KR102367531B1

KR102367531B1 - 전기저항열 및 기계적 진동을 이용하여 액적을 제거하는 자가 세정 장치 및 방법

Info

Publication number: KR102367531B1
Application number: KR1020200045848A
Authority: KR
Inventors: 정상국; 이강용; 이정민; 이대영; 김대근
Original assignee: 명지대학교 산학협력단
Priority date: 2020-04-16
Filing date: 2020-04-16
Publication date: 2022-02-24
Also published as: KR20210128109A; WO2021210927A1; KR20210148990A; KR20230043805A

Abstract

전기저항열 및 기계적 진동을 이용하여 액적을 제거하는 자가 세정 장치 및 방법이 개시된다. 상기 자가 세정 장치는 고체 물질층 위에 배열된 적어도 하나의 전극, 상기 전극 위에 배열된 절연층 및 적어도 하나의 기계 진동부를 포함한다. 여기서, 상기 전극에 전기신호를 인가하여 전기저항열을 발생시켜 액적의 표면장력을 감소시키며, 상기 기계 진동부는 기계적 진동을 발생시켜 상기 표면장력이 감소된 액적을 미립화시켜 제거한다.

Description

전기저항열 및 기계적 진동을 이용하여 액적을 제거하는 자가 세정 장치 및 방법{SEFL CLEANING DEVICE AND METHOD USING REMOVING DROPLET BY USING ELECTRICAL RESISTANCE HEATING AND MECHANICAL OSCILLATION}

본 발명은 전기저항열 및 기계적 진동을 이용하여 액적을 제거하는 자가 세정 장치 및 방법에 관한 것이다.

최근 자동차 부품의 전장화와 스마트 카(smart car)의 확산에 따라 다양한 주행 정보를 차량 전면 유리(windshield)에 디스플레이 하는 HUD(Head-up-display) 기술과 이에 더 나아가 차량 전면 유리를 투명 디스플레이로 대체하려는 노력이 진행되고 있다.

이에 따라, 차량의 전면 유리 또는 이를 대체할 투명 디스플레이 등에 발생하는 빗물 또는 먼지와 같은 이물질들을 효율적으로 제거할 수 있는 세정 기술의 개발이 중요하게 대두되고 있다.

현재 대부분의 차량들은 일반적으로 와이퍼(wiper)를 이용하여 오염 요소들을 제거한다. 하지만, 와이퍼는 구동 시 전면 유리 위에서 반복 운동을 하며 운전자의 시야를 계속 방해할 뿐만 아니라, 제거 할 수 있는 면적도 호(arc)형태로 한정적이다. 또한, 와이퍼가 노후 되면, 마찰소음이 발생하고 제거 능력이 감소하기 때문에, 정기적으로 와이퍼를 교체해야만 하는 문제가 있다.

또한, 카메라 등의 기기는 외부 환경에 그대로 노출된다. 따라서, 비가 오는 경우, 물에 젖는 경우 등에 카메라 표면에 물이 부착되게 된다. 이 경우, 상기 물을 제거할 별도의 기능이 없기 때문에, 카메라 성능이 상당히 저하될 수밖에 없었다.

게다가, 소형 카메라의 시야를 깨끗하게 유지하기 위해서는 렌즈 표면에 발생하는 액적들을 즉시 제거해야 하는데, 이를 위하여 세정 장치를 지속적으로 구동시키면, 불필요한 전력 소모가 발생할 뿐만 아니라 세정 장치의 수명이 감소한다.

KR

10-1653807

B

본 발명은 전기저항열 및 기계적 진동을 이용하여 액적을 제거하는 자가 세정 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 자가 세정 장치는 고체 물질층 위에 배열된 적어도 하나의 전극; 상기 전극 위에 배열된 절연층; 및 적어도 하나의 기계 진동부를 포함한다. 여기서, 상기 전극에 전기신호를 인가하여 전기저항열을 발생시켜 액적의 표면장력을 감소시키며, 상기 기계 진동부는 기계적 진동을 발생시켜 상기 표면장력이 감소된 액적을 미립화시켜 제거한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 자가 세정 장치는 고체 물질층 위에 배열된 적어도 하나의 전극; 상기 전극 위에 배열된 절연층; 및 적어도 하나의 기계 진동부를 포함한다. 여기서, 상기 전극에 전기신호를 인가하면서 상기 기계 진동부를 통하여 기계적 진동을 발생시켜서 상기 자가 세정 장치의 표면에 부착된 액적을 제거한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 자가 세정 방법은 전기 신호를 전극에 인가하여 전기저항열을 발생시켜 자가 세정 장치 표면의 액적의 표면장력을 감소시키는 단계; 및 상기 표면장력이 감소된 액적에 기계적 진동을 제공하여 상기 액적을 미립화시켜 제거하는 단계를 포함한다.

본 발명에 따른 자가 세정 장치 및 방법은 전기저항열을 액적에 가하여 상기 액적의 표면장력을 감소시키고, 상기 표면장력이 감소된 액적에 기계적 진동을 가하여 상기 액적을 미립화시켜 제거할 수 있다. 결과적으로, 상기 액적 제거 효율이 향상될 수 있다. 특히, 상기 자가 세정 장치는 전도성 액적, 비전도성 액적, 먼지, 서리 등의 오염 물질을 모두 제거할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 자가 세정 장치의 분해 구조를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 액적 제거 과정을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 음파를 이용한 액적의 미립화 과정을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 음파 발생장치들로 둘러싸인 영역에서 액적들의 미립화되는 과정을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 음파 발생기의 개수와 배열에 따른 액적 제거 영역을 도시한 도면이다.
도 6은 카메라 유리에 적용하였을 때 액적이 제거되는 모습을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극의 패턴을 도시한 도면이다.

본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

본 발명은 빗물, 안개 등의 액적(Droplet), 먼지, 서리 등을 자체적으로 제거할 수 있는 자가 세정 장치 및 방법에 관한 것이다. 상기 자가 세정 장치는 단독 기기일 수도 있고, 타 물체에 결합되는 기기일 수도 있다.

일 실시예에 따르면, 본 발명의 자가 세정 장치는 전기저항열 및 기계적 진동을 이용하여 표면에 부착된 빗물 등의 액적을 효율적으로 제거할 수 있다.

상기 자가 세정 장치는 외부 유리를 포함하는 기기, 예를 들어 차량의 카메라 또는 센서, 액션 카메라, 디지털 카메라, 모바일 카메라, 사물 인터넷의 이미지 센서, 건축용 유리 등 다양한 산업 분야에 사용될 수 있다.

또한, 상기 자가 세정 장치는 차량의 전면 유리창에 사용될 수 있다. 물론, 상기 자가 세정 장치는 액적을 제거할 수 있는 한 카메라, 차량의 유리창으로 한정되지는 않으며 다양하게 변형될 수 있다.

이하, 본 발명의 다양한 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상술하겠다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 자가 세정 장치의 분해 구조를 도시한 도면이며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 액적 제거 과정을 도시한 도면이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 음파를 이용한 액적의 미립화 과정을 도시한 도면이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 음파 발생장치들로 둘러싸인 영역에서 액적들의 미립화되는 과정을 도시한 도면이다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 음파 발생기의 개수와 배열에 따른 액적 제거 영역을 도시한 도면이고, 도 6은 카메라 유리에 적용하였을 때 액적이 제거되는 모습을 도시한 도면이며, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극의 패턴을 도시한 도면이다.

본 실시예의 자가 세정 장치는 전기저항열 및 기계적 진동을 이용하여 액적을 제거한다.

일 실시예에 따르면, 전기신호를 전극(102)에 인가하여 전기저항열을 발생시킬 수 있다. 상기 발생된 전기저항열은 상기 자가 세정 장치의 표면의 액적의 온도를 상승시켜 상기 액적의 표면장력을 감소시킬 수 있다. 이 때, 상기 전기저항열에 의해 상기 액적이 기화될 수도 있지만 완전히 제거되지는 않을 확률이 높다. 다만, 상기 액적은 미립화가 용이한 상태로 변화되고, 미세 액적은 상기 전기저항열만으로도 기화되어 제거될 수도 있다.

이어서, 상기 전기저항열을 계속적으로 제공하면서 기계적 진동을 상기 액적에 가하면 상기 액적이 진동하고, 상기 진동에 의해 상기 액적이 미립화되면서 제거될 수 있다. 이 때, 상기 액적은 기계적 진동을 가하기 전에 이미 미립화가 용이한 상태로 변화되었으므로, 상기 기계적 진동을 가하면 상기 액적이 용이하게 제거될 수 있다.

다른 실시예에 따르면, 상기 기계적 진동에 의해 액적이 미립화된 후에 상기 자가 세정 장치의 표면에 미립 액적들이 존재할 수도 있다. 이 경우, 상기 미립 액적들에 의해 상기 자가 세정 장치의 이미지가 왜곡될 수 있으므로, 이러한 미립 액적들을 제거하기 위하여 상기 기계적 진동이 종료된 후에도 상기 전기저항열은 계속적으로 가해질 수 있다. 결과적으로, 상기 미립 액적들이 상기 전기저항열에 의해 기화되어 제거될 수 있다. 다만, 상기 미립 액적들이 존재하지 않을 때는 상기 기계적 진동 종료시 상기 전기저항열 인가도 종료될 수 있다. 물론, 상기 미립 액적들이 존재하는 지를 감지하는 센서가 더 존재할 수도 있다.

한편, 전기저항열로 상기 액적의 표면장력을 감소시킨 후 상기 전기저항열을 계속적으로 가하면서 기계적 진동을 상기 액적에 가하여 상기 액적을 미립화시키지만, 상황에 따라서는 상기 전기저항열은 상기 기계적 진동이 시작되면 중지될 수도 있다.

다만, 전기저항열을 가하면서 상기 기계적 진동을 상기 액적에 가하는 것이 상기 액적을 빠르게 제거할 수 있고 상기 기계적 진동 후 잔여 미립 액적들을 상기 전기저항열을 이용하여 제거할 수 있으므로, 상기 전기저항열을 계속적으로 인가하면서 상기 기계적 진동을 상기 액적으로 가하는 것이 액적 제거에 효율적이다.

일 실시예에 따르면, 상기 기계적 진동을 위하여 음파 발생기를 이용할 수 있다. 상기 음파 발생기를 이용하면 특정 주파수에서 음파 공진 진동이 발생하며, 이러한 진동에 의해 상기 자가 세정 장치의 표면에 부착된 액적이 진동하면서 미립화될 수 있다. 물론, 상기 기계적 진동은 음파 발생기가 아니어도 기계적 방식을 이용하여 진동을 발생시키는 한 제한이 없다.

도 1을 참조하여 구조를 살펴보면, 본 실시예의 자가 세정 장치는 고체 물질층(100), 적어도 하나의 전극(102), 절연층(104) 및 기계 진동부(108)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 자가 세정 장치는 절역막(104) 위에 소수성막(Hydrophobic Layer)을 추가적으로 포함할 수도 있고, 전기저항열 또는 기계적 진동을 제어할 수 있는 제어부를 추가적으로 포함할 수도 있다.

일 실시예에 따르면, 고체 물질층(100), 적어도 하나의 전극(102) 및 절연층(104)이 순차적으로 배열되고, 기계 진동부(108)는 고체 물질층(100)의 하부에 위치하며, 빗방울 등의 액적은 절연층(104) 또는 상기 소수성막 위에 부착될 수 있다. 즉, 상기 액적은 상기 자가 세정 장치의 표면에 부착될 수 있다.

고체 물질층(100)은 기저층이며, 예를 들어 기판일 수 있다.

전극(102)은 투명 전극으로서 고체 물질층(100) 위에 배열되며, 특정 패턴으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 전극들(102)은 도 7에 도시된 바와 같이 빗살 패턴으로 형성될 수 있다.

절연층(104)은 전극(102) 위에 배열되며, 페럴린 C, 테프론 및 금속 산화막으로 구성된 그룹으로부터 선택된 1종 이상의 물질을 포함할 수 있다.

상기 소수성막은 절연층(104) 위에 배열될 수 있으며, 물과 같은 유체와 친화성이 낮은 물질로 구성될 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 소수성막은 발수성, 발유성 및 내화학성 특성을 가지는 불소계 물질(불소 원자를 함유하는 불소 화합물 포함)에 유기 소재 물질 및 무기 소재 물질의 결합을 돕는 실란계 물질(유무기 실란 화합물 포함)을 함유할 수 있다.

이러한 소수성막은 발수성, 발유성, 내화학성뿐만 아니라 불소계 물질로 이루어진 소수성막에 비하여 강한 내구성을 가질 수 있다.

상기 소수성막이 강한 내구성을 가지므로, 상기 소수성막은 얇은 두께(예를 들어, 수십 nm)로 이루어지더라도 충분한 내구성을 가질 수 있다. 상기 소수성막이 얇은 두께로 이루어지면, 상기 소수성막은 또한 우수한 광투과율을 가질 수 있으며, 따라서 액적을 용이하게 제거하면서도 차량 유리 또는 카메라 렌즈가 충분한 시야를 확보할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 상기 불소 화합물은 그 표면이 소수성을 띠도록 그 표면에 49at% 이상의 불소 원자를 함유할 수 있다. 상기 불소 화합물은 -CxFy-, CxFyHz-, -CxFyCzHp-, -CxFyO-, -CxFyN(H)- 등(여기서, x, y, z, p는 각각 자연수)의 화학식을 갖는 고분자일 수 있으며, 비정질 불소 화합물, 예를 들어, AF1600과 같은 물질일 수 있다. 여기서, 소수성막의 표면은 소수성막의 상면으로부터 하부 방향으로 50옹스트롬되는 거리 내지 100옹스트롬까지의 거리까지의 박막을 의미할 수 있다.

기계 진동부(108)는 기계적 진동을 발생시키며, 예를 들어 단일 음파 또는 다중 음파를 발생시키는 음파 발생기일 수 있다. 1개의 도넛 형상의 기계 진동부(108a)가 고체 물질층(100)의 하부에 배열될 수도 있고, 복수의 기계 진동부들(108b)이 고체 물질층(100)의 하부에 배열될 수 있다. 즉, 기계 진동부(108)가 기계적 진동을 발생시킬 수 있는 한 기계 진동부(108)의 사이즈, 형상 또는 개수는 특별히 제한되지 않는다.

일 실시예에 따르면, 기계 진동부들(108b)은 도 5에 도시된 바와 같이 특정 영역을 둘러싸도록 배열될 수 있으며, 예를 들어, 기계 진동부들(108b)은 원형, 사각형 형상 등으로 배열될 수 있다. 이 때, 기계 진동부들(108b)에 의해 둘러싸인 특정 영역이 액적 제거 영역에 해당할 수 있다.

이렇게 기계 진동부들(108b)이 특정 영역을 둘러싸서 배열되면, 상기 특정 영역 안에서 기계 진동부들(108b)에서 발생한 음파들이 서로 만나서 강한 음파장을 형성할 수 있다. 결과적으로, 상기 특정 영역 내의 액적이 강하게 진동하게 되어 상기 액적이 더 용이하게 미립화될 수 있다. 또는, 상기 특정 영역 내의 액적들이 중앙 방향으로 이동한 후 미립화되어 제거될 수도 있다.

이 때, 상기 특정 영역 안으로 발생하는 음파들이 서로 동일한 특성(크기, 주파수, 위상 등)을 가질 수도 있지만 서로 다른 특성을 가질 수도 있다. 상기 음파들이 서로 다른 특성을 가지더라도 공진이 발생하여 액적이 효율적으로 제거될 수도 있다.

한편, 기계 진동부들(108b)의 배치 및 개수는 설계 목적에 따라 다양하게 가변될 수 있다. 다만, 기계 진동부들(108b)은 예를 들어 카메라의 시야를 가리지 않도록 적절히 배열될 수 있다.

또한, 액적 제거시 기계 진동부들(108b) 모두가 활성화될 수도 있고, 일부 영역 내의 액적만을 제거하도록 일부만 활성화될 수도 있다. 또한, 기계 진동부들(108b)에서 발생하는 음파들 중 적어도 하나의 특성이 다를 수 있다.

게다가, 상기 자가 세정 장치의 표면에 부착된 액적의 상태(종류, 사이즈, 형상 등)에 따라 기계 진동부들(108b)의 발생 시점, 세기, 시간 간격 또는 순서가 다를 수 있다.

이하, 이러한 구조를 가지는 자가 세정 장치의 액적 제거 동작을 살펴보겠다.

상기 자가 세정 장치는 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이 전극(102)에 전기신호를 인가하여 전기저항열을 발생시켜 액적의 표면장력을 감소시킬 수 있다. 이 때, 상기 액적의 일부는 상기 전기저항열에 의해 기화될 수 있다. 이 때, 예를 들어 3㎕ 미만의 액적은 기화되어 제거될 수도 있다.

이어서, 상기 자가 세정 장치는 상기 전기저항열을 계속적으로 가하면서 기계적 진동을 발생시킨다. 이 경우, 도 2의 (c), 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 액적이 미립화되어 제거될 수 있다. 이러한 미립화는 상기 액적뿐만 아니라 자가 세정 장치의 표면에 발생한 서리 등의 다른 오염 물질도 제거할 수 있다. 이 과정에서 가해지는 전기저항열은 이전 단계에서의 전기저항열과 세기가 동일할 수도 있고 다를 수도 있다. 예를 들어, 상기 전기저항열이 이전 단계에서의 전기저항열보다 낮은 상태에서 상기 기계적 진동이 상기 액적에 가해질 수 있다.

이러한 액적 제거는 스마트폰의 카메라 유리에서도 시험되었으며, 도 6에 도시된 바와 같이 액적이 깔끔하게 제거되어 왜곡된 이미지가 깨긋한 이미지로 복구되었다.

정리하면, 상기 자가 세정 장치는 전기저항열 및 기계적 진동을 이용하여 액적을 효율적으로 빠른 시간 내에 제거할 수 있다. 특히, 상기 전기저항열과 상기 기계적 진동 제공 과정에서 삼상계면의 고속 이동으로 발생한 강한 전단력과 액적의 내외부에서 발생한 유동이 표면에 고착된 모든 종류의 액체 또는 고체 오염물들을 동시에 제거할 수 있다.

위에서는, 전기저항열을 먼저 발생시킨 후 기계적 진동을 발생시켰으나, 전기저항열과 기계적 진동이 동시에 발생하거나 기계적 진동이 먼저 발생한 상태에서 전기저항열을 발생시킬 수도 있다.

또한, 기계적 진동 전의 전기저항열의 전기적 특성(예를 들어, 세기 등)이 상기 기계적 진동 후의 전기저항열의 전기적 특성과 다를 수도 있다.

한편, 전술된 실시예의 구성 요소는 프로세스적인 관점에서 용이하게 파악될 수 있다. 즉, 각각의 구성 요소는 각각의 프로세스로 파악될 수 있다. 또한 전술된 실시예의 프로세스는 장치의 구성 요소 관점에서 용이하게 파악될 수 있다.

상기한 본 발명의 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

100 : 고체 물질층 102 : 전극
104 : 절연층 108 : 기계 진동부

Claims

고체 물질층 위에 배열된 적어도 하나의 전극;
상기 전극 위에 배열된 절연층; 및
적어도 하나의 기계 진동부를 포함하되,
상기 전극에 전기신호를 인가하여 전기저항열을 발생시켜 액적의 표면장력을 감소시키며, 상기 기계 진동부는 기계적 진동을 발생시켜 상기 표면장력이 감소된 액적을 미립화시켜 제거하고,
상기 기계 진동부는 단일 음파 또는 다중 음파를 발생시키는 음파 발생기들을 포함하되,
상기 음파 발생기들은 특정 영역의 주변 영역을 둘러싸도록 배열되며, 상기 음파 발생기들에서 발생한 음파들이 상기 특정 영역 내에서 공진을 발생시키면 상기 액적이 상기 특정 영역의 중앙 방향으로 이동한 후 미립화되는 것을 특징으로 하는 자가 세정 장치.
제1항에 있어서,
상기 절연층 위에 배열된 소수성막을 더 포함하되,
상기 액적은 상기 소수성막 위에 배열되고, 상기 기계 진동부가 상기 액적을 미립화시킬 때에도 상기 전기저항열이 계속적으로 상기 액적으로 가해지며, 상기 기계적 진동 종료 후에도 전기저항열을 인가하여 상기 자가 세정 장치의 표면의 잔여 미립 액적들을 제거하는 것을 특징으로 하는 자가 세정 장치.
삭제
제1항에 있어서, 상기 음파 발생기들은 상기 액적이 상기 자가 세정 장치에 부착된 상황에 따라 다르게 동작하는 것을 특징으로 하는 자가 세정 장치.
제1항에 있어서, 상기 자가 세정 장치는 상기 액적뿐만 아니라 고체 오염 물질의 제거가 가능한 것을 특징으로 하는 자가 세정 장치.
제1항에 있어서, 상기 자가 세정 장치는 카메라용 유리, 이미지 센서의 커버 유리, 차량용 유리, 거울 또는 건축용 유리 위에 형성되는 것을 특징으로 하는 자가 세정 장치.
자가 세정 장치에 있어서,
고체 물질층 위에 배열된 적어도 하나의 전극;
상기 전극 위에 배열된 절연층; 및
적어도 하나의 기계 진동부를 포함하되,
상기 전극에 전기신호를 인가하면서 상기 기계 진동부를 통하여 기계적 진동을 발생시켜서 상기 자가 세정 장치의 표면에 부착된 액적을 제거하고,
상기 기계 진동부는 단일 음파 또는 다중 음파를 발생시키는 음파 발생기들을 포함하되,
상기 음파 발생기들은 특정 영역의 주변 영역을 둘러싸도록 배열되며, 상기 음파 발생기들에서 발생한 음파들이 상기 특정 영역 내에서 공진을 발생시키면 상기 액적이 상기 특정 영역의 중앙 방향으로 이동한 후 미립화되는 것을 특징으로 하는 자가 세정 장치.
제7항에 있어서, 상기 전기신호의 인가에 따라 상기 액적의 적어도 일부가 기화되고, 상기 기계적 진동에 의해 상기 액적이 미립화되며, 상기 기계적 진동 종료 후에도 전기저항열을 인가하여 상기 자가 세정 장치의 표면의 잔여 미립 액적들을 제거하는 것을 특징으로 하는 자가 세정 장치.
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