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원통형 다공성 유리막을 이용한 전기삼투 펌프의 연구
Characteristics of Electroosmotic Pump with Cylindrical Porous Glass Frits 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.36 no.6 = no.321, 2012년, pp.619 - 624  

권길성 (서강대학교 기계공학과) ,  김대중 (서강대학교 기계공학과)

초록
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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.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

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...

주제어

AI 본문요약
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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.
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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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참고문헌 (18)

  1. Kundu, A.M., Jang, J. H., Gil, J. H., Jung, C. R., Lee, H. R., Kim, S. H., Ku, B., Oh, Y. S., 2007, "Micro- Fuel Cells- Currend Development and Applications," Journal of Power Sources, Vol. 170, No. 1, pp. 67-78. 

  2. Lueke, J. and Moussa, W. A., 2011, "MEMS-Based Power Generation Techniques for Implantable Biosensing Applications," Sensors, Vol. 11, No. 2, pp. 1433-1460 

  3. Dutse, S. W. and Yusof, N. A., 2011, " Microfluidics- Based Lab-on-a-Chip Systems in DNA-Based Biosensing: An Overview," Sensors, Vol. 11, No. 6, pp. 5754-5768. 

  4. Ashraf, M. W.M., Tayyaba, S. and Afzulpurkar N., 2011, "Micro Electromechanical Systems (MEMS) Based Microfluidic Devices for Biomedial Applications," International Journal of Molecular Sciences, Vol. 12, No. 6, pp. 3648-3704. 

  5. Jiang, L., Mikkelsen, J., Koo J. M., Huber, D., Yao, S., Zhang, L., Zhou, P., Maverty, J. G., Prasher, R., Santiago, J. G., Kenny, T. W. and Goodson, K. E., 2002, "Closed-Loop Electroosmotic Microchannel Cooling System for VLSI Circuits," IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies, Vol. 25, No. 3, pp. 347-354. 

  6. Buie, C. R., Kim, D., Liester, S. and Santiago, J. G., 2007, "An Electro-Osmotic Fuel Pump for Direct Methanol Fuel Cells," Electro Chemical and Solid- State Letters, Vol. 10, No. 11, pp. B196-B200. 

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  8. Litster, S., Suss, M. E. and Santiago, J. G., 2010, "A Two-Liquid Electroosmotic Pump Using Low Applied Voltage and Power," Sensors and Actuators A: Physics, Vol. 163, No. 1, pp. 311-314. 

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  10. Kim, D., Posner J. D. and Santiago, J. G., 2008, "High Flow Rate per Power Electroosmotic Pumping Using Low Ion Density Solvents," Sensors and Actuators A: Physics, Vol. 141, No. 1, pp. 201-212. 

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  13. Chen Y. F., Li, M. C., Hu, Y. H., Chang W. J. and Wang, C, C., 2008, "Low-Voltage Electroosmotic Pumping Using Porous Anodic Alumina Membranes," Microfluidics and Nanofluidics, Vol. 6, No. 2, pp. 145-162. 

  14. Yao, S., Myers, A. M., Posner, J. D., Rose, K. and Santiago, J. G., 2006, "Electroosmotic Pumps Fabricated from Porous Silicon Membranes," Journal of Microelectromechanical Systems, Vol. 15, No. 3, pp. 717-728. 

  15. Zeng, S.M Chen, C. H., Mikkelsen, J. C. and Santiago, J. G., 2002, "Fabrication and Characterization of Electroosmotic Micropumps," Sensors and Actuators B: Chemical, Vol. 79, No. 2-3, pp. 107-114. 

  16. Yao, S. and Santiago, J. G., 2003, "Porous Glass Electroosmotic Pumps: Theory," Journal of Colloid and Interface Science, Vol. 268, No. 1, pp. 133-142. 

  17. Griffiths, S. K. and Nilson, R. H., 2005, "The Efficiency of Electrokinetic Pumping at a Conditions of Maximum Work," Electrophoresis, Vol. 26, No. 1, pp. 351-361. 

  18. Kwon, K., Park, C. W. and Kim, D., 2011, "Comparison of Electro-Osmotic Pumps with Two Different Types of Porous Glas Frits," Transactions of KSME (B), Vol. 35, No. 4, pp. 379-383. 

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