KR101689742B1 - artificial gill apparatus and the method of the same - Google Patents

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이종완
허필우
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울산과학기술원
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    • B63C—LAUNCHING, HAULING-OUT, OR DRY-DOCKING OF VESSELS; LIFE-SAVING IN WATER; EQUIPMENT FOR DWELLING OR WORKING UNDER WATER; MEANS FOR SALVAGING OR SEARCHING FOR UNDERWATER OBJECTS
    • B63C11/00—Equipment for dwelling or working underwater; Means for searching for underwater objects
    • B63C11/02—Divers' equipment
    • B63C11/18—Air supply
    • B63C11/184—Artificial gills

Abstract

본 발명은, 고분자 분리막의 표면에 요철형상의 복수의 가이드 유로들을 형성함으로써, 물과의 접촉 면적이 증대되어 산소 포집 효과가 보다 향상될 수 있다. 또한, 고분자 분리막의 표면에 나노섬유를 결합시킴으로써, 나노 섬유의 기계적 강도로 인해 변형이 방지되고, 표면적 증대 효과도 얻을 수 있다. 또한, 고분자 분리막의 표면에 금속 메시를 포함하는 보조 지지체를 구비함으로써, 변형을 방지하여 형상 유지가 가능하므로, 산소 분압차 형성이 보다 안정적으로 이루어질 수 있다. According to the present invention, by forming a plurality of concave-convex guide passages on the surface of the polymer separating membrane, the contact area with water can be increased, and the oxygen trapping effect can be further improved. Further, by bonding the nanofiber to the surface of the polymer separator, deformation is prevented due to the mechanical strength of the nanofiber, and the surface area can be increased. Further, by providing the auxiliary support including the metal mesh on the surface of the polymer separation membrane, deformation can be prevented and the shape can be maintained, so that the oxygen partial pressure difference formation can be made more stably.

Description

인공 아가미 장치 및 그의 제조방법{artificial gill apparatus and the method of the same}TECHNICAL FIELD The present invention relates to an artificial gill apparatus and a method of manufacturing the same,

본 발명은 인공 아가미 장치 및 그의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고분자 분리막을 이용하여 수중 산소 공급 및 이산화탄소 방출이 가능한 인공 아가미 장치 및 그의 제조방법에 관한 것이다. The present invention relates to an artificial gill apparatus and a manufacturing method thereof, and more particularly, to an artificial gill apparatus capable of supplying oxygen in water and releasing carbon dioxide using a polymer separator and a method of manufacturing the same.

최근 해양산업의 발전 및 이에 관련한 수중 호흡 장비에 대한 관심이 증대되고 있다. 수중 환경에서 탐사나 구조 등의 작업을 하는 잠수부 등은 수중 호흡 장비 등을 통해 수중 호흡에 필요한 산소를 제공받는다. 일반적으로 수중 호흡 장비는 산소가 저장되는 산소통과, 산소통으로부터 잠수부에게 산소를 공급하기 위한 마스크 등으로 이루어진다. 상기 수중 호흡 장비는 수중 호흡에 필요한 양의 산소를 산소통에 저장하여 휴대한다. 따라서, 산소통의 용량에 따라 잠수부가 공급받는 산소량에 제한이 있으므로 작업시간에 제한이 따르는 문제점이 있다. 산소통의 용량을 늘릴 경우, 휴대나 이동에 제약이 따르는 문제점이 있다.Recently, the interest in the development of the marine industry and related water breathing equipment is increasing. Divers who work in the underwater environment, such as exploration and construction, receive oxygen for underwater breathing through underwater breathing equipment. Generally, an aquatic respiratory apparatus consists of an oxygen cylinder in which oxygen is stored, and a mask for supplying oxygen to the diver from oxygen cylinders. The underwater breathing apparatus carries the oxygen necessary for underwater breathing by storing it in an oxygen cylinder. Therefore, there is a limitation in the working time because there is a limitation on the amount of oxygen supplied to the diver according to the capacity of the oxygen cylinder. When the capacity of the oxygen cylinder is increased, there is a problem that it is restricted to carry or move.

최근에는 중공사(hollow fiber)를 이용한 호흡 장비나 원심분리를 이용한 호흡장비 등이 연구되고 있다. 중공사를 이용한 호흡 장비는 중공사 제작을 위한 비용이 많이 들고 제작 과정이 복잡하기 때문에 산업화하기에 제약이 따르는 문제점이 있다. 또한, 원심분리를 이용한 호흡장비는 원심분리를 위한 큰 크기의 탱크가 필요하여 수중 생활시 활동성이 떨어지며, 탱크 내부의 원심분리를 위한 별도의 전력 공급원이 필요한 문제점이 있다. In recent years, research has been conducted on breathing equipment using hollow fibers or breathing equipment using centrifugation. Breathing equipment using hollow fiber has a problem in that it has a limitation in industrialization because it is expensive to manufacture a hollow fiber and the manufacturing process is complicated. Also, there is a problem in that the centrifugal separating apparatus requires a large-sized tank for centrifugal separation, which deteriorates the activity during aquatic life and requires a separate power source for centrifugal separation in the tank.

등록특허 10-1439142호Patent No. 10-1439142

본 발명의 목적은, 휴대가 용이하면서도 수중 산소 공급 및 이산화탄소 배출이 용이한 인공 아가미 장치 및 그의 제조방법을 제공하는 데 있다. An object of the present invention is to provide an artificial gill apparatus which is easy to carry and which can easily supply oxygen in the water and discharge carbon dioxide, and a method of manufacturing the same.

본 발명에 따른 인공 아가미 장치는, 산소와 이산화탄소가 포함된 액체 공간과 산소와 이산화탄소가 포함된 기체 공간을 분리하고, 상기 액체 공간의 산소 농도가 상기 기체 공간의 산소 농도보다 상대적으로 높을 경우 상기 액체 공간으로부터 상기 기체 공간으로 산소 가 유입되고, 상기 기체 공간의 이산화탄소 농도가 상기 액체 공간의 이산화탄소 농도보다 상대적으로 높을 경우 상기 기체 공간으로부터 상기 액체 공간으로 이산화탄소가 배출되도록 하는 고분자 분리막과, 상기 고분자 분리막의 표면에 결합되어, 상기 액체 공간과 상기 기체 공간의 압력차에 의한 상기 고분자 분리막의 형상 변형을 방지하도록 나노 섬유로 이루어진 지지체를 포함한다.The artificial gill apparatus according to the present invention separates a liquid space containing oxygen and carbon dioxide, a gas space containing oxygen and carbon dioxide, and, when the oxygen concentration in the liquid space is relatively higher than the oxygen concentration in the gas space, A polymer separator for allowing carbon dioxide to flow from the gas space into the liquid space when oxygen is introduced into the gas space from the space and the carbon dioxide concentration of the gas space is relatively higher than the carbon dioxide concentration of the liquid space; And a support made of a nanofiber so as to prevent the shape deformation of the polymer separation membrane due to a pressure difference between the liquid space and the gas space.

본 발명에 따른 인공 아가미 장치는, 인체의 호흡기관을 가리고 상기 호흡기관과의 사이에 소정의 내부공간을 형성하여, 수중에서 상기 내부공간으로 액체의 투과는 차단하고 기체의 투과는 허용하며, 수중으로부터 상기 내부공간으로 산소는 유입하고, 상기 내부공간으로부터 수중으로 이산화탄소는 배출하는 고분자 분리막과, 상기 고분자 분리막의 표면에 결합되어, 상기 고분자 분리막 내,외부의 압력차에 의한 형상 변형을 방지하는 나노 섬유로 이루어진 지지체를 포함한다. The artificial gill apparatus according to the present invention covers a respiratory organ of a human body and forms a predetermined internal space between the body and the respiratory organs so as to block permeation of liquid from the water into the internal space and permit permeation of gas, A polymer separator for introducing oxygen into the internal space and discharging carbon dioxide into the water from the internal space; and a nano-particle separator coupled to the surface of the polymer separator to prevent shape deformation due to a pressure difference in the polymer separator, And a support made of fibers.

본 발명에 따른 인공 아가미 장치의 제조방법은, 고분자 소재의 몰드에 복수의 그루브들을 가공하는 단계와, 상기 몰드를 이용해 상기 그루브들에 대응하는 복수의 돌기들을 포함하는 고분자 분리막을 성형하는 단계와, 상기 고분자 분리막의 표면에 나노 섬유를 결합시키는 단계를 포함한다.A method of manufacturing an artificial gill apparatus according to the present invention includes the steps of machining a plurality of grooves in a mold of a polymer material and molding the polymer separator including a plurality of protrusions corresponding to the grooves by using the mold, And binding the nanofibers to the surface of the polymer separator.

본 발명은, 고분자 분리막의 표면에 요철형상의 복수의 가이드 유로들을 형성함으로써, 물과의 접촉 면적이 증대되어 산소 포집 효과가 보다 향상될 수 있다.According to the present invention, by forming a plurality of concave-convex guide passages on the surface of the polymer separating membrane, the contact area with water can be increased, and the oxygen trapping effect can be further improved.

또한, 고분자 분리막의 표면에 나노섬유를 결합시켜 지지체로 구비함으로써, 나노 섬유의 기계적 강도로 인해 변형이 방지되고, 표면적 증대 효과도 얻을 수 있다. Further, by providing nanofibers on the surface of the polymer separator as a support, deformation is prevented due to the mechanical strength of the nanofibers, and an effect of increasing the surface area can also be obtained.

또한, 고분자 분리막의 표면에 금속 메시를 포함하는 보조 지지체를 구비함으로써, 변형을 방지하여 형상 유지가 가능하므로, 산소 분압차 형성이 보다 안정적으로 이루어질 수 있다. Further, by providing the auxiliary support including the metal mesh on the surface of the polymer separation membrane, deformation can be prevented and the shape can be maintained, so that the oxygen partial pressure difference formation can be made more stably.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 인공 아가미 장치의 고분자 분리막이 도시된 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 고분자 분리막의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 인공 아가미 장치의 제조방법이 도시된 블록도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 PMMA 몰드와 고분자 분리막의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 인공 아가미 장치의 실험 장치가 도시된 구성도이다.
도 6은 도 5에 도시된 실험의 결과를 나타낸 그래프이다.
도 7은 도 5에 도시된 인공 아가미 장치에 보조 지지체를 구비한 상태를 도시한 도면이다.
도 8은 보조 지지체가 설치되고, 고분자 분리막의 표면 형상에 따른 산소 투과성을 비교한 그래프이다.1 is a perspective view illustrating a polymer separation membrane of an artificial gill apparatus according to an embodiment of the present invention.
2 is a cross-sectional view of the polymer separator shown in FIG.
3 is a block diagram illustrating a method of manufacturing an artificial gill apparatus according to an embodiment of the present invention.
4 is a cross-sectional view of a PMMA mold and a polymer separator according to an embodiment of the present invention.
5 is a configuration diagram showing an experimental apparatus of an artificial gill apparatus according to an embodiment of the present invention.
6 is a graph showing the results of the experiment shown in Fig.
FIG. 7 is a view showing a state in which an artificial gill apparatus shown in FIG. 5 is provided with an auxiliary support.
8 is a graph comparing the oxygen permeability according to the surface shape of the polymer separator provided with the auxiliary support.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

본 발명의 실시예에 따른 인공 아가미 장치는, 수중에서 인체의 호흡을 돕는 웨어러블 수중 호흡장치이다. 상기 인공 아가미 장치는, 인체의 코나 입 등의 호흡기관에 착용되는 것으로 예를 들어 설명한다. 상기 인공 아가미 장치는 상기 호흡기관과의 사이에 공기가 존재하도록 소정의 내부공간이 유지되어야 한다. 다만, 이에 한정되지 않고, 상기 인공 아가미 장치는 수중 잠수복이나 수영복 등에도 적용가능하며, 이러한 경우 헬멧 타입의 장치를 포함하고 헬멧 내부를 산소 교환을 위한 공간으로 사용하고 잠수복 및 수영복 전체를 인공 아가미 장치로 사용하면 표면적 증대를 통한 원활한 산소 유입이 가능하다. The artificial gill apparatus according to the embodiment of the present invention is a wearable underwater breathing apparatus that helps the human body breathe in water. The artificial gill apparatus will be described by way of example as being worn by a respiratory organ such as the nose or mouth of a human body. In the artificial gill apparatus, a predetermined internal space must be maintained such that air is present between the artificial gill apparatus and the respiratory organ. However, the present invention is not limited thereto. The artificial gill apparatus may be applied to an underwater wetsuit or a swimwear. In this case, the helmet type apparatus is used and the inside of the helmet is used as a space for oxygen exchange. It is possible to flow smooth oxygen through the increase of the surface area.

상기 인공 아가미 장치는, 고분자 분리막(10)과 지지체(미도시)를 포함한다. The artificial gill apparatus includes a polymer membrane 10 and a support (not shown).

상기 고분자 분리막(10)은, 수중으로부터 상기 내부공간으로의 액체의 투과는 차단하고 기체의 투과는 허용하며, 수중으로부터 상기 내부공간으로 산소는 유입하고 상기 내부공간으로부터 수중으로 이산화탄소는 배출한다. 상기 고분자 분리막(10)은, 기체의 경우 농도가 상대적으로 높은쪽에서 낮은 쪽으로 이동하는 특징을 이용한 것으로서, 용존 산소가 높은 수중으로부터 산소가 상기 고분자 분리막 내부인 상기 내부공간으로 유입되고, 인체의 호흡에 의해 발생되는 이산화탄소는 수중으로 배출되는 원리이다. The polymer separator (10) shields permeation of liquid from the water to the internal space and permits permeation of gas. Oxygen is introduced into the internal space from the water, and carbon dioxide is discharged from the internal space into the water. The polymer separator 10 uses a feature that the concentration of the gas is shifted from a relatively higher to a lower concentration in the case of a gas. Oxygen is introduced from the water having a high dissolved oxygen into the inner space inside the polymer separator, The carbon dioxide produced by this is the principle that is released into water.

상기 고분자 분리막의 산소 투과능은 소재 및 화학물질의 조성 비율을 통해 조절이 가능하다. 표 1은 다양한 소재로 제작된 고분자 분리막의 산소 투과능 결과를 나타낸다. 표 1을 참조하면, poly(TMSP)의 산소 투과능이 가장 높은 것으로 나타나고 있다. The oxygen permeability of the polymer membrane can be controlled through the composition ratio of the material and the chemical substance. Table 1 shows the oxygen permeability of polymer membranes made from various materials. Referring to Table 1, the oxygen permeability of poly (TMSP) is the highest.

Figure 112015009800940-pat00001
Figure 112015009800940-pat00001

상기 고분자 분리막(10)은, 산소 투과능 뿐만 아니라 미세 구조의 가공 및 표면 개질이 용이한 소재로 선택할 수 있다. 후술하는 PMMA는 레이저 가공을 통한 미세 구조의 가공이 용이한 이점이 있으며, PDMS는 베이스와 경화에이전트(curing agent)를 배합한 후 열을 이용하여 쉽게 경화가 가능하므로, 액체상태의 용액을 몰드에 부어준 후 열 경화를 통해 손쉽게 표면개질이 가능한 이점이 있다. The polymer separator 10 can be selected as a material that facilitates not only oxygen permeability but also microstructure processing and surface modification. PMMS, which will be described later, has an advantage in that the microstructure can be easily processed by laser machining. PDMS can be easily cured by using heat after mixing the base and the curing agent. Therefore, After pouring, there is an advantage that the surface can be easily modified by thermosetting.

상기 고분자 분리막(10)의 표면은, 물과의 접촉 면접을 증대시키도록 요철형상의 복수의 가이드 유로(10a)들이 형성된다. 상기 복수의 가이드 유로들(10a)은, 어류의 아가미에 형성되어 물의 흐름을 안내하는 미세 구조를 모방하여 형성된다. A plurality of concave-convex guide channels 10a are formed on the surface of the polymer membrane 10 so as to increase the contact contact with water. The plurality of guide channels 10a are formed on the gills of the fish to mimic the microstructure guiding the flow of water.

상기 복수의 가이드 유로들(10a)은, 상기 고분자 분리막의 표면에 돌출 형성된 복수의 돌기들(10b)사이에 형성된 유로이다. 상기 복수의 돌기들(10b)의 형성방법은 뒤에서 상세히 설명한다. 본 실시예에서는, 상기 가이드 유로들(10a)은 복수의 돌기들(10b)사이에 형성된 유로인 것으로 예를 들어 설명하나, 이에 한정되지 않고, 상기 복수의 가이드 유로들(10a) 자체가 상기 고분자 분리막(10)의 표면에 형성된 홈인 것도 가능하다. 상기 고분자 분리막(10)의 표면에는 상기 복수의 가이드 유로들(10a)이 형성됨으로써, 상기 고분자 분리막(10)의 표면적이 최대화되어, 수중 용존 산소의 포집량이 최대화될 수 있다. 상기 복수의 가이드 유로들(10a)은 서로 소정간격 이격되게 형성된다. The plurality of guide flow paths 10a are flow paths formed between a plurality of projections 10b protruding from the surface of the polymer separation membrane. The method of forming the plurality of protrusions 10b will be described later in detail. In the present embodiment, the guide channels 10a are formed as a channel formed between the plurality of protrusions 10b. However, the present invention is not limited thereto, and the plurality of guide channels 10a may be formed of the polymer Or may be a groove formed on the surface of the separation membrane 10. By forming the plurality of guide channels 10a on the surface of the polymer membrane 10, the surface area of the polymer membrane 10 can be maximized and the amount of dissolved oxygen can be maximized. The plurality of guide channels 10a are spaced apart from each other by a predetermined distance.

도 8을 참조하면, 후술하는 보조 지지체(70)가 설치된 상기 고분자 분리막(10)의 표면 형상에 따른 산소 투과율을 알 수 있다. 도 8a는 상기 고분자 분리막(10)의 표면이 평평한 슬래브(slab)인 경우이고, 도 8b는 상기 고분자 분리막(10)의 표면에 상기 복수의 가이드 유로들(10a)이 형성된 경우이다. 도 8a와 도 8b를 비교해보면, 상기 복수의 가이드 유로들이 형성된 고분자 분리막(10)의 경우에 시간에 따른 산소 농도(Oxygen concentration)가 슬래브 경우에 비해 더 높은 것을 알 수 있다. Referring to FIG. 8, the oxygen permeability according to the surface shape of the polymer membrane 10 provided with the auxiliary support body 70 to be described later can be known. 8A shows a case where the surface of the polymer membrane 10 is a flat slab and FIG. 8B shows a case where the plurality of guide channels 10a are formed on the surface of the polymer membrane 10. 8A and 8B, it can be seen that the oxygen concentration in the case of the polymer separator 10 having the plurality of guide channels is higher than that in the slab case.

상기 고분자 분리막(10)의 두께는 얇을수록 좋다. 상기 고분자 분리막(10)의 두께는 약 300 μm가 적합하다. 두께가 300 μm미만으로 얇을 경우, 실험 또는 사용 중 손실의 위험이 크다. 두께가 두꺼워질수록 산소 투과능이 저하된다. The thickness of the polymer membrane 10 is preferably as thin as possible. The thickness of the polymer separator 10 is preferably about 300 μm. If the thickness is less than 300 μm, there is a large risk of loss during experimentation or use. The thicker the thickness, the lower the oxygen permeability.

상기 고분자 분리막(10)의 두께와 산소 투과능의 관계는 수학식 1과 같습니다.The relationship between the thickness of the polymer membrane (10) and the oxygen permeability is shown in Equation (1).

Figure 112015009800940-pat00002
Figure 112015009800940-pat00002

fO2는 산소의 플럭스량, Pw는 산소의 투과능, PO2_water 및 PO2_chamber는 고분자 분리막 내부와 외부의 산소 분압, L_membrane은 멤브레인의 두께이며, δair 및 δwater 수학적 계산을 위해 추가되는 분리막의 공기쪽과 물쪽의 확산 레이어 두께이다.
f O2 is the flux amount of oxygen, Pw is the permeability of oxygen, P O2 _water and P O2 _chamber are the oxygen partial pressure inside and outside the polymer membrane, L_membrane is the membrane thickness, and δ air and δ water are added for mathematical calculations And the diffusion layer thickness on the air side and the water side of the separator.

따라서, 산소의 플럭스량은 상기 고분자 분리막(10)의 두께에 반비례하기 때문에, 상기 고분자 분리막(10)의 두께가 얇을수록 산소투과가 원활하다. 또한 산소 플럭스 량은 분리막 내부와 외부의 산소 분압차 (PO2_water-PO2_chamber)에 비례하기 때문에 분압차를 유지하기위해 인공지지체 및 나노섬유를 적용하는 것입니다. Therefore, since the flux amount of oxygen is inversely proportional to the thickness of the polymer separator 10, the thinner the polymer separator 10 is, the better the oxygen permeation is. Also, since the amount of oxygen flux is proportional to the oxygen partial pressure difference (P O2 _water-P O 2 _chamber) inside and outside the membrane, it is possible to apply a scaffold and nanofibers to maintain the partial pressure difference.

상기 지지체는, 상기 고분자 분리막(10)의 표면에 결합되고 나노 섬유(20)로 이루어진다. 상기 지지체는, 상기 고분자 분리막 내,외부의 압력차에 의한 형상 변형을 방지하는 역할을 한다. 상기 지지체는, 직접주사전기 방사 기술(DWES,Direct Writing Electro Spinning)을 이용하여, 상기 고분자 분리막(10)의 표면에 나노 섬유(20)를 결합시킨다. 상기 나노 섬유(20)는, 기계적 강도가 높기 때문에 지지역할을 할 수 있으며, 1g당 수십 제곱미터의 표면적을 가지므로, 상기 고분자 분리막(10)의 표면적 증대에도 도움을 준다.
The support is composed of nanofibers (20) bonded to the surface of the polymer separator (10). The support serves to prevent the shape deformation of the polymer separator due to a pressure difference in the polymer separator. The support binds the nanofibers 20 to the surface of the polymer separator 10 by using Direct Writing Electro Spinning (DWES). Since the nanofiber 20 has a high mechanical strength, it can serve as a support and has a surface area of several tens square meters per 1 g, which also helps increase the surface area of the polymer separator 10.

상기와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 인공 아가미 장치의 제조방법을 설명하면, 다음과 같다.The method of manufacturing the artificial gill apparatus according to the embodiment of the present invention will now be described.

도 3a 및 도 4a를 참조하면, 먼저, PMMA 몰드(40)를 제조한다. 상기 PMMA 몰드(40)의 표면에는, 상기 레이저 가공기(30)를 이용하여 복수의 그루브들(40a)을 형성한다. 상기 그루브들(40a)의 깊이는 약 1.5mm이하로 설정된다. 상기 그루브들(40a)의 깊이가 1.5mm 이상인 경우, 상기 고분자 분리막(10)의 분리가 어렵다. 본 실시예에서는, 상기 레이저 가공기(30)를 이용하는 것으로 예를 들어 설명하나, 이에 한정되지 않고 표면에 그루브를 가공할 수 있는 방법이라면 어느 것이나 사용가능하다.Referring to FIGS. 3A and 4A, first, a PMMA mold 40 is manufactured. On the surface of the PMMA mold 40, a plurality of grooves 40a are formed by using the laser processing machine 30. [ The depth of the grooves 40a is set to about 1.5 mm or less. When the depth of the grooves 40a is 1.5 mm or more, it is difficult to separate the polymer separator 10. In the present embodiment, the laser machining apparatus 30 is used as an example, but the present invention is not limited to this, and any method can be used as long as it can process grooves on the surface.

상기 PMMA 몰드(40)에 상기 그루브들(40a)을 가공한 이후, 매끄러운 표면을 위하여 추가공정을 수행할 수 있다. 여기서, 상기 추가공정은 어닐링 공정(annealing process)이고, 상기 PMMA 몰드(40)를 약 180℃ 오븐에서 약 30분을 유지한다. 상기 PMMA 몰드의 레이저 가공시 가공 표면의 거칠기가 증가하게 되어, 거친 표면은 추후 상기 PMMA 몰드에서 상기 고분자 분리막을 분리할시 원할한 분리를 방해한다. 따라서, 추가공정인 어닐링 공정을 통해 상기 PMMA몰드의 가공면을 깨끗하게 한다. 상기 어닐링 공정을 마치면, 추후 상기 PMMA 몰드에서 상기 고분자 분리막(1)의 분리가 보다 용이해질 수 있다. After processing the grooves 40a in the PMMA mold 40, an additional process may be performed for a smooth surface. Here, the additional process is an annealing process, and the PMMA mold 40 is maintained at about 180 DEG C in an oven for about 30 minutes. The roughness of the processed surface of the PMMA mold is increased during the laser machining of the PMMA mold so that the rough surface interferes with the proper separation for separating the polymer separator from the PMMA mold. Thus, the machined surface of the PMMA mold is cleaned through an additional annealing process. After the annealing process, separation of the polymer separator 1 from the PMMA mold can be further facilitated.

상기 PMMA 몰드(40)에, 액상 고분자 분리막 용액을 부은 후, 열경화 시킨다. 여기서, 상기 액상 고분자 분리막 용액은 PDMS 베이스와 경화 에이전트를 일정 비율로 배합하여 이루어진다. 상기 열경화는 65℃에서 약 4시간 이루어진다. 열경화 이후, 상기 복수의 그루브들(40a)이 형성된 상기 PMMA 몰드(40)로부터 상기 고분자 분리막(10)을 분리한다. The liquid polymer separating membrane solution is poured into the PMMA mold 40 and thermally cured. Here, the liquid polymeric membrane solution is prepared by blending a PDMS base and a curing agent at a predetermined ratio. The thermal curing is carried out at 65 DEG C for about 4 hours. After the thermal curing, the polymer separator 10 is separated from the PMMA mold 40 in which the plurality of grooves 40a are formed.

도 4b를 참조하면, 상기 고분자 분리막(10)을 상기 PMMA 몰드(40)로부터 분리하면, 상기 고분자 분리막(10)의 표면에는 상기 그루브들(40a)에 대응되는 복수의 돌기들(10b)이 형성된다. 상기 복수의 돌기들(10b)사이에는 물이 통과하는 상기 가이드 유로들(10a)이 형성된다. 따라서, 상기 고분자 분리막(10)의 표면에 요철형상의 상기 가이드 유로들(10a)이 형성됨으로써, 상기 고분자 분리막(10)의 표면적이 증대되어 수중의 용존 산소의 포집량이 증대될 수 있다.Referring to FIG. 4B, when the polymer separator 10 is separated from the PMMA mold 40, a plurality of protrusions 10b corresponding to the grooves 40a are formed on the surface of the polymer separator 10 do. The guide channels 10a through which water passes are formed between the plurality of protrusions 10b. Therefore, by forming the guide channels 10a having a concavo-convex shape on the surface of the polymer separator 10, the surface area of the polymer separator 10 can be increased, and the amount of dissolved oxygen captured in the water can be increased.

이후, 상기 고분자 분리막(10)의 표면에 상기 나노섬유(20)를 결합시킨다. 상기 나노섬유(20)는 상기 고분자 분리막(10)과 같은 소재로 이루어지며, 상기 직접주사전기방사기술(DWES)을 통해 상기 고분자 분리막(10)의 표면에 결합된다. 상기 나노섬유(20)는 상기 고분자 분리막(10)의 표면에서 상기 복수의 돌기들(10b)과 상기 가이드 유로들(10a) 표면에 전체적으로 부착된다. 본 실시예에서는, 상기 직접주사전기방사기술을 이용하는 것으로 예를 들어 설명하나, 이에 한정되지 않고 다른 방법을 이용하는 것도 가능하다. Then, the nanofiber 20 is bonded to the surface of the polymer separator 10. The nanofibers 20 are made of the same material as the polymer separator 10 and are bonded to the surface of the polymer separator 10 through the direct scan electrospinning technology DWES. The nanofibers 20 are attached to the surfaces of the plurality of protrusions 10b and the guide flow paths 10a on the surface of the polymer separator 10 as a whole. In this embodiment, the direct-scan electrospinning technique is used as an example, but the present invention is not limited thereto and other methods may be used.

상기 고분자 분리막(10)의 표면에 상기 나노섬유(20)가 결합되면, 상기 나노섬유(20)의 기계적 강도에 의해 상기 고분자 분리막(10)의 변형 등이 방지될 수 있다. 또한, 상기 나노섬유는 1g당 수십제곱미터의 표면적을 가지므로, 상기 고분자 분리막(10)의 표면적 증대에도 도움이 되므로, 산소 포집 효과가 향상될 수 있다When the nanofiber 20 is bonded to the surface of the polymer separator 10, the polymer separator 10 may be prevented from being deformed due to the mechanical strength of the nanofiber 20. Also, since the nanofibers have a surface area of several tens square meters per 1 g, they also contribute to the increase of the surface area of the polymer separator 10, so that the oxygen collection effect can be improved

또한, 상기 고분자 분리막(10)에서 기체 공간을 향한 표면에는 보조 지지체(70)를 구비할 수 있다. 상기 보조 지지체는 금속 메시(Mesh)이고, 본 실시예에서는 스테인레스 스틸 재질로 이루어진 것으로 예를 들어 설명한다. 본 실시예에서 상기 메시의 그리드는 약 1mm인 것으로 예를 들어 설명한다. 상기 보조 지지체(70)는 상기 고분자 분리막(10)의 형상 유지에 도움을 줄 수 있다.
In addition, an auxiliary support 70 may be provided on the surface of the polymer separator 10 facing the gas space. The auxiliary support is a metal mesh, which is made of stainless steel in the present embodiment, for example. In this embodiment, the grid of the mesh is about 1 mm, for example. The auxiliary support 70 can help maintain the shape of the polymer separator 10.

도 5 및 도 6을 참조하면, 상기 고분자 분리막(10)을 이용한 산소 포집 효과실험에 대해 설명한다. 5 and 6, an experiment of trapping oxygen using the polymer membrane 10 will be described.

본 실험에서, 상기 고분자 분리막(10)은, PDMS(Polydimethylsilosane)를 사용하였다. 상기 고분자 분리막(10)을 이용하여 챔버(50)를 제작하였다. 상기 챔버(50)에는, 상기 챔버(50) 내부의 산소 농도를 측정하기 위한 산소 농도 센서(52)와, 상기 챔버(50) 내부의 산소 소모를 위한 전지(54)가 설치된다. 상기 산소 농도 센서(52)로부터 측정된 값과, 상기 전지(54)의 전류 측정을 위해 컨트롤러(55)와 컴퓨터(56)도 설치된다. 상기 전지(54)는 아연 전지를 사용하였다. In this experiment, PDMS (Polydimethylsilosane) was used as the polymer separator 10. A chamber 50 was fabricated using the polymer separator 10. The chamber 50 is provided with an oxygen concentration sensor 52 for measuring the oxygen concentration in the chamber 50 and a battery 54 for consuming oxygen in the chamber 50. A controller 55 and a computer 56 are also provided for measuring the value measured from the oxygen concentration sensor 52 and the current of the battery 54. The battery 54 used was a zinc battery.

상기 전지(54)를 이용해 상기 챔버(50)내부의 산소를 소모시키고, 산소 소모에 따른 산소 농도 감소를 측정하였다. Oxygen in the chamber 50 was consumed by using the battery 54, and the decrease in oxygen concentration due to oxygen consumption was measured.

상기 챔버(50)내부에서 상기 산소 농도가 감소되면, 물로부터 상기 고분자 분리막을 통해 상기 챔버(50)로 산소 공급이 이루어진다. 따라서, 시간에 따른 상기 챔버(50) 내부의 산소 농도 변화를 측정하였다. When the oxygen concentration is reduced inside the chamber 50, oxygen is supplied from the water to the chamber 50 via the polymer separator. Therefore, the change in oxygen concentration inside the chamber 50 with time was measured.

도 6을 참조하면, 실험 결과, 전지의 작동시간에 따라 상기 챔버(50)내부의 산소 농도가 감소하는 현상을 확인할 수 있었다. 본 실험에서는 약 1개의 상기 전지(54)를 사용할 경우, 산소 농도가 감소하다가 약 6%에서 산소 농도가 안정화되었다. 이후, 시험 시작 시간으로부터 약 35시간 경과시 산소 농도가 다시 회복되는 것을 알 수 있었다. 상기 산소 농도의 안정화 및 회복은, 상기 고분자 분리막(10)을 통해 수중의 산소가 상기 챔버(50)의 내부로 유입되는 것을 보여준다. Referring to FIG. 6, as a result of the experiment, it was confirmed that the oxygen concentration in the chamber 50 decreased according to the operating time of the battery. In the present experiment, when one cell (54) was used, the oxygen concentration was decreased and the oxygen concentration was stabilized at about 6%. Thereafter, it was found that the oxygen concentration was restored again after about 35 hours from the test start time. Stabilization and recovery of the oxygen concentration show that oxygen in the water flows into the interior of the chamber 50 through the polymer membrane 10.

한편, 도 7 및 도 8을 참조하면, 도 7에서는 상기 고분자 분리막(10)의 내부 표면에 보조 지지체(70)를 설치하여 실험하였다. 상기 보조 지지체(70)를 설치하면, 변형이 방지되어 형상 유지가 가능하다. 상기 고분자 분리막(10)의 형상이 유지되면, 상기 고분자 분리막(10) 내외부의 산소 분압차가 용이하게 형성될 수 있다. Referring to FIGS. 7 and 8, an auxiliary support 70 is provided on the inner surface of the polymer separator 10 in FIG. When the auxiliary support 70 is provided, deformation is prevented and the shape can be maintained. When the shape of the polymer separator 10 is maintained, a difference in oxygen partial pressure inside and outside the polymer separator 10 can be easily formed.

도 8a는 상기 보조 지지체(70)가 설치되고, 상기 고분자 분리막(10)의 표면이 평평한 슬래브(slab)인 경우이고, 도 8b는 상기 보조 지지체(70)가 설치되고, 상기 고분자 분리막(10)의 표면에 상기 복수의 가이드 유로들(10a)이 형성된 경우이다. 도 8a를 참조하면, 약 14%에서 산소 농도가 평형상태를 보인다. 또한, 도 8b를 참조하면, 약 16%에서 산소 농도가 평형상태를 보인다. 상기 보조 지지체(70)가 설치되지 않은 도 6의 경우에는 약 6%에서 산소 농도가 평형상태를 보인 것과 비교해보면, 상기 보조 지지체(70)가 설치된 경우가 설치되지 않은 경우보다 높은 농도에서 평형상태를 보임을 알 수 있다. 따라서, 상기 보조 지지체(70)가 설치된 경우, 챔버와 물 사이의 분압차가 확보될 수 있으며, 산소 분압차가 확보되어야 산소의 이동이 보다 원활하게 이루어질 수 있다.8A shows a case where the auxiliary support 70 is installed and the surface of the polymer separator 10 is a flat slab. FIG. 8B shows a state in which the auxiliary support 70 is installed, And the plurality of guide flow paths 10a are formed on the surface of the guide grooves 10a. Referring to FIG. 8A, the oxygen concentration shows an equilibrium state at about 14%. Also, referring to FIG. 8B, the oxygen concentration shows an equilibrium state at about 16%. In the case of FIG. 6 in which the auxiliary support body 70 is not provided, as compared with the case where the oxygen concentration is in an equilibrium state at about 6%, the state of equilibrium state As shown in Fig. Therefore, when the auxiliary support 70 is provided, a partial pressure difference between the chamber and the water can be ensured, and the oxygen partial pressure difference can be secured to smoothly move the oxygen.

한편, 도 8a와 도 8b를 비교해보면, 상기 복수의 가이드 유로들이 형성된 고분자 분리막(10)의 경우에 시간에 따른 산소 농도(Oxygen concentration)가 슬래브 경우에 비해 더 높은 것을 알 수 있다.
8A and 8B, it can be seen that the oxygen concentration in the case of the polymer separator 10 having the plurality of guide channels is higher than that in the slab case.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.While the present invention has been described with reference to exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and equivalent arrangements included within the spirit and scope of the appended claims. Accordingly, the true scope of the present invention should be determined by the technical idea of the appended claims.

10: 고분자 분리막 10a: 가이드 유로
20: 나노 섬유 10: polymer separator 10a:
20: nanofiber

Claims (12)

산소와 이산화탄소가 포함된 수중인 액체 공간과 산소와 이산화탄소가 포함된 기체 공간을 분리하고, 상기 수중으로부터 상기 기체공간으로의 액체의 투과는 차단하고 기체의 투과는 허용하며,
상기 액체 공간의 산소 농도가 상기 기체 공간의 산소 농도보다 상대적으로 높을 경우 상기 액체 공간으로부터 상기 기체 공간으로 산소는 유입하고,
상기 기체 공간의 이산화탄소 농도가 상기 액체 공간의 이산화탄소 농도보다 상대적으로 높을 경우 상기 기체 공간으로부터 상기 액체 공간으로 이산화탄소는 배출하는 고분자 분리막과;
상기 고분자 분리막에서 상기 액체 공간을 향한 표면에 결합되고, 상기 액체 공간과 상기 기체 공간의 압력차에 의한 상기 고분자 분리막의 형상 변형을 방지하도록 나노 섬유로 이루어진 지지체와;
상기 고분자 분리막에서 상기 기체 공간을 향한 표면에는 금속 재질이고 메시(Mesh)구조를 갖는 보조 지지체를 포함하고,
상기 고분자 분리막의 표면에는 물과의 접촉 면적을 증대시키도록 요철형상의 복수의 가이드 유로들이 형성되고, 상기 가이드 유로들은 상기 고분자 분리막의 표면에서 돌출된 복수의 돌기들 사이에 형성되고,
상기 나노 섬유는 상기 고분자 분리막과 같은 소재로 이루어진 인공 아가미 장치.A liquid space in which oxygen and carbon dioxide are contained and a gas space containing oxygen and carbon dioxide are separated from each other, the permeation of liquid from the water to the gas space is blocked,
Oxygen is introduced into the gas space from the liquid space when the oxygen concentration of the liquid space is relatively higher than the oxygen concentration of the gas space,
A polymer separator for discharging carbon dioxide from the gas space to the liquid space when the concentration of carbon dioxide in the gas space is relatively higher than the concentration of carbon dioxide in the liquid space;
A support made of nanofibers bonded to a surface facing the liquid space in the polymer separation membrane and preventing shape deformation of the polymer separation membrane due to a pressure difference between the liquid space and the gas space;
And an auxiliary support having a mesh structure on the surface of the polymer separator facing the gas space,
A plurality of concave-convex guide channels are formed on the surface of the polymer separator to increase the contact area with water, the guide channels are formed between a plurality of protrusions protruding from the surface of the polymer separator,
Wherein the nanofiber is made of the same material as the polymer separator. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 청구항 1에 있어서,
상기 나노 섬유는, 직접주사전기방사기술을 통해 상기 고분자 분리막의 표면에 결합되는 인공 아가미 장치.The method according to claim 1,
Wherein the nanofibers are bonded to the surface of the polymer separator through a direct scanning electrospinning technique. 삭제delete 청구항 1에 있어서,
상기 고분자 분리막은, PDMS(Polydimethylsiloxane)로 이루어진 인공 아가미 장치.The method according to claim 1,
The polymer separator is made of PDMS (Polydimethylsiloxane). 삭제delete 삭제delete 고분자 소재의 몰드에 복수의 그루브들을 가공하는 단계와;
상기 몰드에 PDMS 베이스와 경화 에이전트를 일정 비율로 배합한 액상 고분자 분리막 용액을 부은 후 열경화시켜, 상기 그루브들에 대응하는 복수의 돌기들을 포함하고 액체의 투과는 차단하고 기체의 투과는 허용하는 고분자 분리막을 성형하는 단계와;
상기 고분자 분리막의 표면에 상기 고분자 분리막과 동일한 소재의 나노섬유를 직접주사전기방사기술을 통해 결합시키는 단계와;
상기 고분자 분리막에서 기체를 향한 표면에는 금속 재질이고 메시(Mesh)구조를 갖는 보조 지지체를 결합시키는 단계를 포함하는 인공 아가미 장치의 제조방법.Processing a plurality of grooves in a mold of a polymeric material;
Polymerizing a solution of a liquid polymer membrane in which a PDMS base and a curing agent are blended in a predetermined ratio and then thermally curing the polymer solution to form a plurality of protrusions corresponding to the grooves and blocking permeation of the liquid, Forming a separator;
Coupling nanofibers of the same material as the polymer separation membrane to the surface of the polymer separation membrane through direct scanning electrospinning technology;
And joining an auxiliary support having a metal mesh structure to the surface of the polymer membrane facing the gas. 청구항 10에 있어서,
상기 복수의 그루브들은 레이저 가공기를 이용해 가공된 인공 아가미 장치의 제조방법.The method of claim 10,
Wherein the plurality of grooves are processed by using a laser processing machine. 삭제delete
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