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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 동일한 이동도 입경을 갖는 입자를 기준으로 입자의 형상에 따른 단극 확산 하전 특성을 평가하였다. 단극 확산 하전을 위하여 간접 광하전 장치를 사용하였고, 입자의 형상을 변경시키기 위하여 전기 소결로를 이용하였다.
제안 방법
- 특성을 평가하였다. 단극 확산 하전을 위하여 간접 광하전 장치를 사용하였고, 입자의 형상을 변경시키기 위하여 전기 소결로를 이용하였다.
- TTIP(titanium tetraisopropoxide, Aldrich, 97%)를 이용하여 발생시킨 TiO2 응집체 입자의 형상을 소결(sintering)을 이용하여 제어한 후 단극 확산 하전시켜 하전량을 측정하는 전체적인 실험장치를 Fig. 2 에 나타내었다.
- 7%)를 사용하였다. 거품기가 설치된 항온조의 온도와 질소의 유량을 제어하여 TTIP의 농도를 조절하였으며, TTIP가 응축되는 현상을 방지하기 위하여 거품기와 입자 발생로 사이의 테플론 이송튜브에 가열 테 이 프(heating tape)를 감아 이 송 튜브의 온도를 60℃로 유지하였다. TTIP는 700'C로 유지되는 노 반응기에서 열분해 반응에 의해 TiO2 응집체 입자를 발생시킨다.
- 노 반응기와 소결로의 길이는 각각 300 mm, 600 mm이며, 에어로졸은 지름이 1/2 ” 인 알루미나 관을 통해 흘러간다. R-type(Pt 100%-Pt/Rh 13%) 열전대를 이용하여 노 반응기와 소결로의 온도 분포를 측정하였다.
- DMA를 통과한 단분산 입자는 양으로 1가 하전되어 있으므로 중화기와 Denuder를 사용하여 하전되지 않은 입자로 만든 후 간접 광하전 장치를 사용하여 입자를 하전하였다. 간접 광하전 장치는 Choi와 Kim의 연구(方에서 사용한 간접 광하전 장치를 개선하여 사용하였으며 개략도를 Fig.
- 3에 나타내었다. 주파장대가 254 nm인 자외선 램프 표면에 스테인 레스 망을 감쌌으며 광전자(photoelectron) 의 재부착을 줄이기 위해 스테인레스 망과 금 코팅 면 사이에 30 ''/의 전위차를 걸어주었다.
- AE(aerosol electrometer, model 3068, TSI Inc., USA)를 이용해 총 하전량을 측정하고, CPC(conde-nsation particle counter, model 3022A, TSI Inc., USA)를 이용해 입자의 수농도를 측정해, 입자의 평균 하전량을 구하였다.
- DMA를 통과한 단분산 입자를 포집하여 TEM(transmission electron microscope) 사진을 찍은 후 Kwon 등의 연구3)에서 개발한 이미지 분석 프로그램을 이용하여 2차원 질량 프랙탈과 사영 면적등의 입자의 형상 정보를 정량적으로 구하였다. 프랙탈을 구하는 알고리즘으로 밀도 자기상관관계(density autocorrelation) 방법(”)를 이용하였고, 절단함수(cutoff function)로는 겹 침 구(overlapping sphere)함수(成를 사용하였다.
- 소결로 입구 부분의 온도는 열전대의 길이가 소결로의 길이보다 짧아 측정하지 못하였다. TiO2 응집체는 800-1300℃ 의 온도 구간에서 급격히 소결이 일어나 평균 크기가 작아짐을 DMA와 CPC를 이용한 크기 분포측정을 통해 확인하였다. 예를 들어 초기 이동도입경이 인 입자의 경우 1300"C의 소결 온도에서 20%가량의 이동도 입경 감소가 있었으며, 이는 Seto 등의 연구(淄와 잘 일치한다.
- 10에 나타내었다. 또한 간접광하전 장치 내부의 이온 농도와 유속이 1 1/min일 때의 체류 시간을 이용하여 연속체 영역과 자유분자 영역에서 구형 입자에 대한 단극 확산 하전이론식")을 계산하여 Fig. 10에 같이 나타내었다. 구형 입자는 2차원 프랙탈 차원이 2.
- 50-200 nm 크기의 TiO2 응집체의 단극 확산 하전 특성을 입자 형상과 크기, 그리고 하전 장치내 체류시간 등을 변수로 하여 연구하였고 다음과 같은 결론을 얻었다.
대상 데이터
- 7은 100nm의 이동도 입경을 갖는 TiO2 입자의 TEM 사진을 통해 800℃에서 13000로 소결온도가 증가함에 따른 사영 면적의 변화와 입자의 형상이 열린 구조에서 꽉 찬 구조로 바뀌어감을 정성적으로 보여주고 있다. 소결 온도에 따른 사영 면적과 프럑탈 차원의 변화를 정량적으로 확인하기 위해, 800~1300℃의 여섯 소결 온도와 50 nm, 100 nm, 150 nm, 200 nm의 네 이동도 입경 조건에 대해 각 경우마다 30 여장씩 총 750 여장의 TEM 사진을 분석하여 Table 1에 나타내었다.
- TTIP를 노 반응기로 운반하기 위해 거품기(bubbler)를 이용하였으며 운반 가스(carrier gas)로는 TTIP의 반응 속도에 영향을 미치지 않는 질소(99.7%)를 사용하였다. 거품기가 설치된 항온조의 온도와 질소의 유량을 제어하여 TTIP의 농도를 조절하였으며, TTIP가 응축되는 현상을 방지하기 위하여 거품기와 입자 발생로 사이의 테플론 이송튜브에 가열 테 이 프(heating tape)를 감아 이 송 튜브의 온도를 60℃로 유지하였다.
이론/모형
- 입자를 하전하였다. 간접 광하전 장치는 Choi와 Kim의 연구(方에서 사용한 간접 광하전 장치를 개선하여 사용하였으며 개략도를 Fig. 3에 나타내었다. 주파장대가 254 nm인 자외선 램프 표면에 스테인 레스 망을 감쌌으며 광전자(photoelectron) 의 재부착을 줄이기 위해 스테인레스 망과 금 코팅 면 사이에 30 ''/의 전위차를 걸어주었다.
- 구하였다. 프랙탈을 구하는 알고리즘으로 밀도 자기상관관계(density autocorrelation) 방법(”)를 이용하였고, 절단함수(cutoff function)로는 겹 침 구(overlapping sphere)함수(成를 사용하였다.
성능/효과
- 5에 나타내었다. 충분한 길이에 걸쳐 일정한 온도로 유지됨을 확인하였으며, 소결로 촐구 부분의 온도는 노 반응기의 경우와 마찬가지로 주위 공기와의 열전달에 의해 중앙 부분의 온도보다 낮았다. 소결로 입구 부분의 온도는 열전대의 길이가 소결로의 길이보다 짧아 측정하지 못하였다.
- 전위차가 커짐에 따라 금 코팅 면에서 발생한 광전자의 재부착 현상이 억제되므로 이온 전류는 증가하였다. 그러나 전위차가 커짐에 따른 이온의 전기적 이동도(electric히 mobility) 증가량이 이온 전류증가량보다 크므로 이온 농도는 전위차가 커짐에 따라 감소하였으며, 이는 기존의 연구 결과와 잘 일치한다.3)
- Julien과 Botet(淄에 의하면 클러스터-클러스터 확산 제한 응집 모델에 비해 입자-클러스터 확산 제한 응집 모델의 경우 더큰 프랙탈 차원의 응집체가 생성된다고 알려져 있다. 또한, TEM 사진으로 측정해본 결과, 소결 온도가 800℃일 때의 50 nm의 이동도 입경을 갖는 응집체의 기본 입자의 평균 지름은 6nm 정도인데 반해, 소결 온도가 같은 800℃ 인 200 nm 이동도입 경을 갖는 응집체의 기본 입자의 평균 지름은 18nm 정도로 큰 응집체일수록 응집체를 구성하는 기본 입자의 크기도 큼을 확인하였다. 이는 TTIP 의 농도가 높을수록 핵 생성률보다 응집으로 인한 핵의 성장 속도가 더 빠르기 때문이라고 알려져있다卬
- 있다. 유량이 증가하여 간접 광하전 장치 내부에서 입자의 체류 시간이 짧아질수록 입자의 평균 하전량이 감소하며, 입자 크기가 커질수록 입자당 평균 하전량이 증가하는 현상은 기존의 구형 입자의 확산하전 관계식')의 결과와 잘 일치함을 알 수 있다. 또한, 소결 온도가 높아질수록 입자의 하전량은 적어지는 경향을 볼 수 있다.
- 또한, 소결 온도가 높아질수록 입자의 하전량은 적어지는 경향을 볼 수 있다. 소결 온도가 가장낮은 800℃일 때의 입자의 하전량은 소결 온도가 가장 높은 1300笆일 때의 입자의 하전량에 비해 평균 30% 정도 더 컸으며 이로써 구형 입자에 대한 단극 확산 하전 이론 식을 비구형 입자에 적용할 경우 오차가 최대 30% 정도 클 수 있음을 추즉할 수 있다.
- Fig. 10에서 프랙탈 차원이 커짐에 따라 하전량이 적어지는 경향을 정성적으로 확인할 수 있으며, 프랙탈 차원이 커질수록 입자의 하전량이 연속체영역과 자유 분자 영역에서의 구형 입자에 대한 이론적 예측 값 사이에 있음을 확인할 수 있었다. 이동도 입경이 200 nm인 경우 800-1000℃ 온도구간에서 소결에 따른 프랙탈 차원과 입자당 하전량의 변화가 거의 없어 경향성이 불규칙하게 나타나는 것으로 보인다.
- 위의 결과를 통해 전기 집진기 및 정전 필터에서 프랙탈 응집체는 구형으로 가정한 경우에 비흐卜 여 더 높은 집진 성능을 보일 것으로 예상된다.
- 낮은 온도에서 소결된 응집체가 높은 온도에서 소결된 응집체에 비해 보다 개방된 구조를 가지고 있음을 TEM 사진을 통해 확인하였다.
- 동일한 이동도 입경을 갖는 입자의 경우 낮은 온도에서 소결된 입자가 높은 온도에서 소결된 입자에 비해 입자당 하전량이 더 높았다. 이는 비록이동도 입경이 같더라도 프랙탈 차원이 낮은 입자가 프랙탈 차원이 높은 입자보다 표면적과 정전용량이 더 크기 때문이다.
- 모든 이동도 입경 조건에서 소결 온도가 증가함에 따라 소결로 인해 입자가 꽉 찬 구조로 바뀌므로 프랙탈 차원이 증가하는 경향을 보였다. 그러나 큰 입자일수록 낮은 소결 속도로 인해 형상의 변화도 더 작기 때문에, 소결 온도에 따른 프랙탈차원의 변화량이 더 적게 나타났으며, 이는 Yang과 Biswas의 연구(μ)와 잘 일치한다.
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