[논문]전산유체역학을 이용한 화장품 오일 캡슐레이션 현상에 대한 연구

정남균

doi:10.5762/kais.2021.22.2.638

전산유체역학을 이용한 화장품 오일 캡슐레이션 현상에 대한 연구
A Study on the Encapsulation of Cosmetic Oil Using Computational Fluid Dynamics 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.22 no.2, 2021년, pp.638 - 643

초록
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농업분야를 비롯한 식품산업 등 다양한 산업에서 사용되고 있는 오일은 기능성 화장품 개발에도 주요한 원료로 사용되고 있다. 오일은 산소나 빛, 습기 또는 고온에 노출되면 화학적으로 불안정하고 산화되기가 쉬운 특징이 있어 이러한 환경에 그대로 노출되지 않도록 캡슐화하기 위한 다양한 시도가 이루어지고 있다. 오일보다 밀도가 큰 냉매 안에 오일을 주입하면, 오일과 냉매의 밀도차로 인한 부력에 의해 오일이 떠오르면서 오일을 캡슐화 할 수 있는데, 본 연구에서는 이러한 방식의 오일 캡슐레이션 장비를 개발함에 있어 오일 캡슐화의 최적의 장비 구동조건을 찾기 위하여 다상유동에 대한 전산해석을 이용하여 오일 캡슐레이션 현상을 모사하였다. 냉매로는 물이나 세럼(Serum)을 이용할 수 있는 데, 상대적으로 점도가 상당히 작은 물을 냉매로 사용했을 경우는 오일과 물을 지속적으로 주입시키는 방식으로 장비를 구동하더라도 오일액적이 잘 생성됨을 알 수 있었으나, 점도가 매우 큰 세럼을 냉매로 사용했을 경우는 오일이 액적의 형태로 노즐에서 이탈되지 않고 길게 늘어지는 양상을 나타냈다. 세럼을 냉매로 이용한 경우는 오일을 연속으로 주입시키는 방법 대신 짧은 순간 빠르게 주입한 후 얼마의 시간동안 주입을 멈춰 부력에 의해 오일액적을 노즐로부터 이탈시키는 방법을 이용하면 오일액적 생성이 가능함을 알 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Oil is used in various industries, including the agricultural sector, food industry, and functional cosmetics. These oils are chemically unstable and prone to oxidation when exposed to oxygen, light, moisture, or high temperatures. Therefore, various attempts have been made to encapsulate them so that they are not exposed to such environments. When oil is injected into a refrigerant with greater density, the oil can be encapsulated as it rises due to buoyancy caused by the density difference. In this study, oil encapsulation was simulated to find the optimal conditions for operating equipment using computational fluid dynamics (CFD) for multiphase flows. Water or serum can be used as a refrigerant. The viscosity of water is relatively small, and if it is used as a refrigerant, oil droplets can be produced well even if oil and water are continuously injected in the equipment. However, the viscosity of serum is very high, and if it is used, the oil is stretched out and does not leave the nozzle. The results show that when using serum as a cooling medium, oil encapsulation is possible if the injection is stopped for some time after instantaneous injection at high speed.

주제어

표/그림 (13)

그림 Fig. 1. Schematic diagram of oil encapsulating device
그림 Fig. 2. Fluid domain for calculation and boundary conditions (a) 3D domain (b) 2D domain
그림 Fig. 3. Grid system
그림 Fig. 4. Initial state of oil before starting the calculation
그림 Fig. 5. Result of rising pattern of injected oil for V_water = 0.1m/s
그림 Fig. 6. Result of rising pattern of injected oil for V_water = 0.2m/s
그림 Fig. 7. Result of velocity field near oil injection nozzle at T = 2.5 s for V_water = 0.2m/s
그림 Fig. 8. Result of rising pattern of injected oil for V_water = 0.4m/s
그림 Fig. 9. Result of rising pattern of injected oil at T=5 s (a)V_serum = 0.2m/s (b)V_serum = 0.4m/s
그림 Fig. 10. Shape of injected oil after 0.1 s injection with V_oil= 0.4m/s for V_serum = 0m/s
그림 Fig. 11. Result of oil rising pattern after stopping oil injection for V_serum = 0m/s
그림 Fig. 12. Result of oil rising pattern after stopping second oil injection for V_serum = 0m/s
그림 Fig. 13. Velocity field near oil injection nozzle at T=10 s for V_serum = 0m/s

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 오일액적 생성 장치에서 냉매 탱크에 물 또는 세럼을 냉매로 이용했을 경우에 대해, 각각의 냉매에 맞는 장비 구동 조건을 알아보기 위한 해석을 수행하였다.
오일보다 밀도가 큰 냉매 안에 오일을 주입하면, 오일과 냉매의 밀도차로 인한 부력에 의해 오일이 떠오르면서 오일을 캡슐화 할 수 있는데, 본 논문에서는 이러한 방식의 오일 캡슐레이션 장비를 개발함에 있어 오일 캡슐화의 최적 조건을 찾기 위하여 전산해석을 이용한 오일 캡슐레이션 현상을 모사하였다.

가설 설정

2 kg/mㆍs이다. 냉매 내부에서 오일의 표면장력은 0.005 N/m라고 가정하였다.
냉매주입구에 해당되는 경계에서는 냉매의 주입이 필요한 경우는 일정한 속도로 냉매가 주입된다고 가정하였으나, 냉매가 주입되지 않는 경우는 벽조건을 부여하였다. 냉매탱크 상부는 대기압 이가 해진다고 가정한 압력경계 조건을 부여하였다.
위한 장비 구동 조건을 알아보았다. 노즐 내부에는 오일이 Fig. 4와 같이 초기에 이미 채워져 있다고 가정하였고, 오일 입구경계에서 일정한 유속을 가지고 오일이 공급된다고 가정하였다. 냉매주입구에 해당되는 경계에서는 냉매의 주입이 필요한 경우는 일정한 속도로 냉매가 주입된다고 가정하였으나, 냉매가 주입되지 않는 경우는 벽조건을 부여하였다.
냉매의 점도가 오일액적 생성에 주는 영향을 알아보기 위하여 냉매를 세럼으로 바꾸어 계산을 수행하였다. 오일은 물을 냉매로 사용했을 경우와 같이 0.01 m/s로 주입된다고 하였고, 세럼의 주입속도는 0.2 m/s, 0.4 m/s로 가정하였다.
오일의 주입속도는 오일 주입 노즐의 지름과 오일을 주입하는 피스톤의 지름 비율 및 피스톤 구동의 최저 속도 등을 고려하여 0.01 m/s라고 가정하였고, 물의 경우는 유입 속도가 너무 작으면 오일을 노즐로부터 이탈시키기 어려우므로 오일주입 속도의 10배인 0.1 m/s라고 가정하였다. Fig.

제안 방법

따라서 Fig. 2 (b)와 같이 냉매 탱크와 오일주입 노즐의 중앙을 가로지르는 2차원 형상의 유동 영역에 대하여 해석을 수행하였다.
원통형 냉매 탱크(Cooling medium tank)에 노즐을 연결하고 오일주입피스톤(Oil injection piston)으로 가압하여 오일이 노즐을 통해 냉매 탱크 안으로 주입될 수 있도록 하였다. 냉매 탱크 아랫부분에는 바닥에 홀을 가공하고 냉매주입연결구(Cooling medium injection port)를 설치하여 필요할 때 냉매 유입 장치와 연결을 할 수 있도록 하였다. 전체 장비에 해당하는 영역을 해석에 다 고려할 필요는 없으므로, Fig.
600배에 달한다. 냉매의 점도가 오일액적 생성에 주는 영향을 알아보기 위하여 냉매를 세럼으로 바꾸어 계산을 수행하였다. 오일은 물을 냉매로 사용했을 경우와 같이 0.
물의 주입속도가 액적생성에 미치는 영향을 알아보기 위하여 물의 주입속도를 변화시켜가며 계산을 수행하였다. Fig.
오일 주입 노즐과 냉매 주입구를 통해 오일과 물이 연속적으로 주입되는 경우에 대하여 해석을 수행하였다. 오일의 주입속도는 오일 주입 노즐의 지름과 오일을 주입하는 피스톤의 지름 비율 및 피스톤 구동의 최저 속도 등을 고려하여 0.
1과 같다. 원통형 냉매 탱크(Cooling medium tank)에 노즐을 연결하고 오일주입피스톤(Oil injection piston)으로 가압하여 오일이 노즐을 통해 냉매 탱크 안으로 주입될 수 있도록 하였다. 냉매 탱크 아랫부분에는 바닥에 홀을 가공하고 냉매주입연결구(Cooling medium injection port)를 설치하여 필요할 때 냉매 유입 장치와 연결을 할 수 있도록 하였다.
이번 연구에서는 두 가지 액체를 냉매로 사용했을 경우에 대하여 해석을 수행하고, 각각의 경우에 대해 오일 캡슐화를 위한 장비 구동 조건을 알아보았다. 노즐 내부에는 오일이 Fig.
냉매 탱크 아랫부분에는 바닥에 홀을 가공하고 냉매주입연결구(Cooling medium injection port)를 설치하여 필요할 때 냉매 유입 장치와 연결을 할 수 있도록 하였다. 전체 장비에 해당하는 영역을 해석에 다 고려할 필요는 없으므로, Fig. 1에서 적색으로 표시한 부분만을 유동해석 영역으로 하였다.

이론/모형

오일과 냉매의 유동현상 예측을 위하여 ANSYS FLUENT를 이용한 비정상상태 해석을 하였고[5], 다 상 유동(Multiphase flow)해석을 위해서는 VOF(Volume of Fluid)방법을 사용하였는데, VOF방법은 Hirt and Nicols[6]에 의해서 처음 제시되어 최근에는 Rider and Kothe[7]에 의해 확장되었다. 계산에 사용된 물과 세럼, 오일의 밀도는 각각 998 kg/m³, 933 kg/m³, 844 kg/m3이고, 점도는 각각 0.

성능/효과

따라서 세럼을 냉매로 이용한 경우는 물을 냉매로 사용하는 경우와 다른 구동 조건이 필요함을 알게 되었고, 오일을 연속으로 주입시키는 방법 대신 0.1 s 동안 0.4 m/s 의 속도로 주입한 후, 얼마의 시간동안 주입을 멈춰 부력에 의해 오일액적을 노즐로부터 이탈시키는 방법을 이용하면 오일액적 생성이 가능함을 알 수 있었다.
있었다. 오일을 0.01 m/s로 주입하는 동안, 물을 0.1 m/s, 0.2 m/s, 0.4 m/s 로 주입하면 각각의 주입속도에 대해 액적의 직경이 3.09 mm, 2.87 mm, 2.30 mm 정도로 예측되어 물의 주입속도 조절을 통해 오일액적의사이즈 조정이 가능함을 알 수 있었다.
장비 구동을 단순화시키려면 오일 주입을 0.1 s 실행하고 7 s 정도 멈추고 다시 오일을 0.1 s 동안 주입하는 방식을 반복적으로 수행하면 될 것이나, 생산 효율을 높이기 위해서는 첫 번째 오일액적 생성 후에는 오일 주입을 멈추는 시간을 줄이는 방식으로 구동시키는 것이 좋을 것으로 판단된다.
해석결과 상대적으로 점도가 상당히 작은 물을 냉매로 사용했을 경우는 오일과 물을 지속적으로 주입시키는 방식으로 장비를 구동하더라도 오일액적이 잘 생성됨을 알 수 있었다. 오일을 0.

후속연구

따라서 물의 주입속도를 조절하여 오일액적사이즈 조정이 가능할 것으로 판단된다.

참고문헌 (7)

E. Martins, D. Poncelet, R. C. Rodrigues, D. Renard, "Oil encapsulation techniques using alginate as encapsulating agent: applications and drawbacks", Journal of Microencapsulation, Vol. 34, pp. 754-771, 2017. DOI: https://doi.org/10.1080/02652048.2017.1403495

상세보기
Z. A. Ozbek, P. G. Ergonul, "A Review on Encapsulation of Oils", Celal Bayar University Journal of Science, Vol. 13, pp. 293-309, 2017. DOI: https://doi.org/10.18466/cbayarfbe.313358
J. H. Chun, Y. J. Chun, "Study of the Purchasing Behavior of Cosmetics:Focused on Japanese, Chinese Tourist and Korean", Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol.15, No. 12, pp.7459-7466, 2014. DOI: http://dx.doi.org/10.5762/KAIS.2014.15.12.7459

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M. N. Lee, M. H. Jang, I. H. Lee, "The status of skin condition and using of cosmetic for 50's women ", Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol.15, No. 12, pp.7005-7011, 2014. DOI: http://dx.doi.org/10.5762/KAIS.2014.15.12.7005

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ANSYS Inc., "ANSYS FLUENT User's Guide"
C. W. Hirt, B. D. Nichols, "Volume of Fluid (VOF) Mehod for the Dynamics of Free Boundaries", Journal of Computational Phsics, Vol.39, pp.201-225, 1981. DOI: https://doi.org/10.1016/0021-9991(81)90145-5

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W. J. Rider, D. B. Kothe, "Reconstructing volume racking", Journal of Computational Phsics, Vol.141, pp.112-152, 1998. DOI: https://doi.org/10.1006/jcph.1998.5906

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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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