WO2023063602A1 - 고점도 액적 제조 장치 - Google Patents

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WO2023063602A1
WO2023063602A1 PCT/KR2022/013977 KR2022013977W WO2023063602A1 WO 2023063602 A1 WO2023063602 A1 WO 2023063602A1 KR 2022013977 W KR2022013977 W KR 2022013977W WO 2023063602 A1 WO2023063602 A1 WO 2023063602A1
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droplet
viscosity
hole
super
reservoir
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PCT/KR2022/013977
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English (en)
French (fr)
Inventor
김명호
김지선
Original Assignee
주식회사 엘지화학
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B17/00—Apparatus for spraying or atomising liquids or other fluent materials, not covered by the preceding groups
    • B05B17/04—Apparatus for spraying or atomising liquids or other fluent materials, not covered by the preceding groups operating with special methods
    • B05B17/06—Apparatus for spraying or atomising liquids or other fluent materials, not covered by the preceding groups operating with special methods using ultrasonic or other kinds of vibrations
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05C—APPARATUS FOR APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05C11/00—Component parts, details or accessories not specifically provided for in groups B05C1/00 - B05C9/00
    • B05C11/10—Storage, supply or control of liquid or other fluent material; Recovery of excess liquid or other fluent material

Definitions

  • the present invention relates to a high-viscosity droplet manufacturing device, and more particularly, to a high-viscosity droplet manufacturing device capable of minimizing the pressure required when producing uniformly sized high-viscosity droplets.
  • vibration-type droplet production device pressure is applied to liquid and injected into a laminar liquid flow through a needle-shaped nozzle, and at the same time, vibration of a predetermined frequency is propagated to the liquid flow to produce uniform Droplets of one size can be produced.
  • the pressure required to produce uniformly sized droplets using the vibrating droplet manufacturing apparatus is determined by the viscosity of the liquid, the size of the droplet to be produced, the length of the nozzle, and the like. For example, the higher the viscosity of the droplet and the smaller the size of the droplet to be produced, the higher the pressure required, so it may be difficult to manufacture the droplet of a uniform size using the vibration-type droplet manufacturing device.
  • a pressure of several hundred psi is required, which makes it difficult to manufacture with a vibration-type droplet manufacturing apparatus and may damage a vibrating apparatus.
  • An embodiment of the present invention is to provide a high-viscosity droplet production device capable of minimizing the pressure required when producing uniformly sized high-viscosity droplets.
  • An apparatus for manufacturing high-viscosity droplets includes a reservoir in which a high-viscosity solution is stored; A hall plate having at least one hole is provided on one side, and a vibration device for generating vibration is provided on the other side to generate droplets by applying the vibration to the high viscosity solution supplied from the reservoir and sprayed through the hole of the hall plate. droplet maker; and a pump configured to apply pressure to the high-viscosity solution stored in the reservoir and pump it to the droplet maker, wherein the surface of the Hall plate is modified to a superhydrophobic or superhydrophilic state so as to be in an interface state suitable for droplet generation. pressure can be reduced.
  • the high viscosity liquid is a liquid exhibiting a viscosity value of 1 cP (at 20°C) or more, or 50 cP (at 20°C) or more, or 100 cP (at 20°C) or more, or 150 cP (at 20°C) or more. it means.
  • “super water repellent” means a surface state in which the contact angle between the solid surface and the hydrophilic liquid is 150 ° or more
  • “super water repellent modification” refers to making the solid surface super water repellent through a modification method known to those skilled in the art
  • “superhydrophilic” means a surface state in which the contact angle between the solid surface and the lipophilic liquid is 150 ° or more
  • “superhydrophilic modification” refers to making the solid surface superhydrophilic through a modification method known to those skilled in the art.
  • the vibrating device may include a sonic vibrator, a piezoelectric element, or an ultrasonic vibrator.
  • the pump may include a compressor to reduce pressure fluctuations applied to the high-viscosity solution.
  • Modification of the surface of the hall plate to a super-hydrophobic or super-hydrophilic state is performed by coating, and the coating may be sequentially performed with a base coating and a top coating.
  • “superhydrophobic coating” refers to making a solid surface superhydrophobic through coating, which is a kind of modification method
  • “superhydrophilic coating” refers to making a solid surface superhydrophilic through coating, which is a kind of modification method
  • the reservoir is connected to the droplet maker through a solution supply line and connected to a pump through a pressure line, so that the high-viscosity solution stored in the reservoir receives pressure from the pump and is supplied to the droplet maker and ejected from the droplet maker through a hole in a hole plate. .
  • a vent line may be connected to the reservoir.
  • the vibration device may be integrally provided with the droplet maker.
  • an interface state optimized for droplet generation may be created by superhydrophobic or superhydrophilic coating on the surface of a hole plate having at least one hole through which a high-viscosity liquid is discharged. Therefore, it is possible to minimize the pressure required when manufacturing droplets by reducing the length of the hole compared to the conventional needle-shaped nozzle.
  • super-hydrophobic or super-hydrophilic coating on the surface of the Hall plate smaller-sized, high-viscosity droplets can be produced with a smaller pressure and uniform size.
  • Pressure fluctuations in the pump can be reduced by using a compressor as a pump that applies pressure to the solution. Accordingly, it is possible to produce small-sized high-viscosity droplets with a uniform size.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of an apparatus for manufacturing high-viscosity droplets according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a plan view showing the shape of a Hall plate according to one example.
  • 3 is a cross-sectional view showing dimensions of a hole formed in a hole plate.
  • FIG. 4 is a photograph of a solution sprayed through the Hall plate when the surface of the Hall plate is coated with a water repellent or a primary coating.
  • FIG. 5 is a photograph of a solution sprayed through a Hall plate when the surface of the Hall plate is coated with super water repellency through two sequential coatings.
  • the apparatus for manufacturing high-viscosity droplets can reduce the pressure required to produce uniformly sized high-viscosity droplets by forming at least one hole in a thin hole plate.
  • an optimized interface state capable of producing droplets can be created by super-hydrophobic or super-hydrophilic coating on the surface of the hole plate according to the properties of the solution sprayed from the hole.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a high-viscosity droplet manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a plan view showing the shape of a hole plate according to one example
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing the dimensions of a hole formed in the hole plate.
  • the high-viscosity droplet manufacturing apparatus includes a droplet maker 10 , a reservoir 40 , and a pump 50 .
  • the droplet maker 10 is formed in the shape of a hollow polygonal column or a hollow cylinder, but is not limited thereto, and may have a hall plate 30 on one side and a vibration device 20 on the other side. there is.
  • the droplet maker 10 is formed in a cylindrical shape, the vibration device 20 is disposed on the upper surface, and the hall plate 30 may be combined or integrally formed on the lower surface.
  • a solution supply line 42 is connected to the upper side or the opposite side of the droplet maker 10 to receive the solution from the reservoir 40 therein.
  • the vibration device 20 is provided on the other side or upper surface of the droplet maker 10, and applies vibration of a set frequency to the solution inside the droplet maker 10 so that the solution injected through the Hall plate 30 is sprayed into the droplet 2 ) in the form of
  • the vibration device 20 does not necessarily need to be provided on the upper surface of the droplet maker 10, and may be located at a position suitable for applying vibration of a set frequency to the solution inside the droplet maker 10.
  • the vibration device 20 may include a sound wave vibrator such as a speaker, a piezoelectric element, or an ultrasonic vibrator, but is not limited thereto. Any device capable of generating vibration of a set frequency and applying it to the solution inside the droplet maker 10 may be used as the vibration device.
  • the vibration device 20 is integrally provided with the droplet maker 10 so that the vibration generated by the vibration device 20 is effectively transferred to the solution sprayed through the hole plate 30 . Therefore, the droplet maker 10 integrally equipped with the vibration device 20 is suitable for producing the desired droplet 2 .
  • the hall plate 30 may be coupled to or integrally formed with one or a lower surface of the droplet maker 10 . As shown in FIG. 2 , at least one hole 32 may be formed in the hole plate 30 . A plurality of holes 32 are formed in the hole plate 30 in order to simultaneously produce a plurality of droplets having a uniform size. The number of droplets 2 simultaneously manufactured using the high-viscosity droplet manufacturing apparatus may be the same as the number of holes 32 . Typically, since the size of the droplet 2 generated in each hole 32 is about twice the diameter of the hole 32, in order to produce a droplet 2 of a uniform size, the size of each hole 32 is can be the same
  • the surface of the Hall plate 30 may be modified to have super-hydrophobic or super-hydrophilic properties.
  • the interface characteristics of the surface of the hole 32, ie, the surface of the hole plate 30, and the solution are important.
  • the surface of the hall plate 30 is modified to a super-hydrophobic or super-hydrophilic state, thereby creating an interface state necessary for manufacturing the liquid droplet 2 .
  • the surface of the hole plate 30 is modified to a super water-repellent state.
  • an interface state optimized for droplet generation can be created by modifying the surface of the Hall plate 30 to a super-hydrophobic or super-hydrophilic state, which is necessary for producing smaller-sized, high-viscosity droplets. pressure can be minimized.
  • the surface of the hall plate 30 is coated with a super-hydrophobic coating or a super-hydrophilic can be coated.
  • the second water-repellent or super-hydrophilic coating may be sequentially performed two or more times. That is, the first coating (hereinafter referred to as 'base coating') and the second coating (hereinafter referred to as 'top coating') may be sequentially performed.
  • a microstructured material may be coated on the surface of the hall plate 30 through the base coating, and a nanostructured material may be coated on the surface of the hall plate 30 through the top coating.
  • the super-hydrophobic or super-hydrophilic coating through the base coating and the top coating can make the surface of the hall plate 30 into an interface state optimized for droplet generation, and reduce contamination on the surface of the hall plate 30 for continuous use.
  • the surface of the Hall plate 30 is treated with plasma, heat treatment, or chemical treatment. Etching, etc. can be processed.
  • the reservoir 40 stores the high-viscosity solution, and receives pressure from the pump 50 to supply the high-viscosity solution to the droplet maker 10 .
  • the reservoir 40 is connected to the liquid droplet maker 10 through the solution supply line 42 so that the fluid can flow therein so as to supply the high-viscosity solution therein to the droplet maker 10 through the solution supply line 42.
  • the reservoir 40 may be connected to a pump 50 via a pressure line 46 .
  • the pump 50 pressurizes the gas or liquid to a required pressure and sends the pressurized gas or liquid to the reservoir 40 to pump the high-viscosity solution inside the reservoir 40 to the droplet maker 10.
  • the pump 50 may be a pneumatic pump that pressurizes gas and transfers it to the reservoir 40, or may be a compressor that is a type of pneumatic pump. By using the compressor 50 as the pump 50, pressure fluctuations of the pump 50 can be reduced, and accordingly, small-sized high-viscosity droplets 2 can be produced with a uniform size.
  • a vent line 44 may be connected to the reservoir 40 .
  • a high-viscosity solution is stored inside the reservoir 40, and the reservoir 40 is connected to the pump 50 through a pressure line 46.
  • the pump 50 generates pressure and applies the pressure to the high-viscosity solution inside the reservoir 40, and the high-viscosity solution in the reservoir 40 is supplied to the droplet maker 10 through the solution supply line 42 by the pressure do.
  • the pump 50 may be a compressor that is a type of pneumatic pump, and thus pressure fluctuations during operation of the pump 50 may be reduced.
  • the solution supplied to the droplet maker 10 is ejected from the droplet maker 10 through at least one hole 32 of the hole plate 30 by the pressure.
  • the vibration device 20 provided in the droplet maker 10 applies vibration of a set frequency to the solution sprayed through the at least one hole 32 .
  • the surface of the hole plate 30 is modified to a super-hydrophobic or super-hydrophilic state through two or more sequential coatings, so that a solution sprayed from the hole 32 can be generated as a liquid droplet 2. has a characteristic
  • the solution injected through the at least one hole 32 through the vibration of the set frequency applied by the vibration device 20 is produced in the form of a droplet 2 .
  • the at least one hole 32 can be treated as a cylinder, as shown in FIG. 3, and the solution flowing through the at least one hole 32 is Hagen-Poiseuille Equation dominated
  • Q is the flow rate of the high-viscosity solution flowing through the hole 32
  • R is the radius of the hole 32
  • ⁇ P is the pressure difference across the hole 32
  • ⁇ is the viscosity
  • L is the hole 32 is the length of Since ⁇ P is the difference between the pressure of the solution inside the droplet maker 10 and the atmospheric pressure, it corresponds to the pressure generated by the pump 50.
  • the required pressure of the pump 50 was measured while forming droplets of the same size with solutions having different viscosities.
  • a hole plate 30 having a hole 32 was coupled to one surface of the droplet maker 10 and used as a nozzle.
  • the surface of the hole plate 30 having the hole 32 was coated with super water repellency through two sequential coatings, whereas in Comparative Examples 4 to 6, the hole 32 was formed.
  • the surface of the plate 30 was coated with water repellency, and only the first coating was applied to the surface of the hall plate 30 in Comparative Examples 7 to 9.
  • Examples 1 to 3 in which the surface of the hole plate 30 was coated with super water repellency through two sequential coatings Comparative Examples 4 to 6 in which the surface of the hole plate 30 was coated with water repellency, and Compared to Comparative Examples 7 to 9 in which only the first coating was performed on the surface of the plate 30, it can be seen that the pressure required to produce droplets of the same size with the same viscosity solution is reduced by less than half. That is, when the surface of the Hall plate 30 is coated with super water repellency through two sequential coatings, the surface of the Hall plate 30 is reformed into an interface state optimized for the generation of the droplet 2, which is required for the production of the droplet 2. pressure can be minimized.
  • the required pressure of the pump 50 was measured while forming droplets of different sizes with solutions having the same viscosity.
  • a hole plate 30 having a hole 32 was coupled to one surface of the droplet maker 10 and used as a nozzle.
  • the surface of the hole plate 30 having the hole 32 was coated with super water repellency through two sequential coatings, whereas in Comparative Examples 13 to 15, the hole 32 was formed.
  • the surface of the plate 30 was coated with water repellency, and in Comparative Examples 16 to 18, only the surface of the hall plate 30 was first coated.
  • Examples 4 to 6 in which the surface of the hole plate 30 was coated with super water repellency through two sequential coatings Comparative Examples 13 to 15 in which the surface of the hole plate 30 was coated with water repellency, and Compared to Comparative Examples 16 to 18 in which only the first coating was performed on the surface of the plate 30, it can be seen that the pressure required to produce droplets of the same size with the same viscosity solution is reduced by less than half. That is, when the surface of the Hall plate 30 is coated with super water repellency through two sequential coatings, the surface of the Hall plate 30 is reformed into an interface state optimized for droplet generation 2, which is necessary for the production of the droplet 2. pressure can be minimized.
  • the surface of the Hall plate has only a water-repellent coating or a primary coating, surface contamination occurs due to wetting of the surface of the Hall plate before the solution stem is formed, and the solution droplet covers the hole. Higher pressures are required to pass through, and bending of the fluid stream occurs.

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  • Special Spraying Apparatus (AREA)

Abstract

고점도 액적 제조 장치가 개시된다. 상기 고점도 액적 제조 장치는 고점도 용액이 저장되는 저장소; 일면에는 적어도 하나의 홀이 형성된 홀 플레이트가 구비되고, 다른 일면에는 진동을 생성하는 진동 장치가 구비되어 상기 저장소로부터 공급되어 홀 플레이트의 홀을 통하여 분사되는 고점도 용액에 상기 진동을 가하여 액적을 생성하는 액적 제조기; 그리고 상기 저장소에 저장된 고점도 용액에 압력을 가하여 상기 액적 제조기로 압송하도록 구성된 펌프를 포함하며, 상기 홀 플레이트의 표면은 액적 생성에 적합한 계면 상태가 되도록 초발수 또는 초친수 상태로 개질되어 액적 생성에 필요한 압력을 줄일 수 있다.

Description

고점도 액적 제조 장치
관련 출원들과의 상호 인용
본 출원은 2021년 10월 12일자 한국 특허 출원 제 10-2021-0134990호 및 2022년 8월 16일자 한국 특허 출원 제 10-2022-0102206호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국 특허 출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 발명은 고점도 액적 제조 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 균일한 크기의 고점도 액적을 제조할 때 필요한 압력을 최소화할 수 있는 고점도 액적 제조 장치에 관한 것이다.
균일한 크기의 액적을 제조할 수 있는 다양한 장치가 개발 및 사용되고 있다. 액적을 제조할 수 있는 다양한 장치 중 진동 방식의 액적 제조 장치에 따르면, 액체에 압력을 가하여 니들 형상의 노즐을 통해 층류의 액 흐름으로 분사함과 동시에 소정 주파수의 진동을 상기 액 흐름에 전파하여 균일한 크기의 액적을 제조할 수 있다.
진동 방식의 액적 제조 장치를 이용하여 균일한 크기의 액적을 제조하기 위해 요구되는 압력은 액체의 점도, 제조하고자 하는 액적의 크기, 노즐의 길이 등에 의하여 결정된다. 예를 들어, 액적의 점도가 높을수록 또한 제조하고자 하는 액적의 크기가 작을수록 요구되는 압력이 매우 높아 진동 방식의 액적 제조 장치로 균일한 크기의 액적을 제조하기가 어려울 수 있다. 특히, 수백 cP의 고점도 액적을 수백 마이크로미터의 크기로 제조하기 위해서는 수백 psi의 압력이 요구되어, 진동 방식의 액적 제조 장치로 제조하기 어려울 뿐만 아니라 진동을 가하는 장치가 파손될 수 있다.
이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예는 균일한 크기의 고점도 액적을 제조할 때 필요한 압력을 최소화할 수 있는 고점도 액적 제조 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 고점도 액적 제조 장치는 고점도 용액이 저장되는 저장소; 일면에는 적어도 하나의 홀이 형성된 홀 플레이트가 구비되고, 다른 일면에는 진동을 생성하는 진동 장치가 구비되어 상기 저장소로부터 공급되어 홀 플레이트의 홀을 통하여 분사되는 고점도 용액에 상기 진동을 가하여 액적을 생성하는 액적 제조기; 그리고 상기 저장소에 저장된 고점도 용액에 압력을 가하여 상기 액적 제조기로 압송하도록 구성된 펌프를 포함하며, 상기 홀 플레이트의 표면은 액적 생성에 적합한 계면 상태가 되도록 초발수 또는 초친수 상태로 개질되어 액적 생성에 필요한 압력을 줄일 수 있다.
여기에서, 고점도 액체는 1 cP (at 20℃) 이상, 또는 50 cP (at 20℃) 이상, 또는 100 cP (at 20℃) 이상, 또는 150 cP (at 20℃) 이상의 점도 값을 나타내는 액체를 의미한다.
또한, “초발수”는 고체 표면과 친수성 액체와의 접촉각이 150° 이상인 표면 상태를 의미하며, “초발수 개질”은 당업자에게 알려진 개질 방법을 통하여 고체 표면을 초발수성으로 만드는 것을 말한다. 마찬가지로 “초친수”는 고체 표면과 친유성 액체와의 접촉각이 150°이상인 표면 상태를 의미하고, “초친수 개질”은 당업자에게 알려진 개질 방법을 통하여 고체 표면을 초친수성으로 만드는 것을 말한다.
상기 진동 장치는 음파 진동기, 압전 소자 또는 초음파 진동기를 포함할 수 있다.
상기 펌프는 고점도 용액에 가해지는 압력 변동을 줄이기 위하여 압축기를 포함할 수 있다.
홀 플레이트 표면을 초발수 또는 초친수 상태로 개질하는 것은 코팅에 의하여 수행되며, 상기 코팅은 베이스 코팅과 탑 코팅이 순차적으로 진행될 수 있다.
여기서, “초발수 코팅”은 개질 방법의 일종인 코팅을 통해 고체 표면을 초발수성으로 만드는 것을 말하고, “초친수 코팅”은 개질 방법의 일종인 코팅을 통해 고체 표면을 초친수성으로 만드는 것을 말한다.
상기 저장소는 용액 공급 라인을 통하여 액적 제조기에 연결되고 압력 라인을 통하여 펌프에 연결되어 저장소에 저장된 고점도 용액은 펌프로부터 압력을 받아 액적 제조기로 공급되며 홀 플레이트의 홀을 통해 액적 제조기로부터 분사될 수 있다.
상기 저장소에는 벤트 라인이 연결될 수 있다.
상기 진동 장치는 액적 제조기에 일체로 구비될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 고점도 액체가 배출되는 적어도 하나의 홀이 형성된 홀 플레이트의 표면을 초발수 또는 초친수 코팅함으로써 액적 생성에 최적화된 계면 상태를 만들 수 있다. 따라서, 종래의 니들 형상의 노즐에 비해 홀의 길이를 줄임으로써 액적을 제조할 때 필요한 압력을 최소화할 수 있다. 특히, 홀 플레이트의 표면을 초발수 또는 초친수 코팅함으로써 보다 작은 크기의 고점도 액적을 더욱 작은 압력으로 균일한 크기로 제조할 수 있다.
용액에 압력을 가하는 펌프로 압축기를 사용함으로써 펌프의 압력 변동을 줄일 수 있다. 따라서, 보다 작은 크기의 고점도 액적을 균일한 크기로 제조할 수 있다.
그 외에 본 발명의 실시 예로 인해 얻을 수 있거나 예측되는 효과에 대해서는 본 발명의 실시 예에 대한 상세한 설명에서 직접적 또는 암시적으로 개시하도록 한다. 즉 본 발명의 실시 예에 따라 예측되는 다양한 효과에 대해서는 후술될 상세한 설명 내에서 개시될 것이다.
본 명세서의 실시 예들은 유사한 참조 부호들이 동일하거나 또는 기능적으로 유사한 요소를 지칭하는 첨부한 도면들과 연계한 이하의 설명을 참조하여 더 잘 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 고점도 액적 제조 장치의 개략도이다.
도 2는 하나의 예에 따른 홀 플레이트의 형상을 보인 평면도이다.
도 3은 홀 플레이트에 형성된 홀의 치수를 보인 단면도이다.
도 4는 홀 플레이트의 표면이 발수 코팅 또는 1차 코팅된 경우 홀 플레이트를 통해 분사되는 용액의 사진이다.
도 5는 홀 플레이트의 표면이 2번의 순차적인 코팅을 통해 초발수 코팅된 경우 홀 플레이트를 통해 분사되는 용액의 사진이다.
위에서 참조된 도면들은 반드시 축적에 맞추어 도시된 것은 아니고, 본 발명의 기본 원리를 예시하는 다양한 선호되는 특징들의 다소 간략한 표현을 제시하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, 특정 치수, 방향, 위치, 및 형상을 포함하는 본 발명의 특정 설계 특징들이 특정 의도된 응용과 사용 환경에 의해 일부 결정될 것이다.
여기에서 사용되는 용어는 오직 특정 실시예들을 설명하기 위한 목적이고, 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 여기에서 사용되는 바와 같이, 단수 형태들은, 문맥상 명시적으로 달리 표시되지 않는 한, 복수 형태들을 또한 포함하는 것으로 의도된다. “포함하다” 및/또는 “포함하는”이라는 용어는, 본 명세서에서 사용되는 경우, 언급된 특징들, 정수들, 단계들, 작동들, 구성요소들 및/또는 컴포넌트들의 존재를 특정하지만, 다른 특징들, 정수들, 단계들, 작동들, 구성요소들, 컴포넌트들 및/또는 이들의 그룹들 중 하나 이상의 존재 또는 추가를 배제하지는 않음을 또한 이해될 것이다. 여기에서 사용되는 바와 같이, 용어 "및/또는"은, 연관되어 나열된 항목들 중 임의의 하나 또는 모든 조합들을 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따른 고점도 액적 제조 장치는 얇은 홀 플레이트에 적어도 하나의 홀을 형성함으로써 균일한 크기의 고점도 액적을 제조하기 위해 요구되는 압력을 줄일 수 있다. 또한, 홀에서 분사되는 용액의 성질에 따라 상기 홀 플레이트의 표면을 초발수 또는 초친수 코팅함으로써 액적을 제조할 수 있는 최적화된 계면 상태를 만들 수 있다.
이하, 본 발명의 실시 예에 따른 고점도 액적 제조 장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 고점도 액적 제조 장치의 개략도이고, 도 2는 하나의 예에 따른 홀 플레이트의 형상을 보인 평면도이며, 도 3은 홀 플레이트에 형성된 홀의 치수를 보인 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 고점도 액적 제조 장치는 액적 제조기(10), 저장소(40), 그리고 펌프(50)를 포함한다.
상기 액적 제조기(10)는, 이에 한정되지 아니하지만, 중공의 다각 기둥 또는 중공의 원기둥 형상으로 형성되며, 일면에는 홀 플레이트(30)가 구비되고, 다른 일면에는 진동 장치(20)가 구비될 수 있다. 하나의 예에서, 상기 액적 제조기(10)는 원통 형상으로 형성되며, 상면에는 진동 장치(20)가 배치되고, 하면에는 홀 플레이트(30)가 결합 또는 일체로 형성될 수 있다. 또한, 상기 액적 제조기(10)의 상측 또는 반대측에는 용액 공급 라인(42)이 연결되어 저장소(40)로부터 용액을 그 내부로 공급받는다.
진동 장치(20)는 상기 액적 제조기(10)의 다른 일면 또는 상면에 구비되며, 액적 제조기(10) 내부의 용액에 설정된 주파수의 진동을 가하여 홀 플레이트(30)를 통해 분사되는 용액을 액적(2) 형태로 제조한다. 여기서, 진동 장치(20)는 반드시 액적 제조기(10)의 상면에 구비될 필요는 없으며, 액적 제조기(10) 내부의 용액에 설정된 주파수의 진동을 가하기에 적합한 위치에 위치할 수 있다. 상기 진동 장치(20)는 스피커 등의 음파 진동기, 압전 소자 또는 초음파 진동기를 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 아니한다. 설정된 주파수의 진동을 생성하여 액적 제조기(10) 내부의 용액에 가할 수 있는 임의의 장치는 진동 장치로 사용될 수 있다. 또한, 상기 진동 장치(20)는 액적 제조기(10)에 일체로 구비되어 진동 장치(20)에서 발생된 진동이 홀 플레이트(30)를 통해 분사되는 용액에 효과적으로 전달된다. 따라서, 진동 장치(20)가 일체로 구비된 액적 제조기(10)는 원하는 액적(2)을 제조하기에 적합하다.
홀 플레이트(30)는 상기 액적 제조기(10)의 일면 또는 하면에 결합 또는 일체로 형성될 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 홀 플레이트(30)에는 적어도 하나의 홀(32)이 형성될 수 있다. 균일한 크기를 가진 복수의 액적을 동시에 제조하기 위하여, 상기 홀 플레이트(30)에는 복수의 홀(32)이 형성된다. 고점도 액적 제조 장치를 이용하여 동시에 제조되는 액적(2)의 개수는 홀(32)의 개수와 동일할 수 있다. 통상적으로, 각 홀(32)에서 생성되는 액적(2)의 크기는 홀(32)의 직경의 약 두 배이므로, 균일한 크기의 액적(2)을 제조하기 위하여 각 홀(32)의 크기는 동일할 수 있다.
상기 홀 플레이트(30)는 그 표면이 초발수 또는 초친수 특성을 갖도록 개질될 수 있다. 홀(32)에서 분사되는 용액이 액적(2)으로 생성되기 위해서는 홀(32)의 표면, 즉, 홀 플레이트(30)의 표면과 용액의 계면 특성이 중요하다. 본 발명의 실시 예에 따르면, 홀 플레이트(30)의 표면을 초발수 또는 초친수 상태로 개질함으로써, 액적(2) 제조에 필요한 계면 상태를 만들 수 있다. 예를 들어, 홀(32)에서 분사되는 용액이 친수성이면, 홀 플레이트(30)의 표면은 초발수 상태로 개질된다. 이와는 달리, 홀(32)에서 분사되는 용액이 친유성이면, 홀 플레이트(30)의 표면은 초친수 상태로 개질된다. 특히, 액적의 점도가 높은 고점도 액적을 수백 마이크로미터의 크기로 제조하기 위해서는 매우 높은 압력이 필요할 수 있다. 본 발명의 실시 예에 따르면, 홀 플레이트(30)의 표면을 초발수 또는 초친수 상태로 개질함으로써 액적 생성에 최적화된 계면 상태를 만들 수 있고, 이에 의하여 보다 작은 크기의 고점도 액적을 제조할 때 필요한 압력을 최소화할 수 있다.
하나의 예에서, 홀 플레이트(30)의 표면을 초발수 또는 초친수 상태로 개질하여 액적(2) 제조에 필요한 계면 상태를 만들기 위하여, 상기 홀 플레이트(30)의 표면은 초발수 코팅 또는 초친수 코팅될 수 있다. 또한, 상기 초발수 또는 초친수 코팅은 두 번 이상 순차적으로 진행될 수 있다. 즉, 첫 번째 코팅(이하, ‘베이스 코팅’이라 명명함)과 두 번째 코팅(이하, ‘탑 코팅’이라 명명함)이 순차적으로 진행될 수 있다. 베이스 코팅을 통하여 홀 플레이트(30)의 표면에 마이크로 구조의 물질을 코팅하고, 탑 코팅을 통하여 홀 플레이트(30)의 표면에 나노 구조의 물질을 코팅할 수 있다. 초발수 또는 초친수 코팅은 당업자에게 잘 알려져 있으므로, 더 이상의 상세한 설명은 생략하기로 한다. 베이스 코팅과 탑 코팅을 통한 초발수 또는 초친수 코팅은 홀 플레이트(30)의 표면을 액적 생성에 최적화된 계면 상태로 만들 수 있고, 홀 플레이트(30)의 표면에 오염이 발생하는 것을 줄여 지속적 사용에 유리하다.
다른 하나의 예에서, 홀 플레이트(30)의 표면을 초발수 또는 초친수 상태로 개질하여 액적(2) 제조에 필요한 계면 상태를 만들기 위하여, 홀 플레이트(30)의 표면을 플라즈마 처리, 열처리, 화학적 에칭 등의 처리를 할 수 있다.
저장소(40)는 고점도 용액을 저장하고 있으며, 펌프(50)로부터 압력을 받아 상기 고점도 용액을 액적 제조기(10)에 공급하도록 되어 있다. 상기 저장소(40)는 용액 공급 라인(42)을 통해 액적 제조기(10)에 유체가 흘러갈 수 있도록 연결되어 그 내부의 고점도 용액을 용액 공급 라인(42)을 통해 액적 제조기(10)에 공급하도록 되어 있다.
상기 저장소(40)는 압력 라인(46)을 통해 펌프(50)에 연결될 수 있다. 상기 펌프(50)는 기체나 액체를 필요한 압력으로 가압하고, 가압된 기체나 액체를 저장소(40)로 보내 저장소(40) 내부의 고점도 용액을 액적 제조기(10)로 압송한다. 하나의 예에서, 상기 펌프(50)는 기체를 가압하여 저장소(40)에 전송하는 공압 펌프일 수 있으며, 공압 펌프의 일종인 압축기일 수 있다. 압축기(50)를 펌프(50)로 사용함으로써 펌프(50)의 압력 변동을 줄일 수 있으며, 이에 따라 보다 작은 크기의 고점도 액적(2)을 균일한 크기로 제조할 수 있다.
상기 저장소(40)에는 벤트 라인(44)이 연결될 수 있다.
이하, 본 발명의 실시 예에 따른 액적 제조 장치의 작동을 설명한다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 저장소(40)의 내부에는 고점도 용액이 저장되어 있으며, 상기 저장소(40)는 압력 라인(46)을 통하여 펌프(50)에 연결된다. 펌프(50)는 압력을 생성하여 저장소(40) 내부의 고점도 용액에 상기 압력에 가하고, 상기 압력에 의하여 저장소(40) 내의 고점도 용액은 용액 공급 라인(42)을 통해 액적 제조기(10)로 공급된다. 여기서, 펌프(50)는 공압 펌프의 일종인 압축기일 수 있으며, 이에 따라 펌프(50)의 작동 중 압력 변동을 줄일 수 있다.
액적 제조기(10)로 공급된 용액은 상기 압력에 의하여 홀 플레이트(30)의 적어도 하나의 홀(32)을 통해 액적 제조기(10)로부터 분사된다. 이 때, 액적 제조기(10)에 구비된 진동 장치(20)는 적어도 하나의 홀(32)을 통해 분사되는 용액에 설정된 주파수의 진동을 가한다. 앞에서 설명한 바와 같이, 상기 홀 플레이트(30)의 표면은 두 번 이상의 순차적인 코팅을 통한 초발수 또는 초친수 상태로 개질되어 홀(32)에서 분사되는 용액이 액적(2)으로 생성될 수 있는 계면 특성을 가지고 있다. 따라서, 상기 진동 장치(20)에 의하여 가해진 설정된 주파수의 진동을 통해 적어도 하나의 홀(32)을 통해 분사되는 용액은 액적(2)의 형태로 제조된다.
여기서, 적어도 하나의 홀(32)은, 도 3에 도시된 바와 같이, 원통으로 취급될 수 있으며, 적어도 하나의 홀(32)을 흐르는 용액은 하겐-푸아죄유 방정식(Hagen-Poiseuille Equation)에 의하여 지배된다.
Figure PCTKR2022013977-appb-img-000001
여기서, Q는 홀(32)을 흐르는 고점도 용액의 유량이며, R은 홀(32)의 반경이고, ΔP는 홀(32)의 양단의 압력차이며, μ는 점성이고, L은 홀(32)의 길이이다. ΔP는 액적 제조기(10) 내부의 용액의 압력과 대기압 사이의 차이이므로, 펌프(50)에서 생성된 압력에 대응된다.
위의 식으로부터, 동일한 유량을 얻기 위하여 홀(32)의 길이가 길어질수록 점도가 높아질수록 높은 압력이 필요한 것을 알 수 있다. 즉, 본 발명의 실시 예에 따르면, 얇은 두께의 홀 플레이트(30)에 홀(32)을 가공함으로써 종래의 니들 형상의 노즐에 비해 용액이 흐르는 원통의 길이를 줄일 수 있다. 이에 따라, 동일한 유량을 얻기 위하여(즉, 균일한 액적(2)을 제조하기 위하여) 필요한 압력이 작다. 따라서, 진동 방식의 액적 제조 장치를 이용하여 고점도 액적(2)의 제조가 가능하며, 진동 장치(20)의 파손을 방지할 수 있다.
(실시 예1 내지 3 및 비교 예1 내지 9)
상이한 점도를 가진 용액으로 동일한 크기의 액적을 형성하며 필요한 펌프(50)의 압력을 측정하였다.
실시 예1 내지 실시 예3, 비교 예4 내지 비교 예9에서는, 홀(32)이 형성된 홀 플레이트(30)를 액적 제조기(10)의 일면에 결합하여 노즐로 사용하였다. 실시 예1 내지 실시 예3에서는 홀(32)이 형성된 홀 플레이트(30)의 표면을 두 번의 순차적인 코팅을 통해 초발수 코팅한 반면, 비교 예4 내지 비교 예6에서는 홀(32)이 형성된 홀 플레이트(30)의 표면을 발수 코팅하였고, 비교 예7 내지 비교 예9에서는 홀 플레이트(30)의 표면을 1차 코팅만 하였다.
비교 예1 내지 비교 예3에서는, 니들 형상의 노즐을 액적 제조기(10)의 일면에 결합하였다.
실시 예1 내지 3 및 비교 예1 내지 9의 용액의 점도, 액적의 크기 및 필요한 압력은 [표 1]과 같다.
방식 노즐 구조 점도(cP) 액적 크기(㎛) 필요 압력
(psi)
비교 예1 진동 액적 방식 니들 구조 1 600 2.7
비교 예2 50 600 84.4
비교 예3 300 600 605.6
비교 예4 진동 액적 방식 홀 플레이트 구조 1 600 0.2
비교 예5 50 600 12.6
비교 예6 300 600 82.5
비교 예7 진동 액적 방식 홀 플레이트 구조 1 600 0.2
비교 예8 50 600 14.1
비교 예9 300 600 95.7
실시 예1 진동 액적 방식 홀 플레이트 구조 1 600 0.1 미만
실시 예2 50 600 5.8
실시 예3 300 600 40.2
[표 1]에서 알 수 있듯이, 노즐 구조에 상관없이 용액의 점도가 커질수록 액적(2) 제조에 필요한 압력은 커진다. 그러나, 액적(2)을 홀 플레이트 구조의 노즐을 이용하여 제조하면, 동일한 점도의 용액으로 동일한 크기의 액적을 니들 구조의 노즐을 이용하여 제조하는 것에 비하여 1/10 미만의 압력이 필요하다. 즉, 얇은 홀 플레이트(30)에 홀(32)을 형성하여 홀(32)의 길이(L)을 줄이되, 홀 플레이트(30)의 표면을 초발수 코팅함으로써 액적(2)을 생성할 수 있는 계면 상태를 만들어 액적(2) 제조에 필요한 압력을 상당히 줄일 수 있다.
또한, 홀 플레이트(30)의 표면을 두 번의 순차적인 코팅을 통해 초발수 코팅한 실시 예1 내지 실시 예3은, 홀 플레이트(30)의 표면을 발수 코팅한 비교 예4 내지 비교 예6 및 홀 플레이트(30)의 표면을 1차 코팅만 한 비교 예7 내지 비교 예9와 비교하여, 동일한 점도의 용액으로 동일한 크기의 액적을 제조하기 위해 필요한 압력이 절반 미만으로 감소하는 것을 알 수 있다. 즉, 홀 플레이트(30)의 표면을 두 번의 순차적인 코팅을 통해 초발수 코팅하면, 홀 플레이트(30)의 표면이 액적(2) 생성에 최적화된 계면 상태로 개질되어 액적(2) 제조에 필요한 압력을 최소화할 수 있다.
(실시 예4 내지 6 및 비교 예10 내지 18)
동일한 점도를 가진 용액으로 상이한 크기의 액적을 형성하며 필요한 펌프(50)의 압력을 측정하였다.
실시 예4 내지 실시 예6, 비교 예13 내지 비교 예18에서는, 홀(32)이 형성된 홀 플레이트(30)를 액적 제조기(10)의 일면에 결합하여 노즐로 사용하였다. 실시 예4 내지 실시 예6에서는 홀(32)이 형성된 홀 플레이트(30)의 표면을 두 번의 순차적인 코팅을 통해 초발수 코팅한 반면, 비교 예13 내지 비교 예15에서는 홀(32)이 형성된 홀 플레이트(30)의 표면을 발수 코팅하였고, 비교 예16 내지 비교 예18에서는 홀 플레이트(30)의 표면을 1차 코팅만 하였다.
비교 예10 내지 비교 예12에서는, 니들 형상의 노즐을 액적 제조기(10)의 일면에 결합하였다.
실시 예4 내지 6 및 비교 예10 내지 18의 용액의 점도, 액적의 크기 및 필요한 압력은 [표 2]와 같다.
방식 노즐 구조 점도(cP) 액적 크기(㎛) 필요 압력
(psi)
비교 예10 진동 액적 방식 니들 구조 100 400 501.2
비교 예11 100 500 315.1
비교 예12 100 600 217.8
비교 예13 진동 액적 방식 홀 플레이트 구조 100 400 82.8
비교 예14 100 500 53.0
비교 예15 100 600 38.9
비교 예16 진동 액적 방식 홀 플레이트 구조 100 400 84.6
비교 예17 100 500 56.2
비교 예18 100 600 40.1
실시 예4 진동 액적 방식 홀 플레이트 구조 100 400 40.2
실시 예5 100 500 24.6
실시 예6 100 600 19.3
[표 2]에서 알 수 있듯이, 노즐 구조에 상관없이 액적(2)의 크기가 커질수록 액적(2) 제조에 필요한 압력은 작아진다. 액적(2)을 홀 플레이트 구조의 노즐을 이용하여 제조하면, 동일한 점도의 용액으로 동일한 크기의 액적을 니들 구조의 노즐을 이용하여 제조하는 것에 비하여 1/10 미만의 압력이 필요하다. 즉, 얇은 홀 플레이트(30)에 홀(32)을 형성하여 홀(32)의 길이(L)을 줄이되, 홀 플레이트(30)의 표면을 초발수 코팅함으로써 액적(2)을 생성할 수 있는 계면 상태를 만들어 액적(2) 제조에 필요한 압력을 상당히 줄일 수 있다.
또한, 홀 플레이트(30)의 표면을 두 번의 순차적인 코팅을 통해 초발수 코팅한 실시 예4 내지 실시 예6은, 홀 플레이트(30)의 표면을 발수 코팅한 비교 예13 내지 비교 예15 및 홀 플레이트(30)의 표면을 1차 코팅만 한 비교 예16 내지 비교 예18과 비교하여, 동일한 점도의 용액으로 동일한 크기의 액적을 제조하기 위해 필요한 압력이 절반 미만으로 감소하는 것을 알 수 있다. 즉, 홀 플레이트(30)의 표면을 두 번의 순차적인 코팅을 통해 초발수 코팅하면, 홀 플레이트(30)의 표면이 액적(2) 생성에 최적화된 계면 상태로 개질되어 액적(2) 제조에 필요한 압력을 최소화할 수 있다.
도 4는 홀 플레이트의 표면이 발수 코팅 또는 1차 코팅된 경우 홀 플레이트를 통해 분사되는 용액의 사진이며, 비교 예4 내지 비교 예9 및 비교 예13 내지 비교 예18에 사용된 홀 플레이트를 통해 분사되는 용액의 사진이다. 도 5는 홀 플레이트의 표면이 2번의 순차적인 코팅을 통해 초발수 코팅된 경우 홀 플레이트를 통해 분사되는 용액의 사진이며, 실시 예1 내지 실시 예6에 사용된 홀 플레이트를 통해 분사되는 용액의 사진이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 홀 플레이트의 표면이 발수 코팅 또는 1차 코팅만 되어 있으면, 용액 줄기가 형성되기 전에 홀 플레이트의 표면에 용액 방울이 젖어(wetting) 표면 오염이 발생하고, 용액 방울이 홀을 통과하기 위해 더 높은 압력이 필요하며, 용액 줄기의 휨 현상이 발생한다.
이에 반하여, 도 5에 도시된 바와 같이, 홀 플레이트 표면이 2번의 순차적인 코팅을 통해 초발수 코팅되면, 홀 플레이트의 표면에 용액이 젖지도 않고 용액 방울이 생성되지 않으며 용액 줄기가 바로 생성된다. 따라서, 홀 플레이트 표면이 거의 오염되지 않고 액적을 생성하기 위한 압력이 줄어들어 지속적 사용에 유리하다.
이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.

Claims (7)

  1. 고점도 용액이 저장되는 저장소;
    일면에는 적어도 하나의 홀이 형성된 홀 플레이트가 구비되고, 다른 일면에는 진동을 생성하는 진동 장치가 구비되어 상기 저장소로부터 공급되어 홀 플레이트의 홀을 통하여 분사되는 고점도 용액에 상기 진동을 가하여 액적을 생성하는 액적 제조기; 그리고
    상기 저장소에 저장된 고점도 용액에 압력을 가하여 상기 액적 제조기로 압송하도록 구성된 펌프;
    를 포함하며,
    상기 홀 플레이트의 표면은 액적 생성에 적합한 계면 상태가 되도록 초발수 또는 초친수 상태로 개질되어 액적 생성에 필요한 압력을 줄이는 고점도 액적 제조 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 진동 장치는 음파 진동기, 압전 소자 또는 초음파 진동기를 포함하는 고점도 액적 제조 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 펌프는 고점도 용액에 가해지는 압력 변동을 줄이기 위하여 압축기를 포함하는 고점도 액적 제조 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    홀 플레이트 표면을 초발수 또는 초친수 상태로 개질하는 것은 코팅에 의하여 수행되며,
    상기 코팅은 베이스 코팅과 탑 코팅이 순차적으로 진행되는 고점도 액적 제조 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 저장소는 용액 공급 라인을 통하여 액적 제조기에 연결되고 압력 라인을 통하여 펌프에 연결되어 저장소에 저장된 고점도 용액은 펌프로부터 압력을 받아 액적 제조기로 공급되며 홀 플레이트의 홀을 통해 액적 제조기로부터 분사되는 고점도 액적 제조 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 저장소에는 벤트 라인이 연결된 고점도 액적 제조 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 진동 장치는 액적 제조기에 일체로 구비되는 고점도 액적 제조 장치.
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