KR102195027B1 - 고유량 정전분무를 위한 추출판이 결합된 정전분무 시스템 및 이를 통한 정전분무 방법 - Google Patents

고유량 정전분무를 위한 추출판이 결합된 정전분무 시스템 및 이를 통한 정전분무 방법 Download PDF

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Abstract

작동유체를 공급하는 유체 공급부, 상기 유체 공급부와 연결되어 액적을 생성하는 액적 생성부 및 고전압을 인가하는 제1 전원 공급부가 포함되는 정전분무 시스템에 있어서, 상기 액적 생성부는 복수의 마이크로 노즐을 포함하는 마이크로 노즐 어레이 및 추출판을 포함하며, 상기 추출판은 상기 복수의 마이크로 노즐에 대응되는 홀 및 각 홀에 형성된 전극을 포함하고, 상기 복수의 마이크로 노즐 각각을 제어하는 것을 특징으로 하는 정전분무 시스템이 개시된다. 추출판에 인가되는 전압 신호로 인하여 마이크로 노즐 어레이의 각 노즐 각각을 제어할 수 있으며, 이를 통해 전기장 누화 현상을 개선하여 안정적인 정전분무 운영이 가능한 효과가 있다.

Description

고유량 정전분무를 위한 추출판이 결합된 정전분무 시스템 및 이를 통한 정전분무 방법 {Electrostatic spray system combined with extraction plate for high flow electrostatic spraying and electrostatic spraying method through it}
고유량 정전분무를 위한 추출판이 결합된 정전분무 시스템 및 이를 통한 정전분무 방법에 관한 것이다.
실내 공기 청정 및 가습 분야에서는 정전분무를 통해 생성되는 물 미세 액적을 분무 및 제어하는 기술을 다루고 있다. 기존에 널리 사용되고 있는 필터를 기반으로 한 미세먼지 집진 시스템에서 나아가 최근에는 하전된 물 액적 특성을 이용해 미세먼지 집진뿐만 아니라 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 공기청정이 가능한 장점이 있지만, 물 정전분무의 어려움, 노즐 어레이의 안정적 정전분무 어려움, 물 액적 제어 어려움으로 인해 상용적인 공기청정 시스템으로 효과적으로 구현하기 어려운 문제점이 있다.
정전분무에 사용되는 액체의 종류에 따라 정전분무 양상은 크게 달라지게 된다. 물(Deionized water 기준)의 경우 다른 액체에 비해 높은 전기전도도(120 μS/m)와 표면장력(0.072 N/m)을 갖고 있기 때문에 제한적인 조건에서만 안정적인 정전분무 현상을 얻을 수 있으며, 안정된 정전분무 현상이어도 방전을 수반한 불안정한 형태를 이룰 가능성이 크다. 게다가 정전분무가 안정적으로 이루어진다고 할지라도 단일 노즐에서 분무되는 액적의 양은 공기청정 분야에서 산업적으로 이용하기에 매우 부족하다.
시간당 분무 할 수 있는 유량이 적다는 정전분무 기술의 고질적인 문제를 해결하기 위하여 복수의 미세 노즐을 연속적으로 배치한 후 정전분무 하고자 하는 접근들(어레이)을 여러 연구 사례를 통하여 확인할 수 있다. 이러한 어레이 형식에서 안정적으로 정전분무가 일어나게 하기 위해서는 각각의 노즐 끝단에서 균일한 전기장을 형성시키는 것이 매우 중요하나, 이를 위해서는 높은 정밀도로 제작된 초소형 노즐뿐만 아니라 대응 전극의 형상과 배치, 그리고 인가하는 전압 또한 신중히 고려해야 하므로 실질적으로 성공한 사례가 매우 드물다.
예를 들어, 대한민국 등록특허 제10-1822927호는 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 포함하는 마이크로 노즐 어레이에 대하여 개시하고 있다.
또한, 대한민국 특허출원 제10-2012-0070344호는 작동유체를 공급하는 유체공급 장치와, 고전압을 인가하는 전압 인가부 및 상기 작동유체로부터 형성된 액적을 배출하는 노즐부가 포함되는 정전분무 장치에 있어서, 상기 노즐부에는, 작동유체의 유동경로를 제공하는 본체; 상기 본체에 형성되며, 작동유체가 유입되는 유입부; 상기 유입부로부터 상기 본체의 내부를 향하여 연장되는 내부유로; 상기 내부유로와 연통하며, 상기 본체의 외측에 형성되는 외부유로; 및 상기 본체의 일측 단부를 형성하며, 상기 고전압에 의하여 발생한 전기장이 작용하여 액적이 분무되는 말단부가 포함되는 정전분무 장치를 개시하고 있다.
다만, 안정적인 정전분무를 수행하기 위하여 균일한 전기장을 형성시킬 수 있는 연구가 필요한 실정이다.
대한민국 특허출원 제10-1822927호 대한민국 공개특허 제10-2012-0070344호
본 발명의 일 측면에서의 목적은 안정적인 정전분무를 수행하기 위하여 균일한 전기장을 형성시킬 수 있도록 추출판을 포함하는 정전분무 시스템 및 이를 통한 정전분무 방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에서
작동유체를 공급하는 유체 공급부, 상기 유체 공급부와 연결되어 액적을 생성하는 액적 생성부 및 고전압을 인가하는 제1 전원 공급부가 포함되는 정전분무 시스템에 있어서,
상기 액적 생성부는 복수의 마이크로 노즐을 포함하는 마이크로 노즐 어레이 및 추출판을 포함하며,
상기 추출판은 상기 복수의 마이크로 노즐에 대응되는 홀 및 각 홀에 형성된 전극을 포함하고, 상기 복수의 마이크로 노즐 각각을 제어하는 것을 특징으로 하는 정전분무 시스템이 제공된다.
또한, 본 발명의 다른 측면에서
상기 정전분무 시스템을 이용한 정전분무 방법으로,
상기 작동유체가 상기 마이크로 노즐 어레이로 공급되는 단계; 및
상기 추출판의 전극에 선택적으로 전압을 인가하여 마이크로 노즐에서 선택적으로 정전분무가 수행되는 단계;
를 포함하는 정전분무 방법이 제공된다.
나아가, 본 발명의 또 다른 측면에서
상기 정전분무 시스템을 포함하는 공기청정 가습기가 제공된다.
본 발명은 추출판에 인가되는 전압 신호로 인하여 마이크로 노즐 어레이의 각 노즐 각각을 제어할 수 있으며, 이를 통해 전기장 누화 현상을 개선하여 안정적인 정전분무 운영이 가능한 효과가 있다.
도 1은 정전분무의 기본적인 원리를 보여주는 모식도이고,
도 2는 본 발명의 일 구체예에 따른 정전분무 시스템의 모식도이고,
도 3은 본 발명의 일 구체예에 따른 정전분무 시스템 중 액적 생성부의 모식도이고,
도 4는 본 발명의 일 구체예에 따른 정전분무 시스템의 액적 생성부 중 추출판의 모식도이고,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 추출판의 전극 구조의 모식도이고,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 추출판의 전극 구조를 각 모드별로 분리하여 보여주는 모식도이고,
도 7은 본 발명의 일 구체예에 따라 노즐의 off 상태를 보여주는 모식도이고,
도 8은 본 발명의 일 구체예에 따라 노즐의 on 상태를 보여주는 모식도이고,
도 9는 본 발명의 일 실시예에서 분무 모드별로 추출판에 인가되는 펄스 전압 신호를 시간에 따라 나타낸 그래프이고,
도 10은 도 9의 전압 신호에 따른 정전분무 시스템의 작동 원리를 나타낸 모식도이고,
도 11은 본 발명의 실험예 2에 따른 노즐 주변의 전기장을 보여주는 이미지이고,
도 12는 본 발명의 실험예 1에 따른 노즐 주변의 전기장을 보여주는 이미지이다.
다른 식으로 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다.
본 발명의 일 측면에서
작동유체를 공급하는 유체 공급부(100), 상기 유체 공급부와 연결되어 액적을 생성하는 액적 생성부(200) 및 고전압을 인가하는 제1 전원 공급부(300)가 포함되는 정전분무 시스템(1000)에 있어서,
상기 액적 생성부는 복수의 마이크로 노즐(271)을 포함하는 마이크로 노즐 어레이(270) 및 추출판(280)을 포함하며,
상기 추출판은 상기 복수의 마이크로 노즐에 대응되는 홀 및 각 홀에 형성된 전극을 포함하고, 상기 복수의 마이크로 노즐 각각을 제어하는 것을 특징으로 하는 정전분무 시스템이 제공된다.
우선, 정전분무의 작동 원리를 도 1을 참조하여 설명한다. 정전분무는 미세 노즐로 공급되는 액체에 높은 전기장을 인가하여 액체의 표면변화 특성을 이용해 액체를 미립화(Atomization)시키는 기술이다. 정전분무는 인가되는 전압, 유량, 액체의 표면장력, 전기전도도, 공급 유량 등에 의해 다양한 분무 특성이 존재하는데, 그 중 안정적으로 미세 액적을 분무 할 수 있는 Cone jet 모드 정전분무가 가장 많이 활용된다. Cone jet 모드 정전분무는 액체의 표면장력과 외부 전기력의 상호작용을 통해 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. 노즐의 직경이 감소할수록 정전분무 개시전압이 낮아져 안정적인 정전분무가 가능하므로, 수십 마이크로의 직경을 가지는 마이크로 노즐이 정전분무에 널리 사용되고 있다.
이하, 본 발명의 일 측면에서 제공되는 정전분무 시스템에 대하여 도 2 내지 도 8을 참조하여 각 구성별로 상세히 설명한다.
먼저, 본 발명의 일 측면에서 제공되는 정전분무 시스템(1000)은 작동유체를 공급하는 유체 공급부(100)를 포함한다.
상기 유체 공급부는 균일한 유량을 공급할 수 있는 시린지 펌프를 포함할 수 있다.
상기 유체 공급부에서 공급하는 작동유체는 물일 수 있다. 물은 120 μS/m의 전기전도도를 가지며, 0.072 N/m의 표면장력을 가진다.
다음으로, 본 발명의 일 측면에서 제공되는 정전분무 시스템(1000)은 상기 유체 공급부(100)와 연결되어 액적을 생성하는 액적 생성부(200)를 포함한다.
상기 액적 생성부는 상기 유체 공급부로부터 공급되는 유체를 저장하는 유체 저장 탱크(240) 및 이를 밀폐할 수 있는 여러 덮개(220, 260) 및 O-ring(230, 250)을 포함할 수 있다.
상기 액적 생성부는 복수의 마이크로 노즐(271)을 포함하는 마이크로 노즐 어레이(270)를 포함한다.
상기 마이크로 노즐은 추출판 쪽으로 돌출된 형태일 수 있다. 제한되지 않는 일 구체예로서, 원통 형태 또는 뿔대 형태로 추출판 쪽으로 돌출된 형태일 수 있다.
상기 마이크로 노즐의 직경은 수십 마이크로 미터일 수 있다. 수십 마이크로 미터 직경의 노즐을 사용하게 되면 수백 나노미터 크기의 액적을 얻을 수 있다. 또한, 상기 마이크로 노즐은 추출판 쪽으로 갈수록 두께가 얇아지는 형태일 수 있다. 예를 들어, 다각 뿔대 또는 원뿔대 등의 뿔대 형태일 수 있다. 정전분무 특성상 노즐의 직경이 감소할수록 Cone jet 모드 정전분무 개시전압이 감소하기 때문에 추출판 쪽으로 갈수록 두께가 얇아지는 형상의 마이크로 노즐 어레이를 사용할 경우 보다 더 안정적인 분무가 가능하다.
상기 마이크로 노즐 어레이는 마이크로 노즐이 정육각형 배열로 일정하게 배치된 것일 수 있다. 상기 마이크로 노즐 간의 간격은 1 mm 내지 3 mm일 수 있고, 1.5 mm 내지 2.5 mm일 수 있으며, 2 mm일 수 있다.
상기 액적 생성부는 추출판(280)을 포함한다.
상기 추출판은 마이크로 노즐 어레이와 정밀하게 정렬되어 상기 마이크로 노즐 간의 전기장 누화(Cross talk) 문제와 대전된 액적들에 의한 공간 전하(Space charge) 형성을 완화시킬 수 있다.
상기 추출판은 유리(Glass), 폴리카보네이트(Polycarbonate, PC) 및 난연 유리 에폭시 라미네이트 시트로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종의 절연 재질일 수 있다.
상기 추출판은 상기 복수의 마이크로 노즐에 대응되는 홀 및 각 홀에 형성된 전극을 포함한다. 상기 전극에 전압 신호가 인가됨으로써 상기 복수의 마이크로 노즐 각각을 제어할 수 있다.
상기 추출판에 금속 증착과 레이저 가공 공정을 통해 전극을 형성할 수 있다.
상기 전극은 일정하게 그룹화(grouping)하여 각 모드별로 인가되는 신호를 제어할 수 있다.
상기 전극은 추출판 상에 정육각형 배열로 일정하게 배치될 수 있다. 도 4 내지 도 6을 참조하여 이해할 수 있다. 일정한 정육각형 배열로 배치된 경우 릴레이를 통해 제어할 분무 모드 각각에 대하여 홀 사이의 간격을 균일하게 유지함과 동시에 다른 형상들과 비교하였을 때 상대적으로 멀리 배치할 수 있으므로 노즐끼리의 전기장 간섭에 의한 영향을 최소화 할 수 있다. 이는 노즐 별로 인가되는 신호의 교차 효율성이 향상될 수 있다는 것을 의미한다. 게다가 위와 같은 특성을 유지하면서 동일한 면적에 대하여 다른 형상보다 많은 홀을 구현 할 수 있고 이는 곧 대응 되는 노즐의 수 또한 많아진다는 사실의 의미하므로 고유량에서의 정전분무를 가능하게 한다.
또한, 본 발명의 일 측면에서 제공되는 정전분무 시스템(1000)은 고전압을 인가하는 제1 전원 공급부(300)를 포함한다.
상기 제1 전원 공급부는 상기 추출판의 전극에 전압 신호를 선택적으로 인가하여 마이크로 노즐에서 선택적으로 정전분무 되도록 할 수 있다.
상기 제1 전원 공급부는 상기 액적 생성부 내 유체에 전압을 인가하여 유체의 미립화를 유도할 수 있다. 이에 의한 전기력과 유체의 표면장력과의 상호작용을 통해 만들어진 Taylor cone 끝단 jet에 의한 미립화가 수행된다.
상기 제1 전원 공급부는 상기 액적 생성부 내의 유체와 추출판의 전극에 동일한 극성 및 동일한 크기의 전압을 인가할 수 있다. 유체에 전압이 인가된 상태에서 추출판에 동일 극성과 동일 크기의 전압이 인가되면 전기력에 의한 영향을 거의 받지 않고 유량 공급부에 의해서만 액적이 토출된다.
상기 제1 전원 공급부는 5 kV 내지 10 kV 의 전압을 공급할 수 있다. 제1 전원 공급부가 5 kV 미만의 전압을 공급하는 경우 안정적인 Cone jet 모드를 구현하기 힘든 문제점이 있고, 10 kV 를 초과하는 전압을 공급하는 경우 마이크로 노즐 근처에서 국부적으로 방전이 발생하는 문제점이 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에서 제공되는 정전분무 시스템(1000)은 상기 제1 전원 공급부(300)와 상기 추출판(280) 사이에 릴레이(relay)를 연결하여 추출판의 전극에 인가되는 전압을 제어할 수 있다.
상기 추출판의 전극 구성과 릴레이와의 조합을 통해 신호가 교차 변환될 수 있고, 이에 따라 다양한 분무 모드 수행이 가능하다.
상기 릴레이는 제1 전원 공급부에 연결되거나 접지됨으로써 추출판에 인가되는 신호를 조절할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에서 제공되는 정전분무 시스템(1000)은 상기 추출판(280) 하부에 대항 전극(600)을 포함할 수 있고, 상기 대항 전극에 액적의 반대 극성의 전압을 공급하는 제2 전원 공급부(500)를 포함할 수 있다.
상기 제1 공급부(300)가 상기 액적 생성부(200) 내의 유체에 전압을 인가함으로써 상기 마이크로 노즐 어레이(270) 및 추출판(280)을 통해 추출된 액적은 일정한 극성으로 하전되는데, 추출된 액적이 다시 추출판으로 회귀하는 현상을 방지하기 위해 추출판 하부에 액적의 반대 극성으로 하전된 대항 전극이 위치할 수 있으며, 인가되는 전압에 따라 액적의 확산 정도를 제어할 수 있다. 따라서 상기 제2 전원 공급부는 상기 대항 전극에 추출된 액적의 반대 극성의 전압을 인가할 수 있다.
상기 제2 전원 공급부는 -5 kV 내지 0 kV (GND) 의 전압을 공급할 수 있다. 제2 전원 공급부가 -5 kV 미만의 전압을 공급하는 경우 분무가 지나치게 국부적인 영역에서만 일어나고, 노즐이 대항 전극에 인가한 전압에 영향을 받아 안정적인 Cone jet 모드를 구현하는 것을 방해하는 영향을 준다는 문제점이 있고, 0 kV 를 초과하는 전압을 공급하는 경우 본 시스템에서의 대항 전극의 역할, 즉 제1 전원 공급부와 반대되는 극성(예시. 제 1전원 공급부가 '+' 인 경우, 대항전극은 '-')을 대항 전극에 인가함으로써 정전 분무를 통해 발생되는 하전 입자들을 대항 전극 쪽으로 유도하고자 하는 역할을 수행할 수 없는 문제점이 있다.
본 발명의 다른 측면에서, 상기 정전분무 시스템을 이용한 정전분무 방법으로,
상기 작동유체가 상기 마이크로 노즐 어레이로 공급되는 단계; 및
상기 추출판의 전극에 선택적으로 전압을 인가하여 마이크로 노즐에서 선택적으로 정전분무가 수행되는 단계;
를 포함하는 정전분무 방법이 제공된다.
이하, 본 발명의 다른 측면에서 제공되는 정전분무 방법을 각 단계별로 상세히 설명한다.
먼저, 본 발명의 다른 측면에서 제공되는 정전분무 방법은 상기 작동유체가 상기 마이크로 노즐 어레이(270)로 공급되는 단계를 포함한다.
상기 작동유체는 물일 수 있다. 물은 120 μS/m의 전기전도도를 가지며, 0.072 N/m의 표면장력을 가진다.
상기 작동유체가 물인 경우, 안정적인 Cone jet 모드 정전분무를 위해서는 일반적으로 한 개의 노즐 당 0.1 mL/h 내지 1.0 mL/h의 유량으로 공급되는 것이 바람직하다. 0.1 mL/h 미만의 유량으로 공급되는 경우 공급되는 유량이 극도로 적어서 정전 분무 자체가 원활하게 이루어지지 않는 문제점이 있고, 1.0 mL/h를 초과하는 유량으로 공급되는 경우 Cone jet 모드가 아니라 다른 모드의 정전분무가 구현 되므로 미세 액적을 균일하게 발생시키기는 다소 어려운 문제점이 있다.
다음으로, 본 발명의 다른 측면에서 제공되는 정전분무 방법은 상기 추출판의 전극에 선택적으로 전압을 인가하여 마이크로 노즐에서 선택적으로 정전분무가 수행되는 단계를 포함한다.
도 7 및 도 8을 참조하여, 추출판의 전극에 선택적으로 제1 전원 공급부가 전압을 인가하여 마이크로 노즐에서 선택적으로 정전분무가 수행되는 원리를 이해할 수 있다.
유체에 전압이 인가된 상태에서 추출판에 동일 극성과 크기의 전압 인가되면 전기력에 의한 영향을 거의 받지 않고 유체 공급부에 의해서만 액적이 토출된다. 이때 액적 하나가 토출되는데 걸리는 시간은 Tate’s law에 의해 수학식 1과 같이 계산할 수 있다.
Figure 112019021817531-pat00001
여기서, tdrop은 한 개의 액적이 토출되는데 걸리는 시간, g는 중력가속도(9.81 m/s2), ρ는 물의 밀도, Q는 한 개의 노즐에 공급되는 유량을 나타낸다.
예를 들어, 물의 안정적인 콘젯 정전분무를 위해서는 일반적으로 한 개의 노즐 당 0.1 mL/h 내지 1.0 mL/h의 유량이 필요하다. 0.5 mL/h의 유량으로 공급된다고 가정했을 때, 본 발명에서 고안된 노즐의 제원과 물의 물성을 대입하여 계산하면 하나의 물 액적을 토출하는데 걸리는 시간은 약 8.3 sec가 소요된다. 추출판이 접지되면 마이크로 노즐에 전기장이 집중되어 콘젯 정전분무가 가능하다. 120 μS/m 의 전기전도도를 가지는 물의 경우, 콘젯 정전분무가 안정화 되는데 약 20 msec 내지 30 msec가 소요되는 것으로 알려져 있다.
상기 단계에서 상기 추출판(280)에 형성된 전극을 그룹화하여 모드를 설정할 수 있고, 각 모드별로 인가되는 신호를 제어함으로써 정전분무가 수행되는 각 마이크로 노즐(271)을 제어할 수 있다. 이는 상기 릴레이(400)를 통해 수행될 수 있다.
도 7과 같이 전압 신호가 인가된 전극에 대응하는 마이크로 노즐에서는 콘젯(Cone jet) 정전분무는 수행되지 않고 유체 공급부에 의해서만 액적이 토출되지만, 도 8과 같이 접지되어 전압 신호가 인가되지 않는 전극에 대응하는 마이크로 노즐에서는 전기장이 집중되어 콘젯 정전분무가 수행될 수 있다.
상기 단계에서 전압이 인가되지 않는 추출판의 전극에 대응되는 마이크로 노즐에서 선택적으로 정전분무가 수행되며, 상기 전압이 인가되지 않는 전극은 일정한 교차 사이클을 가지며 선택되어 상기 사이클이 반복되며 수행될 수 있다.
이와 같이 전압이 교차로 인가되는 펄스 전압 신호를 추출판에 가함으로써 정전분무를 수행할 수 있다. 도 9 및 하기 실시예 1을 통하여 일정한 교차 사이클을 가지며 반복되는 펄스 전압 신호의 예를 이해할 수 있다.
이 때, 1 사이클 내에서 한 전극에 전압이 인가되지 않는 시간, 즉 펄스의 폭은 콘젯 정전분무 안정화 시간보다 커야 하며 1 사이클은 한 개의 액적이 토출되는데 걸리는 시간인 tdrop 보다 적은 시간이 소요됨이 바람직하다.
도 9 및 도 10과 하기 실험예 1을 참고하여 설명한다. 도 9에서, Mode 1, Mode 2, Mode 3, Mode 4 각각의 Mode에 배치된 노즐을 각각 노즐 1, 노즐 2, 노즐 3, 노즐 4라고 명명한다면, 처음 t = [0 ~ t1] 인 경우 노즐 1에서는 정전분무가 일어나고 있고, 노즐 2, 노즐 3, 노즐 4의 끝단에는 물이 맺혀있을 것이다. t = 0초 전에도 계속 동일한 사이클이 반복되고 있었다고 가정한다. 이 때, 노즐 2는 추출판의 전극에 전압이 인가되어 있던 시간이 노즐 3과 노즐 4와 비교해서 길기 때문에 그 동안 유량은 계속해서 공급되고 있으므로 노즐 끝단에 상대적으로 많은 양의 물이 맺혀 있게 된다. 그 다음으로는 노즐 3, 노즐 4 순으로 물이 많이 맺혀 있게 된다.
이러한 상황에서 t = [t1 ~ t2] 영역으로 넘어오게 되면 노즐 1의 경우 정전분무가 종료되고 물이 맺히기 시작하고 노즐 3, 노즐 4의 경우는 점차 노즐 끝 단에 맺힌 물의 양이 증가할 것이다. 노즐 2의 경우 기존에 노즐 끝 단에 물이 많이 맺혀 있던 상태(t1 바로 직전)에서 추출판에 0 kV (GND)가 인가 됨에 따라 노즐과 추출판 사이에 전기장이 형성되게 되고 기존에 노즐 끝단에 맺혀있던 큰 물 액적이 한꺼번에 정전분무가 되게 된다. 이러한 현상이 t = [t1 ~ t2] 영역에서 일어나게 된다.
다음으로 t = [t2 ~ t3] 에서는 노즐 1, 4 에는 끝 단에 맺힌 물이 양이 증가하고, 노즐 2는 정전분무 종료 후 끝 단에 물이 맺히기 시작하며, 노즐 3의 노즐 끝단에 맺혀있던 큰 물 액적이 정전분무 하게 된다. 이와 같은 현상들이 계속해서 반복된다.
즉, 본 발명의 방법을 이용하면 Mode 1 에서 정전분무 되고 있는 동안 다른 Mode들의 노즐에서도 물 액적이 점차 맺히고 있고 Mode가 변경되면서 그 동안 맺혔던 물 액적들이 정전분무 됨으로써 동일한 시간 동안 더 많은 정전분무, 즉 고유량 정전분무를 가능하게 한다. 도 10을 통해 더욱 상세히 이해할 수 있다.
따라서 위에서 설명한 과정을 생각해보면 1 사이클에 소요되는 시간, 즉 t = [0 ~ t4] 가 tdrop 보다 작아야 할 것이다.
예를 들어, 상기 정전분무 방법에서의 유체가 물이며, 0.5 mL/h의 유량으로 공급된다고 가정하는 경우, 상기 수학식 1을 통해 계산되는 tdrop은 8.3 sec 이므로 1 사이클에 소요되는 시간은 8.3 sec 보다 적어야 한다.
따라서, 상기 정전분무 방법에서의 유체가 물인 경우, 1 사이클은 0.02초 내지 50초의 시간이 소요되는 것이 바람직하다.
또한, 물의 콘젯 정전분무 안정화 시간은 20 msec 내지 30 msec 이므로, 1 사이클 내에서 한 전극에 전압이 인가되지 않는 시간, 즉 펄스의 폭은 20 msec 보다 커야 한다. 따라서, 상기 사이클 내에서 한 전극에 전압이 인가되지 않는 시간, 즉 펄스의 폭은 0.02초 내지 25초임이 바람직하다. 또한, 본 발명의 의의를 갖기 위해서는 최소 2개 이상의 분무 모드를 갖는 것이 바람직하다. 따라서 이를 고려하여 펄스의 폭을 결정하여야 할 것이다.
이 때, 상기 제1 전원 공급부에서 공급되는 전압은 5 kV 내지 10 kV 임이 바람직하다. 제1 전원 공급부가 5 kV 미만의 전압을 공급하는 경우 안정적인 Cone jet 모드를 구현하기 힘든 문제점이 있고, 10 kV 를 초과하는 전압을 공급하는 경우 마이크로 노즐 근처에서 국부적으로 방전이 발생하는 문제점이 있다.
또한, 본 발명의 다른 측면에서 제공되는 정전분무 방법은 상기 추출판의 하부에 위치하는 대항 전극에 제2 전원 공급부로 전압을 인가하여 정전분무 할 수 있다.
상기 제1 공급부(300)가 상기 액적 생성부(200) 내의 유체에 전압을 인가함으로써 상기 마이크로 노즐 어레이(270) 및 추출판(280)을 통해 추출된 액적은 일정한 극성으로 하전되는데, 추출된 액적이 다시 추출판으로 회귀하는 현상을 방지하기 위해 추출판 하부에 액적의 반대 극성으로 하전된 대항 전극이 위치할 수 있으며, 인가되는 전압에 따라 액적의 확산 정도를 제어할 수 있다. 따라서 상기 제2 전원 공급부는 상기 대항 전극에 추출된 액적의 반대 극성의 전압을 인가할 수 있다.
이 때 제2 전원 공급부에서 공급되는 전압은 -5 kV 내지 0 kV (GND) 임이 바람직하다. 제2 전원 공급부가 -5 kV 미만의 전압을 공급하는 경우 분무가 지나치게 국부적인 영역에서만 일어나고, 노즐이 대항 전극에 인가한 전압에 영향을 받아 안정적인 Cone jet 모드를 구현하는 것을 방해하는 영향을 준다는 문제점이 있고, 0 kV 를 초과하는 전압을 공급하는 경우 본 시스템에서의 대항 전극의 역할, 즉 제1 전원 공급부와 반대되는 극성(예시. 제 1전원 공급부가 '+' 인 경우, 대항전극은 '-')을 대항 전극에 인가함으로써 정전 분무를 통해 발생되는 하전 입자들을 대항 전극 쪽으로 유도하고자 하는 역할을 수행할 수 없는 문제점이 있다.
본 발명의 또 다른 측면에서
상기 정전분무 시스템을 포함하는 공기청정 가습기가 제공된다.
상기 정전분무 시스템은 복수의 마이크로 노즐에서 동시에 안정적인 고유량 정전분무가 가능하여 공기청정 가습기에 사용될 경우 우수한 성능을 가질 수 있다
상기 공기청정 가습기는 기존에 널리 사용되고 있는 필터를 기반으로 한 미세먼지 집진 시스템과 달리 하전된 물 액적 특성을 이용해 미세먼지 집진뿐만 아니라 공기 중 부유 세균을 살균할 수 있다.
상기 공기청정 가습기는 주기적 교체, 소음, 에너지 손실, 2차 유해물질 발생 등의 문제가 없으며 또한 기존 정전분무의 어려움이었던 분무되는 유량이 적다는 점 및 안정적인 정전분무가 어렵다는 점을 해결함으로써 상용 가능한 공기청정 가습기로 사용될 수 있다.
이하, 실시예, 비교예 및 실험예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 본 발명의 범위는 특정 실시예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
<실시예 1> 추출판이 결합된 정전분무 시스템
도 2 및 도 3와 같이, 유체 공급부, 액적 생성부, 제1 전원 공급부, 릴레이, 제2 전원 공급부, 대항전극을 포함하고, 액적 생성부는 유체 저장 탱크, 상/하부 덮개 및 O-ring, 볼트, 복수의 마이크로 노즐을 포함하는 마이크로 노즐 어레이 및 추출판을 포함하는 정전분무 시스템을 제조하였다.
또한, 총 61 개의 노즐을 정육각형 배열로 배치하였고, 각 노즐 간의 간격을 2 mm로 하였으며, 추출판은 이에 정밀하게 정렬되는 홀 및 전극을 가지도록 하였다. 도 4 내지 도 6을 통해 이해할 수 있다. 따라서 전극은 정육각형 배열로 일정하게 배치되었으며, 도 5 및 도 6에서와 같이 각 전극을 일정하게 그룹화하여 모드 1 내지 모드 4로 구분하였다. 각 모드에서 선택한 전극은 교차 효율성을 위해 이웃하는 전극과 같은 모드에 속하지 않도록 도 6과 같이 설정하였다.
작동유체로 물을 사용하였으며, 0.5 mL/h의 유량으로 공급하였다.
<실험예 1> 교차 신호를 인가한 정전분무 시스템
상기 실시예 1의 정전분무 시스템에 대하여 도 9와 같은 전압 신호를 인가하였다. Mode 1(0 ∼ t1), Mode 2(t1 ∼ t2), Mode 3(t2 ∼ t3), Mode 4(t3 ∼ t4) 순서로 하나의 사이클로 신호가 운영되며 총 t4 의 시간이 걸린다.
액적의 자연 토출되는 시간 tdrop 상기 수학식 1을 통해 계산하였으며, 이 때 tdrop은 8.3 sec로 계산되었다. 1 사이클 경과 시간인 t4 는 액적의 자연 토출되는 시간 tdrop(8.3 sec) 보다 작아야 하며 각 모드에 걸리는 펄스 폭은 물의 콘젯 정전분무 안정화 시간인 20 msec 보다 커야 한다.
도 10은 도 9의 신호에 따른 콘젯 정전분무의 진행 과정 나타낸 것이다. 도 9에서, Mode 1, Mode 2, Mode 3, Mode 4 각각의 Mode에 배치된 노즐을 각각 노즐 1, 노즐2, 노즐3, 노즐4라고 명명한다면, 처음 t = [0 ~ t1] 인 경우 노즐 1에서는 정전분무가 일어나고 있고, 노즐 2, 노즐 3, 노즐 4의 끝단에는 물이 맺혀있을 것이다. t = 0초 전에도 계속 동일한 사이클이 반복되고 있었다고 가정한다. 이 때, 노즐 2는 추출판의 전극에 전압이 인가되어 있던 시간이 노즐 3과 노즐 4와 비교해서 길기 때문에 그 동안 유량은 계속해서 공급되고 있으므로 노즐 끝 단에 상대적으로 많은 양의 물이 맺혀 있게 된다. 그 다음으로는 노즐 3, 노즐 4 순으로 물이 많이 맺혀 있게 된다.
이러한 상황에서 t = [t1 ~ t2] 영역으로 넘어오게 되면 노즐 1의 경우 정전분무가 종료되고 물이 맺히기 시작하고 노즐 3, 노즐 4의 경우는 점차 노즐 끝 단에 맺힌 물의 양이 증가할 것이다. 노즐 2의 경우 기존에 노즐 끝 단에 물이 많이 맺혀 있던 상태(t1 바로 직전)에서 추출판에 0 kV (GND)가 인가 됨에 따라 노즐과 추출판 사이에 전기장이 형성되게 되고 기존에 노즐 끝단에 맺혀있던 큰 물 액적이 한꺼번에 정전분무가 되게 된다. 이러한 현상이 t = [t1 ~ t2] 영역에서 일어나게 된다.
다음으로 t = [t2 ~ t3] 에서는 노즐 1,4 에는 끝 단에 맺힌 물이 양이 증가하고, 노즐 2는 정전분무 종료 후 끝 단에 물이 맺히기 시작하며, 노즐 3의 노즐 끝단에 맺혀있던 큰 물 액적이 정전분무하게 된다. 이와 같은 현상들이 계속해서 반복된다.
즉, 본 발명의 방법을 이용하면 Mode1 에서 정전분무 되고 있는동안 다른 Mode들의 노즐에서도 물 액적이 점차 맺히고 있고 Mode 가 변경되면서 그 동안 맺혔던 물 액적들이 정전분무 됨으로써 동일한 시간 동안 더 많은 정전분무, 즉 고유량 정전분무를 가능하게 한다. 도 10을 통해 더욱 상세히 이해할 수 있다.
따라서 위에서 설명한 과정을 생각해보면 1 사이클에 소요되는 시간, 즉 t = [0 ~ t4] 가 tdrop 보다 작아야 할 것이다.
이 때의 전기장을 분석하여 도 12에 나타내었다. 정전분무가 요구되는 마이크로 노즐에 해당하는 추출판 영역에 선택적으로 접지를 시키면 마이크로 노즐 주위에 전기장이 선택적으로 집중되어 전기장 누화 현상이 개선됨을 확인할 수 있다.
<실험예 2> 교차 신호를 인가하지 않은 정전분무 시스템
상기 실시예 1의 정전분무 시스템에 대하여 모든 영역을 접지함으로써 모든 마이크로 노즐에서 정전분무가 수행되도록 하여 그에 따른 전기장을 분석해 도 11에 나타내었다.
이 경우 각 마이크로 노즐의 전위선(Equipotential line)들이 서로 간섭되어 노즐에 전기장이 분산됨을 확인할 수 있다.
실험예 1과 실험예 2를 통해, 추출판 영역에 선택적으로 접지를 시켜 전압 신호를 선택적으로 인가하여 선택적으로 마이크로 노즐에서 정전분무를 수행하는 경우, 그렇지 않은 경우에 비하여 전기장이 집중되어 전기장 누화 현상이 개선됨을 확인할 수 있다.
즉, 이를 통하여 기존의 어레이 시스템에서 문제되었던 전기장 누화 현상을 해결하여 안정적인 고유량 정전분무가 가능하고, 인가 신호를 조절함으로써 분무되는 액적을 제어할 수 있을 것이다.
100 유량 공급부
200 액적 생성부
210 볼트
220 상부 덮개
230 상부 O-ring
240 유체 저장 탱크
250 하부 O-ring
260 하부 덮개
270 마이크로 노즐 어레이
271 마이크로 노즐
280 추출판
300 제1 전원 공급부
400 릴레이
500 제2 전원 공급부
600 대항 전극
1000 정전분무 시스템

Claims (15)

  1. 작동유체를 공급하는 유체 공급부, 상기 유체 공급부와 연결되어 액적을 생성하는 액적 생성부 및 고전압을 인가하는 제1 전원 공급부가 포함되는 정전분무 시스템에 있어서,
    상기 액적 생성부는 복수의 마이크로 노즐을 포함하는 마이크로 노즐 어레이 및 추출판을 포함하며,
    상기 추출판은 상기 복수의 마이크로 노즐에 대응되는 홀 및 각 홀에 형성된 전극을 포함하고, 상기 복수의 마이크로 노즐 각각을 제어하는 것을 특징으로 하는 정전분무 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 정전분무 시스템은 상기 추출판의 전극에 상기 제1 전원 공급부로부터 전압 신호가 선택적으로 인가되어 마이크로 노즐에서 선택적으로 정전분무 되는 것을 특징으로 하는 정전분무 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 추출판은 유리(Glass), 폴리카보네이트(Polycarbonate, PC) 및 난연 유리 에폭시 라미네이트 시트로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종의 절연 재질인 것을 특징으로 하는 정전분무 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전원 공급부는 상기 액적 생성부 내 유체 및 추출판의 전극에 동일한 극성 및 동일한 크기의 전압을 인가하는 것을 특징으로 하는 정전분무 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전원 공급부와 상기 추출판 사이에 릴레이를 연결하여 상기 추출판의 전극에 인가되는 전압을 제어하는 것을 특징으로 하는 정전분무 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 정전분무 시스템은 상기 추출판 하부에 대항 전극을 포함하고, 상기 대항 전극에 액적의 반대 극성의 전압을 공급하는 제2 전원 공급부를 포함하는 것을 특징으로 하는 정전분무 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 마이크로 노즐은 추출판 쪽으로 돌출된 형태인 것을 특징으로 하는 정전분무 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 작동유체는 물인 것을 특징으로 하는 정전분무 시스템.
  9. 제1항의 정전분무 시스템을 이용한 정전분무 방법으로,
    상기 작동유체가 상기 마이크로 노즐 어레이로 공급되는 단계; 및
    상기 추출판의 전극에 선택적으로 전압을 인가하여 마이크로 노즐에서 선택적으로 정전분무가 수행되는 단계;
    를 포함하는 정전분무 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 추출판의 전극에 선택적으로 전압을 인가하여 마이크로 노즐에서 선택적으로 정전분무가 수행되는 단계는 전압이 인가되지 않는 추출판의 전극에 대응되는 마이크로 노즐에서 선택적으로 정전분무가 수행되며,
    상기 전압이 인가되지 않는 전극은 일정한 교차 사이클을 가지며 선택되어 상기 사이클이 반복되는 것을 특징으로 하는 정전분무 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 작동유체가 상기 마이크로 노즐 어레이로 공급되는 단계는 상기 작동유체가 각 노즐에 0.1 mL/h 내지 1.0 mL/h의 유량으로 공급되는 것을 특징으로 하는 정전분무 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 교차 사이클에서 1 사이클은 0.02초 내지 50초의 시간이 소요되는 것을 특징으로 하는 정전분무 방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 교차 사이클 내에서 한 전극에 전압이 인가되지 않는 시간은 0.02초 내지 25초인 것을 특징으로 하는 정전분무 방법.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 정전분무 방법은 상기 추출판의 하부에 위치하는 대항 전극에 제2 전원 공급부로 전압을 인가하여 정전분무 하는 것을 특징으로 하는 정전분무 방법.
  15. 제1항의 정전분무 시스템을 포함하는 공기청정 가습기.

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