KR102576284B1

KR102576284B1 - 전기삼투펌프, 전극의 제조방법, 이를 이용한 유체 펌핑 시스템 및 그 시스템의 동작 방법

Info

Publication number: KR102576284B1
Application number: KR1020210069060A
Authority: KR
Inventors: 신운섭; 주은화; 김경현; 강준영
Original assignee: 주식회사 케어메디
Priority date: 2020-05-29
Filing date: 2021-05-28
Publication date: 2023-09-12
Also published as: KR20210147974A

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 전기삼투펌프는 유체의 이동을 허용하는 멤브레인; 및 멤브레인의 양측에 각각 마련된 제1 전극 및 제2 전극을 포함하되, 제1 전극 및 제2 전극은 비투과성 기저물질(non-porous substrate material)과 그 위에 코팅된 전극 물질로 이루어진 전극으로서, 적어도 하나 이상의 유체 이동 통로가 형성된 것이고, 제1 전극 및 제2 전극의 전기화학 반응에 의해, 유체 이동 통로를 통해 유체가 이동한다.

Description

전기삼투펌프, 전극의 제조방법, 이를 이용한 유체 펌핑 시스템 및 그 시스템의 동작 방법 {ELECTROOSMOTIC PUMP, ELECTRODE MANUFACTURING METHOD, FLUID PUMPING SYSTEM USING THE SAME, AND OPERATION METHOD THEREOF}

본 발명은 전기삼투펌프, 전극의 제조방법, 이를 이용한 유체 펌핑 시스템 및 그 시스템의 동작 방법에 관한 것이다.

전기삼투펌프는 다공성막(다공성멤브레인)의 양단에 전극을 이용하여 전압을 걸었을 때 생기는 전기삼투현상에 의해 유체가 이동하는 것을 이용한 펌프이다.

도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 다공성막을 통하여 유체가 이동하는 전기삼투펌프의 작용을 설명하기 위한 도면이다. 다공성막은 유체가 흐를 수 있는 수 없이 많은 경로가 있는데, 이 중 하나는 도1a의 아래와 같이 도시된다.

다공성막의 재료로는 일반적으로 실리카(silica), 유리(glass) 등이 사용되는데, 이들은 수용액에 담겨 있게 되면 표면이 음전하를 띠게 된다. 이 상태에서 전압을 가하면 (+)전극부로부터 (-)전극부로 유체의 이동이 일어나게 된다(도1a의 윗 그림). 다공성막에는 수 많은 유체가 지나갈 수 있는 경로가 있는데, 이 중 하나를 확대해 보면 음전하(bound anion)를 띤 유체통로의 표면은 움직일 수 있는 (+)전하를 가진 양이온(mobile cation)에 의해 전하균형을 맞추어 준 상태가 될 것이다. 이런 상황에서 전압을 가해주면 (+)전극부 쪽에서 (-)전극부 방향으로 이동성 양이온(mobile cation)이 표면을 따라 이동하면서 이에 따라 수소결합 네트워크로 연결된 유체 전체가 미끄러지듯이 흘러가는 현상이 생기는데 이를 전기삼투현상이라 하고, 이 원리를 이용한 펌프가 전기삼투펌프이다.

도1a를 참조하면, 전기삼투펌프에 활용되는 전극은 유체의 이동을 원활하게 하기 위해 다공성 전극인 백금망(Pt mesh), 다공성 탄소 종이 혹은 섬유(carbon paper or carbon cloth), 또는 다공성 구조 위에 코팅된 다양한 전극 물질들이 활용되고 있고, 이를 이용하여 실리카 등으로 구성된 다공성 막을 사이에 두고 전압을 걸어주면 이에 따른 유체의 이동이 있게 된다.

일반적으로 전기삼투펌프의 전극은 유체의 이동을 원활하게 하기 위해 주로 다공성 구조를 가진 전극기저물질이 활용되어 왔는데, 이 경우 다공성 형태가 가능한 전극 구조체 혹은 그 위에 전착(electroplating) 등의 방법으로 코팅(coating) 혹은 개질(modification) 가능한 물질로 전극물질의 활용이 제한되어 왔다. 반면, 비투과성 기저물질에 적용하기 유용한 드롭코팅, 스핀코팅 등의 방법으로 가능한 훨씬 다양한 전극물질의 사용은 제한되어 왔다.

이러한 문제를 해결하기 위해 본 발명의 일 실시예는 기존의 전기삼투펌프의 다공성 전극부의 구성을 비투과성 기저물질 위에 구성된 다양한 전극재료로 대체한 전기삼투펌프를 제시하고자 한다.

다만, 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 더 존재할 수 있다.

상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기삼투펌프는 유체의 이동을 허용하는 멤브레인; 및 멤브레인의 양측에 각각 마련된 제1 전극 및 제2 전극을 포함하되, 제1 전극 및 제2 전극은 비투과성 기저물질(non-porous substrate material)과 그 위에 코팅된 전극 물질로 이루어진 전극으로서, 적어도 하나 이상의 유체 이동 통로가 형성된 것이고, 제1 전극 및 제2 전극의 전기화학 반응에 의해, 유체 이동 통로를 통해 유체가 이동한다.

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본 발명의 다른 실시예에 따른 유체 펌핑 시스템은 전기삼투펌프; 전기삼투펌프의 일측에 구비되어 양압과 음압이 교번하여 발생됨에 따라 형상이 변형되는 제1 격리재; 제1 격리재의 일측에 구비되어, 제1 격리재의 변형에 대응하여 이송대상유체를 흡입 및 토출하는 이송 챔버; 및 전기삼투펌프의 타측에 구비되어, 양압과 음압이 교번하여 발생됨에 따라 형상이 변형되는 제2 격리재를 포함한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 유체 펌핑 시스템의 동작 방법은 (a) 유체펌핑 시스템 중 전기삼투펌프의 제 1 전극 및 제 2 전극에 전압을 공급하는 단계; 및 (b) 전기삼투펌프의 구동에 따라, 유체 펌핑 시스템의 제1 격리재의 적어도 일부가 전진 및 후진 이동하여 제1 격리재의 일측에 구비된 이송 챔버로 이송대상유체를 흡입 및 토출시키는 단계를 포함한다.

전술한 본 발명의 과제 해결 수단에 의하면, 기존의 전기삼투펌프에서의 전극으로는 유체의 원활한 이동을 위해 백금망(Pt mesh), 다공성 탄소 종이 혹은 섬유 (carbon paper or carbon cloth) 등을 기반으로 하는 다공성 전극만 활용되었는데, 적어도 하나 이상의 유체 이동 통로가 형성된 비투과성 전극기저물질을 활용하게 되어 드롭코팅이나 스핀코팅이 가능한 다양한 전극물질을 활용한 전기삼투펌프의 구성이 가능하다.

더불어, 훨씬 다양한 전극 물질을 다양하게 전극표면에 코팅할 수 있는 확장성을 보여줄 뿐 아니라, 기판(susbstrate)을 집전체로 바로 사용할 수 있도록 해 주어 전기삼투펌프 구성의 단순성을 제공해 준다.

도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 다공성막을 통하여 유체가 이동하는 전기삼투펌프의 작용을 설명하기 위한 도면이다.
도 1b는 다공성 전극을 사용한 기존 전기삼투펌프 구성을 도시한 도면이다.
도 2a 및 도2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 비투과성 전극을 사용한 전기삼투펌프 구성을 도시한 도면이다.
도 2c 및 도 2d는 본 발명의 일 실시예에 따라 도2a의 전기삼투펌프를 이용하는 유체 펌핑 시스템의 구성을 도시하는 도면이다.
도 3의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 Ti 플레이트를 전극으로 구현한 전기삼투펌프에서 2.5 V를 Ti 전극 양단에 30 초씩 바꾸어 걸어주었을 때의 전류응답 그래프이고, 도 3의 (b)는 동일한 조건에서의 압력응답 그래프이다.
도 4의 (a)는 본 발명의 일시예에 따른 유체 이동 통로의 수를 1, 2, 5개로 달리한 Ti 플레이트에 RuOx를 드롭코팅한 전극으로 구현한 전기삼투펌프에서 2.5 V를 전극 양단에 30 초씩 바꾸어 걸어주었을 때의 전류응답 그래프이고, 도 4의 (b)는 동일한 조건에서의 압력응답 그래프이다.
도 5의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 Ti 플레이트에 RuOx를 드롭코팅하는 양을 1.05mg, 2.10 mg, 3.15 mg으로 조절하여 만든 전극으로 구현한 전기삼투펌프에서 2.5 V를 전극 양단에 10 초씩 바꾸어 걸어주었을 때의 전류응답 그래프이고, 도 5의 (b)는 동일한 조건에서의 압력응답 그래프이다.
도 6의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 Ti 플레이트에 MnOx을 드롭코팅한 전극으로 구현한 전기삼투펌프에서 2.5 V를 전극 양단에 30 초씩 바꾸어 걸어주었을 때의 전류응답 그래프이고, 도 6의 (b)는 동일한 조건에서의 압력응답 그래프이다.
도 7의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 Ti 플레이트에 철(III) 헥사시아노페레이트를 드롭코팅한 전극으로 구현한 전기삼투펌프에서 2.5 V를 전극 양단에 10 초씩 바꾸어 걸어주었을 때의 전류와 압력응답 그래프이고, 도 7의 (b)는 Ti 플레이트에 NiHCF를 드롭코팅한 전극으로 구현한 전기삼투펌프에서 2.5 V를 전극 양단에 10 초씩 바꾸어 걸어주었을 때의 전류와 압력 응답 그래프이다.
도 8의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 Ti 플레이트에 분사법으로 IrOx을 코팅한 전극으로 구현한 전기삼투펌프에서 2.5 V를 전극 양단에 10 초씩 바꾸어 걸어주었을 때의 전류응답 그래프이고, 도 8의 (b)는 동일한 조건에서의 압력응답 그래프이다.
도 9의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 Ti 플레이트에 RuOx를 드롭코팅한 전극으로 구현한 전기삼투펌프에서 2.5 V를 전극 양단에 10 초씩 바꾸어 걸어주었을 때의 전류응답 그래프이고, 도 9 의 (b)는 동일한 조건에서의 압력응답 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 가로 4 mm, 세로 8 mm의 유체 이동 통로를 뚫은 Ti 플레이트 전극 기판을 도시한 도면이다.
도 11의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 Ti 플레이트에 큰 유체 이동 통로를 뚫고 RuOx를 전착한 전극으로 구현한 전기삼투펌프에서 2.5 V를 전극 양단에 10 초씩 바꾸어 걸어주었을 때의 전류응답 그래프이고, 도 11의 (b)는 동일한 조건에서의 압력응답 그래프이다.
도 12의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 Ti 플레이트에 RuOx를 드롭코팅한 전극으로 구현한 전기삼투펌프에서 2.5 V를 전극 양단에 30 초씩 바꾸어 걸어주었을 때의 전류응답 그래프이고, 도 12의 (b)는 동일한 조건에서의 압력응답 그래프이다.
도 13의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 Ni 플레이트에 RuOx를 드롭코팅한 전극으로 구현한 전기삼투펌프에서 2.5 V를 전극 양단에 30 초씩 바꾸어 걸어주었을 때의 전류응답 그래프이고, 도 13의 (b)는 동일한 조건에서의 압력응답 그래프이다.
도 14의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 Ti 플레이트 위에 RuOx를 드롭코팅한 열압착하지 않은 전극이고, 도 14의 (b)는 Ti 플레이트 위에 RuOx을 드롭코팅한 후 열압착기를 이용하여 열압착한 전극을 도시한 것이다.
도 15의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 Ti 플레이트에 RuOx 를 드롭코팅 후 열압착한 전극으로 구현한 전기삼투펌프에서 2.5 V를 전극 양단에 10 초씩 바꾸어 걸어주었을 때의 전류응답 그래프이고, 도 15의 (b)는 동일한 조건에서의 압력응답 그래프이다.
도 16a 및 도 16b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기삼투펌프를 구성하는 전극의 제조방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 17은 본 발명의 다른 실시예에 따른 유체 펌핑 시스템의 동작 방법을 설명하기 위한 순서도이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

본 발명 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.

본 발명 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 “상에” 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.

본 발명 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 본 발명 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본 발명의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 본 발명 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "~(하는) 단계" 또는 "~의 단계"는 "~ 를 위한 단계"를 의미하지 않는다.

먼저, 본 발명에서의 비투과성의 정의는 액체나 가스가 통과할 수 있는 틈이나 구멍이 없는 것으로서, 메쉬구조 물질, 폼타입의 물질, 카본 페이퍼, 여러 입자를 집합시킨 구조체 등 다공성 물질과는 상이한 성격을 가진다. 본 발명에서는 판상형으로 형성된 비투과성 기저물질에 전극 물질을 코팅하여 형성한 전극에 유체 이동 통로를 형성하여, 유체가 전극과 멤브레인을 통과할 수 있도록 구성한다. 종래는 다공성 기저물질에 전극 물질을 코팅하는 형태로 전극을 제조하였기 때문에, 다양하지 못한 다공성 기저물질을 기반으로 공정을 처리해야하는 어려움이 있었으나, 본 발명에 따르면 다양한 종류의 비투과성 기저물질을 이용하여 전극을 형성하므로, 공정의 자유도가 높아질 수 있고, 전극의 제조 비용도 절감할 수 있다.

(예 1) 기존의 다공성 전극을 이용한 전기삼투펌프의 구성과 본 발명의 비투과성 전극을 이용한 전기삼투펌프의 구성 비교

도 1b는 다공성 전극을 사용한 기존 전기삼투펌프 구성을 도시한 도면이다.

일 예로 도시된 바와 같이 기존의 전기삼투펌프(electroosmotic pump, EOP)는 다공성 실리카 멤브레인(porous silica membrane)을 중심으로 양 옆에 각각 1개씩의 다공성 전극, 은 컨택 스트립(Ag contact strip), 지지용 프레임(frame)을 차례로 연결한 후, 에폭시(epoxy)를 이용하여 고정하여 제작된다.

도 1a 및 1b를 참조하면, 기존의 전기삼투펌프는 유체가 이동하여야 하는 유체경로부(19)에 설치되는 다공성 실리카 멤브레인(11), 멤브레인(11)의 양측에 각각 마련된 다공성 전극(13, 15), 각 전극을 연결하여 전원 전달하는 컨택 스트립(20) 및 지지용 프레임(30)을 포함한다. 컨택 스트립(20)은 전원공급부(17)와의 연결부재를 구비하여, 펌프 외부에 구비된 전원공급부(17)로부터 공급된 전원을 다공성 전극(13, 15)으로 전달한다.

도 2a 및 도2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 비투과성 전극을 사용한 전기삼투펌프 구성을 도시한 도면이다.

도 2a를 참조하면, 본 발명의 전기삼투펌프는 멤브레인(11), 제1 전극(130), 제2 전극(150) 및 한 쌍의 프레임(30)을 포함한다.

예시적으로, 도 2a에 도시된 것처럼 전기삼투펌프는 유체의 이동을 허용하는 멤브레인(11) 및 멤브레인(11)의 양측에 각각 마련된 제1 전극(130) 및 제2 전극(150)을 포함한다. 여기서, 제1 전극(130) 및 제2 전극(150)은 비투과성 기저물질(non-porous substrate material)과 그 위에 코팅된 전극 물질로 이루어진 전극으로서, 적어도 하나 이상의 유체 이동 통로가 형성된 것이다. 즉, 전기삼투펌프는 제1 전극(130) 및 제2 전극(150)의 전기화학 반응에 의해, 유체 이동 통로를 통해 유체가 이동할 수 있다.

또한, 도 2b를 참조하면, 전기삼투펌프(230)는 제 1 전극(130) 및 제 2 전극(150)의 양측에서 지지하되, 유로가 형성된 프레임(30), 제 1 전극(130) 및 제 2 전극(150)에 전압을 공급하는 전원 공급부(46)를 더 포함할 수 있다.

이와 같은 전기삼투펌프(230)는 제 1 전극(130) 및 제 2 전극(150) 각각에 전압의 극성을 교번하여 공급함으로써 정방향 및 역방향의 전기화학 반응이 반복해서 일어나도록 하여, 유체의 반복적인 왕복 이동에 의해 펌핑력을 발생시킬 수 있다. 또한, 반복적인 정방향 및 역방향의 전기화학 반응에 의해, 제 1 전극(130) 및 제 2 전극(150) 각각은 소모 및 재생이 반복될 수 있다.

일예로, 도시된 것처럼 제1 및 제2 전극(130, 150)은 비투과성 기저물질과 전극 물질로 이루어진 판형의 전극으로서, 다공성 전극이 아닌 비투과성이며, 가운데 1mm의 지름을 갖는 하나의 유체 이동 통로를 포함한다.

즉, 본 발명은 전극 물질을 드롭코팅(drop-coating) 등 다양한 방법으로 비투과성 기저물질의 표면에 부착시킴으로써, 전기삼투펌프 전극의 성능을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명은 기존의 전기삼투펌프에서 각 전극으로 전원을 전달하는 별도의 컨택 스트립(contact wire)이 필요하지 않으며, 판형의 전극 자체를 전기 접점(electrical contact)으로 활용할 수 있기 때문에, 단순한 형태의 전기삼투펌프의 구성이 가능하다.

예시적으로, 전기삼투펌프(230)는 멤브레인(11)과 제1 및 제2 전극(130, 150) 사이의 유체 흐름을 통해 양압과 음압을 발생시킨다. 또한 멤브레인(11)은 유체의 이동을 허용하도록 다공성 재질 또는 구조로 형성된다.

일 예로, 각 전극(130, 150)에 전압이 공급되면, 제1 전극(130) 및 제2 전극(150)의 전압 차이에 의해, 제1 전극(130) 및 제2 전극(150)에 산화환원 반응이 일어나 전하균형이 깨지게 되는데, 이 때, 전극(130, 150) 내에서 양이온이 유체 이동 통로를 통해 이동됨으로써 전하균형을 맞추게 된다. 이때 제1 전극(130) 및 제2 전극(150) 중 어느 하나는 전기화학 반응을 통해 양이온을 발생시키고, 다른 하나는 양이온을 소모할 수 있다. 여기서, 전기화학 반응 시 발생되고 소모되는 양이온은 1가 양이온일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 수소 이온(H+), 나트륨 이온(Na+), 칼륨 이온(K+) 등과 같이 다양한 이온을 포함할 수 있다.

이러한 산화환원 반응에 따른 이온의 이동이 멤브레인(11)을 통해 이루어지면 유체가 전극의 유체 이동 통로를 통해 이동될 수 있다. 이때 멤브레인(11)은 유체 뿐만 아니라, 이온의 이동도 허용할 수 있다. 따라서, 유체와 이온은 전극(130, 150)에 전원이 공급되면, 멤브레인(11)의 일측에서 타측으로, 또는 타측에서 일측으로 이동될 수 있다.

또한, 제1 전극(130) 및 제2 전극(150)에는 전도성고분자 전극 물질이 코팅될 수 있다. 이 경우 전극 물질에 거대음이온 고분자, 즉 음이온 고분자를 포함하면, 전극(130, 150)의 산화환원 반응 시, 음이온 고분자는 고정되어 이동될 수 없기 때문에, 양이온이 이동하며 전하균형을 맞추게 된다. 즉, 환원반응 시 고정된 음이온 고분자의 전하균형을 맞추기 위해 유체 중에 존재하는 양이온이 혼입되어 들어오게 되고 산화반응 시에는 양이온의 방출이 있게 된다. 이 양이온은 음전하로 대전된 멤브레인(11) 표면을 양단에 걸린 전압에 의해 미끄러지듯 이동하게 되고, 수화된 물분자와 이와 수소결합으로 연결된 물분자들이 연결되어 전기삼투펌프(230)가 빠른 속도로 유체를 이동시킬 수 있게 된다.

구체적으로, 비투과성 기저물질은 전도성 물질, 반도체 물질 및 비전도성 물질 중 적어도 하나로 구성된 플레이트, 포일 및 필름일 수 있다. 이때 전도성 물질은 니켈, 구리, 은, 티타늄 및 알루미늄을 포함하고, 반도체 물질은 실리콘을 포함하고, 비전도성 물질은 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, PVDF, PVDC 및 폴리이미드를 포함한다 .

예시적으로, 전극 물질은 금속, 금속 산화물(metal oxide), 전도성 고분자(conducting polymer), 금속 헥사시아노페레이트(metal hexacyanoferrate), 탄소 나노 구조체, 또는 이들의 복합체(composite)로 구성된다.

이하, 각 전극 물질의 예를 설명하면, 금속은 은, 아연, 납, 망간, 구리, 주석, 루테늄, 및 이리듐 중 적어도 하나를 포함한다. 또한 금속 산화물은 바나듐 옥사이드, 몰리브덴 옥사이드(molybdenum oxide; MoO₃), 텅스텐 옥사이드(tungsten oxide; WO₃), 루테늄 옥사이드, 이리듐 옥사이드, 망간옥사이드, 세륨옥사이드(cerium oxide; CeO₂), 및 폴리옥소메탈레이트(polyoxometalate) 중 적어도 하나를 포함한다.

전도성고분자는 폴리아닐린, 폴리아닐린의 유도체, 폴리치오펜(polythiophene), 폴리치오펜(polythiophene)의 유도체, 폴리피롤(polypyrrole), 폴리피롤(polypyrrole)의 유도체, 퀴논폴리머(quinone polymer), 퀴논폴리머의 유도체, 및 폴리타이오닌(polythionine) 중 적어도 하나를 포함한다.

금속 헥사시아노페레이트는 프러시안 블루(prussian blue, FeHCF(iron hexacyanoferrate), CuHCF(copper hexacyanoferrate), 및 CoHCF(cobalt hexacyanoferrate) NiHCF(nickel hexacyanoferrate), 중 적어도 하나를 포함한다.

탄소 나노 구조체는 탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT), 그래핀(graphene), 탄소 나노입자(carbon nanoparticle), 풀러렌(fullerene) 및 흑연(graphite) 중 적어도 하나를 포함한다. 탄소 나노 구조체 중 탄소나노튜브가 포함된 전극 물질의 복합체를 전착시킨 전극에서는, 보다 안정적이고 빠른 속도로 산화환원 반응이 일어날 수 있다.

이 외에도, 전극 물질은 전기 전도성을 가지거나 음전하를 띠는 다양한 고분자일 수 있다.

일 예로, 전술한 전극 물질은 다수의 층으로 적층된 구조로 형성될 수 있다. 또한 전극 물질은 드롭코팅(drop-coating), 딥코팅(dip-coating), 스핀코팅(spin-coating), 스프레이코팅, 프린팅, 열분해 및 전착 중 적어도 하나의 방법에 의해, 비투과성 기저물질 상에 코팅된 것일 수 있다. 이후, 제1 전극(130) 및 제2 전극(150)은 열압착 또는 데칼전사 방법에 의해, 코팅된 전극 물질의 표면이 매끄럽게 처리될 수 있다.

제1 전극(130) 및 제2 전극(150)은 전극(130, 150)의 전체 면적 대비 유체 이동 통로의 면적 비율이 0% 초과 50% 이하로 형성될 수 있다(도 10 참조). 예를 들어, 유체 이동 통로의 형상은 원형, 사각형, 또는 그 외의 여러가지 형상으로 형성될 수 있으며, 개수는 적어도 한개 또는 복수개로 형성되며, 전극 대비 유체 이동 통로의 면적 비율이 50% 이하로 형성될 수 있다.

도 2c 및 도 2d는 본 발명의 일 실시예에 따라 도2a의 전기삼투펌프를 이용하는 유체 펌핑 시스템의 구성을 도시하는 도면이다.

본 발명의 유체 펌핑 시스템(40)은 전기삼투펌프(230), 제1 격리재(210), 제2 격리재(220), 이송 챔버(240), 흡입구(240a), 토출구(240b), 압력 모니터링 챔버(250), 압력 측정부(260), 흡입밸브(270), 토출밸브(280), 레저버(41), 흡입로(42), 토출로(45), 전원 공급부(46) 및 제어 회로(47)를 포함한다.

구체적으로, 유체 펌핑 시스템(40)은 전기삼투펌프(230), 전기삼투펌프(230)의 일측에 구비되어 양압과 음압이 교번하여 발생됨에 따라 형상이 변형되는 제1 격리재(210), 제1 격리재(210)의 일측에 구비되어, 제1 격리재(210)의 변형에 대응하여 이송대상유체를 흡입 및 토출하는 이송 챔버(240) 및 전기삼투펌프(230)의 타측에 구비되어, 양압과 음압이 교번하여 발생됨에 따라 형상이 변형되는 제2 격리재(220)를 포함한다.

또한, 이송 챔버(240)의 일면에는 이송대상유체의 흡입 및 토출이 행해지는 흡입구(240a) 및 토출구(240b)가 형성되며, 흡입구(240a) 및 토출구(240b) 각각에는 이송대상유체의 흐름을 허용하거나 차단하는 흡입밸브(270) 및 토출밸브(280)가 체결된다. 이때 흡입밸브(270)는 양압 발생 시에 폐쇄되고, 음압 발생 시에 개방되며, 토출밸브(280)는 양압 발생 시에 개방되고, 음압 발생 시에 폐쇄된다.

예시적으로, 도 2c에 도시된 것처럼 전기삼투펌프(230)는 전기화학 반응을 통해 유체 및/또는 기체를 왕복 운동시키는 적어도 하나의 구성요소를 포함할 수도 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 전기삼투펌프(230)는 전기삼투 원리를 사용하여 구현될 수 있다. 이는 모세관 또는 다공성막의 양단에 전극을 이용하여 전압을 걸었을 때 생기는 전기삼투현상에 의해 유체가 이동하는 것을 이용하는 것으로, 기계식 펌프와는 달리 기계적으로 움직이는 부분이 없어 무소음이며, 걸어준 전압에 비례하여 효과적으로 유속을 조절할 수 있는 장점이 있다.

예시적으로, 격리재(210, 220)는 전기삼투펌프(230)의 적어도 일단에 설치되어 유체와 이송대상유체를 분리한다. 격리재(210, 220)는 유체와 이송대상유체가 섞이는 것이 방지되도록 유체가 들어있는 공간과 이송대상유체가 들어있는 공간을 구획하면서, 유체의 이동에 의해 발생되는 펌핑력을 이송대상유체에 전달하는 역할을 한다.

즉, 전기삼투펌프(230)의 양측에 구성된 제1 및 제2 격리재(210, 220)는, 비제한적인 예시로서, 슬라이더, 오일 갭(oil gap)을 형성하도록 하는 오일, 탄성을 가진 얇은 막으로 이루어지는 천연 고무, 합성 고무, 고분자물질, 금속판 등으로 제작되며, 전기삼투펌프(230)의 구동에 따라 음압과 양압이 교번하여 발생됨에 따라 적어도 일부가 전진 및 후진 이동 되어 이송 챔버(240) 및 압력 모니터링 챔버(250)로 음압과 양압을 전달한다.

예시적으로, 제1 격리재(210)는 전기삼투펌프(230)의 구동에 의해 발생된 음압과 양압을 이송대상유체로 전달한다. 보다 구체적으로, 음압이 발생하면, 제1 격리재(210)의 적어도 일부가 후진되어(즉, 도 2c를 기준으로 제1 격리재(210)의 일부가 압력 모니터링 챔버(250) 방향으로 이동되는 경우(긴 점선으로 도시됨), 이송대상유체가 이송 챔버(240)로 흡입되며, 반대로 양압이 발생하면, 제1 격리재(210)의 적어도 일부가 전진되어(즉, 도 2c를 기준으로 제1 격리재(210)의 일부가 이송 챔버(240) 방향으로 이동되는 경우(짧은 점선으로 도시됨), 이송대상유체가 이송 챔버(240)로부터 토출된다.

이때, 이송대상유체의 흡입 및 토출은 이송 챔버(240)의 일면에 형성된 흡입구(240a)와 토출구(240b)를 통해 행해진다. 흡입구(240a)와 토출구(240b) 각각에는 이송대상유체의 흐름을 허용하거나 차단하는 흡입밸브(270)와 토출밸브(280)가 체결되어, 이송대상유체가 흡입구(240a)를 통해 흡입되고 토출구(240b)를 통해 토출되도록 할 수 있다. 다시 말해, 흡입밸브(270)는 제1 격리재(210)의 전진시 폐쇄되고 후진시 개방되며, 토출밸브(280)는 제1 격리재(210)의 전진시 개방되고 후진시 폐쇄된다. 이러한 흡입밸브(270)와 토출밸브(280)는, 예시적으로 체크밸브(check valve)일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 서로 반대로 작동하는 개폐장치일 수도 있다.

제2 격리재(220)는 제1 격리재(210)와 마찬가지로, 전기삼투펌프(230)의 구동에 의해 후진과 전진을 반복한다. 이에 따라, 제2 격리재(220)의 운동에 의해, 압력 모니터링 챔버(250) 내의 공기 압력은 변화한다. 즉, 음압이 발생하면, 제2 격리재(220)의 적어도 일부가 후진되어(즉, 도 2c를 기준으로 제2 격리재(220)가 일부가 압력 모니터링 챔버(250) 방향으로 이동되는 경우(긴 점선으로 도시됨) 압력 모니터링 챔버(250)의 압력이 높아지며, 반대로 양압이 발생하면, 제2 격리재(220)의 적어도 일부가 전진되면(즉, 도 2c를 기준으로 이송 챔버(240) 방향으로 이동되는 경우(짧은 점선으로 도시됨), 압력 모니터링 챔버(250)의 공기 압력은 낮아진다.

압력측정부(260)는 압력 모니터링 챔버(250) 내부에 구비되어, 압력 모니터링 챔버(250) 내의 압력을 감지하여 전기 신호로 변환한다. 예시적으로, 압력측정부(260)는 제2 격리재(220)가 변형됨에 따른 압력 모니터링 챔버(250)의 용량변화, 자력세기 변화, 저항 변위 또는 전압 변위 등을 기초로 압력값을 검출하는 압력센서일 수 있다. 또는 압력측정부(260)는 제2 격리재(220)에 체결되거나 제2 격리재(220)와 일체형으로 형성되어, 제2 격리재(220)의 변형도를 기초로 압력값을 검출하는 압력센서일 수 있다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니며, 압력측정부(260)는 다양한 방식으로 압력 모니터링 챔버(250) 내부의 압력을 측정할 수 있다.

또한 도 2d를 참조하면, 유체 펌핑 시스템(40)은 도2c에 도시된 전기삼투펌프의 구성, 이송대상유체가 저장된 레저버(41)에서 토출된 이송대상유체가 이송 챔버(240)로 흡입되는 유체이송로인 흡입로(42), 이송 챔버(240)에서 토출된 이송대상유체의 유체이송로인 토출로(45), 제2 격리재(220)의 일측에 구비되어, 제2 격리재(220)의 변형에 대응하여 압력이 변화하는 압력 모니터링 챔버(250), 압력 모니터링 챔버(250)의 압력 변화를 측정하는 압력측정부(260), 및 압력측정부(260)에서 측정된 압력값을 모니터링하여 전기삼투펌프(230)의 이상을 검출하는 제어 회로(47)를 포함한다. 또한, 유체 펌핑 시스템(40)은 전기삼투펌프(230)와 제어 회로(47)로 전원을 공급하는 전원 공급부(46)를 더 포함한다.

흡입로(42)는 레저버(41)의 토출구 및 흡입밸브(270)(또는 이송 챔버(240)의 흡입구(240a)) 각각에 양 끝단이 체결되어, 레저버(41)에 저장된 이송대상유체를 이송 챔버(240)로 이동시킨다. 토출로(45)는 토출밸브(280)(또는 이송 챔버(240)의 토출구(240b))에 일단이 체결되고 타단은 대상체에 삽입되어 이송대상유체를 대상체로 운송(즉, 주입)하도록 형성된다. 예시적으로, 토출로(45)는 타단에 니들(needle), 캐뉼라(cannula) 및/또는 카테터(catheter)일 수 있다.

레저버(41)는 외부의 기체 및 이온에 대해 차단 가능한 소재로 형성되는 이송대상유체를 저장하는 저장용기로, 일측에 흡입로(42)가 체결되어 전기삼투펌프(230)의 구동에 동기화되어 이송대상유체를 토출한다. 즉, 전기삼투펌프(230)의 구동에 의해 음압이 발생하면 흡입밸브(270)가 개방되어 레저버(41)에 저장된 이송대상유체가 흡입로(42)를 통해 흡입밸브(270)로 이동된다. 반대로 양압이 발생하면, 흡입밸브(270)는 폐쇄되어 이송대상유체의 이동이 정지된다. 이 경우 토출밸브(280)가 개방되므로, 토출밸브(280)에 체결된 토출로(45)를 통해 이송대상유체가 대상체로 주입될 수 있다.

(예 2) 비투과성 판형 기저물질을 사용한 전극의 전기삼투펌프로의 사용 가능성 확인

도 3의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 Ti 플레이트(Ti plate)를 전극으로 구현한 전기삼투펌프에서 2.5 V를 Ti 전극 양단에 30 초씩 바꾸어 걸어주었을 때의 전류응답 그래프이고, 도 3의 (b)는 동일한 조건에서의 압력응답 그래프이다.

도 3을 참조하면, 맨 처음으로는 다른 전극 물질 코팅 없이 비투과성 기저물질(substrate material)인 Ti 플레이트(titanium plate)만을 이용하였다. 여기에 작은 유체 이동 통로를 통해서 유체가 흐르며 압력을 나타낼 수 있는지 확인하기위해 Ti 플레이트를 이용한 전기삼투펌프의 성능을 확인해 보았다(도3, 표1). 구동 조건은 +2.5 V, -2.5 V, 각 30 sec 펄스 시간, 연속 구동으로 0.5 mM Li₂SO₄ 펌핑용액에서 구동하였다. 실험을 위한 전기삼투펌프의 구성은 도2와 같고, 다공성 실리카 멤브레인은 두께 2 mm, 가로 6 mm, 세로 10 mm 크기를 사용하였고, 전극 겸 기판은 가로 6 mm, 세로 15 mm의 Ti 플레이트를 사용하였다.

표1. Ti 플레이트를 이용한 전기삼투펌프의 유속 및 압력 확인

표1을 참조하면 즉, Ti 플레이트 기판만의 비투과성 전극을 이용한 경우 유체가 흐를 수 있지만, 유량이나 압력이 극히 미미하다는 것을 알 수 있다.

(예 3) 전극 물질을 활용한 비투과성 전극의 성능 향상 및 다공성 전극과의 비교

(예2)에서 Ti 플레이트만의 비투과성 기저물질에 작은 유체 이동 통로 하나만 있어도 유체가 흐르고 압력이 나타나긴 하지만, 전극의 성능이 좋지 않아 펌프로서 낮은 성능을 보여주었다. 이에 전극 물질을 추가적으로 코팅하여 전극의 성능을 향상시켰다. 피펫으로 일정량의 전극 물질 슬러리(slurry)를 떨어뜨려 코팅하는 드롭코팅 방식을 사용하였다. 90 ℃ 핫(hot) 플레이트 위에서 전극 물질을 코팅하는 작업을 통해 20분 내로 건조가 가능하게 하였다. 일 예로 전극 물질인 RuOx를 1mm 유체 이동 통로가 가운데 하나 있는 Ti 플레이트에 드롭코팅 하였다. 또한, 다공성탄소종이(porous carbon paper)에 구성되는 다공성 전극은 탄소전극 위에 RuOx 슬러리를 붓을 이용해 발라준 후 110 ℃ 오븐에서 말려 구성하였다. 이 경우는 전극물질의 손실도 많고, 탄소전극 위에 코팅된 실제 RuOx의 양을 파악하기 어려웠다. 이들의 전극 성능을 비교, 확인하기 위해 전기삼투펌프에 적용하여, +2.5 V, -2.5 V, 각 30 sec 펄스 시간(pulse time), 연속 구동으로 0.5 mM Li₂SO₄ 펌핑용액에서 구동 성능을 비교하였다 (표2). 실험을 위한 전기삼투펌프를 구성할 때 Ti 플레이트를 사용한 전기삼투펌프는 도2와 같이 다공성 실리카 멤브레인은 두께 2 mm, 가로 6 mm, 세로 10 mm 크기를 사용하였다. 비투과성 경우 전극 겸 기판은 가로 6 mm, 세로 15 mm의 Ti 플레이트를 사용하였다. 다공성 탄소 종이 전극에 구현된 RuOx 전극은 가로 6 mm, 세로 10 mm를 사용하였으며 컨택 와이어(contact wire)로는 은 와이어(silver wire)를 사용하였다.

표2. Ti 플레이트에 RuOx를 드롭코팅 하였을 때와 탄소 종이 전극에 RuOx를 코팅 하였을 때 전기삼투펌프의 성능

표 1 및 표2를 참조하면, Ti 플레이트에 효율적인 전극 물질을 코팅한 것(표2 상단부)은 Ti 플레이트만을 사용한 경우(표1)와 비교하여 전기삼투펌프의 성능인 유량/전력(Flow/power)과 압력(Pressure)이 많이 향상되었음을 알 수 있다.

또한, 다공성 탄소종이전극에 구현된 것과 비교하였을 때(표2 하단부), Ti 플레이트를 이용한 전극이 더 높은 압력과 유량/전력을 보임을 알 수 있다. 즉, 효율적인 전극의 코팅으로 펌프의 성능이 향상된 것을 알 수 있다.

다공성 탄소 종이 전극에 전극 물질을 붓으로 코팅하는 방식은 전극 물질을 코팅하는 과정에서 기저물질의 다공성 유로를 통해 전극 물질이 통과하게 되고 코팅되는 전극 물질의 양을 일정하게 만들 수 없었다. 반면에 피펫을 이용하여 Ti 플레이트에 드롭코팅하는 방식은 일정량의 전극 물질을 사용하여 효율적이며 재현성 있는 전극을 제작할 수 있었다. 또한 쉽게 부서지는 탄소 종이 전극과 비교하여, Ti 플레이트를 사용함으로써 높은 강도의 전극을 구현할 수 있었다. 또한, 전기적인 컨택(contact)을 따로 구성할 필요 없이, 기저물질인 Ti 플레이트가 전기적 도체로서 바로 전기적 컨택으로 활용하여 구성을 단순화시킬 수 있었다.

(예 4) 비투과성전극의 유체 이동 통로 수에 따른 전기삼투펌프 성능 비교

도 4의 (a)는 본 발명의 일시예에 따른 유체 이동 통로의 수를 1, 2, 5개로 달리한 Ti 플레이트에 RuOx를 드롭코팅한 전극으로 구현한 전기삼투펌프에서 2.5 V를 전극 양단에 30 초씩 바꾸어 걸어주었을 때의 전류응답 그래프이고, 도 4의 (b)는 동일한 조건에서의 압력응답 그래프이다.

비투과성 전극의 유체 이동 통로 수에 따라 유체가 흐르는 정도를 확인하기위해 Ti 플레이트에 유체 이동 통로수를 달리하여 비교하였다. 구체적으로, 각각의 Ti 플레이트에 유체가 이동할 수 있는 1mm 홀의 개수를 1개, 2개, 5개로 각각 뚫은 후 RuOx 슬러리를 드롭코팅한 전극의 성능을 전기삼투펌프에 적용하여 확인하였다(도4, 표3). 구동 조건은 +2.5 V, -2.5 V, 각 30 sec 펄스 시간, 연속 구동으로 0.5 mM Li₂SO₄ 펌핑용액에서 구동하였다. 실험을 위한 전기삼투펌프를 구성할 때 도2와 같이 다공성 실리카 멤브레인은 두께 2 mm, 가로 6 mm, 세로 10 mm 크기를 사용하였고, 전극 겸 기판은 가로 6 mm, 세로 15 mm의 Ti 플레이트를 사용하였다.

표3. 비투과성 전극의 유체 이동 통로 수에 따른 전기삼투펌프의 성능

표 3을 참조하면, Ti 플레이트에 뚫린 유체 이동 통로의 수를 달리하여 성능을 비교하였을 때, 유체 이동 통로를 5개를 뚫는 것이 약간 더 높은 효율을 보이지만, 유체 이동 통로 1개와 큰 차이 없고 기존의 펌프와 비슷한 성능을 보이는 것을 확인하였다. 이를 통해 많은 수의 유로을 사용하지 않고 유체가 이동할 수 있는 작은 통로 하나만 있어도 전기삼투펌프의 성능에 큰 차이가 없이 구동되는 것을 확인하였다.

(예 5) RuOx기반 비투과성 전극의 코팅 양에 따른 성능

도 5의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 Ti 플레이트에 RuOx를 드롭코팅하는 양을 1.05mg, 2.10 mg, 3.15 mg으로 조절하여 만든 전극으로 구현한 전기삼투펌프에서 2.5 V를 전극 양단에 10 초씩 바꾸어 걸어주었을 때의 전류응답 그래프이고, 도 5의 (b)는 동일한 조건에서의 압력응답 그래프이다.

도 5를 참조하면 (예 4)에서 비투과성 판형 기저물질에 드롭코팅을 통해 정량 코팅이 가능함을 확인하였고 이에 따라 전극 위에서 전극물질의 양을 조절할 수 있게 되었다. 전극물질의 양을 다르게 조절함으로써 전극의 성능을 조절할 수 있는지 확인하기위해 비투과성 기저물질 위에 전극물질의 코팅 양을 달리하여 전극의 성능 차이를 확인했다. 일 예로 Ti 플레이트 위에 RuOx의 코팅 양을 다르게 하여 가로 6 mm, 세로 15 mm 전극위에 RuOx가 각각 1.05 mg, 2.10 mg, 3.15 mg이 코팅되도록 전극을 제작하였다. 전극의 성능을 확인하기 위해 전기삼투펌프에 적용하여 확인하였다(도5, 표4). 구동 조건은 +2.5 V, -2.5 V, 각 10 sec 펄스 시간, 연속 구동으로 0.5 mM Li₂SO₄ 펌핑용액에서 구동하였다. 실험을 위한 전기삼투펌프를 구성할 때 도2와 같이 다공성 실리카 멤브레인은 두께 2 mm, 가로 6 mm, 세로 10 mm 크기를 사용하였다.

표4. Ti 플레이트에 RuOx의 양을 달리하여 드롭코팅 하였을 때의 전기삼투펌프의 성능

표 4를 참조하면, Ti 플레이트 위에 RuOx의 코팅 양을 달리 하였을 때 전극물질의 양이 증가할수록 전류 및 유량이 증가되었다. 이에 따라서 비투과성 기저물질 위에 전극물질을 정량적으로 양을 달리하여 코팅함으로써 전극의 성능을 조절할 수 있음을 확인하였다.

(예 6) MnOx 기반 비투과성 전극

도 6의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 Ti 플레이트에 MnOx을 드롭코팅한 전극으로 구현한 전기삼투펌프에서 2.5 V를 전극 양단에 30 초씩 바꾸어 걸어주었을 때의 전류응답 그래프이고, 도 6의 (b)는 동일한 조건에서의 압력응답 그래프이다.

도 6을 참조하면, 앞서 언급한 바와 같이 작은 유체 이동 통로가 뚫린 비투과성 판형 기저물질은 다양한 전극 물질을 올려 전기삼투펌프에 적용할 수 있다. 앞서 (예 4)에서 RuOx를 코팅하여 적용할 수 있음을 확인하였고, 또 다른 일 예로 비투과성 Ti 플레이트 위에 MnOx를 드롭코팅 해주었고 전기삼투펌프에 적용하여 성능을 확인하였다(도6, 표5). 구동 조건은 +2.5 V, -2.5 V, 각 30 sec 펄스 시간, 연속 구동으로 0.5 mM Li₂SO₄ 펌핑용액에서 구동하였다. 실험을 위한 전기삼투펌프를 구성할 때 도2와 같이 다공성 실리카 멤브레인은 두께 2 mm, 가로 6 mm, 세로 10 mm 크기를 사용하였고, 전극 겸 기판은 가로 6 mm, 세로 15 mm의 Ti 플레이트를 사용하였다.

표5. Ti 플레이트에 MnOx을 드롭코팅 하였을 때의 전기삼투펌프의 성능

표 5를 참조하면, 비투과성 금속 기저물질에 MnOx을 코팅하여 전극을 제작하고 전기삼투펌프에 적용하여 성능을 확인하였을 때 MnOx를 기반으로 하는 전기삼투펌프의 성능이 구현됨을 확인하였다. 즉, 다양한 전극 물질을 비투과성 기저물질에 도입 가능함을 확인하였다.

(예 7) 금속 헥사시아노페레이트(Metal hexacyanoferrate) 기반 비투과성 전극

도 7의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 Ti 플레이트에 철(III) 헥사시아노페레이트(PB, Prussian Blue)를 드롭코팅한 전극으로 구현한 전기삼투펌프에서 2.5 V를 전극 양단에 10 초씩 바꾸어 걸어주었을 때의 전류와 압력응답 그래프이고, 도 7의 (b)는 Ti 플레이트에 NiHCF(Nickel Hexacycnoferrate)를 드롭코팅한 전극으로 구현한 전기삼투펌프에서 2.5 V를 전극 양단에 10 초씩 바꾸어 걸어주었을 때의 전류와 압력 응답 그래프이다.

도 7을 참조하면 다양한 전극 물질을 비투과성 기저물질에 코팅하여 성능을 확인하기 위해 금속 헥사시아노페레이트의 한 계열인 철(III) 헥사시아노페레이트(PB)와 NiHCF를 Ti 플레이트에 드롭코팅하여 전극을 제작하였다. 전극의 성능을 확인하기위해 전기삼투 펌프에 적용하여 성능을 확인하였다(도7, 표6). 구동 조건은 +2.5 V, -2.5 V, 각 10 sec 펄스 시간, 연속 구동으로 0.5 mM CH₃COOK 펌핑용액에서 구동하였다. 실험을 위한 전기삼투펌프를 구성할 때 도2와 같이 다공성 실리카 멤브레인은 두께 2 mm, 가로 6 mm, 세로 10 mm 크기를 사용하였고, 전극 겸 기판은 가로 6 mm, 세로 15 mm의 Ti 플레이트를 사용하였다.

표 6. Ti 플레이트에 PB(철(III) 헥사시아노페레이트)와 NiHCF(nickel hexacyanoferrate)를 각각 드롭코팅 하였을 때의 전기삼투펌프의 성능

표 6을 참조하면, Ti 플레이트위에 코팅된 철(III) 헥사시아노페레이트와 NiHCF가 전극 물질로 기능함을 확인하였다. 즉, 코팅 가능한 전극 물질이 제한적인 다공성 기저물질(ex. 탄소 종이 전극)과 비교하여 비투과성 판형 금속 기저물질에 다양한 전극 물질을 코팅함으로써 기저물질 위에서 전극 물질 종류에 따른 기능이 구현된다는 것을 다시 한번 확인했다.

(예 8) IrOx 기반 비투과성 전극

도 8의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 Ti 플레이트에 분사법으로 IrOx을 코팅한 전극으로 구현한 전기삼투펌프에서 2.5 V를 전극 양단에 10 초씩 바꾸어 걸어주었을 때의 전류응답 그래프이고, 도 8의 (b)는 동일한 조건에서의 압력응답 그래프이다.

도 8을 참조하면, 다양한 코팅 방법을 이용해 비투과성 판형 금속 기저물질에 전극 물질을 코팅할 수 있다. 분사법을 이용하여 전극 물질을 코팅한 비투과성 전극의 일 예로 IrOx 기반 비투과성 전극을 활용하였다. Ti 기판 위에 IrCl₃와 미량의 TaCl₃를 분사 후 열분해법을 이용하여 IrOx를 생성하였고 기판 가운데에 작은 유체 이동 통로를 뚫어주었다. 전극의 성능을 확인하기위해 전기삼투펌프에 적용하여 성능을 확인하였다(도8, 표7). 구동 조건은 +2.5 V, -2.5 V, 각 10 sec 펄스 시간, 연속 구동으로 0.1 mM Li₂SO₄ 펌핑용액에서 구동하였다. 실험을 위한 전기삼투펌프를 구성할 때 도2와 같이 다공성 실리카 멤브레인은 두께 2 mm, 가로 6 mm, 세로 10 mm 크기를 사용하였고, 전극 겸 기판은 가로 6 mm, 세로 15 mm의 Ti 플레이트를 사용하였다.

표 7. IrOx 기반 비투과성 전극을 이용한 전기삼투펌프의 성능

표 7을 참조하면, 분사법을 이용한 코팅 방법으로 제작된 전극도 전기삼투펌프에서 좋은 성능을 보임을 확인하였다. 즉, 다양한 방법의 코팅으로 만들어진 전극이 전기삼투펌프에 적용 가능함을 확인하였다. 또한 Ti 플레이트 위에 코팅된 IrOx가 전극 물질로서 가능함을 확인하였다.

(예 9) 전착 방법을 이용한 RuOx 기반 비투과성 전극의 활용

도 9의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 Ti 플레이트에 RuOx를 전착한 전극으로 구현한 전기삼투펌프에서 2.5 V를 전극 양단에 10 초씩 바꾸어 걸어주었을 때의 전류응답 그래프이고, 도 9 의 (b)는 동일한 조건에서의 압력응답 그래프이다.

도 9를 참조하면, 비투과성 전극 위에 전착하여 전극을 제작하고 이를 전기삼투펌프에 적용 가능하다. 일 예로 RuOx를 Ti 플레이트에 전착하여 전극을 제작하여 전기삼투펌프의 성능을 확인하였다(도9, 표8). 구동 조건은 +2.5 V, -2.5 V, 각 10 sec 펄스 시간, 연속 구동으로 0.5 mM Li₂SO₄ 펌핑용액에서 구동하였다. 실험을 위한 전기삼투펌프를 구성할 때 도2와 같이 다공성 실리카 멤브레인은 두께 2 mm, 가로 6 mm, 세로 10 mm 크기를 사용하였고, 전극 겸 기판은 가로 6 mm, 세로 15 mm의 Ti 플레이트를 사용하였다.

표 8. Ti 플레이트에 RuOx를 전착하였을 때 전기삼투펌프의 성능

표 8을 참조하면, 전착을 이용하여 제작된 비투과성 전극이 전기삼투펌프에 적용될 수 있음을 확인하였다. 즉, 다양한 코팅 방법을 전기삼투펌프의 전극 제작에 활용할 수 있음을 확인하였다.

(예 10) 비투과성 전극에 뚫린 공간의 모양, 크기에 따른 전기삼투펌프의 성능

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 가로 4 mm, 세로 8 mm의 유체 이동 통로를 뚫은 Ti 플레이트 전극 기판을 도시한 도면이다.

도 11의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 Ti 플레이트에 큰 유체 이동 통로를 뚫고 RuOx를 전착한 전극으로 구현한 전기삼투펌프에서 2.5 V를 전극 양단에 10 초씩 바꾸어 걸어주었을 때의 전류응답 그래프이고, 도 11의 (b)는 동일한 조건에서의 압력응답 그래프이다.

도 10을 참조하면, 앞서 (예 4) 비투과성전극의 유체 이동 통로 수에 따른 전기삼투펌프 성능을 비교해보았다. 1 mm의 작은 유체 이동 통로의 수를 늘려 유로를 확보하는 방법뿐만 아니라 큰 유체 이동 통로 하나만을 가지는 전극을 제작해보았다. 일 예로 전극의 성능 확인을 위하여 가로 6 mm, 세로 15 mm 크기의 Ti 플레이트에 가로 4 mm, 세로 8 mm의 유체 이동 통로를 뚫은 후 RuOx를 전착시켜 주었다(도10).

도 11을 참조하면, 앞서 만든 전극을 전기삼투펌프에 적용하여 성능을 확인하였다(도11, 표9). 구동 조건은 +2.5 V, -2.5 V, 각 10 sec 펄스 시간, 연속 구동으로 0.5 mM Li₂SO₄ 펌핑용액에서 구동하였다. 실험을 위한 전기삼투펌프를 구성할 때 도2와 같이 다공성 실리카 멤브레인은 두께 2 mm, 가로 6 mm, 세로 10 mm 크기를 사용하였다.

표 9. 큰 유체 이동 통로 하나를 가지는 비투과성전극을 적용한 전기삼투펌프의 성능

표 9를 참조하면, 가로 4 mm, 세로 8mm의 큰 유체 이동 통로를 뚫은 전극은 기존 1 mm 유체 이동 통로가 있는 전극이 가지는 성능의 반 정도의 작은 유속과 압력을 가지지만 전기삼투펌프로서 기능이 구현되는 것을 확인하였다. 비투과성 기저물질에 유체 이동 통로를 뚫어 전극으로 사용할 때 크고, 작은 것에 따라 성능의 차이는 있으나 (실제로는 사용되는 전극 면적에 따른 것임) 그 크기와 상관없이 전극으로써 기능을 하면서 유로 확보가 가능한 것을 확인하였다.

(예 11) 다양한 판형 기저물질을 이용한 전극의 성능

도 12의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 Ti 플레이트에 RuOx를 드롭코팅한 전극으로 구현한 전기삼투펌프에서 2.5 V를 전극 양단에 30 초씩 바꾸어 걸어주었을 때의 전류응답 그래프이고, 도 12의 (b)는 동일한 조건에서의 압력응답 그래프이다.

도 13의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 Ni 플레이트에 RuOx를 드롭코팅한 전극으로 구현한 전기삼투펌프에서 2.5 V를 전극 양단에 30 초씩 바꾸어 걸어주었을 때의 전류응답 그래프이고, 도 13의 (b)는 동일한 조건에서의 압력응답 그래프이다.

도 12 및 도13를 참조하면, 다양한 종류의 금속 판형 기저물질을 이용하여 전극을 만들어 전기삼투펌프에 적용하였다. 일 예로 Ti은 뛰어난 내식성으로 매우 안정한 물질이다. 따라서 원하는 반응만 살펴보기 쉽기 때문에 전기삼투펌프의 기저물질로 사용해 보았고 또 다른 금속 기저물질인 nickel 플레이트를 이용하여 전극을 만들었다. 다양한 금속 기저물질로 제작한 전극을 전기삼투펌프에 적용하여 성능을 확인하였다(도12, 11, 표9). 구동 조건은 +2.5 V, -2.5 V, 각 30 sec 펄스 시간, 연속 구동으로 0.5 mM Li₂SO₄ 펌핑용액에서 구동하였다. 실험을 위한 전기삼투펌프를 구성할 때 도2와 같이 다공성 실리카 멤브레인은 두께 2 mm, 가로 6 mm, 세로 10 mm 크기를 사용하였고, 전극 겸 기판은 가로 6 mm, 세로 15 mm의 Ti 플레이트를 사용하였다.

표 10. 다양한 금속 기저물질에 RuOx를 드롭코팅 하였을 때 전기삼투펌프의 성능

표 10을 참조하면, Ti 플레이트와 Ni 플레이트 모두 전기삼투펌프에서 유체가 흐를 수 있는 전극의 형태임을 확인했다. 다양한 비투과성 판형 금속 기저물질을 활용하여 전극을 제작하고 전기삼투펌프에 적용 가능함을 확인하였다. 즉, 도체를 기저물질로 사용하여 전극물질을 코팅하면 동일하게 전기삼투펌프의 구성이 가능함을 확인할 수 있었다.

(예 12) 열압착법을 이용한 전극

도 14의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 Ti 플레이트 위에 RuOx를 드롭코팅한 열압착하지 않은 전극이고, 도 14의 (b)는 Ti 플레이트 위에 RuOx을 드롭코팅한 후 열압착기를 이용하여 열압착한 전극을 도시한 것이다.

도 14를 참조하면, 기존에 사용하던 다공성 전극과 비교하여 플레이트 형태의 전극은 단단한 형태이기 때문에 외부 자극에 쉽게 변형되지 않는다. 따라서 고온, 고압으로 전극 표면을 매끄럽게 만들어 줄 수 있는 열압착법을 전극 제작 방식에 도입하였다. 일 예로 Ti 플레이트 위에 RuOx를 드롭코팅하여 전극을 제작한 후 압력 20 MPa, 온도 100 ℃, 10분동안 열압착을 하여 전극의 변형 정도를 확인하였다.

고온, 고압의 외부 자극에도 기존의 전극 기판 형태를 유지하면서 전극 물질 표면을 매끄럽게 만들어 줄 수 있음을 확인하였다. 열압착기를 이용하여 제작한 전극의 성능을 확인하기위해 전기삼투펌프에 적용하였다(도14, 표10).

도 15의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 Ti 플레이트에 RuOx 를 드롭코팅 후 열압착한 전극으로 구현한 전기삼투펌프에서 2.5 V를 전극 양단에 10 초씩 바꾸어 걸어주었을 때의 전류응답 그래프이고, 도 15의 (b)는 동일한 조건에서의 압력응답 그래프이다.

도 15를 참조하면 구동 조건은 +2.5 V, -2.5 V, 각 10 sec 펄스 시간, 연속 구동으로 0.5 mM Li₂SO₄ 펌핑용액에서 구동하였다. 실험을 위한 전기삼투펌프를 구성할 때 도2와 같이 다공성 실리카 멤브레인은 두께 2 mm, 가로 6 mm, 세로 10 mm 크기를 사용하였고, 전극 겸 기판은 가로 6 mm, 세로 15 mm의 Ti 플레이트를 사용하였다.

표 11. RuOx를 드롭코팅 한 후 열압착한 전극을 사용한 전기삼투펌프의 성능

표 11을 참조하면, 비투과성 기저물질 전극에 강한 외부 자극을 주어도 기존의 성능을 나타냄을 확인하였다. 또한 전극의 표면 처리 방법 중 하나인 열압착법을 전극 제작 방법에 도입할 수 있음을 확인하였다. 따라서 비투과성 판형 기저물질을 사용한 전극에 다양한 방법의 외부 처리를 한 후 전기삼투펌프에 적용 가능함을 확인하였다.

이하, 상술한 도 2a 내지 도15에 도시된 구성 중 동일한 기능을 수행하는 구성의 경우 설명을 생략하기로 한다.

도 16a 및 도 16b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기삼투펌프를 구성하는 전극의 제조방법을 설명하기 위한 순서도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 전기삼투펌프를 구성하는 전극의 제조방법은 비투과성 기저물질(non-porous substrate material)로 이루어진 판상형 기재에 하나 또는 그 이상의 유체 이동 통로를 형성하는 단계(S110) 및 기재에 전극 물질을 코팅하는 단계(S120)를 포함한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 전기삼투펌프를 구성하는 전극의 제조방법은 비투과성 기저물질(non-porous substrate material)로 이루어진 판상형 기재에 전극 물질을 코팅하는 단계(S210) 및 기재에 하나 또는 그 이상의 유체 이동 통로를 형성하는 단계(S220)를 포함한다.

전기삼투펌프는 유체의 이동을 허용하는 멤브레인(11) 및 멤브레인(11)의 양측에 각각 마련된 제1 전극(130) 및 제2 전극(150)을 포함하되, 제1 전극(130) 및 제2 전극(150)은 S110단계와 S120단계 또는 S210단계와 S220단계를 포함한 방법에 의해 제조된 전극이고, 제1 전극(130) 및 제2 전극(150)의 전기화학 반응에 의해, 전극(130, 150)의 유체 이동 통로를 통해 유체가 이동할 수 있다.

코팅하는 단계(S110, S210)는 드롭코팅(drop-coating), 딥코팅(dip-coating), 스핀코팅(spin-coating), 스프레이코팅, 프린팅, 열분해 및 전착 중 적어도 하나의 방법에 의해, 전극 물질을 코팅할 수 있다.

도 17은 본 발명의 다른 실시예에 따른 유체 펌핑 시스템의 동작 방법을 설명하기 위한 순서도이다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 유체 펌핑 시스템의 동작 방법은 유체펌핑 시스템(40) 중 전기삼투펌프(230)의 제 1 전극(130) 및 제 2 전극(150)에 전압을 공급하는 단계(S310), 전기삼투펌프(230)의 구동에 따라, 유체 펌핑 시스템(40)의 제1 격리재(210)의 적어도 일부가 전진 및 후진 이동하여 제1 격리재(210)의 일측에 구비된 이송 챔버(240)로 이송대상유체를 흡입 및 토출시키는 단계(S320), 유체 펌핑 시스템(40)의 제2 격리재(220)의 일측에 구비된 압력 모니터링 챔버(250)의 압력 변화를 모니터링하는 단계(S330) 및 일정 시간 동안 측정된 압력값의 변화 패턴 및 일정 시간 동안 측정된 압력값의 평균값을 기초로 전기삼투펌프(230)의 이상을 검출하는 단계(S340)를 포함한다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

11: 멤브레인 13, 15: 다공성 전극
17, 46: 전원 공급부 19: 유체경로부
20: 스트립 30: 프레임
130: 제1 전극 150: 제2 전극
210: 제1 격리재 220: 제2 격리재
230: 전기삼투펌프
240: 이송 챔버
240a: 흡입구 240b: 토출구
250: 압력 모니터링 챔버 260: 압력 측정부
270: 흡입밸브 280: 토출밸브
40: 유체 펌핑 시스템
41: 레저버 42: 흡입로
45: 토출로 47: 제어 회로

Claims

전기삼투펌프에 있어서,
유체의 이동을 허용하는 멤브레인; 및
상기 멤브레인의 양측에 각각 마련된 제1 전극 및 제2 전극을 포함하되,
상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 비투과성 기저물질(non-porous substrate material)과 그 위에 코팅된 전극 물질로 이루어진 전극으로서, 적어도 하나 이상의 유체 이동 통로가 형성된 것이고,
상기 제1 전극 및 상기 제2 전극의 전기화학 반응에 의해, 상기 유체 이동 통로를 통해 유체가 이동하는 것인, 전기삼투펌프.
제 1 항에 있어서,
상기 비투과성 기저물질은 전도성 물질, 반도체 물질 및 비전도성 물질 중 적어도 하나로 구성된 판상형 기재인 것인, 전기 삼투 펌프.
제 1 항에 있어서,
상기 전극 물질은 다수의 층으로 적층된 구조로 형성된 것인, 전기삼투펌프.
제 1 항에 있어서,
상기 제1 전극 또는 제2 전극은 상기 전극의 전체 면적 대비 상기 유체 이동 통로의 면적 비율이 0% 초과 50% 이하로 형성된 것인, 전기삼투펌프.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 전극 및 제 2 전극의 양측에서 지지하되, 유로가 형성된 프레임을 더 포함하는 것인, 전기삼투펌프.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 전극 및 제 2 전극에 전압을 공급하는 전원 공급부를 더 포함하는 것인, 전기삼투펌프.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 전극 및 제 2 전극 각각에 전압의 극성을 교번하여 공급함으로써 정방향 및 역방향의 상기 전기화학 반응이 반복해서 일어나도록 하여, 상기 유체의 반복적인 왕복 이동에 의해 펌핑력을 발생시키는 것인, 전기삼투펌프.
제 7 항에 있어서,
반복적인 정방향 및 역방향의 상기 전기화학 반응에 의해, 상기 제 1 전극 및 제 2 전극 각각은 소모 및 재생이 반복되는 것인, 전기삼투펌프.
유체 펌핑 시스템에 있어서,
제1항에 따른 전기삼투펌프;
상기 전기삼투펌프의 일측에 구비되어 양압과 음압이 교번하여 발생됨에 따라 형상이 변형되는 제1 격리재;
상기 제1 격리재의 일측에 구비되어, 상기 제1 격리재의 변형에 대응하여 이송대상유체를 흡입 및 토출하는 이송 챔버; 및
상기 전기삼투펌프의 타측에 구비되어, 상기 양압과 음압이 교번하여 발생됨에 따라 형상이 변형되는 제2 격리재를 포함하는 유체 펌핑 시스템.
제 9 항에 있어서,
상기 이송 챔버의 일면에는 상기 이송대상유체의 흡입 및 토출이 행해지는 흡입구 및 토출구가 형성되며,
상기 흡입구 및 토출구 각각에는 상기 이송대상유체의 흐름을 허용하거나 차단하는 흡입밸브 및 토출밸브가 체결되는 것인, 유체 펌핑 시스템.
제 10 항에 있어서,
상기 흡입밸브는 상기 양압 발생 시에 폐쇄되고, 상기 음압 발생 시에 개방되며,
상기 토출밸브는 상기 양압 발생 시에 개방되고, 상기 음압 발생 시에 폐쇄되는 것인, 유체 펌핑 시스템.
제 9 항에 있어서,
상기 이송대상유체가 저장된 레저버(reservoir);
상기 레저버에서 토출된 상기 이송대상유체가 상기 이송 챔버로 흡입되는 유체이송로인 흡입로 및
상기 이송 챔버에서 토출된 상기 이송대상유체의 유체이송로인 토출로를 더 포함하는 것인, 유체 펌핑 시스템.
제 9 항에 있어서,
상기 제2 격리재의 일측에 구비되어, 상기 제2 격리재의 변형에 대응하여 변화하는 압력 모니터링 챔버; 및
상기 압력 모니터링 챔버의 압력 변화를 측정하는 압력측정부를 더 포함하는, 유체 펌핑 시스템.
제 13 항에 있어서,
상기 압력측정부는
상기 압력 모니터링 챔버 내부에 구비되어, 상기 제2 격리재가 변형됨에 따른 상기 압력 모니터링 챔버의 압력 변화를 검출하는 압력센서를 포함하는 것인, 유체 펌핑 시스템.
제 13 항에 있어서,
상기 압력측정부에서 측정된 압력값을 모니터링하여 상기 전기삼투펌프의 이상을 검출하는 제어 회로를 더 포함하는 것인, 유체 펌핑 시스템.
유체 펌핑 시스템의 동작 방법에 있어서,
(a) 제9항에 따른 유체 펌핑 시스템 중 전기삼투펌프의 제 1 전극 및 제 2 전극에 전압을 공급하는 단계; 및
(b) 상기 전기삼투펌프의 구동에 따라, 상기 유체 펌핑 시스템의 제1 격리재의 적어도 일부가 전진 및 후진 이동하여 상기 제1 격리재의 일측에 구비된 이송 챔버로 이송대상유체를 흡입 및 토출시키는 단계를 포함하는 유체 펌핑 시스템의 동작 방법.
제 16항에 있어서,
(c)상기 유체 펌핑 시스템의 제2 격리재의 일측에 구비된 압력 모니터링 챔버의 압력 변화를 모니터링하는 단계를 더 포함하는, 유체 펌핑 시스템의 동작 방법.
제 17 항에 있어서,
(d) 일정 시간 동안 측정된 압력값의 변화 패턴 및 상기 일정 시간 동안 측정된 압력값의 평균값을 기초로 상기 전기삼투펌프의 이상을 검출하는 단계를 더 포함하는, 유체 펌핑 시스템의 동작 방법.
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