[논문]에나멜코팅된 구리코일로 부터의 친환경적(親環境的) 구리선의 분리(分離)

송영호; 김정민; 박준식; 공만식; 이선영

doi:10.7844/kirr.2012.21.3.048

[국내논문] 에나멜코팅된 구리코일로 부터의 친환경적(親環境的) 구리선의 분리(分離)
Separation of Enamel from the Enamel Coated Coper Wires Via High Frequency Induction Process 원문보기

資源리싸이클링 = Journal of the Korean Institute of Resources Recycling, v.21 no.3, 2012년, pp.48 - 55

송영호 (한밭대학교 신소재공학부) , 김정민 (한밭대학교 신소재공학부) , 박준식 (한밭대학교 신소재공학부) , 공만식 (고등기술연구원 기능소재연구팀) , 이선영 (한양대학교 재료공학과)

초록
AI-Helper

최근 친환경적이며 고효율적인 폐동선의 재활용을 위하여 다양한 방안이 모색되고 있는 실정이다. 본 연구에서는 폐동선의 고주파 유도가열을 이용하여 폐동선의 피복제거의 실험을 수행하여 폐동선의 친환경적이며 고효율의 재활용방안을 모색하고자 다양한 공정조건하에 최적화된 방안을 도출하였다. FT-IR 분석결과, 폐동선에 코팅된 물질은 polyester임이 나타났으며, 와전류의 전산모사결과, 최적화 과정을 도출하고 이에 대하여 논의하였다. 폐동선의 피복을 효과적으로 단시간에 분리하기 위하여 폐동선을 고주파 유도코일에 수직으로 장입하고 $950^{\circ}C$이상의 온도에서 유지해야 함을 알 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, the recycling with environmentally friendly method has been an issue for various fields. An effective removal method of coating layers from coated copper wires is one critical factor for recycling copper wire. We have adopted a high frequency heating routine for removing the coating layers on the coated copper wires, and attempted to find optimum conditions. The experimental results show that the copper wires should be maintained at or above $950^{\circ}C$ for rapid removal of the polyester. The simulation and experimental results are discussed with respect to the microstrucrual evolution during heating of the copper wires.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

동선으로부터 피복을 분리시켜 동을 얻는 실험은 먼저 모터에 들어 있는 구리선을 우선적으로 분리하고자 하였다. 먼저 모터의 겉부분에 있는 틀을 분리를 하여 그 안에 있는 구리선을 Fig 4와 같이 추출하였다.
본 연구에서는 유도가열을 이용하여 폴리머가 코팅된 wire로부터 동을 회수 하고자 하는 방법을 도입하여 폐전선의 재활용을 도모하고자 하였다. 동선의 유도가열을 원리는 Fig 1과 같이 고주파 전류의 전자기 유도 원리를 이용하여 고주파 전자기장 속에서 금속이나 반도체를 가열하여 가열하고자 하는 도체에 코일을 감고, 이 코일에 고주파 전류를 흘리면 도체 내에는 고주파 자속이 통과하게 된다.
위와 같은 원리를 이용하여 동선의 유도가열을 위한 전자기 열 시뮬레이션을 통하여 고주파 유도가열에 의한 구리동선의 온도 상승 및 최대 온도 상승 확인을 확인한 후, 고주파 유도장비에 구리선을 고주파 유도가열을 하여 구리선의 피복을 제거하는 실험을 수행하였다. 이때에 피복선의 탄화과정을 통하여 유해가스 발생의 감소와 폐전선 처리의 재활용의 효율성을 높이고자 하였다.

가설 설정

동선의 유도가열을 위하여 전자기 열 시뮬레이션은 Fig 2과 같은 모양으로 코일을 형상화 하여 사용하였으며, 유한 요소 모델의 가열체는 주파수가 올라갈수록 교류전류가 금속의 내부뿐만 아니라 표면에 집중되어 흐르는 skin effect를 고려하여 투과되는 깊이를 계산하였다. 또한, 해당 layer에 격자를 생성하여 계산하였고, 코일의 안쪽에 삽입되는 재질은 도체로 가정하여 실험을 진행하였다. 연속체의 경계에 있어서의 기하학적인 구속 조건 또는 외력의 작용 조건인 경계조건의 설정은 아래의 Fig 3과 같이 코일에 전류 코일에 전류 및 Groud 입력하여 전류는 100 A 및 200 A으로, 교류주 파수는 200,000 Hz으로 실험을 하였다.

제안 방법

동선의 유도가열을 위하여 전자기 열 시뮬레이션은 Fig 2과 같은 모양으로 코일을 형상화 하여 사용하였으며, 유한 요소 모델의 가열체는 주파수가 올라갈수록 교류전류가 금속의 내부뿐만 아니라 표면에 집중되어 흐르는 skin effect를 고려하여 투과되는 깊이를 계산하였다. 또한, 해당 layer에 격자를 생성하여 계산하였고, 코일의 안쪽에 삽입되는 재질은 도체로 가정하여 실험을 진행하였다.
온도는 800℃, 900℃, 950℃ 세가지 온도 조건에서 수행하였으며 시간에 따른 변화량을 측정하기 위해서 100, 200, 300초 동안의 시간의 변화를 주어 수행하였다. 실험 후에 구리 wire를 광학 현미경을 이용하여 관찰을 하였고 FT-IR(Fourier Transform Infrared Spectroscopy)을 이용하여 polyester가 제거 되는지 확인하였다.
또한, 해당 layer에 격자를 생성하여 계산하였고, 코일의 안쪽에 삽입되는 재질은 도체로 가정하여 실험을 진행하였다. 연속체의 경계에 있어서의 기하학적인 구속 조건 또는 외력의 작용 조건인 경계조건의 설정은 아래의 Fig 3과 같이 코일에 전류 코일에 전류 및 Groud 입력하여 전류는 100 A 및 200 A으로, 교류주 파수는 200,000 Hz으로 실험을 하였다.
Fig 5에 보이는 고주파 유도장비를 사용하였으며, Fig 6과 같이 코일의 안쪽의 알루미나 보트 위에 샘플을 놓은 뒤 실험 수행하였다. 온도는 800℃, 900℃, 950℃ 세가지 온도 조건에서 수행하였으며 시간에 따른 변화량을 측정하기 위해서 100, 200, 300초 동안의 시간의 변화를 주어 수행하였다. 실험 후에 구리 wire를 광학 현미경을 이용하여 관찰을 하였고 FT-IR(Fourier Transform Infrared Spectroscopy)을 이용하여 polyester가 제거 되는지 확인하였다.
주파수가 낮으면 히스테리시스 손이 크고 주파수가 높아지면 이와는 반대로 와전류손이 증가하기 때문에 금속 용융과 같이 낮은 주파수를 이용하는 경우는 히스테리시스손이 중요하고 주파수가 100 KHz 이상으로 높아지면 와전류 손으로 가열이 된다. 위와 같은 원리를 이용하여 동선의 유도가열을 위한 전자기 열 시뮬레이션을 통하여 고주파 유도가열에 의한 구리동선의 온도 상승 및 최대 온도 상승 확인을 확인한 후, 고주파 유도장비에 구리선을 고주파 유도가열을 하여 구리선의 피복을 제거하는 실험을 수행하였다. 이때에 피복선의 탄화과정을 통하여 유해가스 발생의 감소와 폐전선 처리의 재활용의 효율성을 높이고자 하였다.
친환경적인 고주파 유도가열방법을 이용하여 폐동선의 피복제거의 실험을 수행한 결과, 다음과 같은 결과를 얻었다.

성능/효과

1) X방향으로 위치한 구리동선에서의 줄열이 Z축으로 위치한 구리동선보다 크며, 방향에 따른 탄화 속도의 차이가 있기 때문에 구리선을 Z방향(고주파 코일의 수직방향)으로 위치시키는 것이 바람직함을 알 수 있었다.
1) 이러한 폐기물 중에는 전기 및 통신 산업 분야에서는 전력선 및 통신선이 차지하는 비중도 매우 높다. 이러한 폐기물들을 일반 쓰레기와 마찬가지로 매립을 하거나 하면 환경문제를 야기시키며, 자원의 낭비라는 측면도 있지만 국제적으로 각종 원자재의 부족, 가격 급등으로 심각한 원자재난이 우려됨에 따라 또한, 재활용 자원의 이용요구가 증대됨으로 따라 폐전선의 재활용의 가치가 날이 갈수록 올라가기 때문에 재생하여 사용하는 것이 바람직하다.
2) 800℃에서는 표면부분이 별로 탄화되지 않았고 모두 분리하려면 장시간 실험을 해야 하는 것으로 조사되었으며, 900℃와 950℃에서는 polyester가 탄화되어 약간의 압력에도 동선을 용이하게 분리할 수 있는 것으로 나타났다.
3) 본 실험에서는 고주파 가열시간이 짧아 코팅층과 구리선이 완전분해는 되지 않았지만, 시간에 지남에 따라 탄화가 되는 양이 많아지는 것으로 보아 장시간 고주파 처리 시에는 피복이 전부 탄화가 되어 완전분해될 것으로 사료된다.
4) 고주파 가열 후의 FT-IR 실험 결과로부터 코팅층과 구리선의 접착력이 약해짐을 알 수가 있었으며, 따라서 고주파 가열 후 완전히 분리되지 않은 부분은 세척과 마찰공정을 통해서 고순도 구리선를 재생할 수 있을 것으로 사료된다.
FT-IR으로 실험전과 실험 후를 비교한 결과, Fig 13에서 보이는 바와 같이 열처리 전 peak에서는 코팅된 물질이 polyester임을 알 수가 있었고, 열처리 후 분석한 peak를 통하여 polyester가 제거 됨을 확인할 수 있었다. 아울러, Cu wire와 열처리후 생성된 polyester ash 사이의 접착력이 매우 약함을 알 수 있었다.
구리동선 주변에서 Eddy Current가 발생하여, 100 A일 때 최대 0.924 × 107 A/m2, 200 A일 때 최대 1.85 × 107A/m2의 Eddy Current 발생이 되어서 Fig. 8으로 부터 시뮬레이션을 통하여 예상한 바와 같이 와전류의 발생과 줄열의 발생은 비례함을 알 수 있었고, 코일의 방향과 수평보다 수직인 방향이 줄열이 많이 발생하여 고주파 가열시 시편이 코일에 수평인 방향으로 넣었을 때보다 수직인 방향일때 빠르고 더욱 높은 온도로 가열이 됨을 알수가 있다.
한편, 동일한 시간인 1000초 (약 17분)에서 100 A를 인가하였을 경우 약 150℃까지 상승하지만, 200 A를 인가하였을 경우, 500℃까지 온도가 상승함을 알 수 있다. 따라서, 본 전사모사의 결과, 시험편을 코일의 감긴방향과 수직으로 위치시키며, 시험편의 동일 조건의 유지시간에서는 높은 전류를 인가하는 것이 더욱 높은 온도를 순간적으로 올릴 수 있다는 것을 알 수 있다. 아울러, 시험편의 형상에 관계없이 균일한 온도를 부가하기 위하여 시험편을 압축하여 고주파 유도코일 안에 장입하는 것이 중요한 요소임을 알 수 있다.
7을 보면 X방향으로 위치한 구리동선의 줄열이 Z방향으로 위치한 구리동선보다 100 A, 200 A의 a,c를 비교 하였을시 줄열이 크게 나타남을 알 수 있었다. 또한, a,b를 비교 하였을시 코일의 중심에 비하여 코일과 가까울수록 줄열이 커짐을 알 수 있었다. 구리동선 주변에서 Eddy Current가 발생하여, 100 A일 때 최대 0.
아울러, Cu wire와 열처리후 생성된 polyester ash 사이의 접착력이 매우 약함을 알 수 있었다. 상기의 실험으로부터 polyester가 코팅된 구리선의 경우, 고주파 유도 가열을 통하여 피복을 탄화시킬 수 있었고, 탄화가 진행된 후에는 아주 작은 압력으로도 피복이 동선으로부터 제거될 수 있는 가능성을 제시하였다.
상기의 해석 결과 시험편의 위치는 코일의 감긴방향에 수직으로 위치하는 것이 최적으로 사료되며, 동일 인가 전류에서는 유지시간이 길수록 시험편의 온도가 증가하며, Fig 9에서 보이는 것과 같이 약 100 A에서는 최대온도인 약 200℃까지 도달하는 시간이 약 3000초(50분)가 걸리는 반면, 200 A에서는 최대온도인 800℃까지 도달하는 시간은 약 5000초 (83분)이 걸리는 것을 알 수 있다. 한편, 동일한 시간인 1000초 (약 17분)에서 100 A를 인가하였을 경우 약 150℃까지 상승하지만, 200 A를 인가하였을 경우, 500℃까지 온도가 상승함을 알 수 있다.
시뮬레이션을 한 결과에서는 전류가 100 A일 때 최대 0.202 × 107 J/m3의 줄열이 발생하며, 전류가 100 A일 때 최대 0.202 × 107 J/m3의 줄열이 발생함을 알 수 있었다.
특히, Fig 12(c)에서 보이는 것과 같이 피복은 취성이 매우 증가하여 자체적으로 파단되며 내부의 순동이 보이는 것을 알 수 있다. 이로부터 고주파 가열로도 탄화가 일어나 탄화된 탄화물은 간단한 세척을 수행할 경우 완전 분리가 될 수 있는 가능성을 보였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	폐기물을 재활용 하는 것이 바람직한 이유는 무엇인가?	1) 이러한 폐기물 중에는 전기 및 통신 산업 분야에서는 전력선 및 통신선이 차지하는 비중도 매우 높다. 이러한 폐기물들을 일반 쓰레기와 마찬가지로 매립을 하거나 하면 환경문제를 야기시키며, 자원의 낭비라는 측면도 있지만 국제적으로 각종 원자재의 부족, 가격 급등으로 심각한 원자재난이 우려됨에 따라 또한, 재활용 자원의 이용요구가 증대됨으로 따라 폐전선의 재활용의.가치가 날이 갈수록 올라가기 때문에 재생하여 사용하는 것이 바람직하다.2-4)
	폐전선의 재활용기술을 어떻게 나누어 지고 또한 각각의 기술은 어떠한 단점을 갖고 있는가?	일반적인 폐전선의 재활용기술은 크게 세 가지로 나눌 수 있으며, 이 방법들은 국내외에서 일부 채택하여 사용하고 있다.5) 첫째로는 폐전선을 소각하여 전선만을 재사용하는 방법, 둘째로는 폐전선을 절단하여 기계적 또는 전기적으로 동선과 피복을 분리하여 재사용 하는 방법, 셋째는 폐전선을 화학적으로 처리하여 피복을 용해시켜 재활용하는 방법 등을 주로 사용하고 있다. 하지만, 이러한 방법들은 모두 단점을 갖고 있다. 첫 번째 방법은 소각을 하기 때문에 화학물질의 소각에 따른 유해가스의 발생으로 후처리가 필요하며 폐전선내의 동(銅)이나 알루미늄 등의 사용만이 가능하다. 둘째 방법은 공정 중에서 일정한 굵기 이하의 가는 폐전선의 비효율적인 처리와 폐절연물질에 수반되는 미립자의 유실 등의 문제점으로 비효율적이다. 세 번째의 방법은 화학적인 처리를 하여야 하므로 폴리에틸렌의 재활용시 재처리 문제등 회수율이 떨어지는 문제점이 지적되고 있다. 따라서, 폐전선의 재활용을 위하여는 상기의 세가지 방법 외에 새로운 방법을 도입하여 친환경적이고 재활용의 효율을 높이는 방안을 도입할 필요가 있다.
	최근 폐기물의 양이 늘어나고 있는 요인 중 하나는 무엇인가?	우리들이 일상생활에서 편리하게 사용하고 있는 플라스틱 제품은 기초소재인 석유화학공업의 한 분야로서 국민의 소득 증대와 경제규모의 확대에 따라 그 소비량이 확대되고 있으며 이에 따라 폐기물의 양도 늘어나고 있다.1) 이러한 폐기물 중에는 전기 및 통신 산업 분야에서는 전력선 및 통신선이 차지하는 비중도 매우 높다.

참고문헌 (15)

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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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