Microfluidic devices based on the electrokinetic energy conversion phenomena can be used as a pump delivering liquids in small sized channels or as a power generator supplying very small amounts of electrical power. In this work, we propose theoretical and numerical modeling methods to accurately predict the performance and efficiency of these microfluidic electrokinetic energy conversion devices. For this, we investigate the fundamental transport mechanism in silica micro- and nanochannels analytically and numerically.
We propose the self-consistent Poisson-Boltzmann (PB) model derived from the complete set of constitutive equations. This model describes the general electrokinetic transport process in the microchannel. Solute flow rate, current, and volume flow rate are cross-coupled with input forces such as the hydrostatic pressure, the electromotive force, and the osmotic pressure through the Onsager reciprocal theorem. We propose a simple and reliable physicochemical boundary condition at the interface between the channel surface and the solution that takes into account the effect of the Stern layer conduction and the dependence of the surface charge density on solution pH and ionic concentration. It is found that the Stern layer conduction always lowers the energy conversion efficiency and it is becoming more distinct in the nanochannel where the electric double layer is prone to overlap. We validate the self-consistent PB model by comparison with the experimental results for a fused silica capillary with an inner diameter of 20μm. It is found that the theoretical model predicts the systematic dependencies of the streaming current, the streaming potential, and the electrokinetic energy conversion efficiency on pH and ionic concentration well.
We propose the self-consistent Nernst-Planck (NP) model to characterize the electrokinetic transport in the nanochannel. The proposed model successfully describes nonlinear behavior such as the concentration polarization effect that occurs in the vicinity of the channel inlet and outlet. It is found that the Stern layer charge plays an important role in determining the electrokinetic parameters in the overlapping electric double layer regime regardless of driving forces. In particular, conventional definitions for the streaming current and the electrical current which consider only the effect of the conjugated forces are not correct for the electrokinetic flow in the nanochannel. With the consistent assumption for the mobility of the Stern layer charge, the self-consistent NP model shows good agreement with previous experimental data. We expect that the proposed modeling methods pave the way for exploiting highly performing electrokinetic energy conversion devices.
동전기적 에너지 변환 현상을 이용한 마이크로 유체 장치는 미소유체의 이송을 위한 펌프 혹은 초소형의 크기를 갖고 저전력을 소모하는 마이크로 장치에 전력을 공급하는 발전기로 사용될 수 있다. 본 연구에서는 이러한 마이크로 유체 장치의 개발을 위해 성능 및 효율을 정확히 예측할 수 있는 해석 및 수치적 모델을 제안하고 이를 실험적으로 검증하고 한다. 에너지 변환 마이크로 유체 장치의 성능을 해석하고 최적화 하기 위해서는 미소채널 내의 유체 유동, 압력 강하, 이온 농도, 전류, 포텐셜 분포 등에 대한 정확한 모델링이 요구된다. 본 연구에서는 마이크로미터 및 나노미터 크기의 특성길이를 갖는 미소채널들에서의 에너지 변환 현상에 대해 논의한다.
마이크로채널 내의 동전기적 전달 현상을 해석하기 위해 Self-consistent Poisson-Boltzmann (PB) 모델을 제안한다. 이 모델을 이용해 마이크로채널 내에서의 체적 유량, 전류, 용질 유량 등을 정확히 예측할 수 있는 구성 방정식을 유도한다. 특별히 쉽고 간편하면서 계면에서의 물리화학적 성질을 잘 표현하는 경계 조건을 제안한다. Self-consistent PB 모델에 따르면 전해질의 농도와 pH에 따라 계면에서의 제타 포텐셜 및 표면 전하 밀도가 변화하고, Stern층을 통한 전기 전도도의 크기가 전체 동전기적 전달 현상에서 무시할 없는 부분을 차지한다. 내경이 20μm인 마이크로채널 내의 유동 전류(Streaming current), 전기 전류(Electrical current), 유동 전위(Streaming potential) 및 동전기적 에너지 변환 효율 등을 측정하여 본 연구에서 제시한 모델의 타당성을 검증한다.
나노채널 내의 동전기적 전달 현상은 본 연구에서 제안한 Self-consistent Nernst-Planck (NP) 모델을 통해 해석한다. 100nm 내외의 높이의 슬릿 채널 내부에서는 일반적으로 벽면에서 성장한 전기 이중충(Electric double layer)이 중첩되고 이로 인해 농도 분극(Concentration polarization)과 같은 비선형적인 거동이 채널의 입·출구 부근에서 발견되는데, 본 모델은 이러한 현상을 훌륭히 예측한다. 또한 Self-consistent NP 모델은 나노채널 내에서의 유동 전류, 전기 전류 및 동전기적 에너지 변환 효율 등에 대한 기존의 실험 결과들을 정확히 예측한다.
따라서 본 연구에서 제안한 해석 및 수치적 모델을 바탕으로 고성능 및 고효율의 동전기적 에너지 변환 마이크로 장치가 개발 될 수 있을 것으로 기대된다.
