KR100394371B1 - 초미세입자를 이용한 정전기 제어장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전기수력학적 분사(EHDA;Electro-Hydrodynamic Atomization 또는 Electrospraying)에 의하여 발생된 플러스극성과 마이너스극성을 갖는 고하전의 초미세입자를 이용한 정전기 제어장치를 개시한다. 본 발명에 따른 정전기 제어장치는 액체공급수단과 연결되어 있으며, 선단으로부터 분무입자가 방출되는 하나 이상의 모세관과; 모세관에 고전압을 인가하기 위하여 모세관에 접속되며, 고하전의 초미세입자를 발생시키기 위한 플러스극성의 제1 고전압발생기와 마이너스극성의 제2 고전압발생기로 구성된 고전압발생수단과; 모세관과 소정의 거리만큼 이격되어 설치되며, 고전압발생수단과 협동하여 전기장을 형성시키는 접지전극과; 제1 고전압발생기 및 제2 고전압발생기와 연결되어 있으며, 모세관에 인가되는 전압을 제어하는 제어수단으로 이루어져 있다. 본 발명에 따르면, 플러스극성과 마이너스극성의 고하전을 갖는 초미세입자에 의하여 정전기를 용이하게 제어하고 정전기 제어효율을 증대시키며, 인체에 위해하고 공정에 악영향을 미치는 오존의 발생이 없고, 전극의 부식 및 마모가 없고 또한 전극에 의한 입자상의 오염이 없게 된다.
Description
본 발명은 정전기 제어장치에 관한 것으로, 보다 상세히는 전기수력학적 분사(EHDA;Electro-Hydrodynamic Atomization 또는 Electrospraying)에 의하여 발생된 플러스극성과 마이너스극성을 갖는 고하전의 초미세입자들을 이용한 정전기 제어장치에 관한 것이다.
현재, 공기를 이온화하여 정전기를 제어하는 장치는 주로 코로나 방전을 이용하고 있다. 코로나 방전을 이용하는 정전기 제어장치는 장치 주위의 공기를 코로나 방전영역을 통과시켜 대전시키고 있다. 이에 따라, 공기의 전기전도도를 높게함으로써 정전기를 제어하여 중화시킨다. 특정 물체의 표면에 발생하는 정전기는 그 누설, 중화 또는 접지 경로가 차단되어 있어 발생하는 것으로 일반적으로 공기는 전기가 통하지 않는 부도체이다. 그러나 공기를 코로나 방전을 시켜 이온화시킴으로써 이온 밀도를 상승시켜 공기의 전기전도도를 높이고 있다. 이와 같은 공기의 전기전도도의 증대로 인하여 특정 물체의 표면에 쌓여 있는 정전기는 공기를 통하여 누설된다. 이와 같은 코로나 방전을 이용한 정전기 제어장치는 잘 알려진 기술이므로 여기서는 그 구성 및 작용에 관한 구체적인 설명을 생략한다.
한편, 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 모세관에 고전압을 인가하여 모세관과 이격되어 설치되어 있는 전극판의 사이에 고전압차의 전기장을 형성하여 모세관의 선단으로부터 고하전을 갖는 초미세입자를 발생시키는 장치이다.
그러나, 종래의 코로나 방전을 이용한 정전기 제어장치는 설치 및 운용이 간단한 장점이 있으나 여러 단점 또는 문제점을 가지고 있다. 첫째로, 코로나 방전을 이용하는 정전기 장치는 5 kv이상의 고전압이 코로나 방전전극에 인가되어야 하므로 이에 따라 스퍼터링(Sputtering) 및 코로나 방전영역에 존재하는 미립자의 전기유도현상에 의한 충돌 등에 의하여 전극이 부식되고 또한 마모되는 문제가 발생하고 있다. 이러한 문제점은 특히 반도체 라인과 같은 초청정 클린룸에서는 치명적인 입자상의 오염원인을 제공하는 문제를 야기시킨다.
둘째로, 고전압 방전시에 오존이 발생하고 코로나 방전전극의 표면에 일반적인 초고성능에어필터(ULPA;Ultralow Penetration Airfilter)에 의하여도 필터링되지 않는 미세입자(Fine Particle)가 방전전극에 침착되어 누적되고 재비산함으로써 입자상의 오염을 발생하며 이와 같은 입자상의 오염을 해소하기 위하여 방전전극을 주기적으로 청소하거나 교체하여야 하는 단점이 있다.
셋째로, 방전전극에 입자가 침착되어 누적되는 현상은 플러스전극과 마이너스전극사이에 매우 현저한 차이가 있다. 이와 같은 현저한 차이로 인하여 이온밀도가 대단히 불균형적이므로 오히려 정전기 제어장치를 설치하기 이전보다 정전기의 문제가 더욱 심화되는 문제가 있다.
그외에도 정전기의 발생이 대단히 심한 경우 또는 주위의 환경 등에 기인하여 이온밀도를 높이기 위하여 10 kv이상의 대단히 높은 전압을 인가하여야 하나 이때에는 상기한 문제점들이 배가된다.
따라서, 본 발명은 상기한 종래기술의 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 고하전을 갖는 초미세입자에 의하여 정전기를 용이하게 제어하고 정전기 제어효율을 증대시키는 초미세입자를 이용한 정전기 제어장치를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 인체에 위해하고 공정에 악영향을 미치는 오존의 발생이 없는 초미세입자를 이용한 정전기 제어장치를 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 전극의 부식 및 마모가 없고, 또한 전극에 의한 입자상의 오염이 없는 초미세입자를 이용한 정전기 제어장치를 제공함에 있다.
도 1은 본 발명에 따른 초미세입자를 이용한 정전기 제어장치의 하나의 실시예의 구성을 나타내는 도면,
도 2는 본 발명에 따른 초미세입자를 이용한 정전기 제어장치에 있어서 플러스극성과 마이너스극성의 고하전을 갖는 초미세입자의 생성원리 및 정전기 제어를 설명하기 위하여 나타낸 도 1의 부분확대도,
도 3은 본 발명에 따른 초미세입자를 이용한 정전기 제어장치의 다른 실시예의 구성을 나타내는 도면,
도 4a 내지 도 4c는 본 발명에 따른 초미세입자를 이용한 정전기 제어장치에 적용되는 플러스전압과 마이너스전압의 인가 형태를 나타내는 도면이다.
♣도면의 주요부분에 대한 부호의 설명♣
10: 분사수단 12: 시린지펌프
13,13a,13b: 중공관 14,14a,14b : 모세관
15: 노즐 20: 접지전극
30: 제1 고전압발생기 32: 제2 고전압발생기
40: 제어기 50: 물체
상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 특징으로 본 발명에 따른 초미세입자를 이용한 정전기 제어장치는 액체공급수단과 연결되어 있으며, 선단으로부터 분무입자가 방출되는 하나 이상의 모세관과; 모세관에 고전압을 인가하기 위하여 모세관에 접속되며, 고하전의 초미세입자를 발생시키기 위한 플러스극성의 제1 고전압발생기와 마이너스극성의 제2 고전압발생기로 구성된 고전압발생수단과; 모세관과 소정의 거리만큼 이격되어 설치되며, 고전압발생수단과 협동하여 전기장을 형성시키는 접지전극과; 제1 고전압발생기 및 제2 고전압발생기와 연결되어 있으며, 모세관에 인가되는 전압을 제어하는 제어수단으로 이루어져 있다.
이하, 본 발명에 따른 초미세입자를 이용한 정전기 제어장치의 실시예들을 첨부한 도면을 참고하여 상세히 설명한다.
먼저 도 1과 도 2를 참고하면, 도 1과 도 2는 본 발명에 따른 초미세입자를 이용한 정전기 제어장치의 제1 실시예의 구성을 나타낸다. 본 발명에 따른 정전기 제어장치는 플러스극성과 마이너스극성의 고하전을 갖는 초미세입자를 발생시키는 전기수력학적 분사수단(10)을 구비하고 있다. 전기수력학적 분사수단(10)은 초미세입자를 발생시키는 장치로 물, 염화나트륨용액 등의 액체의 유량을 조절하여 공급할 수 있는 시린지 펌프(Syringe Pump)(12)와, 시린지펌프(12)로부터 액체가 공급되며 중공의 실린더(13a, 13b)의 내부에 고정적으로 각각 장착된 2개의 모세관 (14a,14b)을 갖추고 있다. 본 실시예는 시린지 펌프(12)를 채용하였으나 공지의 다른 액체공급수단이 적용될 수 있으며, 모세관(14a,14b)은 오리피스(Orifice)를 갖는 용기로 대체될 수 있다. 모세관(14a,14b)의 하단부에는 초미세입자가 생성되어 분사되는 노즐(15)이 형성되어 있으며 중공관(13a,13b)의 하단부에는 접지전극(20)이 위치하고 있다. 본 실시예에서는 접지전극(20)이 원통형으로 중공의 실린더 (13a,13b)의 하단부에 위치하고 있으나, 접지전극(20)은 고전압과 협동하여 전기장을 형성할 수 있도록 노즐(15)과 소정의 거리만큼 이격되어 있으면 되며 그 형상은 평판, 타공판등 다양한 형태를 가질 수 있다.
한편, 모세관(14a)에는 플러스극성의 고전압을 인가하는 제1 고전압발생기 (30)가 접속되어 있으며 모세관(14b)에는 마이너스극성의 고전압을 인가하는 제2 고전압발생기(32)가 접속되어 있다. 그리고, 제1 및 제2 고전압발생기(32,34)는 모세관(14a,14b)에 인가되는 전압을 제어하는 제어기(40)와 연결되어 있다. 노즐(15)로부터 분사되는 분사액체와 접지전극(20)사이에 플러스극성 또는 마이너스극성의 고전압을 인가하면 노즐(15)끝의 액체와 접지전극(20)사이에는 강력한 전기장이 형성되며 노즐(15)끝에 형성된 액체방울의 모양은 인가된 전기장의 세기에 따라서 변화한다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 일정한 전압영역에서 액체방울은 콘(Cone) 모양을 이루고 콘의 정점에서는 제트(Jet)가 분출하는 콘-제트모드로 바뀌며 초미세 입자가 발생하게 된다. 이때, 발생된 입자는 매우 높은 하전량을 갖는다. 모세관(14a)의 노즐(15)로부터는 플러스극성의 고하전을 갖는 초미세입자가 분사되며, 모세관(14b)의 노즐(15)로부터는 마이너스극성의 고하전을 갖는 초미세입자가 분사된다. 정전기 제어대상의 물체(50)는 노즐(15)의 하방에 위치하며, 노즐(15)로부터 생성되는 초미세입자를 신속하게 이동시키기 위하여 필요에 따라 모세관(14a,14b)의 상부에 송풍기(도시 안함)를 배치할 수 있다.
다음으로 도 3에 도시된 본 발명의 제2 실시예를 설명한다. 도 3의 실시예는 단일의 모세관(14)을 구비하고 있다. 모세관(14)의 하단부에는 상기한 제1 실시예의 구성과 동일하게 초미세입자가 분사되어 나오는 노즐(15)이 형성되어 있으며 중공관(13)의 하단부에는 접지전극(20)이 위치하고 있다. 또한, 모세관(14)에는 플러스극성의 고전압을 인가하는 제1 고전압발생기(30)와 마이너스극성의 고전압을 인가하는 제2 고전압발생기(32)가 모두 접속되어 있으며, 고전압발생기들(30,32)은 제어기(40)에 각각 연결되어 있다.
도 4는 제1 고전압발생기(30) 및 제2 고전압발생기(32)와 제어기(40)의 작용에 의하여 모세관(14;14a,14b)에 인가되는 전압의 형태을 나타낸다. 도 4a는 플러스극성의 전압과 마이너스극성의 전압이 동시에 인가되는 형태를 나타내고, 도 4b는 플러스극성의 전압과 마이너스극성의 전압이 교호로(Alternatively) 인가되는 형태를 나타내며, 도 4c는 소정의 휴지시간(T2,T4)을 두고 플러스전압은 T1시간동안 마이너스전압은 T2시간동안 교호로 인가되는 것을 나타내고 있다. 도 4b와 도 4c의 전압인가시간(T1,T3;T2,T4)은 제어기(40)에 의하여 독립적으로 조절될 수 있다. 이상의 형태이외에도 모세관에는 다양한 전압 인가형태가 적용될 수 있을 것이다.
특히, 도 4a의 전압 인가형태는 모세관이 2개이상 사용될 때에 적용될 수 있다. 이 때 모세관(14a)으로부터는 플러스극성의 초미세입자가 생성되어 방출되며, 모세관(14b)로부터는 마이너스극성의 초미세입자가 생성되어 방출된다. 모세관이 1개 사용될 때에는 도 4b와 도 4c와 같이 전압이 교호로 인가된다. 이 때에는 일정시간동안은 플러스극성의 전압이 모세관(14)에 인가됨으로써 모세관(14)으로부터 플러스극성의 초미세입자가 방출되고 그 후 일정시간동안은 마이너스극성의 전압이 모세관(14)에 인가됨으로써 모세관(14)으로부터 마이너스극성의 초미세입자가 방출된다.
이하에서는, 상기한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 초미세입자를 이용한 정전기 제어장치의 작용에 대하여 설명한다. 도 3의 실시예의 정전기 제어장치들의 작용은 도 1의 실시예의 정전기 제어장치의 작용설명으로부터 당업자는 용이하게 이해할 수 있으므로 여기에서 도 3과 관련한 작용의 상세한 설명은 생략한다.
우선, 전기수력학적 분사수단(10)에 의한 초미세입자의 발생에 대하여 설명한다. 제1 고전압발생기(30) 및 제2 고전압발생기(32)에 의하여 모세관(14a,14b)에 도 4a의 형태로 플러스극성 및 마이너스극성의 고전압이 각각 인가되면, 노즐(15)의 액체표면과 접지전극(20)의 사이에 강력한 플러스 및 마이너스의 전위차가 발생한다. 이때 액체 표면에서 액체에 의한 표면장력과 정전기력 사이에 힘의 균형이 깨져 액체 표면이 부서지면서 모세관(14a)의 노즐(15)로부터는 플러스극성의 그리고 모세관(14b)의 노즐(15)로부터는 마이너스극성의 매우 미세한 액체 입자가 방출된다. 이와 같이 생성된 입자는 그 크기가 수 나노미터(nano-meter)에서 수십 나노미터정도로 극히 미세하다. 또한, 입자들은 각각 플러스극성과 마이너스극성의 고전하를 띠게 되며 그 전하량은 레일리 전하한계(Rayleigh Charge Limit)에까지 다다른다. 초미세 고하전의 입자는 입자의 브라운 운동성이 높아 유선(Stream Line)을 따라가지 않고 랜덤운동(Random Motion)을 하여 하방으로 이동하면서 주위로 확산된다.
이와 같이 하방으로 또는 주위로 확산되는 플러스극성 및 마이너스극성의 초미세입자들의 밀도가 높아지게 됨으로써 공기의 전기전도도가 높아지게 된다. 이에 따라, 공기의 전기전도도가 높아진 공간에 존재하는 정전기 제어대상인 물체(50)의 표면에 발생한 정전기는 공기를 통하여 누설 또는 중화되어 물체 표면의 정전기가 완전히 제거된다.
이상의 실시예들에 있어서, 초미세입자를 형성시키는 용액을 물로 하였을 때에는 초미세입자가 가습작용을 하게 된다. 따라서, 용액을 물로 하는 경우에 있어서는 본 발명에 따른 장치는 정전기 제어작용 뿐만 아니라 가습작용도 함께 하는 이점을 갖고 있다.
이상은 본 발명의 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 실시예들이외에도 특허청구범위내에서 다양하게 변경가능한 것이다. 예를 들면, 상기한 실시예들은 모세관이 하나 또는 둘인 경우에 한정되어 설명되었으나 모세관의 수는 3개이상의 복수개가 될 수 있으며, 모세관이 두 개이상인 경우 플러스전압과 마이너스전압이 교호로 인가될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본발명에 따른 초미세입자를 이용한 정전기 제어장치는 고전하를 갖는 초미세입자를 생성하여 주위에 확산시킴으로써 공기의 전기전도도를 높게 하여 쉽게 정전기를 제거할 수 있는 현저한 효과가 있다. 또한, 인체나 장치 적용공정에 악영향을 미치는 오존의 발생이 없으며, 종래기술과는 달리 전극의 부식 및 마모와 전극에의 입자의 침착, 누적, 재비산에 따른 입자상의 오염원이 없고 전극의 청소나 교체문제도 없다. 이온밀도가 5kv이하의 낮은 전압으로도 종래기술보다 정전기 제어효과가 수배이상의 높은 작용을 하여 효과적으로 정전기를 제거할 수 있다. 그리고 물을 용액으로 하여 초미세입자를 형성시키는 경우에는 가습작용을 하는 효과가 있다.
상술한 바의 구성과 효과를 갖는 본 발명은 정전기에 의한 인체쇼크나 정전흡입력에 의한 입자상의 오염, 정전기 방전(ESD)에 의항 기구의 파괴나 성능열화등 정전기에 의한 피해가 발생하는 모든 곳에 사용될 수 있으며, 특히 반도체 및 액정디스플레이 제조공정에서도 정전기 제거목적이나 가습목적으로 사용될 수 있다.
Claims (4)
- 액체공급수단과 연결되어 있으며, 선단으로부터 분무입자가 방출되는 하나 이상의 모세관과;상기 모세관에 고전압을 인가하기 위하여 상기 모세관에 접속되며, 고하전의 초미세입자를 발생시키기 위한 플러스극성의 제1 고전압발생기와 마이너스극성의 제2 고전압발생기로 구성된 고전압발생수단과;상기 모세관과 소정의 거리만큼 이격되어 설치되며, 상기 고전압발생수단과 협동하여 전기장을 형성시키는 접지전극과;상기 제1 고전압발생기 및 제2 고전압발생기와 연결되어 있으며, 상기 모세관에 인가되는 전압을 제어하는 제어수단으로 이루어진 초미세입자를 이용한 정전기 제어장치.
- 제1항에 있어서, 상기 고하전의 초미세입자를 정전기 제어 물체로 빠르게 운송시키는 송풍수단을 더 포함하는 초미세입자를 이용한 정전기 제어장치.
- 제1항에 있어서, 상기 모세관이 하나이고, 상기 제1 고전압발생기와 상기 제2 고전압발생기는 상기 제어수단의 제어에 의하여 상기 모세관에 플러스전압과마이너스전압을 교호로 인가시키는 초미세입자를 이용한 정전기 제어장치.
- 제1항에 있어서, 상기 모세관이 둘이고, 하나의 모세관은 상기 제1 고전압발생기와 접속하며 다른 하나의 모세관은 상기 제2 고전압발생기와 접속하는 초미세입자를 이용한 정전기 제어장치.
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