ISSN 2287-8130(Online) Particle and Aerosol Research
Par. Aerosol Res. Vol. 9, No. 3: September 2013 pp. 133-137 http://dx.doi.org/10.11629/jpaar.2013.9.3.133
실시간 입자분포 측정을 위한
Radial Exhaust Multi-port System의 개발 및 성능평가
이홍규⋅이양우⋅전기수⋅안강호* 한양대학교 기계공학과
(2013년 6월 15일 투고, 2013년 9월 9일 수정, 2013년 9월 15일 게재확정)
Development and Performance Evaluation of Radial Exhaust Multi-port System for Real-time Particle Size Distribution
Measurement
Hong Ku Lee, Yang-Woo Lee, Ki Soo Jeon, Kang-Ho Ahn* Department of Mechanical Engineering, Hanyang University
(Received 15 June 2013; Revised 9 September 2013; Accepted 15 September 2013)
Abstract
Measuring particle size distribution is one of the primary concerns in aerosol studies. For a nano-particle size distribution measurement, many scientists use a combination of a differential mobility analyzer (DMA) and a condensation particle counter (CPC) system, which is a called scanning mobility particle sizer (SMPS). Although it has a very high particle size resolution, some issues still remain. These problems include residence time between a DMA and a CPC, discontinuity of a CPC, and disturbance due to long scanning time during the precise measurement of particles. In particular, long scanning time is not adequate for measuring particle size distribution since the particle concentration is changing during the measurement. In this study, we developed radial exhaust multi-port system (REM-system) with no scanning time and high resolution to measure real-time particle size distribution. As a result of the REM-system performed using mono-disperse particle, it is expected that this system will be suitable for measuring continuously changing aerosol. If the counting efficiency of multi-condensation particle counter (M-CPC) and data inversion matrix are completed, REM-system will be a very adequate system for unsteady aerosol, which changes for SMPS scanning time.
Keywords：SMPS, DMPS, DMA, CPC, Size Distribution
* Corresponding author.
Tel：+82-31-417-0601, E-mail：[email protected]
Fig. 1. Schematic diagram of REM-DMA and M-CPC.
(Kim et. al., 2007)
1. 서 론
입자의 입경과 그에 따른 농도를 측정하는 것은 에어로졸 연구에 있어 가장 중요한 목표이다. 현재 이를 측정하기 위한 많은 방법이 사용되고 있으나, 그 중 DMA와 CPC를 활용한 방식이 가장 일반적이 다. 초기 Fissan et al. (1983)은 입자의 크기 분포를 측정하기 위해 DMA에 인가되는 분극전압을 고정시 키고 정상상태에 이른 후 CPC를 이용하여 그 농도 를 측정하였다. 이 방식을 DMPS라 부르며 DMA에 인가되는 분극전압을 달리해 가며 전체 크기분포를 측정 할 수 있었다. 이 방식의 경우 높은 해상도를 가지는 반면, 인가되는 전압의 수와 정상상태에 도 달하는 시간에 따라 30분 이상의 긴 측정시간이 필 요하였다. 이러한 긴 측정시간은 빠르게 변화하는 에어로졸을 측정하는데 적합하지 못한 것으로 평가 되었다.
이러한 문제점을 보완하기 위하여 Wang과 Flagen (1990)에 의해 제시된 방법이 SMPS이다. DMPS와 달리 인가되는 분극전압을 연속적으로 변화시키고 그에 따라 변화하는 입경과 농도를 연속 측정함으 로써 측정에 소요되는 시간을 2분미만으로 단축시 켰다. 그러나 DMA로부터 CPC에 이르는 입자의 체 류시간, CPC의 신호누적시간에서 오는 전달함수의 중첩효과로 인하여 역산과정에서 생기는 오차를 피 할 수 없었다.
근래 Kim et. al. (2007), Chen et al. (2007) 에 의해 다단으로 구성된 multiple-stage differential mobility analyzer (MDMA)가 소개되어 실시간으로 다른 크기 의 입자를 측정하는 것이 가능해졌다. 그러나 Chen et al. (2007)의 MDMA의 경우 측정 가능한 포집간극 의 수가 3개에 불과하며, DMA의 기하학적 특성상 포집간극의 수에 비례하여 길이 방향으로의 지속적 인 연장이 필요하다. 또한, 분급된 입자 계수에 상용 CPC를 사용함으로 포집간극 수만큼 상용 CPC가 필 요하다는 문제가 있다. 결론적으로 MDMA-system을 활용하여 동시에 10개 이상의 입경을 분급, 측정하 는 것은 현실적으로 불가능하다.
이에 본 연구에서는 radial exhaust multi-port DMA (REM-DMA)와 소형화된 M-CPC로 이루어진 REM- system을 개발하였다. 기존의 DMA와 달리 REM- DMA는 전압이 인가되는 전극봉과 다수의 포집간극
으로 이루어진 외부원통으로 구성된다. 전극봉과 외 부원통 사이에는 인가전압에 따라 일정한 전기장이 형성되고, 전기장에 노출된 입자는 전기이동도에 따 라 각 포집간극으로 분급된 후 M-CPC로 유입되어 측정된다. SMPS와 달리 REM-system은 일정한 전기 장 안에서 각 포집간극에 따라 개별적인 전달함수 를 갖는다. 때문에 복잡한 연산과정으로 인한 오차 를 줄일 수 있으며, 간극 별로 설치된 M-CPC를 통 하여 DMA로부터 CPC에 이르는 입자의 체류시간을 비약적으로 줄일 수 있다. 아울러, REM-DMA 내 전 극봉의 직경을 길이 방향을 따라 감소시킴으로써 횡축으로의 인장 없이 많은 수의 포집간극을 갖는 것이 가능하다. 본 연구에서는 단분산 입자를 이용 하여 REM-system의 성능 평가를 수행하였다.
2. 실 험
2.1 실험장비
REM-system은 다수의 포집간극을 갖는 REM-DMA 와 각 포집간극과 연결된 M-CPC로 구성된다. 개발 된 REM-DMA의 개략도는 Fig. 1.과 같다.
그림에서와 같이 high voltage power supplier (Bertan Model 205B-10R)를 통하여 전극봉에 전압을 인가하면 전극봉과 외부 원통 사이에 전기장이 형 성된다. 형성된 전기장 내부로 전극봉을 따라 입자 가 유입되고, 유입된 입자는 그 전기적 특성에 따라 이동하게 된다. 이 중 전기적으로 반대 극성의 입자
Fig. 2. Schematic diagram of Experimental Set-up.
는 전기적 인력에 의해 전극봉에 포집되고, 동일한 극성을 지닌 입자는 전기적 반발력에 의해 외측 원 통으로 이동하게 된다. 이 때 입자가 외측원통으로 이동하는 속도는 입자크기에 따른 유체의 저항력과 전기적 이동도에 따라 달라지고, 이로써 입자를 크 기별로 분급하는 것이 가능하다. 기존 DMA의 경우 하나의 포집간극 만이 존재하여 다른 크기의 입자 를 분급하기 위해 작동 유량과 전기장의 세기를 조 절해야 했다. 또한 DMA의 기하학적 형상에 따라 분 급 가능한 입경 범위가 한정되는 문제가 있었다. 그 러나 REM-DMA의 경우 동일 조건에서 다수의 입자 크기를 동시 분급하는 것이 가능하며 작동 유량과 전기장의 세기를 조절함으로써 DMA 형상의 변화 없이 분급 가능한 입경의 범위를 조절하는 것이 가 능하다. REM-DMA 내부 전극봉의 길이는 약 167㎜
이며, 직경은 하류 측으로 갈수록 크기가 변하는 3 단 형태이다. 외부 원통의 내경은 32㎜ 이고 각 포 트별 간격은 포트에 따라 약 8㎜~16㎜ 이다.
REM-DMA를 통하여 크기에 따라 분급된 입자는 각 포집간극과 연결된 M-CPC로 유입된다. M-CPC 는 REM-DMA와의 1:1 연계를 위하여 소형화 제작 된 CPC로서 다수의 광학측정부가 동일한 응축기와 포화기를 공유하도록 설계되었으며, 동시에 다수의 유입구로부터 유입되는 입자를 동시에 측정하는 것 이 가능하다. M-CPC는 연속된 다수의 유입구를 가 지고 있으며 각 유입구는 포화기, 응축기를 거쳐 광 학측정부에 이르는 개별적인 유로를 갖는다. 각 광 학측정부의 상단에는 소형펌프가 개별 설치되어 REM-DMA로부터 분급된 입자를 광학측정부까지 수송한다.
2.2 실험 방법
MP-system의 성능평가를 위하여 각 포집간극이 나타내는 전달함수 및 분급가능한 입자의 크기를 측정하였다. Fig. 2.는 성능평가 실험의 개략도이다.
각 포집간극이 갖는 전달함수를 측정하기 위하여 Fig. 2.와 같은 T-DMA (tandem differential mobility analyzer) (Rader and McMurry (1986))를 구성하였다.
실험에 사용된 입자는 직경 50㎚에 해당하는 단분 산입자로 atomizer를 통해 분무시킨 0.01% 염화나트 륨 용액을 210Po 을 이용하여 중화시킨 뒤, 1st DMA 통해 분급시켰다. 1st DMA의 유량조건은 유입유량
0.4 lpm, 운반유량 4 lpm으로 발생된 0.4 lpm의 포집 유량 중 0.125 lpm만이 REM-DMA로 유입되었다.
REM-DMA 내부로 유입된 0.125 lpm의 단분산입자 는 4.125 lpm의 운반유량을 통하여 하단까지 운반되 고 전극봉과 외부원통 사이에 형성된 전기장의 세 기에 따라 특정 포집간극으로 분급된다. 포집유량은 유입된 단분산입자의 유입 유량과 동일한 0.125 lpm 이며 실험에 사용된 10개의 포집간극에 대하여 총 1.25 lpm의 포집유량이 사용된다. 전극봉에 인가되 는 분극전압에 따라 입자가 분급되는 포집간극이 순차적으로 변화하며, 이 때, 측정된 M-CPC의 농도 를 통하여 각 포집간극이 가지는 전달함수 및 기하 표준편차를 실험적으로 확인할 수 있다.
각 포집간극이 분급 가능한 입경은 전극봉과 외 부원통 사이에 형성되는 전기장의 세기에 따라 달 라진다. 전기장의 세기가 강해질수록 더 큰 입경범 위를 분급하는 것이 가능하다. 분급 가능한 입경범 위의 변화를 확인하기 위하여 분극 전압을 200 V, 2000 V 의 두 가지로 달리하여 실험하였다. REM-DMA 에 인가되는 분극전압을 고정하고, 1st DMA에서 생 성되는 단분산입자의 입경을 달리하면서 각 입경이 분급되는 포집간극과 그 농도를 측정하였다.
3. 결과 및 고찰
DMA의 기하학적 형상이 고정된 경우 DMA를 통 하여 분급되는 입자의 전기이동도는 유입된 입자를 하류까지 운반하는데 사용되는 운반유량, DMA 내
Fig. 3. Normalized Transfer Function for each Sampling Slit.
Fig. 4. Particle size for each sampling slit at applied voltage of 200V and 2000V.
부로 유입되는 다분산입자의 유입유량, 포집간극을 통하여 포집되는 단분산입자의 포집유량 그리고 전 극봉과 외부 원통사이에 형성되는 전기장의 세기에 따라 결정된다. 상단부로부터 유입된 입자는 각 포 집간극을 지나며 그 유량비는 달라지나 유입유량과 포집유량의 비는 항상 1:1 로 일정하게 유지되어 입 자를 분급하는 것이 가능하다. 그러나, 지속적으로 변화하는 운반유량, 3단에 걸쳐 변화하는 전극봉과 외부원통 사이 간격에 의해 고정된 분극전압 인가 시 각 포집간극으로 포집되는 입자의 전기이동도는 변화한다. 본 REM-DMA는 하류 측으로 진행하면서 각 포집간극을 따라 차례로 단분산입자의 포집유량 이 배출되므로 입자를 운반하는 운반유량이 감소하 고, 3단에 걸쳐 감소하는 전극 간 거리에 의해 전기 장의 세기를 증가시킴으로써 짧은 거리에서 전기적 이동도가 작은 큰 입자를 효과적으로 분급을 하도 록 설계되었다. 본 연구에서는 REM-DMA의 기하학 적 형상 및 유량조건을 고정시키고, 이 때, 각 포집 간극으로 분급되는 입자의 크기와 분급된 입자의 기하학적 표준편차를 통하여 REM- system의 성능을 평가하고자 한다.
Fig. 3.은 50㎚ 단분산입자를 이용하여 실험된 10 개 포집간극에 대한 정규화된 전달함수이다. 측정된 전달함수의 기하표준편차는 1st DMA의 기하학적 치수를 기준으로 1.05 내 외의 균일한 값을 나타내 었다. 이는 개발된 REM-DMA의 각 포집단이 주어 진 유량조건 하에서 정교한 단분산입자를 분급할 수 있음을 의미한다. 이 기하표준편차를 통하여 각
포집간극별로 측정되는 입자가 매우 균일한 단분산 입자임을 확인하였기 때문에 각 포집간극 별로 측 정되는 주된 입자의 크기를 통하여 실시간 입자의 분포를 파악하는 것이 가능하다.
Fig. 4.는 전극봉과 외부원통 사이에 다른 전기장 을 형성시켰을 때, 각 포집간극 별로 분급 가능한 입경을 나타내고 있다. 10개의 포집간극에 걸쳐 분 급 가능한 입경 범위는 200 V 인가 시 11 ㎚ ~ 59
㎚, 2000 V 인가 시 43 ㎚ ~ 228 ㎚ 이며, 이러한 분 급 가능 입자크기 측정 범위는 전기이동도 이론에 서와 같이 분극 전압을 증가시킬수록 커짐을 관찰 할 수 있다.
99% 신뢰도를 갖는 1차원 회귀분석을 통하여 측 정된 두 그래프의 기울기 값이 0.67로 일정한 것으 로 보아 이 값은 제작된 REM-DMA의 기하학적 형 상에 따른 물성 치 임을 확인할 수 있다. 반복 측정 에서 확인된 각 분급 입경의 오차율을 0.1% 내외로 본 system은 매우 정확한 분급이 가능함을 확인할 수 있다.
4. 결 론
본 연구에서 개발된 REM-system은 10개의 포집간 극으로 이루어진 REM-DMA를 통하여 유입된 입자 를 분급하고, 이를 M-CPC를 통하여 측정함으로써 에어로졸의 크기 분포를 실시간으로 측정하는 것이
가능함을 증명하였다. 단분산입자를 이용한 성능평 가에서 REM-DMA의 각 포집단은 기하학적표준편 차 1.05 내외로 상용 DMA와 같은 정교한 분급 특성 을 보임을 확인하였으며 전극봉에 인가하는 분극전 압을 달리함으로써 각 포집간극에서 분급 가능한 입경 범위를 형상의 변화 없이 조절할 수 있었다.
또한, 입경 분포를 실시간으로 측정하기 때문에 scanning 시간 동안을 연속 측정을 단일 분포로 산정 하는 SMPS와 달리 입자의 분포가 가변하는 unsteady 상황에서도 그 분포를 실시간으로 측정할 수 있다.
실험결과, REM-system을 다분산입자에 대하여 적 용하는 것이 가능하다고 판단되며, unsteady 상태에 서도 측정이 가능할 것으로 사료된다. 이 후 M-CPC 의 개수효율 및 본 시스템에 적합한 역산행렬에 대 한 연구가 보완된다면 SMPS 방식을 대신할 실시간 입경 분포 측정방식이 될 것으로 예상된다.
감사의 글
본 연구는 환경부 “차세대 에코이노베이션기술개 발사업”으로 지원받은 과제임.
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