KR100947028B1 - 비전도체 정전분무장치 및 정전분무 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전기전도성 용액이 통과하는 모세관 및 모세관을 통과한 전기전도성 용액이 분무되는 비전도성 재질의 노즐부로 이루어진 홈 노즐; 모세관에 전기전도성 용액을 공급하는 유체 공급장치; 및 모세관에 전압을 인가하는 전압인가부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 비전도성 정전분무장치 및 분무방법에 관한 것이다. 노즐부는 모세관을 통과한 전기전도성 용액이 분사되도록 복수 개의 돌출부가 형성되어 있고, 비전도체의 재질인 것을 특징으로 하는 비전도체 정전분무장치에 관한 것이다. 본 발명인 비전도체 정전분무장치는 고유량 조건에서 안정적으로 다수의 콘젯을 발생시켜 고유량 분무를 만족하면서, 소형화가 가능하여 고집적화가 가능하다는 장점이 있다.
정전분무, 비전도체, 홈 노즐, 콘젯모드, 고유량, 고집적

Description

비전도체 정전분무장치 및 정전분무 방법{Nonconductor Electrostatic Spray Apparatus and Method Thereof}
본 발명은 정전분무장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고유량 조건에서 안정적으로 다수의 콘젯을 발생시켜 고유량 분무를 만족하면서, 소형화가 가능하여 고집적 다중 홈 노즐 장치에 적합한 고유량 정전분무를 위한 비전도체 정전분무장치 및 정전분무방법에 관한 것이다.
일반적으로 정전분무장치는 순수하게 전기력 만에 의하여 액체를 작은 액적들로 분열시키는 분무장치를 말한다. 이러한 정전분무는 콘젯모드(Cone-Jet Mode)에서 단분산 분포를 갖는 하전된 미세액적을 발생시키는 특성을 갖는다. 하지만, 콘젯모드는 저유량에서만 나타나기 때문에 실제 정전분무가 응용되는 분야는 한정되어 있다. 이러한 저유량의 문제점을 해결하기 위하여 다수의 일반적인 노즐을 이용하여 다중노즐을 제작하더라도 하나의 노즐에서 나오는 유량이 적기 때문에 큰 효과를 얻기 힘든 문제점이 있다.
이러한 저유량의 문제를 해결하기 위하여 2006년 Duby등이 개발한 전도체 홈 노즐은, 노즐 팁에 가공된 여러 개의 홈 모서리에서 발생하는 강한 전기장을 이용 하는 것이다. 이는 멀티젯모드(Multi-Jet Mode)에서 발생하는 복수 개의 콘젯을 각 홈에 한 개씩 할당하여 안정적으로 제어할 수 있어, 하나의 노즐에서 안정된 콘젯모드가 발생하는 효과가 있다.
그러나 전도체 홈 노즐의 경우 홈의 모서리와 홈 노즐 팁 외각에서 발생하는 강한 전기장의 반발력으로 인하여 다중 노즐화가 어려운 문제가 있다. 또한, 현재의 제작 기술로는 전도체 홈 노즐을 MEMS공정을 이용하여 생산한 소형 노즐처럼 가공이 어려워 고집적의 한계를 갖는다. 따라서 단일 노즐로 정전분무가 가능하지만, 고집적의 한계가 있으므로 정전분무의 유량문제를 크게 개선하지는 못하는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 본 발명은 종전 전도체 홈 노즐의 장점인 고유량 분무를 만족하면서도, 초소형 고집적이 가능한 비전도체 정전분무장치 및 분무방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 구체적인 수단으로 비전도체 정전분무장치는, 전기전도성 용액이 통과하는 모세관 및 모세관을 통과한 전기전도성 용액이 분무되는 비전도성 재질의 노즐부로 이루어진 홈 노즐; 모세관에 전기전도성 용액을 공급하는 유체 공급장치; 및 모세관에 전압을 인가하는 전압인가부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 비전도체 정전분무장치에 있어서, 노즐부가 상기 모세관을 통과한 전기전도성 용액이 분사되도록 복수 개의 홈이 형성되어 있다.
또한, 노즐부의 홈은 방사형으로 배열되어 고유량 분무가 가능한 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명의 목적은 또 다른 카테고리로써, 유체 공급장치에서 홈 노즐의 모세관으로 전기전도성 용액을 공급하는 단계; 공급된 용액이 극성 이온을 갖게 하기 위해 전압인가부로부터 홈 노즐의 모세관으로 극성전압을 인가하는 단계; 극성 이온을 띠는 전기전도성 용액이 홈 노즐의 노즐부로 이동하여 노즐부 하단에 형성된 다수의 홈을 각각의 유로로 이용하여 각 홈에서 콘젯이 생성되며 전기전도성 용액이 분무하는 단계;를 포함하는 정전분무방법을 특징으로 한다.
본 발명인 비전도체 정전분무장치의 노즐부를 비전도체로 이용하여 구현한바, 노즐부 자체에서 발생하는 전기장이 없어 다중 홈 노즐의 제작이 용이하다.
그리고, MEMS공정을 이용하여 소형화가 가능하므로 고집적화에 유리하기 때문에 분무장치의 유량 제약을 완화하여 분무 효율을 향상할 수 있다.
또한, 홈모드를 형성하는 전압구간이 넓어 정전분무의 안정성이 향상되며, 코로나 방전을 발생시키지 않아 안전하게 사용할 수 있는 효과가 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
<정전분무장치의 구성>
도 1은 본 발명에 따른 정전분무장치의 구성을 나타내는 개략도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 정전분무장치는 홈 노즐(100), 홈 노즐(100)의 모세관(10)의 일단과 연결설치되는 유체 공급장치(300) 및 홈 노즐(100)의 모세관(10)의 일단과 전선 등을 통해 연결설치되는 전압인가부(200)로 이루어진다.
도 2는 본 발명에 따른 홈 노즐의 사시도를 도시한 것이고, 도 3은 본 발명에 따른 노즐부의 저면도를 도시한 것이고, 도 4는 본 발명에 따른 노즐부의 측면도를 도시한 것이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 홈 노즐(100)은 모세관(10) 및 노즐부(20)로 구성된다.
여기서, 모세관(10)은 유체 공급장치(300)에서 공급되는 소정의 전기전도성 용액(600)(이하 '작동유체'라고 함)이 지나가기 위해 외경이 1.6mm이고, 중공인 관으로 이루어진다. 모세관(10)은 전압인가부(200)로부터 인가되는 극성전압에 따라 공급되는 작동유체(600)가 해당 이온을 갖도록 하기 위해 전압을 인가할 수 있는 전도성 재질로 이루어진 것이라면 어떠한 재질을 사용하여도 무방하다. 하지만, 바람직하게는 알루미늄 또는 스테인리스 재질인 것이 좋다.
본 발명에 따른 노즐부(20)는 모세관(10)의 하부에 구비되고, 모세관(10)이 결합할 수 있도록 모세관(10)의 외경과 동일한 1.6mm의 내경을 갖는 관형상으로 이루어진다. 노즐부(20)의 하단에는 작동유체가 배출되는 복수 개의 돌출부(30) 및 홈(40)이 방사형으로 형성된다. 복수 개의 돌출부(30) 및 홈(40)은 홈(40)을 유로로 하여 흐르는 작동유체(600)의 유량을 동일하게 하기 위해 동일한 크기로 형성하는 것이 좋다. 그리고 노즐부(20)는 비전도성 재질로 이루어진 것이 좋고, 바람직하게는 열경화성 수지로 이루어진 것이 좋다.
모세관(10) 및 노즐부(20)를 통과한 작동유체(600)는 노즐부(20) 하단에 형성된 다수 개의 돌출부(30) 사이로 형성된 홈(40)을 유로로 작용하여 액체 콘(601)이 형성되고 유지된다. 비전도성 재질로 이루어진 노즐부(20)를 구비한 정전분무장치는 노즐부(20) 자체에서 발생하는 전기장이 없다. 그러므로 코로나 방전이 발생하지 않아 안전하고, 액적에 의한 공간전하 효과만 발생한다. 또한, MEMS 공정 등을 통하여 소형화할 수 있어 고집적화가 가능하다.
노즐부(20)에 형성된 돌출부(30) 및 홈(40)의 개수가 12개이고, 홈 노 즐(100)로 흐르는 작동유체(600)의 유량이 12ml/h인 경우, 도 5의 그래프에서 나타낸 바와 같이, 12개의 홈(40)에서 각각 생성되는 액적 크기는 거의 동일하다. 또한, 하나의 홈(40)에서 발생하는 액적 크기와 전하량은 유량이 1ml/h인 일반 노즐의 콘젯 모드 분무와 동일하다. 즉, 일반 노즐 12개의 유량을 하나의 홈 노즐로 대체할 수 있다. 여기서, 도 5의 수평축은 각각의 홈을 나타낸 것이고, 수직축은 액적의 크기를 나타낸 것이다.
본 발명에 따른 유체 공급장치(300)는 홈 노즐(100)에 구비된 모세관(10)으로 작동유체(600)를 공급하는 구성으로 이루어졌다. 이러한 기능을 수행할 수 있는 것이라면 어떠한 유체 공급장치(300)를 사용하여도 무방하다. 하지만, 바람직하게는 주사기 펌프를 사용하는 것이 좋다.
본 발명에 따른 전압인가부(200)는 모세관(10)으로 극성전압을 인가하는 구성으로 이루어졌다. 이러한 기능을 수행할 수 있는 것이라면 어떠한 장치를 사용하여도 무방하다. 하지만, 바람직하게는 전압 발생기를 사용하는 것이 좋다. 전압인가부(200)에서 모세관(10)으로 '+' 전극을 갖는 전압을 인가하면, 작동유체(600)에 용해되었던 음(-)이온들은 모세관(10)의 내벽면으로 착상 또는 이동한다. 그리고 작동유체(600)는 모세관(10)에 인가된 양(+)이온과 작동유체 내에 남아있는 양(+)이온의 반발력에 의해 모세관(10) 외부로 분출되어 노즐부(20)로 이동한다.
<정전분무장치의 동작>
비전도체 정전분무장치는 홈 노즐(100)의 노즐부(20)에 형성된 다수의 돌출 부(30) 사이에 형성된 홈(40)을 각각의 유로로 이용하여 콘젯이 돌출부에서 생성되고 유지되는 방식을 이용한다.
도 6은 본 발명에 따른 정전분무장치의 특성을 파악하기 위한 개략적인 실험장치도를 도시한 것이다. 유체 공급장치(300)인 주사기 펌프는 홈 노즐(100)에 구비된 모세관(10)으로 작동유체(600)를 공급한다(S100). 작동유체(600)에 극성이온을 띠게 하기 위해 전압인가부(200)인 전압 발생기로부터 모세관(10)에 고압의 극성 전압을 인가한다(S200). 본 실험장치에서는 홈 노즐(100)의 노즐부(20)와 전극판(400)의 거리를 30mm로 하여 구성하였다. 여기서, 전극판(400)은 전도성 재질의 금속판을 사용한다. 미세전류측정기(500)는 전극판(400)에 연결되어 전극판(400)에 흐르는 전류를 측정한다. 본 실험에서 작동유체(600)는 에탄올을 사용하고, 작동유체의 유량은 6ml/h이다.
전압인가부(200)에서 홈 노즐(100)의 모세관(10)으로 수십 kV의 양(+) 고전업을 걸어주면 모세관(10)이 양극으로 작용하여 작동유체(600) 속의 음(-)이온들이 인력을 받아 모세관(10)의 내벽면으로 이동한다. 이때, 양(+)이온들은 반발력에 의하여 노즐부(20)의 하부로 이동하게 된다. 노즐부(20)의 하부로 이동한 작동유체(600)는 노즐부(20) 하단에 형성된 다수의 홈(40)을 유로로 이용하여 콘젯이 형성 되며 작동 유체를 분무한다(S300). 작동 유체(600)에 인가되는 전압이 작을 경우, 전기력과 양(+)이온의 반발력이 작동액체의 표면장력보다 작아 액적(603)이 분무되지 않지만, 전압이 증가하면 전기력과 양(+)이온의 반발력이 작동유체(600)의 표면장력보다 커져, 홈 노즐(100)에 구비된 노즐부(20)에서 작동유체(600)의 액 적(603)이 분무된다. 즉, 전압이 더 증가되면 노즐부(20)에 형성된 다수의 돌출부(30) 사이의 홈(40)에는 액체 콘(601)이 형성된다. 액체 콘(601)으로 형성된 작동유체(600)가 표면전단응력을 받아 액주(602)가 형성된다. 형성된 액주(602) 끝에서는 액주(602) 표면에 작용하는 표면파의 교란으로 인하여 액적(603)들로 깨어지게 되어 분무된다. 이를 콘젯모드(Cone-Jet Mode)라고 한다.
본 발명에 따른 정전분무장치는 다수의 홈(40)에서 다수의 콘젯이 형성되는 바 이를 멀티젯모드(Multi-Jet Mode)라고 한다.
도 8은 전압 인가부에서 인가되는 전압이 증가함에 따라 분무 전류의 변화를 나타낸 그래프이고, 도 9는 본 발명에 따른 비전도체 정전분무장치의 홈 모드 분무형상을 나타낸 사진이다. 여기서, 도 8의 수평축은 전압인가부(200)에서 모세관 (10)으로 인가되는 전압이고, 수직축은 미세전류측정기(500)에서 측정되는 분무전류이다. 비전도체 정전분무장치는 고전압이 인가된 작동유체(600)가 형성하는 전기장에 의해 분사되므로 인가전압에 따른 전기장의 변화가 전도성 분무장치에 비하여 상대적으로 적다. 따라서 콘젯모드가 발생하는 전압구간과 홈모드 발생 전압구간이 전도체 홈노즐과 비교하여 상대적으로 넓다. 멀티젯모드에서 전압을 계속 증가시키면 일정전압조건 이상에서 노즐부(20)에 가공된 홈(40)의 개수와 같은 수의 젯이 콘젯모드와 같은 형상을 나타내고, 일정 전압 동안 이러한 모드가 유지되는데 이를 홈 모드라고 한다. 홈 모드 역시 콘젯모드와 마찬가지로 전압이 증가하여도 분무전류가 일정하게 유지되는 것을 도 8 및 도 9를 통해 확인할 수 있다.
<변형례>
본 발명의 또 다른 실시예로, 상기 노즐부(20)는 방사형으로 배열된 경우뿐만 아니라, 반구형, 수직형 등으로 배열하여 고유량 정전분무를 가능하게 할 수 있다.
다른 실시예로, 본 발명인 비전도체 정전분무장치는 VOC 및 악취제거를 위한 촉매연소장치에도 적용가능하고, 전기집진기 효율 향상을 위한 입자 하전장치에 적용가능하며, 반도체 및 LCD 등의 박막 코팅장치에도 적용가능함은 물론이다.
이상에 설명한 바와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 상술한 실시예들은 모든 면에 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명에 따른 비전도체 정전분무장치의 구성을 나타내는 개략도,
도 2는 본 발명에 따른 홈 노즐의 사시도,
도 3은 본 발명에 따른 노즐부의 저면도,
도 4는 본 발명에 따른 노즐부의 측면도,
도 5는 본 발명에 따른 노즐부에 형성된 각각의홈에서 발생되는 액적의 크기를 유량에 따라 나타낸 그래프,
도 6은 본 발명에 따른 비전도체 정전분무장치의 특성을 파악하기 위한 개략적인 실험장치도,
도 7은 본 발명에 따른 정전분무방법을 단계별로 도시한 순서도,
도 8은 본 발명에 따른 전압발생부에 의해 작동유체로 인가되는 전압이 증가됨에 따른 정전분무 모드를 나타낸 그래프,
도 9는 본 발명에 따른 비전도체 정전분무장치의 홈 모드 분무형상을 나타낸 사진.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 모세관 20 : 노즐부
30 : 돌출부 40 : 홈
100 : 홈 노즐 200 : 전압인가부
300 : 유체 공급장치 400 : 전극판
500 : 미세전류측정기 600 : 전기전도성 용액(작동유체)
601 : 액체 콘(Liquid Cone) 602 : 액주
603 : 액적

Claims (11)

  1. 전기전도성 용액이 통과하는 전도성 재질의 모세관(10) 및 상기 모세관(10)을 통과한 상기 전기전도성 용액이 분무되는 하단에 크기가 동일한 복수개의 돌출부(30) 및 홈(40)이 형성된 비전도성 재질의 노즐부(20)로 이루어진 홈 노즐 (100);
    상기 모세관(10)의 일단에 상기 전기전도성 용액(600)을 공급하는 유체 공급장치(300); 및
    상기 모세관(10)에 6kV 내지 12kV의 전압을 인가하는 전압인가부(200);를 포함하는 것을 특징으로 하는 비전도체 정전분무장치.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 모세관(10)은 알루미늄 또는 스테인리스 스틸 재질인 것을 특징으로 하는 비전도체 정전분무장치.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 노즐부(20)는 열경화성 수지인 것을 특징으로 하는 비전도체 정전분무장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 유체 공급장치(300)는 주사기 펌프인 것을 특징으로 하는 비전도체 정전분무장치.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 전압인가부(200)는 전압 발생기인 것을 특징으로 하는 비전도체 정전분 무장치.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 유체 공급장치(300)에서 상기 모세관(10)으로 공급되는 상기 전기전도성 용액(600)은 모세관(10)으로 인가되는 극성전압에 따라 해당 극성 이온을 갖는 것을 특징으로 하는 비전도체 정전분무장치.
  11. 제 1항에 따른 비전도체 정전분무장치의 분무방법에 있어서,
    유체 공급장치(300)에서 홈 노즐(100)의 모세관(10)으로 전기전도성 용액 (600)을 공급하는 단계(S100);
    공급된 전기전도성 용액(600)이 극성 이온을 갖도록 하기 위해 전압인가부(200)로부터 상기 홈 노즐(100)의 모세관(10)으로 극성전압을 인가하는 단계(S200); 및
    극성 이온을 띠는 전기전도성 용액(600)이 상기 홈 노즐(100)의 노즐부(20)로 이동하여 노즐부(20) 하단에 형성된 다수의 홈(40)을 각각의 유로로 이용하여 각 홈(40)에서 콘젯이 생성되며 상기 전기전도성 용액(600)이 분무하는 단계(S300);를 포함하는 것을 특징으로 하는 비전도체 정전분무장치의 정전분무방법.
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