KR102066799B1

KR102066799B1 - 온도감응성 물 펌프 시스템

Info

Publication number: KR102066799B1
Application number: KR1020180113584A
Authority: KR
Inventors: 이종휘; 이서린
Original assignee: 중앙대학교 산학협력단
Priority date: 2018-09-21
Filing date: 2018-09-21
Publication date: 2020-01-15

Abstract

본 발명은 LCST를 갖는 하이드로젤을 이용하여 외부 동력 없이 온도차이에 의해 물의 흐름을 조절하는 외부 동력이 필요없는, 온도감응성 물 펌프 시스템에 관한 것이다.

Description

온도감응성 물 펌프 시스템{THERMOSENSITIVE WATER PUMP SYSTEM}

본 발명은 물펌프 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 LCST를 갖는 하이드로젤을 이용한 온도감응성 물 펌프 시스템에 관한 것이다.

지속적인 물의 이동은 FO(정삼투압, forward osmosis) 모듈 정수 등 폐수의 정수에서부터 공업용수 및 농업용수의 이동 및 정제, 회수, 물방울 흐름을 이용한 마찰전기 발전기(triboelectric generator), 마이크로유체 시스템, 냉각 등 많은 응용분야에서 물의 효과적인 사용을 위해 필요하다. 현재의 기술은 외부 동력 대신 높이차에 의한 방법이 주를 이루고 있다. 예를 들어 미국에서는 워터 해머(water hammer) 효과를 이용한 방법으로, 외부 동력없이 위치에너지를 이용하는 물 펌프가 생산되고 있다. 비슷한 발명으로는 물의 압력 차이를 이용하는 방법이 있다. 최근에는 하이드로젤의 물성을 변화시켜 빛에 감응하는 소재로 제조하여, 빛을 이용하여 벨브를 작동하거나 다양한 장치에 활용하는 시스템 등이 보고되고 있다.

위에서 나타낸 바와 같이, 물의 이동은 여전히 외부의 압력, 위치에너지, 증발 등에 의존하고 있어, 새로운 기술이 필요하다.

본 발명의 일 목적은 새로운 외부 동력이 필요없는, 물 펌프를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 목적을 위한 온도감응성 물 펌프 시스템은 LCST를 갖는 하이드로젤을 포함하는 하이드로젤층; 및 상기 LCST를 갖는 하이드로젤 및 소수성물질을 포함하는 혼합층;을 포함하고, 상기 혼합층 상에 상기 하이드로젤층이 적층된 구조를 포함하는 복합구조체를 포함한다.

일 실시예에서 상기 LCST를 갖는 하이드로젤은 폴리 N-이소프로필아크릴아미드(poly N-isopropylacrylamide), 아크릴산(acrylic acid), 아크릴아미드(acrylamide), 2-히드록시에틸 메타크릴레이트(2-hydroxyethyl metacrylate), 폴리메틸 메타크릴레이트(polymethyl methacrylate), 비닐 피롤리디논(Vinyl pyrrolidinone), 비닐 피롤리돈(Vinyl pyrrolidone), 폴리비닐 알코올(polyvinyl alcohol), 폴리아크릴산 나트륨(sodium polyacrylate), 폴리 아크릴로니트릴(Polyacrylonitrile), PAN-메틸 설포네이트(PAN-methyl sulfonate), 폴리설폰(Polysulfone), 폴리카보네이트(Polycarbonate), 폴리에스테르(poly ester), 폴리 에틸렌 글리콜(poly ethylene glycol), 폴리 프로필렌 글리콜(poly propylene glycol), 폴리 비닐 알코올(poly vinyl alcohol), 셀룰로오스(cellulose) 화합물 및 이들의 혼합물 중에서 적어도 하나 이상일 수 있다.

일 실시예에서 상기 소수성물질은 실리콘(silicone), 부타디엔(butadiene), 클로로프렌(chloroprene), 이소부탄(isobutane), 이소펜탄(isopentane), 이소프렌(isoprene), 폴리아크릴레이트(polyacrylate), 스티렌-부타디엔(styrene-butadiene), 아크릴로니트릴-부타디엔(acrylonitrile-butadiene), 클로로설포네이티드 폴리에틸렌(chlorosulphonated polyethylene), 에틸렌-프로필렌(ethylene-propylene), 에틸렌-프로필렌-디엔(ethylene-propylene-diene), 플루오로카본(fluorocarbon), 에피클로로히드린(epichlorohydrin), 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane), 폴리올레핀, 우레탄(urethane) 및 이들의 혼합물 중에서 적어도 하나 이상일 수 있다.

일 실시예에서 상기 LCST를 갖는 하이드로젤은 기공 구조를 포함할 수 있다.

일 실시예에서 상기 혼합층은 상기 하이드로젤이 1 내지 60wt% 포함될 수 있다.

일 실시예에서 상기 혼합층은 상기 하이드로젤이 5 내지 50wt% 포함될 수 있다.

본 발명을 통해서, 외부 동력 없이 온도 차이를 이용한 물 펌프 시스템을 제공할 수 있다. 본 발명의 물 펌프 시스템은 LCST를 갖는 하이드로젤이 온도에 따라 물을 흡수하고 방출하는 특성을 이용한 것으로, 본 발명의 물 펌프 시스템은 저온에서는 물이 이동하고 고온에서는 물의 이동이 차단되어, 물을 일정한 방향으로 흐르게 하는 효과가 있다.

도 1 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예들을 나타낸 도면들이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 물 펌프 시스템의 효과를 나타낸 도면이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

아직까지 하이드로젤 소재는 물 펌프 분야에서의 활용에서 한계가 있었다. 본 발명은 하이드로젤 소재를 물 펌프에 적용하여 새롭게 발명한 외부 동력이 필요없는 물 펌프에 관한 것이다. 본 발명의 하이드로젤을 포함하는 복합구조체는 온도 차이를 이용하여 물의 흐름을 만들어 낼 수 있어, 이를 이용하여 전기와 같은 외부동력원이 필요 없는 물 펌프 시스템을 구현 할 수 있다.

LCST를 갖는 하이드로젤은 일정 온도를 넘어서면 가지고 있던 물을 방출하면서 부피가 감소되는 특징이 있다. 이러한 온도를 저임계 용액 온도(low critical solution temperature)라고 하며, 상기 LCST를 갖는 하이드로젤은, 다르게 말하면 온도감응성 하이드로젤이라고도 할 수 있다. 이때 일반적으로 상기 LCST 온도는 0 내지 50℃이다.

본 발명의 온도감응성 물 펌프 시스템은 LCST를 갖는 하이드로젤을 포함하는 하이드로젤층; 및 상기 LCST를 갖는 하이드로젤 및 소수성물질을 포함하는 혼합층;을 포함하고, 상기 혼합층 상에 상기 하이드로젤층이 위치하는 구조를 포함하는 복합구조체를 적어도 하나 이상 포함한다.

일 실시예에서 이에 제한하는 것은 아니나, 상기 복합구조체는 실린더 형태일 수 있다.

일 실시예에서 상기 하이드로젤층은 LCST를 갖는 하이드로젤을 포함함으로서, 고온에서 물을 방출하고(deswelling), 저온에서는 물을 흡수(swelling)할 수 있다. 예를 들어 상기 하이드로젤층은 고온에서 물을 방출하며 부피가 감소할 수 있고, 저온에서 물을 흡수하며 부피가 증가될 수 있다. 본 발명에서 고온은 LCST 온도 이상의 고온을 의미한다.

일 실시예에서 상기 혼합층은 하이드로젤을 포함함으로, 상기 하이드로젤층과 같이 물을 흡수하고 방출할 수 있으나, 물의 이동을 차단하는 상기 소수성물질이 혼합되어 있으므로, 상기 하이드로젤과 물의 흡수 및 방출 정도가 상이할 수 있다.

일 실시예에서 저온에서, 하이드로젤의 물 흡수(swelling)에 의해 물이 물 펌프 시스템에 골고루 퍼질 수 있다. 이때 상기 하이드로젤층 및 상기 혼합층에서 물이 이동할 수 있다.

일 실시예에서 고온에서 하이드로젤은 물을 방출할 수 있다. 이때 상기 혼합층이 상기 하이드로젤층 보다 포함하는 하이드로젤의 함량이 상대적으로 낮기 때문에, 상기 하이드로젤층보다 상기 혼합층에서 먼저 물을 방출하고, 물이 방출된 상기 혼합층에 존재하는 하이드로젤은 부피가 감소된다. 이에 따라 상기 혼합층을 이루는 상기 소수성물질의 부피 비율이 증가하고, 소수성 특성에 의해 상기 혼합층은 물의 이동을 차단할 수 있다. 상기 하이드로젤층에서 물을 방출하는 속도보다 상기 혼합층에서 물의 이동이 차단되는 속도가 더 빠르므로, 고온에서는 물의 이동이 차단될 수 있다. 일 실시예에서 상기 혼합층은 본 발명의 물 펌프 시스템에서 밸브 역할을 할 수 있다.

일 실시예에서 본 발명의 물 펌프 시스템은 저온에서 상기 혼합층에서 상기 하이드로젤층으로(제1방향)으로 물이 이동할 수 있고, 고온에서는 밸브 역할을 하는 상기 혼합층에서 물의 이동을 차단하여 상기 하이드로젤층에서 상기 혼합층으로 (제2방향, 제1방향의 역방향)으로는 물이 이동할 수 없다. 다시말해서 본 발명의 물 펌프 시스템을 이용하면 외부 동력없이도 일정한 한 방향으로만 물이 흐르게 할 수 있다.

상기 혼합층에 상기 소수성물질이 포함되지 않고 상기 복합구조체가 순수하게 하이드로젤만으로만 이루어졌다면, 저온에서 물을 흡수하고 고온에서 물을 방출할 수는 있으나, 물의 이동을 차단 할 수 없으므로 물이 역방향으로(제2방향) 흘러갈 수 있다. 결국 상기 하이드로젤층만으로는 물의 흐름을 일정하게 조절 할 수 없다. 또한 상기 복합구조체가 상기 하이드로젤층 없이 상기 혼합층으로만 이루어진 경우에도 저온에서는 물을 흡수하고, 고온에서는 물을 방출할 수는 있으나, 물의 흐름을 형성할 수는 없다.

일 실시예에서 상기 LCST를 갖는 하이드로젤은 기공 구조를 포함할 수 있다. 예를 들어 랜덤한 형태의 기공 구조가 포함될 수 있고, 정렬된 형태의 기공 구조가 포함될 수 있다.

일 실시예에서 상기 LCST를 갖는 하이드로젤의 기공 구조에 상기 소수성물질을 침투시켜 상기 혼합층을 형성할 수 있다.

일 실시예에서 상기 혼합층은 상기 하이드로젤이 1 내지 60wt% 포함될 수 있고, 5 내지 50wt% 포함될 수 있다. 일 실시예에서 상기 혼합층은 상기 소수성물질이 50 내지 95wt% 포함될 수 있다. 예를 들어 상기 혼합층의 하이드로젤 함량이 5wt% 보다 적으면, 물의 이동이 어려울 수 있고, 50wt% 보다 많으면 물의 이동(역방향 이동)을 차단하기 어려울 수 있다.

일 실시예에서 상기 소수성물질로는 실리콘 계열의 물질과 같은 다양한 고무상 물질들이 사용될 수 있다. 상기 소수성물질은 자체적으로 높은 기계적 물성을 가지고 있기 때문에 상기 혼합층의 내구성이 향상되고, 따라서 본 발명의 복합구조체 및 이를 이용하는 물 펌프 시스템의 내구성도 향상될 수 있다. 또한 상기 소수성 물질은 하이드로젤과 유사한 탄성을 가지므로 온도 변화에 따라 상기 혼합층 내의 하이드로젤이 변화하여도, 쉽게 분리되지 않고 유지될 수 있다.

일 실시예에서 상기 LCST를 갖는 하이드로젤은 폴리 N-이소프로필아크릴아미드(poly N-isopropylacrylamide), N,N-디메틸-N-메타크릴아미도 프로필암모니오프로판설포네이트(N,N-dimethyl-N-methacrylamido propylammoniopropanesulfonate), 아크릴산(acrylic acid), 아크릴아미드(acrylamide), 2-히드록시에틸 메타크릴레이트(2-hydroxyethyl metacrylate), 폴리메틸 메타크릴레이트(polymethyl methacrylate), 비닐 피롤리디논(Vinyl pyrrolidinone), 비닐 피롤리돈(Vinyl pyrrolidone), 폴리비닐 알코올(polyvinyl alcohol), 폴리아크릴산 나트륨(sodium polyacrylate), 폴리 아크릴로니트릴(Polyacrylonitrile), PAN-메틸 설포네이트(PAN-methyl sulfonate), 폴리설폰(Polysulfone), 폴리카보네이트(Polycarbonate), 폴리에스테르(poly ester), 폴리 에틸렌 글리콜(poly ethylene glycol), 폴리 프로필렌 글리콜(poly propylene glycol), 폴리 비닐 알코올(poly vinyl alcohol), 셀룰로오스(cellulose)계열 및 이들의 혼합물 중에서 적어도 하나 이상일 수 있다. 상기 셀룰로오스(cellulose) 계열로는 셀룰로오스 디아세테이트(Cellulose diacetate), 큐푸로판(Cuprophan), 헤모판(Hemophan), 셀룰로오스 트리아세테이트(cellulose triacetate), 셀룰로오스 아세테이트(Cellulose acetate), 키토산(chitosan), 알기네이트(alginate)등 일 수 있다. 상기 LCST를 갖는 하이드로젤은 가교 고분자 혹은 이들의 혼합으로 얻어진 가교고분자일 수 있으며, 온도, pH, 빛, 전기, 이온 등의 자극에 반응하여 그 팽윤 정도가 변하는 물질일 수 있다. 또한 상기 LCST를 갖는 하이드로젤은 접착성을 증가시키기 위해 아민(amine), 설파이드(sulfide), 카복실(carboxyl), 에폭시(epoxy), 히드록실(hydroxyl), 에스테르(ester) 등의 극성기를 가지는 모노머와 공중합을 통해 이루는 복합 고분자 물질 모두를 포함할 수 있다. 특히, 공중합으로 합성되는 경우에는 상기 LCST를 갖는 하이드로젤의 감응온도(LCST)가 10 내지 50℃ 일 수 있다. 예를 들어서, 상기 LCST를 갖는 하이드로젤은 폴리 N-이소프로필아크릴아미드(poly N-isopropylacrylamide)(pNIPAm), 폴리 N,N-디에틸아크릴아미드(Poly N,N-diethylacrylamide)(pDEAM), 폴리 메틸비닐에테르(Poly methyl vinyl ether)(pMVE), 폴리 N-에틸메타크릴아미드(Poly N-ethylmethacrylamide)(pNEMAM), 폴리 2-에톡시에틸비닐에테르(Poly 2-ethoxyethyl vinyl ether)(pEOVE), 폴리 N-비닐카프로락탐(Poly N-vinylcaprolactam)(pNVCa), 폴리 N-비닐이소부티르아미드(Poly N-vinylisobutyramide)(pNVIBAM) 및 폴리 N-비닐-n-부틸아미드(Poly N-vinyl-n-butyramide)(pNVBAM) 등이 사용될 수 있다. 예를 들어 상기 LCST를 갖는 하이드로젤은 폴리 N-이소프로필아크릴아미드(poly N-isopropylacrylamide), 아크릴산(acrylic acid), 아크릴아미드(acrylamide), 2-히드록시에틸 메타크릴레이트(2-hydroxyethyl metacrylate), 폴리메틸 메타크릴레이트(polymethyl methacrylate), 비닐 피롤리디논(Vinyl pyrrolidinone), 비닐 피롤리돈(Vinyl pyrrolidone), 폴리비닐 알코올(polyvinyl alcohol), 폴리아크릴산 나트륨(sodium polyacrylate), 폴리 아크릴로니트릴(Polyacrylonitrile), PAN-메틸 설포네이트(PAN-methyl sulfonate), 폴리설폰(Polysulfone), 폴리카보네이트(Polycarbonate), 폴리에스테르(poly ester), 폴리 에틸렌 글리콜(poly ethylene glycol), 폴리 프로필렌 글리콜(poly propylene glycol), 폴리 비닐 알코올(poly vinyl alcohol), 셀룰로오스(cellulose) 화합물 및 이들의 혼합물 중에서 적어도 하나 이상일 수 있고, 폴리 N-이소프로필아크릴아미드일 수 있다.

한편, PNIPAm 하이드로젤의 경우, 물에 팽윤되어 있는 상태에서, 온도가 32 내지 34℃ 이상으로 높아지면, PNIPAm 하이드로젤의 팽윤도가 급격히 낮아져, PNIPAm 하이드로젤의 부피가 수축되고 물이 방출될 수 있다.

일 실시예에서 상기 소수성 물질은 고무상의 물질일 수 있고, 실리콘(silicone), 부타디엔(butadiene), 클로로프렌(chloroprene), 이소부탄(isobutane), 이소펜탄(isopentane), 이소프렌(isoprene), 아크릴로니트릴-부타디엔(acrylonitrile-butadiene), 스티렌-부타디엔(styrene-butadiene), 폴리아크릴레이트(polyacrylate), 에틸렌-프로필렌-디엔(ethylene-propylene-diene), 클로로설포네이티드 폴리에틸렌(chlorosulphonated polyethylene), 에틸렌-프로필렌(ethylene-propylene), 플루오로카본(fluorocarbon), 우레탄(urethane), 에피클로로히드린(epichlorohydrin), 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane) 등의 가교 고분자 혹은 이들의 혼합으로 얻어진 가교 고분자 및 이들의 혼합물 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 소수성 물질은 고무의 늘어나는 특성과 관련된 Young's modulus 값이 0.1 내지 100 MPa인 물질일 수 있다.

한편, LCST를 갖는 하이드로젤로 PNIPAm과 소수성물질인 메타크릴레이트(methacrylate)가 함께 공중합체를 구성하게 되면, LCST가 32 내지 34℃ 보다 낮아지게 되며, 반대로 아크릴 산(acrylic acid)과 같은 친수성 물질과 공중합체를 구성하면 LCST가 높아지게 된다. 따라서 본 발명의 복합구조체가 물을 이동시키는 온도 범위는 자유롭게 설정이 가능하다. 또한 다른 화학구조의 LCST를 가지는 하이드로젤도 사용될 수 있다.

도 1을 보면, 본 발명의 일 실시예에서 실린더형의 복합구조체가 개시되어 있다. 상기 복합구조체는 상부가 순수한 하이드로젤로 이루어진 하이드로젤층이고, 하부는 소수성물질과 하이드로젤이 혼합된 혼합층을 포함한다.

소수성 물질, 예를 들어 PDMS의 유무에 따른 물 흐름을 관찰하기 위해서, 본 발명의 일 실시예에 따라 순수 PNIPAm 하이드로젤, 하단부에 PNIPAm/PDMS 혼합층을 가지는 하이드로젤, 하단부에 PNIPAm/PDMS 혼합층을 가지면서 정렬된 기공을 가지는 하이드로젤, 총 3가지 유형의 실린더형 PNIPAm 하이드로젤을 제조하였고, 이를 이용하여 본 발명의 물 펌프 시스템을 제조하였다.

실시예

순수 하이드로층만을 포함하는 물 펌프 시스템 제조(샘플 1)

폴리(N-이소프로필아크릴아미드) (poly(N-isopropylacrylamide)(PNIPAm)) 하이드로젤만을 포함하는 복합구조체를 제조하기 위해 증류수에 N-이소프로필아크릴아미드 단량체(N-isopropylacrylamide(NIPAm) monomer)를 용해시켜, 12.5wt% NIPAm 용액을 제조했다. 이때 가교제인 MBA는 NIPAm 단량체의 1/50g, 광개시제인 Irgacure1959는 NIPAm 단량체의 1/25g 첨가하였다. 그리고 200rpm으로 12시간 동안 교반시켰다.

그리고 나서 실리콘 몰드(5cm x 2cm x 6mm)를 유리판에 부착한 다음, 상기 몰드에 6ml의 12.5wt% NIPAm 용액을 부어주었다. 그 위에 유리판을 덮어준 다음 UV램프(365 nm)를 이용하여 4℃의 냉장고에서 8시간 동안 반응시켜 가교시켰다. 이 때, UV램프와 몰드 사이의 간격은 15cm로 조절하였고 일정한 가교도를 형성하기 위해, 가교 시작 후 4시간이 되었을 때 유리판을 뒤집어서 가교 반응을 진행하였다.

이 후, 직경이 6mm인 피펫으로 가교가 완료된 PNIPAm 하이드로젤을 찍어 내어 원통형(실린더) 모양의 PNIPAm 하이드로젤(하이드로젤 실시예 1)을 얻었다.

다음으로, 초발수(superhydrophobic) 기판(substrate)인 PC 플레이트(plate)에 구멍을 내어 상기에서 제조된 하이드로젤 실시예 1을 꽂아 넣어 샘플 1을 제조하였고, 4℃의 증류수에서 24시간 동안 상기 샘플 1에 물을 흡수(swelling)시켰다.

상기 실시예 1을 통해 제조된 샘플 1을 이용하여 실험을 진행하였다.

물이 흡수된 샘플 1을 35°의 각도로 기울어져 있는 챔버(chamber)(5cm x 3cm x 1cm) 속에 배치시켰고, 여분의 증류수 1.5 ml를 챔버 내에 추가한 뒤, 뚜껑을 닫아주었다. 그리고 IR 램프를 이용하여 상기 챔버에 적외선을 쐬어, 상기 챔버 내부 온도를 10분 동안 28℃에서 43℃까지 서서히 상승시켰다. 이 조건은 태양에 의한 낮에 온도 상승을 모사하기 위함이다.

상기 샘플 1에 포함된 상기 실시예 1은 32℃에서 LCST를 갖는 하이드로젤을 사용하여 제조하였으므로, 상기 챔버 내의 온도가 상승함에 따라 상기 챔버 내에 상기 샘플 1에서 물이 방출되었다. 그리고 반복 실험을 위해 IR램프를 끄고, 4℃ 온도에서 12시간 동안 물의 흡수가 일어날 수 있게 한 후, 다시 IR 램프를 켜서 방출 실험을 수행하였다.

랜덤 기공(random porous)을 갖는 복합구조체를 포함하는 물 펌프 시스템 제조(샘플 2)

12.5wt% NIPAm 용액을 직경 6mm 피펫 몰드에 상기 용액의 높이가 6mm가 되도록 담은 후, -20℃의 냉동고에서 냉각시켰다. 상기 몰드는 6mm 피펫의 양면을 잘라 테이핑하여, 하단부를 파라필름(parafilm)으로 밀봉(sealing)하여 만든 것이다.

NIPAm 용액을 완전히 얼린 다음 몰드를 제거하고, 365nm 파장의 UV램프를 이용하여 반응킴으로서 가교시켰다. 이 때 가교 반응은 실린더 옆면 왼쪽, 오른쪽 각각 4시간, 윗면 아랫면 각각 12시간 동안 수행하였으며, UV램프와의 거리는 3cm였다.

가교 시킨 다음, 동결건조기(freeze dryer)로 얼음 결정을 승화시켰고, 최종적으로 랜덤 기공 실린더형(random porous cylindrical) PNIPAm(하이드로젤 실시예 2)이 얻어졌다.

다음으로, PDMS를 침투시키기 위해 유리판 위에 실리콘 몰드(7cm x 6cm x 2mm)를 부착한 다음, 유체 상태의 PDMS를 얇게 부어주었다. 이 때, PDMS는 sylgard 184 A:B(10:1 W/W)를 10분 동안 교반시킨 후 진공펌프를 이용하여 기포를 제거한 뒤 사용하였다.

초발수 기공 표면(Super-hydrophobic porous surface)을 가지는 PC플레이트를 위에서 제조된 랜덤 기공 실린더형 PNIPAm의 직경에 맞게 구멍을 뚫어 준비해둔 다음, 얇게 깔려 있는 PDMS 위에 올렸다. 상기 랜덤 기공 실린더형 PNIPAm을 PC플레이트의 구멍에 끼워 그 아래있는 PDMS를 침투시켰다. 5초 후, 130℃의 핫플레이트(hot plate)로 옮겨 빠르게 PDMS를 큐어링(curing)하였고, 이로서 상기 랜덤 기공 실린더형 PNIPAm의 하부 2mm 정도에 PDMS가 침투된, 복합구조체를 제조하였다.

이어서 4℃에서, 24시간 동안 증류수를 흡수시켰다. 최종적으로 상부는 순수 PNIPAm 하이드로젤(4mm), 하부는 PNIPAm/PDMS 혼합층(2mm)으로 이루어진 복합구조체(샘플 2)가 제조되었다.

상기 실시예 2를 통해 제조된 샘플 2를 이용하여 실험을 진행하였다.

제조된 샘플 2는 실시예 1과 같은 챔버에 배치하였고, IR램프를 이용하여 동일하게 실험을 수행하였다.

챔버 내부 온도를 30℃ 이상으로 점점 증가시킴에 따라, 상기 샘플 2, 다시말해서 상기 복합구조체 하부의 상기 혼합층, PNIPAm/PDMS에서 빠른 속도로 물이 방출(deswelling)되었고, 상기 혼합층의 하이드로젤 PNIPAm은 수축되었다. 그리고 PDMS가 대부분의 공간을 차지하게 되었으며, 이에 따라 상기 복합구조체의 상기 혼합층이 소수성(hydrophobic) 상태가 되었다. 그리고 상기 복합구조체의 상부의 순수 PNIPAm 하이드로젤은 상대적으로 천천히 물이 방출되었으며, 이 때 방출된 물방울은 상기 복합구조체 하부로 이동(역류)하지 못하고 초발수 PC플레이트 위로 굴러 떨어지는 것을 확인하였다.

이후, 다시 챔버를 4℃ 환경으로 옮겨 냉각시켰더니, 상기 챔버 내의 밑부분에 축적되어있던 여분의 물이 다시 상기 복합구조체 하부의 상기 혼합층에 존재하는 PNIPAm 하이드로젤에 흡수되었다.

결과적으로 본 발명의 일 실시예에 따라 한 방향으로 흐름을 가지는 물 펌프 시스템(water pumping system)이 제조되었다.

정렬된 기공을 갖는 복합구조체를 포함하는 물 펌프 시스템 제조(샘플 3)

12.5wt% NIPAm 용액을 직경 6mm 피펫 몰드에 담은 후, 실린지 펌프(syringe pump)에 설치하였다. Dewar 플라스크(flask)에 액체질소를 담은 후, NIPAm 용액 몰드 아래에 위치시켰다. 2mm/min의 속도로 NIPAm 용액 몰드를 액체질소 방향으로 서서히 내려주며 DMC(directional melt crystallization)를 수행하였다. 이 때 몰드는 실시예 2에서 제조된 몰드와 동일한 방법으로 제조하였다.

상기 DMC 방법은 액체 질소 위에 특정 용액을 위치시켜, 상온과 액체 질소 사이에 온도 구배를 형성한 다음, 과냉각(supercooling) 과정을 수행하여 용액에서 결정핵생성(nucleation)이 발생하여, 결정이 온도 구배를 따라 성장하게 하는 방향성 결정화 방법이다. 이를 통해 정렬된 기공을 제조할 수 있다.

DMC를 수행한 다음, 얼어있는 실린더형 NIPAm을 4℃의 냉동고로 옮겨서 몰드를 제거하고, 높이 6mm로 잘랐다. 그리고나서 365nm 파장의 UV램프를 이용하여 가교시켰다. 이 때 가교시간은 실시예 2와 동일하게 하였다.

가교 시킨 다음, 동결건조기로 얼음 결정을 승화시켰고, 최종적으로 정렬된 기공을 가진 실린더형 PNIPAm(하이드로젤 실시예 3)이 얻어졌다.

다음으로 유리판 위에 실리콘 몰드(7cm x 6cm x 2mm)를 부착한 다음, 유체 상태의 PDMS를 얇게 부어주었다. 이 때, PDMS는 sylgard 184 A:B(10:1 W/W)를 10분 동안 교반시킨 후 진공펌프를 이용하여 기포를 제거한 뒤 사용하였다.

초발수 기공 표면을 가지는 PC플레이트를 위에서 제조된 정렬된 기공을 가진 실린더형 PNIPAm의 직경에 맞게 구멍을 뚫어 준비해둔 다음, 얇게 깔려 있는 PDMS 위에 올렸다. 상기 정렬된 기공을 가진 실린더형 PNIPAm을 PC플레이트의 구멍에 끼워 PDMS를 침투시켰다. 5초 후, 130℃의 핫플레이트(hot plate)로 옮겨 빠르게 PDMS를 큐어링(curing)하였고, 이로서 상기 정렬된 기공을 가진 실린더형 PNIPAm의 하부 2mm 정도에 PDMS가 침투된 복합구조체를 제조하였다.

이어서 4℃에서, 24시간 동안 증류수를 흡수시켰다. 최종적으로 상부는 순수 PNIPAm 하이드로젤, 하부는 PNIPAm/PDMS 혼합층으로 이루어진 복합구조체(샘플 3)이 제조되었다.

상기 실시예 3을 통해 제조된 샘플 3을 이용하여 실험을 진행하였다.

제조된 샘플 3은 실시예 1과 같은 챔버에 배치하였고, IR램프를 이용하여 동일하게 실험을 수행하였다.

챔버 내부 온도를 30℃ 이상으로 점점 증가시킴에 따라, 상기 샘플 3, 다시말해서 상기 복합구조체 하부의 상기 혼합층, PNIPAm/PDMS에서 빠른 속도로 물이 방출되었고, 상기 혼합층의 하이드로젤 PNIPAm은 수축되었다. 그리고 PDMS가 대부분의 공간을 차지하게 되었으며, 이에 따라 상기 복합구조체의 상기 혼합층이 소수성 상태가 되었다. 그리고 상기 복합구조체의 상부의 순수 PNIPAm 하이드로젤은 상대적으로 천천히 물이 방출되었으며, 이 때 방출된 물방울은 상기 복합구조체 하부로 이동(역류)하지 못하고 초발수 PC플레이트 위로 굴러 떨어지는 것을 확인하였다.

결과적으로 본 발명의 일 실시예에 따라 한 방향으로 흐름을 가지는 물 펌프 시스템이 제조되었다.

아래 표 1은 본 발명의 실시예를 통해 제조된 물 펌프 시스템에 의해 한방향으로 흐른 물의 무게를 나타낸 것이다.

펌핑된 물(g)	1st IR 램프 on	2nd IR 램프 on	3rd IR 램프 on	4th IR 램프 on
샘플 1	0.12	0.07	0.02	0.05
샘플 2	0.27	0.26	0.26	0.26
샘플 3	0.26	0.26	0.25	0.20

도 2 및 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 물 펌프 시스템에 대한 도면들이다. 도 2는 본 발명의 물 펌프 시스템을 개략적으로 나타낸 것으로, 본 발명의 물 펌프 시스템은 복합구조체 하부에 혼합층이 존재한다. 이에따라 저온에서는 하이드로젤의 물 흡수 효과로 물의 흐름이 위쪽으로 향할 수 있고, 고온에서는 상기 혼합층의 빠른 물 방출 및 소수성 효과에 의해 물의 흐름이 아래쪽을 향할 수 없어 상기 복합구조체의 상부의 하이드로젤층에 흡수되었던 물이 위쪽으로 방출될 수 있다. 결과적으로 고온 및 저온에서 상기 본 발명의 물 펌프 시스템은 외부 동력없이도 한방향으로 일정하게 물이 흐르도록 조절할 수 있다.

그러나 도 3을 보면, 순수 하이드로젤만으로 형성됨 물 펌프 시스템이 나타나 있다. 이런 경우, 저온에서는 본 발명의 물 펌프 시스템과 같이 물이 하이드로젤로 흡수되어 위쪽으로 향할 수 있으나, 고온에서는 하이드로젤의 물 방출에 의해 물이 빠져나가는데, 이때 본 발명에서는 혼합층에서 물의 이동이 차단되어 물이 위쪽을 향했지만, 도 3의 경우 물의 이동을 차단하는 역할을 하는 소수성 물질이 없으므로, 물이 아래쪽으로 향하게 된다. 결과적으로 본 발명의 물 펌프와 같이 상부에 하이드로젤층, 하부에 혼합층이 존재하는 구조가 아니라면, 물의 흐름이 일정한 방향으로 조절될 수 없다.

도 4는 본 발명의 실시예들의 실제 이미지를 나타낸 도면이다.

도 5는 본 발명의 일 실시예들의 이미지를 나타낸 도면이다. 구체적으로 왼쪽에는 정렬된 기공을 가지는 PNIPAm의 단면SEM 사진이고, 오른쪽에는 정렬된 기공을 가지는 PNIPAm에 PDMS를 침투시킨 실시예 3의 단면 SEM 사진을 나타낸 것이다. 이를 통해 PDMS가 골고루 잘 침투된 것을 알 수 있다.

도 6은 온도 변화에 따른 물 펌프 시스템의 무게 변화를 나타낸 도면이다. 구체적으로 본 발명의 일 실시예에 따른 물 펌프 시스템에 의해, 한 방향으로 흐른 물이 빠져나가면서 감소한 전체 물 펌프 시스템의 무게 변화를 나타낸 것이다. 도 6의 그래프 바탕에 붉은 영역은 10분 동안 IR 램프가 켜진 43℃ 조건인 경우, 푸른 영역은 12시간 동안 4℃ 조건인 경우를 나타낸 것이고, 검은 네모는 샘플 3, 빨간 동그라미는 샘플 2, 파란 세모는 샘플 1을 나타낸 것이다. 샘플 1에 비해서 혼합층이 있는 샘플 2 및 3의 경우 한 방향으로 물이 많이 흘러나간 것을 알 수 있다.

본 발명의 물 펌프 시스템은 밤 낮의 온도 차이 또는 하루 일교차를 이용하여 물의 흐름을 얻을 수 있어, 외부 동력 없이 수처리, 냉각 등의 물을 활용하는 분야에서 다양하게 사용될 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims

LCST(low critical solution temperature)를 갖는 하이드로젤을 포함하는 하이드로젤층; 및 상기 LCST를 갖는 하이드로젤 및 소수성물질을 포함하는 혼합층;을 포함하고,
상기 혼합층 상에 상기 하이드로젤층이 적층된 구조를 포함하는 복합구조체를 적어도 하나 이상 포함하는,
온도감응성 물 펌프 시스템.
제1항에 있어서,
상기 LCST를 갖는 하이드로젤은 폴리 N-이소프로필아크릴아미드(poly N-isopropylacrylamide), 아크릴산(acrylic acid), 아크릴아미드(acrylamide), 2-히드록시에틸 메타크릴레이트(2-hydroxyethyl metacrylate), 폴리메틸 메타크릴레이트(polymethyl methacrylate), 비닐 피롤리디논(Vinyl pyrrolidinone), 비닐 피롤리돈(Vinyl pyrrolidone), 폴리비닐 알코올(polyvinyl alcohol), 폴리아크릴산 나트륨(sodium polyacrylate), 폴리 아크릴로니트릴(Polyacrylonitrile), PAN-메틸 설포네이트(PAN-methyl sulfonate), 폴리설폰(Polysulfone), 폴리카보네이트(Polycarbonate), 폴리에스테르(poly ester), 폴리 에틸렌 글리콜(poly ethylene glycol), 폴리 프로필렌 글리콜(poly propylene glycol), 폴리 비닐 알코올(poly vinyl alcohol), 셀룰로오스(cellulose) 화합물 및 이들의 혼합물 중에서 적어도 하나 이상인 것을 특징으로 하는,
온도감응성 물 펌프 시스템.
제1항에 있어서,
상기 소수성물질은 실리콘(silicone), 부타디엔(butadiene), 클로로프렌(chloroprene), 이소부탄(isobutane), 이소펜탄(isopentane), 이소프렌(isoprene), 폴리아크릴레이트(polyacrylate), 스티렌-부타디엔(styrene-butadiene), 아크릴로니트릴-부타디엔(acrylonitrile-butadiene), 클로로설포네이티드 폴리에틸렌(chlorosulphonated polyethylene), 에틸렌-프로필렌(ethylene-propylene), 에틸렌-프로필렌-디엔(ethylene-propylene-diene), 플루오로카본(fluorocarbon), 에피클로로히드린(epichlorohydrin), 폴리디메틸실록산(polydimethylsiloxane), 폴리올레핀, 우레탄(urethane) 및 이들의 혼합물 중에서 적어도 하나 이상인 것을 특징으로 하는,
온도감응성 물 펌프 시스템.
제1항에 있어서,
상기 LCST를 갖는 하이드로젤은 기공 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는,
온도감응성 물 펌프 시스템.
제1항에 있어서,
상기 혼합층은 상기 하이드로젤이 1 내지 60wt% 포함된 것을 특징으로 하는,
온도감응성 물 펌프 시스템.
제1항에 있어서,
상기 혼합층은 상기 하이드로젤이 5 내지 50wt% 포함된 것을 특징으로 하는,
온도감응성 물 펌프 시스템.