물의 정전분무에 관한 실험적 연구: 분무 불안정과 액적 분열 특성

Abstract

정전분무법은 정전기력을 이용하여 액체를 미립화할 수 있는 기술로서, 수 십 마이크로 미터 이하의 액적을 연속적으로 생산할 수 있는 기술이다. 물을 정전분무의 작동유체로 이용할 경우, 물의 물성이 가지는 높은 표면장력과 높은 전기전도도로 인하여, 공간방전이 없는 안정된 분무조건이나 연속된 액적 생성조건을 만들기 힘든 기술적 어려움을 가지고 있다. 본 연구에는 작은 내 경을 가지는 노즐을 이용할 경우 안정된 분무가 가능한 작동조건이 있음을 분무가시화를 통해서 확인하였다. 이 때 정전분무 작동조건은 0.1 ~ 4.0 ml/h 의 유량범위에 대해서 분무 모드를 구분하고 각 모드 별 분무 특성을 분석하였다.

？ 물의 정전분무는 Taylor cone의 형상과 액적이 분열되는 불안정성의 차이를 통해서 3가지 분무영역으로 구분하였다.

1) Straight jet regime

직선화 젯 영역에서의 분무특성은 기존의 정전분무와 유사한 Taylor cone의 형성 및 미세 액적의 연속적인 분무조건이 존재하는 것을 관찰하였다. 액적은 정맥류 형 불안정성에 의해 미립화되고, 이때의 평균입경은 공급유량에 1/3승에 비례하는 관계를 가진다. 각각의 경우 생성된 입경의 크기 분포는 평균입경에 매우 집중된 단 분산분포를 가짐을 영상처리법을 이용한 액적의 입경 측정결과를 이용하여 확인하였다. 전하이완길이와 관성길이의 비를 통해서 직선화 젯 영역은 약 1.0 ml/h의 유량의 상한선을 가짐을 확인하였다. 직선화 젯 영역에서는 약 5 ~ 10μm의 평균입경을 가지는 액적을 생산할 수 있고, 공급유량 또는 인가전압의 변화를 통해 평균입경을 쉽게 조절 할 수 있다.

2) Transition regime

유량의 증가로 인해서 젯 전반에 걸쳐서 관성력의 영향이 지배적이게 되며, 이로 인해 대칭적인 정맥류 형 불안정성에서, 파형의 불안정성으로 액적의 분열 원리가 변화하는 특징을 관찰하였다. 이 때의 젯에 작용하는 불안정성이 젯의 상류와 하류 양쪽으로 전달되어 젯의 형상은 매우 불안정하고 일정한 규칙적인 분무 특성으로 구분하기 어렵다.

3) Whipping regime

젯 전반에 걸쳐서 작용하는 파형의 불안정성은 젯의 관성력이 증가함에 따라서 불안정성의 전달방향이 유동의 하류로만 전달하게 되어 축 방향으로 나선형으로 크게 회전하는 whipping jet의 양상을 가진다. whipping 운동을 통해서 젯은 길이 방향으로 길게 변형되고, 이 과정에서 젯의 두께가 축 방향으로 크게 변하는 현상을 이용하여 미세 젯을 생성하고 젯의 끝 단에서 미립화 하는 분무 구조를 가진다. 이 때, 젯의 두께는 축 방향으로 -1/4 승에 멱 함수로 감소하는 특성을 가지며, 본 연구에서 설정한 유량 및 전압범위에 대해서 두 가지 무 차원수 웨버 수 와 전기적 본드 수를 이용하여 전반적인 젯의 두께를 예측할 수 있는 실험식을 제안하였다.

본 연구에서는 기존의 연구에서 기술적 어려움으로 고려되던 물의 정전분무에 대한 안정된 작동조건을 제안하였다. 또한 제안된 시스템에서 작동조건에 따라 변화하는 분무현상을 초고속 카메라를 이용하여 관찰하고, 얻어진 이미지를 이용하여 분무 고유의 특성을 파악하였다. 본 연구에서 설정한 직선화 젯 분무영역에서 물은 기존의 정전분무원리와 동일한 특성으로 미립화 되고, 기존의 정전분무가 가지는 단 분산 미세 액적의 연속 제조 특성이 고유하게 유지됨을 확인하였다. 물을 이용할 경우 자연상태에서 존재하는 완벽한 생 적합성 용매로써 사용될 수 있는 물의 높은 잠재적 활용도를 이용한다면 생물, 재료, 생명공학 등의 분야로의 다양한 활용 가능성이 기대된다. 본 연구에서 제안한 액적 발생특성을 통해서, 생성 액적의 평균 입경을 예측하거나 원하는 액적의 크기에 대한 작동조건을 쉽게 도출할 수 있는 작동조건에 대한 액적 특성의 가이드라인을 제시하는 역할로 활용도가 기대된다.