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자료명/저자사항
이동전계와 유전영동을 이용한 미세입자 분리기 = Micro particle separator using traveling electric wave and dielectrophoresis / 환경부 [편] 인기도
발행사항
세종 : 환경부 ; 서울 : 한국환경산업기술원, 2017
청구기호
628.53 -17-34
자료실
[서울관] 서고(열람신청 후 1층 대출대)
형태사항
xxi, 210 p. : 삽화, 도표 ; 30 cm
총서사항
환경산업선진화기술개발사업 최종보고서 ; 제3차년도
제어번호
MONO1201772832
주기사항
책등표제: 이동전계와 유전영동을 이용한 미세입자 분리기 최종보고서
총괄연구기관명: 성균관대학교 산학협력단
주관연구책임자: 박일한
부록: 1. 특허 ; 2. 미세입자 분리기 시험성적서
참고문헌: p. 185-189
영어 요약 있음
원문

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표제지

제출문

요약서

요약문

SUMMARY

목차

1. 연구개발과제의 개요 24

1-1. 연구개발 목적 26

1-2. 연구개발의 필요성 27

1-3. 연구개발 범위 31

2. 국내외 기술개발 현황 32

3. 연구수행 내용 및 결과 36

3-1. 연구개발의 내용(범위) 및 최종목표 38

3-2. 연구개발 결과 및 토의 45

3-3. 연구개발 결과 요약 152

4. 목표달성도 및 관련분야 기여도 166

4-1. 목표달성도 168

4-2. 관련분야 기여도 169

5. 연구결과의 활용계획 172

5-1. 연구개발결과의 활용방안 174

5-2. 사업화계획 및 효과 174

5-3. 기대성과 및 파급효과 176

6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 178

6-1. 유체 속 유전영동력을 받는 입자의 움직임에 관한 연구 180

6-2. 대기 중 미세입자 분리를 위한 연구 181

7. 연구개발결과의 보안등급 184

8. NTIS에 등록한 연구시설·장비 현황 188

9. 연구개발과제 수행에 따른 연구실 등의 안전조치 이행실적 192

10. 연구개발과제의 대표적 연구실적 198

11. 기타사항 202

12. 참고문헌 206

부록 214

부록 1. 특허 216

부록 2. 미세입자 분리기 시험성적서 228

〈표 2.1.1〉 대기환경 관련 기술의 시계기술 대비 국내기술 수준 표 35

〈표 3.2.1〉 FR-4의 대표적인 물성치 65

〈표 3.2.2〉 사용 Thin core의 크기 66

〈표 3.2.3〉 Copper foil의 두께에 따른 최소 가공패턴 66

〈표 3.2.4〉 PA89의 Datasheet 90

〈표 3.2.5〉 3상 고전압 전원 구성도의 설명 93

〈표 3.2.6〉 전선의 제원 102

〈표 3.2.7〉 미세입자의 직경별 분포와 화학적 조성 109

〈표 3.2.8〉 PCB형 미세입자 분리기의 모듈별 미세입자 포집율 114

〈표 3.2.9〉 Wire형 미세입자 분리기의 모듈별 미세입자 포집율 114

〈표 3.2.10〉 PCB 제조 회사별 전극판 비교 123

〈표 3.2.11〉 HBL-5092의 Datasheet 125

〈표 3.2.12〉 미세입자 분리기 모듈 개수에 따른 duct 입구에서의 공기유속 129

〈표 3.2.13〉 모듈 개수별 미세입자 포집율 130

〈표 3.2.14〉 2차년도 및 당해연도 미세입자 분리기 포집율 132

〈표 3.2.15〉 누적 가동시간에 따른 미세입자 분리기 입자 포집율 133

〈표 3.2.16〉 누적 가동시간에 따른 미세입자 분리기 압력손실 133

〈표 3.2.17〉 유입공기 온도에 따른 미세입자 분리기 입자 표집율 133

〈표 3.2.18〉 미세입자 분리기 세척 전·후의 입자 포집율 135

〈표 3.2.19〉 미세입자 분리기 전극판 간격에 따른 입자 포집율 135

〈표 3.2.20〉 KS의 기준과 미세입자 분리기 성능 비교 136

〈표 3.2.21〉 미세입자 분리기 layer별 전면 평균 유속 142

〈표 3.2.22〉 미세입자 분리기 Layer 수에 따른 압력손실 143

〈표 3.2.23〉 1 layer 미세입자 분리기 입자 포집율 144

〈표 3.2.24〉 미세입자 분리기 layer별 20분간 입자 포집율 145

〈표 3.2.25〉 미세입자 분리기 성능시험에 대한 집진효율 결과 149

〈표 3.2.26〉 항목별 개발목표 및 성과 151

〈표 5.2.1〉 사업화가능성 SWOT 분석 175

〈그림 1.1.1〉 이동전계와 유전영동을 이용한 미세입자 분리장치 개념도 26

〈그림 1.2.1〉 기존 전기집진기의 원리 27

〈그림 1.2.2〉 본 연구에서 개발하고자 하는 미세입자 분리기의 원리 28

〈그림 1.2.3〉 국내 대기분야 환경산업 시장규모 29

〈그림 1.2.4〉 LCD 공정에 이용된 particle trap 시험장치 29

〈그림 1.2.5〉 바이오공학 적용 예 : 이동전계를 이용한 적혈구와 백혈구 이동제어 30

〈그림 1.2.6〉 NASA에서 수행한 이동전계 이용 미세먼지 제거실험 30

〈그림 2.1.1〉 (a) 기존 전기집진기 구조 (b)보령화력 1~8호기 전기 집진기 설치 모습 34

〈그림 3.2.1〉 Reynolds 수에 따른 유체의 흐름 46

〈그림 3.2.2〉 Stokes 적용범위 표 47

〈그림 3.2.3〉 주파수 영역에서 전위의 분포 48

〈그림 3.2.4〉 시간 영역에서의 전기장 분포, t=0초 49

〈그림 3.2.5〉 시간 영역에서의 전기장 분포, t=0.1초 49

〈그림 3.2.6〉 DC입력의 기본파형 50

〈그림 3.2.7〉 펄스 전원 인가 시 전위 분포, t=0초 50

〈그림 3.2.8〉 펄스 전원 인가 시 전위 분포, t=0.1초 51

〈그림 3.2.9〉 10상 전극으로 인가한 이동전위 52

〈그림 3.2.10〉 10상 전극과 GND를 이용한 이동전위 52

〈그림 3.2.11〉 유체유동 해석 모델 53

〈그림 3.2.12〉 유체유동 해석 결과 53

〈그림 3.2.13〉 수치해석모델 입자거동 전극 판의 3D 구조 56

〈그림 3.2.14〉 유속의 방향과 유전영동력의 방향 57

〈그림 3.2.15〉 2D FEM 해석에 사용되는 입자이동 전극판 57

〈그림 3.2.16〉 수치해석 2D모델의 경계조건과 물성 58

〈그림 3.2.17〉 (a) AC (b) DC 입력 파형 58

〈그림 3.2.18〉 AC 3상 이동전계 인가 시 시간에 따른 입자의 위치 ; 주파수 : (a) 1Hz, (b) 5Hz,... 59

〈그림 3.2.19〉 DC 3상 이동전계 인가 시 시간에 따른 입자의 위치 ; 주기 : (a) 1s, (b) 0.2s, (c)... 60

〈그림 3.2.20〉 고압 발생기 모듈 (a) 시스템 블록 다이어그램 (b) 회로도 62

〈그림 3.2.21〉 Open Loop System의 블록 다이어그램 63

〈그림 3.2.22〉 시간 축에 표시된 각 상의 인가전압 64

〈그림 3.2.23〉 Graphic User Interface 64

〈그림 3.2.24〉 Multilayer PCB의 구조 65

〈그림 3.2.25〉 Multi-layer PCB를 기반으로 설계된 입자거동판의 구조 67

〈그림 3.2.26〉 (a) Top layer (b) 2nd layer (c) 3rd layer (d) Bottom layer의 구조도 67

〈그림 3.2.27〉 레이어 구조도 68

〈그림 3.2.28〉 (a) via의 3D 구조 (b) 전계, 전위 해석 사진 68

〈그림 3.2.29〉 전체 실험장비 구성도 69

〈그림 3.2.30〉 (a) SMPS 정전압 발생기 (b) DC 전원 69

〈그림 3.2.31〉 (a) 전압제어 PCB (b) 전압제어용 소프트웨어, (c) 신호출력파형 70

〈그림 3.2.32〉 (a) Piezo transformer를 이용한 DC 고압 변압기, (b) 출력전압 파형 70

〈그림 3.2.33〉 입자거동 전극 PCB 71

〈그림 3.2.34〉 실험에 사용된 입자 (a) 10㎛, (b) 50㎛, (c) 100㎛, (d) 130㎛, (e) 180㎛, (f)... 72

〈그림 3.2.35〉 미세입자 측정. (a) 디지털 현미경 (b) 디지털 카메라와 동영상 촬영용 조명 72

〈그림 3.2.36〉 550㎛ 유전입자 (a) 이동전계를 인가하기 전, (b) 1분간 이동전계를 인가한 후... 73

〈그림 3.2.37〉 250㎛ 유전입자 (a) 이동전계를 인가하기 전, (b) 1분간 이동전계를 인가한 후... 74

〈그림 3.2.38〉 180㎛ 유전입자 (a) 이동전계를 인가하기 전, (b) 1분간 이동전계를 인가한 후... 75

〈그림 3.2.39〉 130㎛ 유전입자 (a) 이동전계를 인가하기 전, (b) 1분간 이동전계를 인가한 후... 76

〈그림 3.2.40〉 100㎛ 유전입자 (a) 이동전계를 인가하기 전, (b) 1분간 이동전계를 인가한 후... 77

〈그림 3.2.41〉 50㎛ 유전입자 (a) 이동전계를 인가하기 전, (b) 1분간 이동전계를 인가한 후... 78

〈그림 3.2.42〉 10㎛ 유전입자 (a) 이동전계를 인가중, (b) 2초 후 입자의 위치 79

〈그림 3.2.43〉 실험 중 소음을 측정 중인 소음측정기 80

〈그림 3.2.44〉 실험 시 이온 발생량 80

〈그림 3.2.45〉 등가회로도 81

〈그림 3.2.46〉 (a) 오실로스코프, (b) 멀티미터 81

〈그림 3.2.47〉 PCB형 전극과 Mesh형 전극 형상구조의 개념도 82

〈그림 3.2.48〉 Wire형 전극 형상구조의 개념도 82

〈그림 3.2.49〉 Wire형 미세입자 분리기의 수치해석 모델 83

〈그림 3.2.50〉 Wire형 미세입자 분리기의 전위 분포 83

〈그림 3.2.51〉 시간에 따른 입자의 이동위치 (a) 0초, (b) 0.065초 84

〈그림 3.2.52〉 시간에 따른 입자의 이동 84

〈그림 3.2.53〉 PCB형 미세입자 분리기의 수치해석 모델 85

〈그림 3.2.54〉 PCB형 미세입자 분리기의 전위 분포 85

〈그림 3.2.55〉 시간에 따른 입자의 이동위치 (a) 0초 (b) 0.18초 86

〈그림 3.2.56〉 시간에 따른 입자의 이동 86

〈그림 3.2.57〉 Wire형 전극과 PCB형 전극의 ∇E2 비교 87

〈그림 3.2.58〉 hopper system의 해석 모델 88

〈그림 3.2.59〉 hopper system의 유동해석 결과 (a) 유속 흐름 (b) 유속 분포 89

〈그림 3.2.60〉 설계된 미세입자 분리기의 전체 구성 89

〈그림 3.2.61〉 PA89의 Schematic 90

〈그림 3.2.62〉 PA89의 시뮬레이션 결과(전압 파형) 91

〈그림 3.2.63〉 변압기 91

〈그림 3.2.64〉 슬라이닥스 92

〈그림 3.2.65〉 opamp를 이용한 증폭회로 92

〈그림 3.2.66〉 3상 고전압 전원 구성도 93

〈그림 3.2.67〉 800Vrms, 10Hz 출력 파형 94

〈그림 3.2.68〉 1000Vrms, 5Hz 출력 파형 94

〈그림 3.2.69〉 Multi-layer PCB의 구조 95

〈그림 3.2.70〉 via부분 및 전극의 구조도 96

〈그림 3.2.71〉 via의 3D 구조 96

〈그림 3.2.72〉 제작된 PCB 97

〈그림 3.2.73〉 고압 차동 프로브 97

〈그림 3.2.74〉 시간별 입자의 움직임. (a) 0초, (b) 6초, (c) 12초, (d) 28초 98

〈그림 3.2.75〉 입자 움직임 관찰. (a) 전원 인가 전, (b) 전원 인가 후 99

〈그림 3.2.76〉 제작된 PCB 1개 100

〈그림 3.2.77〉 제작된 PCB의 전극 구성도 100

〈그림 3.2.78〉 PCB형 미세입자 분리기 모듈 1개 101

〈그림 3.2.79〉 완성된 PCB형 미세입자 분리기 101

〈그림 3.2.80〉 전선의 구조도 102

〈그림 3.2.81〉 전선의 배치도 102

〈그림 3.2.82〉 Wire형 미세입자, (a) 개념도, (b) 시작품 103

〈그림 3.2.83〉 완성된 Wire형 미세입자 분리기 104

〈그림 3.2.84〉 클린룸 105

〈그림 3.2.85〉 미세입자 분리 실험의 전체 구성 106

〈그림 3.2.86〉 미세입자 주입 장치 (a) 질소 (b) 교반기 106

〈그림 3.2.87〉 Particle Counter 107

〈그림 3.2.88〉 PCB형 미세입자 분리기의 hopper system 배치 108

〈그림 3.2.89〉 Wire형 미세입자 분리기의 hopper system 배치 108

〈그림 3.2.90〉 현미경으로 측정한 미세입자의 크기 109

〈그림 3.2.91〉 PCB 모듈 1개의 시간에 따른 입자 포집 개수 110

〈그림 3.2.92〉 PCB 모듈 2개의 시간에 따른 입자 포집 개수 110

〈그림 3.2.93〉 PCB 모듈 3개의 시간에 따른 입자 포집 개수 111

〈그림 3.2.94〉 PCB 모듈 4개의 시간에 따른 입자 포집 개수 111

〈그림 3.2.95〉 Wire 모듈 1개의 시간에 따른 입자 포집 개수 112

〈그림 3.2.96〉 Wire 모듈 2개의 시간에 따른 입자 포집 개수 112

〈그림 3.2.97〉 Wire 모듈 3개의 시간에 따른 입자 포집 개수 113

〈그림 3.2.98〉 Wire 모듈 4개의 시간에 따른 입자 포집 개수 113

〈그림 3.2.99〉 소음 측정. (a) PCB형 미세입자 분리기 (b) Wire형 미세입자 분리기 115

〈그림 3.2.100〉 전원 인가 전·후의 이온 수 측정. (a) PCB형 미세입자 분리기 (b) Wire형 미세입자... 116

〈그림 3.2.101〉 입력전류 측정. (a) PCB형 미세입자 분리기. (b) Wire형 미세입자 분리기 117

〈그림 3.2.102〉 스크린 프린팅 방식 전극판 설계도 118

〈그림 3.2.103〉 스크린 프린팅 방식으로 제작된 전극판 (a) 전극판, (b) 조립모듈 119

〈그림 3.2.104〉 불량 전극판 사진 (a) 기포형성 (b) 전극간 단락 120

〈그림 3.2.105〉 그라비아 인쇄 방식이 적용된 난방필름 121

〈그림 3.2.106〉 난방필름 구성도 121

〈그림 3.2.107〉 그라비아 인쇄판 설계도 122

〈그림 3.2.108〉 PCB 미세입자 분리기 제작 (a) PCB 전극판, (b) 미세입자 분리기 모듈 123

〈그림 3.2.109〉 TAMURA사의 HBL-5092 125

〈그림 3.2.110〉 컨트롤 전압에 따른 출력 전압 126

〈그림 3.2.111〉 전원부 회로도 126

〈그림 3.2.112〉 전원부 제작 127

〈그림 3.2.113〉 출력전압에 따른 정격전류 범위 127

〈그림 3.2.114〉 방전회로 및 스위치 통합 전원 128

〈그림 3.2.115〉 모듈 개수에 따른 입자 포집 결과 (a) 모듈 2개 (b) 모듈 3개 (c) 모듈 4개 130

〈그림 3.2.116〉 미세입자 분리기 모듈 4개 입자 포집 결과 (a) 2차년도 (b) 당해연도 131

〈그림 3.2.117〉 미세입자 분리기 0.3㎛ 입자 포집 결과 132

〈그림 3.2.118〉 유입공기 온도에 대한 미세입자 분리기의 입자 포집 그래프 134

〈그림 3.2.119〉 미세입자 분리기 물 세척을 통한 포집 미세입자 관찰 134

〈그림 3.2.120〉 0.8mm 스페이서 미세입자 분리기의 입자 포집 그래프 135

〈그림 3.2.121〉 모듈조립식 미세입자 분리기 개념도 137

〈그림 3.2.122〉 모듈조립식 미세입자 분리기 전원연결 개념도 137

〈그림 3.2.123〉 미세입자 분리기 모듈조립부품 설계도면 138

〈그림 3.2.124〉 모듈조립식 미세입자 분리기 모듈 분리형 138

〈그림 3.2.125〉 3X3X4 모듈조립식 미세입자 분리기 조립형 139

〈그림 3.2.126〉 송풍장치 장착 미세입자 분리기 139

〈그림 3.2.127〉 시험 Chamber 개념도 140

〈그림 3.2.128〉 제작한 Chamber 사진 141

〈그림 3.2.129〉 Chamber 내부 실험장비 141

〈그림 3.2.130〉 미세입자 분리기 layer별 3X3 모듈 전면 유속 142

〈그림 3.2.131〉 1 layer 미세입자 분리기 입자 포집 결과 144

〈그림 3.2.132〉 미세입자 분리기 layer별 입자 표집 결과 (a) 1 layer (b) 2 layer (c) 3 layer... 145

〈그림 3.2.133〉 미세입자 분리기 소음 측정 146

〈그림 3.2.134〉 미세입자 분리기 이온 수 측정 147

〈그림 3.2.135〉 미세입자 분리기 인가전압 및 압력전류 측정 147

〈그림 3.2.136〉 한국기계연구원 성능시험에 사용된 미세입자 분리기 148

〈그림 3.2.137〉 미세입자 분리기 성능 시험 성적서 149

〈그림 3.2.138〉 미세입자 분리기 성능시험에 대한 집진효율 그래프 150

〈그림 3.3.1〉 입자 운동 메커니즘 153

〈그림 3.3.2〉 Dust collector를 이용한 실험결과 153

〈그림 3.3.3〉 불평등 전계와 토너통 배치 개념도 154

〈그림 3.3.4〉 지면과 수평인 와이어 모델의 등전위 라인과 전계분포 154

〈그림 3.3.5〉 토너 주입 실험 결과 155

〈그림 3.3.6〉 자성비드를 이용한 응집 시스템 155

〈그림 3.3.7〉 자성비드 응집테스트 및 플록의 결합력 테스트(FeCI3 = 700mg/L, PH = 8) 156

〈그림 3.3.8〉 전자석을 이용한 자기 분리 시스템 156

〈그림 3.3.9〉 외부 자장 유무에 따른 자성비드 동특성 (a) 외부 자장 미인가 (b) 외부 자장... 157

〈그림 3.3.10〉 바이오공학의 세포입자제어 157

〈그림 3.3.11〉 주관기관과 참여기업의 협력체계 158

〈그림 6.1.1〉 유전영동을 이용한 마이크로플루이드(micro fluid) 속 미세입자 분리장치 180

〈그림 6.1.2〉 불평등전계하의 유체 속 미세입자가 받는 힘 181

〈그림 6.2.1〉 광촉매를 이용한 미세입자 제거기 182

〈그림 6.2.2〉 방전을 이용한 미세입자 분리 장치 182

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