Fig. 2는 정전분무의 분무 형상 및 분무 특성을 확인하기 위한 실험실 규모의 실험 장치이다. 그림 중심부는 노즐, 기판, 커버(Cover), 유체 공급부로 이루어져 있다. 그림 좌측은 전압 공급부이며, 그림 우측은 계측부로 구성되었다. 실험에 이용된 주요 장치의 사양은 Table 1에 구체적으로 나타내었다.

Fig. 2 
Schematic diagram of the experimental setup

정전분무에 사용된 노즐은 방사형 노즐(Single Plastic Nozzle, NNC-PN 21-34GA)이다. 기판은 알루미늄 재질(D: 70, H: 10mm)로 표면을 평평하게 제작하였다. 커버의 경우 외부 환경 요소에 의한 분무 패턴 변화를 방지하기 위해 아크릴로 제작하였으며, 높이 조절을 위해 서포트 잭(Support Jack)을 내부에 설치해 기판의 높이를 조절하여 NTS를 변화시키며 실험을 진행하였다. 유체 공급부는 실린지 펌프(Syringe Pump, NE-1000 Model)를 이용해 작동유체를 공급하였으며, 실린지 용량은 1 cc (HSW Norm-Ject)를 사용했다.

전압 공급부는 가변형 고전압 전원(High Voltage Power Supply), 한국스위칭, B150, 인가범위(-30 kV, -5 mA)를 이용해 노즐에 (–)극 기판에 (+)극을 대전하였고, 전원 내부 컨트롤러(Controller)를 통해 낮은 전압에서 고전압으로 전압을 인가하여 이력현상(Hysteresis)을 최소화하였다.

분무 유동 가시화를 위해 초고속 카메라(Phantom VEO E310L, Maximum Resolution: 512X512, Sample Rate: 11,500 f/s)와 스트로보스코프(Stroboscope)를 이용하여 분무가시화 이미지를 촬영하였다. 실험 조건당 300개 이상의 이미지를 분석하였으며, 인가전압을 가한 후 분무 패턴이 정적 상태에 도달한 이후, 가시화를 진행하였다. 노즐로부터 분사되는 평균 액적 크기(Sauter Mean Diameter, SMD)와 액적 분포도(Droplet Distribution)는 레이저 회절(Laser Diffraction) 원리를 이용한 맬번(Malvern) 타입의 액적 측정 장치(MLXA-A12-635-5)를 사용했다.^14,15

Fig. 3은 실험에 사용된 작동유체의 물성치에 대한 교반데이터를 나타낸다. 작동유체의 물성치 중 변수 조건인 점도와 전기전도도를 원하는 조건으로 맞추기 위해 증류수(D. Water), 글리세롤(Glycerol), 시트르산(Citric Acid, 무수산)를 이용해 혼합 용액을 교반하였다. 혼합용액은 멀티 가열 자력 교반기(S07-72-050)를 이용하여 제조하였다. 멀티 가열 자력 교반기를 이용한 과정에서 분위기 온도는 25°C로 고정하고, 40 rpm에서 약 12시간 교반을 진행하였다. 글리세롤과 시트르산의 경우, OH− 친수기를 띄고 있어 증류수와 용해가 잘되는 특성을 가진다.

Fig. 3 
Fluid property data according to citric acid

Fig. 3(a)의 경우 시트르산 무게 백분율(Weight per Cent, wt%) 증가에 따라 점도 증가를 나타내는 그래프이다. 증류수와 글리세롤의 백분율(%)은 시트르산 무게 백분율을 제외한 비를 증류수와 글리세롤로 나타낸 것이다. 동일한 시트르산 무게 백분율에서 글리세롤 백분율이 높은 용액이 점도가 높은 것을 확인할 수 있다. 이에 점도 3.36 mPa·s에서 동일 점도인 2가지 용액 실험 작동유체로 채택하였다.

Fig. 3(b)의 경우 시트르산 무게 백분율 증가에 따른 전기전도도 증가를 나타내는 그래프이다. 증류수와 글리세롤의 무게 백분율은 Fig. 3(a)와 같이 시트르산 무게 백분율을 제외한 비를 증류수와 글리세롤의 백분율로 나타냈다. 시트르산 무게 백분율이 동일한 경우 증류수의 백분율이 높을수록 전기전도도가 높음을 확인하였고, 2.01 mS/cm에서 점도와 동일한 조건의 2가지 용액을 작동유체로 채택하였다.

Table 2는 Fig. 3의 교반 결과를 나타낸 본 실험에서 사용할 작동유체의 물성치에 대한 표이다. 실험에 사용된 작동유체는 총 3가지이며, 각 작동유체의 물성치 중밀도와 표면장력은 용액 3가지 모두 비슷한 값을 가졌으며, 표면장력과 밀도의 경우 본 실험 조건에서 다른 유체 물성치에 비해 실험 변수에 미치는 영향이 미미하다.

S 용액은 대조군 용액이며, V 용액은 S 용액과 점도는 동일 하나 전기 전도도는 V 용액이 S 용액에 비해 약 8.5배 크다. C 용액의 경우는 S 용액과 전기전도도가 동일하나 점도는 C 용액이 S 용액에 비해 약 3.7배 큰 용액이다.

Table 3은 실험 조건을 나타낸 표이며, 모든 실험은 실험 조건당 20회씩 진행한 후, 20회 데이터를 평균화하였다. 노즐 내경은 0.08, 0.1, 0.15, 0.2, 0.4, 0.5 mm (Nozzle Gage: 21, 22, 27, 30, 32, 34)이며, NTS는 10-50 mm까지 5mm씩 증가시켜, 실험을 진행하였다. 전압은 이력 현상을 최소화하기 위해 0부터 최대 20 kV까지 세기를 증가시켰다. 유량은 0.1-2.5 ml/h까지 0.1, 2.5 ml/h를 제외하고, 0.3 ml/h부터 0.3ml/h씩 증가시켜 유량 변화에 따른 실험을 진행하였다. 분위기 온도는 유체의 물성치 변화를 최소화하기 위해 25°C 대기압 조건으로 고정하여 실험을 진행하였다.

Fig. 4는 노즐 내경 0.4, NTS 35 mm, 유량 0.3 ml/h 실험 조건에서 S 용액을 작동유체로 사용했을 시 인가전압 증가에 따른 분무 이미지이다. Cloupeau⁴ 등에 따르면 분무 모드는 분무 형상에 따라 크게 3가지로 나누어진다. Yossapong⁵은 전압을 고정한 조건에서 유량 증가와 고정 유량에서 전압 증가한 2가지 실험 조건에서 추가적으로 8가지 분무 모드를 확인하면서 분무 모드를 더욱 세분화하였다.

Fig. 4 
Spray mode of electrospray

본 실험에서는 분무 모드를 유량과 전압의 증가에 따라 7가지 형태의 분무 패턴을 확인하였다. 인가전압 증가에 따라 1) 드리핑(Dripping)의 경우, 전기장의 영향은 거의 없고 중력에 대한 영향이 크게 작용한다. 또한 노즐 내경보다 큰 액적이 일정한 빈도로 분무되는 것을 확인하였다. 2) 마이크로 드리핑(Micro Dripping)의 경우 노즐 직경보다 작은 크기의 액적이 형성되며, 인가전압을 증가시킬수록 드리핑보다 빠른 주기로 액적이 분무되는 것을 확인하였다. 3) 스핀들(Spindle)의 경우 노즐 팁으로부터 콘 형상을 띄나, 제트로는 변형되지 않고 액적으로 분무되는 모드이다. 4) 심플 제트(Simple Jet)의 경우 콘 형상이 안정적으로 형성되었으며, 노즐의 내경보다 콘의 축 방향 길이가 길게 형성되며, 콘 하단에서 제트로 변형되어 액적으로 분열되는 것을 확인하였다. 5) 콘 제트(Cone Jet)는 심플 제트와 유사한 분무 패턴을 나타냈다. 그러나 인가전압 증가에 따라 콘의 축 방향 길이가 노즐 직경보다 짧으며, 제트의 두께도 심플 제트에 비해 얇아지는 분무 패턴을 확인했다. 콘 제트의 콘은 Taylor⁷의 주장과 같이 이론상 반각 49.3°을 확인할 수 있었다. 6) 라미파이드 제트(Ramified Jet)의 경우 콘의 형상을 띄고 있었지만 콘이 매우 불안정하게 축을 대칭으로 좌우로 흔들리며, 콘의 하단부분 이외에서도 제트가 형성되어 콘에서 다중 제트 형상으로 분무가 되는 것을 확인하였다. 7) 불안정 제트(Unstable Jet)의 경우 노즐 팁에서 콘이 형성되지 않았으며, 분무 패턴이 일정하지 않음을 확인하였다.

Fig. 5는 NTS에 따른 정전 분무의 모드별 인가전압을 나타낸 그래프이다. 실험은 S 용액을 작동유체로 사용하였으며, 유량 0.3 ml/h, 노즐 내경 0 .4 mm 실험 조건에서 실험을 진행하였다. X축을 고정한 조건에서 Y축 각 점의 데이터 차이는 각 정전분무의 모드별 인가전압 범위를 나타낸다. 각 정전분무 모드에 대한 자세한 내용은 Table 4에 나와있다. NTS 증가에 따라 콘 제트 범위가 넓어지며, NTS 10, 대비 50 mm에서 약 4 .2배 넓은 것을 확인하였다. NTS는 전기장 형성에 영향을 주며, 이에 동일한 인가전압 조건이라도 NTS에 따라 콘 제트 모드인가전압이 달라진다. NTS와 전기장(E)에 관한 식은 아래 식(1)과 같다.

Fig. 5 
Spray modes according to nozzle to substrate

F는 전기력, K는 비례상수, q는 전하량, r는 거리(NTS)이다. 이에 따라 NTS가 작은 경우, 전기력이 강해져 강한 자기장이 형성된다. 일정 이상의 전압을 인가할 시, 전기력이 전기적 붕괴 한계점보다 높아져 공기 절연이 깨지게 되고, 노즐 팁 부근에서 코로나 방전과 히싱이 발생하여, 분무 모드가 불안정해진다. NTS가 큰 경우, 전기력이 약해지고 전기장 세기가 낮아 높은 전압을 인가해야 콘 제트 모드가 형성되므로, 각 모드가 지연되어 형성된다. 이로 인해 NTS가 증가함에 따라서 각 정전분무 모드의 범위가 넓어지는 것을 확인할 수 있다. 또한, NTS가 증가할수록 분무 과정 중 비산되는 액적이 많고 기판 위에 넓은 범위로 증착되는 것을 확인했다. 이에 작동유체 3가지 모두 가장 안정적인 분무 패턴과 콘 형상 범위가 높게 형성된 35 mm에서 고정한 후 실험을 진행하였다.

Fig. 6은 노즐 내경 증가에 따른 분무 모드 인가전압을 나타낸 그래프이다. 실험은 S 용액을 작동유체로 사용하였으며, NTS는 35 mm, 유량은 0.3ml/h에 고정하여 실험을 진행하였다. 노즐 내경이 증가함에 따라서 각 분무 모드의 형성 시작점이 지연 되는 것을 확인하였다.

Fig. 6 
Spray modes according to nozzle diameter

이는 노즐 내경이 증가함에 따라 노즐 내경의 수력학적 직경(Hydraulic Diameter)이 증가하여, 동일 인가전압 조건에서 상대적으로 작동유체 표면에서 전하량이 낮아지기 때문이다. 따라서 동일한 인가전압 조건에서 콘이 유지되기 위해서는 표면장력과 유체 법선에 작용하는 전하가 평행 조건이 되어야하므로, 더 높은 전압을 인가해야 콘이 유지될 수 있다.

한편, 노즐 내경에 따른 콘 제트 모드 범위는 약 8.5에서 10.3 kV까지 형성됨을 확인하였고, 콘의 형상이 불안정해지면서 사라지는 범위는 10.5-13.4kV임을 확인하였다. 0.08 mm 노즐 대비 0.5 mm 노즐에서 콘 형상의 인가전압이 약 21.5%가량 커진 것을 확인하였다.

Fig. 7은 유량에 따른 전압을 나타낸 그래프이다. 작동유체는 S, V, C 3가지 용액을 사용하였으며, 실험은 유량 0.3 ml/h, NTS 35, 노즐 내경 0.4mm로 고정하여 실험을 진행하였다. 유량 증가에 따라 각 분무 모드가 시작되는 지점이 지연되는 것을 확인 하였다. 이는 동일 내경 조건에서 유량 증가 시, 노즐의 관내 유속이 증가하기 때문에 작동유체 표면에 작용하는 전하가 낮은 유량 조건에서 보다 상대적으로 등전위 분포가 띄지 않기 때문이다.

Fig. 7 
Electrospray modes according to working fluids

이에 따라 유량이 증가할수록 높은 전압을 인가해야 동일한 분무 모드가 시작된다. 인가전압에 증가에 따라 작동유체의 모드는 드리핑, 마이크로 드리핑, 스핀들, 심플 제트, 콘 제트, 라미파이드 제트, 불안정 제트 모드 순으로 나타났다. S 용액을 기준으로 전도도가 큰 V 용액의 경우 콘이 형성되는 3가지 모드(심플 제트, 콘 제트, 라미파이드 제트)에서 모드가 시작되는 인가전압이 낮고, 형성 범위도 좁음을 확인하였다. 반면, 점도가 큰 C 용액의 경우 콘이 형성되는 3가지 모드에서 모드가 시작되는 인가전압이 높으며, 형성 범위가 다른 작동유체보다 상대적으로 높음을 확인하였다.

실험 조건 내에서 콘의 형성되는 3가지 모드의 전체 범위를 확인한 결과 작동유체 S를 기준으로 작동유체 C에서의 전체 범위는 약 108%, 작동유체 V에서의 전체 범위가 약 83%를 확인하였다. 이는 점도가 높은 경우 유체 저항성이 높아지므로 등전위 분포가 높은 전압에 형성되어, 콘이 형성되는 3가지 모드에서의 전체 범위가 넓어지는 것이라 판단된다. 전도도는 높을수록 유체의 법선 방향에 작용하는 힘이 증가하므로, 인가전압이 상대적으로 낮아도 콘이 형성되고, 전자적 완화 시간이 짧아져 콘형상이 오랫동안 유지되지 못하는 것이라 판단된다.

Tang¹³의 주장과 같이 콘 제트 모드 범위의 경우, 유량이 높아질수록 콘 제트 모드가 형성되지 않음을 확인할 수 있다. S 용액을 기준으로 점도가 큰 작동유체 C의 경우 제트의 두께가 넓어지며, 모든 유량에서 안정적인 분무 패턴인 콘 제트 모드를 확인하였다. 전도도가 큰 작동유체 V의 경우 S 용액보다 제트의 두께가 좁아짐을 확인하였고, 콘 제트 모드의 범위가 좁고 심플 제트의 범위가 넓음을 확인하였다. 이에 따라 S 용액과 비교해 전도도가 높은 V 용액에서 유량 증가에 따른 콘 제트 모드가 더 작은 범위에서 형성되고, 점도가 높은 C 용액에서 콘 제트 모드가 더 넓게 형성되는 것을 확인하였다.

Fig. 8은 스핀들에서 불안정 모드까지의 분무 모드에서 평균 액적 직경 크기를 측정한 그래프이다. 작동유체는 S, V, C 3가지를 이용하였으며, 유량 0.3ml/h, 노즐 직경 0.4, NTS 35 mm로 고정하여 실험을 진행하였다. 각 분무 모드 전압의 경우 각각의 분무 모드 조건 내에서 가장 안정적인 분무 패턴이 형성되는 지점인 모드의 시작점과 끝나는 점의 중간 점의 전압 조건에서 평균 액적 직경 크기를 계측하였다. 전압의 세기가 증가할수록 스핀들 모드에서 심플 제트, 콘 제트로 모드가 변화하며, 이에 따라 평균 액적 크기가 작아지는 것을 확인하였다.

Fig. 8 
SMD according to electrospray modes

그러나 콘 제트 모드에서 라미파이드 제트, 불안정 모드까지 평균 액적 크기가 다시 증가하는 경향을 확인하였다. 작동유체의 경우 S에 비해 점도가 큰 C의 경우 액적 크기가 모드 평균 117.03%인 것을 확인하였다.

이는 작동유체 C가 S에 비해 유체 점도가 상대적으로 커지기 때문에, 유체의 흐름에 대한 저항성이 높아져 평균 액적 크기가 커진다고 판단된다. 작동유체 S에 비해 전기전도도가 큰 V의 경우 평균 액적 크기가 87.39%를 확인하였으며, 이는 V 작동 유체의 경우 전하의 척력에 의해 유체의 표면에서 접선 방향으로 가속화가 상대적으로 다른 작동유체에 비해 빠름으로 제트의 두께가 얇아져 평균 액적 크기가 작아진다고 판단된다.

Fig. 9는 Fig. 8과 실험 조건은 같으며, 작동유체 S에서 정전모드에 따른 액적 크기 분포를 나타낸 그래프이다. 인가전압 세기 증가에 따라 스핀들, 심플 제트, 콘 제트 순으로 액적의 분포는 좁아지는 경향을 확인하였다. 이후 라미파이드 제트, 불안정 모드에서는 다시 액적 분포가 넓어지는 경향을 보였다.

Fig. 9 
Droplet distribution according to electrospray modes

이는 Fig. 8의 평균 액적 크기를 비교한 경향과 일치한다. 콘 제트 모드의 액적 크기 분포의 경우 34-88 μm 범위까지임을 확인하였으며, 상대적으로 다른 분무 모드에 비해 액적 크기 분포가 좁게 형성되었다. 이는 다른 모드에 비해 콘 제트 모드의 경우 비산되는 액적이 다른 모드에 비해 적고, 불안정하게 분무되는 경우가 없기 때문인 것으로 판단된다. 이러한 액적 분포 특성은 Fig. 8의 평균 액적 크기에 영향을 미쳤을 것이라 예상된다.