KR102550825B1 - 미세 액적 토출 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 용액의 유속과 디핑 속도를 조절하여 다양한 사이즈의 미세 액적을 생성할 수 있는 미세 액적 토출 장치에 관한 것이다. 이를 위하여 본 발명은 고정 부재, 제1 용액이 저장된 시린지가 설치되는 용액 공급 부재, 시린지에 연결되는 노즐 부재, 노즐 부재와 마주보게 고정 부재에 설치되고 제2 용액이 수용되며 노즐 부재에서 배출되는 제1 용액이 제2 용액에서 미세 액적으로 변환되는 액적 생성 부재 및 고정 부재에 설치되고 노즐 부재가 고정되는 노즐 고정 플레이트, 노즐 고정 플레이트에 연결되는 상하 구동부 및 상하 구동부와 연결되는 제1 모터를 포함하는 노즐 위치 조절 부재를 포함할 수 있다.

Description

미세 액적 토출 장치{FINE DROPLET EJECTION APPARATUS}
본 발명은 미세 액적 토출 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 용액의 유속과 디핑 속도를 조절하여 다양한 사이즈의 미세 액적을 생성할 수 있는 미세 액적 토출 장치에 관한 것이다.
미세유체소자를 이용하여 작고 균일한 유상액(emulsion)을 생성하는 방법은 화학, 생물, 의료진단/치료 등 다방면에 응용 가능한 기술로서 현재 활발한 연구가 진행되고 있는 분야이다.
하지만 일반적으로 이용되는 T-정션(T-junction)이나 유체집속(flow-focusing) 구조의 미세유체소자는 안정적으로 생성 가능한 액적의 크기와 부피가 각각 수 ㎛, femtoliter(10-15L) 이상으로 제한되는 문제점을 가지고 있다.
액적의 크기가 줄어듦에 따라 유상액의 안정성, 화학 반응성, 생리학적 효율성 등 여러 측면에서 장점을 가지게 되므로, 작은 액적을 생성하기 위한 다양한 방법들이 첨단의 학문 분야로서 연구되고 있다.
나노 스케일의 채널을 제작하여 채널의 최소 크기와 비슷한 수준의 미세 액적을 생성하는 방식은 나노 채널의 제작이 비싸고 복잡한 공정을 수반하며, 미세 먼지나 불순물에 의해 채널이 막히기 쉽다는 단점이 있다.
유체 집속(flow-focusing) 구조의 미세유체소자 내에서 유체의 팁스트리밍(tip-streaming)현상을 이용하여 채널의 최소 크기에 제약을 받지 않고 미세 액적을 생성하는 방식은 기존의 2차원 미세유체소자에서 팁스트리밍 현상을 관찰할 수 있는 공정범위가 매우 좁기 때문에 유체 압력 또는 유량을 조절하는 과정에서 분산상 채널 방향으로 역류가 쉽게 나타날 수 있다는 단점이 있다.
본 발명에서는 채널을 형성하지 않고 미세 액적을 생성할 수 있는 기술을 제안하고자 한다.
한국공개특허 제10-2021-0053089호(2021.05.11, 공개)
따라서 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로서, 본 발명은 용액의 유속과 디핑 속도를 조절하여 다양한 사이즈의 미세 액적을 생성할 수 있는 미세 액적 토출 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 지면으로부터 높이를 가지는 용액 수조로 용액을 떨어트려 별도의 마이크로채널 없이 용액의 비중 차이에 따라 디핑 방식으로 미세 액적을 생성할 수 있는 미세 액적 토출 장치를 제공하는데 다른 목적이 있다.
또한, 본 발명은 용액 수조를 회전시켜 미세 액적의 경화 효율을 높이고, 미세 액적의 대량 생산이 가능하며, 미세 액적의 뭉침 현상을 방지할 수 있는 미세 액적 토출 장치를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적들은 이하에 서술되는 실시예를 통하여 더욱 명확해질 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 미세 액적 토출 장치는 제1 고정 프레임 및 제1 고정 프레임과 결합되는 제2 고정 프레임을 포함하는 고정 부재, 제1 용액이 저장된 시린지가 설치되는 용액 공급 부재, 시린지에 연결되는 노즐 부재, 노즐 부재와 마주보게 제1 고정 프레임에 설치되고 제2 용액이 수용되며 노즐 부재에서 배출되는 제1 용액이 제2 용액에서 미세 액적으로 변환되는 액적 생성 부재 및 제2 고정 프레임에 설치되고 노즐 부재가 고정되는 노즐 고정 플레이트, 노즐 고정 플레이트에 연결되는 상하 구동부 및 상하 구동부와 연결되는 제1 모터를 포함하는 노즐 위치 조절 부재를 포함할 수 있다.
또한, 상하 구동부는, 노즐 고정 플레이트에 연결되는 제1 로드, 제2 고정 프레임에 설치되고 제1 로드가 이동 가능하게 설치되는 가이드 플레이트, 제1 로드에 연결되는 링크 부재, 링크 부재에 연결되는 제2 로드 및 제2 로드와 연결되고 제1 모터에 연결되는 제1 회전 부재를 포함할 수 있다.
또한, 액적 생성 부재는, 제2 용액이 수용되는 용액 수용부, 용액 수용부가 삽입 고정되고 외측에 형성된 복수의 고정돌기를 포함하는 고정관, 고정관의 복수의 고정돌기가 고정되는 복수의 고정슬릿을 포함하는 회전관, 회전관에 결합되어 회전관을 회전시키는 제2 회전 부재를 포함할 수 있다.
또한, 고정 부재는, 제2 고정 프레임과 일정 간격을 두고 제1 고정 프레임에 결합되는 제3 고정 프레임을 더 포함하고, 액적 생성 부재와 마주보게 제3 고정 프레임에 설치되는 액적 경화 부재를 더 포함할 수 있다.
또한, 액적 생성 부재의 외측에 설치되는 입자 정렬 부재를 더 포함할 수 있다.
또한, 용액 공급 부재는, 용액 공급 본체, 용액 공급 본체에 설치되는 유속 조절 펌프, 용액 공급 본체에 고정되고 시린지가 고정되는 시린지 고정 플레이트 및 용액 공급 본체에 이동 가능하게 설치되고 유속 조절 펌프에 연결되는 시린지 압축 플레이트를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 미세 액적 토출 장치는 다음과 같은 효과를 제공한다.
본 발명은 용액의 유속과 디핑 속도를 조절하여 다양한 사이즈의 미세 액적을 생성할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 지면으로부터 높이를 가지는 용액 수조로 용액을 떨어트려 별도의 마이크로채널 없이 용액의 비중 차이에 따라 디핑 방식으로 미세 액적을 생성할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 용액 수조를 회전시켜 미세 액적의 경화 효율을 높이고, 미세 액적의 대량 생산이 가능하며, 미세 액적의 뭉침 현상을 방지할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 미세 액적 토출 장치를 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 미세 액적 토출 장치의 액적 생성 부재를 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 미세 액적 토출 장치의 노즐 위치 조절 부재를 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 미세 액적 토출 장치를 도시한 사시도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 미세 액적 토출 장치의 입자 정렬 부재에 의한 미세 액적의 입자 정렬을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 미세 액적 토출 장치에서 생성되는 미세 액적의 추정 사이즈 산출값을 설명하기 위한 그래프이다.
도 7은 본 발명에 따른 미세 액적 토출 장치에서 생성되는 미세 액적의 크기에 대한 실제 값과 산출 값을 비교하는 그래프이다.
도 8은 본 발명에 따른 미세 액적 토출 장치에서 생성되는 미세 액적의 실제 사진을 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명에 따른 미세 액적 토출 장치에서 생성되는 미세 액적의 정규 분포표를 나타내는 그래프이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어 도면 부호에 상관없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
이하 본 발명의 실시예들에 따른 미세 액적 토출 장치에 대하여 도 1 내지 도 9를 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 미세 액적 토출 장치(100)를 도시한 사시도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 미세 액적 토출 장치(100)는 고정 부재(110), 용액 공급 부재(120), 노즐 부재(130), 액적 생성 부재(140) 및 노즐 위치 조절 부재(150)를 포함할 수 있다.
고정 부재(110)는 지면으로부터 특정 부재들을 지지하기 위한 것으로, 베이스 프레임(111), 제1 고정 프레임(112), 제2 고정 프레임(113) 및 제3 고정 프레임(114)을 포함할 수 있다.
베이스 프레임(111)은 지면과 수평 방향으로 배치되고, 상부면에 제1 고정 프레임(112), 제2 고정 프레임(113) 및 제3 고정 프레임(114)이 결합될 수 있다. 베이스 프레임(111)에는 제1 고정 프레임(112), 제2 고정 프레임(113) 및 제3 고정 프레임(114) 외에 지면으로부터 특정 부재들을 지지하는 다른 고정 프레임이 결합될 수 있다.
베이스 프레임(111)에는 용액 공급 부재(120)가 안착될 수 있으며, 이에 한정하고자 하는 것은 아니다.
일 실시예에서, 베이스 프레임(111)의 하부면에는 미끄럼 방지 부재(미도시)가 결합되어 미세 액적을 토출하는 과정에서 외력에 의해 베이스 프레임(111)이 지면으로부터 미끄러지는 현상을 방지할 수 있다.
제1 고정 프레임(112)은 용접 또는 볼트-너트와 같은 체결 부재를 통해 베이스 프레임(111)의 상부면에 결합될 수 있다. 제1 고정 프레임(112)에는 액적 생성 부재(140)가 설치될 수 있다.
제2 고정 프레임(113)은 용접 또는 볼트-너트와 같은 체결 부재를 통해 베이스 프레임(111)의 상부면에서 제1 고정 프레임(112)과 결합될 수 있다. 제2 고정 프레임(113)에는 노즐 위치 조절 부재(150)가 설치될 수 있다.
제3 고정 프레임(114)은 용접 또는 볼트-너트와 같은 체결 부재를 통해 베이스 프레임(111)의 상부면에서 제2 고정 프레임(113)과 일정 간격을 두고 제1 고정 프레임(112)에 결합될 수 있다. 제3 고정 프레임(114)에는 이하에서 설명할 액적 경화 부재(160)가 설치될 수 있다.
용액 공급 부재(120)는 고정 부재(110)의 베이스 프레임(111)의 상부면에 안착되거나 고정 부재(110)로부터 이격되어 지면에 배치될 수 있다.
용액 공급 부재(120)는 미세 액적의 기반이 되는 제1 용액을 공급할 수 있다. 용액 공급 부재(120)는 용액 공급 본체(121), 유속 조절 펌프(122), 시린지(123), 시린지 고정 플레이트(124) 및 시린지 압축 플레이트(125)를 포함할 수 있다.
용액 공급 본체(121)에는 유속 조절 펌프(122), 시린지(123), 시린지 고정 플레이트(124) 및 시린지 압축 플레이트(125)가 설치될 수 있다. 용액 공급 본체(121)는 유속 조절 펌프(122)를 제어하기 위한 별도의 유속 조절 제어부(미도시)를 포함할 수 있다.
유속 조절 펌프(122)는 용액 공급 본체(121)에 설치될 수 있다. 유속 조절 펌프(122)는 시린지(123)에 저장된 제1 용액이 노즐 부재(130)로 공급되는 유속을 조절할 수 있다.
여기서 유속 조절 펌프(122)는 시린지 압축 플레이트(125)와 연결되고, 시린지(123)을 압축시키는 시린지 압축 플레이트(125)의 이동 속도를 제어하여 시린지(123)에 저장된 제1 용액의 유속을 조절할 수 있다.
예를 들어, 제1 용액은 유속 조절 펌프(122)의 제어에 의해 시린지 압축 플레이트(125)가 이동하여 실린지(123)에서 노즐 부재(130)로 공급되는 유속이 빨라질수록 액적 생성 부재(140)에서 생성되는 미세 액적의 크기가 커질 수 있다.
또한, 제1 용액은 유속 조절 펌프(122)의 제어에 의해 시린지 압축 플레이트(125)가 이동하여 실린지(123)에서 노즐 부재(130)로 공급되는 유속이 느려질수록 액적 생성 부재(140)에서 생성되는 미세 액적의 크기가 작아질 수 있다.
시린지(123)는 시린지 고정 플레이트(124)에 고정되고 제1 용액이 저장될 수 있다. 여기서 제1 용액은 친수성 성질 또는 소수성 성질일 수 있다.
시린지(123)는 시린지 고정 플레이트(124)에 고정된 상태에서 시린지 압축 플레이트(125)의 이동에 따라 압축되어 제1 용액을 노즐 부재(130)로 공급할 수 있다.
시린지 고정 플레이트(124)는 용액 공급 본체(121)에 고정되고 시린지(123)가 고정될 수 있다. 시린지 고정 플레이트(124)는 시린지(123)를 고정할 수 있는 형상이라면 어떠한 구조도 채택할 수 있다.
시린지 압축 플레이트(125)는 용액 공급 본체(121)에 이동 가능하게 설치되고 유속 조절 펌프(122)에 연결될 수 있다. 시린지 압축 플레이트(125)는 유속 조절 펌프(122)에 의해 용액 공급 본체(121)에서 이동하는 속도가 조절될 수 있다.
시린지 압축 플레이트(125)는 유속 조절 펌프(122)의 제어에 따라 이동하여 시린지(123)를 압축시킬 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 용액 공급 부재(120)는 통상의 시린지 펌프일 수 있고, 이에 상세한 구조 및 작동 방법에 대해서 생략한다.
노즐 부재(130)의 일단은 용액 공급 부재(120)에 설치된 시린지(123)에 연결되고, 노즐 부재(130)의 타단은 액적 생성 부재(140)에 마주보게 위치할 수 있다. 노즐 부재(130)는 시린지(123)에 저장된 제1 용액을 일정 속도로 액적 생성 부재(140)로 토출할 수 있다.
노즐 부재(130)의 타단에는 미세 팁(131)이 연결될 수 있다. 미세 팁(131)은 노즐 부재(130)에서 액적 생성 부재(140)를 향하는 방향으로 입경이 좁아지도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 미세 팁(131)은 마이크로 피펫, 바늘 등 다양한 종류의 팁으로 교체될 수 있다.
미세 팁(131)은 노즐 위치 조절 부재(150)에 의해 상하로 이동하여 액적 생성 부재(140)에 수용된 제2 용액에 담지될 수 있다. 이때 제1 용액은 미세 팁(131)이 액적 생성 부재(140)에 수용된 제2 용액에 담지될 때마다 미세 팁(131)에서 분리될 수 있다.
액적 생성 부재(140)는 노즐 부재(130)와 마주보게 제1 고정 프레임(112)에 설치되고 제2 용액이 수용될 수 있다. 액적 생성 부재(140)에서는 노즐 부재(130)에서 배출되는 제1 용액이 제2 용액에서 미세 액적으로 변환될 수 있다.
도 2를 참고하면, 액적 생성 부재(140)는 용액 수용부(141), 고정관(142), 회전관(143) 및 제2 회전 부재(144)를 포함할 수 있다.
용액 수용부(141)는 높이 방향으로 일정 길이를 가지고, 내부 공간이 형성되어 제2 용액이 수용될 수 있다. 용액 수용부(141)는 고정관(142)에 삽입 고정되고 회전관(143)과 제2 회전 부재(144)에 의해 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전할 수 있다.
용액 수용부(141)에 수용되는 제2 용액은 친수성 성질 또는 소수성 성질일 수 있다. 제2 용액은 제1 용액과 동일한 친수성을 가지는 액체 또는 동일한 소수성을 가지는 액체인 경우 제1 용액과 상이한 밀도를 가지고, 제2 용액과 제1 용액의 밀도(비중) 차이에 따라 제1 용액이 제2 용액으로 토출되면 제1 용액이 가라앉으면서 미세 액적으로 변환될 수 있다. 즉, 제1 용액은 제2 용액보다 큰 밀도를 가지고, 제1 용액이 제2 용액으로 토출되면 밀도가 큰 제1 용액이 표면장력에 의해 구형을 띄면서 미세 액적으로 변환될 수 있다.
또한, 제2 용액은 제1 용액이 친수성을 가지는 액체인 경우 소수성을 가지는 액체이고 제1 용액이 소수성을 가지는 액체인 경우 친수성을 가지는 액체일 수 있다. 이 경우 제2 용액과 제1 용액은 서로 섞이지 않는 성질에 의해 제1 용액이 제2 용액으로 토출되면 미세 액적으로 변환될 수 있다.
용액 수용부(141)에 저장된 제2 용액과 용액 수용부(141)에 수집된 미세 액적은 호스 커넥터(1411)를 통해 외부로 배출될 수 있다. 호스 커넥터(1411)는 용액 수용부(141)의 하단에 결합되고, 용액 수용부(141)에서 멀어지는 방향으로 입경이 좁아지는, 대략 원뿔 형상으로 형성될 수 있다.
용액 수용부(141)와 호스 커넥터(1411) 사이에는 롤러 클램프(미도시)가 설치되고, 롤러 클램프의 개폐를 조절하여 호스 커넥터(1411)로 모아지는 용액 수용부(141)에 저장된 제2 용액과 용액 수용부(141)에 수집된 미세 액적을 외부로 배출시킬 수 있다.
예를 들어, 롤러 클램프를 개방하면 용액 수용부(141)에 저장된 제2 용액과 용액 수용부(141)에 수집된 미세 액적을 외부로 배출하고, 롤러 클램프를 폐쇄하면 용액 수용부(141)에 저장된 제2 용액과 용액 수용부(141)에 수집된 미세 액적이 용액 수용부(141)에 그대로 남아있게 된다.
고정관(142)은 용액 수용부(141)의 하부에 설치되고 용액 수용부(141)가 삽입 고정될 수 있다. 고정관(142)은 외측에 형성된 복수의 고정돌기(1421)를 포함할 수 있다. 복수의 고정돌기(1421)는 회전관(143)에 형성된 복수의 고정슬릿(1431)에 끼워질 수 있다.
회전관(143)은 고정관(142)의 하부에 설치되고 고정관(142)이 삽입 고정될 수 있다. 회전관(143)은 복수의 고정슬릿(1431)을 포함하고, 고정관(142)의 복수의 고정돌기(1421)가 복수의 고정슬릿(1431)에 고정될 수 있다.
회전관(143)은 하부에서 제2 회전 부재(144)가 결합되고, 제2 회전 부재(144)에 의해 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전할 수 있다.
제2 회전 부재(144)는 회전관(143)의 하부에 결합되고 회전관(143)을 회전시킬 수 있다. 제2 회전 부재(144)는 제1 회전 풀리(1441), 타이밍 벨트(1442), 제2 회전 풀리(1443) 및 제2 모터(1444)를 포함할 수 있으나, 이에 한정하고자 하는 것은 아니며 회전관(143)을 회전시킬 수 있는 구성이라면 어떠한 것도 가능하다.
제1 회전 풀리(1441)는 회전관(143)의 하부에 연결될 수 있다. 제1 회전 풀리(1441)는 통상의 벨트 풀리로, 타이밍 벨트(1442)와 연결되어 타이밍 벨트(1442)에 의해 회전할 수 있다.
타이밍 벨트(1442)는 일측에서 제1 회전 풀리(1441)와 연결되고 타측에서 제2 회전 풀리(1443)와 연결될 수 있다. 타이밍 벨트(1442)는 제2 모터(1444)에 의해 회전하는 제2 회전 풀리(1443)의 회전력을 제1 회전 풀리(1441)로 전달할 수 있다.
제2 회전 풀리(1443)는 타이밍 벨트(1442)와 연결되고, 제2 모터(1444)에 연결될 수 있다. 제2 회전 풀리(1443)는 제2 모터(1444)에 의해 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전할 수 있다.
제2 회전 풀리(1443)는 제2 모터(1444)에 의해 회전하는 회전력을 타이밍 벨트(1442)로 전달하여 제1 회전 풀리(1441)를 회전시킬 수 있다. 예를 들어, 제1 회전 풀리(1441)와 제2 회전 풀리(1443)의 회전비는 1:3일 수 있다.
제2 모터(1444)는 제2 회전 풀리(1443)와 연결되고 제2 회전 풀리(1443)에 회전력을 전달할 수 있다. 이때 제2 모터(1444)는 액적 생성 제어부(미도시)에 의해 제어될 수 있다. 액적 생성 제어부는 용액 수용부(141)에서 변환되는 미세 액적의 크기의 정확성을 높이기 위해 노즐 부재(130)의 미세 팁(131)이 제2 용액에서 담지되었다가 빠져나왔을 때 제2 모터(1444)를 제어하여 제2 회전 풀리(1443)가 회전되도록 할 수 있다.
본 실시예에 따른 액적 생성 부재(140)에 의하면 제2 회전 부재(144)로 용액 수용부(141)를 회전시켜 이하에서 설명할 액적 경화 부재(160)에서 조사되는 빛이 용액 수용부(141)에서 변환되는 미세 액적의 표면에 골고루 전달되도록 할 수 있다.
따라서 본 실시예에 따른 액적 생성 부재(140)는 미세 액적의 경화 속도를 높이고 미세 액적의 크기를 일정하게 유지시켜 미세 액적의 생성 효율을 증대시킬 수 있는 효과가 있다.
노즐 위치 조절 부재(150)는 제2 고정 프레임(113)에 설치되고, 노즐 부재(130)를 고정하여 노즐 부재(130)를 상하로 이동시킬 수 있다. 이러한 노즐 위치 조절 부재(150)는 노즐 고정 플레이트(151), 상하 구동부(152) 및 제1 모터(153)를 포함할 수 있다.
도 3을 참고하면, 노즐 고정 플레이트(151)의 일단에는 노즐 부재(130)가 고정되고, 노즐 고정 플레이트(151)의 타단은 상하 구동부(152)에 결합될 수 있다.
노즐 고정 플레이트(151)의 타단에는 노즐 부재(130)를 고정할 수 있는 적어도 하나의 노즐 고정홀(미도시)이 형성될 수 있다. 또한, 노즐 고정 플레이트(151)의 일단에는 상하 구동부(152)에 결합되기 위한 구동부 고정홀(미도시)이 형성될 수 있다.
상하 구동부(152)의 일단은 노즐 고정 플레이트(151)에 연결되고 상하 구동부(152)의 타단은 제1 모터(153)에 연결되어 제1 모터(153)로부터 노즐 고정 플레이트(151)를 상하로 이동시킬 수 있는 구동력을 제공받을 수 있다.
상하 구동부(152)는 제1 로드(1521), 가이드 플레이트(1522), 링크 부재(1523), 제2 로드(1524) 및 제1 회전 부재(1525)를 포함할 수 있다.
제1 로드(1521)의 일단은 노즐 고정 플레이트(151)의 타단에 연결되고, 제1 로드(1521)의 타단은 링크 부재(1523)에 연결될 수 있다. 제1 로드(1521)는 링크 부재(1523)를 통해 제2 로드(1524)와 연결되고, 제2 로드(1524)에서 전달되는 회전 운동을 상하 운동으로 변환하여 노즐 고정 플레이트(151)를 상하로 이동시킬 수 있다.
여기서 제1 로드(1521)는 제2 고정 프레임(113)에 설치된 가이드 플레이트(1522)에 상하로 이동 가능하도록 연결될 수 있다. 제1 로드(1521)는 가이드 플레이트(1522)에 의해 제2 고정 프레임(133)과 수평을 유지하면서 상하로 이동할 수 있다.
가이드 플레이트(1522)는 제2 고정 프레임(113)에 설치되고 제1 로드(1521)가 이동 가능하게 설치될 수 있다. 가이드 플레이트(1522)는 제2 고정 프레임(113)에 연결되는 프레임 연결부(15221)와 프레임 연결부(15221)에서 돌출되는 로드 고정 돌출부(15222)를 포함할 수 있다.
프레임 연결부(15221)는 제2 고정 프레임(113)의 특정 높이에 고정될 수 있다.
로드 고정 돌출부(15222)는 제1 로드(1521)를 고정하기 위한 로드 고정홀(미도시)을 포함할 수 있다. 로드 고정홀에는 제1 로드(1521)가 상하로 이동 가능하도록 끼움 결합될 수 있다. 예를 들어, 로드 고정홀의 내측면에는 볼 베어링이 설치되어 제1 로드(1521)의 상하 이동에 따른 마착력을 감소시킬 수 있다.
링크 부재(1523)는 제1 로드(1521)와 제2 로드(1524) 사이를 연결할 수 있다. 링크 부재(1523)는 제2 로드(1524)에서 전달되는 회전 운동을 제1 로드(1521)로 전달할 수 있다.
제2 로드(1524)의 일단은 링크 부재(1523)에 연결되고 제2 로드(1524)의 타단은 제1 회전 부재(1525)에 연결될 수 있다. 제2 로드(1524)는 제1 회전 부재(1525)의 회전시 함께 회전할 수 있다.
제1 회전 부재(1525)는 제2 로드(1524)와 연결되고 제1 모터(153)에 연결될 수 있다. 제1 회전 부재(1525)는 제1 모터(153)에 의해 회전하여 제2 로드(1524)로 회전력을 전달할 수 있다.
제1 모터(153)는 상하 구동부(152)의 제1 회전 부재(1525)와 연결될 수 있다. 제1 모터(153)는 상하 구동 제어부(미도시)에 의해 회전 속도가 제어될 수 있다. 여기서 제1 모터(153)는 회전 속도에 따라 미세 액적의 크기를 조절할 수 있다.
예를 들어, 제1 용액은 제1 모터(153)의 회전(RPM)이 빨라질수록 액적 생성 부재(140)에서 미세 액적이 빠르게 생성되고 미세 액적의 크기가 작아질 수 있다. 또한, 제1 용액은 제1 모터(153)의 회전(RPM)이 느려질수록 액적 생성 부재(140)에서 미세 액적이 느리게 생성되고 미세 액적의 크기가 커질 수 있다.
즉, 본 실시예에 따른 미세 액적 토출 장치(100)에 따르면 용액 공급 부재(120)에서 공급되는 제1 용액의 유속과 노즐 위치 조절 부재(150)에서 노즐 부재(130)를 상하로 이동시키기 위한 회전 속도에 따라 미세 액적의 크기를 용이하게 조절할 수 있다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 미세 액적 토출 장치(100)는 액적 경화 부재(160)를 더 포함할 수 있다.
액적 경화 부재(160)는 액적 생성 부재(140)와 마주보게 제3 고정 프레임(114)에 설치될 수 있다. 액적 경화 부재(160)는 제1 용액이 경화 수지인 경우 제1 용액이 미세 액적으로 변환되었을 때 미세 액적을 빠르게 경화시키기 위해 사용될 수 있다. 여기에서 액적 생성 부재(140)는 자외선(Ultraviolet rays, UV)을 조사할 수 있다.
액적 경화 부재(160)는 액적 생성 부재(140)의 용액 수용부(141)의 길이에 따라 제2 고정 프레임(114)에 위치 조절 가능하도록 설치될 수 있다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 미세 액적 토출 장치를 도시한 사시도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 미세 액적 토출 장치(200)는 고정 부재(210), 용액 공급 부재(220), 노즐 부재(230), 액적 생성 부재(240), 노즐 위치 조절 부재(250) 및 액적 경화 부재(260)를 포함할 수 있다.
본 실시예에 따른 미세 액적 토출 장치(200)의 고정 부재(210), 용액 공급 부재(220), 노즐 부재(230), 액적 생성 부재(240), 노즐 위치 조절 부재(250) 및 액적 경화 부재(260)는 본 발명의 제1 실시예에 따른 고정 부재(110), 용액 공급 부재(120), 노즐 부재(130), 액적 생성 부재(140), 노즐 위치 조절 부재(150) 및 액적 경화 부재(160)의 구성과 동일하므로 상세한 설명은 생략하고 상이한 구성에 대해서만 설명한다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 미세 액적 토출 장치(200)는 입자 정렬 부재(270)를 더 포함할 수 있다. 본 실시예에서 입자 정렬 부재(270)는 제1 용액에 나노 입자가 함유된 경우 나노 입자를 정렬하기 위해 사용될 수 있다.
이러한 입자 정렬 부재(270)는 입자 정렬 부재 고정 프레임(미도시)을 통해 액적 생성 부재(240)의 외측에 설치되거나 액적 생성 부재(240)의 용액 수용부(241)에 직접적으로 설치될 수 있다. 입자 정렬 부재 고정 프레임은 복수의 프로파일의 조립으로 제작될 수 있다.
여기서는 입자 정렬 부재(270)가 액적 생성 부재(240)의 용액 수용부(241)에 별도의 고정 프레임을 이용하거나 직접적으로 설치되는 것으로 설명하였으나, 이에 한정하지 않는다.
도 5를 참고하면, 입자 정렬 부재(270)는 한 쌍으로 구성되고, 제1 입자 정렬부(271)와 제2 입자 정렬부(272)를 포함할 수 있다.
입자 정렬 부재(270)는 별도의 전원 장치(미도시)로부터 전원을 공급받아 자기장을 발생시키고, 발생되는 자기장에 의해 제1 입자 정렬부(271)와 제2 입자 정렬부(272)의 사이에서 미세 액적(D)에 함유된 나노 입자를 정렬시킬 수 있다. 여기서 전원 장치는 DC 파워서플라이일 수 있다.
제1 입자 정렬부(271)와 제2 입자 정렬부(272)는 동일한 전류를 같은 방향으로 흘려보내 자기장을 발생시킬 수 있다.
미세 액적(D)은 입자 정렬 부재(270)를 통과하기 전에 정렬되지 않은 구조(DA1)로 배치되어 있다가 제1 입자 정렬부(271)와 제2 입자 정렬부(272)의 사이에서 자기장에 의해 정렬된 구조(DA2)로 배치될 수 있다.
미세 액적(D)은 입자 정렬 부재(270)에 의해 나노 입자가 정렬된 상태에서 액적 경화 부재(260)에 의해 경화되면 입자 정렬 부재(270)의 자기장이 없어져도 나노 입자가 정렬된 상태를 유지할 수 있다.
또한, 미세 액적(D)은 특정 방향으로 정렬되어 자기 모멘트 방향을 유지하므로 외부 자기장을 통해 회전, 이동 등의 제어가 가능한 효과가 있고, 고주파 자기장을 통해 나노 입자의 발열이 가능하므로 타겟 지점으로의 이동 및 발열이 가능한 마이크로 로봇 제작이 가능한 효과가 있다.
한편, 본 발명의 제1 및 제2 실시예들에 따른 미세 액적 토출 장치(100, 200)는 아래의 수학식을 통해 미세 액적의 크기를 조절할 수 있다.
Q2=Q1/3600 (1)
Qd=Q2*(60/RPM) (2)
Vd=Qd/1000 (3)
R^3=Vd/
Figure 112021110561113-pat00001
(4)
여기서, (1)의 수학식은 mL/hr 단위의 제1 용액의 유속(Q1)을 mL/sec 단위의 유속(Q2)으로 변환하는 것이고, (2)의 수학식은 제1 모터(153)에 의해 제1 회전 부재(1525)가 1 회전할 때의 시간(sec)동안 압출된 유량(mL)(Qd)을 산출하는 것이고, (3)의 수학식은 제1 회전 부재(1525)가 1 회전할 때의 시간(sec)동안 압출된 유량의 부피(mm^3)(Vd)를 산출하는 것이며, (4) 수학식은 제1 회전 부재(1525)와 제1 용액의 유속에 따른 제1 용액의 크기(R^3)를 산출하는 것이다.
도 6은 제1 회전 부재(1525)를 회전시키는 제1 모터(153)의 RPM(Revolution Per Minute)과 제1 용액의 유속 변화(Flow rate)에 따른 미세 액적의 추정 사이즈 산출값이다.
[미세 액적의 크기 제어 실험]
본 발명의 제1 및 제2 실시예에 따른 미세 액적 토출 장치(100, 200)에서 생성되는 미세 액적의 크기를 제어하는 실험을 진행하였다.
미세 액적의 크기 제어 실험은 제1 모터(153)의 RPM을 고정시킨 뒤 제1 용액의 유속을 변화시키는 방법과, 제1 용액의 유속을 고정시킨 뒤 제1 모터(153) RPM을 변화시키는 방법 두가지로 진행하였다.
각각의 실험 결과는 도 7과 같이 나타났다.
도 7에서 빨간색 선은 위 (1) 내지 (4)의 수학식을 통해 산출된 결과를 나타내며, 검정색 선은 실제 생성된 미세 액적의 크기를 측정 값이다. 수학식을 통한 미세 액적의 크기 값과 실제 측정 값의 차이는 평균 3%, 최대 10%의 작은 오차를 보였다.
이에 따라 제1 모터(153)의 RPM을 고정시킨 뒤 제1 용액의 유속을 변화시키는 방법과 제1 용액의 유속을 고정시킨 뒤 제1 모터(153) RPM을 변화시키는 방법 모두 미세 액적의 크기를 조절할 수 있음을 확인하였다.
도 8은 180RPM, 0.64mL/hr의 조건으로 생성한 미세 액적의 실제 사진을 나타내고 도 9는 생성된 미세 액적의 정규 분포표를 나타낸다. 실험 결과 미세 액적의 크기는 70μm의 소형 사이즈부터 10mm의 대형 사이즈까지 제어가 가능한 것으로 나타났다.
상기에서는 본 발명의 일 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100, 200: 미세 액적 토출 장치
110, 210: 고정 부재
120, 220: 용액 공급 부재
130, 230: 노즐 부재
140, 240: 액적 생성 부재
150, 250: 노즐 위치 조절 부재
160, 260: 액적 경화 부재
270: 입자 정렬 부재

Claims (6)

  1. 제1 고정 프레임 및 상기 제1 고정 프레임과 결합되는 제2 고정 프레임을 포함하는 고정 부재;
    제1 용액이 저장된 시린지가 설치되는 용액 공급 부재;
    상기 시린지에 연결되는 노즐 부재;
    상기 노즐 부재와 마주보게 상기 제1 고정 프레임에 설치되고 제2 용액이 수용되며 상기 노즐 부재에서 배출되는 제1 용액이 상기 제2 용액에서 미세 액적으로 변환되는 액적 생성 부재; 및
    상기 제2 고정 프레임에 설치되고, 상기 노즐 부재가 고정되는 노즐 고정 플레이트, 상기 노즐 고정 플레이트에 연결되는 상하 구동부 및 상기 상하 구동부와 연결되는 제1 모터를 포함하는 노즐 위치 조절 부재를 포함하고,
    상기 제2 용액이 상기 제1 용액과 동일한 친수성을 가지는 액체 또는 상기 제1 용액과 동일한 소수성을 가지는 액체인 경우, 상기 제1 용액과 상기 제2 용액이 상이한 밀도를 가지고 상기 제2 용액과 상기 제1 용액의 밀도 차이에 따라 상기 제1 용액이 상기 제2 용액으로 토출되면 상기 제1 용액이 미세 액적으로 변환하거나,
    상기 제1 용액이 친수성을 가지는 액체인 경우 상기 제2 용액이 소수성을 가지는 액체이고, 상기 제1 용액이 소수성을 가지는 액체인 경우 상기 제2 용액이 친수성을 가지는 액체이며, 상기 제1 용액이 상기 제2 용액으로 토출되면 상기 제1 용액이 미세 액적으로 변환하는, 미세 액적 토출 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 상하 구동부는,
    상기 노즐 고정 플레이트에 연결되는 제1 로드, 상기 제2 고정 프레임에 설치되고 상기 제1 로드가 이동 가능하게 설치되는 가이드 플레이트, 상기 제1 로드에 연결되는 링크 부재, 상기 링크 부재에 연결되는 제2 로드 및 상기 제2 로드와 연결되고 상기 제1 모터에 연결되는 제1 회전부재를 포함하는 미세 액적 토출 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 액적 생성 부재는,
    상기 제2 용액이 수용되는 용액 수용부, 상기 용액 수용부가 삽입 고정되고 외측에 형성된 복수의 고정돌기를 포함하는 고정관, 상기 고정관의 상기 복수의 고정돌기가 고정되는 복수의 고정슬릿을 포함하는 회전관, 상기 회전관에 결합되어 상기 회전관을 회전시키는 제2 회전 부재를 포함하는 미세 액적 토출 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 고정 부재는,
    상기 제2 고정 프레임과 일정 간격을 두고 상기 제1 고정 프레임에 결합되는 제3 고정 프레임을 더 포함하고,
    상기 액적 생성 부재와 마주보게 상기 제3 고정 프레임에 설치되는 액적 경화 부재를 더 포함하는 미세 액적 토출 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 액적 생성 부재의 외측에 설치되는 입자 정렬 부재를 더 포함하는 미세 액적 토출 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 용액 공급 부재는,
    용액 공급 본체, 상기 용액 공급 본체에 설치되는 유속 조절 펌프, 상기 용액 공급 본체에 고정되고 상기 시린지가 고정되는 시린지 고정 플레이트 및 상기 용액 공급 본체에 이동 가능하게 설치되고 상기 유속 조절 펌프에 연결되는 시린지 압축 플레이트를 포함하는 미세 액적 토출 장치.
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