KR100455718B1

KR100455718B1 - 분무입자의 유도가 가능한 전기수력학적 분사장치

Info

Publication number: KR100455718B1
Application number: KR10-2001-0003722A
Authority: KR
Inventors: 안강호; 안정호; 안상현
Original assignee: 안강호; 안정호; 안상현
Priority date: 2000-01-28
Filing date: 2001-01-26
Publication date: 2004-11-08
Also published as: KR20010078078A

Abstract

본 발명은 분무입자의 유도가능한 전기수력학적 분사장치를 개시한다. 본 발명에 따른 전기수력학적 분사장치는 중공관과; 이 중공관의 내부에 선단이 위치하고, 액체주입수단과 연결되어 있으며, 선단으로부터 분무입자가 방출되는 하나 이상의 모세관과; 상기 중공관의 일단에 끼워맞춤되고, 상기 모세관이 관통하여 설치되며, 상기 중공관의 내부와 연통하도록 관통구멍이 형성되어 있는 주입부재와; 상기 모세관과 상기 중공관에 전압차가 형성되도록 접속되는 전압인가수단으로 이루어져 있다. 본 발명에 따라, 고하전의 초미세 분무입자가 오랜 시간동안 공간에 머무를 수 있고, 분무입자들의 응집 및 부착에 의한 손실이 거의 없으며, 또한, 분무입자들의 이동에 따라 발생되는 펌핑현상에 의하여 중공관의 외부의 기체가 자연적으로 중공관의 내부로 흡입될 수 있다.

Description

분무입자의 유도가 가능한 전기수력학적 분사장치{ELECTROSPRAY APPARATUS FOR GUIDING SPRAYED PARTICLES WITHOUT COAGULATION AND STICKING}

본 발명은 분사장치에 관한 것으로, 보다 상세히는 응집 및 분무입자의 손실이 거의 없는 분무입자의 유도가 가능한 전기수력학적 분사장치에 관한 것이다.

전기수력학적 분사현상(EHDA;Electro-Hydrodynamic Atomization 또는 Electrospraying)은 오래전부터 연구되어 왔으며, 최근에는 초미세입자에 대한 관심이 집중되면서 초미세입자의 발생에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 전기수력학적 분사장치는 분무용액이 담겨있는 모세관과 이격되어 설치되어 있는 전극판의 사이에 고전압차의 전기장을 형성하여 모세관의 선단으로부터 고하전을 갖는 초미세입자를 발생시키는 장치이다. 이와 같은 분사수력학적 분사장치는 예를 들면 미국특허 제 5,873,523 호에 개시되어 있다. 전기수력학적 분사장치에 의하여 입자가 발생하면 입자들은 수십 나노미터 크기로 대단히 작으며 또한 매우 높은 전하를 띠게 된다. 고하전의 초미세 특성을 갖는 입자들은 예를 들면 질량분석기의 이온원등으로 이용되고 있다.

그러나, 종래의 전기수력학적 분사장치에 의하여 발생한 고하전의 초미세입자들은 반대극성쪽으로 이동하여 반대극성면에 부착된다. 이에 따라, 고하전의 초미세입자들은 공간에 오래 머무르지 못하고 곧 반대극성면에 부착되는 문제가 있다.

따라서, 본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 고하전의 초미세입자를 오랜 시간동안 공간에 머물 수 있도록 하는 분무입자의 유도가 가능한 전기수력학적 분사장치를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 외부의 기체를 자연적으로 흡입할 수 있는 전기수력학적 분사장치를 제공함에 있다.

도 1은 본 발명에 따른 전기수력학적 분사장치의 제1 실시예의 구성을 나타내는 단면도,

도 2는 본 발명에 따른 전기수력학적 분사장치의 제2 실시예의 구성을 나타내는 단면도,

도 3은 본 발명에 따른 전기수력학적 분사장치의 제3 실시예의 구성을 나타내는 단면도,

도 4는 본 발명에 따른 전기수력학적 분사장치의 제4 실시예의 구성을 나타내는 단면도,

도 5는 본 발명에 따른 전기수력학적 분사장치의 제5 실시예의 구성을 나타내는 단면도,

도 6은 본 발명에 따른 전기수력학적 분사장치의 제6 실시예의 구성을 나타내는 단면도,

도 7은 본 발명에 따른 전기수력학적 분사장치의 제7 실시예의 구성을 나타내는 단면도,

도 8은 본 발명에 따른 전기수력학적 분사장치의 제8 실시예의 구성을 나타내는 단면도이다.

♣도면의 주요부분에 대한 부호의 설명♣

10: 모세관 12: 노즐

20: 실린더 30: 주입부재

32: 관통구멍 40: 전원

42: 제1 가변저항 44: 제2 가변저항

46: 제3 가변저항 48: 제4 가변저항

P: 분무입자

상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 특징으로 본 발명에 따른 분무입자의 유도가능한 전기수력학적 분사장치는 중공관과; 이 중공관의 내부에 선단이 위치하고, 액체주입수단과 연결되어 있으며, 선단으로부터 분무입자가 방출되는 하나 이상의 모세관과; 상기 모세관과 상기 중공관에 전압차가 형성되도록 접속되는 전압인가수단으로 이루어져 있다.

본 발명의 다른 특징으로 본 발명에 따른 분무입자의 유도가능한 전기수력학적 분사장치는 중공관과; 이 중공관의 내부에 선단이 위치하고, 액체주입수단과 연결되어 있으며, 상기 선단에는 분무입자가 방출되는 다수의 노즐이 형성되어 있는 파이프와; 상기 파이프와 상기 중공관에 전압차가 형성되도록 접속되는 전압인가수단으로 이루어져 있다.

이하, 본 발명에 따른 분무입자의 유도가능한 전기수력학적 분사장치의 실시예들을 첨부한 도면을 참고로하여 상세히 설명한다.

첫 번째로 도 1을 참고로 하여 본 발명의 제1 실시예를 설명한다. 도 1을 참조하면, 모세관(10)의 일부가 중공의 실린더(20)의 내부에 위치하고 있다. 모세관 (10)의 선단에는 분무입자가 방출되는 노즐(12)이 구비되어 있고, 분무입자를 생성하기 위하여 모세관(10)에는 공지의 액체주입수단(50)이 연결되어 있다. 액체주입수단(50)은 물, 전구체(Precursor)등의 액체의 유량을 조절하여 공급할 수 있는 시린지펌프(Syringe Pump) 등에 의한 정액주입장치 또는 압축공기나 중력에 의한 액체주입장치등이 있다. 모세관(10)은 오리피스(Orifice)를 구비한 용기로 대체될 수 있으며, 원통형의 실린더(20)는 사각형 또는 육각형등의 단면형상을 갖는 다른 중공관으로 대체될 수 있다. 실린더(20)에는 주입부재(30)가 끼워맞춤되어 있고, 주입부재(30)는 부도체 또는 절연체로 구성되어 있다. 주입부재(30)에는 모세관(10)이 관통하여 설치되며, 실린더(20)의 내부와 연통하도록 관통구멍(32)이 형성되어 있다. 관통구멍(32)을 통하여는 분무입자(P)와 화학반응을 하는 가스 또는 공기등의 기체가 공지의 주입수단(52)에 의하여 주입된다.

모세관(10)과 실린더(20)에는 서로 상이한 전압이 각각 인가된다. 모세관(10)에는 고전압의 전원(40)에 의하여 고전압을 인가하고, 실린더(20)에는 저전압을 인가한다. 이에 따라, 노즐(12)로부터 방출되는 액체에는 매우 높은 전압구배가 발생하며 액체표면에서는 전기장에 의하여 액체를 잡아당기는 힘인 정전기력과 액체의 표면장력 사이에 균형이 깨지면서 액체표면이 부서져 액체로부터 매우 미세한 형태의 수많은 분무입자(P)들이 발생한다. 이와 같이 생성된 입자는 그 크기가 수 나노미터(nano-meter)에서 수백 나노미터정도로 극히 미세하다. 또한, 입자들은 고전하를 띠게 되며 그 전하량은 레일리 전하한계(Rayleigh Charge Limit)에까지 다다른다. 이렇게 발생된 분무입자는 동일한 극성의 고전하를 띠게 된다. 실린더(20)에 모세관(10)에 인가되는 전압과 동일한 극성의 저전압을 인가하기 위하여 도 1에 도시한 바와 같이 제1 가변저항(42)을 통하여 전원(40)의 고전압을 강하시킨다. 또한, 제1 가변저항(42)에는 제2 가변저항(44)이 연결되고 제2 가변저항(44)은 제1 가변저항(42)에 의하여 강하된 전압을 다시 강하시키며 접지(45)에 연결되어 있다. 만약 제1 가변저항(42)과 제2 가변저항(44)이 동일한 값이면 모세관(10)과 실린더 (20) 사이에 걸리는 전압은 실린더(20)와 접지(45) 사이에 걸리는 전압과 동일하게 된다. 본 실시예에서는 모세관(10)과 실린더(20)에 전압차가 형성되도록 가변저항들(42,44)을 사용하고 있으나, 가변저항들 대신에 고정저항들을 사용할 수 있으며, 또한, 하나의 전원(40)과 저항들(42,44)대신에 두 개의 전원을 사용하여 노즐(12)에는 고전압의 전원을 인가하고 실린더(20)에는 저전압의 전원을 인가할 수도 있다.

이상과 같이 동일한 극성의 고전압과 저전압을 모세관(10)과 실린더(20)에각각 인가하면, 노즐(12)로부터 발생된 고전하의 분무입자(P)는 반대극성의 표면쪽으로 이동하게 되나 실린더(20)의 전압은 낮지만 극성이 동일하므로 실린더(20)의 내벽에 부착되지 않고 실린더(20)의 중심축을 따라 전압이 낮은 쪽으로 계속 이동하게 된다.

다음으로, 도 2를 참조하면, 도 2의 제2 실시예는 하나의 실린더(20)에 모세관 또는 노즐을 다수개 구비하여 도 1의 분사장치에 비하여는 많은 양의 초미세한 분무입자를 발생시킬 수 있도록 한 것이다. 노즐(12)들에 동일한 크기의 고전압이 인가되도록 모세관(10)들 전부에 동일한 전압(40)이 인가되도록 구성한다.

도 3을 참조하면, 도 3의 제3 실시예는 도 1 및 도 2에 나타낸 제1 실시예 및 제2 실시예와는 달리 길이가 긴 모세관 대신에 하나의 파이프(15)를 사용하고 파이프(15)에는 다수의 짧은 모세관(10)과 노즐(12)을 각각 형성한 것이다.

도 4를 참조하면, 도 4의 제4 실시예는 하나의 파이프(15)의 선단에 모세관 또는 노즐 대신에 미세한 구멍이 많이 형성되어 있는 다공성물질(17)을 구비하도록 한 것이다.

도 5를 참조하면, 도 5의 제5 실시예는 도 1에 도시된 제1 실시예의 구성을 다수개 결합하여 많은 양의 초미세·고하전의 분무입자가 발생하도록 한 것이다.

도 6을 참조하면, 도 6의 제6 실시예는 도 1 내지 도 5에 나타낸 길이가 긴 하나의 실린더(20) 대신에 길이가 짧은 실린더(25)들을 연속하여 결합한 구성이다. 실린더(25)와 실린더(25) 사이에는 이웃하는 실린더(25)들을 전기적으로 절연시키기 위하여 절연체(27)를 개재시킨다. 각각의 실린더(25)에는 전압을 분배하기 위하여 제1 가변저항 ∼ 제4 가변저항(42,44,46,48)을 사용하여 전압을 인가한다. 이에 따라, 실린더(20)의 내부에는 전기장의 구배가 발생한다. 이 때에는 전체의 실린더 (20)의 내부의 전기장의 구배가 더 커지게 되어 초미세 분무입자는 보다 빠르게 노즐(12)로부터 실린더(20)의 출구로 이동한다.

도 7을 참조하면, 도 7의 제7 실시예는 도 1의 제1 실시예 내지 도 6의 제6 실시예와 다른 모세관의 설치구조를 나타낸다. 중공의 실린더(20)의 내부에는 모세관(10)의 전부가 위치되어 있다. 모세관(10)의 선단에는 분무입자(P)가 방출되는 노즐(12)이 구비되어 있고 후단은 실린더(20)의 외벽을 관통하여 외부로 돌출되는 파이프(15)에 상방으로 연장되어 있다. 파이프(15)에는 액체주입수단(50)이 연결되어 있다. 파이프(15)와 실린더(20) 사이는 절연체(60)에 의하여 전기적으로 절연되어 있으며, 실린더(20)의 외벽은 절연체(62)에 의하여 전기적으로 절연되어 있다. 파이프(15)에는 고전압의 전원(40)에 의하여 고전압을 인가하고, 실린더(20)에는 저전압을 인가한다. 주입수단(52)은 실린더(20)의 일단을 통하여 분무입자(P)와 화학반응을 하는 가스 또는 공기등의 기체를 주입한다. 이와 같은 도 7의 제7 실시예에 의해서는 중공의 실린더(20)에 의하여 공기등의 통로를 형성하는 유도덕트를 구성하고, 유도덕트의 내부에 모세관(10)을 설치하여 본 발명의 분사장치를 용이하게 구성할 수 있다.

도 8의 제8 실시예는 도 7에 도시된 제7 실시예의 파이프(15)에 모세관(10) 또는 노즐을 구비하여 다수개 도 7의 분사장치에 비하여는 많은 양의 초미세한 분무입자(P)를 발생시킬 수 있도록 한 것이다.

이상과 같은 구성을 갖는 실시예들에 따르면, 초미세·고하전의 분무입자들은 서로 충돌하지 않으며, 또한 실린더의 내벽에도 부착되지 않고 모든 분무입자들이 실린더(20)의 출구로 이동한다. 여기에 주입부재(30)의 관통구멍(32)을 통하여 분무입자(P)와 화학반응을 하는 가스 또는 공기를 주입할 수 있다. 한편으로는 도 1에 도시한 바와 같이, 분무입자(P)들이 이동함에 따라 분무입자(P)들의 주변의 기체가 분무입자로 빨려 움직이는 펌핑(Pumping)현상이 발생한다. 따라서, 실린더 (20)의 주입부재(30) 부근에는 내부의 기체가 희박해지어 저압의 상태가 된다. 주입부재(30)의 내측이 저압의 상태가 됨으로써 별도의 강제적인 주입수단이 없이도 자연적으로 주입부재(30) 외부의 공기가 관통구멍(32)을 통하여 실린더(20)의 내부로 진입할 수 있다. 이는 팬(Fan)이나 펌프의 사용없이 기체를 이송시킬 수 있음을 의미한다.

이상은 본 발명의 여러 실시예들을 설명한 것이나, 본 발명의 보호범위가 상기 실시예들에만 한정되는 것이 아님은 물론이며, 상기한 실시예들에서 나타낸 구체적인 형상이나 구조는 본 발명에 있어서 구체화된 예시들을 나타낸 것으로 상기한 실시예들 이외에도 특허청구범위내에서 다양하게 변경가능한 것이다. 예를 들면, 상기한 실시예들은 전부 축대칭인 실린더와 축대칭인 모세관 또는 노즐들을 구성하고 있는 것으로 설명되었으나 실린더가 아닌 다른 단면형상을 갖는 중공관들도 본 발명의 목적을 달성할 수 있으며, 또한 대향하는 2개의 평판 사이에 하나의 모세관 또는 다수의 모세관, 또는 슬릿형태의 노즐을 설치하여도 본 발명의 목적을 달성할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 분무입자의 유도가능한 전기수력학적 분사장치는 모세관과 중공관에 서로 상이한 전압을 인가시킴으로써 모세관으로부터 발생한 분무입자가 중공관의 내벽에 부착됨이 없이 중공관의 중심을 따라 계속적으로 이동한다. 따라서, 고하전의 초미세 분무입자가 오랜 시간동안 공간에 머무를 수 있고 분무입자들의 응집 및 부착이 거의 없으며, 또한, 분무입자의 이동에 따라 발생되는 펌핑현상에 의하여 중공관의 외부기체가 자연적으로 중공관의 내부로 흡입될 수 있는 효과가 있다.

Claims

중공관과;

이 중공관의 내부에 선단이 위치하고, 액체주입수단과 연결되어 있으며, 선단으로부터 분무입자가 방출되는 하나 이상의 모세관과;

상기 모세관에는 고전압이 인가되고 상기 중공관에는 상기 모세관에 인가되는 고전압과 동일한 극성의 저전압이 인가되며, 상기 모세관과 상기 중공관에 전압차가 형성되도록 접속되는 전압인가수단으로 이루어진 분무입자의 유도가능한 전기수력학적 분사장치.
제1항에 있어서, 상기 중공관은 다수의 길이가 짧은 관들이 연결되어 구성되고, 관과 관 사이에는 전기적으로 절연되어 있으며, 상기 관들의 각각에는 상이한 전압이 인가되는 분무입자의 유도가능한 전기수력학적 분사장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 중공관의 일단에 끼워맞춤되고, 상기 모세관이 관통하여 설치되며, 상기 중공관의 내부와 연통하도록 관통구멍이 형성되어 있는 주입부재를 더 포함하는 분무입자의 유도가능한 전기수력학적 분사장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 모세관은 상기 중공관의 내부에 전부가 위치되는 분무입자의 유도가능한 전기수력학적 분사장치.
중공관과;

이 중공관의 내부에 선단이 위치하고, 액체주입수단과 연결되어 있으며, 상기 선단에는 분무입자가 방출되는 다수의 노즐이 형성되어 있는 파이프와;

상기 파이프에는 고전압이 인가되고 상기 중공관에는 상기 파이프에 인가되는 고전압과 동일한 극성의 저전압이 인가되며, 상기 파이프와 상기 중공관에 전압차가 형성되도록 접속되는 전압인가수단으로 이루어진 분무입자의 유도가능한 전기수력학적 분사장치.
제5항에 있어서, 상기 중공관의 일단에 끼워맞춤되고, 상기 파이프가 관통하여 설치되며, 상기 중공관의 내부와 연통하도록 관통구멍이 형성되어 있는 주입부재를 더 포함하는 분무입자의 유도가능한 전기수력학적 분사장치.
제5항에 있어서, 상기 파이프는 상기 중공관의 외벽을 관통하여 설치되고, 상기 파이프와 상기 중공관 사이는 전기적으로 절연되어 있는 분무입자의 유도가능한 전기수력학적 분사장치.
제1항 또는 제5항에 있어서, 상기 전압인가수단은 하나의 전원과 다수의 가변저항들로 이루어진 분무입자의 유도가능한 전기수력학적 분사장치.