KR20200036900A - 초미세 기포 생성 방법, 초미세 기포-함유액 제조 장치 및 제조 방법, 및 초미세 기포-함유액 - Google Patents

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KR20200036900A
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겐지 다카하시
이쿠오 나카자와
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노부히사 다나하시
요시오 기노시타
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Abstract

히터(2)에 의해 액체에 막 비등을 발생시킴으로써, 액체에 직경이 1.0μm 미만인 초미세 기포(41)를 생성한다.

Description

초미세 기포 생성 방법, 초미세 기포-함유액 제조 장치 및 제조 방법, 및 초미세 기포-함유액
본 발명은, 직경이 1.0μm 미만인 초미세 기포를 생성하는 생성 방법, 초미세 기포-함유액 제조 장치 및 제조 방법, 및 초미세 기포-함유액에 관한 것이다.
근년, 마이크로스케일 직경을 갖는 마이크로버블 및 나노스케일 직경을 갖는 나노버블 등의 미세한 기포의 특성을 응용하는 기술이 개발되어 오고 있다. 특히, 직경이 1.0μm 미만의 초미세 기포(이하, "UFB"라 칭하기도 함)의 이점은 다양한 분야에서 확인되고 있다.
특허문헌 1은, 가압 용해법에 의해 기체를 가압 용해하여 가압 액체를 생성하고 가압 액체의 분출물을 노즐로부터 분출시킴으로써 미세한 기포를 생성하는 장치를 개시하고 있다. 특허문헌 2는, 혼합 유닛에 의해 액체-기체 혼합물의 분류 및 합류를 반복함으로써 미세한 기포를 생성하는 장치를 개시하고 있다.
일본 특허 제6118544호 일본 특허 제4456176호
특허문헌 1에 개시된 장치에서는, 액체는 0.5 내지 0.6MPa의 고압을 가져야 한다. 특허문헌 2에 개시된 장치에서는, 액체는 약 30 기압의 고압을 가져야 하며, 또한 복잡한 유로는 장치의 대형화 및 전력 소비의 증가를 유발한다. 따라서, 특허문헌 1 및 특허문헌 2에 개시된 양 장치는 복잡한 구성을 가지며 소형화하기가 어렵다.
또한, 특허문헌 1 및 특허문헌 2에 개시된 어느 장치에서도, UFB 생성시에, 나노스케일 직경을 갖는 UFB 이외에, 밀리미터-스케일 직경을 갖는 밀리버블 및 마이크로스케일 직경을 갖는 마이크로버블이 비교적 대량으로 생성된다. 이는 UFB를 효율적으로 생성하는 것을 어렵게 만든다. 또한, 다양한 사이즈의 기포로부터 UFB를 추출하기 위해서는, 대형 용기가 필요하며 따라서 장치는 소형화하기가 더 어려워진다.
본 발명의 목적은 초미세 기포를 간단한 구성 의해 효율적으로 생성하는 것이다.
본 발명에 따른 초미세 기포 생성 방법은, 막 비등을 발생시킴으로써, 초미세 기포를 생성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 액체에 막 비등을 발생시킴으로써, 초미세 기포를 간단한 구성에 의해 효율적으로 생성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시형태의 UFB-함유액 제조 장치의 개략 구성도이다.
도 2a는 도 1의 기판의 단면도이다.
도 2b는 도 1의 기판의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시형태에서의 UFB 생성 메커니즘을 도시하는 도면이다.
도 4a는 본 발명의 제1 실시형태에서 제조된 UFB-함유액에서의 기포 직경의 빈도 분포를 도시하는 그래프이다.
도 4b는 본 발명의 제1 실시형태에서 제조된 UFB-함유액에서의 기포 직경의 빈도 분포를 도시하는 그래프이다.
도 5a는 본 발명의 제2 실시형태에서의 UFB-함유액 제조 장치를 도시하는 도면이다.
도 5b는 본 발명의 제2 실시형태의 UFB-함유액 제조 장치를 도시하는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 제3 실시형태에서 제조된 UFB-함유액에서의 기포 직경의 빈도 분포를 도시하는 그래프이다.
도 7a는 본 발명의 제4 실시형태의 UFB-함유액 제조 장치를 도시하는 도면이다.
도 7b는 본 발명의 제4 실시형태의 UFB-함유액 제조 장치를 도시하는 도면이다.
도 7c는 본 발명의 제4 실시형태의 UFB-함유액 제조 장치를 도시하는 그래프이다.
도 8a는 본 발명의 제4 실시형태의 UFB 생성 메커니즘을 도시하는 도면이다.
도 8b는 본 발명의 제4 실시형태의 UFB 생성 메커니즘을 도시하는 도면이다.
도 8c는 본 발명의 제4 실시형태의 UFB 생성 메커니즘을 도시하는 도면이다.
도 8d는 본 발명의 제4 실시형태의 UFB 생성 메커니즘을 도시하는 도면이다.
도 8e는 본 발명의 제4 실시형태의 UFB 생성 메커니즘을 도시하는 도면이다.
도 8f는 본 발명의 제4 실시형태의 UFB 생성 메커니즘을 도시하는 도면이다.
도 9a는 본 발명의 제5 실시형태의 UFB-함유액 제조 장치를 도시하는 도면이다.
도 9b는 본 발명의 제5 실시형태의 UFB-함유액 제조 장치를 도시하는 그래프이다.
도 10a는 본 발명의 제5 실시형태의 UFB 생성 메커니즘을 도시하는 도면이다.
도 10b는 본 발명의 제5 실시형태의 UFB 생성 메커니즘을 도시하는 도면이다.
도 10c는 본 발명의 제5 실시형태의 UFB 생성 메커니즘을 도시하는 도면이다.
도 10d는 본 발명의 제5 실시형태의 UFB 생성 메커니즘을 도시하는 도면이다.
도 10e는 본 발명의 제5 실시형태의 UFB 생성 메커니즘을 도시하는 도면이다.
도 10f는 본 발명의 제5 실시형태의 UFB 생성 메커니즘을 도시하는 도면이다.
도 11a는 본 발명의 제6 실시형태의 UFB-함유액 제조 장치를 도시하는 도면이다.
도 11b는 본 발명의 제6 실시형태의 UFB-함유액 제조 장치를 도시하는 그래프이다.
도 12a는 본 발명의 제6 실시형태의 UFB 생성 메커니즘을 도시하는 도면이다.
도 12b는 본 발명의 제6 실시형태의 UFB 생성 메커니즘을 도시하는 도면이다.
도 12c는 본 발명의 제6 실시형태의 UFB 생성 메커니즘을 도시하는 도면이다.
도 12d는 본 발명의 제6 실시형태의 UFB 생성 메커니즘을 도시하는 도면이다.
도 12e는 본 발명의 제6 실시형태의 UFB 생성 메커니즘을 도시하는 도면이다.
도 13a는 본 발명의 제7 실시형태의 UFB-함유액 제조 장치를 도시하는 도면이다.
도 13b는 본 발명의 제7 실시형태의 UFB-함유액 제조 장치를 도시하는 그래프이다.
도 14a는 본 발명의 제8 실시형태의 UFB-함유액 제조 장치를 도시하는 도면이다.
도 14b는 본 발명의 제8 실시형태의 UFB-함유액의 제조 장치를 도시하는 그래프이다.
도 15a는 본 발명의 제9 실시형태의 UFB-함유액 제조 장치를 도시하는 도면이다.
도 15b는 본 발명의 제9 실시형태의 UFB-함유액 제조 장치를 도시하는 그래프이다.
도 16a는 본 발명의 제10 실시형태의 UFB-함유액 제조 장치를 도시하는 도면이다.
도 16b는 본 발명의 제10 실시형태의 UFB-함유액 제조 장치를 도시하는 그래프이다.
도 17a는 본 발명의 제11 실시형태의 UFB-함유액 제조 장치를 도시하는 도면이다.
도 17b는 본 발명의 제11 실시형태의 UFB-함유액 제조 장치를 도시하는 그래프이다.
도 18a는 본 발명의 제12 실시형태의 UFB-함유액 제조 장치를 도시하는 도면이다.
도 18b 본 발명의 제12 실시형태의 UFB-함유액 제조 장치를 도시하는 그래프이다.
도 19는 본 발명의 제13 실시형태로서의 UFB-함유액의 살균 효과를 설명하는 표이다.
도 20a는 본 발명의 제14 실시형태의 UFB-함유액 제조 장치를 도시하는 도면이다.
도 20b는 본 발명의 제14 실시형태의 UFB-함유액 제조 장치를 도시하는 그래프이다.
도 21a는 도 20a의 기판의 단면도이다.
도 21b는 도 20a의 기판의 단면도이다.
도 22는 본 발명의 제1 실시형태의 변형예로서의 UFB-함유액 제조 장치를 도시하는 도면이다.
도 23은 본 발명의 제1 실시형태의 UFB 생성 메커니즘을 도시하는 도면이다.
이하, 본 발명의 실시형태를 도면을 참고하여 설명한다.
[제1 실시형태]
도 1은, 일례로서, 본 발명의 제1 실시형태의 기포 생성 장치의 개략 구성도이다. 생성 장치는 기포-함유액 제조 장치에 내장되어 있다. 본 실시형태의 장치는 나노스케일 직경, 즉 1.0μm 미만의 직경을 갖는 초미세 기포(이하, "UFB"라고도 지칭함)를 효율적으로 생성한다. 급수 탱크(10)와 저수 탱크(12) 사이에는 액체 챔버인 유수로(11)가 형성되어 있다. 액체가 급수로(15)로부터 급수 탱크(10)로 공급된다. 액체는 급수 탱크(10)로부터 유출된 후 유속(V)으로 유수로(11)를 통해 유동한다. 액체는 저수 탱크(12) 내에 축적되고 배출로(16)로부터 배출된다. 액체를 저류(store)하는 액체 챔버인 유수로(11)에는, 유수로(11)의 미리결정된 영역 내의 액체를 가열해서 막 비등을 발생시키기 위한 발열 저항 소자(히터, 전기열 변환 소자)(2)를 구비하는 기판(1)이 설치된다. 이후에 상세하게 설명되는 바와 같이, UFB는 발열 저항 소자(2)에 의해 액체를 가열하고 막 비등을 발생시킴으로써 액체에서 생성된다.
액체로서는, 예를 들어 순수, 이온 교환수, 증류수, 생리활성수, 자기 활성수, 로션, 수돗물, 해수, 강물, 상하수, 호수물, 지하수, 및 빗물이 사용될 수 있다. 상기 액체 등 중 임의의 것을 포함하는 액체 혼합물도 사용될 수 있다. 또한, 물과 수용성 유기 용제의 혼합 용제가 사용될 수 있다. 물과 혼합해서 사용되는 수용성 유기 용제는 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 이하가 사용될 수 있다: 메틸 알코올, 에틸 알코올, n-프로필 알코올, 이소프로필 알코올, n-부틸 알코올, sec-부틸 알코올, 및 tert-부틸 알코올 등의 1 내지 4개의 탄소 원자를 갖는 알킬 알코올류; N-메틸-2-피롤리돈, 2-피롤리돈, 1,3-디메틸-2-이미다졸리디논, N,N-디메틸포름아미드, 및 N,N-디메틸아세트아미드 등의 아미드류; 아세톤 및 디아세톤 알코올 등의 케톤 또는 케토알코올류; 테트라히드로푸란 및 디옥산 등의 환상 에테르류; 에틸렌 글리콜, 1,2-프로필렌 글리콜, 1,3-프로필렌 글리콜, 1,2-부탄디올, 1,3-부탄디올, 1,4-부탄디올, 1,5- 펜탄디올, 1,2- 헥산디올, 1,6- 헥산디올, 3-메틸-1, 5-펜탄디올, 디에틸렌 글리콜, 트리에틸렌 글리콜, 및 티오디글리콜 등의 글리콜류; 에틸렌 글리콜 모노메틸 에테르, 에틸렌 글리콜 모노에틸 에테르, 에틸렌 글리콜 모노부틸 에테르, 디에틸렌 글리콜 모노메틸 에테르, 디에틸렌 글리콜 모노에틸 에테르, 디에틸렌 글리콜 모노부틸 에테르, 트리에틸렌 글리콜 모노메틸 에테르, 트리에틸렌 글리콜 모노에틸 에테르, 및 트리에틸렌 글리콜 모노부틸 에테르 등의 다가 알코올의 저급 알킬 에테르류; 폴리에틸렌 글리콜 및 폴리프로필렌 글리콜 등의 폴리알킬렌 글리콜류; 및 글리세린, 1,2,6-헥산트리올 및 트리메틸올프로판 등의 트리올류. 이들 수용성 유기 용제는 단독으로 또는 조합하여 사용될 수 있다. 상술한 바와 같이, 막 비등이 발생할 수 있는 다양한 액체가 적용 가능하다.
도 2a는, 도 1의 장치에 사용되는 발열부로서의 발열 저항 소자를 구비하는 기판(이하, "소자 기판"이라고도 칭함)(1)의 단면도이다. 본 실시형태의 소자 기판(1)에서는, 실리콘 기판(201)의 표면에, 축열층으로서의 열산화막(202) 및 축열층을 겸하는 층간막(203)이 적층되어 있다. 층간막(203)으로서는, SiO2 막 또는 SiN막을 사용할 수 있다. 층간막(203)의 표면에는, 저항층(204)이 형성되어 있다. 저항층(204)의 표면에, 배선(205)이 부분적으로 형성된다. 배선(205)으로서는, Al, Al-Si 또는 Al-Cu 등으로 이루어지는 Al 합금 배선을 사용할 수 있다. 배선(205), 저항층(204) 및 층간막(203)의 표면에는, SiO2 막 또는 Si3N4 막으로 이루어지는 보호층(206)이 형성된다. 보호층(206)의 표면에서, 발열부로서의 열 작용 유닛(208)에 대응하는 부분에 및 그 주위에는, 저항층(204)의 발열에 의해 발생하는 화학적 및 물리적인 충격에 대해서 보호층(206)을 보호하기 위해서 내-캐비테이션 막(207)이 형성된다. 저항층(204)의 표면에서, 배선(205)이 형성되어 있지 않은 영역은 저항층(204)이 발열하는 열 작용 유닛(208)이다. 배선(205)이 형성되어 있지 않은 저항층(204)의 발열부는 발열 저항 소자(히터)(2)로서 기능한다. 이와 같이, 소자 기판(1)에서의 층은, 반도체의 제조 기술에 의해 실리콘 기판(201)의 표면에 순차적으로 형성되고, 이에 의해 실리콘 기판(201)에 열 작용 유닛(208)이 제공된다. 도시된 구성은 일례이며 다양한 다른 구성이 적용 가능하다. 예를 들어, 저항층(204) 및 배선(205)의 적층 순서가 역전되는 구성 및 저항층(204)의 하면에 전극이 연결되는 구성(이른바 플러그 전극 구성)이 적용 가능하다. 요컨대, 후술하는 바와 같이 열 작용 유닛(208)이 액체를 가열할 수 있고 액체에 막 비등을 발생시킬 수 있는 한 어떠한 구성도 적용 가능하다.
도 2b는 배선(205)에 연결되는 회로를 포함하는 소자 기판(1)의 영역의 단면도의 예를 도시한다.
P형 도전체인 실리콘 기판(201)의 표면에는, N형 웰 영역(N-type well region)(422) 및 P형 웰 영역(423)이 부분적으로 형성된다. 일반적인 MOS 프로세스에서의 이온 주입 등의 불순물의 주입 및 확산의 단계에 의해, N형 웰 영역(422)에 P-MOS(420)가 형성되고, P형 웰 영역(423)에 N-MOS(421)가 형성된다. P-MOS(420)는, N형 웰 영역(422)의 표면에 N형 또는 P형 불순물을 부분적으로 주입함으로써 얻어지는 소스 영역(425) 및 드레인 영역(426)과, 게이트 배선(435) 등을 포함한다. 게이트 배선(435)은, 소스 영역(425) 및 드레인 영역(426)을 제외하는 N형 웰 영역(422)의 일부의 표면에, 수백 Å의 두께를 갖는 게이트 절연막(428)을 통해서 퇴적되어 있다. N-MOS(421)는, P형 웰 영역(423)의 표면에 N형 또는 P형 불순물을 부분적으로 주입함으로써 얻어지는 소스 영역(425) 및 드레인 영역(426)과, 게이트 배선(435) 등을 포함한다. 게이트 배선(435)은, 소스 영역(425) 및 드레인 영역(426)을 제외하는 P형 웰 영역(423)의 일부의 표면에, 수백 Å의 두께를 갖는 게이트 절연막(428)을 통해서 퇴적되어 있다. 게이트 배선(435)은, CVD법에 의해 퇴적된 4000Å 내지 5000Å의 두께를 갖는 폴리실리콘으로 이루어진다. P-MOS(420) 및 N-MOS(421)는 C-MOS 로직을 형성한다.
N-MOS(421)와 상이한 P형 웰 영역(423)의 부분에는, 전기열 변환 소자(발열 저항 소자)를 구동하기 위한 N-MOS 트랜지스터(430)가 형성된다. N-MOS 트랜지스터(430)는, 불순물의 주입 및 확산의 단계에 의해 P형 웰 영역(423)의 표면에 부분적으로 형성된 소스 영역(432) 및 드레인 영역(431)과, 게이트 배선(433) 등을 포함한다. 게이트 배선(433)은 게이트 절연막(428)을 통해서 소스 영역(432) 및 드레인 영역(431)을 제외하는 P형 웰 영역(423)의 일부의 표면에 퇴적되어 있다.
본 실시형태에서는, 전기열 변환 소자를 구동하기 위한 트랜지스터로서 N-MOS 트랜지스터(430)를 사용한다. 그러나, 구동용 트랜지스터는, 복수의 전기열 변환 소자를 개별적으로 구동하는 능력을 갖고, 상술한 바와 같은 미세한 구조를 얻을 수 있는 한, 어떠한 트랜지스터라도 되며, N-MOS 트랜지스터(430)로 한정되지 않는다. 또한, 본 실시형태에서는 전기열 변환 소자 및 그 구동용 트랜지스터가 동일한 기판 상에 형성되어 있지만, 이들은 상이한 기판에 형성될 수 있다.
인접하는 소자 사이, 예를 들어 P-MOS(420)와 N-MOS(421) 사이 및 N-MOS(421)와 N-MOS 트랜지스터(430) 사이에는, 5000Å 내지 10000Å의 두께의 필드 산화에 의해 산화막 분리 영역(424)이 형성된다. 산화막 분리 영역(424)에 의해 소자가 분리되어 있다. 산화막 분리 영역(424)에서, 열 작용 유닛(208)에 대응하는 부분은 실리콘 기판(201) 상의 제1 축열층(434)으로서 기능한다.
각 소자, 즉 P-MOS(420), N-MOS(421) 및 N-MOS 트랜지스터(430)의 표면에는, CVD법에 의해 층간 절연막(436)이 형성되며, 층간 절연막(436)은 약 7000Å의 두께를 갖는 PSG 막, BPSG 막 등으로 이루어진다. 층간 절연막(436)을 열처리에 의해 평탄화한 후에, 층간 절연막(436) 및 게이트 절연막(428)을 관통하는 콘택트 홀을 통해서 제1 배선층이 되는 Al 전극(437)이 형성된다. 층간 절연막(436) 및 Al 전극(437)의 표면에는, 플라즈마 CVD법에 의해 층간 절연막(438)이 형성되며, 층간 절연막(438)은 10000Å 내지 15000Å의 두께를 갖는 SiO2 막으로 이루어진다. 열 작용 유닛(208) 및 N-MOS 트랜지스터(430)에 대응하는 층간 절연막(438)의 표면의 부분에는, 코-스퍼터링법(co-sputtering method)에 의해 저항층(204)이 형성되며, 저항층(204)은 약 500Å의 두께를 갖는 TaSiN 막으로 이루어진다. 저항층(204)은, 층간 절연막(438)에 형성된 스루홀을 통해서 드레인 영역(431) 근방의 Al 전극(437)에 전기적으로 연결된다. 저항층(204)의 표면에는, 각 전기열 변환 소자에 연결되는 배선이 되는 제2 배선층으로서의 Al의 배선(205)이 형성된다. 배선(205), 저항층(204) 및 층간 절연막(438)의 표면 상의 보호층(206)은, 플라즈마 CVD법에 의해 형성되고 3000Å의 두께를 갖는 SiN 막으로 이루어진다. 보호층(206)의 표면에 퇴적된 내-캐비테이션 막(207)은, 약 2000Å의 두께를 갖는, Ta, Fe, Ni, Cr, Ge, Ru, Zr, Ir 등으로부터 선택되는 적어도 하나의 금속의 막박으로 이루어진다. 저항층(204)으로서는, 상술한 TaSiN 이외에 TaN0.8, CrSiN, TaAl, 또는 WSiN 등의 액체에 막 비등을 발생시킬 수 있는 임의의 재료가 적용 가능하다.
도 3은 도 1에 도시된 장치에 의한 UFB(41)의 생성 메커니즘을 도시하는 도면이다. 도 3은 각각의 경과 시간에 대한 6개의 단계 (a) 내지 (f)를 도시한다. 도 3은 설명을 용이하게 하기 위해서 병렬로 배치된 6개의 발열 저항 소자(2)를 개략적으로 도시한다.
상술한 바와 같이, 기판(1) 상에는 발열 저항 소자(히터)(2)가 형성된다. 히터(2)는, 전기 배선(205)(도 2a)에 연결되며, 펄스 신호에 의해 일정한 전력을 공급 받는다. 펄스 신호의 펄스폭은 약 0.5μsec 내지 10.0μsec이다. 히터(2)에 대하여 극도로 짧은 시간만에 전압이 인가되고, 극도로 높은 열 플럭스(heat flux)가 히터(2)에 제공된다. 히터(2)의 표면 온도가 약 300℃에 가까워지는 경우, 극도로 초기의 단계(약 수 피코초)에서 히터(2)의 표면 상에 핵 비등인 듯한 현상이 관찰되고, 이는 즉시 천이 비등을 초과하며, 도 3의 단계 (a)에 도시된 바와 같이 서브-마이크로초 내지 수 마이크로초 후에 막 비등에 의해 기포(320)가 발생한다. 그 후, 도 3의 단계 (b)에 도시된 바와 같이, 기포(320)는 그 성장 단계로 이행한다. 이때의 초기 발포 압력은 시뮬레이션에 의해 예측될 수 있다. VOF법을 사용한 상업적으로 입수가능한 유체계 소프트웨어(예를 들어, Fluent[ANSYS, Inc.로부터 입수가능] 또는 FLOW-3D[Flow Science, Inc.로부터 입수가능)에 의한 계산의 결과, 발포 압력은 물의 포화 증기압의 값에 가까운 약 8 내지 10MPa이었다.
또한, 기포(320)에 의해 덮여 있는 히터(2)에 전력이 계속해서 공급되기 때문에, 히터(2)의 표면 온도는 약 600 내지 800℃까지 더 상승한다. 그러나, 히터(2)의 전력 공급은 기포(320)의 성장 과정의 초기 단계에서 멈춘다. 기포(320)가 도 3의 단계 (c)에 도시된 바와 같이 최대 직경(히터의 면적의 약 수배)을 갖는 최대 기포까지 성장한 후에, 기포(320)는 도 3의 단계 (d)에 도시된 바와 같이 기포(320) 내의 부압에 의해 그 소멸 과정으로 이행한다. 기포 소멸 과정의 종료 부근에서는, 도 3의 단계 (e)에 도시된 바와 같이, 히터(2)의 표면에 액체가 다시 접촉하는 캐비테이션 I의 현상이 발생한다. 이 단계에서의 주 캐비테이션 I은 위에서 볼 때 기포의 중앙부에서 히터(2)의 표면에 액체가 다시 접촉하는 것에 의해 발생한다. 이때, 히터(2)의 표면 온도는, 약 100℃ 이하까지 저하된다(이때의 히터(2)의 표면 온도는 히터층의 설계 및 막 구성에 따라 상이하다). 그 후, 도 3의 단계 (f)에 도시된 바와 같이, 히터(2)의 표면 상의 적어도 1개의 극도로 작은 영역에서 기포가 소멸되며, 이때 스파크-유사 캐비테이션 II이 발생한다. 상황에 따라, 도 3의 단계 (f)에 도시된 바와 같이, 기포는 기포의 수축 과정에서 복수의 기포로 분할되고 각각의 기포가 소멸되며, 결과적으로 히터(2)의 표면 상의 상이한 위치에서 캐비테이션 II가 발생한다.
캐비테이션 I 및 캐비테이션 II의 기계적인 충격력은 각각 막 비등의 초기 발포 압력과 대략 동일하거나 그 이상의 수치를 가질 수 있다. 전술한 상업적으로 입수가능한 소프트웨어 등을 사용한 측정의 결과, 캐비테이션 I에 의한 압력은 약 5 내지 20MPa였다. 즉, 히터(2)가 20μm×20μm의 사이즈를 갖는 경우, 단위 면적당 히터(2)에 가해지는 압력은 0.02MPa/μm2이다. 한편, 약 1.0μm의 영역에서 발생하는 캐비테이션 II에 의한 단위 면적당의 압력은 5 내지 20MPa/μm2이다. 요컨대, 막 비등 시의 단위 면적당의 충격압은 캐비테이션 II의 발생시에 그 피크에 도달한다. 100 내지 150nm의 직경을 갖는 UFB(322)에 대한 가시화 실험은 어렵고 그 생성 메커니즘은 확정할 수 없지만, 도 3의 단계 (a) 내지 (f)에서 액체 중에 용해된 기체(321)로부터 UFB(322)가 생성되는 것으로 추정된다. 더 구체적으로는, 캐비테이션에 의한 압력에 의해 액체 중에 용해된 용해 기체(321)(파티클)가 승화되고, 이에 의해 UFB가 생성되는 것으로 추정된다. 따라서, 고압을 갖는 초기 발포 단계 (a), 캐비테이션 I이 발생하는 단계 (e), 및 캐비테이션 II이 발생하는 단계 (f)에서 더 많은 UFB가 생성되는 것으로 추정된다.
압력 용해 등의 원리로서, 액체에 용해된 기체가 액체에 가해진 압력, 온도 변동 등에 의해 기포로 전환되는 것이 알려져 있다. 그러나, 본 실시형태의 UFB는 히터를 구동함으로써 발생되는 극도로 짧은 시간의 막 비등에 의해 생성되며, 이들은 종래의 방법에 의해 생성되는 기포와 상이하다. 일반적으로, 광학 현미경, 고속 카메라 등에 의해 마이크로스케일 마이크로버블을 관찰할 수 있다. 생성된 마이크로버블은 그 성장 과정 이후 수 마이크로초에 소멸된다. 대조적으로, 나노스케일 직경(UFB)을 갖는 기포는 너무 작아서 광학 현미경에 의해 분석되기가 어렵기 때문에 전통적으로 관찰하기가 어려웠다. 그러나, 본 발명자들은 광 산란 기술 등을 사용한 측정을 통해 UFB의 존재를 확인하였다.
액체 중에 막 비등을 발생시키는 시스템으로서는, 다양한 시스템이 채용될 수 있다. 예를 들어, 액체가 존재하는 공간 내의 공중에 제공된 히터(2)에 의해 막 비등이 발생되는 구성, 또는 기포의 성장의 방향이 기포의 성장에 수반하는 액체의 이동의 방향과 반대인 구성을 채용할 수 있다. UFB 생성 방법으로서, 상술한 소자 기판(1)의 구성 및 생성 장치의 구성은 단지 일례이다. 액체 중에서 발열 저항 소자(2)를 약 300℃ 이상으로 가열하고 액체 중에 기포를 형성시킴으로써 UFB가 생성될 수 있다. 즉, UFB는 막 비등을 사용하여 액체 중에 기포를 형성시킴으로써 생성될 수 있으며, 적어도 도 3의 단계 (a)에서 UFB가 생성되는 것으로 추정된다. 예를 들어, 도 3의 단계 (a)에서 막 비등에 의해 생성된 기포는 후속하는 단계 (b) 내지 (f)의 과정에서 대기와 연통할 수 있고, 이에 의해 기포 소멸 과정인 단계 (f)의 과정이 생략될 수 있다. 상술한 바와 같이, 막 비등을 사용하여 액체 중에 기포를 발생시킴으로써, 1.0μm 미만의 직경을 갖는 UFB를 생성할 수 있다. 이때, 마이크로스케일 직경을 갖는 마이크로버블 및 나노스케일 직경을 갖는 나노버블은 거의 생성되지 않는다. 즉, 실질적으로 UFB만을 고효율로 생성할 수 있다.
또한, 액체가 도 1에 도시된 바와 같이 발열 저항 소자(2)가 제공되는 영역을 통해 유동하는 구성 대신에, 액체가 정지하고 있는 상태에서 막 비등에 의해 기포를 생성할 수 있다.
또한, UFB와 관련하여, 현재 표준화 메커니즘을 표준화하고 명확화하기 위해서 일본에 사무소가 있는 ISO/TC 281에 의해 연구가 실행되고 있다. 1.0μm 이하의 기포가 2017의 말에 개최된 ISO/TC 281 컨퍼런스에서 UFB에 대한 표준으로서 규정되었다. 그러나, 용액에서 1.0μm 이하의 UFB의 장기간 및 안정적 존재의 메커니즘은 아직 명확화되지 않았다. 메커니즘을 명화화하기 위해서, 세계의 다양한 연구기관이 실험적인 관찰 및 이론적인 계산을 현재 행하고 있다. 요컨대, 보이지 않는 기포(UFB)와 관련하여, 여전히 명확화될 많은 현상이 남아 있다. 지금으로서는, 본 발명의 발명자들은 전술한 UFB 생성 메커니즘(제1 메커니즘) 이외에 2개의 메커니즘(제2 및 제3 메커니즘)을 추정하고 있다.
도 23은 도 1의 장치를 사용한 UFB 생성 메커니즘(제2 메커니즘)을 나타낸다. 수돗물로 충전된 유로(2602)에서 액체의 유동(약 10m/s)이 발생한다. 내부에 기체를 함유하는 1.0μm 이상의 마이크로버블(2603)이 유동 내로 취입된다. 구형파(square wave)의 짧은 펄스가 유로(2602)에 제공된 히터(2601)에 인가되며, 이에 의해 충격파(2604)가 유로(2602) 내의 액체를 통해 전파된다. 이때, 유로 벽(0 속도)과 유로(2602) 내의 순환 유동 사이에는 전단 강도(∝V/L)가 발생한다. V는 유량을 나타내며, L은 유로 폭(유로 벽으로부터 유로의 중심까지의 거리)을 나타낸다. 유량(V)이 10m/s인 경우, 약 수십 마이크로미터의 유로 폭(L)을 갖는 유로 내에서 10E(+6)-오더(order) 전단 강도가 발생한다. 히터(2601)의 구동에 의한 막 비등의 발생시의 충격압은 약 10 [MPa]이다.
상기로부터, 본 발명의 발명자들은, 본 발명의 UFB 생성 메커니즘(제2 메커니즘)으로서, 히터(2601)의 구동에 의해 발생되는 충격파는 유로(2602) 내의 마이크로버블(2603)을 UFB(2605)로 분할한다고 추정하고 있다.
이어서, 도 1의 장치를 사용한 UFB 생성 메커니즘(제3 메커니즘)에 대해서 설명한다. 히터의 표면은 구형파의 충격 펄스를 히터에 인가함으로써 급속하게 가열된다. 이때, 히터 부근의 액체는 증기 기포로 부분적으로 증발한다. 증기 기포는 막 비등 현상에 관계없이 미세한 증기 기포(UFB)로서 액체 내에 부분적으로 남는다. 증기 기포는 UFB로 전환되고 장기간 동안 액체 내에 머무른다. 또한, 막 비등 현상에서의 기포 성장 및 기포 수축의 과정은 형상을 변경하는 기포(마이크로버블)의 표면으로부터의 미세한 기포의 출발 과정을 포함하는 것으로 상정된다. 이때 출발한 미세한 기포(UFB)는 액체 내에 남는 것으로 추정된다. 상기 관점으로부터, 본 발명의 발명자는, 본 발명의 UFB 생성 메커니즘(제3 메커니즘)으로서, 히터의 가열시에 발생하는 증기 기포 및 막 비등 과정에서 발생되는 미세한 기포가 UFB로 전환되며 액체 내에 남는다고 추정하고 있다.
상기 3개의 메커니즘(제1 내지 제3 메커니즘) 중 2개 또는 3개가 UFB를 생성하도록 작용하는 것도 고려된다.
이어서, UFB의 특성에 대해서 설명한다. 설명의 편의상, 수용액(순수(pure water) 등)에 UFB가 생성되는 것으로 상정한다.
현재 상업적으로 입수가능한 UFB는 50 내지 500nm의 직경을 갖는다(2017년 말에 개최된 ISO/TC 281 컨퍼런스에서, UFB는 1.0μm 이하의 기포로서 규정되었다). 이러한 미세한 기포는, 물리적인 특성으로서, 수용액 중에서 pH에 의존하는 표면 전위를 갖는다. 이는, 기포 계면에서의 물의 수소-결합 네트워크가, 그 구성 인자로서, 더 많은 수소 이온 또는 수산화물 이온을 필요로하기 때문이다. 기포의 전하는 주위의 물에 대하여 평형 조건을 유지하고 있기 때문에, 기포의 전하는 기포 직경에 무관하게 일정한 값을 갖는다. 또한, 전기적으로 대전된 기포 표면은 정전기력을 가하기 때문에, 기포 전하와 반대의 전하를 갖는 이온이 기-액 계면을 향해 끌어당겨진다. 기포 전하는 평형으로 유지되지만, 기포가 단시간에 축소되는 경우, 전하는 농축된다. 기포 축소의 속도가 가속되고 기포 직경이 감소되는 경우, 단위 면적당의 전하량은 기포 직경의 제곱에 반비례해서 증가한다.
UFB와 같은 미세한 기포는 그 기-액 계면에 의해 둘러싸이기 때문에, 기포의 내부는 표면 장력의 영향을 받아 자기(by itself) 가압된다. 환경 압력에 대한 기포 내부의 압력 상승은 영-라플라스 식(Young-Laplace equation)에 기초하여 이하와 같이 논리적으로 추측된다:
ΔP=4σ/D (1)
상기 식에서, ΔP는 압력 상승의 정도이고, σ은 표면 장력이며, D는 기포 직경이다. 실온에서의 증류수의 경우, 10μm의 직경을 갖는 기포의 압력 상승은 약 0.3 기압이며, 1μm의 직경을 갖는 기포의 압력 상승은 약 3기압이다. 자기 가압된 기포 내의 기체는 헨리의 법칙(Henry's law)에 의해 물에 용해된다. 따라서, 기포의 직경은 서서히 축소되고, 이는 기포 내의 압력의 상승을 수반하여, 기포 직경의 축소 속도가 가속된다. 이 결과, 1μm 이하의 직경을 갖는 UFB는 거의 순간적으로 완전히 용해된다. 즉, UFB는 극도로 순간적으로만 존재한다.
그러나, 실제로는, 이하와 같은 메커니즘을 통해 UFB는 안정적으로 존재하는 것으로 추정된다.
즉, UFB의 경우, 전하는 그 기-액 계면에서 매우 높은 밀도로 농축되기 때문에, 볼-유사 기-액 계면에서의 반대 전하 사이에 작용하는 정전기적인 반발력에 의해 UFB는 수축하는 것이 방지된다. 또한, 농축된 고 전기장은 UFB의 주위에 철 이온 등의 전해질 이온으로 주로 구성되는 무기질 외피를 발생시키도록 작용하고, 이는 UFB 내의 기체의 소산을 방지한다. 계면활성제 또는 유기질 외피와 상이한 이러한 외피는, 세균 등의 다른 물질과의 UFB의 접촉에 의해 발생하는 UFB 주위의 전하의 일탈에 의해 자체적으로 용이하게 붕괴된다. 외피의 붕괴의 경우에, UFB 내의 기체는 수용액으로 용이하게 방출된다.
일반적으로, 액체 중의 기포에 작용하는 힘은 부력 및 항력을 포함한다. 부력은 기포의 체적에 비례한다(기포의 반경의 세제곱에 비례한다). 항력은, 기포의 단면적에 비례(기포의 반경의 제곱에 비례)하며, 기포의 상승 속도의 제곱에 비례한다. 더 구체적으로는, 기포의 반경을 r로 나타내고, 물의 밀도를 ρ로 나타내고, 중력 가속도를 g로 나타내고, 물의 점도를 η로 나타내며, 기포 이동의 속도를 u로 나타내는 경우, 기포에 작용하는 부력(기포의 밀도는 무시한다)은 아르키메데스의 원리(Archimedes' principle)에 기초하여 이하의 식 (2)에 의해 표현된다:
F = 4πr3ρg/3 (2)
기포에 작용하는 항력은 스토크스의 법칙(Stokes' law)에 기초하여 이하의 식 (3)에 의해 표현된다.
F = 6πηru (3)
상기 식 (2) 및 (3)에 따르면, 기포 이동의 속도(u)는 이하의 식 (4)에 의해 표현된다:
u = (2/9)r2ρg/η (4)
식 (4)로부터, 기포 이동의 속도(u)는 기포의 반경(r)이 커질수록 증가하는 것으로 이해된다. 따라서, 예를 들어 밀리스케일 직경을 갖는 기포의 경우, 기포의 반경이 크기 때문에, 기포에 가해지는 부력 및 기포의 상승 속도는 높다.
1 기압 하에서의 기포의 반경(r)을 a로 나타내는 경우, 반경(r) 및 수심(h)은 이하의 식 (5)에 의해 표현된다:
r = a×{101325/(ρgh + 101325)}1/3 ... (5)
식 (4) 및 (5)로부터, 수심이 감소함에 따라 기포의 상승 속도가 증가하는 것으로 이해된다.
직경이 1.0μm 미만인 UFB의 용해도는 염석 현상에 의해 저하되고, 따라서 UFB는 장기간 동안 안정적으로 액체 중에 존재하게 되는 것으로 추측된다. 즉, UFB가 염석 현상에 의해 장기간 동안 안정적으로 존재하게 된다는 것을 전제로 하여, 7에 가까운 pH를 갖는 UFB 물은 존재할 수 없다. 그러나, UFB가 중성 액체 중에서도 안정적으로 존재하는 경우가 있다.
직경이 1.0μm인 UFB의 용해도는 염석 현상에 의해 감소되며, 따라서 UFB는 장기간 동안 액체 중에 안정적으로 존재한다. 일반적으로, UFB 및 더 큰 기포가 혼재되어 있는 상태에서는, UFB는 더 큰 기포의 영향에 의해 부상하거나 외압에 의한 캐비테이션 파괴의 영향을 받고, 그 결과 UFB는 수명이 짧아진다. 그러나, 본 발명에 따르면, UFB의 생성의 경우에 직경이 1.0μm 이상의 큰 기포는 거의 생성되지 않기 때문에, 생성된 UFB의 수명은 더 길어질 수 있다.
더 구체적으로는, 히터(2)에 구형파의 단 펄스(1.0μsec)의 전기 신호를 부여하여, 공업용 순수에 막 비등을 단속적으로(intermittently) 및 반복적으로 발생시켰다. 히터(2)에 100μsec의 구동 주기로 반복적으로 구형파의 전기 신호를 1.0e8(1.0×108)회 부여하여, 막 비등 현상을 발생시키고, 그후 순수를 회수했다. 회수된 순수는 무색 및 투명했고, 백탁은 없었다. 투명도는 1.0mm 이상이었다. 이 회수된 순수를 측정기 SALD-7500(Shimadzu Corp.로부터 입수가능)에 세트했다. 측정 결과, 순수 중에서의 직경이 1.0μm 미만인 UFB의 수 밀도는 10억개/ml였다. 그때의 기포 직경의 빈도 분포를 도 4a에 나타낸다. 직경이 10nm 내지 400nm의 범위인 UFB의 수는 전체의 99%였다. 막 비등의 발생 전의 공업용 순수(원수)에서는, UFB의 수 밀도는 제로/ml였다.
도 4a는 UFB를 생성하고 나서 24시간 경과 후의 측정 결과를 나타내며, 직경이 1.0μm 이상인 기포의 수는 전체의 0.006%였다. 즉, 직경이 1.0μm 미만인 UFB는 전체의 99.994%를 점유하고 있었다. 따라서, UFB는 직경이 1.0μm 이상인 큰 기포에 의한 영향을 거의 받지 않는다. 이러한 UFB를 함유하는 순수를 유리 용기에 넣어서 차갑고 어두운 장소(약 25℃)에서 3개월 동안 보존한 후에도, UFB의 수는 사실상 변화하지 않은 상태로 유지되었다.
히터(2)의 표면에서의 막 비등 현상에 의해 발생하는 기포(320)(마이크로버블 및 밀리버블)는, 그것들의 내부가 부압이기 때문에, 수 마이크로초 내지 수 밀리초 이내에 소멸된다. 그러나, 막 비등 내지 캐비테이션을 포함하는 도 3의 단계 (a) 내지 (f)에서 수많은 UFB(322)가 생성된 것을 나타냈다. 생성에 요하는 시간은 약 3시간이 조금 안되었다. 막 비등으로부터 캐비테이션(단계 [a] 내지 [f])까지의 1회의 연속 단계에서 생성된 UFB(322)의 수는 약 10개였다.
도 1의 장치에 의해 UFB(41)를 생성했다. 기판(1) 위에 10,000개의 히터(2)를 제공했고, 히터(2)에 10kHz의 구동 주파수에서 펄스 신호(펄스폭:1.0μs, 전압:24V)를 부여했다. 이때, 유수로(11) 중에서의 유속(V)이 1.0L/h가 되도록 공업용 순수를 공급했다. 도 1에 도시된 바와 같이, 기판(1)은 히터(2)가 상방을 향하도록 유수로(11) 내의 저부에 제공되었다. 따라서, 순수의 막 비등에 따라 생성되는 UFB(41)는 유수로(11) 내에서 상방으로 확산되었고 순수 중에 함유되었다. UFB(41)을 함유하는 순수는 순수의 유동을 따라 도 1 중의 화살표에 의해 나타낸 방향으로 유동했다.
히터의 총 수 = 1.0e4(=1.0×104)
생성된 UFB의 수 = (1.0e4)×10×(1.0e4)×60[s]×60[min]
= 3.6e12 ((UFB/L)/h)
1시간에 36억개/ml의 UFB(41)가 생성되었다. 이와 같이, UFB(41)가 단시간에 높은 수 밀도로 생성되었다. 이를 확인하기 위해서, 회수한 순수를 측정기 SALD-7500(Shimadzu Corp.로부터 입수가능)에 세트했다. 측정 결과, 순수 중의 직경인 1.0μm 미만인 UFB(41)의 수 밀도는 약 36억개/ml였다. 그때의 기포 직경의 빈도 분포를 도 4b에 나타낸다. 직경이 10nm 내지 400nm의 범위인 UFB(41)의 수는 전체의 99.8%였다.
상기 방식으로 생성된 UFB 내에 포함되는 기체를 가스 크로마토그래피(GC-TCD)법에 의해 분석하였다. 캐리어 가스로서 He를 사용해서 검출한 결과, 질소 가스와 산소 가스가 검출되었다. 또한, Ar 가스를 캐리어 가스로서 사용하여 측정한 결과, 수소 가스는 검출되지 않았다. 이들 결과는, 막 비등 내지 캐비테이션을 포함하는 도 3의 단계 (a) 내지 (f)에서 순수 중에 용해되어 있는 공기로부터 UFB가 생성된다는 것을 보여주었다. 또한, 측정기(NanoSight Ltd.로부터 입수가능한 NS-300)를 사용하여, UFB를 함유하는 순수(pH≒7.0)에서 UFB의 제타 전위(zeta potential)를 측정했다. 측정 결과, 각각의 UFB에 따른 변동은 있지만, 제타 전위는 -46mV(-10 내지 150mV)의 평균값을 가졌다.
[제1 실시형태의 변형예]
도 22는 도 1에 도시된 UFB 생성 장치에 기초한 장치를 나타낸다. 도 22의 장치는 더 높은 수 밀도로 UFB를 생성한다. 도 1의 구성 이외에, 이 변형예는 생성된 UFB를 함유하는 액체가 순환되어 다시 UFB를 생성하는 구성을 갖는다.
히터(2)에 의해 막 비등을 발생시킴으로써 생성된 UFB를 함유하는 액체는 3-웨이 밸브(2250 및 2260)(순환 시스템)를 통해 공급 용기(10)로 복귀되어, 히터(2)에 의해 막 비등을 발생시킴으로써 UFB가 다시 생성될 수 있다. 순환 유동을 발생시키기 위한 전력의 소스로서, 순환 유로 시스템에 펌프(2270)가 연결된다. 이 구성은 높은 수 밀도의 UFB 생성을 가능하게 한다. 액체 순환의 횟수 및 순환 액체의 유량을 적절하게 설정함으로써 원하는 수 밀도의 UFB-함유액(초미세 기포-함유액)을 생성할 수 있다. 순환 유동이 생성되는 동안, 원하는 기체가 기체 주입 포트(30)로부터 연속적으로 또는 단속적으로 공급될 수 있다. 공기의 나노버블을 생성하는 경우, 공기의 용해는 공급 용기(10)를 대기에 노출시키고 공급 용기(10) 내의 액체를 외부 공기와 접촉시킴으로써 용이해질 수 있다.
[제2 실시형태]
도 5a는 본 발명의 제2 실시형태의 기포 생성 장치의 개략 구성도이다. 생성 장치는 기포-함유액 제조 장치에 내장되어 있다. 본 실시형태에서는, 제1 실시형태와 마찬가지로 1개의 기판(1) 상에 10,000개의 히터(2)가 제공되었으며, 총 10개의 기판(10)이 직렬로 장착되었다(간략화를 위해 3개의 기판(1)만이 도시되어 있다). 히터(2)에는 20kHz의 구동 주파수에서 펄스 신호(펄스폭:1.0μs, 전압:24V)를 부여했다. 유수로(11)에 수돗물을 공급하고, 그 유속(V)을 1.0L/h로 설정했다.
히터의 총 수 = 1.0e4×10 = 1.0e5 (= 1.0×105)
생성된 UFB의 수 = (1.0e5)×10×(2.0e4)×60[s]
= 1.2e12 ((UFB/L)/min)
1분간 12억개/ml의 UFB(41)가 생성되었다. 이와 같이, UFB(41)는 극도로 짧은 시간 내에 높은 수 밀도로 생성되었다. 그 확인을 위해서, 회수한 수돗물을 측정기 SALD-7500(Shimadzu Corp.로부터 입수가능)에 세트하였다. 측정 결과, 수돗물 중의 직경이 1.0μm 미만인 UFB(41)의 수 밀도는 약 12억개/ml였다. 그때의 기포 직경의 빈도 분포를 도 5b에 나타낸다. 직경이 10nm 내지 400nm의 범위인 UFB(41)의 수는 전체의 99.7%였다. 제1 실시형태에서와 같이, 상기 방식으로 생성된 UFB에 포함되는 기체를 GC-TCD법에 의해 분석했다. 분석 결과, 질소 및 산소가 검출되었다. 또한, 수돗물의 성분을 분석하였다. 분석 결과, 불순물의 증가는 검출되지 않았다. 기판(1)은, 직렬이 아니고 병렬로 배치될 수 있고, 2차원적으로 배치될 수 있다는 것에 유의해야 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, UFB의 생성 시에, 직경이 1.0μm 이상의 큰 기포는 거의 생성되지 않는다. 따라서, UFB의 발생 수단으로서의 복수의 히터(2)를 제공하고 복수의 기판(1)을 제공함으로써 공간을 절약하면서 효율적으로 UFB를 생성할 수 있다.
[제3 실시형태]
제3 실시형태에서는, 제2 실시형태와 마찬가지로, 도 5a에 도시된 장치를 사용해서 UFB(41)를 생성했다. 각 기판(1)에 제공된 히터(2)의 수, 장착된 기판(1)의 수, 히터(2)를 구동하는 조건, 및 수돗물의 유속(V)은 제2 실시형태와 동일하다. 그러나, 제3 실시형태에서는, 급수 탱크(10) 내의 수돗물 내로 기체 주입 포트(30)로부터 질소 가스를 24시간 동안 주입해서 수돗물 기포를 만들어, 급수 탱크(10) 내의 수돗물에 용해된 기체의 대부분을 질소 가스로 변환했다. 즉, 질소 가스가 주로 용해된 액체에 막 비등을 발생시킴으로써 UFB를 생성했다.
제2 실시형태와 마찬가지로, 1분간 12억개/ml의 UFB(41)가 생성되었다. 이와 같이, UFB(41)는 극도로 짧은 시간 내에 높은 수 밀도로 생성되었다. 그 확인을 위해서, 회수한 수돗물을 측정기 SALD-7500(Shimadzu Corp.로부터 입수가능)에 세트하였다. 측정 결과, 수돗물 중의 직경이 1.0μm 미만인 UFB(41)의 수 밀도는 약 12억개/ml였다. 그때의 기포 직경의 빈도 분포를 도 6에 나타낸다. 직경이 10nm 내지 400nm의 범위인 UFB(41)의 수는 전체의 99.0%였다. 제2 실시형태와 마찬가지로, 상기 방식으로 생성된 UFB 내에 포함되는 기체를 GC-TCD법에 의해 분석했다. 분석 결과, 질소와 산소가 검출되어, 질소의 양은 제2 실시형태에서 검출된 양의 2 내지 3배였다. 수돗물의 성분을 또한 분석하였다. 분석 결과, 불순물의 증가는 검출되지 않았다. 본 실시형태에서는, 미리 질소 가스를 액체에 주입했다. 그러나, 본 발명은 이것으로 한정되지 않는다. 질소 가스는 히터(2)의 상류에서 유동하는 액체 내로 주입될 수 있다. 또한, 주입되는 가스는 질소 가스로 한정되지 않는다.
제1 실시형태의 변형예로서 도시된 도 22의 구성은 상술한 제2 및 제3 실시형태에도 적용 가능하다. 예를 들어, 제2 실시형태에서와 같이 복수의 기판(1)에 의해 UFB를 생성하고 그후 결과적인 액체를 도 22에 도시된 순환 구성에 의해 공급 용기(2210)에 복귀시키는 경우, UFB는 기판(1)에 의해 다시 생성될 수 있다. 이는 높은 수 밀도의 UFB-함유액의 더 효율적인 생성을 가능하게 한다.
[제4 실시형태]
도 7a는 본 발명의 제4 실시형태에서의 UFB 생성 장치의 개략 구성도이다. 생성 장치는 UFB-함유액 제조 장치에 내장되어 있다. 도 7b는 생성 장치에 사용되는 액체 토출 유닛(700)의 구성예의 개략 사시도이다.
도 7b의 액체 토출 유닛(700)은, 액체를 토출하는 액체 토출 소자(212), 액체 탱크(213), 및 액체 탱크(213)의 외부 부재의 일 표면에 제공된 전기 배선 보드인 TAB 필름(214)을 포함한다. 액체 토출 유닛(700)은, 액체 토출 유닛(700)을 제어하는 생성 장치의 제어 유닛에, 전기 신호를 교환하기 위한 TAB 필름(214)을 통해서 연결되어 있다. TAB 필름(214)은, 전기 연결 리드(215)를 통해 액체 토출 소자(212)에 연결되어 있다. 액체 토출 소자(212)는, 후술하는 바와 같이, 토출구(209)로부터 UFB를 함유하는 액체를 토출한다. 액체 토출 유닛(700)은 UFB를 생성하는 메커니즘의 3개의 형태(제1, 제2, 및 제3 형태)를 사용한다. 본 실시형태에서는, 제1 형태의 메커니즘에 의해 UFB를 생성한다.
도 8a 내지 도 8f는 UFB를 생성하는 제1 형태의 메커니즘을 설명하기 위한 액체 토출 소자(212)의 액체 토출부의 단면도이다. 발열 저항 소자로서의 히터(801)를 갖는 기판(800)과 노즐 부재(803) 사이에는, 히터(801)가 위치하는 압력 챔버(액체를 저류하는 액체 챔버) 및 압력 챔버 내로 액체를 공급하는 액체 유로(공급로)(802)가 형성된다. 히터(801)와 대향하는 노즐 부재(803) 상의 위치에는, 압력 챔버와 연통하는 토출구(209)가 형성되어 있다. 토출구(209)로부터 UFB(810)를 함유하는 액체(806)가 토출된다. 히터(801)에는, 도시되지 않은 전기 배선을 통해서 일정한 전력의 펄스 신호가 공급된다. 본 실시형태에서는, 히터(801)는 약 0.5μsec 내지 10.0μsec의 펄스폭을 갖는 극도로 짧은 펄스에 의해 급전된다.
이러한 짧은 펄스가 히터(801)에 인가되어, 히터(801)에 극도로 높은 열 플럭스를 제공한다. 히터(801)의 표면 온도가 약 300℃에 근접해 가는 경우, 극도로 초기의 단계(약 수 피코초)에서 히터(801)에 대해 핵 비등인 듯한 현상이 관찰된다. 서브-마이크로초 내지 수 마이크로초 후에는, 도 8a에 도시된 바와 같이 막 비등에 의해 기포(807)가 발생한다. 이때, 액체(806)는 토출구(209)로부터 약간 조금 돌출한다.
그 후, 도 8b에 도시된 바와 같이 기포(807)는 그 성장 단계로 이행하고, 액체(806)가 토출구(209)로부터 크게 돌출한다. 표면이 기포(807)로 덮인 히터(801)에 전력이 계속해서 공급되기 때문에, 히터(801)의 표면 온도는 약 600 내지 800℃까지 더 상승한다. 그러나, 히터(801)에 대한 전력 공급은 기포(807)의 성장 과정의 초기 단계에서 정지된다. 기포(807)는, 도 8c에 도시된 바와 같이, 최대 직경(히터의 면적의 약 수 배)을 갖는 최대 기포로 성장하고, 액체(806)는 토출구(209)로부터 분리되어 토출된다. 이와 같이, 액체의 발포 에너지를 이용하여, 토출구(209)로부터 액체(806)를 토출한다.
그 후, 도 8d에 도시된 바와 같이, 기포(807)는 기포(807) 내의 부압에 의해 그 소멸 과정으로 이행한다. 이때, 토출구(209)로부터 토출된 액체(806)는 약 10 내지 20m/sec의 속도로 공기 중으로 비상한다. 액체(806)는, 1개의 액적일 수 있거나, 또는 작은 액적 또는 미스트 액적(mist droplet)으로 분리될 수 있다. 기포(807)의 소멸 과정의 종료 부근에서는, 도 8e에 도시된 바와 같이, 히터(801)의 표면에 액체가 다시 접촉하는 캐비테이션 I의 현상이 발생한다. 이때, 히터(801)의 표면 온도는 약 100℃ 이하까지 저하된다(이때의 히터(801)의 표면 온도는 히터층의 설계 및 막 구성에 따라 상이하다). 그 후, 도 8f에 도시된 바와 같이, 히터(801)의 표면 상의 적어도 1개의 극도로 작은 영역에서 기포가 소멸되고, 이때 스파크-유사 캐비테이션 II가 발생한다.
캐비테이션 I 및 캐비테이션 II의 기계적인 충격력은 각각 막 비등의 초기 발포 압력과 대략 동일하거나 그 이상의 수치를 가질 수 있다. 단위 면적당의 충격력은 캐비테이션 II의 발생시에 그 피크에 도달할 수 있다. 도 8a 내지 도 8f에 도시된 단계를 통해, 액체 중에 용해되어 있는 기체로부터 UFB(810)가 생성되었다. 또한 도 3을 참고하여 설명한 바와 같이, 적어도 막 비등에 의해 기포가 발생하는 도 8a의 단계를 통해 UFB가 발생하는 것으로 추정된다.
이렇게 생성된 UFB(810)는 그후 히터(801)에 펄스 신호를 인가함으로써 토출되는 액체(806)에 함유된다. UFB(810)를 함유하는 액체(806)는 도 7a에 도시된 제1 회수 용기(706) 내에 축적된다. 이때, 액체 토출 소자(212)는 제1 회수 용기(706)와 접촉하고 있는 것이 바람직하다(간극이 어느 정도 허용된다). 액체(806)는 토출되는 액체(806)의 상태(예를 들어, 속도, 체적, 및 작은 액적 또는 미스트 액적의 수)에 따라서는 펌프(710)에 의해 흡인될 수 있다. 또한, 액체(806)는 생성되는 UFB(810)의 수 밀도 또는 기포 직경에 따라서는 희석 액체 포트(704)로부터 액체를 추가함으로써 희석될 수 있다.
제1 회수 용기(706) 내에 축적된 액체(806)는, 그 내부에 함유되는 UFB(810)이외의 불순물을 제거하기 위해서 필터(709)를 통해서 제2 회수 용기(707)로 이동된다. 필터(709)의 필터 직경은 1.0μm 이상이면 된다. 필터(709)의 재료는 사용되는 액체에 불용해성이라면 한정되지 않는다. 제2 회수 용기(707)는 UFB 제조 장치에 대하여 부착 및 탈거 가능하며 밀봉(캡핑)될 수 있는 것이 바람직하다. 이러한 점에서, 제2 회수 용기(707)의 재료로서 유리가 적합하다. 제2 회수 용기(707)에 UFB(810)를 함유하는 액체를 보존하는 경우, 제2 회수 용기(707)의 재료는 가스에 대해 높은 보호 정도를 제공하는 것이 요구된다. 대안적으로, 제2 회수 용기(707) 내의 UFB(810)는 가스에 대해 높은 보호 정도를 갖는 다른 용기로 이동되고 보존될 수 있다.
제2 실시형태에서와 같이, 10,000개의 히터(801)를 1개의 기판(800) 상에 제공했고, 총 10개의 기판(800)을 병렬로 장착했다. 히터(801)에는, 20kHz의 구동 주파수에서 펄스 신호(펄스폭:1.0μs, 전압:24V)를 부여했다. 액체 공급관(705)을 통해서, 순수를 액체 공급 탱크(702)로부터 액체 토출 유닛(700)에 공급했다. 그때, 탄산 가스를 기체 주입 포트(703)로부터 액체 공급 탱크(702) 내의 순수 내로 주입하여 순수 기포를 만들어냄으로써, 순수로부터 가능한 많은 공기를 제거하고 탄산 가스의 포화 용해도 부근까지 순수 중에 탄산 가스를 용해시켰다.
또한, 토출구(209)가 설치된 액체 토출 소자(212)의 표면을 액체 공급 탱크(702) 내의 액체의 표면보다 낮게 하고 그들 사이에 수두차(H)를 유지시킴으로써, 토출구(209)로부터 효율적으로 액체(806)를 토출시킬 수 있다. 즉, 액체 유로(802) 또는 토출구(209)가 이물 또는 기포로 막히는 경우에, 이러한 수두차(H)를 유지시키는 것에 의해, 이물 및 기포를 수압에 의해 토출구(209)로부터 제1 회수 용기(706) 내로 이동시키는 것이 용이해질 수 있다. 결과적으로, 토출구(209)로부터 액체가 토출되지 않는 상황(액체 토출 불량)을 방지하면서, UFB(810)를 함유하는 액체(806)를 효율적으로 제조하고 제1 회수 용기(706)에 보존할 수 있다. 도 7a의 경우와 대조적으로, 토출구(209)가 설치된 액체 토출 소자(212)의 표면을 액체 공급 탱크(702) 내의 액체의 표면보다 높게 함으로써, 수두차를 제공할 수 있다는 것에 유의해야 한다. 본 실시형태의 경우, 액체 토출 유닛(700)의 액체 토출 소자(212)는 액체(806)를 하향으로(중력 방향으로) 토출한다.
히터의 총 수 = 1.0e4×10 = 1.0e5 (= 1.0×105)
생성된 UFB의 수 = (1.0e5)×10×(2.0e4)×60[s]
= 1.2e12 ((UFB/L)/min)
1분간 12억개/ml의 UFB(810)가 생성되었다. 이와 같이, UFB(810)는 극도로 짧은 시간에 높은 수 밀도로 생성되었다. 이를 확인하기 위해서, 회수한 순수를 측정기 SALD-7500(Shimadzu Corp.로부터 입수가능)에 세트했다. 측정 결과, 순수 중의 직경이 1.0μm 미만인 UFB(810)의 수 밀도는 약 12억개/ml였다. 그때의 기포 직경의 빈도 분포를 도 7c에 나타낸다. 직경이 10nm 내지 400nm의 범위인 UFB(810)의 수는 전체의 99.7%였다.
제2 실시형태에서와 같이 상기 방식으로 생성된 UFB(810) 내에 포함되는 기체를 GC-TCD법에 의해 분석했다. 분석 결과, 이산화탄소(CO2)가 검출되었다. 검출된 이산화탄소의 양은 10 [mg/L]이었다. 실온(약 25℃)에서 물에의 탄산 가스의 포화 용해도는 약 1.0 [mg/L]이기 때문에, 생성된 UFB(810)에 포함되는 탄산 가스의 양은 약 10배 증가했다고 말할 수 있다. "낮은 용해도의 기체의 경우에는, 일정량의 액체에 용해되는 기체의 양은 일정 온도에서는 기체의 압력에 비례한다"라고 하는 헨리의 법칙에 따르면, 압력이 상승되지 않는 한 기체의 용해도는 증가되어서는 안된다. 그러나, 직경이 1.0μm 미만의 UFB(810) 내에 CO2를 봉입함으로써, 기체의 용해도 이상의 양으로 기체를 액체 중에 포함시킬 수 있다.
[제5 실시형태]
도 9a는, 기포-함유액 제조 장치에 내장되어 있는, 본 발명의 제5 실시형태에서의 기포 생성 장치의 개략 구성도이다. 제4 실시형태에서와 같이, 도 7b의 액체 토출 유닛(700)은 생성 장치에 사용된다. 본 실시형태에서의 UFB의 생성 메커니즘은, 제4 실시형태에서 사용되는 형태와 상이한 제2 형태의 메커니즘이다. 제2 형태의 메커니즘에서는, 막 비등에 의해 생성된 기포가 성장하여 그 피크에 도달하고, 이 성장 과정 후에 기포는 그 수축 단계에서 외부 공기와 연통한다.
도 10a 내지 도 10f는 제2 형태의 UFB의 생성 메커니즘을 설명하기 위한 액체 토출 소자(212)의 액체 토출부의 단면도이다. 히터(1001)를 갖는 기판(1000)과 노즐 부재(1003) 사이에는, 히터(1001)가 위치하는 압력 챔버와 압력 챔버 내에 액체를 공급하는 액체 유로(1002)가 형성된다. 히터(1001)과 대향하는 노즐 부재(1003)의 위치에는, 액체 유로(1002)와 연통하는 토출구(209)가 형성되어 있다. 토출구(209)로부터 UFB(1010)를 함유하는 액체(1006)가 토출된다. 히터(1001)에는 도시되지 않은 전기 배선을 통해서 일정한 전력의 펄스 신호가 공급된다. 본 실시형태에서는, 히터(1001)는 펄스폭이 약 0.5μsec 내지 10.0μsec인 극도로 짧은 펄스에 의해 급전된다.
이러한 짧은 펄스를 히터(1001)에 인가함으로써, 극도로 높은 열 플럭스가 히터(1001)에 제공된다. 히터(1001)의 표면 온도가 약 300℃에 가까워지는 경우, 극도로 초기의 단계(약 수 피코초)에서 히터(1001) 상에서 핵 비등인 듯한 현상이 관찰된다. 서브-마이크로초 내지 수 마이크로초 후에는, 도 10a에 도시된 바와 같이 막 비등에 의해 기포(1007)가 발생한다. 이때, 액체(1006)는 토출구(209)로부터 약간 돌출된다.
그 후, 도 10b에 도시된 바와 같이 기포(1007)는 그 성장 단계로 이행하고, 액체(1006)는 토출구(209)로부터 크게 돌출된다. 기포(1007)에 의해 표면이 덮인 히터(1001)에 전력이 계속해서 공급되기 때문에, 히터(1001)의 표면 온도는 약 600 내지 800℃까지 더 상승한다. 그러나, 히터(1001)에 대한 전력 공급은 기포(1007)의 성장 과정의 초기 단계에서 정지된다. 기포(1007)는, 도 10c에 도시된 바와 같이, 최대 직경(히터 면적의 약 수 배)을 갖는 최대 기포로 성장하고, 액체(1006)는 토출구(209)로부터 늘어져서 토출된다.
그 후, 도 10d에 도시된 바와 같이, 기포(1007)는 기포(1007) 내의 부압에 의해 그 소멸 과정으로 이행한다. 이때, 액체(1006)는 토출구(209)로부터 더 늘어진다. 기포 소멸 과정의 종료 부근에서는, 도 10e에 도시된 바와 같이, 기포(1007)의 내부가 토출구(209)의 외부 공기와 연통한다. 그 후, 도 10f에 도시된 바와 같이, 히터(801)의 표면 상의 적어도 1개의 극도로 작은 영역에서 스파크-유사 캐비테이션 II가 발생한다.
캐비테이션 II의 기계적인 충격력은 막 비등의 초기 발포 압력과 대략 동일하거나 그 이상의 수치를 가질 수 있다. 단위 면적당의 충격력은 캐비테이션 II의 발생시에 그 피크에 도달할 수 있다. 도 10a 내지 도 10f에 도시된 단계를 통해, 액체 중에 용해되어 있는 기체로부터 UFB(1010)가 생성되었다. 본 실시형태에서도, 적어도 막 비등에 의해 기포가 발생하는 도 10a의 단계를 통해 UFB가 생성되는 것으로 추정된다.
이렇게 생성된 UFB(1010)는, 그 후 히터(1001)에 펄스 신호를 인가함으로써 토출되는 액체(1006)에 함유된다. UFB(1010)를 함유하는 액체(1006)는 도 9a에 도시된 제1 회수 용기(906) 내에 축적된다. 이때, 액체 토출 소자(212)가 제1 회수 용기(906)와 접촉하고 있는 것이 바람직하다(간극이 어느 정도 허용된다). 토출되는 액체(1006)의 상태(예를 들어, 속도, 체적, 및 작은 액적 또는 미스트 액적의 등)에 따라서는 펌프(910)에 의해 액체(1006)가 흡인될 수 있다. 또한, 생성되는 UFB(1010)의 수 밀도 또는 기포 직경에 따라서는, 희석 액체 포트(904)로부터 액체를 추가함으로써 액체(1006)가 희석될 수 있다.
제1 회수 용기(906) 내에 축적된 액체(1006)는, 그 내부에 함유되는 UFB(1010) 이외의 불순물을 제거하기 위해서 필터(909)를 통해서 제2 회수 용기(907)로 이동된다. 필터(909)의 필터 직경은 1.0μm 이상이면 된다. 필터(909)의 재료는 그것이 사용되는 액체에 불용해성이라면 한정되지 않는다. 제2 회수 용기(907)는, UFB 제조 장치에 대하여 부착 및 탈거 가능하며 밀봉(캡핑)될 수 있는 것이 바람직하다. 이러한 점에서, 제2 회수 용기(907)의 재료로서 유리가 적합하다. 제2 회수 용기(907)에 UFB(1010)를 함유하는 액체를 보존하는 경우, 제2 회수 용기(907)의 재료는 가스에 대해 높은 보호 정도를 제공하는 것이 요구된다. 대안적으로, 제2 회수 용기(907) 내의 UFB(1010)는 가스에 대한 높은 보호 정도를 갖는 다른 용기로 이동되고 보존될 수 있다.
제2 실시형태에서와 같이, 1개의 기판(1000)에 10,000개의 히터(1001)를 제공했다. 총 20개의 기판(1000)을 병렬로 장착했다. 히터(1001)에는, 10kHz의 구동 주파수에서 펄스 신호(펄스폭:1.0μs, 전압:24V)를 부여했다. 아래에 열거된 액체의 혼합액 A를 액체 공급관(905)을 통해서 액체 공급 탱크(902)로부터 액체 토출 유닛(700)에 공급했다.
이소프로필 알코올 10 wt%
에틸렌 글리콜 50 wt%
글리세린 10 wt%
순수 30 wt%
그때, 액체 공급 탱크(902) 내의 혼합액 A에 기체 주입 포트(903)로부터 산소 가스를 주입해서 혼합액 A 기포를 만들고, 이에 의해 혼합액 A으로부터 가능한 많은 공기를 제공하고 산소 가스의 포화 용해도 부근까지 혼합액 A 중에 산소 가스를 용해시켰다. 본 실시형태에서는, 액체 토출 유닛(700)의 액체 토출 소자(212)는 횡방향(수평 방향)으로 액체(1006)를 토출한다.
히터의 총 수 = 1.0e4×20 = 2.0e5 (= 2.0×105)
생성된 UFB의 수 = (2.0e5)×10×(1.0e4)×60[s]
= 1.2e12 ((UFB/L)/min)
1분간 12억개/ml의 UFB(1010)가 생성되었다. 이와 같이, UFB(1010)는 극도로 짧은 시간 내에 높은 수 밀도로 생성되었다. 그 확인을 위해서, 회수된 혼합액 A를 측정기 SALD-7500(Shimadzu Corp.로부터 입수가능)에 세트했다. 측정 결과, 혼합액 중에서 직경이 1.0μm 미만인 UFB(1010)의 수 밀도는 약 1.2억개/ml였다. 그때의 기포 직경의 빈도 분포를 도 9b에 나타낸다. 직경이 10nm 내지 400nm의 범위인 UFB(1010)의 수는 전체의 99.7%였다. 또한, 제2 실시형태에서와 같이, 이와 같이 생성된 UFB(1010) 내에 포함되는 기체를 GC-TCD법에 의해 분석했다. 분석 결과, 산소가 검출되었다. 검출된 산소의 양은 8 [mg/L]였다.
[제6 실시형태]
도 11a는, UFB-함유액 제조 장치에 내장되어 있는, 본 발명의 제6 실시형태에서의 UFB 생성 장치의 개략 구성도이다. 제4 실시형태에서와 같이, 도 7b의 액체 토출 유닛(700)은 생성 장치에 사용된다. 본 실시형태에서의 UFB의 생성 메커니즘은, 제4 및 제5 실시형태에서 사용되는 형태의 어느 쪽과도 상이한 제3 형태의 메커니즘이다. 제3 형태의 메커니즘에서는, 막 비등에 의해 발생되는 기포는 그 성장 단계에서 외부 공기와 연통한다.
도 12a 내지 도 12e는, UFB를 생성하는 제3 형태의 메커니즘을 설명하기 위한 액체 토출 소자(212)의 액체 토출부의 단면도이다. 히터(1201)가 형성된 기판(1200)과 노즐 부재(1203) 사이에는, 히터(1201)가 위치되는 압력 챔버와 압력 챔버 내에 액체를 공급하기 위한 액체 유로(1202)가 형성된다. 히터(1201)와 대향하는 노즐 부재(1203)의 위치에는, 액체 유로(1202)와 연통하는 토출구(209)가 형성되어 있다. 토출구(209)로부터 UFB(1210)를 함유하는 액체(1206)가 토출된다. 히터(1201)에는, 도시되지 않은 전기 배선을 통해서 일정한 전력의 펄스 신호가 공급된다. 본 실시형태에서는, 히터(1201)는 약 0.5μsec 내지 10.0μsec의 펄스폭을 갖는 극도로 짧은 펄스에 의해 급전된다.
이러한 짧은 펄스가 히터(1201)에 인가됨으로써, 히터(1201)에는 극도로 높은 열 플럭스가 제공된다. 히터(1201)의 표면 온도가 약 300℃에 가까워지는 경우, 극도로 초기의 단계(약 수 피코초)에서 히터(1201) 위에 핵 비등인 듯한 현상이 관찰된다. 서브-마이크로초 내지 수 마이크로초 후에, 도 12a에 도시된 바와 같이 막 비등에 의해 기포(1207)가 발생한다. 이때, 액체(1206)는 토출구(209)로부터 약간 돌출된다.
그 후, 기포(1207)는 도 12b에 도시된 바와 같이 그 성장 단계로 이행하고, 액체(1206)는 토출구(209)로부터 크게 돌출된다. 기포(1207)로 표면이 덮인 히터(1201)에는 전력이 연속적으로 공급되기 때문에, 히터(1201)의 표면 온도는 약 600 내지 800℃까지 더 상승한다. 그러나, 히터(1201)에 대한 전력 공급은 기포(1207)의 성장 과정의 초기 단계에서 정지된다. 기포(1207)는 도 12c에 도시된 바와 같이 성장한다. 이때, 기포(1207)는 토출구(209)로부터 약간 돌출되며, 액체(1206)는 토출구(209)로부터 약간 늘어져서 토출된다. 그 후, 도 12d에 도시된 바와 같이, 기포(1207)는 토출구(209)를 통해서 외부 공기와 연통한다. 그 후, 도 12e에 도시된 바와 같이, 액체는 액체 유로(1202)를 통해 도시되지 않은 액체 탱크로부터 재충전된다. 도 12a 내지 도 12e에 도시된 단계를 통해, UFB(1210)는 액체에 용해되어 있는 기체로부터 생성되었다. 본 실시형태에서도, 적어도 막 비등에 의해 기포가 생성되는 도 12a의 단계를 통해 UFB가 생성되는 것으로 추정된다.
이렇게 생성된 UFB(1210)는, 그 후 히터(1201)에 펄스 신호를 인가함으로써 토출되는 액체(1206)에 함유된다. UFB(1210)를 함유하는 액체(1206)는 도 11a에 도시된 제1 회수 용기(1106) 내에 축적된다. 이때, 액체 토출 소자(212)는 제1 회수 용기(1106)에 접촉하고 있는 것이 바람직하다(간극이 어느 정도 허용된다). 본 실시형태에서는, 액체 토출 유닛(700)의 액체 토출 소자(212)는 상향(중력 방향의 반대 방향)으로 액체(1206)를 토출한다. 따라서, 공기 취입 포트(1113)로부터 신선한 공기(공기는 순도 제어되는 공장 공기 등인 것이 바람직하다)가 취입되어 제1 회수 용기(1106)에서의 액체(1206)의 회수의 효율을 향상시킨다. 액체(1206)는 토출되는 액체(1206)의 상태(예를 들어, 속도, 체적, 및 작은 액적 또는 미스트 액적의 수)에 따라서는 펌프(1110)에 의해 흡인될 수 있다. 또한, 액체(1206)는 생성되는 UFB(1210)의 수 밀도 또는 기포 직경에 따라서는 희석 액체 포트(1104)로부터 액체를 추가함으로써 희석될 수 있다.
제1 회수 용기(1106) 내에 축적된 액체(1206)는, 그 내부에 함유되는 UFB(1210) 이외의 불순물을 제거하기 위해서, 필터(1109)를 통해서 제2 회수 용기(1107)로 이동된다. 필터(1109)의 필터 직경은 1.0μm 이상이면 된다. 필터(1109)의 재료는 그것이 액체에 불용해성이라면 한정되지 않는다. 제2 회수 용기(1107)는, UFB 제조 장치에 대하여 부착 및 탈거 가능하며 밀봉(캡핑)될 수 있는 것이 바람직하다. 이 점에서, 제2 회수 용기(1107)의 재료로서 유리가 바람직하다. 제2 회수 용기(1107)에, UFB(1210)를 함유하는 액체를 보존하는 경우, 제2 회수 용기(1107)의 재료는 가스에 대해 높은 보호 정도를 제공하는 것이 요구된다. 대안적으로, 제2 회수 용기(1107) 내의 UFB(1210)는 가스에 대해 높은 보호 정도를 갖는 다른 용기로 이동되고 보존될 수 있다.
제2 실시형태에서와 같이, 1개의 기판(1200)에 10,000개의 히터(1201)를 제공했다. 총 40개의 기판(1200)을 병렬로 장착했다. 히터(1201)에, 5kHz의 구동 주파수에서 펄스 신호(펄스폭:1.0μs, 전압:24V)를 부여했다. 아래에 열거되는 액체의 혼합액 B을 액체 공급관(1105)을 통해서 액체 공급 탱크(1102)로부터 액체 토출 유닛(700)에 공급했다.
이소프로필 알코올 5 wt%
에틸렌 글리콜 30 wt%
글리세린 5 wt%
순수 60 wt%
그때, 액체 공급 탱크(1102) 내의 혼합액 B 내로 기체 주입 포트(1103)로부터 수소 가스를 주입해서 혼합액 B 기포를 만들고, 이에 의해 혼합액 B로부터 공기를 가능한 많이 제거하고 수소 가스의 포화 용해도 부근까지 혼합액 B 중에 수소 가스를 용해시켰다.
히터의 총 수 = 1.0e4×40 = 4.0e5 (= 4.0×105)
생성된 UFB의 수 = (4.0e5)×10×(5.0e3)×60[s]
= 1.2e12 ((UFB/L)/min)
1분간 12억개/ml의 UFB(1210)가 생성되었다. 이와 같이, UFB(1210)는 극도로 짧은 시간 내에 높은 수 밀도로 생성되었다. 그 확인을 위해서, 회수된 혼합액 B를 측정기 SALD-7500(Shimadzu Corp.로부터 입수가능)에 세트했다. 측정 결과, 혼합액 B 중의 직경이 1.0μm 미만인 UFB(1010)의 수 밀도는 약 12억개/ml였다. 그때의 기포 직경의 빈도 분포를 도 11b에 나타낸다. 직경이 10nm 내지 400nm의 범위인 UFB(1210)의 수는 전체의 99.7%였다. 또한, 제2 실시형태에서와 같이, 상기 방식으로 생성된 UFB(1210) 내에 포함되는 기체를 GC-TCD법에 의해 분석했다. 분석 결과, 수소가 검출되었다. 검출된 수소의 양은 4 [mg/L]였다.
본 발명의 제4 내지 제6 실시형태에 따르면, 히터에 의해 액체를 가열하고, 액체에 막 비등을 발생시키고, 기포를 생성하며, 기포의 압력을 사용하여 UFB를 함유하는 액체 액적을 비상시킴으로써 UFB를 효율적으로 생성할 수 있다.
[제7 실시형태]
도 13a는, 기포-함유액 제조 장치에 내장되는, 본 발명의 제7 실시형태에서의 기포 생성 장치의 개략 구성도이다. 제4 실시형태에서와 같이, 도 7b의 액체 토출 유닛(700)은 생성 장치에 사용된다. 본 실시형태에서의 UFB의 생성 메커니즘은 제4 실시형태에서도 사용되는 제1 형태의 메커니즘이다. 본 실시형태에서는, 기포는 토출구를 순수 중에 침지시킨 상태에서 막 비등을 발생시킴으로써 생성되며, UFB를 함유한 액체(1311)가 순수 내로 토출된다.
제4 실시형태에서와 같이, 1개의 기판(800) 상에 10,000개의 히터(801)를 제공했다. 총 20개의 기판(800)을 병렬로 장착했다. 히터(801)에는, 20kHz의 구동 주파수에서 펄스 신호(펄스폭:1.0μs, 전압:24V)를 부여했다. 순수가 액체 공급관(1305)을 통해서 액체 공급 탱크(1302)로부터 액체 토출 유닛(700)에 공급되었다. 그때, 오존 가스가 액체 공급 탱크(1302) 내의 순수 내로 기체 주입 포트(1303)로부터 주입되어 순수 기포를 만들고, 이에 의해 순수로부터 공기를 가능한 많이 제거하고 오존 가스의 포화 용해도 부근까지 순수 중에 오존 가스를 용해시켰다.
또한, 토출구(209)가 설치된 액체 토출 소자(212)의 표면을 액체 공급 탱크(1302) 내의 액체의 표면보다 낮게 하고 그들 사이에 수두차(H)를 유지시킴으로써, 액체(1311)를 토출구(209)로부터 효율적으로 토출시킬 수 있다. 즉, 액체 토출 소자(212)의 액체 토출부에서의 액체 유로 또는 토출구(209)에 이물 또는 기포가 막히는 경우, 이러한 수두차(H)를 유지시키는 것에 의해, 이물 또는 기포를 수압에 의해 토출구(209)로부터 제1 회수 용기(1306) 내로 이동시키는 것이 용이해질 수 있다. 결과적으로, 토출구(209)로부터 액체가 토출되지 않게 되는 상황(액체 토출 불량)을 방지하면서, UFB(1312)를 함유하는 액체(1311)를 효율적으로 제조하고 제1 회수 용기(1306)에 저장할 수 있다. 제1 회수 용기(1306) 내의 순수의 표면이 액체 토출 소자(212)의 토출구(209)의 위치보다 높아지도록 액체 공급 포트(1304)로부터 순수가 공급된다. 이는 토출구(209)가 순수에 침지되도록 허용한다. 제1 회수 용기(1306) 내에는 순수의 유동이 형성된다. 필터(1309)를 통해서 제2 회수 용기(1307)에 UFB(1312)를 함유하는 순수가 보존된다. 액체 토출 유닛(700)의 액체 토출 소자(212)는 하향(중력의 방향)으로 액체(1311)를 토출한다.
히터의 총 수 = 1.0e4×20 = 2.0e5 (= 2.0×105)
생성된 UFB의 수 = (2.0e5)×10×(2.0e4)×60[s]
= 2.4e12 ((UFB/L)/min)
1분간 24억개/ml의 UFB(1312)가 생성되었다. 이와 같이, UFB(1312)는 극도로 짧은 시간에 높은 수 밀도로 생성되었다. 이를 확인하기 위해서, 회수한 순수를 측정기 SALD-7500(Shimadzu Corp.로부터 입수가능)에 세트했다. 측정 결과, 순수 중의 직경이 1.0μm 미만인 UFB(1312)의 수 밀도는 약 24억개/ml였다. 그때의 기포 직경의 빈도 분포를 도 13b에 나타낸다. 직경이 10nm 내지 400nm의 범위인 UFB(1312)의 수는 전체의 99.7%엿다.
제2 실시형태에서와 같이 상기 방식으로 생성된 UFB(1312)에 포함되는 기체를 GC-TCD법에 의해 분석했다. 분석 결과, 오존(O3)이 검출되었다. 검출된 오존의 양은 20 [mg/L]였다. 오존은 불안정한 가스이며 산화-환원의 특성을 갖기 때문에, 이는 통상 자체로 산소와 물로 분해된다. 그러나, 본 실시형태에서 생성된 UFB(1312)에 포함되는 오존의 양은 2개월 후에도 변경되지 않았다.
[제8 실시형태]
도 14a는, 기포-함유액 제조 장치에 내장되는, 본 발명의 제8 실시형태의 기포 생성 장치의 개략 구성도이다. 제4 실시형태에서와 같이, 도 7b의 액체 토출 유닛(700)은 생성 장치에 사용된다. 본 실시형태에서의 UFB의 생성 메커니즘은 제4 실시형태에서도 사용되는 제1 형태의 메커니즘이다. 본 실시형태에서는, 제7 실시형태와 마찬가지로, 토출구를 순수 중에 침지한 상태에서 막 비등을 발생시켜 기포를 생성하며, UFB를 함유하는 액체(1311)를 순수 중에 토출시킨다. 그러나, 토출 방향은 제7 실시형태와 상이하다.
제4 실시형태에서와 같이, 1개의 기판(800) 상에 10,000개의 히터(801)를 제공했다. 총 30개의 기판(800)을 병렬로 장착했다. 히터(801)에는, 20kHz의 구동 주파수에서 펄스 신호(펄스폭:1.0μs, 전압:24V)를 부여했다. 액체 공급관(1405)을 통해서, 순수가 액체 공급 탱크(1402)로부터 액체 토출 유닛(700)으로 공급되었다. 그때, 불소 가스가 기체 주입 포트(1403)로부터 액체 공급 탱크(1402) 내의 순수 내로 주입되어 순수 기포를 만들고, 이에 의해 순수로부터 공기를 가능한 많이 제거하고 불소 가스의 포화 용해도 부근까지 순수 중에 불소 가스를 용해시켰다.
액체 토출 유닛(700)의 액체 토출 소자(212)는 상향(중력의 방향의 반대 방향)으로 액체(1411)를 가압한다. 액체 토출 유닛(700)은 액체 토출 소자(212)의 토출구(209)를 전체적으로 둘러싸는 제방(1414)을 갖는다. 순수가 액체 공급 포트(1413)로부터 제방(1414)의 내부로 공급된다. 제방(1414)에 의해 둘러싸인 영역에는 순수가 충전되고 있어, 그 순수 중에 액체 토출 소자(212)가 침지되어 있다. 액체 토출 소자(212)로부터 UFB(1412)를 함유하는 액체(1411)가 압출된다. 수많은 UFB(1412)를 함유하는 순수는, 제방(1414)에 의해 둘러싸인 영역 내에 축적되고, 펌프(1410)의 흡인에 의해 배관(1415)을 통해서 제1 회수 용기(1406)로 이동된다. UFB(1412)를 함유하며 제1 회수 용기(1406)에 보존된 순수는 그후 필터(1409)를 통해서 제2 회수 용기(1407)에 축적된다.
히터의 총 수 = 1.0e4×30 = 3.0e5 (= 3.0×105)
생성된 UFB의 수 = (3.0e5)×10×(2.0e4)×60[s]
= 3.6e12 ((UFB/L)/min)
1분간 36억개/ml의 UFB(1412)가 생성되었다. 이와 같이, UFB(1412)는 극도로 짧은 시간 내에 높은 수 밀도로 생성되었다. 이를 확인하기 위해서, 회수한 순수를 측정기 SALD-7500(Shimadzu Corp.로부터 입수가능)에 세트했다. 측정 결과, 순수 중의 직경이 1.0μm 미만인 UFB(1412)의 수 밀도는 약 36억개/ml였다. 그때의 기포 직경의 빈도 분포를 도 14b에 나타낸다. 직경이 10nm 내지 400nm의 범위인 UFB(1412)의 수는 전체의 99.7%였다. 제2 실시형태에서와 같이 상기 방식으로 생성된 UFB(1412)에 포함되는 기체를 GC-TCD법에 의해 분석했다. 분석 결과, 불소(F2)가 검출되었다. 검출된 불소의 양은 10 [mg/L]였다.
[제9 실시형태]
도 15a는, 기포-함유액 제조 장치로서의 역할을 하는 정수기(1500)에 내장되어 있는, 본 발명의 제9 실시형태에 따른 기포 생성 장치의 개략 구성도이다. 직육면체의 형상을 갖는 보유지지 부재(1502)의 4개의 측면에는 도 1에 도시된 기판(1)과 마찬가지로 히터(2)를 각각 구비하는 복수의 기판(1501)이 설치되어 있다. 보유지지 부재(1502)는 수직으로 연장되는 회전축(1503)을 중심으로 회전된다. 보유지지 부재(1502)와 회전축(1503)은 액체 챔버인 제1 저수 용기(1504) 내에 위치된다. 저수 용기(1504)에는 공급 포트(1506)로부터 수돗물이 공급된다. 제1 저수 용기(1504)의 외측에는 제2 저수 용기(1505)가 제공된다.
제1 실시형태와 마찬가지로, 액체가 히터(2)에 의해 가열되고, 막 비등이 발생하며, 기포가 액체 중에 발생되어, UFB(1510)가 생성된다. 많은 UFB(1510)가 제1 저수 용기(1504) 내의 수돗물 중에 함유되어 있다. UFB(1510)를 함유하는 수돗물은, 보유지지 부재(1502)의 회전에 의해 교반되면서, 제1 저수 용기(1504) 내에서의 수돗물의 유동을 따라 하방으로 유동한다. 그리고, 수돗물은, 제1 저수 용기(1504)의 하단으로부터 제1 저수 용기(1504)와 제2 저수 용기(1505) 사이로 유입되고, 배관(1508)을 통해서 수도꼭지(1509)로부터 배출된다. 질소 가스가 기체 취입 포트(1507)로부터 제1 저수 용기(1504) 내의 수돗물 내에 취입된다. 질소 가스의 큰 기포는 거기에 가해지는 부력에 의해 제1 저수 용기(1504) 내의 수돗물의 유동에 거슬러 떠오르기 때문에, 이들은 제1 저수 용기(1504)와 제2 저수 용기(1505) 사이로의 유입이 방지된다.
1개의 기판(1501) 상에 10,000개의 히터가 제공되었고, 25개의 기판(1501)이 보유지지 부재(1502)의 4개의 측면 각각에 장착되었으며, 결과적으로 총 100개의 기판(1501)이 장착되었다. 히터에는, 20kHz의 구동 주파수에서 펄스 신호(펄스폭:5.0μs, 전압:18V)가 부여되었다. 공급 포트(1506)로부터 공급되는 수돗물의 유속은 1.0L/min로 설정되었다. 질소 가스가 기체 취입 포트(1507)로부터 제1 저수 용기(1504) 내의 수돗물 내로 계속해서 취입되었다.
히터의 총 수 = 1.0e4×100 = 1.0e6 (= 1.0×106)
생성된 UFB의 수 = (1.0e6)×1.0×(2.0e4)×60[s]
= 1.2e12 ((UFB/L)/min)
1분간 12억개/ml의 UFB(1510)가 생성되었다. 이와 같이, UFB(1510)는 극도로 짧은 시간 내에 높은 수 밀도로 생성되었다. 그 확인을 위해서, 회수한 수돗물을 측정기 SALD-7500(Shimadzu Corp.로부터 입수가능)에 세트하였다. 측정 결과, 수돗물 중의 직경이 1.0μm 미만인 UFB(1510)의 수 밀도는 약 12억개/ml였다. 그때의 기포 직경의 빈도 분포를 도 15b에 나타낸다. 직경이 10nm 내지 400nm의 범위인 UFB(1510)의 수는 전체의 99.8%였다. 또한, 도 3의 단계 (a) 내지 (f)까지의 1회의 연속 단계에서 생성되는 UFB(1510)의 수는 약 1개였다. 제2 실시형태에서와 같이, 상기 방식으로 생성된 UFB(1510) 내에 포함되는 기체를 GC-TCD법에 의해 분석했다. 분석 결과, 질소가 검출되었다. 검출된 질소의 양은 16 [mg/L]였다.
[제10 실시형태]
도 16a는, 기포-함유액 제조 장치로서의 역할을 하는 정수기(1600)에 내장되는, 본 발명의 제10 실시형태의 기포 생성 장치의 개략 구성도이다. 제9 실시형태의 구성 외에, 본 실시형태는 저수 탱크(1611)를 포함한다.
제9 실시형태에서와 동일한 방식으로 생성된 UFB(1610)는, 배관(1608)을 통해서 저수 탱크(1611)에 보존되며, 수도꼭지(1609)를 트는 것에 의해 수도꼭지(1609)로부터 배출된다. 오존 가스가 기체 취입 포트(1607)로부터 제1 저수 용기(1604) 내의 수돗물 내로 취입된다. 오존 가스의 큰 기포는 그들에 가해지는 부력에 의해 제1 저수 용기(1604) 내의 수돗물의 유동에 거슬러 떠오르기 때문에, 이들은 제1 저수 용기(1604)와 제2 저수 용기(1605) 사이로의 유입이 방지된다. 저수 탱크(1611)의 용량은 그 용도 등에 따라 설정될 수 있다. 본 실시형태에서는, 저수 탱크(1611)는 100L의 용량을 갖는다.
1개의 기판(1601) 위에 10,000개의 히터를 제공했고, 10개의 기판(1601)이 보유지지 부재(1602)의 4개의 측면 각각에 장착되었으며, 결과적으로 총 40개의 기판(1601)이 장착되었다. 히터에는, 20kHz의 구동 주파수에서 펄스 신호(펄스폭:0.7μs, 전압:26V)를 부여했다. 공급 포트(1606)로부터 공급되는 수돗물의 유속은 1.0L/min으로 설정되었다. 저수 탱크(1611)에는 도시되지 않은 만수 센서(high-water sensor)가 설치되어 있어, 저수 탱크(1611)에 저류된 물의 양이 90.0L를 초과하는 경우, 공급 포트(1606)로부터의 수돗물의 공급이 자동적으로 정지된다. 오존 가스가 기체 취입 포트(1607)로부터 제1 저수 용기(1604) 내의 수돗물 내로 계속해서 취입되었다.
히터의 총 수 = 1.0e4×40 = 4.0e5 (= 4.0×105)
생성된 UFB의 수 = (4.0e5)×1.0×(2.0e4)×60[s]
= 2.88e13 ((UFB/L)/h)
1시간에 약 288억개/ml의 UFB(1610)가 생성되었다. 이와 같이, UFB(1610)는 극도로 짧은 시간 내에 높은 수 밀도로 생성되었다. 그 확인을 위해서, 회수한 수돗물을 측정기 SALD-7500(Shimadzu Corp.로부터 입수가능)에 세트하였다. 측정 결과, 수돗물 중의 직경이 1.0μm 미만인 UFB(1610)의 수 밀도는 약 288억개/ml였다. 그때의 기포 직경의 빈도 분포를 도 16b에 나타낸다. 직경이 10nm 내지 400nm의 범위인 UFB(1610)의 수는 전체의 99.8%였다. 또한, 도 3의 단계 (a) 내지 (f)까지의 1회의 연속 단계에서 생성되는 UFB(1610)의 수는 약 1.0개였다. 제2 실시형태에서와 같이, 상기 방식으로 생성된 UFB(1610) 내에 포함되는 기체를 GC-TCD법에 의해 분석했다. 분석 결과, 오존이 검출되었다. 검출된 오존의 양은 10 [mg/L]였다.
[제11 실시형태]
도 17a 및 도 17b는 본 발명의 제11 실시형태를 도시하는 도면이다. 본 실시형태에서는, 도 5a에 도시된 제2 실시형태의 기포-함유액 제조 장치의 것과 동일한 기능을 각각 갖는 제조 장치(제1 및 제2 제조 장치(1701 및 1702))가 직렬로 연결되어 있다. 이에 의해, 제2 실시형태에서 생성된 UFB의 2배의 UFB, 즉 1분간 약 24억개/ml의 UFB(41)를 생성할 수 있었다. 이와 같이, UFB(41)는 극도로 짧은 시간 내에 높은 수 밀도로 생성되었다. 그 확인을 위해서, 회수한 수돗물을 측정기 SALD-7500(Shimadzu Corp.로부터 입수가능)에 세트하였다. 측정 결과, 수돗물 중의 직경이 1.0μm 미만인 UFB(41)의 수 밀도는 약 24억개/ml였다. 그때의 기포 직경의 빈도 분포를 도 17b에 나타낸다. 직경이 10nm 내지 400nm의 범위인 UFB(41)의 수는 전체의 99.8%였다. 제1 실시형태에서와 같이, 상기 방식으로 생성된 UFB에 포함되는 기체를 GC-TCD법에 의해 분석했다. 분석 결과, 질소가 검출되었다. 또한, 수돗물의 성분을 분석하였다. 분석 결과, 불순물의 증가는 검출되지 않았다.
제1 실시형태의 변형예로서 도시된 도 22의 구성은 본 실시형태에도 적용 가능하다. 예를 들어, 도 17의 제조 장치(1702)에 도 22에 도시된 순환 메커니즘을 제공함으로써 높은 수 밀도의 UFB-함유액의 더 효율적인 생성이 가능해진다.
[제12 실시형태]
도 18a는, 기포-함유액 제조 장치로서의 역할을 하는 정수기(1800)에 내장되는, 본 발명의 제12 실시형태의 기포 생성 장치의 개략 구성도이다. 도 15a에 도시된 제9 실시형태의 구성 이외에, 본 실시형태는 밸브(1811) 및 수류 발생원(water flow source)(1814)을 포함함으로써 순환 유로를 형성한다.
본 실시형태에서는, UFB(1810)를 더 높은 수 밀도로 함유하는 수돗물이, 배관(1808) 및 밸브(1811)를 통해서, 제1 저수 용기(1804)와 제2 저수 용기(1805) 사이의 수돗물을 제1 저수 용기(1804) 내로 복귀시키는 순환 유로를 형성함으로써 제조된다. 이 순환 유로는, 도 18a의 화살표에 의해 나타낸 방향으로 수돗물을 순환시키기 위해서 수류를 발생시키는 수류 발생원(1814)을 포함한다. 수류 발생원(1814)으로서는, 다양한 펌프를 사용할 수 있다.
UFB(1810)를 함유하는 제1 저수 용기(1804) 내의 수돗물은, 보유지지 부재(1802)의 회전에 의해 교반되면서, 제1 저수 용기(1804) 내에서의 수돗물의 유동을 따라 하방으로 유동한다. 그리고, 수돗물은, 제1 저수 용기(1804)의 하단으로부터, 제1 저수 용기(1804)와 제2 저수 용기(1805) 사이로 유입하고, 수도꼭지(1809)를 트는 것에 의해 배관(1808)을 통해서 수도꼭지(1809)로부터 배출된다. 질소 가스가 기체 취입 포트(1807)로부터 제1 저수 용기(1804) 내의 수돗물 내로 취입된다. 질소 가스의 큰 기포는 거기에 가해지는 부력에 의해 제1 저수 용기(1804) 내에서의 수돗물의 유동에 거슬러 떠오르기 때문에, 기포는 제1 저수 용기(1804)와 제2 저수 용기(1805) 사이로의 유동이 방지된다.
제9 실시형태에서와 같이, 1개의 기판(1801) 위에 10,000개의 히터가 제공되었고, 25개의 기판(1801)이 보유지지 부재(1802)의 4개의 측면 각각에 장착되었으며, 결과적으로 총 100개의 기판(1801)이 장착되었다. 히터에는, 20kHz의 구동 주파수에서 펄스 신호(펄스폭:5.0μs, 전압:18V)가 부여되었다. 공급 포트(1806)로부터 공급되는 수돗물의 유속은 1.0L/min로 설정되었다. 제2 저수 용기(1805)에는 도시되지 않은 만수 센서가 설치되어 있어, 제2 저수 용기(1805)에 저류된 물의 양이 10.0L를 초과하는 경우, 공급 포트(1806)로부터 수돗물의 공급은 자동적으로 정지된다. 질소 가스가 기체 취입 포트(1807)로부터 제1 저수 용기(1804) 내의 수돗물 내로 계속해서 취입되었다.
히터의 총 수 = 1.0e4×100 = 1.0e6 (= 1.0×106)
생성된 UFB의 수 = (1.0e6)×1.0×(2.0e4)×60[s]
= 1.2e12 ((UFB/L)/min)
1분간 약 12억개/ml의 UFB(1810)가 생성되었다. 이와 같이, UFB(1810)는 극도로 짧은 시간 내에 높은 수 밀도로 생성되었다. 또한, 공급 포트(1806)로부터 제1 저수 용기(1804) 내로의 수돗물의 공급을 정지시킨 상태에서, 제1 저수 용기(1804)와 제2 저수 용기(1805) 사이의 수돗물을 밸브(1811)를 통해 제1 저수 용기(1804) 내로 복귀시켜 순환시켰다. 이 순환을 10회 반복했다.
생성되는 UFB의 수 = (1.0e7)×1.0×(2.0e4)×60[s]
= 1.2e13 ((UFB/L)/min)
1분간 약 120억개/ml의 UFB(1810)를 생성했다. 그 확인을 위해서, 회수한 수돗물을 측정기 SALD-7500(Shimadzu Corp.로부터 입수가능)에 세트하였다. 측정 결과, 수돗물 중의 직경이 1.0μm 미만인 UFB(1810)의 수 밀도는 약 120억개/ml였다. 그때의 기포 직경의 빈도 분포를 도 18b에 나타낸다. 직경이 10nm 내지 400nm의 범위인 UFB(1810)의 수는 전체의 99.9%였다. 제2 실시형태에서와 같이, 상기 방식으로 생성된 UFB(1810)에 포함되는 기체를 GC-TCD법에 의해 분석했다. 분석 결과, 질소가 검출되었다. 또한, 수돗물의 성분을 분석하였다. 분석 결과, 불순물의 증가는 검출되지 않았다. 이러한 UFB(1810)를 함유하는 수돗물은 수도꼭지(1809)를 트는 것에 의해 배관(1813)을 통해서 수도꼭지(1809)로부터 배출된다.
[제13 실시형태]
전술한 각 실시형태에서 제조된 UFB-함유액은 그 살균 효과에 대해 확인되었다. 확인 방법으로서, 세탁용 세제의 살균 시험 방법을 실시했다.
시험 조건이 이하에 기재된다.
시험 온도:25℃
시험 시간:5분
시험 용기:스테인리스 플레이트
시험 균종:황색포도구균, 대장균
시험 균액 밀도:1.25e8 내지 6.25e8 [cfu/ml]
시험 시료:0.1mL
시험 대상 A 내지 E로서, 제7, 제9, 제10, 제11, 및 제12 실시형태에서 제조된 UFB-함유액(UFB 물)을 10ml의 양으로 각각 준비했다. 전술한 바와 같이, 제7 및 제10 실시형태에서의 UFB-함유액에는 오존이 주입되었고, 제9, 제11, 및 제12 실시형태에서의 UFB-함유액에는 질소가 주입되었다. 또한, 비교 대상 A 내지 E로서, 제7, 제9, 제10, 제11, 및 제12 실시형태에서 사용된 UFB 생성 전의 원수(raw water)를 10ml의 양으로 각각 준비했다.
시험 대상 A: 제7 실시형태에서 제조된 UFB 물 10ml(오존; 24억개/ml의 UFB)
시험 대상 B: 제9 실시형태에서 제조된 UFB 물 10ml(질소; 12억개/ml의 UFB)
시험 대상 C: 제10 실시형태에서 제조된 UFB 물 10ml(오존; 288억개/ml의 UFB)
시험 대상 D: 제11 실시형태에서 제조된 UFB 물 10ml(질소; 24억개/ml의 UFB)
시험 대상 E: 제12 실시형태에서 제조된 UFB 물 10ml(질소; 120억개/ml의 UFB)
비교 대상 A: 제7 실시형태에서 사용된 순수 10ml
비교 대상 B: 제9 실시형태에서 사용된 수돗물 10ml
비교 대상 C: 제10 실시형태에서 사용된 수돗물 10ml
비교 대상 D: 제11 실시형태에서 사용된 수돗물 10ml
비교 대상 E: 제12 실시형태에서 사용된 수돗물 10ml
상기 10 종류의 액체에 황색포도구균을 포함하는 시험 용액 및 대장균을 포함하는 시험 용액을 침지했다. 그리고, 침지 시험 후의 용액을 처리하고, 생균의 수를 측정했다. 처리 전과 후에서의 생균의 수의 변화를 도 19에 나타낸다.
도 19로부터 명백해진 바와 같이, 시험 대상 A 내지 E의 UFB 물에서의 5분간의 침지에 의해 황색포도구균 및 대장균을 거의 무해화시킬 수 있었다. 대조적으로, 비교 대상 A 내지 E의 물에서는 황색포도구균 및 대장균은 변화되지 않고 유지되었다. 이는, 본 발명에서 준비된 UFB 물은 황색포도구균 및 대장균을 거의 완전히 살균시키는 효과가 있다는 것을 보여준다.
[제14 실시형태]
도 20a는 본 발명의 제14 실시형태에서의 기포 생성 장치의 개략 구성도이다. 생성 장치는 기포-함유액 제조 장치에 내장되어 있다. 본 실시형태는 기판(2001)의 구성, 기판(2001)의 배치 등에 있어서 전술한 실시형태와 상이하다.
급수 탱크(2010)와 저수 탱크(2012) 사이에는 유수로(2011)가 형성되어 있다. 급수로(2015)로부터 급수 탱크(2010)에 수돗물이 공급된다. 수돗물은 유속(V)으로 유수로(2011)를 통해 유동하고, 저수 탱크(2012)에 저류되며, 그후 배출로(2016)를 통해 배출된다. 유수로(201) 내에는, UFB의 발생원으로서, 도 1에 도시된 발열 저항 소자(히터)(2)를 구비하는 기판(1)과 마찬가지로, 발열 저항 소자(히터)(2002)를 구비하는 기판(2001)이 제공된다. 본 실시형태에서는, 제1 실시형태에서와 같이 1개의 기판(2001) 위에 10,000개의 히터(2002)가 제공되었으며, 총 20개의 기판(2001)이 병렬로 장착되었다. 히터(2002)에는, 20kHz의 구동 주파수에서 펄스 신호(펄스폭:1.0μs, 전압:24V)를 부여했다. 유수로(2011)에 수돗물을 공급했고, 그 유속(V)을 1.0L/min로 설정했다. 그때, 급수 탱크(2010) 내의 수돗물 내로 기체 주입 포트(2030)로부터 질소 가스를 주입하여 수돗물 기포를 만들었고, 이에 의해 급수 탱크(2010) 내의 수돗물에 용해된 기체의 대부분을 질소 가스로 변환했다.
도 21a는 히터(2002)를 포함하는 기판(2001)의 확대 단면도이다. 도 21b는 도 21a의 XXIB-XXIB 선을 따라서 본 단면도이다. 히터(2002)는 기판(2001) 상에 제공된다. 히터(2002) 상에는 액체 유로(2103)를 형성하기 위해 유로 부재(2102)가 제공된다. 도시되지 않은 용해된 기체(질소 가스)를 함유하는 수돗물은, 도 20a에 도시된 유수로(2011) 내의 유동을 따라 액체 공급 포트(2105)로부터 액체 유로(2103)로 공급되며, 그후 액체 배출 포트(2106)로부터 배출된다.
도 21b에 도시된 바와 같이, 액체 유로(2013)는 각각 히터(2002)에 대응하도록 유로 벽 부재(2107)에 의해 형성되어 있다. 즉, 각각의 히터(2002)에 대하여 1개의 액체 유로(2013)가 형성된다. 기판(2001)은, 도 20a에 도시된 바와 같이, 히터(2002)를 상방으로 지향시키도록 유수로(2011)의 상부에 제공되어 있다. 도 20a에서, 유수로(2011)의 내측 상면은 유로 부재(2102)의 상면과 대향한다. 유수로(2011)는 유로 부재(2102)의 적어도 일부를 형성할 수 있다. 기판(2001)이 유수로(2011) 내의 상부에 제공되기 때문에, 도 3의 단계 (a) 내지 (f)와 같은 방식으로 생성되는 UFB(2041)는 수돗물과 함께 액체 배출 포트(2106)로부터 하방으로 배출된다.
UFB(2041)를 생성하는 경우, 도 3에 도시된 기포(320)와 마찬가지로 수돗물의 막 비등에 의해 기포(2104)가 생성된다. 기포(2104)는 각 히터(2002)에 대응하도록 규제된 액체 유로(2013) 내에서 성장하기 때문에, 인접하는 액체 유로(2013) 내의 기포(2104)는 서로 간섭하지 않는다. 따라서, 복수의 히터(2002)가 고밀도로 배치될 수 있으며, 히터(2002)에 의해 UFB(2041)를 효율적으로 생성할 수 있다. 기포(2104)의 성장 방향은 액체 유로(2013)를 형성하는 4개의 표면: 기판(2001)의 상면, 유로 부재(2102)의 하면, 및 좌우(도 21b에서 상하)의 유로 벽 부재(2107)의 내면에 의해 규제된다. 그러나, 기포(2104)의 위치는 좌우의 유로 벽 부재(2107) 중 적어도 하나에 의해 또는 유로 부재(2102)에 의해서만 규제될 수 있다. 대안적으로, 기포(2104)의 위치는 좌우의 유로 벽 부재(2107)의 한쪽 및 유로 부재(2102)에 의해 규제될 수 있다. 요컨대, 기포(2104)의 위치의 적어도 일부를 규제하면 된다.
히터의 총 수 = 1.0e4×20 = 2.0e5 (= 2.0×105)
생성된 UFB의 수 = (2.0e5)×10×(2.0e4)×60[s]
= 2.4e12 ((UFB/L)/min)
1분간 약 24억개/ml의 UFB(2041)가 생성되었다. UFB(2041)는 극도로 짧은 시간에 높은 수 밀도로 생성되었다. 그 확인을 위해서, 회수한 수돗물을 측정기 SALD-7500(Shimadzu Corp.로부터 입수가능)에 세트하였다. 측정 결과, 수돗물 중의 직경이 1.0μm 미만인 UFB(2041)의 수 밀도는 약 24억개/ml였다. 그때의 기포 직경의 빈도 분포를 도 20b에 나타낸다. 직경이 10nm 내지 400nm의 범위인 UFB(2041)의 수는 전체의 99.0%였다. 제1 실시형태에서와 같이, 상기 방식으로 생성된 UFB에 포함되는 기체를 GC-TCD법에 의해 분석했다. 분석 결과, 질소가 검출되었다. 또한, 수돗물의 성분을 분석하였다. 분석 결과, 불순물의 증가는 검출되지 않았다.
제1 실시형태의 변형예로서 도시된 도 22의 구성은 본 실시형태에도 적용 가능하다. 예를 들어, 도 22에 도시된 순환 메커니즘을 갖는 도 20의 제조 장치를 제공함으로써 높은 수 밀도의 UFB-함유액을 더 효율적으로 생성할 수 있게 된다.
[다른 실시형태]
본 발명에서는, 액체에 천이 비등을 초과하는 막 비등을 발생시킴으로써, 직경이 1.0μm 미만인 UFB를 단시간에 효율적으로 생성할 수 있다. UFB의 발생원의 일례로서, 수십 마이크로미터의 정사각형 또는 직사각형의 형상을 각각 갖는 발열 저항 유닛을 사용할 수 있다. 10,000개의 발열 저항 유닛이 형성되어도, 총 사이즈는 수 밀리미터 내에 있을 수 있다. 결과적으로, UFB-함유액 제조 장치의 사이즈는 크게 감소될 수 있다. 또한, 각각의 UFB 발생원을 수십 마이크로미터의 정사각형 또는 직사각형의 형상으로 형성하는 것에 의해, UFB의 발생 효율을 향상시킬 수 있고, 액체 공급 탱크 및 액체 배출 탱크(용기)를 소형화할 수 있다.
막 비등을 발생시키는 조건의 예를 이하에서 설명한다. 액체가 100 μsec 이하의 기간 동안 히터에 의해 가열된 경우에 액체에서 막 비등이 발생했다. 또한, 액체와 접촉하고 있는 히터를 포함하는 발열부의 표면의 폭이 5.00mm 이하이고, 다른 폭이 5.00mm 이하이며, 액체와 접촉하고 있는 표면의 영역이 25.0mm2 이하인 경우에 액체에서 막 비등이 발생했다. 액체에서 막 비등을 발생시킴으로써 액체 중에 함유된 초미세 기포의 수가 20억개/ml 이상으로 증가되었다. 또한, 액체 중에 포함되는 초미세 기포 중 50% 이상은 10nm 내지 400nm의 범위의 직경을 가졌다. 이렇게 생성된 초미세 기포는 1주일 후에 50% 이하만큼 감소되었다. 또한, 내부에 기체를 포함하는 초미세 기포는 초미세 기포-함유액에 함유되기 때문에, 기체는 대기압 하에서 액체에 용해되는 기체의 포화 용해도 이상의 양으로 포함될 수 있다.
액체는, 상기 실시형태와 같이 물을 주 성분으로 함유하는 것으로 한정되지 않고, 예를 들어 유기 용제, 염소 화합물, 및 전해질 이온을 포함할 수 있다. 염소 화합물은, 예를 들어 LiCL, KCL, NACL, MgCL2, 또는 CaCL2이며, 용해도 이하의 양으로 액체에 용해된다. 전해질 이온은, 예를 들어 나트륨(Na), 칼륨(K), 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg), 망간(Mn), 인(P), 염소(Cl), 또는 중탄산염(HCO3 -)이며, 그 용해도 이하의 양으로 액체에 용해된다. 또한, 액체에 원하는 종류의 기체를 용해시킴으로써, 초미세 기포 내부의 기체를 적절하게 선택할 수 있다. 그 기체로서, 예를 들어, 수소, 헬륨, 산소, 질소, 메탄, 불소, 네온, 이산화탄소, 오존, 아르곤, 염소, 에탄, 프로판, 공기 및 이들의 기체 혼합물로 구성되는 군으로부터 선택되는 기체를 포함할 수 있다.
본 발명의 효과를 향상시키기 위해서, 공급되는 물에 용해된 기체 성분을 제거하는 것이 바람직하다. 즉, 탈기 수단에 의해 원하는 양의 용해된 기체를 제거하여 물을 준비하고, 그후 용해된 기체를 탈기된 물 내에 주입한다. 원하는 기체가 히터에 의해 용해되어 있는 액체를 가열하고 막 비등을 발생시킴으로써 원하는 기체를 포함하는 UFB가 생성될 수 있다.
본 발명은 상기 실시형태뿐만 아니라 상기 실시형태의 구성 및 조건의 조합에도 적용 가능하다. 예를 들어, 본 발명은 초미세 기포를 활용하는 다양한 장치에서 사용되는 초미세 기포-함유액 제조 장치 및 초미세 기포 생성 방법으로서 적용 가능하다.
본 발명을 예시적인 실시형태를 참고하여 설명하였지만, 본 발명은 개시된 예시적인 실시형태로 한정되지 않음을 이해해야 한다. 이하의 청구항의 범위는 이러한 모든 변형과 동등한 구조 및 기능을 포함하도록 최광의로 해석되어야 한다.
본 출원은 전문이 본원에 참조로 통합되는 2017년 8월 31일에 출원된 일본 특허 출원 제2017-167594호 및 2018년 8월 7일에 출원된 일본 특허 출원 제2018-148537호의 이익을 주장한다.
1 소자 기판
2 히터
41 초미세 기포(UFB)
11 유수로
212 액체 토출 소자
320 기포
700 액체 토출 유닛

Claims (31)

  1. 액체에 막 비등을 발생시킴으로써 초미세 기포를 생성하는 단계를 포함하는, 초미세 기포 생성 방법.
  2. 액체 내에 제공된 발열부의 표면의 온도를 300℃ 이상으로 상승시키고 상기 발열부의 상기 표면에 기포를 발생시킴으로써 액체 중에 초미세 기포를 생성하는 단계를 포함하는, 초미세 기포 생성 방법.
  3. 제1항에 있어서, 액체와 접촉하는 발열부가 제공되고, 상기 발열부를 발열시킴으로써 상기 막 비등이 발생되며, 상기 발열부의 표면에서 기포가 생성되는, 초미세 기포 생성 방법.
  4. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 막 비등은 단속적으로(intermittently) 발생되는, 초미세 기포 생성 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 초미세 기포는 액체 중에 용해되어 있는 기체로부터 생성되는, 초미세 기포 생성 방법.
  6. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 기포의 성장 과정 후의 수축 단계에서 액체가 상기 발열부에 접촉하는, 초미세 기포 생성 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 액체에 기체를 주입하는 단계를 포함하는, 초미세 기포 생성 방법.
  8. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 발열부의 상기 표면에 발생되는 기포의 에너지를 이용하여 액체를 토출구로부터 토출하는 단계를 포함하는, 초미세 기포 생성 방법.
  9. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 발열부에 의해 액체가 가열되는 기간은 100μsec 이하인, 초미세 기포 생성 방법.
  10. 제2항 또는 제3항에 있어서, 액체와 접촉하는 상기 발열부의 표면의 면적은 25.0mm2 이하인, 초미세 기포 생성 방법.
  11. 초미세 기포-함유액 제조 장치이며,
    미리결정된 영역을 포함하는 위치에서 액체를 저류(store)하도록 구성되는 저류 유닛; 및
    상기 미리결정된 영역의 액체를 가열해서 막 비등을 발생시킴으로써, 액체 중에 초미세 기포를 생성하도록 구성되는 발열 유닛을 포함하는, 초미세 기포-함유액 제조 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 발열 유닛은 발열 저항부를 포함하는, 초미세 기포-함유액 제조 장치.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 막 비등을 단속적으로 발생시키도록 상기 발열 유닛을 단속적으로 발열시키도록 구성되는 제어 유닛을 더 포함하는, 초미세 기포-함유액 제조 장치.
  14. 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 액체가 상기 미리결정된 영역을 통해서 유동하는 유로를 더 포함하는, 초미세 기포-함유액 제조 장치.
  15. 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 미리결정된 영역을 통해서 액체를 순환시키도록 구성되는 순환 유로를 더 포함하는, 초미세 기포-함유액 제조 장치.
  16. 제11항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 미리결정된 영역의 적어도 일부를 포함하는 압력 챔버;
    상기 압력 챔버에 액체를 공급하는 공급로; 및
    상기 압력 챔버와 연통하는 토출구를 더 포함하며,
    액체에서의 막 비등에 의해 발생되는 기포의 에너지에 의해, 상기 압력 챔버 내의 액체가 상기 토출구로부터 토출되는, 초미세 기포-함유액 제조 장치.
  17. 제16항에 있어서, 상기 토출구로부터 토출되는 액체를 회수하도록 구성되는 회수 유닛을 더 포함하는, 초미세 기포-함유액 제조 장치.
  18. 제11항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 액체에 기체를 주입하도록 구성되는 주입 유닛을 더 포함하는, 초미세 기포-함유액 제조 장치.
  19. 초미세 기포-함유액 제조 방법이며,
    미리결정된 영역을 포함하는 위치에서 액체를 저류하는 저류 단계; 및
    상기 미리결정된 영역의 액체를 가열해서 막 비등을 발생시킴으로써, 액체 중에 초미세 기포를 생성하는 가열 단계를 포함하는, 초미세 기포-함유액 제조 방법.
  20. 액체에 함유된 초미세 기포의 수가 20억개/ml 이상인, 초미세 기포-함유액.
  21. 제20항에 있어서, 상기 액체에 함유되는 상기 초미세 기포 중 50% 이상은 10nm 내지 400nm의 범위의 직경을 갖는, 초미세 기포-함유액.
  22. 제20항 또는 제21항에 있어서, 상기 초미세 기포는 1주일 후에 50% 이하만큼 감소되는, 초미세 기포-함유액.
  23. 제20항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 내부에 기체를 포함하는 상기 초미세 기포는 상기 액체에 함유되며, 따라서 상기 기체는 대기압하에 상기 액체에 용해되는 상기 기체의 포화 용해도 이상의 양으로 함유되는, 초미세 기포-함유액.
  24. 제20항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 액체는 물을 주성분으로서 포함하는, 초미세 기포-함유액.
  25. 제20항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 액체는 유기 용제를 포함하는, 초미세 기포-함유액.
  26. 제20항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 액체는 염소 화합물을 포함하는, 초미세 기포-함유액.
  27. 제20항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 액체는 전해질 이온을 포함하는, 초미세 기포-함유액.
  28. 제20항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 초미세 기포는, 내부에 수소, 헬륨, 산소, 질소, 메탄, 불소, 네온, 이산화탄소, 오존, 아르곤, 염소, 에탄, 프로판, 공기 및 이들의 기체 혼합물로 구성되는 군으로부터 선택되는 기체를 포함하는, 초미세 기포-함유액.
  29. 초미세 기포를 활용하는 장치에서 사용되는 초미세 기포-함유액 제조 장치이며,
    액체를 저류하도록 구성되는 액체 챔버; 및
    상기 액체 챔버 내에 제공되고, 상기 액체 챔버 내의 액체를 가열해서 막 비등을 발생시킴으로써 초미세 기포를 생성하도록 구성되는 발열부를 포함하는, 초미세 기포-함유액 제조 장치.
  30. 초미세 기포를 활용하는 장치에 사용되는 초미세 기포 생성 방법이며,
    액체를 저류하도록 구성되는 액체 챔버 및 상기 액체 챔버 내에 제공된 발열부를 포함하고,
    상기 발열부의 표면의 온도를 300℃ 이상으로 상승시키고, 상기 발열부의 상기 표면에 기포를 발생시킴으로써 액체 중에 초미세 기포가 생성되는, 초미세 기포 생성 방법.
  31. 제30항에 있어서, 상기 발열부에 의해 액체가 가열되는 기간은 100μsec 이하인, 초미세 기포 생성 방법.
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