초록 ▼

□ 연구개발 목표 및 내용
○ 최종 목표
친환경 무연 압전 초음파 나노버블 생성기술과 딱총새우의 집게 구조와 원리를 모사한 나노버블 분사 기술을 가진 녹조제거 나노 버블분사 장치 개발.

○ 전체 내용
- 친환경 무연 압전 소재 제조
- 친환경 무연 압전 소재를 이용한 초음파 진동 나노버블 발생 장치 개발
- 조류 배양 및 녹조 제거량을 정량화하기 위한 방법 제시
- 솔레노이드 펌프를 이용한 유체 이송 펌프 개발
- 딱총새우의 집게발 표면 및 구조를 모사한 노즐 설계 및 제작
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□ 연구개발 목표 및 내용
○ 최종 목표
친환경 무연 압전 초음파 나노버블 생성기술과 딱총새우의 집게 구조와 원리를 모사한 나노버블 분사 기술을 가진 녹조제거 나노 버블분사 장치 개발.

○ 전체 내용
- 친환경 무연 압전 소재 제조
- 친환경 무연 압전 소재를 이용한 초음파 진동 나노버블 발생 장치 개발
- 조류 배양 및 녹조 제거량을 정량화하기 위한 방법 제시
- 솔레노이드 펌프를 이용한 유체 이송 펌프 개발
- 딱총새우의 집게발 표면 및 구조를 모사한 노즐 설계 및 제작
- 최소 80 kPa의 발생 수압(이격거리:4cm)을 갖는 녹조제거 나노버블분사 장치 시작품 제작

○ 최종 목표의 근거
- 본 연구는 딱총새우라는 생물의 충격파발생 기능을 모방하여 실제 녹조 제거 기술에 적용하여 시작품을 제작하는 실용화 과제로 원천기술 개발부터 검증까지 해야 되는 과제의 성격상 3년간 원천기술의 개발 및 최적화를 실시하고 2년 동안 실제 장치를 제작하여 검증하는 기간을 필요로 하여 총 5년간의 연구기간이 필요함.
- 연구비 측면에서는 기본적으로 친환경 소재의 무연 압전 소재를 개발하기 위해서 재료적 소모가 이루어지고 유체 분사장치 개발을 위한 이론적인 접근뿐만 아니라 실험적인 접근을 통해 문제를 해결해야 하기 때문에 다양한 측정 장비사용 및 구축을 위해서 상당량의 재료비가 필요로 하며 실용화를 위한 현금부담금을 가지고 기업이 참여하여 연구기간 이후의 사업화에도 초점을 맞출 수 있음.
- 본 과제에 책임연구자는 유체역학을 기반으로 한 자연모사기술을 가진 전문가로 이미 여러 차례 자연모사 기술과제를 수행한 적이 있으며 유체역학을 기반으로 이론적 실험적 분석을 통한 기술 개발에 특화되어 있고 이외에 출판된 논문을 통해서 알 수 있듯이 압전소자관련 연구 또한 수행한 경험이 있기 때문에 본 연구를 수행함에 적합하다고 생각함.
- 하지만 본 연구를 수행하는데 있어서 국내의 기술로는 무연 압전소자 개발에 한계점을 가지고 있으며 이를 해결하고자 해외 자문을 통해서 연구를 수행하려 함.

○ 1단계
□ 목표
친환경 무연 압전 초음파 나노버블 생성기술과 딱총새우의 집게 구조와 원리를 모사한 나노버블 분사 기술을 가진 녹조제거 나노 버블분사 장치 개발.

□ 내용
- 친환경 무연 압전 소재 제조
- 친환경 무연 압전 소재를 이용한 초음파 진동 나노버블 발생 장치 개발
- 조류 배양 및 녹조 제거량을 정량화하기 위한 방법 제시
- 솔레노이드 펌프를 이용한 유체 이송 펌프 개발
- 딱총새우의 집게발 표면 및 구조를 모사한 노즐 설계 및 제작
- 최소 80 kPa의 발생 수압(이격거리:4cm)을 갖는 녹조제거 나노버블분사 장치 시작품 제작

○ 최종 목표의 근거
- 본 연구는 딱총새우라는 생물의 충격파발생 기능을 모방하여 실제 녹조 제거 기술에 적용하여 시작품을 제작하는 실용화 과제로 원천기술 개발부터 검증까지 해야 되는 과제의 성격상 3년간 원천기술의 개발 및 최적화를 실시하고 2년 동안 실제 장치를 제작하여 검증하는 기간을 필요로 하여 총 5년간의 연구기간이 필요함.
- 연구비 측면에서는 기본적으로 친환경 소재의 무연 압전 소재를 개발하기 위해서 재료적 소모가 이루어지고 유체 분사장치 개발을 위한 이론적인 접근뿐만 아니라 실험적인 접근을 통해 문제를 해결해야 하기 때문에 다양한 측정 장비사용 및 구축을 위해서 상당량의 재료비가 필요로 하며 실용화를 위한 현금부담금을 가지고 기업이 참여하여 연구기간 이후의 사업화에도 초점을 맞출 수 있음.
- 본 과제에 책임연구자는 유체역학을 기반으로 한 자연모사기술을 가진 전문가로 이미 여러 차례 자연모사 기술과제를 수행한 적이 있으며 유체역학을 기반으로 이론적 실험적 분석을 통한 기술 개발에 특화되어 있고 이외에 출판된 논문을 통해서 알 수 있듯이 압전소자관련 연구 또한 수행한 경험이 있기 때문에 본 연구를 수행함에 적합하다고 생각함.
- 하지만 본 연구를 수행하는데 있어서 국내의 기술로는 무연압전소자 개발에 한계점을 가지고 있으며 이를 해결하고자 해외 자문을 통해서 연구를 수행하려 함.

○ 해당 연도
□ 목표
○ 무연 압전 소재를 이용한 압전 초음파 진동 소자의 개발
○ 딱총새우 모사 유체 분사기 개발

□ 내용
- 2차년도 연구결과에 따라 제조된 무연 압전 세라믹 디스크에 대한 특성 평가 (d₃₃, Strain, Q_m,공진주파수, T_c등)에서 가장 최적화된 조건들을 기반으로 하여 압전 초음파 진동 소자 제작조건을 확립함.
- 나노버블 발생장치에 부합하는 압전 초음파를 설계하기 위해서 얇은 멤브레인 형태의 금속 다이아프레임을 진동판으로 이용하는 압전 초음파 설계를 할 예정임.
- 최종 압전 초음파 진동 소자의 경우 최대성능의 압전 초음파 세라믹 디스크의 활용과 더불어 전체 진동자의 설계에 따라 압전 초음파 진동 소자의 구동 주파수와 진동 모드도 현저히 달라지고 이에 따라 나노버블의 농도와 효율 또한 결정되기 때문에 전체 진동자 전반에 걸쳐 정확한 설계와 제작 방법에 대해 체계적인 연구를 진행함.
- 또한, 압전 초음파의 진동판 형태에 따라 20 kHz ~ 3 MHz의 주파수를 갖는 다양한 압전 초음파 진동 소자 제작할 예정임.
- 나노 버블 발생 조건 분석을 위한 실험 진행.
- 솔레노이드 펌프와 앞서 설계된 노즐의 통합 실시. 노즐에서 분사되는 유체의 압력을 측정하여 80 kPa이상의 압력이 측정되도록 솔레노이드 펌프 조건을 설정할 예정임.
- 유체분사기의 이격거리를 PIV기법을 통해서 분석하고 10 cm 이상의 분사 거리를 확보할 예정이며, 분사각에 대한 연구를 진행할 예정. 분사거리가 확보된 상태에서 분사각에 따라서 녹조제거 효율이 크게 차이가 나기 때문에 일정각도 이상의 분사각을 확보할 수 있도록 최적화를 실시할 예정.
- 녹조 관련 세미나 개최 및 관련 학회 참석을 통한 연구 동향파악 및 정보 교류 예정임.
- 녹조 세포 파괴시 발생하는 독성물질을 제거하기 위해서 오존수를 활용하는 것을 검토.

□ 연구개발성과
- BTZ-BCT계 세라믹으로 제작된 초음파 진동자의 공진 주파수 57.69 kHz 확보
- 나노버블 발생에 대한 균일도 90.89% 이상 확보
– 제작된 무연 압전 초음파 진동소자를 통한 나노버블 생성량 기존 상업용 초음파 진동자 대비 83.84% 달성
- 솔레노이드 펌프와 고압분사 노즐이 통합된 유체 분사기를 개발하여 분사거리 20 cm 이상, 분사압력 135.4 kPa 확보

□ 연구개발성과 활용계획 및 기대 효과
- 무연 압전 초음파 진동소자를 사용하여 발생시킨 나노버블을 통한 녹조 제거에 활용 및 추후 초음파 세척기나 초음파 카테터 등 나노버블을 사용하는 다양한 분야에 활용이 가능함
- 다양한 조건에서의 초음파 진동소자를 통한 나노버블 발생 양상 분석을 통해 나노버블 발생을 위한 최적 조건 제시 가능
- 솔레노이드 펌프를 통한 유체 분사기기의 분사 성능 최적화를 통해 보다 적은 에너지를 가지고 유체 분사 성능을 극대화 시킬 수 있음
- 솔레노이드 펌프에 연결된 노즐의 교체만으로 펌프의 성능에 관계없이 분사거리 및 분사 각 등을 조절하여 사용자의 필요에 따라 분사 성능을 조절할 수 있는 유체 분사기기를 제시

(출처 : 요약문 3p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 요 약 문 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 7
• 가. 연구개발의 개요 ... 7
• 나. 연구개발 대상의 국내·외 현황 ... 14
• 다. 기술개발의 차별성 ... 26
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 34
• (1) 1단계 1차년도 ... 34
• (2) 1단계 2차년도 ... 56
• (3) 1단계 3차년도 ... 93
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 정도 ... 122
• 1) 정성적 연구개발성과 ... 122
• 2) 정량적 연구개발성과 ... 123
• 3) 세부 정량적 연구개발성과 ... 126
• 4) 계획하지 않은 성과 및 관련 분야 기여사항 ... 132
• 2) 목표 달성 수준 ... 133
• 4. 목표 미달 시 원인분석 ... 134
• 5. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도 ... 135
• 6. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 136
• 가. 연구개발결과의 활용방안 ... 136
• 나. 사업화계획 및 효과 ... 136
• 다. 기대효과 ... 146
• 7. 연구개발비 사용실적 ... 148
• 8. 중요 연구변경 사항 ... 148
• 9. 다음연도 연구개발계획 ... 149
• 1) 연구개발 목표 및 내용 ... 149
• 2) 국내외 관련 분야 환경변화 ... 174
• 3) 연구개발 추진전략 ... 175
• 4) 연구개발 일정 및 기대 성과 ... 176
• 5) 다음 연도 연구개발비 사용 계획 ... 179
• 6) 사업화 추진 계획 ... 183
• 7) 연구개발 성과의 활용방안 및 기대효과 ... 193
• 끝페이지 ... 195