KR102578631B1 - 원형 일렉트로 스프레이 - Google Patents

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KR102578631B1
KR102578631B1 KR1020220127910A KR20220127910A KR102578631B1 KR 102578631 B1 KR102578631 B1 KR 102578631B1 KR 1020220127910 A KR1020220127910 A KR 1020220127910A KR 20220127910 A KR20220127910 A KR 20220127910A KR 102578631 B1 KR102578631 B1 KR 102578631B1
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groove
electrospray
circular
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inner housing
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KR1020220127910A
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김홍래
국중원
서원교
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주식회사 솔탑
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Abstract

본 발명은 일렉트로 스프레이에 관한 것으로, 보다 상세하게는 생산성을 높인 일렉트로 스프레이에 관한 것이다. 본 발명의 원형 일렉트로 스프레이는 방사용 유체가 흐르는 내부 공간에 슬릿(또는 그루브)를 형성함으로써 내부 유체가 일정하게 방사될 수 있도록 하며, 제작 비용을 절감될 수 있는 효과가 있다. 또한, 하우징을 원형 도넛 형상으로 형성하고, 2개의 도넛 형상 하우징을 중첩하며 그 사이를 방사용 유체가 흐르도록 함으로써 방사용 유체가 흐르는 유로를 조립 및 분리할 수 있도록 하여 생산성 및 유지 보수의 용이성을 극대화 할 수 있는 효과가 있다.

Description

원형 일렉트로 스프레이{Circular electrospray}
본 발명은 일렉트로 스프레이에 관한 것으로, 보다 상세하게는 생산성을 높인 일렉트로 스프레이에 관한 것이다.
일렉트로 스프레이는 이온 소스(Ion source)에 수천 내지 수만 볼트의 (+)직류 고전압을 인가하고, 하전 필라멘트를 받는 집적판(collector)에 접지 혹은 (-)전압을 연결하여 전기장을 형성시킨 장치를 이용해 방사용 물질을 방사할 수 있다.
방사구 끝단이 니들 형식으로 형성되는 전기방사 공정의 경우, 용액의 표면장력보다 큰 전기력이 가해졌을 때 니들에서 토출되는 하전용액의 액적은 노즐 팁에서 원추형 모양으로 형성되고, 원추형 돌기부분은 집적판을 향하여 길이방향으로 연신되면서 하전 필라멘트를 형성한다. 이때, 니들 끝에서 형성된 원추형을 테일러 콘(taylor cone)이라고 하고, 이는 도 1에 도시되어 있다.
도 1에 도시된 원추형의 테일러 콘은 고전압 세기가 강할수록, 또한 용매 휘발성이 강할수록 니들 끝에서 불안정한 상태를 나타낸다. 테일러 콘이 불안정하면, 이로부터 형성된 하전 필라멘트 제트도 방향성을 유지하지 못하여 불안정한 상태로 된다. 이처럼 니들에서 생성된 테일러 콘이 불안정할 경우, 이온 소스가 집적판의 동일한 위치에 균일하게 집적되지 않는 문제점이 생긴다. 또한, 기재 위에 미세선을 반복적으로 일정하게 제작하기 어려워 동일한 형태 혹은 크기를 갖는 웹을 제조하기 어렵다.
이때, 종래의 일렉트로 스프레이는 노즐의 방사구 면적이 충분히 작고, 방사용 물질이 통과하는 유로를 다공성(Poros) 물질로 형성함으로써 모세관 힘으로 이온 소스를 이동시키고 이 때 발생하는 표면장력을 최소화함으로써 방사되는 입자의 크기를 최소화하는 방식을 택하였다. 이는 도 2에 도시되어 있다. 전기력을 통하여 미량 토출된 방사용 물질은 전기력으로 인하여 길이방향으로 길게 연신되면서 나노미터(nm)~마이크로미터(㎛) 크기의 미세입자로 방사될 수 있다.
그러나 종래의 일렉트로 스프레이의 경우, 이온 소스가 통과하는 공간을 다공성 물질로 구성하였고, 이를 구현하기 위해 마이크로핌 기법 등을 사용하였으나, 실질적으로 제작비용이 너무 높았으며, 일정한 테일러 콘의 형성이 어렵다는 문제점이 있었다.
대한민국공개특허 10-2016-0096607 "일렉트로 스프레이 장치" (2016.08.16.)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 본 발명의 목적은, 방사용 유체가 흐르는 내부 공간에 슬릿(또는 그루브)를 형성함으로써 내부 유체가 일정하게 방사될 수 있도록 하며, 제작 비용을 절감될 수 있는 원형 일렉트로 스프레이를 제공함에 있다.
또한, 하우징을 원형 도넛 형상으로 형성하고, 2개의 도넛 형상 하우징을 중첩하며 그 사이를 방사용 유체가 흐르도록 함으로써 방사용 유체가 흐르는 유로를 조립 및 분리할 수 있도록 하여 생산성 및 유지 보수의 용이성을 극대화 할 수 있는 원형 일렉트로 스프레이를 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 원형 일렉트로 스프레이는 내부의 유체를 소정의 일측 방향으로 분사하는 것으로서, 중심에 제 1 관통홀이 형성되고, 내측면에 일측 방향으로 연장되어 형성되는 적어도 하나 이상의 제 1 홈을 포함하는 외부 하우징과, 상기 제 1 관통홀의 내부에 내삽되어 외측면에 상기 외부 하우징의 내측면과 서로 소정간격 이격되어 배치되고, 상기 외부 하우징과의 사이에 상기 유체의 유동공간을 형성하는 내부 하우징을 포함하고, 상기 외부 하우징은 상기 제 1 홈의 일단에 형성되는 분사구를 포함하며, 상기 내부하우징은, 측면에 소정 간격으로 2개 이상의 제 2 홈이 형성되고, 상기 제 2 홈은 상기 내부 하우징의 외측면 상에 불규칙적으로 형성된 2개 이상의 요홈이며, 각각의 상기 제 2 홈 중 적어도 둘은 서로 상이한 방향으로 연장형성되고, 상기 제 2 홈의 일단 및 타단은 상기 내부 하우징의 양단으로부터 소정 간격 이격되도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 제 1 관통홀은 원형 홀이고, 각각의 제 1 홈은 제 1 관통홀의 중심을 기준으로 서로 소정각도 이격되는 것을 특징으로 한다.
또한, 내부하우징은, 측면에 소정 간격으로 2개 이상의 제 2 홈이 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 각각의 제 1 홈은, 외부 하우징 및 내부 하우징의 일단 및 타단을 잇는 하나의 직선 또는 곡선인 것을 특징으로 한다.
또한, 제 2 홈은, 내부 하우징의 외측면에 불규칙적으로 형성된 2개 이상의 요홈인 것을 특징으로 한다.
또한, 제 1 홈 및 제 2 홈은, MEMS 증착 공정, 레이저커팅, 마이크로 머시닝, 에칭 중 적어도 하나의 공정을 통해 성형되는 것을 특징으로 한다.
또한, 각각의 제 1 홈은, 타측이 제 1 홈과 일대일 대응되는 제 3 홈과 접하여 연통되는 것을 특징으로 한다.
또한, 제 3 홈은, 제 1 홈보다 더 큰 깊이로 형성되고, 외부 하우징의 내측면 및 내부 하우징의 외측면에 모두 형성되며, 외부 하우징에 형성된 제 3 홈과 내부 하우징에 형성된 제 3홈은 서로 대응되도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 분사구의 높이는, 외부 하우징과 내부 하우징의 일단면의 평균 높이보다 높은 것을 특징으로 한다.
또한, 내부 하우징은 중심에 제 2 관통홀이 형성되고, 내부 하우징의 외측면의 일단 높이는 내부 하우징의 내측면의 일단 높이보다 높은 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성에 의한 본 발명의 원형 일렉트로 스프레이는 방사용 유체가 흐르는 내부 공간에 슬릿(또는 그루브)를 형성함으로써 내부 유체가 일정하게 방사될 수 있도록 하며, 제작 비용을 절감될 수 있는 효과가 있다.
또한, 하우징을 원형 도넛 형상으로 형성하고, 2개의 도넛 형상 하우징을 중첩하며 그 사이를 방사용 유체가 흐르도록 함으로써 방사용 유체가 흐르는 유로를 조립 및 분리할 수 있도록 하여 생산성 및 유지 보수의 용이성을 극대화 할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 일렉트로 스프레이의 테일러콘을 도시한 도면이다.
도 2는 종래의 일렉트로 스프레이의 실시 형태를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 원형 일렉트로 스프레이의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 원형 일렉트로 스프레이의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제 1 홈을 도시한 상면도이다.
도 6은 본 발명의 제 2 홈을 도시한 상면도이다.
도 7은 본 발명의 제 2 홈의 일 실시 예를 도시한 사시도이다.
도 8은 본 발명의 제 1 홈 또는 제 2 홈을 제작하는 과정을 도시한 개념도이다.
도 9는 본 발명의 원형 일렉트로 스프레이의 일 실시 예의 부분단면도이다.
이하, 본 발명의 기술적 사상을 첨부된 도면을 사용하여 더욱 구체적으로 설명한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
이하로, 도 3 내지 5 를 참조하여 본 발명의 원형 일렉트로 스프레이(1000)의 기본 구성에 대해 설명한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명은 내부의 방사용 유체(L)를 소정의 일측 방향으로 분사하는 원형 일렉트로 스프레이(1000)에 있어서, 원형 일렉트로 스프레이(1000)는 중심에 관통홀이 형성된 도넛 형상의 외부 하우징(100)과 외부 하우징(100)의 관통홀 내에 내삽되는 내부 하우징(200)을 포함할 수 있다. 이 때,방사용 유체(L)는 갈륨 또는 인듐을 포함하는 LMIS(Liquid Metal Ion Source) 또는 이온수(Ionic water)와 같은 이온 소스일 수 있다. 또한, 외부 하우징(100) 및 내부 하우징(200)은 추진제(이온 소스)와 반응성이 낮은 재질이며, 이온 소스와 접촉각이 작은 재질로 이루어질 수 있다.
더 나아가, 외부 하우징(100)은 일면의 내측 모서리, 내부 하우징(200)과 인접하는 모서리에 분사구(120)를 더 포함할 수 있다. 분사구(120)는 도 3에 도시된 바와 같이 일측 방향으로 뾰족하게 형성될 수 있다. 보다 자세히, 분사구(120)의 높이는, 외부 하우징(100)과 내부 하우징(200)의 일단면의 평균 높이보다 높은 것이 바람직하다. 분사구(120)가 이와 같이 형성됨으로써 종래의 일렉트로 스프레이의 니들 역할을 수행할 수 있게 하고, 방사되는 유체가 테일러 콘 형태를 보다 용이하게 유지하도록 할 수 있다.
또한, 내부 하우징(200)은 중심에 제 2 관통홀(210)이 형성된 원통형 도넛 형상일 수 있다. 이 때, 외부 하우징(100)의 형상과 대응되도록 내부 하우징(200)의 외측면의 일단 높이는 내부 하우징(200)의 내측면의 일단 높이보다 높은 것이 바람직하다.
이 때, 도 3의 이 때, 도 1의 원형 일렉트로 스프레이(1000)에 (+)직류 고전압이 연결되며 이온 소스가 분사되는 방향에 (??)전압이 인가된 전극을 설치할 수 있다. 이 때, 원형 일렉트로 스프레이(1000)와 전극사이의 발생된 높은 전위차는 분사구(120) 끝단에 높은 전기장 밀도를 형성할 수 있다. 또한 외부 하우징(100)과 내부 하우징(200)이 각각 제 1 관통홀(110) 및 제 2 관통홀(210)이 형성된 도넛 형태의 원통형 형상으로 형성됨으로써 상기와 같이 전압이 연결되었을 시 발생하는 자기장 위치에 각각의 분사구(120)가 대응되어 위치됨으로써 본 발명의 원형 일렉트로 스프레이(1000)의 방사용 유체(L) 방사 효율을 극대화 할 수 있다.
또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 외부 하우징(100)의 내측면과 내부 하우징(200)의 외측면은 서로 소정 간격 이격되어 소정의 공간을 형성하는 것이 바람직하다. 이 때 외부 하우징(100)과 내부 하우징(200)의 위치를 고정하기 위해 외부 하우징(100)과 내부 하우징(200)의 타면(방사용 유체(L)가 분사되는 방향의 반대 측)에 거치대가 결합될 수 있다.
외부 하우징(100)과 내부 하우징(200)의 사이 간격은 방사용 유체(L)가 흐르는 유로로 이용될 수 있다. 보다 자세히, 방사용 유체(L)가 타측으로부터 유입되고 유동하여 일측 방향으로 미세 입자로 분화되어 방사될 수 있다.
이 때, 도 5에 도시된 바와 같이, 방사용 유체(L)의 흐름을 제어하기 위해 외부 하우징(100)의 제 1 관통홀(110)의 측면(이하 내측면)에 일측 방향으로 연장되어 형성되는 적어도 하나 이상의 제 1 홈(111)을 포함할 수 있다. 이 때, 제 1 관통홀(110)은 원형 홀이고, 각각의 제 1 홈(111)은 제 1 관통홀(110)의 중심을 기준으로 서로 소정각도 이격되어 원형으로 배치되는 것이 바람직하다. 이 때, 제 1 홈(111)은 외부 하우징(100) 및 내부 하우징(200)의 일단 및 타단을 잇는 하나의 직선 또는 곡선인 것이 바람직하다. 제 1 홈(111)의 깊이는 외부 하우징(100)과 내부 하우징(200) 사이의 거리, 즉 유로의 두께보다 충분히 작은 것이 바람직하며, 연장된 방향을 따라 일정한 두께로 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 제 1 홈(111)은 분사구(120)와 일대일 대응되고, 분사구(120)와 연통되는 위치에 형성되는 것이 바람직하다.
외부 하우징(100)의 내측면에 제 1 홈(111)이 상기와 같은 형상으로 형성됨으로써, 제 1 홈(111)을 따라 일정하게 방사용 유체(L)가 유도되어 방사될 수 있다. 또한, 제 1 홈(111)이 형성됨으로써, 방사용 유체(L) 입자가 서로 응집되는 것을 최소화 할 수 있어 방사용 유체(L)가 미세한 두께로 분사구(120)에서 토출될 수 있다.
이하로, 도 6 내지 7 을 참조하여 본 발명의 내부 하우징(200)에 형성되는 제 2 홈(220)에 대해 보다 자세히 설명한다.
도 6에 도시된 바와 같이, 내부 하우징(200)은, 측면에 소정 간격으로 2개 이상의 제 2 홈(220)이 형성될 수 있다. 이 때 제 2 홈(220)이 형성되는 깊이는 제 1 홈(111)의 깊이보다 더 얕은 것이 바람직하다. 제 2 홈(220)이 형성됨으로써, 방사용 유체(L)의 유동이 제 1 홈(111) 및 제 2 홈(220)에 모두 영향을 받을 수 있고, 제 1 홈(111) 및 제 2 홈(220)을 따라 일정하게 방사용 유체(L)가 유도되어 방사될 수 있다. 또한, 방사용 유체(L) 입자가 서로 응집되는 것을 최소화 할 수 있어 방사용 유체(L)가 미세한 두께로 분사구(120)에서 토출될 수 있다.
제 2 홈(220)의 제 1 실시 예에서, 제 2 홈(220)은, 외부 하우징(100) 및 내부 하우징(200)의 일단 및 타단을 잇는, 즉 방사용 유체(L)가 분사되는 방향으로 연장된 하나의 직선 또는 곡선인 것이 바람직하다. 이에 따라 제 2 홈(220)은 제 1 홈(111)의 역할(방사용 유체(L)의 유동을 가이드)을 보조할 수 있다.
또한, 제 2 홈(220)의 제 2 실시 예에서 제 2 홈(220)은 내부 하우징(200)의 외측면에 불규칙적으로 형성된 2개 이상의 요홈인 것이 바람직하다. 이 때 각각의 요홈은 도 7에 도시된 바와 같이 소정의 무늬를 형성할 수 있다. 제 2 홈(220)이 이와같이 형성됨으로써 내부 하우징(200)의 외측면의 표면조도를 높일 수 있고 방사용 유체(L) 입자가 서로 응집되는 것을 최소화 할 수 있어 방사용 유체(L)가 미세한 두께로 분사구(120)에서 토출되도록 할 수 있다.
이하로, 도 8 을 참조하여 제 1 홈(111) 및 제 2 홈(220)의 제작 과정에 대해 보다 자세히 설명한다.
상기 문단에서 서술한 형태의 제 1 홈(111) 및 제 2 홈(220)은 소정의 가공공정을 통해 외부 하우징(100) 및 내부 하우징(200)에 형성될 수 있는데, 이 때 제 1 홈(111) 및 제 2 홈(220)의 제 1 실시 형태는 MEMS 증착 공정, 레이저커팅, 마이크로 머시닝 에칭 기법을 통해 형성될 수 있다. 또한, 제 2 홈(220)의 제 2 실시 형태는 에칭 공정을 통해 형성될 수 있다. 이는 도 8에 도시되어 있다.
보다 자세히, 제 2 홈(220)의 제 2 실시 예는 내부 하우징(200)을 에칭 용액이 수용된 탱크에 담그고 내부 하우징(200)의 표면 방향을 향하도록 에칭 용액에 파동을 발생시키는 것이 바람직하다. 이에 따라 내부 하우징(200)과 에칭 용액이 부딪히면서 내부 하우징(200)의 표면에 불규칙한 형상의 요홈이 형성될 수 있다. 이에 따라 내부 하우징(200)의 표면 조도를 높여 방사용 유체(L)가 서로 응집되는 것을 최소화 할 수 있다.
즉, 본원발명의 원형 일렉트로 스프레이(1000)는 상기에 설명한 바와 같이 외부 하우징(100)과 내부 하우징(200)이 중첩되어 유로를 형성하는 구조로 형성됨으로써 각각의 파츠를 가공하여 결합할 수 있으므로, 상술한 문단에서의 일반적인 가공공정을 통해 용이하게 생산될 수 있고 이에 따라 생산 단가를 최소화 할 수 있다.
이하로, 도 9를 참조하여 본 발명의 원형 일렉트로 스프레이의 일 실시 예에 대해 설명한다.
도 9에 도시된 바와 같이, 각각의 제 1 홈(111)은 타측이 제 1 홈(111)과 일대일 대응되는 제 3 홈(300)과 접하여 연통되는 것이 바람직하다. 이 때, 제 3 홈(300)은, 제 1 홈(111)보다 더 큰 깊이로 형성되고, 외부 하우징(100)의 내측면 및 내부 하우징(200)의 외측면에 모두 형성되며, 외부 하우징(100)에 형성된 제 3 홈(300)과 내부 하우징(200)에 형성된 제 3 홈(300)은 서로 대응되도록 형성되는 것이 바람직하다.
이와 같이 제 3 홈(300)이 형성됨으로써, 제 3 홈(300)이 제 1 홈(111) 및 제 2 홈(220)과 연결되는 위치에서 모세관 현상이 발생할 수 있고 외부 하우징(100) 및 내부 하우징(200)의 사이에 수용되는 방사용 유체(L)는 일측 방향으로 방사되도록 유도될 수 있다.
본 발명의 상기한 실시 예에 한정하여 기술적 사상을 해석해서는 안된다. 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당업자의 수준에서 다양한 변형 실시가 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 당업자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.
1000 : 원형 일렉트로 스프레이
100 : 외부 하우징
110 : 제 1 관통홀
111 : 제 1 홈
120 : 분사구
200 : 내부 하우징
210 : 제 2 관통홀
220 : 제 2 홈
300 : 제 3 홈
L : 방사용 유체

Claims (10)

  1. 내부의 유체를 소정의 일측 방향으로 분사하는 원형 일렉트로 스프레이에 있어서,
    중심에 제 1 관통홀이 형성되고, 내측면에 일측 방향으로 연장되어 형성되는 적어도 하나 이상의 제 1 홈을 포함하는 외부 하우징;
    상기 제 1 관통홀의 내부에 내삽되어 외측면에 상기 외부 하우징의 내측면과 서로 소정간격 이격되어 배치되고, 상기 외부 하우징과의 사이에 상기 유체의 유동공간을 형성하는 내부 하우징; 을 포함하고,
    상기 외부 하우징은 상기 제 1 홈의 일단에 형성되는 분사구를 포함하며,
    상기 내부하우징은,
    측면에 소정 간격으로 2개 이상의 제 2 홈이 형성되고,
    상기 제 2 홈은 상기 내부 하우징의 외측면 상에 불규칙적으로 형성된 2개 이상의 요홈이며,
    각각의 상기 제 2 홈 중 적어도 둘은 서로 상이한 방향으로 연장형성되고,
    상기 제 2 홈의 일단 및 타단은 상기 내부 하우징의 양단으로부터 소정 간격 이격되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 원형 일렉트로 스프레이.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 관통홀은 원형 홀이고,
    각각의 상기 제 1 홈은 상기 제 1 관통홀의 중심을 기준으로 서로 소정각도 이격되는 것을 특징으로 하는 원형 일렉트로 스프레이.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    각각의 상기 제 1 홈은
    상기 외부 하우징 및 상기 내부 하우징의 일단 및 타단을 잇는 하나의 직선 또는 곡선인 것을 특징으로 하는 원형 일렉트로 스프레이.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 홈 및 상기 제 2 홈은,
    MEMS 증착 공정, 레이저커팅, 마이크로 머시닝, 에칭 중 적어도 하나의 공정을 통해 성형되는 것을 특징으로 하는 원형 일렉트로 스프레이.
  7. 제 1 항에 있어서,
    각각의 상기 제 1 홈은,
    타측이 상기 제 1 홈과 일대일 대응되는 제 3 홈과 접하여 연통되는 것을 특징으로 하는 원형 일렉트로 스프레이.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 3 홈은,
    상기 제 1 홈보다 더 큰 깊이로 형성되고, 상기 외부 하우징의 내측면 및 상기 내부 하우징의 외측면에 모두 형성되며,
    상기 외부 하우징에 형성된 상기 제 3 홈과 상기 내부 하우징에 형성된 제 3홈은 서로 대응되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 원형 일렉트로 스프레이.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 분사구의 높이는,
    상기 외부 하우징과 상기 내부 하우징의 일단면의 평균 높이보다 높은 것을 특징으로 하는 원형 일렉트로 스프레이.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 내부 하우징은 중심에 제 2 관통홀이 형성되고,
    상기 내부 하우징의 외측면의 일단 높이는 상기 내부 하우징의 내측면의 일단 높이보다 높은 것을 특징으로 하는 원형 일렉트로 스프레이.
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