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Journal of the Korean Society for Precision Engineering - Vol. 38 , No. 1

[ REGULAR ]
Journal of the Korean Society for Precision Engineering - Vol. 38, No. 1, pp.61-68
Abbreviation: J. Korean Soc. Precis. Eng.
ISSN: 1225-9071 (Print) 2287-8769 (Online)
Print publication date 01 Jan 2021
Received 22 Oct 2020 Revised 20 Nov 2020 Accepted 23 Nov 2020
DOI: https://doi.org/10.7736/JKSPE.020.100

정전분무의 작동유체가 분무 형상 및 미립화 특성에 미치는 영향
김지엽1 ; 이상지1 ; 백광열1 ; 홍정구1, #
1경북대학교 대학원 기계공학과

Effects of Working Fluids on Spray Modes and Atomization Characteristics in Electrospray
Ji Yeop Kim1 ; Sang Ji Lee1 ; Gwang Yeol Baik1 ; Jung Goo Hong1, #
1Department of Mechanical Engineering, Graduate School, Kyungpook National University
Correspondence to : #E-mail: jghong70@knu.ac.kr, TEL: +82-53-950-6570


Copyright © The Korean Society for Precision Engineering
This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
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Abstract

An electrospray is widely used in the industry due to uniform and continuous droplet generation. Most of the studies on the electrospray modes are conducted in the cone jet mode. The goal of this study is to confirm the spray patterns for each mode of the electrospray by setting various conditions, such as nozzle to substrate, nozzle diameters, fluid properties (Viscosity and Conductivity), and flow rate. As a result, 7 modes were observed by the applied voltage and flow rate. It was confirmed that the smallest droplet size was produced in the cone jet mode and working fluid V (High Conductivity).


Keywords: Electrospray, Simple jet, Cone jet, SMD, Droplet distribution, Spray modes
키워드: 정전분무, 심플 제트, 콘 제트, 평균 액적 크기, 액적 분포도, 분무 모드

1. 서론

정전분무는 노즐(Nozzle)에 고전압을 인가해 발생하는 전위차를 이용해 유체를 미립화 시키는 방법이다.1,2 정전분무는 다른 분무 방법에 비해 액적을 연속적으로 균일하게 생성할 수 있으며, 정전분무시스템 하의 분무 조건 변화를 통해 액적의 움직임을 쉽게 조절 가능한 특성을 가지고 있다. 정전분무는 다른 분무시스템에 비해 분무시스템 재현성이 높고, 분무의 안정성도 높은 장점을 가진다. 이에 질량분석기, 이온공급기, 경구흡입용약물장치, 미세먼지 제거를 위한 여과 집진장치, 나노 필름 제작 등 다양한 산업에 이용된다.3

정전분무는 노즐에 인가하는 전압 세기에 따라 다양한 분무모드가 발생한다. 인가전압이 없는 분무 조건에서 발생하는 드리핑(Dripping) 모드에서 시작해 인가전압 증가에 따라 마이크로 드리핑(Micro Dripping), 스핀들(Spindle), 심플 제트(Simple Jet), 콘 제트 모드(Cone Jet Mode) 등이 발생한다. 그 중 콘 제트 모드는 노즐 직경의 수십배 혹은 그 이하의 작은 크기의 액적을 생성할 수 있으며, 정전분무는 분무 모드 중 가장 균일하고 연속적인 미세 액적을 생성할 수 있는 모드이다. 콘 제트 모드는 다른 정전분무 모드에 비해 높은 수 농도와 분무 안정성을 가지는 특성이 있어, 정전분무의 분무 모드들 중 액적 크기 및 분무 패턴에 대한 선행 연구가 다른 모드에 비해 집중되어 왔다.4-6

Fig. 1은 정전분무의 메커니즘(Mechanism)을 나타낸다. 콘 제트 모드는 작동유체 표면에 존재하는 전하에서 유체 법선 방향에 작용하는 전압과 유체에 작용하는 표면장력이 평행을 이루고, 유체 표면에 전하는 등전위 분포가 되어야 형성된다. 콘 제트 모드는 노즐 팁(Tip)으로부터 형성된 콘 형상이 분무 중심에서의 반각 49.3°를 나타낸다. 콘 형상에서 제트의 형성은 콘의 팁에서 표면 전단응력에 영향을 받아 가느다란 액주로 형성된다. 이후 제트는 외부의 횡, 종 방향의 교란에 의해 액적으로 분열되어 분무된다.7 정전분무는 다른 분무 방법에 비해 다양한 분무 패턴이 형성된다. 따라서 분무 패턴 형성에 영향을 미치는 실험 변수가 중요하다. 정전분무의 분무 패턴에 영향을 주는 변수는 작동유체의 표면장력, 점도, 전기전도도, 점도 등과 같은 작동유체의 물성치적 요소와 노즐 직경, 노즐과 기판(Substrate)간의 거리(Nozzle to Substrate, NTS) 등과 같은 실험 변수가 있다.8


Fig. 1 
Mechanism of electrospray

정전분무의 작동유체 용매로 이용되는 증류수(Distilled Water, D. Water)의 경우 용액을 쉽게 분산시키며, 다양한 용질을 용해 시킬 수 있는 범용적인 용매 중 하나이다. 그러나 증류수는 상대적으로 다른 용매에 비해 표면장력과 전기 전도도가 높다. 이에 높은 전압에서 코로나 방전(Corona Discharge)과 히싱(Hissing) 현상이 발생하여, 안정적인 콘 제트 분무 모드를 관찰하기 어렵다는 단점을 가지고 있다. 따라서 많은 선행연구자들이 정전분무의 작동유체로 에탄올 등과 같이 표면장력이 낮은 유체를 사용하여, 콘 제트 모드에 대한 연구를 진행하였다. 노즐직경과 유량의 경우 증감에 따라 고전압 인가 시 작동유체의 전하량에 영향을 주는 변수로써 분무 모드 형성에 큰 영향을 주는 변수이다. NTS는 전기장 형성과 세기를 결정하므로 분무 모드에 영향을 미치는 변수이다. 이와 같이 정전분무의 분무 패턴에 영향을 주는 실험 변수는 유기적이고 복합적이다.9,10

정전분무의 분무 모드에 관한 연구로 Cloupeau4 등은 전압과 유량 조건에 따라 분무 모드를 3가지로 나누었으며, Yossapong5 또한 인가전압과 유량의 상관관계에 따라 분무모드를 나눌 수 있다고 주장하였다. 이러한 선행연구를 바탕으로 정전분무 모드에 대한 분류는 10가지 이상으로 각 분무 모드에 따른 분무 형상에 따른 차이와 같은 연구자가 설정한 정성적인 차이가 대부분이며, 분무 모드 구분의 정량적인 차이에 대한 연구는 미미한 수준이다. 정전분무의 액적 크기에 관한 연구로 콘 제트 모드에서 관한 연구가 주로 진행되어왔으며, 그 중에서도 콘 제트 모드 내부의 인가전압에 따른 액적 크기 변화에 대한 연구가 주를 이루었다. 그러나 기존의 선행연구는 정전분무의 작동유체로 표면장력이 상대적으로 낮은 유체를 사용하였기 때문에, 작동유체의 점도 및 전도도 변화에 따른 정전분무의 분무 모드 특성에 대한 연구가 필요하다. 콘 제트 모드 이외 다른 분무 모드에서도 액적 크기와 액적 분포도에 따른 차이가 예상되는 만큼 기초데이터 확보가 필요하다.9,11

정전분무의 작동유체 물성치에 따른 평균 액적 크기에 대한 연구로 Ku12 등은 작동유체 물성치의 변화에 따라 평균 액적 크기가 이론식 대비 실험식이 최대 4배까지 차이가 난다는 것을 확인하였다. 이에 따라 작동유체의 다양한 점도 범위와 전기전도도 범위에 따른 연구가 추가적 요구된다. Rossel-Llompart11등은 작동유체의 점도가 35-70 cP 범위 내에서 증가할 시 액적사이즈가 증가하는 것을 확인하였다. Tang13은 작동유체 전도도의 경우 최대 83.22 mS/cm 범위에서 제트의 두께가 감소하고 액적의 크기가 작아짐을 확인하였다. 이를 통해 작동유체 물성치에 의해 분무 패턴 변화와 인가전압 및 범위 및 액적 크기와 액적 분포도에 대한 연구가 기초데이터로써 선행되어야 한다.

따라서, 본 연구에서는 정전분무의 유체물성 및 실험 조건에 따른 다양한 정전분무에서의 분무 모드 형성에 대한 연구를 진행하고자 한다. 콘 제트 모드에 국한된 연구가 아닌 다양한 분무 모드 형성 조건에 따른 기초 실험을 통해 각 모드 인가 조건 및 범위를 확인하고, 각 모드에서 분무 시 액적 크기와 분포도에 대한 연구를 통한 모드간 영향을 고찰하는데 실험의 목적을 두고자 한다.


2. 실험 장치 및 방법
2.1 실험 장치

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

Table 1 
Experimental specification
Name Specification
Syringe pump NE-1000 model
High voltage power supply Korea swithching, B150
(-30 kV, -5 mA)
High speed camera Phantom VEO E310L, Maximum resolution: 512X512, Sample rate: 11,500 f/s
Simple droplet sizing system Malvern type (MLXA-A12-635-5), Measurement range (8-450 μm) Operating distance (< 400 mm) Laser spot radius: 3.9[pixel]

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

2.2 실험 용액

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 2Fig. 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.

Table 2 
Working fluid conditions
Fluid Composition
(Glycerol : Distilled water : Citric acid)
Density [kg/m3] Viscosity [mPa·s] Conductivity [mS/cm] Surface tension [mN/m]
S 24.8 : 74.4 : 0.8 1071.1 3.36 2.01 67.87
V 0 : 73 : 27 1055.8 3.36 17.07 68.09
C 44 : 44 : 12 1110.6 12.4 2.01 65.56

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.

2.3 실험 조건

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.

Table 3 
Experimental conditions
Condition Value
Nozzle inner diameter [mm] 0.08, 0.1, 0.15, 0.2, 0.4, 0.5
NTS [mm] 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50
Flowrate [ml/h] 0.1, 0.3, 0.6, 0.9, 1.2, 1.5, 1.8, 2.1, 2.5
Ambient temperature [°C] 25


3. 결과 및 고찰
3.1 분무이미지

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.

3.2 NTS에 따른 정전 분무 모드별 인가전압

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.

F=kq1q2/r2,E=Fq(1) 

Fig. 5 
Spray modes according to nozzle to substrate

Table 4 
Symbol of finish modes
Dripping Micro dripping Spindle Simple jet Cone jet Ramified jet
Each symbol is finish point of mode
Simple jet range is defined by spindle to simple jet distance

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.

3.3 노즐 내경에 따른 분무 모드

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.

3.4 작동유체에 따른 분무 모드

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.

3.5 분무 모드에 따른 평균 액적 직경 크기

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.

3.6 액적 크기 분포에 따른 분무 모드

Fig. 9Fig. 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.


4. 결론

본 연구는 정전분무의 작동유체 물성치와 실험 변수에 따른 정전분무의 분무 특성 및 형성에 관한 실험적 연구로써 분무이미지, 유량 및 인가전압에 따른 분무 모드 범위, 평균 액적 크기 및 액적 분포도를 확인하였으며, 정전분무 및 미립화 특성에 미치는 영향에 대해 고찰하였다.

(1) 작동유체의 물성치 및 실험 변수에 따라 7가지 정전분무 모드를 확인하였으며, 콘 제트 모드에서 반각 약 49.3°를 나타냈다.

(2) 노즐 내경 및 NTS 증가에 따라 각 분무 모드 생성이 지연되며, 이는 정전분무의 전기장 세기가 약해지기 때문이라 판단된다.

(3) 작동유체의 전도도가 높고, 점도가 낮은 조건에서 콘 제트 모드의 범위가 좁게 형성되며, 특정 유량 범위 이하에서 생성됨을 확인하였다.

(4) 다른 분무 모드에 비해 콘 제트 모드에서 평균 액적 크기가 가장 작고, 액적 분포도 또한 가장 좁은 범위에서 안정적으로 분무가 이루어짐을 확인하였다.


Acknowledgments

본 연구는 2020년도 산업통상자원부의 재원으로 한국에너지기술평가원(KETEP)의 에너지인력양성사업으로 지원받아 수행한 인력양성 성과입니다(No. 20204010600060).


References
1. Lee, S., “Atomization of the Liquid,” Minumsa Co., pp. 194-196, 1996.
2. Ashgriz, N., “Handbook of Atomization and Sprays: Electrosprays,” Springer Science & Business Media, pp. 744-772, 2010.
3. Kim, J., Duraisamy, N., Lee, T. M., Kim, I., and Choi, K. H., “Hybrid Electrohydrodynamic Atomization of Nanostructured Silver Top Contact for Inverted Organic Solar Cells,” Solar Energy Materials and Solar Cells, Vol. 130, pp. 156-162, 2014.
4. Cloupeau, M. and Prunet-Foch, B., “Electrohydrodynamic Spraying Functioning Modes: A Critical Review,” Journal of Aerosol Science, Vol. 25, No. 6, pp. 1021-1036, 1994.
5. Yossapong, L., “Optical Investigation of Evaporating Sprays,” Ph.D. Thesis, Imperial College London, 2006.
6. Collins, R. T., Jones, J. J., Harris, M. T., and Basaran, O. A., “Electrohydrodynamic Tip Streaming and Emission of Charged Drops from Liquid Cones,” Nature Physics, Vol. 4, No. 2, pp. 149-154, 2008.
7. Taylor, G. I., “Disintegration of Water Drops in an Electric Field,” Proceedings of the Royal Society of London. Series A. Mathematical and Physical Sciences, Vol. 280, No. 1382, pp. 383-397, 1964.
8. Smith, D. P., “The Electrohydrodynamic Atomization of Liquids,” IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. IA-22, No. 3, pp. 527-535, 1986.
9. Park, I. Y., “Experimental Study on Water Electrospray: Characteristics of Jet Instability and Droplet Generation,” Ph.D. Thesis, Korea Advanced Institute of Science and Technology, 2015.
10. Pongrác, B., Kim, H. H., Negishi, N., and Machala, Z., “Influence of Water Conductivity on Particular Electrospray Modes with DC Corona Discharge-Optical Visualization Approach,” The European Physical Journal D, Vol. 68, No. 8, Paper No. 224, 2014.
11. Rosell-Llompart, J. and De La Mora, J. F., “Generation of Monodisperse Droplets 0.3 to 4 μm in Diameter from Electrified Cone-Jets of Highly Conducting and Viscous Liquids,” Journal of Aerosol Science, Vol. 25, No. 6, pp. 1093-1119, 1994.
12. Kim, S. S. and Ku, B. G., “An Experimental Study on Characteristics of Droplet Generation by Electrospraying for Highly Viscous Liquids,” Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B, Vol. 26, No. 4, pp. 604-613, 2002.
13. Tang, K., “The Electrospray: Fundamentals and Feasibility of its Application to Targeted Drug Delivery by Inhalation,” Ph.D. Thesis, Yale University, 1994.
14. Ku, K. W., Hong, J. G., Park, C. W., and Lee, C. W., “Correlations of Internal Nozzle Flow in Circular and Elliptical Nozzles with External Flow,” Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B, Vol. 36, No. 3, pp. 325-333, 2012.
15. Ku, K. W., Chung, K. Y., Yoon, H. J., Seok, J. K., and Hong, J. G., “Effect of Atomization Characteristics of Twin Fluid Nozzle on Urea Pyrolysis,” Journal of ILASS-Korea, Vol. 20, No. 3, pp. 162-167, 2015.

Ji Yeop Kim

Ph.D. candidate in the School of Mechanical Engineering, Kyungpook National University. His research interest is electrospray.

E-mail: monst91@knu.ac.kr

Sang Ji Lee

Ph.D. candidate in the School of Mechanical Engineering, Kyungpook National University. His research interest is atomization of twin-fluid nozzle.

E-mail: lsj12@knu.ac.kr

Gwang Yeol Baik

M. S. candidate in the School of Mechanical Engineering, Kyungpook National University. His research interest is atomization of twin-fluid nozzle.

E-mail: bgr5908@knu.ac.kr

Jung Goo Hong

Professor in the Department of Mechanical Engineering, Kyungpook National University. His research interest is combustion engineering & atomization and spray system.

E-mail: jghong70@knu.ac.kr