KR20210118046A - 전기 삼투 펌프용 막-전극 어셈블리, 이를 포함하는 전기 삼투 펌프 및 유체 펌핑 시스템 - Google Patents

전기 삼투 펌프용 막-전극 어셈블리, 이를 포함하는 전기 삼투 펌프 및 유체 펌핑 시스템 Download PDF

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KR20210118046A
KR20210118046A KR1020210125843A KR20210125843A KR20210118046A KR 20210118046 A KR20210118046 A KR 20210118046A KR 1020210125843 A KR1020210125843 A KR 1020210125843A KR 20210125843 A KR20210125843 A KR 20210125843A KR 20210118046 A KR20210118046 A KR 20210118046A
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membrane
electroosmotic pump
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voltage
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KR1020210125843A
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장영욱
김재홍
송용철
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이오플로우(주)
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Abstract

다공성 구조를 가지고, 제1 전기화학적 반응 물질을 포함하며, (+) 또는 (-) 전압이 가해지는 제1 전극; 상기 제1 전극의 일면에 구비되고, 다공성 구조를 가지고, (+) 또는 (-) 표면전위를 가지는 제1 멤브레인; 상기 제1 멤브레인 중 상기 제1 전극 측과 반대쪽의 일면에 구비되고, 다공성 구조를 가지고, 제2 전기화학적 반응 물질을 포함하며, 상기 제1 전극과 반대 극성의 전압이 가해지는 제2 전극; 상기 제2 전극 중 상기 제1 멤브레인 측과 반대쪽의 일면에 구비되고, 다공성 구조를 가지고, 상기 제1 멤브레인과 반대 극성의 표면전위를 가지는 제2 멤브레인; 및 상기 제2 멤브레인 중 상기 제2 전극 측과 반대쪽의 일면에 구비되고, 다공성 구조를 가지고, 제3 전기화학적 반응 물질을 포함하며, 상기 제1 전극과 같은 극성의 전압이 가해지는 제3 전극을 포함하는 전기 삼투 펌프용 막-전극 어셈블리, 상기 전기 삼투 펌프용 막-전극 어셈블리를 포함하는 전기 삼투 펌프, 및 상기 전기 삼투 펌프를 포함하는 유체 펌핑 시스템을 제공한다.

Description

전기 삼투 펌프용 막-전극 어셈블리, 이를 포함하는 전기 삼투 펌프 및 유체 펌핑 시스템{MEMBRANE-ELECTRODE ASSEMBLY FOR ELECTROOSMOTIC PUMP, ELECTROOSMOTIC PUMP AND SYSTEM FOR PUMPING OF FLUID COMPRISING THEREOF}
전기 삼투 펌프용 막-전극 어셈블리, 이를 포함하는 전기 삼투 펌프 및 유체 펌핑 시스템에 관한 것이다.
전기 삼투 펌프는 모세관 또는 다공성 멤브레인의 양단에 전압을 가하였을 때 발생하는 유체의 이동 현상을 이용하는 펌프이다.
전기 삼투 펌프의 실용 가능성을 위해서는 충분한 압력과 유량을 발생시키는 것이 필요하다.
통상적으로 유량은 전기 삼투 펌프의 유효 멤브레인 면적을 넓히는 방식으로 확보 가능하지만, 압력의 경우는 작동 전압을 높이는 것이 가장 손쉬운 해결 방법이나 이러한 경우 전력 소모가 많아지고 작동 유체의 전기 분해가 발생할 위험이 증가한다.
또한, 전기 삼투 펌프를 사람의 신체에 부착하는 패치형 약물 전달기 또는 웨어러블(wearable) 의료 기기로 응용할 때 공간 사용이 제한되어 더 작은 크기의 전기 삼투 펌프를 제공할 필요가 있다.
소형 펌프를 인체 내부에 이식(implant)하여 약물을 전달하는 방법에 관한 관심이 높아지면서 충분한 유량 및 압력을 확보할 수 있는 소형의 전기 삼투 펌프에 대한 연구가 진행되고 있다.
일 구현예는 전기 삼투 펌프용 막-전극 어셈블리를 제공하는 것이다.
다른 일 구현예는 상기 전기 삼투 펌프용 막-전극 어셈블리를 포함하는 전기 삼투 펌프를 제공하는 것이다.
또 다른 일 구현예는 상기 전기 삼투 펌프를 포함하는 유체 펌핑 시스템을 제공하는 것이다.
일 구현예에 따른 전기 삼투 펌프용 막-전극 어셈블리는 다공성 구조를 가지고, 제1 전기화학적 반응 물질을 포함하며, (+) 또는 (-) 전압이 가해지는 제1 전극; 상기 제1 전극의 일면에 구비되고, 다공성 구조를 가지고, (+) 또는 (-) 표면전위를 가지는 제1 멤브레인; 상기 제1 멤브레인 중 상기 제1 전극 측과 반대쪽의 일면에 구비되고, 다공성 구조를 가지고, 제2 전기화학적 반응 물질을 포함하며, 상기 제1 전극과 반대 극성의 전압이 가해지는 제2 전극; 상기 제2 전극 중 상기 제1 멤브레인 측과 반대쪽의 일면에 구비되고, 다공성 구조를 가지고, 상기 제1 멤브레인과 반대 극성의 표면전위를 가지는 제2 멤브레인; 및 상기 제2 멤브레인 중 상기 제2 전극 측과 반대쪽의 일면에 구비되고, 다공성 구조를 가지고, 제3 전기화학적 반응 물질을 포함하며, 상기 제1 전극과 같은 극성의 전압이 가해지는 제3 전극을 포함한다.
상기 제1 전기화학적 반응 물질, 상기 제2 전기화학적 반응 물질 및 상기 제3 전기화학적 반응 물질은 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 전도성 고분자, 금속, 탄소 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.
상기 제1 전극, 상기 제2 전극 및 상기 제3 전극은 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 약 0.1㎛ 내지 약 500㎛의 기공크기를 가질 수 있다.
상기 제1 전극, 상기 제2 전극 및 상기 제3 전극은 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 약 5% 내지 약 95%의 기공도를 가질 수 있다.
상기 제1 전극 및 제3 전극은 서로 전기적으로 연결되어 있을 수 있다.
상기 제1 전극에 전압의 극성을 교번하여 공급할 수 있고, 그에 따라 상기 제2 전극, 상기 제3 전극에도 각 전압의 극성을 교번하여 공급할 수 있다.
상기 제1 멤브레인 및 상기 제2 멤브레인은 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 실리카, 알루미나, 지르코니아, 산화마그네슘, (+) 전위를 띠는 고분자, (-) 전위를 띠는 고분자 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.
상기 (+) 표면전위는 알루미나, 산화 마그네슘, 지르코니아, (+) 전위를 띠는 고분자 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 물질을 사용함으로써 구현될 수 있다.
상기 (+) 표면전위는 멤브레인의 표면을 (+) 전위를 가지는 물질 또는 (+) 전위를 가지는 작용기로 개질함으로써 구현될 수 있다.
상기 (+) 전위를 가지는 물질 또는 (+) 전위를 가지는 작용기는 일차아민기, 이차아민기, 삼차아민기 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.
상기 (+) 표면전위는 약 5 mV 내지 약 200 mV일 수 있다.
상기 (-) 표면전위는 실리카, (-) 전위를 띠는 고분자 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 물질을 사용함으로써 구현될 수 있다.
상기 (-) 표면전위는 멤브레인의 표면을 (-) 전위를 가지는 물질 또는 (-) 전위를 가지는 작용기로 개질함으로써 구현될 수 있다.
상기 (-) 전위를 가지는 물질 또는 (-) 전위를 가지는 작용기는 카르복실기, 술폰산기 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있다.
상기 (-) 표면전위는 약 -5 mV 내지 약 -200 mV일 수 있다.
상기 제1 멤브레인 및 상기 제2 멤브레인은 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 약 0.05㎛ 내지 약 1㎛의 기공크기를 가질 수 있다.
상기 제1 멤브레인 및 상기 제2 멤브레인은 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 약 5% 내지 약 95%의 기공도를 가질 수 있다.
상기 전기 삼투 펌프용 막-전극 어셈블리는 제n+2 전극 중 제n+1 멤브레인 측과 반대쪽의 일면에 구비되고, 다공성 구조를 가지고, 제n 멤브레인과 같은 극성의 표면전위를 가지는 제n+2 멤브레인; 상기 제n+2 멤브레인 중 상기 제n+2 전극 측과 반대쪽의 일면에 구비되고, 다공성 구조를 가지고, 제n+3 전기화학적 반응 물질을 포함하며, 제n 전극과 반대 극성의 전압이 가해지는 제n+3 전극을 포함하는 제n 멤브레인-전극 단위체를 더 포함할 수 있고, 상기 n은 1 이상의 정수이고, 상기 n이 2 이상의 정수 k인 경우, 제1 멤브레인-전극 단위체, 제2 멤브레인-전극 단위체 내지 제k 멤브레인-전극 단위체를 더 포함할 수 있다.
상기 n은 1 내지 50의 정수일 수 있다.
상기 전기 삼투 펌프용 막-전극 어셈블리는 홀수 번호의 전극들끼리 서로 전기적으로 연결되어 있을 수 있다. 상기 전기 삼투 펌프용 막-전극 어셈블리는 짝수 번호의 전극들끼리 서로 전기적으로 연결되어 있을 수 있다.
상기 제1 전극에 전압의 극성을 교번하여 공급할 수 있고, 그에 따라 각 번호의 전극들에도 각 전압의 극성을 교번하여 공급할 수 있다.
다른 일 구현예는 상기 전기 삼투 펌프용 막-전극 어셈블리를 포함하는 전기 삼투 펌프를 제공한다.
또 다른 일 구현예는 상기 전기 삼투 펌프를 포함하는 유체 펌핑 시스템을 제공한다.
본 발명에 따른 전기 삼투 펌프용 막-전극 어셈블리는 복수 개의 멤브레인을 사용하는 다단 구조이면서도 멤브레인 사이의 전극을 공유함으로써, 구조를 단순화하여 제작 비용을 절감할 수 있고, 소형으로 제작이 가능하여 공간 효율성을 개선할 수 있고, 충분한 압력 또는 유량을 발생시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 전기 삼투 펌프용 막-전극 어셈블리를 개략적으로 보여주는 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 전기 삼투 펌프를 개략적으로 보여주는 구성도이다.
도 3은 실시예 1 및 비교예 1에 따라 제조한 각 전기 삼투 펌프의 구동시 생성 압력 변화를 나타내는 그래프이다.
도 4는 실시예 2 및 비교예 2에 따라 제조한 각 전기 삼투 펌프의 구동시 생성 압력 변화를 나타내는 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, "위"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.
명세서 전체에서, 전극(들), 멤브레인(들), 멤브레인-전극 단위체(들), 전기화학적 반응물질(들)이라고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 각 번호의 전극들, 각 번호의 멤브레인들, 각 번호의 멤브레인-전극 단위체들, 각 번호의 전기화학적 반응물질들을 포괄하여 지칭하는 것이다.
이하 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 일 구현예에 따른 전기 삼투 펌프용 막-전극 어셈블리 및 전기 삼투 펌프를 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 전기 삼투 펌프용 막-전극 어셈블리를 개략적으로 보여주는 구성도이고, 도 2는 본 발명의 다른 일 구현예에 따른 전기 삼투 펌프를 개략적으로 보여주는 구성도이다.
도 1을 참고하면, 전기 삼투 펌프용 막-전극 어셈블리(100)는 다공성 구조를 가지고, 제1 전기화학적 반응 물질을 포함하며, (+) 또는 (-) 전압이 가해지는 제1 전극(11); 상기 제1 전극(11)의 일면에 구비되고, 다공성 구조를 가지고, (+) 또는 (-) 표면전위(zeta potential)를 가지는 제1 멤브레인(31); 상기 제1 멤브레인(31) 중 상기 제1 전극(11) 측과 반대쪽의 일면에 구비되고, 다공성 구조를 가지고, 제2 전기화학적 반응 물질을 포함하며, 상기 제1 전극(11)과 반대 극성의 전압이 가해지는 제2 전극(21); 상기 제2 전극(21) 중 상기 제1 멤브레인(31) 측과 반대쪽의 일면에 구비되고, 다공성 구조를 가지고, 상기 제1 멤브레인(31)과 반대 극성의 표면전위를 가지는 제2 멤브레인(41); 및 상기 제2 멤브레인(41) 중 상기 제2 전극(21) 측과 반대쪽의 일면에 구비되고, 다공성 구조를 가지고, 제3 전기화학적 반응 물질을 포함하며, 상기 제1 전극(11)과 같은 극성의 전압이 가해지는 제3 전극(13)을 포함한다.
상기 제1 전극에 가해지는 전압의 극성과 상기 제1 멤브레인의 표면전위의 극성은 각각 독립적이므로, 이들은 서로 극성이 동일할 수도 있고, 서로 상이할 수도 있다.
상기 전기 삼투 펌프용 막-전극 어셈블리(100)는 상기 제1 멤브레인(31)과 상기 제2 멤브레인(41)과 같이 복수 개의 멤브레인을 사용하는 다단 구조이면서, 상기 제1 멤브레인(31)과 상기 제2 멤브레인(41) 사이의 제2 전극(21)을 서로 공유하는 구조를 가진다. 이로써 상기 전기 삼투 펌프용 막-전극 어셈블리(100)는 구조를 단순화하여 제작 비용을 절감할 수 있고, 소형으로 제작이 가능하여 공간 효율성을 개선할 수 있고, 충분한 압력 또는 유량을 발생시킬 수 있고, 멤브레인의 직렬연결 구조 방식 대비 전극 개수를 줄일 수 있으며 전원공급장치를 하나로 줄일 수 있는 장점을 가질 수 있다.
또한, 상기 전기 삼투 펌프용 막-전극 어셈블리(100)는 상기 제1 전극(11), 상기 제1 멤브레인(31), 상기 제2 전극(21), 상기 제2 멤브레인(41), 상기 제3 전극(13)의 각 전위가 일정한 규칙에 따라 배열되도록 구성함으로써, 유체의 흐름 방향을 제어하면서, 생성되는 압력 또는 유량을 효과적으로 향상시킬 수 있다.
상기 제1 전극(11)과 상기 제2 전극(21)에 전압을 다르게, 예컨대 전압의 극성을 다르게 전원을 공급하고, 상기 제2 전극(21)과 상기 제3 전극(13)에 전압을 다르게, 예컨대 전압의 극성을 다르게 전원을 공급하면, 상기 제1 전극(11)과 상기 제2 전극(21) 사이에 전압의 차이가 발생하고, 상기 제2 전극(21)과 상기 제3 전극(13) 사이에 전압 차이가 발생하게 된다. 이러한 전압 차이에 의해, 전기화학적 반응이 이루어지고 그 결과로 이온이 생성되고, 이렇게 생성된 이온이 이동하면서 유체를 함께 끌고가 압력(펌핑력)과 유량을 발생시킨다.
상기 제1 전극(11)과 상기 제2 전극(21)에, 그리고 상기 제2 전극(21)과 상기 제3 전극(13)에 전압의 극성을 교번하여 공급할 수 있고, 이때, 전압의 극성을 교번하여 공급한다는 것은 전류를 반대 방향으로 공급한다는 의미를 포함할 수 있다. 이러한 과정으로 인하여, 상기 전기 삼투 펌프용 막-전극 어셈블리(100)는 유체의 이동을 통해 압력(펌핑력)을 발생시킴과 동시에, 상기 제1 전극(11), 상기 제2 전극(21) 및 상기 제3 전극(13)의 전기화학적 반응 물질은 소모와 재생이 반복적으로 일어날 수 있다.
이하, 상기 전기 삼투 펌프용 막-전극 어셈블리(100)에서 유체의 흐름이 발생하는 원리를 예를 들어 설명한다.
일 예로, 상기 전기 삼투 펌프용 막-전극 어셈블리(100)에서, 상기 제1 전극(11)이 (+) 전압(전위), 상기 제1 멤브레인(31)이 (-) 표면전위, 상기 제2 전극(21)이 (-) 전압(전위), 상기 제2 멤브레인(41)이 (+) 표면전위, 상기 제3 전극(13)이 (+) 전압(전위)인 경우의 유체의 흐름에 관하여 설명한다.
이 경우, 상기 제1 멤브레인(31)은 표면전위가 (-)이므로, 상기 제1 멤브레인(31)의 표면 근처에는 (+) 전하를 가지는 이온, 예컨대, 수소 이온(H+) 등이 모이게 되고, 이러한 (+) 전하를 가지는 이온은 전기장의 영향을 받아 상기 제1 전극(11)으로부터 상기 제2 전극(21) 방향으로 이동하게 된다. 이때 전기장의 영향으로 이동하는 (+) 전하를 가지는 이온은 주변에 있는 유체, 예컨대, 물 분자(H2O) 등을 같이 끌고 가게 되며, 이로 인하여 유체의 흐름이 상기 제1 전극(11)으로부터 상기 제2 전극(21) 방향으로 진행된다.
한편, 상기 제2 전극(21)과 상기 제3 전극(13) 사이에 위치한 상기 제2 멤브레인(41)은 표면전위가 (+)이므로, 상기 제2 멤브레인(41) 표면 근처에는 (-) 전하를 가지는 이온, 예컨대, 수산화 이온(hydroxide ion, OH-) 등이 모이게 되고, 이러한 (-) 전하를 가지는 이온은 전기장의 영향을 받아 상기 제2 전극(21)으로부터 상기 제3 전극(13) 방향으로 이동하게 된다. 이때 전기장의 영향으로 이동하는 (-) 전하를 가지는 이온은 주변에 있는 유체, 예컨대, 물 분자(H2O) 등을 같이 끌고 가게 되며, 이로 인하여 유체의 흐름이 상기 제2 전극(21)으로부터 상기 제3 전극(13) 방향으로 진행된다.
이러한 두 개의 유체의 흐름이 더해지면, 제1 전극(11)으로부터 제3 전극 방향(13)으로의 유체의 흐름이 나타나게 되고, 발생하는 압력은 더욱 커진다. 이와 같이 발생하는 압력과 유량을 이용하여 전기 삼투 펌프를 더욱 효율적으로 구동할 수 있다.
다른 일 예로, 상기 전기 삼투 펌프용 막-전극 어셈블리(100)에서, 상기 제1 전극(11)이 (-) 전압(전위), 상기 제1 멤브레인(31)이 (-) 표면전위, 상기 제2 전극(21)이 (+) 전압(전위), 상기 제2 멤브레인(41)이 (+) 표면전위, 상기 제3 전극(13)이 (-) 전압(전위)인 경우의 유체의 흐름에 관하여 설명한다.
이 경우, 상기 제2 멤브레인(41)은 표면전위가 (+)이므로, 상기 제2 멤브레인(41) 표면 근처에는 (-) 전하를 가지는 이온, 예컨대, 수산화 이온(hydroxide ion, OH-) 등이 모이게 되고, 이러한 (-) 전하를 가지는 이온은 전기장의 영향을 받아 상기 제3 전극(13)으로부터 상기 제2 전극(21) 방향으로 이동하게 된다. 이때 전기장의 영향으로 이동하는 (-) 전하를 가지는 이온은 주변에 있는 유체, 예컨대, 물 분자(H2O) 등을 같이 끌고 가게 되며, 이로 인하여 유체의 흐름이 상기 제3 전극(13)으로부터 상기 제2 전극(21) 방향으로 진행된다.
한편, 상기 제2 전극(21)과 상기 제1 전극(11) 사이에 위치한 상기 제1 멤브레인(31)은 표면전위가 (-)이므로, 상기 제1 멤브레인(31)의 표면 근처에는 (+) 전하를 가지는 이온, 예컨대, 수소 이온(H+) 등이 모이게 되고, 이러한 (+) 전하를 가지는 이온은 전기장의 영향을 받아 상기 제2 전극(21)으로부터 상기 제1 전극(11) 방향으로 이동하게 된다. 이때 전기장의 영향으로 이동하는 (+) 전하를 가지는 이온은 주변에 있는 유체, 예컨대, 물 분자(H2O) 등을 같이 끌고 가게 되며, 이로 인하여 유체의 흐름이 상기 제2 전극(21)으로부터 상기 제1 전극(11) 방향으로 진행된다.
이러한 두 개의 유체의 흐름이 더해지면, 제3 전극(13)으로부터 제1 전극 방향(11)으로의 유체의 흐름이 나타나게 되고, 발생하는 압력은 더욱 커진다. 이와 같이 발생하는 압력과 유량을 이용하여 전기 삼투 펌프를 더욱 효율적으로 구동할 수 있다.
위 예를 들어 설명한 유체의 흐름을 아래 표 1에 정리하여 나타낸다.
[표 1]
Figure pat00001
위와 같이 상기 전기 삼투 펌프용 막-전극 어셈블리(100)에서 유체가 흐르는 원리를 설명한 예들은 본 발명의 일 구현예에 해당하는 것을 예로써 설명한 것이므로, 본 발명이 위 예들에 한정되는 것이 아니다. 위와 같이 유체가 흐르는 원리는 상기 전기 삼투 펌프용 막-전극 어셈블리(100)에서 각 전극 및 각 멤브레인의 각 전위가 일정한 규칙에 따라 배열되는 경우 그대로 적용될 수 있고, 각 전극에 전압을 교번하여 공급하는 경우에도 그대로 적용될 수 있다.
전기화학적 반응 물질은 전기화학적 산화/환원 반응이 진행될 수 있는 물질일 수 있다.
상기 제1 전기화학적 반응 물질, 상기 제2 전기화학적 반응 물질 및 상기 제3 전기화학적 반응 물질은 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 전도성 고분자, 금속, 탄소 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있으나, 전기화학적 산화/환원 반응이 진행될 수 있는 물질이라면 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 전도성 고분자는 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 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제1 전극(11), 상기 제2 전극(21) 및 상기 제3 전극(13)은 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 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 제1 전극(11), 상기 제2 전극(21) 및 상기 제3 전극(13)의 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 전극(11), 상기 제2 전극(21) 및 상기 제3 전극(13)은 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 약 5% 내지 약 95%의 기공도를 가질 수 있고, 구체적으로는 약 20% 내지 약 90%의 기공도를 가질 수 있으며, 더욱 구체적으로는 약 50% 내지 약 80%의 기공도를 가질 수 있다. 상기 제1 전극(11), 상기 제2 전극(21) 및 상기 제3 전극(13)의 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 전극(11) 및 상기 제3 전극(13)은 서로 전기적으로 연결되어 있을 수 있고, 예컨대, 리드선을 통하여 서로 전기적으로 연결될 수 있으나, 전기적으로 연결될 수만 있으면 연결 수단이 리드선에 한정되는 것은 아니다. 이로써, 상기 제1 전극(11) 및 상기 제3 전극(13)에 동일한 전압이 공급되어 유체를 원하는 방향으로 효과적으로 이동시킬 수 있고, 전원을 공급하는 구성을 단순화시킬 수 있어 이를 포함하는 전기 삼투 펌프의 구조를 단순화시킬 수 있고, 전력 소모를 줄일 수 있으며, 발생되는 압력 또는 유량을 효율적으로 증가시킬 수 있다.
상기 제1 전극(11)에 전압의 극성을 교번하여 공급하고, 그에 따라 상기 제2 전극(21), 상기 제3 전극(13)에도 각 전압의 극성을 교번하여 공급할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 전극(11)에 (+) 전압과 (-) 전압을 교대로 공급할 수 있고, 이에 따라 상기 제2 전극(21)에는 (-) 전압과 (+) 전압을 교대로, 상기 제3 전극(13)에는 (+) 전압과 (-) 전압을 교대로 공급할 수 있다. 이와 같이, 각 전극에 전압의 극성을 교번하여 공급함으로써, 유체의 이동 방향을 순 방향, 역 방향으로(또는 역 방향, 순 방향으로) 교대로 바꿀 수 있다. 이러한 원리는 상기 표 1에 관하여 기재한 내용을 참조함으로써 확인할 수 있다.
상기 제1 멤브레인(31) 및 상기 제2 멤브레인(41)은 부도체일 수 있다.
상기 제1 멤브레인(31) 및 상기 제2 멤브레인(41)은 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 실리카, 알루미나, 지르코니아, 산화 마그네슘, (+) 전위를 띠는 고분자, (-) 전위를 띠는 고분자 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 (+) 표면전위는 물질 자체가 (+) 전위를 나타내는 물질을 사용함으로써 구현되는 것일 수 있고, 구체적으로는 알루미나, 지르코니아, 산화 마그네슘, (+) 전위를 띠는 고분자 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 물질을 사용함으로써 구현되는 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 상기 (+) 표면전위는 멤브레인의 표면을 (+) 전위를 가지는 물질 또는 (+) 전위를 가지는 작용기로 개질함으로써 구현되는 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 이 경우, 멤브레인 내면은 (+) 전위를 나타내는 물질, (-) 전위를 나타내는 물질, 전위를 나타내지 아니하는 물질, 이들의 조합 중 어느 것으로도 구성될 수 있다.
상기 (+) 전위를 가지는 물질 또는 (+) 전위를 가지는 작용기는 일차아민기, 이차아민기, 삼차아민기 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 (+) 표면전위는 약 5 mV 내지 약 200 mV, 구체적으로는 약 10 mV 내지 약 100 mV, 더욱 구체적으로는 약 20 mV 내지 약 50 mV일 수 있다. 상기 (+) 표면전위가 상기 범위 내인 경우, 전기 삼투 현상을 효과적으로 일으켜 전기 삼투 펌프를 더욱 효율적으로 구동할 수 있고, 전기 이중층을 효과적으로 생성할 수 있다.
상기 (-) 표면전위는 물질 자체가 (-) 전위를 나타내는 물질을 사용함으로써 구현되는 것일 수 있고, 구체적으로는 실리카, (-) 전위를 띠는 고분자 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 물질을 사용함으로써 구현되는 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 상기 (-) 표면전위는 멤브레인의 표면을 (-) 전위를 가지는 물질 또는 (-) 전위를 가지는 작용기로 개질함으로써 구현되는 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 이 경우, 멤브레인 내면은 (+) 전위를 나타내는 물질, (-) 전위를 나타내는 물질, 전위를 나타내지 아니하는 물질, 이들의 조합 중 어느 것으로도 구성될 수 있다.
상기 (-) 전위를 가지는 물질 또는 (-) 전위를 가지는 작용기는 카르복실기, 술폰산기 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 (-) 표면전위는 약 -5 mV 내지 약 -200 mV, 구체적으로는 약 -10 mV 내지 약 -100 mV, 더욱 구체적으로는 약 -20 mV 내지 약 -50 mV일 수 있다. 상기 (-) 표면전위가 상기 범위 내인 경우, 전기 삼투 현상을 효과적으로 일으켜 전기 삼투 펌프를 더욱 효율적으로 구동할 수 있고, 전기 이중층을 효과적으로 생성할 수 있다.
상기 제1 멤브레인(31) 및 상기 제2 멤브레인(41)은 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 약 0.05 ㎛ 내지 약 1 ㎛의 기공크기를 가질 수 있고, 구체적으로는 약 0.07 ㎛ 내지 약 0.5 ㎛의 기공크기를 가질 수 있으며, 더욱 구체적으로는 약 0.1 ㎛ 내지 약 0.15 ㎛의 기공크기를 가질 수 있다. 상기 제1 멤브레인(31) 및 상기 제2 멤브레인(41)의 기공크기가 상기 범위 내인 경우, 유체와 이온이 효과적으로 이동할 수 있어 상기 전기 삼투 펌프의 압력특성, 안정성, 수명특성 및 효율을 효과적으로 개선할 수 있다.
상기 제1 멤브레인(31) 및 상기 제2 멤브레인(41)은 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 약 5% 내지 약 95%의 기공도를 가질 수 있고, 구체적으로는 약 20% 내지 약 80%의 기공도를 가질 수 있으며, 더욱 구체적으로는 약 30% 내지 약 60%의 기공도를 가질 수 있다. 상기 제1 멤브레인(31) 및 상기 제2 멤브레인(41)의 기공도가 상기 범위 내인 경우, 유체와 이온이 효과적으로 이동할 수 있어 상기 전기 삼투 펌프의 압력특성, 안정성, 수명특성 및 효율을 효과적으로 개선할 수 있다.
상기 전기 삼투 펌프용 막-전극 어셈블리는, 제n+2 전극 중 제n+1 멤브레인 측과 반대쪽의 일면에 구비되고, 다공성 구조를 가지고, 제n 멤브레인과 같은 극성의 표면전위를 가지는 제n+2 멤브레인; 상기 제n+2 멤브레인 중 상기 제n+2 전극 측과 반대쪽의 일면에 구비되고, 다공성 구조를 가지고, 제n+3 전기화학적 반응 물질을 포함하며, 제n 전극과 반대 극성의 전압이 가해지는 제n+3 전극을 포함하는 제n 멤브레인-전극 단위체를 더 포함할 수 있고, 상기 n은 1 이상의 정수이고, 상기 n이 2 이상의 정수 k인 경우, 제1 멤브레인-전극 단위체, 제2 멤브레인-전극 단위체 내지 제k 멤브레인-전극 단위체를 더 포함하는 것일 수 있다.
위와 같이, 상기 전기 삼투 펌프용 막-전극 어셈블리의 구조를 확장함으로써, 발생되는 압력을 더욱 효과적으로 증가시킬 수 있다.
일 예로, n이 1인 경우, 상기 전기 삼투 펌프용 막-전극 어셈블리는, 다공성 구조를 가지고, 제1 전기화학적 반응 물질을 포함하며, (+) 또는 (-) 전압이 가해지는 제1 전극; 상기 제1 전극의 일면에 구비되고, 다공성 구조를 가지고, (+) 또는 (-) 표면전위를 가지는 제1 멤브레인; 상기 제1 멤브레인 중 상기 제1 전극 측과 반대쪽의 일면에 구비되고, 다공성 구조를 가지고, 제2 전기화학적 반응 물질을 포함하며, 상기 제1 전극과 반대 극성의 전압이 가해지는 제2 전극; 상기 제2 전극 중 상기 제1 멤브레인 측과 반대쪽의 일면에 구비되고, 다공성 구조를 가지고, 상기 제1 멤브레인과 반대 극성의 표면전위를 가지는 제2 멤브레인; 상기 제2 멤브레인 중 상기 제2 전극 측과 반대쪽의 일면에 구비되고, 다공성 구조를 가지고, 제3 전기화학적 반응 물질을 포함하며, 상기 제1 전극과 같은 극성의 전압이 가해지는 제3 전극; 제3 전극 중 제2 멤브레인 측과 반대쪽의 일면에 구비되고, 다공성 구조를 가지고, 제1 멤브레인과 같은 극성의 표면전위를 가지는 제3 멤브레인; 및 상기 제3 멤브레인 중 상기 제3 전극 측과 반대쪽의 일면에 구비되고, 다공성 구조를 가지고, 제4 전기화학적 반응 물질을 포함하며, 제3 전극과 반대 극성의 전압이 가해지는 제4 전극을 포함한다.
다른 일 예로, n이 2인 경우, 상기 전기 삼투 펌프용 막-전극 어셈블리는 다공성 구조를 가지고, 제1 전기화학적 반응 물질을 포함하며, (+) 또는 (-) 전압이 가해지는 제1 전극; 상기 제1 전극의 일면에 구비되고, 다공성 구조를 가지고, (+) 또는 (-) 표면전위를 가지는 제1 멤브레인; 상기 제1 멤브레인 중 상기 제1 전극 측과 반대쪽의 일면에 구비되고, 다공성 구조를 가지고, 제2 전기화학적 반응 물질을 포함하며, 상기 제1 전극과 반대 극성의 전압이 가해지는 제2 전극; 상기 제2 전극 중 상기 제1 멤브레인 측과 반대쪽의 일면에 구비되고, 다공성 구조를 가지고, 상기 제1 멤브레인과 반대 극성의 표면전위를 가지는 제2 멤브레인; 상기 제2 멤브레인 중 상기 제2 전극 측과 반대쪽의 일면에 구비되고, 다공성 구조를 가지고, 제3 전기화학적 반응 물질을 포함하며, 상기 제1 전극과 같은 극성의 전압이 가해지는 제3 전극; 제3 전극 중 제2 멤브레인 측과 반대쪽의 일면에 구비되고, 다공성 구조를 가지고, 제1 멤브레인과 같은 극성의 표면전위를 가지는 제3 멤브레인; 상기 제3 멤브레인 중 상기 제3 전극 측과 반대쪽의 일면에 구비되고, 다공성 구조를 가지고, 제4 전기화학적 반응 물질을 포함하며, 제3 전극과 반대 극성의 전압이 가해지는 제4 전극; 제4 전극 중 제3 멤브레인 측과 반대쪽의 일면에 구비되고, 다공성 구조를 가지고, 제2 멤브레인과 같은 극성의 표면전위를 가지는 제4 멤브레인; 및 상기 제4 멤브레인 중 상기 제4 전극 측과 반대쪽의 일면에 구비되고, 다공성 구조를 가지고, 제5 전기화학적 반응 물질을 포함하며, 제2 전극과 반대 극성의 전압이 가해지는 제5 전극을 포함한다.
상기 n의 값이 커지더라도 위와 같은 원리로 상기 전기 삼투 펌프용 막-전극 어셈블리의 구조가 확장될 수 있다.
상기 n은 1 내지 50의 정수일 수 있고, 구체적으로는 2 내지 20의 정수일 수 있고, 더욱 구체적으로는 3 내지 10의 정수일 수 있다. 상기 n이 상기 범위 내인 경우, 전기 삼투 펌프의 압력을 원하는대로 제어할 수 있는 장점을 가질 수 있다.
상기 전기 삼투 펌프용 막-전극 어셈블리에서, 홀수 번호의 전극들끼리 서로 전기적으로 연결되어 있을 수 있고, 예컨대, 리드선을 통하여 서로 전기적으로 연결될 수 있으나, 전기적으로 연결될 수만 있으면 연결 수단이 리드선에 한정되는 것은 아니다. 이로써, 홀수 번호의 전극들에 동일한 전압이 공급되어 유체를 원하는 방향으로 효과적으로 이동시킬 수 있고, 전원을 공급하는 구성을 단순화시킬 수 있어 이를 포함하는 전기 삼투 펌프의 구조를 단순화시킬 수 있고, 전력 소모를 줄일 수 있으며, 발생되는 압력 또는 유량을 효율적으로 증가시킬 수 있다.
상기 전기 삼투 펌프용 막-전극 어셈블리에서, 짝수 번호의 전극들끼리 서로 전기적으로 연결되어 있을 수 있고, 예컨대, 리드선을 통하여 서로 전기적으로 연결될 수 있으나, 전기적으로 연결될 수만 있으면 연결 수단이 리드선에 한정되는 것은 아니다. 이로써, 짝수 번호의 전극들에 동일한 전압이 공급되어 유체를 원하는 방향으로 효과적으로 이동시킬 수 있고, 전원을 공급하는 구성을 단순화시킬 수 있어 이를 포함하는 전기 삼투 펌프의 구조를 단순화시킬 수 있고, 전력 소모를 줄일 수 있으며, 발생되는 압력 또는 유량을 효율적으로 증가시킬 수 있다.
상기 전기 삼투 펌프용 막-전극 어셈블리에서, 상기 제1 전극에 전압의 극성을 교번하여 공급하고, 그에 따라 각 번호의 전극들에도 각 전압의 극성을 교번하여 공급할 수 있다. 예를 들어, 제1 전극에 (+) 전압과 (-) 전압을 교대로 공급할 수 있고, 이에 따라 제2 전극, 제4 전극, 제6 전극 등 짝수 번호의 전극들에는 (-) 전압과 (+) 전압을 교대로, 제3 전극, 제5 전극 등 홀수 번호의 전극들에는 (+) 전압과 (-) 전압을 교대로 공급할 수 있다. 이와 같이, 각 전극에 전압의 극성을 교번하여 공급함으로써, 유체의 이동 방향을 순 방향, 역 방향으로(또는 역 방향, 순 방향으로) 교대로 바꿀 수 있다. 이러한 원리는 상기 표 1에 관하여 기재한 내용을 참조함으로써 확인할 수 있다.
이하 도 2를 참조하여 본 발명의 다른 일 구현예에 따른 상기 전기 삼투 펌프용 막-전극 어셈블리를 포함하는 전기 삼투 펌프를 설명한다.
상기 전기 삼투 펌프는 당업계에서 일반적으로 사용되는 구조로 형성될 수 있고, 이하에서 일 예를 들어 설명하나, 상기 전기 삼투 펌프의 구성이 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 전기 삼투 펌프용 막-전극 어셈블리(100)에 관하여 상술한 내용과 중복되는 부분의 기재는 생략한다.
전원 공급부(50)는 상기 제1 전극(11), 상기 제2 전극(21) 및 상기 제3 전극(13) 각각에 직류 전압을 공급하는 직류전압공급부(미도시)를 포함할 수 있다. 또한, 전원 공급부(50)는 상기 제1 전극(11) 및 상기 제2 전극(21) 각각에 공급되는 직류 전압의 극성을 소정의 시간마다 교번하여 전환시키고, 상기 제2 전극(21) 및 상기 제3 전극(13) 각각에 공급되는 직류 전압의 극성을 소정의 시간마다 교번하여 전환시키는 전압방향전환부(미도시)를 포함할 수도 있다. 이로부터, 상기 제1 전극(11) 및 상기 제2 전극(21) 각각에 걸리는 전압을 지속적으로 소정의 시간마다 반대 극성으로 바꿔줄 수 있고, 상기 제2 전극(21) 및 상기 제3 전극(13) 각각에 걸리는 전압을 지속적으로 소정의 시간마다 반대 극성으로 바꿔줄 수 있다.
유체 경로부(60, 60')는 멤브레인들과 전극들을 사이에 두고 양측으로 이동하는 유체의 이동 경로를 제공한다.
여기서, 상기 유체 경로부(60, 60')는 내측에 유체가 채워지는 용기 형태, 예컨대 실린더 형태를 가질 수 있으나, 그 형태가 이에 한정되는 것은 아니다.
유체는 상기 유체 경로부(60, 60')뿐만 아니라, 멤브레인들과 전극들에도 채워질 수 있다.
상기 유체 경로부(60, 60')는 압력(펌핑력)의 전달을 위해 개구를 가질 수 있다. 예컨대, 상기 개구는 멤브레인들과 전극들에 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 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: 다단 전기 삼투 펌프의 제조
(-) 표면전위를 띠는 멤브레인은 직경 300 nm의 구형 실리카를 18 mm X 8.5 mm 직사각형으로 만든 금형을 사용하여 성형한 후 고온에서 소결하여 제조하였다.
(+) 표면전위를 띠는 멤브레인은 실리카의 표면 위에 표면 개질 방법을 사용하여 일차아민기를 형성하여 제조하였다.
전극으로는 폴리(아닐린):폴리(스티렌 설포네이트)를 다공성 탄소 종이 위에 전기 중합한 다공성 전극을 제조하여 크기에 맞게 커팅을 진행하였다.
이렇게 제조된 멤브레인과 전극을 도 2에 명시된 것과 같이 배열을 진행하고 외부에서 전압을 걸어주기 위하여 서스 스트립을 각 전극에 포개어 주었고, 전기 삼투 펌프의 압력을 측정하기 위하여 양쪽에 물 주입구가 있는 플라스틱 하우징을 설치한 뒤 외부를 에폭시 수지를 이용하여 밀봉하였다.
실시예 2: 다단 전기 삼투 펌프의 제조
(-) 표면전위를 띠는 멤브레인은 직경 300 nm의 구형 실리카를 18 mm X 8.5 mm 직사각형으로 만든 금형을 사용하여 성형한 후 고온에서 소결하여 제조하였다.
(+) 표면전위를 띠는 멤브레인은 실리카 표면 위에 표면 개질 방법을 사용하여 일차 아민기를 형성하여 제조하였다.
전극으로는 폴리(아닐린):폴리(스티렌 설포네이트)를 다공성 탄소 종이 위에 전기 중합한 뒤 세척 및 건조를 진행하고, 이후 폴리(3,4-에틸렌 디옥시티오펜):폴리(스티렌 설포네이트) 입자가 분산된 용액을 딥(dip) 코팅을 통해 도포를 하고 오븐에서 건조를 진행하였으며 건조된 전극을 크기에 맞게 커팅을 진행하였다.
이렇게 제조된 멤브레인과 전극을 도 2에 명시된 것과 같이 배열을 진행하고 외부에서 전압을 걸어주기 위하여 서스 스트립을 각 전극에 포개어 주었고, 전기삼투펌프의 압력을 측정하기 위하여 양쪽에 물 주입구가 있는 플라스틱 하우징을 설치한 뒤 외부를 에폭시 수지를 이용하여 밀봉하였다.
비교예 1: 단일 전기 삼투 펌프의 제조
실시예 1에서 제조한 전극을 사용하였으며, (-) 표면전위를 띠는 실리카 멤브레인 양단에 전극을 위치시키고, 외부에서 전압을 걸어주기 위하여 서스 스트립을 각 전극에 포개어 주었고, 전기 삼투 펌프의 압력을 측정하기 위하여 양쪽에 물 주입구가 있는 플라스틱 하우징을 설치한 뒤 외부를 에폭시 수지를 이용하여 밀봉하였다.
비교예 2: 단일 전기 삼투 펌프의 제조
실시예 2에서 제조한 전극을 사용하였으며, 나머지는 비교예 1에서와 동일한 방법으로 전기 삼투 펌프를 제조하였다.
시험예 1: 전기 삼투 펌프의 성능 평가(생성 압력)
실시예 1 및 비교예 1에서 제조한 각 전기 삼투 펌프의 각 전극에 2.5V의 전위차를 각각 3초 주기로 교번하여 25초 동안 가하였을 때 생성되는 유체의 압력을 평가하여, 그 결과를 도 3에 나타내었다.
도 3에 나타난 바에 의하면, 비교예 1에서 제조한 전기 삼투 펌프에서 발생되는 압력은 최대 68 kPa인 반면, 실시예 1에서 제조한 전기 삼투 펌프에서 발생되는 압력은 최대 92 kPa임을 확인할 수 있다. 즉, 실시예 1에서 제조한 전기 삼투 펌프에서 발생되는 압력이 비교예 1에서 제조한 전기 삼투 펌프에서 발생되는 압력보다 약 35% 이상 개선됨을 알 수 있다.
실시예 2과 비교예 2에서 제조한 각 전기 삼투 펌프의 각 전극에 4 V의 전위차를 각각 10초 주기로 교번하여 60초 동안 가하였을 때 생성되는 유체의 압력을 평가하여, 그 결과를 도 4에 나타내었다.
도 4에 나타난 바에 의하면, 비교예 2에서 제조한 전기 삼투 펌프에서 발생되는 압력은 최대 130 kPa인 반면, 실시예 2에서 제조한 전기 삼투 펌프에서 발생되는 압력은 최대 200 kPa임을 확인할 수 있다. 즉, 실시예 2에서 제조한 전기 삼투 펌프에서 발생되는 압력이 비교예 2에서 제조한 전기 삼투 펌프에서 발생되는 압력보다 약 55% 이상 개선됨을 알 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 펌프용 막-전극 어셈블리,
200: 전기 삼투 펌프,
11: 제1 전극, 31: 제1 멤브레인,
21: 제2 전극, 41: 제2 멤브레인,
13: 제3 전극, 50: 전원 공급부,
60, 60': 유체 경로부

Claims (23)

  1. 다공성 구조를 가지고, 제1 전기화학적 반응 물질을 포함하며, (+) 또는 (-) 전압이 가해지는 제1 전극;
    상기 제1 전극의 일면에 구비되고, 다공성 구조를 가지고, (+) 또는 (-) 표면전위를 가지는 제1 멤브레인;
    상기 제1 멤브레인 중 상기 제1 전극 측과 반대쪽의 일면에 구비되고, 다공성 구조를 가지고, 제2 전기화학적 반응 물질을 포함하며, 상기 제1 전극과 반대 극성의 전압이 가해지는 제2 전극;
    상기 제2 전극 중 상기 제1 멤브레인 측과 반대쪽의 일면에 구비되고, 다공성 구조를 가지고, 상기 제1 멤브레인과 반대 극성의 표면전위를 가지는 제2 멤브레인;
    상기 제2 멤브레인 중 상기 제2 전극 측과 반대쪽의 일면에 구비되고, 다공성 구조를 가지고, 제3 전기화학적 반응 물질을 포함하며, 상기 제1 전극과 같은 극성의 전압이 가해지는 제3 전극;
    상기 제1 멤브레인, 상기 제2 멤브레인, 상기 제1 전극, 상기 제2 전극 및 상기 제3 전극을 사이에 두고 양측으로 이동하는 유체의 이동 경로를 제공하는 유체 경로부;
    상기 제1 전극, 상기 제2 전극 및 상기 제3 전극 각각에 직류 전압을 공급하는 직류 전압 공급부; 및
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 각각에 공급되는 직류 전압의 극성을 소정의 시간마다 교번하여 전환시키고, 상기 제2 전극 및 상기 제3 전극 각각에 공급되는 직류 전압의 극성을 소정의 시간마다 교번하여 전환시키는 전압방향전환부를 포함하는,
    전기 삼투 펌프용 막-전극 어셈블리.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전기화학적 반응 물질, 상기 제2 전기화학적 반응 물질 및 상기 제3 전기화학적 반응 물질은 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 전도성 고분자, 금속, 탄소 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는 것인 전기 삼투 펌프용 막-전극 어셈블리.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극, 상기 제2 전극 및 상기 제3 전극은 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 0.1㎛ 내지 500㎛의 기공크기를 가지는 것인 전기 삼투 펌프용 막-전극 어셈블리.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극, 상기 제2 전극 및 상기 제3 전극은 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 5% 내지 95%의 기공도를 가지는 것인 전기 삼투 펌프용 막-전극 어셈블리.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극 및 제3 전극은 서로 전기적으로 연결되어 있는 것인 전기 삼투 펌프용 막-전극 어셈블리.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극에 전압의 극성을 교번하여 공급하고, 그에 따라 상기 제2 전극, 상기 제3 전극에도 각 전압의 극성을 교번하여 공급하는 전기 삼투 펌프용 막-전극 어셈블리.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 멤브레인 및 상기 제2 멤브레인은 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 실리카, 알루미나, 지르코니아, 산화 마그네슘, (+) 전위를 띠는 고분자, (-) 전위를 띠는 고분자 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는 것인 전기 삼투 펌프용 막-전극 어셈블리.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 (+) 표면전위는 알루미나, 산화 마그네슘, 지르코니아, (+) 전위를 띠는 고분자 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 물질을 사용함으로써 구현되는 것인 전기 삼투 펌프용 막-전극 어셈블리.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 (+) 표면전위는 멤브레인의 표면을 (+) 전위를 가지는 물질 또는 (+) 전위를 가지는 작용기로 개질함으로써 구현되는 것인 전기 삼투 펌프용 막-전극 어셈블리.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 (+) 전위를 가지는 물질 또는 (+) 전위를 가지는 작용기는 일차아민기, 이차아민기, 삼차아민기 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는 것인 전기 삼투 펌프용 막-전극 어셈블리.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 (+) 표면전위는 5 mV 내지 200 mV인 전기 삼투 펌프용 막-전극 어셈블리.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 (-) 표면전위는 실리카, (-) 전위를 띠는 고분자 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 물질을 사용함으로써 구현되는 것인 전기 삼투 펌프용 막-전극 어셈블리.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 (-) 표면전위는 멤브레인의 표면을 (-) 전위를 가지는 물질 또는 (-) 전위를 가지는 작용기로 개질함으로써 구현되는 것인 전기 삼투 펌프용 막-전극 어셈블리.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 (-) 전위를 가지는 물질 또는 (-) 전위를 가지는 작용기는 카르복실기, 술폰산기 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상을 포함하는 것인 전기 삼투 펌프용 막-전극 어셈블리.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 (-) 표면전위는 -5 mV 내지 -200 mV인 전기 삼투 펌프용 막-전극 어셈블리.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 제1 멤브레인 및 상기 제2 멤브레인은 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 0.05㎛ 내지 1㎛의 기공크기를 가지는 것인 전기 삼투 펌프용 막-전극 어셈블리.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 제1 멤브레인 및 상기 제2 멤브레인은 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 5% 내지 95%의 기공도를 가지는 것인 전기 삼투 펌프용 막-전극 어셈블리.
  18. 제1항에 있어서,
    제n+2 전극 중 제n+1 멤브레인 측과 반대쪽의 일면에 구비되고, 다공성 구조를 가지고, 제n 멤브레인과 같은 극성의 표면전위를 가지는 제n+2 멤브레인;
    상기 제n+2 멤브레인 중 상기 제n+2 전극 측과 반대쪽의 일면에 구비되고, 다공성 구조를 가지고, 제n+3 전기화학적 반응 물질을 포함하며, 제n 전극과 반대 극성의 전압이 가해지는 제n+3 전극
    을 포함하는 제n 멤브레인-전극 단위체를 더 포함하는 전기 삼투 펌프용 막-전극 어셈블리로서,
    상기 n은 1 이상의 정수이고, 상기 n이 2 이상의 정수 k인 경우, 제1 멤브레인-전극 단위체, 제2 멤브레인-전극 단위체 내지 제k 멤브레인-전극 단위체를 더 포함하는 것인 전기 삼투 펌프용 막-전극 어셈블리.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 n은 1 내지 50의 정수인 전기 삼투 펌프용 막-전극 어셈블리.
  20. 제18항에 있어서,
    홀수 번호의 전극들끼리 서로 전기적으로 연결되어 있고, 짝수 번호의 전극들끼리 서로 전기적으로 연결되어 있는 것인 전기 삼투 펌프용 막-전극 어셈블리.
  21. 제18항에 있어서,
    상기 제1 전극에 전압의 극성을 교번하여 공급하고, 그에 따라 각 번호의 전극들에도 각 전압의 극성을 교번하여 공급하는 전기 삼투 펌프용 막-전극 어셈블리.
  22. 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 따른 전기 삼투 펌프용 막-전극 어셈블리를 포함하는 전기 삼투 펌프.
  23. 제22항에 따른 전기 삼투 펌프를 포함하는 유체 펌핑 시스템.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2024063275A1 (ko) * 2022-09-21 2024-03-28 이오플로우㈜ 전기 삼투 펌프

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8603834B2 (en) * 2011-12-15 2013-12-10 General Electric Company Actuation of valves using electroosmotic pump
JP6166268B2 (ja) * 2013-10-22 2017-07-19 積水化学工業株式会社 電気浸透流ポンプ
KR101766712B1 (ko) * 2015-08-27 2017-08-09 중소기업은행 멤브레인 전극 복합체를 이용한 유체 이동용 전기 삼투압 펌프
KR101910932B1 (ko) * 2016-08-31 2018-10-23 이오플로우(주) 전기 삼투 펌프
CN109482248B (zh) * 2018-11-07 2020-07-17 浙江大学 一种基于纳米多孔薄膜的低压电渗泵

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2024063275A1 (ko) * 2022-09-21 2024-03-28 이오플로우㈜ 전기 삼투 펌프

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