WO2021182923A1 - 전기 삼투 펌프, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 유체 펌핑 시스템 - Google Patents

전기 삼투 펌프, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 유체 펌핑 시스템 Download PDF

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WO2021182923A1
WO2021182923A1 PCT/KR2021/003121 KR2021003121W WO2021182923A1 WO 2021182923 A1 WO2021182923 A1 WO 2021182923A1 KR 2021003121 W KR2021003121 W KR 2021003121W WO 2021182923 A1 WO2021182923 A1 WO 2021182923A1
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noble metal
electrode
conductive polymer
porous support
membrane
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장영욱
김재홍
송영철
이미현
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이오플로우(주)
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    • A61M2207/00—Methods of manufacture, assembly or production

Definitions

  • It relates to an electroosmotic pump, a method for manufacturing the same, and a fluid pumping system including the same.
  • the electro-osmotic pump is a pump that uses a fluid movement phenomenon that occurs when a voltage is applied to both ends of a capillary or porous membrane. Therefore, if you want to configure a pump using electroosmosis, it is essential to use an electrode for applying a voltage to both ends of the capillary or porous separator.
  • platinum has been used as a material for electrodes, but platinum has a low hydrogen overpotential to water, so when a potential difference of several volts or more is applied to both ends of the porous separator, hydrogen gas is generated at the reduction electrode. and this gas generation is a factor that limits the practical use of the electroosmotic pump.
  • the amount of power required to drive the pump is an important factor in determining practical feasibility when applied as a patch-type drug delivery device attached to a human body or a wearable medical device.
  • One embodiment is to provide an electro-osmotic pump capable of minimizing gas generation at an electrode, allowing normal operation even when gas is generated, and having a wide driving voltage range to control pressure and flow rate.
  • Another embodiment is to provide a method of manufacturing the electroosmotic pump.
  • Another embodiment is to provide a fluid pumping system including the electro-osmotic pump.
  • An electroosmotic pump includes a membrane; A-th electrode provided on one surface of the membrane; and a B-th electrode provided on the other surface of the membrane, wherein at least one of the A-th electrode and the B-th electrode is a porous support including a conductor and a noble metal positioned in at least a portion of pores and surfaces of the porous support and conductive polymers.
  • the first electrode, the second electrode, the first conductor, the first electrode, the second electrode, the first conductor, The second conductor, the first porous support, the second porous support, the first noble metal, the second noble metal, the first conductive polymer, and the second conductive polymer may be interpreted in the same way or corresponding to the description.
  • a porous support including a conductor and a porous electrode structure that does not have a structure including a noble metal and a conductive polymer positioned in at least a portion of pores and surfaces of the porous support is generally used.
  • the structure may include a porous support made of a non-conductor and a conductor and/or an electrochemical reaction material formed on the porous support, but is not limited thereto.
  • An electroosmotic pump includes a membrane; a first electrode provided on one surface of the membrane and including a first porous support including a first conductor and a first noble metal and a first conductive polymer positioned in at least a portion of pores and surfaces of the first porous support; and a second electrode provided on the other side of the membrane and comprising a second porous support including a second conductor and a second noble metal and a second conductive polymer positioned in at least a portion of pores and surfaces of the second porous support.
  • the membrane may include at least one selected from the group consisting of porous ceramics that do not exhibit conductivity, anionic organic polymers, cationic organic polymers, and combinations thereof.
  • the first conductor and the second conductor may be the same or different from each other and may each independently include one or more selected from the group consisting of carbon, a noble metal, a conductive metal, a conductive polymer, and combinations thereof.
  • the first porous support and the second porous support may be the same or different from each other and each independently have a pore size of about 0.1 ⁇ m to about 500 ⁇ m.
  • the first porous support and the second porous support may be the same or different from each other and each independently have a porosity of about 5% to about 95%.
  • the first noble metal and the second noble metal may be the same or different from each other and may each independently include one or more selected from the group consisting of platinum, gold, silver, palladium, iridium, and combinations thereof.
  • the first noble metal and the second noble metal may be the same or different from each other and may each independently have an average particle diameter of about 1 nm to about 1 ⁇ m.
  • the first noble metal and the second noble metal may be the same or different from each other and may be independently adsorbed or supported on a carbon catalyst.
  • the first conductive polymer and the second conductive polymer are the same or different from each other, and each independently poly(3,4-ethylene dioxythiophene):poly(styrene sulfonate)[PEDOT:PSS], poly(aniline):poly (styrene sulfonate), poly(aniline):camphorsulfonic acid (PANI:CSA), poly(thiophene):poly(styrene sulfonate), polyaniline, polypyrrole, polythiophene, polythionine, quinone-based polymers and these It may include one or more selected from the group consisting of a combination of.
  • the first conductive polymer and the second conductive polymer may be the same or different from each other and may each independently have an average particle diameter of about 1 nm to about 1 ⁇ m.
  • a weight ratio of the first noble metal to the first conductive polymer may be about 1:99 to about 30:70.
  • a weight ratio of the second noble metal and the second conductive polymer may be about 1:99 to about 30:70.
  • a weight ratio of the first noble metal and the first conductive polymer and a weight ratio of the second noble metal and the second conductive polymer may be the same or different from each other.
  • the first noble metal and the first conductive polymer may be present in the form of a first thin film on at least a portion of pores and surfaces of the first porous support.
  • the second noble metal and the second conductive polymer may be present in the form of a second thin film on at least a portion of the pores and the surface of the second porous support.
  • the first thin film and the second thin film may be the same or different from each other and each independently have a thickness of about 1 nm to about 2 ⁇ m.
  • the driving voltage of the electroosmotic pump may be about 0.1 V to about 5 V.
  • a method of manufacturing an electroosmotic pump includes the steps of preparing a membrane; manufacturing a first electrode by forming a first noble metal and a first conductive polymer in at least a portion of pores and a surface of a first porous support including a first conductor; manufacturing a second electrode by forming a second noble metal and a second conductive polymer in at least a portion of pores and a surface of a second porous support including a second conductor; and contacting the first electrode with one side of the membrane and the second electrode with the other side of the membrane to form a membrane-electrode assembly.
  • a first dispersion including the first noble metal, the first conductive polymer, and a first solvent is prepared, and the first dispersion including the first conductor is prepared by using the first dispersion. It may include a step of dip coating or spray coating on the porous support.
  • a second dispersion including the second noble metal, the second conductive polymer, and a second solvent is prepared, and the second dispersion is used to include the second conductor. It may include a step of dip coating or spray coating on the porous support.
  • Another embodiment provides a fluid pumping system comprising the electro-osmotic pump.
  • the electroosmotic pump according to an embodiment can minimize gas generation at the electrode and enable normal operation even when gas is generated, and has a wide driving voltage range to effectively control pressure and flow rate.
  • FIG. 1 is a configuration diagram schematically showing an electroosmotic pump according to an embodiment of the present invention.
  • FIGS. 2A and 2B are conceptual views schematically illustrating a reversible electrode reaction in an electroosmotic pump according to an embodiment of the present invention and movement of ions and fluids resulting therefrom.
  • FIG 3 is an exploded perspective view of an electroosmotic pump according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is an electron micrograph of an electrode prepared according to Example 1.
  • Example 5 is a graph of the pressure generated by the electroosmotic pump manufactured according to Example 2.
  • Example 6 is a graph of the flow rate of the electroosmotic pump prepared according to Example 2.
  • Example 7 is a current characteristic graph in which the electroosmotic pump manufactured according to Example 2 was driven at the intersection of 2.5 V and -2.5 V for 4 days or more.
  • Example 8 is a current characteristic graph in which the electroosmotic pump manufactured according to Example 2 was driven for 5500 cycles or more at the intersection of 4 V and -4 V.
  • An electroosmotic pump includes a membrane; A-th electrode provided on one surface of the membrane; and a B-th electrode provided on the other side of the membrane, wherein at least one of the A-th electrode and the B-th electrode is a porous support including a conductor and a noble metal positioned in at least a portion of pores and surfaces of the porous support and conductive polymers.
  • the first electrode, the second electrode, the first conductor, the first electrode, the second electrode, the first conductor, The second conductor, the first porous support, the second porous support, the first noble metal, the second noble metal, the first conductive polymer, and the second conductive polymer may be interpreted in the same way or corresponding to the description.
  • a porous support including a conductor and a porous electrode structure that does not have a structure including a noble metal and a conductive polymer positioned in at least a portion of pores and surfaces of the porous support is generally used.
  • the structure may include a porous support made of a non-conductor and a conductor and/or an electrochemical reaction material formed on the porous support, but is not limited thereto.
  • FIGS. 1 to 3 an electroosmotic pump according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 3 .
  • FIG. 1 is a configuration diagram schematically showing an electroosmotic pump according to an embodiment of the present invention.
  • the electroosmotic pump 100 includes a membrane 11 ; A first porous support provided on one surface of the membrane 11 and including a first conductor and a first noble metal and a first conductive polymer positioned in at least a portion of pores and surfaces of the first porous support electrode 13; and a second porous support provided on the other side of the membrane 11 and including a second conductor, and a second noble metal and a second conductive polymer positioned in at least a portion of pores and surfaces of the second porous support and a second electrode 15 .
  • the first electrode includes the first noble metal and the first conductive polymer
  • the second electrode includes the second noble metal and the second conductive polymer. 2
  • Oxidation and reduction reactions are mainly performed in the noble metal part, and when driving at high voltage, oxidation and reduction reactions are mainly performed in the first conductive polymer part and the second conductive polymer part, so that gas generation is minimized in a wide voltage range. This is possible, and since it is possible to provide a more improved current density even at the same voltage, the efficiency can be effectively improved, and corrosion can be prevented, thereby effectively improving the stability of the electrode.
  • the reaction at the electrode is as follows.
  • the first electrode 13 and the second electrode 15 are connected to a power supply unit 17 .
  • the first electrode 13 and the second electrode 15 may be connected to the power supply unit 17 through, for example, a lead wire, but as long as they can be electrically connected, the connection means is not limited to the lead wire.
  • the membrane 11 is installed in the fluid path portions 19 and 19' through which the fluid moves, and may have a porous structure to allow the movement of fluid and ions.
  • the membrane 11 may include at least one selected from the group consisting of porous ceramics that do not exhibit conductivity, anionic organic polymers, cationic organic polymers, and combinations thereof, but is not limited thereto.
  • the membrane 11 may be, for example, a frit-type membrane prepared by thermally calcining spherical silica, but is not limited thereto, and electrokinetic phenomenon due to zeta potential such as porous silica and porous alumina. Any material that can cause it can be used.
  • the spherical silica used in the formation of the membrane may have a diameter of about 20 nm to about 1 ⁇ m, specifically, may have a diameter of about 50 nm to about 700 nm, and more specifically, about 100 nm to about 500 nm in diameter.
  • the electroosmotic pump may generate a higher pressure.
  • the membrane 11 may have a thickness of about 20 ⁇ m to about 10 mm, specifically, a thickness of about 300 ⁇ m to about 5 mm, and more specifically, a thickness of about 500 ⁇ m to about 2 mm. can have When the thickness of the membrane 11 is within the above range, the membrane may sufficiently exhibit strength to withstand the mechanical shock applied during manufacturing, use, and storage of the electroosmotic pump, and as a drug delivery pump. It can represent a sufficient flow rate that can be used.
  • the first electrode 13 may include a first porous support including a first conductor and a first noble metal and a first conductive polymer positioned in at least a portion of pores and surfaces of the first porous support.
  • the first noble metal and the first conductive polymer may be present in a form that covers the entire surface of the first porous support or the pores and the entire surface of the first porous support.
  • the second electrode 15 may include a second porous support including a second conductor, and a second noble metal and a second conductive polymer positioned in at least a portion of pores and surfaces of the second porous support.
  • the second noble metal and the second conductive polymer may exist in a form that covers the entire surface of the second porous support, or the pores and the entire surface of the second porous support.
  • the first conductor and the second conductor may be the same or different from each other.
  • the first porous support and the second porous support may be the same as or different from each other, respectively.
  • the first noble metal and the second noble metal may be the same as or different from each other.
  • the first conductive polymer and the second conductive polymer may be the same as or different from each other.
  • first electrode 13 and the second electrode 15 have a porous structure, the movement of fluids and ions can be made effectively.
  • the first conductor and the second conductor may be the same or different from each other and may each independently include at least one selected from the group consisting of carbon, noble metal, conductive metal, conductive polymer, and combinations thereof, but is not limited thereto. .
  • ions can be effectively generated and the fluid can be smoothly transferred.
  • a porous support including a conductor is used for the electrode, it has the advantage of increasing the specific surface area, so that the area of the electrode capable of participating in the electrochemical reaction can be increased.
  • the first porous support and the second porous support are the same or different from each other and each independently may have the shape of a nonwoven fabric, a fabric, a sponge, or a combination thereof, but if it has porosity, the shape of the fluid and the ion is possible
  • the present invention is not limited thereto.
  • the first porous support and the second porous support may be the same or different from each other and each independently have a pore size of about 0.1 ⁇ m to about 500 ⁇ m, specifically, a pore size of about 1 ⁇ m to about 400 ⁇ m. may have a pore size of about 5 ⁇ m to about 300 ⁇ m, more specifically, a pore size of about 10 ⁇ m to about 200 ⁇ m.
  • a pore size of the first porous support and the second porous support are within the above ranges, fluids and ions can effectively move, thereby effectively improving the stability, lifespan characteristics and efficiency of the electroosmotic pump.
  • the first porous support and the second porous support may be the same or different from each other and each independently have a porosity of about 5% to about 95%, specifically, a porosity of about 40% to about 80%. and, more specifically, may have a porosity of about 50% to about 70%.
  • a porosity of the first porous support and the second porous support is within the above range, fluid and ions can effectively move, thereby effectively improving the stability, lifespan characteristics and efficiency of the electroosmotic pump.
  • the oxidizing electrode and the reducing electrode may form a pair of reactions by exchanging cations, such as hydrogen ions (H + ), during electrode reaction, and at the same time constitute a reversible electrochemical reaction. Any material that is available can be used.
  • the first noble metal and the second noble metal may be the same or different from each other and may each independently include one or more selected from the group consisting of platinum, gold, silver, palladium, iridium, and combinations thereof.
  • the first noble metal and the second noble metal are the same or different from each other and each independently may have an average particle diameter of about 1 nm to about 1 ⁇ m, specifically about 3 nm to about 500 nm, more specifically about It may have an average particle diameter of 5 nm to about 300 nm, and more specifically, an average particle diameter of about 10 nm to about 100 nm.
  • the average particle diameter of the noble metal is within the above range, the driving voltage of the electroosmotic pump can be lowered, and the efficiency of the electroosmotic pump can be effectively improved by effectively complementing the conductive polymer in oxidation and reduction reactions.
  • the dispersion degree of the noble metal nanoparticles in the dispersion can be controlled, and through this, the ratio of organic/inorganic substances that can participate in an even electrochemical reaction can be appropriately controlled.
  • the first noble metal and the second noble metal may be the same or different from each other and may be independently and selectively adsorbed or supported on a carbon catalyst.
  • the noble metal When the noble metal is adsorbed or supported on the carbon catalyst, the noble metal can be effectively dispersed in the process of manufacturing an electrode using the same, and stability can be secured even during the drying process.
  • the carbon catalyst is a material containing carbon, and may have a smooth surface or an uneven surface, or a porous structure, but is not limited thereto, and is not limited as long as it can adsorb or support a noble metal. can be used
  • the carbon catalyst may have an average particle diameter of about 10 nm to about 5 ⁇ m, specifically, an average particle diameter of about 50 nm to about 2 ⁇ m, more specifically, about 100 nm to about 1 ⁇ m may have an average particle diameter of
  • the carbon catalyst can be effectively dispersed in the process of manufacturing the electrode, and the specific surface area can be effectively controlled.
  • the noble metal may be physically or chemically adsorbed or supported on all or part of the interior or surface of the carbon catalyst, but is not limited thereto.
  • the first noble metal and the second noble metal are the same or different from each other and each independently use a method such as dip coating, spray coating, electroless plating, plating, vacuum deposition, coating, sol-gel process, etc. to obtain the conductor It can be formed by electrodeposition or coating on at least some of the pores and surfaces of the porous support comprising It can be formed in at least some of the pores and surfaces of
  • the oxidizing electrode and the reducing electrode exchange cations such as hydrogen ions (H + )
  • H + hydrogen ions
  • the first conductive polymer and the second conductive polymer are the same or different from each other, and each independently poly (3,4-ethylene dioxythiophene): poly (styrene sulfonate) [PEDOT: PSS], poly (aniline) :poly(styrene sulfonate), poly(aniline):camphorsulfonic acid (PANI:CSA), poly(thiophene):poly(styrene sulfonate), polyaniline, polypyrrole, polythiophene, polythionine, quinone-based polymer And it may include one or more selected from the group consisting of combinations thereof.
  • the first conductive polymer and the second conductive polymer may be the same or different from each other and each independently have an average particle diameter of about 1 nm to about 1 ⁇ m, specifically, an average particle diameter of about 5 nm to about 500 nm may have, and more specifically, may have an average particle diameter of about 10 nm to about 300 nm.
  • the conductive polymer is evenly electrodeposited or coated on at least some of the pores and surfaces of the porous support, all of the surface of the porous support, or all of the pores and surfaces of the porous support. can do.
  • the first conductive polymer and the second conductive polymer are the same or different from each other and each independently use a method such as dip coating, spray coating, electroless plating, plating, vacuum deposition, coating, sol-gel process, etc. It can be formed by electrodeposition or coating on at least a portion of the pores and surfaces of the porous support including the conductor, but is not limited thereto, and the conductive polymer is applied to the conductor using an appropriate method depending on the type of the conductive polymer used. It may be formed in at least a portion of the pores and the surface of the porous support including.
  • a product comprising the first conductor by using a method such as dip coating, spray coating, electroless plating, plating, vacuum deposition, coating, sol-gel process, etc., of the first noble metal and the first conductive polymer together 1 It may be formed by electrodeposition or coating on at least a portion of the pores and the surface of the porous support, but is not limited thereto.
  • the second noble metal and the second conductive polymer are combined with a dip coating, spray coating, electroless plating, plating, vacuum deposition, coating, sol-gel process, etc. 2 It may be formed by electrodeposition or coating on at least a portion of the pores and the surface of the porous support, but is not limited thereto.
  • the first electrode 13 includes the first noble metal and the first conductive polymer in a weight ratio of about 1:99 to about 30:70, specifically, about 5:95 to about 10:90 by weight, More specifically, it may be included in a weight ratio of about 10:90.
  • the second electrode 15 includes the second noble metal and the second conductive polymer in a weight ratio of about 1:99 to about 30:70, specifically, in a weight ratio of about 5:95 to about 10:90, More specifically, it may be included in a weight ratio of about 10:90.
  • the weight ratio of the first noble metal and the first conductive polymer and the weight ratio of the second noble metal and the second conductive polymer may be the same or different from each other.
  • oxidation and reduction reactions are mainly performed in the noble metal part when driving at a low voltage
  • oxidation and reduction reactions are mainly performed in the conductive polymer part when driving at a high voltage. It is possible to operate while minimizing gas generation in a wide voltage range, and it is possible to provide a more improved current density even at the same voltage, so that efficiency can be more effectively improved, and a specific surface area can be effectively controlled.
  • the first electrode 13 may include the first noble metal and the first conductive polymer on at least a portion of the pores and the surface of the first porous support, on all of the surface of the first porous support, or the first porous support It may have a structure formed in the form of a first thin film on the entire surface and pores of the support, but is not limited thereto.
  • the second electrode 15 may include the second noble metal and the second conductive polymer on at least a portion of the pores and the surface of the second porous support, on all of the surface of the second porous support, or the second porous support. It may have a structure formed in the form of a second thin film on the entire surface and pores of the support, but is not limited thereto.
  • the first thin film and the second thin film may be the same or different from each other and each independently have a thickness of about 1 nm to about 2 ⁇ m, specifically, may have a thickness of 10 nm to about 1 ⁇ m, more specifically may have a thickness of about 50 nm to about 500 nm.
  • the thickness of each of the first thin film and the second thin film is within the above range, the electrochemical reaction can be effectively controlled, so that the current density can be effectively controlled.
  • the driving voltage of the electroosmotic pump may be about 0.1 V to about 5 V, specifically, about 1 V to about 4 V, and more specifically, about 2 V to about 4 V.
  • the electroosmotic pump can be stably driven in a wide voltage range while minimizing gas generation by including a noble metal and a conductive polymer in each electrode.
  • the power supply unit 17 is connected to the first electrode 13 and the second electrode 15 so that an electrochemical reaction can occur in the first electrode 13 and the second electrode 15 . is supplied, and the electrochemical reaction of the first electrode 13 and the second electrode 15 is caused by the movement of positive ions.
  • the power supply unit 17 may alternately supply the polarity of the voltage to the first electrode 13 and the second electrode 15, and in this case, the power supply unit 17 alternately supplies the polarity of the voltage. may include the meaning of supplying current in the opposite direction. Due to this process, the electroosmotic pump 100 generates a pressure (pumping force) through the movement of the fluid, and at the same time, the electrochemical reaction material of the first electrode 13 and the second electrode 15 is Consumption and regeneration may occur repeatedly.
  • the power supply unit 17 may include a DC voltage supply unit (not shown) for supplying a DC voltage to each of the first electrode 13 and the second electrode 15 .
  • the power supply unit 17 includes a voltage direction changing unit (not shown) that alternately switches the polarity of the DC voltage supplied to each of the first electrode 13 and the second electrode 15 at predetermined time intervals. may include From this, the voltage applied to each of the first electrode 13 and the second electrode 15 may be continuously changed to have opposite polarities at predetermined time intervals.
  • the fluid path portions 19 and 19 ′ provide a movement path of the fluid moving to both sides with the membrane 11 and the first electrode 13 and the second electrode 15 interposed therebetween.
  • the fluid path portions 19 and 19' may have a container shape filled with a fluid, for example, a cylinder shape, but the shape is not limited thereto.
  • the fluid may be filled not only in the fluid path portions 19 and 19 ′, but also in the membrane 11 , the first electrode 13 , and the second electrode 15 .
  • the fluid path portions 19 and 19 ′ may have openings to transmit pressure (pumping force).
  • the opening is formed in either one or both spaces of the two spaces divided by the membrane 11 and the first electrode 13 and the second electrode 15, so that the pressure ( pumping force) can be provided to the outside.
  • a method of manufacturing an electroosmotic pump comprises the steps of preparing a membrane; manufacturing a first electrode by forming a first noble metal and a first conductive polymer in at least a portion of pores and a surface of a first porous support including a first conductor; manufacturing a second electrode by forming a second noble metal and a second conductive polymer in at least a portion of pores and a surface of a second porous support including a second conductor; and contacting the first electrode with one side of the membrane and the second electrode with the other side of the membrane to form a membrane-electrode assembly.
  • a first dispersion including the first noble metal, the first conductive polymer, and a first solvent is prepared, and the first dispersion including the first conductor is prepared by using the first dispersion. It may include a step of dip coating or spray coating on the porous support, but is not limited thereto.
  • a second dispersion including the second noble metal, the second conductive polymer, and a second solvent is prepared, and the second dispersion is used to include the second conductor. It may include a step of dip coating or spray coating on the porous support, but is not limited thereto.
  • the first noble metal may be used in a form adsorbed or supported on the first carbon catalyst.
  • the second noble metal may be used in a form adsorbed or supported on the second carbon catalyst.
  • the membrane, the first conductor, the second conductor, the first porous support, the second porous support, the first noble metal, the second noble metal, the first conductive polymer, the second conductive polymer, and the carbon catalyst will not be described otherwise. As long as it is the same as described above.
  • the electrode manufacturing process can be simplified, thereby reducing the process cost, thereby improving economic efficiency.
  • any solvent capable of dispersing the first noble metal, the first conductive polymer, and the second noble metal and the second conductive polymer may be used.
  • the first solvent and the second solvent are the same or different from each other and each independently include one or more selected from the group consisting of alcohol solvents such as ethanol and isopropyl alcohol, water, and combinations thereof.
  • alcohol solvents such as ethanol and isopropyl alcohol, water, and combinations thereof.
  • the present invention is not limited thereto.
  • the first dispersion liquid and the second dispersion liquid may be the same or different from each other, and may each independently contain additives such as a binder and a dispersion control agent as needed.
  • the forming of the membrane-electrode assembly may be performed by contacting the first electrode on one surface of the membrane, contacting the second electrode on the other surface of the membrane, and then pressing, but is not limited thereto.
  • FIGS. 2A and 2B are conceptual views schematically illustrating a reversible electrode reaction in an electroosmotic pump according to an embodiment of the present invention and movement of ions and fluids resulting therefrom.
  • the anode electrode and the cathode electrode can be switched, and thereby the ions and the fluid
  • the direction of movement and the direction of flow and pressure (pumping force) can also be changed.
  • the electrode which served as the anode, is changed to play the role of the cathode due to the alternating supply of voltage polarity, the electrochemical reaction material consumed when used as the anode can be recovered when used as the cathode, and vice versa. In the case of achieve the same effect, as a result, it is possible to continuously operate the electro-osmotic pump.
  • FIG 3 is an exploded perspective view of an electroosmotic pump according to an embodiment of the present invention.
  • the membrane 11 may have a rectangular shape with rounded corners, but is not limited thereto.
  • a coating material, a blocking sheet, an adhesive sheet, etc. may be bonded to the outer circumferential surface of the membrane 11 to prevent leakage of fluid.
  • first electrode 13 and the second electrode 15 may have a rectangular shape with rounded corners to correspond to the shape of the membrane 11 , and in this case, the first electrode 13 and the second electrode A coating material, a blocking sheet, an adhesive sheet, etc. may be bonded to the outer peripheral surface of (15) to prevent the leakage of fluid.
  • the first fluid path part 19 (refer to FIG. 1 ) may include a hollow first cap 33 joined to the first electrode 13 .
  • the second fluid path part 19 ′ (refer to FIG. 1 ) may include a hollow second cap 53 bonded to the second electrode 15 .
  • the electroosmotic pump 100 may include a first contact strip 31 fitted to an outer circumferential surface of the first electrode 13 .
  • the electroosmotic pump 100 may include a second contact strip 51 fitted to the outer circumferential surface of the second electrode 15 .
  • the first contact strip 31 and the second contact strip 51 may be connected to a power supply unit 17 to transmit voltage or current to the first electrode 13 and the second electrode 15 , respectively. .
  • the first contact strip 31 and the second contact strip 51 may be formed of a conductive material.
  • the first contact strip 31 and the second contact strip 51 may include silver (Ag), copper (Cu), or the like, but is not limited thereto.
  • the first contact strip 31 and the second contact strip 51 are rings that can be fitted on the outer peripheral surfaces of the first electrode 13 and the second electrode 15, respectively. form, but is not limited thereto.
  • Another embodiment of the present invention provides a fluid pumping system including the electroosmotic pump. Since the fluid pumping system may have a structure generally used in the art, a detailed description thereof will be omitted.
  • Oxygen plasma treatment is performed on a sheet of porous carbon paper (JNTG, GDL grade) A5 size with a thickness of about 0.26 mm for about 30 minutes to make it hydrophilic.
  • the hydrophilic porous carbon paper was mixed with a poly(aniline):poly(styrene sulfonate) electropolymerization solution [polyaniline, poly(4-styrene sulfonic acid) ⁇ poly(4-stylenesulfonic acid) ⁇ and water at about 80 degrees. Manufactured by heating], place it in an electropolymerization tank containing the reference electrode and set the current to about 3A compared to the reference electrode, and conduct electropolymerization for about 30 minutes.
  • the porous carbon paper on which the polyaniline electropolymerization has been completed is taken out, washed with ultrapure water, and dried.
  • organic-inorganic hybrid coating solution [poly(3,4-ethylene dioxythiophene): A solution of a small amount of diethylene glycol binder and sodium dodecyl sulfate dispersion regulator in an aqueous dispersion of poly(styrene sulfonate) and a carbon catalyst supported with platinum nanoparticles] using a spray device equipped with a nozzle, evenly on the porous carbon paper After application, it is placed in an oven while fixed on the support and dried.
  • a carbon catalyst supporting poly(3,4-ethylene dioxythiophene):poly(styrene sulfonate) and platinum nanoparticles was formed on the porous carbon paper to a thickness of about 500 nm.
  • the electrode thus prepared was used as an electrode for an electroosmotic pump.
  • FIG. 4 is an electron micrograph of an electrode prepared according to Example 1.
  • An electroosmotic pump was manufactured by positioning the electrodes and membranes in the same manner as in FIG. 3 .
  • the electrode prepared according to Example 1 was used as the electrode.
  • the membrane was processed into a rectangular shape using spherical silica with a diameter of 300 nm through a mold, press molding, and sintering, and laminated with an electrode.
  • FIG. 5 is a graph of the generated pressure of the electro-osmotic pump manufactured according to Example 2
  • FIG. 6 is a graph of the flow rate of the electro-osmotic pump manufactured according to Example 2.
  • the organic-inorganic hybrid electrode according to an embodiment of the present invention can secure the driving stability of the electroosmotic pump while minimizing the contact area of the inorganic metal capable of causing such electrolysis.
  • FIG. 7 is a current characteristic graph in which the electroosmotic pump manufactured according to Example 2 was driven at 2.5 V and -2.5 V for at least 4 days at an intersection every 5 seconds, and FIG. This is a graph of current characteristics driven by more than 5500 cycles of intersection every 5 seconds with V and -4 V.
  • the electroosmotic pump manufactured according to Example 2 can secure long-term driving stability that cannot be possessed by an electroosmotic pump manufactured using only metal such as platinum in the related art.

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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 시스템
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.
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.
<식 1> 귀금속 부분에서의 반응
anode(+) H2O → 1/2O2(g) + 2H+ + 2e-
cathode(-) 2H2O +2e- → H2(g) + 2OH-
<식 2> 전도성 고분자 부분에서의 반응
PEDOT0 + M+:PSS- ↔ PEDOT+:PSS- + M+ + e-
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.

Claims (20)

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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.
  4. 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.
  5. 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.
  6. 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.
  7. 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.
  8. 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.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 제1 귀금속 및 상기 제2 귀금속은 동일하거나 서로 상이하며 각각 독립적으로 탄소촉매에 흡착 또는 담지되어 있을 수 있는 전기 삼투 펌프.
  10. 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.
  11. 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.
  12. 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.
  13. 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.
  14. 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.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 전기 삼투 펌프의 구동 전압은 0.1 V 내지 5 V인 전기 삼투 펌프.
  16. 제2항에 있어서,
    상기 전기 삼투 펌프의 구동 전압은 0.1 V 내지 5 V인 전기 삼투 펌프.
  17. 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.
  18. 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.
  19. 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.
  20. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 따른 전기 삼투 펌프를 포함하는 유체 펌핑 시스템.
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