액체 탄산의 단열팽창하여 얻은 드라이아이스 snow로부터의 펠렛제조기와 이들 펠렛을 이용한 표면 세정용 블래스팅 장치를 설계 제작하였다. 본 블래스팅 장치는 적은 압력과 적은 량의 공기로도 다양한 오염물질 녹, 기름때, 라커막, 페인트 제거에 강한 세정력을 얻을 수 있었다. 이 때 호퍼 용량은 12 kg이고, 펠렛 분사량은 0-1.2 kg/min 까지 조절이 가능하였다. 드라이아이스 펠렛의 impact는 한계 거리 안에서는 거리에 무관하며, 드라이아이스 분사의 impact stress, 각도 및 질량 속도에 의존하였다. 또한 블래스팅의 세정력은 impact와 대상 물질의 열적 성질 및 표면 조도에 의존하였으며, 유리, 구리, 황동, 강철, 아크릴 기판의 순서로 감소하였다. 그리고 세정 속도는 같은 기판에 붙은 오염물의 경도, 부착력에 의존하였으며 그리스, 에폭시, 페인트 순으로 감소하였다. 사용 중 소음도는 대략 85-100 dBA이었다.
액체 탄산의 단열팽창하여 얻은 드라이아이스 snow로부터의 펠렛제조기와 이들 펠렛을 이용한 표면 세정용 블래스팅 장치를 설계 제작하였다. 본 블래스팅 장치는 적은 압력과 적은 량의 공기로도 다양한 오염물질 녹, 기름때, 라커막, 페인트 제거에 강한 세정력을 얻을 수 있었다. 이 때 호퍼 용량은 12 kg이고, 펠렛 분사량은 0-1.2 kg/min 까지 조절이 가능하였다. 드라이아이스 펠렛의 impact는 한계 거리 안에서는 거리에 무관하며, 드라이아이스 분사의 impact stress, 각도 및 질량 속도에 의존하였다. 또한 블래스팅의 세정력은 impact와 대상 물질의 열적 성질 및 표면 조도에 의존하였으며, 유리, 구리, 황동, 강철, 아크릴 기판의 순서로 감소하였다. 그리고 세정 속도는 같은 기판에 붙은 오염물의 경도, 부착력에 의존하였으며 그리스, 에폭시, 페인트 순으로 감소하였다. 사용 중 소음도는 대략 85-100 dBA이었다.
Pelletizer of dry ice snow produced by adiabatic expansion of liquid carbon dioxide and their blaster were designed and manufactured. The blaster had a high cleaning power against various contaminants on the surface such as stain, oily dirt, lacquer film and paints with low blasting pressure and low...
Pelletizer of dry ice snow produced by adiabatic expansion of liquid carbon dioxide and their blaster were designed and manufactured. The blaster had a high cleaning power against various contaminants on the surface such as stain, oily dirt, lacquer film and paints with low blasting pressure and low consumption of blasting air. The capacity of hopper for dry ice pellet supply was 12 kg and the mass rate of pellet blasting was controlled in 0 to 1.2 kg/min. The impact of the pellets was independent of standoff distance within a certain limiting distance, and dependent on the impact stress, angle and mass rate of dry ice pellet blasting. On the other hand the cleaning power was influenced by thermal properties and surface roughness of the substrates and decreased in the order of glass, copper, brass, steel and acryl. The power was also affected by hardness and adhesion of the contaminant on the substrate, and decreased in the order of grease, epoxy and paint. The noise was detected during blasting in the range of 85 to 100dBA.
Pelletizer of dry ice snow produced by adiabatic expansion of liquid carbon dioxide and their blaster were designed and manufactured. The blaster had a high cleaning power against various contaminants on the surface such as stain, oily dirt, lacquer film and paints with low blasting pressure and low consumption of blasting air. The capacity of hopper for dry ice pellet supply was 12 kg and the mass rate of pellet blasting was controlled in 0 to 1.2 kg/min. The impact of the pellets was independent of standoff distance within a certain limiting distance, and dependent on the impact stress, angle and mass rate of dry ice pellet blasting. On the other hand the cleaning power was influenced by thermal properties and surface roughness of the substrates and decreased in the order of glass, copper, brass, steel and acryl. The power was also affected by hardness and adhesion of the contaminant on the substrate, and decreased in the order of grease, epoxy and paint. The noise was detected during blasting in the range of 85 to 100dBA.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 직접 드라이아이스 펠렛 블래스팅 세정 장치와 노즐을 제작하고[18-19], 이를 이용한 세정력 및 세정효율의 제어방법, 그리고 각종 오염막 제거능력을 검토해 보았으며 이 방법이 가지는 소음의 문제를 취급하여 드라이아이스 펠렛 블래스팅 세정장치 및 공정의 실용화에 대비한 체계적인 연구를 시도하였다.
본 실험은 드라이 아이스 펠렛 블래스팅 공정의 개발 및 정량화를 목적으로 드라이아이스 펠렛 제조기 및 블래스팅 장치를 설계, 제작한 부분, 드라이아이스 펠렛의 저장능력과 관련되는 승화속도의 측정, 그리고 블래스팅 시의 세정력 측정 및 블래스팅 변수와 세정 대상 변수에 의한 세정 속도에 관해 실험을 행하였다.
액체 탄산을 단열팽창에 의하여 고화된 드라이 아이스 입자를 스노우 형태로 만든 이를 펠렛제조기의 다이를 통하여 사출하여 만든 펠렛을 고압의 공기를 이용하여 노즐을 통해 가속 분사하여 여러 오염 입자를 제거하는 드라이아이스 펠렛 블래스팅 공정을 개발하고 실험을 하였다. 즉 본 연구는 세정 대상을 다양하게 하여 공정 변수의 효과를 체계적으로 살피고 세정 메커니즘을 검토하여 세정 정량화에 대한 이론을 개발하고자 하였다. 이러한 연구를 통하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
가설 설정
6. 블래스팅의 세정력은 impact 와 대상 물질의 열적 성질 및 표면 조도에 의존한다. 그 세정력은 유리, 구리, 황동, 강철, 아크릴 기판의 순서로 감소하였다.
제안 방법
1. 본 연구에서는 드라이아이스 펠렛을 압축공기에 동반하여 표면 오염물질을 제거 할 수 있는 드라이아이스 펠렛 블래스팅 장치를 제작하였다.
드라이아이스 펠렛이 블래스팅 장치 내부의 호퍼 안에서 얼마나 보존되는가를 먼저 조사해 보기 위해 그들의 승화속도를 측정하였다. 일정량의 드라이 아이스펠렛을 저울에 얹고 블래스팅 장치와 같은 조건을 유지시켜 주면서 시간에 따른 무게 변화를 측정해 본 결과가 Fig.
블래스팅 장치는 호퍼안의 펠렛이 에어락 피딩 장치에 의해 T형 혼합부로 낙하될 때 혼합부 고속 공기 주입 노즐을 삽입하여 펠렛과 압축 공기의 혼합을 원활하게 할 뿐 아니라 역류를 최대한 억제하도록 고안하였다. 또 호퍼 안의 펠렛이 air-lock 공급 장치로 유도되는 과정에서 발생하는 펠렛의 아치 현상을 방지하기 위해 스터링 롤러와 바이브레이터를 설치하여 펠렛의 공급을 원활하게 하였고 여기에 호퍼 내부의 펠렛 소모량 측정하는 로드 셀 센서 혹은 레벨 측정 장치를 장착하여 외부에서 호퍼 안의 펠렛의 소모량을 알 수 있게 하였다. 즉 드라이아이스 펠렛은 호퍼 내로 채워지고 호퍼안의 펠렛은 스터링 롤러와 바이브레이터에 의해 아치 현상없이 원활하게 유도되어 air-lock 공급 장치에 의해 T형 혼합부로 자연 낙하하여 혼합부 고속 공기 주입 노즐을 통한 고압의 공기와 혼합 고압 호스를 따라 converging-diverging 노즐을 통해 최종 분사된다.
Fm-7)로 이들의 경도를 측정한 결과 비슷했다. 보다 정확한 정량화 실험을 위해 본 연구에서 제작한 정량화장치는 감속 모터에 의해 판이 수평으로 직선 왕복 운동이 가능케 하였다. 이 정량화 장치는 모터의 rpm을 조절하여 5-400 cm/min 까지의 다양한 속도로 직선 왕복운동을 제어 할 수 있고 1회 왕복 거리가 80 cm이다.
본 연구에서 고안한 드라이아이스 펠렛 블래스팅 장치는 장치의 바깥에서의 소음은 어쩔 수 없었으나 air-lock 공급장치의 하단과 노즐에서의 소음을 최소화하도록 설계되어 있다. 소음측정기(TES-1350A, TES Electrical Electronic Corp.
본 연구에서는 오염물의 종류, 즉 그리스, 페인트, 에폭시에 대해 같은 두께로 코팅하고 3일 동안 건조시킨 후 세정을 행하여 Fig. 11의 결과를 얻었다. 페인트와 에폭시의 경우 300-500 m2/min 의 범위에 속하나, 그리스의 경우, 3000 m2/min 를 넘어섰다.
본 연구의 블래스팅 장치는 흡입식 방식이 아닌 압력식 블래스팅에 적합한 기존 convergingdiverging 노즐을 변형한 Fig. 2의 convergingdiverging 노즐을 제작하였다. 이 노즐은 적은 압과 작은 량의 공기에서도 노즐을 통한 최대의 유속을 얻을 수 있도록 설계되었다.
본 연구의 호퍼형 블래스팅 장치 Fig. 1은 압력식 블래스팅 방식으로 흡입식 블래스팅의 두 개의 호스 즉 공기 호스와 펠렛 이송 호스와는 다르게 한 개의 혼합 호스로 구성되어 있으며 air-lock 공급 장치에 의해 펠렛은 T형 혼합부로 유도되고 고압의 공기와 만나 노즐을 통해 고압으로 분사한다.
블래스팅 장치는 호퍼안의 펠렛이 에어락 피딩 장치에 의해 T형 혼합부로 낙하될 때 혼합부 고속 공기 주입 노즐을 삽입하여 펠렛과 압축 공기의 혼합을 원활하게 할 뿐 아니라 역류를 최대한 억제하도록 고안하였다. 또 호퍼 안의 펠렛이 air-lock 공급 장치로 유도되는 과정에서 발생하는 펠렛의 아치 현상을 방지하기 위해 스터링 롤러와 바이브레이터를 설치하여 펠렛의 공급을 원활하게 하였고 여기에 호퍼 내부의 펠렛 소모량 측정하는 로드 셀 센서 혹은 레벨 측정 장치를 장착하여 외부에서 호퍼 안의 펠렛의 소모량을 알 수 있게 하였다.
세정의 기구(mechanism)를 impact와 열적 효과로 나누어 각각 조사하였다.
액체 탄산을 단열팽창에 의하여 고화된 드라이 아이스 입자를 스노우 형태로 만든 이를 펠렛제조기의 다이를 통하여 사출하여 만든 펠렛을 고압의 공기를 이용하여 노즐을 통해 가속 분사하여 여러 오염 입자를 제거하는 드라이아이스 펠렛 블래스팅 공정을 개발하고 실험을 하였다. 즉 본 연구는 세정 대상을 다양하게 하여 공정 변수의 효과를 체계적으로 살피고 세정 메커니즘을 검토하여 세정 정량화에 대한 이론을 개발하고자 하였다.
이 중 장치변수, 펠렛 변수, 공정변수는 블래스팅 변수라 할 수 있다. 이 중에서도 본 연구에서는 블래스팅 변수로서 중요 변수인 노즐-기판간 거리, 분사각도, 드라이아이스 분사질량속도를 변화하여 실험하였다. 세정 대상 변수는 먼저 기판별 변수로는 유리, 황동, 구리, 강철, 아크릴 등을, 그리고 오염물질 별로는 카 페인트, 그리스, 에폭시 등을 변수로 잡았다.
이에는 round 노즐과 fan(rectangular) 노즐 두 종류가 사용되었다. 한편 air-lock 공급장치는 드라이아이스 펠렛의 역류, 벽면 부착을 최소화하고 연속적인 정량 공급을 가능케 하도록 설계되었다.
대상 데이터
이 중에서도 본 연구에서는 블래스팅 변수로서 중요 변수인 노즐-기판간 거리, 분사각도, 드라이아이스 분사질량속도를 변화하여 실험하였다. 세정 대상 변수는 먼저 기판별 변수로는 유리, 황동, 구리, 강철, 아크릴 등을, 그리고 오염물질 별로는 카 페인트, 그리스, 에폭시 등을 변수로 잡았다. 다음은 블래스팅 변수, 기판 변수, 오염물질 변수에 따른 세정력의 효율을 조사한 것이다.
금속 표면 위의 페인트 제거는 드라이아이스 펠렛 블래스팅의 중요한 적용 분야이다. 이를 위해 본 실험에서 사용된 기판의 조건은 두께(thickness) 1 mm의 여러 가지 기판 즉, 황동, 구리(100%), 강철 S45C, 아크릴, 유리(10 mm)이고 여기에 안료를 넣은 착색 도료인 카페인트(Lot No.1001-777)를 바코팅을 이용해 두께 30 μm으로 코팅하였다. 또한 알파스텝( α-200, PENCOR Instrument)으로 두께는 물론 경도 시험기(Future-Tech.
이 노즐은 적은 압과 작은 량의 공기에서도 노즐을 통한 최대의 유속을 얻을 수 있도록 설계되었다. 이에는 round 노즐과 fan(rectangular) 노즐 두 종류가 사용되었다. 한편 air-lock 공급장치는 드라이아이스 펠렛의 역류, 벽면 부착을 최소화하고 연속적인 정량 공급을 가능케 하도록 설계되었다.
성능/효과
2. 본 연구의 고안에 의한 드라이아이스 펠렛 블래스팅 장치는 적은 압력과 적은 량의 공기로도 강한 세정력을 얻을 수 있었다.
3. 본 연구에서 개발한 드라이아이스 펠렛 블래스팅 장치는 호퍼 용량은 12 kg이고, 펠렛 분사량은 0-1.2 kg/min 까지 조절이 가능하다. 드라이아이스 펠렛 분사량과 속도에 따라 세정 효과를 증대시킬 수 있었다.
4. 본 연구에서 드라이아이스 펠렛 블래스팅은 다양한 오염물질 녹, 기름때, 라커막, 페인트 제거에 탁월한 세정력을 확보하였다.
5. 드라이아이스 펠렛 블래스팅의 impact는 한계 거리 안에서는 거리에 무관하며, 각도 및 드라이아이스 분사 질량 속도에 의존한다.
7. 세정 속도는 같은 기판에 붙은 오염물의 경도, 부착력에 의존하였으며 그리스, 에폭시, 페인트 순으로 감소하였다.
8. 드라이아이스 펠렛 블래스팅 시 소음도는 대략 85-100 dBA이었다.
그러나 기판의 열전도도가 낮아 오염물과의 열적차이가 줄어들면 전체의 온도가 떨어져 주변 습기의 응결이 쉽게 일어나게 되어 세정속도는 현저히 떨어진다. 결과적으로 블래스팅의 세정력은 물리적 impact 못지않게 온도차에 기인한 열적 효과에 의해서도 결정되고 있음을 보여준다.
2 kg/min 까지 조절이 가능하다. 드라이아이스 펠렛 분사량과 속도에 따라 세정 효과를 증대시킬 수 있었다.
이런 것을 고려하면 압축 공기의 유량에 대한 노즐 목의 최적의 단면적이 있고 또한 실용적인 한계치 범위의 단면적이 존재하며 이에 맞는 최적의 한계치의 드라이아이스 펠렛 분사량이 존재한다. 본 실험의 노즐의 목 단면적(round 노즐 목: 70 mm2, fan 노즐 목: 60 mm2)과 압축 공기의 유량(3.3 m3/min)을 고려할 때 드라이아이스 펠렛 분사량이 1.2 kg/min까지는 드라이아이스 펠렛 분사량이 증가할수록 세정력은 증가하였다.
분사각도의 영향은 분사각을 줄이면 분사면적은 증가하나 impact는 감소할 것으로 예상했다. 단순한 가정으로 sinθ에 비례하도록 세정력이 강해지고 반대로 이에 반비례하도록 세정면적이 결정될 것으로 예상하였으나, Fig.
본 연구에서 고안한 드라이아이스 펠렛 블래스팅 장치는 장치의 바깥에서의 소음은 어쩔 수 없었으나 air-lock 공급장치의 하단과 노즐에서의 소음을 최소화하도록 설계되어 있다. 소음측정기(TES-1350A, TES Electrical Electronic Corp.)로 측정한 결과 본 연구에서 상용한 드라이아이스 펠렛 블래스팅 시 발생하는 소음은 85∼100 dBA로 감소하였다.
후속연구
세정 기구가 힘에 단순 비례하지 않는 것은 세정 과정이 부착된 페인트 기판의 변형과 항복점을 지난 후 crack이 생기면서 벗겨지는 현상과 무관하지 않은 것으로 보인다. 이는 변형의 각도 의존성에 기인할 것으로 보이나 이와 같은 효과에 대해서 좀 더 심도 있는 연구가 필요할 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
드라이아이스 펠렛에 의한 세정의 장점은 무엇인가?
종래의 방법은 독성이 강한 염소계 세정제나 마모성 입자의 블래스팅 세정 방식이 사용되어 왔으나 전자는 탄화수소계, 준수계, 그리고 수계 세정제로 대체되어왔고 후자는 환경규제하에 상당히 위축되어 왔다. 최근 이를 아우르는 드라이아이스 펠렛에 의한 세정은 한편으로 후자의 방식을 선택하되 2차 오염물을 발생시키지 않고, 인체에도 전혀 무해할 뿐 아니라, 후처리가 필요하지 않는 건식 세정방식이며 환경 친화적인 세정방식으로 전자의 세정 영역을 대체하는 방법으로도 많이 연구되어 왔다. 또 이 방법은 세정시간이 매우 빠르고 오염물에 매우 선택적인 화학세정제 보다 범용성의 면에서도 뛰어나다 하겠다.[1-3] 이 세정법은 반도체, 광학부품 등에서 시작하여, 기계, 금속, 화학, 선반, 건물 내외 벽 및 터널 벽, 옥내의 조형물, 의료기, 핵발전소, 인쇄기 등의 오염물질을 제거하는데 이미 널리 사용되고 있으며, 항공기를 비롯한 표면의 페인트 제거에 그 기술적, 환경적, 경제적 우월성이 입증된 바 있다.
세정 공정이란 무엇인가?
세정 공정은 세정제를 사용하여 표면의 불순물을 제거하는 공정으로 제품의 필요한 청정도를 유지하기 위해 많은 산업에서 필요불가결의 요소공정이다[1]. 종래의 방법은 독성이 강한 염소계 세정제나 마모성 입자의 블래스팅 세정 방식이 사용되어 왔으나 전자는 탄화수소계, 준수계, 그리고 수계 세정제로 대체되어왔고 후자는 환경규제하에 상당히 위축되어 왔다.
드라이아이스 펠렛에 의한 세정은 어느 분야에 활용되고 있는가?
또 이 방법은 세정시간이 매우 빠르고 오염물에 매우 선택적인 화학세정제 보다 범용성의 면에서도 뛰어나다 하겠다.[1-3] 이 세정법은 반도체, 광학부품 등에서 시작하여, 기계, 금속, 화학, 선반, 건물 내외 벽 및 터널 벽, 옥내의 조형물, 의료기, 핵발전소, 인쇄기 등의 오염물질을 제거하는데 이미 널리 사용되고 있으며, 항공기를 비롯한 표면의 페인트 제거에 그 기술적, 환경적, 경제적 우월성이 입증된 바 있다. 특히 복잡한 표면 형상의 세정에 효과적이고 세척을 위해 장치를 분해 조립할 필요가 없다.
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