KR101871887B1 - 비대칭 이온 농도 분극 층에 의한 유체 정류 소자 및 능동적 정류 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 비대칭 이온 농도 분극 층에 의한 유체 정류 소자 및 능동적 정류 방법으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 정류 소자는, 이온성 전류를 정류하는 유체 정류 소자로서, 일단부에 전기장을 인가받고 전해질 물질(101)을 주입하는 입구(105)가 구비되며, 타단부는 폐쇄(dead-end)된 제1 마이크로 채널(100), 일단부에 전기장을 인가받고 전해질 물질(201)을 주입하는 입구(205)가 구비되며, 타단부는 개방(open-end)된 제2 마이크로 채널(200) 및 제1 마이크로 채널(100) 및 제2 마이크로 채널(200)의 사이에 개재되고, 제1 마이크로 채널(100)의 타단부와 제2 마이크로 채널(200)의 타단부에 접하도록 배치되는 이온 선택성 멤브레인(50)을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

비대칭 이온 농도 분극 층에 의한 유체 정류 소자 및 능동적 정류 방법 {ACTIVE FLUIDIC DIODE USING ASYMMETRIC ION CONCENTRATION POLARIZATION LAYER}
본 발명은 비대칭 이온 농도 분극 층에 의한 유체 정류 소자 및 정류 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 전해질 농도에 무관하게 정류 특성을 나타내며, 능동적으로 정류값을 제어할 수 있는 비대칭 이온 농도 분극 층에 의한 마이크로/나노 유체 정류 소자 및 정류 방법에 관한 것이다.
20세기 초반에 발명된 다이오드는 기본적인 전기적 장치로써 전기 혁명을 이끌었고, 대부분의 반도체 기술은 전자의 다이오드적 특성에 근거하여 발전해 왔다. 다이오드의 기본적인 기능은 한쪽 방향으로만 전자가 이동하도록 하는 것으로서, p-n junction 다이오드에 순방향 바이어스를 걸어주었을 때 전자와 정공이 중앙의 공핍층을 줄어들게 하면 전류가 흐르게 되고, 반대의 경우 공핍층이 늘어나면서 전류가 흐르지 않는다. 최근에는 전자보다 더 큰 물질들을 전기적으로 제어하는 연구들이 활발히 진행되고 있고, 특히, 세포막 안의 칼륨 펌프 같은 자연에 존재하는 나노 구조물들은 이온을 다루기 때문에 이온을 제어하는 액체 다이오드가 활발히 연구되고 있다.
p-n junction과 달리, 나노유체 다이오드(nanofluidic diode)는 이온성 전류의 정류를 위하여 나노스케일 비대칭성을 이용한다. 비대칭성을 야기하는 주요한 요인은 전기이중층(EDL; Electrical Double Layer)이다. 보통 전기이중층의 두께는 약 1~100nm 정도로 전해질의 농도에 따라 기존의 나노채널 내에서 전기이중층이 겹칠 수 있다. 전기이중층이 성공적으로 겹쳐지면 정전식의 인력이 나노채널 내의 동전하 이온의 흐름을 방해한다. 이러한 현상을 이온 선택 투과성이라고 한다. 나노채널이 비대칭적인 이온 선택 투과성을 가지게 되면 가해주는 전기장의 방향에 따라 나노채널 내의 이온 컨덕턴스가 증가(순방향 바이어스), 또는 감소하게 된다(역방향 바이어스).
종래의 나노유체 다이오드는, 도 1에 도시된 바와 같이, 원뿔 모양의 나노채널을 사용하여 더 좁은 영역에만 전기이중층이 겹치도록 하거나[도 1의 (a) 참조], 벌크 reservoir의 농도를 다르게 하여 낮은 농도의 reservoir에서만 전기이중층이 겹치도록 하거나[도 1의 (b) 참조], 양극(bipolar) 표면 전하 분포를 이용[도 1의 (c) 참조]하는 등의 전기이중층의 비대칭성을 이용하였다. 이로 인해 장치가 제작되면 내부 인자에 의해 정류값이 고정되게 되는 수동적 정류를 하게 된다.
양극 나노채널은 마이너스 전하 표면(양이온만 선택 투과)과 플러스 전하 표면(음이온만 선택 투과)으로 이루어져 있다. 역방향 바이어스를 걸어주면, 두 영역의 계면에서 양이온 음이온이 공핍이 되어 낮은 이온성 컨덕턴스가 나오게 된다. 반대로, 순방향 바이어스에서는 이온성 컨덕턴스가 증가하게 된다. 이러한 나노유체 다이오드를 사용하여 전기적 회로를 따라한 논리 회로를 만들거나, 염분의 구배(gradient)를 이용해 에너지 저장을 하거나, 전기삼투압 펌프나, 생체분자 센서 등에 이용해 왔다.
그러나, 종래의 나노유체 다이오드는, 고농도에서 정류 능력을 잃는 문제점, 장치의 제작이 완료되면 수동적으로 정류값이 정해지는 문제점, 공정 과정이 복잡한 문제점 등을 가지고 있다.
원뿔모양의 나노포어는 트랙에칭(track-etched) 공정으로, 비대칭 나노채널은 e-beam 리소그래피, 양극 나노채널의 경우 특별한 표면 처리를 해서 공정 과정이 복잡하고 비용이 많이 드는 문제가 있다. 가장 큰 문제점은 나노구조물의 선택 투과성의 비대칭성이 100mM 이상에서는 사라지는 것이다. 100mM이상에서는 전기이중층의 두께가 1nm 이하로 오버랩되는 영역을 생성하기 어려우며, 현재의 나노공정 방법으로 선택 투과성의 비대칭성을 만드는데 한계가 있다. 그러므로, 나노유체 다이오드들은 100mM이상에서는 정류 팩터(rectification factor) 값이 거의 1이다. 따라서, 실제 체액(~150mM)이나 고농도의 brine source(>300mM)에서는 적용할 수 없는 문제에 봉착한다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 마이크로 스케일에서의 비대칭성을 가지고, 고농도에서도 이온 전류 정류가 이루어지는 비대칭 이온 농도 분극 층에 의한 유체 정류 소자 및 능동적 정류 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
그리고, 본 발명은 간단한 공정으로 제조할 수 있고, 경제성이 향상된 비대칭 이온 농도 분극 층에 의한 유체 정류 소자 및 정류 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 관점에 따르면, 이온성 전류를 정류하는 유체 정류 소자로서, 일단부에 전기장을 인가받고 전해질 물질을 주입하는 입구가 구비되며, 타단부는 폐쇄(dead-end)된 제1 마이크로 채널; 일단부에 전기장을 인가받고 전해질 물질을 주입하는 입구가 구비되며, 타단부는 개방(open-end)된 제2 마이크로 채널; 및 상기 제1 마이크로 채널 및 상기 제2 마이크로 채널의 사이에 개재되고, 상기 제1 마이크로 채널의 타단부와 상기 제2 마이크로 채널의 타단부에 접하도록 배치되는 이온 선택성 멤브레인을 포함하는, 정류 소자가 제공된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제2 마이크로 채널의 타단부에는 적어도 하나의 사이드 채널이 형성되어 상기 제2 마이크로 채널이 개방되며, 상기 사이드 채널을 통해 상기 전해질 물질이 이동할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제2 마이크로 채널에서부터 상기 제1 마이크로 채널까지 순방향 바이어스를 인가하면, 상기 제2 마이크로 채널과 상기 이온 선택성 멤브레인이 인접한 부위에 이온 농도 분극(ICP; Ion Concentration Polarization) 현상이 발생함으로써 이온 공핍 영역(ion depletion zone)이 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제2 마이크로 채널의 개방된 타단부에서 상기 이온 공핍 영역에 유도된 압력을 제어하여 상기 이온 공핍 영역의 길이를 조절할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 이온 공핍 영역의 길이가 짧아질수록 상기 제2 마이크로 채널에서 상기 제1 마이크로 채널 방향으로 흐르는 전류량이 증가할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 사이드 채널의 길이와 폭을 조절하여 상기 사이드 채널로 이동하는 전해질 물질의 유량을 제어할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 사이드 채널로 이동하는 전해질 물질의 유량이 높아질수록 정류값이 높아질 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 마이크로 채널에서부터 상기 제2 마이크로 채널까지 순방향 바이어스를 인가하면, 상기 제1 마이크로 채널과 상기 이온 선택성 멤브레인이 인접한 부위에 이온 농도 분극(ICP; Ion Concentration Polarization) 현상이 발생함으로써 이온 공핍 영역(ion depletion zone)이 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 마이크로 채널에서 상기 이온 공핍 영역이 형성되는 길이는, 상기 제1 마이크로 채널에서 상기 제2 마이크로 채널 방향으로 전류가 흐르는 것을 방지할 수 있는 길이일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 이온 선택성 멤브레인은 나피온(Nafion) 재질일 수 있다.
그리고, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 관점에 따르면, 이온성 전류를 정류하는 정류 방법으로서, (a) 이온 선택성 멤브레인을 사이에 두고, 상기 이온 선택성 멤브레인과 접하는 단부가 폐쇄(dead-end)된 제1 마이크로 채널 및 상기 이온 선택성 멤브레인과 접하는 단부가 개방(open-end)된 제2 마이크로 채널을 배치한 유체 정류 소자에 전해질 물질을 주입하는 단계; (b) 상기 제2 마이크로 채널에서부터 상기 제1 마이크로 채널까지 순방향 바이어스를 인가하여, 상기 제2 마이크로 채널과 상기 이온 선택성 멤브레인이 인접한 부위에 이온 농도 분극(ICP; Ion Concentration Polarization) 현상을 발생함으로써 이온 공핍 영역(ion depletion zone)을 형성하는 단계; 및 (c) 상기 제2 마이크로 채널의 개방된 단부를 통해 이동하는 전해질 물질의 유량을 제어하여 정류값을 제어하는 단계를 포함하는, 정류 방법이 제공된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (c) 단계에서, 상기 제2 마이크로 채널의 개방된 단부에서 상기 이온 공핍 영역에 유도된 압력을 제어하여 상기 이온 공핍 영역의 길이를 조절함에 따라 정류값을 제어할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 (c) 단계에서, 상기 제2 마이크로 채널의 단부에 형성된 사이드 채널을 통해 상기 제2 마이크로 채널의 단부를 개방시키고, 상기 사이드 채널의 길이와 폭을 조절하여 상기 사이드 채널로 이동하는 전해질 물질의 유량을 제어할 수 있다.
상기 (c) 단계에서, 상기 제2 마이크로 채널의 단부에 형성된 사이드 채널을 통해 상기 제2 마이크로 채널의 단부를 개방시키고, 외부에서 상기 사이드 채널로 유체를 인가하거나, 상기 사이드 채널에서 외부로 유체를 방출시켜, 상기 제2 마이크로 채널의 개방된 단부를 통해 이동하는 전해질 물질의 유량을 제어할 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 마이크로 스케일에서의 비대칭성을 가지고, 고농도에서도 이온 전류 정류가 이루어지는 효과가 있다.
그리고, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 간단한 공정으로 제조할 수 있고, 경제성이 향상된 효과가 있다.
물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 종래의 나노유체 다이오드들을 나타내는 개략도이다.
도 2는 마이크로 채널에서 이온 농도 분극(ICP; Ion Concentration Polarization) 현상을 나타내는 개략도이다.
도 3은 마이크로 채널에서 이온 공핍층이 형성되는 양태를 나타내는 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 정류 소자를 나타내는 개략도이다.
도 5 본 발명의 일 실시예에 따른 정류 소자를 나타내는 사진이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 정류 소자에 역방향 바이어스 및 순방향 바이어스를 인가한 상태를 나타내는 사진이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 정류 소자에 역방향 바이어스 및 순방향 바이어스를 인가한 경우의 정류 특성을 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 정류 소자에 사이드 채널의 저항을 다르게 적용하여, 역방향 바이어스 및 순방향 바이어스를 인가한 경우의 이온공핍층의 상태를 나타내는 도면이다.
도 9 내지 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 정류 소자에 사이드 채널의 저항 및 전해질 물질의 농도를 다르게 적용하여, 역방향 바이어스 및 순방향 바이어스를 인가한 경우의 정류 특성을 나타내는 그래프이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭하며, 길이 및 면적, 두께 등과 그 형태는 편의를 하여 과장되어 표현될 수도 있다.
이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
본 발명에 있어서, 전해질 물질이라 함은, 이온을 포함하는 물질, 전기장에 의해 유전분극이 일어날 수 있는 미립자를 포함하는 물질을 의미한다. 전해질 물질은 체액, 혈액, 미세조류, 해수, 기타 유체 등이 이에 해당될 수 있지만, 이러한 예로서 제한되는 것은 아니다.
도 2는 마이크로 채널(10, 20)에서 이온 농도 분극(ICP; Ion Concentration Polarization) 현상을 나타내는 개략도이다.
다이오드의 기본 이론은 이온 농도 분극(ICP) 현상이다. 이온 농도 분극 현상(ICP)은 나노막을 갖는 구조 주변에서 관찰되는 전기화학 전달 현상 중의 하나이다. 전기 이중층의 두께가 나노막의 크기와 비슷할 때 나노막 내부에서 전기 이중층이 겹침으로써 단일 이온 투과성을 보인다는 것이 이론적으로 알려져 있다. 벽면 전하와 같은 전하를 갖는 이온들은 확산과 표류력에 의해 나노막을 통과하지 못하고 벽면 전하와 반대 전하를 갖는 이온들만이 통과하게 되면서, 나노막 경계면에서는 이온들의 공핍과 과다 현상이 나타난다. 나노막을 통과하지 못한 이온들 사이에서는 강한 전기적인 반발력이 작용하여 양이온과 음이온 모두 영향을 받게 되고, 이에 따라 이온농도구배 현상이 나타난다. 이 때, 이온 공핍 영역 경계면 주위에서 소용돌이가 형성되고, 전하를 띄고 있는 입자나 세포, 액적 등이 이온 공핍 영역의 경계면에서 이온들의 전기적 반발력에 영향을 받아 밀려나게 된다.
도 2의 (a)를 참조하면, 마이크로 채널(10, 20)은 가운데에 이온 선택성 멤브레인(50)이 배치되고, 이온 선택성 멤브레인(50)에 접하는 측면이 폐쇄(dead-end)된 마이크로 채널(10, 20)이 양측에 배치되어 있는 구조이다.
도 2의 (b)와 같이, 양이온 선택성 멤브레인(50)이 존재하는 채널(10, 20)에 전기를 가하면 양이온만 막을 통과하고 음이온은 통과하지 못하게 되면서, 멤브레인(50) 경계면에서 이온들의 공핍과 과다에 의한 이온 공핍 영역(ion depletion zone; D)[또는, 이온 공핍층]과 이온 과다 영역(ion enrichment zone; E)[또는, 이온 과다층]이 나타난다. 이온 공핍 영역(D)에서는 전류를 전달할 수 있는 캐리어의 양이 희박하기 때문에 저항(Rdep)이 매우 커지게 되고 그로 인해 전류는 잘 흐르지 않게 된다. 이러한 이온 공핍 영역(D)의 저항이 이 시스템에서 중요한 저항기이고, 이 이온 공핍 영역(D)의 저항을 가변저항으로 만들어 전체 시스템 저항을 제어하면 마이크로 스케일에서의 비대칭성을 야기할 수 있게 된다. 이 원리를 이용하여 도 4 이하에서 본 발명의 정류 소자에 대하여 후술한다.
도 3은 마이크로 채널에서 이온 공핍층이 형성되는 양태를 나타내는 개략도이다.
도 3의 (a)를 참조하면, 이온 선택성 멤브레인(50)에 접하는 측면이 폐쇄(dead-end)된 마이크로 채널(10, 20)에서 전기장의 인가로 이온 공핍 영역(D)이 형성되면, 그 안에서의 국부적 전기장이 상당히 증가하여 불균일 전기삼투적 미끄럼 속도(non-uniform electroosmotic slip velocity) 가 생길 수 있다. 그리고, 질량 보전을 위해 이온 공핍 영역(D) 내부의 유체는 와류를 형성하게 된다. 작용-반작용 법칙에 의해 와류가 점점 확장되고 이온 공핍 영역(D)도 늘어날 수 있다. 이에 따라, 전류가 잘 흐르지 않을 수 있으며, 이하에서는, 이를 "역방향 바이어스"라고 지칭한다.
반대로, 도 3의 (b)를 참조하면, 마이크로 채널(20)에 사이드 채널(21)을 만들어 누설 흐름(leakage flow)이 형성되게 하면, 작용-반작용 법칙에 의한 와류의 세기가 약해지고 되고, 이온 공핍 영역(D)의 확장이 방지될 수 있다. 이하에서, 마이크로 채널(20)에 사이드 채널(21)을 만들어 누설 흐름을 형성한 상태를 "개방(open-end)된 마이크로 채널"이라고 지칭한다. 와류의 세기가 약해지고 이온 공핍 영역(D)의 확장이 방지되면, 저항이 작아져서 전류가 잘 흐를 수 있으며, 이하에서는, 이를 "순방향 바이어스"라고 지칭한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 정류 소자를 나타내는 개략도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 정류 소자는 이온 선택성 멤브레인(50)의 양측에 제1 마이크로 채널(100) 및 제2 마이크로 채널(200)을 배치하며, 제1 마이크로 채널(100)는 폐쇄(dead-end)되도록 형성하고, 제2 마이크로 채널(200)은 개방(open-end)되도록 형성하는 것을 특징으로 한다. 제1, 2 마이크로 채널(100, 200)은 이온 선택성 멤브레인(50)을 사이에 두고 대칭적으로 접합되나, 가해지는 전기장의 방향에 따라 비대칭적인 이온 전류를 발생하므로, 이온성 전류를 정류하는 다이오드(또는, 유체 정류 소자) 특성을 가질 수 있다.
제1 마이크로 채널(100)에는 일단부에 전기장을 인가받고 전해질 물질(101)을 주입하는 입구(105)가 구비되며, 타단부는 폐쇄(dead-end)될 수 있다. 전해질 물질(101)이 경로를 따라 이동하기 쉬운 구조를 가지도록, 제1 마이크로 채널(100)은 한 방향으로 길게 형성된 형태를 가질 수 있다. 제1 마이크로 채널(100)은 수십~수백 ㎛의 두께와 너비를 가지고 설계될 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
타단부에는 사이드 채널(110)이 형성되어 있으나, 사이드 채널(110)의 에어 밸브를 통해 흐름을 막는 방식 등으로 전해질 물질(101)이 통과하지 못할 수 있다. 또는, 사이드 채널(110) 자체가 형성되지 않고 제1 마이크로 채널(100)의 타단부가 폐쇄된 형태도 가능하다.
제2 마이크로 채널(200)에는 일단부에 전기장을 인가받고 전해질 물질(201)을 주입하는 입구(205)가 구비되며, 타단부는 개방(open-end)될 수 있다. 전해질 물질(201)이 경로를 따라 이동하기 쉬운 구조를 가지도록, 제2 마이크로 채널(200)은 한 방향으로 길게 형성된 형태를 가질 수 있다. 제2 마이크로 채널(200)은 수십~수백 ㎛의 두께와 너비를 가지고 설계될 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니며, 제1 마이크로 채널(100)과 동일한 크기, 형태로 설계될 수 있다.
도 3의 (b)에서 상술한 바와 같이, 제2 마이크로 채널(200)의 타단부에 적어도 하나의 사이드 채널(210)이 형성되고, 사이드 채널(210)을 통해 전해질 물질(201)이 이동(202)함에 따라서, 제2 마이크로 채널(200)의 타단부가 개방된다고 할 수 있다. 사이드 채널(210)은 제2 마이크로 채널(200)의 길이 방향에 수직한 방향으로 형성될 수 있으며, 제2 마이크로 채널(200)의 누설 흐름을 균일하게 형성할 수 있도록, 제2 마이크로 채널(200)의 양측에 한 쌍의 사이드 채널(210)이 대향하도록 형성되는 것이 바람직하다.
이온 선택성 멤브레인(50)은 제1 마이크로 채널(100) 및 제2 마이크로 채널(200)의 사이에 개재되고, 제1 마이크로 채널(100)의 타단부[입구(105]와 대향하는 단부측]와 제2 마이크로 채널(200)의 타단부[입구(205)와 대향하는 단부측]에 접하도록 배치될 수 있다. 즉, 이온 선택성 멤브레인(50)과 제1 마이크로 채널(100)이 접하는 일측은 폐쇄된 형태이고, 이온 선택성 멤브레인(50)과 제2 마이크로 채널(200)이 접하는 일측은 개방된 형태일 수 있다. 이온 선택성 멤브레인(50)은 다공성 나노 물질인 나피온(Nafion)을 포함하는 재질일 수 있다.
도 5 본 발명의 일 실시예에 따른 정류 소자를 나타내는 사진이다. 도 5의 (a)는 부분 확대 사진으로서, 제1 마이크로 채널(100)의 전해질 물질(101)[파란색 형광 표시]은 에어 밸브에 의해 막힌 사이드 채널(110)로 이동할 수 없어 폐쇄된 상태일 수 있다. 제2 마이크로 채널(200)의 전해질 물질(201)[빨간색 형광 표시]는 사이드 채널(210)로 이동할 수 있는 개방된 상태일 수 있다. 도 5의 (b)는 정류 소자를 전체 구성을 나타내는 사진이다.
정류 소자는 투명 재료를 제 1 기판으로 사용할 수 있다. 예를 들면, 제 1 기판으로 글래스, PDMS(polydimethysiloxane) 등을 사용할 수 있다. 또한, 제 1 기판 이외에도 제 2 기판을 포함할 수 있다. 제 2 기판은 제1 기판을 실링(seal)하기 위해 이용될 수 있다. 제 2 기판은 제 1 기판과 동일한 재료로 이루어질 수 있다. 일부 실시예들에서 제 1 기판과제 2 기판은 상이한 재료들로 이루어질 수도 있다.
제1 기판 상에 이온 선택성 멤브레인(50)의 패턴을 형성한다. 이온 선택성 멤브레인(50)은 나피온(Nafion)을 사용할 수 있다. 제2 기판에는 전기장을 인가받고 전해질 물질이 유입되는 입구(105, 205)를 포함하는 제1, 2 마이크로 채널(100, 200), 사이드 채널(110, 210) 등이 형성될 수 있다. 그리고, 제 1 기판을 제 2 기판에 플라즈마 접합하는 것을 통해 정류 소자를 제조할 수 있다. 이로써 정류 소자는 나노스케일 비대칭성이 제거된 형태를 가질 수 있다.
입구(105, 205)에 전해질 물질(101, 105)을 주입한 후, 정류 소자의 일단(105)과 타단(205)에 전기장을 인가하면, 제1 마이크로 채널(100, 200) 내에서 이온 선택성 멤브레인(50)과 인접한 부위에 이온 농도 분극(ICP) 현상이 발생함으로써 이온 공핍 영역(D)이 형성될 수 있다. 이온 공핍 영역(D)은 가해지는 전기장의 세기가 커질수록 더 크게 형성될 수 있다. 또한, 이온 공핍 영역(D)은 제2 마이크로 채널(200)의 사이드 채널(210)로 누설되는 흐름에 따라서 크기가 조절될 수 있다.
사이드 채널(210)의 길이, 폭 등을 조절하여 사이드 채널(210)로 이동하는 전해질 물질(202)의 유량을 제어할 수 있다. 사이드 채널(210)의 저항을 조절함으로써 이동하는 전해질 물질(202)의 유량을 제어하는 것인데, 사이드 채널(210)의 저항 R은 아래 식으로 표현될 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112016122373919-pat00001
(L: 사이드 채널의 길이, w: 사이드 채널의 폭, d: 사이드 채널의 두께)
또한, 사이드 채널(210)에 외부에서 유체를 인가하거나 제거하는 제어를 하게 되면, 이온 공핍 영역(D)을 축소(억제) 또는 확장 시킬 수 있다. 따라서, 이동하는 전해질 물질(202)의 유량을 제어하는 것과 동일한 효과를 발생 시킬 수 있다.
즉, 사이드 채널(210)의 길이, 폭 등을 조절하여 사이드 채널(210)로 이동하는 전해질 물질(202)의 유량을 제어하는, 사이드 채널(210) 내부에서의 능동적 제어, 및 사이드 채널(210)의 외부에서 유체를 인가/제거하여 사이드 채널(210)로 이동하는 전해질 물질(202)의 유량을 제어하는, 사이드 채널(210) 외부에서의 능동적 제어를 통해 이온 공핍 영역(D)의 길이를 조절할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 정류 소자에 역방향 바이어스 및 순방향 바이어스를 인가한 상태를 나타내는 사진이다.
도 6의 (a)는 제1 마이크로 채널(100)에서부터 제2 마이크로 채널(200)까지 순방향 바이어스를 인가한 상태를 나타낸다. 또는, 제2 마이크로 채널(200)에서부터 제1 마이크로 채널(100)까지 역방향 바이어스를 인가한 상태라고도 할 수 있으며, 제2 마이크로 채널(200)을 기준으로 하여 역방향 바이어스라고 상정하여 설명한다.
역방향 바이어스를 인가하면, 제1 마이크로 채널(100)의 타단부는 폐쇄(dead-end) 상태이므로, 제1 마이크로 채널(100)과 이온 선택성 멤브레인(50)이 인접한 부위에 이온 농도 분극(ICP) 현상이 발생하고, 이온 공핍 영역(D)이 형성될 수 있다. 그리고, 작용-반작용 법칙에 의해 와류가 점점 확장되고 이온 공핍 영역(D)도 늘어날 수 있다. 원리는 도 3의 (a)와 동일하다.
이 경우, 제1 마이크로 채널(100)의 이온 공핍 영역(D)의 저항이 매우 크기 ?문에, 제1 마이크로 채널(100)에서 제2 마이크로 채널(200)의 방향으로 전류가 흐르는 것을 방지할 수 있다. 이온 공핍 영역(D)의 길이도 제1 마이크로 채널(100)에서 제2 마이크로 채널(200)의 방향으로 전류가 흐르는 것을 방지할 수 있는 정도로 확장될 수 있다.
도 6의 (b)는 제2 마이크로 채널(200)에서부터 제1 마이크로 채널(100)까지 순방향 바이어스를 인가한 상태를 나타낸다.
순방향 바이어스를 인가하면, 제2 마이크로 채널(200)의 타단부는 사이드 채널(210)로의 전해질 물질(201)의 흐름에 의해 개방(dead-end)된 상태이므로, 제2 마이크로 채널(200)과 이온 선택성 멤브레인(50)이 인접한 부위에 이온 농도 분극(ICP) 현상에 의한 이온 공핍 영역(D)이 작게 형성될 수 있다. 사이드 채널(210)로의 전해질 물질(201)의 흐름은 제2 마이크로 채널(200) 타단부에 유도된 이온 공핍 영역(D)의 압력을 제어할 수 있다. 원리의 도 3의 (b)와 동일하다.
사이드 채널(210)로의 흐름이 커질수록 이온 공핍 영역(D)의 압력이 작아지게 되고, 작용-반작용 법칙에 의한 와류 및 이온 공핍 영역(D)의 길이가 축소될 수 있다. 또한, 사이드 채널(210)로의 흐름이 커질수록 이온 공핍 영역(D)의 길이가 짧아지고 이온 공핍 영역(D)에 의한 저항이 줄어들게 되므로, 제2 마이크로 채널(200)에서 제1 마이크로 채널(100) 방향으로 흐르는 전류량이 증가할 수 있다. 즉, 사이드 채널(210)로 이동하는 전해질 물질(202)의 유량이 높아질수록 정류값이 높아지는 정류 소자를 제조할 수 있다. 사이드 채널(210)의 길이, 폭 등을 조절하거나, 사이드 채널(210)에 외부 유체의 인가/제거를 통해 흐름을 조절함에 따라 정류 정도를 조절하는 다이오드를 제조할 수 있는 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 정류 소자에 역방향 바이어스 및 순방향 바이어스를 인가한 경우의 정류 특성을 나타내는 도면이다. 1mM KCl 전해질 물질(101, 201)을 사용하여 -5V ~ +5V의 바이어스를 인가하였다.
도 7의 (a) 및 (c)와 같이 역방향 바이어스를 인가한 경우는 전압값이 커질수록 이온 공핍 영역(D)이 증가하며 전류의 흐름을 차단할 수 있다. 반대로, 도 7의 (b) 및 (c)와 같이 순방향 바이어스를 인가한 경우는 전압값이 커질수록 이온 공핍 영역(D)이 증가하지만 전류가 흐를 수 있는 정도로 매우 작은 크기가 증가하고, 전류의 흐름은 전압의 증가와 최종적으로 비례하게 나타나게 되어, 다이오드와 유사한 I-V 그래프를 나타냄을 확인할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 정류 소자에 사이드 채널의 저항을 다르게 적용하여, 역방향 바이어스 및 순방향 바이어스를 인가한 경우의 이온공핍층의 상태를 나타내는 도면이다.
R은 사이드 채널(210)의 저항으로 상기 수학식 1로 나타나며, R*는 사이드 채널(210)이 가질 수 있는 가장 낮은 저항값이다. 다시 말해, (R/R*)-1의 값이 클수록 사이드 채널(210)이 저항이 낮은 상태로 이해될 수 있다. (R/R*)-1의 값이 1, 0.55, 0.22, 0을 갖도록 4개의 샘플로 실험을 하였다.
도 8을 참조하면, 사이드 채널(210)의 저항값이 낮을수록[(R/R*)-1의 값이 1에 가까울 수록], 순방향 바이어스에서 이온 공핍 영역(D)은 작게 형성되었다. 제1 마이크로 채널(100)은 폐쇄되어 있으므로, 역방향 바이어스에서는 사이드 채널(210)의 저항값에 관계없이 거의 일정한 크기의 이온 공핍 영역(D)이 확인되었다. 사이드 채널(210)의 저항값이 낮을수록[(R/R*)-1의 값이 1에 가까울 수록], 정류 특성이 향상됨을 확인할 수 있다.
도 9 내지 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 정류 소자에 사이드 채널의 저항 및 전해질 물질의 농도를 다르게 적용하여, 역방향 바이어스 및 순방향 바이어스를 인가한 경우의 정류 특성을 나타내는 그래프이다.
(R/R*)-1의 값이 1, 0.55, 0.22, 0을 갖도록 4개의 샘플로 실험하였고(도 9의 가로축 참조), 전해질 물질(101, 201)의 농도를 0.01mM, 0.1mM, 1mM, 10mM, 100mM, 1M로 나누어 실험하였다(도 9의 세로축 참조).
도 9 및 도 10을 참조하면, 사이드 채널(210)의 저항값이 낮을수록[(R/R*)-1의 값이 1에 가까울 수록] 정류 특성이 향상되어 다이오드의 양태가 나타나는 것을 확인할 수 있다. 이온 공핍 영역(D)의 길이비와 비슷하게 정류량이 나타느므로 ICP 다이오드의 컨셉과 일치함을 확인할 수 있다.
또한, 도 9 및 도 11을 참조하면, 전해질 물질(101, 201)의 농도를 다양하게 적용(0.01mM ~ 1M)하여도, 정류 특성은 일정하게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 특히, 100mM, 1M의 고농도에서도 안정되게 정류 특성이 나타나는 것을 주목할 수 있다. 본 발명의 정류 소자는 나노 스케일에서의 비대칭성을 이용하지 않고, 오로지 마이크로 스케일에서의 비대칭성만 이용하였기 때문에 전해질의 농도에 무관한 다이오드적 성질을 나타낼 수 있다.
이처럼 본 발명은, 1M 전해질 농도에서도 정류 특성이 우수하므로, 100mM 이상의 고농도인 체액이나 해수와 같은 실질적으로 널리 이용될 샘플에서도 안정되게 작동할 수 있는 효과가 있다. 그리고, 농도에 무관하게 정류 특성을 보이므로, 임의로 모아둔 체액 등 농도를 알 수 없는 샘플의 경우에도 정류비를 알 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 상술한 바와 같이 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형과 변경이 가능하다. 그러한 변형예 및 변경예는 본 발명과 첨부된 특허청구범위의 범위 내에 속하는 것으로 보아야 한다.
50: 이온 선택성 멤브레인
100: 제1 마이크로 채널
101, 201: 전해질 물질
200: 제2 마이크로 채널
210: 사이드 채널
D: 이온 공핍 영역

Claims (14)

  1. 이온성 전류를 정류하는 유체 정류 소자로서,
    일단부에 전기장을 인가받고 전해질 물질을 주입하는 입구가 구비되며, 타단부는 폐쇄(dead-end)된 제1 마이크로 채널;
    일단부에 전기장을 인가받고 전해질 물질을 주입하는 입구가 구비되며, 타단부는 개방(open-end)된 제2 마이크로 채널; 및
    상기 제1 마이크로 채널 및 상기 제2 마이크로 채널의 사이에 개재되고, 상기 제1 마이크로 채널의 타단부와 상기 제2 마이크로 채널의 타단부에 접하도록 배치되는 이온 선택성 멤브레인
    을 포함하는, 정류 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 마이크로 채널의 타단부에는 적어도 하나의 사이드 채널이 형성되어 상기 제2 마이크로 채널이 개방되며, 상기 사이드 채널을 통해 상기 전해질 물질이 이동하는, 정류 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 마이크로 채널에서부터 상기 제1 마이크로 채널까지 순방향 바이어스를 인가하면, 상기 제2 마이크로 채널과 상기 이온 선택성 멤브레인이 인접한 부위에 이온 농도 분극(ICP; Ion Concentration Polarization) 현상이 발생함으로써 이온 공핍 영역(ion depletion zone)이 형성되는, 정류 소자.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2 마이크로 채널의 개방된 타단부에서 상기 이온 공핍 영역에 유도된 압력을 제어하여 상기 이온 공핍 영역의 길이를 조절하는, 정류 소자.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 이온 공핍 영역의 길이가 짧아질수록 상기 제2 마이크로 채널에서 상기 제1 마이크로 채널 방향으로 흐르는 전류량이 증가하는, 정류 소자.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 사이드 채널의 길이와 폭을 조절하여 상기 사이드 채널로 이동하는 전해질 물질의 유량을 제어하는, 정류 소자.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 사이드 채널로 이동하는 전해질 물질의 유량이 높아질수록 정류값이 높아지는, 정류 소자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 마이크로 채널에서부터 상기 제2 마이크로 채널까지 순방향 바이어스를 인가하면, 상기 제1 마이크로 채널과 상기 이온 선택성 멤브레인이 인접한 부위에 이온 농도 분극(ICP; Ion Concentration Polarization) 현상이 발생함으로써 이온 공핍 영역(ion depletion zone)이 형성되는, 정류 소자.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 마이크로 채널에서 상기 이온 공핍 영역이 형성되는 길이는, 상기 제1 마이크로 채널에서 상기 제2 마이크로 채널 방향으로 전류가 흐르는 것을 방지할 수 있는 길이인, 정류 소자.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 이온 선택성 멤브레인은 나피온(Nafion) 재질인, 정류 소자.
  11. 이온성 전류를 정류하는 정류 방법으로서,
    (a) 이온 선택성 멤브레인을 사이에 두고, 상기 이온 선택성 멤브레인과 접하는 단부가 폐쇄(dead-end)된 제1 마이크로 채널 및 상기 이온 선택성 멤브레인과 접하는 단부가 개방(open-end)된 제2 마이크로 채널을 배치한 유체 정류 소자에 전해질 물질을 주입하는 단계;
    (b) 상기 제2 마이크로 채널에서부터 상기 제1 마이크로 채널까지 순방향 바이어스를 인가하여, 상기 제2 마이크로 채널과 상기 이온 선택성 멤브레인이 인접한 부위에 이온 농도 분극(ICP; Ion Concentration Polarization) 현상을 발생함으로써 이온 공핍 영역(ion depletion zone)을 형성하는 단계; 및
    (c) 상기 제2 마이크로 채널의 개방된 단부를 통해 이동하는 전해질 물질의 유량을 제어하여 정류값을 제어하는 단계
    를 포함하는, 정류 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 (c) 단계에서,
    상기 제2 마이크로 채널의 개방된 단부에서 상기 이온 공핍 영역에 유도된 압력을 제어하여 상기 이온 공핍 영역의 길이를 조절함에 따라 정류값을 제어하는, 정류 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 (c) 단계에서,
    상기 제2 마이크로 채널의 단부에 형성된 사이드 채널을 통해 상기 제2 마이크로 채널의 단부를 개방시키고, 상기 사이드 채널의 길이와 폭을 조절하여 상기 사이드 채널로 이동하는 전해질 물질의 유량을 제어하는, 정류 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 (c) 단계에서,
    상기 제2 마이크로 채널의 단부에 형성된 사이드 채널을 통해 상기 제2 마이크로 채널의 단부를 개방시키고, 외부에서 상기 사이드 채널로 유체를 인가하거나, 상기 사이드 채널에서 외부로 유체를 방출시켜, 상기 제2 마이크로 채널의 개방된 단부를 통해 이동하는 전해질 물질의 유량을 제어하는, 정류 방법.
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