초록 ▼

□ 연구 목표 및 내용
○ 최종 목표
본 연구과제의 최종 목표는 초고속/고해상도 방사광 X-선 영상법을 이용한 기포 분열 메커니즘 분석과 노즐 식 마이크로버블 생성기의 최적화 기술 개발, 그리고 마이크로버블 축소과정 가시화를 통한 나노버블 형성 메커니즘 분석과 나노버블 생성 최적화 기술 개발임.

○ 전체 내용
본 연구과제의 최종 목표를 실현하기 위해서 우선 1-1) 방사광 X-선 영상법을 적극 활용하여 단일 기포 대상의 기포 계면 거동을 가시화함. 가시화 실험을 통해 얻은 기포 계면 거동 이미지와 PIV

□ 연구 목표 및 내용
○ 최종 목표
본 연구과제의 최종 목표는 초고속/고해상도 방사광 X-선 영상법을 이용한 기포 분열 메커니즘 분석과 노즐 식 마이크로버블 생성기의 최적화 기술 개발, 그리고 마이크로버블 축소과정 가시화를 통한 나노버블 형성 메커니즘 분석과 나노버블 생성 최적화 기술 개발임.

○ 전체 내용
본 연구과제의 최종 목표를 실현하기 위해서 우선 1-1) 방사광 X-선 영상법을 적극 활용하여 단일 기포 대상의 기포 계면 거동을 가시화함. 가시화 실험을 통해 얻은 기포 계면 거동 이미지와 PIV를 이용한 속도장을 통해 기포 계면 거동을 분석하고 기포 분열 메커니즘을 이해함. 이후 실제 노즐 식 마이크로버블 생성기로 자흡되는 형태인 1-2) 다중 기포 대상으로 기포 계면 거동 가시화를 수행하고 단일/다중 기포 실험 차이점 분석을 통해 기포 분열의 메커니즘에 대한 이해를 확장하고 규명함, 마지막으로 다양한 설계 변수에 대한 성능지표 변화를 분석함으로써, 1-3) 두 인자 간의 상관관계를 도출하여 마이크로버블 생성기 최적화 기술을 개발함. 성능 예측 모델을 통해 실제 적용 가능한 시제품을 제작하여, 연구수행기관 내 위치한 1-4) 양어장 테스트를 통한 마이크로버블 발생기 최적화 기술을 검증함.
이후 생성된 2-1)마이크로버블의 축소과정에서 용매(물)로의 물질 이동과 계면 거동을 가시화함. 가시화 실험을 통해 용매의 ph, 이온 수, 기포의 성분(공기, CO₂, O₃ 등) 등과 같은 설계변수에 따른 영향을 분석하여, 나노버블 형성 메커니즘을 분석함. 이를 통해 2-2)적용처에 적합한 나노버블을 생성하는 최적화 기술을 개발함.

○ 1단계
● 연구 목표
1단계 연구 목표는 노즐 식 마이크로버블 생성기의 최적화 기술 개발로써, 다양한 설계 변수에 대해 다중 기표 계면 거동 가시화 실험을 가시광선과 방사관 X선을 활용하여 수행함. 이롤 통해 성능지표에 영향을 줄 수 있는 설계변수를 찾아내고, 그 영향을 정확히 분석함으로써, 설계 변수와 성능지표 간의 상관관계를 도출하여 마이크로버블 성능(기포의 크기 및 밀도) 면에서 최적화할 수 있는 기술을 개발함. 이후 성능 예측 모델을 통해 실제 적용 가능한 시제품을 제작하여, 연구수행기관 내 위치한 양어장 테스트를 통한 마이크로버블 발생기 최적화 기술을 검증함.

● 연구 내용
기포 크기와 밀도 제어를 위해 노즐 내 기포 분열 메커니즘 규명함. 1차년도에는 단일 기포 대상 기포 계면 거동 가시화 연구를 수행하고 2차년도에는 다양한 설계 변수에 따른 다중 기포 계면 거동 가시화 실험을 방사선 X-선 영상법을 활용하여 수행함. 이로써 다양한 설계 변수들의 영향도를 평가하고 주된 효과를 나타내는 설계 변수와 기포 사이의 상관관계를 유추함. 그리고 단일 기포 및 다중 기포에서 나타나는 유동장 및 계면 거동의 차이점을 비교, 분석함으로써 기포 분열 메커니즘을 규명함.

○ 2단계
● 연구 목표
2단계 연구 목표는 노즐 식 마이크로버블 생성기의 최적화 기술 개발로써, 다양한 설계 변수에 대해 다중 기표 계면 거동 가시화 실험을 가시광선과 방사관 X선을 활용하여 수행함. 이롤 통해 성능지표에 영향을 줄 수 있는 설계변수를 찾아내고, 그 영향을 정확히 분석함으로써, 설계 변수와 성능지표 간의 상관관계를 도출하여 마이크로버블 성능(기포의 크기 및 밀도) 면에서 최적화할 수 있는 기술을 개발함. 이후 성능 예측 모델을 통해 실제 적용 가능한 시제품을 제작하여, 연구수행기관 내 위치한 양어장 테스트를 통한 마이크로버블 발생기 최적화 기술을 검증함.

● 연구 내용
1단계 연구를 통해 마이크로버블의 생성 메커니즘과 설계인자와 성능지표간의 상관관계에 대한 탐구를 통해 마이크로버블 생성기의 최적화 기술을 개발하였음. 최근 마이크로버블과 같은 미세기포에 대한 관심은 메디컬 분야에서 활용할 수 있는 나노버블로 옮겨졌고, 2단계 연구에서는 단일 기포에 대한 나노버블 생성 및 제어 기술에 대한 연구를 수행할 계획임. 현재의 연구수행기관인 포항가속기연구소의 장점을 빌려, 방사광 X-선 영상법을 적극 활용하여 미세 기포의 생성 및 깨짐 현상을 관할하고 메커니즘을 규명해야함. 또한, 제어인자를 설정하고 기포 크기 및 밀도를 제어할 수 있는 기술과 활용분야로의 적용 시 필요한 설계인자에 대한 최적화 기술 개발을 할 계획임.

□ 연구성과
방사광 X-선 영상법을 활용하여 마이크로버블 가시화 실험을 수행하기 위해 우선적으로 실험장치와 테스트 섹션을 설계 및 구축하였음. 마이크로버블의 생성 및 계면 거동을 in-situ 상황에서 관찰하기 위해 실험장치의 무게, 소재, 두께 등이 제한됨. 이에 따라 실험장치 및 테스트 섹션이 설계 및 구축함. 방사광 X-선 영상법을 활용한 기포 계면 가시화 실험에 대한 실현 가능성을 검토하기 위해 서로 다른 젖음성 특성을 갖는 다양한 표면에서의 액적 계면 거동 가시화 실험을 수행함. 스크류 구조와 같은 노즐 구조가 마이크로버블의 성능지표인 기포의 평균 크기와 밀도에 미치는 영향을 조사함. 스크류 구조가 공기 자흡량과 압력강하에 미치는 영향을 조사하였으며, 물 유량 별 마이크로버블 발생 실험과 가시화 실험을 함께 진행함으로써, 스크류 구조가 마이크로버블의 평균 크기 및 밀도에 미치는 영향을 조사함.
- SCI급 논문 2개 게재, 국제학회 발표 1회, 국내할회 발표 2회

□ 연구성과의 활용 계획 및 기대효과
본 연구를 수행함으로써, 1) 기포 분열 메커니즘 분석을 정략적으로 분석하고 나노버블 형성 메커니즘을 확인할 수 있으며, 2) Ex-situ 산출했던 성능 지표를 In-situ로 측정할 수 있어 3) 정확한 성능 예측 모델 개발과 이를 통한 마이크로버블 및 나노버블 최적화 기술 개발이 가능함. 이는 마이크로 버블 및 나노버블의 효용성을 높이고 관련 산업분야 적용을 위한 연구들에게 기반 기술이 되어, 널리 활용될 것으로 기대됨. 또한, 이와 같은 이해를 바탕으로 벤츄리 노즐의 확대구간에서 분열된 기포의 크기 및 분포를 예측하는 모델을 개발하고, 최종적으로 마이크로버블 발생기 성능 향상을 위한 최적 설계를 제안함으로 녹조 현상 방지, 하폐수 처리, 반도체 세정, 농수산물 생장/증진 등 다양한 연구 및 산업 분야에 마이크로버블 기술 응용에 이바지할 것으로 판단됨.

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 요약문 ... 2
• 목차 ... 4
• 1. 연구과제의 개요 ... 5
• 1) 연구의 목적 ... 5
• 2) 연구의 필요성 ... 5
• 3) 연구 범위 ... 5
• 2. 연구과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 6
• 1) 방사광 X-선 영상법을 활용한 액적 계면 거동 가시화 및 분석 ... 6
• 3) 설계변수와 성능지표 간의 상관관계 도출을 통한 마이크로버블 생성기 최적화 기술 개발 ... 9
• 3. 연구과제의 수행 결과 및 목표 달성 정도 ... 12
• 1) 연구수행 결과 ... 12
• 2) 목표 달성 수준 ... 12
• 3) 목표 미달 시 원인 분석 ... 12
• 4) 중요 연구변경 사항 ... 13
• 4. 연구성과의 관련 분야에 대한 기여 정도 ... 13
• 5. 연구성과의 관리 및 활용 계획 ... 13
• 6. 다음 단계 연구계획 ... 13
• 1) 연구 목표 및 내용 ... 13
• 2) 연구 추진전략 ... 14
• 3) 연구 추진일정 및 기대성과 ... 15
• 4) 다음 단계 연구비 사용계획 ... 15
• 5) 연구 성과의 활용방안 및 기대효과 ... 15
• 끝페이지 ... 24