제조하였다.

실시예 2.

도 1에 나타낸 구조를 갖는 대신에 도 2에 나타낸 구조를 갖는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하여 농축로 및 액적로가 분지 구조를 갖는 이온농축장치를 제조하였다.

실시예 3.

실시예 1에서 제조된 이온농축장치의 시료 유입로에 리튬 이온이 용해된 액상시료(3 μL)를 연속적으로 주입하고, 액상시료의 속도가 50 nL/min이 되도록 유체압력을 조절한 다음, 50 V의 전압(V_in)을 인가하였다. 그 후, 전압(V_in)이 인가된 직후 300 nL/min의 속도로 오일을 주입하여 형성된 액적을 수집하고, 전압을 인가하고 30초가 경과되는 시점에서 리튬 이온이 농축된 액상시료를 분획하였다. 그런 다음, 인가 전압(V_in)을 차단하여 농축된 이온을 5초간 이완(release)하고, 300 nL/min의 속도로 오일을 주입하여 리튬 이온이 농축된 액적을 얻었다. 이렇게 얻어진 리튬 이온이 농축되지 않은 액적, 30초 농축 후의 분획물 및 리튬 이온이 농축된 액적의 리튬 이온 농도를 측정하였으며, 그 결과를 도 5에 나타내었다.

도 5에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 이온농축장치는 안정적으로 이온을 농축시킬 수 있는 것을 알 수 있다.

보다 구체적으로, 전압(V_in) 인가 직후에 형성된 액적의 경우, 시료 유입로에 주입된 액상시료의 농도와 거의 동일한 것으로 나타난 반면, 전압(V_in)을 인가하고, 30초가 경과된 시점의 분획물은 주입된 액상시료 농도의 약 50배가 넘는 고농도를 갖는 것으로 확인되었다. 또한, 5초의 이완(release)이 수행된 후 액적화된 액적의 농도는 주입된 액상시료의 농도와 대비하여 약 5배 높은 것으로 나타났다. 이로부터 전압(V_in) 인가 후 금속 이온이 고농도로 농축이 용이하게 되는 알 수 있다. 또한, 5초의 이완(release)이 수행된 액적은 이완시간 동안 시료의 이동속도 및 확산 효과에 의해 농축된 농도가 감소된 이후에 액적화되어 30초간 농축된 분획물에 비해 다소 농도가 낮은 것을 알 수 있다. 이는 이완 수행시간, 시료의 이동속도 등을 조절하여 액적의 금속 이온 농도를 제어할 수 있음을 의미한다.

따라서, 본 발명에 따른 이온농축장치는 이온농도분극층을 형성하여 금속 이온을 농축하고, 농축된 금속 이온을 액적화함으로써 농축하고자 하는 대상이온을 농축조건의 영향을 많이 받지 않으면서 안정적으로 대량 농축할 수 있으므로, 리튬 이온 등의 금속 이온을 농축하는데 유용하게 사용될 수 있다.

100, 100A: 이온농축장치 101: 시료 유입로
102: 농축로 103: 액적로
104: 유출로 105: 접합부
105a: 나노 정션 105b: 접지부
106: 오일 주입기 107: 액상시료
108: 농축된 대상이온을 포함하는 액상시료
109: 오일 110: 액적 111: 유닛

Claims

대상이온을 포함하는 액상시료가 유입되는 시료 유입로;
시료 유입로와 유체 연결되어 대상이온이 농축되는 농축로;
농축로와 유체 연결되고, 농축된 대상이온이 액적화되는 액적로;
액적로와 유체 연결되어 대상이온 액적이 배출되는 유출로;
농축로 말단을 접지하는 구조이고, 이온농도분극층을 형성하는 접합부;
시료 유입로의 초입에 전압(V_in)을 인가하고, 전압(V_in)의 전위에 따라 이온농도분극층의 형성영역을 제어하는 유닛; 및
유출로 초입에 유체 연결되고, 오일을 주입하는 오일 주입기를 포함하는 이온농축장치.
제1항에 있어서,
농축로 및 액적로는 n 이상의 분지(n>2를 만족하는 정수)를 포함하는 분지 구조인 이온농축장치.
제2항에 있어서,
농축로 및 액적로의 분지 너비는 10 내지 200 μm인 것을 특징으로 하는 이온농축장치.
제1항에 있어서,
접합부는, 제1 접합부 및 제2 접합부를 포함하고,
제1 접합부 및 제2 접합부는, 농축로를 중심으로 대칭구조를 갖는 이온농축장치.
제4항에 있어서,
제1 접합부 및 제2 접합부는, 각각 나노 정션 및 접지부를 포함하는 이온농축장치.
제1항에 있어서,
유닛은, 유체압력 제어장치를 더 포함하는 이온농축장치.
제1항에 있어서,
오일 주입기는, 제1 오일 주입기 및 제2 오일 주입기를 포함하고,
제1 오일 주입기 및 제2 오일 주입기는 액적로를 중심으로 대칭구조를 갖는 이온농축장치.
시료 유입로의 초입에 전압(V_in)을 인가하여 이온농도분극층을 형성하는 단계;
형성된 이온농도분극층에 의해 대상이온을 농축하는 단계; 및
인가된 전압(V_in)을 차단하고, 농축된 대상이온에 오일을 주입하여 대상이온 액적을 형성하는 단계를 포함하고,
제1항에 따른 이온농축장치를 이용하여 대상이온을 농축하는 이온농축방법.
제8항에 있어서,
이온농도분극을 형성하는 단계 이후에,
유체압력 제어를 통하여 유체속도를 조절하는 단계를 더 포함하는 이온농축방법.
제9항에 있어서,
유체속도는, 30 내지 200 nL/min인 것을 특징으로 하는 이온농축방법.
제8항에 있어서,
오일을 주입하는 속도는, 100 내지 1000 nL/min인 것을 특징으로 하는 이온농축방법.
제8항에 있어서,
인가 전압(V_in)은, 10 내지 110 V로 인가되는 것을 특징으로 하는 이온농축방법.