KR102173812B1 - 전기 삼투압 펌프 - Google Patents

Abstract

본 발명의 실시예들에 따르면, 샤프트 홀을 구비하는 하우징과, 샤프트 홀에서 멀어지는 방향으로 배치되는 제1공간과 샤프트 홀에 인접하는 방향으로 배치되는 제2공간 사이에 배치되는 멤브레인과, 멤브레인을 기준으로 양측에 배치되는 제1전극체 및 제2전극체와, 샤프트 홀을 통해 하우징의 외측 방향으로 연장 형성되는 샤프트와, 제1공간이 형성되는 하우징의 일측에 연통되고, 제1공간과 연결되는 제3공간이 형성되며, 형상 변형가능한 변형부 및 하우징의 내부 공간에 구비되는 제1유체를 포함하는 전기 삼투압 펌프를 제공한다.

Description

전기 삼투압 펌프{Electric osmotic pump}

본 발명은 전기 삼투압 펌프에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 유체를 이용한 전기 삼투압 펌프에 관한 것이다.

당뇨병은 이자에서 분비되는 호르몬 중 하나인 인슐린이 부족하여 발생하는 대사 이상에 근거한 질환이다. 당뇨병 환자는 적극적인 방법 중 하나로써 인슐린을 인체 내에 주입하는 방법을 사용할 수 있다. 환자의 혈당 변화에 적합하게 인슐린이 체내에 주입될 수 있도록, 인슐린 주입 장치가 사용될 수 있다.

인슐린 주입 장치와 같은 약물 주입 장치의 구동을 위한 메커니즘에는 다양한 종류의 모터나 펌프와 같은 구동부재가 사용될 수 있다. 본 발명은 구동 부재에 관한 것으로서, 유체를 이용하여 미세한 펌핑이 가능한 펌프를 제공한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로서, 이에 의한 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 일 실시예는, 샤프트 홀을 구비하는 하우징; 상기 샤프트 홀에서 멀어지는 방향으로 배치되는 제1공간과 상기 샤프트 홀에 인접하는 방향으로 배치되는 제2공간 사이에 배치되는 멤브레인; 상기 멤브레인을 기준으로 양측에 배치되는 제1전극체 및 제2전극체; 상기 샤프트 홀을 통해 상기 하우징의 외측 방향으로 연장 형성되는 샤프트; 상기 제1공간이 형성되는 상기 하우징의 일측에 연통되고, 상기 제1공간과 연결되는 제3공간이 형성되며, 형상 변형가능한 변형부; 및 상기 하우징의 내부 공간에 구비되는 제1유체;를 포함하는 전기 삼투압 펌프를 제공한다.

본 실시예에 있어서, 상기 제1유체의 체적은 상기 내부 공간의 체적보다 상대적으로 작게 형성될 수 있다.

본 실시예에 있어서, 상기 제1유체는 상기 제1공간 및 상기 제2공간에 각각 구비되고, 상기 제1공간에 존재하는 상기 제1유체의 체적은 상기 제1공간의 체적보다 상대적으로 작게 형성될 수 있다.

본 실시예에 있어서, 상기 제1공간 및 상기 제3공간에 존재하는 제2유체를 더 포함하고, 상기 제1유체는 액체이고, 상기 제2유체는 기체일 수 있다.

전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.

본 발명의 실시예들에 따르면, 유체의 압력을 이용하여 샤프트의 왕복 이동을 미세하게 제어할 수 있다.

또한, 변형부의 탄성 변형으로 인하여 샤프트의 전진 또는 후퇴 이동을 정확하게 제어할 수 있다.

그러나, 전술한 효과는 예시적인 것으로서 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 삼투압 펌프를 도시한 사시도이다.
도 2a 및 도 2b는 도 1의 X-X'선에 따른 단면도들이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 멤브레인을 중심으로 한 제1, 2전극체에서의 반응을 나타낸 모식도이다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 샤프트의 왕복 운동을 설명하는 단면도들이다.
도 5는 샤프트의 왕복 운동에 따른 제1공간의 체적에 대한 제2서브공간의 체적의 비율을 나타낸 그래프이다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명의 효과 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

이하의 실시예에서, 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용되었다.

이하의 실시예에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

이하의 실시예에서, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.

도면에서는 설명의 편의를 위하여 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 예컨대, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.

이하의 실시예에서, 영역, 구성 요소 등이 연결되었다고 할 때, 영역, 구성 요소들이 직접적으로 연결된 경우뿐만 아니라 영역, 구성요소들 중간에 다른 영역, 구성 요소들이 개재되어 간접적으로 연결된 경우도 포함한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 삼투압 펌프를 도시한 사시도이다. 도 2a는 도 1의 X-X'선에 따른 단면도들이다. 도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 멤브레인을 중심으로 한 제1, 2전극체에서의 반응을 나타낸 모식도이다. 도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 샤프트의 왕복 운동을 설명하는 단면도들이다. 도 5는 샤프트의 왕복 운동에 따른 제1공간의 체적에 대한 제2서브공간의 체적의 비율을 나타낸 그래프이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 삼투압 펌프의 사시도이고, 도 2a는 도 1의 X- X' 선에 따른 단면도이다.

도 1 및 도 2a를 참조하면, 전기 삼투압 펌프(이하, '펌프'라 함)(100)의 하우징(110)은 일측에 구비된 샤프트 홀(112H)을 포함하며, 샤프트 홀(112H)을 통해 소정의 길이를 갖는 샤프트(120)가 하우징(110)의 외측으로 연장될 수 있다.

일 실시예로, 샤프트 홀(112H)은 하우징(110)의 본체(111)에 대하여 일측으로 연장된 돌출부(112)에 형성될 수 있으며, 돌출부(112)의 직경은 본체(111)의 직경 보다 작게 형성될 수 있다.

샤프트(120)의 제1부분(121)은 하우징(110)의 내부에 배치되고, 제2부분(122)은 전술한 바와 같이 샤프트 홀(112H)을 지나 하우징(110)의 외부로 연장된다. 샤프트(120)는 도 1 및 도 2a에서의 상하 방향(Z 방향)을 따라 왕복 운동할 수 있다.

샤프트(120)의 왕복 운동시, 제1부분(121)은 하우징(110)의 내부 공간, 예컨대 돌출부(112)에 해당하는 내부 공간에서 선형적으로 왕복 운동할 수 있다. 샤프트(120)의 제1부분(121)의 직경(R1)은 샤프트 홀(112H)의 직경(R3) 보다 크기 때문에, 제1부분(121)은 하우징(110)의 외부로 빠지지 않는다.

샤프트(120)의 제2부분(122)은 샤프트 홀(112H)의 직경(R3) 보다 작은 직경(R2)을 구비하는데, 이 때 제2부분(122)이 샤프트 홀(112H)에서 빠지는 것을 방지하도록, 제2부분(122)은 하우징(110)의 외부에 배치된 이동 제어부(130)와 결합할 수 있다.

샤프트(120)의 제1부분(121)의 측면에는 실링재(125)가 배치될 수 있다. 하우징(110)의 내부 공간, 예컨대 하우징(110)의 내측면과 샤프트(120)의 내측면에 의해 정의되는 공간은 밀폐된 공간으로, 내부 공간에는 유체가 존재하며, 실링재(125)는 하우징(110)과 샤프트(120) 사이의 틈으로 유체가 누설(누출)되는 것을 방지할 수 있다. 도 2a에서는 설명의 편의를 위하여 유체를 생략하고 도시하였다.

일 실시예에 따르면, 도 2a에 도시된 바와 같이 실링재(125)는 O-링의 형태로 제1부분(121)의 측면을 커버할 수 있으며, 실링재(125)에 의해 하우징(110)의 내부에 존재하는 유체가 샤프트 홀(112H)을 통해 하우징(110)의 외부로 누출(누설)되는 것을 방지할 수 있다.

유체의 누출은, 샤프트(120)의 제1부분(121)으로부터 이동 제어부(130)까지의 제1거리(D1)를 돌출부(112)의 내측 길이(D2)와 같거나 그보다 작게 형성함으로써 더욱 효과적으로 방지될 수 있다.

멤브레인(140)은 하우징(110)의 내부 공간, 예컨대 본체(111)와 대응하는 내부 공간에 배치될 수 있다. 내부 공간은 멤브레인(140)을 중심으로 양측에 각각 위치하는 제1공간(S1)과 제2공간(S2)을 포함한다.

도 2a에서는, 멤브레인(140)을 기준으로 샤프트(120)에서 먼 공간이 제1공간(S1)이고, 멤브레인(140)을 기준으로 샤프트(120)에 인접한 공간을 제2공간(S2)으로 나타낸다.

멤브레인(140)은 유체와 이온의 이동이 가능한 다공성 구조를 가질 수 있다. 멤브레인(140)은 예컨대, 구형 실리카를 열로 소성하여 제조한 프릿형 멤브레인일 수 있다. 예컨대, 멤브레인의 형성에 사용하는 구형 실리카는 약 20 nm 내지 약 500 nm의 직경을 가지는 것일 수 있고, 구체적으로는 약 30 nm 내지 약 300 nm의 직경을 가지는 것일 수 있고, 더욱 구체적으로는 약 40 nm 내지 약 200 nm의 직경을 가지는 것일 수 있다.

상기 구형 실리카의 직경이 전술한 범위를 만족하는 경우, 멤브레인(140)을 통과하는 제1유체에 의한 압력, 즉 샤프트(120)를 이동시키기에 충분한 압력을 발생시킬 수 있다.

전술한 실시예에서 멤브레인(140)이 구형 실리카를 포함하는 것을 설명하였으나, 멤브레인(140)이 이에 한정되는 것은 아니다.

다른 실시예로, 멤브레인(140)은 다공성 실리카 또는 다공성 알루미나와 같이 제타포텐셜(zeta potential)에 의한 일렉트로키네틱(eletrokinetic) 현상을 야기할 수 있는 소재라면 그 종류를 한정할 것은 아니다.

멤브레인(140)은 약 20 ㎛ 내지 약 10 mm의 두께를 가질 수 있고, 구체적으로는 약 300 ㎛ 내지 약 5 mm의 두께를 가질 수 있고, 더욱 구체적으로는 약 1,000 ㎛ 내지 약 4 mm의 두께를 가질 수 있다.

멤브레인(140)의 양측에는 제1전극체(150)와 제2전극체(160)가 각각 배치된다. 제1전극체(150)는 멤브레인(140)의 제1측에 배치된 제1다공성 플레이트(151) 및 제1전극 스트립(152)을 포함할 수 있다. 제2전극체(160)는 멤브레인(140)의 제2측에 배치된 제2다공성 플레이트(161) 및 제2전극 스트립(162)을 포함할 수 있다.

제1 및 제2다공성 플레이트(151, 161)는 각각 멤브레인(140)의 양측 주면(main surface)와 접촉하도록 배치될 수 있다. 제1 및 제2다공성 플레이트(151, 161)는 다공 구조를 통해 유체와 이온을 효과적으로 이동시킬 수 있다.

제1 및 제2다공성 플레이트(151, 161)는 다공성 베이스층에 전기화학 반응 물질이 형성된 구조를 가질 수 있다. 전기화학 반응 물질은 예컨대, 무전해 도금, 진공증착, 코팅, 졸-겔 프로세스 등의 방법을 통해 다공성 베이스층에 전착 또는 코팅함으로써 형성될 수 있다.

다공성 베이스층은 절연체일 수 있다. 예컨대, 다공성 베이스층은, 비도전성의 세라믹, 비도전성의 고분자 수지, 비도전성의 유리 및 이들의 조합에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.

비도전성의 세라믹은, 예컨대 암면, 석고, 도자기, 시멘트 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있고, 구체적으로는 암면, 석고 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

비도전성의 고분자 수지는, 예컨대, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌테레프탈레이트, 폴리아크릴로니트릴 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것과 같은 합성 섬유; 양모, 목면 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 것과 같은 천연 섬유; 해면; 생물체, 예컨대 생물체의 뼈에서 유래한 다공성 소재; 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

비도전성의 유리는 유리솜, 글라스 프릿(glass frit), 다공질 유리 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

다공성 베이스층은 약 0.1 ㎛ 내지 약 500 ㎛의 기공크기를 가질 수 있고, 구체적으로는 약 5 ㎛ 내지 약300 ㎛의 기공크기를 가질 수 있으며, 더욱 구체적으로는 약 10 ㎛ 내지 약 200 ㎛의 기공크기를 가질 수 있다.

다공성 지지체의 기공크기가 전술한 범위를 만족하는 경우, 유체와 이온을 효과적으로 이동시켜, 펌프(100)의 안정성과 수명 특성 및 효율을 향상시킬 수 있다.

전기화학 반응 물질은, 제1 및 제2전극체(150, 160)의 전극 반응 시에 산화 전극과 환원 전극이 양이온, 예컨대 수소이온을 주고 받는 한 쌍의 반응을 이룰 수 있으며 동시에 가역적인 전기화학 반응을 구성할 수 있는 물질을 포함할 수 있다.

전기화학 반응 물질은 예컨대, 은/산화은, 은/염화은, MnO(OH), 폴리아닐린(polyaniline), 폴리피롤(polypyrrole), 폴리티오펜(polythiophene), 폴리타이오닌(polythionine), 퀴논계 폴리머(quinone-based polymer) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.

제1 및 제2스트립(152, 162)은 제1 및 제2다공성 플레이트(151, 161)의 가장자리에 배치될 수 있으며, 하우징(110)의 외부의 제1 및 제2단자(153, 163)과 연결될 수 있다. 제1 및 제2스트립(152, 162)은 은, 구리 등과 같은 도전성 재질을 포함할 수 있다.

하우징(110)의 내부 공간에 구비된 유체는 서로 다른 상(phase)를 갖는 제1유체와 제2유체를 포함할 수 있다. 제1유체는 물과 같은 액체를 포함하고 제2유체는 공기와 같은 기체를 포함할 수 있다.

내부 공간에 존재하는 제1유체는 내부 공간을 전체적으로 채우지 않는다. 즉, 내부 공간의 체적은 내부 공간에 존재하는 제1유체의 체적 보다 크다. 내부 공간 중에서 물이 존재하지 않는 부분에는 제2유체가 존재한다.

멤브레인(140), 제1전극체(150), 및 제2전극체(160)의 구조물의 양 측에는 실링재(170)가 배치된다. 실링재(170)는 전술한 구조물의 가장자리에 대응하는 면적을 갖는 고리 형상일 수 있다.

전술한 유체, 예컨대 제1유체는 멤브레인(140)을 통과하도록 멤브레인(140)의 두께 방향을 따라 제1공간(S1)에서 제2공간(S2)으로 또는 그 역방향으로 이동하게 되는데, 이 때 실링재(170)는 하우징(110)의 내측면과 전술한 구조물 사이의 틈을 막아 액체가 이 틈으로 이동하는 것을 방지할 수 있다.

유체는 도 1에 도시된 바와 같은 주입구(180)를 통해 내부 공간으로 유입될 수 있다. 일 실시예로, 일측의 주입구(180)를 통해 제1유체를 내부 공간에 전체적으로 채운 후에 주입구(180)를 통해 제1유체의 일부를 외부로 빼낸 후에 주입구(180)를 폐쇄함으로써, 제1유체 및 제2유체가 하우징(110)의 내부 공간에 존재할 수 있다.

이하에서는 도 3a 및 도 5를 참조하여, 유체의 거동 및 그에 따른 샤프트의 이동에 대하여 살펴본다.

도 3a 및 도 3b는 멤브레인을 중심으로 한 제1 및 제2전극체(150, 160)에서의 반응을 나타낸 모식도이다.

도 3a 및 도 3b를 참조하면, 제1전극체(150)와 제2전극체(160)는 각각, 제1 및 제2단자(153, 163)을 통해 전원부(200)와 전기적으로 연결된다. 전원부(200)가 공급하는 전압의 극성을 교번적으로 변경하여 공급함으로써, 물과 같은 액체의 이동 방향을 바꿀 수 있다.

일 실시예로, 은/산화은을 전기화학적 반응물질로 사용하고, 제1유체가 물을 포함하는 용액인 경우를 설명한다.

도 3a에 도시된 바와 같이, 제1전극체(150)가 산화전극이고 제2전극체(160)가 환원전극인 경우, 제1전극체(150)에서는 Ag(s) + H₂O → Ag₂O(s) + 2H⁺+ 2e^- 의 반응이 일어나고, 제2전극체(160)에서는 Ag₂O(s) + 2H⁺+ 2e^- → Ag(s) + H₂O 의 반응이 일어난다.

제1전극체(150)에서의 산화반응에 따라 생성된 양이온(Mⁿ⁺, 예, 수소이온)은 전압차에 의해 멤브레인(140)을 지나 제2전극체(160)를 향해 이동하는데, 이 때 양이온과 함께 물(H₂O)이 함께 이동하면서 소정의 압력이 발생할 수 있다.

이 후, 도 3b에 도시된 바와 같이 전원부(200)가 공급하는 전압의 극성을 반대로 바꾸면, 앞서 산화전극으로 사용될 때 소모되었던 전기화학적 반응물질이 환원전극으로 사용될 때 회복되며, 환원전극의 경우도 마찬가지로 회복되면서, 제1 및 제2전극체(150, 160)는 전원부(200)의 전압 공급에 따라 계속적으로 반응이 가능하다. 도 3a에서와 달리, 제1 및 제2전극체(150, 160)으로 공급되는 전압의 극성이 바뀌면 도 3b에 도시된 바와 같이, 양이온(Mⁿ⁺, 예, 수소이온)과 물(H₂O)이 제2공간(S2)에서 제1공간(S1)으로 다시 이동하게 된다.

도 4a 내지 도 4c 는 샤프트의 왕복 운동을 설명하는 단면도들이다. 도 4a는 샤프트의 이동 전의 상태이고 도 4b, 도 4c는 샤프트의 이동 후의 상태이다. 도 4a는, 앞서 도 3a를 참조하여 설명한 전원부(200)에 의해 제1 및 제2전극체(150, 160)에 전압이 인가되기 전의 상태로 이해할 수 있다.

도 4a를 참조하면, 하우징(110)의 내부 공간에는 물과 같은 액체의 제1유체가 존재하되, 내부 공간에 존재하는 제1유체의 체적은 내부 공간의 체적 보다 작다. 내부 공간 중에서 액체가 존재하지 않는 부분, 구체적으로 하우징(110)의 제1공간(S1) 및 변형부(191)의 내부 공간인 제3공간(S3)에는 공기와 같은 기체를 포함하는 제2유체가 존재한다.

예컨대, 제1 및 제2공간(S1, S2)에는 각각 제1유체가 존재하되, 제1공간(S1)에는 제1유체 및 제2유체 공존하면서, 제1공간(S1)에 존재하는 제1유체의 체적은 제1공간(S1)의 체적 보다 작을 수 있다.

제2공간(S2)에도 제1유체가 존재하지만, 제1공간(S1)과 달리 제2유체는 존재하지 않는다. 이하, 설명의 편의를 위하여, 제1공간(S1) 중 액체인 제1유체가 존재하는 공간을 제1서브공간(SS1)이라 하고, 기체인 제2유체가 존재하는 공간을 제2서브공간(SS2)라 한다. 제1서브공간(SS1)과 제2서브공간(SS2)은 제1공간(S1)을 이룰 수 있다. 예컨대, 제1공간(S1)에서 제1서브공간(SS1)을 제외한 나머지가 제2서브공간(SS2)일 수 있다.

도 4a 내지 도 4c를 참조하면, 제2유체는 제1공간(S1), 구체적으로 제2서브공간(SS2)와 연통되는 변형부(191)의 내부 공간인 제3공간(S3)에 존재할 수 있다.

도 4a의 상태에서, 도 3a에서 설명한 바와 같이 전원부(200)가 제1 및 제2전극체(150, 160)에 전압을 공급하면, 도 3a를 참조하여 설명한 반응이 일어나면서 양이온(예, 수소이온)이 제1공간(S1)에서 제2공간(S2)을 향하는 제1방향(도 4b에서의 -Z방향)을 따라 이동한다.

이 때, 양이온과 함께 제1공간(S1)의 제1유체(예, H₂O)이 멤브레인(140)을 지나 제1방향(도 4b에서의 -Z방향)을 따라 이동하면서 압력이 생성되며, 압력에 의해 도 4b에 도시된 바와 같이 샤프트(120)가 제1방향을 따라 선형적으로 이동한다.

도 4a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 변형부(191)는 제1공간(S1)이 형성되는 하우징(110)의 일측(도 4a 기준 상측)에 연통되고, 변형부(191)와 마주보는 하우징(110)의 일면(도 4a 기준 상면)에 형성되는 홀(111H)을 통해서 제1공간(S1)과 변형부의 내부 공간인 제3공간(S3)이 연통될 수 있다.

도 2a를 참조하면, 본체(111)는 제1서브-본체(111A) 및 제2서브-본체(111B)를 포함한다. 제1 및 제2서브-본체(111A, 111B)는 멤브레인(140)들을 사이에 개재한 채 결합할 수 있다.

본체(111), 구체적으로 홀(111H)은 제1서브-본체(111A)에 형성되며, 홀(111H)은 멤브레인(140)을 가운데 두고 샤프트(120)를 수용하는 제2서브-본체(111B)의 반대편에 위치한다.

도 4a, 도 4b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 변형부(191)의 일측에는 탄성 변형이 가능한 탄성부(192)가 형성될 수 있다. 탄성부(192)는 변형부(191)의 중앙부에 형성될 수 있으며, 변형부(191)의 외측 방향(도 4a 기준 상측 방향)에 대하여 오목하게 형성되거나, 볼록하게 형성될 수 있다.

도 4a 내지 도 4c를 참조하면, 탄성부(192)의 형상이 변형됨에 따라 제3공간(S3)의 체적이 증가하거나 감소할 수 있다.

탄성부(192)는 변형부(191)의 내부 공간, 구체적으로 제3공간(S3)의 내부 압력에 따라 형상이 변형될 수 있다. 도 4a를 참조하면, 제3공간(S3)에는 음압(negative pressure)이 형성될 수 있다.

탄성부(192)는 변형부(191)의 외측 방향(도 4a 기준 상측 방향)에 대하여 볼록하게 형성되는 방향으로 탄성복원력을 가질 수 있다. 이로 인하여 도 4c와 같이 양이온과 함께 제1유체가 제2공간(S2)에서 제1공간(S1)으로 이동 시 공기와 같은 제2유체가 수용되는 공간이 제3공간(S3)만큼 확보되고, 샤프트(120)의 압축에 필요한 힘을 상대적으로 저감시킬 수 있으며, 압축이 용이하게 이루어지는 효과가 있다.

제1공간(S1)의 제1유체(예, H₂O)가 제2공간(S2)로 이동하면서, 제1공간(S1)의 체적에 대한 제1서브공간(SS1)의 체적 비율은 감소하는 반면, 제1공간(S1) 중에서 제2서브공간(SS2)이 차지하는 비율은 증가한다.

반대로, 도 4b 및 도 4c를 참조하면, 도 3b에서 설명한 바와 같이 전원부(200)가 제1 및 제2전극체(150, 160)에 전압의 극성을 바꾸어 공급하면, 양이온(예, 수소이온)과 제1유체(예, 물)가 제2공간(S2)에서 제1공간(S1)을 향하는 제2방향(도 4에서의 +Z 방향)을 따라 이동하고, 샤프트(120)는 다시 도 4a에 도시된 바와 같이 원래의 위치로 이동한다.

도 4c를 참조하면, 샤프트(120)가 제2방향(도 4c에서의 +Z방향)으로 이동하면서 양이온과 함께 제1유체가 제2방향으로 이동하고, 변형부(191), 구체적으로 탄성부(192)의 형상이 변형될 수 있다.

구체적으로 탄성부(192)가 변형부(191)의 외측 방향에 대하여 오목한 형상에서 볼록한 형상으로 변형되면서, 제3공간(S3)의 체적이 증가하고, 샤프트(120)의 이동 및 압축이 용이한 효과가 있다.

이에 더하여 제1공간(S1) 및 제3공간(S3)에 대한 압축이 일어나는 경우에, 변형부(191), 구체적으로 탄성부(192)는 볼록하게 형성되는 방향으로 탄성복원력을 가지게 되므로, 압축이 더욱 용이하게 이루어지는 효과가 있다.

이에 더하여 도 3a, 도 3b에서의 반응이 일어나면서 가스가 발생되는 경우에 상기 가스를 제3공간(S3)에서 수용할 수 있어 완충(buffer) 기능을 할 수 있는 효과가 있다.

전원부(200)가 제1 및 제2전극체(150, 160)에 인가하는 전압의 극성을 교번적으로 바꾸면, 샤프트(120)는 제1방향으로 이동하였다가 제1방향의 역방향인 제2방향으로 이동하고, 다시 제1방향으로 이동하는 것과 같이 왕복 운동할 수 있다.

샤프트(120)의 왕복 운동은 제1공간(S1) 중에서 제2유체가 존재하는 공간, 즉 제2서브공간(SS2)의 체적 비율에 따른 변화로 설명할 수 있다.

도 5는 샤프트의 왕복 운동에 따른 제1공간의 체적(V_S1)에 대한 제2서브공간의 체적(V_SS2)의 비율의 나타낸 그래프이다.

전원부(200)가 제1 및 제2전극체(150, 160)에 전압을 인가하기 전의 상태, 즉 펌프(100)의 구동 전의 상태에서의 제1공간(S1)의 체적에 대한 제2서브공간(SS2)의 체적의 비율(Ratio= V_SS2/V_S1)을 "A" 라 할 때, 샤프트(120)의 전진 행정시, 즉 제1방향으로의 이동시 비율(Ratio)은 "B"로 증가한다 (A <B, 단, A는 0 보다 크고 B는 1보다 작음).

전진했던 샤프트(120)가 제2방향으로 후퇴하는 행정에서, 전술한 비율(Ratio)은 B에서 A로 감소하나, 비율이 A 보다 더 작아지지는 않는다. 후퇴 행정시 비율(Ratio)이 A 보다 작아지는 경우, 샤프트(120)가 하우징(110)의 내측으로 더 들어오거나, 밀폐된 공간인 하우징(110)의 내부 공간의 밀폐가 해제되면서 유체가 누출되는 등의 문제가 발생될 수 있다.

도 4a 내지 도 4c를 참조하여 설명한 펌프(100)는, 샤프트(120)가 상대적으로 후퇴한 상태에서 각 구성요소들(본체, 실링재 등)을 조립한 것일 수 있다. 다른 실시예로, 펌프(100)는 샤프트(120)가 상대적으로 전진한 상태에서 각 구성요소들(본체, 실링재 등)을 조립한 것일 수 있다.

샤프트(120)가 전진하거나 후퇴하는 경우, 제2서브공간(SS2) 및 제3공간(S3)에 존재하는 제2유체(예, 공기)는 약간(slightly) 압축되거나 약간 팽창할 수 있다. 제2유체의 압축이나 팽창에 따라 소정의 힘이 제2유체에 저장될 수 있으며, 이 힘은 샤프트(120)에 작용할 수 있다. 샤프트(120)의 전진 및 후퇴 행정의 정확한 제어는 펌프(100)가 사용되는 약물 주입 장치에서 약물의 주입량에 영향을 줄 수 있다.

따라서, 샤프트(120)의 전진과 후퇴 행정은 예컨대 전술한 힘도 고려하여 설계될 수 있다.

전술한 바와 같이, 도 1, 도 2a, 도 4a 내지 도 4c를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 변형부(191)는 제1공간(S1)이 형성되는 하우징(110)에 연통되는 것으로, 제1공간(S1)과 연결되는 내부 공간인 제3공간(S3)이 형성되고, 형상 변형이 가능하다. 변형부(191)는 실리콘 재질 등 탄성 변형이 가능한 재질로 형성될 수 있다.

구체적으로 변형부(191)는 멤브레인(140)을 기준으로 샤프트(120)가 왕복 운동하는 하우징(110)의 일측(도 2a 기준 하측)에 대향되는 타측(도 2a 기준 상측)에 결합될 수 있다.

변형부(191)와 마주보는 하우징(110)의 일면(도 2a 기준 상면)에는 홀(111H)이 형성되고, 제1공간(S1)과 제3공간(S3)이 연통될 수 있다. 이로 인하여 제1공간(S1)만 형성되는 것에 비하여, 제1공간(S1)에서 제2유체에 저장되는 힘을 제거하여, 샤프트(120)의 전진과 후퇴 행정의 정확한 제어가 가능한 효과가 있다.

도 4a 내지 도 4c를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 변형부(191)의 일측(도 4a 기준 상측)에는 탄성 변형이 가능한 탄성부(192)가 형성되고, 탄성부(192)가 탄성 변형됨에 따라 제3공간(S3)의 체적이 변형될 수 있다.

도 4a, 도 4b를 참조하면, 도 3a의 반응이 일어나기 전에 제3공간(S3)에는 음압이 형성되고, 탄성부(192)의 형상이 변형부(191)의 외측 방향을 기준으로 오목하게 형성될 수 있다.

도 4c와 같이 도 3b의 반응이 일어나면, 제1유체의 압력 등에 의하여 압력이 증가되고, 탄성부(192)가 변형부(191)의 외측 방향을 기준으로 볼록하게 형성되는 방향으로 탄성복원력을 가짐으로 인하여 제3공간(S3)의 체적이 증가하는 방향으로 형상 변형되고, 제2유체에 저장되는 힘을 제거하여, 샤프트(120)의 압축을 용이하게 하고, 샤프트(120)의 정확한 제어가 가능한 효과가 있다.

도 1, 도 2a, 도 4a 내지 도 4c를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 고정부재(195)는 하우징(110)과 변형부(191)에 각각 결합되는 것으로, 변형부(191)가 하우징(110) 상에 위치 고정될 수 있도록 한다.

이에 더하여 변형부(191)의 내부 공간인 제3공간(S3)으로부터 외부로 공기를 포함하는 제2유체가 유출되는 것을 차단할 수 있는 효과가 있다.

고정부재(195)는 변형부(191)의 외주면 둘레를 따라 밀착되며 하우징(110)에 설치될 수 있다.

도 1, 도 2a, 도 4a 내지 도 4c를 참조하면, 변형부(191)와 마주보는 하우징(110)의 일면(도 2a의 상면)에는 외측 방향으로 돌출되며 변형부(191)의 내주면 둘레를 따라 밀착되는 실링벽(111W)이 돌출 형성될 수 있다.

실링벽(111W)으로 인하여 변형부(191)의 내주면은 실링벽(111W)과 밀착되고, 외주면은 고정부재(195)와 밀착되며, 제3공간(S3)에 수용되는 유체가 외부로 유출되는 것을 방지할 수 있다.

도 2b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 펌프(100)의 단면도이다.도 2b에 도시된 펌프는 앞서 도 1, 도 2a, 도 3a 내지 도 5를 참조하여 설명한 펌프와 유사한 구조를 가지되, 제1공간(S1)과 제3공간(S3)이 연통되도록 하우징(110)에 형성되는 홀(111H)을 커버하며 하우징(110)에 결합되는 통기성 필름(195)을 더 포함할 수 있다.

본체(111)는 제1서브-본체(111A) 및 제2서브-본체(111B)를 포함한다. 제1 및 제2서브-본체(111A, 111B)는 멤브레인(140)들을 사이에 개재한 채 결합하며, 이와 같은 구조는 앞서 도 1 내지 도 4c를 참조하여 설명한 실시예에서도 동일하게 적용될 수 있다.

본체(111)는 홀(111H)을 포함할 수 있다. 홀(111H)은 멤브레인(140)을 가운데 두고 샤프트(120)를 수용하는 제2서브-본체(111B)의 반대편에 위치한다. 예컨대, 홀(111H)은 제1서브(111A)에 형성될 수 있다.

도 2b를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 홀(111H)은 통기성 필름(195)으로 커버된다. 따라서, 제2서브공간(SS2)은 통기성 필름(195)에 의해 외부 공간, 즉 변형부(191)의 내부 공간인 제3공간(S3)과 공간적으로 연결되지 않는다.

통기성 필름(195)은 제1공간(S1)의 중심과 대응되는 위치에 형성될 수 있다. 도 2b에는 홀(111H)과 통기성 필름(195)이 한 쌍 구비된 것을 설명하였으나, 다른 실시예에서 홀(111H) 및 그와 대응하는 통기성 필름(195)이 복수의 쌍으로 구비될 수 있다.

또는, 복수의 홀(111H)에 대하여 하나의 통기성 필름(195)이 구비될 수 있으며, 이 경우 통기성 필름(195)은 제1서브-본체(111A)의 일 측면(도 2b에서의 상면)을 전체적으로 커버할 수 있을 정도의 면적을 가질 수 있다.

통기성 필름(195)은 액체는 차단하고 기체를 통과시키는 막으로서, 펌프(100)의 제1유체(예, 물)은 통기성 필름(195)을 통과하지 않는다. 예컨대, 통기성 필름(195)은 예컨대, 듀폰사의 타이벡(tyvek^®)을 사용할 수 있다.

반면, 펌프(100) 내부의 제2유체 또는 외부의 공기는 통기성 필름(195)을 통과할 수 있으며, 이 경우 제2유체 또는 외부의 공기는 변형부(191)의 내부 공간인 제3공간(S3)으로 유동되고, 전술한 샤프트(120)의 전진과 후퇴시 힘이 제2유체에 저장되는 것을 방지할 수 있다.

도 2a, 도 2b를 참조하면, 도 2a에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 펌프(100)의 홀(111H)의 직경(HD1)은 통기성 필름(195)이 없는 도 2b에 도시된 본 발명의 다른 실시예에 따른 펌프(100)의 홀(111H)의 직경(HD2)보다 상대적으로 크게 형성될 수 있다.이로 인하여 도 2a에서 제1유체가 제3공간(S3)과 제1공간(S1) 사이를 이동 시 홀(111H)에 의하여 제1유체의 이동 저항이 발생되는 것을 저감시킬 수 있는 효과가 있다.

이에 더하여 본 발명의 일 실시예에 따른 펌프(100)의 홀(111H)의 직경(HD1)은 실링벽(111W)의 직경과 동일하게 형성될 수 있으며, 제3공간(S3)과 제1공간(S1) 사이에서 제1유체가 원활하게 유동될 수 있는 효과가 있다. 본 발명의 실시예들에 따른 홀(111H)의 직경(HD1, HD2)의 크기는 다양하게 형성될 수 있다.

도 1 내지 도 5를 참조하여 설명한 펌프(100)는 인슐린과 같은 약물을 주입하는 장치에 사용되는 소형 펌프일 수 있다. 그러나, 전술한 설명에서와 같은 구조 및 메커니즘을 이용하여 샤프트(120)를 선형적으로 이동시키는 펌프라면, 그 용도를 특별히 제한할 것은 아니다.

이와 같이 본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

100: 전기 삼투압 펌프 110: 하우징
111A: 제1서브-본체 111B: 제2서브-본체
111H: 홀 111W: 실링벽
120: 샤프트 130: 이동 제어부
140: 멤브레인 150: 제1전극체
151: 제1다공성 플레이트 152: 제1스트립
153: 제1단자 160: 제2전극체
161: 제2다공성 플레이트 162: 제2스트립
163: 제2단자 170: 실링재
180: 주입구 191: 변형부
192: 탄성부 193: 고정부재
195: 통기성 필름 200: 전원부

Claims (4)

1. 샤프트 홀을 구비하는 하우징;
   상기 샤프트 홀에서 멀어지는 방향으로 배치되는 제1공간과 상기 샤프트 홀에 인접하는 방향으로 배치되는 제2공간 사이에 배치되는 멤브레인;
   상기 멤브레인을 기준으로 양측에 배치되는 제1전극체 및 제2전극체;
   상기 샤프트 홀을 통해 상기 하우징의 외측 방향으로 연장 형성되는 샤프트;
   상기 제1공간이 형성되는 상기 하우징의 일측에 연통되고, 상기 제1공간과 연결되는 제3공간이 형성되며, 형상 변형가능한 변형부; 및
   상기 하우징의 내부 공간에 구비되는 제1유체;를 포함하는 전기 삼투압 펌프.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1유체의 체적은 상기 내부 공간의 체적보다 상대적으로 작은, 전기 삼투압 펌프.
3. 제1항에 있어서,
   상기 제1유체는 상기 제1공간 및 상기 제2공간에 각각 구비되고,
   상기 제1공간에 존재하는 상기 제1유체의 체적은 상기 제1공간의 체적보다 상대적으로 작은, 전기 삼투압 펌프
4. 제1항에 있어서,
   상기 제1공간 및 상기 제3공간에 존재하는 제2유체를 더 포함하고,
   상기 제1유체는 액체이고, 상기 제2유체는 기체인, 전기 삼투압 펌프.

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