초록 ▼

□ 연구 목표 및 내용
○ 최종 목표
본 연구책임자가 개발한 MP-PIC-PBE (multiphase particle in cell coupled with population balance equation, 개체균형방정식과 결합된 다중상 입자-셀) 방법의 다중 규모 CFD (computational fluid dynamics, 전산유체역학) 모델을 실험 기반의 검증과 추가적인 수정 및 개발을 통해 신뢰도를 높이고 활용성을 넓힌다. 특히, 물리-화학적 변화에 따른 입자분포도 변화와 입자와 유체 사이의 응력을 정확히 예측할

□ 연구 목표 및 내용
○ 최종 목표
본 연구책임자가 개발한 MP-PIC-PBE (multiphase particle in cell coupled with population balance equation, 개체균형방정식과 결합된 다중상 입자-셀) 방법의 다중 규모 CFD (computational fluid dynamics, 전산유체역학) 모델을 실험 기반의 검증과 추가적인 수정 및 개발을 통해 신뢰도를 높이고 활용성을 넓힌다. 특히, 물리-화학적 변화에 따른 입자분포도 변화와 입자와 유체 사이의 응력을 정확히 예측할 수 있는 본 모델의 장점을 활용하여 미립자의 화학변화를 다루는 다양한 화학공정장치의 강화된 설계 대안을 도출한다. 대상공정 장치는 1. 현탁 중합반응기, 2. 반용매 결정화기, 3. 슬러그 흐름 결정화기로 한다.

○ 전체 내용
본 연구는 MP-PIC-PBE 모델을 이용하여 회분 반응기 시스템, 슬러그 흐름 반응기를 예측할 수 있도록 소스코드를 개발하고, 실험을 통해 모델의 정확성을 검증한다. 또한, 개발된 CFD 모델을 활용하여 현탁중합반응기, 회분형 결정화기 및 슬러그 흐름 결정화기에 대한 강화된 설계 대안을 도출한다.
먼저, 현탁중합 반응기에 관한 연구 수행 과정에서 MRF 기반의 회전날개 교반 현상을 나타내는 방법을 구현하고, 고분자 라디칼 중합을 모사하기 위한 소스코드를 개발했다. 또한, 액적 및 고체 입자의 크기 변화를 예측하기 위한 개체 균형 방정식의 커널들이 수정 및 보완됐다.
슬러그 흐름 반응기 모사를 위한 새로운 모델 개발에서는 슬러그 흐름 반응기를 모사하기 위해 MVP 모델이 개발되었다. 이 모델은 3상 유체 흐름과 성분변화, 입자크기 변화를 동시에 모사하는 최초의 방법론이며, 실험과 비교를 통해 검증되었다.
슬러그 흐름 반응기를 이용한 결정화 실험 과정에서는 광학현미경을 이용한 비전센서가 고안됐다. 단안, 쌍안, 삼안에 이르는 다중 이미징 정보를 활용을 위한 실험 시스템이 고안됐고, 그 실험환경을 독자적으로 구축했다. 특히, 슬러그를 구분하고, 슬러그 내부의 입자 부피를 획득하여 겉보기 밀도를 계산하기 위해 GoogleNet 알고리즘과 Mask R-CNN 조합한 모델이 개발됐다.
앞으로 2단계 연구에서는 개발된 비전 센서를 보완하고, 이를 활용하여 1) 슬러그 흐름 결정화기와 2) 회분식 반용매 결정화기에 대한 실험 결과를 도출하고 이를 통해 MP-PIC-PBE 모델의 개선과 추가 검증을 진행할 것이다.

○ 1단계
● 연구 목표
MP-PIC-PBE 방법을 이용하여 1) 회분식 반응기, 2) 슬러그 흐름 반응기를 예측할 수 있도록 모델을 개선하고, 1) 현탁중합반응기, 2) 슬러그 흐름 결정화기에 대한 사례연구를 통해 MP-PIC-PBE를 검증한다. 연구 과정에서 필요한 실험 데이터는 직접 실험하여 확보하고, 이를 위해 L-아스파라진 모노하이드레이트의 냉각 결정화를 유도하는 슬러그 흐름 결정화기 실험시스템을 구축한다. 그 과정에서 슬러그 내부에 입자형성 과정과 다양한 물리-화학 정보를 측정하기 위한 센서를 개발한다.

● 연구 내용
1. 회분식 고분자 중합기 예측을 위한 MP-PIC-PBE 모델 보완 (1년차): CFD를 사용하여 회전날개 교반 현상을 나타내는 MRF 방법이 구현됐고, 고분자 라디칼 중합을 모사하기 위한 소스코드가 개발되었으며, 이를 통해 액적 및 고체 입자의 크기 변화를 예측하기 위한 개체 균형 방정식의 커널들이 수정 및 보완됐다.

2. 슬러그 흐름 반응기 모사를 위한 새로운 CFD 모델 개발 (1~2년차): 슬러그 흐름 반응기를 모사하기 위해 MVP 모델이 개발되었습니다. 이 모델은 기존의 MP-PIC-PBE 모델에 기-액 상경계를 명확히 모사하는 VOF 모델이 추가된 버전이다. 개발된 모델은 3상 유동과 함께, 성분변화, 고체상 입자크기 변화를 동시해 예측할 수 있는 최초의 CFD 모델이다.

3. 슬러그 흐름 반응기를 이용한 결정화 실험 및 비전 센서 개발 (1~3년차): L-asparagine monohydrate를 사용하여 결정화 과정을 실험했다. 실험연구는 광학현미경을 이용한 새로운 형태의 비전센서를 고안하여 투명한 슬러그 흐름 반응기에서 용액 내부의 입자부피 변화와 슬러그 형상의 부피를 구분할 수 있도록 설계됐다. 특히, 인라인 이미징과 인공지능모델기반의 소프트 센서 형태는 입자와 슬러그 부피를 이용하여 슬러그 밀도를 추론할 수 있도록 할 것이고, 더 나아가 이론모델들과 함께 온도 및 농도를 추론할 수 있도록 할 것이다. 실험 데이터는 MVP 모델의 검증에 사용됐고, 앞으로 PBE 모델의 매개변수 추정에도 활용될 예정이다.

4. 슬러그 흐름 반응기 실험 및 CFD 모사기반 공정 개선방향 탐색 (2~3년차): 슬러그 내부의 입자 혼합도가 입자생성 및 성장에 주요한 인자가 될 수 있다는 사실을 추론했고, 1) 슬러그 길이에 따른 입자크기 변화, 2) 튜브 반응기를 말아 올려 유체 흐름에 벽면 저항을 변화시켰을 때 입자크기 변화를 실험 및 CFD 모사를 통해 조사해봤다. 해당 결과 중 1)은 SCI급 논문에 제출됐고, 2)는 지속적인 연구가 진행중이다.

5. MVP 모델 기반 PBE 커널 매개변수 추정법 설립 (3년차~): 입자 혼합도와 입자생성 및 크기 사이의 상관관계는 2차 핵생성 모델링으로 표현된다. 완전 혼합모델기반의 매개변수들과 달리 CFD 모사에서 보이는 입자의 혼합도는 슬러그 내부에서도 공간적으로 상이하다. 이러한 공간적 입자 분포의 영향을 반영하기 위한 매개변수 추정법이 요구됐고, 계산비용을 최소화한 추정을 위해 중심합성계획 기반의 사례모사와 그 결과를 이용한 반응표면방법 기반의 매개변수 추정 환경을 구축했다.

○ 2단계
● 연구 목표
1단계에서 개발된 MP-PIC-PBE 모델을 더욱 세밀하게 검증하고, 1) 슬러그 흐름 결정화기의 구조적 특징을 분석하는 사례연구, 2) 회분식 반용매 결정화기 모사 및 검증을 수행하여 개발된 모델의 신뢰성을 높이고 활용성을 넓힌다. 검증을 위한 각 장치관련 실험은 직접 구축, 수행한다. 특히, 1단계 단계에서 도출된 프로토타입의 비전센서의 고도화를 수행하여 입자의 겉보기 밀도를 측정할 수 있는 수준에 도달 시킨다. 최종적으로, 검증대상 공정장치들에 대한 개선방안 탐색을 통해 공정 개선안을 도출한다.

● 연구 내용
1. 비전센서의 고도화 (2단계 1차년도): 전략들은 다음과 같다.
① 탐지 및 분할 모델을 개선하기 위해 더 많은 실험을 수행하고 슬러그 이미지를 확보하여 데이터를 생성한다.
② 명확한 영역 분할을 위해 벌크 입자와 슬러그 용액 영역 분할을 미세 조정한다.
③ 입자 겉보기 밀도 추정을 위한 형상인자 도출한다.
④ 삼안 스테레오 비전을 이용한 3D 클라우드 기법 도입한다.
⑤ 비전센서 기반의 입자분포도 측정 도입: 밀접 초점 카메라를 도입하여 입자크기분포도 (히스토그램) 생성을 위한 이미지 처리 과정을 추가한다.
이러한 이론기반의 개념적 아이디어들을 실패의 가능성도 있지만, 순차적으로 테스트하여 센서의 고도화를 이끌어 낼 계획이다.
2. 슬러그 흐름 결정화기의 개선 가능성 CFD 사례 연구 (2단계 1차년도): 고도화된 비전센서와 구축된 MVP 모사 기반의 PBE 매개변수 추정법을 이용하여 MVP 모델의 핵 생성 예측 능력을 개선한다. 이를 통해, 미세유동변화에 따른 입자의 혼합도가 입자크기 변화에 미치는 영향을 정확히 예측할 것으로 기대된다.
슬러그 흐름 결정화기 개선방안 탐색에 관하여, 1단계 연구 성과 중 실험으로 도출된 반응기 각도에 따른 입자크기 변화 결과를 활용하여 개선안을 이끌어낸다. 예를 들면, 환류콘덴서와 같은 형태를 관류를 활용하거나, 지그재그 유로 반응기와 같은 특별한 형태의 반응기의 활용가능성을 탐구한다. 또한, 가능하면 직접 결정화기를 제작하고, 개발된 비전센서를 활용하여 검증 데이터를 확보한다.
3. 반용매 결정화기 실험 및 CFD 모델 검증 (2단계 2차년도): 실험은 회분형 반응기에서 수행될 예정이다. 내부에서 변화하는 입자의 크기변화는 새로이 개발된 비전센서를 이용하여 반응기 외부에서 측정될 수 있다. 반용매 결정화 모델링을 위한 PBE 매개변수는 1단계 3년차에 개발된 MVP 모델 기반 PBE 커널 매개변수 추정을 위한 실험 환경을 이용하여 확보될 것이다. 모사를 위한 초기모델은 이미 1단계 1~2년차에 걸쳐 개발됐으며, 사례 연구를 수행하며 수정 및 보완될 것이다.

□ 연구성과
1. 정성적 성과
1) 현탁중합반응기 모사를 위한 MP-PIC-PBE 모델 개발 완료
2) 과제 신청시 평가관들의 의견을 반영하여 제 3의 대상공정인 슬러그 흐름 결정화기를 선정
3) 슬러그흐름반응기 모사를 위한 모델 개발 완료 (실험 검증 완료)
4) 슬러그흐름반응기 실험 장치의 독립적인 환경 구축 완료
5) MVP 모델의 검증을 위해 현미경 카메라 기반의 비전 센서 개발 예정 (프로토타입 개발 완료)
6) MVP 모델 기반 PBE 매개변수 추정방법 구축 완료
7) MVP 모델 모사 기반 슬러그 흐름 결정화기의 개산안 도출 예정
8) 회분식 반용매 결정화기 모사를 위한 MP-PIC-PBE 모델 개발 예정
9) 회분식 반용매 결정화기의 개선방안 도출 예정

2. 정량적 성과
1) SCI 급 논문 게제 1건 완료
2) SCI 급 논문 제출 1건 완료
2) SCI 급 논문 제출 및 개제 1건 이상 예정
3) 관련 특허 출원 1건 이상 예정

□ 연구성과의 활용 계획 및 기대효과
1. 본 기술의 활용가능 분야
현재의 MP-PIC-PBE 모델은 1단계 (3년간) 연구과정을 거쳐 1) 회분식 고분자중합기, 2) 슬러그 흐름 결정화기를 모사할 수 있는 수준에 이르렀다. 이에 따라, 해당 공정을 사용하거나 개발을 원하는 고분자, 촉매, 고체전해질, 바이오, 제약, 화약 등의 산업군에서 이 모델을 활용할 수 있으며, 신공정 개발을 위한 설계안을 조사하거나 기존 장치의 단점을 보완하는 설계 강화 안을 도출하는 연구들에 활용될 수 있다.
특히, 본 연구자는 2단계까지 연구자 종료되면 본 모델을 기반으로 미립자 제약 생성장치의 고도화 및 국산 기술 확보에 대한 연구확장을 기대하고 있으며, 학술적으로는 유동층 반응기로의 소스코드 확장을 통해 MP-PIC-PBE 모델의 활용능력을 넓혀나갈 계획이다.
2. 기업화 및 기술이전 가능성
Ansys 와 Comsol 과 같은 상업소프트웨어 회사들은 특정 공정해석을 위한 솔루션을 제공하는 기술 및 소스코드를 기술이전 받아 사업화를 한다. 따라서, 현재까지 개발된 1) 고분자 중합기 예측을 위한 MP-PIC-PBE, 2) 슬러그 흐름 반응기 예측을 위한 MP-PIC-PBE 기반의 소프트웨어는 화학 및 재료과학 분야에 상당한 상업적 가치를 가지며, 이를 이용한 제품 개발, 공정 개선 또는 기술 컨설팅 서비스를 제공하는 기업화가 가능할 것이다.
또한, 모델 검증과정에서 도출한 다양한 공정장치들의 개선안에 대해 특허를 확보하고, 현재 개발 중인 비전센서, 슬러그 흐름 실험시스템 등의 특허를 확보한다면 기술이전을 통한 상업적 가치를 창출할 수 있을 것이다.

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 요약문 ... 2
• 목차 ... 6
• 1. 연구과제의 개요 ... 7
• 1) 연구의 목적 ... 7
• 2) 연구의 필요성 ... 7
• 3) 연구 범위 ... 7
• 2. 연구과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 7
• 1) 회분식 고분자 중합기 예측을 위한 CFD 모델 보완 (1년차) ... 7
• 2) 슬러그 흐름 반응기 모사를 위한 새로운 CFD 모델 개발 (1년차) ... 8
• 3) 슬러그 흐름 반응기를 이용한 결정화 실험 (1 ~ 2년차) ... 8
• 4) MVP (MP-PIC coupled with VOF and PBE) 모델의 개선 (2년차) ... 9
• 5) MVP 모델을 이용한 슬러그 흐름 결정화기 시뮬레이션 (2 ~ 3년차) ... 10
• 6) 튜브 각도가 슬러그 흐름 결정화에 미치는 영향 분석 (2 ~ 3년차) ... 10
• 7) MVP 모델 기반 PBE 커널 매개변수 추정법 설립 (3년차) ... 10
• 8) MVP 모델 기반 PBE 커널 매개변수 추정을 위한 실험 장치 고안 (3년차) ... 11
• 9) 실시간 이미징 및 정보 획득 절차 개발 (3년차) ... 11
• 10) 마스크 영역 합성곱 신경망 (Mask R-CNN) 기반 슬러그 감지 및 분할 모델 개발 (3년차) ... 12
• 3. 연구과제의 수행 결과 및 목표 달성 정도 ... 13
• 1) 연구수행 결과 ... 13
• 2) 목표 달성 수준 ... 17
• 3) 목표 미달 시 원인 분석 ... 17
• 4) 중요 연구변경 사항 ... 17
• 4. 연구성과의 관련 분야에 대한 기여 정도 ... 17
• 5. 연구성과의 관리 및 활용 계획 ... 18
• 1) 성과 관리 추진체계 ... 18
• 2) 예상되는 연구성과의 활용분야, 활용방안, 타 연구에의 응용 ... 18
• 3) 기업화 및 기술이전 가능성 ... 19
• 6. 다음 단계 연구계획 ... 19
• 1) 연구 목표 및 내용 ... 19
• 2) 연구 추진전략 ... 20
• 3) 연구 추진일정 및 기대성과 ... 20
• 4) 다음 단계 연구비 사용계획 ... 21
• 5) 연구 성과의 활용방안 및 기대효과 ... 21
• 참고문헌 ... 21
• 끝페이지 ... 27