KR102216547B1

KR102216547B1 - 에어로졸 생성방법 및 장치

Info

Publication number: KR102216547B1
Application number: KR1020190054459A
Authority: KR
Inventors: 정영수; 명현지
Original assignee: 숙명여자대학교산학협력단
Priority date: 2019-05-09
Filing date: 2019-05-09
Publication date: 2021-02-17
Also published as: KR102216547B9; KR20200129682A

Abstract

본 발명은, 액적이 중력에 의해 다공성 표면에 자유낙하하는 단계; 및 상기 액적과 상기 다공성 표면 간의 충격에 의해 상기 다공성 표면에서 공기 중으로 에어로졸이 분산되는 단계를 포함하는 에어로졸 생성방법을 제공한다.

Description

에어로졸 생성방법 및 장치 {METHOD AND APPARATUS FOR GENERATING AEROSOLS}

본 발명은 에어로졸을 생성하는 방법 및 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 구동장치 따위에 의한 외력이나 외압을 이용하지 않고 제어된 에어로졸을 생성할 수 있는 방법 및 장치에 관한 것이다.

연기나 안개처럼 기체 중에 고체 또는 액체의 미립자가 분산 부유하고 있는 상태를 가리키며, 이와 같은 상태를 기체라는 분산매에 고체나 액체의 콜로이드 입자가 분산한 졸의 하나로 간주하여 에어로졸(aerosol)이라 칭한다.

종래 에어로졸 발생 장치들은 전원에 의해 구동되는 구동장치 따위에 의한 외력이나 외압을 이용하여 에어로졸을 발생시켰다. 구체적으로 종래 에어로졸 발생 방식은 크게 두 가지로 분류될 수 있고, 그 중 하나는 에어로졸화 시킬 시료과 에어제트를 함께 직접적 분사하여 에어로졸을 생성하는 방법이고, 또 다른 하나는 시료의 표면에 에어제트를 분사하여 입자를 공기 중으로 부유시켜 에어로졸을 생성하는 방벙이 었다.

이렇게 외력이나 외압에 의해 에어로졸을 생성하는 방법은, 우선 학문적 연구에 있어서 분명한 한계점을 가지고 있다. 에어로졸 발생 현상을 기반으로 한 연구에서 실험치를 바탕으로 수식을 도출하여 모델을 제안하고자 할 경우, 상기 외력이나 외압에 대한 불필요한 변수가 많아져 수식화 과정이 복잡해지고, 효율성이 저하되며, 이론적인 모델로서의 가치도 반감된다. 즉, 인공적인 외압이나 외력을 발생시키고 이를 이용하여 에어로졸을 생성함으로써, 현상에 대한 수식적인 접근이 어려워지게 된다. 또한, 박테리아와 같은 미생물이 포함된 바이오 에어로졸을 생성시킬 경우 외력에 의한 에어로졸 발생과정 중 다수의 미생물 죽거나 생물학적 특성이 변할 수 있다는 단점이 있다.

또한, 발생시킬 에어로졸의 입자크기와 양 등과 같은 에어로졸 특성을 세밀하게 조절하기 힘들고, 대량 생산만 가능하다는 단점이 있다. 뿐만 아니라 이러한 에어로졸 발생 장치를 구현하기 위해서는 복잡한 전문 기술력이 요구되며 결과적으로 제작비용이나 판매비용도 높게 형성되는 문제가 있다.

한편, 응용측면에서 보면, 에어로졸 발생 방법이 대표적으로 적용되는 분야로 흡입형 호흡기 질환 치료제가 있다. 종래 기술에 따른 흡입형 호흡기 질환 치료제는 통상적인 에어로졸 입자(10^-6~ 10^-3mm)보다 현저히 큰 범위의 입자를 생성함으로써, 치료제로부터 얻게 되는 약물의 병리적 효능을 저하시키는 문제가 있다. 이에 따라 약물의 과잉 소비가 유도되며 치료의 속도도 느려지게 되는 문제가 있다.

따라서, 이러한 문제를 해결하기 위한 기술 제시가 필요한 실정이다.

KR

10-2013-0116257

A

JP

2017-515595

A

US

2010-0327075

A

본 발명은 구동장치 따위에 의한 외력이나 외압을 이용하지 않고 에어로졸을 생성하되, 생성되는 에어로졸의 입자 크기와 양을 제어할 수 있는 에어로졸 발생 방법을 제공하고자 한다.

상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 액적이 중력에 의해 다공성 표면에 자유낙하하는 단계 및 상기 액적과 상기 다공성 표면 간의 충격에 의해 상기 다공성 표면에서 공기 중으로 에어로졸이 분산되는 단계를 포함하는 에어로졸 생성방법을 제공한다.

일 실시예에 따라, 상기 자유낙하하는 단계는, 상기 액적이 상기 다공성 표면까지 낙하하는 거리 변화에 따라 상기 액적이 상기 다공성 표면 위에 충돌하는 속도가 변화할 수 있다.

일 실시예에 따라, 상기 자유낙하하는 단계는, 상기 액적에 기능성 물질이 용해되어, 상기 에어로졸 속에는 상기 기능성 물질이 용해될 수 있다.

일 실시예에 따라, 상기 에어로졸이 분산되는 단계는, 상기 다공성 표면에 상기 기능성 물질이 침투되어 있어, 상기 에어로졸 속에는 기능성 물질이 용해될 수 있다.

일 실시예에 따라, 상기 에어로졸이 분산되는 단계는, 상기 다공성 표면에 충돌하는 액적의 크기, 표면장력 또는 점성 변화에 따라 상기 에어로졸의 크기 분포와 발생량이 변화할 수 있다.

일 실시예에 따라, 상기 에어로졸이 분산되는 단계는, 상기 액적이 상기 다공성 표면에 충돌하여 접면방향으로 팽창하고, 상기 팽창된 액적이 최대 지름에 도달하면 미세기포들이 상기 팽창된 액적과 상기 다공성 표면 사이의 계면에 혼입되며, 상기 팽창된 액적의 일부가 상기 다공성 표면에 흡수되어 상기 팽창된 액적의 높이가 감소하지만 상기 미세기포들은 상기 다공성표면에 수용되어 있던 공기로 인해 크기가 성장하고, 상기 미세기포들은 상기 팽창된 액적과 상기 팽창된 액적 표면의 공기 사이의 계면을 만나 미세분사수를 생성하면서 파열될 수 있다.

일 실시예에 따라, 상기 팽창된 액적 속에 생성되는 미세기포의 수는, 상기 액적의 상기 다공성 표면에 대한 충돌속도와 비례할 수 있다.

일 실시예에 따라, 상기 팽창된 액적 속에 생성되는 미세기포의 수는, 상기 다공성 표면의 소재에 따라 상이할 수 있다.

일 실시예에 따라, 상기 팽창된 액적의 높이는, 상기 액적의 상기 다공성 표면에 대한 충격속도와 반비례할 수 있다.

일 실시예에 따라, 상기 팽창된 액적의 높이는, 상기 다공성 표면의 소재에 따라 상이할 수 있다.

일 실시예에 따라, 상기 에어로졸의 크기 분포와 발생량은, 상기 다공성 표면의 온도에 따라 상이할 수 있다.

일 실시예에 따라, 상기 에어로졸이 분산되는 단계 이후에, 유입된 외기에 의해 상기 에어로졸을 이동시키는 단계를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명은, 외관을 형성하는 본체, 상기 본체의 내하부에 위치한 다공성 물질, 상기 본체의 내상부 수용공간에 저장된 액체 및 상기 수용공간에 저장된 액체를 상기 다공성 물질로 액적형태로 제공하기 위해 상기 수용공간 하부에 위치한 노즐을 포함하되, 상기 본체는, 상기 노즐을 통해 낙하한 액적이 상기 다공성 물질을 충격하여 생성된 에어로졸을 상기 본체 외부로 배출하기 위한 배출구, 및 상기 생성된 에어로졸을 상기 배출구로 유도하기 위해 상기 본체의 외부의 공기를 상기 본체의 내부로 유입되는 유입구를 포함하는 것을 특징으로 하는 에어로졸 생성장치를 제공한다.

본 발명에 따르면, 구동장치 따위에 의한 외력이나 외압을 이용하지 않고 에어로졸을 생성함으로써, 보다 정확한 이론적인 에어로졸 생성 모델을 만들 수 있고, 본 발명에 따른 에어로졸 발생 방법을 구현한 장치는 구성이 복잡하지 않아서 제작단가 및 판매단가를 낮출 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 생성되는 에어로졸의 입자 크기와 양을 제어할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 에어로졸 생성방법에 대한 단계별 흐름도이다.
도 2는 도 1의 에어로졸 생성방법을 설명하기 위한 개념도이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따라 다공성 표면에 자유낙하한 액적으로부터 에어로졸이 분산되는 과정을 나타낸 도면이다.
도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 에어로졸이 생성되는 과정을 초고속 카메라로 촬영한 영상을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 다공성 표면에 액적 충돌 후 발생된 에어로졸 또는 미세기포의 특성을 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 발생된 에어로졸과 미세기포 간의 상관관계 등을 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 에어로졸 생성장치의 구성도이다.

이하 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예의 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. 또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.

에어로졸 생성방법

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 에어로졸 생성방법에 대한 단계별 흐름도이고, 도 2는 도 1의 에어로졸 생성방법을 설명하기 위한 개념도이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 에어로졸 생성방법은, 액적이 중력에 의해 다공성 표면에 자유낙하하는 단계(S10) 및 액적과 다공성 표면 간의 충격에 의해 다공성 표면에서 공기 중으로 에어로졸이 분산되는 단계(S20)를 포함하여, 에어로졸을 생성할 수 있다.

이하, 도 2를 참고하여 각 단계별로 자세히 설명하기로 한다.

작은 액체 방울인 액적(droplet)(11)은 액적적하장치(10)로부터 중력방향으로 다공성 표면으로 자유낙하할 수 있다(S10).

액적적하장치(10)는 액적(11)을 떨어뜨리기 위한 장치로서, 본 발명은 액적적하장치(10)의 종류나 구성을 특별히 한정하지 않으나, 일 예로, 액적적하장치(10)는 액체가 충진된 용기와, 용기에 수용된 액체가 외부로 분출되는 노즐을 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 액적적하장치(10)는, 액적을 노즐을 통해 분출시 외력이나 외압에 의하지 않고 자중에 의해 낙하되도록 하거나, 용기 내에 액적을 노즐을 통해 토출하거나 노즐을 통해 흡입하기 위해 용기 내에서 왕복운동이 가능한 피스톤 등을 더 포함할 수도 있다.

또한, 낙하하는 액적(11)의 물질은 특별히 한정하지 않으나, 증류수 또는 화학적 또는 생물학적 기능성 물질이 용해된 증류수일 수 있다. 기능성 물질이 용해된 증류수로부터 생성된 에어로졸 역시 기능성을 갖게 되어, 일 예로 약효를 가진 기능성 물질이 액적에 용해되어 있을 때 그 액적으로부터 생성된 에어로졸은 치료용으로 인체나 동물 등에 제공될 수 있다.

또한, 액적(11)의 크기나 형태 등도 특별히 한정하지 않으나, 바람직하게는 지름이 1mm 내지 5mm인 구의 형태, 더욱 바람직하게는 지름이 2mm 내지 3mm인 구의 형태일 수 있다.

액적(11)의 지름이 5mm 초과인 경우에는 다공성 물질(20)의 표면("다공성 표면(nano-porous surface)"으로 약칭할 수 있다)에 접하는 액적의 면적이 넓어져 더 많은 에어로졸을 생성시킬 수 있으나, 충돌 후 액적의 높이가 높아지는 것을 방지하기 위해 충돌 속도를 높여야 하므로, 액적(11)의 낙하 속도를 높이기 위해 별도의 구동장치가 필요하거나 낙하 높이를 높여야 하기 때문에 응용 제품의 높이가 높아질 수 있다.

따라서, 에어로졸 생성장치가 액적(11)의 낙하를 위해 액체를 가압하기 위한 구동장치를 필수 구성요소로 포함하지 않는다면 상기 액적(11)의 지름은 5mm 이하인 것이 바람직하다.

반대로 액적(11)의 지름이 1mm 미만인 경우에는 다공성 표면에 접하는 액적의 면적이 좁아서 다공성 표면의 기공에 저장되어 있는 공기에 의해 발생하는 미세기포의 수가 적어 에어로졸 발생 양이나 수가 없거나 매우 적기 때문에, 상기 액적(11)의 지름은 1mm 이상인 것이 바람직하다.

또한, 떨어지는 액적(11)의 수나 양도 특별히 한정하지 않으나, 연속하여 에어로졸을 생성하기 위해서는 다공성 표면의 특성을 고려하여 설정될 수 있다.

에어로졸 발생은 다공성 표면 성질 중에서도 습윤성에 의해 결정된다. 액적(11)의 충돌로 인해 다공성 표면의 기공에 저장돼 있던 공기를 다 내보내고 습윤한 상태에서 다음 에어로졸 발생을 위해서는 원상태로 돌아와야 한다. 따라서, 에어로졸 발생을 위한 표면 성질을 잃어버리지 않는 범위에서 액적의 수나 양이 정해질 수 있다.

하기 표 1의 aluminium 다공성 물질인 TLC-C(습윤도가 TLC-A, TLC-B 및 TLC-C 중 가장 높음)에 10cm 높이에서 지름 2.8mm의 액적을 낙하시킨 경우, 10초 간격으로 2번째 액적의 낙하까지는 에어로졸이 발생하였으나, 3번째 이후 액적의 낙하에 대해서는 에어로졸이 발생하지 않았다.

그 간격을 점점 증가시키면서 연속하여 액적을 낙하한 결과, 5분 이상의 간격으로 액적을 반복하여 낙하하였을 때에는 낙하된 모든 액적에서 에어로졸이 발생하였다.

결국, 모든 액적에 대해 에어로졸을 발생시키기 위해서는 다공성 물질과 무관하게 5분 이상의 간격으로 액적을 낙하시키는 것이 바람직하다.

또한, 연속적인 에어로졸 발생을 위해 액적 낙하 위치에 다공성 표면을 연속적으로 이동시켜 항상 건조한 표면에 액적이 떨어질 수 있도록 할 수 있다.

이렇게 다공성 물질의 표면 상에 액적적하장치(10)로부터 토출된 액적이 중력에 의해 낙하하여 충돌하면, 충격에 의해 에어로졸(aerosol)이 분산 생성될 수 있다(S20). 본 발명에서는 10^-6~ 10^-3mm (100 마이크로미터 이하의 지름을 가진 에어로졸 생성)의 지름 크기를 가진 에어로졸(aerosol)이 생성되는 것을 기준으로 하였다.

다공성 물질(20)은 낙하하는 액적(11)의 지름 또는 충돌 이후 팽창한 액적(11b)의 지름보다 작은 직경의 구멍 크기를 가진 다공성 표면을 가진 것으로, 다공성 표면의 구멍 크기는, 일 예로 직경 6~15nm (60~150)이 바람직할 수 있으나, 특별히 한정하지 않는다.

본 발명에 따라 에어로졸 생성 실험에 사용된 다종의 다공성 물질과 각각에 대한 특성은 표 1과 같다.

[표 1]

일 실시예에 따라, 기능성 물질이 용해되어 있는 에어로졸을 생성시키기 위해 다공성 물질(20) 표면에 기능성 물질을 침투시킬 수 있고, 기능성 물질이 함유되지 않은 액적을 낙하시키더라도 기능성 물질이 용해되어 있는 에어로졸을 생성시킬 수 있다.

도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따라 다공성 표면에 자유낙하한 액적으로부터 에어로졸이 분산되는 과정을 나타낸 도면이다.

상기 에어로졸이 분산되는 단계(S20)는 구체적으로, 도 3a에 도시한 과정을 통해 에어로졸이 생성될 수 있다.

먼저 액적(11a)은 다공성 물질(20)의 다공성 표면에 충돌하여 다공성 표면의 접면방향으로 팽창하고(도 3a(a) 참고), 충돌 이후 액적(11a)의 지름(d)이 최대치에 도달하면 액적은 진동하고, 미세기포(13)는 팽창된 액적(11b)과 다공성 표면 사이의 계면에 생성된다(도 3a(b) 참고). 이후 팽창된 액적(11b)의 일부가 다공성 표면에 흡수되어 팽창된 액적(11c)의 높이는 감소하지만 미세기포(13)들은 다공성 표면에 수용되어 있던 공기로 인해 상기 미세기포(13)의 크기가 성장하게 된다(도 3a(c) 참고). 성장하는 미세기포(13)들은, 높이가 낮아지는 팽창된 액적(11d)의 외부 공기와의 계면을 만나 미세분사수(12)를 생성하면서 파열한다(도 3a(d) 참고).

전술한 에어로졸이 생성되는 과정을 초고속 카메라로 촬영한 영상을 도 3b에 도시하였다. 여기서 사용된 다공성 물질은 알루미늄 다공성 물질인 TLC-C이고, 1cm 높이에서 2.8mm 지름의 물방울을 낙하시켰을 때 촬영한 영상이다.

도 3b에 도시한 바와 같이, 다공성 표면에 액적이 낙하하면 액적이 다공성 표면에 충돌하고(도 3b의 a부분), 충돌된 액적은 팽창/압착되며(도 3b의 b부분), 이후 액적은 진동하면서 내부로 미세기포가 혼입되게 된다(도 3b의 c부분). 이후 팽창된 액적(11c)의 높이는 감소하고 미세기포(13)는 성장하며(도 3b의 d부분), 성장하는 미세기포(13)들은 팽창된 액적(11a)의 외부 공기와의 계면을 만나 미세분사수(12)를 생성하면서(도 3b의 e부분), 에어로졸이 생성된다(도 3b의 f부분).

미세기포가 파열되어 에어로졸이 생성되는 과정을 자세히 살펴보면, 팽창된 액적 속에 형성된 미세기포(도 3b의 d부분)는 크기가 점점 커져 파열(도 3b의 e부분)되고, 파열된 미세기포는 물기둥을 형성(도 3b의 g부분)한 이후 에어로졸이 분산(도 3b의 f부분)된다. 도 3b의 h부분은 2.8mm 액적을 TLC-C 다공성 물질의 표면 위 10cm 높이에서 떨어뜨려 에어로졸이 생성되는 모습을 촬영한 영상이다.

이하에서는, 본 발명에 따라 생성된 에어로졸의 최초 발생 시간, 에어로졸의 수 및/또는 에어로졸의 지름 등을 제어하기 위해, 다공성 표면에 액적 충돌 후 발생되는 에어로졸 및/또는 미세기포의 특성에 대해 다각적으로 살펴보기로 한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 다공성 표면에 액적 충돌 후 발생된 에어로졸 또는 미세기포의 특성을 나타낸 그래프이다.

도 4(a)에 도시한 바와 같이, 다공성 표면에 액적 충돌 후 팽창된 액적의 높이(또는 평균 액적 막 두께)는, 액적(11)의 다공성 표면에 대한 충격속도제곱(U_o ²), 즉 액적(11)이 다공성 표면에 충돌하는 순간의 속도와 반비례한다. 다시 말해, 팽창된 액적의 높이(또는 평균 액적 막 두께)의 역수(1/h_min)는 상기 충격속도제곱(U_o ²)에 대하여 선형적으로 비례한다. 그리고 팽창된 액적 속에 생성되는 미세기포(13)들의 평균 직경 역시 충격속도제곱(U_o ²)의 대하여 선형적으로 비례할 수 있으나, 그 기울기가 작아 음의 값을 갖는다.

따라서, 에어로졸의 분산은 두 그래프가 교차하는 지점인 충격속도제곱(U_o ²) 1(m/s)² 이상에서 발생한다. 즉 성장하는 미세기포들이 액적의 외부 공기와의 계면을 만나 에어로졸이 생성되기 시작하는 충격속도제곱(Uo²)은 1(m/s)² 이상이며, 바람직하게는 충격속도제곱이 2(m/s)² 이하인 것이 바람직하다.

최소 충격속도제곱이 1(m/s)² 미만인 실험에서 관찰한 결과, 낙하한 액적(11)이 다공성 표면 위에서 액적의 높이가 높아져, 액적 내부에서 발생한 미세기포가 액적 표면에서 터져 에어로졸이 생성되기 위해서는 미세기포(13)의 크기가 커져야 한다. 액적(11)이 다공성 표면에 충돌한 후 미세기포가 액적 표면에서 터져 에어로졸이 생성되기까지 미세기포(13)의 크기가 커지는데 걸리는 시간이 늘어나며, 오히려 액적 내에서 발생하는 전체 미세기포(13)의 수가 줄어들어 에어로졸 발생량이 줄어들게 된다.

반대로 액적의 충격속도제곱이 2(m/s)²을 초과하면 액적(11)이 다공성 표면에 충돌 후 액적의 높이가 매우 낮아지기 때문에 액적 내부에 미세기포(13)가 생성될 시간이나 적절히 커질 시간이 부족하여 에어로졸 발생량이 줄어들거나 불가능해 진다.

다공성 물질의 다공성 표면 성질에 따라 에어로졸 발생을 위한 액적의 낙하에서 임계 충격 속도는 상이할 수 있다. 실험 결과, 다공성 물질의 표면에서는 액적이 1.4m/s 내지 1.7m/s에서 가장 많은 에어로졸을 발생시켰다.

오히려, 1.7m/s를 초과한 충격 속도에서는 에어로졸 발생이 감소하는 것을 볼 수 있었다. 왜냐하면 충격 속도가 낙하한 액적의 최대 지름 및 최소 높이를 결정하는 요인이기 때문이다. 1.7m/s 이하의 충돌 속도에서는 낙하한 액적으로 덮인 다공성 표면의 면적이 속도와 함께 증가하여 기포를 형성하기 위한 표면적이 넓어지게 되고 더 많은 에어로졸을 발생시키게 된다. 반면 1.7m/s이상인 충돌 속도에서는 기포 형성이 낙하한 액적의 충돌 후 높이에 의해 제한된다. 따라서 액적으로 덮이는 표면적은 증가함에도 불구하고 발생하는 에어로졸은 감소한다.

한편, 도 4(b)에 도시한 바와 같이, 다공성 표면에 액적 충돌 후 팽창된 액적 속에 생성되는 미세기포(13)의 수(Number of bubbles)는, 충격속도제곱(U_o ²) 2(m/s)² 이하의 범위에서 다공성 표면에 액적(11)의 충격속도제곱(U_o ²)에 대하여 선형적으로 증가한다. 따라서, 충격속도제곱(U_o ²) 2(m/s)² 이하에서는 액적(11)이 다공성 표면에 대한 충격속도제곱(U_o ²)이 증가하면 증가할수록, 액적(11) 내 생성되는 기포의 최대 수는 선형적으로 증가한다.

따라서, 생성되는 에어로졸을 발생시키기 위해서는 충격속도제곱(U_o ²) 2(m/s)² 이하의 범위에서는 충격속도(U_o)를 증가시키는 것이 바람직하다.

다만, 전술한 바와 같이 액적의 충격속도제곱(U_o ²)이 2(m/s)²를 넘어가면 액적이 표면 충돌 후 액적의 높이가 매우 낮아지기 때문에 액적 내부에 버블이 생성될 시간 또는 적절히 커질 시간이 부족하여 에어로졸 발생량이 줄어들거나 불가능해 진다.

아울러, 액적의 크기는 액적이 생성되는 노즐의 직경과 재질에 따라 제어될 수 있으며, 액적의 직경을 1mm ~ 5mm 사이로 생성할 경우 효과적인 에어로졸 생성이 가능하다. 액적의 크기가 클수록 다공성 표면에 접하는 액적의 면적이 넓어져 더 많은 에어로졸을 생성시킬 수 있으나, 전술한 바와 같이 충돌 후 액적의 높이가 높아지는 것을 방지하기 위해 충돌 속도를 높여야 한다.

한편, 도 4(c)에 도시한 바와 같이, 에어로졸의 최초 발생 시간(initial sparkling time)은, 충격속도제곱(U_o ²)과 반비례 관계에 있다.

기준충격속도제곱인 2(m/s)²를 기준으로 이를 초과한 충격속도(U_o)에서는 에어로졸의 최초 발생 시간이 줄어드나, 다공성 표면 충격 후 팽창된 액적(11a~11d)의 높이가 매우 낮기 때문에 버블 생성이 어렵거나 또는 충분한 버블 크기를 얻을 수 없어 에어로졸 생성이 어려워진다.

다만, 기준충격속도제곱인 2(m/s)² 이하에서 에어로졸의 최초 분사 관측 시간은 미세기포특성파라미터 D_cap에 따르되, 미세기포특성파라미터 D_cap는 다음 수학식 1과 같이 정해진다.

[수학식 1]

여기서, r_c는 다공질 표면의 기공 크기를 가리키고, γ는 액적의 표면장력을 가리키며, θ는 액적의 다공질 표면과 같은 재료를 사용한 비다공성 표면 위에서 측정한 접촉각을 가리키고, μ는 액적의 점도를 가리킨다.

한편, 도 4(d)에 도시한 바와 같이, 다공성 표면을 타격한 후 액적 필름 두께(h_min)(또는 팽창된 액적의 높이)는, 다공성 표면의 소재에 따라 상이하지만, 그 중 다공성 물질이 cellulose인 TLC-B보다 silica인 TLC-A 또는 aluminium인 TLC-C가 더 두껍다.

결국, 에어로졸을 발생시키기 위해서는 다공질 표면에 충돌하는 액적의 특성과 다공질 표면의 특성이 모두 만족해야 한다.

실험에 따르면, 하기 수학식 2 및 3 각각에 나타낸 충돌 액적 특성(W_e)과 다공질 표면 특성(P_e)이 소정 범위 내에 있어야 한다.

구체적으로, 충돌 액적 특성(W_e)는 10 ~ 1000이고, 다공질 표면 특성(P_e)은 10 ~ 10,000이거나, 바람직하게는 충돌 액적 특성(W_e)는 30 ~ 300이고, 다공질 표면 특성(P_e)은 100 ~ 1000인 것이 좋다.

[수학식 2]

여기서, ρ는 액적의 밀도를 가리키고, D_O는 액적의 지름을 가리키며, U_O는 액적의 다공성 표면에 대한 충돌 속도를 가리키고, γ는 액적의 표면장력을 가리킨다.

[수학식 3]

여기서, U_O는 액적의 다공성 표면에 대한 충돌 속도를 가리키고, D_O는 액적의 지름을 가리키며, D_cap은 상기 수학식 1의 미세기포특성파라미터를 가리킨다.

한편, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 발생된 에어로졸과 미세기포 간의 상관관계 등을 나타낸 그래프이다.

도 5는 다공성 표면에 적하하는 액적의 직경을 2.8mm로 하고, 충격속도는 1.4m/s로 한 경우의 실험 결과로서, 10^-6~ 10^-1mm의 지름을 가진 에어로졸 입자가 생성되었다.

여기서, 에어로졸의 수(Number of aerosol droplets)는, 도 5(a) 및 5(b)에 도시한 바와 같이, 에어로졸의 지름(Aerosol droplet size)과 지수적으로 반비례하나, 다공질 표면의 온도에 따라 에어로졸 액적의 수 및 지름이 가변한다(도 5(b) 참조).

도 5(c)에 도시한 바와 같이, 다공질 표면의 종류에 따라 다르지만, aluminuim의 TLC-C 다공질 표면의 온도가 5 내지 40℃ 에서는 표면 온도가 증가할수록 액적 내 발생하는 미세기포의 수가 로그스케일로 증가하나, 다공질 표면의 온도가 40℃를 초과하는 경우에는 액적 내 발생하는 미세기포의 수가 감소하고 발생하는 에어로졸 액적의 수 및 지름도 감소하였다. 그리고 silica의 TLC-A 다공질 표면의 온도가 5 내지 30℃ 에서는 표면 온도가 증가할수록 액적 내 발생하는 미세기포의 수가 로그스케일로 증가하였다.

즉, 에어로졸의 지름(Aerosol droplet size)과 에어로졸의 수(Number of droplets) 간의 관계에는, 다공성 표면의 온도가 하나의 변수로서 적용되어, 다공성 표면의 온도가 소정 범위 내에서는 온도가 증가할수록 발생하는 에어로졸 액적의 수 및 지름이 증가한다.

결국, 생성되는 에어로졸의 지름이나 수 등을 제어하기 위해 다공성 표면의 온도도 중요한 일 요소가 될 수 있으며, 에어로졸의 수 및/또는 에어로졸의 지름을 증가시키기 위해서는 다공성 표면의 온도를 높이는 것이 바람직하다.

한편, 도 5(d)에 도시한 바와 같이, 팽창된 액적(11a~11d) 내부에 생성된 미세기포의 수나 총 생성된 에어로졸의 부피는 다공성 물질 및 다공성 표면 온도에 종속된다.

다공성 표면 온도에 대한 생성되는 미세기포의 수는 도 5(c)에서 본 바와 같으며, 다공성 표면 온도에 대한 생성되는 미세기포의 부피는 상온을 변곡점으로, 그 전후 표면 온도에서는 에어로졸의 부피가 증가한다. 즉, 에어로졸의 양 및 미세기포의 수를 제어하기 위해 다공성 물질 및/또는 다공성 표면 온도를 그 제어요소로 하는 것이 바람직하다.

다공성 표면의 온도 변화에 둔감하게, 생성되는 에어로졸 양의 변화폭을 줄이기 위해서는 온도에 민감한 aluminium인 TLC-C보다 상대적으로 온도에 둔감한 silica인 TLC-A를 사용하는 것이 바람직하고, 온도 변화에 따른 에어로졸 생성 양의 변화폭과 무관하게 에어로졸의 생성 부피를 확대시키기 위해서는 silica인 TLC-A보다 alumina인 TLC-C를 사용하는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 생성된 에어로졸을 포집하거나, 생성된 에어로졸을 에어로졸 생성시스템의 외부로 이동시키는 단계(미도시)를 더 포함할 수 있다.

전술한 바와 같이, 생성된 에어로졸을 인체나 동물 등에 제공하기 위해 에어로졸을 이동할 필요가 있으며, 에어로졸이 생성된 이후 유입된 외기에 의해 배출구를 통해 상기 에어로졸을 배출시킬 수 있다.

이를 위해 에어로졸생성시스템은 액적적하장치(10)와 다공성 물질(20) 사이에는 액적이 통과 가능한 실린더나, 상기 생성된 에어로졸을 외부로 유도하기 위한 덕트 등을 더 포함할 수 있다.

에어로졸 생성장치에 대한 구체적인 실시예는 후술하기로 한다.

에어로졸 생성장치

전술한 에어로졸 생성방법에 의해 에어로졸을 생성하는 장치를 구현할 수 있다. 본 발명은 에어로졸 생성장치를 특별히 한정하지 않으나, 도 6에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 에어로졸 생성장치(30)는, 외관을 형성하는 본체(31)와, 본체(31) 내하부에 위치한 다공성 물질(20)과, 본체(31) 내상부 수용공간에 저장된 액체(33)와, 상기 수용공간에 저장된 액체가 하부로 낙하할 수 있도록 상기 수용공간의 하부에 형성된 노즐(34)을 포함할 수 있다.

사용자에 의해 파지가능한 손잡이(36)는 상기 수용공간의 상부에 가압판(35)과 결합될 수 있고, 사용자에 의해 가해진 압력에 의해 상기 수용공간의 내압이 증가함으로써 노즐(34)을 통해 상기 수용공간 내에 저장된 액체는 액적(droplet) 형태로 중력에 의해 낙하할 수 있다. 다공성 표면으로 낙하한 액적에 의해 에어로졸(32)이 발생하게 된다.

본체(31)는 외기가 내부로 유입될 수 있는 유입구(38)와, 상기 외기가 본체(31) 내부를 통해 밖으로 배출될 수 있는 배출구(39)를 포함할 수 있고, 에어로졸(32)이 생성된 이후, 유입구(38)를 통해 유입된 외기에 의해 상기 생성된 에어로졸(32)을 배출구(39)를 통해 외부로 배출할 수 있다.

여기서, 유입구(38)는 본체(31)의 하부에, 그리고 배출구(39)는 본체(31)의 상부에 위치하여, 다공성 표면에서 분산 형성된 에어로졸(32)이 부유된 상태에서 효율적으로 외부로 제공될 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

에어로졸이 생성되는 방법이나 생성되는 에어로졸을 제어하는 구체적인 방법에 대해서는 앞서 설명한 것과 같으므로 그에 갈음하고, 자세한 설명은 생략하기로 한다.

이상으로 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참고하여 상세하게 설명하였다. 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미, 범위 및 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

10: 액적적하장치 11: 액적
12: 에어로졸 13: 미세기포
20: 다공성 물질 30: 에어로졸 생성장치
31: 본체 32: 에어로졸
33: 액체(약물) 34: 노즐
35: 가압판 38: 유입구
39: 배출구

Claims

지름이 1mm 내지 5mm인 액적이 중력에 의해 상기 액적의 지름보다 작은 직경의 크기를 가진 다공성 표면에 자유낙하하는 단계; 및
상기 액적과 상기 다공성 표면 간의 충격에 의해 상기 다공성 표면에 수용된 공기로 성장된 상기 액적 내 미세기포가 공기 중으로 10^-3mm 이하의 지름을 가진 에어로졸로 분산 및 생성되는 단계;
를 포함하되,
상기 액적과 상기 다공성 표면 간의 충격속도제곱을 1(m/s)² 내지 2(m/s)²으로 하는 것을 특징으로 하는 에어로졸 생성방법.
제 1 항에 있어서,
상기 자유낙하하는 단계는,
상기 액적이 상기 다공성 표면까지 낙하하는 거리 변화에 따라 상기 액적이 상기 다공성 표면 위에 충돌하는 속도가 변화하는 것을 특징으로 하는 에어로졸 생성방법.
제 1 항에 있어서,
상기 자유낙하하는 단계는, 상기 액적에 기능성 물질이 용해되어,
상기 에어로졸 속에는 상기 기능성 물질이 용해되어 있는 것을 특징으로 하는 에어로졸 생성방법.
제 1 항에 있어서,
상기 에어로졸이 분산 및 생성되는 단계는,
상기 다공성 표면에 기능성 물질이 침투되어 있어, 상기 에어로졸 속에는 기능성 물질이 용해되어 있는 것을 특징으로 하는 에어로졸 생성방법.
제 1 항에 있어서,
상기 에어로졸이 분산 및 생성되는 단계는,
상기 다공성 표면에 충돌하는 액적의 크기, 표면장력 또는 점성 변화에 따라 상기 에어로졸의 크기 분포와 발생량이 변화하는 것을 특징으로 하는 에어로졸 생성방법.
제 1 항에 있어서,
상기 에어로졸이 분산 및 생성되는 단계는,
상기 액적이 상기 다공성 표면에 충돌하여 접면방향으로 팽창하고, 상기 팽창된 액적이 최대 지름에 도달하면 상기 미세기포들이 상기 팽창된 액적과 상기 다공성 표면 사이의 계면에 혼입되며, 상기 팽창된 액적의 일부가 상기 다공성 표면에 흡수되어 상기 팽창된 액적의 높이가 감소하지만 상기 미세기포들은 상기 다공성표면에 수용되어 있던 공기로 인해 크기가 성장하고, 상기 미세기포들은 상기 팽창된 액적과 상기 팽창된 액적 표면의 공기 사이의 계면을 만나 미세분사수를 생성하면서 파열되는 것을 특징으로 하는 에어로졸 생성방법.
제 6 항에 있어서,
상기 팽창된 액적 속에 생성되는 미세기포의 수는, 상기 액적의 상기 다공성 표면에 대한 충돌속도와 비례하는 것을 특징으로 하는 에어로졸 생성방법.
제 6 항에 있어서,
상기 팽창된 액적 속에 생성되는 미세기포의 수는, 상기 다공성 표면의 소재에 따라 상이한 것을 특징으로 하는 에어로졸 생성방법.
제 6 항에 있어서,
상기 팽창된 액적의 높이는, 상기 액적의 상기 다공성 표면에 대한 충격속도와 반비례하는 것을 특징으로 하는 에어로졸 생성방법.
제 6 항에 있어서,
상기 팽창된 액적의 높이는, 상기 다공성 표면의 소재에 따라 상이한 것을 특징으로 하는 에어로졸 생성방법.
제 6 항에 있어서,
상기 에어로졸의 크기 분포와 발생량은, 상기 다공성 표면의 온도에 따라 상이한 것을 특징으로 하는 에어로졸 생성방법.
제 1 항에 있어서,
상기 에어로졸이 분산되는 단계 이후에, 유입된 외기에 의해 상기 에어로졸을 이동시키는 단계;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 에어로졸 생성방법.
외관을 형성하는 본체;
상기 본체의 내하부에 위치한 다공성 물질;
상기 본체의 내상부 수용공간에 저장된 액체; 및
상기 수용공간에 저장된 액체를 상기 다공성 물질로 액적형태로 제공하기 위해 상기 수용공간 하부에 위치한 노즐;
을 포함하되,
상기 본체는, 상기 노즐을 통해 낙하한 지름 1mm 내지 5mm의 액적이 상기 액적의 지름보다 작은 직경의 크기를 가진 상기 다공성 물질을 충격하여, 상기 다공성 물질의 표면에 수용된 공기로 성장된 상기 액적 내 미세기포에 의해 생성된 지름 10^-3mm 이하의 에어로졸을, 상기 본체 외부로 배출하기 위한 배출구, 및 상기 생성된 에어로졸을 상기 배출구로 유도하기 위해 상기 본체의 외부의 공기를 상기 본체의 내부로 유입되는 유입구를 포함하고,
이때 상기 액적과 상기 다공성 표면 간의 충격속도제곱을 1(m/s)² 내지 2(m/s)²으로 하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 에어로졸 생성장치.