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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 국내 취약한 미립화 연구의 관심을 이끌어내고 향후 기술 개발과 발전에 이바지하는데 목적을 두어 기체를 유입하여 내부의 액체 및 입자를 오리피스 구멍에 통과시켜 미립화가 이루어지는 가압 노즐 방식의 액적 발생장치를 제작하였다. 또한 이에 대한 성능 평가를 위해 각 오리피스(직경 0.
- 본 연구에서는 기체를 유입하여 장치 내부의 액체를 원형 오리피스 구멍에 통과시켜 액체의 미립화가 이루어지는 가압 노즐 방식의 액적 발생 장치를 제작하여 이에 대한 성능 평가를 통해 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
- 액적 발생 장치는 SUS(Steel Use Stainless) 316의 재질로써 크기 90㎜(L)×90㎜(W)×120㎜(H), 무게 1.3㎏으로, 공기 유입부는 직경 8㎜ one-touch 커넥터, 입자 발생 부는 직경 1/4 inch SUS 튜브를 기본적으로 장착하였으며, 다른 크기로 교체 가능하도록 제작하였다.
- 따라서 본 연구에서는 국내 취약한 미립화 연구의 관심을 이끌어내고 향후 기술 개발과 발전에 이바지하는데 목적을 두어 기체를 유입하여 내부의 액체 및 입자를 오리피스 구멍에 통과시켜 미립화가 이루어지는 가압 노즐 방식의 액적 발생장치를 제작하였다. 또한 이에 대한 성능 평가를 위해 각 오리피스(직경 0.3, 0.5㎜)를 장착한 장치에 대하여 유입 기체의 압력 조건을 변화시켰을 때의 미립화 특성을 비교하였다.
- 결국 미세한 액적만 유체의 흐름에 따라 액적 발생 장치의 출구를 통하여 밖으로 발생되는 원리이다. 제작품은 기존의 다른 장치와는 다르게 사용되는 오리피스의 직경이 작고, 장치 내부의 하단부에 경사를 주어 채워진 고가의 용액들의 사용량을 높힐 수 있으며, 또한 straw를 외부로 노출시켜 장치 내부의 교반이 잘 일어나도록 제작하였다.
- 3㎏으로, 공기 유입부는 직경 8㎜ one-touch 커넥터, 입자 발생 부는 직경 1/4 inch SUS 튜브를 기본적으로 장착하였으며, 다른 크기로 교체 가능하도록 제작하였다. 또한 오리피스의 직경에 따라 발생 입자의 크기분포가 다르고, 발생량 차이를 보이기 때문에 사용 용도에 맞게 오리피스를 교체할 수 있도록 제작하였다. 장치의 세부적인 변수는 표 1에 기술하였다.
- 발생 유량은 장치 내부에 D.I water를 채우지 않은 상태에서 액적 발생부와 유량계(TSI, Model 4199)사이에 Tygon tube를 연결 하여 측정하였으며, 용액 발생량(소모량)은 장치 내부의 면적과 채워진 D.I water의 가동 전·후 높이 변화를 통해서 계산하였다.
- 본 연구에서 제작한 액적 발생 장치의 성능을 평가하기 위해 장치 내부에 D.I(Deionized) water를 채운 후 각 오리피스(직경 0.3, 0.5㎜)를 장착한 장치에 대하여 압축공기의 공급 압력 조건을 변화시켰을 때 유량, 용액 발생량(소모량) 및 입자 크기 분포를 확인하였다. 본 실험을 수행하기 위한 실험 장치의 개략도를 그림 3에 도시하였는데, 액적 발생 장치에 압력조절장치(Regulator)를 연결하고 직경 8㎜인 공압 튜브를 압축공기 발생 장치와 압력조절장치의 기체 유입부에 연결하여 공급 압력을 1bar, 2bar, 3bar, 4bar로 변화시켰을 때의 유량, 용액 발생량(소모량) 및 입자 크기 분포를 비교하였다.
- 5㎜)를 장착한 장치에 대하여 압축공기의 공급 압력 조건을 변화시켰을 때 유량, 용액 발생량(소모량) 및 입자 크기 분포를 확인하였다. 본 실험을 수행하기 위한 실험 장치의 개략도를 그림 3에 도시하였는데, 액적 발생 장치에 압력조절장치(Regulator)를 연결하고 직경 8㎜인 공압 튜브를 압축공기 발생 장치와 압력조절장치의 기체 유입부에 연결하여 공급 압력을 1bar, 2bar, 3bar, 4bar로 변화시켰을 때의 유량, 용액 발생량(소모량) 및 입자 크기 분포를 비교하였다. 발생 유량은 장치 내부에 D.
- 크기에 따라 분리된 입자는 CPC에 의해 입자 농도가 계수된다.[6] 본 연구에서는 동성산업의 Long DMA(Model DS-5115L), DMA Controler(Model DS-4201B)와 TSI사의 광학적 입자 계수기인 CPC(Model 3772)와 결합한 SMPS를 이용하여 측정하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서 제작한 액적 발생 장치(동성산업 Model DS-A103)는 직경이 0.3, 0.5 및 0.7㎜인 원형 오리피스를 사용하여 입자를 발생시키는 것으로 그 원리는 다음과 같다. 압축 공기가 오리피스를 통과 할 때 높은 속도의 제트 기류를 형성하면서 급히 확장된다.
성능/효과
- 5㎜ 오리피스를 장착한 장치 둘 다 증가하였으며, 이를 세부적으로 보면 다음과 같다. 0.3㎜ 오리피스의 경우 공급 압력을 1bar 간격으로 증가시켰을 때, 압력 구간별 유량 증가는 0.85ℓ/min(1bar에서 2bar로 증가 시), 0.82ℓ/min(2bar에서 3bar로 증가 시), 0.81ℓ/min(3bar에서 4bar로 증가시)으로 비슷한 증가량을 보였다. 그리고 0.
- 0.5㎜ 오리 피스를 장착한 장치에 대해서는 공급 압력 조건이 4bar일 때 약 4.25×107개로 미세 액적 발생률이 가장 높았으며, 3bar=약 3.87×107 , 2bar=약 3.53×107, 1bar는 약 2.73×107순의 미세 액적 발생률을 보였다.
- 각 오리피스별 용액 발생량(소모량)을 측정하기 위해 약 4시간 동안 장치를 가동하여 발생된 양(소모된 양)을 분석하였는데, 각 오리피스 모두 3bar에서 4bar로 증가시켰을 때의 발생량(소모량) 증가가 가장 높았으며, 2bar에서 3bar로 증가 시켰을 때 가장 낮게 나타났다. 2bar에서 3bar의 범위에서의 용액 발생량(소모량)은 공급 압력 증가와 함께 유량은 증가하지만, 그 발생량(소모량) 변화는 미미한 차이를 보였으며, 3bar에서 4bar 범위에서의 용액 발생량(소모량)은 공급 압력이 변할수록 그 변화 수치는 가장 크게 나타났다.
- 각 오리피스별 용액 발생량(소모량)을 측정하기 위해 약 4시간 동안 장치를 가동하여 발생된 양(소모된 양)을 분석하였는데, 각 오리피스 모두 3bar에서 4bar로 증가시켰을 때의 발생량(소모량) 증가가 가장 높았으며, 2bar에서 3bar로 증가 시켰을 때 가장 낮게 나타났다. 2bar에서 3bar의 범위에서의 용액 발생량(소모량)은 공급 압력 증가와 함께 유량은 증가하지만, 그 발생량(소모량) 변화는 미미한 차이를 보였으며, 3bar에서 4bar 범위에서의 용액 발생량(소모량)은 공급 압력이 변할수록 그 변화 수치는 가장 크게 나타났다. 이는 3bar에서 4bar 범위에서의 공급 압력 변화에 따른 장치의 미립화가 잘 이루어진다는 것으로 판단된다.
- 5㎜ 오리피스를 장착한 장치에 비해 상대적으로 미세 액적 농도(liquid number concentration)가 높았으며, 이는 장치 내부에 담겨 있는 액체가 통과하는 오리피스의 직경이 작을수록 미세한 액적을 발생하는 것으로 사료된다. 하지만 입자 크기를 고려하지 않는 총 입자 발생률(Total number concentration)은 0.5㎜ 오리피스를 장착한 장치가 높은 것으로 나타났으며, 상대적으로 용액 발생량(소모량)이 많이 때문에 발생되는 총 입자가 높게 나타나는 결과를 보였다고 판단된다. SMPS와 OPC(Optical Particle Counter)로 측정된 입자 크기 분포(6.
- 5㎜ 오리피스를 장착한 장치가 높은 것으로 나타났으며, 상대적으로 용액 발생량(소모량)이 많이 때문에 발생되는 총 입자가 높게 나타나는 결과를 보였다고 판단된다. SMPS와 OPC(Optical Particle Counter)로 측정된 입자 크기 분포(6.85㎚-10㎛)를 구간 별로 나누어 비교해 보면, 6.85-10.2㎚의 입자 크기 범위에서는 0.3㎜ 오리피스를 장착한 장치에서의 발생률이 높았으며, 10.6-66.1㎚의 범위에서는 서로 비슷하거나 0.5㎜ 오리피스를 장착한 장치에서의 발생률이 약간 높은 결과를 보였다. 그리고 68.
- 5㎜ 오리피스를 장착한 장치에서의 발생률이 약간 높은 결과를 보였다. 그리고 68.5-300㎚의 범위에서는 0.3㎜ 오리피스를 장착한 장치가, 300㎚ 이상의 큰 입자는 0.5㎜ 오리피스를 장착한 장치의 발생률이 대체적으로 높은 결과를 보였다. 이상의 결과는 입자 크기가 작은 범위에서의 액적 발생률은 압축공기 및 내부 액체가 통과하는 오리피스의 구멍이 상대적으로 작은 0.
- 5㎜ 오리피스를 장착한 장치의 발생률이 대체적으로 높은 결과를 보였다. 이상의 결과는 입자 크기가 작은 범위에서의 액적 발생률은 압축공기 및 내부 액체가 통과하는 오리피스의 구멍이 상대적으로 작은 0.3㎜ 오리피스를 장착한 장치에서의 발생률이 높으며, 입자 크기가 큰 범위로 이동할수록 오리피스의 구멍이 큰 0.5㎜ 오리피스 장착 장치의 발생률이 높다는 것으로 해석할 수 있다. 한편 공급 압력 별로 비교해 보면 0.
- 73×107순의 미세 액적 발생률을 보였다. 이상의 결과를 보면 액적 크기를 고려하지 않는 총 액적 발생률은 0.3㎜, 0.5㎜ 오리피스를 장착한 장치 모두 압력이 높을수록 발생률이 많은 것으로 나타났으며, 발생되는 액적 크기와 총 액적 발생률은 각각 액적 발생 장치에 장착되는 오리피스의 구멍 크기, 공급되는 압축 공기의 압력에 의해 결정된다는 것으로 판단된다.
- 압축 공기 공급 압력을 1bar씩 증가시켰을 때 압력 구간별 유량 증가량은 각 오리피스 모두 거의 일정한 수치의 유량 증가를 보였으며, 장치 내부의 액체가 통과하는 구멍의 직경이 상대적으로 큰 0.5㎜ 오리피스를 장착한 장치의 유입 유량이 크다는 것을 알 수 있었다. 또한 공급 압력 증가에 따른 용액 발생량(소모량)은 각 오리피스 모두 증가 하였으나, 압력 구간별 증가 수치는 불규칙적으로 증가하였으며, 3bar에서 4bar로 증가시켰을 때의 용액 발생량(소모량)이 가장 높았다.
- 5㎜ 오리피스를 장착한 장치의 유입 유량이 크다는 것을 알 수 있었다. 또한 공급 압력 증가에 따른 용액 발생량(소모량)은 각 오리피스 모두 증가 하였으나, 압력 구간별 증가 수치는 불규칙적으로 증가하였으며, 3bar에서 4bar로 증가시켰을 때의 용액 발생량(소모량)이 가장 높았다. 이는 이 구간에서의 용액 발생량은 압력 변화에 민감하게 반응하고 있으며, 장치의 미립화 효율이 다른 압력 구간에 비해 상대적으로 높다는 것을 알 수 있었다.
- 또한 공급 압력 증가에 따른 용액 발생량(소모량)은 각 오리피스 모두 증가 하였으나, 압력 구간별 증가 수치는 불규칙적으로 증가하였으며, 3bar에서 4bar로 증가시켰을 때의 용액 발생량(소모량)이 가장 높았다. 이는 이 구간에서의 용액 발생량은 압력 변화에 민감하게 반응하고 있으며, 장치의 미립화 효율이 다른 압력 구간에 비해 상대적으로 높다는 것을 알 수 있었다.
- 한편 개발 장치에서 발생되는 액적 입자의 크기 분포는 액체가 통과하는 오리피스의 구멍이 상대적으로 작은 0.3㎜ 오리피스의 미세 액적 발생률이 높았으며, 오리피스 구멍의 직경과 발생되는 액적의 크기와의 관계, 압축 공기 공급 압력과 총 액적 발생량과의 관계는 서로 상관성이 있는 것을 알 수 있었다. 또한 NaCl 입자 크기분포를 측정한 결과, 0.
- 3㎜ 오리피스의 미세 액적 발생률이 높았으며, 오리피스 구멍의 직경과 발생되는 액적의 크기와의 관계, 압축 공기 공급 압력과 총 액적 발생량과의 관계는 서로 상관성이 있는 것을 알 수 있었다. 또한 NaCl 입자 크기분포를 측정한 결과, 0.3㎜ 오리피스를 장착한 장치에서 입자의 응집 현상으로 인해 입자 크기가 증가하고 이에 따라 수농도가 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 이상의 결과를 통해 본 연구의 제작품인 액적 발생장치는 우수한 성능을 보였으며, 향후 다양한 조건에서의 성능 평가가 요구된다.
후속연구
- 5㎜ 오리피스에 비해 입자 크기는 작고 수농도는 높으나, 유량이 작아 입자의 체류시간이 길고 충돌 현상으로 인해 입자 간에 응집이 이루어져 입자의 크기가 커짐과 동시에 수농도는 작아지는 것으로 사료된다. 향후 제작품의 상용화 및 최적의 성능 확인을 위해서는 공급 압력과 오리피스의 다양한 범위에서의 연구가 필요할 것으로 사료된다.
- 3㎜ 오리피스를 장착한 장치에서 입자의 응집 현상으로 인해 입자 크기가 증가하고 이에 따라 수농도가 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 이상의 결과를 통해 본 연구의 제작품인 액적 발생장치는 우수한 성능을 보였으며, 향후 다양한 조건에서의 성능 평가가 요구된다.
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