KR101397384B1

KR101397384B1 - 스프레이 노즐 및 이를 이용한 코팅 시스템

Info

Publication number: KR101397384B1
Application number: KR1020130033536A
Authority: KR
Inventors: 변도영; 부닷귀엔; 성백훈
Original assignee: 엔젯 주식회사
Priority date: 2013-03-28
Filing date: 2013-03-28
Publication date: 2014-05-20
Also published as: US20140291424A1

Abstract

본 발명은 분사용액을 단계적으로 미립화하여 균일한 크기의 미세 액적을 안정적으로 분사할 수 있고, 분무량을 향상시켜 대량생산 공정에 적용할 수 있는 스프레이 노즐 및 이를 이용한 코팅 시스템에 관한 것이며, 기판을 향하여 액체를 분사하는 액체 노즐과 기체가 분사되며 상기 액체의 분사경로 상에서 액체와 충돌하도록 기체를 분사하여 액체를 1차적으로 미립화하는 기체 노즐을 내부에 수용하는 케이스의 내부에서 액체를 1차적으로 미립화시키며, 상기 액체 노즐에 전압을 인가하는 전압공급부에 의해 상기 액체 노즐과 기판 사이에 전기장을 형성하여 상기 액체가 2차적으로 미립화하는 스프레이 노즐 및 이를 이용한 코팅 시스템에 대한 것이다.

Description

스프레이 노즐 및 이를 이용한 코팅 시스템{SPRAY NOZZLE AND SYSTEM FOR COATING FOR THE SAME}

본 발명은 스프레이 노즐 및 이를 이용한 코팅 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 분사용액을 단계적으로 미립화하여 균일한 크기의 미세 액적을 안정적으로 분사할 수 있고, 분무량을 향상시켜 대량생산 공정에 적용할 수 있는 스프레이 노즐 및 이를 이용한 코팅 시스템에 관한 것이다.

자동차, 건축 등의 전통적인 산업 분야뿐만 아니라 디스플레이, 태양전지 등의 제조공정에서도 코팅 공정은 필수적이다. 특히 유기태양전지 및 유기 발광 다이오드(Organic Light Emitting Diodes : OLED) 등의 디스플레이 제조시에는 수십에서 수백 나노미터 두께의 정밀한 코팅이 요구된다. 또한, 코팅면의 거칠기 및 균일도는 제품의 성능에 매우 큰 영향을 미치므로 초미세 액적을 이용할 수 있어야 하며, 생산성 관점에서 대량의 액을 빠르게 코팅할 수 있어야 한다.

최근에는 터치스크린의 응용이 확대되면서 스마트폰, 테블릿, 노트북 컴퓨터 등의 터치윈도우 표면에 적용되는 방오코팅(Anti-Fingerprint Coating) 또는 반반사코팅(Anti-Reflecting Coating) 등이 기존의 진공공정이 아닌 습식공정을 이용한 코팅으로 전환되고 있다.

기존의 스프레이 코팅을 위해 액체를 미립화하는 기술을 압력 에너지, 기체 에너지, 원심력 에너지, 역학적 에너지 및 전기 에너지를 이용하는 방법으로 크게 구분할 수 있다.

여기서, 압력 에너지를 이용하는 방법은 압력 분사 밸브를 사용하는 방법으로서 미립화 하고자 하는 액체를 단공 또는 다공분사노즐, 와류분사밸브(심플렉스, 듀플렉스, 듀얼오리피스, 환류식 등)를 통과시켜 스프레이를 생성한다. 주로 가스 터빈 연소기에 주입되는 액체연료를 분무하기 위하여 이용되는 방법으로서 대략 20~250㎛ 범위의 큰 액적을 무작위하게 생성한다. 따라서, 압력 에너지를 이용하는 방법은 정교한 코팅 기술에 적용하기에는 어렵다는 문제가 발생한다.

또한, 휠 아토마이저 또는 회전컵 아토마이저를 이용하는 원심력 에너지를 이용하는 방법은 10~200㎛ 범위의 액적을 무작위로 생성하는 방법으로 주로 세척, 농업 분야에 주로 사용된다. 이 방법은 중심부를 코팅하지 못하므로 균일한 코팅 기술에 적용하기에는 어렵다는 문제가 발생한다.

한편, 기체 에너지를 이용하는 방법으로 이유체 분사밸브를 이용하여 저속, 저압 상태의 다량의 기체를 주입되는 액체의 제트에 분사하여 미립화하는 기체충돌 아토마이저와 고속 상태의 소량의 기체를 액체제트에 분사하는 기체보조 아토마이저방법이 있다. 이 방법은 박막 습식 코팅에 주로 사용되나, 미립화한 액적의 크기가 15~200㎛로 무작위하게 생성되어 정밀한 박막 코팅을 형성하기 어려우며, 코팅면에 얼룩이 발생하고, 기체를 고속으로 분사시 강한 유속이 미립화한 액적을을 기판에 충돌시켜 되튀김 현상을 발생시킨다. 또한, 기판을 벗어나는 코팅액이 과다하여 고가의 코팅액이 낭비되어 제조비가 증가하며, 사용할 수 있는 액체의 점도가 50cp 이하로 매우 제한적이어서, 기능성 재료를 개발하거나 적용함에 있어 코팅 기술의 한계 때문에 다양하게 개발하기가 어려운 문제점이 발생한다.

또한, 역학적 에너지를 이용하는 방법으로는 액체에 압전작동기 등을 이용한 고주파의 신호를 인가하여 액체를 미립화하여 분사하는 초음파 스프레이 기술이 대표적이다. 이는 기체 에너지를 이용하는 방법보다 액적을 더 미립화할 수 있으나 1 내지 200㎛ 범위의 액적을 무작위하게 생성하여 액적 크기의 균일성을 확보하기 어려우며, 액적의 분사양에 대한 제한이 있어 대량생산 공정에 활용하기 어렵다는 문제점이 발생한다.

한편, 전기 에너지를 이용하는 방법으로 강한 전기장으로 액적을 끌여 당겨 미립화시키는 전기 분무 방법이 있다. 수백 nm ~ 5 ㎛ 범위까지 미세하고 균일한 액적을 생산할 수 있다는 장점이 있으나 최소한 액체 전기전도도가 10^-4 S/m 이어야 하는 한계가 있고, 분무되는 액체의 양이 10^-10내지 10^-9m³/sec으로 매우 제한적이라 대량생산 공정에 적용되기 어려운 한계가 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 균일한 크기의 미세액적을 안정적으로 분사할 수 있으며 분무량을 향상시켜 대량생산에 적용할 수 있는 스프레이 노즐 및 이를 이용한 코팅 시스템을 제공함에 있다.

또한, 액체의 전기전도도에 무관하게 분무가 가능하고, 액체의 점도에 크게 제한받지 않는 스프레이 노즐 및 이를 이용한 코팅 시스템을 제공함에 있다.

상기 목적은, 본 발명에 따라, 기판을 향하여 액체를 분사하는 액체 노즐; 기체가 분사되며, 상기 기체를 상기 액체의 분사경로 상에서 상기 액체와 충돌시켜 상기 액체를 1차적으로 미립화하는 기체 노즐; 상기 액체 노즐과 연결되며, 상기 액체 노즐과 기판 사이에 전기장을 발생시켜 상기 액체가 2차적으로 미립화하도록 상기 액체 노즐에 전압을 인가하는 전압공급부; 상기 액체 노즐 및 상기 기체 노즐을 내부에 수용하며, 상기 기체 노즐로부터 분사되는 기체가 상기 액체의 분사경로 상에서 상기 액체와 충돌하도록 상기 기체의 유동방향을 안내하는 기체 유로가 형성된 케이스;를 포함하며, 상기 액체는 상기 케이스의 내부에서 상기 기체와의 충돌에 의해 1차적으로 미립화되며, 상기 1차적으로 미립화된 액체는 상기 케이스와 상기 기판 사이에 형성되는 전기장을 통해 상기 케이스와 상기 기판 사이에서 2차적으로 미립화되는 것을 특징으로 하는 스프레이 노즐에 의해 달성된다.

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여기서, 상기 케이스는 기판 측에 근접한 단부에 내측으로 함몰되되 기판으로부터 멀어질수록 단면적이 커지게 마련되어 상기 액체가 기판 측을 향하여 분사되도록 액체의 분사방향을 안내하는 가이드부가 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 가이드부와 기판 사이에서 상기 액체의 2차 미립화가 완료되도록 상기 가이드부와 기판 사이의 거리는 1cm 이상인 것이 바람직하다.

여기서, 상기 액체 노즐로 공급되는 액체의 유량은 10^-8 m³/s이상인 것이 바람직하다.

또한, 상기 액체 노즐은 복수개가 각각 서로 다른 외경을 가지며, 상기 액체 노즐 중에서 어느 하나가 다른 하나를 내부에 수용하거나 또는 상기 액체 노즐 중에서 어느 하나가 다른 하나의 내부에 수용되는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 액체 노즐은 복수개로 마련되며, 상기 액체 노즐 중에서 어느 하나에 대해 다른 하나가 평행한 방향으로 서로 이격되어 배치된 것이 바람직하다.

또한, 상기 기체 유로는 상기 기체가 상기 액체의 분사경로와 수직으로 충돌하도록 상기 기체의 유동방향을 안내하는 것이 바람직하다.

여기서, 본 발명의 목적은, 기판이 거치되는 기판부; 기판 표면 측으로 액체를 분사하는 상술한 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 기재된 스프레이 노즐; 상기 스프레이 노즐과 기판 사이를 연결하며, 상기 스프레이 노즐과 기판 사이의 전류정보를 측정하는 전류 측정부; 상기 액체 노즐로부터 분사되는 액체를 공급하는 액체 공급부; 상기 기체 유로를 유동하는 기체를 공급하는 기체 공급부; 상기 액체 노즐에 인가되는 전압량 또는 상기 기체 유로로 공급되는 기체의 압력 중 적어도 어느 하나가 기설정된 상태에서 상기 전류 측정부로부터 상기 기판 과 스프레이 노즐 사이의 전류정보를 제공받아 상기 기판으로 분사되는 액체의 분사조건 또는 상기 스프레이 노즐의 움직임을 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 스프레이 노즐을 이용한 코팅 시스템에 의해 달성된다.

또한, 상기 제어부는 상기 전압공급부를 통해 상기 액체 노즐에 인가되는 전압량을 조절하여 상기 스프레이 노즐과 상기 기판 사이에 형성되는 전기장을 제어하는 전기장 제어모듈을 포함하는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 제어부는 기체 공급부로부터 상기 기체 유로에 공급되는 기체의 압력을 제어하는 압력 제어모듈을 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제어부는 상기 전류 측정부에 의해 획득한 전류정보를 제공받아 상기 기판과 스프레이 노즐 사이의 전류량을 제어하는 전류량 제어모듈을 더 포함하는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 스프레이 노즐과 연결되며, 상기 스프레이 노즐을 상기 기판과 근접하거나 멀어지는 방향을 따라 이동시키거나 상기 기판과 평행한 가상의 평면을 따라 이동시키는 노즐이송부를 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제어부는 상기 노즐이송부의 움직임을 조절하여 상기 스프레이 노즐의 움직임을 제어하는 이송제어모듈;을 포함하는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 제어부는 상기 액체 공급부로부터 공급되는 액체의 유량을 조절하여 상기 스프레이 노즐로부터 분사되는 액체의 분사속도를 제어하는 분사속도 제어모듈;을 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 스프레이 노즐로부터 분사되는 액체가 착탄되며, 상기 착탄된 액체의 전류정보를 통해 상기 스프레이 노즐의 분사상태를 테스트하는 시험 기판부;를 더 포함하며, 상기 전류 측정부는 상기 액체 노즐과 상기 테스트 기판 사이에 연결되어 상기 착탄된 액체의 전류정보를 측정하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 분사되는 액체를 균일한 크기로 미립화할 수 있는 스프레이 노즐 및 이를 이용한 코팅 시스템이 제공된다.

또한, 대량생산 공정에 적용할 수 있도록 분무량을 향상시킬 수 있다.

또한, 전기전도성이 낮은 소재 또는 비극성 소재인지 여부에 상관없이 미립화시켜 분사할 수 있다.

또한, 분사되는 액체가 기판을 향하도록 안내하여 재료소모량을 개선할 수 있다,.

또한, 분사되는 소재의 점도가 100cp 이상인지 여부에 상관없이 안정적으로 분사할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 스프레이 노즐을 개략적으로 도시한 단면도이고,
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 스프레이 노즐을 개략적으로 도시한 단면도이고,
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 스프레이 노즐을 개략적으로 도시한 평면도이고,
도 4는 본 발명의 제3실시예에 따른 스프레이 노즐을 개략적으로 도시한 단면도이고,
도 5는 본 발명의 제4실시예에 따른 스프레이 노즐을 개략적으로 도시한 단면도이고,
도 6은 도 1 내지 도 5에 따른 스프레이 노즐에서 공급되는 전압을 달리하여 액체의 분사상태를 나타낸 사진이고,
도 7은 도 1 내지 도 5에 따른 스프레이 노즐을 통해 PET 필름상에 PEDOT 전도성 고분자를 코팅한 모습을 나타낸 사진이고,
도 8은 도 7에 따라 코팅한 필름의 표면 거칠기를 나타낸 사진이고,
도 9는 본 발명의 제5실시예에 따른 스프레이 노즐을 이용한 코팅 시스템을 개략적으로 도시한 도면이고,
도 10은 도 9에 따른 스프레이 노즐을 이용한 코팅 시스템에서 제어부를 개략적으로 도시한 도면이고,
도 11은 도 9에 따른 스프레이 노즐을 이용한 코팅 시스템에서 전류측정기를 통해 안정적인 초기분무상태를 모니터링한 결과를 개략적으로 도시한 그래프이다.

설명에 앞서, 여러 실시예에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 제1실시예에서 설명하고, 그 외의 실시예에서는 제1실시예와 다른 구성에 대해서 설명하기로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 제1실시예에 따른 스프레이 노즐 및 이를 이용한 코팅 시스템에 대하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 스프레이 노즐을 개략적으로 도시한 단면도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 스프레이 노즐(100)은 분사되는 액체를 기체와 충돌시켜 1차적으로 미립화시키고 1차적으로 미립화된 액체에 전기장을 가하여 2차적으로 미립화시켜, 액체를 균일한 크기의 미세 액적 상태로 분사시킬 수 있는 것으로 액체 노즐(110)과 기체 노즐(120)과 전압 공급부(130)와 케이스(140)를 포함한다.

상기 액체 노즐(110)는 액체가 유동하는 통로로서 기판을 향하여 액체를 분사하는 것이다.

상기 기체 노즐(120)은 기체가 분사되는 것으로서 기체 노즐(120)로부터 분사되는 기체를 액체의 분사경로 상에서 액체와 충돌시켜 액체를 1차적으로 미립화시키는 것이다.

여기서, 기체 노즐(120)은 적어도 액체와 기체의 충돌시, 액체의 분사경로와 기체가 수직을 형성하며 충돌하도록 기체를 분사하는 것이 바람직하다.

다시 설명하면, 액체의 1차적인 미립화를 위해서 기체와 액체의 충돌이 매우 중요한 요소이며, 기체가 액체의 분사경로와 수직을 형성하며 충돌해야 안정적으로 액체를 미립화할 수 있다.

즉, 기체가 액체의 분사경로와 수직을 형성하지 못하며 충돌하는 경우, 기체가 액체의 분사방향 또는 액체의 분사방향의 반대방향으로 영향을 미칠 수 있으며, 충돌에 의해 액체의 분사방향으로 힘을 가하는 경우 미립화된 액적이 너무 강한 속도로 기판(S)에 충돌하여 다시 튕겨져 나오는 되튀김 현상이 발생할 수 있으며, 충돌에 의해 액체의 분사방향의 반대방향으로 힘을 가하는 경우 기체에 의해 액체의 분사가 방해받아 분사속도 또는 액체의 분사유량 등에 부정적인 영향을 미칠 수 있다.

따라서, 이러한 문제점을 방지하도록 기체가 액체의 분사경로와 수직으로 충돌하는 것이 바람직하나, 이러한 문제점은 액체의 분사속도를 조절하여 해결하는 것도 가능하므로 여기에 제한되는 것은 아니다.

또한, 기체 노즐(120)은 액체가 기체와의 충돌에 의해 나선방향을 따라 유동하도록 기체가 액체 분사경로의 외주연의 접선방향을 따라 분사되게 마련될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.

도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 스프레이 노즐을 개략적으로 도시한 평면도이다.

도 3 또는 도 4를 참조하면, 기체 노즐(120)은 복수개로 마련되며, 각각의 기체 노즐(120)은 액체 분사경로의 외주연 상에 동일한 간격으로 이격되게 마련되되, 액체 분사경로의 외주연의 접선방향을 따라 분사되게 마련될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 전압 공급부(130)는 상술한 액체 노즐(110)과 전기적으로 연결되어 액체 노즐(110)과 기판(S) 사이에, 더 바람직하게는 스프레이 노즐(100)과 기판(S) 사이에 전기장을 발생시켜 기체와의 충돌에 의해 1차적으로 미립화된 액체를 2차적으로 미립화하는 것이다.

여기서, 기판(S)은 접지된 상태이므로 전압 공급부(130)로부터 액체 노즐(110)에 전압이 인가되면 기판(S)과 액체 노즐(110) 사이에 전압차가 발생하여 전기장이 발생한다.

이미 기체와의 충돌에 의해 1차적으로 미립화된 액체를 전압 공급부(130)로부터 인가되는 전압에 의해 발생하는 전기장을 통해 끌어당김으로써 2차적으로 미립화시킨다.

이와 같이 기체와의 충돌 및 전기장을 통해 순차적으로 액체를 미립화시키면 대량의 액체를 분사함과 동시에 미세하고 균일한 크기의 액적을 생성할 수 있다. 더불어, 전기장을 이용하여 미립화된 액체들이 기판(S) 측으로 분사되도록 가이드함으로써 액적의 되튀김 문제를 해결할 수 있고 재료 소모량을 절감할 수 있다.

상기 케이스(140)는 액체 노즐(110)을 내부에 수용하는 것이다.

즉, 액체 노즐(110)을 제외한 기체 노즐(120)는 케이스(140) 외부에 마련되므로 기체와의 충돌이 케이스(140) 외부에서 발생한다.

지금부터는 상술한 스프레이 노즐의 제1실시예의 작동에 대하여 설명한다.

먼저, 외부로부터 공급되는 액체, 바람직하게는 별도의 액체공급부로부터 공급되는 액체가 액체 노즐(110)로 유입되고 액체 노즐(110) 내부를 유동하며, 결국 기판(S)을 향하여 분사된다.

기판(S)을 향하여 분사된 액체는 기판(S)과 케이스(140) 사이에서 기체 노즐(120)로부터 분사된 기체와 충돌하며, 기체와의 충돌에 의해 1차적인 미립화가 발생한다. 기체와의 충돌에 의해 액면이 불안정하게 되며, 액면의 불안정성으로 인해 액체의 성질이 비극성 또는 전기전도도가 상당히 낮은 경우라 할지라도 전기장에 의한 2차적인 미립화가 활발히 발생하며 이에 대한 내용은 후술한다.

여기서, 기체와의 충돌에 의해 액체의 분사속도에 영향을 미치는 것을 방지하도록 기체는 액체의 분사경로에 수직을 형성하며 충돌하는 것이 바람직하나 이에 제한되는 것은 아니다.

기체와의 충돌에 의해 1차적으로 미립화됨과 동시에 불안정화된 액체는 노즐(100)과 기판(S) 사이에 발생하는 전기장에 의해 2차적으로 미립화된다. 기체와의 충돌에 의해 이미 1차적으로 미립화되었기 때문에 단순히 전기장만을 이용하여 미립화하는 경우보다 미립화시킬 수 있는 액체 유량이 현저히 증가하며, 이는 바로 공정속도의 증가로 나타난다.

한편, 본 발명의 제1실시예에 따른 스프레이 노즐(100)에 의해 무극성 또는 전기전도도가 낮은 액체도 용이하게 미립화시킬 수 있으며, 이러한 원리에 대하여 설명한다.

전기에너지를 이용하는 전기 분무에서 적용되는 힘을 하기와 같다.

여기서, ρ_e 는 액면에서의 자유전자를 의미하며, ε은 액면의 유전율, ε₀는 진공에서의 유전율, E는 전기장을 의미한다.

여기서, 절연(dielectic) 액체의 경우에도 극성물질이면 상기 식에서 뒤의 2가지 힘이 작용하고 비극성 물질(non-polar liquid)의 경우 상기 식에서의 2번째 항에 의한 전기력이 작용한다. 이를 dielectrophoretic force 라고 한다. 이때, 단지 액면의 수직 방향으로 작용하는 전기력만이 존재할 뿐, 액면에 접하는 방향으로 전기력이 작용하지 않으므로 테일러콘(taylor-cone)이라 불리는 원뿔 형상의 액면이 형성되지 않아 전기장 만으로는 미립화하기 용이하지 않다.

다만, 본 발명의 제1실시예에 따른 스프레이 노즐(100)과 같이 기체와의 충돌을 유도하여 1차적으로 미립화함과 동시에 액적을 불안정화시키면 dielectrophoretic force 가 약함에도 불구하고 2차적인 분쇄가 발생할 수 있다.

이에 따라, 본 발명의 제1실시예에 따른 스프레이 노즐(100)을 활용하여 비전도성 물질이라 하더라도 극성, 비극성을 구분하지 않고 액체의 미립화를 용이하게 유도할 수 있다.

다음으로 본 발명의 제2실시예에 따른 스프레이 노즐(200)에 대하여 설명한다.

도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 스프레이 노즐을 개략적으로 도시한 단면도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 스프레이 노즐(200)은 분사되는 액체를 기체와 충돌시켜 1차적으로 미립화시키고 1차적으로 미립화된 액체에 전기장을 가하여 2차적으로 미립화시켜, 액체를 균일한 크기의 미세 액적 상태로 분사시킬 수 있는 것으로 액체 노즐(110)과 기체 노즐(120)과 전압 공급부(130)와 케이스(240)를 포함한다.

상기 액체노즐(110)과 기체 노즐(120)과 전압 공급부(130)의 기능은 본 발명의 제1실시예와 동일하므로 여기서는 자세한 설명을 생략한다.

상기 케이스(240)는 액체 노즐(110)과 기체 노즐(120)를 내부에 수용하는 것으로서, 액체와 기체와의 충돌이 케이스(240)에서 발생하도록 하는 것이다.

즉, 케이스(240) 외부로 액체가 분사되는 경우, 액체는 이미 1차적인 미립화가 완료된 상태이며, 케이스(240) 외부에서 전기장에 의해 2차적인 미립화가 발생한다는 점에서 본 발명의 제1실시예와는 상이하다.

한편, 케이스(240)의 내부에는 기체 노즐(120)로부터 분사된 기체가 유동하며, 기체가 액체의 분사경로와 수직을 형성하며 충돌하도록 안내하는 기체 유로(241)가 형성된다.

기체가 액체의 분사경로와 수직으로 충돌해야 하는지에 대한 내용은 상술하였으므로 여기서는 자세한 설명을 생략한다.

또한, 케이스(240)는 액체가 기판(S) 측을 향하여 분사되도록 가이드부(242)가 형성될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.

여기서, 가이드부(241)는 케이스(240)에서 기판(S) 측으로 근접한 면에 마련되되 기판(S)으로부터 멀어질수록 단면적이 넓어지도록 마련되나 이에 제한되는 것은 아니다.

다음으로 본 발명의 제3실시예에 따른 스프레이 노즐(300)에 대하여 설명한다.

도 3은 본 발명의 제3실시예에 따른 스프레이 노즐을 개략적으로 도시한 단면도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 제3실시예에 따른 스프레이 노즐(300)은 액체 노즐(310)과 기체 노즐(120)과 전압 공급부(130)와 케이스(240)를 포함한다.

상기 기체 노즐(120) 및 전압 공급부(130)는 제1실시예에서 설명한 것과 동일하며, 케이스(240)는 제2실시예에서 설명한 것과 동일하므로 여기서는 자세한 설명을 생략한다.

상기 액체 노즐(310)은 내부로 액체가 유동하며, 기판(S) 측으로 액체를 분사하는 것으로서, 본 발명의 제3실시예에 따른 스프레이 노즐(300)에서는 서로 다른 외경을 갖는 복수개로 마련되어, 복수개 중 어느 하나가 다른 하나를 내부에 수용하거나, 복수개 중 어느 하나가 다른 하나의 내부에 수용된다.

여기서, 복수개의 액체 노즐(110)이 동일한 중심축을 가지며, 외경이 가장 작은 노즐부터 순차적으로 배치되어 외경이 가장 큰 노즐이 최외곽에 배치되도록 마련될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.

또한, 복수개의 액체 노즐(310)을 유동하는 액체는 서로 다른 액체로 마련될 수 있다. 여기서, 서로 다른 액체가 서로 다른 액체 노즐(310)로 공급된 후에 액체의 분사경로를 따라 유동하고 기체와 충돌하는 과정을 거치면서 서로 섞여 케이스(240) 외부로 분사될 시에는 혼합액의 형태로 분사될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.

다음으로 본 발명의 제4실시예에 따른 스프레이 노즐(400)에 대하여 설명한다.

도 5는 본 발명의 제4실시예에 따른 스프레이 노즐을 개략적으로 도시한 단면도이다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 제4실시예에 따른 스프레이 노즐(400)은 액체 노즐(410)과 기체 노즐(120)과 전압 공급부(130)와 케이스(240)를 포함한다.

상기 액체 노즐(410)은 내부로 액체가 유동하며, 기판(S) 측으로 액체를 분사하는 것으로서, 본 발명의 제4실시예에 따른 스프레이 노즐(400)에서는 복수개로 마련되어, 복수개 중 어느 하나에 대해 다른 하나가 평행한 방향으로 서로 이격되어 배치된다.

여기서, 복수개의 액체 노즐(410)을 유동하는 액체는 서로 다른 액체로 마련될 수 있으며, 서로 다른 액체들이 케이스(240)의 내부에서 충분히 혼합된 상태로 분사될 수 있도록 복수개의 액체 노즐(410)이 서로 모여 있는 것이 바람직하나 이에 제한되는 것은 아니다.

다음으로 본 발명의 제1실시예, 제2실시예, 제3실시예 또는 제4실시예에 따른 스프레이 노즐에 대하여 액체의 미립화 과정을 실험한 실험예에 대하여 설명한다.

도 6은 도 1 내지 도 5에 따른 스프레이 노즐에서 공급되는 전압을 달리하여 액체의 분사상태를 나타낸 사진이고, 도 7은 도 1 내지 도 5에 따른 스프레이 노즐을 통해 PET 필름상에 PEDOT 전도성 고분자를 코팅한 모습을 나타낸 사진이고, 도 7은 도 6에 따라 코팅한 필름의 표면 거칠기를 나타낸 사진이다.

도 6 내지 도 8을 참조하면, 액체는 점도가 높고 고분자 물질의 상호 연결성에 의해 미립화가 용이하지 않은 전도성 고분자 PEDOT을 사용하되 80 ㎕/min으로 공급하였고, 기체는 공기를 이용하며 1bar로 가압하였다. 이때, 미립화된 액체의 크기는 대략 10 ~ 150 ㎛ 범위에 포함되었다.

도 6을 참조하면, 전압공급부(130)를 통해 전압을 인가하여 스프레이 노즐과 기판(S) 사이에 전압을 2, 3, 4 kV를 인가하였으며, 전압이 증가함에 따라 액체의 젯 길이가 짧아지는 경향을 보였다. 여기서, 액체 젯의 길이가 짧아진다는 것은 액체의 미립화 과정이 활발하다는 것을 의미한다.

한편, 기체 노즐(120)의 지름이 2.2 mm로 마련된 경우, 인가되는 압력에 대해 유량은 대략 20 ~ 120 ㎤/sec 이며, 이를 속도로 환산하면 1 ~ 10 m/sec가 된다.

여기서, 1차적으로 미립화된 액체가 전기장에 의해 2차적으로 미립화되기 위해서는 스프레이 노즐로부터 기판(S)에 도달할 때까지의 제한된 시간 내에 충분한 전기력을 얻어야 하며 적용되는 압력 범위 내에서 속도를 고려할 때, 액적이 기판에 도달하는 시간은 (기판과 스프레이 노즐 사이의 거리) / 속도가 되며, 실험에 따르면 액체의 2차적인 미립화가 완료되는 시간으로 대략 10 msec 이상이 소모되었다.

따라서, 1차 미립화 이후에 2차 미립화가 달성되기 위하여 요구되는 거리는 최소 1cm 이며, 본 발명의 제2실시예 내지 제4실시예 중 어느 하나와 같이 스프레이 노즐의 케이스(240) 내부에서 액체가 1차적으로 미립화되고, 케이스(240)의 외부에서 2차적인 미립화되는 경우 스프레이 노즐과 기판(S) 사이에서 액체의 2차적 미립화가 충분히 이루어지기 위한 스프레이 노즐과 기판(S) 사이의 거리는 최소 1cm가 된다.

한편, 본 발명에 따른 스프레이 노즐에 따르면 분사되는 액체의 유량이 10^-8 ㎥/sec 이상으로 증가시킬 수 있으며, 본 실험예에 따라 스프레이 노즐로부터 분사된 액체의 유량은 10^-7 ㎥/sec으로 일반적인 전기에너지를 이용하여 대략 10^-10 내지 10^-9 ㎥/sec 의 유량을 분사하는 경우보다 분사유량이 증가됨을 알 수 있다.

도 7 또는 도 8을 참조하면, 본 실험예에 따라 PET 필름상에 PEDOT 전도성 고분자를 미립화시켜 분사한 경우, 매우 투명한 전도성 필름을 얻을 수 있었으며, 전자현미경을 이용하여 표면 거칠기를 확인한 결과 표면 거칠기가 매우 균일한 것을 알 수 있다.

다음으로 본 발명의 제5실시예에 따른 스프레이 노즐을 이용한 코팅 시스템(500)에 대하여 설명한다.

도 9는 본 발명의 제5실시예에 따른 스프레이 노즐을 이용한 코팅 시스템을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 10은 도 9에 따른 스프레이 노즐을 이용한 코팅 시스템에서 제어부를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 9 또는 도 10을 참조하면, 본 발명의 제5실시예에 따른 스프레이 노즐을 이용한 코팅 시스템(500)은 본 발명의 제1실시예 내지 제4실시예에 따른 스프레이 노즐을 이용하여 기판을 코팅하는 것으로서 미립화된 액체가 안정적으로 분무되고 기판에 코팅되고 있는지 여부를 모니터링하는 것으로서, 제1실시예 내지 제4실시예에 따른 스프레이 노즐 (100,200,300,400)과 기판부(510)와 전류측정부(520)와 액체공급부(530)와 기체공급부(540)와 노즐이송부(550)와 제어부(560)를 포함한다.

상기 스프레이 노즐(100,200,300,400)는 상술한 제1실시예 내지 제4실시예에서 설명한 것과 동일하므로 여기서는 자세한 설명을 생략한다.

상기 기판부(510)는 분사되는 액체에 의해 코팅되는 기판(S)이 놓여지는 것이다. 본 발명의 제5실시예에 따른 스프레이 노즐을 이용한 코팅 시스템(500)에서 기판부(510)의 상측에는 기판(S)이 거치되고, 하측에는 이송부가 마련되어 코팅이 완료된 기판(S)을 다음 공정으로 이송하게 되나 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 전류측정부(520)는 기판(S)과 스프레이 노즐(100,200,300,400) 사이에 마련되며, 상기 기판(S)과 스프레이 노즐(100,200,300,400) 사이의 전류를 측정하는 것이다.

여기서, 전류측정부(520)에 의해 획득한 기판(S)과 스프레이 노즐(100,200,300,400) 사이의 전류정보를 통해 스프레이 노즐(100,200,300,400)로부터 액체가 안정적으로 분사되고 미립화되고 있는지 여부를 모니터링할 수 있다.

상기 액체 공급부(530)는 스프레이 노즐(100,200,300,400)의 액체 노즐(110)을 유동하는 액체를 공급하는 것으로서, 주지한 기술에 해당하므로 여기서는 자세한 설명을 생략한다.

상기 기체 공급부(540)는 스프레이 노즐(100,200,300,400)의 기체 노즐(120)을 유동하는 기체를 공급하는 것으로서, 주지한 기술에 해당하므로 여기서는 자세한 설명을 생략한다.

상기 노즐 이송부(550)는 스프레이 노즐(100,200,300,400)과 연결되어 스프레이 노즐(100,200,300,400)을 기판(S)과 멀어지거나 근접하는 방향으로 이동시키거나 또는 기판(S)과 평행한 가상의 평면 상을 따라 이동시키는 것이다.

즉, 스프레이 노즐(100,200,300,400)이 기판(S)과 멀어지거나 근접하는 방향을 y축으로 정의하면, 노즐 이송부(550)는 스프레이 노즐(100,200,300,400)을 x축, y축 및 z축 중에서 어느 하나의 방향으로 이동시키거나, x축, y축 및 z축 중 적어도 어느 2개의 방향을 조합하여 이동시킨다.

도 10을 참조하면, 상기 제어부(560)는 전압공급부(130)로부터 공급되는 전압량 또는 기체 노즐(120)로 공급되는 기체의 압력 중 적어도 어느 하나가 기설정된 상태에서 전류 측정부(520)로부터 기판(S)과 스프레이 노즐(100,200,300,400) 사이의 전류정보를 제공받아 기판(S)으로 분사되는 액체의 분사조건 또는 스프레이 노즐(100,200,300,400)의 움직임을 제어하는 것으로서, 전기장 제어모듈(561)과 압력 제어모듈(562)과 전류량 제어모듈(563)과 이송제어모듈(564)과 분사속도 제어모듈(565)을 포함한다.

상기 전기장 제어모듈(561)은 전압공급부(130)를 통해 액체 노즐(110)에 인가되는 전압을 조절하여 기판(S)과 스프레이 노즐(100,200,300,400) 사이에 발생하는 전기장을 제어하는 것이다.

상술한 것과 같이 전기장의 크기는 액체의 2차 미립화에 관련되므로, 전기장 제어모듈(561)에 의해 전기장의 크기를 조절함으로써 2차 미립화의 속도를 제어할 수 있다.

상기 압력 제어모듈(562)는 기체공급부(540)로부터 공급되는 기체의 압력을 조절하는 것이다. 상술한 것과 같이 기체는 분사되는 액체와 충돌함으로써 액체의 1차 미립화를 발생시키므로 기체 노즐(120)를 유동하는 기체의 압력을 조절하여 1차 미립화를 제어할 수 있다.

상기 전류량 제어모듈(563)은 전류 측정부(520)에 의해 획득한 전류정보를 제공받아 기판(S)과 스프레이 노즐(100,200,300,400) 사이의 전류량을 제어하는 것으로, 기판(S)과 스프레이 노즐(100,200,300,400) 사이의 전류량의 유동경향을 파악하여 안정적으로 액체가 분사되고 미립화되는지 여부를 모니터링한다.

즉, 기판(S)과 스프레이 노즐(100,200,300,400) 사이의 전류량의 유동이 거의 발생하지 않는다면 액체가 안정적으로 분사되고 미립화되고 있다는 것을 의미한다.

또한, 전류량의 유동이 발생한다면 액체가 안정적으로 분사되지 못하거나 미립화되고 있지 못하다는 것을 의미하므로, 전기장 제어모듈(561) 또는 압력 제어모듈(562) 중 적어도 어느 하나를 제어하여 전기장의 크기와 기체의 압력과 같은 액체의 초기분사조건을 재설정하여 액체가 안정적으로 분사되고 미립화되도록 제어할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 이송제어모듈(564)는 노즐이송부(550)의 움직임을 제어하여, 스프레이 노즐(100,200,300,400)의 위치, 이송속도 등을 제어하는 것이다.

즉, 노즐이송부(550)를 이동시켜 스프레이 노즐(100,200,300,400)의 초기 분사위치를 변경하거나, 전류측정부(520)를 통해 획득한 전류정보를 제공받아 액체가 안정적으로 분사될 수 있는 위치로 스프레이 노즐(100,200,300,400)의 위치를 변경할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.

또한, 액체가 분사되는 중에도 스프레이 노즐(100,200,300,400)을 이송시킬 수 있으며, 이송에 의해서도 액체의 분사상태가 영향을 받지 않도록 이송속도를 제어할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 분사속도 제어모듈(565)는 액체 노즐(110)로 공급되는 액체의 유량을 조절하여 스프레이 노즐(100,200,300,400)로부터 분사되는 액체의 분사속도를 제어하는 것이다.

액체의 밀도, 액체 노즐(110) 내경의 변화가 없는 경우에 액체의 분사속도는 액체의 질량유량 또는 체적유량에 비례하므로, 액체의 질량유량 또는 체적유량을 조절함으로써 액체의 분사속도를 제어할 수 있다.

여기서, 액체의 분사속도는 분사된 액체가 기판(S)에 도달하기까지 걸리는 시간에 영향을 미치며, 이 시간이 현저히 짧다면 액체의 2차 미립화가 충분히 발생되지 않은 상태로 기판(S)에 도달하여 기판(S) 코팅 면의 표면 거칠기가 크고 불균일해질 수 있으므로 분사속도 제어모듈(565)에 의해 이를 제어한다.

한편, 코팅 작업을 수행하기 이전에 스프레이 노즐(100,200,300,400)에서 액체가 안정적으로 분사되는지 여부를 확인한 후에 코팅 작업을 수행할 필요가 있으며 이를 위해서 스프레이 노즐(100,200,300,400)의 분사상태를 점검할 수 있도록 별도의 테스트기판을 마련할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.

여기서, 전류측정기(520)는 스프레이 노즐(100,200,300,400)과 테스트기판 사이에 전류량을 측정하도록 스프레이 노즐(100,200,300,400)과 테스트기판 사이에 추가적으로 마련될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니며, 스프레이 노즐(100,200,300,400)과 기판(S) 사이에 마련된 전류측정기(520)를 활용할 수 있다.

한편, 스프레이 노즐(100,200,300,400)를 청소하는 청소부를 추가적으로 마련할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.

다음으로 본 발명의 제5실시예에 따른 스프레이 노즐을 이용한 코팅 시스템(500)의 작동에 대하여 실험예를 기준으로 설명한다.

본 발명의 제5실시예에 따른 스프레이 노즐을 이용한 코팅 시스템(500)으로 코팅 작업을 수행하기 위해 초기 분사 조건을 상술한 전기장 제어모듈(561)과 압력 제어모듈(562)를 통해 설정한다.

본 발명의 제5실시예에 따른 스프레이 노즐을 이용한 코팅 시스템(500)에서는 전기장 제어모듈(561)를 통해 전압공급부(130)로부터 공급되는 전압을 1,2,3,4kV로 설정하며, 압력 제어모듈(562)를 통해 기체 공급부(540)로부터 공급되는 기체의 압력을 1,2,3bar로 설정한다.

전압 및 압력 중 적어도 1개를 조절하여 전류 측정부(520)를 통해 기판(S)과 스프레이 노즐(100,200,300,400) 사이의 전류량을 측정한다.

도 11은 도 9에 따른 스프레이 노즐을 이용한 코팅 시스템에서 전류측정기를 통해 안정적인 초기분무상태를 모니터링한 결과를 개략적으로 도시한 그래프이다.

도 10을 참조하면, 압력이 2bar 인 경우에, 전압 변화에 의하여도 전류량의 유동이 크게 변하지 않은 것으로 나타났다. 물론, 이러한 실험예는 본 발명의 제5실시예에 따른 스프레이 노즐을 이용한 코팅 시스템(500)를 이용할 경우에 도출되는 결론이므로 스프레이 노즐(100,200,300,400)의 크기, 스프레이 노즐(100,200,300,400)과 기판 사이의 거리 등이 변동된다면 초기분사조건이 본 실험예와는 상이하게 나타날 것이 자명하므로 여기에 제한되는 것은 아니다.

본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.

100: 스프레이 노즐 110: 액체 노즐
120: 기체 노즐 130: 전압 공급부
140: 케이스 S : 기판
200: 스프레이 노즐 240: 케이스
300: 스프레이 노즐 310: 액체 노즐
400: 스프레이 노즐 410: 스프레이 노즐
500: 스프레이 노즐을 이용한 코팅 시스템 510: 기판부
520: 전류측정부 530: 액체공급부
540: 기체공급부 550: 노즐이송부
560: 제어부

Claims

기판을 향하여 액체를 분사하는 액체 노즐;
기체가 분사되며, 상기 기체를 상기 액체의 분사경로 상에서 상기 액체와 충돌시켜 상기 액체를 1차적으로 미립화하는 기체 노즐;
상기 액체 노즐과 연결되며, 상기 액체 노즐과 기판 사이에 전기장을 발생시켜 상기 액체가 2차적으로 미립화하도록 상기 액체 노즐에 전압을 인가하는 전압공급부;
상기 액체 노즐 및 상기 기체 노즐을 내부에 수용하며, 상기 기체 노즐로부터 분사되는 기체가 상기 액체의 분사경로 상에서 상기 액체와 충돌하도록 상기 기체의 유동방향을 안내하는 기체 유로가 형성된 케이스;를 포함하며,
상기 액체는 상기 케이스의 내부에서 상기 기체와의 충돌에 의해 1차적으로 미립화되며, 상기 1차적으로 미립화된 액체는 상기 케이스와 상기 기판 사이에 형성되는 전기장을 통해 상기 케이스와 상기 기판 사이에서 2차적으로 미립화되는 것을 특징으로 하는 스프레이 노즐.
제 1항에 있어서,
상기 케이스는 기판 측에 근접한 단부에 내측으로 함몰되되 기판으로부터 멀어질수록 단면적이 커지게 마련되어 상기 액체가 기판 측을 향하여 분사되도록 액체의 분사방향을 안내하는 가이드부가 형성되는 것을 특징으로 하는 스프레이 노즐.
제 2항에 있어서,
상기 가이드부와 기판 사이에서 상기 액체의 2차 미립화가 완료되도록 상기 가이드부와 기판 사이의 거리는 1cm 이상으로 마련되는 것을 특징으로 하는 스프레이 노즐.
제 1항에 있어서,
상기 기체 유로는 상기 기체가 상기 액체의 분사경로와 수직으로 충돌하도록 상기 기체의 유동방향을 안내하는 것을 특징으로 하는 스프레이 노즐.
제 1항에 있어서,
상기 액체 노즐은 복수개가 각각 서로 다른 외경을 가지며, 상기 액체 노즐 중에서 어느 하나가 다른 하나를 내부에 수용하거나 또는 상기 액체 노즐 중에서 어느 하나가 다른 하나의 내부에 수용되는 것을 특징으로 하는 스프레이 노즐.
제 1항에 있어서,
상기 액체 노즐은 복수개로 마련되며, 상기 액체 노즐 중에서 어느 하나에 대해 다른 하나가 평행한 방향으로 서로 이격되어 배치된 것을 특징으로 하는 스프레이 노즐.
기판이 거치되는 기판부;
기판 표면 측으로 액체를 분사하는 상술한 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 스프레이 노즐;
상기 스프레이 노즐과 기판 사이를 연결하며, 상기 스프레이 노즐과 기판 사이의 전류정보를 측정하는 전류 측정부;
상기 액체 노즐로부터 분사되는 액체를 공급하는 액체 공급부;
상기 기체 유로를 유동하는 기체를 공급하는 기체 공급부;
상기 액체 노즐에 인가되는 전압량 또는 상기 기체 유로로 공급되는 기체의 압력 중 적어도 어느 하나가 기설정된 상태에서 상기 전류 측정부로부터 상기 기판 과 스프레이 노즐 사이의 전류정보를 제공받아 상기 기판으로 분사되는 액체의 분사조건 또는 상기 스프레이 노즐의 움직임을 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 스프레이 노즐을 이용한 코팅 시스템.
제 7항에 있어서,
상기 제어부는 상기 전압공급부를 통해 상기 액체 노즐에 인가되는 전압량을 조절하여 상기 스프레이 노즐과 상기 기판 사이에 형성되는 전기장을 제어하는 전기장 제어모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 스프레이 노즐을 이용한 코팅 시스템.
제 7항에 있어서
상기 제어부는 기체 공급부로부터 상기 기체 유로에 공급되는 기체의 압력을 제어하는 압력 제어모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 스프레이 노즐을 이용한 코팅 시스템.
제 7항에 있어서,
상기 제어부는 상기 전류 측정부에 의해 획득한 전류정보를 제공받아 상기 기판과 스프레이 노즐 사이의 전류량을 제어하는 전류량 제어모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스프레이 노즐을 이용한 코팅 시스템.
제 7항에 있어서,
상기 스프레이 노즐과 연결되며, 상기 스프레이 노즐을 상기 기판과 근접하거나 멀어지는 방향을 따라 이동시키거나 상기 기판과 평행한 가상의 평면을 따라 이동시키는 노즐이송부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스프레이 노즐을 이용한 코팅 시스템.
제 11항에 있어서,
상기 제어부는 상기 노즐이송부의 움직임을 조절하여 상기 스프레이 노즐의 움직임을 제어하는 이송제어모듈;을 포함하는 것을 특징으로 하는 스프레이 노즐을 이용한 코팅 시스템.
제 7항에 있어서,
상기 제어부는 상기 액체 공급부로부터 공급되는 액체의 유량을 조절하여 상기 스프레이 노즐로부터 분사되는 액체의 분사속도를 제어하는 분사속도 제어모듈;을 포함하는 것을 특징으로 하는 스프레이 노즐을 이용한 코팅 시스템.
제 7항에 있어서,
상기 스프레이 노즐로부터 분사되는 액체가 착탄되며, 상기 착탄된 액체의 전류정보를 통해 상기 스프레이 노즐의 분사상태를 테스트하는 시험 기판부;를 더 포함하며,
상기 전류 측정부는 상기 액체 노즐과 상기 테스트 기판 사이에 연결되어 상기 착탄된 액체의 전류정보를 측정하는 것을 특징으로 하는 스프레이 노즐을 이용한 코팅 시스템.
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