논문 2013-50-7-33
산성이온수 농도제어를 위한 Microprocessor를 이용한 PWM 제어
( The PWM Control Which used Microprocessor for Intensity Control of Acid Ion Water )
권 윤 중*, 남 상 엽***
( Yunjung Kwon
ⓒand Sangyep Nam )
요 약
전해 산성이온수는 알칼리성 이온수에 비해 응용분야가 음용을 목적으로 하는 알칼리이온수와 많이 다르게 이용되고 있으 며 ph 농도에 따라 강산성인 경우 잔류염소에 의한 살균 목적의 소독제로 사용되고, 중산성인 경우 세척과 세안으로 사용하고, 약산성인 경우 식재료와 혼합하여 요리에 널리 사용할 수 있다. 이런 산성이온수를 생성하기 위해서는 물을 전기분해 하여 사 용하는데 전기분해 하는 과정에서 염소가스와 수산화나트륨 등의 물질로 살균력을 가지며, 전기분해시 +전극 쪽으로 -이온을 띤 염소, 인, 유황 등의 유기물이 모여져 산성이온수를 만든다. 또한 산성수와 알칼리수를 분리하기 위해서 격막을 사용했다.
ph 농도변화의 구현방법은 Microprocessor를 이용하여 강산성에서 약산성 사이의 ph 농도를 PWM(pulse width modulation) 제어로 3종류의 PWM 전압을 전해조 전극에 인가하여 PWM제어에 의한 연속적으로 농도가 조절된 산성수가 생성되게 구현 하였다.
Abstract
We are used with the alkaline ion water which an application field does to object for drinking water compare with the alkaline ion water which asked ion acid electrolysis so as to be very different. This is used with sterilization disinfection use by residual chlorine in case of strong acidity according to ph intensity, and in case of middle acidity use by washing and face washing, and mix with meal materials in case of weak acidity widely usable in cooking. Acid ion water generates as we electrolyze water. Chlorine gas and sodium hydroxide etc. was generated at electrolysis process, and we have toward sterilizing power. Derelicts such as chlorine, phosphorus, sulfur etc. are gathered from a negative ion, and we make acid ion water to + electrode direction in electrolysis. We used a diaphragm in order to disconnect too acid water and alkaline water. We implemented so that the acid water which it came down to three kinds of PWM voltage to PWM (pulse width modulation) control, and implementation method of ph intensity change authorized ph intensity between weak acidity to electrode in strong acidity as we used Microprocessor, and intensity was adjusted successively by PWM control was generated.
Keywords: Acid Water, Alkali-ion, Electrolysis, PWM(Pulse Width Modulation), Microprocessor
Ⅰ. 서 론
산성이온수는 쓰이는 용도가 많아 폭 넓은 분야에서 연구되고 있다. 특히 산성이온수는 최근 일본과 유럽을
* 평생회원, 세명대학교 전자공학과
(Department of Electronic Engineering, Semyung University)
** 평생회원, 국제대학교 IT계열 (Kookjea College)
ⓒ Corresponding Author (E-mail: [email protected]) 접수일자: 2013년5월7일, 수정완료일: 2013년6월20일
중심으로 연구되기 시작한 새로운 소독제이다[1～5]. 소독 제는 소량의 염기를 녹인 물을 전기분해 할 때 만들어 지며 낮은 ph, 높은 산화환원력 , 차아염소산과 같은 잔 류염소 등에 의해 살균력을 보인다[1]. 이와 같이 기본적 으로 산성이온수는 살균효과가 있기 때문에 ph농도에 따라 사람이 양치물로 사용할 경우 충치예방과 감기예 방에 효과가 있고 ph농도를 조절하여 약 산성이온수는 요리 분야에서 널리 사용된다. 튀김요리 부분에서 튀김 옷을 만들면 탄력과 바삭임을 증가시키고 계란을 삶으 면 껍질이 잘 벗겨지고 밀가루로 만든 면을 삶으면 탄
력이 있음도 잘 알려져 있다. 산성이온수의 농도를 증 가시켜 강 산성이온수로 만들어 도마, 식기, 행주 등을 세척하면 세균번식을 사용할 수 있다.
특히 오존수 살균방법보다 산성이온수의 살균방법이 더 높은 살균 효과를 나타내어 내시경 소독시스템에도 강산성수를 이용하여 짧은 시간동안에 병원성 세균 및 바이러스에 대해 우수한 살균력을 보이는 것으로 알려 져 있다[3, 5～6]. 산성수를 만들려면 물을 전기분해하면 + 전극 쪽에 염소(Cl), 인(P), 유황(S)등 - 이온을 띠고 있 는 유기물들이 모여 산성이온수가 된다. 여기서 ph 농 도는 극판에 가해지는 전압과 유입되는 물의 양에 의해 결정되지만 물은 저장된 공간에서 제어되기 때문에 PWM 전압에서 ph농도를 결정할 수 있다. 저장된 공간 은 전해조이고, 전해조로 유입되는 물에 PWM방식으로 ph 농도를 제어하기 때문에 저장 공간에서 생성하고 그 것을 퍼서 사용하는 것이 아니라 연속적인 산성이온수 를 사용할 수 있다. 즉, 사용하는 용도에 따라 Microprocessor를 이용한 3단 PWM 제어방식으로 연 속적으로 원하는 농도의 산성수를 생성하는 것이 특징 이다.
제어된 전압 +전극과 -전극을 한 용기에서 전기분해 를 하면 산성이온수를 생성할 수 없으므로 +전극과 -전 극 사이에 격막을 설치하여 전기분해 하였다. 이 전기 분해 과정에서 극판에 가해지는 PWM전압에 따라 ph 농도가 결정되는데, 본 연구에서는 3단의 ph 농도를 설 정하여 강 산성이온수, 중 산성이온 수 약 산성이온수 로 연구하였으며 PWM(Pulse Width Modulation) 제어 에 의한 방식으로 Microprocessor를 이용하여 programming 하였다. 음용수의 ph 농도가 중성인 7.0 을 기준으로 약 산성 이온수는 ph6.0, 중 산성이온수는 ph5.5, 강 산성이 온수는 ph5.0농도까지 제어하였다. 쓰 이는 용도에 따라 3단계로 설정할 수 있게 구현 하였으 며 PWM 값에 따른 ph 농도를 비교 측정하여 고찰 하 였다.
Ⅱ. 본 론
1. 전기적 기본 전해이론
일반적으로 전해하여 생성되는 물질의 양 는 페러 데이 법칙에 의해 식 1과 같다.
×
(1)
: 생성물의 질량수 : 원자가 : 패러데이 상수 : 통전
식 1을 다시 풀면
×
××
×
×
× ×
× ×
××
(2)
전류 통전시간
전극인가전압 극판간의 물의저항
극판이폭 극판의길이
극판의 대향면수 ×
물의고유저항
극판의 간격
전해했을 때 ph값은 물의 양 에 대한 전해 생성량
와 생성물질의 성질에 의해 결정된다.
즉
를 전해도 A 라 하면
×
×
× ×
× ×
×
×
또는
×
×
× ×
× ×
×
×
×
× ×
×
×
(3)
물의도전율 규정농도식 3과 같이 산성이온수 생성 시 ph농도는 물의 양에 반비례하고 전압에 비례 한다.
그림 1. 전기분해
Fig. 1. Electrolysis diagram.
ph 농도를 높이려면 전압을 높이거나 물의 양을 적 게 투과하면 된다. 또한 극판의 길이, 극판의 폭, 극판의 면수에 비례하고 극판의 간격에 역비례 하고 물의 도전 율 K에 비례한다. 여기서 K는 수질에 따라 다르다[7].
2. 화학적 기본 전해이론
일반적으로 어느 금속을 M이라 표시하고 그 짝이 되 는 산근을 X로 표시하면 염류는 물에 녹아 전리되어 평형의 상태가 되고 식 4와 같이 나타낼 수 있다.
⇔
(4)
이를 전해하면 양극과 음극에서는 각각의 아래 반응 이 진행된다.
양극 X ⊕→X
X HO→HX O
HX⇔H X 로 되어 H가 생기면서 산성이 된다
이때 H 는 H가 되어서 기포가 발생한다. 물이 중성인 것은 M과 X , 또는 M과 X가 같은 양으로 존재하기 때 문이며 이것을 전기분해해서 M을 모으면 알칼리성이 되고, X를 모으면 산성이 된다[7].
3. 산성 이온수기 PWM 전압제어
산성 이온수의 농도제어를 구현하기 위해 그림 2와 같이 ATMEL사의 AT89C52 Microprocessor를 이용해 서 Program된 PWM 파형의 전압을 승압하기 위해 TLP521의 포토 카플라를 이용하였다.
그 이유는 5V의 낮은 전압으로는 그림 7.의 전해조에 서 전기분해가 쉽게 발생하지 않기 때문에 PWM 신호 를 TLP521의 포토 카플라의 출력에서 전기적으로 절연
그림 2. 산성이온수 생성을 위한 PWM회로도 Fig. 2. PWM circuit for make Acid water.
하여 FET를 스위칭하기 위해서이다. PWM 스위칭 속 도 때문에 일반적인 트랜지스터를 사용하지 않고 IRFZ44의 FET와 릴레이를 통하여 24V를 공급하였다.
릴레이를 사용한 이유는 전해조 극성을 전기적으로 바
그림 3. Microprocessor를 이용한 PWM 제어부
Fig. 3. PWM control section which used Microprocessor.
그림 4. PWM 제어 조작부
Fig. 4. PWM control operation part.
그림 5. 프로그램의 흐름도 Fig. 5. Flowchart of program.
꿔줄 수 있기 때문이지 다른 특별한 이유는 없다. 여기 서 전원은 일반적인 24V 3A 전원공급기를 이용하였다.
작동 방법은 그림 3 Microprocessor를 이용한 제어부 와 그림 4의 PWM제어 조작부의 케이블을 연결하고 조 작부에서 강 산성이온수, 중 산성이온수, 약 산성이온수 를 선택하고 그림 3의 제어부에 전해조 +극, -극을 전 해조에 연결하고 그림 7의 전해조에 음용수를 넣고 작 동하면 산성이온수 출구로 생성된 이온수를 얻는다.
void RunPWMOut() MEM_TYPE;
// Timer1 used for Wait Time control, Melody repeat play control, PWM output control
void RunTimer1() MEM_TYPE {
TMOD = (TMOD & 0x0F) | 0x10; // Set as Timer mode, Mode 1 ///TH1=0xF8;
// making 1 ms overflow
///TL1=0xCD;
// 1/11.0592MHZ*6
* x =0.001, x=1843.2 , 65536-(1843.2-1) =63639.8 (0xF8CD) TH1=0xFC;
// making 1 ms overflow TL1=0x67;
// 1/11.0592MHZ*12 * x =0.001, x=921.6 , 65536-(921.6-1) =64615.4 (0xFC67)
ET1 = 1; // Enable Timer 1 Interrupts TR1 = 1; // Start Timer 1 Running }
void StopTimer1() MEM_TYPE {
ET1 = 0; // Disable Timer 1 Interrupts TR1 = 0; // Stop Timer 1 Running }
void timer1_ISR (void) interrupt INTERRUPT_TIMER1 using 1 {
BYTE namugi;
BYTE level;
/// TH1=0xF8;
// making 1 ms overflow
/// TL1=0xCD;
TH1=0xFC;
// making 1 ms overflow TL1=0x67;
if(IsWaitFlag) Wait_milisec++;
if(IsMelodyRepeatFlag) Melody_milisec++;
if(IsVoiceFlag)
VoicePlayDelay_milisec++;
if(IsStopConditionTimerFlag) StopConditionCheck_milisec++;
if(IsCotrolActionTimerFlag){
ControlActionDelay_milisec++;
if(ControlActionDelay_milisec==500)
DoPolarityChange();
else if(ControlActionDelay_milisec==1000) RunPWMOut();
}
if(IsBeepFlag) { Beep_milisec++;
if(IsPWMFlag){
PWM_milisec++; // Increment the overflow count if(PWM_milisec>100) PWM_milisec=0;
namugi=PWM_milisec%25;
if(SetupData.CurMode == MODE_ALKALINE) level=SetupData.Alkali_level;
else if(SetupData.CurMode == MODE_ACID) level=SetupData.Acid_level;
else level=0;
switch(level){
case 1:
if(namugi<=4) PWM_OUTPUT=0;
else
PWM_OUTPUT=1;
break;
case 2:
if(namugi<=9) PWM_OUTPUT=0;
else
PWM_OUTPUT=1;
break;
case 3:
if(namugi<=14) PWM_OUTPUT=0;
else
PWM_OUTPUT=0;
else
PWM_OUTPUT=1;
break;
default:
PWM_OUTPUT=1;
} }
그림 6. 산성이온수 PWM Program Fig. 6. PWM Program. of acid ion water.
그림 7. PWM전압으로 전해조 실험사진
Fig. 7. Electrolytic cell experiment picture by PWM Voltage.
Ⅲ. 결 과
산성이온수 생성을 위해 Microprocessor 를 이용해 설계 제작된 산성이온수 농도제어기에 PWM 출력 전 압을 격막이 내장된 전해조에 양단의 전극을 연결하고 전해조 물 입구 쪽으로 ph 7.01정도인 음용하는 일반 수돗물을 공급하고 약 산성이온수 모드에서 동작시켜
(A. 산성이온수 생성 전 ph농도 측정 값)
(B. 약 산성이온수의 PWM파형과 ph농도 측정 값)
(C. 중 산성이온수의 PWM파형과 ph농도 측정 값)
(D. 강 산성이온수의 PWM파형과 ph농도 측정 값)
그림 8. PWM 파형과 ph 농도 계측 값 Fig. 8. Output result of electrolytic cell.
진폭 12V에 25ms 주기로 high 5ms, low 20ms PWM 파형 전압 과 전해조에서 출력된 산성이온수 농도를 ph 농도계로 측정한 결과 그림 8의 PWM파형과 ph 농도 계측 값처럼 ph 6.02의 농도를 생성 하였고 중 산성이 온수 모드에서 동작시켜 진폭 12V에 25ms 주기로 high 13ms, low 12ms PWM파형 전압과 전해조에서 출력된 산성이온수의 농도를 측정한 결과 ph 5.50의 농도를 생 성하였다. 같은 방법으로 강 산성이온수의 모드에서는 진폭 12V에 25ms 주기로 high 20ms, low 5ms PWM 파형 전압과 전해조에서 출력된 농도는 ph 5.05의 결과
치를 얻을 수 있었다.
화학적 시약에 의한 실험은 정밀도가 높은 Orion 4 STAR ph .Conductivity Benchtop의 ph 계측기를 사용 하였으므로 생략하였고 ph 농도는 더욱 높이거나 낮추 는 것은 사용하는 용도에 따라 PWM 폭을 변화함으로 저장된 공간에서 생성하고 덜어 쓰는 방식이 아닌 연속 적으로 입수 된 물을 산성 이온수로 생성 할 수 있다.
Ⅳ. 결 론
산성 이온수의 용도는 서론에서와 같이 여러 분야에 서 연구되고 있는 것으로 알 수 있다.
특히 본 연구는 일반적인 방법으로 저장된 물에서 전 기분해로 농도를 통전 시간으로 할 수는 있으나 연속적 으로 유입되는 방식에는 불가능하다. 본 연구의 PWM 제어를 이용하면 연속적으로 유입, 유출되는 경우에도 연속적으로 제어가 가능하여 끊임없이 산성이온수를 공 급할 수 있다. 본 연구는 ph농도가 7.0인 음용하는 수돗 물을 이용하여 사용하였으며 PWM 제어 전압 방식으 로 전기분해하여 ph 농도가 6.0인 약 산성이온수와 ph 농도가 5.5인 중 산성이온수와 ph 농도가 5.0인 강 산성 이온수를 만들어 PWM 전압과 ph 농도상호간의 일치 성과 ph 산도 측정기로 테스트를 한 결과 실험에서 보 듯이 약 산성이온수 ph 6.02와 중 산성이온수 ph 5.5 와 강 산성이온수 ph 5.05로 다소 오차는 있었지만, 일 반적인 음용하는 물에서 산성이온수 생성을 증명하였 다. 강, 중, 약에 의미는 화학적 의미보다 단계의 의미로 이해해야한다. 본 연구는 Microprocessor를 이용한 PWM제어로 전해산성수 ph 농도를 강, 중, 약으로 제 어됨을 목적으로 하였으므로 PWM 제어전압은 3단계 로 하여도 물의 성분과 수질에 따라 ph 농도는 다소 변 화할 수 있다는 것을 밝혀둔다.
REFERENCES
[1] Tanaka H, Hirakata Y,Kaku M, Yoshida R, Takemura H, Mizukane R, “Antimicrobial activity of superoxidized water” J Hosp Infect 34:43-49, 1996.
[2] Selkon JB, Babb JR, Morris R “Evaluation of the anti-microbial activity of a new super-oxidized water” Sterilox, for the disinfection of endoscopes. J Hosp Infect 41:59-70, 1999.
저 자 소 개
권 윤 중(평생회원)-교신저자 1984년 단국대학교 전자공학과 학사 졸업.
2001년 한국항공대학교
정보통신공학과 공학석사 2006년 한국항공대학교
정보통신공학과 공학박사 1984년～1986년 KAIST 시스템공학센터 연구원.
1987년～1990년 경일엔지니어링 기술연구소 연구 소장.
1991년～2011년 미화전자개발 대표
2011년～현재 세명대학교 전자공학과 교수
<주관심분야:의용전자, 응용전자기기, 정보통신>
남 상 엽(평생회원)
2002년 단국대학교 전자공학과 공학박사
1987년～1992년 삼성종합기술원 정보시스템연구소 주임 연구원
1992년～1998년 (주)모토로라 반도체통신 기술연구소 차장 1998년～현재 국제대학교 IT계열 교수
<주관심분야 : 임베디드시스템, USN/ RFID, 지 능형로봇, 홈네트워크,의용전자기기>
[3] Tsuji S, Kawano S, Oshita M, Ohmae A, Shinnomura Y, Miyazaki Y, et al.“Endoscope disinfection using acidic electrolytic water”
Endoscopy 31:528-535, 1999.
[4] 석종성, 김현수, 김의종 “Bacteriokiller system 에 의한 생성된 소독수의 살균효과”, 감염 학회 지 27:553-557, 1995.
[5] 주광로, 전재심, 이성구, 이영상, 민영일, 김미나, 배직현“소화기 내시경에 대한 Superoxidized Water의 소독 효과”대한내시경학회지 21:
819-824, 2000.
[6] Nelson D “Newer technologies for endoscope disinfection” electrolyzed acid water and disposable-component endoscope system.
Gastrointest Endosc Clin N Am 10:319-328, 2000.
[7] 권윤중, 이성창 “PWM 전압제어로 생체에 필요 한 알칼리 이온수의 농도(ph)변화에 관한 연구”
대한전자공학회논문지.SC41:149-153, 2004.
