KR101998512B1 - 자가 발전 이온채널장치 - Google Patents
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Abstract
개시된 본 발명에 의한 자가 발전 이온채널장치는, 이온성 물질이 수용된 한 쌍의 제1 및 제2이온부, 제1 및 제2이온부의 사이에 마련되며 복수의 기공(stomata)이 마련되는 멤브레인부 및 제1 및 제2이온부 중에서 빛이 수광되는 일측에 적층 형성되어 광전 효과에 의해 전압을 발생시키는 발전부를 포함하며, 멤브레인부는 발전부로부터 발생된 전압을 공급받는 자가 발전된다. 이러한 구성에 의하면, 자가 발전에 의한 지속적이면서도 안정전인 이온 전달이 가능해진다.
Description
본 발명은 자가 발전 이온채널장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 빛에 의해 자체적으로 발전 가능하여 지속적인 이온채널 동작이 가능한 자가 발전 이온채널장치에 관한 것이다.
인간의 감각 정보는 매우 복잡하고 효율적인 방법으로 뇌에 전달되며, 신체의 다양한 감각 수용체에서 생성된 수용체의 잠재력이 축색을 통해 활동 전위로 변환된다. 이 경우, 이온채널은 체액 속에 존재하는 칼륨, 나트륨, 염화물과 같은 다양한 이온의 수송에 의한 잠재적인 변화로 인해, 생물학적 신호를 생성하는 중요 인자이다.
근래에는 자연에서 모방할 수 있는 빛에 반응할 수 있는 감각 기능 실현을 위한 연구가 다양하게 진행 중에 있다. 예컨대, 빛이나 pH2로 조절되는 잎의 기공(stomata) 개폐를 과학적으로 응용하고자 하는 연구가 다각적으로 이루어지고 있다.
참고로, 기공을 모방한 이전의 연구들은 하이드로겔에 근거한 온도, 빛 또는 습도에 반응하는 펌프, 밸브 및 채널의 개발에 초점을 맞추었다. 여기서, 외부 자극을 감지하는 생물학적 이온 채널은 기본적으로 수용기(receptors)와 나노포어(nanopores)로 구성된다. 수용기는 외부 자극에 의해 기계적으로 트리거(Trigger)되고, 나노포어는 이온 전달을 위한 경로를 제공하는 기능을 전기화학적으로 수행하며, 수용기와 나노포어는 서로 분리 가능하다.
한편, 이온 채널은 에너지 소모를 염려하지 않고, 나노스케일 또는 마이크로 스케일 차원에서 매우 빠른 속도로 이온을 수송할 수 있다. 그로 인해, 이온 채널은 가속도, 온도, 음파, 유체공학 또는 압력을 포함한 물리적 변수를 모니터링함에 있어 센서로서 사용될 수 있다. 이에 따라, 근래에는 기공을 활용한 이온 채널의 다양한 적용 범위에 대한 연구가 지속적으로 이루어지고 있는 추세이다.
본 발명은 빛에 의해 자가 발전 가능하여 자체 전압을 생성함으로써 안정적이며 지속적인 이온 전달 동작이 가능한 자가 발전 이온채널장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 자가 발전 이온채널장치는, 이온성 물질이 수용된 한 쌍의 제1 및 제2이온부, 상기 제1 및 제2이온부의 사이에 마련되며, 복수의 기공(stomata)이 마련되는 멤브레인부 및 상기 제1 및 제2이온부 중에서 빛이 수광되는 일측에 적층 형성되어, 광전 효과에 의해 전압을 발생시키는 발전부를 포함하며, 상기 멤브레인부는 상기 발전부로부터 발생된 전압을 공급받는다.
일측에 의하면, 상기 멤브레인부는 폴리 카보네이트 트랙 에치드(Poly Carbonate Track Etched: PCTE)를 포함하여 상기 제1 및 제2이온부 사이에 적층되는 플레이트 형상을 가지며, 상기 멤브레인부로 상기 빛이 수광되는 일면은 광활성 물질에 의해 코팅된 코팅층이 마련될 수 있다.
일측에 의하면, 상기 광활성 물질은 아조(AZO)와 PDDA(Poly diallyldimethylammonium chloride)가 1:3, 1:4.4 내지 1:5의 중량비로 혼합된 후, 10% 내지 30%의 부피로 농축된 복합 재료를 포함할 수 있다.
일측에 의하면, 상기 코팅층은 상기 멤브레인부의 적어도 일면에 적어도 1회 이상 상기 아조 물질이 도포되어 건조된 후, 동결 건조(Freeze drying)되어 마련될 수 있다.
일측에 의하면, 상기 멤브레인부는 6㎛ 내지 11㎛의 두께를 가지며, 상기 기공의 지름은 10 ㎚ 내지 1 ㎛일 수 있다.
일측에 의하면, 상기 제1 및 제2이온부 사이는 전원부에 의해 전압이 인가되어 전류가 측정되며, 상기 전원부는 상기 발전부와 연결되어 전압을 공급받을 수 있다.
일측에 의하면, 상기 발전부는 발전부는 폴리플루오린화비닐리덴(PVDF, Polyvinylidene fluoride), 폴리플루오르에틸렌비닐리덴(poly[(vinylidenefluoride-co-trifluoroethylene] [P(VDF-TrFE)]의 물질로 형성될 수 있다.
일측에 의하면, 상기 제1이온부, 상기 멤브레인부, 상기 제2이온부 및 상기 발전부가 순차적으로 적층 형성되며, 상기 발전부는 제1이온부의 하면에 적층된 도전층과 연결되어 전류가 흐를 수 있다.
일측에 의하면, 상기 도전층은 ITO 유리를 포함할 수 있다.
일측에 의하면, 상기 멤브레인부는 상기 빛이 수광되는 일면에 아조(AZO) 물질에 의한 코팅층이 마련되며, 상기 발전부는 상기 코팅층과 마주하는 상기 제1 및 제2이온부 중 어느 하나의 상면에 적층되되, 상기 제1 및 제2이온부 중 다른 하나의 하면에 적층된 도전층과 전기적으로 연결될 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 자가 발전 이온채널장치는, 이온성 물질이 수용된 제1이온부, 상기 제1이온부의 상면에 적층되며 복수의 기공(stomata)이 마련되는 멤브레인부, 상기 멤브레인부의 상면에 적층되며 상기 이온성 물질이 수용된 제2이온부, 빛과 마주하도록 상기 제2이온부의 상면에 적층되어, 광전 효과에 의해 전압을 발생시키는 발전부를 포함하며, 상기 발전부는 상기 제2이온부의 하면에 적층된 도전층과 연결되어, 발생된 전압을 상기 제1 및 제2이온부 사이의 전위차 발생을 위해 공급한다.
일측에 의하면, 상기 멤브레인부는 폴리 카보네이트 트랙 에치드(Poly Carbonate Track Etched: PCTE)를 포함하여 상기 제1 및 제2이온부 사이에 적층되되, 6㎛ 내지 11㎛의 두께를 가지며, 상기 기공의 지름은 10 ㎚ 내지 1 ㎛일 수 있다.
일측에 의하면, 상기 빛이 수광되는 상기 멤브레인부의 상면에는 광활성 물질에 의해 코팅된 코팅층이 마련될 수 있다.
일측에 의하면, 상기 광활성 물질은 아조(AZO)와 PDDA(Poly diallyldimethylammonium chloride)가 1:3, 1:4.4 내지 1:5의 중량비로 혼합된 후, 10% 내지 30%의 부피로 농축된 복합 재료를 포함할 수 있다.
일측에 의하면, 상기 코팅층은 상기 멤브레인부의 적어도 일면에 적어도 1회 이상 상기 아조 물질이 도포되어 건조된 후, 동결 건조(Freeze drying)되어 마련될 수 있다.
일측에 의하면, 상기 발전부는 폴리플루오린화비닐리덴(PVDF, Polyvinylidene fluoride) 물질로 형성될 수 있다.
일측에 의하면, 상기 도전층은 ITO 유리를 포함할 수 있다.
상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의하면, 첫째, 빛에 의한 광전 효과를 가지는 발전부를 구비함으로써, 빛에 의해 자가 발전 가능하다.
둘째, 자가 발전에 의해 발생된 전압을 멤브레인부를 통한 이온 전달에 사용함으로써, 지속적이며 안정적인 이온채널장치의 구현이 가능하다.
셋째, 저전력으로도 빛에 의한 빠른 자가 발전과 함께, 광활성 물질인 아조 물질이 코팅된 멤브레인부에 의한 빠른 응답성을 가질 수 있게 된다.
넷째, 전해액 환경에서 자가 발전 및 이온 전달 동작이 가능하여, 습도에 민감하지 않고 실온에서도 빠른 응답성을 가지는 광센서를 제공할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 자가 발전 이온채널장치를 개략적으로 도시한 사시도이다
도 2는 도 1에 도시된 자가 발전 이온채널장치를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 멤브레인부의 상면을 주사전자현미경으로 촬영한 이미지(a)와 멤브레인부의 하면을 주사전자현미경으로 촬영한 이미지(b)이다.
도 4는 도 1에 도시된 자가 발전 이온채널장치에 자외선이 조사됨에 따른 전류 변화의 특성을 나타내는 그래프이다.
도 5는 365㎚, 450㎚ 및 560㎚ 파장을 가지는 빛에 의한 자가 발전 이온채널장치의 전류 변화를 나타내는 그래프이다.
도 6은 도 1에 도시된 자가 발전 이온채널장치의 전류 및 전압 특성을 설명하기 위한 그래프들이다.
도 7은 도 1에 도시된 자가 발전 이온채널장치의 아조 물질이 코팅된 멤브레인부를 통한 이온 전달 특성을 설명하기 위한 그래프들이다.
도 8은 도 1에 도시된 본 발명에 의한 자가 발전 이온채널장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 그리고,
도 9는 카본이 코팅된 알루미늄을 포함하는 전극층이 적용되어 본 발명의 일 실시예에 의한 발전부에 의한 발전 성능을 확인하기 위한 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 자가 발전 이온채널장치를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 멤브레인부의 상면을 주사전자현미경으로 촬영한 이미지(a)와 멤브레인부의 하면을 주사전자현미경으로 촬영한 이미지(b)이다.
도 4는 도 1에 도시된 자가 발전 이온채널장치에 자외선이 조사됨에 따른 전류 변화의 특성을 나타내는 그래프이다.
도 5는 365㎚, 450㎚ 및 560㎚ 파장을 가지는 빛에 의한 자가 발전 이온채널장치의 전류 변화를 나타내는 그래프이다.
도 6은 도 1에 도시된 자가 발전 이온채널장치의 전류 및 전압 특성을 설명하기 위한 그래프들이다.
도 7은 도 1에 도시된 자가 발전 이온채널장치의 아조 물질이 코팅된 멤브레인부를 통한 이온 전달 특성을 설명하기 위한 그래프들이다.
도 8은 도 1에 도시된 본 발명에 의한 자가 발전 이온채널장치의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 그리고,
도 9는 카본이 코팅된 알루미늄을 포함하는 전극층이 적용되어 본 발명의 일 실시예에 의한 발전부에 의한 발전 성능을 확인하기 위한 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 일 실시예를 첨부된 도면을 참고하여 설명한다. 다만, 본 발명의 사상이 그와 같은 실시예에 제한되지 않고, 본 발명의 사상은 실시예를 이루는 구성요소의 부가, 변경 및 삭제 등에 의해서 다르게 제안될 수 있을 것이나, 이 또한 발명의 사상에 포함되는 것이다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 자가 발전 이온채널장치(1)는 제1이온부(10), 제2이온부(20), 멤브레인부(30), 발전부(40) 및 전원부(50)를 포함한다.
제1이온부(10)는 이온성 물질이 수용되는 일종의 이온 저장탱크이다. 이러한 제1이온부(10)에 수용된 이온성 물질은 전도성을 지니는 일반 액상, 졸-겔상 또는 고체상의 재료 중 어느 하나를 포함할 수 있으며, 본 실시예에서는 전해액을 포함하는 것으로 예시한다.
제2이온부(20)는 제1이온부(10)의 상부에 적층되며, 이온성 물질이 수용된다. 이러한 제2이온부(20)는 상술한 제1이온부(10)와 마찬가지로, 전해액이 수용되는 일종의 이온 저장탱크인 것으로 예시한다.
참고로, 제1 및 제2이온부(10)(20)는 일정 두께를 가지는 대략 직육면체 형상을 가지는 것으로 도시하였으나, 꼭 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 실시예에 의한 자가 발전 이온채널장치(1)의 적용 대상 및 조건에 따라 원통형 또는 다면체 형상을 가지는 다양한 변형예가 가능함은 당연하다.
멤브레인부(30)는 제1 및 제2이온부(10)(20)의 사이에 마련되며, 이온이 투과 가능한 기공(stomata)(31)이 복수개 관통 형성된다. 이러한 멤브레인부(30)는 폴리 카보네이트 트랙 에치드(Poly Carbonate Track Etched: PCTE)를 포함할 수 있다. 또한, 멤브레인부(30)에 복수개 관통 형성되는 기공(31)의 지름은 10㎚ 내지 1 ㎛일 수 있으며, 멤브레인부(30)의 두께는 대략 6㎛ 내지 11㎛일 수 있다.
한편, 멤브레인부(30)는 빛(L)에 의해 유도 가능한 광활성 물질인 아조(AZO) 물질로 코팅된 코팅층(32)이 마련된다. 이때, 코팅층(32)은 도 2의 도시와 같이, 빛(L)과 마주하는 상면 즉, 멤브레인부(30)와 제2이온부(20)의 사이에 마련되는 것으로 도시 및 예시한다.
그러나, 코팅층(32)의 위치는 도시된 예로만 한정되지 않으며 제1이온부(10)와의 사이인 멤브레인부(30)의 하면에도 아조 물질에 의한 코팅층(미도시)이 마련되거나, 멤브레인부(30)의 양면에 코팅층(미도시)이 형성될 수도 있음은 당연하다.
참고로, 본 실시예에서는 코팅층(32)을 형성하는 아조 물질로써, 4-아미노(amino)-1, 1?-아조벤젠(azobenzene)-3 및 4?-디술폰산 일나트륨 염(disulfonic acid monosodium salt)을 포함하는 아조(AZO)와 PDDA(Poly diallyldimethylammonium chloride)가 혼합된 복합 재료인 것으로 예시한다. 여기서, 아조는 탈이온수에 용해되어 탈이온수에 교반된 PDDA 용액에 천천히 첨가됨으로써 아조-PDDA로 마련될 수 있다.
또한, 아조와 PDDA는 대략 1:3, 1:4.4 내지 1:5의 중량비로 혼합될 수 있으며, 본 실시예에서는 1:4.4의 중량비로 혼합된 것으로 예시한다. 이렇게 혼합된 아조-PDDA 용액에 존재하는 NaCl은 투석을 통해 제거될 수 있으며, 대략 80℃의 온도로 가열함으로써 대략 10% ~30%의 부피로 농축되어 제공됨이 좋다.
참고로, 본 실시예에서는 아조-PDDA가 20%의 부피로 농축되어 멤브레인부(30)에 코팅되는 것으로 예시한다. 여기서, 멤브레인부(30)에 대한 아조-PDDA의 코팅 공정은 적어도 2회 이상 도포 및 건조된 후, 6시간 이상 동결 건조되어 코팅층(32)이 형성되는 것으로 설명한다.
이상과 같은 코팅층(32)이 마련된 멤브레인부(30)는 외부 자극인 빛에 의해 트리거(trigger) 가능한 수용기(receptor)로써 기능을 가질 수 있다.
발전부(40)는 제1 및 제2이온부(10)(20) 중에서 빛이 수광되는 일측에 적층 형성되어, 광전 효과에 의해 전압을 발생시킨다. 발전부(40)는 도 2의 도시와 같이, 빛이 수광되는 수광층인 제2이온부(20)의 상면에 적층되어 마련되며, 폴리플루오린화비닐리덴(PVDF, Polyvinylidene fluoride) 물질로 형성된다.
또한, 발전부(40)는 제1이온부(10)의 하면에 적층된 도전층(41)과 연결되어 전류가 흐른다. 여기서, 도전층(41)은 발전부(40)로부터 생성된 전류가 흐르는 ITO(Indium Tin Oxide) 유리를 포함하여, 제1이온부(10)의 하면에 마련된다. 이때, 발전부(40)는 전압부(42)와 제1발전라인(43)으로 연결되고, 도전층(41)은 전압부(42)와 제2발전라인(44)으로 연결된다. 여기서, 전압부(42)는 발전부(40)의 자가 발전에 의해 발생된 전압이 저장될 수 있다.
전원부(50)는 제1 및 제2이온부(10)(20)에 저장된 전해액에 전압을 인가한다. 여기서, 전원부(50)는 발전부(40)와 연결되어 전압을 공급받아, 제1 및 제2이온부(10)(20)에 전위차 발생을 위한 전압을 인가할 수 있다. 이를 위해, 전원부(50)의 제1전원라인(51)은 발전부(40)의 제1발전라인(43)과 연결되어 제1이온부(10)와 연결될 수 있으며, 전원부(50)의 제2전원라인(52)은 제2이온부(20)와 연결될 수 있다.
이러한 구성에 의하면, 빛(L)이 조사된 발전부(40)는 광전 효과에 의해 전압을 발생시키며, 대략 수십 mV 가량의 전압을 자가 발전시킬 수 있다. 이렇게 발전부(40)에서 발생된 전압은 전압부(42)를 거쳐 제1발전라인(43)과 연결된 제1전원라인(51)을 통해 전원부(50)로 제공될 수 있다.
그로 인해, 전원부(50)는 제1 및 제2이온부(10)(20)의 사이에 전위차를 제공함으로써, 제1 및 제2이온부(10)(20)에 수용된 전해액이 멤브레인부(30)의 기공(31)을 통해 전달될 수 있도록 트리거(Trigger)할 수 있다. 이때, 본 발명에서 설명하는 발전부(40)는 거울 반사 방법이 광원으로 사용됨으로써, 광전 효과에 의해 발전부(40)가 발화되지 않는다.
또한, 아조 물질의 코팅층(32)을 구비하는 멤브레인부(30)에 빛(L)이 노출되면, 코팅층(32)의 염료 감응 동작에 의해 전자 생성이 유발됨과 아울러, 전해액의 이온 운반을 유도한다. 이때, 제1 및 제2이온부(10)(20)의 전해액은 아조 물질의 코팅층(32) 표면에서 소비되는 전자를 새로 공급함으로써, 지속적인 이온 운반이 가능하다.
도 3을 참고하면, 주사전자현미경(SEM)에 의해 멤브레인부(30)의 상면과 하면을 각각 촬영한 이미지가 (a) 및 (b)에 각각 도시된다.
도 3의 (a)는 코팅층(32)이 마련된 멤브레인부(30)의 상면을 촬영한 이미지로써, 멤브레인부(30)에 관통 형성된 기공(31)의 지름이 대략 70㎚ 내지 80㎚이다. 반면에, 도 3의 (b)는 멤브레인부(30)의 하면을 촬영한 이미지로써, 기공(31)의 지름이 대략 100㎛을 가진다. 즉, 도 3의 (a)와 같이 멤브레인부(30)의 상면에 코팅층(32)이 마련된 경우, 기공(31)이 코팅층(32) 형성에 의해 지름이 축소되는 것이다. 이러한 구성으로 인해, 코팅층(32)이 마련된 멤브레인부(30)의 상면에서 코팅층(32)이 마련되지 않은 하면으로 갈수록 기공(31)의 지름이 점차 넓어지는 형상을 가진다.
참고로, 코팅층(32)을 형성하는 아조 물질은 광활성 물질로써, 빛(L)이 조사됨에 연동하여 기공(31)을 개폐함으로써, 전류 발생을 통해 광센서로써 동작 가능해진다.
도 4는 본 발명에 의한 자가 발전 이온채널장치(1)에 대략 365㎚의 파장을 가지는 자외선(UV)이 조사됨에 따른 전류 변화의 특성을 나타내는 그래프이다. 도 4의 도시와 같이, 자외선 즉, 빛(L)이 조사됨에 따라, 본 발명에 의한 자가 발전 이온채널장치(1)로부터 전류가 발생됨을 확인할 수 있다.
도 5는 3개의 파장(365㎚, 450㎚ 및 560㎚)에 의한 자가 발전 이온채널장치(1)의 선택적인 전류 변화를 도시한 그래프이다. 도 5의 도시와 같이, 365㎚에서 가장 높은 전류가 관측되었으며, 450㎚에서 전류가 낮아지나 560㎚에서는 전류의 변화가 없음을 확인할 수 있다. 즉, 560㎚의 파장의 빛(L)에 대해서는 본 실시예에 의한 자가 발전 이온채널장치(1)가 반응하지 않는 것이다. 또한, 365㎚ 파장에서 전류의 변화가 정적인 파형을 보여주는 반면에, 450㎚ 파장에서는 빛(L)이 온/오프(on/off)되는 순간에는 동적인 파형을 보여준다.
도 6에는 자가 발전 이온채널장치(1)의 전류 및 전압 특성을 설명하기 위한 그래프들이 도시된다.
도 6의 (a) 그래프는 발전부(40)를 형성하는 재질인 PVDF에 빛(L)이 조사됨을 관찰한 그래프이다. 도 6의 (a)를 참고하면, 빛(L)이 PVDF에 조사될 때, 발전부(40)는 특정 전압을 즉시 지속적으로 발생시키며, 365㎚, 450㎚ 및 560㎚ 파장에 대해 최대 140mV의 전압을 발생시킨다. 이때, 전압은 빛(L)의 파장에 따라 전압의 크기는 일정하지만 발생하는 초당 생성 전압의 주파수는 감소한다.
도 6의 (b)는 본 발명에 의한 PVDF로 형성된 발전부(40)와 도전층(41) 사이의 전류-전압 특성을 나타내며, 인가 전압이 증가하면 전류값은 선형적으로 증가한다. 본 발명에 의한 자가 발전 이온채널장치(1)는 빛(L) 즉, 자외선이 순차적으로 켜지거나 꺼지는 경우, 발전부(40)와 도전층(41)의 표면 사이의 전압 변화가 도 6의 (c)에 도시된다.
도 6의 (c)의 전압 변화 곡선은 PVDF만을 가지는 도 6의 (a)와 비교하여 빛(L)의 온/오프(on/off)에 대응하여 뚜렷한 모양을 가진다. 또한, 도 6의 (c) 그래프에서와 같이, 빛(L)이 온(On)됨에 연동하는 전압 생성 속도가 빛(L)이 오프(off)될 때의 전압 생성 속도보다 상대적으로 빠르다. 이러한 전압 곡선은 빛(L)의 조사 중에 발전부(40)로부터 발생된 전압이 제1 및 제2이온부(10)(20) 사이에 전위차를 발생시킬 수 있는 충분한 전압 전달 시간을 확보할 수 있음을 의미한다.
도 6의 (d), (e) 및 (f)의 그래프는, 365㎚, 450㎚ 및 560㎚ 파장에 대한 시간에 따른 전류 발생 그래프이다. 도 6의 (d) 및 (d)와 같이, 365㎚ 파장의 빛(L)이 조사되면 1.5nA 이내의 정적 파형의 전류 곡선을 그리며, 450㎚ 파장에서는 상대적으로 약한 파형 곡선과 함께 일부 파형의 경우 0.2nA 이내의 값을 보인다. 또한, 도 6의 (f)와 같이, 560㎚의 파장에 대해서는 빛(L)에 발전부(40)가 반응하지 않음을 확인할 수 있다.
한편, 발전부(40)와 도전층(41) 사이에 마련된 멤브레인부(30)를 투과하는 이온 전달 성능을 설명하면, 다음과 같다.
도 7은 아조 물질에 의해 코팅된 멤브레인부(30)를 통한 이온 전달 특성을 설명하기 위한 그래프들이 도시된다.
도 7의 (a)는 본 발명에 의한 자가 발전 이온채널장치(1)에 의해 측정된 전압-전류 곡선이 도시된다. 도 7의 (a)를 참고하면, 음의 전위가 적용되면 전류에는 거의 변화가 없으며, 음의 잠재력이 주어지면 제1 및 제2이온부(10)(20)에 저장된 전해액과 접촉하는 양전하가 발전부(40)로 이동한다. 이와 반대로, 양의 전위가 작용하면 발전부(40) 표면과 충돌하는 면에 있어 전자 및 음이온은 이동하기 힘들다.
도 7의 (b)는 본 발명에 의한 자가 발전 이온채널장치(1)의 빛(L)의 파장에 따른 전류 변화를 나타내는 그래프이다. 도 7의 (b)에서와 같이, 560㎚ 파장의 빛(L)에 대해서는 전류의 변화가 없으나, 365 및 450㎚ 파장대의 빛(L)에 대해서는 각각 서로 다른 값의 전류 곡선이 나타난다. 이러한 전류 곡선과 전류 값을 통해 빛(L)의 파장대역을 구별할 수 있어, 광센서로써 구현 가능하다.
상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 자가 발전 이온채널장치(1)는 빛(L)이 조사됨에 따라, 발전부(40)의 광전 효과에 의해 전원이 발생되며, 발전부(40)에서 발생된 전원은 도전층(41)을 통해 제1 및 제2이온부(10)(20) 사이의 전위차 발생을 유도한다. 그로 인해, 본 발명에 의한 이온채널장치(1)는 자가 발전에 의한 이온 전달 동작이 가능해진다.
이러한 본 발명에 의한 자가 발전 이온채널장치(1)는 동작을 도 8을 참고하여, 보다 자세히 설명한다.
도 8의 도시와 같이, 빛(L)이 조사하는 동안 이온채널장치(1)에 대한 전압 발생과 이온 이동이 (a)에 도시된다. 우선, 아조계 폴리머가 코팅된 코팅층(32)을 구비하는 멤브레인부(30)는 빛(L)을 흡수하여 아조 성분의 여기(D*)에 의해 전자가 생성되며, 전자는 발전부(40)의 표면으로 전달된다. 이때, 도 8의 (b)와 같이, 발전부(40)의 표면에 형성된 양전하가 전자의 움직임을 촉진하고, 전자는 전류를 생성하기 위한 도전층(41)의 표면으로 이동한다. 여기서, 코팅층(32)에서 생성된 전자는 이온성 물질의 산화/환원 반응에 의해 부분적으로 공급되는 전자를 수신하여 보상함으로써, 염료 감응형 태양 전지와 유사하다.
도 8의 (c)와 같이, 빛(L) 조사로 인한 아조 분자의 cis-trans 변환을 통해 기공(31)의 지름 변화가 야기되어, 전해액에 포함된 음이온이 발전부(40)의 표면 및 양이온 반대 방향으로 움직이게 된다. 즉, 기공(31)을 통해 이온이 제1 및 제2이온부(10)(20)를 투과하게 되는 것이다.
한편, 멤브레인부(30)와 발전부(40)의 작용을 확인하기 위해 도 9와 같은 변형 형태로 실험을 실시하였다.
우선, 도 9의 도시와 같이, 카본이 코팅된 알루미늄(Al/C)을 포함하는 전극층(140)이 발전부(40)를 대신하여 실험하였다. 도 9의 (a)를 참고하면, 카본이 코팅된 알루미늄을 포함하는 전극층(140)의 상부에 제1이온부(10)가 적층되며, 도전층(41)은 제2이온부(20)의 상부에 적층된 형태로 시간에 따른 전류 변화를 측정하였다.
그 결과, 도 9의 (b)와 같이, 150mW/cm2 이내의 제논(Xenon) 빛(L)이 조사되면, 전압이 2배 이상 높다. 또한, 365㎚ 파장에서는 최대 2.5nA의 낮은 전류를 보이며, 450㎚에서는 전류가 발생되지 않는다. 이러한 결과를 통해, PVDF를 포함하는 발전부(40)에서 생성된 에너지가 이온채널장치(1)의 자가 발전을 위한 중요 인자임을 확인할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
1: 자가 발전 이온채널장치 10: 제1이온부
20: 제2이온부 30: 멤브레인부
31: 기공 32: 코팅층
40: 발전부 41: 도전층
50: 전원부
20: 제2이온부 30: 멤브레인부
31: 기공 32: 코팅층
40: 발전부 41: 도전층
50: 전원부
Claims (17)
- 이온성 물질이 수용된 한 쌍의 제1 및 제2이온부;
상기 제1 및 제2이온부의 사이에 마련되며, 복수의 기공(stomata)이 마련되는 멤브레인부; 및
상기 제1 및 제2이온부 중에서 빛이 수광되는 일측에 적층 형성되어, 광전 효과에 의해 전압을 발생시키는 발전부;
를 포함하며,
상기 멤브레인부는 상기 제1 및 제2이온부 사이에 적층되는 플레이트 형상을 가지되, 상기 빛이 수광되는 일면은 광활성 물질에 의해 코팅된 코팅층이 마련되어, 상기 발전부로부터 발생된 전압을 공급받으며,
상기 제1이온부, 상기 멤브레인부, 상기 제2이온부 및 상기 발전부가 순차적으로 적층 형성되며,
상기 발전부는 상기 코팅층과 마주하는 상기 제2이온부의 상면에 적층되는 자가 발전 이온채널장치. - 제1항에 있어서,
상기 멤브레인부는 폴리 카보네이트 트랙 에치드(Poly Carbonate Track Etched: PCTE)를 포함하는 자가 발전 이온채널장치. - 제1항에 있어서,
상기 광활성 물질은 아조(AZO)와 PDDA(Poly diallyldimethylammonium chloride)가 1:3, 1:4.4 내지 1:5의 중량비로 혼합된 후, 10% 내지 30%의 부피로 농축된 복합 재료를 포함하는 자가 발전 이온채널장치. - 제3항에 있어서,
상기 코팅층은 상기 멤브레인부의 적어도 일면에 적어도 1회 이상 상기 아조 물질이 도포되어 건조된 후, 동결 건조(Freeze drying)되어 마련되는 자가 발전 이온채널장치. - 제1항에 있어서,
상기 멤브레인부는 6㎛ 내지 11㎛의 두께를 가지며,
상기 기공의 지름은 10 ㎚ 내지 1 ㎛인 자가 발전 이온채널장치. - 제1항에 있어서,
상기 제1 및 제2이온부 사이는 전원부에 의해 전압이 인가되어 전류가 측정되며,
상기 전원부는 상기 발전부와 연결되어 전압을 공급받을 수 있는 자가 발전 이온채널장치. - 제1항에 있어서,
상기 발전부는 폴리플루오린화비닐리덴(PVDF, Polyvinylidene fluoride), 폴리플루오르에틸렌비닐리덴(poly[(vinylidenefluoride-co-trifluoroethylene][P(VDF-TrFE)]의 물질로 형성되는 자가 발전 이온채널장치. - 제1항에 있어서,
상기 발전부는 제1이온부의 하면에 적층된 도전층과 연결되어 전류가 흐르는 자가 발전 이온채널장치. - 제8항에 있어서,
상기 도전층은 ITO 유리를 포함하는 자가 발전 이온채널장치. - 삭제
- 이온성 물질이 수용된 제1이온부;
상기 제1이온부의 상면에 적층되며 복수의 기공(stomata)이 마련되는 멤브레인부;
상기 멤브레인부의 상면에 적층되며 상기 이온성 물질이 수용된 제2이온부;
빛과 마주하도록 상기 제2이온부의 상면에 적층되어, 광전 효과에 의해 전압을 발생시키는 발전부;
를 포함하며,
상기 발전부는 상기 제2이온부의 하면에 적층된 도전층과 연결되어, 발생된 전압을 상기 제1 및 제2이온부 사이의 전위차 발생을 위해 공급하며,
상기 멤브레인부는 상기 제1 및 제2이온부 사이에 적층되는 플레이트 형상을 가지되, 상기 빛이 수광되는 일면은 광활성 물질에 의해 코팅된 코팅층이 마련되어, 상기 발전부로부터 발생된 전압을 공급받으며,
상기 제1이온부, 상기 멤브레인부, 상기 제2이온부 및 상기 발전부가 순차적으로 적층 형성되며,
상기 발전부는 상기 코팅층과 마주하는 상기 제2이온부의 상면에 적층되고, 상기 제1이온부의 하면에 적층된 도전층과 전기적으로 연결되는 자가 발전 이온채널장치. - 제11항에 있어서,
상기 멤브레인부는 폴리 카보네이트 트랙 에치드(Poly Carbonate Track Etched: PCTE)를 포함하여 상기 제1 및 제2이온부 사이에 적층되되, 6㎛ 내지 11㎛의 두께를 가지며,
상기 기공의 지름은 10 ㎚ 내지 1 ㎛인 자가 발전 이온채널장치. - 삭제
- 제11항에 있어서,
상기 광활성 물질은 아조(AZO)와 PDDA(Poly diallyldimethylammonium chloride)가 1:3, 1:4.4 내지 1:5의 중량비로 혼합된 후, 10% 내지 30%의 부피로 농축된 복합 재료를 포함하는 자가 발전 이온채널장치. - 제14항에 있어서,
상기 코팅층은 상기 멤브레인부의 적어도 일면에 적어도 1회 이상 상기 아조 물질이 도포되어 건조된 후, 동결 건조(Freeze drying)되어 마련되는 자가 발전 이온채널장치. - 제11항에 있어서,
상기 발전부는 폴리플루오린화비닐리덴(PVDF, Polyvinylidene fluoride) 물질로 형성되는 자가 발전 이온채널장치. - 제11항에 있어서,
상기 도전층은 ITO 유리를 포함하는 자가 발전 이온채널장치.
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|---|---|---|---|
| KR1020180011962A KR101998512B1 (ko) | 2018-01-31 | 2018-01-31 | 자가 발전 이온채널장치 |
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