[논문]가역적 산화환원반응 용액을 이용하여 기포 발생을 줄인 다공성 유리막 전기삼투 펌프

권길성; 김대중

doi:10.3795/ksme-b.2012.36.7.753

가역적 산화환원반응 용액을 이용하여 기포 발생을 줄인 다공성 유리막 전기삼투 펌프
Porous Glass Electroosmotic Pumps Reduced Bubble Generation Using Reversible Redox Solutions 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.36 no.7 = no.322, 2012년, pp.753 - 757

초록
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본 연구에서는 요오드이온과 삼요오드이온의 가역적인 산화환원 반응에 의하여 기포를 생성하지 않는 다공성 유리막 전기삼투펌프의 성능 평가에 대한 연구를 수행하였다. 다공성 유리막 전기삼투펌프의 성능은 유량과 전압으로 측정되었다. 전기삼투펌프의 유량과 전압은 적용 전류가 증가할 때 선형적으로 증가하였고, 전압의 경우 일정 시간 후 작동 유체가 산화환원반응을 할 수 있는 용량의 초가로 인하여 급격히 전압이 증가하는 변이 지점이 발생하였다. 변이시간은 전류의 증가에 의하여 단조적으로 감소하였다. 유량을 표면적으로 나눈 표준화된 유량을 이용하여 다공성 유리막과 이전 나피온 막에서의 펌핑 성능을 비교하였고, 다공성 유리막에서 대략 3 배정도 높은 수치를 가졌다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents the performance of a porous glass electroosmotic pump using an iodide/triiodide aqueous solution. The porous glass electroosmotic pump is characterized in terms of the flow rate and voltage. The flow rate and voltage increases linearly with current. A point where the voltage significantly increases is observed owing to an excess in redox capacity. The transition time monotonously decreases with current. The normalized flow rate (flow rate per membrane surface area) is used to compare previous results with results obtained in this study. The normalized flow rate of porous glass frits is three times higher than that of Nafion 117.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 요오드 이온과 삼요오드 이온을 포함하는 수용액을 이용하여 전류의 변화에 따른 다공성 전기삼투펌프의 성능을 평가하였다. 유량 및 전압은 이론에서 예측되는 것과 같이 전류의 증가에 의하여 선형적인 거동을 하였다.

제안 방법

Baker, 3722-05)를 이용 5 분 정도 세정되였으며, 수산화나트륨에 의한 영향을 제거하기 위하여 탈이온수로 초음파 세척기를 이용하여 30 분, 전기삼투펌핑을 이용하여 6 시간 이상 세척되었다. 각 실험 전, 다공성 유리막은 탈이온수를 이용하여 10 분 이상 세정되었으며, 실험 후에는 실험의 독립성을 위하여 탈이온수를 이용 1 시간 이상 세정되었다.
기존 나피온 막을 이용한 연구와의 성능 비교를 위하여 유량을 다공성 막의 표면적으로 나눈 표준화된 유량(normalized flow rate)을 이용하였다. Fig.
본 연구에서는 다공성 유리막 전기삼투펌프를 이용하여 가역적 산화환원반응 용액의 펌핑 성능 및 산화환원 반응이 유지되는 변이시간(transition time)을 평가하였고, 나피온 막을 이용한 기존 연구와 최대유량 측면에서의 비교를 수행하였다.
실제 기포의 발생여부를 확인하기 위하여 동일한 적용전류 하에서 탈이온수와 2 M 요오드화리튬과 0.5 M 요오드 수용액을 이용하여 5 분 동안 작동한 후 유체 Reservoir 의 변화를 가시화하였다. Fig.
2 는 전기삼투펌프의 성능 측정을 위한 실험 장비의 구성도이다. 전기삼투펌프의 성능 측정을 위한 실험은 전기삼투펌프에 전류 인가 및 전압 측정을 동시에 수행할 수 있는 소스미터(Keithley, 2410)을 이용하였고, 유체의 이동거리 측정을 위한 정밀한자로 구성되었다. 펌프의 최대 유량은 배압이 거의 없는 상태로 유체가 튜브(Upchurch, 1507L)로 움직일 때, 유체 메니스커스의 이동거리를 시간으로 측정한 후 튜브의 표면적을 이용하여 계산되었다.
전기삼투펌프의 성능 측정을 위한 실험은 전기삼투펌프에 전류 인가 및 전압 측정을 동시에 수행할 수 있는 소스미터(Keithley, 2410)을 이용하였고, 유체의 이동거리 측정을 위한 정밀한자로 구성되었다. 펌프의 최대 유량은 배압이 거의 없는 상태로 유체가 튜브(Upchurch, 1507L)로 움직일 때, 유체 메니스커스의 이동거리를 시간으로 측정한 후 튜브의 표면적을 이용하여 계산되었다.

대상 데이터

본 연구에서는 작동 유체로 요오드화리튬(Lil, Sigma Aldrich, 218219)과 요오드(I₂, Acros Organics, 7553-56-2)가 융해된 수용액이 사용되었다. 요오드의 경우 요오드 이온을 포함하고 있는 수용액에 융해될 때, 삼요오드 이온의 형태로 변형된다.
3 은 전류의 변화에 따른 전기삼투펌프의 유량 및 전압의 변화이다. 성능 측정을 위한 작동 유체로는 기존 연구에서 최적의 성능을 보였던 2 M 요오드화리튬과 0.5 M 요오드 수용액을 사용하였고, 적용 전류는 40 mA 부터 90 mA 까지 10 mA 씩 증가시켜 가며 수행하였다. 전기삼투펌프의 성능은 기존 이론식⁽¹⁹⁾들에서 확인할 수 있듯이 적용되는 전류의 변화에 의하여 선형적인 거동을 하였다.
1 은 전기삼투펌프의 구성도이다. 전기삼투펌프는 용매에 대한 내성이 좋은 polyvinyl chloride(PVC)로 제작되었고, 전기삼투유동 발생을 위한 다공성유리막(DURAN, SM2515105), 전기장인가를 위한 백금선(I-Nexus, 99.99%), 유체가 외부로 누출되는 것을 방지하기 위한 ethylene propylene diene monomer(EPDM) 가스켓, 유체의 외부로의 유동을 위한 스테인리스 스틸 튜브(Scanivalve, TUBN-063)로 구성되었다. 다공성 유리막의 지름과 두께는 디지털 버니어캘리퍼스(Mitutoyo, CD-15CPX)를 이용하여 측정되었고, 그 측정결과는 각각 10 mm, 2 mm 를 가졌다.

데이터처리

다공성 유리막의 지름과 두께는 디지털 버니어캘리퍼스(Mitutoyo, CD-15CPX)를 이용하여 측정되었고, 그 측정결과는 각각 10 mm, 2 mm 를 가졌다. 공극률(porosity)는 젖음 상태와 마른 상태일 때의 무게를 0.001 g 의 정밀도를 가지는 전자저울(Ohaus, VPG214CN)을 이용하여 측정되었고, 측정된 값을 다공성 유리막의 체적과 유체의 밀도 등을 이용하여 계산하였으며, 그 결과는 0.35 를 가졌다. 굴곡률(tortuosity)은 문헌에서 제시하는 다공성 유리막의 값인 1.

성능/효과

그러나 전류가 적용된 후 일정 시간이 지나면 요오드 이온과 삼요오드 이온의 산화환원반응 용량을 초과하여 급격하게 전압이 증가하였고, 펌프내부에 기포가 발생하였다. 기존 연구와의 비교를 위하여 동일한 전류하 에서 유량을 다공성 막의 표면적으로 나눈 표준화된 유량을 사용하였고, 다공성 유리막을 이용할 때 나피온 막을 이용한 경우보다 3 배 정도 높은 표준화 유량 값을 가졌다.

후속연구

향후 연구에서는 요오드화 이온과 삼요오드화 이온의 농도 등에 대한 최적화를 수행하고, Fig. 7과 같이 작동 유체의 왕복 운동을 이용하는 유압식 약물전달(drug delivery) 장치로의 활용가능성에 대한 연구를 수행할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전기삼투펌프는 어떤 펌프인가?	전기삼투펌프(electroosmotic pump, EOP)는 전기이중층(electric double layer, EDL)의 이온들이 외부의 전기장에 의한 끌림힘(ion drag force)으로 유체의 유동이 발생하는 전기삼투유동(electroosmotic flow, EOF)에 기반을 둔 펌프로서, 높은 유량과 압력을 동시에 발생할 수 있다는 점과 구동부가 없는 구조로 제작되기 때문에 소형화에 유리하다는 점으로 인하여 다양한 마이크로펌프(micropump)의 응용분야에 적용되고 있다.(1~4) 그러나 낮은 열역학적 효율과 전극에서 이온의 교환에 의하여 발생하는 기포로 인한 장시간 작동안정성에 대한 문제를 가지고 있다.
	전기삼투펌프의 낮은 효율을 개선하기 위한 연구는 주로 어디서 수행되고 있는가?	전기삼투펌프의 낮은 효율을 개선하기 위한 연구는 주로 펌프의 성능에 직접적인 영향을 주는 다공성 막(porous membrane)의 재료와 구조, 그리고 작동 유체(working fluid)들에서 수행되고 있다. 이로 인해, 다공성 유리막(porous glass frits), 다공성 알루미나막(porous anodic alumina membrane), 다공성 고분자막(porous polymer membrane), 다공성 실리콘막(porous silicon membrane)과 같은 다양한 다공성 막을 이용한 연구와 탈이온수(deionized water), 메탄올, 아세톤, 완충액(buffer solution)등과 같은 다양한 작동 유체에 대한 연구가 보고되고 있다.
	전기삼투펌프의 단점은 무엇인가?	전기삼투펌프(electroosmotic pump, EOP)는 전기이중층(electric double layer, EDL)의 이온들이 외부의 전기장에 의한 끌림힘(ion drag force)으로 유체의 유동이 발생하는 전기삼투유동(electroosmotic flow, EOF)에 기반을 둔 펌프로서, 높은 유량과 압력을 동시에 발생할 수 있다는 점과 구동부가 없는 구조로 제작되기 때문에 소형화에 유리하다는 점으로 인하여 다양한 마이크로펌프(micropump)의 응용분야에 적용되고 있다.(1~4) 그러나 낮은 열역학적 효율과 전극에서 이온의 교환에 의하여 발생하는 기포로 인한 장시간 작동안정성에 대한 문제를 가지고 있다.(5)

참고문헌 (20)

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Bard, A.J., Faulkner, L. R, 1980, Electrochemical Methods, John Wiley & Sons, New Yourk.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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