KR20180035176A - Galvanic electroosmotic pump - Google Patents

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KR20180035176A
KR20180035176A KR1020170125954A KR20170125954A KR20180035176A KR 20180035176 A KR20180035176 A KR 20180035176A KR 1020170125954 A KR1020170125954 A KR 1020170125954A KR 20170125954 A KR20170125954 A KR 20170125954A KR 20180035176 A KR20180035176 A KR 20180035176A
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신운섭
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서강대학교산학협력단
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Abstract

The present invention relates to a non-powered self-driving electroosmotic pump. More specifically, the non-powered self-driving electroosmotic pump comprises: a fluid path unit through which a fluid moves; a membrane provided in the fluid path unit and made of a porous material to allow movement of the fluid; a reducing electrode which includes a first electrode material and which is provided on one side of the membrane; an oxidizing electrode which includes a second electrode material having a potential value lower than a potential value of the first electrode material and which is provided on the other side of the membrane; and at least one resistance provided in a connection circuit between the oxidizing electrode and the reducing electrode to determine the moving speed of the fluid. The fluid is moved by an electrochemical reaction of the oxidizing electrode and the reducing electrode.

Description

무전원 자가구동 전기삼투펌프 {GALVANIC ELECTROOSMOTIC PUMP}GALVANIC ELECTROOSMOTIC PUMP [0002]

본 발명은 전기삼투펌프에 관한 것으로서, 보다 구체적으로, 외부 전원의 공급 없이 작동 가능한 전기삼투펌프에 관한 것이다.The present invention relates to an electroosmotic pump, and more particularly, to an electroosmotic pump operable without supplying an external power source.

전기삼투펌프는 모세관 혹은 다공성 막[다공성 멤브레인(membrane)]의 양단에 구비된 전극에 전압을 걸었을 때 생기는 전기삼투현상에 의해 유체가 이동하는 것을 이용한 펌프이다. 유체의 이동을 위하여는 전압을 걸면 양단에 가해진 전압에 비례하여 유속의 증가도 가져올 수 있다.An electroosmotic pump is a pump that uses a fluid to move due to an electroosmosis phenomenon caused when a voltage is applied to an electrode provided at both ends of a capillary or a porous membrane (porous membrane). In order to move the fluid, applying a voltage can also increase the flow rate in proportion to the voltage applied to both ends.

종래에는 전극 물질로 안정된 백금을 많이 사용하였는데, 백금 전극을 사용하는 경우, 전압이 인가되었을 시에 물의 전기분해로 인한 산소, 수소 등과 같은 가스 발생으로 인한 안정성 문제가 있었다. 이를 해결하기 위해, 최근에 가스 발생 없이 안정적으로 전기삼투펌프가 구동될 수 있는 전극 물질로 은(Ag) 산화은(Ag2O), MnO(OH) 및 폴리아닐린(polyaniline, PANI) 등이 사용되기 시작했다. 이때, 전극의 기본구조는 카본 페이퍼(carbon paper) 등과 같은 다공성 전극에 전술한 물질을 전착 등에 의해 코팅시킨 구조이다. 이 경우, 전극에 코팅된 물질들의 산화환원 반응을 통해 유체를 이동시켜 전기삼투펌프의 펌핑력을 발생시킨다.Conventionally, a platinum electrode stable as an electrode material has been used. However, when a platinum electrode is used, there is a problem of stability due to generation of gas such as oxygen and hydrogen due to electrolysis of water when a voltage is applied. In order to solve this problem, silver (Ag 2 O), MnO (OH) and polyaniline (PANI) have been used as electrode materials that can be stably driven by an electroosmosis pump without generating gas recently did. At this time, the basic structure of the electrode is a structure in which the above-mentioned material is coated by electrodeposition or the like on a porous electrode such as carbon paper or the like. In this case, the fluid is moved through the redox reaction of the materials coated on the electrode to generate the pumping force of the electroosmotic pump.

도 1a은 종래의 은(Ag) 및 산화은(Ag2O) 전극을 활용한 전기삼투펌프를 도시하며, 도 1b는 도 1a의 종래의 전기삼투펌프에서의 전압에 따른 유속 변화를 도시한다. 도 1b를 참조하면, 종래의 은(Ag) 및 산화은(Ag2O) 전극을 양단의 전극으로 활용하는 종래의 전기삼투펌프는 전압에 비례하여 유속이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 즉, 종래의 전기삼투펌프는 인가 전압 에 비례하여 유속 이 증가되며 전압이 인가되지 않은 경우 유체의 흐름은 일어나지 않는다. 즉,, 외부에서 전압이 인가될 경우에만 전기삼투펌프의 구동이 가능하다.FIG. 1A shows an electroosmotic pump utilizing conventional silver (Ag) and silver oxide (Ag 2 O) electrodes, and FIG. 1B shows a flow rate change according to voltage in the conventional electroosmotic pump of FIG. 1A. Referring to FIG. 1B, it can be seen that the conventional electroosmosis pump using silver (Ag) and silver oxide (Ag 2 O) electrodes as electrodes at both ends increases the flow rate in proportion to the voltage. That is, the flow rate of the conventional electroosmotic pump increases in proportion to the applied voltage, and the flow of fluid does not occur when the voltage is not applied. That is, it is possible to drive the electroosmotic pump only when a voltage is applied from the outside.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여, 일부 실시예는 외부의 전원 공급 없이, 자가 구동되는 전기삼투펌프를 제공하는 데에 그 목적이 있다. 다만, 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide an electro-osmotic pump which is self-driven without external power supply. It should be understood, however, that the technical scope of the present invention is not limited to the above-described technical problems, and other technical problems may exist.

상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 무전원 구동 전기삼투펌프는 유체가 이동하는 유체경로부; 유체경로부에 구비되며, 유체의 이동을 허용하도록 다공성 재질로 형성된 멤브레인(membrane); 멤브레인의 일측에 구비되어, 제1 전극물질을 포함하는 환원전극; 멤브레인의 타측에 구비되어, 제1 전극물질의 전위값보다 낮은 전위값을 갖는 제2 전극물질을 포함하는 산화전극; 및 산화전극 및 환원전극 간의 연결회로에 구비되어, 유체의 이동 속도를 결정하는 하나 이상의 저항(resistance)을 포함한다. 유체는 산화전극 및 환원전극의 전기화학반응에 의해 이동된다. According to an aspect of the present invention, there is provided a non-power-driven electroosmotic pump according to an embodiment of the present invention includes: a fluid path portion through which fluid flows; A membrane provided in the fluid path portion and formed of a porous material to allow movement of the fluid; A reducing electrode provided on one side of the membrane, the reducing electrode comprising a first electrode material; An oxidizing electrode provided on the other side of the membrane, the oxidizing electrode including a second electrode material having a potential value lower than a potential value of the first electrode material; And at least one resistance provided in a connection circuit between the oxidizing electrode and the reducing electrode to determine a moving speed of the fluid. The fluid is moved by the electrochemical reaction of the oxidizing electrode and the reducing electrode.

전술한 본 발명의 과제 해결 수단에 의하면, 자발적인 전기화학반응을 통해 유체를 이동시킴으로써 외부의 전원 공급 없이 구동될 수 있는 전기삼투펌프를 구현할 수 있으며, 전원을 공급하기 위한 구성을 필요로 하지 않음으로써 초소형 전기삼투펌프를 구현할 수 있다. According to the present invention, there is provided an electroosmotic pump that can be driven without external power supply by moving a fluid through a spontaneous electrochemical reaction, and does not require a configuration for supplying power A micro electro osmotic pump can be realized.

도 1a은 종래의 은(Ag) 및 산화은(Ag2O) 전극을 활용한 전기삼투펌프를 도시하며, 도 1b는 도 1a의 종래의 전기삼투펌프에서의 전압에 따른 유속 변화를 도시한다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 무전원 자가구동 전기삼투펌프의 구성을 도시한다.
도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 무전원 자가구동 전기삼투펌프의 양 전극에 두 개의 저항이 병렬적으로 연결되고, 각 저항의 일측에 스위치가 구비된 일례를 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제작한 무전원 구동 전기삼투펌프를 도시한 도면이다.
도 4는 도 3의 전기삼투펌프에 10㏀ 및 50㏀ 및 100㏀의 저항을 각각 연결한 이후의 전압 변화를 도시한 도면이다.
도 5는 도 3의 전기삼투펌프에 10㏀ 및 50㏀ 및 100㏀의 저항을 각각 연결한 이후의 유체의 속도 변화를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 무전원 자가구동 전기삼투펌프의 지속력을 확인하기 위한 실험 결과를 도시한다.
도 7 및 도 8은 도 3의 전기삼투펌프에서 환원전극과 저항을 달리하여 유체를 이동시킨 결과를 도시한다.
FIG. 1A shows an electroosmotic pump utilizing conventional silver (Ag) and silver oxide (Ag 2 O) electrodes, and FIG. 1B shows a flow rate change according to voltage in the conventional electroosmotic pump of FIG. 1A.
FIG. 2A shows a configuration of a non-powered self-propelled electric osmotic pump according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2B illustrates an example in which two resistors are connected in parallel to both electrodes of a non-powered self-propelled pump according to an embodiment of the present invention, and a switch is provided on one side of each of the resistors.
FIG. 3 is a view illustrating a non-power-driven electroosmotic pump manufactured according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a graph showing voltage changes after connecting resistances of 10 k? And 50 k? And 100 k? To the electro-osmotic pump of FIG. 3;
FIG. 5 is a graph showing changes in fluid velocity after connecting resistances of 10 k? And 50 k? And 100 k? To the electroosmotic pump of FIG.
FIG. 6 shows experimental results for confirming the sustainability of the electropneumatic self-propelled osmotic pump according to an embodiment of the present invention.
FIGS. 7 and 8 show the results of moving the fluid with different resistances from the reducing electrode in the electroosmotic pump of FIG.

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.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, which will be readily apparent to those skilled in the art. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. In order to clearly illustrate the present invention, parts not related to the description are omitted, and similar parts are denoted by like reference characters throughout the specification.

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. In the entire specification of the present invention, when a part is referred to as being "connected" to another part, it is not necessarily the case that it is "directly connected", but also "electrically connected" .

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.In the entire specification of the present invention, when a member is located on another member, this includes not only a case where a member is in contact with another member but also a case where another member exists between the two members.

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.Throughout the specification of the present invention, when a part is referred to as "including " an element, it is understood that it may include other elements as well, without excluding other elements unless specifically stated otherwise. The terms "about "," substantially ", etc. used to the extent that they are used throughout the present disclosure are used in their numerical value or in close proximity to their numerical values when the manufacturing and material tolerances inherent in the stated meanings are presented, Accurate or absolute numbers are used to prevent unauthorized exploitation by unauthorized intruders of the referenced disclosure. The word " step (or step) "or" step "used in the specification of the present invention does not mean" step for.

도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 무전원 자가구동 전기삼투펌프(10)의 구성을 도시한다. FIG. 2A shows a configuration of a non-powered self-propelled electric osmotic pump 10 according to an embodiment of the present invention.

도 2a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 무전원 자가구동 전기삼투펌프(10)는 멤브레인(11), 산화전극(12), 환원전극(13), 하나 이상의 저항(resistance, 14) 및 유체경로부(16)를 포함한다. 또한, 무전원 자가구동 전기삼투펌프(10)는 하나 이상의 스위치(switch)(15)를 더 포함할 수 있다. 2A, a non-powered self-propelled osmotic pump 10 according to an embodiment of the present invention includes a membrane 11, an oxidizing electrode 12, a reducing electrode 13, at least one resistance 14, And a fluid path portion 16. In addition, the non-powered self-priming pump 10 may further include at least one switch 15.

멤브레인(11)은 유체가 이동하는 유체경로부(16)에 구비되어, 유체의 이동을 허용하도록 다공성 재질 또는 구조로 형성된다. 예시적으로, 멤브레인(11)은 약 0.1 ㎛ 내지 약 5 ㎛ 크기의 입상물의 형태를 가지는 실리카(silica), 유리(glass) 등을 이용하여 제조될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 예시적으로, 멤브레인(11)은 디스크 멤브레인일 수 있고, MEA(membrane electrode assembly)일 수도 있으며, 이외에도 다양한 형태의 다공성 재질이나 구조를 가지는 것일 수 있다. 또한, 멤브레인(11)은 유체뿐만 아니라 이온의 이동도 허용할 수 있다. The membrane 11 is provided in the fluid path portion 16 through which the fluid moves, and is formed into a porous material or structure to allow movement of the fluid. Illustratively, the membrane 11 may be fabricated using, but not limited to, silica, glass, or the like, having the form of a particulate material having a size of from about 0.1 μm to about 5 μm. Further, by way of example, the membrane 11 may be a disk membrane, a membrane electrode assembly (MEA), or may have various types of porous materials or structures. In addition, the membrane 11 may permit movement of ions as well as fluids.

환원전극(13)은 멤브레인(11)의 일측에 구비되며, 산화전극(12)은 멤브레인(11)의 타측에 구비된다. 이때, 산화전극(12) 및 환원전극(13)은 유체의 이동을 허용하는 다공성 물질로 형성될 수 있다. 예시적으로, 산화전극(12) 및 환원전극(13)은 다공성 탄소(porous carbon)로 형성될 수 있다. 다공성 탄소는, 비한정적인 예로서, 탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT), 그래핀(graphene), 탄소 나노입자(carbon nanoparticle), 풀러렌(fullerene), 흑연(graphite) 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 산화전극(12)은 다공성 탄소로 형성된 양극(porous carbon anode)일 수 있으며, 환원전극(13)은 다공성 탄소로 형성된 음극(porous carbon cathode)일 수 있다. The reducing electrode 13 is provided on one side of the membrane 11 and the oxidizing electrode 12 is provided on the other side of the membrane 11. At this time, the oxidizing electrode 12 and the reducing electrode 13 may be formed of a porous material allowing the fluid to move. Illustratively, the oxidizing electrode 12 and the reducing electrode 13 may be formed of porous carbon. The porous carbon may include, by way of non-limiting example, carbon nanotube (CNT), graphene, carbon nanoparticle, fullerene, graphite, But is not limited thereto. That is, the oxidizing electrode 12 may be a porous carbon anode formed of porous carbon, and the reducing electrode 13 may be a porous carbon cathode formed of porous carbon.

이때, 산화전극(12) 및 환원전극(13)은 1차 전지에 사용되는 물질이 도금(plating) 등의 방법으로 코팅될 수 있다. 예시적으로, 산화전극(12)에는 환원전극(13)의 전극물질의 전위값보다 낮은 전위값을 갖는 물질이 코팅된다. 먼저, 환원전극(13)에 코팅되는 물질은, 비한정적인 예로서, 은(Ag)/산화은(Ag2O), 망간(Mn)/산화망간(MnO2) 및 납(Pb)/산화납(PbO2) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 산화전극(12)에 도금되는 물질은, 상기한 물질보다 전위값이 낮은 아연(Zn) 및 산화아연(ZnO) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 즉, 산화전극(12)은 환원전극(13)에 비하여 전위값이 낮은 전극물질(예컨대, 표준전극전위가 음의 방향에 포함되는 전극물질)로 형성됨으로써, 양쪽전극(12, 13)에서는 1차 전지에서와 같은 자발적인 전기화학반응(즉, 전극반응)이 발생될 수 있다. 무전원 자가구동 전기삼투펌프(10)는 이러한 자발적인 전기화학반응을 기초로, 유체경로부(16)를 따라 유체 및/또는 이온을 이동시킨다. 한편, 산화전극(12) 및 환원전극(13)은 멤브레인(11)의 양측에 각각 배치됨으로써, 산화전극(12) 및 환원전극(13)은 멤브레인(11)에 의해 일정한 간격을 유지할 수 있다. At this time, the oxidation electrode 12 and the reduction electrode 13 may be coated with a material used for the primary battery by plating or the like. Illustratively, the oxidation electrode 12 is coated with a material having a potential value lower than the potential value of the electrode material of the reduction electrode 13. The material to be coated on the reducing electrode 13 may be selected from the group consisting of silver (Ag) / silver oxide (Ag 2 O), manganese (Mn) / manganese oxide (MnO 2) and lead (Pb) / lead oxide (PbO 2) Or the like. The material to be plated on the oxidation electrode 12 may include at least one of zinc (Zn) and zinc oxide (ZnO) having a lower potential value than the above-mentioned material. That is, the oxidizing electrode 12 is formed of an electrode material having a lower potential value than the reducing electrode 13 (for example, the electrode material in which the standard electrode potential is included in the negative direction) A spontaneous electrochemical reaction (i.e., an electrode reaction) as in the case of a secondary battery can be generated. The electroless self-driven electroosmotic pump 10 moves fluid and / or ions along the fluid path portion 16 based on this spontaneous electrochemical reaction. The oxidizing electrode 12 and the reducing electrode 13 are disposed on both sides of the membrane 11 so that the oxidizing electrode 12 and the reducing electrode 13 can be maintained at a constant interval by the membrane 11.

이와 같이, 산화전극(12) 및 환원전극(13)은 서로 다른 전위값을 갖는 물질로 형성됨으로써, 1차 전지와 같은 자발적인 전기화학반응을 발생시키는 한편, 다공성 탄소로 형성됨으로써 안정적으로 유체를 이동시킬 수 있다. Since the oxidizing electrode 12 and the reducing electrode 13 are formed of materials having different potential values, spontaneous electrochemical reactions such as the primary cell are generated, while the porous electrode is formed of porous carbon, .

저항(14)은 산화전극(12) 및 환원전극(13)에 각각이 연결된 연결회로에 구비되어, 유체의 이동 속도를 결정한다. 저항(14)은 무전원 자가구동 전기삼투펌프(10)가 기 설정된 유속 및/또는 사용자가 임의로 선택하는 속도로 유체를 이동시키기 위해 구비될 수 있다. 이때, 양쪽 전극(12, 13)에 걸리는 저항(14)의 크기는 멤브레인(11)의 저항값과 타겟하는 유체의 속도 등을 기초로 제조 단계에서 설정될 수 있으며, 타겟하는 유체의 속도가 변경됨에 따라 가변될 수도 있다. 또한, 저항(14)은 연결회로에 구비된 스위치(15)의 상태에 따라 양 전극(12, 13)에 연결이 허용되거나 차단될 수 있다. The resistor 14 is provided in a connection circuit connected to the oxidation electrode 12 and the reduction electrode 13, respectively, to determine the flow rate of the fluid. The resistor 14 may be provided to move the fluid at a predetermined flow rate and / or at a rate arbitrarily selected by the user. At this time, the magnitude of the resistance 14 applied to the electrodes 12 and 13 can be set at the manufacturing stage based on the resistance value of the membrane 11 and the speed of the target fluid, and the speed of the target fluid is changed . ≪ / RTI > Also, the resistor 14 can be allowed or disconnected from both the electrodes 12 and 13 depending on the state of the switch 15 provided in the connection circuit.

스위치(15)는 연결회로에 구비되어, 저항(14)과 양 전극(12, 13) 간의 연결을 허용하거나 차단한다. The switch 15 is provided in the connection circuit to allow or cut off the connection between the resistor 14 and the electrodes 12 and 13.

한편, 무전원 자가구동 전기삼투펌프(10)가 복수의 저항을 포함하는 경우, 복수의 저항은 양 전극(12, 13)에 병렬적으로 연결될 수 있다. 이때, 각 저항의 일측에는 해당 저항을 양 전극(12, 13)으로 연결하거나 차단할 수 있는 복수의 스위치가 구비되어 있을 수 있다. 따라서, 양 전극(12, 13)에 걸리는 저항의 크기는 각 저항에 대응되는 스위치가 온(on) 및 오프(off) 됨에 따라 가변될 수 있다. On the other hand, when the non-power source-driven electroosmotic pump 10 includes a plurality of resistors, a plurality of resistors may be connected in parallel to the electrodes 12 and 13. At this time, a plurality of switches may be provided on one side of each resistor, which can connect or disconnect the corresponding resistor with the electrodes 12 and 13. Therefore, the magnitude of the resistance applied to the electrodes 12 and 13 can be varied as the switches corresponding to the respective resistors are turned on and off.

도 2b는 양 전극(12, 13)에 두 개의 저항(14a, 14b)이 병렬적으로 연결되고, 각 저항(14a, 14b)의 일측에 스위치(15a, 15b)가 구비된 일례를 도시한다. 두 개의 스위치(15a, 15b)는 독립적으로 온 및 오프됨으로써, 양 전극(12, 13)에 걸리는 저항은 제1 저항(14a)의 저항값, 제2 저항(14b)의 저항값 또는 두 개의 저항(14a, 14b)의 저항값의 합으로 가변될 수 있다. 2B shows an example in which two resistors 14a and 14b are connected in parallel to the electrodes 12 and 13 and switches 15a and 15b are provided on one side of the resistors 14a and 14b. The two switches 15a and 15b are independently turned on and off so that the resistance applied to both electrodes 12 and 13 is determined by the resistance value of the first resistor 14a and the resistance value of the second resistor 14b, (14a, 14b).

한편, 일 실시예에 따른 무전원 자가구동 전기삼투펌프(10)는 디스크(원판) 형태 또는 원형 고리의 형태로 형성될 수 있으며, 하나의 원형 튜브의 형태로 결합되어 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 무전원 자가구동 전기삼투펌프(10)는 양쪽 전극(12, 13)으로 전원을 공급하기 위한 배터리 등을 구비하지 않음으로써 초소형으로 구현될 수 있다.Meanwhile, the electropneumatic self-propelled pump 10 according to one embodiment may be formed in the form of a disk (disk) or a circular ring, and may be formed by being coupled in the form of a circular tube, It is not. In addition, the non-power-source-driven electric osmotic pump 10 of the present invention can be realized in a very small size by not including a battery or the like for supplying power to both electrodes 12 and 13.

이하에서는, 본 발명의 일 실시예에 따라 제작한 무전원 구동 전기삼투펌프의 적용한 예들을 설명한다. Hereinafter, application examples of a non-power-driven electroosmosis pump manufactured according to an embodiment of the present invention will be described.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제작한 무전원 자가구동 전기삼투펌프(10a)를 도시한 도면이다. 도 3에서는 실리카로 형성된 디스크 멤브레인을 사용하였으며, 이 때 디스크 멤브레인은 8mm의 지름, 2mm의 두께 및 50% 의 다공성 바디를 갖는다. 한편, 도 3에서는 스위치를 대신하여, 전기삼투펌프에 저항(resistor)을 직접 연결하거나 연결하지 않는 방법으로 산화전극 및 환원전극의 전기화학반응에 의한 전압 및 유속 결과를 측정하였다.FIG. 3 is a view showing a non-powered self-propelled electric osmotic pump 10a manufactured according to an embodiment of the present invention. In Fig. 3, a disc membrane formed of silica was used, with the disc membrane having a diameter of 8 mm, a thickness of 2 mm and a porous body of 50%. Meanwhile, in FIG. 3, the voltage and flow rate results of the electrochemical reaction of the oxidizing electrode and the reducing electrode were measured by a method of directly connecting or disconnecting a resistor to the electroosmotic pump instead of the switch.

이때, 산화전극에는 아연(Zn) 및 산화아연(ZnO)이 각각 0.96C, 0.22C 도금되었으며, 환원전극에는 은(Ag)과 산화은(Ag2O)이 각각 1.3C 도금되었다. 이때, 아연(Zn) 및 산화아연(ZnO)으로 형성된 산화전극의 전기화학반응(즉, 전극반응)은 아래의 반응식1과 같이 나타나며, 전위값(E0)은 -0.76 V이다.At this time, zinc oxide (ZnO) and zinc oxide (ZnO) were plated at 0.96C and 0.22C, respectively, and silver (Ag) and silver oxide (Ag2O) were plated at 1.3C. At this time, the electrochemical reaction (that is, the electrode reaction) of the oxidation electrode formed of zinc (Zn) and zinc oxide (ZnO) appears as shown in the following reaction formula 1, and the potential value E0 is -0.76 V.

<반응식 1><Reaction Scheme 1>

Figure pat00001
Figure pat00001

또한, 은 및 산화은으로 형성된 환원전극의 전기화학반응은 아래의 반응식2와 같이 나타나며, 전위값(E0)은 +0.410 V이다.The electrochemical reaction of the reducing electrode formed of silver and silver oxide appears as shown in the following reaction formula 2, and the potential value E0 is +0.410 V.

<반응식2><Reaction Scheme 2>

Figure pat00002
Figure pat00002

따라서, 도 3의 전기삼투펌프(10a)의 기전력은 약 1.17V (즉, (+0.41 - (-0.76)) 의 결과값)이다. 그러나 전기화학반응에 대한 과전압과 유체의 저항으로 인해 실질적인 기전력은 상기 값보다 작아질 수 있다. Therefore, the electromotive force of the electroosmotic pump 10a of FIG. 3 is about 1.17V (i.e., a result value of (+0.41 - (-0.76))). However, due to the overvoltage and the resistance of the fluid due to the electrochemical reaction, the actual electromotive force may be smaller than the above value.

도 4 는 도 3의 전기삼투펌프(10a)에 10㏀, 50㏀ 및 100㏀의 저항을 각각 연결한 이후의 전압 변화를 도시한 도면이며, 도 5는 도 3의 전기삼투펌프(10a)에 10㏀ 및 50㏀ 및 100㏀의 저항을 각각 연결한 이후의 유체의 속도(유속) 변화를 도시한 도면이다. FIG. 4 is a view showing a voltage change after connecting resistances of 10 k ?, 50 k? And 100 k? To the electro-osmotic pump 10a of FIG. 3, (Flow rate) of the fluid after connecting resistances of 10 k? And 50 k? And 100 k ?, respectively.

도 4를 참조하면, 산화전극 및 환원전극의 전압은 10㏀의 저항에서 약 0.4V에 근접하고, 50㏀의 저항에서 약 1.0V에 근접하며, 100㏀의 저항에서 약 1.2V에 근접한다. 즉, 저항의 크기가 커질수록 전압의 크기는 증가하여 도 3의 전기삼투펌프(10a)의 기전력에 가까워지는 것을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 4, the voltage of the oxidizing electrode and the reducing electrode is close to about 0.4 V at a resistance of 10 k?, Close to about 1.0 V at a resistance of 50 k ?, and close to 1.2 V at a resistance of 100 k ?. That is, as the magnitude of the resistance increases, the magnitude of the voltage increases and it becomes closer to the electromotive force of the electroosmotic pump 10a of FIG.

또한, 도 5를 참조하면, 유속은 10㏀의 저항(긴 점선으로 도시됨)에서 약 8μL/min에서 약 2μL/min로 급격하게 감소하였으며, 50㏀의 저항(짧은 점선으로 도시됨)에서 약 4μL/min에서 약 2μL/min로 감소하였으며, 100㏀의 저항(라인으로 도시된)에서 약 2μL/min가 유지되었다. 즉, 저항의 크기가 커질수록 전압의 크기는 증가하나, 상대적으로 전류는 작아져 유속이 감소하는 것을 확인할 수 있다. 그리고, 저항이 커질수록 초기부터 안정적으로 일정 크기의 유속이 지속되는 것을 확인할 수 있다. Also, referring to FIG. 5, the flow rate sharply decreased from about 8 μL / min to about 2 μL / min at a resistance of 10 kΩ (shown by the long dashed line) Min to about 2 μL / min at 4 μL / min and about 2 μL / min at a resistance of 100 kΩ (shown as line). That is, as the magnitude of the resistance increases, the magnitude of the voltage increases, but the current decreases and the flow rate decreases. As the resistance increases, it can be seen that the flow rate of the constant size stably continues from the beginning.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 무전원 자가구동 전기삼투펌프의 지속력을 확인하기 위한 실험 결과를 도시한다. 도 6에서는 도 3의 전기삼투펌프(10a)에 100㏀의 저항을 연결한 이후 약 11 시간 동안의 유속 변화를 관찰하였다. 도 6의 그래프를 참조하면, 약 10 시간 동안 약 2 μL/min 의 유속이 안정적으로 유지되었으며, 총 1.3 mL의 유체가 펌핑되었음을 확인할 수 있다. FIG. 6 shows experimental results for confirming the sustainability of the electropneumatic self-propelled osmotic pump according to an embodiment of the present invention. In FIG. 6, a resistance of 100 k? Is connected to the electroosmotic pump 10a of FIG. 3, and then a change in flow rate for about 11 hours is observed. Referring to the graph of FIG. 6, a flow rate of about 2 μL / min was stably maintained for about 10 hours, and a total of 1.3 mL of fluid was pumped.

도 7 및 도 8은 도 3의 전기삼투펌프에서 환원전극과 저항을 달리하여 유체를 이동시킨 결과를 도시한다. FIGS. 7 and 8 show the results of moving the fluid with different resistances from the reducing electrode in the electroosmotic pump of FIG.

도 7에서는산화망간(MnO2)이 0.26C 도금된 환원전극을 사용하였다. 이에 따라, 산화망간을 포함하는 환원전극의 전기화학반응은 아래의 반응식3과 같이 나타나며, 전위값(E0)은 +0.610 V이다.In Fig. 7, a reducing electrode coated with 0.26C of manganese oxide (MnO2) was used. Accordingly, the electrochemical reaction of the reducing electrode including manganese oxide appears as shown in the following reaction formula (3), and the potential value (E0) is +0.610V.

<반응식3><Reaction Scheme 3>

Figure pat00003
Figure pat00003

도 7의 전기삼투펌프(10b)의 기전력은 약 1.38 V (즉, (+0.61 - (-0.76)) 의 결과값)이다. 그러나 전기화학반응에 대한 과전압과 유체의 저항으로 인해 실질적인 기전력은 상기 값보다 낮아질 수 있다. The electromotive force of the electroosmotic pump 10b of Fig. 7 is about 1.38 V (i.e., (+0.61 - (-0.76))). However, due to the overvoltage and the resistance of the fluid to the electrochemical reaction, the actual electromotive force may be lower than the above value.

한편, 도 7의 전기삼투펌프(10b)의 양 전극에는 10㏀의 저항을 연결하였다.On the other hand, a resistance of 10 k? Is connected to both electrodes of the electroosmotic pump 10b of Fig.

도 7을 참조하면, 시간이 흐름에 따라 유속은 약 7μL/min에서 2μL/min로 급격하게 감소하는 것을 확인할 수 있다. 그러나, 도 3의 전기삼투펌프(10a)에 10㏀의 저항을 연결한 경우와 달리 초기 유속이 약 7 μL/min 에 다다르는 것을 확인할 수 있으며, 약 1시간 동안 총 200 μL 정도의 유체를 이동시켰음을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 7, it can be seen that the flow rate rapidly decreases from about 7 μL / min to 2 μL / min with time. However, unlike the case where a resistance of 10 k? Is connected to the electro-osmotic pump 10 a of FIG. 3, the initial flow rate reaches about 7 μL / min, and a total of about 200 μL of fluid was transferred for about 1 hour can confirm.

도 8에서는 산화납(PbO2)이 1.5C 도금된 환원전극을 사용하였다. 이에 따라, 산화납을 포함하는 환원전극의 전기화학반응은 아래의 반응식4와 같이 나타나며, 전위값(E0)은 +1.468 V이다.In Fig. 8, a reducing electrode plated with 1.5 C of lead oxide (PbO2) was used. Accordingly, the electrochemical reaction of the reducing electrode containing lead oxide is shown in the following reaction formula (4), and the potential value (E0) is +1.468 V.

<반응식4><Reaction Scheme 4>

Figure pat00004
Figure pat00004

도 8의 전기삼투펌프(10c)의 기전력은 약 2.23 V(즉, (+1.468 - (-0.76)) 의 결과값)이다. 그러나 전기화학반응에 대한 과전압과 유체의 저항으로 인해 실질적인 기전력은 상기 값보다 낮아질 수 있다.The electromotive force of the electroosmotic pump 10c of FIG. 8 is about 2.23 V (i.e., a result value of +1.468 - (-0.76)). However, due to the overvoltage and the resistance of the fluid to the electrochemical reaction, the actual electromotive force may be lower than the above value.

한편, 도 8의 전기삼투펌프(10c)의 양 전극에는 200㏀의 저항을 연결하였다.On the other hand, a resistance of 200 k? Is connected to both electrodes of the electroosmotic pump 10c of Fig.

도 8을 참조하면, 유속은 약 2.5 μL/min에서 약 0.5 μL/min로 감소하나, 이러한 유속 변화는 약 70 시간에 거쳐 나타나는 것을 확인할 수 있다. 또한, 도 8의 전기삼투펌프(10c)는 총 5.5 mL의 유체를 이동시켰다. 즉, 도 8의 전기삼투펌프(10c)를 통해, 본 발명의 일 실시예에 따른 무전원 자가구동 전기삼투펌프(10)가 오랜 기간 동안 안정적인 전압으로 지속 구동될 수 있음을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 8, the flow rate is reduced from about 2.5 μL / min to about 0.5 μL / min, but this change in velocity appears over about 70 hours. In addition, the electroosmotic pump 10c of Fig. 8 moved a total of 5.5 mL of fluid. That is, through the electroosmotic pump 10c of FIG. 8, it can be seen that the electropneumatic self-propelled osmotic pump 10 according to the embodiment of the present invention can be continuously driven with a stable voltage for a long period of time.

이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 무전원 자가구동 전기삼투펌프는 양 전극의 자발적인 전기화학반응을 유도함으로서, 산화전극 및 환원전극의 자체에서 전압을 유지할 수 있으므로, 외부 전력을 공급 받지 않고 유체를 이동시킬 수 있다. 나아가, 본 발명의 일 실시예에 따른 무전원 자가구동 전기삼투펌프는 양 전극에 걸리는 저항의 크기를 조정함으로써, 유체의 이동 속도 및 유체의 이동량을 조정할 수 있다. As described above, since the electropneumatic self-propelled pump according to the embodiment of the present invention induces spontaneous electrochemical reaction of both electrodes, the voltage can be maintained in the oxidizing electrode and the reducing electrode itself, . Furthermore, the non-powered self-propelled electric osmotic pump according to an embodiment of the present invention adjusts the magnitude of the resistance applied to both electrodes, thereby adjusting the moving speed of the fluid and the moving amount of the fluid.

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.It will be understood by those skilled in the art that the foregoing description of the present invention is for illustrative purposes only and that those of ordinary skill in the art can readily understand that various changes and modifications may be made without departing from the spirit or essential characteristics of the present invention. will be. It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects and not restrictive. For example, each component described as a single entity may be distributed and implemented, and components described as being distributed may also be implemented in a combined form.

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.The scope of the present invention is defined by the appended claims rather than the detailed description and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents are to be construed as being included within the scope of the present invention do.

11: 멤브레인
12: 산화전극
13: 환원전극
14: 저항(resistance)
15: 스위치
16: 유체경로부
11: Membrane
12: oxidized electrode
13: reduction electrode
14: resistance
15: Switch
16:

Claims (12)

무전원 자가구동 전기삼투펌프에 있어서,
유체가 이동하는 유체경로부;
상기 유체경로부에 구비되며, 유체의 이동을 허용하도록 다공성 재질로 형성된 멤브레인(membrane);
상기 멤브레인의 일측에 구비되어, 제1 전극물질을 포함하는 환원전극;
상기 멤브레인의 타측에 구비되어, 상기 제1 전극물질의 전위값보다 낮은 전위값을 갖는 제2 전극물질을 포함하는 산화전극;
상기 산화전극 및 상기 환원전극 간의 연결회로에 구비되어, 상기 유체의 이동 속도를 결정하는 하나 이상의 저항(resistance); 및
상기 유체는
상기 산화전극 및 상기 환원전극의 전기화학반응에 의해 이동되는 것인 무전원 자가구동 전기삼투펌프.
1. A non-powered self-propelled electric osmotic pump,
A fluid path portion through which the fluid moves;
A membrane provided in the fluid path portion and formed of a porous material to allow movement of the fluid;
A reducing electrode provided on one side of the membrane, the reducing electrode comprising a first electrode material;
An oxidizing electrode disposed on the other side of the membrane, the oxidizing electrode including a second electrode material having a potential value lower than the potential of the first electrode material;
At least one resistance provided in a connection circuit between the oxidation electrode and the reduction electrode, the resistance determining the movement speed of the fluid; And
The fluid
Wherein the electrode is moved by an electrochemical reaction between the oxidation electrode and the reduction electrode.
제 1 항에 있어서,
상기 하나 이상의 저항은
상기 멤브레인의 저항값과 타겟하는 유속을 기초로 크기가 가변되는 것인 무전원 자가구동 전기삼투펌프.
The method according to claim 1,
The at least one resistor
Wherein the magnitude of the magnitude is varied based on the resistance value of the membrane and the target flow rate.
제 2 항에 있어서,
상기 연결회로에 구비되어, 상기 산화전극 및 상기 환원전극과 각 저항 간의 연결을 허용하거나 차단하는 하나 이상의 스위치(switch)를 더 포함하는 것인 무전원 자가구동 전기삼투펌프.
3. The method of claim 2,
Further comprising one or more switches provided in the connection circuit to allow or block the connection between the oxidation electrode and the reduction electrode and each resistor.
제 3 항에 있어서,
복수의 저항을 포함하며,
상기 복수의 저항은 상기 환원전극 및 상기 산화전극에 병렬연결되는 것인 무전원 자가구동 전기삼투펌프.
The method of claim 3,
Comprising a plurality of resistors,
Wherein the plurality of resistors are connected in parallel to the reduction electrode and the oxidation electrode.
제 4 항에 있어서,
상기 복수의 저항 각각의 일측에는 스위치가 구비되는 것인 무전원 자가구동 전기삼투펌프.
5. The method of claim 4,
Wherein a switch is provided on one side of each of the plurality of resistors.
제 5 항에 있어서,
상기 환원전극 및 상기 산화전극에 걸리는 저항의 크기는
상기 각 저항에 대응되는 스위치가 온(on) 및 오프(off) 됨에 따라 가변되는 것인 무전원 자가구동 전기삼투펌프.
6. The method of claim 5,
The magnitude of the resistance applied to the reduction electrode and the oxidation electrode is
Wherein the switches corresponding to the respective resistors are varied as they are turned on and off.
제 1 항에 있어서,
상기 산화전극은 다공성 탄소로 형성된 양극이며, 상기 제2 전극물질이 코팅된 것인 무전원 자가구동 전기삼투펌프.
The method according to claim 1,
Wherein the oxidation electrode is a positive electrode formed of porous carbon, and the second electrode material is coated.
제1 항에 있어서,
상기 환원전극은 다공성 탄소로 형성된 음극이며, 상기 제1 전극물질이 코팅된 것인 무전원 자가구동 전기삼투펌프.
The method according to claim 1,
Wherein the reducing electrode is a cathode formed of porous carbon, and the first electrode material is coated.
제 1 항에 있어서,
상기 제1 전극물질은 산화은(Ag2O), 산화망간(MnO2) 및 산화납(PbO2) 중 적어도 하나를 포함하는 것인 무전원 자가구동 전기삼투펌프.
The method according to claim 1,
Wherein the first electrode material comprises at least one of silver oxide (Ag2O), manganese oxide (MnO2), and lead oxide (PbO2).
제 1 항에 있어서,
상기 제2 전극물질은 아연(Zn), 산화아연(ZnO), 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al) 및 납(Pb) 중 적어도 하나를 포함하는 것인 무전원 자가구동 전기삼투펌프.
The method according to claim 1,
Wherein the second electrode material comprises at least one of zinc (Zn), zinc oxide (ZnO), magnesium (Mg), aluminum (Al), and lead (Pb).
무전원 자가구동 전기삼투펌프에 있어서,
유체가 이동하는 유체경로부;
상기 유체경로부에 구비되며, 유체의 이동을 허용하도록 다공성 재질로 형성된 멤브레인(membrane);
상기 멤브레인의 일측에 구비되어, 제1 전극물질을 포함하는 환원전극; 및
상기 멤브레인의 타측에 구비되어, 상기 제1 전극물질의 전위값보다 낮은 전위값을 갖는 제2 전극물질을 포함하는 산화전극을 포함하되,
상기 유체는
상기 산화전극 및 상기 환원전극의 전기화학반응에 의해 이동되는 것인 무전원 자가구동 전기삼투펌프.
1. A non-powered self-propelled electric osmotic pump,
A fluid path portion through which the fluid moves;
A membrane provided in the fluid path portion and formed of a porous material to allow movement of the fluid;
A reducing electrode provided on one side of the membrane, the reducing electrode comprising a first electrode material; And
And an oxidizing electrode provided on the other side of the membrane and including a second electrode material having a potential value lower than a potential value of the first electrode material,
The fluid
Wherein the electrode is moved by an electrochemical reaction between the oxidation electrode and the reduction electrode.
제 11 항에 있어서,
상기 무전원 자가구동 전기삼투펌프는
상기 산화전극 및 상기 환원전극 간의 연결회로에 구비되어, 상기 유체의 이동 속도를 결정하기 위한 하나 이상의 저항(resistance) 및 하나 이상의 스위치(switch)를 더 포함하는 것인 무전원 자가구동 전기삼투펌프.
12. The method of claim 11,
The non-powered self-propelled osmotic pump
Further comprising one or more resistances and one or more switches in a connection circuit between the oxidizing electrode and the reducing electrode to determine a moving speed of the fluid.
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