KR20230097707A

KR20230097707A - 전기 삼투압 펌프

Info

Publication number: KR20230097707A
Application number: KR1020210187463A
Authority: KR
Inventors: 이도경; 전준성; 윤광식
Original assignee: 이오플로우(주)
Priority date: 2021-12-24
Filing date: 2021-12-24
Publication date: 2023-07-03
Also published as: WO2023120893A1

Abstract

본 발명의 일 실시예는, 샤프트 홀을 구비하는 하우징, 상기 샤프트 홀을 통해, 상기 하우징의 내외부로 연장되고, 왕복 운동하는 샤프트, 및 상기 하우징의 외부에서 상기 샤프트와 결합되는 이동 부재를 포함하고, 상기 샤프트가 상기 이동 부재에 억지끼움으로 결합되는, 전기 삼투압 펌프를 제공할 수 있다.

Description

전기 삼투압 펌프{Electric osmotic pump}

본 발명은 전기 삼투압 펌프에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 유체를 이용한 전기 삼투압 펌프에 관한 것이다.

일반적으로 인슐린 주입장치와 같은 약액 주입 장치는 환자의 몸 안에 약액을 주입하기 위해 사용된다. 이러한 약액 주입 장치는 의사나 간호사와 같은 전문 의료진에 의해 사용되기도 하지만, 대부분의 경우 환자 자신 또는 보호자와 같은 일반인에 의해 사용되고 있다.

이에, 일정한 기간 동안 인체에 부착하여 간편하게 사용할 수 있는 패치 형태의 약액 주입 장치가 개발되고 있으며, 이러한 약액 주입 장치는 환자의 복부 또는 허리 등의 인체에 일정한 기간 동안 패치 형태로 부착한 상태로 사용될 수 있다.

약액 주입 장치에는 약액을 능동적으로 주입하기 위하여, 전기 삼투 펌프와 같은 구동 부재가 제공될 수 있다. 전기 삼투 펌프는 모세관 또는 다공성 분리막의 양단에 전압을 가하였을 때 발생하는 유체의 이동 현상을 이용하는 펌프이다.

전기 삼투압 펌프는 내부에 실린더 구조로 형성된 부분에서 유체의 이동에 따라 선형 왕복 운동할 수 있는 피스톤이 마련되고, 피스톤은 샤프트와 결합되어 샤프트가 선형 왕복 운동하도록 할 수 있다. 샤프트는 일단이 펌프 내부에서 피스톤과 결합되고, 타단이 펌프 외부로 노출되어 펌프 외부에 제공되는 이동 부재와 결합될 수 있다. 이동 부재는 피스톤 및 샤프트의 운동과 아울러 선형 왕복 운동하며, 약액 토출 메커니즘에 동력을 전달할 수 있다.

피스톤이 펌프 내부에서 왕복 운동할 때, 샤프트에 샤프트의 이동 방향과 교차하는 측방에 대한 힘이 작용할 수 있다. 측방에 대한 힘은 펌프가 작동하면 발생하는 진동이나 외부에서 가해지는 충격 등과 같은 여러 요인에 의해 발생할 수 있다. 이때, 실린더 부분에서 선형 왕복 운동을 하는 피스톤의 정렬 상태가 흐트러져서, 실린더 부분과 피스톤 사이를 통하여 펌프 내부의 유체가 누출되는 문제가 발생할 수 있다.

인슐린 주입 장치와 같은 약물 주입 장치의 구동을 위한 메커니즘에는 다양한 종류의 모터나 펌프와 같은 구동 부재가 사용될 수 있다. 본 발명은 유체를 이용하여 미세한 펌핑이 가능한 구동 부재에 관한 것으로서, 펌핑 시에 피스톤을 통하여 펌프 내부의 유체가 외부로 누출되는 것을 방지하고자 한다. 그러나, 이러한 과제는 예시적인 것으로서, 이에 의한 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 삼투압 펌프는, 내부에 유체가 수용되는 내부 공간을 제공하고, 상기 내부 공간과 외부 공간을 연결하는 샤프트 홀이 구비되는 하우징, 및 상기 하우징의 외측에서 상기 샤프트 홀을 커버하며 상기 하우징에 연결되고, 상기 샤프트 홀을 통과하는 상기 유체의 유동에 의하여 길이 방향으로 형상 변형이 가능한 샤프트 어셈블리를 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 샤프트 어셈블리는, 상기 샤프트 홀과 연통되는 신축 공간이 형성되는 신축 부재 및 상기 신축 부재에 결합되며, 상기 신축 부재와 길이 방향 중심축을 공유하며 연장 형성되는 로드 부재를 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 신축 부재는, 상기 샤프트 홀과 마주하는 개구가 형성된 신축 공간이 내부에 마련되고, 주름관 형태로 형성되는 바디부, 개구가 형성된 상기 바디부의 일단에서 방사상으로 확장되는 플랜지부, 및 상기 플랜지부가 확장되는 상기 바디부의 상기 일단에 대향하는 타단에 형성되는 헤드부를 포함하고, 상기 플랜지부는 상기 하우징에 접합될 수 있다.

일 실시예에서, 상기 신축 부재는 고무 재질로 이루어질 수 있다.

일 실시예에서, 상기 내부 공간을 제1 공간 및 제2 공간으로 구분하는 멤브레인을 더 포함하고, 상기 샤프트 홀을 통과하는 상기 유체의 유동은 상기 멤브레인을 통과하는 상기 유체의 유동에 의존할 수 있다.

전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 전기 삼투압 펌프에 의하면, 펌프의 기밀성을 안정적으로 확보할 수 있다. 이에, 펌프 작동 시에 펌프 내부의 유체가 외부로 누출되는 것을 방지하여 펌프의 성능이 저하되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 피스톤의 외주면과 실린더의 내주면 사이에 요구되는 코팅 공정을 생략할 수 있다. 코팅 공정에 실리콘 오일이 사용될 수 있는데, 코팅 공정을 생략함으로써 실리콘 오일로 인한 문제점(예를 들어, 기포 발생)을 예방할 수 있다.

그리고, 펌프 제조 시 피스톤과 코팅 공정을 생략할 수 있어, 펌프 제조에 요구되는 시간과 비용을 절약할 수 있다.

그러나, 전술한 효과는 예시적인 것으로서, 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 삼투압 펌프를 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 하우징에 결합되는 샤프트 어셈블리를 도시한 도면이다.
도 3a 내지 도 3b는 펌프 내부에 수용되는 유체 유동에 의해 샤프트 어셈블리의 형상이 변형되는 것을 나타내는 도면이다.
도 4는 도 1의 펌프의 내부를 도시한 도면이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 멤브레인을 중심으로 한 제1 전극체 및 2 전극체에서의 반응을 나타낸 모식도이다.
도 6a 내지 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 펌프의 작동을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 샤프트의 왕복 운동에 따른 제1 공간의 체적에 대한 제2 서브공간의 체적의 비율을 나타낸 그래프이다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명의 효과 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

이하의 실시예에서, 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 목적으로 사용되었다.

이하의 실시예에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

이하의 실시예에서, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다.

도면에서는 설명의 편의를 위하여 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 예를 들어, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 이하의 실시예는 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.

이하의 실시예에서, 영역, 구성 요소 등이 연결되었다고 할 때, 영역, 구성 요소들이 직접적으로 연결되는 경우뿐만 아니라 영역, 구성요소들 중간에 다른 영역, 구성 요소들이 개재되어 간접적으로 연결되는 경우도 포함한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 삼투압 펌프의 사시도이다.

도 1을 참조하면, 전기 삼투압 펌프(이하, '펌프'라 함)(100)는 하우징(110) 및 샤프트 어셈블리(120)를 포함할 수 있다.

하우징(110)은 펌프(100)의 외관을 형성하고, 내부에 펌프(100)의 작동에 이용되는 유체를 포함하여 펌프(100)에 구비되는 여러 구성요소가 수용될 수 있는 내부 공간을 제공할 수 있다. 하우징(110)은 제1 하우징(111) 및 제2 하우징(112)을 포함하고 제1 하우징(111) 및 제2 하우징(112)이 조립되도록 구성될 수 있다.

하우징(110)은 전극체와 전기적으로 연결될 수 있는 제1 단자(153) 및 제2 단자(163)가 구비될 수 있다. 하우징(110)은 하우징(110) 내부로 유체를 주입할 수 있는 주입구(180)가 형성될 수 있다. 하우징(110)은 내부에서 유체의 유동에 의해 발생하는 압력 변화에 대응하기 위한 변형부(191)가 마련될 수 있다. 제1 단자(153), 제2 단자(163), 주입구(180) 및 변형부(191)에 대해서는 다시 구체적으로 설명하기로 한다.

펌프(100)는 펌프(100)에 가해지는 전기적 신호에 의해 작동될 수 있고, 샤프트 어셈블리(120)는 펌프(100)의 작동에 의해 Z방향으로 형상이 변형될 수 있다.

샤프트 어셈블리(120)는 하우징(110)의 외부에 배치되어 일측이 하우징(110)에 설치되고 타측이 이동 부재(130)와 결합될 수 있다. 이동 부재(130)는 다른 구동 메커니즘에 연결되어 동력을 전달하기 위한 구성으로, 펌프와 다른 구동 메커니즘 사이에서 샤프트 어셈블리(120)의 형상이 변형됨에 따라 선형 왕복 운동하며 다른 구동 메커니즘으로 동력을 전달하도록 구성될 수 있다.

도 2는 도 1의 하우징(110)과 샤프트 어셈블리의 결합 상태를 도시한 도면이다.

하우징(110)의 일 측에는 샤프트 홀(120H)이 구비될 수 있다. 샤프트 홀(120H)은 하우징(110)의 내측면과 외측면을 관통하는 통공의 형태로 제공될 수 있다. 샤프트 홀(120H)을 통하여 하우징(110)의 내외부가 연통될 수 있다. 하우징(110)의 내부 공간(S)에 수용되는 유체는 샤프트 홀(120H)을 통하여 하우징(110)의 내부에서 외부로 그리고 하우징(110)의 외부에서 내부로 유동할 수 있다.

샤프트 어셈블리는 하우징(110)의 외측에 결합될 수 있다. 샤프트 어셈블리는 샤프트 홀(120H)이 형성된 부분에 결합되어, 하우징(110)의 외측에서 샤프트 홀(120H)을 덮을 수 있다. 하우징(110)과 샤프트 어셈블리의 결합 부위에서 유체가 누출되지 않도록, 샤프트 어셈블리가 하우징(110)에 밀착 고정됨으로써 결합 부위는 기밀성을 확보할 수 있다.

샤프트 어셈블리는, 하우징(110)의 내부에 수용되는 유체가 샤프트 홀(120H)을 통하여 유동함에 따라 길이 방향(A)으로 형상이 변형될 수 있다.

샤프트 어셈블리는 신축 부재(121) 및 로드 부재(122)를 포함할 수 있다.

신축 부재(121)는 탄성을 가지는 탄화수소 중합체(고무)로 이루어질 수 있다. 신축 부재(121)는 일측이 하우징(110)에 고정 설치되고 타측이 로드 부재(122)와 결합될 수 있다. 로드 부재(122)는 일측이 신축 부재(121)에 결합되어 길이 방향(A)으로 연장될 수 있다. 로드 부재(122)는 신축 부재(121)와 중심축을 공유할 수 있다. 신축 부재(121)의 일측은 하우징(110)에 고정된 상태에서 신축되면서, 타측에 결합된 로드 부재(122)를 길이 방향(A)으로 선형 왕복 운동 가능하게 할 수 있다.

신축 부재(121)는 바디부(1211)와, 바디부(1211)의 일단에 마련되는 플랜지부(1212) 및 바디부(1211)의 타단에 마련되는 헤드부(1213)를 포함할 수 있다.

바디부(1211)는 신축성을 가지기 위해 주름관 형태로 이루어질 수 있다. 바디부(1211)는 길이 방향(A)으로 가해지는 힘에 의해 형상이 변하며 신축될 수 있다.

바디부(1211)는 신축 공간(1211a)을 제공할 수 있다. 신축 공간(1211a)은 바디부(1211) 내부에 형성되는 공간으로서, 일측이 개방된 개구(1211b)를 갖고, 바디부(1211)의 신축에 따라 가변되는 크기(체적)를 가질 수 있다.

신축 부재(121)가 하우징(110)과 결합되면, 신축 공간(1211a)의 개구(1211b)는 샤프트 홀(120H)과 마주할 수 있다. 이에, 신축 공간(1211a)이 하우징(110) 내부에 제공되는 내부 공간(S)과 연통할 수 있다.

플랜지부(1212)는 하우징(110)과의 결합이 용이하도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 플랜지부(1212)는 바디부(1211)의 개방되는 일단에서 방사상으로 확장 형성되어, 하우징(110)에 접합 가능한 면을 제공할 수 있다. 하우징(110)에는 샤프트 홀(120H) 주변으로 플랜지부(1212)와의 접합을 용이하도록 안착홈(110a)이 형성될 수 있다.

헤드부(1213)는 바디부(1211)의 타측에 마련되어, 로드 부재(122)와 결합될 수 있다. 헤드부(1213)는 로드 부재(122)의 결합이 가능하도록 소정의 두께를 가질 수 있다. 헤드부(1213)에 결합된 로드 부재(122)는 바디부(1211)의 신축에 따라 길이 방향(A)으로 선형 왕복 운동할 수 있다.

도 3a 내지 도 3b는 펌프 내부에 수용되는 유체 유동에 의해 샤프트 어셈블리의 형상이 변형되는 것을 나타내는 도면이다.

펌프가 작동하면 하우징(110)의 내부 공간(S)에서 압력 변화와 이에 따른 유체의 유동이 발생할 수 있다.

도 3a를 참조하면, 내부 공간(S)의 압력 변화에 따라, 내부 공간(S)의 유체가 샤프트 홀(120H)과 개구(1211b)를 통하여 신축 공간(1211a)으로 유입될 수 있다. 유체의 유입으로 인하여 신축 공간(1211a)의 크기가 증가하면서 길이 방향(A)으로 신축 부재(121)가 신장될 수 있다. 이때, 신축 부재(121)에 고정 결합된 로드 부재(122)는 신축 부재(121)의 신장 방향(P1)을 따라 하우징(110)과 멀어지는 방향으로 선형 이동할 수 있다.

도 3b를 참조하면, 내부 공간(S)의 압력 변화에 따라, 신축 공간(1211a)에 수용된 유체가 개구(1211b)와 샤프트 홀(120H)을 통하여 하우징(110)의 내부 공간(S)으로 유동할 수 있다. 이러한 유체의 유동으로 인하여 신축 공간(1211a)의 크기가 감소하면서, 길이 방향(A)으로 신축 부재(121)가 축소될 수 있다. 이때, 신축 부재(121)에 고정 결합된 로드 부재(122)는 신축 부재(121)의 축소 방향(P2)을 따라 하우징(110) 측으로 선형 이동할 수 있다.

펌프가 작동하는 동안, 샤프트 어셈블리의 형상을 변형시키기 위하여 이용되는 유체는 하우징(110)과 샤프트 어셈블리에 의해 제공되는 공간(S, 1211a), 즉 펌프의 내부에서만 유동할 수 있다. 하우징(110)과 샤프트 어셈블리는 기밀성을 확보한 상태로 결합되어 작동하기 때문에, 펌프 작동에 의한 진동이나 외부에서 가해지는 충격이 발생하더라도 유체는 누출되지 않기 때문에 펌프의 성능을 일정하게 유지할 수 있다.

도 4는 도 1의 펌프(100)의 내부를 도시한 도면이다.

멤브레인(140)은 하우징(110)의 내부 공간에 배치될 수 있다. 제1 하우징(111) 및 제2 하우징(112)은 멤브레인(140)을 사이에 개재한 채 결합할 수 있다. 내부 공간은 멤브레인(140)을 중심으로 양측에 각각 위치하는 제1 공간(S1)과 제2 공간(S2)을 포함할 수 있다.

도면에서, 멤브레인(140)을 기준으로 샤프트 어셈블리(120)에서 먼 공간이 제1 공간(S1)이고, 멤브레인(140)을 기준으로 샤프트 어셈블리(120)에 인접한 공간을 제2 공간(S2)으로 나타낸다.

멤브레인(140)은 유체와 이온의 이동이 가능한 다공성 구조를 가질 수 있다. 멤브레인(140)은 예컨대, 구형 실리카를 열로 소성하여 제조한 프릿형 멤브레인일 수 있다. 예컨대, 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 전술한 범위를 만족하는 경우, 멤브레인(140)을 통과하는 제1 유체에 의한 압력, 즉 샤프트 어셈블리(120)의 형상을 변형시키기에 충분한 압력을 발생시킬 수 있다.

전술한 실시예에서 멤브레인(140)이 구형 실리카를 포함하는 것을 설명하였으나, 멤브레인(140)이 이에 한정되는 것은 아니다.

다른 실시예로, 멤브레인(140)은 다공성 실리카 또는 다공성 알루미나와 같이 제타포텐셜(zeta potential)에 의한 일렉트로키네틱(eletrokinetic) 현상을 야기할 수 있는 소재라면 그 종류를 한정할 것은 아니다.

멤브레인(140)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.

멤브레인(140)의 양측에는 제1 전극체(150)와 제2 전극체(160)가 각각 배치될 수 있다. 제1 전극체(150)는 멤브레인(140)의 제1 측에 배치된 제1 다공성 플레이트(151) 및 제1 전극 스트립(152)을 포함할 수 있다. 제2 전극체(160)는 멤브레인(140)의 제2 측에 배치된 제2 다공성 플레이트(161) 및 제2 전극 스트립(162)을 포함할 수 있다.

제1 다공성 플레이트(151) 및 제2 다공성 플레이트(161)는 각각 멤브레인(140)의 양측 주면(main surface)와 접촉하도록 배치될 수 있다. 제1 다공성 플레이트(151) 및 제2 다공성 플레이트(161)는 다공 구조를 통해 유체와 이온을 효과적으로 이동시킬 수 있다.

제1 다공성 플레이트(151) 및 제2 다공성 플레이트(161)는 다공성 베이스층에 전기화학 반응 물질이 형성된 구조를 가질 수 있다. 전기화학 반응 물질은 예컨대, 무전해 도금, 진공증착, 코팅, 졸-겔 프로세스 등의 방법을 통해 다공성 베이스층에 전착 또는 코팅함으로써 형성될 수 있다.

다공성 베이스층은 절연체일 수 있다. 예컨대, 다공성 베이스층은, 비도전성의 세라믹, 비도전성의 고분자 수지, 비도전성의 유리 및 이들의 조합에서 선택된 하나 이상을 포함할 수 있다.

비도전성의 세라믹은, 예컨대 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.

비도전성의 고분자 수지는, 예컨대, 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.

비도전성의 유리는 유리솜, 글라스 프릿(glass frit), 다공질 유리 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

다공성 베이스층은 약 0.1 ㎛ 내지 약 500 ㎛의 기공크기를 가질 수 있고, 구체적으로는 약 5 ㎛ 내지 약300 ㎛의 기공크기를 가질 수 있으며, 더욱 구체적으로는 약 10 ㎛ 내지 약 200 ㎛의 기공크기를 가질 수 있다.

다공성 지지체의 기공크기가 전술한 범위를 만족하는 경우, 유체와 이온을 효과적으로 이동시켜, 펌프(100)의 안정성과 수명 특성 및 효율을 향상시킬 수 있다.

전기화학 반응 물질은, 제1 전극체(150) 및 제2 전극체(160)의 전극 반응 시에 산화 전극과 환원 전극이 양이온, 예컨대 수소이온을 주고받는 한 쌍의 반응을 이룰 수 있으며 동시에 가역적인 전기화학 반응을 구성할 수 있는 물질을 포함할 수 있다.

전기화학 반응 물질은 예컨대, 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.

제1 스트립(152) 및 제2 스트립(162)은 제1 다공성 플레이트(151) 및 제2 다공성 플레이트(161)의 가장자리에 배치될 수 있으며, 하우징(110)의 외부의 제1 단자(153) 및 제2 단자(163)와 연결될 수 있다. 제1 스트립(152) 및 제2 스트립(162)은 은, 구리 등과 같은 도전성 재질을 포함할 수 있다.

하우징(110)의 내부 공간에 구비된 유체는 서로 다른 상(phase)을 갖는 제1 유체와 제2 유체를 포함할 수 있다. 제1 유체는 물과 같은 액체를 포함하고 제2 유체는 공기와 같은 기체를 포함할 수 있다.

내부 공간에 존재하는 제1 유체는 내부 공간을 전체적으로 채우지 않을 수 있다. 즉, 내부 공간의 체적은 내부 공간에 존재하는 제1 유체의 체적 보다 크다. 내부 공간 중에서 제1 유체가 존재하지 않는 부분에는 제2 유체가 존재할 수 있다.

멤브레인(140), 제1 전극체(150), 및 제2 전극체(160)의 구조물의 양 측에는 실링재(170)가 배치된다. 실링재(170)는 전술한 구조물의 가장자리에 대응하는 면적을 갖는 고리 형상일 수 있다.

전술한 유체, 예컨대 제1 유체는 멤브레인(140)을 통과하도록 멤브레인(140)의 두께 방향을 따라 제1 공간(S1)에서 제2 공간(S2)으로 또는 그 역방향으로 이동하게 되는데, 이 때 실링재(170)는 하우징(110)의 내측면과 전술한 구조물 사이의 틈을 막아 액체가 이 틈으로 이동하는 것을 방지할 수 있다.

유체는 도 1에 도시된 바와 같은 주입구(180)를 통해 내부 공간으로 유입될 수 있다. 일 실시예로, 일측의 주입구(180)를 통해 제1 유체를 내부 공간에 전체적으로 채운 후에 주입구(180)를 통해 제1 유체의 일부를 외부로 빼낸 후에 주입구(180)를 폐쇄함으로써, 제1 유체 및 제2 유체가 하우징(110)의 내부 공간에 존재할 수 있다.

도 5a 및 도 5b는 멤브레인을 중심으로 한 제1 전극체(150) 및 제2 전극체(160)에서의 반응을 나타낸 모식도이다.

도 5a 및 도 5b를 참조하면, 제1 전극체(150)와 제2 전극체(160)는 각각, 제1 단자(153) 및 제2 단자(163)를 통해 전원부(200)와 전기적으로 연결된다. 전원부(200)가 공급하는 전압의 극성을 교번적으로 변경하여 공급함으로써, 물과 같은 액체의 이동 방향을 바꿀 수 있다.

일 실시예로, 은/산화은을 전기화학적 반응물질로 사용하고, 제1 유체가 물을 포함하는 용액인 경우를 설명한다.

도 5a에 도시된 바와 같이, 제1 전극체(150)가 산화전극이고 제2 전극체(160)가 환원전극인 경우, 제1 전극체(150)에서는 Ag(s) + H2O → Ag2O(s) + 2H++ 2e- 의 반응이 일어나고, 제2 전극체(160)에서는 Ag2O(s) + 2H++ 2e- → Ag(s) + H2O 의 반응이 일어난다.

제1 전극체(150)에서의 산화반응에 따라 생성된 양이온(Mn+, 예, 수소이온)은 전압차에 의해 멤브레인(140)을 지나 제2 전극체(160)를 향해 이동하는데, 이 때 양이온과 함께 물(H2O)이 함께 이동하면서 소정의 압력이 발생할 수 있다.

이 후, 도 5b에 도시된 바와 같이 전원부(200)가 공급하는 전압의 극성을 반대로 바꾸면, 앞서 산화전극으로 사용될 때 소모되었던 전기화학적 반응물질이 환원전극으로 사용될 때 회복되며, 환원전극의 경우도 마찬가지로 회복되면서, 제1 전극체(150) 및 제2 전극체(160)는 전원부(200)의 전압 공급에 따라 계속적으로 반응이 가능하다. 도 5a에서와 달리, 제1 전극체(150) 및 제2 전극체(160)으로 공급되는 전압의 극성이 바뀌면 도 5b에 도시된 바와 같이, 양이온(Mn+, 예, 수소이온)과 물(H2O)이 제2 공간(S2)에서 제1 공간(S1)으로 다시 이동하게 된다.

도 6a 내지 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 펌프(100)의 작동을 설명하기 위한 도면이다. 도 6a는 펌프(100)의 작동에 의해 하우징(110) 측의 유체가 샤프트 어셈블리(120) 측으로 이동하는 상태를 나타내고, 도 6b는 펌프(100)의 작동에 의해 샤프트 어셈블리(120) 측의 유체가 하우징(110) 측으로 이동하는 상태를 나타낸다.

도 6a 및 6b를 참조하면, 하우징(110)의 내부 공간에는 물과 같은 액체의 제1 유체가 존재하되, 내부 공간에 존재하는 제1 유체의 체적은 내부 공간의 체적 보다 작다. 내부 공간 중에서 제1 유체가 존재하지 않는 부분, 구체적으로 하우징(110)의 제1 공간(S1) 및 변형부(191)의 공간인 제3 공간(S3)에는 공기와 같은 기체를 포함하는 제2 유체가 존재할 수 있다.

예컨대, 제1 공간(S1) 및 제2 공간(S2)에는 각각 제1 유체가 존재하되, 제1 공간(S1)에는 제1 유체 및 제2 유체 공존하면서, 제1 공간(S1)에 존재하는 제1 유체의 체적은 제1 공간(S1)의 체적 보다 작을 수 있다.

제2 공간(S2)에도 제1 유체가 존재하지만, 제1 공간(S1)과 달리 제2 유체는 존재하지 않는다. 이하, 설명의 편의를 위하여, 제1 공간(S1) 중 액체인 제1 유체가 존재하는 공간을 제1 서브공간(SS1)이라 하고, 기체인 제2 유체가 존재하는 공간을 제2 서브공간(SS2)라 한다. 제1 서브공간(SS1)과 제2 서브공간(SS2)은 제1 공간(S1)을 이룰 수 있다. 예컨대, 제1 공간(S1)에서 제1 서브공간(SS1)을 제외한 나머지가 제2 서브공간(SS2)일 수 있다.

제2 유체는 제1 공간(S1), 구체적으로 제2 서브공간(SS2)과 이에 연통되는 변형부(191)의 내부 공간인 제3 공간(S3)에 존재할 수 있다.

도 5a에서 설명한 바와 같이 전원부(200)가 제1 전극체(150) 및 제2 전극체(160)에 전압을 공급하면, 도 5a를 참조하여 설명한 반응이 일어나면서, 도 6a에 도시된 바와 같이 양이온(예, 수소이온)이 제1 공간(S1)에서 제2 공간(S2)을 향하는 제1 방향(도 6b에서의 -Z방향)을 따라 이동할 수 있다.

이 때, 양이온과 함께 제1 공간(S1)의 제1 유체(예, H2O)가 멤브레인(140)을 지나 제1 방향(도 6b에서의 -Z방향)을 따라 이동하면서 압력이 생성되며, 압력에 의해 제1 유체가 하우징(110) 측에서 샤프트 어셈블리(120) 측, 구체적으로 신축 부재에 마련되는 신축 공간(1211a)으로 이동할 수 있다.

도 6a 및 도 6b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 변형부(191)는 제1 공간(S1)이 형성되는 하우징(110)의 일측(도 6a 기준 상측)에 연통되고, 변형부(191)와 마주보는 하우징(110)의 일면(도 6a 기준 상면)에 형성되는 홀(111H)을 통해서 제1 공간(S1)과 변형부의 내부 공간인 제3 공간(S3)이 연통될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 변형부(191)의 일측에는 탄성 변형이 가능한 탄성부(192)가 형성될 수 있다. 탄성부(192)는 변형부(191)의 중앙부에 형성될 수 있으며, 변형부(191)의 외측 방향(도 6a 기준 상측 방향)에 대하여 오목하게 형성되거나, 볼록하게 형성될 수 있다.

탄성부(192)의 형상이 변형됨에 따라 제3 공간(S3)의 체적이 증가하거나 감소할 수 있다.

탄성부(192)는 변형부(191)의 내부 공간, 구체적으로 제3 공간(S3)의 내부 압력에 따라 형상이 변형될 수 있다. 도 6a를 참조하면, 제3 공간(S3)에는 음압(negative pressure)이 형성될 수 있다.

탄성부(192)는 변형부(191)의 외측 방향(도 6a 기준 상측 방향)에 대하여 볼록하게 형성되는 방향으로 탄성복원력을 가질 수 있다. 이로 인하여 도 6b와 같이 양이온과 함께 제1 유체가 제2 공간(S2)에서 제1 공간(S1)으로 이동 시 공기와 같은 제2 유체가 수용되는 공간이 제3 공간(S3)만큼 확보되고, 신축 부재의 축소에 필요한 힘을 상대적으로 저감시킬 수 있으며, 신축 부재의 축소가 용이하게 이루어지는 효과가 있다.

제1 공간(S1)의 제1 유체(예, H2O)가 제2 공간(S2)로 이동하면서, 제1 공간(S1)의 체적에 대한 제1 서브공간(SS1)의 체적 비율은 감소하는 반면, 제1 공간(S1) 중에서 제2 서브공간(SS2)이 차지하는 비율은 증가한다.

한편, 도 5b에서 설명한 바와 같이 전원부(200)가 제1 전극체(150) 및 제2 전극체(160)에 전압의 극성을 바꾸어 공급하면, 양이온(예, 수소이온)과 제1 유체(예, 물)가 제2 공간(S2)에서 제1 공간(S1)을 향하는 제2 방향(도 6에서의 +Z 방향)을 따라 이동하고, 도 6b에 도시된 바와 같이 신축 공간(1211a)의 유체가 하우징(110) 측으로 이동함에 따라 샤프트 어셈블리(120)는 다시 원래의 위치로 이동할 수 있다.

샤프트 어셈블리(120)가 제2 방향(도 6b에서의 +Z방향)으로 이동하면서 양이온과 함께 제1 유체가 제2 방향으로 이동하고, 변형부(191), 구체적으로 탄성부(192)의 형상이 변형될 수 있다.

구체적으로 탄성부(192)가 변형부(191)의 외측 방향에 대하여 오목한 형상에서 볼록한 형상으로 변형되면서, 제3 공간(S3)의 체적이 증가하고, 신축 부재의 축소에 용이한 효과가 있다.

이에 더하여 제1 공간(S1) 및 제3 공간(S3)에 대한 압축이 일어나는 경우에, 변형부(191), 구체적으로 탄성부(192)는 볼록하게 형성되는 방향으로 탄성복원력을 가지게 되므로, 신축 부재의 축소가 더욱 용이하게 이루어지는 효과가 있다.

이에 더하여 도 5a, 도 5b에서의 반응이 일어나면서 가스가 발생되는 경우에 상기 가스를 제3 공간(S3)에서 수용할 수 있어 완충(buffer) 기능을 할 수 있는 효과가 있다.

전원부(200)가 제1 전극체(150) 및 제2 전극체(160)에 인가하는 전압의 극성을 교번적으로 바꾸면, 신축 부재는 신장 및 축소가 반복되면서, 신축 부재에 결합된 로드 부재가 제1 방향 및 제2 방향을 따라 선형 왕복 운동할 수 있다.

신축 부재의 신축 및 로드 부재의 왕복 운동은 제1 공간(S1) 중에서 제2 유체가 존재하는 공간, 즉 제2 서브공간(SS2)의 체적 비율에 따른 변화로 설명할 수 있다.

도 7는 샤프트 어셈블리의 형상 변형에 따른 제1 공간의 체적(VS1)에 대한 제2 서브공간의 체적(VSS2)의 비율의 나타낸 그래프이다.

전원부(200)가 제1 전극체(150) 및 제2 전극체(160)에 전압을 인가하기 전의 상태, 즉 펌프(100)의 작동 전의 상태에서의 제1 공간(S1)의 체적에 대한 제2 서브공간(SS2)의 체적의 비율(Ratio= VSS2/VS1)을 "A" 라 할 때, 샤프트 어셈블리(120)의 전진 행정 시, 즉 제1 방향으로의 형상 변형 시 비율(Ratio)은 "B"로 증가한다 (A <B, 단, A는 0 보다 크고 B는 1보다 작음).

전진했던 샤프트 어셈블리(120)가 제2 방향으로 후퇴하는 행정에서, 전술한 비율(Ratio)은 B에서 A로 감소하나, 비율이 A 보다 더 작아지지는 않는다.

본 발명의 일 실시예에 따른 펌프(100)는, 신축 부재가 상대적으로 축소된 상태에서 각 구성요소들이 조립된 것일 수 있다. 다른 실시예로, 펌프(100)는 신축 부재가 상대적으로 신장된 상태에서 각 구성요소들이 조립된 것일 수 있다

신축 부재가 신축되는 경우, 제2 서브공간(SS2) 및 제3 공간(S3)에 존재하는 제2 유체(예, 공기)는 약간(slightly) 팽창하거나 압축될 수 있다. 제2 유체의 팽창이나 압축에 따라 소정의 힘이 제2 유체에 저장될 수 있으며, 이 힘은 신축 부재의 신축에 작용할 수 있다. 신축 부재의 신축 행정의 정확한 제어는 펌프(100)가 사용되는 약물 주입 장치에서 약물의 주입량에 영향을 줄 수 있다.

따라서, 신축 부재의 신축 행정은 예컨대 전술한 힘도 고려하여 설계될 수 있다.

도 6a 내지 도 6b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 변형부(191)의 일측(도 6a, 6b 기준 상측)에는 탄성 변형이 가능한 탄성부(192)가 형성되고, 탄성부(192)가 탄성 변형됨에 따라 제3 공간(S3)의 체적이 변형될 수 있다.

도 5a의 반응이 일어나면, 제3 공간(S3)에는 음압이 형성되고, 도 6a에 도시된 바와 같이 탄성부(192)의 형상이 변형부(191)의 외측 방향을 기준으로 오목하게 형성될 수 있다.

도 5b의 반응이 일어나면, 제1 유체의 압력 등에 의하여 압력이 증가되고, 도 6b에 도시된 바와 같이 탄성부(192)는 변형부(191)의 외측 방향을 기준으로 볼록하게 형성되는 방향으로 탄성복원력을 가짐으로 인하여 제3 공간(S3)의 체적이 증가하는 방향으로 형상 변형될 수 있다. 그리고, 제2 유체에 저장되는 힘을 제거하여, 신축 부재의 축소를 용이하게 하고, 신축 부재의 신축, 바람직하게는 신축 부재에 연결된 로드 부재의 이동에 대한 정확한 제어가 가능한 효과가 있다.

도 1, 도 4, 도 6a 내지 도 6b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 고정부재(193)는 하우징(110)과 변형부(191)에 각각 결합되는 것으로, 변형부(191)가 하우징(110) 상에 위치 고정될 수 있도록 한다.

이에 더하여 변형부(191)의 내부 공간인 제3 공간(S3)으로부터 외부로 공기를 포함하는 제2 유체가 유출되는 것을 차단할 수 있는 효과가 있다.

고정부재(193)는 변형부(191)의 외주면 둘레를 따라 밀착되며 하우징(110)에 설치될 수 있다.

변형부(191)와 마주보는 하우징(110)의 일면에는 외측 방향으로 돌출되며 변형부(191)의 내주면 둘레를 따라 밀착되는 실링벽(111W)이 돌출 형성될 수 있다.

실링벽(111W)으로 인하여 변형부(191)의 내주면은 실링벽(111W)과 밀착되고, 외주면은 고정부재(193)와 밀착되며, 제3 공간(S3)에 수용되는 유체가 외부로 유출되는 것을 방지할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 펌프(100)는 인슐린과 같은 약물을 주입하는 장치에 사용되는 소형 펌프일 수 있다. 그러나, 전술한 설명에서와 같은 구조 및 메커니즘을 이용하여 샤프트 어셈블리(120)를 작동시키는 펌프라면, 그 용도를 특별히 제한할 것은 아니다.

이와 같이 본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

100: 전기 삼투압 펌프
110: 하우징
120: 샤프트 어셈블리
121: 신축 부재
122: 로드 부재
130: 이동 부재
140: 멤브레인
150: 제1 전극체
151: 제1 다공성 플레이트
152: 제1 스트립
153: 제1 단자
160: 제2 전극체
161: 제2 다공성 플레이트
162: 제2 스트립
163: 제2 단자
170: 실링재
180: 주입구
191: 변형부
192: 탄성부
193: 고정부재
200: 전원부

Claims

내부에 유체가 수용되는 내부 공간을 제공하고, 상기 내부 공간과 외부 공간을 연결하는 샤프트 홀이 구비되는 하우징; 및
상기 하우징의 외측에서 상기 샤프트 홀을 커버하며 상기 하우징에 연결되고, 상기 샤프트 홀을 통과하는 상기 유체의 유동에 의하여 길이 방향으로 형상 변형이 가능한 샤프트 어셈블리;를 포함하는, 전기 삼투압 펌프.
제 1 항에 있어서,
상기 샤프트 어셈블리는,
상기 샤프트 홀과 연통되는 신축 공간이 형성되는 신축 부재; 및
상기 신축 부재에 결합되며, 상기 신축 부재와 길이 방향 중심축을 공유하며 연장 형성되는 로드 부재;를 포함하는, 전기 삼투압 펌프.
제 2 항에 있어서,
상기 신축 부재는,
상기 샤프트 홀과 마주하는 개구가 형성된 신축 공간이 내부에 마련되고, 주름관 형태로 형성되는 바디부;
개구가 형성된 상기 바디부의 일단에서 방사상으로 확장되는 플랜지부; 및
상기 플랜지부가 확장되는 상기 바디부의 상기 일단에 대향하는 타단에 형성되는 헤드부;를 포함하고,
상기 플랜지부는 상기 하우징에 접합되는, 전기 삼투압 펌프.
제 2 항에 있어서,
상기 신축 부재는 고무 재질로 이루어지는, 전기 삼투압 펌프.
제 1 항에 있어서,
상기 내부 공간을 제1 공간 및 제2 공간으로 구분하는 멤브레인;을 더 포함하고,
상기 샤프트 홀을 통과하는 상기 유체의 유동은 상기 멤브레인을 통과하는 상기 유체의 유동에 의존하는, 전기 삼투압 펌프.