KR101537476B1 - 이온 필터 및 이온 필터의 제작방법 - Google Patents

이온 필터 및 이온 필터의 제작방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이온 필터에 관한 것으로서, 유체가 유동할 수 있는 유로가 구비되는 구조체; 유체의 양이온 또는 음이온 중 적어도 어느 하나의 이온이 상기 유로에 침투되는 것을 방지하기 위해 전압을 인가받아 양전극 또는 음전극 중 적어도 어느 하나의 전극으로 이용되도록 상기 유로에 형성되는 전극부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이에 의하여, 이온 없는 순수한 물을 정수할 수 있는 구조의 이온 필터가 제공된다.

Description

이온 필터 및 이온 필터의 제작방법 {ION FILTER AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 이온 필터 및 이온 필터의 제작 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 이온이 없는 순수한 물을 정수할 수 있는 구조의 이온 필터 및 이를 용이하게 제작할 수 있는 이온 필터의 제작방법에 관한 것이다.
해수 담수화, 의약품 제조, 실험실용 세정액 및 용매, 전자공업, 반도체 시약용수 등에 사용되는 순수한 물을 얻기 위해 이온교환법이 사용되는데, 이때 핵심적인 구성으로써 이온교환필터(이온교환막)가 이용된다.
이온교환막은 전하를 띤 작용기가 막에 고정되어 있어 이들 작용기의 도난배제(Donnan Exclusion)에 의해 작용기와 다른 전하를 가진 이온만을 선택적으로 투과시키고 같은 전하를 띤 이온들은 배제시키는 기능을 한다.
이온교환막에 고정된 전하는 작용기의 종류와 농도에 따라 이온교환막의 선택도, 전기저항, 기계적 강도 등에 영향을 미치며, 우수한 이온교환막은 높은 선택도, 낮은 전기저항, 높은 기계적 안정성, 높은 화학적 안정성을 만족해야 한다.
그러나 전기저항을 낮추기 위해 막에 고정된 전하수를 높이면, 이온교환막이 팽창하게 되어 기계적 안정성이 낮아지는 등 이러한 조건을 동시에 만족하기 어렵다.
이처럼 작용기를 이용하는 이온교환막의 구조적인 특성상 우수한 이온교환막을 제작하는 것이 힘든 실정이다.
따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 유로가 구비되는 구조체와 전압을 인가받아 전극으로 이용되는 전극부를 이용하여, 종래의 구조와는 달리 효율적으로 이온 없는 순수한 물을 정수할 수 있는 구조의 이온 필터를 제공함에 있다.
또한, 유로가 형성되는 구조체를 제작하며, 증착물질의 입자가 상기 유로에 증착되어 형성되는 전극부를 제작하는 것을 이용하여 용이하게 이온 필터를 제작할 수 있는 이온필터의 제작방법을 제공함에 있다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 이온 필터에 있어서, 유체가 유동할 수 있는 유로가 구비되는 구조체; 유체의 양이온 또는 음이온 중 적어도 어느 하나의 이온이 상기 유로에 침투되는 것을 방지하기 위해 전압을 인가받아 양전극 또는 음전극 중 적어도 어느 하나의 전극으로 이용되도록 상기 유로에 형성되는 전극부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 필터에 의해 달성된다.
또한, 상기 전극부는 상기 유로의 유입구측에 형성될 수 있다.
또한, 유체의 유동성을 향상시키도록 상기 절연부의 표면에서부터 상기 유로의 벽면까지의 직선거리가 상기 유로의 유출구로 가까워짐에 따라서 점차 줄어들 수 있다.
또한, 양전압을 인가받는 전극부가 구비되는 양이온 필터와 음전압을 인가받는 전극부가 구비되는 음이온 필터가 유체의 유동방향으로 직렬 배치될 수 있다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 이온 필터의 제작방법에 있어서, 유로가 형성되는 구조체를 제작하는 구조체 제작단계; 작동공간에 에너지를 가함으로써 활성화되는 증착물질의 입자가 상기 유로에 증착되어 형성되는 전극부를 제작하는 전극부 제작단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 필터의 제작방법에 의해 달성된다.
또한, 작동공간에 에너지를 가함으로써 활성화되는 절연물질의 입자가 상기 전극부를 감싸면서 증착되어 형성되는 절연부를 제작하는 절연부 제작단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 유로가 구비되는 구조체와 전압을 인가받아 전극으로 이용되는 전극부를 이용하여, 이온 없는 순수한 물을 정수할 수 있는 구조의 이온 필터가 제공된다.
또한, 전극부를 감싸도록 형성되는 절연부를 이용하여, 전극부를 절연시키킬 수 있다.
또한, 절연부의 표면에서부터 유로의 벽면까지의 직선거리가 유로의 유출구로 가까워짐에 따라서 점차 줄어드는 것을 이용하여, 유체의 유동성을 향상시킬 수 있다.
또한, 양전압을 인가받는 전극부가 구비되는 양이온 필터와 음전압을 인가받는 전극부가 구비되는 음이온 필터가 유체의 유동방향으로 직렬 배치되는 것을 이용하여 양이온과 음이온을 모두 제거할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 유로가 형성되는 구조체를 제작하고, 작동공간에 에너지를 가함으로써 활성화되는 증착물질의 입자가 상기 유로에 증착되어 형성되는 전극부를 제작하는 것을 이용하여, 이온 필터를 용이하게 제작할 수 있는 이온 필터의 제작방법이 제공된다.
또한, 작동공간에 에너지를 가함으로써 활성화되는 절연물질의 입자가 상기 전극부를 감싸면서 증착되어 형성되는 절연부를 제작할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 이온 필터를 개략적으로 도시한 것이고,
도 2는 도 1의 이온 필터의 정수과정을 개략적으로 도시한 것이고,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 이온 필터의 제작방법의 공정흐름도이고,
도 4는 도 3의 이온 필터 제작방법의 구조체 제작단계 공정을 개략적으로 도시한 것이고,
도 5는 도 3의 이온 필터 제작방법의 전극부 제작단계 공정을 개략적으로 도시한 것이고,
도 6은 도 3의 이온 필터 제작방법의 절연부 제작단계 공정을 개략적으로 도시한 것이다.
설명에 앞서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 일실시예에서 설명하기로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 이온 필터에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 이온 필터를 개략적으로 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 이온 필터(100)는 다수개의 유로가 구비되는 구조체(110)와, 유로의 유입구에 형성되며 전압을 인가받을 수 있는 전극부(120)와, 전극부를 절연시키도록 전극부를 감싸는 절연부(130)를 포함한다.
상기 구조체(110)는 다수개의 터널형 유로를 구비하는 구조체이며, 유로의 직경은 약 100나노미터가 될 수 있으나, 유체의 종류, 제거하려는 이온의 크기 등 여러 조건에 따라서 조절될 수 있다.
상기 전극부(120)는 양전압 또는 음전압 중 어느 하나의 전압을 인가받아 양전극 또는 음전극으로 사용되도록 금속, 전도성 산화물(Oxide), 전도성 중합체(Polymer) 등 전기전도도가 높은 물질로 구비된다. 다만 반드시 이에 제한되는 것은 아니며, 다양한 금속 및 무기물 소재 등으로 구비될 수 있다.
상기 절연부(130)는 전극부(120)를 감싸는 형태로, 전극부(120)를 절연시킴으로써 전극부를 보호해 이온 필터(100)가 안정적으로 작동하도록 한다.
또한, 절연부의 표면에서부터 유로의 벽면까지의 직선거리가 유로의 유출구로 가까워짐에 따라 점차 줄어든다. 이러한 구조 때문에, 유입된 유체의 유동성이 향상되어, 유체가 정수되는 속도가 향상된다.
도 2는 도 1의 이온 필터의 정수과정을 개략적으로 도시한 것이다.
도 2를 참조하면, 양전압을 인가받는 전극부가 구비되는 양이온 필터(101)와 음전압을 인가받는 전극부가 구비되는 음이온 필터(102)가 유체의 유동방향으로 소정의 간격으로 이격되어 직렬 배치된다.
유체가 양이온 필터(101)를 통과하게 되면, 유체에 포함된 양이온들이 양이온 필터의 양전극부(121)에서의 반발작용에 의해 양이온 필터(101)의 유로를 통과하지 못하며, 음이온 및 유체만이 양이온 필터(101)를 통과하여 음이온 필터(102)로 유입된다.
한편, 유체와 함께 음이온 필터(102)로 유입되는 음이온은 음이온 필터(102)의 음전극부(122)에서의 반발작용에 의해 음이온 필터(102)를 통과하지 못하며, 따라서 이온이 없는 순수한 유체만이 음이온 필터(102)의 유출구로 배출된다. 상기와 같은 작동에 의해 이온이 없는 순수한 유체를 얻을 수 있다.
따라서, 본발명의 일실시예에 따른 이온 필터에 의하면, 유체의 정수되는 속도를 향상시킬 수 있으며, 양이온 및 음이온을 모두 제거하여 이온이 없는 순수한 유체를 얻을 수 있다.
또한, 용도에 따라서 양이온 또는 음이온 필터를 단독으로 배치하여, 양이온 또는 음이온만을 제거한 유체를 얻을 수 있다.
또한, 다수개의 양이온 필터를 유체의 유동방향으로 직렬 배치하거나, 다수개의 음이온 필터를 유체의 유동방향으로 직렬배치하여, 양이온 또는 음이온 제거 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
지금부터는 첨부한 도면을 참조하여, 상술한 이온 필터의 제작방법에 대해서 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 이온 필터의 제작방법의 공정흐름도이다.
도 3을 참조하면, 이온 필터의 제작방법(S100)은 구조체 제작단계(S110)와 전극부 제작단계(S120)와 절연부 제작단계(S130)를 포함한다.
도 4는 도 3의 이온 필터 제작방법의 구조체 제작단계(S100) 공정을 개략적으로 도시한 것이다.
도 4를 참조하면, 구조체 제작단계(S100)는 다수개의 유로를 형성하여 구조체(110)를 제작하는 단계이며, 포토리소그래피(Photo Lithography) 방법을 이용할 수 있다.
도 4의 (a)와 (b)에 도시된 바와 같이, 베이스(20) 상면에 위치한 구조체 표면에 감광제(10)을 도포한 후 굳힌다. 감광제(10)란 특정 파장의 빛을 받아 현상액에서의 용해도가 변하는 특성을 이용해 후속 현상처리 과정 중 빛을 받는 부분과 그렇지 않은 부분을 선택적으로 제거할 수 있는 물질을 말한다.
도 4의 (c)에 도시된 바와 같이, 구조체 위에 마스크(30)를 위치시키고 자외선을 조사한 후, 자외선에 노출이 된 영역 또는 그 반대 영역을 현상액으로 제거하고 굳히면, 도 4의 (d)에 도시된 바와 같이, 패턴이 만들어진다. 후에, 도 4의 (e)와 (f)에 도시된 바와 같이, 식각(Etching)공정을 거쳐, 감광제 패턴을 구조체에 전사시키면, 최종적으로 구조체에 유로가 형성된다.
상기 살펴본 포토리소그래피(Photo Lithography) 방법 외에도 나노임프린트(Nano Imprint) 방법 또는 전자선 리소그래피(E-Beam lithography) 방법 또는 블록혼성중합체(Block Co-Polyme) 성형방법 또는 양극산화알루미늄(AAO : Anodic Aluminum Oxide) 성형방법 등을 이용하여 유로가 형성되는 구조체를 제작할 수 있다.
도 5는 도 3의 이온 필터 제작방법의 전극부 제작단계(S120) 공정을 개략적으로 도시한 것이다.
도 5를 참조하면, 전극부 제작단계(S120)는 작동공간에 에너지를 가함으로써 활성화되는 증착물질의 입자를 구조체의 유로에 증착시켜 전극부(120)를 제작하는 단계이며, 스퍼터링(Sputtering) 방법을 이용할 수 있다.
도 5의 (a)에 도시된 바와 같이, 진공으로된 작동공간 내에 Ar과 같은 불활성기체(40)를 넣고, 캐소드(50)에 전압을 가하면 캐소드(50)로부터 방출된 전자들이 Ar기체원자와 충돌하여 Ar을 이온화시킨다. Ar이 활성화되면서 전자를 방출하면, 에너지가 방출되며, 이때 글로방전(Glow Discharge)이 발생하여 이온과 전자가 공존하는 플라즈마(60)가 생긴다. 플라즈마(60) 내의 Ar+이온은 큰 전위차에 의해 캐소드(50)쪽으로 가속되어 캐소드(50), 즉 증착물질의 표면과 충돌하게 되며, 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이, 증착물질의 표면으로부터 중성의 증착물질 원자들이 튀어나와 애노드, 즉 구조체(110)에 박막을 형성한다.
본 실시예에서 전극부(120)를 제작하는 방법으로서 스퍼터링 방법을 이용하는 것을 예로 들었으나, 이 외에도 전자선 증착(E-beam evaporation), 펄스 레이저 증착(PLD : Pulsed Laser Deposition) 방법, 화학적 기상 증측법(CLD : Chemical Vapor Depoisition), 원자층 증착법(Atomic Layer Deposition) 등을 이용할 수 있으며, 구조체(110) 상에 전극부(120)를 형성할 수 있다면 이들에 제한되지 않고 다양한 박막형성방법을 포함할 수 있다.
도 6은 도 3의 이온 필터 제작방법의 절연부 제작단계(S130) 공정을 개략적으로 도시한 것이다.
도 6을 참조하면, 절연부 제작단계(S130)는 작동공간에 에너지를 가함으로써 활성화되는 절연물질의 입자를 상기 전극부(120)의 표면에 증착시켜 절연부(130)를 제작하는 단계이다.
상술한 전극부 제작단계(S120)와 마찬가지로, 절연부의 제작단계(S130)는 스퍼터링(Sputtering) 방법이나, 전자선 증착(E-beam evaporation), 펄스 레이저 증착(PLD : Pulsed Laser Deposition) 방법, 화학적 기상 증측법(CLD : Chemical Vapor Depoisition), 원자층 증착법(Atomic Layer Deposition) 등의 방법으로 제작될 수 있다.
따라서 본 발명에 의하면, 유로가 구비되는 구조체와 전압을 인가받아 전극으로 이용되는 전극부를 이용하여, 이온 없는 순수한 물을 정수할 수 있다.
또한, 유로가 형성되는 구조체를 제작하고, 작동공간에 에너지를 가함으로써 활성화되는 증착물질의 입자가 상기 유로에 증착되어 형성되는 전극부를 제작하는 것을 이용하여, 이온 필터를 용이하게 제작할 수 있다.
본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.
10 : 감광제 20 : 베이스
30 : 마스크 40 : 불활성기체
50 : 캐소드(증착물질) 60 : 플라즈마
100 : 본 발명의 일실시예에 따른 이온 필터 101 : 양이온 필터
102 : 음이온 필터 110 : 구조체
120 : 전극부 121 : 양전극부
122 : 음전극부 130 : 절연부
140 : 유로

Claims (7)

  1. 유체가 유동할 수 있는 유로가 구비되는 구조체;
    유체의 양이온 또는 음이온 중 적어도 어느 하나의 이온이 상기 유로에 침투되는 것을 방지하기 위해 전압을 인가받아 양전극 또는 음전극 중 적어도 어느 하나의 전극으로 이용되도록 상기 유로에 형성되는 전극부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 필터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전극부는 상기 유로의 유입구 측에 형성되는 것을 특징으로 하는 이온 필터.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전극부를 절연시키기 위해 상기 전극부를 감싸도록 형성되는 절연부를 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 필터.
  4. 제3항에 있어서,
    유체의 유동성을 향상시키도록 상기 절연부의 표면에서부터 상기 유로의 벽면까지의 직선거리가 상기 유로의 유출구로 가까워짐에 따라서 점차 줄어드는 것을 특징으로 하는 이온 필터.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    양전압을 인가받는 전극부가 구비되는 양이온 필터와 음전압을 인가받는 전극부가 구비되는 음이온 필터가 유체의 유동방향으로 직렬 배치되는 것을 특징으로 하는 이온 필터.
  6. 유로가 형성되는 구조체를 제작하는 구조체 제작단계;
    작동공간에 에너지를 가함으로써 활성화되는 증착물질의 입자가 상기 유로에 증착되어 형성되는 전극부를 제작하는 전극부 제작단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 필터의 제작방법.
  7. 제6항에 있어서,
    작동공간에 에너지를 가함으로써 활성화되는 절연물질의 입자가 상기 전극부를 감싸면서 증착되어 형성되는 절연부를 제작하는 절연부 제작단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이온 필터의 제작방법.
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