[논문]관성/확산필터를 이용한 나노입자의 분류기술 연구

김용구; 이상열; 김한나; 노학재; 봉춘근; 김대성

doi:10.11629/jpaar.2015.11.2.029

문제 정의

따라서 본 연구에서는 이러한 원리를 이용하여 포집특성을 알아보기 위해 섬유 확산필터를 제작하였다. 확산필터 실험은 조건을 달리하여 2가지 경우에 대해 알아보았다.
본 연구는 기존 연구 결과를 바탕으로 관성필터와 확산필터를 제작하여 필터의 입자 포집특성과 입자 제거 원리를 확인하는 기초연구이며, 향후 100㎚ 이상의 입자만을 제거하는 관성필터와 100㎚ 이하의 입자를 10㎚ 단위로 분극하여 제거할수 있는 확산필터를 제작하는데 기초자료로 활용 하고자 한다.
본 연구에서는 Wiremesh를 이용하여 관성필터 및확산필터를 자체 제작하고, 관성력과 브라운 확산운동에 따른 나노입자의 포집 특성을 알아보았으며 연구결과는 다음과 같다.
연구진행에 앞서 나노입자를 분류·제거하고자 하는 최근 연구결과들을 살펴보았다.

제안 방법

Atomizer로부터 발생된 입자의 수분을 제거하기 위해 실리카겔이 들어있는 Diffusion Dryer에 통과시키고, 챔버로 보내어 20 ℃로 온도를 조절하였다. 챔버 내부의 노즐을 통하여 나온 입자는 마찰이나 기타 외부요인에 의해 전기적인 대전이 될 수 있으므로 이를 대기 중의 입자와 같은 표준 중성입자로 만들어 주기 위해 에어로졸 대전 중화장치(aerosol charge neutralizer)를 통과시켰다.
나노입자의 입경분리를 위한 분리용 필터를 개발하기 위해 설계 제작된 확산필터의 홀더에 Wiremesh 장착수를 2개 이상 증가시켜 나노입자 입경분리 특성을 파악하는 실험을 수행하였다.Wiremesh 장착수에 따른 포집효율을 알아보기 위한 실험 구성은 Wiremesh 종류에 따른 실험구성과 동일하며, Wiremesh 400을 이용하여 sheet 장착수를 1개, 3개, 5개로 구분하여 입경분포 특성을 알아보았다.
나노입자의 입경분리를 위한 분리용 필터 개발을 위해 확산필터에 장착되는 Wiremesh sheet 수를 달리한 실험 결과를 살펴보았다. SMPS를 이용하여 Wiremesh의 개수에 따른 입자수를 알아본 결과 입자 포집 전과 입자 포집 후의 입자 수 변화가 그림 11과 같이 나타났다.
각 mesh 종류의 사양을 표 2에 나타내었다. 나노입자의 입경분리를 위한 분리용 필터를 개발하기 위해 설계 제작된 확산필터의 홀더에 Wiremesh 장착수를 2개 이상 증가시켜 나노입자 입경분리 특성을 파악하는 실험을 수행하였다.Wiremesh 장착수에 따른 포집효율을 알아보기 위한 실험 구성은 Wiremesh 종류에 따른 실험구성과 동일하며, Wiremesh 400을 이용하여 sheet 장착수를 1개, 3개, 5개로 구분하여 입경분포 특성을 알아보았다.
CPC3010, DMA3081, 미국)를 사용하여 측정하였더니 장비의 측정한계치인 10,000 #/cm³ 을 초과하였다. 따라서 데이터의 정확성을 위하여 Diluter(Model DI-120, HCT Co., Ltd, 한국)를 통해 1,000배정도 희석하여 사용하였으며, 동일 조건에서 3회 이상 측정하였다.
확산필터 실험은 조건을 달리하여 2가지 경우에 대해 알아보았다. 첫 번째 실험은 Wiremesh 종류에 따른 포집효율을 알아보는 실험이고, 두 번째 실험은 Wiremesh 장착수에 따른 포집효율을 알아보는 실험을 수행하였다. 포집효율은 식 3과 같이 계산하였다.
8 L/min의 유량으로 관성필터로 투입시켰다. 필터를 통해 빠져나온 입자를 전기적 이동도를 이용해 크기별로 분리하는 DMA(differential mobility analyzer)와 광학적 입자 계수기인 CPC(Condensation Particle Counter)를 이용하여 입경 분포를 측정 분석하였다.
따라서 본 연구에서는 이러한 원리를 이용하여 포집특성을 알아보기 위해 섬유 확산필터를 제작하였다. 확산필터 실험은 조건을 달리하여 2가지 경우에 대해 알아보았다. 첫 번째 실험은 Wiremesh 종류에 따른 포집효율을 알아보는 실험이고, 두 번째 실험은 Wiremesh 장착수에 따른 포집효율을 알아보는 실험을 수행하였다.
확산필터에 의한 입자 포집 특성을 알아보기 위해 먼저 Wiremesh 종류(Wiremesh 400과 Wiremesh 500)에 따른 입경분포와 포집효율을 알아보았다. 그림 9와 그림 10과 같이 Wiremesh 400과 Wiremesh 500으로 NaCl의 입자를 분리하였을 때 입자의 직경에 따른 포집 효율을 나타내었다.

대상 데이터

관성필터는 직육면체와 원통형의 2가지 타입으로 제작하였다. 충진재료는 Wiremesh 400(mesh filter Industry Inc.
관성필터는 직육면체와 원통형의 2가지 타입으로 제작하였다. 충진재료는 Wiremesh 400(mesh filter Industry Inc., Korea)을 사용하여 필터홀더에 충진하여 사용하였다. 홀더 모양이 직육면체 타입의 경우, Wiremesh의 사용량은 2000 cm² 이며, 지그재그형태로 충진하였다.

이론/모형

이는 같은 관성필터 재질 이더라도 통과유량(여과속도)의 변화로써 입경분리 조절이 가능하다는 것을 알 수 있었다. 또한 이 연구를 통해 개발된 Nanosampler는 관성력을 이용하여 입자의 크기를 0.07㎛ 까지 분리할 수 있는 기술로써 KANOMAX에 의해 상용화되었다. Brochot et al.

성능/효과

정방형과 원통형으로 제작된 관성필터의 경우, 관성필터 전단에서 측정한 입자수가 후단에서 측정한 입경분포에 비해 입자 개수농도가 상당히 감소하였음을 알 수 있었다. 관성필터의 포집효율은 이론상의 포집효율과 유사한 그래프가 나타났으며, 정방형 필터의 관성필터가 원통형에 비해 Wiremesh의 충진 가능 최대 체적량이 크고 그에 따라 비표면적이 넓어 포집효율이 더 높은 것으로 판단되었다.
그림 9와 그림 10과 같이 Wiremesh 400과 Wiremesh 500으로 NaCl의 입자를 분리하였을 때 입자의 직경에 따른 포집 효율을 나타내었다. 그래프에 나타난 바와 같이 Wiremesh 400을 이용하였을 때 포집율이 양호하고 입경분리가 가능한 것을 알 수 있었다. 반면에 Wiremesh 500을 이용하였을 경우에는 작은 입자에서의 포집효율은 좋으나 큰 입자까지 모두 포집하는 단점이 발생하였다.
Wiremesh의 종류를 달리하여 제작된 확산필터의 경우, 필터 전단에서 측정한 입자수가 필터후단에서 측정한 입경분포에 비해 입자 개수농도가 상당히 감소하였음을 알 수 있었다. 높은 숫자의 Wiremesh 일수록 작은입자의 포집효율이 증가하는 것을 알수 있었다.
따라서 이에 따라 입경별 분리가 가능할 것으로 판단되었다. 또한 Wiremesh의 숫자가 클수록 wire가 가늘고, wire의 개수가 많기 때문에 나노입자의 포집 효율이 증가할 것으로 판단된다.
본 연구에서 제작한 관성필터와 확산필터 실험 결과 모두 이론적 제거원리와 유사한 그래프로 나타났다. 따라서 대기 중에 존재하는 100 ㎚ 이하의 입자를 효율적으로 분석하기 위해 100 ㎚를 초과하는 입자를 관성필터에 의해 제거하고, 브라운 확산 특성을 이용하여 100 ㎚ 이하의 입자를 10 ㎚ 단위로 분극하는 기술개발이 가능할 것으로 판단된다.
, Korea)의 섬유필터를 사용하여 나노입자를 분류하였는데, 여과속도가 작을수록 작은 입경에서의 포집효 율이 높고 속도가 증가할수록 100㎚ 이상 입자들의 포집 효율이 증가하였다. 이는 같은 관성필터 재질 이더라도 통과유량(여과속도)의 변화로써 입경분리 조절이 가능하다는 것을 알 수 있었다. 또한 이 연구를 통해 개발된 Nanosampler는 관성력을 이용하여 입자의 크기를 0.
Wiremesh의 장착수를 달리하여 제작된 확산필터의 경우, 사이즈가 35 ㎚ 이하인 입자의 포집효율이 70 % 이상으로 상당히 제거가 되는 것으로 나타났다. 즉, Wiremesh 장착수가 많을수록 입자의 체류시 간이 증가하기 때문에 포집효율이 증가하는 것을알 수 있었다.
포집율 50 %를 최대투과율경이라고 봤을 때, Wiremesh가 1장일 경우 36 ㎚의 입자까지 제거되고, 3장일 경우 38 ㎚까지 제거, 5장일 경우 43 ㎚까지 제거가 되는 것으로 판단된다. 즉, Wiremesh의 장착 수가 많을수록 포집효율이 증가하는 것을 알 수 있었다. 이러한 결과를 통하여 확산필터를 통해 특정 크기의 입자를 포집 제거할 수 있는 기술개발이 가능할 것으로 판단된다.
따라서 대기 중에 존재하는 100 ㎚ 이하의 입자를 효율적으로 분석하기 위해 100 ㎚를 초과하는 입자를 관성필터에 의해 제거하고, 브라운 확산 특성을 이용하여 100 ㎚ 이하의 입자를 10 ㎚ 단위로 분극하는 기술개발이 가능할 것으로 판단된다.특히, Peclet number, Stokes number, 필터의 두께, 여과 속도 등의 적절한 조절로써 분극 입경을 결정할수 있을 것으로 판단된다.

후속연구

본 연구에서 제작한 관성필터와 확산필터 실험 결과 모두 이론적 제거원리와 유사한 그래프로 나타났다. 따라서 대기 중에 존재하는 100 ㎚ 이하의 입자를 효율적으로 분석하기 위해 100 ㎚를 초과하는 입자를 관성필터에 의해 제거하고, 브라운 확산 특성을 이용하여 100 ㎚ 이하의 입자를 10 ㎚ 단위로 분극하는 기술개발이 가능할 것으로 판단된다.특히, Peclet number, Stokes number, 필터의 두께, 여과 속도 등의 적절한 조절로써 분극 입경을 결정할수 있을 것으로 판단된다.
즉, Wiremesh의 장착 수가 많을수록 포집효율이 증가하는 것을 알 수 있었다. 이러한 결과를 통하여 확산필터를 통해 특정 크기의 입자를 포집 제거할 수 있는 기술개발이 가능할 것으로 판단된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	자동차 배기가스의 대부분은 어떠한 입자인가?	직경 100㎚ 이하인 극미 세입자를 대상으로 많은 연구가 진행되고 있으며, 입자의 크기가 작을수록 표면적의 증가로 인해 인체 위해성 또한 증가할 것이라는 의견이 지배적이다. 자동차 배기가스의 대부분이 극미세입자로 이루어져 있으며, 극미세입자는 도시지역 대기오염 증가의 주요 원인으로 알려져 있다.(Thomas et al.
	입자크기가 작을 수록 발생하는 문제점은?	5㎛), 극초미세입자(<100㎚), 나노입자 (<50㎚) 등으로 인한 건강위해성 관련 피해사례도 발생하고 있다. 또한, 최근에는 입자크기가 작아질수록 비표면적(surface area to volume ratio)의 증가로 인한 반응성 및 독성이 증가한다고 알려지면서 극초미세입자와 나노입자에 대한 관심이 증대되고 있다(OberdÖrster, 2004).
	나노입자 분류 과정에서 여과속도가 작을 수록 작은 입경에서 포집효율이 높고 여과속도가 증가할수록 100nm 이상 입자들의 포집 효율이 증가한 것을 통해 알 수 있는 것은?	, Korea)의 섬유필터를 사용하여 나노입자를 분류하였는데, 여과속도가 작을수록 작은 입경에서의 포집효 율이 높고 속도가 증가할수록 100㎚ 이상 입자들의 포집 효율이 증가하였다. 이는 같은 관성필터 재질 이더라도 통과유량(여과속도)의 변화로써 입경분리 조절이 가능하다는 것을 알 수 있었다. 또한 이 연구를 통해 개발된 Nanosampler는 관성력을 이용하여 입자의 크기를 0.

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