KR20170025091A

KR20170025091A - 멤브레인 전극 복합체를 이용한 유체 이동용 전기 삼투압 펌프

Info

Publication number: KR20170025091A
Application number: KR1020150121023A
Authority: KR
Inventors: 정태훈; 김재진
Original assignee: 중소기업은행
Priority date: 2015-08-27
Filing date: 2015-08-27
Publication date: 2017-03-08
Also published as: KR101766712B1

Abstract

본 발명의 일실시예는 멤브레인 전극 복합체를 이용한 유체 이동용 전기 삼투압 펌프에 있어서, 유체가 흘러가는 통로인 유체이동로(10), 산화환원반응에 의해 이온의 생성이 일어나는 제1전극(201)과 이온의 소모가 일어나는 제2전극(202)을 포함하는 전극복합체, 상기 제1전극(201)과 상기 제2전극(202) 사이에 위치하는 유체가 통과하는 멤브레인(203)을 포함하여 이루어지는 전기삼투셀(200)을 복수개 구비하는 전기삼투모듈(20), 상기 전기삼투셀(200) 각각에 전압을 인가하는 전원부(40), 상기 복수개의 전기삼투셀(200) 각각의 사이에는 상기 복수개의 전기삼투셀(200)간의 전기적 반응을 절연하여 교호작용을 제거하는 절연층(30)을 구비하여 상기 전기삼투셀(200)이 적층되어 전기삼투모듈(20)이 이루어지는 것을 특징으로 하는 멤브레인 전극 복합체를 이용한 유체 이동용 전기 삼투압 펌프를 제공한다.

Description

멤브레인 전극 복합체를 이용한 유체 이동용 전기 삼투압 펌프 {Electroosmotic Pump By Means Of Membrane Electrode Assembly For Fluid moving}

본 발명은 멤브레인 전극 복합체를 이용한 유체 이동용 전기 삼투압 펌프에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 제1전극, 제2전극, 멤브레인, 절연층으로 구성된 적층구조의 전기 삼투압 펌프에 있어서, 전극복합체에 전압을 가하여 제1전극에서 진행되는 산화반응과 제2전극에서 진행되는 환원반응에 의한 양이온의 생성과 소모로 인하여 유체가 이동하며, 가역적 반응으로 전극이 본래의 상태를 유지하는 멤브레인 전극 복합체를 이용한 유체 이동용 전기 삼투압펌프에 관한 것이다.

전기 삼투 현상은 모세관 또는 다공성 분리막(porous membrane)의 양단에 전압을 가하였을 때 발생하는 유체의 이동 현상을 이용하는 펌프이다. 따라서 전기 삼투를 이용하여 펌프를 구성하고자 할 경우에는 다공성 분리막의 양단에 전압을 인가하기 위한 전극을 필수적으로 사용해야 한다.

통상적으로는 전극의 소재로서 화학적으로 안정된 백금을 많이 사용하였지만 백금은 물에 대한 수소과전압(hydrogen overpotential) 이 낮아 실제로 수 볼트 이상의 전위차를 다공성 분리막의 양단에 가했을 때 환원 전극에서 수소 가스를 발생시키며, 이러한 가스 발생이 전기 삼투 펌프의 실용화를 제한하는 중요한 요소이다.

전극에서의 가스 발생 이외에도 전기 삼투 펌프의 구동 중에 산화/환원 반응으로 인한 pH의 변화와 높은 압력을 발생시키기 위해서는 높은 압력을 사용해야 하는 문제점 등으로 인하여 전기 삼투 펌프의 실제 응용이 제한되고 있다.

상기한 문제점 중에서 전극에서 발생하는 가스 문제는 전극 자체에 산화 및 환원이 가능한 물질을 도입하여 개선하는 방향으로 해결되어 왔는데, 이들 전극은 전극 물질로 은(Ag)/산화은(AgO), MnO(OH), 폴리아닐린(polyaniline) 등을 사용한다.

또한, 전극에서 발생하는 압력을 높이고자 하는 시도로 작동 유체에 쯔비터 이온(양쪽성 이온, Zwitter ion)을 첨가하거나, 멤브레인과 전극을 다단계 직렬로 연결하여 사용하는 캐스케이드(cascade)방식의 펌프 구성이 제시된 바도 있다.

상기한 바와 같이 전기 삼투 펌프는 펌프의 구성요소 중에서, 전극의 성능을 개선하는 방향, 다공성 분리막의 소재와 기공도 등을 개선하는 방향, 펌프의 작동 유체의 조성을 개선하는 방향 등으로 개선되어 왔다.

대한민국 등록 특허 제 10-1106286호 (발명의 명칭 : 전기삼투식 약물 펌프 및 그 시스템, 이하 종래기술1이라 한다.)에 전해액이 저장되고, 약물을 펌핑하는 구동부, 구동부 사이에 설치되어 구동부를 제1 공간 및 제2 공간으로 분리하고, 이온을 통과시켜 농도구배를 형성하여, 용매 또는 용액을 이동시키는 다공성 유리슬릿 격막, 제2 공간과 연질막으로 구분되고, 약물을 저장하는 약물저장부, 약물저장부의 외막을 관통하여 돌출된 구조로 설치되고, 피부에 삽입하여 약물을 유주시키는 적어도 하나의 마이크로니들, 제1 공간 및 상기 제2 공간에 삽입되어 설치되는 양쪽 전극 및 양쪽 전극과 연결되어 전압을 인가할 수 있는 전원부를 포함하되, 일체형 구조인 것을 특징으로 하는 전기삼투식 약물 펌프가 기재되어 있다.

대한민국 등록 특허 제 10-1106286호

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 저전압에서 고압력을 발생시킬 수 있는 전기 삼투 펌프를 제공하기 위한 것으로 종래기술1의 한층으로 이루어져 유속을 늘리고 줄이는데 있어서 효과적이 못하다는 문제점을 해결하고자 하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는 멤브레인 전극 복합체를 이용한 유체 이동용 전기 삼투압 펌프에 있어서, 유체가 흘러가는 통로인 유체이동로(10), 산화환원반응에 의해 양이온의 생성이 일어나는 제1전극(201)과 양이온의 소모가 일어나는 제2전극(202)을 포함하는 전극복합체, 상기 제1전극(201)과 상기 제2전극(202) 사이에 위치하는 유체가 통과하는 멤브레인(203)을 포함하여 이루어지는 전기삼투셀(200)을 복수개 구비하여 유체이동로(10) 내부에 설치되는 전기삼투모듈(20), 전기삼투셀(200) 각각에 전압을 인가하는 전원부(40), 복수개의 전기삼투셀(200) 각각의 사이에는 상기 복수개의 전기삼투셀(200)간의 전기적 반응을 절연하여 교호작용을 제거하는 절연층(30)을 구비하여 전기삼투셀(200)이 적층되는 구조로 전기삼투모듈(20)이 이루어지는 것을 특징으로 하는 멤브레인 전극 복합체를 이용한 유체 이동용 전기 삼투압 펌프를 제공한다.

또한, 본 발명의 멤브레인 전극 복합체를 이용한 유체 이동용 전기 삼투압 펌프의 멤브레인(203)은 제타포텐셜이 높아 유체의 흐름의 속도를 일정하게 해주는 유기 또는 무기 소재인 것을 특징으로 하는 멤브레인(203) 전극 복합체를 이용한 유체 이동용 전기 삼투압 펌프.

또한, 본 발명의 멤브레인 전극 복합체를 이용한 유체 이동용 전기 삼투압 펌프의 전원부(40)는 복수개의 전기삼투모듈(20) 각각의 전기장방향이 같아지도록 전압을 인가하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 본 발명의 멤브레인 전극 복합체를 이용한 유체 이동용 전기 삼투압 펌프의 전원부(40)는 직류(DC)전압 또는 교류(AC)전압을 인가하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 본 발명의 멤브레인 전극 복합체를 이용한 유체 이동용 전기 삼투압 펌프의 직류(DC)전압을 인가하는 경우에는 소정의 주기를 주고 가역적 반응을 수행하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 본 발명의 멤브레인 전극 복합체를 이용한 유체 이동용 전기 삼투압 펌프의 교류(AC)전압이 인가 되는 경우에는 상기 제1전극(201)과 상기 제2전극(202)에 교번적으로 전압이 인가 되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 본 발명의 멤브레인 전극 복합체를 이용한 유체 이동용 전기 삼투압 펌프의 멤브레인(203)은 다공성 물질로 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 본 발명의 멤브레인 전극 복합체를 이용한 유체 이동용 전기 삼투압 펌프의 전극복합체는 다공성 재질 또는 구조로 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 본 발명의 멤브레인 전극 복합체를 이용한 유체 이동용 전기 삼투압 펌프의 절연층(30)은 다공성 재질 또는 구조로 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 본 발명의 멤브레인 전극 복합체를 이용한 유체 이동용 전기 삼투압 펌프의 전극복합체의 소재는 금, 은, 백금, 카본, 카본나노튜브, 그래핀, 탄소 나노입자 풀러렌, 흑연 또는 전도성 고분자로 코팅된 카본구조체로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 또는 1종 이상으로 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 본 발명의 멤브레인 전극 복합체를 이용한 유체 이동용 전기 삼투압 펌프의 전도성 고분자는 폴리아닐린(PolyAniline), 폴리피롤(Polypyrrle), 폴리티오펜(Polythiophene), 폴리타이오닌(polythionine), 또는 퀴논 폴리머(Quinone Polymer) 및 이들의 조합으로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상으로 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 본 발명의 멤브레인 전극 복합체를 이용한 유체 이동용 전기 삼투압 펌프의 일방향 구동방법에 있어서, 첫째, 제1전극을 양극으로, 제2전극을 음극으로 전원부(40)가 전압을 인가할 수 있다. 둘째, 전원부(40)가 전압을 인가하면 제1전극(201)에서 산화반응, 제2전극(202)에서 환원 반응이 일어날 수 있다. 셋째, 둘째 단계의 제1전극(201)에서 발생한 양이온이 전하균형을 맞추기 위해 상기 제2전극(202)으로 이동하면서 유체가 상기 양이온과 함께 상기 제1전극(201), 멤브레인(203) 및 상기 제2전극(202)을 순차적으로 통과할 수 있다. 넷째, 셋째 단계 이후 상기 유체가 절연층(30)을 통과할 수 있다. 다섯째, 유체가 전기삼투모듈(20)을 통과할 수 있으며, 유체가 상기 첫째 단계 내지 넷째 단계를 반복 수행하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 본 발명의 멤브레인 전극 복합체를 이용한 유체 이동용 전기 삼투압 펌프의 일방향 구동방법에 있어서, 제1전극 및 상기 제2전극에 각각 양극와 음극이 바뀌어 인가 되어 유체가 반대로 이동하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 본 발명의 멤브레인 전극 복합체를 이용한 유체 이동용 전기 삼투압 펌프의 쌍방향 구동방법에 있어서, 첫째, 제1전극을 양극으로, 제2전극을 음극으로 전원부(40)가 전압을 인가할 수 있다. 둘째, 전원부(40)가 전압을 인가하면 제1전극(201)에서 산화반응, 제2전극(202)에서 환원 반응이 일어날 수 있다. 셋째, 둘째 단계의 제1전극(201)에서 발생한 양이온이 전하균형을 맞추기 위해 제2전극(202)으로 이동하면서 유체가 양이온과 함께 상기 제1전극(201), 멤브레인(203) 및 상기 제2전극(202)을 순차적으로 통과할 수 있다. 넷째, 셋째 단계의 유체가 절연층(30)을 통과할 수 있다. 다섯째, 유체가 첫째 단계 내지 넷째 단계를 반복 수행하여 전기삼투모듈(20)을 통과할 수 있다. 여섯째, 소정의 주기에 따라 제1전극(201)을 음극으로, 제2전극(202)을 양극으로 하여 전압이 반대로 인가될 수 있다. 일곱째, 전원부(40)가 전압을 인가하면 제2전극(202)에서 산화반응, 제1전극(201)에서 환원 반응이 일어날 수 있다. 여덟째, 일곱째 단계의 제2전극(202)에서 발생한 양이온이 전하균형을 맞추기 위해 제1전극(201)으로 이동하면서 유체가 양이온과 함께 제2전극(202), 멤브레인(203) 및 제1전극(201)을 순차적으로 통과할 수 있다. 아홉째, 여덟째 단계의 유체가 절연층(30)을 통과할 수 있다. 열째, 유체가 일곱째 단계 내지 아홉째 단계를 반복 수행하여 전기삼투모듈(20)을 반대로 통과할 수 있으며, 유체가 상기 첫째 단계 내지 열째 단계를 반복 수행하여 왕복운동하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 본 발명의 멤브레인 전극 복합체를 이용한 유체 이동용 전기 삼투압 펌프의 쌍방향 구동방법에 있어서, 첫째 단계 내지 열째 단계가 반복 수행됨으로 제1전극 및 제2전극에서 가역적 반응으로 인하여 본래의 상태가 유지되는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 전기삼투셀(200)이 적층되는 구조로 통상적인 전기 삼투압 펌프에 비하여 저전압에서 고압력을 구현할 수 있는 효과를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 본 발명의 전기 삼투압모듈의 일실시예를 나타내는 모식도이다.
도 2는 본 발명의 전기 삼투압 펌프의 일실시예를 나타내는 모식도이다.
도 3은 본 발명의 전기 삼투압 펌프의 일실시예를 나타내는 모식도이다.
도 4는 본 발명의 전기삼투압모듈의 적층 개수에 따른 압력의 차이를 나타내는 그래프이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.

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

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도1은 본 발명의 멤브레인(203) 전극 복합체를 이용한 유체 이동용 전기 삼투압 펌프의 구성도이다.

멤브레인(203) 전극 복합체를 이용한 유체 이동용 전기 삼투압 펌프에 있어서, 유체가 흘러가는 통로인 유체이동로(10), 산화환원반응에 의해 이온의 생성이 일어나는 제1전극(201)과 이온의 소모가 일어나는 제2전극(202)을 포함하는 전극복합체, 제1전극(201)과 제2전극(202)의 사이에 위치하는 유체가 통과하는 멤브레인(203)을 포함하여 이루어지는 전기삼투셀(200)을 복수개 구비하여 유체이동로(10) 내부에 설치되는 전기삼투모듈(20), 전기삼투셀(200) 각각에 전압을 인가하는 전원부(40), 복수개의 전기삼투셀(200) 각각의 사이에는 복수개의 전기삼투셀(200)간의 전기적 반응을 절연하여 교호작용을 제거하는 절연층(30)을 구비하여 전기삼투셀(200)이 적층되어 전기삼투모듈(20)이 이루어지는 것을 특징으로 한다.

유체이동로(10)는 내부에 유체가 채워지고 흐를 수 있는 형상을 할 수 있으며, 원기둥, 각기둥, 또는 다면체의 형상을 배제하지는 않는다. 또한, 유체가 들어오고 나갈 수 있는 입구 및 출구를 구비할 수 있다. 이로 인하여 전기 삼투압 펌프가 제공하는 압력을 외부로 전달할 수 있다.

멤브레인(203)은 제타포텐셜이 높아 유체의 흐름의 속도를 일정하게 해주는 유기 또는 무기 소재인 것으로 다공성 물질로 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다. 멤브레인(203)의 형상에 있어서 유체가 흐를 수 있는 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 다양한 형상임을 배제하지는 않는다. 멤브레인(203)의 소재로는 실리카, 유리 등이 많이 사용되는데, 이와 같은 재료로 이루어진 멤브레인(203)은 수용액 내에서 표면이 음전하로 대전되게 된다. 이때, 양이온은 멤브레인(203)과 인력이 작용하여 멤브레인(203)을 쉽게 통과할 수 있으므로, 전극의 전기화학 반응 속도를 향상시킬 수 있다. 따라서, 유체의 이동이 원활해질 수 있으므로, 효과적이면서도 안정적인 전기삼투펌프를 구현할 수 있다. 제타포텐셜은 확산이중층에서의 양전하 밀도 차에서 유래되는 전기역학적인 전위차로써, 제타전위라고도 하며 이러한 제타포텐셜이 높은 소재를 사용함으로 유체의 안정성을 얻을 수 있고, 이로 인하여 유체의 속도가 빨라지며 일정하게 유지되는 효과를 얻을 수 있다.

또한, 전극복합체는 제1전극(201)과 제2전극(202)으로 구성되는데, 전극복합체는 다공성의 형상으로 유체가 흐를 수 있는 구조로인 것을 특징으로 할 수 있다. 제1전극(201)과 제2전극(202)은 다공성의 형상으로 이루어지며, 산화와 환원반응이 일어날 때 전기 삼투압 펌프의 내부를 충진하고 있는 유체와 대기 중에 존재하는 산소에 의하여 산회되기 어려운 소재를 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 금, 은, 백금, 카본, 카본나노튜브, 그래핀, 탄소 나노입자 풀러렌, 흑연 또는 전도성 고분자로 코팅된 카본구조체로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 또는 1종 이상으로 이루어지는 것을 특징으로 하지만 이에 한정하는 것은 아니다. 또한, 전도성 고분자는 폴리아닐린(PolyAniline), 폴리피롤(Polypyrrle), 폴리티오펜(Polythiophene), 폴리타이오닌(polythionine), 또는 퀴논 폴리머(Quinone Polymer) 및 이들의 조합으로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상으로 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다. 하지만 전도성 고분자의 소재를 이에 한정하는 것은 아니다.

또한, 제1전극(201), 제2전극(202)에서는 양이온의 생성과 소모가 일어나게 되는데, 예를 들어서 제1전극(201)이 양극이고 제2전극(202)이 음극일 때, 전압이 인가되면 전극복합체에서는 유체와 양극이 반응하여 산화가 일어나게 되며 음극에서는 환원반응이 일어나게 될 수 있다. 이때, 산화 반응에 의하여 양이온이 발생하게 되고, 양이온은 음극방향으로 흐르게 되어 유체가 이를 따라 흐르게 될 수 있다. 발생되는 양이온의 종류에 따라 유체의 속도가 변할 수 있으며, 수소이온과 같은 이동이 빠른 양이온이 발생할 경우 전기 삼투압 펌프의 성능이 향상되는 효과를 얻을 수 있다.

본 발명은 전기삼투셀(200)이 적층되어 있는 구조로 전기삼투모듈(20)을 구비하고 있기 때문에 압력이 적층되어 있는 전기삼투셀(200)의 개수에 비례하여 올라가 유체의 흐름이 더욱 빨라져 전기 삼투압 펌프의 성능이 더욱 향상되는 효과를 얻을 수 있다. 후술하는 실험예 및 실시예에서 확인할 수 있다.

전기삼투셀(200)이 적층되는 과정에서 각각의 전기삼투셀(200)의 전극이 전기적 반응을 일으킬 수 있으며, 전술한 바와 같이 이를 방지하기 위하여 전기삼투셀(200) 각각의 사이에 절연층(30)을 구비할 수 있다. 절연층(30)은 전기삼투셀(200)간의 전기적 반응을 억제하여 전기삼투셀(200)간의 전기장 형성을 막아주어 유체의 흐름을 일정한 방향으로 잡아주는 기능을 할 수 있다. 또한, 절연층(30)은 유체가 흐를 수 있도록 다공성 재질 또는 구조로 이루어질 수 있으며, 전기저항이 높은 것을 사용하는 것이 바람직하다.

전원부(40)는 복수개의 전기삼투셀(200) 각각의 전기장방향이 같아지도록 전압을 인가하는데 이로 인하여 유체의 흐름 방향이 같아질 수 있다. 예를 들어 하나의 전기삼투셀(200)의 제1전극(201)이 양극, 제2전극(202)이 음극을 띠면 나머지 전기삼투셀(200)의 제1전극(201)과 제2전극(202)도 같은 극성을 띠게 되는 것으로 전기장의 방향이 모두 같은 방향이 될 수 있다.

또한, 전원부(40)는 직류(DC)전압 또는 교류(AC)전압을 인가하는 것을 특징으로 할 수 있다. 직류전압을 이용할 때에는 전압의 방향을 바꿔 주는 토글스위치 등을 추가로 구비하여 전압의 방향을 바꿔줄 수 있다. 예를 들어 제1전극(201)이 양극, 제2전극(202)이 음극일 때, 직류전압의 방향이 바뀌면서 제1전극(201)이 음극으로, 제2전극(202)이 양극으로 변하게 되는데 이로 인하여 전기 삼투압 펌프에서 가역적 반응이 일어날수 있고, 이에 따라 유체의 흐름 방향도 변할 수 있다. 교류전압을 인가할 때에는 제1전극(201)과 제2전극(202)에 교번적으로 전압이 인가되어 유체의 흐름을 제어할 수 있게 된다.

전원부(40)가 전압을 교번적으로 인가함에 따라 제1전극(201)과 제2전극(202)의 산화 환원반응이 가역적으로 일어나며 본래의 상태를 계속해서 유지할 수 있다.

이하, 본 발명의 멤브레인 전극 복합체를 이용한 유체 이동용 전기 삼투압 펌프의 일방향 구동방법에 대하여 설명한다. 첫째, 제1전극을 양극으로, 제2전극을 음극으로 전원부(40)가 전압을 인가할 수 있다. 둘째, 전원부(40)가 전압을 인가하면 제1전극(201)에서 산화반응, 제2전극(202)에서 환원 반응이 일어날 수 있다. 셋째, 둘째 단계의 제1전극(201)에서 발생한 양이온이 전하균형을 맞추기 위해 상기 제2전극(202)으로 이동하면서 유체가 상기 양이온과 함께 상기 제1전극(201), 멤브레인(203) 및 상기 제2전극(202)을 순차적으로 통과할 수 있다. 넷째, 셋째 단계 이후 상기 유체가 절연층(30)을 통과할 수 있다. 다섯째, 유체가 전기삼투모듈(20)을 통과할 수 있으며, 유체가 상기 첫째 단계 내지 넷째 단계를 반복 수행하는 것을 특징으로 할 수 있다. 유체가 전기삼투모듈(20)을 통과할 때, 마지막 전기삼투셀의 끝단에는 절연층이 존재하지 않음으로 절연층을 통과하는 단계가 생략될 수 있다.

또한, 제1전극 및 상기 제2전극에 각각 양극와 음극이 바뀌어 인가되어 유체가 반대로 이동하는 것을 특징으로 할 수 있다.

이하, 본 발명의 멤브레인 전극 복합체를 이용한 유체 이동용 전기 삼투압 펌프의 쌍방향 구동방법에 대하여 설명한다. 첫째, 제1전극을 양극으로, 제2전극을 음극으로 전원부(40)가 전압을 인가할 수 있다. 둘째, 전원부(40)가 전압을 인가하면 제1전극(201)에서 산화반응, 제2전극(202)에서 환원 반응이 일어날 수 있다. 셋째, 둘째 단계의 제1전극(201)에서 발생한 양이온이 전하균형을 맞추기 위해 제2전극(202)으로 이동하면서 유체가 양이온과 함께 상기 제1전극(201), 멤브레인(203) 및 상기 제2전극(202)을 순차적으로 통과할 수 있다. 넷째, 셋째 단계의 유체가 절연층(30)을 통과할 수 있다. 다섯째, 유체가 첫째 단계 내지 넷째 단계를 반복 수행하여 전기삼투모듈(20)을 통과할 수 있다. 여섯째, 소정의 주기에 따라 제1전극(201)을 음극으로, 제2전극(202)을 양극으로 하여 전압이 반대로 인가될 수 있다. 일곱째, 전원부(40)가 전압을 인가하면 제2전극(202)에서 산화반응, 제1전극(201)에서 환원 반응이 일어날 수 있다. 여덟째, 일곱째 단계의 제2전극(202)에서 발생한 양이온이 전하균형을 맞추기 위해 제1전극(201)으로 이동하면서 유체가 양이온과 함께 제2전극(202), 멤브레인(203) 및 제1전극(201)을 순차적으로 통과할 수 있다. 아홉째, 여덟째 단계의 유체가 절연층(30)을 통과할 수 있다. 열째, 유체가 일곱째 단계 내지 아홉째 단계를 반복 수행하여 전기삼투모듈(20)을 반대로 통과할 수 있으며, 유체가 상기 첫째 단계 내지 열째 단계를 반복 수행하여 왕복운동하는 것을 특징으로 할 수 있다. 유체가 전기삼투모듈(20)을 통과할 때, 마지막 전기삼투셀의 끝단에는 절연층이 존재하지 않음으로 절연층을 통과하는 단계가 생략될 수 있다.

또한, 첫째 단계 내지 열째 단계가 반복 수행됨으로 제1전극 및 제2전극에서 가역적 반응으로 인하여 본래의 상태가 유지되는 것을 특징으로 할 수 있다.

이하 본 발명의 비교예, 실시예 및 실험예를 통하여 본 발명의 효과를 구체적으로 설명하도록 한다. 먼저, 전기 삼투압 펌프의 적층 구조에 대하여 비교예, 실시예 및 실험예를 통하여 설명한다.

<실시예1>

전기 삼투압 펌프를 제작하기 위한 멤브레인(203)을 제조한다. 300nm의 직경을 가지는 구형 실리카 4g, 인산 1g, 물 100mL를 교반한 후 초음파 분산을 수행하여 현탁액을 제조하고, 이 현탁액을 90℃의 오븐에 24시간 건조시켜 물을 증발시키고 바인더를 함유하는 실리카 덩어리를 얻는다. 이 실리카 덩어리를 분쇄한 후 프레스로 가압성형하여 10mm의 디스크 모양으로 제조하고 소성로에서 1000℃의 온도로 소성하여 실리카 멤브레인(203)을 제작하였다. 멤브레인(203)의 양쪽에는 폴리아닐린으로 코팅된 탄소전극을 장착하고 전극과 멤브레인(203)의 외주면을 에폭시 수지로 본딩하여 전기삼투셀(200)을 3개 제조하고 각각의 전기삼투셀(200) 사이에 절연층(30)을 두고 적층하여 전기삼투모듈(20)을 제조하였다. 이 전기삼투모듈(20)에 전원부(40)를 연결하여 전기 삼투 펌프를 제조하였다.

<비교예1>

전기 삼투압 펌프를 제작하기 위한 멤브레인(203)을 제조한다. 300nm의 직경을 가지는 구형 실리카 4g, 인산 1g, 물 100mL를 교반한 후 초음파 분산을 수행하여 현탁액을 제조하고, 이 현탁액을 90℃의 오븐에 24시간 건조시켜 물을 증발시키고 바인더를 함유하는 실리카 덩어리를 얻는다. 이 실리카 덩어리를 분쇄한 후 프레스로 가압성형하여 10mm의 디스크 모양으로 제조하고 소성로에서 1000℃의 온도로 소성하여 실리카 멤브레인(203)을 제작하였다. 멤브레인(203)의 양쪽에는 폴리아닐린으로 코팅된 탄소전극을 장착하고 전극과 멤브레인(203)의 외주면을 에폭시 수지로 본딩하여 전기삼투셀(200)을 제조하고 전원부를 연결하여 1개의 전기삼투셀(200)로 이루어진 전기 삼투 펌프를 제조 하였다.

<실험예1>

실시예1 및 비교예1에 대하여 각각 전압을 0.5V, 1V, 1.5V, 2V를 인가하고 이에 따른 유체흐름에 대한 압력변화를 압력계(Mana2200)를 이용하여 측정하였다. 이를 표1 및 도4에 도시하였다.

	비교예1	실시예1
0.5V	3.2 kPa	9.1 kPa
1V	4.2 kPa	12.5 kPa
1.5V	5.5 kPa	16.2 kPa
2V	6.6kPa	19.7 kPa

실험예1을 통하여 본 발명의 전기 삼투압 펌프가 비교예1의 전기 삼투압 펌프 보다 압력이 약 3배 이상 높은 것을 확인할 수 있다. 이것으로 전기삼투셀(200)을 적층하여 전기 삼투압 펌프를 구성하는 것이 기존의 전기 삼투압 펌프보다 더욱 효율이 좋은 것을 확인할 수 있다. 물론 이 적층구조에 대하여 전기삼투셀(200)의 개수가 많아지면 효율이 더욱 올라가기 때문에 사용용도에 맞춰 적층수를 조정하여 사용할 수 있고 그에 따라, 전기 삼투압 펌프의 효율 향상을 얻는 것을 확인하였다.

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 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 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.

10 : 유체이동로
20 : 전기삼투모듈
200 : 전기삼투셀
201 : 제1전극
202 : 제2전극
203 : 멤브레인
30 : 절연층(30)
40 : 전원부(40)
A1 내지 A4 : 실시예1에 대한 실험결과
B1 내지 B4 : 비교예1에 대한 실험결과

Claims

멤브레인 전극 복합체를 이용한 유체 이동용 전기 삼투압 펌프에 있어서,
유체가 흘러가는 통로인 유체이동로(10);
산화환원반응에 의해 이온의 생성이 일어나는 제1전극(201)과 이온의 소모가 일어나는 제2전극(202)을 포함하는 전극복합체, 상기 제1전극(201)과 상기 제2전극(202) 사이에 위치하는 유체가 통과하는 멤브레인(203)을 포함하여 이루어지는 전기삼투셀(200)을 복수개 구비하여 유체이동로(10) 내부에 설치되는 전기삼투모듈(20);
상기 전기삼투셀(200) 각각에 전압을 인가하는 전원부(40);
를 포함하여 이루어지고,
상기 복수개의 전기삼투셀(200) 각각의 사이에는 상기 복수개의 전기삼투셀(200)간의 전기적 반응을 절연하여 교호작용을 제거하는 절연층(30)을 구비하여 상기 전기삼투셀(200)이 적층되어 전기삼투모듈(20)이 이루어지는 것을 특징으로 하는 멤브레인 전극 복합체를 이용한 유체 이동용 전기 삼투압 펌프.
청구항 1에 있어서,
상기 멤브레인(203)은 제타포텐셜이 높아 유체의 흐름의 속도를 일정하게 해주는 유기 또는 무기 소재인 것을 특징으로 하는 멤브레인(203) 전극 복합체를 이용한 유체 이동용 전기 삼투압 펌프.
청구항 1에 있어서,
상기 전원부(40)는 상기 복수개의 전기삼투모듈(20) 각각의 상기 제1전극(201)과 상기 제2전극(202) 사이의 전기장 방향이 같아지도록 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 멤브레인 전극 복합체를 이용한 유체 이동용 전기 삼투압 펌프.
청구항 1에 있어서,
상기 전원부(40)는 직류(DC)전압 또는 교류(AC)전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 멤브레인 전극 복합체를 이용한 유체 이동용 전기 삼투압 펌프.
청구항 4에 있어서,
상기 직류(DC)전압을 인가하는 경우에는 상기 제1전극(201) 및 상기 제2전극(202)에 소정의 주기에 따라 전압을 반대로 인가하는 것을 특징으로 하는 멤브레인 전극 복합체를 이용한 유체 이동용 전기 삼투압 펌프.
청구항 4에 있어서,
상기 교류(AC)전압이 인가 되는 경우에는 상기 제1전극(201)과 상기 제2전극(202)에 교번적으로 전압이 인가 되는 것을 특징으로 하는 멤브레인 전극 복합체를 이용한 유체 이동용 전기 삼투압 펌프.
청구항 1에 있어서,
상기 멤브레인(203)은 다공성 물질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 멤브레인 전극 복합체를 이용한 유체 이동용 전기 삼투압 펌프.
청구항 1에 있어서,
상기 제1전극(201) 및 상기 제2전극(202)은 다공성 재질 또는 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 멤브레인 전극 복합체를 이용한 유체 이동용 전기 삼투압 펌프.
청구항 1에 있어서,
상기 절연층(30)은 다공성 재질 또는 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 멤브레인 전극 복합체를 이용한 유체 이동용 전기 삼투압 펌프.
청구항 1에 있어서,
상기 제1전극(201) 및 상기 제2전극(202)의 소재는 금, 은, 백금, 카본, 카본나노튜브, 그래핀, 탄소 나노입자 풀러렌, 흑연 또는 전도성 고분자로 코팅된 카본구조체로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 또는 1종 이상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 멤브레인 전극 복합체를 이용한 전기 삼투압 펌프.
청구항 10에 있어서,
상기 전도성 고분자는 폴리아닐린(PolyAniline), 폴리피롤(Polypyrrle), 폴리티오펜(Polythiophene), 폴리타이오닌(polythionine), 또는 퀴논 폴리머(Quinone Polymer) 및 이들의 조합으로 이루어지는 군에서 선택되는 하나 이상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 멤브레인 전극 복합체를 이용한 유체 이동용 전기 삼투압 펌프.
청구항 1의 멤브레인 전극 복합체를 이용한 유체 이동용 전기 삼투압 펌프의 일방향 구동방법에 있어서,
i) 제1전극을 양극으로, 제2전극을 음극으로 전원부(40)가 전압을 인가하는 단계;
ii) 상기 전원부(40)가 전압을 인가하면 상기 제1전극(201)에서 산화반응, 상기 제2전극(202)에서 환원 반응이 일어나는 단계;
iii) 상기 ii)단계의 제1전극(201)에서 발생한 양이온이 전하균형을 맞추기 위해 상기 제2전극(202)으로 이동하면서 유체가 상기 양이온과 함께 상기 제1전극(201), 멤브레인(203) 및 상기 제2전극(202)을 순차적으로 통과하는 단계;
iv) 상기 iii)단계 이후 상기 유체가 절연층(30)을 통과하는 단계
v) 상기 유체가 전기삼투모듈(20)을 통과하는 단계;
를 포함하여 이루어지고
상기 유체가 상기 i)단계 내지 상기 iv)단계를 반복 수행하는 것을 특징으로 하는 멤브레인 전극 복합체를 이용한 유체 이동용 전기 삼투압 펌프의 일방향 구동방법
청구항 12에 있어서,
상기 제1전극 및 상기 제2전극에 각각 양극와 음극이 바뀌어 인가 되어 유체가 반대로 이동하는 것을 특징으로 하는 멤브레인 전극 복합체를 이용한 유체 이동용 전기 삼투압 펌프의 일방향 구동방법.
청구항 1의 멤브레인 전극 복합체를 이용한 유체 이동용 전기 삼투압 펌프의 쌍방향 구동방법에 있어서,
a) 제1전극을 양극으로, 제2전극을 음극으로 전원부(40)가 전압을 인가하는 단계;
b) 상기 전원부(40)가 전압을 인가하면 상기 제1전극(201)에서 산화반응, 상기 제2전극(202)에서 환원 반응이 일어나는 단계;
c) 상기 b)단계의 제1전극(201)에서 발생한 양이온이 전하균형을 맞추기 위해 상기 제2전극(202)으로 이동하면서 유체가 상기 양이온과 함께 상기 제1전극(201), 멤브레인(203) 및 상기 제2전극(202)을 순차적으로 통과하는 단계;
d) 상기 c)단계의 유체가 절연층(30)을 통과하는 단계;
e) 상기 유체가 상기a)단계 내지 d)단계를 반복 수행하여 전기삼투모듈(20)을 통과하는 단계;
f) 소정의 주기에 따라 상기 제1전극(201)을 음극으로, 상기 제2전극(202)을 양극으로 하여 전압이 반대로 인가되는 단계;
g) 상기 전원부(40)가 전압을 인가하면 상기 제2전극(202)에서 산화반응, 상기 제1전극(201)에서 환원 반응이 일어나는 단계;
h) 상기 g)단계의 제2전극(202)에서 발생한 양이온이 전하균형을 맞추기 위해 상기 제1전극(201)으로 이동하면서 유체가 상기 양이온과 함께 상기 제2전극(202), 상기 멤브레인(203) 및 상기 제1전극(201)을 순차적으로 통과하는 단계;
i) 상기 h)단계의 유체가 절연층(30)을 통과하는 단계;
j) 상기 유체가 상기g)단계 내지 i)단계를 반복 수행하여 전기삼투모듈(20)을 반대로 통과하는 단계;
를 포함하여 이루어지고
상기 유체가 상기 a)단계 내지 상기 j)단계를 반복 수행하여 왕복운동하는 것을 특징으로 하는 멤브레인 전극 복합체를 이용한 유체 이동용 전기 삼투압 펌프의 쌍방향 구동방법.
청구항 14에 있어서,
상기 a)단계 내지 상기 j)단계가 반복 수행됨으로 상기 제1전극 및 상기 제2전극에서 가역적 반응으로 인하여 본래의 상태가 유지되는 것을 특징으로 하는 멤브레인 전극 복합체를 이용한 유체 이동용 전기 삼투압 펌프의 쌍방향 구동방법.