WO2021153907A1 - 증기화기 및 이를 포함하는 에어로졸 발생 장치 - Google Patents

증기화기 및 이를 포함하는 에어로졸 발생 장치 Download PDF

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Abstract

증기화기 및 이를 포함하는 에어로졸 발생 장치가 제공된다. 본 개시의 몇몇 실시예들에 따른 증기화기는 다공성 바디(porous body)를 통해 액상의 에어로졸 발생 기재를 흡수하는 다공성 윅 및 상기 다공성 바디에 내장된 평면 형태의 가열 패턴을 포함하고, 상기 가열 패턴을 통해 상기 흡수된 에어로졸 발생 기재를 가열하여 에어로졸을 발생시키는 가열 요소를 포함할 수 있다. 상기 가열 패턴은 다공성 바디의 표면으로부터 일정 깊이에 내장됨으로써, 에어로졸 발생량을 증대시키고 윅의 파손 위험성과 탄화 현상은 감소시킬 수 있다.

Description

증기화기 및 이를 포함하는 에어로졸 발생 장치
본 개시는 증기화기 및 이를 포함하는 에어로졸 발생 장치에 관한 것이다. 보다 자세하게는, 에어로졸 발생량을 증대시키고 윅의 파손 위험성은 줄일 수 있는 윅과 가열 요소의 결합 구조 및 이것이 적용된 증기화기와 에어로졸 발생 장치에 관한 것이다.
근래에 일반적인 궐련의 단점을 극복하는 대체 흡연 물품에 관한 수요가 증가하고 있다. 예를 들어, 궐련이 아닌 액상 조성물을 기화함으로써 에어로졸을 발생시키는 에어로졸 발생 장치(e.g. 액상형 전자 담배)에 관한 수요가 증가하고 있으며, 이에 따라 액상 기화식 에어로졸 발생 장치에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
액상 기화식 에어로졸 발생 장치에서, 윅(wick)과 가열 요소는 액상 조성물을 기화시켜서 에어로졸을 발생시키기 위한 장치의 핵심 구성요소이다. 이때, 윅과 가열 요소의 결합 구조에 따라 에어로졸의 발생량과 윅의 파손 위험성이 달라질 수 있다. 따라서, 윅과 가열 요소의 최적 결합 구조를 찾는 것은 당해 기술 분야의 중요한 연구 과제 중 하나이다.
본 개시의 몇몇 실시예들을 통해 해결하고자 하는 기술적 과제는, 에어로졸 발생량을 증대시키고 윅의 파손 위험성은 줄일 수 있는 윅과 가열 요소의 최적 결합 구조를 제공하는 것이다.
본 개시의 몇몇 실시예들을 통해 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 윅과 가열 요소의 최적 결합 구조가 적용된 증기화기와 에어로졸 발생 장치를 제공하는 것이다.
본 개시의 몇몇 실시예들을 통해 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 액상 이송 속도 및 이송량의 균일성을 보장할 수 있는 증기화기 및 이를 포함하는 에어로졸 발생 장치를 제공하는 것이다.
본 개시의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 개시의 기술분야에서의 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한, 본 개시의 몇몇 실시예들에 따른 증기화기는, 다공성 바디(porous body)를 통해 액상의 에어로졸 발생 기재를 흡수하는 다공성 윅 및 상기 다공성 바디에 내장된 평면 형태의 가열 패턴을 포함하고, 상기 가열 패턴을 통해 상기 흡수된 에어로졸 발생 기재를 가열하여 에어로졸을 발생시키는 가열 요소를 포함할 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 상기 가열 패턴은, 상기 다공성 바디의 중간 지점을 기준으로 특정 방향으로 편향된 위치에 내장될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 상기 가열 패턴의 내장 깊이는 상기 다공성 바디의 표면으로부터 0㎛ 내지 400㎛일 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 상기 가열 요소는 상기 가열 패턴 및 배터리와 전기적으로 연결되는 하나 이상의 단자를 더 포함하고, 상기 하나 이상의 단자는 상기 다공성 바디의 일측면에 밀착되도록 배치될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 상기 다공성 바디는 복수의 비드(bead)에 의해 형성될 수 있다. 이때, 상기 비드는 세라믹 비드이고, 상기 비드의 직경은 70㎛ 내지 100㎛일 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 상기 다공성 윅의 상부 방향에 배치되고 상기 발생된 에어로졸을 전달하는 기류관을 더 포함하되, 상기 가열 패턴은 상기 다공성 바디의 하부에 내장될 수 있다.
상술한 본 개시의 다양한 실시예들에 따르면, 가열 요소가 다공성 윅 바디의 표면으로부터 0㎛ 내지 400㎛ 사이에 내장될 수 있다. 그렇게 함으로써, 에어로졸의 발생량은 증대되고, 다공성 윅의 파손 위험성은 감소될 수 있다.
또한, 다공성 윅의 바디는 복수의 비드(bead)들의 집합체로 구현될 수 있다. 비드 집합체로 구현된 다공성 바디는 균일한 공극 크기와 분포를 가질 수 있기 때문에, 제조된 다공성 윅은 액상 이송 속도와 이송량의 균일성을 보장할 수 있다.
또한, 가열 패턴과 전기적으로 연결된 단자가 다공성 윅 바디의 양 측면에 밀착되도록 배치될 수 있다. 이에 따라, 가열 요소가 차지하는 공간이 감소하여 증기화기 또는 에어로졸 발생 장치가 보다 컴팩트한 형태로 제조될 수 있다. 뿐만 아니라, 단자가 기류를 방해하여 에어로졸 발생량이 감소하는 문제가 해결될 수 있다.
본 개시의 기술적 사상에 따른 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 개시의 몇몇 실시예들에 따른 증기화기의 예시적인 구성도다.
도 2는 본 개시의 몇몇 실시예들에 따른 증기화기의 예시적인 분해도이다.
도 3 및 도 4는 본 개시의 몇몇 실시예들에 따른 가열 요소의 세부 구성과 배치 형태를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 개시의 몇몇 실시예들에 따른 다공성 윅의 제조 과정을 예시한다.
도 6은 비드 사이즈와 다공성 윅의 액상 이송 속도에 관한 실험 결과를 도시한다.
도 7은 비드 사이즈와 다공성 윅의 강도에 관한 실험 결과를 도시한다.
도 8은 본 개시의 몇몇 실시예들에 따른 다공성 윅과 가열 요소의 결합 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 9 내지 도 11은 다공성 윅과 가열 요소의 결합 구조에 따른 실험 결과를 도시한다.
도 12 내지 도 14는 본 개시의 몇몇 실시예에 따른 증기화기가 적용될 수 있는 에어로졸 발생 장치를 나타내는 예시적인 블록도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 개시의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 본 개시의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 개시의 기술적 사상은 이하의 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 이하의 실시예들은 본 개시의 기술적 사상을 완전하도록 하고, 본 개시가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 개시의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 개시의 기술적 사상은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 개시를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 개시의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 개시가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다. 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 개시를 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다.
또한, 본 개시의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
본 개시에서 사용되는 "포함한다 (comprises)" 및/또는 "포함하는 (comprising)"은 언급된 구성 요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성 요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 개시의 다양한 실시예들에 대한 설명에 앞서, 본 명세서에서 사용되는 몇몇 용어들에 대하여 명확하게 하기로 한다.
본 명세서에서, "에어로졸 발생 기재"는 에어로졸(aerosol)을 발생시킬 수 있는 물질을 의미할 수 있다. 에어로졸은 휘발성 화합물을 포함할 수 있다. 에어로졸 발생 기재는 고체 또는 액상일 수 있다.
예를 들면, 고체의 에어로졸 발생 기재는 판상엽 담배, 각초, 재구성 담배 등 담배 원료를 기초로 하는 고체 물질을 포함할 수 있으며, 액상의 에어로졸 발생 기재는 니코틴, 담배 추출물 및/또는 다양한 향미제를 기초로 하는 액상 조성물을 포함할 수 있다. 그러나, 본 개시의 범위가 상기 열거된 예시에 한정되는 것은 아니다.
보다 구체적인 예로서, 액상의 에어로졸 발생 기재는 프로필렌글리콜(PG) 및 글리세린(GLY) 중 적어도 하나를 포함할 수 있고, 에틸렌 글리콜, 디프로필렌글리콜, 디에틸렌 글리콜, 트리에틸렌 글리콜, 테트라에틸렌 글리콜 및 올레일 알코올 중 적어도 하나를 더 포함할 수도 있다. 다른 예로서, 에어로졸 발생 기재는 니코틴, 수분 및 가향 물질 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다. 또 다른 예로서, 에어로졸 발생 기재는 계피, 캡사이신 등의 다양한 첨가 물질을 더 포함할 수도 있다. 에어로졸 발생 기재는 유동성이 큰 액체 물질뿐만 아니라 젤 또는 고형분 형태의 물질을 포함할 수도 있다. 이와 같이, 에어로졸 발생 기재의 조성 성분은 실시예에 따라 다양하게 선택될 수 있으며, 그 조성 비율 또한 실시예에 따라 달라질 수 있다. 이하의 명세서에서, "액상"은 액상의 에어로졸 발생 기재를 지칭하는 것으로 이해될 수 있다.
본 명세서에서, "에어로졸 발생 장치"는 사용자의 입을 통해 사용자의 폐로 직접적으로 흡입 가능한 에어로졸을 발생시키기 위해 에어로졸 발생 기재를 이용하여 에어로졸을 발생시키는 장치를 의미할 수 있다. 에어로졸 발생 장치는 예를 들어 증기화기를 이용하는 액상형 에어로졸 발생 장치, 증기화기와 궐련을 함께 이용하는 하이브리드형 에어로졸 발생 장치를 포함할 수 있다. 단, 이외에도 다양한 유형의 에어로졸 발생 장치가 더 포함될 수 있어서, 본 개시의 범위가 상기 열거된 예시에 한정되는 것은 아니다. 에어로졸 발생 장치의 몇몇 예시에 대해서는 도 12 내지 도 14를 참조하도록 한다.
본 명세서에서, "퍼프(puff)"는 사용자의 흡입(inhalation)을 의미하며, 흡입이란 사용자의 입이나 코를 통해 사용자의 구강 내, 비강 내 또는 폐로 끌어 당기는 상황을 의미할 수 있다.
이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 개시의 다양한 실시예들에 대하여 상세하게 설명하도록 한다.
도 1은 본 개시의 몇몇 실시예들에 따른 증기화기(1)를 나타내는 예시적인 구성도이고, 도 2는 증기화기(1)를 나타내는 예시적인 분해도이다. 도 1에서, 점선의 화살표는 공기 또는 에어로졸의 전달 경로를 나타낸다.
도 1 또는 도 2에 도시된 바와 같이, 증기화기(1)는 상부 케이스(11), 기류관(12), 액상 저장조(13), 윅 하우징(14), 다공성 윅(15), 가열 요소(16) 및 하부 케이스(17)를 포함할 수 있다. 다만, 도 1에는 본 개시의 실시예와 관련 있는 구성요소들만이 도시되어 있다. 따라서, 본 개시가 속한 기술분야의 통상의 기술자라면 도 1에 도시된 구성요소들 외에 다른 범용적인 구성 요소들이 더 포함될 수 있음을 알 수 있다.
또한, 도 1에 도시된 구성요소(11 내지 17) 모두가 증기화기(1)의 필수적인 구성요소가 아닐 수도 있다. 즉, 본 개시의 다른 몇몇 실시예들에서는, 도 1에 도시된 구성요소 중 적어도 일부가 생략되거나 다른 구성 요소로 대체될 수도 있다. 이하, 증기화기(1)의 각 구성요소에 대하여 설명하도록 한다.
상부 케이스(11)는 증기화기(1)의 상부를 덮는 덮개 또는 하우징 역할을 할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 상부 케이스(11)는 마우스피스의 역할을 겸할 수도 있다.
다음으로, 기류관(12)은 공기 및/또는 에어로졸에 대한 기류 패스의 역할을 할 수 있다. 예를 들어, 가열 요소(16)에 의해 생성된 에어로졸은 가류관(12)을 통해 상부 케이스 방향으로 배출되어 사용자에게 흡입될 수 있다. 다만, 도 1은 사용자의 흡인이 증기화기(1)의 상단 방향으로 이루어지는 것을 가정하고 있을 뿐이며, 에어로졸 발생 장치 및/또는 기류관(12)의 설계 방식에 따라 기류관(12)의 형태와 전달 경로는 변형될 수 있다.
다음으로, 액상 저장조(13)는 내부에 소정의 공간을 구비하고, 해당 공간에 액상의 에어로졸 발생 기재를 저장할 수 있다. 또한, 액상 저장조(13)는 저장된 에어로졸 발생 기재를 다공성 윅(15)을 통해 가열 요소(16)로 공급할 수 있다.
다음으로, 윅 하우징(14)은 액상 저장조(13)와 다공성 윅(15) 사이에 배치되며, 다공성 윅(15)의 적어도 일부를 감싸고 있는 하우징을 의미할 수 있다.
다음으로, 다공성 윅(15)은 다공성 바디를 통해 액상 저장조(13)에 저장된 에어로졸 발생 기재를 흡수하고, 흡수된 기재를 가열 요소(16)로 전달할 수 있다. 도 1 및 도 2는 다공성 윅(15)이 H 유사 형상의 다공성 바디를 갖는 것을 예로써 도시하고 있으나, 다공성 윅(15)은 다양한 형태로 설계되고 구현될 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 도 2에 도시된 바와 같이, 다공성 윅(15)의 바디는 복수의 비드에 의해 형성될 수 있다. 비드 집합체로 구현된 다공성 바디는 균일한 공극 크기 및 분포를 가질 수 있기 때문에, 액상 이송 속도 및 이송량의 균일성이 보장될 수 있다. 본 실시예에 관하여서는 추후 도 5 내지 도 7을 참조하여 보다 상세하게 설명하도록 한다.
다음으로, 가열 요소(16)는 다공성 윅(15)에 흡수된 액상을 가열하여 에어로졸을 발생시킬 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 가열 요소(16)는 평평한 형태의 가열 패턴 및 배터리(미도시)로부터 전기를 공급받기 위한 단자를 포함할 수 있다(도 2 또는 도 3 참조). 가열 패턴은 다공성 윅(15) 바디의 하부에 부착되거나 내장되어, 바텀 히팅(bottom heating) 방식으로 흡수된 액상을 가열할 수 있다. 이와 같은 경우, 가열 요소(16)가 다공성 윅(15)에 흡수된 액상을 고르게 가열할 수 있기 때문에, 에어로졸 발생량(즉, 무화량)이 크게 증대될 수 있다. 가열에 의해 발생된 에어로졸은 상부 방향에 배치된 기류관(12)을 통해 사용자에게 흡입될 수 있다.
몇몇 실시예들에서는, 도 3에 도시된 바와 같이, 가열 요소(16)는 평평한 형태의 가열 패턴(161), 배터리(미도시)로부터 전기를 공급받기 위한 단자(163)와 가열 패턴(161)과 단자(163)를 연결하는 연결부재(162)를 포함할 수 있다. 연결부재(162)는 가열 요소(16)를 다공성 윅(15)의 바디에 고정시키는 역할을 겸할 수 있다. 이와 같은 경우, 다공성 윅(15)에 부착된(또는 내장된) 가열 요소(16)가 윅의 파손, 접착력 약화 등의 이유로 떨어지는 문제가 해결될 수 있다.
또한, 몇몇 실시예들에서, 단자(163)는 다공성 윅(15) 바디의 양 측면에 밀착되도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 양 측면 방향으로 돌출되어 있는 단자(163)는 윅(15) 바디의 측면에 밀착되도록 접혀질 수 있다. 이러한 경우, 가열 요소가 차지하는 공간이 감소되어 증기화기(1)가 보다 컴팩트한 형태로 제작될 수 있다. 뿐만 아니라, 단자(163)가 기류를 방해하여 에어로졸 발생량이 감소되는 문제가 완화될 수 있다. 예컨대, 단자가 하부 방향(즉, 하부 케이스 17 방향)으로 돌출되어 있는 형태인 경우, 돌출된 단자가 하부 케이스의 공기홀을 통한 공기 유입을 방해할 수 있는데, 이러한 문제가 미연에 방지될 수 있다.
또한, 몇몇 실시예들에서, 가열 패턴(161)은 다공성 윅(15)의 바디에 내장될 수 있다. 예컨대, 다공성 바디의 표면으로부터 일정 거리 또는 깊이에 해당하는 지점에 가열 패턴(161)이 내장될 수 있다. 가열 패턴(161)을 내장하기 위해 인몰드(inmold) 성형 기법이 활용될 수 있을 것이나, 본 개시의 범위에 이에 한정되는 것은 아니다. 본 실시예에 관하여서는 추후 도 8 내지 도 11을 참조하여 보다 상세하게 설명하도록 한다.
다시 도 1 및 도 2를 참조하여 증기화기(1)의 구성요소에 대하여 설명하도록 한다.
하부 케이스(17)는 하부의 위치한 하우징이자, 증기화기(1)의 하부와 다공성 윅(15), 가열 요소(16) 등을 지지하는 역할을 할 수 있다.
몇몇 실시예들에서는, 공기가 가열 요소(16) 쪽으로 원활하게 유입될 수 있도록 하부 케이스(17)에 공기홀 또는 기류관이 포함될 수 있다(도 1 참조).
또한, 몇몇 실시예들에서, 하부 케이스(17)에는 가열 요소(16)의 단자와 배터리(미도시)를 전기적으로 연결하기 위한 연결 단자가 포함될 수 있다(도 1 참조).
지금까지 도 1 및 도 4를 참조하여 본 개시의 몇몇 실시예들에 따른 증기화기(1)에 대하여 설명하였다. 이하에서는, 도 5 내지 도 7을 참조하여 본 개시의 몇몇 실시예들에 따른 비드 집합체 기반의 다공성 윅(15)에 대하여 설명하도록 한다.
도 5는 다공성 윅(15)의 제조 과정을 예시하고 있다.
도 5에 예시된 바와 같이, 복수의 비드(20)를 패킹(packing)하여 다공성 윅(15)이 제조될 수 있다. 예를 들어, 복수의 비드(20)를 스피어 패킹(sphere packing)하고 소성함으로써, 다공성 윅(15)의 바디가 형성될 수 있다. 비드의 패킹 구조는 예를 들어 체심입방구조(Body-Centered Cubic; BCC), 면심입방구조(Face-Centered Cubic; FCC) 등이 될 수 있다. 그러나, 이외에도 다양한 패킹 구조가 활용될 수 있어서, 본 개시의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다. 면심입방구조와 체심입방구조는 이미 당해 기술 분야에 널리 알려진 스피어 패킹 구조이므로, 이에 대한 설명은 생략하도록 한다.
다공성 윅(15)이 비드 집합체로 제조되는 경우, 다공도(공극률), 공극(pore) 사이즈, 공극 분포 등이 비드 사이즈, 패킹 방식 및/또는 패킹 구조에 기초하여 용이하게 제어될 수 있다. 예컨대, 다공도가 기준치 이상이고 균일한 공극 분포를 갖는 다공성 윅(15)이 용이하게 제조될 수 있으며, 제조된 다공성 윅은 액상 이송 속도와 이송량의 균일성을 보장할 수 있다.
다공성 윅(15)의 기반이 되는 비드의 소재는 다양할 수 있다. 예를 들어, 비드의 소재는 세라믹일 수 있고, 세라믹 비드는 글라스(glass) 세라믹 비드 또는 알루미나(alumina) 세라믹 비드를 포함할 수 있다. 그러나, 이외에도 다른 소재의 비드가 활용될 수 있어서, 본 개시에 범위가 상기 열거된 예시에 한정되는 것은 아니다.
한편, 비드의 사이즈(e.g. 직경)는 액상 이송 속도와 윅 강도와 연관되기 때문에, 비드의 사이즈를 적절하게 결정하는 것이 중요할 수 있다. 예를 들어, 도 6 및 도 7의 실험 결과에 나타난 바와 같이, 비드의 직경이 증가하면 윅의 액상 이송 속도가 증가하는 반면 윅의 강도는 감소할 수 있다. 이는 비드의 직경이 증가하면 공극의 크기도 커지고, 단위 부피당 비드 수는 감소하여 소결(sintering) 시 접촉계면의 수가 감소하기 때문이다. 따라서, 적정한 윅 강도와 액상 이송 속도를 함께 달성하기 위해서는, 비드의 사이즈를 적절하게 결정하는 것이 중요할 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 비드의 직경은 10㎛ 내지 300㎛일 수 있다. 바람직하게는, 비드의 직경은 30㎛ 내지 270㎛, 50㎛ 내지 250㎛일 수 있다. 더욱 바람직하게는, 비드의 직경은 60㎛ 내지 100㎛, 65㎛ 내지 90㎛, 70㎛ 내지 95㎛, 75㎛ 내지 90㎛, 80㎛ 내지 95㎛, 75㎛ 내지 85㎛ 또는 75㎛ 내지 80㎛일 수 있다. 이러한 수치 범위에서, 적절한 강도를 갖는 다공성 윅이 제조될 수 있으며, 액상 이송 속도도 섬유 묶음(fiber bundle) 기반 윅보다 개선될 수 있다.
또한, 몇몇 실시예들에서, 다공성 윅(15)을 형성하는 복수의 비드에 대한 직경 분포는 평균 직경 대비 30% 이내의 오차 범위를 가질 수 있다. 바람직하게는, 복수의 비드의 직경 분포는 25%, 23% 또는 21% 이내의 오차 범위를 가질 수 있다. 더욱 바람직하게는, 복수의 비드의 직경 분포는 20%, 18%, 16%, 14%, 12% 또는 10% 이내의 오차 범위를 갖을 수 있다. 더욱 더 바람직하게는, 복수의 비드의 직경 분포는 8%, 6% 또는 5% 이내의 오차 범위를 가질 수 있다. 동일한 직경을 갖는 비드를 연속적으로 제조하는 것은 쉽지 않기 때문에, 이러한 오차 범위 내에서 다공성 윅(15) 제조에 소요되는 비용과 난이도가 크게 경감될 수 있다. 뿐만 아니라, 이러한 오차 범위를 갖는 복수의 비드를 패킹(packing)하여 다공성 윅을 제조하는 경우, 비드 간에 접촉 면적이 증가하여 윅의 강도가 향상되는 효과도 달성될 수 있다.
이외에도, 비드의 사이즈 및/또는 패킹 구조는 타깃(target) 에어로졸 발생 기재의 점도에 더 기초하여 결정될 수 있다. 점도가 높은 에어로졸 발생 기재에 대해 적정한 액상 이송 속도를 보장하기 위해서는, 윅의 다공도를 증가시킬 필요가 있기 때문이다. 여기서, 타깃 에어로졸 발생 기재는 액상 저장조에 보관될 기재를 의미할 수 있다. 몇몇 실시예들에서는, 타깃 에어로졸 발생 기재의 점도에 기초하여 비드 사이즈의 오차 범위가 조절될 수도 있다. 예를 들어, 타깃 에어로졸 발생 기재의 점도가 기준치 이상인 경우, 비드 사이즈의 오차 범위가 감소될 수 있다. 비드 사이즈의 오차 범위가 작아지면, 공극의 크기가 커져 액상 이송 속도가 증가할 수 있기 때문이다. 반대의 경우라면, 비드 사이즈의 오차 범위는 증가될 수 있다.
비드 집합체로 다공성 윅(15)을 구현하는 경우, 다음과 같은 다양한 이점들을 얻을 수 있다.
첫번째 이점은, 균일한 공극 크기 및 분포를 갖는 다공성 윅이 용이하게 제조될 수 있고 윅의 품질 편차도 최소화될 수 있다는 점이다. 또한, 제조된 다공성 윅은 액상 이송 속도와 이송량의 균일성을 보장할 수 있어 탄맛이 발현되거나 윅이 파손되는 현상도 최소화할 수 있다.
두번째 이점은, 다공성 윅의 물리적 특성(e.g. 다공도, 공극의 크기, 공극의 분포, 강도)이 손쉽게 제어될 수 있다는 점이다. 다공성 윅의 물리적 특성은 액상 이송 능력(e.g. 이송 속도, 이송량)과 밀접하게 연관되기 때문에, 이는 곧 윅의 액상 이송 능력이 제어될 수 있다는 것을 의미한다. 예를 들어, 비드의 사이즈, 패킹 방식 및/또는 패킹 구조 등의 제어 가능 인자를 조절함으로써 다공성 윅의 액상 이송 능력이 제어될 수 있다.
한편, 에어로졸 발생 장치의 무화량(즉, 에어로졸 발생량)은 가열 요소의 성능(e.g. 발열량)과 윅의 액상 이송 능력에 의존하는데, 가열 요소의 성능이 우수하더라도 윅의 액상 이송 능력이 뒤떨어지면 순간적인 액상 고갈로 인해 액상이 타버릴 수 있다. 또한, 윅의 액상 이송 능력이 가열 요소의 성능을 상회하는 경우, 기화되지 못한 액상이 윅 표면에 남아 누액 현상을 야기할 수 있다. 따라서, 윅의 액상 이송 속도와 가열 요소의 성능이 균형 있게 제어되는 것이 중요한데, 가열 요소의 성능은 쉽게 제어될 수 있지만, 윅의 액상 이송 능력을 제어하는 것은 쉽지 않은 문제이다. 이러한 점에서, 비드 집합체로 구현된 다공성 윅은 액상 이송 능력을 손쉽게 제어할 수 있어, 무화량을 가장 효과적으로 증대시킬 수 있다.
지금까지 도 5 내지 도 7을 참조하여 본 개시의 몇몇 실시예들에 따른 비드 집합체 기반의 다공성 윅(15)에 대하여 설명하였다. 이하에서는, 도 8 내지 도 11을 참조하여 다공성 윅(15)과 가열 요소(16)의 결합 구조에 대하여 설명하도록 한다.
도 8은 본 개시의 몇몇 실시예들에 따른 다공성 윅(15)과 가열 요소(16)의 결합 구조를 예시하고 있다. 도 8은 가열 요소(16)가 가열 패턴(161), 연결 부재(162) 및 단자(163)로 구성된 것을 예시하고 있으나, 이는 이해의 편의를 제공하기 위한 것일 뿐, 가열 요소(16)는 다른 형태로 구현되더라도 무방하다.
도 8에 예시된 바와 같이, 가열 요소(16)는, 정확하게는 가열 패턴(161)과 연결부재(162)는, 다공성 윅(15)의 바디의 표면으로부터 일정 깊이(d)에 내장될 수 있다. 도 8은 가열 요소(16)가 다공성 윅(15) 바디의 하부에 내장된 것을 예로써 도시하고 있으나, 이는 증기화기(1)의 구조, 가열 방식 등에 따라 달라질 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 가열 요소(16)는 다공성 윅(15) 바디의 중간 지점을 기준으로 특정 방향으로 편향된 위치에 내장될 수 있다. 예를 들어, 도 1 또는 도 2에 예시된 바와 같이, 액상 저장조(13) 또는 기류관(12)이 다공성 윅(15)의 상부 방향에 배치되었을 때, 가열 요소(16)는 그 반대 방향(e.g. 도 1의 경우 하부 방향)으로 편향된 위치에 내장될 수 있다. 그러한 경우, 다공성 윅(15)을 통해 액상이 충분하게 흡수된 상태에서 가열을 통해 에어로졸이 발생될 수 있어, 에어로졸 발생량이 크게 증대될 수 있다.
한편, 내장 깊이(d)에 따라 에어로졸 발생량과 윅의 파손 위험성이 달라지기 때문에, 내장 깊이(d)를 적절하게 결정하는 것이 중요할 수 있다. 가령, 아래의 실험 결과에서도 알 수 있듯이, 가열 요소(16)가 다공성 윅(15)의 표면에 가까이 내장될수록 에어로졸 발생량은 증가할 수 있으나, 윅(15)의 파손 위험성도 함께 증가할 수 있다.
몇몇 실시예들에서, 내장 깊이(d)는 0㎛ 내지 400㎛가 될 수 있다. 바람직하게는, 내장 깊이(d)는 50㎛ 내지 400㎛, 0㎛ 내지 350㎛, 50㎛ 내지 350㎛ 또는 0㎛ 내지 300㎛가 될 수 있다. 또는, 바람직하게는, 내장 깊이(d)는 100㎛ 내지 300㎛, 100㎛ 내지 250㎛, 150㎛ 내지 350㎛, 150㎛ 내지 300㎛, 150㎛ 내지 250㎛이 될 수 있다. 이러한 수치 범위는 아래에서 기술될 실험 결과에서 기인한 것인데, 이러한 수치 범위에서 가열 패턴(161)과 다공성 윅(15)이 결합될 때, 에어로졸이 충분하게 발생되고, 윅의 파손 위험성은 감소하는 것이 확인되었다.
이하, 실험예를 통해 내장 깊이(d)의 수치 범위와 이에 따른 효과에 대하여 부연 설명하도록 한다. 다만, 하기의 실시예들은 다양한 예시들 중 일부에 불과할 뿐이므로, 본 개시의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
다공성 윅(15) 및 가열 요소(16)에 관한 실시예들의 구성은 하기의 표 1과 같고, 에어로졸 발생량과 윅의 파손 정도에 대한 실험 결과는 표 2와 도 9 내지 도 11에 기재되어 있다. 도 9, 도 10 및 도 11은 각각 내장 깊이(d)가 0, 200, 400㎛인 경우이고 2000번의 퍼프가 수행된 이후의 윅의 상태를 도시하고 있다.
구분 비드 직경(㎛) 내장 깊이(㎛) 소재
실시예1 75~90 표면 부착 세라믹 글라스
실시예2 75~90 0 세라믹 글라스
실시예3 75~90 200 세라믹 글라스
실시예4 75~90 400 세라믹 글라스
실시예5 75~90 600 세라믹 글라스
구분 에어로졸 발생량 윅의 파손 정도 비고
실시예1 매우 많음 심함 가열 패턴 떨어짐, 액상 탄화 현상 발생
실시예2 많음 보통 도 9 참조
실시예3 많음 보통 도 10 참조
실시예4 보통 약간 있음 도 11 참조
실시예5 적음 약간 있음 액상 탄화 현상 조금 발생
표 2 및 도 9 내지 도 11에 나타난 바와 같이, 가열 요소(16)가 다공성 윅(15) 바디의 표면에 가까이 위치할수록 에어로졸의 발생량이 증가하지만, 윅(15)의 파손 위험성도 함께 증가하는 것을 알 수 있다. 특히, 실시예1에 따라 가열 요소(16)가 다공성 윅(15)의 표면에 부착된 경우(즉, 표면에 완전 노출된 경우), 가열 요소(16)가 윅(15)에서 떨어지고 액상이 타버리는 현상도 발생되었다. 이는 가열 요소(16)의 열 수축/팽창에 의해 윅(15)과의 결합력이 떨어지기 때문인데, 결합력이 떨어지는 시점에 가열 패턴이 과열되면서 액상 탄화 현상도 발생하는 것으로 확인되었다.
또한, 가열 요소(16)가 다공성 윅(15) 바디에 깊이 내장될수록 에어로졸의 발생량이 현저하게 떨어지는 것을 알 수 있다. 이는 가열 요소(16)가 깊이 내장될수록 윅(15) 주변부를 가열하는데 필요한 열량이 증가하기 때문이다. 아울러, 에어로졸 발생량이 감소하면 액상 이송도 원활하게 이루어지지 않아, 액상이 타버리는 현상이 나타나는 것으로 확인되었다(실시예5 참조).
지금까지 도 8 내지 도 11을 참조하여 다공성 윅(15)과 가열 요소(16)의 결합 구조에 대하여 설명하였다. 이하에서는, 도 12 내지 도 14를 참조하여 실시예에 따른 증기화기(1)가 적용될 수 있는 에어로졸 발생 장치(100-1 내지 100-3)에 대하여 설명하도록 한다.
도 12 내지 도 14는 에어로졸 발생 장치(100-1 내지 100-3)을 나타내는 예시적인 블록도이다. 구체적으로, 도 12는 액상형 에어로졸 발생 장치(100-1)를 예시하고 있고, 도 13 및 도 14는 액상과 궐련을 함께 이용하는 하이브리드형 에어로졸 발생 장치(100-2, 100-3)를 예시하고 있다.
도 12에 도시된 바와 같이, 에어로졸 발생 장치(100-1)는 마우스 피스(110), 증기화기(1), 배터리(130) 및 제어부(120)를 포함할 수 있다. 단, 이는 본 개시의 목적을 달성하기 위한 바람직한 실시예일뿐이며, 필요에 따라 일부 구성 요소가 추가되거나 생략될 수 있음은 물론이다. 또한, 도 12에 도시된 에어로졸 발생 장치(100-1)의 각각의 구성 요소들은 기능적으로 구분되는 기능 요소들을 나타낸 것으로서, 복수의 구성 요소가 실제 물리적 환경에서는 서로 통합되는 형태로 구현되거나, 단일 구성 요소가 복수의 세부 기능 요소로 분리되는 형태로 구현될 수도 있다. 이하, 에어로졸 발생 장치(100-1)의 각 구성 요소에 대하여 설명하도록 한다.
마우스피스(110)는 에어로졸 발생 장치(100-1)의 일단에 위치하고, 증기화기(1)로부터 발생된 에어로졸을 흡입하기 위해 사용자의 구부와 접촉될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 마우스피스(110)는 증기화기(1)의 일 구성요소일 수도 있다.
다음으로, 증기화기(1)는 액상의 에어로졸 발생 기재를 기화시켜 에어로졸을 발생시킬 수 있다. 중복된 설명을 배제하기 위해, 증기화기(1)에 대한 설명은 생략하도록 한다.
다음으로, 배터리(130)는 에어로졸 발생 장치(100-1)가 동작하는데 이용되는 전력을 공급할 수 있다. 예를 들어, 배터리(130)는 증기화기(1)의 가열 요소(16)가 에어로졸 발생 기재를 가열할 수 있도록 전력을 공급할 수 있고, 제어부(120)가 동작하는데 필요한 전력을 공급할 수 있다.
또한, 배터리(130)는 에어로졸 발생 장치(100-1)에 설치된 디스플레이(미도시), 센서(미도시), 모터(미도시) 등의 전기적 구성요소가 동작하는데 필요한 전력을 공급할 수 있다.
다음으로, 제어부(120)는 에어로졸 발생 장치(100-1)의 동작을 전반적으로 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어부(120)는 증기화기(1) 및 배터리(130)의 동작을 제어할 수 있고, 에어로졸 발생 장치(100-1)에 포함된 다른 구성요소들의 동작도 제어할 수 있다. 제어부(120)는 배터리(130)가 공급하는 전력, 증기화기(1)에 포함된 가열 요소(16)의 가열 온도 등을 제어할 수 있다. 또한, 제어부(120)는 에어로졸 발생 장치(100-1)의 구성들 각각의 상태를 확인하여, 에어로졸 발생 장치(100-1)가 동작 가능한 상태인지 여부를 판단할 수도 있다.
제어부(120)는 적어도 하나의 프로세서(processor)에 의해 구현될 수 있다. 상기 프로세서는 다수의 논리 게이트들의 어레이로 구현될 수도 있고, 범용적인 마이크로 프로세서와 이 마이크로 프로세서에서 실행될 수 있는 프로그램이 저장된 메모리의 조합으로 구현될 수도 있다. 또한, 본 개시가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 제어부(120)가 다른 형태의 하드웨어로 구현될 수도 있음을 자명하게 이해할 수 있다.
한편, 몇몇 실시예들에서, 에어로졸 발생 장치(100-1)는 사용자 입력을 수신하기 위한 입력부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 입력부는 스위치 또는 버튼으로 구현될 수 있으나, 본 개시의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다. 본 실시예에서, 제어부(120)는 입력부를 통해 수신된 사용자 입력에 응답하여 에어로졸 발생 장치(100-1)를 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어부(120)는 사용자가 스위치 또는 버튼을 작동시킴에 따라 에어로졸이 발생되도록 에어로졸 발생 장치(100-1)를 제어할 수 있다.
이하에서는, 도 13 및 도 14를 참조하여 하이브리드형 에어로졸 발생 장치(100-2, 100-3)에 대하여 간략하게 설명하도록 한다.
도 13은 증기화기(1)와 궐련(150)이 병렬로 배치된 에어로졸 발생 장치(100-2)를 예시하고 있고, 도 14는 증기화기(1)와 궐련(150)이 직렬로 배치된 에어로졸 발생 장치(100-3)를 예시하고 있다. 그러나, 본 개시의 실시예에 따른 증기화기(1)가 적용되는 에어로졸 발생 장치의 내부 구조는 도 13 및 도 14에 예시된 것에 한정되는 것은 아니며, 설계 방식에 따라 구성요소의 배치는 변경될 수 있다.
도 13 또는 도 14에서, 히터(140)는 궐련(150)의 주변에 배치되어 궐련(150)을 가열할 수 있다. 히터(140)는 예를 들어 전기 저항성 히터일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 히터(140) 또는 히터(140)의 가열 온도는 제어부(120)에 의해 제어될 수 있다. 증기화기(1)에서 발생된 에어로졸은 궐련(150)을 통과하여 사용자의 구부로 흡입될 수 있다.
지금까지 도 12 내지 도 14을 참조하여 본 개시의 몇몇 실시예에 따른 증기화기(1)가 적용될 수 있는 다양한 유형의 에어로졸 발생 장치(100-1 내지 100-3)에 대하여 설명하였다.
이상에서, 본 개시의 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합되거나 결합되어 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 개시의 기술적 사상이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 개시의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 개시의 실시예들을 설명하였지만, 본 개시가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 본 개시가 다른 구체적인 형태로도 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 개시의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 개시에 의해 정의되는 기술적 사상의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 다공성 바디(porous body)를 통해 액상의 에어로졸 발생 기재를 흡수하는 다공성 윅; 및
    상기 다공성 바디에 내장된 평면 형태의 가열 패턴을 포함하고, 상기 가열 패턴을 통해 상기 흡수된 에어로졸 발생 기재를 가열하여 에어로졸을 발생시키는 가열 요소를 포함하는,
    증기화기.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 가열 패턴은,
    상기 다공성 바디의 중간 지점을 기준으로 특정 방향으로 편향된 위치에 내장되는,
    증기화기.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 에어로졸 발생 기재를 저장하는 액상 저장조를 더 포함하되,
    상기 특정 방향은 상기 다공성 윅을 기준으로 상기 액상 저장조가 배치된 위치의 반대 방향인,
    증기화기.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 가열 패턴의 내장 깊이는 상기 다공성 바디의 표면으로부터 0㎛ 내지 400㎛인,
    증기화기.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 가열 요소는 상기 가열 패턴 및 배터리와 전기적으로 연결되는 하나 이상의 단자를 더 포함하고,
    상기 하나 이상의 단자는 상기 다공성 바디의 일측면에 밀착되도록 배치되는,
    증기화기.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 다공성 바디는 복수의 비드(bead)에 의해 형성되는,
    증기화기.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 비드는 세라믹 비드인,
    증기화기.
  8. 제6 항에 있어서,
    상기 비드의 직경은 70㎛ 내지 100㎛인,
    증기화기.
  9. 제6 항에 있어서,
    상기 복수의 비드의 직경 분포는 평균 직경 대비 20% 이내의 오차 범위를 갖는,
    증기화기.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 다공성 윅의 상부 방향에 배치되고 상기 발생된 에어로졸을 전달하는 기류관을 더 포함하되,
    상기 가열 패턴은 상기 다공성 바디의 하부에 내장되는,
    증기화기.
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