KR20140006530A - 정전분무노즐과 이를 이용한 정전분무장치 및 정전분무방법 - Google Patents

정전분무노즐과 이를 이용한 정전분무장치 및 정전분무방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 저유량뿐만 아니라 고유량의 유체에 대해서도 균일한 액적을 발생시킬 수 있는 멀티젯 모드의 정전분무노즐과 이를 이용한 정전분무장치 및 정전분무방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 정전분무노즐은 원기둥 형태의 노즐 몸체부; 및 상기 노즐 몸체부의 둘레를 따라 이격되어 구비된 복수의 유체 채널을 포함하여 이루어지며, 상기 유체 채널은 노즐 몸체부의 외주면으로부터 파여진 홈 형태로 형성되며, 상기 유체 채널은 노즐 몸체부의 일단까지 연장되며, 상기 유체 채널의 상부에는 노즐공이 구비되는 것을 특징으로 한다.

Description

정전분무노즐과 이를 이용한 정전분무장치 및 정전분무방법{Electrospray nozzle and apparatus and method for electrospray using the same}
본 발명은 정전분무노즐과 이를 이용한 정전분무장치 및 정전분무방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 저유량뿐만 아니라 고유량의 유체에 대해서도 균일한 액적을 발생시킬 수 있는 멀티젯 모드의 정전분무노즐과 이를 이용한 정전분무장치 및 정전분무방법에 관한 것이다.
정전분무 기술은 전도성 액체에 강한 전기장을 인가하여 작동유체를 수십 마이크론 이하의 미세한 액적으로 분무시키는 기술이다. 정전분무에 의해 생성된 액적들은 전기적으로 단극(unipolar) 하전되어 있기 때문에 액적 사이의 전기적 척력으로 인하여 단분산성(monodisperse)이 매우 높고, 주위 전기장을 이용하여 액적의 거동을 제어하기가 용이하다는 장점을 갖고 있다.
한편, 정전분무로 생성된 액적의 크기는 작동유체의 유량이 적을수록 작아진다는 특성을 갖고 있기 때문에 보다 미세한 액적을 생성시키기 위해서는 가급적 저유량으로 작동시켜야 한다. 그러나, 실제 산업에 정전분무 기술을 적용하기 위해서는 고유량 정전분무 시스템이 필요하기 때문에, 미세한 액적을 발생시키기 위한 방법으로서 이러한 정전분무의 저유량 특성은 정전분무 기술을 다양한 산업에 적용하는데 가장 큰 문제점이 되어 왔다.
이러한 단점을 극복할 수 있는 방법으로는 1) 복수의 노즐을 연결하여 각각의 노즐에 작동유체를 주입시켜 분무하는 방법(W. Deng, J. F. Klemic, X. Li, M. A. Reed, A. Gomez., Increase of electrospray throughput using multiplexed microfabricated sources for the scalable generation of monodisperse droplets, Journal of aerosol science 37 (2006) 696-714)과 2) 정전분무의 작동 모드 중 하나인 멀티젯(multi-jet) 모드를 이용하는 방법(한국등록특허 제947028호)이 있다.
복수의 노즐을 이용하는 방법은 각각의 노즐에 인가되는 전기장의 크기가 다르기 때문에 균일한 전기장을 만들어 주기 위한 더미 노즐(dummy nozzle)이 필요하고, 다량의 노즐을 필요로 한다는 단점 때문에 경제적 측면에서 바람직하지 않다.
그에 반해, 멀티젯 모드는 단일 노즐에서 여러 개의 안정적인 콘젯(cone-jet)을 발생시키는 분무 형태를 가지고 있으며, 이를 통해 다량의 액적을 생성시킬 수 있다는 고유량의 장점을 지니고 있다. 그러나, 멀티젯 모드의 작동원리 상 멀티젯을 이루는 각각의 콘젯으로 전체 작동 유체가 동일하게 나뉘어지지 않기 때문에 생성되는 액적들이 매우 고르지 못하고 불안정하다는 문제점이 있다.
한국등록특허 제947028호
W. Deng, J. F. Klemic, X. Li, M. A. Reed, A. Gomez., Increase of electrospray throughput using multiplexed microfabricated sources for the scalable generation of monodisperse droplets, Journal of aerosol science 37 (2006) 696-714
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 저유량뿐만 아니라 고유량의 유체에 대해서도 균일한 액적을 발생시킬 수 있는 멀티젯 모드의 정전분무노즐과 이를 이용한 정전분무장치 및 정전분무방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 정전분무노즐은 원기둥 형태의 노즐 몸체부; 및 상기 노즐 몸체부의 둘레를 따라 이격되어 구비된 복수의 유체 채널을 포함하여 이루어지며, 상기 유체 채널은 노즐 몸체부의 외주면으로부터 파여진 홈 형태로 형성되며, 상기 유체 채널은 노즐 몸체부의 일단까지 연장되며, 상기 유체 채널의 상부에는 노즐공이 구비되는 것을 특징으로 한다.
상기 유체 채널은 상기 유체 채널은 상부가 개구된 직육면체 형상이며, 노즐 몸체부의 하단을 향한 측부도 개구된 형태를 이룬다. 상기 유체 채널 하단의 양 모서리가 유체 채널의 팁을 이루며, 상기 유체 채널의 팁에서 정전분무가 발생된다. 또한, 상기 노즐 몸체부의 내부에 유체 이동 공간인 유로가 구비되며, 상기 유로는 상기 유체 채널의 노즐공과 연결된다.
본 발명에 따른 정전분무장치는 정분분무 대상 유체를 공급하는 유체공급장치; 유체를 멀티젯 형태로 정전분무하는 정전분무노즐; 상기 정전분무노즐에 (+) 또는 (-)의 고전압을 인가하여 유체를 (+) 또는 (-)로 하전시킴과 함께 유체가 정전분무되도록 전기장을 인가하는 전압인가장치; 및 상기 정전분무노즐 하부의 이격된 위치에 구비되어 접지 상태를 이루어 특정 극성으로 하전된 정전분무 액적에 정전기 인력을 인가하는 전극판을 포함하여 이루어지며, 상기 정전분무노즐은, 원기둥 형태의 노즐 몸체부과, 상기 노즐 몸체부의 둘레를 따라 이격되어 구비된 복수의 유체 채널을 포함하여 이루어지며, 상기 유체 채널은 노즐 몸체부의 외주면으로부터 파여진 홈 형태로 형성되며, 상기 유체 채널은 노즐 몸체부의 일단까지 연장되며, 상기 유체 채널의 상부에는 노즐공이 구비되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 정전분무장치는, 정전분무노즐을 이용한 정전분무방법에 있어서, 상기 정전분무노즐은, 원기둥 형태의 노즐 몸체부과, 상기 노즐 몸체부의 둘레를 따라 이격되어 구비된 복수의 유체 채널을 포함하여 이루어지며, 상기 유체 채널은 노즐 몸체부의 외주면으로부터 파여진 홈 형태로 형성되며, 상기 유체 채널은 노즐 몸체부의 일단까지 연장되며, 상기 유체 채널의 상부에는 노즐공이 구비되며, 전압인가장치에 의해 정전분무노즐에 (+) 또는 (-)의 전압이 인가된 상태에서, 유체가 정전분무노즐에 공급되면 유체가 (+) 또는 (-)의 단극으로 하전되는 단계; 및 (+) 또는 (-)로 하전된 유체가 노즐공을 통해 유체 채널로 공급되며, 유체는 유체 채널을 따라 노즐 하부로 이동되며, 전기장의 구배가 가장 큰 유체 채널의 팁에서 액주 형태로 정전분무되는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
하나의 유체 채널에 2개의 팁이 구비되며, 각각의 팁에서 정전분무가 발생된다.
본 발명에 따른 정전분무노즐과 이를 이용한 정전분무장치 및 정전분무방법은 다음과 같은 효과가 있다.
노즐의 외주면을 따라 일정 간격으로 유체 채널이 구비되고, 유체가 유체 채널을 따라 이동하여 유체 채널의 팁에서 정전분무가 발생되는 방식을 채용함에 따라, 고유량의 유체에 대해 균일한 크기의 액적으로 정전분무할 수 있다. 또한, 하나의 유체 채널에 2개의 팁이 구비됨에 따라, 고유량의 유체를 처리함에 효과적이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 정전분무노즐의 사시도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 정전분무노즐의 측단면도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 정전분무노즐의 평단면도.
도 4는 도 3의 A-A`선에 따른 단면도.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 정전분무노즐의 사진.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 정전분무장치의 구성도.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 정전분무장치에 의한 정전분무 상태를 나타낸 사진.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 정전분무노즐의 각 유체 채널의 팁에서 생성된 액적들의 평균입경을 나타낸 그래프.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 정전분무노즐에 의해 생성된 액적의 평균입경, 기하표준편차와 본 발명의 노즐로부터 발생된 콘젯과 멀티젯 모드에 의해 생성된 액적의 평균입경, 기하표준편차를 비교한 그래프.
본 발명은 단일 노즐을 통해 멀티젯의 정전분무가 가능하도록 한 것으로서, 원기둥 형상의 노즐 측면에 일정 간격으로 홈을 가공하여 유체 채널을 형성하고 각 유체 채널의 팁으로부터 액주(液柱) 형태로 정전분무가 발생되도록 한다. 이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 정전분무노즐과 이를 이용한 정전분무장치 및 정전분무방법을 상세히 설명하기로 한다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 정전분무노즐(100)은 원기둥 형태의 노즐 몸체부(110)를 구비하며, 원기둥의 둘레를 따라 일정 간격을 두고 유체 채널(120)이 구비된다. 상기 유체 채널(120)은 노즐 몸체부(110)의 외주면으로부터 일정 깊이만큼 파여진 형태로 가공되며 일정 면적을 이룬다. 상기 유체 채널(120)은 상부가 개구된 직육면체 형상이며, 노즐 몸체부(110)의 하단을 향한 측부도 개구된 형태를 이룬다.
또한, 각각의 유체 채널(120)의 상부에는 유체 채널(120)에 유체를 공급하는 노즐공(112)이 구비되며, 상기 노즐공(112)은 노즐 몸체부(110) 내부에 형성된 유로(111)와 연결된다. 상기 노즐의 유로(111)는 유체공급장치(210)와 연결된다.
본 발명에 따른 정전분무노즐(100)에 의한 정전분무 발생 과정을 살펴보면, 정전분무 대상인 유체가 유로(111)를 거쳐 각 유체 채널(120)의 노즐공(112)에 공급되면 유체는 유체 채널(120)을 따라 노즐 하부로 이동되며 유체 채널(120)의 끝에서 정전분무가 발생된다.
노즐공(112)으로부터 배출되는 유체가 공간으로 분무되지 않고 유체 채널(120)을 따라 이동되도록 하기 위해 유체의 젖음각 특성을 고려하여 유체 채널(120)의 깊이 및 면적을 설계해야 한다. 한편, 유체의 정전분무를 위해서 정전분무노즐(100)에 (+) 또는 (-)의 고전압이 인가되며, (+) 또는 (-)로 하전된 유체는 유체 채널(120)의 끝에서 액주(液柱) 형태로 정전분무되는데, 유체 채널(120)의 양 모서리(이하 '유체 채널(120)의 팁(tip)'이라 함)에서 전기장의 구배(gradient)가 가장 크며 이에 따라 실제 정전분무는 유체 채널(120)의 팁(121)에서 발생된다. 유체 채널(120)의 팁(121)에서 전기장의 구배가 가장 큰 이유는 유체 채널(120)의 팁(121) 부분이 유체 채널(120)의 다른 부분에 비해 보다 각진 형태를 이루기 때문이다.
유체 채널(120)의 양 모서리가 팁(121)으로 정의됨에 따라, 하나의 유체 채널(120)에는 2개의 팁(121)이 존재하며, 예를 들어 정전분무노즐(100)에 6개의 유체 채널(120)이 구비되면 총 12개의 팁(121)이 존재하며 12개의 팁(121)을 통해 정전분무가 발생된다. 즉, 하나의 정전분무노즐(100)을 통해 12개의 콘젯으로 구성된 멀티젯 정전분무가 구현되는 것이다.
다음으로, 본 발명의 정전분무노즐(100)이 적용된 정전분무장치에 대해 설명하기로 한다. 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 정전분무장치는 유체공급장치(210), 정전분무노즐(100), 전압인가장치(220) 및 전극판(230)을 포함하여 구성된다.
상기 유체공급장치(210)는 정전분무 대상 유체를 정전분무노즐(100)에 공급하며, 상기 정전분무노즐(100)은 본 발명의 일 실시예에 따른 정전분무노즐(100)로서 상술한 바와 같은 구성으로 이루어지며, 상기 전압인가장치(220)는 상기 정전분무노즐(100)에 (+) 또는 (-)의 고전압을 인가하여 유체를 (+) 또는 (-)로 하전시킴과 함께 유체가 정전분무되도록 전기장을 인가하는 역할을 한다. 상기 전극판(230)은 상기 정전분무노즐(100) 하부의 이격된 위치에 구비되어 접지 상태를 이루어 특정 극성으로 하전된 정전분무 액적이 정전기 인력에 의해 전극판(230)을 향하여 이동되도록 하는 역할을 한다.
본 발명에 따른 정전분무장치의 동작을 살펴보면 다음과 같다. 전압인가장치(220)에 의해 정전분무노즐(100)에 (+) 또는 (-)의 고전압이 인가된 상태에서, 유체공급장치(210)의 유체가 정전분무노즐(100)의 유로(111)에 공급되면 유체는 (+) 또는 (-)의 단극으로 하전된다. (+) 또는 (-)로 하전된 유체는 노즐공(112)을 통해 유체 채널(120)로 공급되며, 유체는 유체 채널(120)을 따라 노즐 하부로 이동되며, 최종적으로 전기장의 구배가 가장 큰 유체 채널(120)의 팁(121)에서 액주 형태로 정전분무된다.
이하에서는, 본 발명에 따른 정전분무장치의 정전분무 특성을 살펴보기로 한다. 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 정전분무장치에 의한 정전분무 상태를 나타낸 사진이다. 도 7의 가), 다)는 각각 정전분무노즐에 11kV, 15kV를 인가했을 때의 정전분무 상태를 나타낸 것이고, 도 7의 나), 라)는 각각 가), 다)의 확대 사진으로서 'channel'은 유체 채널을 의미한다.
상대적으로 낮은 11kV의 전압이 인가된 도 7의 가)의 경우, 단일 액주에서 여러 갈래의 젯(jet)이 나오는 것을 확인할 수 있는데, 이는 멀티젯의 불안정한 작동 모드이다. 반면, 15kV의 전압이 인가된 도 7의 다)의 경우, 유체 채널의 팁에서 액주가 형성되고 액주의 형태 또한 안정적인 것을 확인할 수 있으며, 각 유체 채널의 2개의 팁에서 액주가 생성됨을 알 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 정전분무노즐의 각 유체 채널의 팁에서 생성된 액적들의 평균입경을 나타낸 그래프이다. 유체의 유량 증가에 따라 정전분무 액적의 입경은 커지나 각 유량에서 액적의 평균입경은 일정하게 유지됨을 알 수 있다. 즉, 고유량의 유체에 대해서도 균일한 크기의 액적을 형성할 수 있음을 나타낸다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 정전분무노즐에 의해 생성된 액적의 평균입경, 기하표준편차와 본 발명의 노즐로부터 발생된 콘젯과 멀티젯 모드에 의해 각각 생성된 액적의 평균입경, 기하표준편차를 비교한 그래프이다.
도 9를 참고하면, 종래의 단일 노즐의 콘젯 모드에 의해 생성된 액적에 대비하여 본 발명의 정전분무노즐에 의해 생성된 액적의 평균입경과 기하표준편차가 비슷한 수준을 나타냄을 확인할 수 있으며, 이는 정전분무 특성이 매우 안정적인 것으로 알려진 콘젯 모드와 거의 대등한 단분산성을 갖는 것을 의미한다. 이와 같이 콘젯 모드의 단분산성을 담보함과 함께 종래의 단일 노즐의 콘젯 모드에 대비하여 10배 이상의 유량을 정전분무할 수 있다는 점에서 본 발명에 따른 정전분무장치는 고유량의 유체를 균일한 크기의 액적으로 정전분무함에 있어서 효과적임을 알 수 있다.
100 : 정전분무노즐 110 : 노즐 몸체부
111 : 유로 112 : 노즐공
120 : 유체 채널 121 : 유체 채널의 팁
210 : 유체공급장치 220 : 전압인가장치
230 : 전극판

Claims (10)

  1. 원기둥 형태의 노즐 몸체부; 및
    상기 노즐 몸체부의 둘레를 따라 이격되어 구비된 복수의 유체 채널을 포함하여 이루어지며,
    상기 유체 채널은 노즐 몸체부의 외주면으로부터 파여진 홈 형태로 형성되며, 상기 유체 채널은 노즐 몸체부의 일단까지 연장되며, 상기 유체 채널의 상부에는 노즐공이 구비되는 것을 특징으로 하는 정전분무노즐.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 유체 채널은 상기 유체 채널은 상부가 개구된 직육면체 형상이며, 노즐 몸체부의 하단을 향한 측부도 개구된 형태를 이루는 것을 특징으로 하는 정전분무노즐.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 유체 채널 하단의 양 모서리가 유체 채널의 팁을 이루며, 상기 유체 채널의 팁에서 정전분무가 발생되는 것을 특징으로 하는 정전분무노즐.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 노즐 몸체부의 내부에 유체 이동 공간인 유로가 구비되며, 상기 유로는 상기 유체 채널의 노즐공과 연결되는 것을 특징으로 하는 정전분무노즐.
  5. 정분분무 대상 유체를 공급하는 유체공급장치;
    유체를 멀티젯 형태로 정전분무하는 정전분무노즐;
    상기 정전분무노즐에 (+) 또는 (-)의 고전압을 인가하여 유체를 (+) 또는 (-)로 하전시킴과 함께 유체가 정전분무되도록 전기장을 인가하는 전압인가장치; 및
    상기 정전분무노즐 하부의 이격된 위치에 구비되어 접지 상태를 이루어 특정 극성으로 하전된 정전분무 액적에 정전기 인력을 인가하는 전극판을 포함하여 이루어지며,
    상기 정전분무노즐은,
    원기둥 형태의 노즐 몸체부과, 상기 노즐 몸체부의 둘레를 따라 이격되어 구비된 복수의 유체 채널을 포함하여 이루어지며,
    상기 유체 채널은 노즐 몸체부의 외주면으로부터 파여진 홈 형태로 형성되며, 상기 유체 채널은 노즐 몸체부의 일단까지 연장되며, 상기 유체 채널의 상부에는 노즐공이 구비되는 것을 특징으로 하는 정전분무장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 유체 채널은 상기 유체 채널은 상부가 개구된 직육면체 형상이며, 노즐 몸체부의 하단을 향한 측부도 개구된 형태를 이루는 것을 특징으로 하는 정전분무장치.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 유체 채널 하단의 양 모서리가 유체 채널의 팁을 이루며, 상기 유체 채널의 팁에서 정전분무가 발생되는 것을 특징으로 하는 정전분무장치.
  8. 제 5 항에 있어서, 상기 노즐 몸체부의 내부에 유체 이동 공간인 유로가 구비되며, 상기 유로는 상기 유체 채널의 노즐공과 연결되는 것을 특징으로 하는 정전분무장치.
  9. 정전분무노즐을 이용한 정전분무방법에 있어서,
    상기 정전분무노즐은,
    원기둥 형태의 노즐 몸체부과, 상기 노즐 몸체부의 둘레를 따라 이격되어 구비된 복수의 유체 채널을 포함하여 이루어지며,
    상기 유체 채널은 노즐 몸체부의 외주면으로부터 파여진 홈 형태로 형성되며, 상기 유체 채널은 노즐 몸체부의 일단까지 연장되며, 상기 유체 채널의 상부에는 노즐공이 구비되며,
    전압인가장치에 의해 정전분무노즐에 (+) 또는 (-)의 전압이 인가된 상태에서, 유체가 정전분무노즐에 공급되면 유체가 (+) 또는 (-)의 단극으로 하전되는 단계; 및
    (+) 또는 (-)로 하전된 유체가 노즐공을 통해 유체 채널로 공급되며, 유체는 유체 채널을 따라 노즐 하부로 이동되며, 전기장의 구배가 가장 큰 유체 채널의 팁에서 액주 형태로 정전분무되는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 정전분무방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 하나의 유체 채널에 2개의 팁이 구비되며, 각각의 팁에서 정전분무가 발생되는 것을 특징으로 하는 정전분무방법.
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