본 논문에서는 원통형 다공성 유리막을 이용한 전기삼투 펌프의 실험적 연구를 수행하였고, 장시간 작동을 평가하였다. 전기삼투 펌프의 성능은 탈이온수와 1 mM 붕산염 완충액을 이용하여 최대유량, 최대전류, 그리고 최대압력으로 표현하였다. 최대유량, 최대전류, 그리고 최대압력은 모두 이론에서 예측하는 것과 같이 전압이 증가할 때 선형적으로 증가하였다. 최대유량을 유체의 펌핑면적과 적용 전압으로 나눈 표준화 유량을 사용하여 원통형 다공성 유리막을 이용한 전기삼투 펌프와 평면형 다공성 유리막을 이용한 전기삼투 펌프의 성능을 비교하였다. 표준화 유량은 원통형 다공성 유리막을 이용할 때 평면형 다공성 유리막보다 대략 1.5 배 높은 값을 가졌고, 이는 원통형 다공성 유리막과 평면형 다공성 유리막의 기하학적 부분의 차이에 의한 것으로 판단되었다. 표준화 유량 값을 이용하여 동일한 전기삼투 펌프 부피에서 두 다공성 막을 비교하면, 원통형 전기삼투 펌프는 평면형 전기삼투 펌프에 비해 최대 원주율만큼의 펌핑면적을 증가할 수 있으므로 5 배 높은 유량을 얻었다. 원통형 전기삼투 펌프의 내부 전극에서 전기분해에 의해 발생하는 가스들은 나피온 튜브를 통하여 효과적으로 배출되었고, 이로 인해 3 시간 이상의 작동에서 성능의 감소는 발생되지 않았다.
본 논문에서는 원통형 다공성 유리막을 이용한 전기삼투 펌프의 실험적 연구를 수행하였고, 장시간 작동을 평가하였다. 전기삼투 펌프의 성능은 탈이온수와 1 mM 붕산염 완충액을 이용하여 최대유량, 최대전류, 그리고 최대압력으로 표현하였다. 최대유량, 최대전류, 그리고 최대압력은 모두 이론에서 예측하는 것과 같이 전압이 증가할 때 선형적으로 증가하였다. 최대유량을 유체의 펌핑면적과 적용 전압으로 나눈 표준화 유량을 사용하여 원통형 다공성 유리막을 이용한 전기삼투 펌프와 평면형 다공성 유리막을 이용한 전기삼투 펌프의 성능을 비교하였다. 표준화 유량은 원통형 다공성 유리막을 이용할 때 평면형 다공성 유리막보다 대략 1.5 배 높은 값을 가졌고, 이는 원통형 다공성 유리막과 평면형 다공성 유리막의 기하학적 부분의 차이에 의한 것으로 판단되었다. 표준화 유량 값을 이용하여 동일한 전기삼투 펌프 부피에서 두 다공성 막을 비교하면, 원통형 전기삼투 펌프는 평면형 전기삼투 펌프에 비해 최대 원주율만큼의 펌핑면적을 증가할 수 있으므로 5 배 높은 유량을 얻었다. 원통형 전기삼투 펌프의 내부 전극에서 전기분해에 의해 발생하는 가스들은 나피온 튜브를 통하여 효과적으로 배출되었고, 이로 인해 3 시간 이상의 작동에서 성능의 감소는 발생되지 않았다.
In this study, we demonstrated the operation of an electroosmotic pump with cylindrical porous glass frits and evaluated its long-term operation. The performance of this electroosmotic pump was characterized in terms of maximum flow rate, current, and pressure using deionized water and 1 mM borate b...
In this study, we demonstrated the operation of an electroosmotic pump with cylindrical porous glass frits and evaluated its long-term operation. The performance of this electroosmotic pump was characterized in terms of maximum flow rate, current, and pressure using deionized water and 1 mM borate buffer. The maximum flow rate, current, and pressure linearly increase with voltage. The maximum flow rate is normalized by the pumping area and voltage for comparison of the performance between the electroosmotic pumps with cylindrical and planar frits. The normalized maximum flow rate of the cylindrical-type pump is higher than that of the planar-type pump because of their different geometries. The cylindrical-type electroosmotic pump has five times better performance than the planartype electroosmotic pump for a given pump package volume. It can operate stably for over 3 hours.
In this study, we demonstrated the operation of an electroosmotic pump with cylindrical porous glass frits and evaluated its long-term operation. The performance of this electroosmotic pump was characterized in terms of maximum flow rate, current, and pressure using deionized water and 1 mM borate buffer. The maximum flow rate, current, and pressure linearly increase with voltage. The maximum flow rate is normalized by the pumping area and voltage for comparison of the performance between the electroosmotic pumps with cylindrical and planar frits. The normalized maximum flow rate of the cylindrical-type pump is higher than that of the planar-type pump because of their different geometries. The cylindrical-type electroosmotic pump has five times better performance than the planartype electroosmotic pump for a given pump package volume. It can operate stably for over 3 hours.
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문제 정의
그러므로 다공성 유리막(porous glass frits),(9~11) 다공성 고분자막(porous polymer membrane),(12) 다공성 산화 알루미나막(porous anodic alumina membrane),(13) 다공성 실리콘막(14)을 이용한 연구가 보고되었다. 본 연구에서는 가격적으로 경쟁력이 있고, 안정적인 제타 전위(zeta potential)로 인하여 훌륭한 펌핑 특성을 가지는 다공성 유리막을 이용한 연구를 수행하였다. 특히, 기존 전기삼투 펌프들의 연구가 평면형의 다공성 막을 이용하고 있다는 점에 착안하여, 동일한 펌프 부피에서 넓은 펌핑 면적을 가질 수 있는 원통형 구조의 전기삼투 펌프에 대한 연구를 수행하였다.
본 연구에서는 원통형 다공성 유리막 전기삼투 펌프의 제작 및 성능 평가를 수행하였다. 원통형 다공성 유리막 전기삼투 펌프의 성능은 이론식에서 예측하는 것과 같이 전압의 증가에 의하여 거의 선형적인 증가를 하였다.
본 연구에서는 가격적으로 경쟁력이 있고, 안정적인 제타 전위(zeta potential)로 인하여 훌륭한 펌핑 특성을 가지는 다공성 유리막을 이용한 연구를 수행하였다. 특히, 기존 전기삼투 펌프들의 연구가 평면형의 다공성 막을 이용하고 있다는 점에 착안하여, 동일한 펌프 부피에서 넓은 펌핑 면적을 가질 수 있는 원통형 구조의 전기삼투 펌프에 대한 연구를 수행하였다. 또한, 장시간 동안의 작동을 평가하였다.
가설 설정
이는 원통형 다공성 유리막과 평면형 다공성 유리막의 두께, 공극률, 굴곡률(tortuosity) 등과 같은 기하학적 부분의 차이에 의한 것으로 판단되었다. 전기삼투 펌프의 부피를 동일하게 가정하여 최대유량을 계산하였다. 그림에서와 같이 최대유량은 원통형 다공성 유리막에서 평면형 다공성 유리막보다 대략 5 배 증가하였다.
제안 방법
Fig. 4 는 1 mM 붕산염 완충액을 작동 유체로 하여 적용 전압이 50 V 일 때 유량과 압력을 3 시간 동안 측정한 결과이다 유량의 측정은 전자저울 대신 높은 정밀도를 가지는 유량센서(Sensirion, ASL1640)를 이용하였고, 유량센서의 하단부를 유체 저장함에 직접 연결하여 유체 수위가 변화하지 않도록 하였다. Fig.
특히, 기존 전기삼투 펌프들의 연구가 평면형의 다공성 막을 이용하고 있다는 점에 착안하여, 동일한 펌프 부피에서 넓은 펌핑 면적을 가질 수 있는 원통형 구조의 전기삼투 펌프에 대한 연구를 수행하였다. 또한, 장시간 동안의 작동을 평가하였다.
와 비교해 보았다. 성능 비교는 먼저 최대유량을 표면적과 전압으로 나눈 표준화 유량(normalized flow rate)을 비교하였으며, 그 결과를 이용하여 동일한 전기 삼투 펌프의 부피로 환산한 결과와 비교하였다. Fig.
2 는 전압의 변화에 의한 원통형 전기삼투 펌프의 성능(최대유량, 최대전류, 그리고 최대압력)을 탈이온수와 1 mM 붕산염 완충액(buffer)을 이용하여 측정한 결과이다. 실험에서 전압은 10 V씩 증가시켜 가며 최대 50 V 까지 적용하여 수행 하였고, 각각의 전압에서 실험은 5 회 이상 반복 수행되었다. 실험 오차는 Fig.
유량은 전자저울을 이용하여 5 초 간격으로 측정되었고, Balancetalk(Ohaus) 를 이용하여 컴퓨터에 데이터로 저장되었다. 압력은 압력센서(Omega, PX303-015G5V)를 이용하여 측정되었고, 측정된 신호는 DAQ 보드(National Instrument, PCI 6220)를 이용하여 컴퓨터로 입력된 후, Labview 9.0 을 이용하여 압력 값으로 변환 및 저장되었다.
원통형 다공성 유리막의 특성은 버니어캘리퍼스(Mitutoyo)와 0.1 mg 의 정밀도를 가지는 전자저울(Ohaus, VPG213C)을 이용하여 측정되었다. 원통형 다공성 유리막의 내경, 외경, 높이는 각각 13.
그러므로, 원통형 다공성 유리막을 이용할 때 기존 평면형 다공성 유리막 보다 소형화에 유리할 것으로 예상하였다. 최종적으로 원통형 전기삼투 펌프의 장시간 안정성에 대한 평가를 수행하였다. 유량 및 압력 모두 3 시간 이상 거의 일정한 값을 유지 하였다.
대상 데이터
1 mg 의 정밀도를 가지는 전자저울(Ohaus, VPG213C)을 이용하여 측정되었다. 원통형 다공성 유리막의 내경, 외경, 높이는 각각 13.02 mm, 5.92 mm, 19.8 mm 로 측정되었다. 원통형 다공성 유리막의 공극률(porosity)은 건조된 상태와 젖음 상태일 때의 무게 차이, 물의 밀도, 전체 막의 부피 값을 이용하여 계산되었다.
1 는 펌프의 성능 측정을 위한 실험 장치 구성의 개략도이다. 전기삼투 펌프의 전압 인가 및 전류의 측정은 소스 미터(Keithley, 2410)가 이용되었다. 유량은 전자저울을 이용하여 5 초 간격으로 측정되었고, Balancetalk(Ohaus) 를 이용하여 컴퓨터에 데이터로 저장되었다.
펌프 외부로의 유체 이동을 위해 외경이 1.5 mm 인 스테인리스 관(Scanivalve Corportation)이 사용되었고, 전기삼투 펌프의 전기장 인가를 위하여 지름 0.3 mm 의 백금선(Nilaco Corporation, PT351325, 99.98%)이 사용되었다.
데이터처리
원통형 전기삼투 펌프의 실제 효용성을 확인하기 위하여 기존 평면형 다공성 유리막을 이용한 전기삼투 펌프의 실험 결과(18)와 비교해 보았다. 성능 비교는 먼저 최대유량을 표면적과 전압으로 나눈 표준화 유량(normalized flow rate)을 비교하였으며, 그 결과를 이용하여 동일한 전기 삼투 펌프의 부피로 환산한 결과와 비교하였다.
성능/효과
원통형 다공성 유리막 전기삼투 펌프의 성능은 이론식에서 예측하는 것과 같이 전압의 증가에 의하여 거의 선형적인 증가를 하였다. 1 mM 붕산염 완충액에서 높은 유전율과 이온 전도도 등에 의하여 탈이온수 보다 높은 성능을 보였다. 표준화 유량을 이용하여 기존 평면형 전기삼투 펌프와의 비교 하였고, 형상적인 차이에 의하여 1.
전기삼투 펌프의 성능은 위에 제시된 이론 식에서와 같이 전압의 증가에 의하여 선형적으로 증가 하였다. 1 mM 붕산염 완충액을 작동 유체로 사용할 때 최대유량, 최대전류, 최대압력이 탈이온수를 사용할 때 보다 높은 값을 가졌다. 이는 이론식에서 다공성 물질과 관련된 항을 제외한 ε(유전율), σ∞ (이온전도도), 전기이중층의 두께와 관련된 상관 계수(correlation factor) f, g, 그리고 ζ(제타전위) 항들이 1 mM 붕산염 완충액에서 더 높은 값을 가지기 때문이다.
또한, 동일한 전기삼투 펌프의 부피에서는 원통형 다공성 유리막을 사용할 때 대략 5 배 정도의 유량 증가를 할 수 있음을 확인하였다. 그러므로, 원통형 다공성 유리막을 이용할 때 기존 평면형 다공성 유리막 보다 소형화에 유리할 것으로 예상하였다. 최종적으로 원통형 전기삼투 펌프의 장시간 안정성에 대한 평가를 수행하였다.
5 배 높은 값을 가졌다. 또한, 동일한 전기삼투 펌프의 부피에서는 원통형 다공성 유리막을 사용할 때 대략 5 배 정도의 유량 증가를 할 수 있음을 확인하였다. 그러므로, 원통형 다공성 유리막을 이용할 때 기존 평면형 다공성 유리막 보다 소형화에 유리할 것으로 예상하였다.
1 mM 붕산염 완충액에서 높은 유전율과 이온 전도도 등에 의하여 탈이온수 보다 높은 성능을 보였다. 표준화 유량을 이용하여 기존 평면형 전기삼투 펌프와의 비교 하였고, 형상적인 차이에 의하여 1.5 배 높은 값을 가졌다. 또한, 동일한 전기삼투 펌프의 부피에서는 원통형 다공성 유리막을 사용할 때 대략 5 배 정도의 유량 증가를 할 수 있음을 확인하였다.
3 에서 표준화 유량과 동일한 펌프 부피로 환산한 비교 결과를 보여주고 있다. 표준화된 유량은 원통형 다공성 유리막이 평면형 다공성 유리막보다 1.5 배 높은 값을 가졌다. 이는 원통형 다공성 유리막과 평면형 다공성 유리막의 두께, 공극률, 굴곡률(tortuosity) 등과 같은 기하학적 부분의 차이에 의한 것으로 판단되었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
마이크로유체 시스템서에서 마이크로 펌프는 어떤 역할을 수행하는가?
연료전지(fuel cell), 랩온어칩(lab on a chip) 시스템 등과 같은 다양한 휴대용 장치들의 개발을 위한 마이크로유체(microfluidic) 기술들이 계속적으로 발전되고 있다.(1~3) 마이크로유체 시스템에서 마이크로펌프(micropump)는 유체를 이동시키는 중요한 역할을 수행한다. 그러므로 압전소자(piezoelectric)를 이용한 왕복운동식(reciprocating) 펌프, 전기수력학적(electrohydrodynamic) 펌프, 전기삼투(electroosmotic) 펌프 등의 다양한 기술들이 연구되고 있다.
전기삼투 펌프의 장점은?
전기삼투 펌프는 작은 체적에서 높은 유량과 압력을 동시에 발생할 수 있고, 전압의 조절만으로 쉽게 유량 및 유동방향을 조절할 수 있으며 구동부가 없기 때문에 소형화에 유리하다는 장점을 가진다. 그러므로 마이크로칩(microchip)의 냉각,(5) 직접메탄올 연료전지(direct methanol fuel cell)의 연료 공급 장치,(6) 고분자 전해질막 연료전지(polymer electrolyte membrane fuel cell)의 공기 공급 장치,(7) 약물 전달(drug delivery) 장치(8) 등과 같은 다양한 마이크로유체 시스템에 적용이 연구되고 있다.
마이크로펌프는 어떤 종류가 있는가?
(1~3) 마이크로유체 시스템에서 마이크로펌프(micropump)는 유체를 이동시키는 중요한 역할을 수행한다. 그러므로 압전소자(piezoelectric)를 이용한 왕복운동식(reciprocating) 펌프, 전기수력학적(electrohydrodynamic) 펌프, 전기삼투(electroosmotic) 펌프 등의 다양한 기술들이 연구되고 있다. Ashraf 등(4)에서는 최근 개발되고 있는 마이크로 펌프 기술들을 정리하였다.
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