KR20250029043A - 커패시터를 포함하는 에어로졸 생성 물품 - Google Patents

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제이티 인터내셔널 소시에떼 아노님
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Abstract

에어로졸 생성 물품(1)이 설명된다. 물품(1)은, 가열 시, 사용자가 흡입하기 위한 에어로졸을 생성하는 전해액을 포함하는 커패시터(6)를 포함한다.

Description

커패시터를 포함하는 에어로졸 생성 물품
본 개시 내용은 일반적으로 에어로졸 생성 물품에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 사용자가 흡입하기 위한 에어로졸을 생성하기 위해 에어로졸 생성 디바이스 내에 수용되도록 구성된 에어로졸 생성 물품에 관한 것이다.
본 개시 내용은 특히, 휴대용(hand-held) 에어로졸 생성 장치에 적용 가능하다.
최근에는, 흡입을 위한 에어로졸을 생성하기 위해 에어로졸 생성 물질을 연소시키는 대신에 가열하는 디바이스가 소비자에게 대중화되어 있다. 위험이 감소되거나 위험이 개선된 일반적으로 사용 가능한 디바이스는 재료 가열식 에어로졸 생성 디바이스 또는 소위 비연소 가열식 디바이스이다. 이러한 유형의 디바이스는 에어로졸 생성 재료를 통상적으로 150℃ 내지 300℃ 범위의 온도까지 가열함으로써 에어로졸 또는 증기를 생성한다. 이러한 온도 범위는 일반적인 담배에 비해 매우 낮다. 에어로졸 생성 재료를 연소시키거나 태우지 않고 이러한 범위 내의 온도까지 가열하면 증기가 생성되며 이는 통상적으로 냉각되고 응축되어 디바이스의 사용자가 흡입할 수 있는 에어로졸을 형성한다.
이러한 디바이스는 에어로졸 생성 재료에 열을 제공하기 위한 여러 다양한 접근 방식 중 하나를 사용할 수 있다. 에어로졸 생성 재료를 가열하기 위한 모든 접근 방식은 배터리와 같은 소정 종류의 전원을 필요로 하며, 이는 디바이스의 크기 및 중량을 증가시킨다. 본 개시 내용의 실시형태는, 디바이스 내의 전원을 보충하거나 부분적으로 대체하기 위해 사용될 수 있는 전원을 에어로졸 생성 물품에 제공하기 위한 것이다. 이를 통해, 에어로졸 생성 재료의 가열을 정확하게 제어하여 유지하고 생성된 에어로졸의 특성을 최적화하면서, 사용자가 사용하기 편한, 더 작고 더 가벼운 디바이스를 제공할 수 있다.
본 개시 내용의 제1 양태에 따라, 커패시터를 포함하는 에어로졸 생성 물품이 제공되고, 이러한 커패시터는, 가열 시, 사용자가 흡입하기 위한 에어로졸을 생성하는 전해액을 포함한다. 따라서, 전해액은 에어로졸화될 수 있고, 즉 가열에 의해 에어로졸로 변환될 수 있으며, 이어서 이러한 에어로졸을 사용자가 흡입할 수 있다. 따라서, 커패시터의 가열을 통해 커패시터 내에 포함된 전해액이 에어로졸로 변환된 다음, 에어로졸화된 전해액을 사용자가 흡입하게 된다.
커패시터는 임의의 적합한 구조를 가질 수 있지만, 바람직한 실시형태에서 커패시터는 전기 이중층 슈퍼커패시터와 같은 슈퍼커패시터이다. 커패시터는 한 쌍의 전극 및 전극 간 다공성 분리막을 추가로 포함할 수 있다. 제1 전극은 양극일 수 있고 제2 전극은 음극일 수 있으며, 또는 그 반대일 수 있다. 전극 및 분리막은 전해액 내에 침잠된다.
통상적인 커패시터와 마찬가지로, 전기 이중층 슈퍼커패시터에서, 전하는 전극 사이의 전기장 내에 저장되고, 커패시턴스는 전극의 표면적, 전극 간 거리, 및 분리막 재료의 유전 상수에 따라 달라진다. 커패시터는 배터리와 같은 통상적인 전원보다 더 높은 전력 밀도를 갖는다. 커패시터가 한 쌍의 전극에 연결된 외부 회로에 의해 충전될 경우, 전해액 내의 양이온은 음극을 향해 이동하고 음이온은 양극으로 이동하는 반면, 전자는 음극으로부터 양극으로 외부 회로를 통해 이동한다. 따라서, 반대 극성을 갖는 두 개의 전하 층(전기 이중층)이 전극의 계면에 형성된다. 충전이 완료되면, 양극의 양전하 및 전해액 내의 음이온이 서로를 끌어당기고, 음극의 음전하 및 전해액 내의 양이온이 서로를 끌어당겨 전극 상의 이중 층을 안정화시킨다. 안정적인 전압이 생성된다. 커패시터가 방전되면, 반대 과정이 수행된다.
각 전극은 적어도 하나의 탄소계 전극 층, 예를 들어 부피당 비표면적이 크고, 제안된 전해액과 호환 가능한 다공성 숯 재료 층 또는 활성탄 층을 포함할 수 있다.
각 전극은 집전체를 추가로 포함할 수 있으며, 이러한 집전체는 금속 호일 층, 예를 들어 알루미늄 호일 층을 포함할 수 있다. 탄소계 전극 층은 집전체의 일 측 또는 양 측에 인접하여 배치될 수 있다. 각 탄소계 전극 층은 코팅으로서 형성될 수 있다. 이러한 전극은, 이미 에어로졸 생성 물품에 사용되는 것으로 알려진 재료를 사용하여 비교적 용이하고 저렴하게 제조될 수 있다.
당업자라면 알 수 있는 바와 같이, 전해액은 두 가지 기능을 한다. 먼저, 전해액은 커패시터가 충전 또는 방전될 때 발생하는 양이온 및 음이온의 이동을 허용하고, 두 번째로, 가열 시, 전해액은 사용자가 흡입하기에 안전하고 양호한 특성을 갖는 에어로졸을 형성한다. 따라서, 전해액은 그에 따라 선택되어야 한다. 전해액은 식품 등급 전해액인 것이 바람직하며, 예를 들어 염화나트륨, 구연산나트륨, 중탄산나트륨, 염화칼륨, 젖산칼슘, 탄산칼슘, 인산삼칼슘, 구연산마그네슘, 탄산마그네슘, 구연산, 주석산, 벤조산, 글리세롤, 및 임의의 적합한 등가물 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 전해액은 예를 들어 폴리비닐 알코올, 겔란 검 또는 잔탄 검과 같은 겔화제를 선택적으로 포함할 수 있다. 일 예에서, 전해액은 염화나트륨 및 글리세롤, 그리고 선택적으로 겔화제로서 폴리비닐 알코올을 포함할 수 있다. 이러한 전해액은 양이온 및 음이온 이동을 허용하고 사용자가 흡입해도 안전한 것으로 밝혀졌다.
모든 전해액이 기화되면, 커패시터는 더 이상 방전되거나 충전되지 않을 수 있으며, 해당 물품을 적절히 폐기하거나 전해액을 다시 충진해야 할 수 있다.
분리막은 반대 전하를 띤 한 쌍의 전극 사이에 유전체 분리(dielectric separation)를 제공하여야 한다. 또한, 분리막은 기공 내에 전해액을 저장하고, 충전 및 방전 과정 동안 양이온 및 음이온의 통과를 허용한다. 분리막은 임의의 적합한 재료를 포함할 수 있다. 분리막은 식물 유래 재료를 포함할 수 있으며, 특히 담배 재료, 예를 들어 다공성 담배 시트를 포함할 수 있거나, 임의의 적합한 셀룰로오스계 또는 폴리프로필렌계 재료를 포함할 수 있다. 가열 시, 분리막 재료는 하나 이상의 휘발성 화합물을 방출할 수 있다. 휘발성 화합물은 니코틴 또는 향미 화합물, 예를 들어 담배 또는 다른 향미제를 포함할 수 있다.
에어로졸 생성 물품은 에어로졸 유동 경로 내의 커패시터의 하류에서 임의의 유형의 고체 또는 반고체 재료를 추가로 포함할 수 있다. 고체 또는 반고체 재료의 예시적인 유형에는, 부스러기(crumb), 분말, 과립, 펠릿, 가늘고 작은 조각(shred), 스트랜드(strand), 입자, 겔, 스트립, 무른 잎, 컷팅된 필러, 다공성 재료, 발포체 재료 또는 시트가 포함된다. 재료는 식물 유래 재료를 포함할 수 있으며, 특히 담배 재료를 포함할 수 있다. 커패시터의 전해액을 가열함으로써 생성된 에어로졸은, 예를 들어, 커패시터와 필터 세그먼트 또는 마우스피스(이를 통해 사용자가 에어로졸을 흡입함) 사이에 배치될 수 있는 고체 또는 반고체 재료를 통해 유동하게 된다. 고체 또는 반고체 재료는 하나 이상의 휘발성 화합물을 방출할 수 있으며, 이러한 휘발성 화합물은 예를 들어 향미 및 니코틴을 에어로졸에 부가할 수 있다. 커패시터에 의해 제공되는 임의의 가열은 또한 고체 또는 반고체 재료를 가열하거나 가온하고, 이는 휘발성 화합물의 방출을 촉진할 수 있다.
사용자가 흡입하는 에어로졸은, 본질적으로 기화 또는 에어로졸화된 전해액, 그리고 선택적으로 분리막 재료 및/또는 하류의 고체 또는 반고체 재료에 의해 방출될 수 있는 하나 이상의 휘발성 화합물로 구성된다.
커패시터는, 예를 들어, 실질적으로 원통형이거나 (편평형 물품에 더 적합할 수 있는 보다 입방체인 형상을 갖도록) 편평해질 수 있는 나선형으로 권취된 구조(또는 "젤리 롤(jelly roll)" 구조), 프리즘 구조, 접힌 또는 사문형(serpentine)인 구조, 또는 적층 구조와 같은 임의의 적합한 구조를 가질 수 있다.
일 실시형태에서, 층상형 커패시터 기재가 제1 전극, 제1 전극에 인접한 분리막, 및 분리막에 인접한(즉, 분리막이 제1 전극과 제2 전극 사이에, 보다 구체적으로는 한 쌍의 탄소계 전극 층 쌍 사이에 개재되도록 분리막에 인접한) 제2 전극을 포함할 수 있다. 제1 전극은 양극일 수 있고 제2 전극은 음극일 수 있으며, 또는 그 반대일 수 있다. 이러한 기재는, 마주하는 전극 또는 동일 전극의 다른 부분들 사이에 공기 갭 또는 다른 유전체 분리를 유지하면서, 적절한 형상으로 롤링되거나 접힐 수 있다. 분리막에 의해 제공되는 것에 부가하여, 유전체 분리가 예를 들어 유전체 재료의 하나 이상의 층에 의해 제공될 수 있다. 유전체 재료는 임의의 적합한 재료를 포함할 수 있다. 유전체 재료는 식물 유래 재료를 포함할 수 있으며, 특히 담배 재료, 예를 들어 다공성 담배 시트를 포함할 수 있거나, 임의의 적합한 셀룰로오스계 또는 폴리프로필렌계 재료를 포함할 수 있다. 가열 시, 유전체 재료는 하나 이상의 휘발성 화합물을 방출할 수 있다. 휘발성 화합물은 니코틴 또는 향미 화합물, 예를 들어 담배 또는 다른 향미제를 포함할 수 있다. 유전체 재료 및 분리막 재료는 동일하거나 상이할 수 있다.
다른 실시형태에서, 층상형 커패시터 기재가 제1 전극, 제1 전극에 인접한 제1 분리막, 제1 분리막에 인접한(즉, 제1 분리막이 제1 전극과 제2 전극 사이에, 보다 구체적으로는 한 쌍의 탄소계 전극 층 사이에 개재되도록 제1 분리막에 인접한) 제2 전극, 및 제2 전극에 인접한 제2 분리막을 포함할 수 있다. 제2 전극은 제1 분리막과 제2 분리막 사이에 개재된다. 제1 전극은 양극일 수 있고 제2 전극은 음극일 수 있으며, 또는 그 반대일 수 있다. 이러한 기재는, 실질적으로 원통형일 수 있거나 (보다 입방체인 형상을 갖도록) 편평해질 수 있는, 나선형으로 권취된 (또는 "젤리 롤") 구조에 특히 적합하다. 나선형으로 권취된 커패시터의 권회(turns) 사이의 유전체 분리는 제2 분리막에 의해 제공되고, 이러한 제2 분리막은 권취된 기재에서 제1 전극과 제2 전극 사이에, 보다 구체적으로는 한 쌍의 탄소계 전극 층 사이에 개재될 수 있다.
또 다른 구성에서, 층상형 커패시터 기재는 복수의 제1 전극, 복수의 제2 전극, 및 복수의 분리막을 포함할 수 있다. 제1 전극은 양극일 수 있고 제2 전극은 음극일 수 있으며, 또는 그 반대일 수 있다. 제1 및 제2 전극은 교번하여 적층되고, 그에 따라 기재는 적층 방향으로 제1 전극, 제2 전극, 제1 전극, 제2 전극 등을 포함한다. 분리막은 각 한 쌍의 전극 사이에, 보다 구체적으로는 한 쌍의 탄소계 전극 층 사이에 개재되어 유전체 분리를 제공한다. 이러한 기재는 편평한 형태의 물품에 유용할 수 있다. 제1 전극이 서로 전기 연결될 수 있으며 제2 전극이 서로 전기 연결될 수 있다. 제1 전극이 제1 커패시터 단자에 전기 연결될 수 있으며 제2 전극이 제2 커패시터 단자에 전기 연결될 수 있다.
커패시터는 케이싱 내에 수용될 수 있다. 보다 구체적으로, 케이싱은 전극, 분리막 등을 포함하는 커패시터 기재, 및 전해액을 수용할 수 있다. 전해액은, 제조 중 또는 커패시터의 재충진이 필요한 경우, 케이싱 내로 주입될 수 있다. 케이싱은 커패시터를 전기적으로 절연시킬 수 있으며 임의의 적합한 재료 또는 재료들로 형성될 수 있다.
케이싱은 예를 들어 금속 또는 폴리머 코팅을 갖는 랩핑지(paper wrapper)를 포함할 수 있다. 케이싱은 임의의 적합한 재료로 이루어진 단부 캡의 쌍을 포함할 수 있다. 케이싱은 적절한 천공부나 개구부, 또는 적절한 에어로졸 투과성 멤브레인 재료를 포함할 수 있으며, 그에 따라 전해액 가열 시 생성되는 에어로졸을 사용자가 자유로이 흡입할 수 있으면서, 아울러 전해액이 액체 또는 겔 상태일 때 누출되는 것을 또한 방지할 수 있다. 에어로졸 생성 물품은, 예를 들어 셀룰로오스 아세테이트 섬유를 포함하는, 필터 세그먼트를 에어로졸 생성 물품의 근위 단부에 포함할 수 있다. 필터 세그먼트는 마우스피스 필터를 구성할 수 있다. 하나 이상의 증기 수집 영역, 냉각 영역, 및 기타 구조가 일부 설계에 또한 포함될 수 있다. 유리하게는, 증기 냉각 영역은 증기가 냉각 및 응축될 수 있게 하고, 그에 따라 예를 들어 필터 세그먼트를 통하여 사용자가 흡입하기에 적합한 특성을 갖는 에어로졸을 형성할 수 있다. 일반적인 용어로, 증기는 임계 온도보다 더 낮은 온도에서의 기체 상 물질로서, 이는 온도를 낮추지 않고 압력을 증가시킴으로써 증기가 액체로 응축될 수 있다는 것을 의미하는 반면, 에어로졸은 공기 또는 다른 기체 내의 미세 고체 입자 또는 액체의 액적(liquid droplet)의 현탁체인 것을 의미한다. 그러나, 용어 '에어로졸' 및 '증기'는 본 명세서에서 상호 교환 가능하게 사용될 수 있다는 점에 유의하여야 한다.
커패시터는 포장 물품에 미리 충전되어 있는 것이 바람직하며, 즉 사용자가 물품 구매 시 그리고 물품을 에어로졸 생성 디바이스 내로 제거 가능하게 삽입하기 전에 이미 충전되어 있다. 커패시터를 미리 충전하면 가열에 필요한 디바이스 전원의 에너지 양을 감소시킨다. 이는 디바이스의 크기 및 중량을 줄일 수 있게 한다.
본 개시 내용의 제2 양태에 따라, 사용 시, 전술한 바와 같은 에어로졸 생성 물품을 수용하도록 구성된 에어로졸 생성 디바이스가 제공된다. 디바이스는, 물품이 디바이스 내에 수용되면, 한 쌍의 전극 또는 커패시터 단자 사이에 전기 연결되는 외부 회로(예를 들어, 스위칭 회로)를 포함할 수 있다. 스위칭 회로는 커패시터의 방전을 제어하도록 구성될 수 있다. 스위칭 회로는 선택적으로 또한, 배터리와 같은 디바이스의 전원으로부터의 커패시터 충전을 제어하도록 구성될 수도 있다. 스위칭 회로는, 커패시터에 저장된 전하가 스위칭 회로를 통해 방전될 수 있게 하는, 한 쌍의 전극 또는 커패시터 단자 사이에 연속적이거나 또는 스위칭된(즉, 불연속적 또는 간헐적인) 단락 경로를 선택적으로 제공하도록 제어기에 의해 제어될 수 있는 스위칭 디바이스를 포함할 수 있다. 스위칭 디바이스는 하나 이상의 스위치를 포함할 수 있다. 하나 이상의 스위치는, 예를 들어 브리지 회로 또는 컨버터 회로로서 연결될 수 있는 반도체 스위칭 디바이스일 수 있다. 하나 이상의 스위치는, 단락 경로를 제공하기 위해 제어기에 의해 개방 또는 폐쇄되거나 온 및 오프로 스위칭될 수 있다.
스위칭 회로는, 에어로졸 생성 물품이 디바이스에 수용되면, 커패시터의 제1 전극 또는 단자에 전기 연결되는 제1 단자, 및 커패시터의 제2 전극 또는 단자에 전기 연결되는 제2 단자를 포함할 수 있다. 물품이 디바이스 내로 삽입되기 전에, 미리 충전된 커패시터의 우발적 또는 고의적 방전을 방지하기 위해, 사용자가 커패시터의 전극 또는 단자 중 적어도 하나에 접근할 수 없는 것이 바람직하다. 예를 들어, 커패시터 전극 또는 단자 중 하나 또는 둘 모두는 물품의 케이싱 내에 감춰져 있을 수 있으며 에어로졸 생성 물품이 디바이스 내로 삽입된 후 또는 삽입되는 과정 동안에만 스위칭 회로의 단자와 전기 연결되도록 접근 가능하다. 전기 연결을 위해 하나 이상의 위치에서 케이싱이 개봉될 필요가 있으며, 디바이스는 케이싱을 파단, 천공, 또는 파열하기 위한 적절한 수단을 포함할 수 있다. 스위칭 회로의 제1 단자는 하나 이상의 위치에서 제1 전극(들)에 직접 전기 연결될 수 있거나, 제1 전극에 다시 전기 연결되는 제1 커패시터 단자에 전기 연결될 수 있다. 마찬가지로, 스위칭 회로의 제2 단자는 하나 이상의 위치에서 제2 전극(들)에 직접 전기 연결될 수 있거나, 제2 전극에 다시 전기 연결되는 제2 커패시터 단자에 전기 연결될 수 있다. 커패시터 단자는 물품의 어디에나(즉, 물품의 단부 캡 또는 측면 부근) 위치할 수 있다. 디바이스 내로의 에어로졸 생성 물품의 삽입 배향을 제한하여 각 단자 사이의 정확한 정렬을 보장함으로써 커패시터와 외부 스위칭 회로 사이의 안정적인 전기 연결을 제공할 수 있다.
스위칭 회로의 단자들은, 케이싱을 파단, 천공 또는 파열하여 커패시터의 전극 또는 단자와 전기 연결되도록 설계되는 파단 디바이스로서 형성될 수 있다. 파단 디바이스는 디바이스에 대해 고정되거나 정지식(stationary)일 수 있으며, 물품이 디바이스 내로, 예를 들어 에어로졸 생성 공간이나 가열 챔버 내로 삽입될 때 케이싱을 파단, 천공 또는 파열하도록 설계될 수 있다. 파단 디바이스는 또한 이동식일 수 있다. 예를 들어, 일 구성예에서, 파단 디바이스는, 물품이 삽입될 수 있도록 개방되거나 또는 분리되는 디바이스의 패널 또는 도어 상에 장착될 수 있으며, 파단 디바이스는 패널 또는 도어가 사용자에 의해 폐쇄되면 케이싱을 파단, 천공 또는 파열하도록 설계된다. 패널 또는 도어는 예를 들어 힌지형(hinged)일 수 있다. 다른 구성에서, 파단 디바이스는, 예를 들어, 전기 모터 또는 피스톤과 같은 적합한 액추에이터에 의해 이동할 수 있다. 파단 디바이스는, 에어로졸 생성 공간 또는 가열 챔버를 정의하는 디바이스 부품 내 개구부 또는 슬롯을 통해 이동할 수 있다. 파단 디바이스는 임의의 적합한 형상을 가질 수 있으며, 예를 들어, 하나 이상의 뾰족한 단부를 갖는 바늘형 또는 크라운형, 연부를 갖는 블레이드형, 또는 뾰족하지 않은 단부를 갖는 펀치형으로 형성될 수 있다. 파단 디바이스는 전술한 임의의 커패시터 구성과 함께 작동하도록 설계될 수 있다. 커패시터의 전극 또는 단자 중 하나에 접근 가능한 경우, 하나의 파단 디바이스만 필요할 수 있다.
본 개시 내용의 제3 양태에 따라, 에어로졸 생성 디바이스, 및 전술한 바와 같은 에어로졸 생성 물품을 포함하는 에어로졸 생성 시스템을 제어하는 방법이 제공된다. 이러한 방법은 전해액을 가열하여 사용자가 흡입하기 위한 에어로졸을 생성하기 위해 커패시터를 방전시키는 단계를 포함한다. 디바이스의 스위칭 회로와 같은 외부 회로를 통해 미리 충전된 커패시터를 방전시키면, 전극 내에서 열이 발생하게 되고, 이는 이어서 전극이 침잠된 전해액을 가열한다. 전해액을 충분히 가열하면 베이핑 세션(vaping session) 동안 사용자가 흡입할 에어로졸을 생성하게 된다. 개선된 가열을 제공하기 위해, 반대 전하를 띤 전극 사이의 분리막의 두께를 증가시킴으로써 커패시터의 내부 저항을 증가시킬 수 있다. 이는, 전체적인 치수가 동일한 경우, 더 적은 수의 권회 또는 접힘(fold)을 갖는 커패시터로 이어질 수 있다. 또한, 커패시터를 충전하기 위해 외부 회로를 사용하면, 전극 내에 열이 발생하게 되고, 이는 이어서 전해액을 가열하여 흡입 에어로졸을 생성한다.
커패시터의 방전 및 선택적인 충전, 그리고 그에 따른 전해액의 가열은, 에어로졸 생성 디바이스의 일부일 수 있는 스위칭 회로를 사용하여 제어될 수 있다. 디바이스는 또한, 사용자가 흡입하기 위한 에어로졸을 생성하기 위해 커패시터를 가열하기 위한 외부 가열기를 포함할 수도 있다. 다시 말해, 전해액의 가열은 커패시터 방전 또는 충전 시 커패시터에 의해 발생되는 열에 제한되지 않으며, 커패시터는 종래의 에어로졸 생성 재료 또는 기재와 유사한 방식으로 외부 가열기에 의해 가열될 수 있다. 이러한 가열은 계속해서 전해액을 가열하여 흡입을 위한 에어로졸을 생성하게 된다. 외부 가열기를 사용하면, 베이핑 세션의 특정 단계 동안 보다 잘 제어될 수 있는 가열을 제공하여 사용자의 경험을 최적화할 수 있다. 임의의 적합한 가열기, 예를 들어 저전력 박막 가열기, 인쇄 가열기 등이 사용될 수 있다. 예를 들어, 커패시터의 방전에 의해 발생되는 열이 초기 예열 단계 동안 사용될 수 있으며, 외부 가열기가 사용하여 후속되는 가열 또는 베이핑 단계 동안 전해액을 가열하여 에어로졸을 생성할 수 있다. 따라서, 예열을 위한 전력이, 디바이스의 전원에 의해서가 아니라, 커패시터에 의해 적어도 부분적으로 제공될 수 있다. 이로 인해 전원이 더 작아지게 되고, 따라서 디바이스가 더 작아지고 가벼워질 수 있다. 대안적으로, 후속되는 가열 또는 베이핑 단계 동안 커패시터의 충전 및 방전을 사이클링함으로써 전해액이 가열될 수 있다. 가열 또는 베이핑 단계 동안, 가열이 필요하지 않으므로 커패시터가 방전되거나 충전될 필요가 없는 경우가 있을 수 있다. 예를 들어, 가열이 필요할 경우, 커패시터가 연속적으로 방전되거나 충전될 수 있고, 또는 적절한 듀티 사이클을 사용하여 커패시터가 간헐적으로 방전되거나 충전될 수 있다. 이러한 대안적인 실시형태에서, 외부 가열기를 사용하여 초기 예열 단계 동안 전해액을 가열할 수 있다. 예열 단계는 일반적으로 전해액을 목표 온도까지 가열하기 위한 것일 수 있으며, 가열 및 베이핑 단계는 일반적으로 에어로졸이 생성되는 동안 전해액을 더 오랜 시간 가열하기 위한 것일 수 있다. 외부 가열기가 필요하지 않은 경우, 가열이 전적으로 커패시터에 의해 제공될 수 있기 때문에, 디바이스 비용을 절감하고 전체적인 설계를 단순화할 수 있다.
가열이 전적으로 커패시터에 의해 제공될 수 있는 경우, 에어로졸 생성 물품은 다른 디바이스 내로 삽입될 필요가 없는 일회용 또는 일회성 디바이스로서 형성될 수 있다. 다시 말해, 에어로졸 생성 물품은 커패시터의 방전을 제어하기 위한 외부 회로(예를 들어 스위칭 회로), 및 일회용 또는 일회성 디바이스의 올바른 작동에 필요한 임의의 다른 구성요소를 포함할 수 있다.
도 1은 에어로졸 생성 물품의 제1 예의 개략도이다.
도 2는 나선형 권취 구성을 갖는 커패시터의 제1 예의 개략도이다.
도 3은 도 2의 A-A선에 따른 단면도이다.
도 4는 에어로졸 생성 디바이스의 개략도이다.
도 5는 스위칭 회로의 개략도이다.
도 6은 접히거나 사문형 구조를 갖는 커패시터의 제2 예의 개략도이다.
도 7은 도 6의 B-B 선에 따른 단면도이다.
도 8은 적층된 구조를 갖는 커패시터의 제3 예의 개략도이다.
도 9는 도 8의 C-C 선에 따른 단면도이다.
도 10은 에어로졸 생성 물품의 제2 예의 개략도이다.
이제, 첨부 도면을 참조하여 단지 예로서 본 개시 내용의 실시형태에 대해 설명할 것이다.
먼저 도 1을 참조하면, 에어로졸 생성 물품(1)의 예가 개략적으로 도시되어 있다. 물품(1)은 근위 단부(2) 및 원위 단부(4)를 갖는다.
물품(1)은 전해액을 포함하는 커패시터(6)를 포함한다. 커패시터(6)는 금속 또는 폴리머 코팅을 갖는 랩핑지(8)에 의해 둘러 싸인다. 단부 캡(10a, 10b)이 커패시터(6)의 각 단부에 제공된다. 랩핑지(8) 및 단부 캡(10a, 10b)은, 전해액을 수용하고 전기 절연을 제공하는, 커패시터(6)용 외부 케이싱을 정의한다.
물품(1)은 일반적으로 원통형이다.
근위 단부(2)에서, 물품(1)은 배출구(14)를 갖는 마우스피스(12)를 포함하고, 사용자는 이러한 배출구를 통해 전해액의 가열에 의해 생성된 에어로졸을 흡입할 수 있다. 도시하지는 않았지만, 근위 단부 캡(10a)은 적절한 천공부나 개구부를 포함하거나, 적절한 에어로졸 투과성 멤브레인 재료를 포함할 수 있으며, 그에 따라 생성된 에어로졸은 단부 캡을 통과하여 배출구(14)로 전달될 수 있다.
도 2를 참조하면, 커패시터(6)는 전기 이중 층 슈퍼커패시터이고 나선형 권취(또는 "젤리 롤") 구조를 갖는다. 커패시터(6)는 일반적으로 물품(1) 내에 편리하게 끼워지도록 원통형이다. 그러나, 편평형 에어로졸 생성 물품에 적합할 수 있는 보다 입방체인 형상을 갖도록, 동일한 나선형 권취 구조를 갖는 커패시터가 편평화될 수 있다.
커패시터(6)는 양극(16) 및 음극(18)을 포함한다. 전극들(16, 18)은 한 쌍의 다공성 분리막들(20a, 20b)에 의해 분리되어 있다. 도 3에 좀 더 명확하게 도시된 바와 같이, 양극(16)은 양의 집전체(22)를 포함한다. 양의 집전체(22) 각 측면에는 예를 들어 다공성 숯 재료 또는 활성 탄소의 층과 같은 다공성 탄소계 전극 층(24)이 제공된다. 음극(18)은 음의 집전체(26)를 포함한다. 음의 집전체(24) 각 측면에는 예를 들어 다공성 숯 재료 또는 활성 탄소의 층과 같은 다공성 탄소계 전극 층(28)이 제공된다. 양 및 음의 집전체(22, 26)는 예를 들어 알루미늄 호일 층이다.
분리막(20a, 20b)은, 가열 시 휘발성 화합물을 방출하는 다공성 담배 시트와 같은 담배 재료로 형성된다.
전극(16, 18) 및 분리막(20a, 20b)은 전해액 내에 침잠되고, 이러한 전해액은 커패시터(6)가 충전되거나 방전될 때 양이온 및 음이온이 이동할 수 있게 하고, 가열 시 사용자가 흡입하기 위한 에어로졸을 생성한다. 전해액은 염화나트륨 및 글리세롤, 그리고 선택적으로 겔화제로서 폴리비닐 알코올을 포함할 수 있다. 그러나, 다른 식품 등급 전해액이 사용될 수도 있다. 커패시터(6)는 제조 공정 중에 미리 충전되고, 미리 충전된 상태로 포장되어 사용자에게 판매된다.
물품(1)은, 하나 이상의 위치에서 양극(16), 즉 양의 집전체(22)에 전기 연결되는 양의 커패시터 단자(30); 및 하나 이상의 위치에서 음극(18), 즉 음의 집전체(26)에 전기 연결되는 음의 커패시터 단자(32)를 포함한다. 커패시터 단자(30, 32)는 물품(1)의 외부 케이싱 내에 위치할 수 있으며, 그에 따라 사용자는 이러한 단자에 접근할 수 없다. 이는, 베이핑 세션을 시작하기 위해 물품이 에어로졸 생성 디바이스 내로 제거 가능하게 삽입되기 전에 커패시터(6)가 우발적 또는 고의적으로 방전되는 것을 방지하는 데 도움이 된다.
도 4는 에어로졸 생성 물품(1)를 수용하도록 구성된 에어로졸 생성 디바이스(34)를 도시한다. 디바이스(34)는, 물품(1)이 내부로 삽입될 수 있는 공동(36)을 포함한다.
디바이스(34)는, 물품이 공동(36) 내로 삽입되면 물품(1)의 원위 단부 캡(10b)을 파단하도록 구성되는 한 쌍의 파단 디바이스(38, 40)를 포함한다. 물품이 공동(36) 내로 삽입되면, 파단 디바이스(38)가 양극(30)과 전기 연결되고 파단 디바이스(40)가 음극(32)과 전기 연결되도록, 디바이스(34)에 대한 물품(1)의 각도 배향이 제한될 수 있다. 안정적인 전기 연결을 보장하는 다른 방식이 사용될 수도 있다. 예를 들어, 적절히 배치된 파단 디바이스들이 디바이스에 대한 물품의 각도 배향과 상관없이 단자와 전기적으로 접촉되도록, 물품의 양 및 음의 단자가 환형 구조를 갖고 서로 동축적으로 위치할 수 있다.
디바이스(34)는, 스위칭 회로(42); 및 배터리와 같은 전원(44)을 포함한다.
스위칭 회로(42)의 예가 도 5에 도시되어 있다. 스위칭 회로(42)는, 양 및 음의 단자로서 기능하고 물품이 공동(36) 내에 적절히 수용되면 물품(1)의 양의 단자(30) 및 음의 단자(32)에 전기 연결되는, 파단 디바이스(38, 40)를 포함한다. 스위칭 회로(42)는, 제어기(48)로서 동작하여 스위칭 회로(42)를 통한 커패시터(6)의 방전을 제어할 수 있는 스위칭 디바이스(46)를 포함한다. 제어기(48)는 예를 들어 적어도 하나의 마이크로제어기 유닛(MCU) 또는 마이크로프로세서 유닛(MPU)을 포함할 수 있다.
물품(1)이 디바이스(34) 내로 삽입된 후, 커패시터(6)는 스위칭 디바이스(46)의 제어에 의해 방전되어 물품(1)의 양의 단자(30)와 음의 단자(32) 사이에서, 그리고 그에 따라 커패시터(6)의 양극(16)과 전극(18) 사이에서 연속적이거나 또는 스위칭되는 단락 경로를 제공할 수 있다. 양의 단자(30)와 음의 단자(32) 사이의 단락 경로는 스위치형 디바이스(46)를 통해 형성된다. 또한, 스위칭 디바이스(46)는 과방전 전류를 방지하기 위한 저항기 또는 일정 전류 방전을 가능하게 하는 전기 부하를 포함할 수 있다. 스위칭 회로(42)를 통한 커패시터(6)의 방전은 전극(16, 18) 내에서 열을 소산시킨다. 이는 전해액을 가열하고, 마우스피스(12) 내 배출구(14)를 통해 사용자가 흡입할 수 있는 에어로졸을 생성한다. 커패시터(6)를 미리 충전하면 가열에 필요한 디바이스 전원(44)의 에너지 양을 감소시킨다. 이는 디바이스(34)의 전체적인 크기 및 중량을 줄일 수 있게 한다. 특히, 전원(44)의 크기 및 중량을 줄일 수 있다. 이는, 전원이 디바이스(34)에서 가장 크고 무거운 구성요소인 경우가 많기 때문에 중요한 문제이다. 일부 경우에, 가열을 위한 에너지가 전적으로 커패시터(6)에 의해 제공될 수 있으며, 예를 들어 제어기와 같은 디바이스의 다른 구성요소를 위한 전력을 제공하기 위해 전원(44)이 제거되거나 감소될 수 있다. 그러나, 다른 경우에, 커패시터(6)에 의해 제공되는 에너지는, 전원(44)에 의해 제공되는 에너지를 보충하거나 부분적으로 대체하기 위해 사용되게 된다.
커패시터(6)는 또한 스위칭 디바이스(46)(또는 도시되지 않은, 스위칭 회로의 별도의 스위칭 디바이스)를 제어함으로써 전원(44)으로부터 충전될 수도 있다. 커패시터(6)의 충전은 또한 전극(16, 18) 내 열을 소산시키고, 이는 전해액을 가열하고, 마우스피스(12) 내 배출구(14)를 통해 사용자가 흡입할 수 있는 에어로졸을 생성한다. 따라서, 열은 전원(44)으로부터 커패시터(6)를 반복적으로 충전하고 그 후에 스위칭 회로(42)를 통해 커패시터를 방전함으로써 생성될 수 있다.
전술한 커패시터(6)의 방전 및 충전을 가능하게 하기 위해 사용될 수 있는 스위칭 디바이스(46)는 예를 들어 하나 이상의 스위치를 포함할 수 있다. 커패시터(6)의 방전 전류를 제어하기 위한 방전 스위치는, 스위칭 회로(42)의 양 및 음의 단자를 정의하는 파단 디바이스들(38, 40) 사이에 직렬로 연결될 수 있다. 커패시터(6)의 충전 전류를 제어하기 위한 충전 스위치는, 스위칭 회로(42)의 양의 단자를 정의하는 파단 디바이스(38)와 전원(44)의 양의 단자 사이에 직렬로, 및/또는 스위칭 회로(42)의 음의 단자를 정의하는 파단 디바이스(40)와 전원의 음의 단자 사이에 직렬로 연결될 수 있다. 이러한 스위치는 반도체 스위칭 디바이스, 예를 들어 트랜지스터일 수 있다.
도시하지는 않았지만, 디바이스(34)는 커패시터(6)의 방전 또는 충전 전류를 측정하기 위한 전류 센서 및 커패시터의 전압 출력을 측정하기 위한 전압 센서를 포함할 수 있다. 전류 센서 및 전압 센서에 의해서 제공되는 측정값을 사용하여, 예를 들어, 모니터링 또는 동작 관련 목적을 위해 내부 저항 또는 커패시턴스와 같은 커패시터의 하나 이상의 전기 매개 변수를 결정할 수 있다.
디바이스(32)는 하나 이상의 가열기(50)를 선택적으로 포함할 수 있다. 가열기(50)는, 커패시터(6) 내 전해액을 가열하여 마우스피스(12) 내 배출구(14)를 통해 사용자가 흡입할 수 있는 에어로졸을 생성하는 데 사용될 수 있다. 이러한 가열을 사용하여, 예를 들어 가열 또는 베이핑 단계 동안, 전해액의 가열을 보다 양호하게 제어할 수 있다.
도 6은 접히거나 사문형 구조를 갖는 대안적인 커패시터(52)를 도시한다. 이러한 특정 구조의 커패시터는 편평형 에어로졸 생성 물품에 적합할 수 있다. 커패시터(52)는 양극(54) 및 음극(56)을 포함한다. 전극들(54, 56)은, 가열 시 휘발성 화합물을 방출하는 다공성 담배 시트와 같은 담배 재료로 형성된 분리막(58a)에 의해 분리된다. 도 7에 좀 더 명확하게 도시된 바와 같이, 양극(54)은 양의 집전체(60)를 포함한다. 분리막(58a)과 마주하는 양의 집전체(60) 측면에는 예를 들어 다공성 숯 재료 또는 활성 탄소의 층과 같은 다공성 탄소계 전극 층(62)이 제공된다. 음극(56)은 음의 집전체(64)를 포함한다. 분리막(58a)과 마주하는 음의 집전체(64) 측면에는 예를 들어 다공성 숯 재료 또는 활성 탄소의 층과 같은 다공성 탄소계 전극 층(66)이 제공된다. 양 및 음의 집전체(60, 64)는 예를 들어 알루미늄 호일 층이다. 제1 유전체 층(58b)이 양의 집전체(60)의 다른 측면 상에 제공되고, 제2 유전체 층(58c)이 음의 집전체(64)의 다른 측면 상에 제공된다. 유전체 층(58b, 58c)은 커패시터(52)의 접힘부, 즉 양극(54) 및 음극(56)이 반대로 접히는 부분들 사이에서 유전체 분리를 제공한다. (도 6에는 명료함을 위해 접힘부들이 이격되어 있지만, 실제로는 유전체 층들(58b, 58c)의 마주하는 부분들이 직접 접촉될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것임.) 유전체 층(58b, 58c)은, 가열 시 휘발성 화합물을 방출하는 다공성 담배 시트와 같은 담배 재료로 형성되지만, 적절한 경우 공기 갭 또는 다른 적합한 유전체 재료가 사용될 수 있다. 따라서, 유전체 층(58b, 58c)은 분리막(58a)과 실질적으로 동일하며, 또한 전해액 내에 침잠된다.
도 8은 적층된 구조를 갖는 대안적인 커패시터(68)를 도시한다. 이러한 특정 구조의 커패시터는 편평형 에어로졸 생성 물품에 적합할 수 있다. 커패시터(68)는, 복수의 양극(70); 복수의 음극(72); 및 가열 시 휘발성 화합물을 방출하는 다공성 담배 시트와 같은 담배 재료로 형성된 복수의 분리막(74)을 포함한다. 양극(70) 및 음극(72)은 적층 방향으로 교번적으로 배치된다. 각 양극(70)은 탭(70a)을 포함하고 각 음극(72)은 탭(72a)을 포함한다. 도시하지는 않았지만, 양극(70)의 탭(70a)은 양의 커패시터 단자에 전기 연결된다. 음극(72)의 탭(72a)은 음의 커패시터 단자에 전기 연결된다. 도 9에 좀 더 명확하게 도시된 바와 같이, 각 양극(70)은 양의 집전체(76)를 포함한다. 양의 집전체(76)의 측면에는 예를 들어 다공성 숯 재료 또는 활성 탄소의 층과 같은 다공성 탄소계 전극 층(78)이 제공된다. 각 음극(72)은 음의 집전체(80)를 포함한다. 음의 집전체(80)의 측면에는 예를 들어 다공성 숯 재료 또는 활성 탄소의 층과 같은 다공성 탄소계 전극 층(82)이 제공된다. 양 및 음의 집전체(76, 80)는 예를 들어 알루미늄 호일 층이다.
도 10은 전술한 에어로졸 생성 물품과 유사한 대안적인 에어로졸 생성 물품(84)을 도시하며, 유사한 부품에는 동일한 참조 부호가 부여되어 있다. 물품(84)은 커패시터(86)를 포함한다. 커패시터(86)의 분리막은 담배 재료 대신에 셀룰로오스계 또는 폴리프로필렌계 재료로 형성된다. 그러나, 분리막은 또한 적절한 경우 다공성 담배 시트와 같은 담배 재료로 형성될 수 있다. 물품(84)은 조각 담배와 같은 담배 재료(88)를 포함한다. 담배 재료(88)는, 도 10에서 화살표로 표시된 에어로졸 유동 경로에서, 커패시터(86)의 하류에 위치한다. 커패시터(86)의 전해액을 가열함으로써 생성된 에어로졸은 커패시터(86)와 마우스피스(12) 사이에 배치된 담배 재료(88)를 통해 유동한다. 담배 재료(88)는 향미 및 니코틴을 에어로졸에 부가한다. 커패시터(86)에 의해 제공되는 가열은 또한 담배 재료(88)를 가열하거나 가온하고, 이는 휘발성 화합물의 방출을 촉진한다. 담배 재료 대신, 니코틴이 없는 항미 공급원이 사용될 수 있다.
예시적인 실시형태들에 대해 앞의 단락들에서 설명하였지만, 첨부된 청구범위의 범주를 벗어나지 않으면서 실시형태에 대해 다양한 수정이 이루어질 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 따라서, 청구범위의 범주 및 범위가 상술한 예시적인 실시형태에 의해 제한되어서는 안 된다.
본원에 달리 명시되지 않거나 문맥상 달리 명백하게 모순되지 않는 한, 모든 가능한 변형예 내의 전술한 특징들의 임의의 조합은 본 개시 내용에 포함된다.
문맥상 명확하게 달리 요구하지 않는 한, 상세한 설명 및 청구범위 전반에 걸쳐, 단어 "포함한다", "포함하는" 등은 배타적이거나 완전한 의미가 아닌 포괄적인 의미, 즉 "포함하되, 이에 제한되지 않는"의 의미로 해석되어야 한다.

Claims (18)

  1. 가열 시, 사용자가 흡입하기 위한 에어로졸을 생성하는 전해액을 포함하는 커패시터(6; 52; 68; 86)를 포함하는 에어로졸 생성 물품(1; 84).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전해액은 염화나트륨, 구연산나트륨, 중탄산나트륨, 염화칼륨, 젖산칼슘, 탄산칼슘, 인산삼칼슘, 구연산마그네슘, 탄산마그네슘, 구연산, 주석산, 벤조산, 글리세롤, 및 임의의 적합한 등가물 중 하나 이상을 포함하는, 에어로졸 생성 물품(1; 84).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 전해액은 겔화제를 포함하는, 에어로졸 생성 물품(1; 84).
  4. 제3항에 있어서,
    상기 겔화제는 폴리비닐 알코올, 겔란 검, 및 잔탄 검 중 하나 이상을 포함하는, 에어로졸 생성 물품(1; 84).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전해액은 염화나트륨 및 글리세롤, 그리고 선택적으로 폴리비닐 알코올을 포함하는, 에어로졸 생성 물품(1; 84).
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 커패시터(6; 52; 68; 86)는 한 쌍의 전극(16, 18; 54, 56; 70, 72)을 추가로 포함하고, 각 전극은 적어도 하나의 탄소계 전극 층(24, 28; 62, 66; 78, 82)을 포함하는, 에어로졸 생성 물품(1; 84).
  7. 제6항에 있어서,
    각 전극(16, 18; 54, 56; 70, 72)은 집전체(22, 26; 60, 64; 76, 80)를 추가로 포함하는, 에어로졸 생성 물품(1; 84).
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    상기 커패시터(6; 52; 68; 86)는 상기 전극들(16, 18; 54, 56; 70, 72) 사이에 다공성 분리막(20a, 20b; 58a; 74)을 추가로 포함하는, 에어로졸 생성 물품(1; 84).
  9. 제8항에 있어서,
    상기 분리막(20a, 20b; 58a; 74)은 담배 재료를 포함하는, 에어로졸 생성 물품(1).
  10. 제8항에 있어서,
    상기 분리막은 셀룰로오스계 또는 폴리프로필렌계 재료를 포함하는, 에어로졸 생성 물품(84).
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 에어로졸 유동 경로의 상기 커패시터(86)의 하류에 담배 재료(88)를 추가로 포함하는, 에어로졸 생성 물품(84).
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 커패시터(6; 52; 68; 86)는 나선형 권취 구조, 프리즘 구조, 접힌 또는 사문형인 구조, 및 적층 구조 중 하나를 갖는, 에어로졸 생성 물품(1; 84).
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 사용자가 상기 에어로졸을 흡입할 때 상기 에어로졸이 통과하는 마우스피스를 추가로 포함하는, 에어로졸 생성 물품(1; 84).
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 커패시터(6; 52; 68; 86)는 포장 물품 내에 미리 충전되는, 에어로졸 생성 물품(1; 84).
  15. 사용 시, 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 에어로졸 생성 물품(1; 84)을 수용하도록 구성된 에어로졸 생성 디바이스(34)로서, 상기 디바이스(34)는, 상기 커패시터(6; 52; 68; 86)의 한 쌍의 전극(16, 18; 54, 56; 70, 72) 사이에 전기 연결되고 상기 커패시터(6; 52; 68; 86)의 방전 및 선택적으로 상기 디바이스(34)의 전원(44)으로부터의 상기 커패시터(6; 52; 68; 86)의 충전을 제어하도록 구성되는, 스위칭 회로(42)를 추가로 포함하는, 에어로졸 생성 디바이스(34).
  16. 에어로졸 생성 디바이스(34) 및 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 에어로졸 생성 물품(1; 84)을 포함하는 에어로졸 생성 시스템을 제어하는 방법으로서, 상기 전해액을 가열하여 사용자가 흡입하기 위한 에어로졸을 생성하기 위해 상기 커패시터(6; 52; 68; 86)를 방전시키는 단계를 포함하는, 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 전해액을 가열하여 사용자가 흡입하기 위한 에어로졸을 생성하기 위해 상기 커패시터(6; 52; 68; 86)를 충전시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  18. 제16항 또는 제17항에 있어서,
    상기 디바이스(34)는 가열기(50)를 추가로 포함하고, 상기 방법은 상기 전해액을 가열하여 사용자가 흡입하기 위한 에어로졸을 생성하기 위해 상기 가열기(50)를 사용하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
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