KR101803412B1 - 나노전기수력학적 탈염기 및 이를 이용한 입자 동시 농축 및 탈염 방법 - Google Patents

나노전기수력학적 탈염기 및 이를 이용한 입자 동시 농축 및 탈염 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 용액이 이동할 수 있는 복수개의 유로가 구비된 마이크로 채널; 및 이온농도분극(ICP;Ion Concentration Polarization) 현상에 의해 이온공핍영역(ion depletion zone)을 형성할 수 있도록 이온 선택성 멤브레인(ion-selective membrane)이 상기 마이크로 채널의 일부에 연결되는 나노 채널;을 포함하고, 상기 나노 채널 상에 상기 마이크로 채널이 적층된 구조를 가지며, 상기 마이크로 채널에 전기장을 인가하여 상기 이온 선택성 멤브레인이 인접한 부근에 상기 이온농도분극 현상이 발생함으로써 상기 용액으로부터 입자가 분리되고 상기 입자는 상기 복수개의 유로 중 어느 하나를 통해 유출되어 동시에 농축과 탈염될 수 있는, 나노전기수력학적 탈염기 및 이를 이용한 입자 동시 농축 및 탈염 방법을 제공한다.

Description

나노전기수력학적 탈염기 및 이를 이용한 입자 동시 농축 및 탈염 방법{Nano-electrokinetic desalter and method for simultaneous concentrating and desalting particle using the same}
본 발명은 나노전기수력학적 탈염기 및 이를 이용한 입자 동시 농축 및 탈염 방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 고품질의 프린터 잉크 생산을 위한 나노전기수력학적 탈염기 및 이를 이용한 입자 동시 농축 및 탈염 방법에 관한 것이다.
잉크 탈염 및 담수화에 주로 사용되는 이온 교환 기술의 대표적인 예로는 여과(filtration)에 의한 방법과 역삼투막(reverse osmosis)에 의한 방법을 들 수 있다. 여과(Filtration)기술은 교환 대상 물질의 크기에 따라서 micro-filtration (0.1-1um), ultra-filtration (0.01-0.1um), nano-filtration(1-10nm)으로 구분되며, 각 과정에서 사용되는 막의 크기와 종류가 다르다. 역삼투막(Reverse-osmosis)기술은 막의 물리적 특성에 기반한 것이 아닌 이온의 확산 특성에 근거한 이온 교환 기술이며, 대부분의 1가 이온(monovalent ion)을 교환시킬 수 있다. 두 가지 방법 모두 마이크로 시스템(micro system)이 아닌 매크로 시스템(macro system)에서 주로 사용되며 특정 1가 이온(monovalent ion)의 분리 및 농도 조절은 어렵다. 또, 사용되는 투과막의 종류가 매우 다양하여 범용성이 어려우며, 단가가 높은 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 공정이 간단하고, 경제적이며, 구조가 간단한 나노전기수력학적 탈염기 및 이를 이용한 입자 동시 농축 및 탈염 방법에 대한 것이다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 따르면, 나노전기수력학적 탈염기가 제공된다. 상기 나노전기수력학적 탈염기는 용액이 이동할 수 있는 복수개의 유로가 구비된 마이크로 채널; 및 이온농도분극(ICP;Ion Concentration Polarization) 현상에 의해 이온공핍영역(ion depletion zone)을 형성할 수 있도록 이온 선택성 멤브레인(ion-selective membrane)이 상기 마이크로 채널의 일부에 연결되는 나노 채널;을 포함하고, 상기 나노 채널 상에 상기 마이크로 채널이 적층된 구조를 가지며, 상기 마이크로 채널에 전기장을 인가하여 상기 이온 선택성 멤브레인이 인접한 부근에 상기 이온농도분극 현상이 발생함으로써 상기 용액으로부터 입자가 분리되고 상기 입자는 상기 복수개의 유로 중 어느 하나를 통해 유출되어 동시에 농축과 탈염될 수 있다.
상기 나노전기수력학적 탈염기에 있어서, 상기 마이크로 채널은 상기 나노 채널 상에 적층되어 상기 복수개의 유로의 적어도 일부와 상기 이온 선택성 멤브레인의 일부가 서로 맞닿는 것일 수 있다.
상기 나노전기수력학적 탈염기에 있어서, 상기 복수개의 유로는 제 1 입구, 제 2 입구, 제 1 출구, 제 2 출구 및 제 3 출구를 포함하고, 상기 제 1 입구는 상기 제 1 출구 및 상기 제 2 출구와 직접 연결되고, 상기 제 2 입구는 상기 제 3 출구와 직접 연결되며, 상기 제 1 출구와 상기 제 2 출구는 상기 복수개의 유로의 적어도 일부와 상기 이온 선택성 멤브레인의 일부가 서로 접하는 부분에서 분기되고, 상기 제 2 출구는 상기 제 1 출구와 소정의 각도를 갖고 상기 용액의 진행 방향에 둔각으로 배치된 방향으로 형성된 것일 수 있다.
상기 나노전기수력학적 탈염기에 있어서, n개의 마이크로 채널이 서로 직렬로 연결됨으로써, 상기 n개의 마이크로 채널의 제 1 출구를 통해 농축된 상기 입자의 농도가 n-1개의 마이크로 채널의 제 1 출구를 통해 농축된 상기 입자의 농도보다 상대적으로 더 고농도이며, 상기 n개의 마이크로 채널의 제 1 입구는 상기 n-1개의 마이크로 채널의 제 1 출구와 직접 연결되고, 상기 n은 1 이상의 자연수를 포함할 수 있다.
상기 나노전기수력학적 탈염기에 있어서, 상기 마이크로 채널은 실리콘 웨이퍼(Si wafer) 상에 감광제(photoresist)를 코팅하고, 상기 감광제를 패터닝(patterning)함으로써 형성된 상기 유로를 포함하고, 상기 마이크로 채널은 몰딩재로 몰딩(molding) 된 것일 수 있다.
상기 나노전기수력학적 탈염기에 있어서, 상기 나노 채널은 기판 상에 상기 이온 선택성 멤브레인이 패터닝(patterning)되어 형성된 것일 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 따르면, 나노전기수력학적 탈염기를 이용한 입자 동시 농축 및 탈염 방법이 제공된다. 상기 나노전기수력학적 탈염기를 이용한 입자 동시 농축 및 탈염 방법은 마이크로 채널 및 이온 선택성 멤브레인(ion-selective membrane)을 구비하는 나노 채널을 포함하는 마이크로-나노 채널 디바이스의 제 1 입구에 분석물(analyte)과 염(salt)이 혼합된 용액을 공급하고, 상기 마이크로-나노 채널의 제 2 입구에는 증류수 또는 전해질 수용액을 공급하는 단계; 상기 마이크로-나노 채널 디바이스에 전기장을 인가하여, 상기 마이크로 채널의 일부에 상기 이온 선택성 멤브레인이 연결된 부위에 이온농도분극(ICP;Ion Concentration Polarization) 현상이 발생함으로써 이온공핍영역(ion depletion zone)을 형성하는 단계; 및 상기 용액은 상기 이온공핍영역을 기준으로 상기 분석물과 상기 염으로 분리되며, 상기 분석물 분자는 상기 마이크로 나노 채널 디바이스의 제 1 출구를 통해 동시에 농축 및 탈염되는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 나노전기수력학적 탈염기를 이용한 입자 동시 농축 및 탈염 방법에 있어서, 상기 염은 수용액 내에서 수화된 이온 상태로 존재하며, 상기 마이크로-나노 채널 디바이스의 제 3 출구로 유출되는 상기 염과 상기 염의 양이온 성분의 양은 상기 마이크로-나노 채널 디바이스의 제 1 출구와 제 2 출구로 유출되는 상기 염과 상기 염의 양이온 성분의 양보다 상대적으로 많고, 상기 제 3 출구로 유출되는 상기 염과 상기 염의 양이온 성분은 상기 이온농도분극 현상의 드라이빙 소스(driving source)로 사용될 수 있다.
상기 나노전기수력학적 탈염기를 이용한 입자 동시 농축 및 탈염 방법에 있어서, 상기 제 1 출구로 유출되는 상기 염과 상기 염의 양이온 성분의 양은 상기 제 2 출구로 유출되는 상기 염과 상기 염의 양이온 성분의 양보다 상대적으로 많은 것일 수 있다.
상기 나노전기수력학적 탈염기를 이용한 입자 동시 농축 및 탈염 방법에 있어서, 상기 염의 음이온 성분은 상기 마이크로 채널 내의 전극 반응에 의해 기체화되며, 상기 용액 내의 전기적 중성을 유지하는 기능을 수행하는 것일 수 있다.
상기 나노전기수력학적 탈염기를 이용한 입자 동시 농축 및 탈염 방법에 있어서, 상기 전해질 수용액 내에 포함된 염의 양은 상기 용액에 혼합된 염의 양과 비슷하거나 또는 상대적으로 적은 양을 포함할 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 저가형의 구조가 간단하며, 단시간 내에 저전력으로 저가 잉크에 포함된 염을 제거함으로써 농축과 탈염을 동시에 할 수 있는 나노전기수력학적 탈염기 및 이를 이용한 입자 동시 농축 및 탈염 방법을 구현할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노전기수력학적 탈염기를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 나노전기수력학적 탈염기의 사진이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 나노전기수력학적 탈염기를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실험예에 따른 리튬과 나트륨 이온에 대하여, 각 출구에서 검출된 이온의 비율을 측정한 결과이다.
도 5는 본 발명의 실험예에 따른 나노전기수력학적 탈염기를 이용하여 분리 농축된 잉크 샘플의 추출 과정을 관찰한 사진이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있는 것으로, 이하의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한 설명의 편의를 위하여 도면에서는 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차(tolerance)에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명 사상의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다.
일반적으로, 고품질의 프린터용 잉크 안료를 제작하기 위해서는 잉크 안료 분자 밀도를 촘촘히 하고, 저품질 잉크 내의 염(salt)의 함유량을 최소화해야 한다. 이를 만족하기 위해서, ultrafiltration, nanofiltration 등의 대규모 설비를 사용할 뿐만 아니라, 잉크 안료 분자의 순도를 높이기 위해 고가의 여과공정을 복수회 거쳐야 한다.
이를 해결하기 위해서, 본 발명은 비정제 된 저품질의 잉크 안료를 한 번의 공정으로 처리함으로써 잉크 안료는 손실되지 않고 약 2배 이상 농축할 수 있는 나노전기수력학적 탈염기 및 이를 이용한 입자 동시 농축 및 탈염 방법을 제공한다. 하기에서 좀 더 구체적으로 도 1 내지 도 5를 참조하여 나노전기수력학적 탈염기 및 이를 이용한 입자 동시 농축 및 탈염 방법에 대해서 후술한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노전기수력학적 탈염기를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 나노전기수력학적 탈염기의 사진이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 나노전기수력학적 탈염기(100)는 용액이 이동할 수 있는 유로가 구비된 마이크로 채널(10) 및 이온농도분극(ICP;Ion Concentration Polarization) 현상에 의해 이온공핍영역(ion depletion zone)을 형성할 수 있도록 이온 선택성 멤브레인(ion-selective membrane(nano junction), 22)이 마이크로 채널(10)의 일부에 연결되는 나노 채널(20)을 포함할 수 있다. 이하에서, 나노전기수력학적 탈염기(100)는 마이크로 채널(10)과 나노채널(20)이 적층된 구조의 마이크로-나노 채널 디바이스로 이해될 수 있다.
마이크로 채널(10)은 나노 채널(20) 상에 적층되어 유로의 적어도 일부와 이온 선택성 멤브레인(22)의 일부가 서로 맞닿는다. 마이크로 채널(10)을 구성하는 유로는 제 1 입구(12a), 제 2 입구(12b), 제 1 출구(14a), 제 2 출구(14b) 및 제 3 출구(14c)를 포함할 수 있다. 제 1 입구(12a)는 제 1 출구(14a) 및 제 2 출구(14b)와 직접 연결되고, 제 1 출구(14a)와 제 2 출구(14b)는 복수개의 유로의 적어도 일부와 이온 선택성 멤브레인(22)의 일부가 서로 접하는 부분에서 분기되고, 제 2 출구(14b)는 제 1 출구(14a)와 소정의 각도를 갖고 상기 용액의 진행 방향에 둔각으로 배치된 방향으로 형성된 것일 수 있다. 또, 제 2 입구(12b)는 제 3 출구(14c)와 직접 연결될 수 있다.
여기에서, 제 1 입구(12a)는 양극단(Anodic side)의 주입구로, 제 2 입구(12b)는 음극단(Cathodic side)의 주입구로 이해될 수 있으며, 제 1 출구(14a)는 양극단의 상위출구로, 제 2 출구(14b)는 양극단의 하위출구로, 제 3 출구(14c)는 음극단의 출구로 이해될 수 있다.
또한, 마이크로 채널(10)에 전기장을 인가하여 마이크로 채널(10)과 나노 채널(20)에 구비된 이온 선택성 멤브레인(22, nano junction)이 인접한 부근에 이온농도분극 현상이 발생함으로써 용액으로부터 입자가 분리되고 상기 입자는 복수개의 유로(14a, 14b 및 14c) 중 어느 하나 즉, 제 1 출구(14a)를 통해 유출되어 동시에 농축과 탈염될 수 있다.
도 2를 참조하면, 마이크로 채널(10)은 예를 들어, 실리콘 웨이퍼(Si wafer) 상에 감광제(photoresist)를 코팅하고, 상기 감광제를 패터닝(patterning)함으로써 형성된 상기 유로를 포함하고, 마이크로 채널(10)은 별도의 몰딩재로 몰딩(molding)될 수 있다. 여기서, 상기 몰딩재는 예를 들어, PDMS(polydimethylsiloxane)를 사용할 수 있으며, 폭이 약 100㎛ ~ 1㎝, 높이가 약 10㎛ ~ 50㎛ 내외의 크기를 갖도록 몰딩될 수 있다.
나노 채널(20)은 기판 상에 이온 선택성 멤브레인(22)이 패터닝(patterning)되어 형성될 수 있다. 이 때, 상기 기판은 예를 들어, 유리(glass) 기판을 사용할 수 있으며, 이 외에도 고체상의 어떤 물질이라도 상관없다. 상기 이온 선택성 멤브레인(22)이 패터닝 된 기판과 상기 마이크로 채널(10)을 상하로 적층하고 플라즈마 본딩(plasma bonding) 방법으로 접합시켜 나노전기수력학적 탈염기(100)를 제조할 수 있다. 여기서, 나노전기수력학적 탈염기(100)는 테스트를 하기 위해 간이로 제작된 장치의 예로서, 이온농도분극 현상을 발생시키는 기본구조를 토대로 하며, 분리 농축하고자 하는 시료의 양과 농도에 따라 다른 몰딩 재료, 기판의 재질이 변경되어 설계될 수 있으며, 다양한 크기로 제작될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 나노전기수력학적 탈염기(100)를 이용한 입자 동시 농축 및 탈염 방법을 살펴보면, 도 1을 참조하여 상술한 나노전기수력학적 탈염기(100)에 전기장이 인가되면, 마이크로 채널의 유로 중 제 1 출구와 제 2 출구의 분기점 부근에 배치된 나노채널의 이온 선택성 멤브레인(22)에 의해서 이온농도분극 현상이 발생하게 된다. 이 때, 제 1 입구에 분석물(analyte)과 염(salt)을 포함하는 용액을 주입하고, 제 2 입구에 증류수 또는 전해질 수용액을 주입할 수 있다. 여기서, 전해질 수용액은 예를 들어, 상기 용액에 혼합된 상기 염의 양과 비슷하거나 또는 상대적으로 적은 양을 포함하는 수용액을 의미한다. 또, 상기 용액은 잉크 안료에만 국한되지 않고, 농축과 탈염을 동시에 필요로 하는 모든 분석물이 사용되는 모든 액체를 사용할 수 있다.
이와 같이, 양극단과 음극단에 일정한 유속과 함께 전위차를 발생시키면, 이온농도분극 현상이 발현함에 따라 양극단에 형성되는 이온공핍영역(P)이 생성된다. 이 때, 분석물 분자(52)는 이온공핍영역(P)을 관통하지 못하고, 이온공핍영역(P)의 경계면 바깥으로 밀리면서 제 1 출구(14a)로만 이동하여 농축된다. 또, 제 2 출구(14b)로는 대부분의 하전 입자가 제거된 낮은 전도도의 물(54)만 배출될 수 있다. 여기서, 상기 유속은 예를 들어, 폭이 약 100㎛, 높이 약 15㎛의 크기를 갖는 채널 기준으로 약 0.02㎕/min의 유량을 흘리고, 폭이 약 1㎝, 높이 약 50㎛의 크기를 갖는 채널 기준으로 약 6㎕/min의 유량을 흘릴 수 있다. 또, 전기장의 세기는 제 1 입구(12a)와 제 2 출구(14b) 사이의 길이가 약 1㎝ 기준일 때, 110V 이내의 전압을 사용할 수 있다.
즉, 상기 용액은 이온공핍영역(P)을 기준으로 분석물과 염으로 분리되며, 상기 염(56)의 대부분은 제 3 출구(14c)를 통해 유출되고, 상기 분석물 분자(52)는 제 1 출구(14a)를 통해 농축 및 탈염되어 추출된다.
또한, 도 1은 설명의 편의를 위해 염화나트륨(NaCl)을 사용하였으며, 염화나트륨 수용액 내에서 염은 나트륨(Na) 이온과 클로라이트(Cl) 이온으로 각각 수화되어 존재한다. 이 때, 나트륨 이온은 양이온 성분으로 이해될 수 있으며, 상당량의 양이온 성분(cation, 56)은 이온농도분극 현상의 드라이빙 소스(driving source)로 사용되어 제 1 입구에서부터 이온 선택성 멤브레인을 거쳐 제 3 출구(14c)로 빠져나가 제거된다.
제 3 출구(14c)로 빠져나간 염 및 양이온 성분(56) 이외에 디바이스 내에 잔존하는 나머지 양이온 성분은 이온공핍영역(P) 및 이온공핍영역(P)의 경계면에 형성되는 전기장에 영향을 받아 제 1 출구(14a)와 제 2 출구(14b)로 경로가 설정되어 이동하고, 음이온 성분은 전극 반응으로 대부분 기체화되며, 용액 내의 전기적 중성을 만족시킨다.
좀 더 구체적으로, 예를 들면, 잉크입자와 나트륨염을 포함하는 용액을 나노전기수력학적 탈염기의 제 1 입구(12a)에 주입하고, 증류수 또는 미량의 염을 갖는 전해질 수용액을 제 2 입구(12b)에 주입한다. 이 때, 제 2 입구(12b)의 염의 농도는 제 1 입구(12a)의 염의 농도와 비슷하거나 또는 상대적으로 낮게 조절한다.
이후에, 나노전기수력학적 탈염기(100)의 유로에 일정한 유속과 함께 전기장을 인가하면, 이온 선택성 멤브레인(22)이 인접한 부근에 이온공핍영역(P)이 형성된다.
이 때, 나노전기수력학적 탈염기(100)의 제 3 출구(14c)로 유출되는 염과 염의 양이온 성분의 양은 나노전기수력학적 탈염기(100)의 제 1 출구(14a)와 제 2 출구(14b)로 유출되는 염과 염의 양이온 성분의 양보다 상대적으로 많다. 또, 제 3 출구(14c)로 유출되는 염과 염의 양이온 성분은 이온농도분극 현상의 드라이빙 소스(driving source)로 사용되며, 제 1 출구(14a)로 유출되는 염과 염의 양이온 성분의 양은 제 2 출구(14b)로 유출되는 염과 염의 양이온 성분의 양보다 상대적으로 많다. 여기서, 상기 염의 음이온 성분은 마이크로 채널(10) 내의 전극 반응에 의해 기체화되며, 용액 내의 전기적 중성을 유지하는 기능을 수행한다.
예를 들면, 잉크입자는 이온공핍영역(P)을 관통하지 않고, 경계면을 따라 제 1 출구(14a)로 이동하며 농축된다. 대부분의 하전입자가 제거된 낮은 전도도의 물은 제 2 출구(14b)로 이동되어 배출되며, 나트륨염의 양이온 성분 중 약 70%는 양극단의 입구(제 1 입구(12a))에서 이온 선택성 멤브레인(22)을 통해 음극단의 출구(제 3 출구(14c))로 배출된다. 나머지 나트륨염의 양이온 성분은 이온공핍영역(P) 및 경계면에 형성되는 전기장의 영향에 따라 약 20%에 해당되는 양이 제 1 출구(14a)로, 다른 나머지 약 10%에 해당되는 양이 제 2 출구(14b)를 통해 빠져나간다. 나트륨염의 음이온 성분은 전극 반응으로 대부분 기체화되며 용액 내의 전기적인 중성을 만족시키는 역할을 수행 한다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 나노전기수력학적 탈염기를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 나노전기수력학적 탈염기(200)는 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 탈염기(100)와 동일한 구조를 가지는 구조체를 복수개가 서로 직렬로 연결시켜 고품질의 잉크를 분리 농축할 수 있다.
예를 들면, 나노전기수력학적 탈염기(200)는 n개의 마이크로 채널이 서로 직렬로 연결됨으로써, n개의 마이크로 채널의 제 1 출구(214a)를 통해 농축된 입자의 농도가 n-1개의 마이크로 채널의 제 1 출구(114a)를 통해 농축된 입자의 농도보다 상대적으로 더 고농도일 수 있다.
즉, n-1개의 마이크로 채널의 제 1 입구(inlet 1, 112a)에 분석물과 염이 혼합되어 있는 시료를 주입하면, 하기 수학식 1에 의해 연산된 만큼 농축된 분석물과 약 80%의 염이 제거된 탈염수를 제 1 출구(outlet_Top 1, 114a) 얻을 수 있으며, 제 2 출구(outlet_Bottom 1, 114b)에서는 약 90% 이상 제거된 탈염수를 얻을 수 있다. 제 1 출구(114a)에서 얻은 분석물을 다시 n개의 마이크로 채널의 제 1 입구(inlet N, 212a)로 주입하면, 농축률과 탈염률이 크게 증대된 분석물을 제 1 출구(outlet_Top N, 214a)에서 얻을 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112015091707240-pat00001
(여기에서, 상기 상위출구유체저항(RTop)은 제 1 출구(114a)에서 유체의 저항이고, 상기 하위출구유체저항(rBottom)은 제 2 출구(114b)에서 유체의 저항을 의미함)
예를 들면, 상위출구와 하위출구의 유체저항의 비를 4:1로 하면 5배 농축된 분석물을 얻을 수 있으며, 마이크로 채널을 N개 직렬 연결하면, 5N배 농축되고, (1-(0.2)N)×100% 탈염이 동시에 가능하다. 만약, 비정제된 저품질의 잉크 안료를 처리시 한 개의 마이크로 채널을 거친 염은 약 80% 제거할 수 있다. 2개의 마이크로 채널이 직렬 연결된 장치를 이용하여 처리된 염은 약 96% 제거함으로써 농축과 탈염을 단시간에 처리할 수 있다.
한편, n개의 마이크로 채널의 제 1 입구(212a)는 n-1개의 마이크로 채널의 제 1 출구(114a)와 직접 연결된다. 여기서, 상기 n은 1 이상의 자연수를 포함할 수 있으며, 입자의 농도에 따라 마이크로 채널의 개수를 조정할 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해서 상술한 기술적 사상을 적용한 실험예를 설명한다. 다만, 하기의 실험예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐, 본 발명이 아래의 실험예에 의해서 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 실험예에 의한 샘플로서, 실리콘 웨이퍼 기판 위에 감광제로 폭 약 100㎛, 높이 약 15㎛의 크기를 갖는 채널을 패터닝하여 마스터를 제작했다. 이후에 PDMS로 마스터를 몰딩하고, 나노막이 패터닝된 기판과 접합하여 마이크로-나노 채널 디바이스를 제작했다.
이후에 마이크로-나노 채널 디바이스에 양이온 이동 현상에 대한 분석을 위하여, LiCl 약 20mM과 NaCl 약 20nM의 혼합 수용액 및 저품질의 잉크 안료를 각각 주입하고, 각 출구에서의 이온의 농도는 유도 결합 플라즈마 광학분광광도계(Inductive Coupled Plasma-Optical Emission Spectrometry)를 사용하여 ppb 단위로 정밀하게 측정하였다.
도 4는 본 발명의 실험예에 따른 리튬과 나트륨 이온에 대하여, 각 출구에서 검출된 이온의 비율을 측정한 결과이다.
도 4를 참조하면, 리튬과 나트륨 이온 각각의 총량(100%)이 양극단의 입구에 주입되었다고 가정하면, 이온농도분극 현상 발현 후, 양극단의 이온공핍층의 외부 출구(anode(Top), 도 1의 제 1 출구(14a)), 내부쪽 출구(anode(Bottom), 도 1의 제 2 출구(14b)) 및 음극단의 출구(cathode, 도 1의 제 3 출구(14c)) 각각에서 측정된 리튬과 나트륨 이온의 상대적 이동량을 도시하였다.
이온농도분극 현상이 발현됨에 따라 리튬과 나트륨 이온 모두 약 70%가 나노막(도 1의 이온 선택성 멤브레인(22))을 가로질러 양극단에서 음극단으로 이동하고, 약 20%는 이온공핍층의 외부 출구(도 1의 제 1 출구(14a))로 이동하고, 약 10%는 이온공핍층의 내부 출구(도 1의 제 2 출구(14b))로 이동함을 확인할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실험예에 따른 나노전기수력학적 탈염기를 이용하여 분리 농축된 잉크 샘플의 추출 과정을 관찰한 사진이다.
도 5를 참조하면, 비정제된 저품질 잉크 안료를 마이크로-나노 채널 디바이스의 양극단 입구에 주입하고, 한 번의 프로세스로 처리한 결과이다. 나노막(nano junction)과 이온공핍층을 통과하지 못하는 잉크 안료는 손실되지 않고 약 2배 이상 농축시키면서, 잉크 내에 포함된 염(salt)의 주성분인 나트륨 양이온(Na+)는 약 75% 이상 효과적으로 제거된 것을 알 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 마이크로-나노 채널 결합 시스템을 갖는 PDMS 기반의 저가형 장치를 기반으로 하여 수용액 속의 이온을 고농도로 농축하고, 수용액 속의 염을 동시에 제거할 수 있다. 마이크로 채널의 개수를 늘림으로써 샘플의 농도를 고농도로 분리 농축이 가능하고, 동시에 탈염도 가능하다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 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.
100, 200 : 나노전기수력학적 탈염기
12a : 제 1 입구
12b : 제 2 입구
14a : 제 1 출구
14b : 제 2 출구
14c : 제 3 출구
22 : 이온 선택성 멤브레인
52 : 분석물 분자
54 : 물
56 : 양이온

Claims (11)

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  7. 복수개의 유로가 구비된 마이크로 채널 및 이온 선택성 멤브레인(ion-selective membrane)을 구비하는 나노 채널을 포함하는 마이크로-나노 채널 디바이스 - 복수개의 유로 중 적어도 제1 유로 및 제2 유로가 이온 선택성 멤브레인을 개재하고, 상기 제1 유로는 제1 입구, 제1 출구 및 제2 출구를 포함하고, 상기 제2 유로는 제2 입구 및 제3 출구를 포함함 - 의 제1 유로에 분석물(analyte)과 염(salt)이 혼합된 용액을 공급하고, 제2 유로에는 증류수 또는 전해질 수용액을 공급하는 단계;
    상기 제1 유로와 상기 제2 유로 사이에 전기장을 인가하여, 상기 마이크로 채널의 일부에 상기 이온 선택성 멤브레인이 연결된 부위에 이온농도분극(ICP;Ion Concentration Polarization) 현상이 발생함으로써 이온공핍영역(ion depletion zone)을 형성하는 단계; 및
    상기 용액은 상기 이온공핍영역을 기준으로 상기 분석물과 상기 염으로 분리되며, 상기 분석물은 상기 이온공핍영역을 통과하지 못하고 상기 제1 입구와 상기 제1 출구 사이의 유로에서 농축되고, 상기 염의 이온은 상기 제1 유로로부터 상기 이온 선택성 멤브레인을 통과하여 상기 제2 유로를 통해 유출됨에 따라, 상기 제1 입구와 상기 제1 출구 사이의 유로에 존재하는 용액의 분석물 농축 및 탈염을 동시에 수행하는 단계;
    를 포함하는, 입자 동시 농축 및 탈염 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 염은 수용액 내에서 수화된 이온 상태로 존재하며,
    상기 마이크로-나노 채널 디바이스의 상기 제 3 출구로 유출되는 상기 염과 상기 염의 양이온 성분의 양은 상기 마이크로-나노 채널 디바이스의 상기 제 1 출구와 상기 제 2 출구로 유출되는 상기 염과 상기 염의 양이온 성분의 양보다 상대적으로 많고,
    상기 제 3 출구로 유출되는 상기 염과 상기 염의 양이온 성분은 상기 이온농도분극 현상의 드라이빙 소스(driving source)로 사용되는,
    입자 동시 농축 및 탈염 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 출구로 유출되는 상기 염과 상기 염의 양이온 성분의 양은 상기 제 2 출구로 유출되는 상기 염과 상기 염의 양이온 성분의 양보다 상대적으로 많은 것인,
    입자 동시 농축 및 탈염 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 염의 음이온 성분은 상기 마이크로 채널 내의 전극 반응에 의해 기체화되며, 상기 용액 내의 전기적 중성을 유지하는 기능을 수행하는 것인,
    입자 동시 농축 및 탈염 방법.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 전해질 수용액 내에 포함된 염의 양은 상기 용액에 혼합된 염의 양과 비슷하거나 또는 상대적으로 적은 양을 포함하는,
    입자 동시 농축 및 탈염 방법.
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KR101688530B1 (ko) * 2009-12-21 2016-12-21 삼성전자주식회사 전기 흡착 탈이온 장치
KR101290834B1 (ko) * 2011-08-04 2013-07-29 국립대학법인 울산과학기술대학교 산학협력단 단일 채널 농도분극 방법 및 바이오물질 집적장치
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