KR102036139B1 - 다가전해질이 코팅된 미세채널에서의 액체 유동을 이용한 에너지 전환 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 하전된 표면으로 액체가 흐를 때 관계되는 계면동전기 원리로 발생되는 흐름전위와 흐름전류에 의해 기계적 에너지를 전기 에너지로 전환시키는 방법과 장치에 관한 것이다. 본 기술의 핵심은, 미세채널의 벽면 내부를 저가의 다가전해질로 비교적 간단히 코팅하여, 주어진 압력차에 대해 부피 유량은 감소시키고 채널벽면의 표면전위와 전기이중층의 총 전하밀도는 증가시켜, 최대출력과 전환효율을 종전보다 향상시킨 장점이 있다.

Description

다가전해질이 코팅된 미세채널에서의 액체 유동을 이용한 에너지 전환 방법 및 장치{Method and apparatus for energy conversion by liquid flows in polyelectrolyte-coated microchannels}
본 발명은 전기장과 유동장이 결합되어 나타나는 계면동전기(eletrokinetic) 원리에 의해, 벽면이 하전된 미세채널 내부로 압력을 가하여 액체를 흘렸을 때 기계적 에너지가 전기에너지로 전환되어 흐름전위/흐름전류가 발생하는 기술에 있어서, 종전보다 최대출력과 전환효율을 향상시킨 기술에 관한 것이다. 본 발명에 의한 방법 및 장치로, 채널 재질로서 널리 쓰이는 기존의 유리나 PDMS를 교체하지 않고, 저렴한 다가전해질(polyelectrolyte) 코팅막(coated film)을 간단하게 채널벽면에 형성하여 최대출력과 전환효율을 향상시킬 수 있다. 본 발명이 적용될 수 있는 대상으로는 미세에너지를 필요로 하는 나노구동(nano locomotion), 초소형 기기 작동, 유비쿼터스(ubiquitous) 전원 구현, 인체 자가발전(self-power) 등이 있다.
계면동전기는 하전된 고체표면과 전해질 이온을 포함한 액체의 상호작용에 의한 현상으로, 전기장을 가하면 액체 또는 액체내 분산된 입자가 움직이는 전기삼투와 전기영동, 그리고 이와는 반대로 액체를 움직이게 하면 전기장이 발생하는 흐름전위/흐름전류 메커니즘이 있다. 지난 100여년간 분석과학 및 기술(analytical science and technology)에서 인류 문명 발전에 지대한 기여를 해왔던 전기삼투와 전기영동에 비해, 흐름전위/흐름전류는 최근 미세 수준의 액체유동에 대한 관심이 높아짐에 따라 새로운 에너지 전환(conversion) 및 수확(harvesting) 기술로서의 응용 가능성에 주목을 받고 있다.
예를 들면, 올튀스 등[W. Olthuis, B. Schippers, J. Eijkel, A. van den Berg, "Energy from streaming current and potential", Sensors and Actuators B, 111-112, 385-389, 2005]은 다공성 유리필터의 기공크기가 1.0-1.6 μm인 경우에 외부저항의 변화에 따라 얻어진 흐름전위와 에너지 결과를 보고하였다. 전(Chun) 등[M.-S. Chun, M.S. Shim, N.W. Choi, "Fabrication and validation of a multi-channel type microfluidic chip for electrokinetic streaming potential devices", Lab Chip, 6, 302-309, 2006]은 미세기전시스템(micro-electromechanical system, MEMS)을 기반으로 하여 미세채널 수백 개를 집적시킨 마이크로플루이딕 칩에 증류수를 흘려서 외부저항에 따라 발생하는 흐름전위와 흐름전류를 측정하였다. 칩의 재질이 PDMS(polydimethylsiloxane) 보다는 실리콘인 경우에 높은 흐름전위가 얻어졌고, 측정된 출력밀도가 계산값과 일치함을 확인하였다. 또한, 전(Chun) 등[M.-S. Chun, M.S. Shim, D.K. Choi, "Electrokinetic Micro Power Cell Using Pile-Up Disk Type Microfluidic-Chip with Multi-Channel", 미국특허등록(7,709,126), 2010.5.4]은 출력을 향상시키고자 균등한 유체 유동이 구현되도록 설계한 다중채널을 형성시킨 원판형 마이크로플루이딕 칩을 복수 개 적층시킨 마이크로 전지를 고안하였다.
최근에는 채널벽면에 다가전해질을 도입하여 벌크용액의 이온 전하에 다가전해질의 하전성을 부가하여 높은 출력을 얻고자 하는 시도들이 보고되고 있다. 예를 들면, 패트와리 등[J. Patwary, G. Chen, S. Das, "Efficient electrochemomechanical energy conversion in nanochannels grafted with polyelectrolyte layers with pH-dependent charge density", Microfluid Nanofluid, 20, 37, 2016]은 채널벽면에 다가전해질을 그래프팅(grafting) 시킨 나노채널에서 다가전해질 분자의 탄성(elasticity)과 부피배제(excluded volume) 효과를 고려한 정전기장과 다가전해질층에서의 항력(drag force)을 반영한 속도장을 해석하여 용액의 수소이온농도 지수인 pH와 산해리상수 지수인 pKa 값에 따라 흐름전위가 상승되고 전환효율이 5% 수준까지 향상될 수 있음을 보고하였다. 여기서 다가전해질층은 이온이 자유롭게 침투할 수 있어서 여기서의 액체 유동은 속도분포가 비교적 유지된다.
상기 흐름전위/흐름전류가 발생되는 계면동전기 원리는 다음과 같다. 채널벽면이 하전되면, 액체내 전해질 이온의 움직임으로 인해 벽면 주위에는 벽면의 전하부호와 반대인 상대이온(counter-ion)들이 모여들어 전기이중층(electric double layer)과 정전위 분포가 형성된다. 전기이중층 두께(1/k)는 정전상호작용의 척도로서 액체내 이온들의 농도의 제곱근에 반비례한다. 즉, 이온농도가 10-7 몰(mol)의 극히 낮은 증류수인 경우에 전기이중층이 가장 두꺼운 최대 1 μm 수준이어서 벽면 하전성이 매우 강하게 작용하고, 이온농도가 증가할수록 전기이중층은 얇아져서 벽면 하전성은 약해진다. 정전상호작용의 또 다른 척도는 벽면에서의 정전위값인 표면전위(surface potential)이며, 표면전위값이 클수록 벽면의 하전성이 강하게 작용하게 된다. 표면전위값은 실험적으로 측정되는 제타전위(zeta potential)값으로 볼 수 있는데, 이는 액체의 pH에 따라 변화한다.
전기이중층에서 단위 부피당 총 전하밀도(net charge density)
Figure 112017086913492-pat00001
는 구이-채프만(Gouy-Chapman) 모델에 기반한 볼쯔만 분포로부터 하기 수학식 1로 표현된다.
Figure 112017086913492-pat00002
여기서, 상기 Λi의 i는 이온의 이온가(valence), e는 단위전하(unit charge), ni는 액체에 존재하는 I 이온의 수농도(1/m3)이다. 만약에 액체내 전해질 이온이 염화칼륨(KCl)이나 염화나트륨(NaCl)과 같이 1:1로 해리되는 1가 이온이면 수학식 1에서
Figure 112017086913492-pat00003
는 간단히 Λe(n+ - n-)인데, n+와 n-는 각각 exp(-ψ)와 exp(ψ)으로 정전위인 ψ는 벽면에서의 거리에 따른 함수로서 정전기에 의한 전기장 지배식인 포아슨-볼쯔만(Poisson-Boltzmann) 관계식을 풀어서 얻을 수 있다.
점도 μ의 비압축성 액체가 채널 양단간의 압력구배(∇p)에 의해 u의 속도로 벽면이 하전된 채널내부를 흐르는 경우, 정상상태 유동장은 하기 수학식 2로 나타내어진다.
Figure 112017086913492-pat00004
여기서, 폭(W), 높이(H), 길이(L)를 갖는 사각 채널에서 액체의 속도는 길이방향인 uz만 존재하며, 상기
Figure 112017086913492-pat00005
는 이온들의 이동으로 형성된 외부힘으로서 하전된 채널벽면 주위에 형성된 전기이증층에서 단위부피당 공이온(co-ion) 및 상대이온(counter-ion)들의 총 전하밀도
Figure 112017086913492-pat00006
와 상대이온들의 이동으로 형성된 흐름전위구배
Figure 112017086913492-pat00007
의 곱이다.
좀더 구체적으로는, 고정층과 확산층으로 구성된 전기이중층의 확산층에 존재하는 채널벽면의 하전부호와 반대인 상대이온들이 채널의 하류쪽으로 이동하면, 채널양단에는 채널 단면적 A에 대해 적분한 하기 수학식 3으로 표현되는 흐름전류 IS가 액체의 이동방향으로 발생한다.
Figure 112017086913492-pat00008
채널 하류 쪽에 계속 축적되는 이온전하들에 의한 전위구배는 전기장을 형성하여 흐름전위를 발생하며, 동시에 이 전기장은 유체흐름과 반대방향으로 전기이중층의 고정층을 따라서 전도전류 IC를 발생시킨다.
채널에서 임의의 이온 이동은 압력구배에 의한 이동과 전위구배에 의한 이동으로 나눌 수 있는데, 이는 네른스트-플랑크(Nernst-Planck) 관계식으로 정량화할 수 있다. 또한, 채널내부에서 흐름전류와 전도전류에 의한 전체전류는 정상상태에서 보존되는 바, 이는 IS + IC = 0인 관계로 표현되므로 최종적으로 흐름전위
Figure 112017086913492-pat00009
는 하기 수학식 4로 얻어진다. 보다 상세한 유도과정은 관련 참고문헌인 비특허문헌 2에 보고되어 있다.
Figure 112017086913492-pat00010
여기서, λ s는 채널벽면에서의 전도도(surface conductivity), NA는 아보가드로수, Di는 i 이온의 확산계수, k는 볼쯔만 상수이다.
(특허문헌 1)
M.-S. Chun, M.S. Shim, D.K. Choi, “Electrokinetic Micro Power Cell Using Pile-Up Disk Type Microfluidic-Chip with Multi-Channel”, 미국특허등록(7,709,126), 2010.5.4.
(비특허문헌 1)
W. Olthuis, B. Schippers, J. Eijkel, A. van den Berg, “Energy from streaming current and potential”, Sensors and Actuators B, 111-112, 385-389, 2005.
(비특허문헌 2)
M.-S. Chun, M.S. Shim, N.W. Choi, “Fabrication and validation of a multichannel type microfluidic chip for electrokinetic streaming potential devices”, Lab Chip, 6, 302-309, 2006.
(비특허문헌 3)
J. Patwary, G. Chen, S. Das, “Efficient electrochemomechanical energy conversion in nanochannels grafted with polyelectrolyte layers with pH-dependent charge density”, Microfluid Nanofluid, 20, 37, 2016.
(비특허문헌 4)
J. Koetz, S. Kosmella, Polyelectrolytes and Nanoparticles, Springer-Verlag, 2007.
(비특허문헌 5)
T. Swift, L. Swanson, M. Geoghegan, S. Rimmer, “The pH-responsive behaviour of poly(acrylic acid) in aqueous solution is dependent on molar mass”, Soft Matter, 12, 2542-2549, 2016.
본 발명은, 계면동전기 원리에 의해 기계적 에너지가 전기에너지로 전환되어 흐름전위/흐름전류가 발생하는 기술에 있어서, 비교적 간단한 방식으로 저렴하게 최대출력과 전환효율을 종전보다 향상시킬 수 있는 방법과 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 여기서, 흐름전류는 단락회로(short circuit)에서 전압이 0일때의 전류에 해당하고, 흐름전위는 개방회로(open circuit)에서 전류가 0일때의 전압에 해당하여, 이들의 곱이 출력(power)이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 다가전해질(polyelectrolyte) 코팅막이 형성된 미세채널을 포함하는 마이크로플루이딕 칩을 구비하고, 상기 코팅막 내부에 이온 및 액체는 침투할 수 있으나 채널벽면과 평행한 방향으로의 속도분포를 형성하는 액체 유동은 존재하지 않으며, 상기 미세채널에서의 액체 유동에 의해 전기 에너지가 발생되는 에너지 전환 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 채널벽면과 평행한 방향으로의 속도분포를 형성하는 액체 유동이 존재하지 않는 다가전해질 코팅막 형성 단계를 포함하는 미세채널에서의 액체 유동에 의하여 전기에너지를 발생시키는 에너지 전환 방법을 제공한다.
흐름전위-출력간의 곡선에서 최대흐름전위와 최대흐름전류를 결정하고 이때의 최대 출력을 하기 수학식 5로 나타낸다:
Figure 112017086913492-pat00011
한편, 압력차 Δp에서 부피 유량 Q로 액체가 유동하여 인가된 기계적 힘은 하기 수학식 6으로 나타낸다.
Figure 112017086913492-pat00012
따라서, 상기 코팅막에 의해 미세채널 단면적이 감소하면, 이에 따라 부피 유량이 감소하여 인가된 기계적 힘이 감소된다.
인가된 기계적 힘에 대한 최대출력의 비가 전환효율(conversion efficiency)로서, 하기 수학식 7로 산출되는 바, 본 발명은 에너지 전환효율 향상 방법을 또한 제공한다.
Figure 112017086913492-pat00013
채널벽면 내부에 다가전해질 코팅막을 형성하면 코팅막 주위에는 코팅막이 띠는 전하와 반대인 전하를 띠는 이온들이 분포하는 전기이중층을 형성한다. 다가전해질은 원래의 채널벽면보다 표면전하밀도가 높으므로 채널벽면의 표면전위와 전기이중층에서 단위 부피당 이온들의 총 전하밀도가 높아져서, 이로부터 흐름전류와 흐름전위가 증가하여 최대출력이 증가하게 된다.
한편, 코팅막 내부에서는 이온 및 액체는 침투할 수 있으나 채널벽면과 평행한 방향으로의 속도분포를 형성하는 액체 유동은 존재하지 않으므로, 코팅막의 형성으로 채널 단면적이 감소하여 동일한 압력에 대한 부피 유량 감소로 인가된 기계적 힘이 감소하고 아울러 상기의 최대출력이 증가하여 전환효율도 증가한다.
도 1은, 폭이 W이고 높이가 H인 사각채널의 단면도로서, 유리나 PDMS 재질의 채널벽면 내부에 다가전해질이 tp의 두께로 코팅된 구조를 나타낸다.
도 2는, 본 발명에 의한 미세채널 및 인용문헌에 의한 미세채널에서의 액체유동에 대한 속도분포의 비교를 나타낸다.
도 3은, 본 발명에 따른 다가전해질이 코팅된 미세채널에서의 액체 유동을 이용한 에너지 전환에서 최대출력과 전환효율을 산출하는 방법의 순서도이다.
도 4는, 본 발명에서 다가전해질이 코팅된 미세채널에서의 액체 유동에 의한 에너지 전환을 구현하는 장치도를 나타낸다.
도 5는, 채널벽면 내부의 코팅 유무에 따른 부피 유량 변화를 액체의 pH 조건에 대해 나타낸 그래프이다.
도 6은, 채널벽면 내부의 코팅 유무에 따른 흐름전위-흐름전류 변화를 액체의 pH 조건에 대해 나타낸 그래프이다. 여기서, 흐름전류는 전압이 0일때의 값(short circuit current), 흐름전위는 전류가 0일때의 값(open circuit voltage)에 해당한다.
도 7은, 채널벽면 내부의 코팅 유무에 따른 흐름전위-출력 변화를 액체의 pH 조건에 대해 나타낸 그래프이다.
도 8은, 채널벽면 내부의 코팅 유무에 따른 최대출력 변화를 액체의 pH 조건에 대해 나타낸 그래프이다.
도 9는, 채널벽면 내부의 코팅 유무에 따른 전환효율 변화 (즉, 효율상승비)를 액체의 pH 조건에 대해 나타낸 그래프이다.
도 10은, 채널벽면 내부의 코팅 유무에 따른 최대출력과 전환효율 변화 (즉, 효율상승비)를 채널벽면의 표면전위 조건에 대해 나타낸 그래프이다.
본 발명에서는, 음이온성 다가전해질인 폴리아크릴산(polyacrylic acid: PAA)에 의해 채널벽면 내부를 코팅한다. 도 1과 같은 다가전해질 코팅막을 형성하기 위해서 채널벽면과 고분자 사이에 프라이머(primer) 역할을 해주는 실란(silane) 물질을 채널벽면에 얇게 도포한다. 실란은 다중 반응 작용기를 갖는 물질로서 열처리에 의해 한쪽은 채널벽면과 다른 쪽은 다가전해질과 공유결합을 형성하여 채널벽면에 고정된 코팅막을 형성하게 된다. 대표적으로 g-메타크릴옥시프로필 트리메톡시실란(g-methacryloxypropyl trimethoxysilane)을 희석한 용액 소량을 채널입구에 떨어뜨리면 모세관 힘(capillary force)에 의해 채널로 유입되어 벽면에 골고루 도포되고 상온에서 약 1시간 건조시키면 프라이머 층이 형성된다.
본 발명에서는 저가의 다가전해질로서 음이온성인 폴리아크릴산(polyacrylic acid: PAA)을 사용하였으나, 폴리아크릴아마이드, 폴리포스포산, 폴리포스페이트, 폴리소듐스타이렌 설포네이트, 폴리비닐설페이트, 폴리비닐설폰산, 폴리에틸렌이민 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상을 사용할 수 있다.
이어서, 다가전해질을 묽은 농도로 분산시킨 수용액을 마찬가지로 모세관 힘에 의해 채널에 유입시켜 벽면에 골고루 도포한 후 상온에서 약 1시간 건조시킨다. 이 과정을 수차례 반복하여 도포하면 최종 형성되는 코팅막의 두께를 조절할 수 있다. 건조된 채널을 실란의 경화 온도 이상인 80℃ 이상의 오븐에서 30분 이상의 열처리를 거치면 채널벽면에 단단히 고정된 다가전해질 코팅막이 형성된다.
채널의 재질로는 가공하기 쉽고 저렴한 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane: PDMS)과 같은 플라스틱 소재나 가공하기는 좀 어렵지만 표면 하전성이 PDMS 보다 높은 실리콘, 유리, 석영 등을 적용하는데, 이들은 공통적으로 표면이 음전하로 하전되어 있다. 유리나 PDMS는 액체와 접촉된 경우에 하전성을 나타내고, 일반적으로 채널벽면의 전하량은 액체의 pH가 증가할수록 증가하여 일정한 값에 도달하는 경향을 보인다. 채널벽면 내부에 코팅하는 다가전해질은 단분자마다 한 개 이상의 이온기를 갖는 고분자로서, 이온기는 양이온성 혹은 음이온성이 될 수 있다. 한편, 다가전해질 코팅막이 갖는 표면전위는 상기 코팅막이 형성되어 있지 않은 고체의 채널벽면이 갖는 표면전위 보다 높아야 한다.
표면전하밀도는 표면전위값을 결정하고 이는 흐름전위값을 결정하므로 채널벽면의 표면전하밀도를 높이는 것이 최대출력과 에너지 전환효율을 향상시키는데 있어 절대적으로 유리하다. 그러나 미세채널의 재질로 널리 사용되는 유리나 PDMS 보다 표면전하밀도가 높은 재질로 대체하는 것은 가공이나 공정상의 난이도, 높은 비용 등으로 현실적으로 불가능하다. 대신에 채널벽면을 표면처리하여 높은 표면전하밀도를 갖도록 할 수 있는 바, 간단하고 저렴하게 표면처리할 수 있는 방법으로서 다가전해질을 코팅하는 방식을 적용한다. 채널벽면에 형성된 다가전해질 코팅막에 의한 표면전위의 상승으로 전기이중층에서 단위 부피당 이온들의 총 전하밀도가 증가하여 흐름전류가 증가하고 이어서 흐름전위도 증가하여 최대출력이 증가한다.
도 2와 같이, 본 발명에 의한 다가전해질 코팅막 주위에는 코팅막이 띠는 전하와 반대인 전하를 띠는 이온들이 분포하는 전기이중층을 형성하고, 코팅막 내부에서는 이온 및 액체는 침투할 수 있으나 채널벽면과 평행한 방향으로의 속도분포를 형성하는 액체 유동은 존재하지 않는 것을 특징으로 한다. 이는, 채널벽면에 형성된 액체 유동이 존재하지 않는 다가전해질 코팅막에 의해 코팅하기 전의 원래의 고체 채널에 비해서 채널 단면적이 감소되어 동일한 압력에 대해 부피 유량이 감소하므로 인가된 기계적 힘이 감소하고 아울러 최대출력이 증가하여 전환효율이 증가한다.
다가전해질 코팅막은 수십 나노미터(nm) 이상에서 최대 수 마이크로미터까지의 두께를 가지고, 전기이중층은 최대 1 마이크로미터(μm) 까지의 두께를 가진다. 예를 들어, 다가전해질 코팅막의 두께는 10 μm 이하일 수 있다. 채널내부에서 액체의 원활한 유동을 위해서 단단한 고체의 채널내부에서 다가전해질 코팅막과 전기이중층이 차지하는 단면적은 채널내부 단면적보다는 작아야 한다. 예를 들어, 채널 단면이 사각형인 경우에 다가전해질 코팅막과 전기이중층을 합한 두께는 채널폭과 채널높이 중에서 짧은 쪽 길이의 30% 이내로 한다.
반면에, 비특허문헌 3과 같이 기존의 경우에서는 채널벽면에 다가전해질 코팅막(coated film)이 아닌 다가전해질층(polyelectrolyte layer)을 형성하였기 때문에, 전기이중층 형성과 두께가 불안정하여 흐름전위/흐름전류 증가가 제한적일 수 있다. 무엇보다도 다가전해질층에서는 채널벽면과 평행한 방향으로의 속도분포를 형성하는 액체 유동이 존재하므로 채널 단면적 감소효과가 미미하여 동일한 압력에 대해 부피 유량이 감소하지 않아 전환효율의 증가를 기대하기 어렵다.
도 3과 같이, 상기 수학식 1 내지 6을 기반으로 본 발명에 따른 다가전해질이 코팅된 미세채널에서의 액체 유동을 이용한 에너지 전환에서 부피 유량, 최대출력 및 전환효율을 산출할 수 있다. 정전기장 관계식과 속도장 관계식의 풀이는 유한차분 수치기법에 의하고, 속도장 관계식과 네른스트-플랑크 관계식을 연립하여 산출된 평균속도값이 수렴할때까지 반복 계산하여 평균속도, 부피 유량, 흐름전위/흐름전류를 산출한다. 계산에 필요한 채널벽면에 형성된 다가전해질 코팅막의 표면전위 값은 주어진 액체의 pH 조건에서 제타전위 측정기로 얻을 수 있는 바, 임의의 물질 표면이 갖는 표면전위값을 실험적으로 얻을 수 있는 값이 제타전위이다. 또한, 채널벽면에 형성된 다가전해질 코팅막의 두께는 주어진 액체의 pH 조건에서 채널 단면에 대한 주사전자현미경(SEM) 등으로 측정할 수 있다.
본 발명에서 다가전해질로 선정한 폴리아크릴산(PAA)에 대해 살펴본다. 단분자(monomer)인 아크릴산(CH2-CHCOOH)의 분자량은 72.06 g/mol 으로서 분자량이 1.25×106 g/mol 인 PAA라면 중합도가 17,347로 사슬구조를 갖는 고분자이다. 단분자 한 개당 카르복실산(carboxylic acid) 음이온기가 한 개씩 존재하므로, 한 개의 PAA 사슬에는 총 17,347개의 음이온기가 존재한다. 아크릴산 단분자를 RCOOH라 하면 해리(dissociation) 반응과 해리상수 Ka는 하기 수학식 8 및 9로 각각 표현된다.
Figure 112017086913492-pat00014
Figure 112017086913492-pat00015
여기서, PAA에 대한 pKa값은 쾨쓰와 코스멜라[J. Koetz, S. Kosmella, Polyelectrolytes and Nanoparticles, Springer-Verlag, 2007, p.17, Table 2.1]에 의하면 4.58로 보고되어 있다. 또한, 스위프트 등[T. Swift, L. Swanson, M. Geoghegan, S. Rimmer, "The pH-responsive behaviour of poly(acrylic acid) in aqueous solution is dependent on molar mass", Soft Matter, 12, 2542-2549, 2016]에 의하면, 한 개의 PAA 사슬에서 하전된 단분자가 차지하는 분율인 f는 하기 수학식 10과 같이 pH 및 pKa로 표현된다.
Figure 112017086913492-pat00016
이로부터, pH가 4, 7, 9인 경우에, f는 각각 0.02, 0.3, 0.8이다. 즉, pH가 9이면 한 개의 PAA 사슬에는 총 13,878 (= 17,347×0.8)개의 음이온기가 존재한다.
[실시예]
상기 수학식들로부터 부피 유량, 흐름전위/흐름전류, 출력, 최대출력, 그리고 전환효율을 계산하여 예측할 수 있다. 아울러, 도 4와 같이 에너지 전환 장치를 실제 제작하여 주어진 액체 유동에 대해 발생된 흐름전위와 흐름전류를 측정하여 출력, 최대출력 및 전환효율을 확인할 수 있다. PDMS로 채널폭, 높이, 길이가 각각 40 μm, 10 μm, 3.8 mm인 미세채널이 형성된 마이크로플루이딕 칩을 제작하고, 채널벽면 내부에 PAA를 코팅시켰다. 제타전위 측정에 의해, pH 4, 7, 9에서 PMDS 벽면은 각각 -20, -41, -62 mV 이고, PAA 코팅막이 형성된 채널벽면은 각각 -61, -80, -99 mV의 표면전위를 나타냈다. PAA 코팅막은 1.5 μm 두께로 측정되었다.
실린지 펌프와 정밀 압력계가 설치된 외경 1/16인치 플라스틱 튜빙은 칩의 유입구와 유출구에 설치된 전극튜빙과 연결되어 일정 압력차로 미세채널에 용액을 흘리고 출구에서 배출되는 부피 유량을 측정하였다. 아울러 전극튜빙은 소스미터(source meter)와 전선으로 연결되어 있어 일정한 저항에 대해 흐름전위/흐름전류값을 측정하였다. 본 실시예에서는, 0.5 bar의 압력차를 유지하였고, 전해질 용액으로는 KCl 0.01 mM 수용액을 흘렸으며, pH 4, 7, 9에서 전기이중층 두께는 약 30-97 nm 수준이었다. 여기서, 액체는 이온을 함유하는 용액으로서, 이온 농도가 10-7 mol 수준인 초순수부터 이온농도가 0.1 mol 이하의 전해질 용액이다.
상기 실시예에 있어서, 상기 마이크로플루이딕 칩은 상부기판과 하부기판으로 구성되고, 상기 상부기판에는 액체가 유동할 수 있는 상기 미세채널 및 상기 미세채널에 연결되는 액체 주입구와 액체 유출구가 구비되는 것을 특징으로 한다. 상기 상부기판과 하부기판은 서로 동일하거나 다른 재질일 수 있고, 상기 채널의 재질은 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS), 폴리메틸아크릴레이트(poly(methyl methacrylate), PMMA), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 실리콘, 유리 또는 석영일 수 있다.
도 5의 계산 및 실험결과에서는 벽면 내부를 코팅하지 않은 채널에 비해 PAA로 코팅한 채널에서 부피 유량이 감소함을 보이고 있고, 흐름전위-흐름전류를 도시한 도 6으로부터 도 7과 같이 흐름전위에 대한 출력 Pout 을 도시할 수 있다. 도 7의 곡선으로부터 최대흐름전위와 최대흐름전류를 결정할 수 있고 이로부터 도 8의 최대출력 Pout, max 을 얻게 된다.
도 8에서 pH 4에 비해 pH 7 및 9에서 높은 최대출력을 나타내었고, 벽면 내부를 PAA로 코팅한 채널은 코팅하지 않은 채널 (즉, 비코팅 채널)에 비해 최대출력이 1.7-2.3배 증가하였다. 전해질 용액의 pH에 따른 전환효율의 증가 정도를 나타낸 도 9에서 코팅하지 않은 채널에 비해 PAA를 코팅한 채널이 5-19배 상승함을 알 수 있다.
코팅하지 않은 채널에 비하여 PAA 코팅 채널의 최대출력과 전환효율이 증가하는 정도는 채널벽면의 표면전위에 크게 좌우된다. 도 10의 계산결과를 보면, PAA 코팅막의 표면전위인 -80 mV 보다 표면전위가 2배 증가하게 되면 최대출력과 전환효율이 약 2.8배 증가하는 것으로 나타났다.
상기와 같이, 본 발명의 계면동전기 원리에 의한 흐름전위/흐름전류 발생 기술에 있어서, 비교적 간단한 방식으로 저렴하게 최대출력과 전환효율을 종전보다 향상시킬 수 있는 방법 및 장치의 제공이 가능하다.
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다.

Claims (14)

  1. 다가전해질(polyelectrolyte) 코팅막이 형성된 미세채널을 포함하는 마이크로플루이딕 칩을 구비하고,
    상기 코팅막 내부에 이온 및 액체는 침투할 수 있으나 채널벽면과 평행한 방향으로의 속도분포를 형성하는 액체 유동은 존재하지 않으며,
    상기 미세채널에서의 액체 유동에 의해 전기 에너지가 발생되는, 에너지 전환 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 코팅막과 인접하여 상기 코팅막이 띠는 전하와 반대 전하의 이온들이 분포하는 전기 이중층이 형성된, 에너지 전환 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 코팅막의 두께는 10 μm 이하이고,
    상기 전기 이중층의 두께는 1 μm 이하이며,
    상기 코팅막과 상기 전기 이중층을 합한 두께는 상기 미세채널의 폭과 상기 미세채널의 높이 중에서 짧은 쪽 길이의 30% 이하인, 에너지 전환 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 다가전해질은 각 단분자마다 1개 이상의 이온기를 갖는 고분자로서, 상기 이온기는 양이온성 또는 음이온성인, 에너지 전환 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 다가전해질은 폴리아크릴산, 폴리아크릴아마이드, 폴리포스포산, 폴리포스페이트, 폴리소듐스타이렌 설포네이트, 폴리비닐설페이트, 폴리비닐설폰산, 폴리에틸렌이민 및 이들의 조합들로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는, 에너지 전환 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 코팅막의 표면전위는 상기 코팅막이 형성되어 있지 않은 미세채널의 채널벽면이 갖는 표면전위보다 높은, 에너지 전환 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 액체는 이온을 함유하는 용액으로서, 이온 농도가 10-7 mol 수준인 초순수부터 이온농도가 0.1 mol 이하의 전해질 용액인, 에너지 전환 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로플루이딕 칩은 상부기판과 하부기판으로 구성되고,
    상기 상부기판에는 액체가 유동할 수 있는 상기 미세채널; 및
    상기 미세채널에 연결되는 액체 주입구와 액체 유출구가 구비된, 에너지 전환 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 상부기판과 하부기판은 서로 동일하거나 다른 재질일 수 있고, 상기 미세채널의 재질은 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane, PDMS), 폴리메틸아크릴레이트(poly(methyl methacrylate), PMMA), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), 실리콘 또는 유리인, 에너지 전환 장치.
  10. 채널벽면과 평행한 방향으로의 속도분포를 형성하는 액체 유동이 존재하지 않는 다가전해질 코팅막 형성 단계를 포함하는 미세채널에서의 액체 유동에 의하여 전기에너지를 발생시키는, 에너지 전환 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 코팅막의 표면전하밀도 상승에 의한 채널벽면의 표면전위와 전기이중층에서 단위 부피당 이온들의 총 전하밀도 증가에 따라, 이로부터 흐름전류와 흐름전위가 증가하여 최대출력이 증가되는, 에너지 전환 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 코팅막 형성으로 채널 단면적이 감소하여 동일한 압력에 대한 부피 유량 감소로, 인가된 기계적 힘이 감소하고, 아울러 최대출력이 증가하여 전환효율이 증가하는, 에너지 전환 방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 코팅막의 표면전위 값은 상기 액체의 pH 조건에서 제타전위 측정기로 측정하는 단계를 추가로 포함하는, 에너지 전환 방법.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 코팅막의 두께는 상기 액체의 pH 조건에서 주사전자현미경(SEM)으로 측정하는 단계를 추가로 포함하는, 에너지 전환 방법.
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