[논문]정전분무의 유체 물성치와 정전 매개변수 따른 분무특성

김지엽; 홍정구

doi:10.15435/jilasskr.2020.25.2.81

정전분무의 유체 물성치와 정전 매개변수 따른 분무특성
Spray Characteristics according to Fluid Properties and Electric Parameters of Electrospray 원문보기

한국분무공학회지 = Journal of ilass-korea, v.25 no.2, 2020년, pp.81 - 88

Abstract ▼ AI-Helper

Electrospray is used in various industries because it can produce continuous and uniform droplets. However, it is difficult to find optimal spraying condition due to lack of data in various conditions. In this study, various conditions were divided into electric parameters and fluid property. The electric parameters set Nozzle to Substrate(NTS), nozzle diameters and the fluid property set viscosity and conductivity as conditions. In this study, it observes spray patterns, Sauter Mean Diameter(SMD) according to conditions. As a result, fluid properties had a greater effect on the cone-Jet mode than on the nozzle diameter, NTS, and flowrate. All of solutions have Stable cone-jet mode at voltage of 8.5 kV, NTS of 20 mm and nozzle diameter of 0.2 mm. SMD has 27% different depending on viscosity and conductivity. The increased flowrate and viscosity are rising break-up length and thickening jet also jet is thinned by increased conductivity. Experiments have confirmed that the jet is thickened by increased flowrate and viscosity, and that the jet is thinned by conductivity.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1 Mechanism of electrospray and Cone-Jet
그림 Fig. 2 Schematic diagram of the experimental setup
그림 Fig. 3 Fluid property data according to citric acid
표 Table 1 Experimental specification
표 Table 2 Test fluid conditions
표 Table 3 Experimental conditions
그림 Fig. 4 Spray modes of electrospray
그림 Fig. 6 Cone-Jet mode according to Nozzle Diameter
그림 Fig. 5 Cone-Jet mode according to NTS
그림 Fig. 7 Cone-Jet mode according to test fluid
그림 Fig. 8 SMD according to Flowrate
표 Table 4 Average SMD ratio

AI 본문요약
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문제 정의

따라서, 본 연구에서는 정전분무의 분무특성을 파악하기 위한 연구로서, 실험 조건을 유체의 전기전도도와 점도인 유체 물성치 인자와 노즐 직경과 NTS를 실험변수로 두고자 한다. 각 인자에 따른 평균 액적 크기와 분무 특성을 실험적으로 확인하여, 정전분무의 분무특성에 지배적인 영향을 미치는 인자에 대해 고찰하고자 한다.
따라서, 본 연구에서는 정전분무의 분무특성을 파악하기 위한 연구로서, 실험 조건을 유체의 전기전도도와 점도인 유체 물성치 인자와 노즐 직경과 NTS를 실험변수로 두고자 한다. 각 인자에 따른 평균 액적 크기와 분무 특성을 실험적으로 확인하여, 정전분무의 분무특성에 지배적인 영향을 미치는 인자에 대해 고찰하고자 한다.
Table 3는 실험 조건을 나타낸다. 모든 실험 조건은 정전분무에서 콘-제트 모드 인가전압 및 범위에 미치는 영향을 관찰하기 위함이다. 모든 실험은 조건 당 20회 진행하였다.
본 연구는 정전분무 유체 물성치와 실험 변수에 따른 분무 및 미립화에 관한 실험을 진행하였다. 이에 따라 분무 패턴, 콘-제트 모드 인가 범위, 평균 액적 크기를 파악하였으며, 유체 물성치 및 실험 변수에 따라 정전분무 및 미립화 특성에 미치는 영향에 대해 고찰하였다.

제안 방법

5 mm(nozzle gage : 21, 27, 30, 32, 34)로 실험을 진행하였다. NTS는 거리에 따른 콘-제트 모드 인가전압 범위와 전기력 세기 및 전기장 형성을 확인하기 위해 5, 10, 15, 20,25, 30, 40, 50 mm로 실험을 진행하였다.
또한, Lee 등⁽²²⁾은 콘-제트 모드 내에서 분무 가시화를 보다 더 세분화 하였다. 본 실험을 통해 분무 패턴을확인한 결과 6가지 형태의 분무 패턴을 확인하였다. (a)드리핑(Dripping)의 경우 전기장의 영향은 거의 없고 중력에 대한 영향이 크게 작용한다.
3^o를 나타내었다. 분무 안정성이 우수 하고 연속적인 미세액적을 얻기 위해 안정된 콘-제트 모드에서 실험을 진행하였다.
전압 공급부는 가변형 고전압 전원을 이용해 노즐에 (–)극 기판에 (+)극을 대전하였고, 내부 컨트롤러(Controller)를 통해 전압을 조절하여 공급하였다. 분무 유동 가시화를 위해 초고속 카메라와 스트로보스코프(Stroboscope)를 사용하여 분무 가시화 이미지를 촬영하였다. 한 실험 당 100개 이상의이미지가 분석되었으며, 인가전압에 의해 분무가 정적인 상태에 도달한 이후, 가시화를 진행하였다.
본 연구는 정전분무 유체 물성치와 실험 변수에 따른 분무 및 미립화에 관한 실험을 진행하였다. 이에 따라 분무 패턴, 콘-제트 모드 인가 범위, 평균 액적 크기를 파악하였으며, 유체 물성치 및 실험 변수에 따라 정전분무 및 미립화 특성에 미치는 영향에 대해 고찰하였다.
전압 공급부는 가변형 고전압 전원을 이용해 노즐에 (–)극 기판에 (+)극을 대전하였고, 내부 컨트롤러(Controller)를 통해 전압을 조절하여 공급하였다.
분무 유동 가시화를 위해 초고속 카메라와 스트로보스코프(Stroboscope)를 사용하여 분무 가시화 이미지를 촬영하였다. 한 실험 당 100개 이상의이미지가 분석되었으며, 인가전압에 의해 분무가 정적인 상태에 도달한 이후, 가시화를 진행하였다. 노즐로부터 분사되는 평균 액적 크기(Sauter Mean Diameter,SMD)와 액적 분포도(Droplet Distribution)는 레이저 회절(Laser diffraction)원리를 이용한 Simple droplet sizing-system 사용했다^(19,20).

대상 데이터

중심부의 노즐은 방사형 노즐(Single Plastic Nozzle, NNC-PN-21GA ~ 34GA)이다. 기판은 알루미늄 재질(D: 70 mm, H: 10 mm)로 표면을 평평하게 제작하였다. 외부 환경 요소에 의한 분무 패턴 변화를 방지하기 위해 커버(Cover)내에서 실험을 진행하였다.
Figure 3은 실험에 사용된 용액의 교반 데이터이다.실험 용액의 물성치를 조절하기 위해 증류수(Distilledwater), 글리세롤(Glycerol), 시트르산(Citric acid)를 이용해 혼합용액을 교반하였다. 혼합용액은 멀티 가열 자력교반기(S07-72-050)를 이용하여 실험 용액을 제조하였다.
3의 교반 결과를 바탕으로 본 실험에서 혼합 용액의 물성치를 나타내는 표이다. 실험에 사용된 용액은 총 5가지이며, 각 용액의 물성치중 밀도와 표면장력은 용액 5가지 모두 최대한 고정한 상태에서 교반을 진행하였다. 표면장력과 밀도의 경우 데이터 차이가 미미해 다른 유체 물성치에 비해 실험 변수에 영향을 주지 않는다.
실험 용액의 물성치를 조절하기 위해 증류수(Distilledwater), 글리세롤(Glycerol), 시트르산(Citric acid)를 이용해 혼합용액을 교반하였다. 혼합용액은 멀티 가열 자력교반기(S07-72-050)를 이용하여 실험 용액을 제조하였다. 멀티 가열 자력 교반기를 이용한 과정에서 분위기온도는 25oC로 고정하고, 40 rpm에서 12시간 교반을 진행하였다.

이론/모형

한 실험 당 100개 이상의이미지가 분석되었으며, 인가전압에 의해 분무가 정적인 상태에 도달한 이후, 가시화를 진행하였다. 노즐로부터 분사되는 평균 액적 크기(Sauter Mean Diameter,SMD)와 액적 분포도(Droplet Distribution)는 레이저 회절(Laser diffraction)원리를 이용한 Simple droplet sizing-system 사용했다^(19,20).

성능/효과

(1) 인가전압에 따른 정전분무의 6가지 형태의 분무 패턴을 확인하였으며, Taylor⁽⁴⁾ 가 주장한 반각 약 49.3^o를 나타내는 안정된 콘-제트 모드를 확인하였다.
(2) 노즐 직경, NTS, 점도 증가에 따라 콘-제트 모드가 구현되는 인가전압이 지연되는 것을 확인 했으며, 유체 물성치와 실험 변수에 따라 안정된 콘-제트 모드 구현 조건이 달라질 수 있다.
(3) S, V1, C1 용액조건에서 유량 증가에 따라 평균 액적 크기가 선형적으로 증가함을 확인하였다. 또한, 유체 물성치에 따라 동일 유량 조건에서 S와 C1 용액에 따른 평균 액적 크기 차이(약 8.
또한, 노즐 외경의 크기로 액적이 일정한 빈도로 분무되는 것을 확인하였다. (b)마이크로 드리핑(Micro dripping)의 경우 노즐 직경보다 작은 크기의 액적이 형성되며, 인가전압을 증가시킬수록 드리핑 보다 빠른 주기로 분무하였다. (c)스핀들(Spindle)의 경우는 노즐 팁으로부터 콘 형상을 띄며 제트로 변형되지 않고 액적으로 분무되었다.
이는 노즐의 단위 직경이 증가 할 시 콘이 유지되기 위해서는 표면장력에 의해 더 높은 인가전압이 필요하기 때문이다. 동일 노즐 직경에서 유량에 따른 콘-제트 모드 인가전압의 경우, 직경 0.2 mm에서 유량 0.3 ml/h에서 1.5 ml/h의 유량 변화에 따른 콘-제트 모드 인가전압을 확인하였으며, 실험 조건 하의 최대, 최소 유량 차는 약 6%인 것을 확인하였다. 동일 노즐 직경에서 유량이 증가할 시 유속이 증가하므로, 유체 표면에 대전되는 전하량이 적어지는 것으로 판단된다.
NTS가 먼 경우 전기력이 약해지고 전기장 세기가 약해져 높은 전압을 인가해야 콘-제트 모드가 형성되므로, 각 모드가 지연되어 형성된다. 또한, NTS가 증가할수록 분무 과정 중 비산되는 액적이 많고기판 위에 넓은 범위로 증착되는 것을 확인했다. 이에 실험 용액이 모두 동일 전압에서 콘-제트 모드가 되고, 비산되는 양이 적은 20 mm에 고정한 후 실험을 진행하였다.
분무 패턴은 유량 증가에 따라 제트의 두께가 증가하고 분열 길이가 증가에 의해 평균 액적 크기가 증가 된 것을 확인하였으며 선행연구와 유사함을 확인하였다⁽¹⁸⁾. 또한, S 용액의 기준으로 전기전도도가 높은 V1 용액은 평균 액적 크기가 감소함을 확인하였고, 제트의 두께가 얇아지고 분열 길이가 짧아지는 것을 확인하였다.
(a)드리핑(Dripping)의 경우 전기장의 영향은 거의 없고 중력에 대한 영향이 크게 작용한다. 또한, 노즐 외경의 크기로 액적이 일정한 빈도로 분무되는 것을 확인하였다. (b)마이크로 드리핑(Micro dripping)의 경우 노즐 직경보다 작은 크기의 액적이 형성되며, 인가전압을 증가시킬수록 드리핑 보다 빠른 주기로 분무하였다.
Figure 3(b)의 경우 시트르산 무게 백분율 증가에 따른 전기전도도 증가를 나타내는 그래프로써, 증류수와 글리세롤의 무게 백분율은 (a)와 같이 시트르산 무게 백분율을 제외한 비를 증류수와 글리세롤의 백분율로 나타내었다. 시트르산 무게 백분율이 동일한 경우 증류수의 백분율이 높을수록 전기전도도가 높음을 확인하였고, 2.01 mS/cm에서 점도와 동일하게 3가지 용액을 교반하였다.
2 mm, NTS은 20 mm이다. 실험에 사용된 용액 모두 8.5 kV에서 SCJ 범위 내에 있는 것을 확인하였다. 그 중 전기전도도가 높은 V1, V2 용액이 콘-제트 모드 인가전압 조건이 낮은 것을 확인하였다.
실험은 S용액 NTS을 20 mm에 고정하고 실험 하였다. 안정된 콘-제트모드(SCJ)의 범위는 7 kV ~ 9.5 kV인 것을 확인하였고, 기울어진 콘-제트 모드(TCJ)의 범위는 4.5 kV ~ 7 kV인것을 확인하였다. 노즐 직경 증가에 따라 인가전압이 약2% 가량 선형적으로 증가되며, 이는 본 실험 조건보다큰 0.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	정전분무는 무엇인가?	정전분무는 고전압을 인가시켜 유체를 미립화 하는 방법으로써, 다른 액체 미립화 기구에 비해 장치 구성이 간단하고 마이크로미터 수준의 액적을 쉽게 발생시키는 장점을 가지고 있다(1).
	정전분무의 장점은 무엇인가?	정전분무는 고전압을 인가시켜 유체를 미립화 하는 방법으로써, 다른 액체 미립화 기구에 비해 장치 구성이 간단하고 마이크로미터 수준의 액적을 쉽게 발생시키는 장점을 가지고 있다(1).
	정전분무의 메커니즘은 무엇인가?	1(a)과 같다. 노즐(Nozzle)에 (−)극을 인가시키고 기판(Substrate)에 (+)극을 인가하면, 노즐과 기판 사이에 전기장이 형성된다. 이후 (−)극으로 대전된 유체는 노즐 팁(Tip)으로부터 콘(Cone)형상이 형성되고 이후 제트(Jet)로 변형되어 액적으로 분열된다. 분열된 액적은 기판 위에 균일한 크기로 연속적으로 쌓이게 된다(2). Fig. 1(b)은 콘의 형성 메커니즘을 나타낸 그림이다. 콘 형상은 유체 표면에 전하를 대전시키면 내부압력이 상승하고, 전기적 압력(전압)과 표면장력이 평행 조건일 때 형성된다(3,4). 노즐에 (−)극의 고전압을 인가시킬 경우 전도성 액체 내부에 용해되어있던 양이온들이 전하 분리 현상에 의해 유체 표면으로 이동하고 이에 양이온 간의 전기적 척력에 의해 유체는 분무 하단으로 갈수록 빠르게 가속화 된다. 가속화된 유체는 콘 형상의 노즐 팁으로부터 표면 전단응력(Surfaceshear stress)에 의해 가는 액주 제트가 형성되고, 이후 유체에서 형성된 종 방향 혹은 횡 방향의 교란에 의해 액적으로 분열된다. 중력의 경우 분무 하류 방향으로 힘이 작용되며, 점도는 반대 방향으로 힘이 작용하게 된다. 이에 따라 유체의 속도 분포(Profile of velocities)는 제트의 바깥쪽에서 중심부로 향할수록 속도가 작아지는 경향을 보인다.(5,6) 정전분무의 다양한 분무 모드 중 콘제트 모드(Cone-Jet mode)의 경우 분무 안정성과 연속성이 우수하고 균일한 액적 사이즈를 얻을 수 있는 장점을 가진다. 또한 나노 미터단위의 액적을 생성할 수 있으며, 시스템 응답성이 빠르고 재현성이 뛰어나다.

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저자의 다른 논문 :

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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