WO2018062897A1 - Power-free self-driving electroosmotic pump - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to an electroosmotic pump, and more particularly, to an electroosmotic pump operable without supply of external power.
- An electroosmotic pump is a pump using a fluid moving by an electroosmotic phenomenon generated when a voltage is applied to electrodes provided at both ends of a capillary tube or a porous membrane (porous membrane). In order to move the fluid, applying a voltage can also increase the flow rate in proportion to the voltage applied to both ends.
- the basic structure of the electrode is a structure in which the above-described material is coated on a porous electrode such as carbon paper or the like by electrodeposition. In this case, the fluid is moved through the redox reaction of the materials coated on the electrode to generate the pumping force of the electroosmotic pump.
- FIG. 1A illustrates an electroosmotic pump utilizing a conventional silver (Ag) and silver oxide (Ag 2 O) electrode
- FIG. 1B illustrates a flow rate change with voltage in the conventional electroosmotic pump of FIG. 1A.
- the conventional electroosmotic pump utilizing the conventional silver (Ag) and silver oxide (Ag 2 O) electrode as the electrode at both ends increases the flow rate in proportion to the voltage. That is, in the conventional electroosmotic pump, the flow rate is increased in proportion to the applied voltage, and the flow of the fluid does not occur when no voltage is applied. That is, the driving of the electroosmotic pump is possible only when a voltage is applied from the outside.
- the fluid is provided in the fluid path portion, the fluid path portion to move the fluid, a membrane (membrane) formed of a porous material to allow the movement of the fluid, is provided on one side of the membrane, A cathode comprising a first electrode material, an anode on the other side of the membrane, the anode comprising a second electrode material having a potential value lower than the potential value of the first electrode material, and provided in the connection circuit between the anode and the cathode
- a non-powered self-driven electroosmotic pump that includes one or more resistances that determine the speed of fluid movement.
- FIG. 1A illustrates an electroosmotic pump utilizing a conventional silver (Ag) and silver oxide (Ag 2 O) electrode
- FIG. 1B illustrates a flow rate change with voltage in the conventional electroosmotic pump of FIG. 1A.
- Figure 2a shows the configuration of a non-powered self-driven electroosmotic pump according to an embodiment of the present invention.
- FIG. 2B illustrates an example in which two resistors are connected in parallel to both electrodes of a non-powered self-driving electric osmosis pump according to an embodiment of the present invention, and a switch is provided at one side of each resistor.
- FIG. 3 is a view showing a non-powered electric osmosis pump manufactured according to an embodiment of the present invention.
- FIG. 4 is a view showing the voltage change after connecting the resistance of 10 kV and 50 kV and 100 kV to the electroosmotic pump of FIG.
- FIG. 5 is a view showing a change in the velocity of the fluid after connecting the resistance of 10 kV and 50 kV and 100 kV to the electroosmotic pump of FIG.
- Figure 6 shows the experimental results for confirming the persistence of the non-powered self-driven electroosmotic pump according to an embodiment of the present invention.
- a non-powered self-driven electroosmotic pump including a fluid path portion through which a fluid moves; A membrane provided in the fluid path part and formed of a porous material to allow a fluid to move; A reduction electrode provided on one side of the membrane and including a first electrode material; An oxidation electrode provided on the other side of the membrane and including a second electrode material having a potential value lower than that of the first electrode material; And at least one resistor provided in a connection circuit between the anode and the cathode to determine a moving speed of the fluid.
- the fluid may be moved by the electrochemical reaction of the anode and the cathode.
- the non-powered self-driven electroosmotic pump according to the second aspect of the present invention, the fluid path portion for moving the fluid; A membrane provided in the fluid path part and formed of a porous material to allow a fluid to move; A reduction electrode provided on one side of the membrane and including a first electrode material; And an anode disposed on the other side of the membrane, the anode including a second electrode material having a potential value lower than that of the first electrode material.
- the fluid may be moved by the electrochemical reaction of the anode and the cathode.
- Figure 2a shows the configuration of a non-powered self-driven electroosmotic pump 10 according to an embodiment of the present invention.
- the non-powered self-driven electroosmotic pump 10 includes a membrane 11, an anode 12, a cathode 13, one or more resistances 14, and And a fluid path portion 16.
- the non-powered self-driven electroosmotic pump 10 may further include one or more switches 15.
- the membrane 11 is provided in the fluid path portion 16 through which the fluid moves, and is formed of a porous material or structure to allow the fluid to move.
- the membrane 11 may be manufactured using silica, glass, or the like having a particulate matter of about 0.1 ⁇ m to about 5 ⁇ m, but is not limited thereto.
- the membrane 11 may be a disk membrane, may be a membrane electrode assembly (MEA), or may have various types of porous materials or structures.
- the membrane 11 may allow the movement of ions as well as the fluid.
- the cathode 13 is provided on one side of the membrane 11, the anode 12 is provided on the other side of the membrane (11). At this time, the anode 12 and the cathode 13 may be formed of a porous material that allows the movement of the fluid.
- the anode 12 and the cathode 13 may be formed of porous carbon.
- the porous carbon may include, but is not limited to, carbon nanotubes (CNTs), graphene, carbon nanoparticles, fullerenes, graphite, and the like. It is not limited to this. That is, the anode 12 may be a cathode formed of porous carbon, and the cathode 13 may be a cathode formed of porous carbon.
- the anode 12 and the cathode 13 may be coated with a material such as a plating (plating).
- the anode 12 is coated with a material having a potential lower than that of the electrode material of the cathode 13.
- the material coated on the cathode 13 is, by way of non-limiting example, silver (Ag) / silver oxide (Ag2O), manganese (Mn) / manganese oxide (MnO2) and lead (Pb) / lead oxide (PbO2) It may include at least one of.
- the material to be plated on the anode 12 may include at least one of zinc (Zn) and zinc oxide (ZnO) having a lower potential than that described above.
- the anode 12 is formed of an electrode material having a lower potential value (for example, an electrode material in which the standard electrode potential is included in the negative direction) than the cathode 13, so that the anode 12 is formed at both electrodes 12 and 13.
- Spontaneous electrochemical reactions ie electrode reactions
- the non-powered self-driven electroosmotic pump 10 moves fluid and / or ions along the fluid path 16 based on this spontaneous electrochemical reaction.
- the anode 12 and the cathode 13 are disposed on both sides of the membrane 11, the anode 12 and the cathode 13 can be maintained at a constant interval by the membrane (11).
- the anode 12 and the cathode 13 are formed of materials having different potential values, thereby generating spontaneous electrochemical reactions such as primary batteries, and stably moving fluids by forming porous carbon. You can.
- the resistor 14 is provided in a connection circuit connected to the anode 12 and the cathode 13, respectively, to determine the moving speed of the fluid.
- the resistor 14 may be provided for the non-powered self-driven electroosmotic pump 10 to move the fluid at a preset flow rate and / or a speed arbitrarily selected by the user.
- the size of the resistance 14 applied to both electrodes 12 and 13 may be set at the manufacturing stage based on the resistance value of the membrane 11 and the speed of the target fluid, and the speed of the target fluid is changed. It may vary according to.
- the resistor 14 may be allowed or disconnected to both electrodes 12 and 13 according to the state of the switch 15 provided in the connection circuit.
- the switch 15 is provided in the connection circuit to allow or block the connection between the resistor 14 and the positive electrodes 12 and 13.
- the non-powered self-driven electroosmotic pump 10 includes a plurality of resistors
- the plurality of resistors may be connected to both electrodes 12 and 13 in parallel.
- one side of each resistor may be provided with a plurality of switches that can connect or cut off the resistance to both electrodes (12, 13). Therefore, the magnitude of the resistance across the electrodes 12 and 13 may vary as the switches corresponding to the respective resistors are turned on and off.
- FIG. 2B shows an example in which two resistors 14a and 14b are connected in parallel to both electrodes 12 and 13 and switches 15a and 15b are provided on one side of each of the resistors 14a and 14b.
- the two switches 15a and 15b are independently turned on and off, so that the resistance across the electrodes 12 and 13 may be a resistance value of the first resistor 14a, a resistance value of the second resistor 14b, or two resistors. It can vary with the sum of the resistance values 14a and 14b.
- the non-powered self-driven electroosmotic pump 10 may be formed in the form of a disk (circle) or in the form of a circular ring, it may be formed by combining in the form of one circular tube, but is not limited thereto. It is not.
- the non-powered self-driven electroosmotic pump 10 of the present invention may be implemented in a very small size by not including a battery for supplying power to both electrodes 12 and 13.
- FIG. 3 is a view showing a non-powered self-driven electroosmotic pump 10a manufactured according to an embodiment of the present invention.
- a disk membrane formed of silica was used, in which the disk membrane had a diameter of 8 mm, a thickness of 2 mm and a porous body of 50%.
- the voltage and flow rate results of the electrochemical reaction of the anode and the cathode were measured by directly connecting or not connecting a resistor to the electroosmotic pump.
- the electrochemical reaction of the cathode formed of silver and silver oxide is represented by the following Equation 2, the potential value (E0) is + 0.410V.
- the electromotive force of the electroosmotic pump 10a of FIG. 3 is about 1.17 V (ie, a result of (+0.41-(-0.76))).
- the actual electromotive force may be less than this value.
- FIG. 4 is a view showing the voltage change after connecting the resistance of 10 kV, 50 kV and 100 kV to the electroosmotic pump 10a of FIG. 3, respectively
- FIG. 5 is the electroosmotic pump 10a of FIG. The figure which shows the speed (flow rate) change of the fluid after connecting 10 kV, 50 kV, and 100 kV resistance, respectively.
- the voltages of the anode and the cathode are close to about 0.4 V at a resistance of 10 kV, close to about 1.0 V at a resistance of 50 kV, and about 1.2 V at a resistance of 100 kV. That is, as the size of the resistor increases, the size of the voltage increases to confirm that the electromotive force of the electroosmotic pump 10a of FIG.
- the flow rate rapidly decreased from about 8 ⁇ L / min to about 2 ⁇ L / min at a resistance of 10 ⁇ s (shown by a long dotted line) and about 50 ⁇ s of resistance (shown by a short dotted line). It was reduced from 4 ⁇ L / min to about 2 ⁇ L / min, and about 2 ⁇ L / min was maintained at a resistance of 100 Hz (shown in line).
- the size of the resistor increases, the voltage increases, but the current decreases and the flow rate decreases.
- the resistance increases, it can be confirmed that the flow rate of a certain size is stable from the beginning.
- Figure 6 shows the experimental results for confirming the persistence of the non-powered self-driven electroosmotic pump according to an embodiment of the present invention.
- a flow rate change of about 11 hours was observed after connecting a resistance of 100 kV to the electroosmotic pump 10a of FIG. 3.
- a flow rate of about 2 ⁇ L / min was kept stable for about 10 hours, and a total of 1.3 mL of fluid was pumped.
- the electromotive force of the electroosmotic pump 10b of FIG. 7 is about 1.38 V (ie, a result of (+0.61-(-0.76))). However, due to the overvoltage and the resistance of the fluid to the electrochemical reaction, the actual electromotive force may be lower than the above value.
- the flow rate rapidly decreases from about 7 ⁇ L / min to 2 ⁇ L / min over time.
- the resistance of 10 kPa is connected to the electroosmotic pump 10a of FIG. 3
- the initial flow rate reaches about 7 ⁇ L / min, and the total fluid moved about 200 ⁇ L for about 1 hour. can confirm.
- the electromotive force of the electroosmotic pump 10c of FIG. 8 is about 2.23 V (ie, a result of (+1.468-(-0.76))). However, due to the overvoltage and the resistance of the fluid to the electrochemical reaction, the actual electromotive force may be lower than the above value.
- both electrodes of the electroosmotic pump 10c of FIG. 8 were connected with a resistance of 200 mA.
- the flow rate decreases from about 2.5 ⁇ L / min to about 0.5 ⁇ L / min, but it can be seen that this change in flow rate occurs over about 70 hours.
- the electroosmotic pump 10c of FIG. 8 moved a total of 5.5 mL of fluid. That is, through the electroosmotic pump 10c of Figure 8, it can be seen that the non-powered self-driven electroosmotic pump 10 according to an embodiment of the present invention can be continuously driven at a stable voltage for a long time.
- the non-powered self-driven electroosmotic pump according to an embodiment of the present invention induces spontaneous electrochemical reaction of both electrodes, and thus can maintain a voltage at both the anode and the cathode, thereby not receiving external power. Can be moved.
- the non-powered self-driven electroosmotic pump according to an embodiment of the present invention may adjust the moving speed of the fluid and the moving amount of the fluid by adjusting the magnitude of the resistance applied to both electrodes.
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Abstract
Description
본 발명은 전기삼투펌프에 관한 것으로서, 보다 구체적으로, 외부 전원의 공급 없이 작동 가능한 전기삼투펌프에 관한 것이다.The present invention relates to an electroosmotic pump, and more particularly, to an electroosmotic pump operable without supply of external power.
전기삼투펌프는 모세관 혹은 다공성 막[다공성 멤브레인(membrane)]의 양단에 구비된 전극에 전압을 걸었을 때 생기는 전기삼투현상에 의해 유체가 이동하는 것을 이용한 펌프이다. 유체의 이동을 위하여는 전압을 걸면 양단에 가해진 전압에 비례하여 유속의 증가도 가져올 수 있다.An electroosmotic pump is a pump using a fluid moving by an electroosmotic phenomenon generated when a voltage is applied to electrodes provided at both ends of a capillary tube or a porous membrane (porous membrane). In order to move the fluid, applying a voltage can also increase the flow rate in proportion to the voltage applied to both ends.
종래에는 전극 물질로 안정된 백금을 많이 사용하였는데, 백금 전극을 사용하는 경우, 전압이 인가되었을 시에 물의 전기분해로 인한 산소, 수소 등과 같은 가스 발생으로 인한 안정성 문제가 있었다. 이를 해결하기 위해, 최근에 가스 발생 없이 안정적으로 전기삼투펌프가 구동될 수 있는 전극 물질로 은(Ag) 산화은(Ag2O), MnO(OH) 및 폴리아닐린(polyaniline, PANI) 등이 사용되기 시작했다. 이때, 전극의 기본구조는 카본 페이퍼(carbon paper) 등과 같은 다공성 전극에 전술한 물질을 전착 등에 의해 코팅시킨 구조이다. 이 경우, 전극에 코팅된 물질들의 산화환원 반응을 통해 유체를 이동시켜 전기삼투펌프의 펌핑력을 발생시킨다.Conventionally, a stable platinum has been used as an electrode material. In the case of using a platinum electrode, there is a stability problem due to gas generation such as oxygen or hydrogen due to electrolysis of water when a voltage is applied. In order to solve this problem, silver (Ag), silver oxide (Ag 2 O), MnO (OH), and polyaniline (polyaniline, PANI), etc. have recently begun to be used as electrode materials capable of driving the electroosmotic pump stably without gas generation. did. In this case, the basic structure of the electrode is a structure in which the above-described material is coated on a porous electrode such as carbon paper or the like by electrodeposition. In this case, the fluid is moved through the redox reaction of the materials coated on the electrode to generate the pumping force of the electroosmotic pump.
도 1a은 종래의 은(Ag) 및 산화은(Ag2O) 전극을 활용한 전기삼투펌프를 도시하며, 도 1b는 도 1a의 종래의 전기삼투펌프에서의 전압에 따른 유속 변화를 도시한다. 도 1b를 참조하면, 종래의 은(Ag) 및 산화은(Ag2O) 전극을 양단의 전극으로 활용하는 종래의 전기삼투펌프는 전압에 비례하여 유속이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 즉, 종래의 전기삼투펌프는 인가 전압 에 비례하여 유속 이 증가되며 전압이 인가되지 않은 경우 유체의 흐름은 일어나지 않는다. 즉,, 외부에서 전압이 인가될 경우에만 전기삼투펌프의 구동이 가능하다. FIG. 1A illustrates an electroosmotic pump utilizing a conventional silver (Ag) and silver oxide (Ag 2 O) electrode, and FIG. 1B illustrates a flow rate change with voltage in the conventional electroosmotic pump of FIG. 1A. Referring to Figure 1b, it can be seen that the conventional electroosmotic pump utilizing the conventional silver (Ag) and silver oxide (Ag 2 O) electrode as the electrode at both ends increases the flow rate in proportion to the voltage. That is, in the conventional electroosmotic pump, the flow rate is increased in proportion to the applied voltage, and the flow of the fluid does not occur when no voltage is applied. That is, the driving of the electroosmotic pump is possible only when a voltage is applied from the outside.
외부의 전원 공급 없이, 자가 구동되는 전기삼투펌프를 제공하는 데에 그 목적이 있다. 다만, 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.It is an object to provide a self-driven electroosmotic pump without external power supply. However, the technical problem to be achieved by the present embodiment is not limited to the technical problem as described above, and other technical problems may exist.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 유체가 이동하는 유체경로부, 유체경로부에 구비되며, 유체의 이동을 허용하도록 다공성 재질로 형성된 멤브레인(membrane), 멤브레인의 일측에 구비되어, 제1 전극물질을 포함하는 환원전극, 멤브레인의 타측에 구비되어, 제1 전극물질의 전위값보다 낮은 전위값을 갖는 제2 전극물질을 포함하는 산화전극, 및 산화전극 및 환원전극 간의 연결회로에 구비되어, 유체의 이동 속도를 결정하는 하나 이상의 저항(resistance)을 포함하는 무전원 자가구동 전기삼투펌프를 제공한다. As a technical means for achieving the above technical problem, the fluid is provided in the fluid path portion, the fluid path portion to move the fluid, a membrane (membrane) formed of a porous material to allow the movement of the fluid, is provided on one side of the membrane, A cathode comprising a first electrode material, an anode on the other side of the membrane, the anode comprising a second electrode material having a potential value lower than the potential value of the first electrode material, and provided in the connection circuit between the anode and the cathode Thus, there is provided a non-powered self-driven electroosmotic pump that includes one or more resistances that determine the speed of fluid movement.
전술한 본 발명의 기술적 해결방법에 의하면, 자발적인 전기화학반응을 통해 유체를 이동시킴으로써 외부의 전원 공급 없이 구동될 수 있는 전기삼투펌프를 구현할 수 있으며, 전원을 공급하기 위한 구성을 필요로 하지 않음으로써 초소형 전기삼투펌프를 구현할 수 있다. According to the technical solution of the present invention described above, by moving the fluid through a spontaneous electrochemical reaction can be implemented an electroosmotic pump that can be driven without an external power supply, by not requiring a configuration for supplying power It is possible to implement a micro electroosmotic pump.
도 1a은 종래의 은(Ag) 및 산화은(Ag2O) 전극을 활용한 전기삼투펌프를 도시하며, 도 1b는 도 1a의 종래의 전기삼투펌프에서의 전압에 따른 유속 변화를 도시한다.FIG. 1A illustrates an electroosmotic pump utilizing a conventional silver (Ag) and silver oxide (Ag 2 O) electrode, and FIG. 1B illustrates a flow rate change with voltage in the conventional electroosmotic pump of FIG. 1A.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 무전원 자가구동 전기삼투펌프의 구성을 도시한다. Figure 2a shows the configuration of a non-powered self-driven electroosmotic pump according to an embodiment of the present invention.
도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 무전원 자가구동 전기삼투펌프의 양 전극에 두 개의 저항이 병렬적으로 연결되고, 각 저항의 일측에 스위치가 구비된 일례를 도시한다. 2B illustrates an example in which two resistors are connected in parallel to both electrodes of a non-powered self-driving electric osmosis pump according to an embodiment of the present invention, and a switch is provided at one side of each resistor.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제작한 무전원 구동 전기삼투펌프를 도시한 도면이다.3 is a view showing a non-powered electric osmosis pump manufactured according to an embodiment of the present invention.
도 4 는 도 3의 전기삼투펌프에 10㏀ 및 50㏀ 및 100㏀의 저항을 각각 연결한 이후의 전압 변화를 도시한 도면이다. 4 is a view showing the voltage change after connecting the resistance of 10 kV and 50 kV and 100 kV to the electroosmotic pump of FIG.
도 5는 도 3의 전기삼투펌프에 10㏀ 및 50㏀ 및 100㏀의 저항을 각각 연결한 이후의 유체의 속도 변화를 도시한 도면이다. 5 is a view showing a change in the velocity of the fluid after connecting the resistance of 10 kV and 50 kV and 100 kV to the electroosmotic pump of FIG.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 무전원 자가구동 전기삼투펌프의 지속력을 확인하기 위한 실험 결과를 도시한다.Figure 6 shows the experimental results for confirming the persistence of the non-powered self-driven electroosmotic pump according to an embodiment of the present invention.
도 7 및 도 8은 도 3의 전기삼투펌프에서 환원전극과 저항을 달리하여 유체를 이동시킨 결과를 도시한다. 7 and 8 show the result of moving the fluid by varying the resistance and the cathode in the electroosmotic pump of FIG.
본 발명의 제1 측면에 따른 무전원 자가구동 전기삼투펌프는, 유체가 이동하는 유체경로부; 상기 유체경로부에 구비되며, 유체의 이동을 허용하도록 다공성 재질로 형성된 멤브레인; 상기 멤브레인의 일측에 구비되어, 제1 전극물질을 포함하는 환원전극; 상기 멤브레인의 타측에 구비되어, 상기 제1 전극물질의 전위값보다 낮은 전위값을 갖는 제2 전극물질을 포함하는 산화전극; 및 상기 산화전극 및 상기 환원전극 간의 연결회로에 구비되어, 상기 유체의 이동 속도를 결정하는 하나 이상의 저항을 포함할 수 있다. 이때, 유체는 상기 산화전극 및 상기 환원전극의 전기화학반응에 의해 이동될 수 있다.In accordance with a first aspect of the present invention, there is provided a non-powered self-driven electroosmotic pump including a fluid path portion through which a fluid moves; A membrane provided in the fluid path part and formed of a porous material to allow a fluid to move; A reduction electrode provided on one side of the membrane and including a first electrode material; An oxidation electrode provided on the other side of the membrane and including a second electrode material having a potential value lower than that of the first electrode material; And at least one resistor provided in a connection circuit between the anode and the cathode to determine a moving speed of the fluid. At this time, the fluid may be moved by the electrochemical reaction of the anode and the cathode.
또한, 본 발명의 제2 측면에 따른 무전원 자가구동 전기삼투펌프는, 유체가 이동하는 유체경로부; 상기 유체경로부에 구비되며, 유체의 이동을 허용하도록 다공성 재질로 형성된 멤브레인; 상기 멤브레인의 일측에 구비되어, 제1 전극물질을 포함하는 환원전극; 및 상기 멤브레인의 타측에 구비되어, 상기 제1 전극물질의 전위값보다 낮은 전위값을 갖는 제2 전극물질을 포함하는 산화전극을 포함할 수 있다. 이때, 유체는 상기 산화전극 및 상기 환원전극의 전기화학반응에 의해 이동될 수 있다. In addition, the non-powered self-driven electroosmotic pump according to the second aspect of the present invention, the fluid path portion for moving the fluid; A membrane provided in the fluid path part and formed of a porous material to allow a fluid to move; A reduction electrode provided on one side of the membrane and including a first electrode material; And an anode disposed on the other side of the membrane, the anode including a second electrode material having a potential value lower than that of the first electrode material. At this time, the fluid may be moved by the electrochemical reaction of the anode and the cathode.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention. As those skilled in the art would realize, the described embodiments may be modified in various different ways, all without departing from the spirit or scope of the present invention. In the drawings, parts irrelevant to the description are omitted in order to clearly describe the present invention, and like reference numerals designate like parts throughout the specification.
본 발명 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. In the present specification, when a part is "connected" to another part, it is not only "directly connected" but also "electrically connected" with another element in between. Include.
본 발명 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 “상에” 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.Throughout this specification, when a member is located “on” another member, this includes not only when one member is in contact with another member but also when another member exists between the two members.
본 발명 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 본 발명 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본 발명의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 본 발명 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "~(하는) 단계" 또는 "~의 단계"는 "~ 를 위한 단계"를 의미하지 않는다.In the present specification, when a part is said to "include" a certain component, it means that it can further include other components, without excluding other components unless specifically stated otherwise. The terms "about", "substantially", and the like as used throughout the specification of the present invention are used at or near the numerical values when the manufacturing and material tolerances unique to the meanings mentioned are given, and To aid in understanding, accurate or absolute figures are used to prevent unscrupulous infringers from using the disclosures mentioned. As used throughout the specification, the term "step" or "step of" does not mean "step for."
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 무전원 자가구동 전기삼투펌프(10)의 구성을 도시한다. Figure 2a shows the configuration of a non-powered self-driven
도 2a를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 무전원 자가구동 전기삼투펌프(10)는 멤브레인(11), 산화전극(12), 환원전극(13), 하나 이상의 저항(resistance, 14) 및 유체경로부(16)를 포함한다. 또한, 무전원 자가구동 전기삼투펌프(10)는 하나 이상의 스위치(switch)(15)를 더 포함할 수 있다. 2A, the non-powered self-driven
멤브레인(11)은 유체가 이동하는 유체경로부(16)에 구비되어, 유체의 이동을 허용하도록 다공성 재질 또는 구조로 형성된다. 예시적으로, 멤브레인(11)은 약 0.1 ㎛ 내지 약 5 ㎛ 크기의 입상물의 형태를 가지는 실리카(silica), 유리(glass) 등을 이용하여 제조될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 예시적으로, 멤브레인(11)은 디스크 멤브레인일 수 있고, MEA(membrane electrode assembly)일 수도 있으며, 이외에도 다양한 형태의 다공성 재질이나 구조를 가지는 것일 수 있다. 또한, 멤브레인(11)은 유체뿐만 아니라 이온의 이동도 허용할 수 있다. The
환원전극(13)은 멤브레인(11)의 일측에 구비되며, 산화전극(12)은 멤브레인(11)의 타측에 구비된다. 이때, 산화전극(12) 및 환원전극(13)은 유체의 이동을 허용하는 다공성 물질로 형성될 수 있다. 예시적으로, 산화전극(12) 및 환원전극(13)은 다공성 탄소(porous carbon)로 형성될 수 있다. 다공성 탄소는, 비한정적인 예로서, 탄소나노튜브(carbon nanotube, CNT), 그래핀(graphene), 탄소 나노입자(carbon nanoparticle), 풀러렌(fullerene), 흑연(graphite) 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 산화전극(12)은 다공성 탄소로 형성된 양극(porous carbon anode)일 수 있으며, 환원전극(13)은 다공성 탄소로 형성된 음극(porous carbon cathode)일 수 있다. The
이때, 산화전극(12) 및 환원전극(13)은 1차 전지에 사용되는 물질이 도금(plating) 등의 방법으로 코팅될 수 있다. 예시적으로, 산화전극(12)에는 환원전극(13)의 전극물질의 전위값보다 낮은 전위값을 갖는 물질이 코팅된다. 먼저, 환원전극(13)에 코팅되는 물질은, 비한정적인 예로서, 은(Ag)/산화은(Ag2O), 망간(Mn)/산화망간(MnO2) 및 납(Pb)/산화납(PbO2) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 산화전극(12)에 도금되는 물질은, 상기한 물질보다 전위값이 낮은 아연(Zn) 및 산화아연(ZnO) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 즉, 산화전극(12)은 환원전극(13)에 비하여 전위값이 낮은 전극물질(예컨대, 표준전극전위가 음의 방향에 포함되는 전극물질)로 형성됨으로써, 양쪽전극(12, 13)에서는 1차 전지에서와 같은 자발적인 전기화학반응(즉, 전극반응)이 발생될 수 있다. 무전원 자가구동 전기삼투펌프(10)는 이러한 자발적인 전기화학반응을 기초로, 유체경로부(16)를 따라 유체 및/또는 이온을 이동시킨다. 한편, 산화전극(12) 및 환원전극(13)은 멤브레인(11)의 양측에 각각 배치됨으로써, 산화전극(12) 및 환원전극(13)은 멤브레인(11)에 의해 일정한 간격을 유지할 수 있다. In this case, the
이와 같이, 산화전극(12) 및 환원전극(13)은 서로 다른 전위값을 갖는 물질로 형성됨으로써, 1차 전지와 같은 자발적인 전기화학반응을 발생시키는 한편, 다공성 탄소로 형성됨으로써 안정적으로 유체를 이동시킬 수 있다. As such, the
저항(14)은 산화전극(12) 및 환원전극(13)에 각각이 연결된 연결회로에 구비되어, 유체의 이동 속도를 결정한다. 저항(14)은 무전원 자가구동 전기삼투펌프(10)가 기 설정된 유속 및/또는 사용자가 임의로 선택하는 속도로 유체를 이동시키기 위해 구비될 수 있다. 이때, 양쪽 전극(12, 13)에 걸리는 저항(14)의 크기는 멤브레인(11)의 저항값과 타겟하는 유체의 속도 등을 기초로 제조 단계에서 설정될 수 있으며, 타겟하는 유체의 속도가 변경됨에 따라 가변될 수도 있다. 또한, 저항(14)은 연결회로에 구비된 스위치(15)의 상태에 따라 양 전극(12, 13)에 연결이 허용되거나 차단될 수 있다. The
스위치(15)는 연결회로에 구비되어, 저항(14)과 양 전극(12, 13) 간의 연결을 허용하거나 차단한다. The
한편, 무전원 자가구동 전기삼투펌프(10)가 복수의 저항을 포함하는 경우, 복수의 저항은 양 전극(12, 13)에 병렬적으로 연결될 수 있다. 이때, 각 저항의 일측에는 해당 저항을 양 전극(12, 13)으로 연결하거나 차단할 수 있는 복수의 스위치가 구비되어 있을 수 있다. 따라서, 양 전극(12, 13)에 걸리는 저항의 크기는 각 저항에 대응되는 스위치가 온(on) 및 오프(off) 됨에 따라 가변될 수 있다.On the other hand, when the non-powered self-driven
도 2b는 양 전극(12, 13)에 두 개의 저항(14a, 14b)이 병렬적으로 연결되고, 각 저항(14a, 14b)의 일측에 스위치(15a, 15b)가 구비된 일례를 도시한다. 두 개의 스위치(15a, 15b)는 독립적으로 온 및 오프됨으로써, 양 전극(12, 13)에 걸리는 저항은 제1 저항(14a)의 저항값, 제2 저항(14b)의 저항값 또는 두 개의 저항(14a, 14b)의 저항값의 합으로 가변될 수 있다. FIG. 2B shows an example in which two
한편, 일 실시예에 따른 무전원 자가구동 전기삼투펌프(10)는 디스크(원판) 형태 또는 원형 고리의 형태로 형성될 수 있으며, 하나의 원형 튜브의 형태로 결합되어 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 무전원 자가구동 전기삼투펌프(10)는 양쪽 전극(12, 13)으로 전원을 공급하기 위한 배터리 등을 구비하지 않음으로써 초소형으로 구현될 수 있다.On the other hand, the non-powered self-driven
이하에서는, 본 발명의 일 실시예에 따라 제작한 무전원 구동 전기삼투펌프의 적용한 예들을 설명한다. Hereinafter, application examples of the non-powered electric osmotic pump manufactured according to an embodiment of the present invention will be described.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 제작한 무전원 자가구동 전기삼투펌프(10a)를 도시한 도면이다. 도 3에서는 실리카로 형성된 디스크 멤브레인을 사용하였으며, 이 때 디스크 멤브레인은 8mm의 지름, 2mm의 두께 및 50% 의 다공성 바디를 갖는다. 한편, 도 3에서는 스위치를 대신하여, 전기삼투펌프에 저항(resistor)을 직접 연결하거나 연결하지 않는 방법으로 산화전극 및 환원전극의 전기화학반응에 의한 전압 및 유속 결과를 측정하였다.3 is a view showing a non-powered self-driven electroosmotic pump 10a manufactured according to an embodiment of the present invention. In FIG. 3, a disk membrane formed of silica was used, in which the disk membrane had a diameter of 8 mm, a thickness of 2 mm and a porous body of 50%. Meanwhile, in FIG. 3, instead of the switch, the voltage and flow rate results of the electrochemical reaction of the anode and the cathode were measured by directly connecting or not connecting a resistor to the electroosmotic pump.
이때, 산화전극에는 아연(Zn) 및 산화아연(ZnO)이 각각 0.96C, 0.22C 도금되었으며, 환원전극에는 은(Ag)과 산화은(Ag2O)이 각각 1.3C 도금되었다. 이때, 아연(Zn) 및 산화아연(ZnO)으로 형성된 산화전극의 전기화학반응(즉, 전극반응)은 아래의 반응식1과 같이 나타나며, 전위값(E0)은 -0.76 V이다.At this time, zinc (Zn) and zinc oxide (ZnO) were plated at 0.96C and 0.22C, respectively, and silver (Ag) and silver oxide (Ag2O) were plated at 1.3C. At this time, the electrochemical reaction (that is, the electrode reaction) of the anode formed of zinc (Zn) and zinc oxide (ZnO) is expressed as in
<반응식 1><
또한, 은 및 산화은으로 형성된 환원전극의 전기화학반응은 아래의 반응식2와 같이 나타나며, 전위값(E0)은 +0.410 V이다.In addition, the electrochemical reaction of the cathode formed of silver and silver oxide is represented by the following
<반응식2><
따라서, 도 3의 전기삼투펌프(10a)의 기전력은 약 1.17V (즉, (+0.41 - (-0.76)) 의 결과값)이다. 그러나 전기화학반응에 대한 과전압과 유체의 저항으로 인해 실질적인 기전력은 상기 값보다 작아질 수 있다. Accordingly, the electromotive force of the electroosmotic pump 10a of FIG. 3 is about 1.17 V (ie, a result of (+0.41-(-0.76))). However, due to the overvoltage and resistance of the fluid to the electrochemical reaction, the actual electromotive force may be less than this value.
도 4 는 도 3의 전기삼투펌프(10a)에 10㏀, 50㏀ 및 100㏀의 저항을 각각 연결한 이후의 전압 변화를 도시한 도면이며, 도 5는 도 3의 전기삼투펌프(10a)에 10㏀ 및 50㏀ 및 100㏀의 저항을 각각 연결한 이후의 유체의 속도(유속) 변화를 도시한 도면이다. 4 is a view showing the voltage change after connecting the resistance of 10 kV, 50 kV and 100 kV to the electroosmotic pump 10a of FIG. 3, respectively, and FIG. 5 is the electroosmotic pump 10a of FIG. The figure which shows the speed (flow rate) change of the fluid after connecting 10 kV, 50 kV, and 100 kV resistance, respectively.
도 4를 참조하면, 산화전극 및 환원전극의 전압은 10㏀의 저항에서 약 0.4V에 근접하고, 50㏀의 저항에서 약 1.0V에 근접하며, 100㏀의 저항에서 약 1.2V에 근접한다. 즉, 저항의 크기가 커질수록 전압의 크기는 증가하여 도 3의 전기삼투펌프(10a)의 기전력에 가까워지는 것을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 4, the voltages of the anode and the cathode are close to about 0.4 V at a resistance of 10 kV, close to about 1.0 V at a resistance of 50 kV, and about 1.2 V at a resistance of 100 kV. That is, as the size of the resistor increases, the size of the voltage increases to confirm that the electromotive force of the electroosmotic pump 10a of FIG.
또한, 도 5를 참조하면, 유속은 10㏀의 저항(긴 점선으로 도시됨)에서 약 8μL/min에서 약 2μL/min로 급격하게 감소하였으며, 50㏀의 저항(짧은 점선으로 도시됨)에서 약 4μL/min에서 약 2μL/min로 감소하였으며, 100㏀의 저항(라인으로 도시된)에서 약 2μL/min가 유지되었다. 즉, 저항의 크기가 커질수록 전압의 크기는 증가하나, 상대적으로 전류는 작아져 유속이 감소하는 것을 확인할 수 있다. 그리고, 저항이 커질수록 초기부터 안정적으로 일정 크기의 유속이 지속되는 것을 확인할 수 있다. Also, with reference to FIG. 5, the flow rate rapidly decreased from about 8 μL / min to about 2 μL / min at a resistance of 10 μs (shown by a long dotted line) and about 50 μs of resistance (shown by a short dotted line). It was reduced from 4 μL / min to about 2 μL / min, and about 2 μL / min was maintained at a resistance of 100 Hz (shown in line). In other words, as the size of the resistor increases, the voltage increases, but the current decreases and the flow rate decreases. In addition, as the resistance increases, it can be confirmed that the flow rate of a certain size is stable from the beginning.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 무전원 자가구동 전기삼투펌프의 지속력을 확인하기 위한 실험 결과를 도시한다. 도 6에서는 도 3의 전기삼투펌프(10a)에 100㏀의 저항을 연결한 이후 약 11 시간 동안의 유속 변화를 관찰하였다. 도 6의 그래프를 참조하면, 약 10 시간 동안 약 2 μL/min 의 유속이 안정적으로 유지되었으며, 총 1.3 mL의 유체가 펌핑되었음을 확인할 수 있다. Figure 6 shows the experimental results for confirming the persistence of the non-powered self-driven electroosmotic pump according to an embodiment of the present invention. In FIG. 6, a flow rate change of about 11 hours was observed after connecting a resistance of 100 kV to the electroosmotic pump 10a of FIG. 3. Referring to the graph of FIG. 6, it can be seen that a flow rate of about 2 μL / min was kept stable for about 10 hours, and a total of 1.3 mL of fluid was pumped.
도 7 및 도 8은 도 3의 전기삼투펌프에서 환원전극과 저항을 달리하여 유체를 이동시킨 결과를 도시한다. 7 and 8 show the result of moving the fluid by varying the resistance and the cathode in the electroosmotic pump of FIG.
도 7에서는 산화망간(MnO2)이 0.26C 도금된 환원전극을 사용하였다. 이에 따라, 산화망간을 포함하는 환원전극의 전기화학반응은 아래의 반응식3과 같이 나타나며, 전위값(E0)은 +0.610 V이다.In FIG. 7, a cathode coated with 0.26C manganese oxide (MnO 2) was used. Accordingly, the electrochemical reaction of the cathode including manganese oxide is represented by the following Equation 3, the potential value (E0) is + 0.610V.
<반응식3><Scheme 3>
도 7의 전기삼투펌프(10b)의 기전력은 약 1.38 V (즉, (+0.61 - (-0.76)) 의 결과값)이다. 그러나 전기화학반응에 대한 과전압과 유체의 저항으로 인해 실질적인 기전력은 상기 값보다 낮아질 수 있다. The electromotive force of the electroosmotic pump 10b of FIG. 7 is about 1.38 V (ie, a result of (+0.61-(-0.76))). However, due to the overvoltage and the resistance of the fluid to the electrochemical reaction, the actual electromotive force may be lower than the above value.
한편, 도 7의 전기삼투펌프(10b)의 양 전극에는 10㏀의 저항을 연결하였다.On the other hand, a resistance of 10 kV was connected to both electrodes of the electroosmotic pump 10b of FIG.
도 7을 참조하면, 시간이 흐름에 따라 유속은 약 7μL/min에서 2μL/min로 급격하게 감소하는 것을 확인할 수 있다. 그러나, 도 3의 전기삼투펌프(10a)에 10㏀의 저항을 연결한 경우와 달리 초기 유속이 약 7 μL/min 에 다다르는 것을 확인할 수 있으며, 약 1시간 동안 총 200 μL 정도의 유체를 이동시켰음을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 7, it can be seen that the flow rate rapidly decreases from about 7 μL / min to 2 μL / min over time. However, unlike the case where the resistance of 10 kPa is connected to the electroosmotic pump 10a of FIG. 3, it can be seen that the initial flow rate reaches about 7 μL / min, and the total fluid moved about 200 μL for about 1 hour. can confirm.
도 8에서는 산화납(PbO2)이 1.5C 도금된 환원전극을 사용하였다. 이에 따라, 산화납을 포함하는 환원전극의 전기화학반응은 아래의 반응식4와 같이 나타나며, 전위값(E0)은 +1.468 V이다.In FIG. 8, a 1.5 C plated cathode was used for lead oxide (PbO 2). Accordingly, the electrochemical reaction of the cathode including lead oxide is shown as in
<반응식4><
도 8의 전기삼투펌프(10c)의 기전력은 약 2.23 V(즉, (+1.468 - (-0.76)) 의 결과값)이다. 그러나 전기화학반응에 대한 과전압과 유체의 저항으로 인해 실질적인 기전력은 상기 값보다 낮아질 수 있다.The electromotive force of the electroosmotic pump 10c of FIG. 8 is about 2.23 V (ie, a result of (+1.468-(-0.76))). However, due to the overvoltage and the resistance of the fluid to the electrochemical reaction, the actual electromotive force may be lower than the above value.
한편, 도 8의 전기삼투펌프(10c)의 양 전극에는 200㏀의 저항을 연결하였다.On the other hand, both electrodes of the electroosmotic pump 10c of FIG. 8 were connected with a resistance of 200 mA.
도 8을 참조하면, 유속은 약 2.5 μL/min에서 약 0.5 μL/min로 감소하나, 이러한 유속 변화는 약 70 시간에 거쳐 나타나는 것을 확인할 수 있다. 또한, 도 8의 전기삼투펌프(10c)는 총 5.5 mL의 유체를 이동시켰다. 즉, 도 8의 전기삼투펌프(10c)를 통해, 본 발명의 일 실시예에 따른 무전원 자가구동 전기삼투펌프(10)가 오랜 기간 동안 안정적인 전압으로 지속 구동될 수 있음을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 8, the flow rate decreases from about 2.5 μL / min to about 0.5 μL / min, but it can be seen that this change in flow rate occurs over about 70 hours. In addition, the electroosmotic pump 10c of FIG. 8 moved a total of 5.5 mL of fluid. That is, through the electroosmotic pump 10c of Figure 8, it can be seen that the non-powered self-driven
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 무전원 자가구동 전기삼투펌프는 양 전극의 자발적인 전기화학반응을 유도함으로서, 산화전극 및 환원전극의 자체에서 전압을 유지할 수 있으므로, 외부 전력을 공급 받지 않고 유체를 이동시킬 수 있다. 나아가, 본 발명의 일 실시예에 따른 무전원 자가구동 전기삼투펌프는 양 전극에 걸리는 저항의 크기를 조정함으로써, 유체의 이동 속도 및 유체의 이동량을 조정할 수 있다. As such, the non-powered self-driven electroosmotic pump according to an embodiment of the present invention induces spontaneous electrochemical reaction of both electrodes, and thus can maintain a voltage at both the anode and the cathode, thereby not receiving external power. Can be moved. Furthermore, the non-powered self-driven electroosmotic pump according to an embodiment of the present invention may adjust the moving speed of the fluid and the moving amount of the fluid by adjusting the magnitude of the resistance applied to both electrodes.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.The foregoing description of the present invention is intended for illustration, and it will be understood by those skilled in the art that the present invention may be easily modified in other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. will be. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are exemplary in all respects and not restrictive. For example, each component described as a single type may be implemented in a distributed manner, and similarly, components described as distributed may be implemented in a combined form.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is shown by the following claims rather than the above description, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents should be construed as being included in the scope of the present invention. do.
Claims (12)
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2017
- 2017-09-28 WO PCT/KR2017/010832 patent/WO2018062897A1/en not_active Ceased
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