KR20180001964A - 전기 삼투 펌프 및 이를 포함하는 유체 펌핑 시스템 - Google Patents

전기 삼투 펌프 및 이를 포함하는 유체 펌핑 시스템 Download PDF

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Abstract

멤브레인, 상기 멤브레인의 일면에 구비되고 부도체로 이루어진 다공성 지지체 및 상기 다공성 지지체 위에 형성된 전기화학적 반응 물질을 포함하는 제1 전극, 및 상기 멤브레인의 다른 일면에 구비되고 부도체로 이루어진 다공성 지지체 및 상기 다공성 지지체 위에 형성된 전기화학적 반응 물질을 포함하는 제2 전극을 포함하는 전기 삼투 펌프 및 상기 전기 삼투 펌프를 포함하는 유체 펌핑 시스템을 제공한다.

Description

전기 삼투 펌프 및 이를 포함하는 유체 펌핑 시스템{ELECTROOSMOTIC PUMP AND SYSTEM FOR PUMPING OF FLUID COMPRISING THEREOF}
전기 삼투 펌프 및 이를 포함하는 유체 펌핑 시스템에 관한 것이다.
전기 삼투 펌프는 모세관 또는 다공성 분리막의 양단에 전압을 가하였을 때 발생하는 유체의 이동 현상을 이용하는 펌프이다. 따라서 전기 삼투를 이용하여 펌프를 구성하고자 할 경우에는 모세관 또는 다공성 분리막의 양단에 전압을 인가하기 위한 전극을 필수적으로 사용해야 한다.
통상적으로는 전극의 소재로서 화학적으로 안정된 백금을 많이 사용하였지만, 백금은 물에 대한 수소 과전압(hydrogen overpotential)이 낮아 실제로 수 볼트 이상의 전위차를 다공성 분리막의 양단에 가했을 때, 환원 전극에서 수소 가스를 발생시키고, 이러한 가스 발생은 전기 삼투 펌프의 실용화를 제한하는 요소가 된다.
보통 전극에서 발생하는 가스 문제는 전극에 물의 전기분해 반응 대신 산화 및 환원이 가능한 물질을 도입하여 개선하는 방향으로 해결되어 왔는데, 이들 전극은 전기화학적 반응 물질로 은(Ag)/산화은(AgO), MnO(OH), 폴리아닐린(polyaniline) 등을 사용한다.
한편, 전기 삼투 펌프에 사용되는 전극은 전기화학적 반응을 일으킴과 동시에 물과 같은 작동 유체도 통과할 수 있어야 한다.
전기화학적 반응을 위한 장소를 제공함과 동시에 작동 유체가 자유롭게 흐를 수 있어야 하므로, 전극으로서 높은 다공도를 나타내는 카본 페이퍼 또는 카본 직물이 폭넓게 사용되어 왔으며, 이러한 카본 소재의 표면에 상기한 은(Ag)/산화은(AgO), MnO(OH), 폴리아닐린 같은 전기화학적 반응 물질을 전착 또는 코팅하는 방식으로 제작한 전극이 폭넓게 사용되어 왔다.
그러나 다공성 카본 전극(예컨대, 카본 페이퍼 전극 또는 카본 직물 전극)에 전기화학적 반응 물질을 전착 내지 코팅하는 방식으로 제작되는 전극에는 매우 해결하기 어려운 문제점이 있는데, 이는 전기 삼투 펌프의 운전이 반복되면서 전극에 전착 내지 코팅된 전기화학적 반응 물질이 소모 내지 탈착됨에 따라 카본 전극 표면이 노출되게 되고, 이와 같이 노출된 카본 전극 표면에서 부반응으로 새로운 전기화학 반응, 예컨대 물의 전기 분해가 발생하여 전기 삼투 펌프의 전력 소모가 급격하게 증가하는 현상이다. 이러한 현상이 발생하게 되면, 배터리를 이용하는 전기 삼투 펌프의 경우 사용 가능한 시간이 대폭 줄어들게 된다.
펌프의 구동에 필요한 전력 소요량은 사람의 신체에 부착하는 패치형 약물 전달기 또는 웨어러블(wearable) 의료 기기로 응용할 때 실제 실용 가능성을 결정하는 중요한 요소이다.
또한, 소형 펌프를 인체 내부에 이식(implant)하여 약물을 전달하는 방법에 관한 관심이 집중되면서 부반응 없이 안정적으로 운전이 가능한 전기 삼투 펌프에 대한 관심이 증가하고 있으며, 이에 따라 전기 삼투 펌프의 안정성, 수명특성, 효율을 개선하고자 하는 연구가 진행되고 있다.
일 구현예는 장시간 운전하여도 전기화학적 반응 물질의 소모 내지 탈착으로 인한 부반응 및 이에 따른 전류 소모량, 전력 소모량의 증가가 발생하지 않아 안정성, 수명 특성, 효율이 우수한 전기 삼투 펌프를 제공하는 것이다.
다른 일 구현예는 상기 전기 삼투 펌프를 포함하는 유체 펌핑 시스템을 제공하는 것이다.
일 구현예에 따른 전기 삼투 펌프는 멤브레인; 상기 멤브레인의 일면에 구비되고 부도체로 이루어진 다공성 지지체 및 상기 다공성 지지체 위에 형성된 전기화학적 반응 물질을 포함하는 제1 전극; 및 상기 멤브레인의 다른 일면에 구비되고 부도체로 이루어진 다공성 지지체 및 상기 다공성 지지체 위에 형성된 전기화학적 반응 물질을 포함하는 제2 전극을 포함한다.
상기 부도체는 도전성을 나타내지 않는 세라믹, 도전성을 나타내지 않는 고분자 수지, 도전성을 나타내지 않는 유리 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 도전성을 나타내지 않는 세라믹은 암면, 석고, 도자기, 시멘트 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 도전성을 나타내지 않는 고분자 수지는 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; 생물체에서 유래한 다공성 소재; 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 도전성을 나타내지 않는 유리는 유리솜, 글라스 프릿(glass frit), 다공질 유리 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 다공성 지지체는 부직포, 직물, 스펀지 또는 이들의 조합의 형상을 가지는 것일 수 있다.
상기 다공성 지지체는 약 0.1 ㎛ 내지 약 500 ㎛의 기공크기를 가질 수 있다.
상기 다공성 지지체는 약 5% 내지 약 95%의 기공도를 가질 수 있다.
상기 전기화학적 반응 물질은 은/산화은, 은/염화은 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.
다른 일 구현예는 상기 전기 삼투 펌프를 포함하는 유체 펌핑 시스템을 제공한다.
일 구현예에 따른 전기 삼투 펌프는 장시간 운전하여도 전기화학적 반응 물질의 소모 내지 탈착으로 인한 부반응 및 이에 따른 전류 소모량, 전력 소모량의 증가가 발생하지 않아 안정성, 수명 특성, 효율을 개선할 수 있고, 고가의 카본 전극, 예컨대 카본 페이퍼 전극, 카본 직물 전극 등을 사용하지 않아 제조 원가도 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 전기 삼투 펌프를 개략적으로 보여주는 구성도이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 구현예에 따른 전기 삼투 펌프에서의 가역적인 전극 반응과 이로 인한 이온과 유체의 이동을 개략적으로 보여주는 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 전기 삼투 펌프의 분해 사시도이다.
도 4는 도 3에 도시한 전기 삼투 펌프의 단면도이다.
도 5는 실시예 1에 따라 제조한 전극의 전자현미경 사진이다.
도 6은 실시예 2에서 제조한 전기 삼투 펌프의 14시간 동안의 전류 특성 곡선이다.
도 7은 비교예 2에서 제조한 전기 삼투 펌프의 10분 동안의 전류 특성 곡선이다.
도 8은 비교예 2에서 제조한 전기 삼투 펌프의 14시간 동안의 전류 특성 곡선이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 구현예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예에 한정되지 않는다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 코팅 등의 부분이 다른 구성요소 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 구성요소 "바로 위에" 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 구성요소가 있는 경우도 포함한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미하고, “조합”은 혼합, 중합, 또는 공중합을 의미한다.
이하 도 1 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 일 구현예에 따른 전기 삼투 펌프를 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 전기 삼투 펌프를 개략적으로 보여주는 구성도이다.
도 1을 참고하면, 전기 삼투 펌프(100)는 멤브레인(11); 상기 멤브레인(11)의 일면에 구비되고 부도체로 이루어진 다공성 지지체 및 상기 다공성 지지체 위에 형성된 전기화학적 반응 물질을 포함하는 제1 전극(13); 및 상기 멤브레인(11)의 다른 일면에 구비되고 부도체로 이루어진 다공성 지지체 및 상기 다공성 지지체 위에 형성된 전기화학적 반응 물질을 포함하는 제2 전극(15)을 포함한다.
상기 제1 전극(13) 및 상기 제2 전극(15)은 전원 공급부(17)에 연결된다. 상기 제1 전극(13) 및 상기 제2 전극(15)은 예컨대, 리드선을 통하여 상기 전원 공급부(17)에 연결될 수 있으나, 전기적으로 연결될 수만 있으면 연결 수단이 리드선에 한정되는 것은 아니다.
상기 멤브레인(11)은 유체가 이동하는 유체경로부(19, 19')에 설치되며, 유체와 이온의 이동이 가능하도록 다공성 구조를 가질 수 있다.
상기 멤브레인(11)은 예컨대, 구형 실리카를 열로 소성하여 제조한 프릿형 멤브레인일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니고, 다공성 실리카 또는 다공성 알루미나로서 제타포텐셜(zeta potential)에 의한 일렉트로키네틱(eletrokinetic) 현상을 일으킬 수 있는 소재인 한 무엇이든 사용할 수 있다.
상기 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 상기 범위 내인 경우, 상기 전기 삼투 펌프가 보다 높은 압력을 발생시키도록 할 수 있다.
상기 멤브레인(11)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. 상기 멤브레인(11)의 두께가 상기 범위 내인 경우, 상기 멤브레인이 전기 삼투 펌프를 제조하는 동안 또는 사용, 보관하는 동안에 가해지는 기계적 충격을 견딜 수 있는 강도를 충분히 나타낼 수 있으며, 아울러 약물 전달용 펌프로 사용 가능한 충분한 유량을 나타낼 수 있다.
상기 제1 전극(13) 및 상기 제2 전극(15)은 각각 부도체로 이루어진 다공성 지지체 및 상기 다공성 지지체 위에 형성된 전기화학적 반응 물질을 포함한다. 이때, 상기 제1 전극(13), 상기 제2 전극(15)에 포함되는 상기 부도체로 이루어진 다공성 지지체, 상기 전기화학적 반응 물질은 각각 서로 동일하거나 상이할 수 있다.
상기 제1 전극(13) 및 상기 제2 전극(15)은 다공성 구조를 가짐으로써 유체와 이온의 이동이 효과적으로 이루어질 수 있다.
상기 다공성 지지체를 형성하는 부도체는 도전성을 나타내지 않는 세라믹, 도전성을 나타내지 않는 고분자 수지, 도전성을 나타내지 않는 유리 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이와 같이 상기 제1 전극(13) 및 상기 제2 전극(15)에 부도체로 이루어진 다공성 지지체를 사용하는 경우에는, 상기 전기 삼투 펌프를 장시간 운전하여 상기 제1 전극(13) 및 상기 제2 전극(15)에 사용되는 전기화학적 반응 물질이 소모 내지 탈착되어 상기 다공성 지지체가 노출되어도, 종래 카본 페이퍼나 카본 직물을 사용할 때 카본 페이퍼나 카본 직물의 노출로 인하여 발생하던 물의 전기분해와 같은 부반응이 이루어지지 않아 이러한 부반응으로 인한 불필요한 전류 소모, 전력 소모를 방지할 수 있다. 이로써, 안정적인 운전 특성, 우수한 수명 안정성, 우수한 전기 효율을 가지고, 제조 원가를 절감할 수 있는 전기 삼투 펌프를 구현할 수 있다.
상기 도전성을 나타내지 않는 세라믹은 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.
한편, 상기 도전성을 나타내지 않는 세라믹은 예컨대, 세라믹 분말의 소성물, 천연 유래의 다공성 세라믹일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 도전성을 나타내지 않는 고분자 수지는 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.
상기 도전성을 나타내지 않는 유리는 유리솜, 글라스 프릿(glass frit), 다공질 유리 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 다공성 지지체는 통상적으로는 부직포, 직물, 스펀지 또는 이들의 조합의 형상을 가질 수 있으나, 다공성을 가져 유체와 이온의 이동이 가능하다면 그 형상이 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 다공성 지지체는 약 0.1 ㎛ 내지 약 500 ㎛의 기공크기를 가질 수 있고, 구체적으로는 약 5 ㎛ 내지 약 300 ㎛의 기공크기를 가질 수 있으며, 더욱 구체적으로는 약 10 ㎛ 내지 약 200 ㎛의 기공크기를 가질 수 있다. 상기 다공성 지지체의 기공크기가 상기 범위 내인 경우, 유체와 이온이 효과적으로 이동할 수 있어 상기 전기 삼투 펌프의 안정성, 수명특성 및 효율을 효과적으로 개선할 수 있다.
상기 다공성 지지체는 약 5% 내지 약 95%의 기공도를 가질 수 있고, 구체적으로는 약 50% 내지 약 90%의 기공도를 가질 수 있으며, 더욱 구체적으로는 약 60% 내지 약 80%의 기공도를 가질 수 있다. 상기 다공성 지지체의 기공도가 상기 범위 내인 경우, 유체와 이온이 효과적으로 이동할 수 있어 상기 전기 삼투 펌프의 안정성, 수명특성 및 효율을 효과적으로 개선할 수 있다.
상기 전기화학적 반응 물질로서는 은/산화은, 은/염화은과 같이 전극 반응 시에 산화 전극과 환원 전극이 양이온, 예컨대 수소이온(H+)을 주고 받는 한 쌍의 반응을 이룰 수 있으며 동시에 가역적인 전기화학 반응을 구성할 수 있는 물질이라면 무엇이든 사용 가능하다.
구체적으로 상기 전기화학적 반응 물질은 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.
상기와 같은 전기화학적 반응 물질을 사용하는 경우, 물의 전기분해 반응이 아닌 방법으로 산화, 환원이 가능하여 전기 삼투 펌프의 안정성, 수명특성, 효율을 효과적으로 개선할 수 있다.
상기 전기화학적 반응 물질은 무전해 도금, 도금, 진공증착, 코팅, 졸겔(sol-gel) 프로세스 등의 방법을 사용하여 상기 부도체로 이루어진 다공성 지지체 위에 전착 내지 코팅함으로써 형성할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니고, 사용하는 전기화학적 반응 물질의 종류에 따라 적절한 방법을 사용하여 상기 전기화학적 반응 물질을 상기 부도체로 이루어진 다공성 지지체 위에 형성할 수 있다.
상기 전원 공급부(17)는 상기 제1 전극(13) 및 상기 제2 전극(15)과 연결되어, 상기 제1 전극(13) 및 상기 제2 전극(15)에 전기화학 반응이 일어날 수 있도록 전원을 공급하며, 상기 제1 전극(13) 및 상기 제2 전극(15)의 전기화학 반응은 양이온이 이동됨으로써 일어나게 된다.
상기 전원 공급부(17)는 상기 제1 전극(13) 및 상기 제2 전극(15)에 전압의 극성을 교번하여 공급할 수 있고, 이때, 상기 전원 공급부(17)가 전압의 극성을 교번하여 공급한다는 것은 전류를 반대 방향으로 공급한다는 의미를 포함할 수 있다. 이러한 과정으로 인하여, 상기 전기 삼투 펌프(100)는 유체의 이동을 통해 압력(펌핑력)을 발생시킴과 동시에, 상기 제1 전극(13) 및 상기 제2 전극(15)의 전기화학적 반응 물질의 소모 및 재생이 반복적으로 일어날 수 있다.
예를 들어, 상기 전원 공급부(17)는 상기 제1 전극(13) 및 상기 제2 전극(15) 각각에 직류 전압을 공급하는 직류전압공급부(미도시)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 전원 공급부(17)는 상기 제1 전극(13) 및 상기 제2 전극(15) 각각에 공급되는 직류 전압의 극성을 소정의 시간마다 교번하여 전환시키는 전압방향전환부(미도시)를 포함할 수도 있다. 이로부터, 상기 제1 전극(13) 및 상기 제2 전극(15) 각각에 걸리는 전압을 지속적으로 소정의 시간마다 반대 극성으로 바꿔줄 수 있다.
상기 유체경로부(19, 19')는 상기 멤브레인(11)과 상기 제1 전극(13) 및 상기 제2 전극(15)을 사이에 두고 양측으로 이동하는 유체의 이동 경로를 제공한다.
여기서, 상기 유체경로부(19, 19')는 내측에 유체가 채워지는 용기 형태, 예컨대 실린더 형태를 가질 수 있으나, 그 형태가 이에 한정되는 것은 아니다.
유체는 상기 유체경로부(19, 19')뿐만 아니라, 상기 멤브레인(11)과 상기 제1 전극(13) 및 상기 제2 전극(15)에도 채워질 수 있다.
상기 유체경로부(19, 19')는 압력(펌핑력)의 전달을 위해 개구를 가질 수 있다. 예컨대, 상기 개구는 상기 멤브레인(11)과 상기 제1 전극(13) 및 상기 제2 전극(15)에 의해 양분되는 양측 공간 중 어느 일측 공간 또는 양측 공간 모두에 형성되어 유체의 이동에 의한 압력(펌핑력)을 외측으로 제공할 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 일 구현예에 따른 전기 삼투 펌프에서의 가역적인 전극 반응과 이로 인한 이온과 유체의 이동을 개략적으로 보여주는 개념도이다.
도 2a 및 도 2b를 참고하면, 전원 공급부(17)를 통해 제1 전극(13) 및 제2 전극(15)에 전압을 다르게, 예컨대 전압의 극성을 다르게 전원을 공급하면 제1 전극(13)과 제2 전극(15) 사이에 전압 차이가 발생하게 된다.
이러한 전압 차이에 의해, 산화전극에서 전극 반응의 결과로 양이온(Mx +)이 생성되고, 이렇게 생성된 양이온(Mx +)이 환원전극으로 이동하면서 유체를 함께 끌고가 유량과 압력(펌핑력)을 발생시킨다.
전원 공급부(17)를 통해 제1 전극(13) 및 제2 전극(15)에 전원을 공급할 때, 전압의 극성을 교번하여 공급함으로써, 산화전극과 환원전극을 바꿀 수 있고 그로 인해 이온과 유체의 이동방향 및 유량과 압력(펌핑력)의 방향도 바꿀 수 있다.
산화전극의 역할을 하던 전극이 전압 극성의 교번 공급으로 인하여 환원전극의 역할을 수행하는 것으로 바뀌게 되면, 산화전극으로 사용될 때 소모되었던 전기화학적 반응 물질이 환원전극으로 사용될 때 회복될 수 있고, 그 역의 경우도 마찬가지의 효과를 달성하여, 결과적으로 전기 삼투 펌프의 계속적인 운전을 가능하게 한다.
은/산화은을 전기화학적 반응 물질로 사용하고, 유체로서 수용액을 사용한 경우를 예로 들어 설명하면, 산화전극에서는 하기 반응식 1과 같은 반응이 일어나고, 환원전극에서는 하기 반응식 2와 같은 반응이 일어난다. 이 경우 이동하는 양이온은 수소이온(H+)이고, 수소이온(H+)은 상대적으로 이온 이동 속도가 빨라 함께 이동하는 유체의 이동 속도도 빠르게 할 수 있어, 전기 삼투 펌프(100)의 성능을 효과적으로 개선할 수 있다.
[반응식 1]
Ag(s) + H2O → Ag2O(s) + 2H+ + 2e-
[반응식 2]
Ag2O(s) + 2H+ + 2e- → Ag(s) + H2O
제1 전극(13) 및 제2 전극(15)에 전기화학적 반응 물질로 은/산화은이 아닌 다른 물질을 사용하고, 유체로서 수용액이 아닌 다른 물질을 사용하는 경우, 그에 따라 산화환원 반응식이 달라질 수 있고, 생성되어 이동되는 양이온이 달라질 수 있음은 당연하다.
도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 전기 삼투 펌프의 분해 사시도이고, 도 4는 도 3에 도시한 전기 삼투 펌프의 단면도이다.
도 3 및 도 4를 참고하면, 멤브레인(11)은 원판 형태일 수 있다. 이 때, 상기 멤브레인(11)의 외주면에는 유체의 유출을 방지할 수 있도록 코팅재, 차단시트, 접착시트 등을 접합시킬 수 있다.
또한, 제1 전극(13) 및 제2 전극(15)은 상기 멤브레인(11)의 형상에 대응하도록 원판 형태를 가질 수 있으며, 이때, 상기 제1 전극(13) 및 상기 제2 전극(15)의 외주면에도 유체의 유출을 방지할 수 있도록 코팅재, 차단시트, 접착시트 등을 접합시킬 수 있다.
제1 유체경로부(19, 도 1 참조)는 상기 제1 전극(13)에 접합되는 중공의 제1 캡(33)을 포함할 수 있다.
또한, 제2 유체경로부(19', 도 1 참조)는 상기 제2 전극(15)에 접합되는 중공의 제2 캡(53)을 포함할 수 있다.
상기 제1 캡(33) 및 상기 제2 캡(53)의 양단 중, 상기 제1 전극(13) 및 상기 제2 전극(15)이 위치하는 단부와 반대 방향에 위치한 단부에는 유체가 이동될 수 있는 제1 튜브(40) 및 제2 튜브(40')가 연결될 수 있다.
상기 제1 튜브(40) 및 제2 튜브(40')는 예컨대, 실리콘 튜브일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 전기 삼투 펌프(100)는 상기 제1 전극(13)의 외주면에 끼워지는 제1 컨택 스트립(31)을 포함할 수 있다.
또한, 상기 전기 삼투 펌프(100)는 상기 제2 전극(15)의 외주면에 끼워지는 제2 컨택 스트립(51)을 포함할 수 있다.
상기 제1 컨택 스트립(31) 및 상기 제2 컨택 스트립(51)은 전원 공급부(17)와 연결되어 각각 상기 제1 전극(13)과 상기 제2 전극(15)에 전압 또는 전류를 전달할 수 있다.
상기 제1 컨택 스트립(31) 및 상기 제2 컨택 스트립(51)은 도전성 재질로 이루어질 수 있다. 구체적으로는 상기 제1 컨택 스트립(31) 및 상기 제2 컨택 스트립(51)은 은(Ag), 구리(Cu) 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제1 컨택 스트립(31) 및 상기 제2 컨택 스트립(51)은, 도 3에 도시된 바와 같이 상기 제1 전극(13) 및 상기 제2 전극(15) 각각의 외주면에 끼워질 수 있는 고리 형태일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 다른 일 구현예는 상기 전기 삼투 펌프를 포함하는 유체 펌핑 시스템을 제공한다. 유체 펌핑 시스템은 당업계에서 일반적으로 사용되는 구조로 형성될 수 있으므로, 구체적인 기재는 생략한다.
이하에서 본 발명을 실시예　및 비교예를 통하여 보다 상세하게 설명하고자 하나, 하기의 실시예　및 비교예는 설명의 목적을 위한 것으로 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.
실시예
실시예 1: 은( Ag )이 도금된 폴리에틸렌테레프탈레이트 (polyethylene terephthalate, PET)계 부직포 전극의 제조
두께 0.2 mm의 폴리에틸렌테레프탈레이트계 부직포(휴비스사제, LMF 급) 10 g을 NaOH 수용액[1.6g(NaOH)/100 mL(물)]에서 상온, 30분간 세척한 후 증류수로 여러 차례 세척 후 폴리에틸렌글리콜 수용액[PEG 1000, 0.08 g(폴리에틸렌글리콜)/100 mL(물)]에 컨디셔닝 시킨 후 다시 증류수로 세척하였다.
교반과 세척을 반복하며 SnCl2[0.8 g(SnCl2)/100 mL(물)]를 사용한 센서티제이션(sensitization) 과정을 5분간, PdCl2[0.04 g(PdCl2)/100 mL(물)]를 사용한 액티베이션(activation) 과정을 30분간 거쳤다. 이후 10% HCl 수용액을 이용한 엑셀러레이션(acceleration) 과정을 상온에서 30분간 거친 후 증류수로 세척하였다.
전처리 과정을 거친 폴리에틸렌테레프탈레이트계 부직포를 질산은(silver nitrate), 수산화나트륨(sodium hydroxide) 및 암모니아로 구성된 은 용액과 차아인산나트륨(sodium hypophosphite)이 용해된 환원액에 넣어 전체 1시간 동안 무전해 도금을 실시하였다.
은이 도금된 폴리에틸렌테레프탈레이트계 부직포는 양단 전위차 2V에서 은 플레이트를 상대 전극으로 하여 양극 산화시켜 Ag2O 입자가 표면에 생성되도록 하고, 이를 전기 삼투 펌프용 다공성 전극으로 사용하였다.
도 5는 실시예 1에 따라 제조한 전극의 전자현미경 사진이다.
도 5로부터 폴리에틸렌테레프탈레이트계 부직포 위에 도금된 은과 산화은의 몰폴로지를 관찰하면 전체적으로 다공성을 유지하면서도 은/산화은이 매우 균일하게 분포하고 있음을 확인할 수 있다.
실시예 2: 전기 삼투 펌프의 제조
도 3과 및 도 4와 같은 형태의 전기 삼투 펌프를 제조하였다. 멤브레인은 직경 300 nm의 구형 실리카를 금형에서 1 ton의 하중을 가하여 외경 8 mm, 두께 1 mm의 동전 모양으로 성형한 후 700℃에서 소성하여 제조하였다.
멤브레인의 양쪽에는 실시예 1에서 제조한 전극을 외경 8 mm의 원형으로 가공하여 적층하였고, 이어 컨택 스트립과 캡을 설치한 다음 외부를 에폭시 수지를 이용하여 밀봉하였다.
비교예 1: 은(Ag)이 도금된 카본 페이퍼 전극의 제조
두께 0.28mm 의 카본 페이퍼(일본 도레이사, THP-H-090)를 저압 플라즈마 장치에서 1시간 동안 플라즈마 처리하였다.
위 플라즈마 처리된 카본 페이퍼를 전기 도금조에 설치한 후 30 mA/cm2의 전류 밀도로 약 10분 동안 은을 도금하였다. 은이 도금된 카본 페이퍼를 다른 도금조로 옮겨서 15 mA/cm2의 전류로 양극 산화를 시켜 표면에 Ag2O 층이 코팅된 전극을 제조하였다.
제조된 전극은 직경(외경) 8 mm의 원형 전극으로 제조하였다.
비교예 2: 전기 삼투 펌프의 제조
실시예 1에서 제조한 전극 대신에 비교예 1에서 제조한 전극을 사용한 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 방법으로 전기 삼투 펌프를 제조하였다.
시험예 1: 전기 삼투 펌프의 성능 평가
실시예 2 및 비교예 2에서 제조한 전기 삼투 펌프의 각 2개의 전극에 2V의 전위차를 각각 1분마다 교번하여 10분 동안 가하였을 때의 전류 응답 특성을 평가하였다. 또한, 실시예 2 및 비교예 2에서 제조한 전기 삼투 펌프의 각 2개의 전극에 2V의 전위차를 각각 1분마다 교번하여 14시간 동안 가하였을 때의 전류 응답 특성을 평가하였다.
실시예 2 에서 제조한 전기 삼투 펌프의 14시간 동안의 전류 특성 곡선을 도 6에, 비교예 2에서 제조한 전기 삼투 펌프의 10분 동안의 전류 특성 곡선을 도 7에, 비교예 2에서 제조한 전기 삼투 펌프의 14시간 동안의 전류 특성 곡선을 도 8에, 각각 나타내었다.
도 6에 나타난 바에 의하면, 실시예 2에서 제조한 전기 삼투 펌프는 장시간 운전하여도 그에 흐르는 전류가 큰 변화 없이 유지됨을 알 수 있다.
반면, 도 7 및 8에 나타난 바에 의하면, 비교예 2에서 제조한 전기 삼투 펌프는 약 10분 동안은 그에 흐르는 전류가 유지되나, 운전 시간이 길어질수록 흐르는 전류가 급격하게 증가하여 전력 소비가 많아 짐을 알 수 있다. 이로부터 비교예 2에서 제조한 전기 삼투 펌프는 운전 시간이 길어지면 전기화학적 반응 물질인 은/산화은의 소모 내지 탈착으로 인하여 카본 페이퍼가 노출되고, 노출된 카본 페이퍼가 물의 전기 분해와 같은 부반응을 일으켜 전기 삼투 펌프의 전력 소모를 급격히 증가시킴을 확인할 수 있다.
결과적으로 실시예 2에서 제조한 전기 삼투 펌프는 비교예 2에서 제조한 전기 삼투 펌프에 비하여 안정성, 수명 특성, 효율이 우수함을 확인할 수 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
100: 전기 삼투 펌프, 11: 멤브레인,
13: 제1 전극, 15: 제2 전극,
17: 전원공급부, 19: 제1 유체경로부,
19': 제2 유체경로부, 31: 제1 컨택 스트립,
33: 제1 캡, 40: 제1 튜브,
40': 제2 튜브, 51: 제2 컨택 스트립,
53: 제2 캡

Claims (10)

  1. 멤브레인;
    상기 멤브레인의 일면에 구비되고 부도체로 이루어진 다공성 지지체 및 상기 다공성 지지체 위에 형성된 전기화학적 반응 물질을 포함하는 제1 전극; 및
    상기 멤브레인의 다른 일면에 구비되고 부도체로 이루어진 다공성 지지체 및 상기 다공성 지지체 위에 형성된 전기화학적 반응 물질을 포함하는 제2 전극
    을 포함하는 전기 삼투 펌프.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 부도체는 도전성을 나타내지 않는 세라믹, 도전성을 나타내지 않는 고분자 수지, 도전성을 나타내지 않는 유리 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것인 전기 삼투 펌프.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 도전성을 나타내지 않는 세라믹은 암면, 석고, 도자기, 시멘트 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것인 전기 삼투 펌프.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 도전성을 나타내지 않는 고분자 수지는 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; 생물체에서 유래한 다공성 소재; 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것인 전기 삼투 펌프.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 도전성을 나타내지 않는 유리는 유리솜, 글라스 프릿(glass frit), 다공질 유리 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것인 전기 삼투 펌프.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 지지체는 부직포, 직물, 스펀지 또는 이들의 조합의 형상을 가지는 것인 전기 삼투 펌프.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 지지체는 0.1 ㎛ 내지 500 ㎛의 기공크기를 가지는 것인 전기 삼투 펌프.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 지지체는 5% 내지 95%의 기공도를 가지는 것인 전기 삼투 펌프.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 전기화학적 반응 물질은 은/산화은, 은/염화은 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것인 전기 삼투 펌프.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 전기 삼투 펌프를 포함하는 유체 펌핑 시스템.
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