[학위논문]미세먼지 제거를 위한 자기전기 멤브레인 필터의 압전 및 자기변형 효과에 대한 연구 Piezoelectric and magnetostrictive effects of magnetoelectric membrane filters for particulate matter removal원문보기
최근 미세먼지가 인간의 피부 및 호흡기에 미치는 영향에 대한 관심이 증대됨에 따라 이를 여과하고 포집하는 연구가 활발하게 진행되고 있다. 필터 공극의 크기를 이용하여 물리적으로 미세먼지 입자를 여과하는 것은 높은 압력강하를 수반하게 되어 통기성을 확보하기 어려운 단점이 있다. 이를 해결하기 위해 필터 표면의 전하를 인위적으로 유도하여 정전기적 인력에 의해 미세먼지를 포집하고자 하는 연구가 수행되었다. 하지만 필터 표면에 전하를 유도하기 위해서는 외부에서 지속적으로 전원이 공급되어야 하기 때문에 경제성 및 응용성이 매우 낮다. 자기전기 효과는 ...
최근 미세먼지가 인간의 피부 및 호흡기에 미치는 영향에 대한 관심이 증대됨에 따라 이를 여과하고 포집하는 연구가 활발하게 진행되고 있다. 필터 공극의 크기를 이용하여 물리적으로 미세먼지 입자를 여과하는 것은 높은 압력강하를 수반하게 되어 통기성을 확보하기 어려운 단점이 있다. 이를 해결하기 위해 필터 표면의 전하를 인위적으로 유도하여 정전기적 인력에 의해 미세먼지를 포집하고자 하는 연구가 수행되었다. 하지만 필터 표면에 전하를 유도하기 위해서는 외부에서 지속적으로 전원이 공급되어야 하기 때문에 경제성 및 응용성이 매우 낮다. 자기전기 효과는 자기장에 의해 기계적 변형을 일으키는 자왜 물질과 외부의 물리적 힘에 의해 유전 분극을 일으키는 압전 물질의 복합체에서 나타나는 특성으로서, 에너지 하베스팅, 헬스 모니터링 시스템, 고민감도 자기센서 및 메모리 소자에 활발하게 응용되고 있다. 본 연구에서는 자기전기 효과를 미세먼지 포집 분야에 처음으로 적용시킴으로써 외부전원 없이 자석만으로 맴브레인 필터 표면에 전하를 유도하여 효율적으로 미세먼지를 포집 하고자 하였다. 이를 달성하기 위해 첫째로, 폴링 과정을 통해 압전 물질인 polyvinylidene fluoride (PVDF)의 베타상을 정렬하였으며 둘째로, 직류 자기장을 인가하여 자기변형 물질인 CoFe2O4 (CFO)의 변형을 PVDF에 전달함으로써 압전 물질의 표면에 분극을 야기하였다. 결과적으로, 전기방사로 제조된 PVDF/CFO 자기전기 맴브레인에 폴링효과와 자기변형 효과로부터 효율적으로 표면 전하를 유도하여 미세먼지 포집 효율을 175% 향상시켰다.
최근 미세먼지가 인간의 피부 및 호흡기에 미치는 영향에 대한 관심이 증대됨에 따라 이를 여과하고 포집하는 연구가 활발하게 진행되고 있다. 필터 공극의 크기를 이용하여 물리적으로 미세먼지 입자를 여과하는 것은 높은 압력강하를 수반하게 되어 통기성을 확보하기 어려운 단점이 있다. 이를 해결하기 위해 필터 표면의 전하를 인위적으로 유도하여 정전기적 인력에 의해 미세먼지를 포집하고자 하는 연구가 수행되었다. 하지만 필터 표면에 전하를 유도하기 위해서는 외부에서 지속적으로 전원이 공급되어야 하기 때문에 경제성 및 응용성이 매우 낮다. 자기전기 효과는 자기장에 의해 기계적 변형을 일으키는 자왜 물질과 외부의 물리적 힘에 의해 유전 분극을 일으키는 압전 물질의 복합체에서 나타나는 특성으로서, 에너지 하베스팅, 헬스 모니터링 시스템, 고민감도 자기센서 및 메모리 소자에 활발하게 응용되고 있다. 본 연구에서는 자기전기 효과를 미세먼지 포집 분야에 처음으로 적용시킴으로써 외부전원 없이 자석만으로 맴브레인 필터 표면에 전하를 유도하여 효율적으로 미세먼지를 포집 하고자 하였다. 이를 달성하기 위해 첫째로, 폴링 과정을 통해 압전 물질인 polyvinylidene fluoride (PVDF)의 베타상을 정렬하였으며 둘째로, 직류 자기장을 인가하여 자기변형 물질인 CoFe2O4 (CFO)의 변형을 PVDF에 전달함으로써 압전 물질의 표면에 분극을 야기하였다. 결과적으로, 전기방사로 제조된 PVDF/CFO 자기전기 맴브레인에 폴링효과와 자기변형 효과로부터 효율적으로 표면 전하를 유도하여 미세먼지 포집 효율을 175% 향상시켰다.
In the last decade, particulate matter (PM) has gradually become a serious public health issue due to its harmful impact on the human body. In this study, we report a novel filtration system for high PM capturing, based on magnetoelectric (ME) effect that induces an effective surface charge in membr...
In the last decade, particulate matter (PM) has gradually become a serious public health issue due to its harmful impact on the human body. In this study, we report a novel filtration system for high PM capturing, based on magnetoelectric (ME) effect that induces an effective surface charge in membrane filters. To elucidate the ME effect on PM capturing, we prepared electrospun poly(vinylidene fluoride)(PVDF)/CoFe2O4(CFO) membranes by adjusting several parameters of polymer concentration, flow rate, and solvent ratio and then investigated their PM capturing efficiency. After electrical poling under high electric field of 10 kV/mm, PM-capturing efficiencies of the poled-PVDF/CFO membrane filters were improved with carbon/fluorine(C/F) molar ratios of C/F = 4.81 under Hdc = 0 and C/F = 7.01 under Hdc = 700 Oe, respectively. The result illustrated that electrical poling and dc magnetic field could respectively enhance the surface charge of the membrane filters through (i) a strong beta-phase alignment in PVDF (poling effect) and (ii) an efficient shape change of PVDF/CFO membranes (magnetostriction effect). Diffusion rate of a water droplet on the PVDF/CFO membrane surface is reduced from 0.23 cm2/s to 0.05 cm2/s by covering the membrane surface with PM. Consequently, the PM capturing efficiency is dramatically improved up to 175 % from ME membranes with the poling process and applying magnetic field. Furthermore, the PM was successfully captured on the prototype real mask derived from the ME effect induced by a permanent magnet with a diameter of 2 cm without any external power.
In the last decade, particulate matter (PM) has gradually become a serious public health issue due to its harmful impact on the human body. In this study, we report a novel filtration system for high PM capturing, based on magnetoelectric (ME) effect that induces an effective surface charge in membrane filters. To elucidate the ME effect on PM capturing, we prepared electrospun poly(vinylidene fluoride)(PVDF)/CoFe2O4(CFO) membranes by adjusting several parameters of polymer concentration, flow rate, and solvent ratio and then investigated their PM capturing efficiency. After electrical poling under high electric field of 10 kV/mm, PM-capturing efficiencies of the poled-PVDF/CFO membrane filters were improved with carbon/fluorine(C/F) molar ratios of C/F = 4.81 under Hdc = 0 and C/F = 7.01 under Hdc = 700 Oe, respectively. The result illustrated that electrical poling and dc magnetic field could respectively enhance the surface charge of the membrane filters through (i) a strong beta-phase alignment in PVDF (poling effect) and (ii) an efficient shape change of PVDF/CFO membranes (magnetostriction effect). Diffusion rate of a water droplet on the PVDF/CFO membrane surface is reduced from 0.23 cm2/s to 0.05 cm2/s by covering the membrane surface with PM. Consequently, the PM capturing efficiency is dramatically improved up to 175 % from ME membranes with the poling process and applying magnetic field. Furthermore, the PM was successfully captured on the prototype real mask derived from the ME effect induced by a permanent magnet with a diameter of 2 cm without any external power.
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