KR102250441B1 - 솔리드 마이크로 노즐 어레이, 솔리드 마이크로 노즐 어레이 제조 방법 및 솔리드 마이크로 노즐 어레이를 포함하는 제습 장치 - Google Patents
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Abstract
일 실시 예에 따른 솔리드 마이크로 노즐 어레이는, 플레이트; 상기 플레이트로부터 돌출 형성되며, 상기 플레이트로부터 수직하게 형성된 기둥 형상의 구멍을 구비하는 노즐부; 및 상기 플레이트를 관통하고, 상기 구멍을 메꾸도록 형성된 분무 전극을 포함할 수 있다. 또한, 이와 같은 솔리드 마이크로 노즐 어레이를 이용하여, 정전 분무를 이용한 제습 장치를 제공할 수 있다. 뿐만 아니라, 이와 같은 솔리드 마이크로 노즐 어레이를, 기존의 펠티어를 이용하는 제습 장치에 추가함으로써, 기존보다 제습 효율을 향상시킬 수 있는 제습 장치를 제공할 수 있다.
Description
아래의 설명은 솔리드 마이크로 노즐 어레이, 솔리드 마이크로 노즐 어레이 제조 방법 및 솔리드 마이크로 노즐 어레이를 포함하는 제습 장치에 관한 것이다.
산업적으로 많이 사용되고 있는 실내 공기 청정 및 제습방식은 냉각식이나 건조식 제습 시스템을 이용한다. 건조식 제습 방식은 제올라이트, 실리카겔 등의 건조제가 직접 수분을 흡착하도록 하므로, 건조제를 주기적으로 교체하거나 가열해야한다. 예를 들어, 냉각식 제습 시스템은, 첫째, 컴프레셔를 이용하는 방식과, 둘째, 펠티어와 같은 열전소자를 이용하는 방식으로 구분될 수 있다. 컴프레셔를 이용하는 방식에 의한 시스템은 대형설비가 요구되는 단점이 있고, 열전소자를 이용하는 방식에 의한 시스템은 열전소자의 냉각에 의하여만 제습이 이루어지므로 에너지 효율이 낮은 단점이 있다.
반면, 정전 분무를 이용하여 물을 나노 액적상태로 분무하면, 건조제와 같은 별도의 소재관리가 필요하지 않고, 시스템의 소형화, 소음문제에 유리하다. 또한 열전소자를 이용하는 면적을 줄일 수 있으므로 에너지효율을 높일 수 있다. 또한 정전 분무를 통해 생성되는 하전된 물 액적을 통해 실내 공기 살균 효과 또한 도모할 수 있다.
도 1은 일 실시 예에 따른 정전 분무의 원리를 나타낸 도면이다. 도 1를 참조하면, 정전 분무는 마이크로 노즐(2)의 토출 방향에 접지 전극(25)을 배치시키고, 마이크로 노즐(2)로 공급되는 액체에 고전압원(21)을 통해 전압을 인가함으로써 발생하는 액체의 표면변화 특성을 이용하여 액체를 미립화(Atomization)시키는 기술이다. 정전 분무는 인가되는 전압, 유량, 액체의 표면장력, 전기전도도, 공급 유량 등에 의해 다양한 분무 특성이 존재하는데, 그 중 안정적으로 미세 액적을 분무할 수 있는 콘 제트(Cone jet) 모드 정전 분무가 가장 많이 활용된다. 콘 제트(Cone jet) 모드 정전 분무는 액체의 표면장력과 외부 전기력의 상호작용을 통해 노즐 끝단에 만들어진 테일러 콘(Taylor cone)(22)에서 1차 미립화를 통해 제트(Jet)(23)를 형성하고, 레일리(Rayleigh) 분열로 인한 2차 미립화를 통해 분무 노즐 크기의 수십배에서 수백배만큼 작은 크기의 미세 액적(24)을 분무하는 과정이다. 따라서 수십 마이크로미터의 직경을 가지는 마이크로 노즐(2)을 분무 소재로 사용하게 되면 수백 나노미터 크기의 액적을 얻을 수 있게 되며, 이렇게 하전된 미세 물 액적은 상기 제습 시스템에서 응결핵으로써의 역할을 하게 된다. 또한 정전 분무 특성상 노즐의 직경이 감소할수록 콘 제트(Cone jet) 모드 정전 분무 개시 전압이 감소하기 때문에 마이크로 노즐 어레이를 사용할 경우 보다 더 안정적인 분무가 가능하다.
하지만 물 정전 분무의 어려움, 노즐 어레이의 안정적 정전 분무 어려움, 물 액적 분무를 이용한 공기 중 제습이라는 모순점 등의 이유로 상용적인 공기청정 제습 시스템으로의 효과적인 구현이 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 정전 분무가 제한적이므로 직경이 수십 마이크로미터 수준으로 소형화된 노즐이 필요하다. 그러나 중심부에 구멍이 뚫려 있는 종래의 마이크로 노즐에 비하면 설계상의 어려움이 존재하였다.
전술한 배경기술은 발명자가 본 발명의 도출과정에서 보유하거나 습득한 것으로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에 공개된 공지기술이라고 할 수는 없다.
일 실시 예에 따른 솔리드 마이크로 노즐 어레이는, 플레이트; 상기 플레이트로부터 돌출 형성되며, 상기 플레이트로부터 수직하게 형성된 기둥 형상의 구멍을 구비하는 노즐부; 및 상기 플레이트를 관통하고, 상기 구멍을 메꾸도록 형성된 분무 전극을 포함할 수 있다.
상기 플레이트는 복수 개의 마이크로 기둥을 포함하고, 상기 마이크로 기둥 사이에 공기층이 형성됨으로써, 상기 플레이트는 초소수성 표면 구조를 갖고, 상기 마이크로 기둥은 중심부가 볼록하고, 가장 볼록한 부분을 기준으로 상기 마이크로 기둥의 상단부 및 하단부로 갈수록 단면적이 좁아지고, 상기 마이크로 기둥의 하단부는 상기 플레이트와 연결될 수 있다.
상기 노즐부의 외면에 상기 분무 전극의 단면이 노출되고, 상기 분무 전극의 단면은 상기 플레이트의 표면보다 표면조도가 작을 수 있다.
일 실시 예에 따른 솔리드 마이크로 노즐 어레이 제조 방법은, 몰드를 형성하는 단계; 상기 몰드에 어레이 베이스를 형성하는 단계; 상기 어레이 베이스에, 상기 어레이 베이스를 관통하는 분무 전극을 형성하는 단계; 상기 어레이 베이스로부터 몰드를 제거하는 단계; 및 상기 분무 전극에 연결 전극을 결합하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 몰드를 형성하는 단계는, 몰드 베이스에 막을 증착하는 단계; 상기 막과 상기 몰드 베이스의 일부를 에칭함으로써, 상기 몰드 베이스 중 마이크로 기둥 주형부가 형성될 부분을 노출시키는 단계; 상기 몰드 베이스 중 상기 마이크로 기둥 주형부가 형성될 부분을 에칭하는 단계; 상기 막을 에칭함으로써, 상기 몰드 베이스 중 노즐부 주형부가 형성될 부분을 노출시키는 단계; 및 상기 몰드 베이스 중 상기 노즐부 주형부가 형성될 부분을 에칭하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 노즐부 주형부가 형성될 부분을 노출시키는 단계는, 상기 몰드 베이스 중 상기 마이크로 기둥 주형부가 형성될 부분을 에칭하는 단계 이후에 수행되고, 상기 몰드를 형성하는 단계는, 상기 몰드 베이스 중 상기 마이크로 기둥 주형부가 형성될 부분 및 상기 노즐부 주형부가 형성될 부분이 모두 노출된 상태에서, 상기 몰드 베이스를 벌크 에칭하는 단계를 더 포함하고, 상기 몰드 베이스를 벌크 에칭하는 단계에 의해, 상기 마이크로 기둥 주형부 및 상기 노즐부 주형부가 동시에 형성될 수 있다.
상기 몰드 베이스를 벌크 에칭하는 단계가 수행되기 전 상태에서, 상기 노즐부 주형부가 형성될 부분의 노출면의 높이는 상기 마이크로 기둥 주형부가 형성될 부분의 노출면의 높이보다 높을 수 있다.
상기 몰드 베이스를 벌크 에칭하는 단계가 수행된 후 상태에서, 상기 노즐부 주형부의 최하단 높이는, 상기 마이크로 기둥 주형부의 최하단 높이보다 낮을 수 있다.
상기 막과 상기 몰드 베이스의 일부를 에칭하는 단계는, 상기 마이크로 기둥 주형부가 형성될 부분만 외부로 노출되도록 마스킹한 상태에서 수행됨으로써, 상기 노즐부 주형부가 형성될 부분의 상기 막은 에칭되지 않을 수 있다.
상기 몰드에 어레이 베이스를 형성하는 단계는, 형성하고자 하는 어레이 베이스의 형상에 대응하는 형상을 갖도록 형성된 몰드 베이스에 금속씨드층을 증착하는 단계; 및 상기 금속씨드층 위에, 어레이 베이스 형성 감광제를 패터닝하여 상기 분무 전극이 형성될 구멍을 갖는 어레이 베이스를 형성하는 단계를 포함하고, 상기 분무 전극이 형성되기 전 상태에서, 상기 분무 전극이 형성될 구멍을 통하여 상기 금속씨드층이 노출될 수 있다.
상기 분무 전극을 형성하는 단계는, 상기 금속씨드층에 도금을 수행함으로써, 상기 분무 전극이 상기 구멍을 메꾸도록 형성될 수 있다.
상기 금속씨드층은, 상기 몰드 베이스에 순차적으로 증착되는 제 1 금속층, 제 2 금속층 및 제 3 금속층을 포함하고, 상기 제 1 금속층은, 상기 제 2 금속층보다 상기 몰드 베이스에 대한 접착성이 높은 금속으로 형성되고, 상기 제 2 금속층은, 상기 제 1 금속층 및 상기 제 3 금속층보다 전기 전도성이 높은 금속으로 형성되고, 상기 제 3 금속층은, 상기 제 2 금속층보다 상기 어레이 베이스에 대한 접착성이 높은 금속으로 형성될 수 있다.
상기 몰드에 어레이 베이스를 형성하는 단계는, 상기 금속씨드층을 증착하는 단계 이전에 수행되고, 상기 몰드 베이스에 표면처리 마스킹 감광제를 패터닝함으로써, 상기 몰드 베이스에 형성된 노즐부 주형부의 바닥면을 마스킹하고, 나머지 부분을 노출시키는 단계; 및 상기 금속씨드층을 증착하는 단계 이전에 수행되고, 몰드 베이스에 표면처리를 한 뒤, 상기 표면처리 마스킹 감광제를 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 몰드를 제거하는 단계는, 상기 몰드를 에칭하여 상기 어레이 베이스를 분리하는 단계; 및 상기 어레이 베이스의 표면을 반응 가스로 소수성 표면처리하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 연결 전극을 결합하는 단계는, 상기 어레이 베이스에, 상기 분무 전극이 노출되게 하는 구멍을 포함하는 지지부를 결합하는 단계; 및 상기 지지부 상에 배치되고, 상기 구멍을 통하여 상기 분무 전극에 연결되는 연결 전극을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면 제습 장치는, 솔리드 마이크로 노즐 어레이; 상기 솔리드 마이크로 노즐 어레이 상단에 설치되어 상기 솔리드 마이크로 노즐 어레이를 냉각시키는 열교환 시스템; 상기 솔리드 마이크로 노즐 어레이에 마주보는 방향에 배치되는 상대 전극; 및 상기 솔리드 마이크로 노즐 어레이 및 상기 상대 전극 사이에 위치하는 제습부를 포함하고, 상기 솔리드 마이크로 노즐 어레이는, 상기 솔리드 마이크로 노즐 어레이를 관통하며 상기 상대 전극을 향하여 노출되도록 형성된 분무 전극을 포함할 수 있다.
상기 상대 전극은, 중앙부로부터 외측으로 갈수록 높이가 낮아지는 형상을 가질 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 열전소자 정전 분무 제습 시스템을 위한 솔리드 마이크로 노즐 어레이를 제조하는 기술을 포함하여 상기 제습 시스템에서의 전극 형상의 배치 및 분무 유량 제어를 통한 제습량 조절 메커니즘을 제안함으로써 공기청정 및 제습 분야에 크게 기여할 것으로 판단된다.
일 실시 예에 따르면, 기존의 냉각식 제습 시스템에 정전 분무 제습 시스템을 추가함으로써, 제습 효율을 더욱 상승시킬 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 정전 분무 제습 시스템은 저전력 시스템이므로, 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 장점을 갖는다.
도 1은 일 실시 예에 따른 정전 분무의 원리를 나타낸 도면이다.
도 2는 일 실시 예에 따른 솔리드 마이크로 노즐 어레이의 구조를 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2의 I-I 절개선을 따라 절개한 단면도이다.
도 4는 일 실시 예에 따른 솔리드 마이크로 노즐 어레이 제조 방법을 나타낸 도면이다.
도 5는 일 실시 예에 따른 솔리드 마이크로 노즐 어레이 제조 방법을 나타내는 순서도이다.
도 6은 일 실시 예에 따른 몰드를 형성하는 단계를 나타내는 순서도이다.
도 7은 일 실시 예에 따른 어레이 베이스를 형성하는 단계를 나타내는 순서도이다.
도 8은 일 실시 예에 따른 몰드를 제거하는 단계를 나타내는 순서도이다.
도 9는 일 실시 예에 따른 정전 분무를 통한 제습 및 살균 메커니즘을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 10은 일 실시 예에 따른 제습 장치의 사시도이다.
도 11은 일 실시 예에 따른 제습 장치의 분해 사시도이다.
도 12는 일 실시 예에 따른 제습 장치 및 제습 장치의 반구체 형상의 전극을 나타내는 도면이다.
도 13는 일 실시 예에 따른 제습 장치의 유량 제어에 필요한 센서 및 전원 공급 장치들을 나타내는 도면이다.
도 2는 일 실시 예에 따른 솔리드 마이크로 노즐 어레이의 구조를 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2의 I-I 절개선을 따라 절개한 단면도이다.
도 4는 일 실시 예에 따른 솔리드 마이크로 노즐 어레이 제조 방법을 나타낸 도면이다.
도 5는 일 실시 예에 따른 솔리드 마이크로 노즐 어레이 제조 방법을 나타내는 순서도이다.
도 6은 일 실시 예에 따른 몰드를 형성하는 단계를 나타내는 순서도이다.
도 7은 일 실시 예에 따른 어레이 베이스를 형성하는 단계를 나타내는 순서도이다.
도 8은 일 실시 예에 따른 몰드를 제거하는 단계를 나타내는 순서도이다.
도 9는 일 실시 예에 따른 정전 분무를 통한 제습 및 살균 메커니즘을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 10은 일 실시 예에 따른 제습 장치의 사시도이다.
도 11은 일 실시 예에 따른 제습 장치의 분해 사시도이다.
도 12는 일 실시 예에 따른 제습 장치 및 제습 장치의 반구체 형상의 전극을 나타내는 도면이다.
도 13는 일 실시 예에 따른 제습 장치의 유량 제어에 필요한 센서 및 전원 공급 장치들을 나타내는 도면이다.
이하, 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
어느 하나의 실시 예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 실시 예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시 예에 기재한 설명은 다른 실시 예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
도 2는 일 실시 예에 따른 솔리드 마이크로 노즐 어레이의 구조를 나타낸 도면이고, 도 3은 일 실시 예에 따른 도 2의 I-I 절개선을 따라 절개한 단면도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 솔리드 마이크로 노즐 어레이(11)는 제습 장치(1, 도 11 참조)내에 포함되어 하전된 물 액적을 분무함으로써 제습효율을 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 솔리드 마이크로 노즐 어레이(11)는 소수성으로 구현된 비전도체 부분과, 친수성으로 구현된 전도체 부분을 포함할 수 있다. 그에 따라, 공기 중에 포함된 수분이 전도체 부분에서 쉽게 응결되도록 하고, 전도체 부분에 전기장을 집중시켜 낮은 개시 전압에도 정전 분무가 일어나게 할 수 있다.
예를 들어, 제습 장치(1) 내에서 솔리드 마이크로 노즐 어레이(11)가 있는 영역을 냉각시키고, 공기 중의 수증기를 노즐 표면에서 응결시켜 이를 전도체 부분 상에서 정전 분무할 수 있다. 그에 따라 별도의 유량공급원에 의존하지 않고 정전 분무식 제습기능을 수행할 수 있고, 기존 냉각식 제습시스템에 비하여 향상된 에너지 효율을 얻을 수 있다. 솔리드 마이크로 노즐 어레이(11)는 플레이트(111), 마이크로 기둥(112), 공기층(113), 노즐부(114) 및 분무 전극(115)를 포함할 수 있다. 한편, 플레이트(111), 마이크로 기둥(112), 공기층(113) 및 노즐부(114)를 통칭하여, "어레이 베이스(46, 도 4 참조)"라고 할 수도 있다. 어레이 베이스(46)는, 후술하는 것처럼, 마이크로 기둥 주형부 및 노즐부 주형부가 미리 형성된 몰드에 감광제를 코팅한 뒤, 분무 전극(115)이 형성될 구멍을 제외한 나머지 부분에 자외선(UV) 등의 광을 조사하여 경화시키고, 분무 전극(115)이 형성될 구멍에 해당하는 감광제를 제거함으로써, 동일한 감광제로 일체로 동시에 형성될 수 있다.
플레이트(111)는 솔리드 마이크로 노즐 어레이(11)의 전체 형상을 규정할 수 있다. 예를 들어, 다양한 단면의 형상(예를 들어, 원형, 삼각형 또는 사각형 등)을 갖는 비전도체로 구성된 판일 수 있고, 제습 장치(1) 내에 배치될 수 있다.
마이크로 기둥(112)은 도 4에서 후술할 공정을 통하여 비전도체로 구성될 수 있고, 플레이트(111) 상에 복수 개가 배치될 수 있다. 마이크로 기둥(112)은 중심부가 외측을 향하여 볼록한 형상을 갖고, 중심부로부터 마이크로 기둥(112)의 상단부 및 하단부로 갈수록 단면적이 좁아지는 형상을 가질 수 있다. 마이크로 기둥(112)의 하단부는 플레이트(111)와 연결될 수 있다. 예를 들어, 도 2 및 도 3에 나타난 바와 같이, 마이크로 기둥(112)은 버섯 형상을 가질 수 있다. 이와 같은 구조에 의하면, 마이크로 기둥(112) 사이에 보다 많은 용적의 공기층(113)이 형성될 수 있다. 한편, 이는 하나의 예시에 불과하며, 마이크로 기둥(112)은, 사각뿔 형상, 구형 형상, 삼각뿔 형상 또는 오각뿔 형상 등 일 수도 있음을 밝혀 둔다. 마이크로 기둥(112)의 상단부는 라운드진 면을 가질 수 있다. 이와 같은 형상에 의하면, 마이크로 기둥(112)의 상단부가 뾰족한 경우와 비교하여, 물의 액적이 마이크로 기둥(112)의 상단부에 맞닿아 쪼개지는 경향을 감소시킬 수 있으므로, 솔리드 마이크로 노즐 어레이(11)의 소수성을 증대시킬 수 있다.
공기층(113)은 복수 개의 마이크로 기둥(112) 사이에 형성되어, 플레이트(111)에서 응결된 물이 마이크로 기둥(112)사이로 스며들지 않게 할 수 있다. 예를 들어, 플레이트(111)의 전면에 복수 개의 마이크로 기둥(112)과 복수 개의 공기층(113)이 구비되어 초소수성이 구현될 수 있다.
노즐부(114)는 솔리드 마이크로 노즐 어레이(11)의 표면에서 응결된 물이 정전 분무를 위해 모이는 부분으로 이해할 수 있다. 예를 들어, 노즐부(114)는 비전도체로 구성될 수 있고, 플레이트(111)로부터 돌출 형성되며, 플레이트(111)로부터 수직하게 형성된 기둥 형상의 구멍을 구비할 수 있다. 도 9 등에 도시된 것처럼 노즐부(114)는 중력 방향을 향하여 갈수록 단면이 좁아지는 형상을 가질 수 있다. 다시 말하면, 노즐부(114)는 중심을 향하여 경사진 면을 포함할 수 있다. 이와 같은 구조에 의하면, 솔리드 마이크로 노즐 어레이(11)의 초소수성 표면에서 응결된 물이 노즐부(114)의 비스듬한 면을 따라 분무 전극(115)로 이동하는 것을 유도할 수 있다.
분무 전극(115)은 전도체로서, 솔리드 마이크로 노즐 어레이(11)에 전류를 통하게 하여 정전 분무를 가능하도록 할 수 있다. 예를 들어, 분무 전극(115)은 플레이트(111)를 관통하고, 노즐부(114)의 구멍을 메꾸도록 형성될 수 있다. 분무 전극(115) 및 노즐부(114)를 통칭하여, "솔리드 노즐(114, 115)"이라고 할 수 있다. 이와 같은 솔리드 노즐(114, 115)의 경우, 기존의 노즐처럼 외부로부터 전달받은 유체를 내부로 통과시켜 다른 곳으로 공급하는 것이 아니라, 공기 중의 수증기를 응결시키고, 응결된 물에 직접 전압을 인가하여 정전 분무를 수행할 수 있다.
분무 전극(115)의 단면은, 노즐부(114)의 외부로 노출되고, 플레이트(111)의 표면보다 표면 조도(Surface Roughness)가 작을 수 있다. 다시 말하면, 분무 전극(115)의 단면은 플레이트(111)의 표면보다 매끈한 형상을 가질 수 있다. 또한 분무 전극(115)의 단면은 플레이트(111)의 표면의 표면 조도의 차이에 의하여, 플레이트(11)의 표면이 초소수성으로 구현될 수 있고, 분무 전극(115)의 표면은 친수성으로 구현될 수 있다. 또한 매끈한 표면에 의하면, 분무 전극(115)의 표면에서의 전류 밀도를 균등하게 제공할 수 있다.
도 4는 일 실시 예에 따른 솔리드 마이크로 노즐 어레이 제조 방법을 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 일 실시 예에 따른 솔리드 마이크로 노즐 어레이 제조 방법을 통하여, 노즐부(114)의 중심부에 전도체인 분무 전극(115)에 형성되게 제조함으로써 전기장을 집중시킬 수 있고, 마이크로 기둥(112)과 공기층(113)을 형성하여 초소수성 표면을 구현할 수 있는 솔리드 마이크로 노즐 어레이(11)를 제공할 수 있다. 이하 도 5 내지 도 8을 통하여 솔리드 마이크로 노즐 어레이(11)를 제조하는 MEMS(Micro-Electro Mechanical System) 기술의 예시를 설명하기로 한다.
도 5는 일 실시 예에 따른 솔리드 마이크로 노즐 어레이 제조 방법을 나타내는 순서도이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 솔리드 마이크로 노즐 어레이 제조 방법은, 몰드를 형성하는 단계(31)와, 몰드에 어레이 베이스를 형성하는 단계(32)와, 어레이 베이스에 분무 전극을 형성하는 단계(33)와, 몰드를 제거하는 단계(34)와, 연결 전극을 결합하는 단계(35)를 포함할 수 있다.
몰드를 형성하는 단계(31)에서는 솔리드 마이크로 노즐 어레이(11)의 형상과 형합하는 몰드가 형성된다. 예를 들어, 단계 31는 도 4의 (1) 내지 (10)에 도시된 방법에 따라 수행될 수 있고, 이는 도 6을 통하여 구체적으로 후술한다.
몰드에 어레이 베이스를 형성하는 단계(32)를 통해, 솔리드 마이크로 노즐 어레이(11) 중에서 분무 전극(115)을 제외한, 비전도체 부분인 어레이 베이스(46)가 제조될 수 있다. 예를 들어, 단계 32는 도 4의 (11) 내지 (14)에 도시된 방법에 따라 수행될 수 있고, 이는 도 7을 통해 구체적으로 후술한다.
어레이 베이스(46)에 분무 전극(115)을 형성하는 단계(33)에서는, 예를 들어, 도 4의 (15)에 도시된 것처럼, 어레이 베이스(46)의 중앙에 형성된 빈 공간으로 금속을 충진함으로써 수행될 수 있다. 예를 들면, 어레이 베이스(46)의 중앙에 형성된 빈 공간으로 노출된 금속씨드층(45)을 기점으로 하여 도금 방식으로 솔리드 마이크로 노즐 어레이(11)를 관통하는 분무 전극(115)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 분무 전극(115)을 형성하기 위한 도금용 금속으로는, 반응성이 작고 부식에 대한 저항이 큰 니켈 등의 금속이 이용될 수 있다.
몰드를 제거하는 단계(34)는, 몰드로부터 분무 전극(115)과 어레이 베이스(46)가 결합된 솔리드 마이크로 노즐 어레이(11)를 분리하는 과정이다. 예를 들어, 단계 34는 도 4의 (16) 및 (17)에 도시된 방법에 따라 수행될 수 있고, 이는 도 8을 통해 구체적으로 후술한다.
연결 전극을 결합하는 단계(35)는, 예를 들어, 도 4의 (18) 및 (19)에 도시된 것처럼, 솔리드 마이크로 노즐 어레이(11)에 지지부(116)를 결합하고, 지지부(116) 상에 배치되며 분무 전극(115)에 연결되는 연결 전극(117)을 형성함으로써 수행될 수 있다. 이와 같은 구조에 의하면, 높은 전압이 통과되는 연결 전극(117)이 어레이 베이스(46)에 직접적으로 접촉되는 것을 방지하면서, 연결 전극(117)을 통하여 분무 전극(115)으로 전압을 공급할 수 있다. 예를 들어, 지지부(116)는 폴리카보네이트(polycarbonate, PC)와 같은 비전도체로 형성될 수 있다. 지지부(116)은 어레이 베이스(46)의 일면을 커버하되, 분무 전극(115)은 외부로 노출되게 하는 구멍을 포함할 수 있다. 연결 전극(117)은 상기 구멍에 전도성 페이스트를 충진하는 방법 등을 통하여 형성될 수 있다. 이 경우, 전도성 페이스트로는 예를 들어, 실버 페이스트 등이 이용될 수 있다.
도 6은 일 실시 예에 따른 몰드를 형성하는 단계를 나타내는 순서도이다.
도 4 및 도 6을 참조하면, 몰드를 형성하는 단계(31)는, 몰드 베이스에 막을 증착하는 단계(311)와, 막과 몰드 베이스의 일부를 에칭하는 단계(312, 313, 314, 315)와, 몰드 베이스에 마이크로 기둥 주형부를 형성하는 단계(319, 3111, 3112)와, 노즐부 주형부가 형성될 부분의 막을 에칭하는 단계(316, 317, 318)와, 몰드 베이스를 에칭하여 노즐부 주형부를 형성하는 단계(319, 3111, 3112)를 포함할 수 있다.
예를 들어, 노즐부 주형부가 형성될 부분의 막을 에칭하는 단계(316, 317, 318)는, 막과 몰드 베이스의 일부를 에칭하는 단계(312, 313, 314, 315) 이후에 수행될 수 있다.
예를 들어, 마이크로 기둥 주형부를 형성하는 단계(319, 3111, 3112) 및 노즐부 주형부를 형성하는 단계(319, 3111, 3112)는 동시에 수행될 수 있다.
이하 각 단계들을 구체적으로 설명하기로 한다.
몰드 베이스에 막을 증착하는 단계(311)는, 예를 들어, 도 4의 (1)에 도시된 것처럼, 실리콘 등의 재질로 형성된 몰드 베이스(40)에, 화학 기상 증착법(Chemical Vapor Deposition, CVD) 또는 원자층 증착법(Atomic Layer Deposition, ALD) 등을 통하여, 질화규소(silicon nitride, SixNy)등 몰드 베이스(40)와 서로 다른 재질을 이용하여 막(41)을 증착하여 제조할 수 있다.
막과 몰드 베이스의 일부를 에칭하는 단계(312, 313, 314, 315)는 예를 들어, 마이크로 기둥용 감광제를 패터닝하는 단계(312)와, 막의 제 1 에칭을 수행하는 단계(313)와, 몰드 베이스의 에칭을 수행하는 단계(314)와, 마이크로 기둥용 감광제를 제거하는 단계(315)를 포함할 수 있다.
단계 312에서는, 도 4의 (2)에 도시된 것처럼, 막(41) 위로 마이크로 기둥용 감광제(42)를 도포한 상태에서, 일정한 영역에만 자외선(UV) 등의 광을 조사하고, 경화되지 않은 감광제(42)를 제거함으로써, 막(41) 중 마이크로 기둥 주형부가 형성될 부분만 외부로 노출되도록 마스킹할 수 있다. 여기서, 마이크로 기둥 주형부가 형성될 부분이란, 특정 지점(노즐부 주형부가 형성될 부분)을 중심으로 방사상으로 형성될 수 있다. 한편, 이상과 같이 감광제를 이용하여 원하는 형상을 형성하는 작업을 "패터닝"이라고 할 수 있다.
단계 313에서는, 도 4의 (3)에 도시된 것처럼, 단계 312에서 외부로 노출된 부분의 막(41)을 제 1 에칭함으로써, 몰드 베이스(40) 중 마이크로 기둥 주형부가 형성될 부분만 외부로 노출되도록 에칭할 수 있다. 여기서, 에칭 방식으로는, 예를 들어, 반응성 이온 에칭(Reactive Ion Etching, RIE) 방식 등의 건식 에칭(dry etching)을 이용할 수 있다. 드라이 에칭을 이용할 경우, 언더컷(undercut)이 발생되지 않으므로, 정밀한 형상을 형성할 수 있다. 따라서, 마이크로 기둥을 보다 미세한 크기 및 미세한 간격으로 조밀하게 형성하는 것이 가능해진다.
단계 314에서는, 도 4의 (4)에 도시된 것처럼, 몰드 베이스(40)를 에칭함으로써, 마이크로 기둥 주형부를 형성하기 위한 초기 홈을 형성할 수 있다. 예를 들어, 초기 홈은 몰드 베이스(40)의 면에 대하여 직각을 이루는 형상을 갖도록 적절한 공지의 에칭 방식을 선택할 수 있다. 단계 314에서 수행하는 에칭 방식으로는, 예를 들어, RIE(Reactive Ion Etching) 방식 등의 드라이 에칭(dry etching)을 이용할 수 있다.
단계 315에서는, 도 4의 (5)에 도시된 것처럼, 마이크로 기둥용 감광제(42)를 제거할 수 있다. 단계 315에 의하면, 몰드 베이스(40) 중 마이크로 기둥 주형부가 형성될 부분은 외부로 노출되고, 나머지 부분은 막(41)으로 마스킹된 상태의 몰드를 제공할 수 있다.
노즐부 주형부가 형성될 부분의 막을 에칭하는 단계(316, 317, 318)는, 예를 들어, 노즐용 마스킹 감광제를 패터닝하는 단계(316)와, 막의 제 2 에칭을 수행하는 단계(317)와, 노즐용 마스킹 감광제를 제거하는 단계(318)를 포함할 수 있다.
단계 316에서는, 도 4의 (6)에 도시된 것처럼, 단계 315를 통해 형성된 몰드 베이스(40) 및 막(41) 위로 노즐용 마스킹 감광제(43)를 도포한 상태에서, 일정한 영역에만 자외선(UV) 등의 광을 조사하고, 경화되지 않은 감광제(43)를 제거함으로써, 막(41) 중 노즐부 주형부가 형성될 부분만 외부로 노출되도록 마스킹할 수 있다. 이때, 몰드 베이스(40)는 노즐용 마스킹 감광제(43)에 의해 외부로 직접적으로 노출되지 않을 수 있다. 여기서, 노즐부 주형부가 형성될 부분은 마이크로 기둥 주형부가 형성될 부분의 사이에 위치할 수 있다. 예를 들어, 몰드 베이스(40)의 상면 상에서 노즐부 주형부가 형성될 부분은, 마이크로 기둥 주형부가 형성될 부분에 비하여 넓이가 5배 이상일 수 있다. 한편, 노즐용 마스킹 감광제(43)로는 마이크로 기둥용 감광제(42)와 같은 종류의 감광제가 이용될 수도 있으나, 반드시 이와 같이 한정되는 것은 아니라는 점을 밝혀 둔다.
단계 317에서는, 도 4의 (7)에 도시된 것처럼, 단계 316에서 외부로 노출된 부분의 막(41)을 제 2 에칭함으로써, 몰드 베이스(40) 중 노즐부 주형부가 형성될 부분만 외부로 노출되도록 에칭할 수 있다. 단계 317에서 수행하는 에칭 방식으로는, 예를 들어, RIE(Reactive Ion Etching) 방식 등의 드라이 에칭(dry etching)을 이용할 수 있다.
단계 318에서는, 도 4의 (8)에 도시된 것처럼, 노즐용 마스킹 감광제(43)를 제거할 수 있다. 단계 318에 의하면, 몰드 베이스(40) 중 마이크로 기둥 주형부가 형성될 부분 및 노즐부 주형부가 형성될 부분은 외부로 노출되고, 나머지 부분은 막(41)으로 마스킹된 상태의 몰드를 제공할 수 있다.
이상의 방법에 의하면, 마이크로 기둥 주형부를 형성하기 위한 에칭 과정과, 노즐부 주형부를 형성하기 위한 에칭 과정이 독립적으로 수행될 수 있으므로, 마이크로 기둥 주형부를 형성하기 위한 초기 홈의 깊이를 필요에 따라 조절하는 것이 가능하다. 단계 318까지 완료된 상태에서, 몰드 베이스(40) 중 노즐부 주형부가 형성될 부분의 노출면의 높이는 마이크로 기둥 주형부가 형성될 부분의 노출면의 높이보다 높게 형성될 수 있다.
마이크로 기둥 주형부를 형성하는 단계 및 노즐부 주형부를 형성하는 단계는 예를 들어, 도 4의 (9) 및 (10)에 도시된 것처럼, 동시에 수행될 수 있다. 예를 들면, 단계 318을 통해 형성된 몰드를 벌크 에칭(bulk etching)하는 단계(319)와, 등방성 에칭하는 단계(3111)와, 막(41)을 제거하는 단계(3112)를 순차적으로 진행함으로써 수행될 수 있다.
단계 319에서는, 도 4의 (9)에 도시된 것처럼, 벌크 에칭(bulk etching)을 수행함으로써, 마이크로 기둥 주형부를 형성하기 위한 초기 홈을 확대시키고, 몰드 베이스(40)를 상면으로부터 함몰시켜 노즐부 주형부를 형성할 수 있다. 벌크 에칭으로는, 예를 들어, 이방성 에칭(anisotropic etching) 방식을 이용할 수 있다. 단계 318을 통하여 형성된 몰드에 이방성 에칭을 수행할 경우, 마이크로 기둥 주형부가 형성될 부분 및 노즐부 주형부가 형성될 부분은 그 초기 형상의 차이로 인하여, 도 4의 (9)에 도시된 것처럼 서로 다른 형태의 모양을 가질 수 있다.
구체적으로, 노즐부 주형부가 형성될 부분은 단계 318 상태에서 하나의 면만 노출되므로, 사다리꼴 형상의 단면을 갖는 모양으로 함몰 에칭될 수 있다. 이와 같이 노즐부 주형부가 형성될 부분에는 광역적인 비등방성 에칭이 이루어지고, 몰드 베이스(40)의 깊이 방향으로 갈수록 좁아지는 형상을 가질 수 있다.
한편, 마이크로 기둥 주형부가 형성될 부분은 단계 318 상태에서 기둥 형상의 홈으로 바닥면 및 측면이 노출되므로, 중앙부가 외측으로 볼록한 형상으로 에칭될 수 있다. 단계 314를 통하여, 이미 몰드 베이스(40)의 깊이 방향으로 함몰 형성된 초기 홈은 중심부에서 더 많이 식각된 형상을 갖게 된다.
단계 319는 노즐부 주형부의 최하단 높이가, 마이크로 기둥 주형부의 최하단 높이보다 낮아지도록 충분히 수행될 수 있다. 이와 같은 구조에 의하면, 추후 몰드를 이용하여 얻어지는 솔리드 마이크로 노즐(11, 도 3 참조)의 마이크로 기둥(112)의 길이보다 노즐부(114)의 길이가 더 길게 형성될 수 있다.
이상과 같이 단계 311 내지 단계 318의 공정에 의하면, 단계 319의 단일 공정을 통하여, 전혀 다른 형상이 요구되는 마이크로 기둥과 노즐부의 주형부를 한 번의 에칭으로 형성할 수 있게 된다.
단계 3111는 단계 319 이후에 수행되며, 도 4의 (10)에 도시된 것처럼, 등방성 에칭(isotropic etching)을 수행할 수 있다. 단계 3111에 의하면, 단계 319에 따라서 모서리진 형상으로 형성된 부분을 다각적으로 에칭하여 곡면이 되도록 할 수 있다. 다시 말하면, 마이크로 기둥 주형부의 하단부가 라운드진 면을 가질 수 있다. 이와 같은 형상에 의하면, 상술한 바와 같이 최종적으로 형성되는 마이크로 기둥(112)의 상단부가 라운드진 형상을 가질 수 있으므로 소수성을 증대시킬 수 있다.
단계 3112에서는, 도 4의 (10)에 도시된 것처럼, 남아있는 막(41)을 완전히 제거함으로써, 몰드 베이스(40)의 최종적인 형상을 얻을 수 있다.
도 7은 일 실시 예에 따른 어레이 베이스를 형성하는 단계를 나타내는 순서도이다.
도 4 및 도 7을 참조하면, 어레이 베이스를 형성하는 단계(32)는, 표면처리 마스킹 감광제를 패터닝하는 단계(321)와, 표면처리 후 표면처리 마스킹 감광제를 제거하는 단계(322)와, 금속씨드층을 증착하는 단계(323)와, 어레이 베이스 형성 감광제를 코팅하는 단계(324)를 포함할 수 있다.
단계 321에서는, 예를 들어, 도 4의 (11)에 도시된 것처럼, 표면처리 마스킹 감광제(44)를 패터닝함으로써, 노즐부 주형부의 바닥면을 마스킹하고, 나머지 부분을 노출시킬 수 있다. 표면처리 마스킹 감광제(44)는 내화학성이 몰드 베이스(40)보다 낮아서 패터닝 이후 몰드 베이스(40)의 형상에 영향을 주지 않고도 제거가 용이한 것으로 선정될 수 있다. 예를 들어, 표면처리 마스킹 감광제(44)로는 JSR Micro사의 THB 감광제가 이용될 수 있다.
단계 322에서는, 단계 321을 수행한 상태의 몰드를 표면 처리함으로써, 어레이 베이스(46)의 표면에 대응하는 몰드 베이스(40)의 면에 미세 요철을 형성하되, 분무 전극(115)의 노출면에 대응하는 몰드 베이스(40)의 면에는 요철이 형성되지 않도록 할 수 있다. 이와 같은 방법에 의하면, 몰드를 이용하여 제작되는 솔리드 마이크로 노즐 어레이(11)에서, 분무 전극(115)의 노출면을 제외한 나머지 부분의 소수성이 향상될 수 있다. 단계 322에서, 도 4의 (12)에 도시된 것처럼, 표면 처리가 완료되면 표면처리 마스킹 감광제(44)를 제거할 수 있다.
단계 323은, 도 4의 (13)에 도시된 것처럼, 분무 전극(115)을 형성하기 위한 전처리로써, 제작된 몰드의 표면에 금속을 이용하여 금속씨드층(45)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 금속씨드층(45)은, 인접한 물질과의 접착성과, 도금 효율을 동시에 향상시키기 위해 두가지 이상의 금속을 이용하여 3개의 층으로 형성할 수 있다. 예를 들어, 몰드에 직접 닿아 금속씨드층(45)을 형성하는 제 1 금속층은, 제 2 금속층보다 몰드에 대한 접착성이 높은 금속으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 몰드 베이스(40)를 실리콘으로 구성한 경우, 제 1 금속층은 티타늄(Ti)으로 형성될 수 있다. 제 1 금속층 위에 적층되는 제 2 금속층은, 제 1 금속층보다 전기 전도성이 높은 금속으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제 2 금속층으로는, 구리(Cu) 또는 은(Ag) 등과 같은 금속이 증착될 수 있다. 제 2 금속층 위에 적층되는 제 3 금속층은, 제 2 금속층보다 어레이 베이스(46)에 대한 접착성이 높은 재료로 선정될 수 있다. 예를 들어 어레이 베이스(46)를 SU-8 감광제로 구성한 경우, 제 3 금속층은 티타늄(Ti)으로 형성될 수 있다. 여기서, 각 금속의 증착은 열증착이나 스퍼터링(sputtering) 방식으로 수행될 수 있다. 이상의 3개의 금속층 구조에 의하면, 몰드 및/또는 어레이 베이스(46)로부터 금속씨드층(45)이 원치 않게 탈락되는 문제를 방지하면서도, 단계 33에서의 도금 효율을 향상시켜 분무 전극(115) 형성 속도를 향상시킬 수 있다.
단계 324에서는, 도 4의 (14)에 도시된 것처럼, 분무 전극(115)이 차지할 공간을 제외하고, 어레이 베이스 형성 감광제를 패터닝할 수 있다. 구체적으로, (i) 어레이 베이스 형성 감광제를 몰드로 채워넣고, (ii) 분무 전극(115)이 위치할 공간의 상단면을 마스킹하고, (iii) 어레이 베이스 형성 감광제에 자외선(UV) 등의 광을 조사하여 마스킹하지 않은 부분을 경화시키고, (iv) 경화되지 않은 어레이 베이스 형성 감광제를 제거하는 과정을 통하여 수행될 수 있다. 어레이 베이스 형성 감광제로는 몰드 베이스(40)보다 내화학성이 뛰어난 음성 감광제가 사용될 수 있다. 이와 같은 재질의 선택에 따르면, 단계 34에서, 몰드 베이스(40) 및 금속씨드층(45)이 에칭될 때, 어레이 베이스(46)가 목적한 외형을 유지할 수 있다. 어레이 베이스 형성 감광제로는, 예를 들어, SU-8 감광제 등이 이용될 수 있다.
도 8은 일 실시 예에 따른 몰드를 제거하는 단계를 나타내는 순서도이다.
도 4 및 도 8을 참조하면, 몰드를 제거하는 단계(34)는, 몰드를 에칭하는 단계(341)와, 소수성 표면처리하는 단계(342)를 포함할 수 있다.
단계 341은, 몰드로부터 솔리드 마이크로 노즐 어레이(11)를 분리하는 단계로써, 예를 들면, 도 4의 (16)에 도시된 것처럼 몰드 소재에 대응하는 에칭 용액을 이용하여 몰드 전체를 에칭함으로써, 몰드 베이스(40) 및 금속씨드층(45)을 제거할 수 있다. 예를 들어, 실리콘이 몰드 베이스(40)로 이용된 경우, 수산화칼륨(KOH) 수용액이나 수산화 테트라메틸 암모늄(TMAH) 수용액을 에칭 용액으로 할 수 있다. 몰드 베이스(40)가 제거됨에 따라 금속씨드층(45)이 노출되면 불산수용액을 에칭 용액으로 하여 금속씨드층(45)을 제거할 수 있다.
단계 342는, 솔리드 마이크로 노즐 어레이(11)의 표면을 소수성으로 처리하여 공기중의 수증기가 응결하는 경우, 물의 표면장력에 의한 응집이 더 잘 일어나게 하기 위한 과정이다. 예를 들면, 도 4의 (17)에 도시된 것처럼, 솔리드 마이크로 노즐 어레이(11)의 표면을 불소수지(CxFy) 코팅하거나, 소수성 가스를 분사하여 표면을 소수성 처리 할 수 있다.
도 9는 일 실시 예에 따른 정전 분무를 통한 제습 및 살균 메커니즘을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 10은 일 실시 예에 따른 제습 장치의 사시도이고, 도 11은 일 실시 예에 따른 제습 장치의 분해 사시도이다.
도 9 내지 도 11을 참조하면, 일 실시 예에 따른 제습 장치(1)는, 상술한 솔리드 마이크로 노즐 어레이(11)와, 열전소자를 이용하여 정전 분무를 수행함으로써, 제습 및/또는 살균을 수행할 수 있다. 제습 장치(1)는, 솔리드 마이크로 노즐 어레이(11), 제습부(12), 상대 전극(13), 배수 시스템(14) 및 열교환시스템(15)을 포함할 수 있다.
솔리드 마이크로 노즐 어레이(11)는, 열교환시스템(15)에 의해 냉각되어, 표면에서 수증기를 응결시키고, 분무 전극(115)을 이용하여 응결된 수증기에 고전압을 인가하여 정전 분무를 수행할 수 있다.
제습부(12)는, 외부로부터 유입된 공기가 체류하며 제습이 이루어지는 공간이다. 제습부(12)는 도시한 것처럼 전 방향으로 개방될 수도 있으나, 이와 달리, 제습이 필요한 공기(121)를 유입받는 유입구와, 제습이 수행된 공기(125)가 배출되는 배출구를 구비하고, 일정한 부피를 갖는 케이스형 부재일 수도 있다는 점을 밝혀 둔다.
상대 전극(13)은, 솔리드 마이크로 노즐 어레이(11)를 마주하는 방향에 배치될 수 있다. 예를 들어, 솔리드 마이크로 노즐 어레이(11)의 분무 전극(115)이 하방으로 노출될 경우, 상대 전극(13)은, 솔리드 마이크로 노즐 어레이(11)의 하측에 배치될 수 있다. 예를 들어, 상대 전극(13)은, 중앙부로부터 외측으로 갈수록 높이가 낮아지는 형상을 갖고, 상대 전극(13)의 하측에는 배수 시스템(14)이 위치할 수 있다. 이와 같은 구조에 의하면, 정전 분무 과정에서 제습부(12) 내부에서 응결된 물이 상대전극(13)의 표면을 따라서 흘러내려 배수 시스템(14)으로 가이드될 수 있다. 예를 들어, 상대 전극(13)은, 반구체 형상을 가질 수 있다.
배수 시스템(14)은 제습부(12)의 내부에 물이 축적되지 않도록, 제습부(12)의 하측에 위치할 수 있다. 배수 시스템(14)은, 물을 배출시키기 위한 구멍을 구비한 배수판(141)과, 배수판(141)을 통과한 물이 모이는 배수통(142)을 포함할 수 있다.
열교환시스템(15)은, 솔리드 마이크로 노즐 어레이(11)를 냉각시킴으로써 정전 분무 효율을 향상시킬 수 있다. 열교환시스템(15)은 냉각팬(151), 히트싱크(152), 열전소자(153), 단열재(154) 및 하부덮개(155)를 포함할 수 있다.
냉각팬(151)은, 열전소자(153)로부터 가열된 공기를 제습 장치(1)의 외부로 배출시킬 수 있다.
히트싱크(152)는, 열전소자(153) 및 냉각팬(151) 사이에 위치하고, 열전소자(153)의 발열부(1531)에 직접적으로 접촉되어, 열전소자(153)에서 발생되는 열을 흡수하여 외부로 방출시킬 수 있다. 히트싱크(152)는, 접촉 표면적을 늘리기 위한 다수의 핀을 포함할 수 있다.
열전소자(153)는, 외부로부터 전압을 인가받아 솔리드 마이크로 노즐 어레이(11)를 냉각시킬 수 있다. 열전소자(153)는, 히트싱크(152)에 접촉되는 발열부(1531)와, 솔리드 마이크로 노즐 어레이(11)에 맞닿도록 배치되는 냉각부(1532)를 포함할 수 있다.
단열재(154)는, 열전소자(153)를 감싸도록 배치되어 열전소자(153)의 열교환 효율을 향상시킬 수 있다.
하부덮개(155)는 솔리드 마이크로 노즐 어레이(11)가 부착되는 부분이다.
이상과 같은 구조에 의하면, 온도차에 의하여 유입된 공기(121)중의 수증기(1211)가 솔리드 마이크로 노즐 어레이(11) 주변에서 응결하여 액적(122)을 형성할 수 있다. 한편, 솔리드 마이크로 노즐 어레이(11)는, 상술한 바와 같이 마이크로 기둥(112) 등을 통해 분무 전극(115) 이외의 영역을 초소수성으로 구현하였기 때문에 대부분의 액적(122)은 분무 전극(115)의 노출면에 응집하게 된다. 구체적으로, 친수성 및 소수성 구조가 하나의 평면에 복합적으로 이루어져 있는 경우, 소수성 표면에 맺힌 물은 친수성 표면 쪽으로 이동하려는 경향이 존재한다. 따라서, 초소수성 표면에 응집된 물 액적들은 상대적으로 친수성을 갖는 분무 전극(115)으로 이동하게 되므로, 최종적으로 물을 분무 전극(115)으로 응집시킬 수 있다. 분무 전극(115)에 고전압을 인가하면, 액체의 표면장력과 외부 전기력의 상호작용을 통해 노즐 끝단에 만들어진 테일러 콘(Taylor cone)(123)에서 1차 미립화를 통해 제트를 형성하고, 레일리 분열로 인한 2차 미립화를 통해 미세 액적(1221)을 분무할 수 있게 된다. 이와 같이 분무되는 하전된 미세 액적(1221)은 각각이 응결핵으로써의 역할을 하게 되고 다습한 공기와 교반되면서 성장하게 된다. 이와 같은 과정으로, 제습 장치(1)는, 제습부(12)의 수증기(1211)를 제거할 수 있다. 아울러, 하전된 미세 액적(1222)은 다양한 미생물에 대하여 살균 효과를 가진다. 따라서, 정전 분무 기술을 제습 시스템에 활용함으로써 제습 및 살균이 동시에 이루어지게 되고 이를 통해 기존의 제습기 내 미생물 번식 문제를 효과적으로 해결할 수 있다.
한편, 이상 정전 분무 방식을 통하여 제습을 수행하는 제습 장치(1)에 대하여 설명하였으나, 상술한 솔리드 마이크로 노즐 어레이(11) 구조는 기존의 펠티어를 이용하는 제습 장치에 추가적으로 설치되어, 기존의 제습 장치의 제습 효율을 향상시킬 수도 있다는 점을 밝혀 둔다.
도 12는 일 실시 예에 따른 제습 장치 및 제습 장치의 반구체 형상의 전극을 나타낸 도면이다. 도 12에서 솔리드 마이크로 노즐 어레이(11) 등은 간략히 도시하였지만 상술한 구조와 동일한 구조가 적용될 수 있다는 점을 밝혀 둔다.
도 12를 참조하면, 제습 장치(1)는, 전원 공급 장치(16)를 포함할 수 있다. 전원 공급 장치(16)는, 솔리드 마이크로 노즐 어레이(11) 및 상대 전극(13)을 상호 연결하여, 양자 사이에 높은 전위차를 형성할 수 있다. 예를 들어, 전원 공급 장치(16)는, 솔리드 마이크로 노즐 어레이(11)에 연결되는 고전압 전극 라인(161)과, 상대 전극(13)에 연결되는 접지 전극 라인(162)을 포함할 수 있다.
상대 전극(13)은 도 12에 도시된 것처럼, 중앙부로 외측으로 갈수록 높이가 낮아지는 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 상대 전극(13)은, 반구체 형상일 수 있다. 또한, 중력 방향을 기준으로 상대 전극(13)의 중심이 솔리드 마이크로 노즐 어레이(11)의 중심과 일치하도록 배치시킬 수 있다. 이와 같은 형상 및 배치에 의하면, 솔리드 마이크로 노즐 어레이(11)의 중심부보다 외각에서 전기장이 더욱 집중되는 말단부 효과(End effect)를 완화시킴으로써, 솔리드 마이크로 노즐 어레이(11)내에서 균일한 전기장이 형성되도록 할 수 있다. 뿐만 아니라, 상대 전극(13)의 표면에 위에 쌓인 물이 반구체 형상을 따라 배수 시스템(14)으로 쉽게 흘러내려 가는 효과도 갖게 된다.
도 13는 일 실시 예에 따른 제습 장치의 유량 제어에 필요한 센서 및 전원 공급 장치들을 나타낸 도면이다. 도 13에서 솔리드 마이크로 노즐 어레이(11) 등은 간략히 도시하였지만 상술한 구조와 동일한 구조가 적용될 수 있다는 점을 밝혀 둔다.
도 13을 참조하면, 제습 장치(1)는, 유입되는 공기(122)의 온도 및/또는 습도를 감지하기 위한 유입 센서(125)와, 배출되는 공기(124)의 온도 및/또는 습도를 감지하기 위한 배출 센서(127)와, 솔리드 마이크로 노즐 어레이(11)의 온도를 감지하기 위한 노즐 센서(126)와, 열전소자(153)의 양극에 각각 연결되어 전원을 공급하는 한 쌍의 전극 라인(171, 172)을 구비하는 냉각량 조절 장치(17)와, 제어부를 포함할 수 있다.
제습 장치(1)의 제어부는, 사용자로부터 입력된 희망 습도와 유입 센서(125)를 통하여 감지된 상대 습도의 차이에 기초하여, 현재의 대기 상태에서 희망 응결 속도를 결정할 수 있다. 또한, 결정된 희망 응결 속도에 기초하여 솔리드 마이크로 노즐 어레이(11)의 희망 온도를 결정하고, 열전소자(153)에 인가되는 전원(전압 또는 전류)을 조절하여, 노즐 센서(126)에서 감지되는 온도가 희망 온도가 될 때까지 피드백 제어할 수 있다. 이와 같은 과정에 의하면, 사용자가 희망하는 온도를 입력받아 제습 작업을 자동으로 수행할 수 있다.
이상과 같이 비록 한정된 도면에 의해 실시 예들이 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구조, 장치 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
Claims (17)
- 솔리드 마이크로 노즐 어레이에 있어서,
플레이트;
상기 플레이트로부터 돌출 형성되며, 상기 플레이트로부터 수직하게 형성된 기둥 형상의 구멍을 구비하는 노즐부; 및
상기 플레이트를 관통하고, 상기 구멍을 메꾸도록 형성된 분무 전극을 포함하고,
상기 노즐부의 외면에 상기 분무 전극의 단면이 노출되고, 상기 분무 전극의 단면은 상기 플레이트의 표면보다 표면조도가 작고,
상기 솔리드 마이크로 노즐 어레이의 표면에서 응결된 물이 노출된 상기 분무 전극의 단면에 모인 상태에서, 상기 분무 전극에 전압을 인가하여 정전 분무를 수행하는 것을 특징으로 하는 솔리드 마이크로 노즐 어레이.
- 제 1 항에 있어서,
상기 플레이트는 복수 개의 마이크로 기둥을 포함하고, 상기 마이크로 기둥 사이에 공기층이 형성됨으로써, 상기 플레이트는 초소수성 표면 구조를 갖고,
상기 마이크로 기둥은 중심부가 볼록하고, 가장 볼록한 부분을 기준으로 상기 마이크로 기둥의 상단부 및 하단부로 갈수록 단면적이 좁아지고, 상기 마이크로 기둥의 하단부는 상기 플레이트와 연결되는 것을 특징으로 하는 솔리드 마이크로 노즐 어레이.
- 삭제
- 솔리드 마이크로 노즐 어레이 제조 방법에 있어서,
몰드를 형성하는 단계;
상기 몰드에 어레이 베이스를 형성하는 단계;
상기 어레이 베이스에, 상기 어레이 베이스를 관통하는 분무 전극을 형성하는 단계;
상기 어레이 베이스로부터 몰드를 제거하는 단계; 및
상기 분무 전극에 연결 전극을 결합하는 단계를 포함하고,
상기 솔리드 마이크로 노즐 어레이는,
플레이트;
상기 플레이트로부터 돌출 형성되며, 상기 플레이트로부터 수직하게 형성된 기둥 형상의 구멍을 구비하는 노즐부; 및
상기 플레이트를 관통하고, 상기 구멍을 메꾸도록 형성된 분무 전극을 포함하고,
상기 노즐부의 외면에 상기 분무 전극의 단면이 노출되고, 상기 분무 전극의 단면은 상기 플레이트의 표면보다 표면조도가 작고,
상기 솔리드 마이크로 노즐 어레이의 표면에서 응결된 물이 노출된 상기 분무 전극의 단면에 모인 상태에서, 상기 분무 전극에 전압을 인가하여 정전 분무를 수행하는 것을 특징으로 하는 솔리드 마이크로 노즐 어레이 제조 방법.
- 제 4 항에 있어서,
상기 몰드를 형성하는 단계는,
몰드 베이스에 막을 증착하는 단계;
상기 막과 상기 몰드 베이스의 일부를 에칭함으로써, 상기 몰드 베이스 중 마이크로 기둥 주형부가 형성될 부분을 노출시키는 단계;
상기 몰드 베이스 중 상기 마이크로 기둥 주형부가 형성될 부분을 에칭하는 단계;
상기 막을 에칭함으로써, 상기 몰드 베이스 중 노즐부 주형부가 형성될 부분을 노출시키는 단계; 및
상기 몰드 베이스 중 상기 노즐부 주형부가 형성될 부분을 에칭하는 단계를 포함하는 솔리드 마이크로 노즐 어레이 제조 방법.
- 제 5 항에 있어서,
상기 노즐부 주형부가 형성될 부분을 노출시키는 단계는, 상기 몰드 베이스 중 상기 마이크로 기둥 주형부가 형성될 부분을 에칭하는 단계 이후에 수행되고,
상기 몰드를 형성하는 단계는,
상기 몰드 베이스 중 상기 마이크로 기둥 주형부가 형성될 부분 및 상기 노즐부 주형부가 형성될 부분이 모두 노출된 상태에서, 상기 몰드 베이스를 벌크 에칭하는 단계를 더 포함하고,
상기 몰드 베이스를 벌크 에칭하는 단계에 의해, 상기 마이크로 기둥 주형부 및 상기 노즐부 주형부가 동시에 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 노즐 어레이 제조 방법.
- 제 6 항에 있어서,
상기 몰드 베이스를 벌크 에칭하는 단계가 수행되기 전 상태에서,
상기 노즐부 주형부가 형성될 부분의 노출면의 높이는 상기 마이크로 기둥 주형부가 형성될 부분의 노출면의 높이보다 높은 것을 특징으로 하는 솔리드 마이크로 노즐 어레이 제조 방법.
- 제 7 항에 있어서,
상기 몰드 베이스를 벌크 에칭하는 단계가 수행된 후 상태에서,
상기 노즐부 주형부의 최하단 높이는, 상기 마이크로 기둥 주형부의 최하단 높이보다 낮은 것을 특징으로 하는 솔리드 마이크로 노즐 어레이 제조 방법.
- 제 6 항에 있어서,
상기 막과 상기 몰드 베이스의 일부를 에칭하는 단계는,
상기 마이크로 기둥 주형부가 형성될 부분만 외부로 노출되도록 마스킹한 상태에서 수행됨으로써, 상기 노즐부 주형부가 형성될 부분의 상기 막은 에칭되지 않는 것을 특징으로 하는 솔리드 마이크로 노즐 어레이 제조 방법.
- 제 4 항에 있어서,
상기 몰드에 어레이 베이스를 형성하는 단계는,
형성하고자 하는 어레이 베이스의 형상에 대응하는 형상을 갖도록 형성된 몰드 베이스에 금속씨드층을 증착하는 단계; 및
상기 금속씨드층 위에, 어레이 베이스 형성 감광제를 패터닝하여 상기 분무 전극이 형성될 구멍을 갖는 어레이 베이스를 형성하는 단계를 포함하고,
상기 분무 전극이 형성되기 전 상태에서, 상기 분무 전극이 형성될 구멍을 통하여 상기 금속씨드층이 노출되는 것을 특징으로 하는 솔리드 마이크로 노즐 어레이 제조 방법.
- 몰드를 형성하는 단계;
상기 몰드에 어레이 베이스를 형성하는 단계;
상기 어레이 베이스에, 상기 어레이 베이스를 관통하는 분무 전극을 형성하는 단계;
상기 어레이 베이스로부터 몰드를 제거하는 단계; 및
상기 분무 전극에 연결 전극을 결합하는 단계를 포함하고,
상기 몰드에 어레이 베이스를 형성하는 단계는,
형성하고자 하는 어레이 베이스의 형상에 대응하는 형상을 갖도록 형성된 몰드 베이스에 금속씨드층을 증착하는 단계; 및
상기 금속씨드층 위에, 어레이 베이스 형성 감광제를 패터닝하여 상기 분무 전극이 형성될 구멍을 갖는 어레이 베이스를 형성하는 단계를 포함하고,
상기 분무 전극이 형성되기 전 상태에서, 상기 분무 전극이 형성될 구멍을 통하여 상기 금속씨드층이 노출되고,
상기 분무 전극을 형성하는 단계는,
상기 금속씨드층에 도금을 수행함으로써, 상기 분무 전극이 상기 구멍을 메꾸도록 형성되는 것을 특징으로 하는 솔리드 마이크로 노즐 어레이 제조 방법.
- 제 10 항에 있어서,
상기 금속씨드층은, 상기 몰드 베이스에 순차적으로 증착되는 제 1 금속층, 제 2 금속층 및 제 3 금속층을 포함하고,
상기 제 1 금속층은, 상기 제 2 금속층보다 상기 몰드 베이스에 대한 접착성이 높은 금속으로 형성되고,
상기 제 2 금속층은, 상기 제 1 금속층 및 상기 제 3 금속층보다 전기 전도성이 높은 금속으로 형성되고,
상기 제 3 금속층은, 상기 제 2 금속층보다 상기 어레이 베이스에 대한 접착성이 높은 금속으로 형성되는 것을 특징으로 하는 솔리드 마이크로 노즐 어레이 제조 방법.
- 제 10 항에 있어서,
상기 몰드에 어레이 베이스를 형성하는 단계는,
상기 금속씨드층을 증착하는 단계 이전에 수행되고, 상기 몰드 베이스에 표면처리 마스킹 감광제를 패터닝함으로써, 상기 몰드 베이스에 형성된 노즐부 주형부의 바닥면을 마스킹하고, 나머지 부분을 노출시키는 단계; 및
상기 금속씨드층을 증착하는 단계 이전에 수행되고, 몰드 베이스에 표면처리를 한 뒤, 상기 표면처리 마스킹 감광제를 제거하는 단계를 더 포함하는 솔리드 마이크로 노즐 어레이 제조 방법.
- 제 4 항에 있어서,
상기 몰드를 제거하는 단계는,
상기 몰드를 에칭하여 상기 어레이 베이스를 분리하는 단계; 및
상기 어레이 베이스의 표면을 반응 가스로 소수성 표면처리하는 단계를 포함하는 솔리드 마이크로 노즐 어레이 제조 방법.
- 제 4 항에 있어서,
상기 연결 전극을 결합하는 단계는,
상기 어레이 베이스에, 상기 분무 전극이 노출되게 하는 구멍을 포함하는 지지부를 결합하는 단계; 및
상기 지지부 상에 배치되고, 상기 구멍을 통하여 상기 분무 전극에 연결되는 연결 전극을 형성하는 단계를 포함하는 솔리드 마이크로 노즐 어레이 제조 방법.
- 솔리드 마이크로 노즐 어레이에 있어서,
솔리드 마이크로 노즐 어레이;
상기 솔리드 마이크로 노즐 어레이 상단에 설치되어 상기 솔리드 마이크로 노즐 어레이를 냉각시키는 열교환 시스템;
상기 솔리드 마이크로 노즐 어레이에 마주보는 방향에 배치되는 상대 전극; 및
상기 솔리드 마이크로 노즐 어레이 및 상기 상대 전극 사이에 위치하는 제습부를 포함하고,
상기 솔리드 마이크로 노즐 어레이는,
플레이트;
상기 플레이트로부터 돌출 형성되며, 상기 플레이트로부터 수직하게 형성된 기둥 형상의 구멍을 구비하는 노즐부; 및
상기 솔리드 마이크로 노즐 어레이를 관통하며 상기 상대 전극을 향하여 노출되도록 형성된 분무 전극을 포함하고,
상기 노즐부의 외면에 상기 분무 전극의 단면이 노출되고, 상기 분무 전극의 단면은 상기 플레이트의 표면보다 표면조도가 작고,
상기 솔리드 마이크로 노즐 어레이의 표면에서 응결된 물이 노출된 상기 분무 전극의 단면에 모인 상태에서, 상기 분무 전극에 전압을 인가하여 정전 분무를 수행하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 제습 장치.
- 제 16 항에 있어서,
상기 상대 전극은, 중앙부로부터 외측으로 갈수록 높이가 낮아지는 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 제습 장치.
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2019
- 2019-07-05 KR KR1020190081562A patent/KR102250441B1/ko active IP Right Grant
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