The electrospray of conducting liquids operated in the cone-jet mode is well known to have the unique ability of generating droplets uniform in size over a phenomenal range of sizes depending primarily on the liquid flow rate and physical properties. Since there is a monotonic dependence of size on flow rate, the liquid flow rates that can be dispersed are modest it the goal is to produce very small droplets. Yet, spray source is indispensable for the electrospray capabilities to have an impact in high-value-added applications. This paper reports here on a novel approach to multiplexing based on a well-known, but hitherto unexploited, regime of operation, the multi-jet mode. Ordinarily such a mode is rather unsteady and the range of flow rates at which appreciable multiplexing is achieved is small. However, if the multi-jet mode is anchored by grooves machined at the outlet of the atomizer, to intensify the electric field or to induced the liquid flow at discrete points around its perimeter, then the cone-jets are simultaneously anchored at grooves and a stable mode of operation is identified over several hundreds of volts and a broad range of flow rates. As a result, a compact, inexpensive and versatile multiplexing system is realized without sacrificing droplet monodispersity. Using this novel technique, two kinds of multiplexing systems are developed and these systems are conducted in terms of highly practical applications, the generation of bacteria bioaerosols and PLGA particles.
First of all for fabrication the multiplexed grooved nozzles system, the new type of an extractor is developed to control the external electric field and to reduce the coulombic repulsion. The new extractor has larger holes compare with a general one and is installed at same height with grooved nozzle tip. The multiplexing system is fabricated for conducting and nonconducting materials. The effects of the grooves and the extractor on the performance of the electrospray are evaluated through experiments. In case of the conducing material, the grooved nozzle can be achieved the stable cone-jet mode at the each groove in the grooved mode using the intensification of the electric field. Furthermore, the number of nozzles per unit area is increased by the extractor. The multiplexing compactness is 12 jets per ㎠ at 30 mm distance from the nozzle tip to the ground plate.
The nonconducting grooved nozzle uses the nonconducting material for safety, stability, and miniaturization. The conducting grooved nozzle uses the intense electric field at the groove for stabilization of multi-jet. On the other hand, the nonconducting grooved nozzle uses the groove to flow path for generation and maintenance of multi-jets. This nozzle is easy to fabricate the multiplexed grooved nozzle system because there is no coulombic repulsion by the electric potential which generated from a grooved nozzle tip. Also, this nozzle has advantages like a wide voltage range for the grooved mode, the prevention of the corona discharge, and the miniaturization using the MEMS process as compared with the conducting one. Furthermore the multiplexed grooved nozzles are developed to increase the flow rates for expanding of the electrospray applications. This system has the same multiplexing compactness with the conducting system.
A new idea of generating bacteria bioaerosols by utilizing an electrospray method was suggested and tested in this study. Liquid suspensions containing S. epidermidis and E. coli bacteria were sprayed by means of a specially designed multiplexed grooved nozzles system in a grooved mode, and measurements were taken of the biological viability as well as the physical properties of the electrosprayed bioaerosols. The tested bacterial suspensions had around $10^7$ CFU/ml concentrations and the suspensions of electrosprayed particles sampled with a biosampler had concentrations that ranged from $10^5$ CFU/ml to $10^6$ CFU/ml. Also, the generated bacteria maintained their viability under highly electrically charged conditions. The experimental results show that the electrospray method can be used to generate viable bacteria bioaerosols with a highly electrically charged status.
The electrospray system was employed to generate biodegradable polymeric fine particles. The effect of processing parameters such as PLGA concentration, flow rates, producing times, and setup configurations on the size and morphology of PLGA particles were experimented. By changing the various processing parameters, controllable particles size and shape can be achieved. Monodispersed PLGA particles with size of around 100 nm can be obtained by using silica tubing. And the multiplexed grooved nozzles can dramatically increase the producing rate. In short, the electrospray method is a promising technique to generate PLGA fine particles which can be used in drug delivery systems.
본 논문에서는 고유량 정전분무를 위해 전도체와 비전도체 재질의 홈 노즐, 새로운 형태의 익스트랙터를 개발하고 이를 이용하여 고집적 다중 홈 노즐을 제작하는 연구를 수행하였다. 그리고 개발된 정전분무 노즐을 이용하여 높은 응용성을 가지는 바이오에어로졸과 PLGA 입자 발생에 적용하였다.
전도성 홈 노즐의 경우 홈 노즐에 가공된 홈의 날카로운 형상에 의해 홈에서 발생하는 전기장이 주위에 비해 매우 강하게 인가되어 멀티젯 모드에서 발생하는 콘젯들이 홈에서 생성되고 유지되는 홈 모드를 이용하여 고유량 정전 분무를 실현하였다. 홈 모드 정전분무는 콘젯 모드의 정전분무와 액적 크기 및 분무 전류 관점에서 같은 특성을 가진다. 즉, 모세관 팁의 형상 변경을 통하여 콘젯 모드 정전분무 고유의 특성을 가지며 단일 노즐로 고유량 정전분무를 구현할 수 있는 홈 노즐을 개발한 것을 의미한다. 새로운 형상의 익스트랙터를 개발하여 다중 홈 노즐 정전분무 장치를 구현하였다. 수치해석을 통하여 홈 노즐에서 발생하는 전기장 중첩효과를 최소화할 수 있는 익스트랙터의 형성을 설계하였으며, 일반적으로 사용되는 익스트랙터와 비교하여 비교적 큰홀을 가지며 홈 노즐 팁과 같은 높이에 설치되는 차이점을 가진다. 익스트랙터를 설치하여 홈 노즐의 집적도를 최소 16배 향상시켰으며 홈 노즐 팁과 접지판 사이의 거리가 30 mm인 조건일 때 10 mm 노즐 간격에서 다중 홈 모드를 구현하였으며, ㎠ 당 12개의 젯, 80 ml/h의 유량으로 액적을 발생시킬 수 있다. 이러한 수치는 기존 다중 노즐의 최대 분사 유량인 22 ml/h와 비교하여 고유량 정전분무가 가능함을 보인다. 다중 홈 모드에서 발생하는 액적은 단일 홈 모드에서와 같이 콘젯 모드의 액적 특성을 가지며, 외부 전기장 변화에 의해서는 액적 특성이 변하지 않는다. 그리고 액적의 손실이 발생하지 않으며 안정된 다중 홈 모드를 구현할 수 있는 익스트랙터의 설치 높이는 0.2 mm이다. 새롭게 제작한 익스트랙터를 이용하여 단일 노즐로도 고유량 정전분무를 발생시킬 수 있는 홈 노즐을 고집적화하여, 작동 유량을 극대화할 수 있는 다중 홈 노즐 정전분무 장치를 개발하였다.
비전도체 재질의 모세관에 홈을 가공하여 홈 노즐을 제작하였다. 전도체 홈 노즐의 경우 각 홈 모서리에서 발생하는 강한 전기장을 이용하여 멀티젯 모드에서 생성되는 젯을 홈에서 유지시킬 수 있는 반면에 비전도체 홈 노즐은 각 홈을 작동 유체가 이동하기 쉬운 유로로 사용하여 멀티젯을 각 홈에서 발생시키고 일정 전압 영역에서 유지시킨다. 비전도체 홈 노즐의 홈 모드 정전 분무 특성은 분무 전류와 액적 크기 측면에서 콘젯 모드 정전분무와 유사하며 전도체 홈 노즐과 비교하여 상대적으로 낮은 유량 조건에서 매우 안정된 특성을 나타낸다. 또한 노즐이 비전도체이기 때문에 코로나 방전이 일어나지 않아 장치 운용의 안정성을 크게 향상시켰으며, 이와 더불어 히싱 모드가 발생하지 않는다. 또한 노즐 팁 자체에서 발생하는 전기장이 없어 노즐로 인한 전기장 반발력이 발생하지 않고 하전된 액적에 의한 공간 전하 효과만 존재하기 때문에 다중 홈 노즐 시스템 제작이 용이하다. 이러한 비전도체 홈 노즐과 새로운 익스트랙터를 이용하여 다중 홈 노즐을 제작하였다. 홈 모드의 특성을 유지하면서 단위 ㎠ 당 12개의 콘젯, 24 ml/h의 유량으로 액적을 발생시킬 수 있다. 전도체 홈 노즐과 비교하였을 때 상대적으로 낮은 유량 조건에서 최적의 분무 성능을 가지며, 공간 전하 효과로 인해 발생하는 전기장 중첩 효과로 다중 홈 노즐 외각 영역에서 발생하는 액적의 크기가 내부 영역의 액적 크기보다 다소 커지는 현상을 보였다. 비전도체 홈 노즐을 고집적화하여 작동 유량을 극대화 할 수 있으며, 향후 MEMS 가공법과 같은 미세 가공법을 이용한 초소형 고집적 다중 노즐에 적용할 수 있는 비전도체 다중 홈 노즐 정전분무 장치를 개발하였다.
전도체 다중 홈 노즐을 이용하여 박테리아 균주를 포함한 배양액의 분무를 위한 정전분무 장치를 설계하고 구성하였다. 포도상구균과 대장균을 포함한 부유액을 특별히 제작된 전도체 다중 홈 노즐을 이용하여 홈 모드에서 고유량 조건으로 분사하였고, 발생된 바이오에어로졸을 앤더슨 임팩터와 바이오 샘플러를 이용해 한천 배지 위와 멸균액으로 포집하였다. 실험에 사용된 박테리아 부유액은 $10^7$ CFU/ml 의 농도를 가지고 있었으며, 바이오샘플러 장치를 이용하여 포집된 박테리아 부유액은 $10^5$ CFU/ml 에서 $10^6$ CFU/ml 의 농도를 가졌다. 발생된 박테리아들은 고하전된 조건에서도 생명성을 유지하였다. 이러한 결과는 정전분무 방식이 살아있는 박테리아의 바이오에어로졸을 고하전된 상태로 분사하는데 사용할 수 있음을 보여주며, 바이오에어로졸 발생 및 제어 장치 개발에 적용할 수 있을 것이다.
비전도체 다중 홈 노즐을 이용하여 서브 마이크론 크기의 PLGA 입자를 제조할 수 있는 정전분무 장치를 설계하고 제작하였다. 고분자 물질인 PLGA를 쉽게 녹일 수 있으며, 정전분무에 적합한 물리적 특성을 가진 용매인 2,2,2-TFE를 사용하여 PLGA 입자를 발생시켰다. 실리카 모세관을 이용한 정전분무를 통하여 0.01 ml/h 의 초저유량 조건에서 1 μm 이하의 크기를 가지는 액적을 발생시킬 수 있었으며, 각 유량 조건에 대해 70 nm에서 900 nm 크기의 PLGA 입자를 제조할 수 있었고, 생성된 PLGA 입자가 단분산 크기 분포를 가진다. 비전도체 다중 홈 노즐 장치를 이용하여 PLGA 입자를 높은 생산율로 제조하였다. 발생된 입자의 크기는 공급 유량에 따라 300 nm에서 800 nm이며, 분자량이 큰 물질을 사용할수록 작은 크기의 입자를 생산할 수 있다. 0.2 ml/h이하의 유량 조건에서 생성된 PLGA 입자는 구형이며 단분산 분포를 가진다. 저유량 조건에서 포집 시간을 길게 하면 생성된 입자들이 서로 연결되는 체인 구조물을 형성하게 되고 고유량 조건에서 포집 시간을 길게 하면 입자가 아닌 박막을 형성한다. 따라서 비전도체 다중 홈 노즐을 이용한 정전분무 방법은 약물 운반 시스템에 적용이 가능한 PLGA 입자 제조에 적합하며, 기존 제조 방법과 비교하여 빠른 공정속도와 생산율, 그리고 단분산 분포를 가지는 PLGA 입자를 제조할 수 있다.
