KR102179526B1

KR102179526B1 - 금형을 이용한 마이크로 노즐 어레이 제조 방법

Info

Publication number: KR102179526B1
Application number: KR1020200057167A
Authority: KR
Inventors: 이승섭; 정지훈
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2020-05-13
Filing date: 2020-05-13
Publication date: 2020-11-16
Also published as: KR20200055699A

Abstract

본 발명은 마이크로 노즐 어레이 제조용 금형의 제조 방법에 관한 것으로, 상세하게는, 베이스 상에 복수의 마이크로 노즐이 배열된 고분자 재질의 마이크로 노즐 어레이 제조용 금형의 제조 방법에 있어서, a) 기판 상에 상기 마이크로 노즐 어레이에 대응하는 감광제 패터닝을 형성하는 단계; b) 감광제 패터닝의 요부에 금속을 충진하는 단계; c) 충진된 금속 사이의 잔여 감광제를 제거하는 단계; d) 기판 상에 감광제를 증착한 후, 충진된 금속 사이에 홀이 형성되도록 감광제를 패터닝하는 단계; e) 상기 충진된 금속 사이의 홀에 금속을 충진하는 단계; 및 f) 잔여 감광제를 제거하는 단계;를 포함하는, 마이크로 노즐 어레이 제조용 금형의 제조 방법에 관한 것이다.

Description

금형을 이용한 마이크로 노즐 어레이 제조 방법{MANUFACTURING METHOD OF MICRO NOZZLE ARRAY USING MOLD}

본 발명은 MEMS 기술을 활용한 물의 정전분무가 가능한 마이크로 노즐 어레이를 금형 기반으로 제조하는 방법과 이를 이용한 공기 청정 장치에 관한 것이다.

본 발명은 실내 공기 청정 및 가습 분야의 기술로 세부적으로는 정전분무를 이용해 물 나노 액적을 분무 및 제어하는 기술을 다루고 있다. 산업적으로 많이 사용되고 있는 필터 방식 공기청정 시스템과 달리 본 발명은 하전된 물 액적 특성을 이용해 미세먼지 집진과 공기 중 부유 세균을 살균할 수 있는 정전분무 공기청정 가습 시스템을 적용 대상으로 하고 있다. 정전분무 공기청정 가습 시스템은 필터를 사용하지 않기 때문에 주기적 교체, 소음, 에너지 손실, 2차 유해물질 발생과 같은 문제없이 효율적인 공기 청정이 가능한 장점이 있지만, 물 정전분무의 어려움, 노즐 어레이의 안정적 정전분무 어려움, 물 액적 제어 어려움으로 인해 상용적인 공기청정 시스템으로 효과적으로 구현하기 어려웠다.

물(Deionized water 기준)은 다른 유체에 비해 높은 전기전도도(120 μS/m)와 표면장력(0.072 N/m)을 갖고 있기 때문에 일반적인 분무 노즐로는 안정적인 정전분무가 제한적이며 분무가 이루어져도 방전을 수반할 가능성이 크다. 안정적인 정전분무가 이루어지려면 직경이 수십 마이크로미터 수준으로 소형화된 비전도성/소수성 재질의 노즐이 필요한 것이 알려져 있지만 제작 공정이 까다롭고 노즐이 작아져 액적을 분무할 수 있는 양이 그만큼 줄어드는 문제가 있다. 노즐을 여러 개 배치하여 분무량 문제를 극복하는 연구들이 시도되었지만 균일한 전기장 분포를 위해 각 노즐 형상과 배치 형태에 대해 매우 높은 정밀도가 요구되기 때문에 실질적으로 성공한 사례가 매우 드물다.

정전분무를 통해 생성된 물 액적은 이온화 과정을 통해 전하를 갖는다는 점에서 공기 청정 분야에서 큰 이점을 갖게 된다. 같은 극성의 액적이 분무되기 때문에 확산 효과가 뛰어날 뿐만 아니라, 세균, 바이러스, 곰팡이와 같은 미생물들과 접촉할 때 전하이동(Charge transfer)으로 인해 살균하는 것으로 알려져 있다.

실내 공간에는 공기 중 떠 있는 부유 세균과 가구, 사물 등에 달라 붙어있는 부착 세균이 존재하는데, 해당 세균들 모두 정전분무를 통해 효과적으로 살균하기 위해서는 액적을 공기 중으로 방출하거나 다수의 액적을 특정 공간 내 저장하여 살균 효과를 극대화 시키는 시스템이 필요하다.

한편, 정전분무 노즐 및 이의 제조방법과 관련하여 한국공개특허 제10-2015-0111533호(이하 '선행기술'이라 약칭함)는 종이로 제조된 다중채널 노즐을 이용하여 물을 포함하는 수용액을 정전분무 방식으로 액적을 생성하고, 이러한 액적을 통해 나노입자를 제조하는 정전분무 노즐 및 이의 제조방법, 이를 이용한 나노입자 합성 장치가 개시되었다.

한국공개특허 제10-2015-0111533호

본 발명의 일 목적은 마이크로 노즐 어레이를 높은 수율로 양산하기 위한 제조방법을 제공하는데 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 마이크로 노즐 어레이를 포함한 공기 청정 장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 일 실시 예를 따르는 베이스 상에 복수의 마이크로 노즐이 배열된 고분자 재질의 마이크로 노즐 어레이 제조용 금형의 제조 방법은, a) 기판 상에 상기 마이크로 노즐 어레이에 대응하는 감광제 패터닝을 형성하는 단계; b) 감광제 패터닝의 요부에 금속을 충진하는 단계; c) 충진된 금속 사이의 잔여 감광제를 제거하는 단계; d) 기판 상에 감광제를 증착한 후, 충진된 금속 사이에 홀이 형성되도록 감광제를 패터닝하는 단계; e) 상기 충진된 금속 사이의 홀에 금속을 충진하는 단계; 및 f) 잔여 감광제를 제거하는 단계;를 포함한다.

본 발명의 일 실시 예를 따르는 베이스 상에 복수의 마이크로 노즐이 배열된 고분자 재질의 마이크로 노즐 어레이의 제조 방법은, a) 기판 상에 상기 마이크로 노즐 어레이에 대응하는 감광제 패터닝을 형성하는 단계; b) 감광제 패터닝의 요부에 금속을 충진하는 단계; c) 충진된 금속 사이의 잔여 감광제를 제거하는 단계; d) 기판 상에 감광제를 증착한 후, 충진된 금속 사이에 홀이 형성되도록 감광제를 패터닝하는 단계; e) 상기 충진된 금속 사이의 홀에 금속을 충진하는 단계; f) 잔여 감광제를 제거하여 금형을 제조하는 단계; 및 g) 상기 금형에 고분자를 충진한 후 분리하는 단계;를 포함한다.

또한, 상기 a) 단계는 75 내지 85 μm의 외경을 가진 원기둥 형상의 돌출부를 패터닝할 수 있다.

또한, 상기 b) 단계는 니켈 도금 공정 및 표면 연마 단계를 포함할 수 있다.

또한, 상기 d) 단계는 35 내지 45 μm의 외경을 가진 홀이 형성되도록 감광제를 패터닝할 수 있다.

또한, 상기 고분자는 열경화성 고분자 또는 열가소성 고분자를 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 마이크로 노즐 어레이 제조 방법은 금속 금형을 기반으로 하여, 동일한 구조의 마이크로 노즐 어레이를 높은 수율로 양산할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 공기 청정 장치는 물 나노 액적의 방출과 저장이 변환 가능한 메커니즘을 제안함으로서 공기청정 및 가습 시스템의 향상된 효율을 제공할 수 있다.

도 1은 정전분무 원리를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로 노즐 어레이의 금속 금형 기반 제조방법의 흐름 및 제조된 마이크로 노즐 어레이를 나타낸 개략도이다.
도 3는 본 발명의 실시 예에 따른 공기 청정 장치의 정전분무를 통한 미세 물 액적 방출 메커니즘을 나타낸다.
도 4은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 공기 청정 장치의 정전분무를 통한 미세 물 액적 저장 메커니즘을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 공기 청정 장치의 정전분무된 물 나노 액적의 집진/살균 효과를 나타낸다.

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 분명해 질 수 있으며, 하기의 기재만으로 본 발명의 목적 및 효과가 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.

본 발명은, 마이크로 노즐 어레이를 제조하기 위해 금형을 이용하며, 이를 위한 금형 제조 방법을 기술하도록 한다.

한편, 도 1은 정전분무 원리를 나타낸다. 도 1을 참조하면, 정전분무는 미세 노즐로 공급되는 액체에 높은 전기장을 인가하여 액체의 표면변화 특성을 이용해 액체를 미립화(Atomization)시키는 기술임을 알 수 있다. 정전분무는 인가되는 전압, 유량, 액체의 표변장력, 전기전도도, 공급 유량 등에 의해 다양한 분무 특성이 존재하는데, 그 중 안정적으로 미세 액적을 분무 할 수 있는 콘젯(Cone jet) 모드 정전분무가 가장 많이 활용된다. Cone jet 모드 정전분무는 액체의 표면장력과 외부 전기력의 상호작용을 만들어진 Taylor cone 끝단 jet에 의한 1차 미립화, Rayleigh 분열 현상으로 인한 2차 미립화를 통해 분무 노즐 크기의 수십 내지 수백 배 작은 크기의 미세 액적을 생성할 수 있다. 이에 따라, 수십 마이크로미터 크기의 노즐을 사용하게 되면 수백 나노미터 크기의 액적을 얻을 수 있게 되며, 정전분무 특성 상 노즐의 직경이 감소할수록 Cone jet 모드 정전분무 개시 전압이 감소하기 때문에 마이크로 노즐 어레이를 사용할 경우 보다 더 안정적으로 분무할 수 있다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로 노즐 어레이의 금속 금형 기반 제조방법의 흐름을 나타낸 개략도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예를 따르는 베이스 상에 복수의 마이크로 노즐이 배열된 고분자 재질의 마이크로 노즐 어레이의 제조 방법은, a) 기판 상에 상기 마이크로 노즐 어레이에 대응하는 감광제 패터닝을 형성하는 단계; b) 감광제 패터닝의 요부에 금속을 충진하는 단계; c) 충진된 금속 사이의 잔여 감광제를 제거하는 단계; d) 기판 상에 감광제를 증착한 후, 충진된 금속 사이에 홀이 형성되도록 감광제를 패터닝하는 단계; e) 상기 충진된 금속 사이의 홀에 금속을 충진하는 단계; f) 잔 잔여 감광제를 제거하여 금형을 제조하는 단계; 및 g) 상기 금형에 고분자를 충진한 후 분리하는 단계;를 포함한다.

한편, 상기 a) 단계는 75 내지 85 μm의 외경을 가진 원기둥 형상의 돌출부를 패터닝할 수 있다. 또한, 상기 b) 단계는 니켈 도금 공정 및 표면 연마 단계를 포함할 수 있다. 또한, 상기 d) 단계는 35 내지 45 μm의 외경을 가진 홀이 형성되도록 감광제를 패터닝할 수 있다. 또한, 상기 고분자는 열경화성 고분자 또는 열가소성 고분자를 포함할 수 있다. 바람직하게, 상기 고분자는 PDMS(Poly dimethyl siloxane)를 사용할 수 있다.

상세하게는, 본 발명에 따른 마이크로 노즐 어레이의 제조방법은 비전도성 재질의 마이크로 노즐 어레이를 제조하기 위해 금속 금형을 기반으로 PDMS를 복제하는 공정을 수행할 수 있다. 금속 금형은 니켈 도금을 통해 제작될 수 있다. 기판은 구리를 포함할 수 있다. 이러한 구리 기판 위 약 110 μm 높이로 음성 감광제 도포하고 UV로 100 μm 크기의 구멍을 형성할 수 있다. 이후, 니켈 도금으로 구멍을 채운 뒤 CMP(Chemical Mechanical Polishing) 공정을 이용해 기판 바닥으로부터 100 μm 높이로 표면을 평탄화할 수 있다. 이후, 노즐 어레이의 구멍을 형성하기 위한 음성 감광제 패터닝과 니켈 도금 및 CMP 공정을 마치면 마이크로 노즐 어레이를 제작할 수 있는 금형을 획득할 수 있다. 제작된 금속 금형에 PDMS를 부어 경화시키고 금형과 분리시키면 비전도성 재질의 마이크로 노즐 어레이를 얻을 수 있다. 이를 통해 획득된 마이크로 노즐 어레이는 베이스와 노즐로 구분되는 2단 구조를 가질 수 있다.

본 발명의 일 실시 예를 따르는 정전분무 시스템은, 유체 액적이 분사되는 노즐부, 상기 노즐부로부터 이격되어 배치되는 전극부, 상기 노즐부를 통해 분무되는 유체와 상기 전극부 사이에 전압을 형성시키는 전원부, 및 상기 유체와 상기 전극부 사이에 형성되는 전압의 방향을 변경시키는 전원 제어부를 포함한다. 분사되는 유체는 물일 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 공기 청정 장치의 정전분무를 통한 미세 물 액적 방출 메커니즘을 나타낸다. 도 3을 참조하면, 미세 물 액적 방출을 위해 마이크로 노즐 어레이를 적용해 물에 음극 고전압을 걸어주고 반대편 그물 구조의 전극을 접지로 구성한다. 전극 구성 상 노즐에서 분무된 물 나노 액적들은 음전하를 갖게 되므로 접지되어 있는 그물 구조 전극으로 이동할 수 있다. 다만, 주변 공간도 일반적으로 접지로 간주할 수 있기 때문에 액적은 분무 시스템 통과하여 밖으로 방출되게 된다. 방출된 물 나노 액적은 주변 공간을 가습하거나 공기 중 부유 세균을 살균하는 기능을 수행한다.

도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 공기 청정 장치의 정전분무를 통한 미세 물 액적 저장 메커니즘을 나타낸다. 도 4를 참조하면, 도 3과 반대로 물에 접지를 걸고 그물 구조 전극에 음극 고전압을 가하면 양전하를 가진 물 나노 액적이 생성될 수 있다. 그물 구조 전극을 향해 물 나노 액적이 분무되어 그물 구조 전극을 통과하지만 그물 구조 전극의 강한 전기장을 극복하지 못해 다시 돌아오게 되고 최종적으로는 전극 근처의 영역에서 액적들이 머물게 된다(물 나노 액적이 방출되지 않고 특정 영역 내 저장). 분무되는 액적이 많아질수록 그물 구조 전극 영역은 액적이 많아져 과포화 상태를 만들 수 있으며 이때 전극 구성을 도 3과 같이 변환시키면 일시적으로 고농도의 액적들을 주위로 분무할 수 있다.

특히, 양의 전하를 갖는 상기 유체 액적이 상기 시스템 내부로 유입된 외부 공기를 살균하고, 상기 유출입부는 살균된 외부 공기를 상기 시스템 외부로 유출시키며, 상기 정전분무 시스템은 상기 시스템 외부를 가습하지 않고 외부 공기를 살균 및 순환시킬 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 정전분무 시스템은, 정전분무 시스템으로 정의되는 계를 닫힌계로 설정함에 따라, 닫힌계 외부로 유체 액적이 유출되는 것을 예방한 상태로, 닫힌계 내부에서 외부 공기의 살균을 수행할 수 있다.

한편, 상기 분무 노즐은 마이크로 노즐 어레이일 수 있다. 분무 노즐이 마이크로 노즐 어레이로 구비됨에 따라, 분무 노즐에 분사되는 액적의 양이 향상될 수 있으며, 이에 따라 정전분무 시스템의 공지 청정 효과가 향상될 수 있다.

또한, 상기 전극 구조물은 다수의 공극을 포함하고, 상기 공극을 통해 상기 분무 노즐로부터 분사된 액적이 통과 가능하다. 상세하게는, 전극 구조물은 그물 전극, 메쉬(mesh) 구조 와 같은 구조를 포함할 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 특히 전극에 포함된 공극을 통해 액적의 통과가 이루어짐에 따라, 정전분무 시스템을 포함하는 계(system) 내부에 액적이 저장되거나, 시스템 외부로 액적이 방출될 수 있다.

더욱 상세하게는, 상기 유체에 음극 전압이 걸리고 상기 전극부는 접지되도록 전압의 방향이 설정되는 경우 음의 전하를 갖는 유체 액적이 상기 시스템으로부터 방출되고, 상기 전극부에 음극 전압이 걸리고 상기 유체가 접지되도록 전압의 방향이 설정되는 경우 양의 전하를 갖는 유체 액적이 상기 시스템 내부에 저장될 수 있다.

특히, 시스템 내부에 액적이 저장되는 경우 외부 공기를 시스템 내부로 유입 및 유출하여 외부 공기를 살균할 수 있다. 이를 위해, 정전분무 시스템은 외부공기를 유출/입 시키기 위한 유출입부를 더 포함할 수 있다. 또한, 유출입부는 외부 공기의 유입 및 유출을 위한 수단을 포함할 수 있으며, 이는 공기펌프, 휀(fan) 등을 포함할 수 있지만 이에 제한되지 않는다.

이처럼, 본 발명의 실시 예에 따른 공기 청정 장치는 전극 구성 변환을 통해 물 나노 액적을 주위로 방출시키거나 전극 근처 영역 내로 저장할 수 있다. 상세하게는, 도 3과 같이 물 나노 액적의 방출을 위해 노즐이 있는 물 저장 탱크에 음극이 연결되고, 반대편 그물 구조의 전극이 접지될 수 있다.

한편, 도 4와 같이 물 나노 액적을 과포화 상태로 저장하기 위해서는, 노즐이 있는 물 저장 탱크를 접지시키고, 반대편 그물 구조 전극에 음극이 연결될 수 있다.

도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 공기 청정 장치의 정전분무된 물 나노 액적의 집진/살균 효과를 나타낸다. 도 5를 참조하면, 정전분무를 통해 생성된 물 나노 액적은 미세먼지 집진 기능과 미생물 살균 기능을 수행할 수 있다. 이는 액적이 전하를 가지고 있는 특성 때문에 비롯된 것으로, 이에 따라 공기 중 미세먼지를 하전시켜 집진판으로 끌어 들이는 기능 및 전하이동을 통한 살균 기능이 수행될 수 있다. 이를 통해, 본 발명의 정전분무 시스템이 포함된 가습살균기를 제공할 수 있다.

이상에서 대표적인 실시 예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시 예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리 범위는 설명한 실시 예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태에 의하여 정해져야 한다.

Claims

베이스 상에 복수의 마이크로 노즐이 배열된 고분자 재질의 마이크로 노즐 어레이 제조용 금형의 제조 방법에 있어서,
a) 기판 상에 상기 마이크로 노즐 어레이에 대응하는 감광제 패터닝을 형성하는 단계;
b) 감광제 패터닝의 요부에 금속을 충진하는 단계;
c) 충진된 금속 사이의 잔여 감광제를 제거하는 단계;
d) 기판 상에 감광제를 증착한 후, 충진된 금속 사이에 홀이 형성되도록 감광제를 패터닝하는 단계;
e) 상기 충진된 금속 사이의 홀에 금속을 충진하는 단계; 및
f) 잔여 감광제를 제거하는 단계;를 포함하는, 마이크로 노즐 어레이 제조용 금형의 제조 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 a) 단계는 75 내지 85 μm의 외경을 가진 원기둥 형상의 돌출부를 패터닝하는, 마이크로 노즐 어레이 제조용 금형의 제조 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 b) 단계는 니켈 도금 공정 및 표면 연마 단계를 포함하는, 마이크로 노즐 어레이 제조용 금형의 제조 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 d) 단계는 35 내지 45 μm의 외경을 가진 홀이 형성되도록 감광제를 패터닝하는, 마이크로 노즐 어레이 제조용 금형의 제조 방법.
베이스 상에 복수의 마이크로 노즐이 배열된 고분자 재질의 마이크로 노즐 어레이의 제조 방법에 있어서,
a) 기판 상에 상기 마이크로 노즐 어레이에 대응하는 감광제 패터닝을 형성하는 단계;
b) 감광제 패터닝의 요부에 금속을 충진하는 단계;
c) 충진된 금속 사이의 잔여 감광제를 제거하는 단계;
d) 기판 상에 감광제를 증착한 후, 충진된 금속 사이에 홀이 형성되도록 감광제를 패터닝하는 단계;
e) 상기 충진된 금속 사이의 홀에 금속을 충진하는 단계;
f) 잔여 감광제를 제거하여 금형을 제조하는 단계; 및
g) 상기 금형에 고분자를 충진한 후 분리하는 단계;를 포함하는, 마이크로 노즐 어레이의 제조 방법.
제 5 항에 있어서,
상기 a) 단계는 75 내지 85 μm의 외경을 가진 원기둥 형상의 돌출부를 패터닝하는, 마이크로 노즐 어레이의 제조 방법.
제 5 항에 있어서,
상기 b) 단계는 니켈 도금 공정 및 표면 연마 단계를 포함하는, 마이크로 노즐 어레이의 제조 방법.
제 5 항에 있어서,
상기 d) 단계는 35 내지 45 μm의 외경을 가진 홀이 형성되도록 감광제를 패터닝하는, 마이크로 노즐 어레이의 제조 방법.
제 5 항에 있어서,
상기 고분자는 열경화성 고분자 또는 열가소성 고분자를 포함하는, 마이크로 노즐 어레이의 제조 방법.