KR101822927B1 - 마이크로 노즐 어레이, 그 제조 방법 및 마이크로 노즐 어레이를 이용한 공기 청정 장치 - Google Patents

마이크로 노즐 어레이, 그 제조 방법 및 마이크로 노즐 어레이를 이용한 공기 청정 장치 Download PDF

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한국과학기술원
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Abstract

본 발명은 미세 물 액적을 이용한 정전 집진 방식의 공기 청정에서 분무 액적을 미세화하기 위한 마이크로 노즐 어레이, 그 제조 방법 및 마이크로 노즐 어레이를 이용한 공기 청정 장치에 대한 것으로, 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로 노즐 어레이는 복수의 홀(hole)이 형성된 베이스 층, 베이스 층으로부터 복수의 홀 각각을 둘러싸는 기설정된 두께의 영역이 돌출되어 형성된 복수의 마이크로 노즐 및 상기 복수의 마이크로 노즐 사이에서, 상기 복수의 마이크로 노즐이 돌출된 방향과 동일한 방향으로 상기 베이스 층으로부터 돌출된 복수의 기둥을 포함한다. 그에 따라 마이크로 노즐 어레이를 이용한 공기 청정 장치의 집진 성능을 향상시키고 미생물을 비활성화시키는 효과를 제공하여 공기 청정 효과를 극대화시킬 수 있다.

Description

마이크로 노즐 어레이, 그 제조 방법 및 마이크로 노즐 어레이를 이용한 공기 청정 장치 { MICRO NOZZLE ARRAY, MANUFACTURING METHOD THEREOF AND AIR PURIFICATION APPARATUS USING MICRO NOZZLE ARRAY }
본 발명은 마이크로 노즐 어레이, 그 제조 방법 및 마이크로 노즐 어레이를 이용한 공기 청정 장치에 대한 것으로, 더욱 상세하게는 돌출된 형태의 복수의 마이크로 노즐이 형성된 마이크로 노즐 어레이, 그 제조 방법 및 마이크로 노즐 어레이를 이용한 공기 청정 장치에 대한 것이다.
기존의 공기 청정 방법은 필터 유무에 따라 구분된다. 먼저, 필터 방식을 이용하는 경우 대부분 HEPA(High Efficiency Particulate Air) 필터를 사용하고, 정화 대상이 가스, 매연 등이 추가되면 활성탄(Activated carbon) 필터와 조합된다. HEPA 필터는 0.3μm 크기 이상의 미세먼지들을 99.97% 이상 걸러줄 수 있어 먼지 대응 능력이 뛰어나지만 주기적인 교체가 필요하며 공기 흐름의 저항을 일으켜 압력 강하와 소음을 일으키는 단점이 있다.
필터 방식을 대체하기 위한 방법으로는 UV 정화, 오존(Ozone)/음이온(Anion) 정화, 광촉매 정화 등과 같은 무 필터 방식이 있다. UV와 오존을 이용한 정화 방식은 공기 중 유해 미생물 제거 효과가 매우 높은 반면 미세먼지는 제거하지 못하는 단점이 있다. 특히, 오존 정화 방식은 천식(Asthma)과 같은 폐질환을 유발할 수 있기 때문에 일반 가정에서 사용하기에는 부적합하다. 음이온 정화 방식은 오존 정화 방식과 유사하지만 오존을 인위적으로 발생시키지 않고 공기 중 질소 또는 산소를 이용해 음이온을 발생시켜 미세먼지를 전기적으로 끌어들이는 방법을 이용한다. 다만, 음이온 정화 방식은 미세먼지만을 제거할 수 있어 다른 정화 방식에 비해 청정 효과가 떨어진다. 광촉매 정화 방식 역시 정화 과정 중 오존의 발생 가능성이 있고 청정 효과가 좋지 않기 때문에 상용화에 어려움이 있다.
선행문헌 한국공개특허 제10-2013-0104184호는 물을 청정 상태로 분무하는 가습기에 대한 발명으로, 정전 분무용 복수의 노즐을 이용하며, 복수의 노즐은 어레이 부재로부터 돌출된 형태가 개시되어 있다. 이 방법은 산업에서 대형 설비의 집진 장치로 사용되는 세정집진장치(Wet scrubber system)의 원리와 유사하며, 방전 이전의 분무 영역에서는 오존이 발생하지 않는 장점이 있다. 다만, 종래 기술에 의하면 나노 사이즈의 물 액적이 생성되지 않기 때문에 고농도의 초미세먼지를 집진하기 어렵다. 또한, 분무량이 적다는 단점이 있어 필터 방식과 조합되어 사용되고 있다.
선행문헌 한국특허 제10-1741517호는 전기력을 이용하는 전기집진장치에 대한 발명이며, 미세먼지의 처리 효율을 증가시키는 것에 목적이 있다. 다만, 물 액적이 크고 코로나 방전에 의해 오존이 발생하는 단점이 있다.
선행문헌 미국등록특허 US7854403B2는 정전 분무 장치에 대한 발명이나, 마찬가지로 오존이 생성되며 팰티어 소자를 이용함에 따라 단가가 높은 문제가 있었다.
따라서 효율적 공기 청정 및 경제성을 고려하여 필터 없이 인체에 무해하며 미세먼지와 미생물에 모두 대응할 수 있는 시스템이 필요하며 그에 대한 기술적인 문제가 해결될 필요가 있다.
한국공개특허 제10-2013-0104184호 한국등록특허 제10-1741517호 미국등록특허 US7854403B2
본 발명은 미세 물 액적을 이용한 정전 집진 방식의 공기 청정에서 분무 액적을 미세화하기 위한 마이크로 노즐 어레이 및 그 제조 방법을 제공함을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 미세 물 액적을 이용한 정전 집진 방식의 공기 청정에서 분무 액적을 미세화하기 위한 마이크로 노즐 어레이를 이용하는 공기 청정 장치를 제공함을 목적으로 한다.
이상과 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 정전 분무를 위한 마이크로 노즐 어레이는 복수의 홀(hole)이 형성된 베이스 층, 상기 베이스 층으로부터 상기 복수의 홀 각각을 둘러싸는 기설정된 두께의 영역이 돌출되어 형성된 복수의 마이크로 노즐 및 상기 복수의 마이크로 노즐 사이에서, 상기 복수의 마이크로 노즐이 돌출된 방향과 동일한 방향으로 상기 베이스 층으로부터 돌출된 복수의 기둥을 포함한다.
또한, 상기 복수의 기둥은 상기 복수의 마이크로 노즐보다 돌출된 길이가 짧으며, 정전 분무 시에 상기 복수의 마이크로 노즐 각각을 통해 방출되는 액적이 상기 마이크로 노즐 어레이에 붙는 것을 방지할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 마이크로 노즐 어레이의 제조 방법은 기판 상에 제1 감광성 물질을 적층하는 단계, 상기 제1 감광성 물질에서 노즐의 홀(hole)로 이용될 제1 영역 및 상기 제1 영역을 제외한 나머지 제2 영역 중 상기 제2 영역을 UV 노광하는 단계, 상기 제1 감광성 물질 중 UV 노광되지 않은 영역을 제거하는 단계, 상기 기판 및 상기 제1 감광성 물질 상에 제2 감광성 물질을 적층하는 단계, 상기 제2 영역 상에서, 상기 제2 감광성 물질 중 복수의 기둥이 형성될 영역을 UV 노광하는 단계, 상기 제2 감광성 물질 중 UV 노광되지 않은 영역을 제거하는 단계, 상기 기판, 상기 제1 감광성 물질 및 상기 제2 감광성 물질 상에 제3 감광성 물질을 적층하는 단계, 상기 제1 영역의 상부 영역을 둘러싸는 기설정된 두께의 영역을 UV 노광하는 단계, 상기 제3 감광성 물질 중 상기 UV 노광되지 않은 영역을 제거하는 단계 및 상기 기판을 제거하는 단계를 포함한다.
이상과 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 정전 분무 방식을 이용하는 공기 청정 장치는 복수의 홀(hole)이 형성된 베이스 층 및 상기 베이스 층으로부터 상기 복수의 홀 각각을 둘러싸는 기설정된 두께의 영역이 돌출되어 형성된 복수의 마이크로 노즐을 포함하는 마이크로 노즐 어레이, 상기 마이크로 노즐 어레이로부터 이격되어 배치되며, 접지된 접지부 및 상기 마이크로 노즐 어레이에 전원을 공급하는 전원부를 포함하며, 상기 공기 청정 장치는 상기 마이크로 노즐 어레이에 상기 전원이 인가되면, 상기 복수의 마이크로 노즐 각각을 통해 액적이 방출되며, 상기 액적은 상기 복수의 마이크로 노즐 각각으로부터 상기 접지부를 향하는 방향으로 정전 분무되어 공기를 정화할 수 있다.
또한, 상기 마이크로 노즐 어레이는 상기 복수의 마이크로 노즐 사이에서, 상기 복수의 마이크로 노즐이 돌출된 방향과 동일한 방향으로 상기 베이스 층으로부터 돌출된 복수의 기둥을 더 포함하며, 상기 복수의 기둥은 상기 정전 분무 시에 상기 복수의 마이크로 노즐 각각을 통해 방출되는 액적이 상기 마이크로 노즐 어레이에 붙는 것을 방지할 수 있다.
또한, 상기 복수의 기둥은 상기 전원에 의해 형성되는 전기장이 상기 복수의 마이크로 노즐에 집중되도록 상기 복수의 마이크로 노즐보다 길이가 짧게 형성되며, 상기 복수의 마이크로 노즐에 집중된 전기장에 의해 상기 정전 분무 시에 상기 액적이 상기 마이크로 노즐 어레이에 붙는 것을 방지할 수 있다.
또한, 상기 액적은 상기 정전 분무를 통해 미립화되어 상기 공기 중에 포함된 미세먼지와 전기적으로 결합될 수 있다.
또한, 상기 접지부가 상기 마이크로 노즐 어레이를 향하는 방향의 반대 방향에 상기 접지부로부터 이격되어 배치되는 집진판을 더 포함하며, 상기 집진판은 상기 전원부에 의해 상기 마이크로 노즐 어레이와는 반대 극성의 전원이 인가되면, 상기 미세먼지와 결합된 상기 미립화된 액적을 집진할 수 있다.
또한, 상기 접지부는 평면 격자 형태로 형성되며, 상기 액적은 상기 정전 분무를 통해 미립화되며 상기 접지부를 통과하고, 상기 미립화된 액적은 상기 공기 중에 포함된 미세먼지와 전기적으로 결합되어 상기 집진판에 집진될 수 있다.
또한, 상기 액적은 상기 정전 분무를 통해 이온화되어 살균 기능이 있는 음이온을 포함하고 있어 상기 공기 중에 포함된 미생물을 비활성화시킬 수 있다.
이상과 같은 본 발명의 다양한 실시 예에 따르면, 복수의 마이크로 노즐을 포함하는 마이크로 노즐 어레이를 이용하여 분무 액적의 크기를 더 작게 만들 수 있다.
또한, MEMS(Micro Electro-Mechanical System) 공정을 통해 크기가 소형화된 복수의 마이크로 노즐을 포함하는 마이크로 노즐 어레이를 제조하여 노즐의 소형화 및 일체화가 가능하여 제조 비용이 절감되는 효과가 있다.
또한, 복수의 마이크로 노즐을 포함하는 마이크로 노즐 어레이를 이용한 공기 청정 장치의 집진 성능을 향상시키고 미생물을 비활성화시키는 효과를 제공하여 공기 청정 효과를 극대화시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로 노즐 어레이의 3차원 형상을 나타내는 도면이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로 노즐 어레이를 나타내는 도면이고, 도 2b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로 노즐의 전자 현미경 사진을 나타내는 도면이며, 도 2c는 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로 노즐의 일 영역을 확대한 전자 현미경 사진을 나타내는 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로 노즐 및 복수의 기둥의 광학 현미경 사진을 나타내는 도면들이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로 노즐 어레이의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 공기 청정 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 6a는 본 발명의 이해를 돕기 위한 정전 분무 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 6b는 본 발명의 이해를 돕기 위한 cone jet 전압을 설명하기 위한 도면이다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 먼지 제거 및 미생물의 비활성화를 설명하기 위한 도면들이다.
이하, 첨부된 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 다만, 본 발명이 예시적 실시 예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일 참조부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부재를 나타낸다.
본 발명의 목적 및 효과는 하기의 설명에 의해서 자연스럽게 이해되거나 보다 분명해질 수 있으며, 하기의 기재만으로 본 발명의 목적 및 효과가 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로 노즐 어레이(100)의 3차원 형상을 나타내는 도면이다. 마이크로 노즐 어레이(100)는 액적을 분무하기 위한 구성일 수 있다. 액체 상태의 물질이 분무될 때 액체 방물로 미립화될 수 있으며, 여기서 액체 방물을 액적이라고 한다. 액적의 이용에 대한 구체적인 설명은 후술한다.
마이크로 노즐 어레이(100)는 베이스 층(110) 및 복수의 마이크로 노즐(120)을 포함할 수 있다. 또한, 마이크로 노즐 어레이(100)는 복수의 기둥(130)을 더 포함할 수 있다.
베이스 층(110)은 복수의 홀(hole)이 형성되어 있다. 또한, 베이스 층(110)에는 복수의 마이크로 노즐(120) 및 복수의 기둥(130)이 돌출될 수 있다. 베이스 층(110)에 형성된 복수의 홀은 복수의 마이크로 노즐(120)에 형성된 홀과 연결될 수 있다. 즉, 베이스 층(110)의 일면에서 공급되는 액체는 베이스 층(110)의 복수의 홀을 통과하고 복수의 마이크로 노즐(120)을 통과하여 베이스 층(110)의 타면으로 방출될 수 있다.
복수의 마이크로 노즐(120)은 베이스 층(110)으로부터 복수의 홀 각각을 둘러싸는 기설정된 두께의 영역이 돌출되어 형성될 수 있다. 복수의 마이크로 노즐(120)은 매트릭스 형태로 배열되어 베이스 층(110)으로부터 돌출될 수 있다.
복수의 마이크로 노즐(120)은 베이스 층(110)으로부터 돌출되어 액적을 미립화하는 데 유리하다. 예를 들어, 복수의 마이크로 노즐(120)이 구비된 베이스 층(110)을 이용하는 경우 노즐이 없이 복수의 홀만 형성된 베이스 층을 이용하는 경우보다 액적을 더 작게 형성할 수 있다. 액적이 더 작아짐에 따라 사용되는 액체의 양을 줄일 수 있다.
복수의 기둥(130)은 복수의 마이크로 노즐(120) 사이의 영역에서, 복수의 마이크로 노즐(120)이 돌출된 방향과 동일한 방향으로 베이스 층(110)으로부터 돌출될 수 있다.
복수의 기둥(130)은 복수의 마이크로 노즐(120)보다 돌출된 길이가 짧으며, 정전 분무 시에 복수의 마이크로 노즐 각각을 통해 방출되는 액적이 마이크로 노즐 어레이(100)에 붙는 것을 방지할 수 있다.
한편, 도 1에서는 마이크로 노즐 어레이(100)가 24mm × 24mm이며, 복수의 마이크로 노즐(120) 각각이 외경 100μm, 내경 50μm 및 높이 100μm이고, 10 × 10개로 배열되며, 복수의 마이크로 노즐(120) 간 수평 및 수직 방향의 거리가 2mm인 것으로 도시되어 있다. 그리고, 도 1에 도시되진 않았으나, 복수의 기둥(130) 각각은 직경 15μm, 높이 30μm 및 복수의 기둥(130) 간 수평 및 수직 방향의 거리가 20μm일 수 있다.
이는 후술할 제조 방법에 따라 제조된 마이크로 노즐 어레이(100)의 제원을 나타내며, 종래의 노즐 대비 크기가 4 ~ 10배 작기 때문에 정전 분무를 위해 전압을 인가하는 경우에도 상대적으로 작은 전압으로 안정적인 분무가 가능하다. 또한, 작은 전압으로 정전 분무가 가능함에 따라 노즐의 파손 및 오존 발생을 방지할 수 있다.
한편, 종래에는 정전 분무 시 노즐 표면에 액적이 형성되어 노즐에 전기장이 집중되지 못하는 현상이 있었으나, 복수의 기둥(130)이 복수의 마이크로 노즐(120) 사이에 추가로 돌출되어, 액적이 일정 크기 이상 맺히면 쉽게 떨어뜨릴 수 있다.
한편, 이상에서 설명한 제원은 일 실시 예에 불과하고 얼마든지 다른 수치로 제조될 수도 있다.
도 2a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로 노즐 어레이(100)를 나타내는 도면이고, 도 2b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로 노즐의 전자 현미경 사진을 나타내는 도면이며, 도 2c는 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로 노즐의 일 영역을 확대한 전자 현미경 사진을 나타내는 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로 노즐 및 복수의 기둥(130)의 광학 현미경 사진을 나타내는 도면들이다.
도 2a 내지 도 3b에 도시된 제원은 일 실시 예에 불과하고, 얼마든지 다른 크기로 생성될 수 있다.
또한, 도 1 내지 도 3b에서는 복수의 마이크로 노즐(120)이 원기둥 형태이며, 내부에 원기둥 형태의 홀이 있는 것으로 도시되었으나, 얼마든지 다른 형태일 수도 있다. 또한, 도 1 내지 도 3b에서는 복수의 기둥(130)이 원기둥 형태인 것으로 도시되었으나, 이는 일 실시 예에 불과하며 사각기둥, 오각기둥 등 다양한 형태로 형성될 수도 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 마이크로 노즐 어레이(100)의 제조 방법을 설명하기 위한 도면이다.
먼저, 도 4(a)와 같이 기판을 준비한다. 여기서, 기판은 세척된 실리콘 웨이퍼일 수 있으나, 얼마든지 다른 재료가 이용될 수도 있다. 그리고, 도 4(b)와 같이 기판 상에 제1 감광성 물질을 적층한다. 예를 들어, 기판 상에 에폭시 계열 감광성 물질인 SU-8(Microchem, USA)을 스핀코팅하고 Soft bake하여 SU-8을 굳힐 수 있다.
그리고, 도 4(c)와 같이 제1 감광성 물질에서 노즐의 홀(hole)로 이용될 제1 영역 및 제1 영역을 제외한 나머지 제2 영역 중 제2 영역을 UV 노광할 수 있다. 그리고, 도 4(d)와 같이 제1 감광성 물질 중 UV 노광되지 않은 영역을 제거할 수 있다. 즉, 복수의 마이크로 노즐(120)의 홀로 이용될 영역을 패터닝할 수 있다. 이때, 복수의 마이크로 노즐(120)의 홀로 이용될 영역을 원기둥 형태로 패터닝할 수도 있으나, 이는 일 실시 예에 불과하고 얼마든지 다른 형태로 패터닝할 수도 있다.
이후, 도 4(e)와 같이 기판 및 제1 감광성 물질 상에 제2 감광성 물질을 적층할 수 있다. 여기서, 제2 감광성 물질은 SU-8일 수 있으며, 제1 감광성 물질이 UV 노광된 상태이므로 이와 구분하기 위해 이하에서는 제2 감광성 물질로 설명한다.
그리고, 도 4(f)와 같이 제2 영역 상에서, 제2 감광성 물질 중 복수의 기둥이 형성될 영역을 UV 노광하고, 도 4(g)와 같이 제2 감광성 물질 중 UV 노광되지 않은 영역을 제거할 수 있다. 즉, 복수의 마이크로 노즐(120)의 홀로 이용될 영역 주변으로 복수의 기둥을 패터닝할 수 있다.
이후, 도 4(h)와 같이 기판, 제1 감광성 물질 및 제2 감광성 물질 상에 제3 감광성 물질을 적층할 수 있으며, 제3 감광성 물질 역시 SU-8일 수 있다.
그리고, 도 4(i)와 같이 제1 영역의 상부 영역을 둘러싸는 기설정된 두께의 영역을 UV 노광하고, 도 4(j)와 같이 제3 감광성 물질 중 UV 노광되지 않은 영역을 제거할 수 있다.
이후, 도 4(k)와 같이 기판을 제거할 수 있다. 예를 들어, 수산화포타슘 용액을 사용해 기판과 SU-8을 분리하면 마이크로 노즐 어레이(100)가 완성될 수 있다.
이상과 같은 공정은 MEMS(Micro Electro-Mechanical Systems) 공정으로 제작되기 때문에 노즐을 종래보다 작게 형성할 수 있으며, 별도의 노즐 조립 공정이 필요 없다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 공기 청정 장치(1000)를 설명하기 위한 도면이다. 여기서, 공기 청정 장치(1000)는 정전 분무 방식을 이용하여 공기를 정화할 수 있다. 정전 분무 방식이란 재료에 전원을 인가하여 분사시키는 방식으로, 정전 분무 방식을 이용한 공기 청정 방식은 액체에 전원을 인가하여 먼지를 집진하는 방식을 의미한다.
공기 청정 장치(1000)는 마이크로 노즐 어레이(100), 접지부(200) 및 전원부(300)를 포함할 수 있다. 또한, 공기 청정 장치(1000)는 집진판(400) 및 액체 저장 용기(500)를 더 포함할 수 있다. 한편, 도 5에서는 우측 하단으로부터 오염된 공기가 유입되어 원형의 영역에서 공기가 정화된 후 정화된 공기가 좌측 상단으로 배출되는 것으로 공기 정화를 위한 공간이 오픈된 것으로 도시되었으나, 공기 청정 장치(1000)는 별도의 공기 정화를 위한 용기를 더 포함할 수도 있다.
마이크로 노즐 어레이(100)는 복수의 홀(hole)이 형성된 베이스 층(110) 및 베이스 층(110)으로부터 복수의 홀 각각을 둘러싸는 기설정된 두께의 영역이 돌출되어 형성된 복수의 마이크로 노즐(120)을 포함할 수 있다. 또한, 마이크로 노즐 어레이(100)는 복수의 마이크로 노즐(120) 사이에서, 복수의 마이크로 노즐(120)이 돌출된 방향과 동일한 방향으로 베이스 층(110)으로부터 돌출된 복수의 기둥(130)을 더 포함할 수 있다.
접지부(200)는 마이크로 노즐 어레이(100)로부터 이격되어 배치되며, 접지된 상태일 수 있다. 예를 들어, 접지부(200)는 마이크로 노즐 어레이(100)와 평행하게 이격되어 배치될 수 있다.
전원부(300)는 마이크로 노즐 어레이(100) 및 집진판(400)에 전원을 공급할 수 있다. 마이크로 노즐 어레이(100)에 전원이 인가되면 접지된 접지부(200)와 함께 정전 분무를 일으키게 되며, 이에 대하여는 도 6a 및 도 6b를 통해 먼저 설명한다.
도 6a는 본 발명의 이해를 돕기 위한 정전 분무 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 6a에 도시된 바와 같이, 노즐(120)을 통해 물이 액적으로 변경되고, 노즐(120)에 적정 영역의 고전압(약 수~수십 kV)이 인가되며 접지부(200)가 접지된 상태이면, 전기력과 물의 표면장력 간의 상호작용을 통해 Taylor cone이 형성되어 cone jet 모드 정전 분무 현상이 일어날 수 있다. 여기서, Taylor cone은 노즐(120) 하부의 분무 전까지 형성되는 형태를 지칭하며, cone jet 모드 정전 분무는 Taylor cone이 형성된 후 액적이 전기력을 통해 cone 끝에서 제트(Jet)를 형성하며 분무되는 것을 의미한다.
Cone jet 모드 정전 분무 시에 액적의 1차 미립화가 발생하며, 미립화된 액적은 공기 중 이동하면서 증발되며 크기가 점점 작아질 수 있다. 이 과정에서도 액적의 내부 전하량은 유지되기 때문에 표면적을 넓히는 방향으로 더 작은 액적으로 분열되는 2차 미립화가 일어날 수 있다(Rayleigh fission). 이러한 분열은 지속적으로 이루어져 최종적으로 수십 나노미터 크기의 액적이 형성될 수 있다.
한편, Cone jet 모드 정전 분무의 경우 노즐의 직경이 감소할수록 정전 분무를 발생시키기 위한 전압이 낮아지기 때문에 마이크로 노즐을 사용하면 낮은 전압에서 쉽고 안정적으로 분무를 할 수 있다. Cone jet 모드 정전 분무가 과도한 전압에서 이루어질 경우 corona discharge가 발생하여 노즐의 파손과 오존 발생을 야기할 수 있으나, 노즐 직경의 감소에 따라 인가되는 전압이 작아지면 이러한 문제점을 해결할 수 있다. 여기서, corona discharge는 뾰족한 모양의 전극에 고전압이 인가되면 기체 속에서 방전 현상이 발생하는 것을 의미한다.
도 6b는 본 발명의 이해를 돕기 위한 cone jet 전압을 설명하기 위한 도면이다. cone jet 전압보다 큰 전압이 노즐(120)에 인가되면 정전 분무가 발생할 수 있다.
도 6b에 도시된 바와 같이, cone jet 전압은 전극과 접지 사이의 거리 및 노즐(120)의 직경에 따라 변경될 수 있다. 구체적으로, cone jet 전압은 전극과 접지 사이의 거리가 작을수록, 노즐(120)의 직경이 작을수록 작아진다.
cone jet 전압은 하기와 같은 수학식 1로 나타낼 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112017060240521-pat00001
여기서, Vc는 cone jet 전압, C는 상수, H는 전극과 접지 사이의 거리, d는 노즐 직경, σs는 표면장력, ε0는 진공에서의 유전율 및 θ0는 Taylor cone이 형성하는 각도를 나타낸다.
다시 도 5를 설명하면, 공기 청정 장치(1000)는 마이크로 노즐 어레이(100)에 전원이 인가되면, 복수의 마이크로 노즐(120) 각각을 통해 액적이 방출되며, 액적은 복수의 마이크로 노즐(120) 각각으로부터 접지부(200)를 향하는 방향으로 정전 분무되어 공기를 정화할 수 있다.
다만, 방출된 액적의 일부는 접지부(200)가 아닌 마이크로 노즐 어레이(100) 방향으로 분무될 수도 있다. 이때, 복수의 기둥(130)은 정전 분무 시에 복수의 마이크로 노즐 각각을 통해 방출되는 액적이 마이크로 노즐 어레이(100)에 붙는 것을 방지할 수 있다.
구체적으로, 복수의 기둥(130)은 전원에 의해 형성되는 전기장이 복수의 마이크로 노즐(120)에 집중되도록 복수의 마이크로 노즐(120)보다 길이가 짧게 형성되며, 복수의 마이크로 노즐(120)에 집중된 전기장에 의해 정전 분무 시에 액적이 마이크로 노즐 어레이(100)에 붙는 것을 방지할 수 있다.
집진판(400)은 접지부(200)가 마이크로 노즐 어레이를 향하는 방향의 반대 방향에 접지부(200)로부터 이격되어 배치될 수 있다.
집진판(400)은 전원부(300)에 의해 마이크로 노즐 어레이(100)와는 반대 극성의 전원이 인가되면, 방출된 액적이 공기 중의 먼지와 결합된 결합물을 집진할 수 있다.
액체 저장 용기(500)는 액적이 방출되기 전의 액체를 저장할 수 있다. 액체 저장 용기(500)는 마이크로 노즐 어레이(100)의 일 측에 연결되어 마이크로 노즐 어레이(100)에 액체를 제공할 수 있다.
방출된 액적은 상술한 바와 같이 공기 중의 먼지와 결합하거나 미생물을 비활성화시킬 수 있으며, 이에 대하여는 도 7a 및 도 7b에서 설명한다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 먼지 제거 및 미생물의 비활성화를 설명하기 위한 도면들이다.
먼저, 도 7a에 도시된 바와 같이, 액적은 정전 분무를 통해 미립화되어 공기 중에 포함된 미세먼지와 전기적으로 결합될 수 있다. 여기서, 집진판(400)은 미세먼지와 결합된 미립화된 액적을 집진할 수 있다.
특히, 접지부(200)는 평면 격자 형태로 형성되며, 액적은 정전 분무를 통해 미립화되며 접지부(200)를 통과하고, 미립화된 액적은 공기 중에 포함된 미세먼지와 전기적으로 결합되어 집진판(400)에 집진될 수 있다. 이러한 과정을 통해 필터 없이 미세먼지를 제거할 수 있다.
또한, 도 7b에 도시된 바와 같이, 액적은 정전 분무를 통해 이온화되어 공기 중에 포함된 미생물을 비활성화시킬 수 있다. 예를 들어, 물이 정전 분무되면 이온화되어 수산기(Hydroxyl radical), 과산화기(Superoxide radical)와 같은 반응성이 강한 음이온들을 갖고 있는 미세 물 액적이 분무될 수 있다. 이러한 음이온들은 환원하려는 성질이 매우 강하여 공기 중 미생물의 세포막이나 바이러스 내 수소 양이온을 빼앗아 물로 환원되며, 미생물과 바이러스는 이 과정에서 비활성화될 수 있다. 따라서 공기 중의 유해 미생물도 이러한 전하 이동 과정으로 인해 비활성화시킬 수 있다.
한편, 이상에서는 마이크로 노즐 어레이(100)의 복수의 마이크로 노즐(120)과 복수의 기둥(130)이 모두 연결되어 있는 것으로 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 복수의 마이크로 노즐(120) 및 복수의 기둥(130)이 서로 절연된 상태로 마이크로 노즐 어레이(100)가 제조될 수도 있다. 이 경우, 전원부(300)는 복수의 기둥(130)보다 복수의 마이크로 노즐(120)에 높은 전압을 인가하여 복수의 마이크로 노즐(120)에 전기장이 집중되는 효과를 향상시킬 수도 있다.
이상과 같은 본 발명의 다양한 실시 예에 따르면, MEMS(Micro Electro-Mechanical System) 공정을 통해 크기가 소형화된 복수의 마이크로 노즐을 포함하는 마이크로 노즐 어레이를 이용하여 분무 액적의 크기를 더 작게 만들 수 있으며, 그에 따라 마이크로 노즐 어레이를 이용한 공기 청정 장치의 집진 성능을 향상시키고 미생물을 비활성화시키는 효과를 제공하여 공기 청정 효과를 극대화시킬 수 있다.
또한, 노즐의 소형화 및 일체화가 가능하여 제조 비용이 절감되며, 필터를 이용하지 않음에 따라 필터 교체 비용도 절약할 수 있다.
100 : 마이크로 노즐 어레이
110 : 베이스 층
120 : 복수의 마이크로 노즐
130 : 복수의 기둥
1000 : 공기 청정 장치
200 : 접지부
300 : 전원부
400 : 집진판
500 : 액체 저장 용기

Claims (10)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 마이크로 노즐 어레이의 제조 방법에 있어서,
    기판 상에 제1 감광성 물질을 적층하는 단계;
    상기 제1 감광성 물질에서 노즐의 홀(hole)로 이용될 제1 영역 및 상기 제1 영역을 제외한 나머지 제2 영역 중 상기 제2 영역을 UV 노광하는 단계;
    상기 제1 감광성 물질 중 UV 노광되지 않은 영역을 제거하는 단계;
    상기 기판 및 상기 제1 감광성 물질 상에 제2 감광성 물질을 적층하는 단계;
    상기 제2 영역 상에서, 상기 제2 감광성 물질 중 복수의 기둥이 형성될 영역을 UV 노광하는 단계;
    상기 제2 감광성 물질 중 UV 노광되지 않은 영역을 제거하는 단계;
    상기 기판, 상기 제1 감광성 물질 및 상기 제2 감광성 물질 상에 제3 감광성 물질을 적층하는 단계;
    상기 제1 영역의 상부 영역을 둘러싸는 기설정된 두께의 영역을 UV 노광하는 단계;
    상기 제3 감광성 물질 중 상기 UV 노광되지 않은 영역을 제거하는 단계; 및
    상기 기판을 제거하는 단계;를 포함하는 제조 방법.
  4. 정전 분무 방식을 이용하는 공기 청정 장치에 있어서,
    복수의 홀(hole)이 형성된 베이스 층 및 상기 베이스 층으로부터 상기 복수의 홀 각각을 둘러싸는 기설정된 두께의 영역이 돌출되어 형성된 복수의 마이크로 노즐을 포함하는 마이크로 노즐 어레이;
    상기 마이크로 노즐 어레이로부터 이격되어 배치되며, 접지된 접지부;
    상기 마이크로 노즐 어레이에 전원을 공급하는 전원부; 및
    평면 격자 형태로 형성된 상기 접지부가 상기 마이크로 노즐 어레이를 향하는 방향의 반대 방향에 상기 접지부로부터 이격되어 배치되는 집진판; 을 포함하는,
    상기 공기 청정 장치는,
    상기 마이크로 노즐 어레이에 상기 전원이 인가되면, 상기 복수의 마이크로 노즐 각각을 통해 액적이 방출되며,
    상기 액적은,
    상기 복수의 마이크로 노즐 각각으로부터 상기 접지부를 향하는 방향으로 정전 분무되어 미립화되며, 상기 접지부를 통과한 후 공기 중에 포함된 미세먼지와 전기적으로 결합되어 상기 공기를 정화하며,
    상기 집진판은,
    상기 전원부에 의해 상기 마이크로 노즐 어레이와는 반대 극성의 전원이 인가되면, 상기 미세먼지와 결합된 상기 미립화된 액적을 집진하는, 공기 청정 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 마이크로 노즐 어레이는,
    상기 복수의 마이크로 노즐 사이에서, 상기 복수의 마이크로 노즐이 돌출된 방향과 동일한 방향으로 상기 베이스 층으로부터 돌출된 복수의 기둥을 더 포함하며,
    상기 복수의 기둥은,
    상기 정전 분무 시에 상기 복수의 마이크로 노즐 각각을 통해 방출되는 액적이 상기 마이크로 노즐 어레이에 붙는 것을 방지하는, 공기 청정 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 복수의 기둥은,
    상기 전원에 의해 형성되는 전기장이 상기 복수의 마이크로 노즐에 집중되도록 상기 복수의 마이크로 노즐보다 길이가 짧게 형성되며, 상기 복수의 마이크로 노즐에 집중된 전기장에 의해 상기 정전 분무 시에 상기 액적이 상기 마이크로 노즐 어레이에 붙는 것을 방지하는, 공기 청정 장치.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제4항에 있어서,
    상기 액적은,
    상기 정전 분무를 통해 이온화되어 상기 공기 중에 포함된 미생물을 비활성화시키는, 공기 청정 장치.
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