KR20210116751A - 전기 삼투 펌프, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 유체 펌핑 시스템 - Google Patents
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Abstract
멤브레인; 상기 멤브레인의 일면에 구비되고, 제1 도체를 포함하는 제1 다공성 지지체 및 상기 제1 다공성 지지체의 기공 및 표면 중 적어도 일부에 위치하는 제1 귀금속과 제1 전도성 고분자를 포함하는 제1 전극; 및 상기 멤브레인의 다른 일면에 구비되고, 제2 도체를 포함하는 제2 다공성 지지체 및 상기 제2 다공성 지지체의 기공 및 표면 중 적어도 일부에 위치하는 제2 귀금속과 제2 전도성 고분자를 포함하는 제2 전극을 포함하는 전기 삼투 펌프, 상기 전기 삼투 펌프의 제조방법, 및 상기 전기 삼투 펌프를 포함하는 유체 펌핑 시스템을 제공한다.
Description
전기 삼투 펌프, 이의 제조방법 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.
환원 전극에서의 가스 발생 억제 이외에도 충분한 압력과 유량을 발생시키는 것이 전기 삼투 펌프의 실용 가능성을 위해 필요하다.
또한, 펌프의 구동에 필요한 전력 소요량은 사람의 신체에 부착하는 패치형 약물 전달기 또는 웨어러블(wearable) 의료 기기로 응용할 때 실제 실용 가능성을 결정하는 중요한 요소이다.
소형 펌프를 인체 내부에 이식(implant)하여 약물을 전달하는 방법에 관한 관심이 집중되면서 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 전극에서의 가스 발생을 최소화하고 가스가 발생하더라도 정상 작동이 가능하며, 넓은 구동 전압 범위를 가져 압력과 유량의 조절이 가능한 전기 삼투 펌프를 제공하는 것이다.
다른 일 구현예는 상기 전기 삼투 펌프의 제조방법을 제공하는 것이다.
또 다른 일 구현예는 상기 전기 삼투 펌프를 포함하는 유체 펌핑 시스템을 제공하는 것이다.
일 구현예에 따른 전기 삼투 펌프는 멤브레인; 상기 멤브레인의 일면에 구비되는 제A 전극; 및 상기 멤브레인의 다른 일면에 구비되는 제B 전극을 포함하고, 상기 제A 전극 및 상기 제B 전극 중 적어도 하나는 도체를 포함하는 다공성 지지체 및 상기 다공성 지지체의 기공 및 표면 중 적어도 일부에 위치하는 귀금속과 전도성 고분자를 포함한다.
이하에서 달리 설명하지 아니하는 한, 상기 제A 전극, 상기 제B 전극, 상기 도체, 상기 다공성 지지체, 상기 귀금속, 상기 전도성 고분자에 관하여는, 후술하는 제1 전극, 제2 전극, 제1 도체, 제2 도체, 제1 다공성 지지체, 제2 다공성 지지체, 제1 귀금속, 제2 귀금속, 제1 전도성 고분자, 제2 전도성 고분자에 대하여 설명하는 내용과 동일하게 또는 상응하게 해석할 수 있다.
상기 제A 전극 및 상기 제B 전극 중 도체를 포함하는 다공성 지지체 및 상기 다공성 지지체의 기공 및 표면 중 적어도 일부에 위치하는 귀금속과 전도성 고분자를 포함하는 구조를 가지지 않는 것은, 일반적으로 사용하는 다공성 전극구조를 가질 수 있으며, 예를 들면, 다공성 도체 및/또는 전기화학적 반응 물질을 포함하는 구조; 또는 부도체로 이루어진 다공성 지지체 및 상기 다공성 지지체 위에 형성된 도체 및/또는 전기화학적 반응 물질을 포함하는 구조일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
일 구현예에 따른 전기 삼투 펌프는 멤브레인; 상기 멤브레인의 일면에 구비되고, 제1 도체를 포함하는 제1 다공성 지지체 및 상기 제1 다공성 지지체의 기공 및 표면 중 적어도 일부에 위치하는 제1 귀금속과 제1 전도성 고분자를 포함하는 제1 전극; 및 상기 멤브레인의 다른 일면에 구비되고, 제2 도체를 포함하는 제2 다공성 지지체 및 상기 제2 다공성 지지체의 기공 및 표면 중 적어도 일부에 위치하는 제2 귀금속과 제2 전도성 고분자를 포함하는 제2 전극을 포함한다.
상기 멤브레인은 도전성을 나타내지 않는 다공성 세라믹, 음이온성 유기 폴리머, 양이온성 유기 폴리머 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 제1 도체 및 상기 제2 도체는 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 탄소, 귀금속, 전도성 금속, 전도성 고분자 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 제1 다공성 지지체 및 상기 제2 다공성 지지체는 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 약 0.1 ㎛ 내지 약 500 ㎛의 기공크기를 가질 수 있다.
상기 제1 다공성 지지체 및 상기 제2 다공성 지지체는 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 약 5 % 내지 약 95 %의 기공도를 가질 수 있다.
상기 제1 귀금속 및 상기 제2 귀금속은 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 백금, 금, 은, 팔라듐, 이리듐 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 제1 귀금속 및 상기 제2 귀금속은 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 약 1 nm 내지 약 1 ㎛의 평균 입자 직경을 가질 수 있다.
상기 제1 귀금속 및 상기 제2 귀금속은 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 탄소촉매에 흡착 또는 담지되어 있을 수 있다.
상기 제1 전도성 고분자 및 상기 제2 전도성 고분자는 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 폴리(3,4-에틸렌 디옥시티오펜):폴리(스티렌 설포네이트)[PEDOT:PSS], 폴리(아닐린):폴리(스티렌 설포네이트), 폴리(아닐린):캄포설포닉산(PANI:CSA), 폴리(티오펜):폴리(스티렌 설포네이트), 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜, 폴리타이오닌, 퀴논계 폴리머 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기 제1 전도성 고분자 및 상기 제2 전도성 고분자는 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 약 1 nm 내지 약 1 ㎛의 평균 입자 직경을 가질 수 있다.
상기 제1 귀금속과 상기 제1 전도성 고분자의 중량비율은 약 1:99 내지 약 30:70일 수 있다. 상기 제2 귀금속과 상기 제2 전도성 고분자의 중량비율은 약 1:99 내지 약 30:70일 수 있다. 상기 제1 귀금속과 상기 제1 전도성 고분자의 중량비율 및 상기 제2 귀금속과 상기 제2 전도성 고분자의 중량비율은 동일하거나 서로 상이할 수 있다.
상기 제1 귀금속과 상기 제1 전도성 고분자는 상기 제1 다공성 지지체의 기공 및 표면 중 적어도 일부 상에 제1 박막 형태로 존재할 수 있다. 상기 제2 귀금속과 상기 제2 전도성 고분자는 상기 제2 다공성 지지체의 기공 및 표면 중 적어도 일부 상에 제2 박막 형태로 존재할 수 있다.
상기 제1 박막 및 상기 제2 박막은 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 약 1 nm 내지 약 2 ㎛의 두께를 가질 수 있다.
상기 전기 삼투 펌프의 구동 전압은 약 0.1 V 내지 약 5 V 일 수 있다.
다른 일 구현예에 따른 전기 삼투 펌프의 제조방법은 멤브레인을 준비하는 단계; 제1 귀금속 및 제1 전도성 고분자를 제1 도체를 포함하는 제1 다공성 지지체의 기공 및 표면 중 적어도 일부에 형성하여 제1 전극을 제조하는 단계; 제2 귀금속 및 제2 전도성 고분자를 제2 도체를 포함하는 제2 다공성 지지체의 기공 및 표면 중 적어도 일부에 형성하여 제2 전극을 제조하는 단계; 및 상기 멤브레인의 일면에 상기 제1 전극을 접촉시키고, 상기 멤브레인의 다른 일면에 상기 제2 전극을 접촉시켜 막-전극 어셈블리를 형성하는 단계를 포함한다.
상기 제1 전극을 제조하는 단계는, 상기 제1 귀금속, 상기 제1 전도성 고분자 및 제1 용매를 포함하는 제1 분산액을 준비하고, 상기 제1 분산액을 사용하여 상기 제1 도체를 포함하는 제1 다공성 지지체에 딥코팅 또는 스프레이 코팅하는 공정을 포함할 수 있다.
상기 제2 전극을 제조하는 단계는, 상기 제2 귀금속, 상기 제2 전도성 고분자 및 제2 용매를 포함하는 제2 분산액을 준비하고, 상기 제2 분산액을 사용하여 상기 제2 도체를 포함하는 제2 다공성 지지체에 딥코팅 또는 스프레이 코팅하는 공정을 포함할 수 있다.
또 다른 일 구현예는 상기 전기 삼투 펌프를 포함하는 유체 펌핑 시스템을 제공한다.
일 구현예에 따른 전기 삼투 펌프는 전극에서의 가스 발생을 최소화하고 가스가 발생하더라도 정상 작동이 가능하게 할 수 있고, 넓은 구동 전압 범위를 가져 압력과 유량을 효과적으로 조절할 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 실시예 1에 따라 제조한 전극의 전자현미경 사진이다.
도 5는 실시예 2에 따라 제조한 전기 삼투 펌프의 발생 압력에 대한 그래프이다.
도 6은 실시예 2에 따라 제조한 전기 삼투 펌프의 유량에 대한 그래프이다.
도 7은 실시예 2에 따라 제조한 전기 삼투 펌프를 2.5 V와 -2.5 V 교차로 4일 이상 구동한 전류 특성 그래프이다.
도 8은 실시예 2에 따라 제조한 전기 삼투 펌프를 4 V와 -4 V 교차로 5500 사이클 이상 구동한 전류 특성 그래프이다.
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 실시예 1에 따라 제조한 전극의 전자현미경 사진이다.
도 5는 실시예 2에 따라 제조한 전기 삼투 펌프의 발생 압력에 대한 그래프이다.
도 6은 실시예 2에 따라 제조한 전기 삼투 펌프의 유량에 대한 그래프이다.
도 7은 실시예 2에 따라 제조한 전기 삼투 펌프를 2.5 V와 -2.5 V 교차로 4일 이상 구동한 전류 특성 그래프이다.
도 8은 실시예 2에 따라 제조한 전기 삼투 펌프를 4 V와 -4 V 교차로 5500 사이클 이상 구동한 전류 특성 그래프이다.
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. 어떤 구성요소가 다른 구성요소 "일면"에, "상"에 또는 "표면"에 있다고 할 때, 이는 다른 구성요소 "바로 인접하여" 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, 합금, 중합, 또는 공중합을 의미한다.
일 구현예에 따른 전기 삼투 펌프는 멤브레인; 상기 멤브레인의 일면에 구비되는 제A 전극; 및 상기 멤브레인의 다른 일면에 구비되는 제B 전극을 포함하고, 상기 제A 전극 및 상기 제B 전극 중 적어도 하나는 도체를 포함하는 다공성 지지체 및 상기 다공성 지지체의 기공 및 표면 중 적어도 일부에 위치하는 귀금속과 전도성 고분자를 포함한다.
이하에서 달리 설명하지 아니하는 한, 상기 제A 전극, 상기 제B 전극, 상기 도체, 상기 다공성 지지체, 상기 귀금속, 상기 전도성 고분자에 관하여는 후술하는 제1 전극, 제2 전극, 제1 도체, 제2 도체, 제1 다공성 지지체, 제2 다공성 지지체, 제1 귀금속, 제2 귀금속, 제1 전도성 고분자, 제2 전도성 고분자에 대하여 설명하는 내용과 동일하게 또는 상응하게 해석할 수 있다.
상기 제A 전극 및 상기 제B 전극 중 도체를 포함하는 다공성 지지체 및 상기 다공성 지지체의 기공 및 표면 중 적어도 일부에 위치하는 귀금속과 전도성 고분자를 포함하는 구조를 가지지 않는 것은, 일반적으로 사용하는 다공성 전극구조를 가질 수 있으며, 예를 들면, 다공성 도체 및/또는 전기화학적 반응 물질을 포함하는 구조; 또는 부도체로 이루어진 다공성 지지체 및 상기 다공성 지지체 위에 형성된 도체 및/또는 전기화학적 반응 물질을 포함하는 구조일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이하 도 1 내지 도 3을 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, 제1 도체를 포함하는 제1 다공성 지지체 및 상기 제1 다공성 지지체의 기공 및 표면 중 적어도 일부에 위치하는 제1 귀금속과 제1 전도성 고분자를 포함하는 제1 전극(13); 및 상기 멤브레인(11)의 다른 일면에 구비되고, 제2 도체를 포함하는 제2 다공성 지지체 및 상기 제2 다공성 지지체의 기공 및 표면 중 적어도 일부에 위치하는 제2 귀금속과 제2 전도성 고분자를 포함하는 제2 전극(15)을 포함한다.
상기 제1 전극은 상기 제1 귀금속과 상기 제1 전도성 고분자를 포함하고, 상기 제2 전극은 상기 제2 귀금속과 상기 제2 전도성 고분자를 포함함으로써, 저전압 구동시에는 상기 제1 귀금속 부분, 상기 제2 귀금속 부분에서 산화, 환원 반응이 주로 이루어지고, 고전압 구동시에는 상기 제1 전도성 고분자 부분, 상기 제2 전도성 고분자 부분에서 산화, 환원 반응이 주로 이루어짐으로써, 넓은 전압 범위에서 가스 발생을 최소화하면서 구동이 가능하고, 동일 전압에서도 보다 향상된 전류 밀도를 제공할 수 있어 효율을 효과적으로 개선할 수 있고, 부식을 방지할 수 있어 전극의 안정성을 효과적으로 개선할 수 있다.
예를 들어, 상기 귀금속이 백금이고, 상기 전도성 고분자가 폴리(3,4-에틸렌 디옥시티오펜):폴리(스티렌 설포네이트)[PEDOT:PSS]일 때, 전극에서의 반응은 다음과 같다.
[그림 1] 귀금속 부분에서의 반응
[그림 2] 전도성 고분자 부분에서의 반응
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 도전성을 나타내지 않는 다공성 세라믹, 음이온성 유기 폴리머, 양이온성 유기 폴리머 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 멤브레인(11)은 예컨대, 구형 실리카를 열로 소성하여 제조한 프릿형 멤브레인일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니고, 다공성 실리카, 다공성 알루미나 등 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 1 ㎛의 직경을 가지는 것일 수 있고, 구체적으로는 약 50 nm 내지 약 700 nm의 직경을 가지는 것일 수 있고, 더욱 구체적으로는 약 100 nm 내지 약 500 nm의 직경을 가지는 것일 수 있다. 상기 구형 실리카의 직경이 상기 범위 내인 경우, 상기 전기 삼투 펌프가 보다 높은 압력을 발생시킬 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 500 ㎛ 내지 약 2 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)은 제1 도체를 포함하는 제1 다공성 지지체 및 상기 제1 다공성 지지체의 기공 및 표면 중 적어도 일부에 위치하는 제1 귀금속과 제1 전도성 고분자를 포함할 수 있다. 구체적으로는 상기 제1 귀금속과 제1 전도성 고분자는 상기 제1 다공성 지지체의 표면 전부, 또는 상기 제1 다공성 지지체의 기공과 표면 전부를 덮는 형태로 존재할 수도 있다.
상기 제2 전극(15)은 제2 도체를 포함하는 제2 다공성 지지체 및 상기 제2 다공성 지지체의 기공 및 표면 중 적어도 일부에 위치하는 제2 귀금속과 제2 전도성 고분자를 포함할 수 있다. 구체적으로는 상기 제2 귀금속과 제2 전도성 고분자는 상기 제2 다공성 지지체의 표면 전부, 또는 상기 제2 다공성 지지체의 기공과 표면 전부를 덮는 형태로 존재할 수도 있다.
상기 제1 도체, 상기 제2 도체는 각각 서로 동일하거나 상이할 수 있다.
상기 제1 다공성 지지체, 상기 제2 다공성 지지체는 각각 서로 동일하거나 상이할 수 있다.
상기 제1 귀금속, 상기 제2 귀금속은 각각 서로 동일하거나 상이할 수 있다.
상기 제1 전도성 고분자, 상기 제2 전도성 고분자는 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 제1 도체 및 상기 제2 도체는 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 탄소, 귀금속, 전도성 금속, 전도성 고분자 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이와 같이 상기 제1 전극(13) 및 상기 제2 전극(15)에 도체를 포함하는 다공성 지지체를 사용하는 경우에는, 이온을 효과적으로 생성할 수 있고, 유체의 전달을 원활하게 할 수 있다. 전극에 도체를 포함하는 다공성 지지체를 사용하는 경우, 비표면적이 넓어지는 장점을 가지고 있어 전기화학반응에 참여할 수 있는 전극의 면적을 넓힐 수 있다.
상기 제1 다공성 지지체 및 상기 제2 다공성 지지체는 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 부직포, 직물, 스펀지 또는 이들의 조합의 형상을 가질 수 있으나, 다공성을 가져 유체와 이온의 이동이 가능하다면 그 형상이 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제1 다공성 지지체 및 상기 제2 다공성 지지체는 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 약 0.1 ㎛ 내지 약 500 ㎛의 기공크기를 가질 수 있고, 구체적으로는 약 1 ㎛ 내지 약 400 ㎛의 기공크기를 가질 수 있으며, 더욱 구체적으로는 약 5 ㎛ 내지 약 300 ㎛의 기공크기를 가질 수 있고, 보다 구체적으로는 약 10 ㎛ 내지 약 200 ㎛의 기공크기를 가질 수 있다. 상기 제1 다공성 지지체 및 상기 제2 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 제1 다공성 지지체 및 상기 제2 다공성 지지체는 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 약 5% 내지 약 95%의 기공도를 가질 수 있고, 구체적으로는 약 40% 내지 약 80%의 기공도를 가질 수 있으며, 더욱 구체적으로는 약 50% 내지 약 70%의 기공도를 가질 수 있다. 상기 제1 다공성 지지체 및 상기 제2 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 제1 귀금속 및 상기 제2 귀금속으로서는 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 사용 가능하다.
구체적으로 상기 제1 귀금속 및 상기 제2 귀금속은 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 백금, 금, 은, 팔라듐, 이리듐 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기와 같은 귀금속을 사용하는 경우, 산화, 환원 반응 시 가스 발생을 억제하여 전기 삼투 펌프의 안정성, 수명특성, 효율을 효과적으로 개선할 수 있다.
상기 제1 귀금속 및 상기 제2 귀금속은 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 약 1 nm 내지 약 1 ㎛의 평균 입자 직경을 가질 수 있고, 구체적으로는 약 3 nm 내지 약 500 nm, 더욱 구체적으로는 약 5 nm 내지 약 300 nm의 평균 입자 직경을 가질 수 있으며, 보다 구체적으로는 약 10 nm 내지 약 100 nm의 평균 입자 직경을 가질 수 있다. 상기 귀금속의 평균 입자 직경이 상기 범위 내인 경우, 전기 삼투 펌프의 구동 전압을 낮출 수 있고, 산화, 환원 반응에 있어 전도성 고분자와 효과적으로 상호 보완하여 작동함으로써 전기 삼투 펌프의 효율을 효과적으로 개선할 수 있다. 귀금속 나노입자의 크기를 효과적으로 제어하게 되면 분산액에서 귀금속 나노입자의 분산 정도를 조절할 수 있으며 이를 통해 고른 전기화학반응에 참여할 수 있는 유기물/무기물의 비율을 적절히 조절할 수 있다.
상기 제1 귀금속 및 상기 제2 귀금속은 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적, 선택적으로 탄소촉매에 흡착 또는 담지되어 있을 수 있다. 귀금속이 탄소촉매에 흡착 또는 담지되어 있는 경우, 이를 사용하여 전극을 제조하는 과정에서 귀금속이 효과적으로 분산될 수 있고, 건조 과정에서도 안정성이 확보될 수 있다.
상기 탄소촉매는 탄소를 포함하는 물질로서, 표면이 매끈한 형태 또는 표면이 울퉁불퉁한 형태를 가지거나, 또는 다공성 구조를 가질 수 있으나, 이에 한정되는 것이 아니며, 귀금속을 흡착 또는 담지할 수 있는 것이면 제한 없이 사용될 수 있다.
상기 탄소촉매는 약 10 nm 내지 약 5 ㎛의 평균 입자 직경을 가질 수 있고, 구체적으로는 약 50 nm 내지 약 2 ㎛의 평균 입자 직경을 가질 수 있으며, 더욱 구체적으로는 약 100 nm 내지 약 1 ㎛의 평균 입자 직경을 가질 수 있다. 상기 탄소촉매의 평균 입자 직경이 상기 범위 내인 경우, 전극을 제조하는 과정에서 탄소촉매가 효과적으로 분산될 수 있고, 비표면적을 효과적으로 제어할 수 있다.
상기 귀금속은 상기 탄소촉매의 내부 또는 표면의 전부 또는 일부에 물리적 또는 화학적으로 흡착 또는 담지되어 있을 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제1 귀금속 및 상기 제2 귀금속은 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 딥코팅, 스프레이 코팅, 무전해 도금, 도금, 진공증착, 코팅, 졸겔(sol-gel) 프로세스 등의 방법을 사용하여 상기 도체를 포함하는 다공성 지지체의 기공 및 표면 중 적어도 일부에 전착 내지 코팅함으로써 형성할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니고, 사용하는 귀금속의 종류에 따라 적절한 방법을 사용하여 상기 귀금속을 상기 도체를 포함하는 다공성 지지체의 기공 및 표면 중 적어도 일부에 형성할 수 있다.
상기 제1 전도성 고분자 및 상기 제2 전도성 고분자로서는 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 사용 가능하다.
구체적으로 상기 제1 전도성 고분자 및 상기 제2 전도성 고분자는 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 폴리(3,4-에틸렌 디옥시티오펜):폴리(스티렌 설포네이트)[PEDOT:PSS], 폴리(아닐린):폴리(스티렌 설포네이트), 폴리(아닐린):캄포설포닉산(PANI:CSA), 폴리(티오펜):폴리(스티렌 설포네이트), 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜, 폴리타이오닌, 퀴논계 폴리머 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다.
상기와 같은 전도성 고분자를 사용하는 경우, 산화, 환원 반응 시 가스 발생을 억제하고, 가스가 일부 발생하더라도 정상 작동을 가능하게 하여 전기 삼투 펌프의 안정성, 수명특성, 효율을 효과적으로 개선할 수 있다.
상기 제1 전도성 고분자 및 상기 제2 전도성 고분자는 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 약 1 nm 내지 약 1 ㎛의 평균 입자 직경을 가질 수 있고, 구체적으로는 약 5 nm 내지 약 500 nm의 평균 입자 직경을 가질 수 있으며, 더욱 구체적으로는 약 10 nm 내지 약 300 nm의 평균 입자 직경을 가질 수 있다. 상기 전도성 고분자의 평균 입자 직경이 상기 범위 내인 경우, 상기 다공성 지지체의 기공 및 표면 중 적어도 일부, 상기 다공성 지지체의 표면 전부, 또는 상기 다공성 지지체의 기공과 표면 전부 상에 상기 전도성 고분자를 고르게 전착 또는 코팅할 수 있다.
상기 제1 전도성 고분자 및 상기 제2 전도성 고분자는 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 딥코팅, 스프레이 코팅, 무전해 도금, 도금, 진공증착, 코팅, 졸겔(sol-gel) 프로세스 등의 방법을 사용하여 상기 도체를 포함하는 다공성 지지체의 기공 및 표면 중 적어도 일부에 전착 내지 코팅함으로써 형성할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니고, 사용하는 전도성 고분자의 종류에 따라 적절한 방법을 사용하여 상기 전도성 고분자를 상기 도체를 포함하는 다공성 지지체의 기공 및 표면 중 적어도 일부에 형성할 수 있다.
상기 제1 귀금속과 상기 제1 전도성 고분자를 함께 딥코팅, 스프레이 코팅, 무전해 도금, 도금, 진공증착, 코팅, 졸겔(sol-gel) 프로세스 등의 방법을 사용하여 상기 제1 도체를 포함하는 제1 다공성 지지체의 기공 및 표면 중 적어도 일부에 전착 내지 코팅하여 형성할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제2 귀금속과 상기 제2 전도성 고분자를 함께 딥코팅, 스프레이 코팅, 무전해 도금, 도금, 진공증착, 코팅, 졸겔(sol-gel) 프로세스 등의 방법을 사용하여 상기 제2 도체를 포함하는 제2 다공성 지지체의 기공 및 표면 중 적어도 일부에 전착 내지 코팅하여 형성할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제1 전극(13)은 상기 제1 귀금속과 상기 제1 전도성 고분자를 약 1:99 내지 약 30:70의 중량비율로, 구체적으로는 약 5:95 내지 약 10:90의 중량비율로, 더욱 구체적으로는 약 10:90의 중량비율로 포함할 수 있다. 상기 제2 전극(15)은 상기 제2 귀금속과 상기 제2 전도성 고분자를 약 1:99 내지 약 30:70의 중량비율로, 구체적으로는 약 5:95 내지 약 10:90의 중량비율로, 더욱 구체적으로는 약 10:90의 중량비율로 포함할 수 있다. 상기 제1 귀금속과 상기 제1 전도성 고분자의 중량비율 및 상기 제2 귀금속과 상기 제2 전도성 고분자의 중량비율은 동일하거나 서로 상이할 수 있다. 상기 귀금속과 상기 전도성 고분자의 중량비율이 상기 범위 내인 경우, 저전압 구동시에는 상기 귀금속 부분에서 산화, 환원 반응이 주로 이루어지고, 고전압 구동시에는 상기 전도성 고분자 부분에서 산화, 환원 반응이 주로 이루어짐으로써, 넓은 전압 범위에서 가스 발생을 최소화하면서 구동이 가능하고, 동일 전압에서도 보다 향상된 전류 밀도를 제공할 수 있어 효율을 더욱 효과적으로 개선할 수 있고, 비표면적을 효과적으로 제어할 수 있다.
상기 제1 전극(13)은 상기 제1 귀금속 및 상기 제1 전도성 고분자가 상기 제1 다공성 지지체의 기공 및 표면 중 적어도 일부 상에, 상기 제1 다공성 지지체의 표면 전부 상에, 또는 상기 제1 다공성 지지체의 기공과 표면 전부 상에 제1 박막 형태로 형성되어 있는 구조를 가질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제2 전극(15)은 상기 제2 귀금속 및 상기 제2 전도성 고분자가 상기 제2 다공성 지지체의 기공 및 표면 중 적어도 일부 상에, 상기 제2 다공성 지지체의 표면 전부 상에, 또는 상기 제2 다공성 지지체의 기공과 표면 전부 상에 제2 박막 형태로 형성되어 있는 구조를 가질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제1 박막 및 상기 제2 박막은 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 약 1 nm 내지 약 2 ㎛의 두께를 가질 수 있고, 구체적으로는 10 nm 내지 약 1 ㎛의 두께를 가질 수 있고, 더욱 구체적으로는 약 50 nm 내지 약 500 nm의 두께를 가질 수 있다. 상기 제1 박막 및 상기 제2 박막의 각 두께가 상기 범위 내일 경우, 전기화학반응을 효과적으로 제어할 수 있어 전류밀도를 효과적으로 조절할 수 있다.
상기 전기 삼투 펌프의 구동 전압은 약 0.1 V 내지 약 5 V일 수 있고, 구체적으로는 약 1 V 내지 약 4 V일 수 있고, 더욱 구체적으로는 약 2 V 내지 약 4 V일 수 있다. 상기 전기 삼투 펌프는 각 전극에 귀금속 및 전도성 고분자를 포함함으로써, 가스 발생을 최소화하면서 넓은 전압 범위에서 안정적으로 구동될 수 있다. 또한, 넓은 범위에서 구동 전압을 변화시킬 수 있어, 유체의 압력과 유량을 효과적으로 조절할 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 전기화학반응이 일어날 수 있도록 전원을 공급하며, 상기 제1 전극(13) 및 상기 제2 전극(15)의 전기화학반응은 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.
본 발명의 다른 일 구현예에 따른 전기 삼투 펌프의 제조방법은 멤브레인을 준비하는 단계; 제1 귀금속 및 제1 전도성 고분자를 제1 도체를 포함하는 제1 다공성 지지체의 기공 및 표면 중 적어도 일부에 형성하여 제1 전극을 제조하는 단계; 제2 귀금속 및 제2 전도성 고분자를 제2 도체를 포함하는 제2 다공성 지지체의 기공 및 표면 중 적어도 일부에 형성하여 제2 전극을 제조하는 단계; 및 상기 멤브레인의 일면에 상기 제1 전극을 접촉시키고, 상기 멤브레인의 다른 일면에 상기 제2 전극을 접촉시켜 막-전극 어셈블리를 형성하는 단계를 포함한다.
상기 제1 전극을 제조하는 단계는, 상기 제1 귀금속, 상기 제1 전도성 고분자 및 제1 용매를 포함하는 제1 분산액을 준비하고, 상기 제1 분산액을 사용하여 상기 제1 도체를 포함하는 제1 다공성 지지체에 딥코팅 또는 스프레이 코팅하는 공정을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제2 전극을 제조하는 단계는, 상기 제2 귀금속, 상기 제2 전도성 고분자 및 제2 용매를 포함하는 제2 분산액을 준비하고, 상기 제2 분산액을 사용하여 상기 제2 도체를 포함하는 제2 다공성 지지체에 딥코팅 또는 스프레이 코팅하는 공정을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이때, 상기 제1 귀금속은 상기 제1 탄소촉매에 흡착 또는 담지된 형태로 사용할 수 있다. 상기 제2 귀금속은 상기 제2 탄소촉매에 흡착 또는 담지된 형태로 사용할 수 있다.
멤브레인, 제1 도체, 제2 도체, 제1 다공성 지지체, 제2 다공성 지지체, 제1 귀금속, 제2 귀금속, 제1 전도성 고분자, 제2 전도성 고분자, 탄소촉매에 대한 내용은 이하에서 달리 설명하지 아니하는 한, 상술한 바와 같다.
상기 제1 분산액, 상기 제2 분산액을 사용하여 상기 제1 전극, 상기 제2 전극을 제조하는 경우, 전극 제작 공정을 간소화할 수 있고, 이로써 공정 비용을 절감함으로써 경제성을 개선할 수 있다.
상기 제1 용매 및 상기 제2 용매로는 각각 상기 제1 귀금속과 상기 제1 전도성 고분자 및 상기 제2 귀금속과 상기 제2 전도성 고분자를 분산시킬 수 있는 것이면 사용 가능하다. 예컨대, 상기 제1 용매 및 상기 제2 용매는 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 에탄올, 이소프로필알코올 등 알코올류 용매, 물 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제1 분산액, 상기 제2 분산액은 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 필요에 따라 바인더, 분산조절제 등의 첨가제를 추가로 포함할 수 있다.
상기 막-전극 어셈블리를 형성하는 단계는 상기 멤브레인의 일면에 상기 제1 전극을 접촉시키고, 상기 멤브레인의 다른 일면에 상기 제2 전극을 접촉시킨 후, 프레싱하여 이루어질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
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.
제1 전극(13) 및 제2 전극(15)에서 귀금속, 전도성 고분자의 종류가 달라지는 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 사시도이다.
도 3을 참고하면, 멤브레인(11)은 모서리가 둥근 사각 형태일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 이때, 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 모서리가 둥근 사각 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 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 또 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: 전극의 제조
두께 약 0.26 mm의 다공성 탄소 종이(JNTG, GDL 급) A5 사이즈 한 장에 산소 플라즈마 처리를 약 30분간 진행하여 친수성을 가지게 만든다. 친수성을 가진 다공성 탄소 종이를 폴리(아닐린):폴리(스티렌 설포네이트) 전기중합 용액[폴리아닐린, 폴리(4-스티렌 설폰산){poly(4-stylenesulfonic acid)} 및 물을 혼합한 뒤 약 80도로 가열하여 제조]이 담긴 전기중합조에 위치시키고 기준전극 대비 전류를 약 3A로 고정하고 약 30분간 전기중합을 실시한다. 폴리아닐린 전기중합이 완료된 다공성 탄소 종이를 꺼내어 초순수로 세척을 진행하고 건조시킨다.
폴리(아닐린):폴리(스티렌 설포네이트) 전기중합이 완료된 다공성 탄소 종이를 스프레이 도포가 가능하도록 설계된 지지대에 고정을 한 뒤, 유무기 하이브리드 코팅용액[폴리(3,4-에틸렌 디옥시티오펜):폴리(스티렌 설포네이트)와 백금 나노입자가 담지된 탄소촉매의 수 분산액에 디에틸렌글리콜 바인더, 도데실황산나트륨 분산조절제를 소량 혼합한 용액]을 노즐이 달린 스프레이 장비를 사용하여 상기 다공성 탄소 종이에 고르게 도포를 진행한 이후 지지대에 고정된 채로 오븐에 넣어 건조를 진행한다.
건조 후, 상기 다공성 탄소 종이 상에 폴리(3,4-에틸렌 디옥시티오펜):폴리(스티렌 설포네이트)와 백금 나노입자가 담지된 탄소촉매가 약 500 nm 정도 두께로 형성되었다.
이렇게 제조한 전극을 전기 삼투 펌프용 전극으로 사용하였다.
도 4는 실시예 1에 따라 제조한 전극의 전자현미경 사진이다. 도 4로부터 다공성 탄소 종이 위에 전기중합된 폴리(아닐린):폴리(스티렌 설포네이트), 그리고 폴리(3,4-에틸렌 디옥시티오펜):폴리(스티렌 설포네이트) 및 백금 나노입자가 담지된 탄소촉매가 도포되어 있는 것을 관찰할 수 있으며, 전자현미경 사진 내에 보이는 작은 알갱이들은 백금 나노입자를 담지하고 있는 탄소촉매인 것을 확인할 수 있다.
실시예 2: 전기 삼투 펌프의 제조
도 3과 같은 방식으로 전극과 멤브레인들을 위치시켜 전기 삼투 펌프를 제조하였다. 전극으로는 실시예 1에 따라 제조한 전극을 사용하였다. 멤브레인은 직경 300 nm의 구형 실리카를 사용하여 금형과 프레스 성형 그리고 소결과정을 거쳐 직사각형 모양으로 가공하여 전극과 적층하였다.
외부에서 전기 삼투 펌프 내부로 전압을 가해주기 위하여 서스 스트립을 위치시켰으며 펌프의 동작 시 유체의 이동에 의한 압력/유량을 측정하기 위하여 물 이동구가 있는 플라스틱 하우징을 양쪽에 위치시킨 뒤 에폭시 수지를 이용하여 밀봉하였다.
도 5는 실시예 2에 따라 제조한 전기 삼투 펌프의 발생 압력에 대한 그래프이고, 도 6은 실시예 2에 따라 제조한 전기 삼투 펌프의 유량에 대한 그래프이다. 다공성 멤브레인을 사이에 두고 제1 전극과 제2 전극 사이의 전압을 4 V와 -4 V로 10초마다 교차로 가해주었을 때 발생하는 압력과 유량을 각각 유체 압력센서, 유체 유량센서로 측정하였다. 유체 압력센서가 위치한 곳을 기준으로 유체를 당겨오는 부분의 최대압력은 물리적인 한계로 -100 kPa 을 넘길 수는 없다.
도 5 및 도 6의 결과로부터 실시예 2에 따라 제조한 전기 삼투 펌프는 4 V 구동시에도 유체의 이동이 빠르게 일어나고 이를 통해 전기 삼투 펌프의 압력이 빠르게 형성됨을 관찰할 수 있다.
종래 전기 삼투 현상을 달성하기 위하여 화학적으로 안정된 백금을 많이 사용하였지만, 백금은 물에 대한 수소 과전압이 낮아 실제로 수 볼트 이상의 전위차를 가했을 때 전극 표면에서 물 분해가 일어나고 이를 통해 수소 가스가 발생한다. 이러한 가스 발생은 전기 삼투 펌프의 안정성을 저해하는 요소가 된다.
그러나 본 발명의 일 구현예에 따른 유무기 하이브리드 전극은 이러한 전기 분해를 일으킬 수 있는 무기 금속의 접촉 면적을 최소한으로 가져가면서 전기 삼투 펌프의 구동 안정성을 확보할 수 있다.
도 7은 실시예 2에 따라 제조한 전기 삼투 펌프를 2.5 V와 -2.5 V로 5초마다 교차로 4일 이상 구동한 전류 특성 그래프이고, 도 8은 실시예 2에 따라 제조한 전기 삼투 펌프를 4 V와 -4 V 로 5초마다 교차로 5500 사이클 이상 구동한 전류 특성 그래프이다.
도 7 및 도 8의 결과로부터 실시예 2에 따라 제조한 전기 삼투 펌프는, 종래 백금 등의 금속만을 이용하여 제조한 전기 삼투 펌프가 가질 수 없는 장기 구동 안정성을 확보할 수 있음을 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, 51: 제2 컨택 스트립,
53: 제2 캡
13: 제1 전극, 15: 제2 전극,
17: 전원공급부, 19: 제1 유체경로부,
19': 제2 유체경로부, 31: 제1 컨택 스트립,
33: 제1 캡, 51: 제2 컨택 스트립,
53: 제2 캡
Claims (20)
- 멤브레인;
상기 멤브레인의 일면에 구비되는 제A 전극; 및
상기 멤브레인의 다른 일면에 구비되는 제B 전극을 포함하는 전기 삼투 펌프로서,
상기 제A 전극 및 상기 제B 전극 중 적어도 하나는 도체를 포함하는 다공성 지지체 및 상기 다공성 지지체의 기공 및 표면 중 적어도 일부에 위치하는 귀금속과 전도성 고분자를 포함하는 것인, 전기 삼투 펌프.
- 멤브레인;
상기 멤브레인의 일면에 구비되고, 제1 도체를 포함하는 제1 다공성 지지체 및 상기 제1 다공성 지지체의 기공 및 표면 중 적어도 일부에 위치하는 제1 귀금속과 제1 전도성 고분자를 포함하는 제1 전극; 및
상기 멤브레인의 다른 일면에 구비되고, 제2 도체를 포함하는 제2 다공성 지지체 및 상기 제2 다공성 지지체의 기공 및 표면 중 적어도 일부에 위치하는 제2 귀금속과 제2 전도성 고분자를 포함하는 제2 전극
을 포함하는 전기 삼투 펌프.
- 제2항에 있어서,
상기 멤브레인은 도전성을 나타내지 않는 다공성 세라믹, 음이온성 유기 폴리머, 양이온성 유기 폴리머 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는 것인 전기 삼투 펌프.
- 제2항에 있어서,
상기 제1 도체 및 상기 제2 도체는 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 탄소, 귀금속, 전도성 금속, 전도성 고분자 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는 것인 전기 삼투 펌프.
- 제2항에 있어서,
상기 제1 다공성 지지체 및 상기 제2 다공성 지지체는 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 0.1 ㎛ 내지 500 ㎛의 기공크기를 가지는 것인 전기 삼투 펌프.
- 제2항에 있어서,
상기 제1 다공성 지지체 및 상기 제2 다공성 지지체는 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 5% 내지 95%의 기공도를 가지는 것인 전기 삼투 펌프.
- 제2항에 있어서,
상기 제1 귀금속 및 상기 제2 귀금속은 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 백금, 금, 은, 팔라듐, 이리듐 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는 것인 전기 삼투 펌프.
- 제2항에 있어서,
상기 제1 귀금속 및 상기 제2 귀금속은 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 1 nm 내지 1 ㎛의 평균 입자 직경을 가지는 것인 전기 삼투 펌프.
- 제2항에 있어서,
상기 제1 귀금속 및 상기 제2 귀금속은 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 탄소촉매에 흡착 또는 담지되어 있을 수 있는 전기 삼투 펌프.
- 제2항에 있어서,
상기 제1 전도성 고분자 및 상기 제2 전도성 고분자는 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 폴리(3,4-에틸렌 디옥시티오펜):폴리(스티렌 설포네이트)[PEDOT:PSS], 폴리(아닐린):폴리(스티렌 설포네이트), 폴리(아닐린):캄포설포닉산(PANI:CSA), 폴리(티오펜):폴리(스티렌 설포네이트), 폴리아닐린, 폴리피롤, 폴리티오펜, 폴리타이오닌, 퀴논계 폴리머 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는 것인 전기 삼투 펌프.
- 제2항에 있어서,
상기 제1 전도성 고분자 및 상기 제2 전도성 고분자는 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 1 nm 내지 1 ㎛의 평균 입자 직경을 가지는 것인 전기 삼투 펌프.
- 제2항에 있어서,
상기 제1 귀금속과 상기 제1 전도성 고분자의 중량비율은 1:99 내지 30:70이고, 상기 제2 귀금속과 상기 제2 전도성 고분자의 중량비율은 1:99 내지 30:70이며, 상기 제1 귀금속과 상기 제1 전도성 고분자의 중량비율 및 상기 제2 귀금속과 상기 제2 전도성 고분자의 중량비율은 동일하거나 서로 상이한 전기 삼투 펌프.
- 제2항에 있어서,
상기 제1 귀금속과 상기 제1 전도성 고분자는 상기 제1 다공성 지지체의 기공 및 표면 중 적어도 일부 상에 제1 박막 형태로 형성될 수 있고,
상기 제2 귀금속과 상기 제2 전도성 고분자는 상기 제2 다공성 지지체의 기공 및 표면 중 적어도 일부 상에 제2 박막 형태로 형성될 수 있는 것인 전기 삼투 펌프.
- 제13항에 있어서,
상기 제1 박막 및 상기 제2 박막은 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 1 nm 내지 2 ㎛의 두께를 가지는 것인 전기 삼투 펌프.
- 제1항에 있어서,
상기 전기 삼투 펌프의 구동 전압은 0.1 V 내지 5 V인 전기 삼투 펌프.
- 제2항에 있어서,
상기 전기 삼투 펌프의 구동 전압은 0.1 V 내지 5 V인 전기 삼투 펌프.
- 멤브레인을 준비하는 단계;
제1 귀금속 및 제1 전도성 고분자를 제1 도체를 포함하는 제1 다공성 지지체의 기공 및 표면 중 적어도 일부에 형성하여 제1 전극을 제조하는 단계;
제2 귀금속 및 제2 전도성 고분자를 제2 도체를 포함하는 제2 다공성 지지체의 기공 및 표면 중 적어도 일부에 형성하여 제2 전극을 제조하는 단계; 및
상기 멤브레인의 일면에 상기 제1 전극을 접촉시키고, 상기 멤브레인의 다른 일면에 상기 제2 전극을 접촉시켜 막-전극 어셈블리를 형성하는 단계
를 포함하는 전기 삼투 펌프의 제조방법.
- 제17항에 있어서,
상기 제1 전극을 제조하는 단계는, 상기 제1 귀금속, 상기 제1 전도성 고분자 및 제1 용매를 포함하는 제1 분산액을 준비하고, 상기 제1 분산액을 사용하여 상기 제1 도체를 포함하는 제1 다공성 지지체에 딥코팅 또는 스프레이 코팅하는 공정을 포함하는 것인 전기 삼투 펌프의 제조방법.
- 제17항에 있어서,
상기 제2 전극을 제조하는 단계는, 상기 제2 귀금속, 상기 제2 전도성 고분자 및 제2 용매를 포함하는 제2 분산액을 준비하고, 상기 제2 분산액을 사용하여 상기 제2 도체를 포함하는 제2 다공성 지지체에 딥코팅 또는 스프레이 코팅하는 공정을 포함하는 것인 전기 삼투 펌프의 제조방법.
- 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 따른 전기 삼투 펌프를 포함하는 유체 펌핑 시스템.
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