KR20220087772A - 수분 포집 장치 및 방법 - Google Patents

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KR20220087772A
KR20220087772A KR1020200178142A KR20200178142A KR20220087772A KR 20220087772 A KR20220087772 A KR 20220087772A KR 1020200178142 A KR1020200178142 A KR 1020200178142A KR 20200178142 A KR20200178142 A KR 20200178142A KR 20220087772 A KR20220087772 A KR 20220087772A
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Abstract

본 발명은, 면적을 가지는 기재와, 기재의 표면의 일단부에서 수평 방향으로 연장 형성되는 소수성 영역, 기재의 표면의 나머지에 형성되는 친수성 영역, 및 기재의 표면의 일단부에서 소수성 영역을 상하 방향으로 가로지르도록 연장 형성되는 친수성 채널 영역을 포함하는 수분 포집 장치와, 이의 수분 포집 방법으로서, 표면에 포집된 수분을 원활하게 낙하시킬 수 있는 수분 포집 장치 및 방법이 제시된다.

Description

수분 포집 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR CAPTURING MOISTURE}
본 발명은 수분 포집 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 표면에 포집되는 수분을 원활하게 낙하시킬 수 있는 수분 포집 장치 및 방법에 관한 것이다.
인구의 급증에 따른 수자원 부족 문제를 해결하기 위하여 고온다습한 기후를 활용하여 공기로부터 물을 획득하는 수분 포집 기술에 대한 관심이 높아지고 있다.
공기로부터 물을 획득하는 방식으로는 과포화 공기를 친수성 표면의 기재 혹은 소수성 표면의 기재에 접촉시켜 공기 중의 수분을 기재의 표면에 응축시키는 방식이 주로 사용된다. 이때, 친수성 표면에서는 수분이 납작한 형태의 액적으로 주로 응축되고, 소수성 표면에서는 수분이 볼록한 형태의 액적으로 주로 응축된다.
한편, 친수성 표면은 소수성 표면보다 응축핵 형성에 필요한 에너지가 낮다. 이에, 친수성 표면은 같은 조건에서 소수성 표면보다 더 많은 액적을 생성시킬 수 있다. 하지만 친수성 표면은 소수성 표면보다 접촉각이 작다. 이에, 친수성 표면은 같은 조건에서 소수성 표면보다 액적과의 접촉 면적이 넓다. 즉, 친수성 표면은 같은 조건에서 소수성 표면보다 액적과의 부착력이 크다. 따라서, 친수성 표면은 소수성 표면에 비하여, 수분을 충분한 크기의 액적으로 성장시키기 어려우면서, 생성된 액적을 기재의 표면으로부터 낙하시키기 어렵다. 여기서, 충분한 크기는 액적이 부착력을 이겨내고 기재의 표면을 탈출하여 아래로 낙하될 수 있는 소정의 크기를 의미한다.
또한, 소수성 표면은 친수성 표면보다 액적의 크기를 크게 성장시킬 수 있으면서 성장된 액적을 아래로 낙하시키기 쉬우나, 응축핵의 생성이 더디기 때문에 충분한 양의 수분을 포집하는 것에 어려움이 있다.
따라서, 친수성 표면과 소수성 표면이 각각 가진 문제점을 해결하기 위한 방안이 요구된다.
본 발명의 배경이 되는 기술은 하기의 특허문헌에 게재되어 있다.
KR 10-2132906 B1 KR 10-2014-0064362 A
본 발명은 표면에 수분을 원활하게 포집할 수 있는 수분 포집 장치 및 방법을 제공한다.
본 발명은 표면에 포집되는 수분을 원활하게 낙하시킬 수 있는 수분 포집 장치 및 방법을 제공한다.
본 발명의 실시 형태에 따른 수분 포집 장치는, 면적을 가지는 기재; 상기 기재의 표면의 일단부에서 수평 방향으로 연장 형성되는 소수성 영역; 상기 기재의 표면의 나머지에 형성되는 친수성 영역; 상기 기재의 표면의 일단부에서 상기 소수성 영역을 상하 방향으로 가로지르도록 연장 형성되는 친수성 채널 영역;을 포함한다.
상기 소수성 영역은 상기 친수성 영역의 하측에 배치되고, 상기 친수성 채널 영역은 상기 친수성 영역과 상기 소수성 영역 사이의 경계와 상기 기재의 하측의 자유공간을 상하 방향으로 연결시킬 수 있다.
상기 친수성 채널 영역의 수평 방향의 폭은 1.6 ㎜ 내지 4 ㎜의 범위일 수 있다.
상기 친수성 채널 영역의 수평 방향의 폭은 관계식 1로 산출될 수 있다.
[관계식 1]
Ｗ1 = (ρ×g×Ｖ)/(γ×(cosθr - cosθa))
(Ｗ1은 친수성 채널 영역의 수평 방향의 폭, ρ는 액적의 밀도, g는 중력가속도, Ｖ는 액적의 부피, γ은 액적의 표면장력, θr는 친수성 영역에 대한 액적의 상부 접촉각, θa는 소수성 영역에 대한 액적의 하부 접촉각)
상기 친수성 채널 영역의 상하 방향의 길이는 1.5 ㎝ 내지 3 ㎝의 범위일 수 있다.
상기 친수성 채널 영역은 복수개 형성되고, 상기 기재의 표면의 일단부를 따라 수평 방향으로 나열될 수 있다.
상기 친수성 영역과 상기 소수성 영역 사이의 경계는 직선, 경사진 직선 및 경사진 곡선 중 적어도 하나의 형상일 수 있다.
상기 친수성 영역은 상기 소수성 영역보다 면적이 크고, 상기 소수성 영역은 상기 친수성 채널 영역보다 면적이 클 수 있다.
상기 친수성 영역, 상기 소수성 영역 및 상기 친수성 채널 영역이 동일 면상에 위치할 수 있다.
상기 친수성 영역과 상기 소수성 영역 사이의 경계는 상기 소수성 영역과 상기 친수성 채널 영역 사이의 경계와 연결될 수 있다.
상기 소수성 영역은 상기 기재의 표면에 형성된 소수성 패턴을 포함하고, 상기 친수성 영역 및 상기 친수성 채널 영역은 상기 기재의 표면에 형성된 친수성 패턴을 포함할 수 있다.
상기 소수성 영역은 소수성 재료인 기재에 형성되고, 상기 친수성 영역 및 상기 친수성 채널 영역은 상기 기재의 표면에 형성된 친수성 패턴을 포함할 수 있다.
상기 기재는 베이스 부재를 포함하고, 상기 소수성 영역은 상기 베이스 부재의 표면에 막으로 형성되는 소수성 피막을 포함하고, 상기 친수성 영역은 상기 베이스 부재의 표면에 막으로 형성되는 친수성 피막을 포함하고, 상기 친수성 채널 영역은 상기 베이스 부재의 표면에 막으로 형성되는 친수성 채널 피막을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 따른 수분 포집 방법은, 공기를 친수성 표면에 접촉시키는 과정; 접촉된 공기 중의 수분을 상기 친수성 표면에 액적으로 생성하는 과정; 생성된 액적의 일부를 소수성 표면에 접촉시켜 상기 생성된 액적을 성장시키는 과정; 성장된 액적을 친수성 채널 표면에 접촉시켜 활주시키는 과정;을 포함한다.
상기 친수성 표면에 액적으로 생성하는 과정은, 수분을 함유하는 공기를 상기 친수성 표면에 접촉시켜서 상기 수분을 응축시키는 과정; 상기 친수성 표면에 대한 수분의 접촉각을 0° 초과 30° 이하로 하여 복수개의 액적을 생성하는 과정;을 포함할 수 있다.
상기 생성된 액적을 성장시키는 과정은, 상기 친수성 표면과 상기 소수성 표면 사이의 경계에서, 상기 복수개의 액적 각각의 일부분을 상기 소수성 표면에 접촉시키는 과정; 상기 소수성 표면과 접촉하는 상기 복수개의 액적 각각을 상기 경계를 따라 이동시키며 서로 합체하고 성장시키는 과정;을 포함할 수 있다.
상기 성장된 액적을 활주시키는 과정은, 성장된 액적들을 상기 친수성 채널 표면에 유입시키는 과정; 상기 성장된 액적들을 하방으로 활주시키는 과정; 상기 성장된 액적들의 자중을 이용하여 상기 성장된 액적들을 가속시키는 과정; 상기 성장된 액적들을 상기 친수성 채널 표면으로부터 탈출시키는 과정; 탈출된 액적들을 저장하는 과정;을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 따르면, 기재의 표면의 넓은 면적을 친수성 영역으로 형성하고, 친수성 영역과 접촉하는 공기 중의 수분을 친수성 영역에 액적으로 원활하게 포집할 수 있다. 또한, 기재의 표면의 일단부를 따라 좁은 면적의 소수성 영역을 형성하고, 친수성 영역과 소수성 영역의 경계 부근에서 액적을 집중적으로 크게 성장시킬 수 있다. 또한, 소수성 영역을 상하 방향으로 가로지르는 친수성 채널 영역을 형성하고, 친수성 채널 영역을 따라 하방으로 액적을 빠르게 활주시켜 기재의 표면으로부터 액적을 쉽게 탈출시킬 수 있다.
이로부터 기재의 표면에서 수분을 액적으로 지속적으로 포집하면서, 기재의 표면으로부터 액적을 효과적으로 배출시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시 예에 따른 수분 포집 장치를 도시한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 제1실시 예에 따른 기재를 도시한 평면도이다.
도 3은 본 발명의 제1실시 예에 따른 기재의 일부를 확대하여 도시한 개략도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 제1실시 예에 따른 기재의 일부를 확대하여 도시한 측단면도이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 제3실시 예에 따른 기재의 일부를 확대하여 도시한 측단면도이다.
도 8은 본 발명의 제1변형 예에 따른 기재의 일부를 확대하여 도시한 평면도이다.
도 9는 본 발명의 제2변형 예에 따른 기재의 일부를 확대하여 도시한 평면도이다.
도 10은 본 발명의 실시 예들에 따른 기재의 표면에 생성된 액적에 작용하는 힘을 설명하기 위한 개념도이다.
도 11은 본 발명의 실시 예들에 따른 기재의 표면에 생성된 액적의 부피를 구하는 방식을 설명하기 위한 개념도이다.
도 12는 본 발명의 실시 예들에 따른 기재의 표면에 생성된 액적에 작용하는 힘의 평형을 설명하기 위한 개념도이다.
도 13은 본 발명의 실시 예들에 따른 친수성 채널 영역의 폭을 다르게 하여 응축수 생성량을 실험한 시편의 사진이다.
도 14는 본 발명의 실시 예들에 따른 친수성 채널 영역의 폭을 다르게 한 시편으로 실시한 응축수 생성 실험의 결과를 보여주는 그래프이다.
도 15는 본 발명의 실시 예들에 따른 친수성 채널 영역의 길이를 다르게 하여 응축수 생성량을 실험한 시편의 사진이다.
도 16은 본 발명의 실시 예들에 따른 친수성 채널 영역의 길이를 다르게 한 시편으로 실시한 응축수 생성 실험의 결과를 보여주는 그래프이다.
도 17은 본 발명의 실험 예들에 따른 시편으로 응축수의 생성 속도를 실험한 결과를 보여주는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 실시 예들을 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니고, 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이다. 단지 본 발명의 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 본 발명의 실시 예들을 설명하기 위하여 도면은 과장될 수 있고, 도면상의 동일한 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
본 발명의 실시 예들에 따른 수분 포집 장치 및 방법은, 에너지를 소모하지 않으면서 공기로부터 수분을 효과적으로 포집함으로써, 생활용수 및 공업용수를 포함한 수자원을 원활하게 확보하는 장치 및 방법에 적용될 수 있다.
물론, 본 발명은 수분 외에도 공기 중의 각종 액체 성분을 포집하는 장치 및 방법으로 활용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시 예에 따른 수분 포집 장치를 도시한 개략도이다. 도 2는 본 발명의 제1실시 예에 따른 기재를 도시한 평면도이다. 도 3은 본 발명의 제1실시 예에 따른 기재의 일부를 확대하여 도시한 개략도이다.
또한, 도 4 및 도 5는 본 발명의 제1실시 예에 따른 기재의 일부를 확대하여 도시한 측단면도이다. 여기서, 도 4는 도 3의 'A-1'선을 따라 기재를 상하 방향으로 절단하여 단면을 보여주는 측단면도이고, 도 5는 도 3의 'A-2'선을 따라 기재를 상하 방향으로 절단하여 단면을 보여주는 측단면도이다. 즉, 도 4 및 도 5는 기재의 서로 다른 부분을 절단하여 도시한 측단면도이다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 제1실시 예에 따른 수분 포집 장치는, 소정의 면적을 가지는 기재(100), 기재(100)의 표면의 일단부에서 수평 방향으로 연장 형성되는 소수성 영역(120), 기재(100)의 표면의 나머지에 형성되는 친수성 영역(110), 및 기재(100)의 표면의 일단부에서 소수성 영역(120)을 상하 방향(Z)으로 가로지르도록 연장 형성되는 친수성 채널 영역(130)을 포함한다.
또한, 본 발명의 제1실시 예에 따른 수분 포집 장치는, 기재(100)로부터 하측으로 이격 배치되는 저장부(200), 및 기재(100)를 지지하도록 저장부(200) 부근에 설치되는 지지부(미도시)를 포함할 수 있다.
표면은 기재(100)의 일부로서 기재(100)의 가장 바깥쪽을 이루는 외부면들을 포함할 수 있다. 이때, 이하에서는 기재(100)의 외부면들중 전방을 향하는 면인 전면을 기재(100)의 표면이라고 지칭한다. 이때, 기재(100)의 표면에는 소수성 및 친수성을 각각 부여해주기 위한 소정의 패턴들 예컨대 소수성 패턴(P2) 및 친수성 패턴(P1)이 각기 형성될 수 있다.
영역은 기재(100)의 표면의 일부를 포함할 수 있다. 즉, 소수성 영역(120)은 기재(100)의 표면 중에서 소수성을 가지는 소정 면적을 포함할 수 있다. 친수성 영역(110)은 기재(100)의 표면 중에서 소수성을 가지면서 소수성 영역(120)의 상측에 위치하는 소정 면적을 포함할 수 있다. 친수성 채널 영역(130)은 기재(100)의 표면 중에서 친수성을 가지면서 소수성 영역(120) 사이에 위치하는 소정 면적을 포함할 수 있다.
도 1을 참조하면, 기재(100)는 상하 방향(Z) 및 수평 방향으로 연장될 수 있다. 이때, 수평 방향은 좌우 방향(X) 및 전후 방향(Y)을 포함할 수 있다. 기재(100)는 상하 방향(Z) 및 좌우 방향(X)으로 소정의 면적을 가질 수 있다. 기재(100)는 소정의 면적을 이용하여 공기와 접촉될 수 있다. 기재(100)는 전후 방향(Y)으로 소정의 두께를 가질 수 있다. 기재(100)는 소정의 두께를 이용하여 공기와의 접촉 시 안정된 자세를 유지할 수 있다. 예컨대 기재(100)는 연직한 자세 혹은 수직한 자세를 안정적으로 유지할 수 있다. 물론, 기재(100)는 소정의 각도로 경사진 자세를 유지할 수도 있다.
도 2를 참조하면, 기재(100)는 사각 플레이트 형상일 수 있다. 기재(100)는 상하 방향(X)의 길이(H) 및 좌우 방향(X)의 폭(W)이 전후 방향(Y)의 두께보다 상당히 클 수 있다. 물론, 기재(100)의 형상은 다양할 수 있다.
기재(100)는 금속 재질을 포함할 수 있다. 이때, 금속 재질은 알루미늄 재질을 포함할 수 있다. 물론, 기재(100)의 재질은 다양할 수 있다. 예컨대 기재(100)는 플라스틱 재질을 포함할 수 있다.
기재(100)는 표면의 하단부에 소수성 영역(120) 및 친수성 채널 영역(130)이 형성될 수 있고, 그 나머지에 친수성 영역(110)이 형성될 수 있다. 여기서, 소수성 영역(120) 및 친수성 채널 영역(130)은 복수개 형성될 수 있고, 좌우 방향(X)으로 번갈아 나열될 수 있다.
기재(100)의 표면은 하단부를 제외한 넓은 면적에 친수성 영역(110)이 형성될 수 있다. 즉, 친수성 영역(110)은 소수성 영역(120)보다 면적이 클 수 있다. 그리고 소수성 영역(120) 및 친수성 채널 영역(130)은 친수성 영역(110)의 하측의 좁은 면적에 배치될 수 있다. 이때, 소수성 영역(120)은 친수성 채널 영역(130)보다 면적이 클 수 있다. 한편, 친수성 영역(110), 소수성 영역(120) 및 친수성 채널 영역(130)은 동일 면상에 위치할 수 있다. 여기서, 동일 면은 단차가 없는 소정의 동일한 평면을 의미한다. 예컨대 기재(100)의 전면과 대향하는 후면을 기준으로, 이들 영역의 평균 두께가 소정의 오차 범위 내에서 일치할 수 있고, 기재(100)는 전체 영역에서 균일한 두께를 가질 수 있다. 이를 다르게 표현하면, 기재(100)는 단차가 없는 균일한 수직 단면을 가질 수 있다. 따라서, 이들 영역은 그 사이의 경계에서 서로 매끄럽게 연결될 수 있다.
도 3을 참조하면, 친수성 영역(110)과 소수성 영역(120) 사이의 경계 예컨대 제1경계(I1)는 수평 방향으로 연장 형성될 수 있다. 또한, 소수성 영역(120)과 친수성 채널 영역(130) 사이의 경계 예컨대 제2경계(I2)는 상하 방향(Z)으로 연장 형성될 수 있다. 제1경계(I1)와 제2경계(I2)는 서로 연결될 수 있다. 제1경계(I1) 및 제2경계(I2)는 직선 형상일 수 있다.
도 4를 참조하면, 친수성 영역(110)은 기재(100)의 표면에 형성된 친수성 패턴(P1)을 포함할 수 있다. 친수성 패턴(P1)은 이중돌기 패턴을 포함할 수 있다. 물론, 친수성 패턴(P1)의 종류는 다양할 수 있다.
예컨대 기재(100)의 표면을 식각하여 마이크로미터 크기로 복수개의 제1돌기(미도시)를 형성하고, 자가 조립 모노레이어(Self Assembly Monolayer) 방식으로 제1돌기상에 나노 크기로 복수개의 제2돌기를 형성함으로써, 친수성 패턴(P1)을 형성할 수 있다.
도 2 및 도 4를 참조하면, 친수성 영역(110)은 넓은 면적을 이용하여 공기와 접촉할 수 있고, 공기 중에 함유된 수분을 응축시켜 액적을 생성할 수 있다. 친수성 영역(110)에서 생성된 복수개의 액적(W0)은 친수성 영역(110) 내의 기재(100)의 표면에 대한 액적의 접촉각이 허용하는 범주 내에서 소정의 크기 예컨대 제1크기로 성장할 수 있다.
친수성 영역(110) 내에서 친수성 패턴(P1)에 대한 액적의 접촉각은 예컨대 0° 초과이고 30° 이하일 수 있다. 친수성 영역(110)의 액적(W0)은 막처럼 납작한 형태의 액적일 수 있다. 친수성 영역(110)의 액적(W0)은 제1 크기 이상이 되면 기재(100)의 표면을 따라서 소수성 영역(120)을 향하여 하강할 수 있다(도 3 참조).
도 2를 참조하면, 친수성 영역(110)의 상하 방향(Z)의 길이(H2)는 소수성 영역(120)의 상하 방향(Z)의 길이(H1)보다 클 수 있다. 한편, 기재(100)의 상하 방향의 길이(H)는 수분 포집 장치가 설치되는 장소에 따라 소정의 길이로 정해질 수 있다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 소수성 영역(120)은 기재(100)의 표면에 형성된 소수성 패턴(P2)을 포함할 수 있다. 소수성 패턴(P2)은 연속적으로 배열된 'V' 형상 패턴을 포함할 수 있다.
예컨대 기재(100)의 표면을 식각 또는 프레스 성형하여 마이크로미터 크기로 연속적으로 배열된 'V' 형상 패턴을 형성하여, 소수성 패턴(P2)을 형성할 수 있다. 물론, 소수성 패턴(P2)의 종류는 다양할 수 있다. 소수성 패턴(P2)에 대한 액적의 접촉각은 150° 이상 180° 미만일 수 있다.
소수성 영역(120)은 친수성 영역(110)과의 접촉각 차이를 이용하여, 친수성 영역(110)에서 생성된 액적(W0)을 제1경계(I1)상에 정체시키는 역할을 한다. 제1경계(I1)상에 정체되는 액적(W1')은 제1경계(I1)를 따라 좌우로 이동하면서 서로 합체되어 제1 크기보다 큰 소정의 제2 크기로 성장할 수 있다. 이때, 제1경계(I1)의 복수개의 액적(W1')은 각각의 일부가 소수성 영역(120)에 위치할 수 있고, 각각의 나머지가 친수성 영역(110)에 위치할 수 있다. 또한, 제1경계(I1)의 액적(W1')은 제2 크기 이상으로 성장하여 친수성 채널 영역(130)으로 유입될 수 있다. 한편, 제1경계(I1)의 액적(W1')은 볼록한 형태의 액적일 수 있다. 예컨대 제1경계(I1)의 액적(W1')은 중력에 의해 하부가 두껍고 상부가 얇은 유선형의 반구 형태의 액적일 수 있다. 이때, 액적(W1')의 상부와 하부에서 접촉각이 상이할 수 있다.
도 2를 참조하면, 소수성 영역(120)의 상하 방향(Z)의 길이(H1)는 친수성 채널 영역(130)의 상하 방향(Z)의 길이(H1)와 동일할 수 있다. 소수성 영역(120)의 좌우 방향(X)의 폭(W2)은 친수성 채널 영역(130)의 이격 간격에 따라 소정의 폭으로 정해질 수 있다.
도 5를 참조하면, 친수성 채널 영역(130)은 기재(100)의 표면에 형성된 친수성 패턴(P1)을 포함할 수 있다. 친수성 채널 영역(130)은 친수성 영역(110)과 소수성 영역(120) 사이의 경계(I1)와 기재(100)의 하측의 자유공간(S)을 상하 방향(Z)으로 연결시킬 수 있다. 친수성 채널 영역(130)은 제1경계(I1)를 따라 이동하다가 친수성 채널 영역(130)으로 유입된 제2크기 이상의 크기를 가지는 액적(W1)을 하방으로 활주시키는 역할을 한다. 친수성 채널 영역(130)의 액적(W1)은 친수성 채널 영역(130)을 탈출하여 저장부 내로 낙하될 수 있다.
친수성 채널 영역(130)의 좌우 방향의 폭(W1)은 1.6 ㎜ 내지 4 ㎜의 범위일 수 있다. 친수성 채널 영역(130)의 좌우 방향의 폭(W1)이 1.6 ㎜ 보다 작으면, 친수성 채널 영역(130)으로 유입된 액적의 좌우 양측이 소수성 영역(120)에 접촉될 수 있다. 이에, 액적의 활주가 소수성 영역(120)에 의해 방해받을 수 있고, 액적이 탈출 속도까지 충분히 가속되기 어려울 수 있다.
친수성 채널 영역(130)의 좌우 방향의 폭(W1)이 1.6 ㎜ 내지 4 ㎜의 범위일 때, 친수성 채널 영역(130)으로 유입된 액적이 소수성 영역(120)을 침범하지 않을 수 있다. 친수성 채널 영역(130)의 좌우 방향의 폭(W1)이 4 ㎜ 를 초과하면 액적이 친수성 채널 영역(130)의 표면 내에서 원활하게 활주할 수는 있으나, 폭이 증가하는 것에 비하여 액적의 속도가 증가하는 정도는 작을 수 있다. 또한, 친수성 채널 영역(130)의 좌우 방향의 폭(W1)이 4 ㎜ 를 초과하면, 그만큼 소수성 영역(120)의 면적이 줄어들고, 제1경계(I1)의 길이가 줄어들게 된다. 따라서, 액적이 충분히 합체하여 성장하기 전에 친수성 채널 영역(130)으로 유입될 수 있다.
즉, 친수성 채널 영역(130)의 좌우 방향의 폭(W1)이 4 ㎜ 를 초과하면서부터는 친수성 채널 영역(130)의 좌우 방향의 폭(W1)이 커지는 것이 액적의 속도 증가에 기여하는 부분이 적고, 액적의 성장에는 방해가 될 수 있다. 이에, 친수성 채널 영역(130)의 좌우 방향의 폭(W1)을 4 ㎜ 보다 크게 하는 것은 의미가 없다.
본 발명의 제1실시 예에 따르면, 친수성 채널 영역(130)의 수평 방향의 폭은 관계식 1로 산출될 수 있다. 여기서, 이하에 기재된 관계식 1과 그 도출 방식은 본 발명의 다른 실시 예들 및 변형 예들에도 동일하게 적용될 수 있다.
[관계식 1]
Ｗ1 = (ρ×g×Ｖ)/(γ×(cosθr - cosθa))
여기서, Ｗ1은 친수성 채널 영역의 수평 방향의 폭, ρ는 액적의 밀도, g는 중력가속도, Ｖ는 액적의 부피, γ은 액적의 표면장력, θr는 친수성 영역에 대한 액적의 상부 접촉각, θa는 소수성 영역에 대한 액적의 하부 접촉각 이다.
관계식 1을 도출하는 과정을 아래에서 설명한다.
도 10은 본 발명의 실시 예들에 따른 기재의 표면에 생성된 액적에 작용하는 힘을 설명하기 위한 개념도이다.
이하에서, 친수성 영역(110) 내의 기재(100)의 표면을 친수성 표면이라 하고, 소수성 영역(120) 내의 기재(100)의 표면을 소수성 표면이라고 하고, 친수성 채널 영역(130) 내의 기재(100)의 표면을 친수성 채널 표면이라고 할 수 있다.
도 10를 참조하면, 기재(100)의 친수성 표면에 형성된 액적은 무게 중심(C1)에 작용하는 중력(g)에 의한 액적의 무게와, 친수성 표면과의 접촉면(C2)에 작용하는 부착력(fs)이 평형인 상태를 이루다가 액적의 무게가 증가하면 기재(100)의 친수성 표면을 따라 하강하게 된다.
기재(100)의 친수성 표면을 따라서 하강하는 액적이 기재(100)의 친수성 표면과 소수성 표면의 경계를 통과하면, 소수성 표면이 저항으로 작용하여 액적의 하강이 멈추고, 액적의 하부는 소수성 표면에 접촉하고, 액적의 상부는 친수성 표면에 접촉하거나, 친수성 표면과 소수성 표면 사이의 경계에 접촉할 수 있다. 이 상태에서 액적은 경계를 따라서 좌우 방향으로 이동하면서 서로 합쳐질 수 있고, 이에 의해 소정의 크기까지 성장할 수 있다. 즉, 액적은 친수성 표면과 소수성 표면 사이의 경계에서 친수성 표면의 액적의 크기보다 큰 소정의 크기로 성장할 수 있다.
이 때의 액적의 부피 및 액적에 작용하는 힘의 평형관계를 이용하면, 액적이 기재(100)의 친수성 표면과 소수성 표면의 경계의 부근에서 최대로 성장할 수 있는 크기의 범위를 구할 수 있다.
따라서, 액적이 최대로 성장할 수 있는 크기의 범위에 맞춰 친수성 채널 영역(130)의 폭을 정해주면 친수성 표면과 소수성 표면의 경계에서 성장된 액적을 친수성 채널 영역(130) 내에서 원활하게 활주시킬 수 있다.
도 11은 본 발명의 실시 예들에 따른 기재의 표면에 생성된 액적의 부피를 구하는 방식을 설명하기 위한 개념도이다.
도 11을 참조하면, 액적의 부피는 아래의 관계식 2, 관계식 3에 의하여 구할 수 있다.
[관계식 2]
Figure pat00001
[관계식 3]
Figure pat00002
즉, 액적의 형태를 반구에서 상부 부위를 잘라내어 형성된 캡 형태라고 가정한다. 도 11에서 점 해칭으로 표시된 부분이 캡 형태의 액적을 나타내는 부분이다. 이때, 캡 형태의 액적의 부피(V)는 관계식 3에 보여주는 것처럼 캡의 밑변의 반지름(a)과 캡의 높이(h)의 관계식으로 구할 수 있다. 여기서, 캡의 높이(h)는 관계식 2에서 보여주는 것처럼 반구의 반지름(r)과 캡의 밑변의 대각(θ)에 대한 식으로 표현할 수 있고, 이러한 관계식 2를 관계식 3의 캡의 높이(h)에 대입하여, 관계식 3의 우변의 형태를 도출할 수 있다. 즉, 액적의 부피를 캡의 밑변의 반지름(a)과 캡의 밑변의 대각(θ)에 대한 식으로 정리할 수 있다.
여기서, 캡의 밑변의 반지름(a)과 캡의 밑변의 대각(θ)은 액적이 접촉하는 표면의 접촉각에 따라 미리 알려진 소정 값으로 주어질 수 있다. 또한, 액적이 접촉하는 표면의 접촉각은 실험을 통하여 구하거나, 액적이 접촉하는 표면의 물성 및 구조적 형상으로부터 이론적으로 계산할 수 있다.
따라서, 친수성 표면의 접촉각의 범위와, 소수성 표면의 접촉각의 범위를 정하면, 친수성 표면과 소수성 표면의 경계에 위치하는 액적의 부피를 이론적으로 소정 값의 범위로 구해줄 수 있다.
한편, 액적의 형태를 반구에서 상부 부위를 잘라내어 형성된 캡 형태라고 가정하는 방식은 액적을 모델링하여 부피를 구하는 방식의 일 예시이다. 이 외에도, 다양한 방식으로 액적의 부피를 이론적으로 구해줄 수 있다.
액적의 부피를 구해주면, 중력 가속도를 곱하여 액적에 작용하는 중력을 구할 수 있다. 한편, 액적의 부피를 구하는 과정에서는 액적을 캡 형태로 가정하고 구했으나, 실질적으로 액적은 중력에 의하여 아래쪽이 두꺼운 유선형의 반구 형상을 가진다. 이때, 액적의 표면 장력과, 액적의 상부 접촉각 및 하부 접촉각을 이용하면, 액적과 기재의 표면 사이에 작용하는 부착력을 구할 수 있고, 액적에 대한 힘의 평형식을 세울 수 있다.
도 12는 본 발명의 실시 예들에 따른 기재의 표면에 생성된 액적에 작용하는 힘의 평형을 설명하기 위한 개념도이다.
기재의 친수성 표면과 소수성 표면의 경계 부근에서 성장 중인 액적의 실질적인 형상은 도 12에 도시된 액적의 형상과 같다. 이때, 액적의 상부 접촉각(
Figure pat00003
)의 코사인 값과 액적의 표면장력(
Figure pat00004
)의 곱은 액적의 상부에서 상방으로 작용하는 부착력이고, 액적의 하부 접촉각(
Figure pat00005
)의 코사인 값과 액적의 표면장력(
Figure pat00006
)의 곱은 액적의 하부에서 하방으로 작용하는 부착력이다. 이들의 차이값을 구하고, 액적의 좌우 방향의 폭(
Figure pat00007
)을 곱하면 액적을 상방으로 잡아주는 부착력의 크기를 구할 수 있다. 이 부착력의 크기가 액적에 작용하는 중력의 크기와 같으면, 액적이 평형 상태를 유지하면서 즉, 액적의 상하 방향(Z)의 위치가 변화하지 않으면서, 액적의 크기가 성장할 수 있다. 여기서, 액적의 표면장력은 물의 표면장력 값으로서 소정 값으로 주어지는 값일 수 있다.
이를 식으로 표현하면 아래의 관계식 4와 같은 평형식을 얻는다.
[관계식 4]
Figure pat00008
관계식 4의 좌변은 액적의 표면장력과 접촉각으로 나타낸 부착력의 항이고, 우변은 액적의 무게 항이다. 우변을 보면,
Figure pat00009
는 액적 즉, 물의 밀도,
Figure pat00010
는 중력가속도,
Figure pat00011
는 액적의 부피이다.
관계식 4에서 우변에 액적의 폭(
Figure pat00012
)을 놓고 나머지를 좌변으로 이항시키면, 아래의 관계식 1을 구할 수 있다.
[관계식 1]
Ｗ1 = (ρ×g×Ｖ)/(γ×(cosθr - cosθa))
여기서, 액적의 부피는 상술한 관계식 3에 의해 구할 수 있다. 또한, 액적의 밀도, 중력가속도, 액적의 표면장력 액적의 상부 접촉각 및 하부 접촉각은 액적의 물성과, 친수성 표면 및 소수성 표면의 접촉각으로 주어지는 상수값일 수 있다.
즉, 기재(100)의 친수성 표면과 소수성 표면의 경계를 통과하여, 소수성 표면에 도달한 액적의 부피를 이론적으로 구하고, 미리 알려진 액적의 물성과 친수성 표면 및 소수성 표면의 접촉각을 이용하면, 친수성 표면과 소수성 표면 사이의 경계와 가까운 소수성 표면의 소정 면적 내에서, 액적이 최대로 성장할 수 있는 폭의 범위를 산출할 수 있다.
예컨대, 본 발명의 실시 예들에서는 액적이 물로 이루어지고, 친수성 표면의 접촉각이 0° 초과 30° 이하이고, 소수성 표면의 접촉각이 150° 이상 180° 미만일 때의 액적의 최대 폭의 범위를 1.6 ㎜ 내지 4 ㎜의 범위로 구할 수 있다.
즉, 소수성 표면에 도달한 액적은 그 폭(Ｗ1)이 1.6 ㎜ 내지 4 ㎜의 범위까지 성장하면, 부착력보다 중력이 커지게 되어 고정력을 상실하고 표면상에서 흐르게 된다. 이때, 액적은 소수성 표면을 하방으로 가로지르기보다, 소수성 표면과 친수성 표면 사이의 경계를 따라서 좌우 방향으로 이동하게 된다.
즉, 소수성 표면은 접촉각이 크고, 친수성 표면은 그보다 접촉각이 작기 때문에, 액적이 소수성 표면에서 연직하게 이동하기 어렵게 됨으로써, 액적이 소수성 표면과 친수성 표면 사이의 경계를 타고 좌우로 쉽게 이동할 수 있다.
이에, 친수성 채널 영역으로 유입된 액적은 그 폭이 1.6 ㎜ 내지 4 ㎜의 범위일 수 있고, 친수성 채널 영역의 폭이 1.6 ㎜ 보다 작으면 액적이 소수성 영역에 걸치게 되어 활주가 어려워질 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시 예들에서는 친수성 채널 영역으로 유입된 액적이 소수성 영역에 접촉하지 않도록, 친수성 채널 영역의 폭을 1.6 ㎜ 내지 4 ㎜의 범위로 형성할 수 있다.
상술한 과정을 통해 이론적으로 계산한 친수성 채널 영역의 폭을 아래와 같은 과정을 거쳐 실험적으로 입증하였다.
도 13은 본 발명의 실시 예들에 따른 친수성 채널 영역의 폭을 다르게 하여 응축수 생성량을 실험한 시편의 사진이다. 도 14는 본 발명의 실시 예들에 따른 친수성 채널 영역의 폭을 다르게 한 시편으로 실시한 응축수 생성 실험의 결과를 보여주는 그래프이다.
5cm X 5cm 크기로 시편을 제작하고, 시편의 상부 면적을 친수성 표면으로 개질하고, 시편의 하부 면적을 소수성 표면으로 개질하였다. 또한, 소수성 표면의 중심에 상하 방향으로 2cm의 길이로 친수성 채널 표면을 형성하였다. 이때, 시편마다 친수성 채널 표면의 폭(W1)을 다르게 형성하였다.
즉, 도 13의 (a)에 보여지는 시편은 "A1" 시편으로 친수성 채널 표면의 좌우 방향의 폭을 1.6 mm로 형성하였고, 도 13의 (b)에 보여지는 시편은 "A2" 시편으로 친수성 채널 표면의 좌우 방향의 폭을 2.4 mm로 형성하였다. 또한, 도 13의 (c)와 (d)에 각각 보여지는 시편들은 "A3" 및 "A4" 시편으로 친수성 채널 표면의 좌우 방향의 폭을 각각 3.2 mm, 4.0 mm 로 형성하였다.
그리고 소정 시간동안 소정 유량의 과포화 공기를 각각의 시편에 동일한 조건으로 노출시키고, 소정 시간동안 시편으로부터 낙하되는 액적을 포집하여, 응축수로 저장하고 그 생성량을 그래프로 도시하였다.
도 14를 보면, "A1" 시편과 "A2" 시편과 "A3" 시편 및 "A4" 시편 모두 응축수의 총 생성량이 0.8g 이상으로 양호한 것을 확인할 수 있다. 또한, 네 개의 시편에서의 분당 단위 면적 대비 응축수 생성량도 0.08((g/cm2)/min) 이상으로 양호하게 생성되는 것을 확인할 수 있다.
친수성 채널 영역(130)의 상하 방향의 길이(H1)는 1.5 ㎝ 내지 3 ㎝의 범위일 수 있다. 이때, 친수성 채널 영역(130)의 상하 방향의 길이(H1)가 1.5 ㎝ 보다 작으면, 제1경계(I1)로부터 친수성 채널 영역(130)으로 유입된 액적이 하방으로 활주할 때, 액적이 탈출 속도까지 충분히 가속되기 어려울 수 있다. 따라서, 액적의 탈출이 어려울 수 있다. 여기서, 탈출 속도는 액적이 친수성 채널 영역(130)으로부터 탈출할 수 있는 소정의 속도를 의미할 수 있다.
친수성 채널 영역(130)의 상하 방향의 길이(H1)가 커질수록 탈출 시의 액적의 속도가 커질 수 있다. 친수성 채널 영역(130)의 상하 방향의 길이(H1)가 3 ㎝를 넘어서면 액적의 속도 증가가 둔화될 수 있다. 즉, 액적이 가속되는 정도가 감소할 수 있다. 이에, 친수성 채널 영역(130)의 상하 방향의 길이(H1)를 3 ㎝ 보다 크게 하는 것은 큰 의미가 없다.
친수성 채널 영역(130)의 상하 방향의 길이(H1)가 1.5 ㎝ 내지 3 ㎝의 범위일 때, 액적이 충분한 속도로 가속하여 친수성 채널 영역(130)으로부터 쉽게 탈출할 수 있다.
본 발명의 제1실시 예에 따르면, 친수성 채널 영역(130)의 상하방향의 길이 범위인 1.5 ㎝ 내지 3 ㎝의 범위는 아래의 과정을 통하여 구할 수 있다. 물론, 아래의 과정은 본 발명의 다른 실시 예들 및 변형 예들에서도 동일하게 적용될 수 있다.
도 15는 본 발명의 실시 예들에 따른 친수성 채널 영역의 길이를 다르게 하여 응축수 생성량을 실험한 시편의 사진이다. 도 16은 본 발명의 실시 예들에 따른 친수성 채널 영역의 길이를 다르게 한 시편으로 실시한 응축수 생성 실험의 결과를 보여주는 그래프이다.
즉, 도 15를 참조하면, 5cm X 5cm 크기의 시편을 제작하고, 시편의 상부 면적을 친수성 표면으로 개질하고, 시편의 하부 면적을 소수성 표면으로 개질하였다. 그리고 소수성 표면의 중심에 상하 방향으로 친수성 채널 표면을 형성하였다.
이때, 친수성 채널 표면의 좌우 방향의 폭을 1.6 mm로 동일하게 형성하고, 친수성 채널 표면의 상하 방향의 길이(H1)를 각각 1.5cm, 2.0cm, 2.5cm, 3.0cm로 다르게 하였다.
그리고 소정 시간동안 소정 유량의 과포화 공기를 각각의 시편에 동일한 조건으로 노출시키고, 소정 시간동안 시편으로부터 액적을 포집하여, 그 생성량을 도 13에 그래프로 도시하였다.
도 15의 (a) 및 도 16의 B1은 친수성 채널 표면의 상하 방향의 길이가 1.5cm인 시편이고, 도 15의 (b) 및 도 16의 B2은 친수성 채널 표면의 상하 방향의 길이가 2.0cm 인 시편이고, 도 15의 (c) 및 도 16의 B3은 친수성 채널 표면의 상하 방향의 길이가 2.5cm 인 시편이고, 도 15의 (d) 및 도 16의 B4는 친수성 채널 표면의 상하 방향의 길이가 3.0cm인 시편이다.
도 16를 보면, 응축수의 총 생산량은 큰 변화가 없이 모두 양호한 것을 확인할 수 있다. 이때, 분당 단위 면적 대비 응축수 생산량은 친수성 채널 표면의 상하 방향의 길이가 1.5cm 에서 3.0cm 로 변할수록 분당 응축수 생성량이 증가하는 것을 확인할 수 있고, 3.0cm 이상에서는 분당 응축수 생성량이 소정 값에 수렴하는 것을 확인할 수 있다. 즉, 친수성 채널 표면의 상하 방향의 길이가 1.5cm 에서 3.0cm 의 범위일 때 분당 응축수 생성량이 0.085 이상으로 양호하게 생성될 수 있다.
본 발명의 제1실시 예에 따르면, 친수성 채널 영역(130) 간의 이격 거리(W2)는 5 ㎝ 이상일 수 있다. 친수성 채널 영역(130) 간의 이격 거리(W2)가 5 ㎝ 보다 작으면, 액적이 친수성 영역(110)과 소수성 영역(120) 사이의 제1경계(I1)를 따라 이동하는 동안, 충분한 크기로 성장하기 어렵다. 여기서, 충분한 크기는 친수성 채널 영역(130)으로 액적을 유입시켜 자중을 이용하여 가속시킬 때, 액적을 탈출 속도까지 가속시킬 수 있는 액적의 소정의 무게에 대응하는 소정의 크기일 수 있다.
친수성 채널 영역(130) 간의 이격 거리(W2)의 최대값은 한정하지 않는다. 예컨대 기재(100)의 좌우 방향의 전체 폭(W)과, 친수성 채널 영역(130)의 개수, 및 친수성 채널 영역(130) 간의 이격 거리(W2)를 반영하여, 친수성 채널 영역(130) 간의 이격 거리(W2)의 최대값을 소정의 값으로 정해줄 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 제1실시 예에 따르면 수분을 가진 습공기(v)가 기재(100)에 충돌하면 기재(100)의 표면에서 습공기(v) 중의 수분이 액적으로 생성될 수 있다. 또한, 액적은 기재(100)의 표면에서 성장 및 활주한 후, 기재(100)로부터 하측으로 배출될 수 있다. 배출된 액적(Wa)은 저장부(200)에 저장된다. 수분이 제거된 공기(a)는 기재로부터 멀어질 수 있다. 저장부(200)에 저장된 액적은 수자원으로 활용될 수 있다
도 17은 본 발명의 실험 예들에 따른 시편으로 응축수의 생성 속도를 실험한 결과를 보여주는 그래프이다.
도 17은 본 발명의 실험 예들(E1~E12)에 따른 시편들의 표면에 각각 동일한 상태의 과포화 증기를 동일한 시간동안 접촉시키고, 소정 시간이 지난 후 시편들에 부착되어 있는 액적 즉, 물방울의 무게를 측정한 그래프이다.
도 17의 "E1"은 표면 전체가 친수성 표면인 시편에 부착된 물방울의 무게를 보여주는 그래프이고, "E2"는 친수성 표면과 소수성 표면의 경계가 V자 형이면서 친수성 채널 표면이 없는 시편에 부착된 물방울의 무게를 보여주는 그래프이다. 도 17의 "E3"는 친수성 표면과 소수성 표면의 경계가 직선형이면서 친수성 채널 표면이 없는 시편에 부착된 물방울의 무게를 보여주는 그래프이다.
또한, 도 17의 "E4", "E5" 및 "E6"은 상부가 친수성 표면이고 하부가 소수성 표면이고, 소수성 표면의 중심에 2cm 길이의 친수성 채널 표면을 형성하되, 각각의 친수성 채널 표면의 폭이 2.4 mm, 3.2 mm, 및 4.0 mm 인 시편들에 각기 부착된 물방울의 무게를 보여주는 그래프이다.
또한, 도 17의 "E7", "E8" 및 "E9"는 상부가 친수성 표면이고 하부가 소수성 표면이고, 소수성 표면의 중심에 1.6mm의 폭의 친수성 채널 표면을 형성하되, 각각의 친수성 채널 표면의 길이가 1.5cm, 2.5cm, 3.0cm인 시편들에 각기 부착된 물방울의 무게를 보여주는 그래프이다.
도 17의 "E10"은 친수성 표면과 소수성 표면의 경계가 V자 형이고, 그 각도가 22° 이며, 친수성 채널 표면의 폭이 1.6mm 이고, 길이가 2cm 인 시편에 부착된 물방울의 무게를 보여주는 그래프이다.
도 17의 "E11"은 시편의 친수성 표면과 소수성 표면의 경계가 V자 형이고, 그 각도가 39° 이며, 친수성 채널 표면의 폭이 1.6mm 이고, 길이가 2cm 인 시편에 부착된 물방울의 무게를 보여주는 그래프이다.
도 17의 "E12"는 친수성 표면과 소수성 표면의 경계가 위로 볼록하게 경사진 곡선 형이면서, 친수성 채널 표면의 폭이 1.6mm 이고 길이가 2cm인 시편에 부착된 물방울의 무게를 보여주는 그래프이다.
도 17의 그래프들을 보면, 친수성 채널 표면을 가지는 "E4" ~ "E12" 시편들에 부착된 물방울의 무게가 상대적으로 작은 것을 볼 수 있다. 이는 친수성 채널 표면을 가지는 시편들에서는 액적이 원활하게 탈출할 수 있다는 것을 의미한다.
반면, 친수성 채널 표면을 갖지 않는 "E1" ~ "E2" 시편들은 물방울의 무게가 0.12g 까지 성장하더라도, 물방울이 시편으로부터 탈출하지 못하였음을 확인할 수 있다.
즉, 친수성 채널 표면을 가지는 시편들은 액적의 크기가 크게 증가하지 않아도 신속하게 시편에서 탈출할 수 있는 것을 확인할 수 있다.
상기에서 도면을 참조하여 본 발명의 제1실시 예에 따른 수분 포집 장치를 설명하였다.
하지만 본 발명의 제1실시 예에 따른 수분 포집 장치는 하기의 다른 실시 예들 및 변형 예들을 포함하여 다양하게 변형될 수 있다. 이때, 본 발명의 다른 실시 예들 및 변형 예들에 따른 수분 포집 장치는 본 발명의 제1실시 예에 따른 수분 포집 장치와 구성이 유사할 수 있다. 따라서, 이하에서는 본 발명의 제1실시 예와 차이나는 부분을 중심으로 본 발명의 다른 실시 예들 및 변형 예들에 따른 수분 포집 장치를 설명하고, 본 발명의 제1실시 예의 수분 포집 장치와 동일하거나 유사한 부분은 그 설명을 생략한다. 한편, 도 1 내지 도 3은 상기에서 본 발명의 제1실시 예의 설명에 사용되었으나, 이하의 다른 실시 예들 및 변형 예들을 설명하는 것에도 사용될 수 있다.
본 발명의 제2실시 예에 따른 수분 포집 장치를 이하에서 설명한다.
본 발명의 제2실시 예에 따르면, 기재(100)는 소수성 재질 예컨대 플라스틱 재질을 포함할 수 있다. 이때, 소수성 영역(120)은 소수성 재료인 기재(100)에 형성될 수 있다. 즉, 기재(100)의 표면을 소수성 영역(120)으로 활용할 수 있다. 또한, 친수성 영역(110) 및 친수성 채널 영역(130)은 기재(100)의 표면에 형성된 친수성 패턴 및 친수성 코팅 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 제3실시 예에 따른 기재의 일부를 확대하여 도시한 측단면도이다.
도 3, 도 6 및 도 7을 참조하면, 본 발명의 제3실시 예에 따른 기재(100)는 베이스 부재(140b)를 포함할 수 있다. 이때, 소수성 영역(120)은 베이스 부재(140b)의 표면에 막으로 형성되는 소수성 피막(120b)을 포함하고, 친수성 영역(110)은 베이스 부재(140b)의 표면에 막으로 형성되는 친수성 피막(110b)을 포함할 수 있다. 또한, 친수성 채널 영역(130)은 베이스 부재(140b)의 표면에 막으로 형성되는 친수성 채널 피막(130b)을 포함할 수 있다.
베이스 부재(140b)는 기재(100)의 본체일 수 있다. 베이스 부재(140b)는 플레이트 형태로 마련될 수 있다. 베이스 부재(140b)의 재질은 다양할 수 있다. 예컨대 베이스 부재(140b)의 재질은 금속 재질, 플라스틱 재질 및 고무 재질 등 다양할 수 있다.
친수성 피막(110b)은 친수성 영역(110) 내에서 베이스 부재(140b)의 표면에 코팅된 친수성 코팅층을 포함할 수 있다. 친수성 코팅층은 친수성 재질을 포함할 수 있다. 친수성 재질은 하이드로겔(hydrogel)을 포함하여 다양할 수 있다.
소수성 피막(120b)은 소수성 영역(120) 내에서 베이스 부재(140b)의 표면에 코팅된 소수성 코팅층을 포함할 수 있다. 소수성 코팅층은 소수성 재질을 포함할 수 있다. 소수성 재질은 테프론 재질을 포함하여 다양할 수 있다.
친수성 채널 피막(130b)은 친수성 채널 영역(130) 내에서 베이스 부재(140b)의 표면에 코팅된 친수성 채널 코팅층을 포함할 수 있다. 이때, 친수성 채널 코팅층은 친수성 코팅층과 동일한 재질일 수 있다.
예컨대 플레이트 형태의 베이스 부재(140b)를 준비하고, 소수성 영역(120)을 마스킹 처리하여 보호막을 형성한 후, 베이스 부재(140b)의 표면에 친수성 재질을 코팅함으로써, 친수성 영역(110)과 친수성 채널 영역(130)을 동시에 형성할 수 있다. 그리고 소수성 영역(120)의 보호막을 제거하고, 친수성 영역(110)과 친수성 채널 영역(130)에 보호막을 형성한 후, 베이스 부재(140b)의 표면에 소수성 재질을 코팅하여 소수성 영역(120)을 형성할 수 있다. 이후, 친수성 영역(110)과 친수성 채널 영역(130)으로부터 보호막을 제거할 수 있다. 물론, 친수성 영역(110)과 친수성 채널 영역(130)을 각각 따로 형성할 수도 있고, 소수성 영역(120)을 먼저 형성할 수도 있다.
본 발명의 제4실시 예에 따른 수분 포집 장치를 이하에서 설명한다.
본 발명의 제4실시 예에 따르면, 기재(100)는 베이스 부재(140b)를 포함할 수 있다. 또한, 친수성 영역(110)은 베이스 부재(140b)의 표면에 형성된 친수성 패턴(P1) 및 친수성 패턴(P1)에 코팅된 친수성 코팅층(110b)을 포함할 수 있다. 또한, 소수성 영역(120)은 베이스 부재(140b)의 표면에 형성된 소수성 패턴(P2) 및 소수성 패턴(P2)상에 코팅된 소수성 코팅층(120b)을 포함할 수 있다. 또한, 친수성 채널 영역(130)은 베이스 부재(140b)의 표면에 형성된 친수성 패턴(P1) 및 친수성 패턴(P1)상에 형성된 친수성 채널 코팅층(130b)을 포함할 수 있다.
이 외에도, 본 발명의 실시 예들에 따른 기재(100)의 친수성 영역(110)과 소수성 영역(120) 및 친수성 채널 영역(130)의 구성은 다양하게 변형될 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시 예들의 제1변형 예에 따른 기재의 일부를 확대하여 도시한 평면도이다. 도 9는 본 발명의 실시 예들의 제2변형 예에 따른 기재의 일부를 확대하여 도시한 평면도이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 제1변형 예에 따르면, 친수성 영역(110)과 소수성 영역(120)의 경계는 좌우 방향(X)으로 경사진 곡선의 형상일 수 있다. 이때, 경사진 곡선은 위로 볼록한 곡선일 수 있다. 이때, 위로 볼록한 곡선은 친수성 채널 영역(130)과 가까울수록 좌우 방향(X)의 기울기가 커지는 형상일 수 있다. 물론, 경사진 곡선은 아래로 볼록한 곡선일 수도 있다. 여기서, 아래로 볼록한 곡선은 친수성 채널 영역(130)과 가까울수록 좌우 방향(X)의 기울기가 작아지는 형상일 수 있다. 이처럼 친수성 영역(110)과 소수성 영역(120)의 경계를 좌우 방향(X)으로 경사진 곡선의 형상으로 하여 경계의 좌우 방향의 폭을 늘려줄 수 있다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 제2변형 예에 따르면, 친수성 영역(110)과 소수성 영역(120)의 경계는 좌우 방향(X)으로 경사진 직선 형상일 수 있다. 여기서, 경사진 직선은 친수성 채널 영역(130)으로부터 멀어질수록 상승하는 형태로 경사지는 직선일 수 있다. 이처럼 친수성 영역(110)과 소수성 영역(120)의 경계를 좌우 방향(X)으로 경사진 직선의 형상으로 하여 경계의 좌우 방향의 폭을 늘려줄 수 있다.
즉, 본 발명의 실시 예들에서는 친수성 영역(110)과 소수성 영역(120)의 경계는 좌우 방향으로 연장된 직선 형상이나, 본 발명의 변형 예들에서는 친수성 영역(110)과 소수성 영역(120)의 경계의 형상이 다양할 수 있다. 이에, 본 발명의 변형 예들에서는 친수성 영역(110)과 소수성 영역(120)의 경계의 형상을 조절하여 액적이 성장하는 면적의 크기를 조절해줄 수 있다.
한편, 상술한 실시 예들 및 변형 예들에 개시된 구성과 방식은 서로 결합하거나 교차하여 다양한 형태로 조합 및 변형될 수 있다.
이하, 본 발명의 실시 예들에 따른 수분 포집 방법을 아래에서 설명한다.
본 발명의 실시 예들에 따른 수분 포집 방법은, 공기(v)를 친수성 표면에 접촉시키는 과정, 접촉된 공기(v) 중의 수분을 친수성 표면에 액적으로 생성하는 과정, 생성된 액적의 일부를 소수성 표면에 접촉시켜 생성된 액적을 성장시키는 과정, 성장된 액적을 친수성 채널 표면에 접촉시켜 활주시키는 과정을 포함한다.
공기(v)를 친수성 표면에 접촉시키는 과정은, 기재(100)를 공기의 흐름과 교차하도록 상하 방향으로 설치하고, 설치된 기재(100)의 친수성 표면에 공기를 접촉시킬 수 있다. 여기서, 친수성 표면은 친수성 영역(110)의 표면을 지칭한다.
접촉된 공기(v) 중의 수분을 친수성 표면에 액적으로 생성하는 과정은, 수분을 함유하는 공기(v)를 친수성 표면에 접촉시켜서 수분을 응축시키는 과정과, 친수성 표면에 대한 응축된 수분의 접촉각을 0° 초과 30° 이하로 하여, 납작한 형태의 복수개의 액적(W0)을 생성하는 과정을 포함할 수 있다.
즉, 수분을 함유하는 공기(v)를 친수성 표면에 접촉시켜서 공기(v)중의 수분을 응축시켜 친수성 표면상에 응축핵을 생성하고, 응축액을 중심으로 액적(W0)을 생성할 수 있다. 이때, 친수성 표면은 소정 접촉각을 가진다. 예컨대 친수성 표면의 접촉각은 0° 초과 30° 이하일 수 있다. 이에, 친수성 표면에서 접촉각의 범위가 0° 초과 30° 이하인 납작한 형태의 액적(W0)을 생성할 수 있다.
친수성 표면에서 생성된 액적(W0)은 친수성 표면의 접촉각이 허용하는 범위 내에서 소정 크기 예컨대 제1크기로 성장할 수 있고, 제1크기 이상이 되면 부착력보다 자중이 커지게 되어 아래로 이동될 수 있다.
생성된 액적의 일부를 소수성 표면에 접촉시켜 생성된 액적을 성장시키는 과정은, 친수성 표면과 소수성 표면 사이의 경계(I1)에서, 복수개의 액적 각각의 일부분을 소수성 표면에 접촉시키는 과정과, 소수성 표면(120)과 접촉하는 복수개의 액적 각각을 경계(I1)를 따라 이동시키며 서로 합체하고 성장시키는 과정을 포함할 수 있다. 이때, 복수개의 액적을 합체하여 성장시키는 과정에서 기재(100)의 표면에 대한 액적의 접촉각을 150° 내지 180° 로 하여 액적의 형태를 볼록한 형태로 변화시킬 수 있다. 한편, 소수성 표면은 소수성 영역(120)의 표면일 수 있다.
예컨대 친수성 표면으로부터 아래로 이동하여 친수성 표면과 소수성 표면 사이의 경계에 도달한 복수개의 액적은 각각의 하부가 소수성 표면에 접촉할 수 있고, 소수성 표면의 부착력에 의하여 소정 시간동안 하강을 멈추고 경계(I1)를 따라 좌우 방향(X)으로 이동하면서 서로 합체되어 제1크기보다 큰 소정의 제2크기로 성장할 수 있다.
성장된 액적을 친수성 채널 표면에 접촉시켜 활주시키는 과정은, 성장된 액적(W1)을 친수성 표면과 소수성 표면 사이의 경계(I1)를 따라 이동시켜 친수성 채널 표면에 유입시키는 과정과, 성장된 액적을 하방으로 활주시키는 과정과, 성장된 액적의 자중을 이용하여 성장된 액적을 가속시키는 과정과, 성장된 액적을 친수성 채널 표면으로부터 탈출시키는 과정과, 탈출된 액적을 저장하는 과정을 포함할 수 있다. 여기서, 친수성 채널 표면은 친수성 채널 영역(130)의 표면일 수 있다.
예컨대 제2크기로 성장한 경계(I1) 상의 액적(W1')을 소수성 영역(120)과 친수성 채널 영역(130) 사이의 제2경계(I2)를 따라서 친수성 채널 표면으로 유입시킨다. 이후, 성장된 액적을 친수성 채널 표면을 따라 하방으로 활주시키고, 액적의 자중을 이용하여 액적을 하방으로 가속시킨다. 이후, 가속된 액적을 친수성 채널 표면으로부터 하방으로 탈출시키고, 탈출된 액적(Wa)을 저장부(200)에서 저장한다.
따라서, 본 발명의 실시 예들에서는 기재(100)의 표면에서 수분을 지속적으로 포집하면서 저장부(200)로 효과적으로 배출시킬 수 있다.
본 발명의 상기 실시 예는 본 발명의 설명을 위한 것이고, 본 발명의 제한을 위한 것이 아니다. 본 발명의 상기 실시 예에 개시된 구성과 방식은 서로 결합하거나 교차하여 다양한 형태로 조합 및 변형될 것이고, 이에 의한 변형 예들도 본 발명의 범주로 볼 수 있음을 주지해야 한다. 즉, 본 발명은 청구범위 및 이와 균등한 기술적 사상의 범위 내에서 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 본 발명이 해당하는 기술 분야에서의 업자는 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
100: 기재
110: 친수성 영역
120: 소수성 영역
130: 친수성 채널 영역
200: 저장부

Claims (17)

  1. 면적을 가지는 기재;
    상기 기재의 표면의 일단부에서 수평 방향으로 연장 형성되는 소수성 영역;
    상기 기재의 표면의 나머지에 형성되는 친수성 영역;
    상기 기재의 표면의 일단부에서 상기 소수성 영역을 상하 방향으로 가로지르도록 연장 형성되는 친수성 채널 영역;을 포함하는 수분 포집 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 소수성 영역은 상기 친수성 영역의 하측에 배치되고,
    상기 친수성 채널 영역은 상기 친수성 영역과 상기 소수성 영역 사이의 경계와 상기 기재의 하측의 자유공간을 상하 방향으로 연결시키는 수분 포집 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 친수성 채널 영역의 수평 방향의 폭은 1.6 ㎜ 내지 4 ㎜의 범위인 수분 포집 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 친수성 채널 영역의 수평 방향의 폭은 관계식 1로 산출되는 수분 포집 장치.
    [관계식 1]
    Ｗ1 = (ρ×g×Ｖ)/(γ×(cosθr - cosθa))
    (Ｗ1은 친수성 채널 영역의 수평 방향의 폭, ρ는 액적의 밀도, g는 중력가속도, Ｖ는 액적의 부피, γ은 액적의 표면장력, θr는 친수성 영역에 대한 액적의 상부 접촉각, θa는 소수성 영역에 대한 액적의 하부 접촉각)
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 친수성 채널 영역의 상하 방향의 길이는 1.5 ㎝ 내지 3 ㎝의 범위인 수분 포집 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 친수성 채널 영역은 복수개 형성되고, 상기 기재의 표면의 일단부를 따라 수평 방향으로 나열되는 수분 포집 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 친수성 영역과 상기 소수성 영역 사이의 경계는 직선, 경사진 직선 및 경사진 곡선 중 적어도 하나의 형상인 수분 포집 장치.
  8. 청구항 1 에 있어서,
    상기 친수성 영역은 상기 소수성 영역보다 면적이 크고,
    상기 소수성 영역은 상기 친수성 채널 영역보다 면적이 큰 수분 포집 장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 친수성 영역, 상기 소수성 영역 및 상기 친수성 채널 영역이 동일 면상에 위치하는 수분 포집 장치.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 친수성 영역과 상기 소수성 영역 사이의 경계는 상기 소수성 영역과 상기 친수성 채널 영역 사이의 경계와 연결되는 수분 포집 장치.
  11. 청구항 1 내지 청구항 10 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 소수성 영역은 상기 기재의 표면에 형성된 소수성 패턴을 포함하고,
    상기 친수성 영역 및 상기 친수성 채널 영역은 상기 기재의 표면에 형성된 친수성 패턴을 포함하는 수분 포집 장치.
  12. 청구항 1 내지 청구항 10 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 소수성 영역은 소수성 재료인 기재에 형성되고,
    상기 친수성 영역 및 상기 친수성 채널 영역은 상기 기재의 표면에 형성된 친수성 패턴을 포함하는 수분 포집 장치.
  13. 청구항 1 내지 청구항 10 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 기재는 베이스 부재를 포함하고,
    상기 소수성 영역은 상기 베이스 부재의 표면에 막으로 형성되는 소수성 피막을 포함하고,
    상기 친수성 영역은 상기 베이스 부재의 표면에 막으로 형성되는 친수성 피막을 포함하고,
    상기 친수성 채널 영역은 상기 베이스 부재의 표면에 막으로 형성되는 친수성 채널 피막을 포함하는 수분 포집 장치.
  14. 공기를 친수성 표면에 접촉시키는 과정;
    접촉된 공기 중의 수분을 상기 친수성 표면에 액적으로 생성하는 과정;
    생성된 액적의 일부를 소수성 표면에 접촉시켜 상기 생성된 액적을 성장시키는 과정;
    성장된 액적을 친수성 채널 표면에 접촉시켜 활주시키는 과정;을 포함하는 수분 포집 방법.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 친수성 표면에 액적으로 생성하는 과정은,
    수분을 함유하는 공기를 상기 친수성 표면에 접촉시켜서 상기 수분을 응축시키는 과정;
    상기 친수성 표면에 대한 수분의 접촉각을 0° 초과 30° 이하로 하여 복수개의 액적을 생성하는 과정;을 포함하는 수분 포집 방법.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 생성된 액적을 성장시키는 과정은,
    상기 친수성 표면과 상기 소수성 표면 사이의 경계에서, 상기 복수개의 액적 각각의 일부분을 상기 소수성 표면에 접촉시키는 과정;
    상기 소수성 표면과 접촉하는 상기 복수개의 액적 각각을 상기 경계를 따라 이동시키며 서로 합체하고 성장시키는 과정;을 포함하는 수분 포집 방법.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 성장된 액적을 활주시키는 과정은,
    성장된 액적들을 상기 친수성 채널 표면에 유입시키는 과정;
    상기 성장된 액적들을 하방으로 활주시키는 과정;
    상기 성장된 액적들의 자중을 이용하여 상기 성장된 액적들을 가속시키는 과정;
    상기 성장된 액적들을 상기 친수성 채널 표면으로부터 탈출시키는 과정;
    탈출된 액적들을 저장하는 과정;을 포함하는 수분 포집 방법.
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