[논문]미세 수관 노즐의 전기유체역학적 수적 분사특성

문재덕

doi:10.5370/kiee.2010.59.9.1632

미세 수관 노즐의 전기유체역학적 수적 분사특성
Electrohydrodynamic Water Droplet Ejection Characteristics from a Micro-Water-Nozzle 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.59 no.9, 2010년, pp.1632 - 1637

문재덕 (경북대 IT대학 전기공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

A micro-water-nozzle, as one of a cooling means of micro-electronic devices, has been proposed and investigated. The I-V characteristics of the micro-water-nozzle and effect of applied voltage on the meniscus formation and deformation and ejection processes of de-ionized water on the micro-water-nozzle tip have been investigated. The water ejection processes, such as a drop formation, a drop deformation, a dripping, a cone jet, and an atomization, were taken place on the micro-water-nozzle tip by the electrohydrodynamic forces acted by the DC and AC high voltages applied on the meniscus of the micro-water-nozzle tip. The I-V characteristics of the micro-water-nozzle-to-plate electrode system were different from that of the same metal-point electrode system, due to the meniscus formation and water droplet ejection at the nozzle tip. The positive and negative DC and AC high voltages showed the water droplets ejection, the ejection rates of 1.8, 1.5 and 1.2 g/h respectively, which, however, showed that the proposed micro-water-nozzle-to-plate electrode system could be used as one of an effective pumping means.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 내경이 매우 미세한 미세 수관 노즐을 이용하여, 인가전압이 방전의 형상에 미치는 영향과, 미세 수관 노즐 선단의 수적 형성과 탈리 그리고 분사과정을 기초 이론적 및 실험적으로 검토한 결과, 다음과 같은 결과를 얻었다.
본 연구에서는 통상의 침대 평판 구조의 방전장치로서 미세 수관 노즐대 평판 구조의 유체분출장치를 제안하고, 유체가 인입된 미세 수관 노즐의 방전특성, 유적형성과 유체분사 특성을 검토 조사하였으며, 동일 구조의 금속침대 평판간의 방전특성을 실험적으로 비교 연구 검토한 결과를 보고한다.

제안 방법

00 kΩ)을 사용하여 측정하였다. 그리고 미세 수관 노즐의 방전 특성, 수적 형성과정과 분사특성 그리고 침전극의 방전특성은 축적형 사진기(digital camera, Sony DSC-W1)로 촬영하였다. 미세 수관 노즐에서 수적 분사량은 실험 전후의 수통(그림 1)의 무게가 감소하는 것을 정밀 저울(electronic balance, Mettler Toledo, AB204)로 측정하여 환산하였다.
그리고 미세 수관 노즐의 방전 특성, 수적 형성과정과 분사특성 그리고 침전극의 방전특성은 축적형 사진기(digital camera, Sony DSC-W1)로 촬영하였다. 미세 수관 노즐에서 수적 분사량은 실험 전후의 수통(그림 1)의 무게가 감소하는 것을 정밀 저울(electronic balance, Mettler Toledo, AB204)로 측정하여 환산하였다.
5 mm) 하였다. 미세 수관 노즐의 방전특성은 미세 수관 노즐의 외경과 동일 규격의 금속 침 (stainless needle, 직경이 1.00 mm, 선단 곡률반경이 0.50 mm)의 방전특성과 비교하였다. 분출되는 수적의 정전유도 및 집속용으로 평판전극(stainless disc, 외경 10 cm, 두께 0.
본 논문에서는 192 μm의 노즐전극 선단에서의 수적의 형성, 유도전극쪽으로의 인장(끌림), 탈리, 그리고, 수적형성 및 진전, 수류형성과 탈리, 나아가, 분사에 이르는 구체적인 형성과정을 인가전압의 크기에 따라 기초 이론적 그리고 구체적 실험사진으로 나타냈다.
50 mm)의 방전특성과 비교하였다. 분출되는 수적의 정전유도 및 집속용으로 평판전극(stainless disc, 외경 10 cm, 두께 0.50 mm)을 사용하였으며, 미세 수관 노즐선단과 유도(접지)평판전극과의 간격(s)은 고정(s=10 mm)하여 실험하였다. 인가전원은 직류 및 교류(가변전압 0~30 kV, 최대전류 20 mA, 교류 주파수 60 Hz)를 사용하였고, 방전전류와 전압은 전압계(DVM, Fluke, 179), 분압기(high volt probe, 1,000:1, Tektronix, P6015A), 그리고, 분류저항(film resistor, 1.
인가전원은 직류 및 교류(가변전압 0~30 kV, 최대전류 20 mA, 교류 주파수 60 Hz)를 사용하였고, 방전전류와 전압은 전압계(DVM, Fluke, 179), 분압기(high volt probe, 1,000:1, Tektronix, P6015A), 그리고, 분류저항(film resistor, 1.00 kΩ)을 사용하여 측정하였다.

대상 데이터

그림 1은 미세 수관 노즐대 평판전극 구조의 수적분사 실험장치로서, 유체역학적 수적분사용 미세 수관 노즐, 수적의 정전유도 및 집속용 평판전극, 수통, 고전압 전원, 방전 전류 및 고전압 측정장치, 그리고 방전 및 수적 촬영용 사진기로 구성되었다. 사용된 수적분사용 미세 수관 노즐은 유리 모세관(glass capillary tube, 외경 1.
사용된 수적분사용 미세 수관 노즐은 유리 모세관(glass capillary tube, 외경 1.00 mm, 내경 192 μm, 길이 3.5 mm)에 유체(de-ionized water, ρ≈106Ωcm, ε≈80)를 인입한 것으로, 수통(acrylic water vessel, 외경 40 mm, 내경 30 mm, 높이 50 mm)의 하부에 설치하였고, 노즐 돌출 부분의 길이는 고정(3.5 mm) 하였다.

성능/효과

17~19 kV에서는 노즐선단에 코로나가 강하게 발달되어 흩뿌리는 분사형태는 약해졌다. 19.5~20 kV에서는 절연파괴 직전이어서 미세 수관 노즐에서 유도전극을 연결하는 정도의 강한 스트리머 방전이 순간순간 발생하는 동시에 수적도 방전함께 강하게 분사되어 분사량도 증가함을 보여주었다.
교류와 직류 인가전입의 극성에 따라 분사특성의 차이는 크지 않았으나, 교류 의 경우는 직류의 경우와는 상이하게 미세 수관 노즐 선단의 수적이 상당히 떨림이 많고 분사도 여러 방향으로 분사는 경향이 관찰되었다. 미세 수관 노즐에서 수적 분사량은 인가전압의 증가에 따라 증가하며, 동일인가전압(예, 10 kV 경우)에서는 직류 정극성방전(1.
직류 정극성방전의 경우, 약 7 kV부근에서 분사량이 관찰되기 시작하며, 인가전압의 증가에 따라 분사량도 많아지며, 방전은 글로 코로나에서 스트리머성 코로나로 진전하며, 방전의 진행에 따라 큰 수적에서 시작하여 작은 수류 형태로 간헐적으로 방출되다가, 인가전압이 더욱 증가할수록 그 간헐적인 분사주기(시간)는 점차 짧아지고 가늘어지며, 분사량도 점차 많아진다. 그러나 인가전압이 절연파괴 부근에서는 스트리머성 방전이 매우 강해지고, 물분사량은 크게 감소 하는 경향을 보여주었다.
따라서 직경이 192 μm 정도의 미세 노즐에서 방사되는 수적경은, 앞으로 연구될 과제이지만, 아주 미세한 것으로 관찰되었다.
미세 수관 노즐과 침전극의 각각의 최대 방전전류의 크기는 모두 직류 정극성>직류 부극성>교류의 순서이었다. 미세 수관 노즐의 방전전류가 금속 침전극의 것에 비해 매우 작으며, 최대 방전전류의 크기는 미세 수관 노즐의 경우가 금속 침의 경우의 약 1/3 정도로 매우 작은 값을 보여주었다. 이는 미세 수관 노즐의 경우, 노즐 선단에서의 모세관 현상과 정전력에 의해 노즐 선단의 곡률반경이 노즐 외경 크기로 커지며(그림 4(a, b) 참조), 인가전압의 크기에 따라 변하고, 또 미세 수관 노즐속의 물(de-ionized water, ρ≈10⁶Ωcm)을 통해 전류가 흐르기 때문에 방전전류가 물 저항에 의해 제한(그림 3 참조)되기 때문인 것으로 사료된다.
이상의 결과는 미세 수관 노즐로부터의 EHD력 등에 의해 노즐선단으로부터의 유체 분사를 용이하게 구동시킬 수 있음을 보여주며, 직경이 192 μm 정도의 미세 노즐의 경우에도 인가전압의 크기와 극성을 조절로 분사 수적의 모양 그리고 유량(유속)을 조절이 가능하여 수적 분사장치로 적절히 사용될 수 있음을 보여준다.
이상의 결과는 직경이 약 200 μm의 미세 수관 노즐로부터의 EHD력 등에 의해 노즐선단의 방전 및 EHD에 의한 수적 형상과 분사, 수분자의 구동 등을 실험적으로도 확인하였으며, 인가전압의 크기와 극성을 조절로 분사 수적의 모양 그리고 분사량(유속)의 조절이 가능하여 적절한 수적 분사장치로 사용될 수 있음을 보여준다.
미세 수관 노즐은, 노즐전극의 선단에 방전이 생성될 때 통상의 침전극과는 상이하게 침전극선단이 EHD력에 의해 수적이 형성되어, 동일구조의 전극과는 상이한 전류-전압 특성을 나타내었다. 즉, 이온교환수가 미세관속에 인입된 경우는 금속침의 경우에 비해 직류 및 교류 전압 인가에 대한 코로나 방전 개시전압과 방전전류의 크기에 차이가 있음을 보여 주었다. 이는 고전압이 미세 수관 노즐에 인가되면, 금속 침전극과는 다르게, 미세 수관 노즐선단에서는 수적 형성과 분출되며, 이 과정은 반원형 수적, 타원형 수적, 수적 탈리, 수류분출 나아가 수적분사의 과정으로 진전되고, 마침내 분무로의 분사현상을 나타내기 때문인 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	EHD 구동이란?	전기유체역학적 방법을 이용한 유체의 구동에 대한 연구는 주로 전극의 형상[3]이나, 전계 경사(gradient)력[2], 방전의 형태(mode) 변화[6-8], 모세관 현상[4] 등이 이용되고 있다. EHD 구동은 외력(압력)을 사용하지 않고 EHD력만으로 유체가 분출(구동)되게 하는 것으로, 절연체 노즐[6]이나 금속노즐[7-10]도 효과적인 EHD 구동이 되지 못했다[4, 11]. 금속 노즐에 전압을 인가하는 경우, 인가전압은 금속 노즐선단에 모두 인가되어, 노즐속의 유체를 효과적으로 구동시키지 못하는 문제점이 있다.
	전기유체역학적 방법을 이용한 유체의 구동에 대한 연구는 주로 무엇이 이용되고 있는가?	전기유체역학적 방법을 이용한 유체의 구동에 대한 연구는 주로 전극의 형상[3]이나, 전계 경사(gradient)력[2], 방전의 형태(mode) 변화[6-8], 모세관 현상[4] 등이 이용되고 있다. EHD 구동은 외력(압력)을 사용하지 않고 EHD력만으로 유체가 분출(구동)되게 하는 것으로, 절연체 노즐[6]이나 금속노즐[7-10]도 효과적인 EHD 구동이 되지 못했다[4, 11].
	코로나 방전이나 정전현상이 전기유체역학적 구동기구로 적용할 때 종전의 전기기계적인 방법 대비 장단점은?	최근 코로나 방전이나 정전현상이 전기유체역학적(electrohydrodynamic, EHD) 구동기구(driving mechanism)[1-2]로 적용될 수 있음이 확인되어 많은 연구가 수행되고 있다. 이는 종전의 전기기계적인 방법에 비해 유속의 발생과 제어가 용이하고, 저소음과 기계적 회전부분이 없는 등의 장점[3-4]을 가지기 때문이나, 아직은 발생 유속과 효율이 낮은 문제점이 있다[2, 4, 5].

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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