지구온난화 방지를 위해 이산화탄소를 제거하는 다양한 방법 중 이산화탄소 포집 및 저장 기술이 가장 유망한 기술로 부각되고 있다. 이산화탄소 포집 및 저장기술이 상용화되기 위해서는 저가의 효율적인 흡수제 개발이 필수적이다. 본 연구에서는 금속 나노입자를 이용하여 이산화탄소 흡수속도를 촉진하는 연구를 수행하였다. 코발트, 아연, 니켈의 세 가지 금속나노입자를 합성하였으며 나노입자 합성 방법 중 습식법과 건식법에 의한 영향을 비교 분석하였다. pH 변화를 이용한 이산화탄소 흡수 속도 측정 결과 습식법으로 제조한 니켈 금속나노입자가 가장 우수한 이산화탄소 흡수 속도 촉진효과를 보였다. 금속 나노입자를 이산화탄소 포집공정에 적용할 경우 흡수탑의 크기를 작게 하여 경제적인 공정 구현이 도움이 될 것으로 기대된다.
소형엔진은 매우 열악한 환경에서 작동하기 때문에 엔진으로 흡입되는 공기를 정화하는 흡기시스템은 매우 중요한 설계인자이다. 크랭크 실로부터 유입되는 블로바이 가스의 오일입자를 포집하기 위하여 장착되는 그리드는 제작과 장착이 어렵고 오일입자의 포집효율이 열악한 문제점이 있다. 본 연구는 이러한 소형엔진에 적용되는 흡기시스템을 개선하기 위하여 신규 모델을 해석적인 방법으로 개발하였다. 신규로 제안된 모델은 그리드를 삭제하고 블로바이홀의 위치를 변경하였다. 신규 모델의 오일입자 포집효율은 기존 대비 약 5배 향상되었으며, 그리드 삭제로 인하여 소형엔진 흡기시스템 제작 원가의 약 10%를 절감하였다.
미세 입자의 포집효율을 향상시키고 집진필터의 수명을 연장시키기 위해 여과집진 장치에 전기집진 기술을 접목시켜 미세 입자의 제어 성능을 향상시키기 위한 다단계 집진장치에 대해 많은 연구가 진행되어 왔다(Hautanen, 1996). 그 가운데 전기장 내에서의 입자 응집을 이용한 미세입자의 제거는 전기집진기의 효율을 높이기 위한 방법의 하나로 제시되었고(Lehtinen, 1996), 교류 전기장 내에서의 입자들의 충돌로 인하여 미세입자의 크기가 성장하여 전기 집진 장치에서 미세입자의 제거효율이 상승한다는 연구결과가 발표되었다(Watanabe, 19950. (중략)
나노입자가 가지는 고유한 특성이 부각되면서 이를 소자 특성 향상에 응용하고자 하는 연구가 집중적으로 이루어지고 있다. 박막에 포함된 나노입자는 메모리, 고효율 박막형 태양전지 등에 이용될 수 있는 가능성을 보여주었으며, 나노입자에 기반 하는 소자 제조에 관한 연구가 이루어지면서 플라즈마 내 발생하는 나노입자를 이용하여 패터닝 등에 적용하고자 하는 연구가 국내외에서 활발히 이루어지고 있다. 특히 플라즈마에서 발생하는 나노입자는 플라즈마 내 전기적 및 화학적 특징으로 인해 다른 입자 제조 공정과 달리 응집이 없는 균일한 입자를 제조할 수 있다. 이러한 플라즈마 내 발생 입자를 응용하기 위해서는 각각의 응용 분야에 적합한 입경 분포 제어가 요구된다. 하지만 입자 합성 시 크기분포 특성에 관한 연구는 기존의 포집 및 전자현미경을 이용한 방법으로 실시간으로 분석하기에는 한계가 있다. 따라서 본 연구에서는 저압에서 실시간으로 나노입자 분포를 측정할 수 있는 PBMS (particle beam mass spectrometer)를 이용하여, PECVD (plasma enhanced chemical vapor deposition)의 입자 생성 조건에 따라 continuous, pulse, dual pulse로 분류되는 공정 조건에서 생성되는 입자의 크기 분포를 측정하였다. 또한 그 결과를 기존의 동일한 조건에서 포집 후 SMPS (scanning mobility particle sizer)와 전자 현미경을 이용하여 분석한 결과와 비교하였다. 실리콘 나노 입자의 측정은 PBMS 장비의 전단 부분을 PECVD 장치 내부에 연결하여 진행하였다. PECVD를 이용한 실리콘 나노입자 형성의 주요 변수는 RF pulse, 가스(Ar, SiH4, H2)의 유량, Plasma power, 공정 압력 등이 있으며 각 변수를 조절하여 공정 환경을 구성하였다. 결론적으로 본 연구를 통하여 PECVD를 이용해 각각의 공정 환경에서 생성되는 실리콘 나노입자의 실시간 입경 분포 분석을 PBMS로 수행하는 것에 신뢰성이 있음을 알 수 있었으며, 그 경향을 확인할 수 있었다. 추후 지속적 연구에 의해 변수에 따른 나노입자 생성을 데이터베이스화 하여 요구되는 응용분야에 적합한 특성을 가지는 나노입자를 형성하는 조건을 정립 하는데 중요한 역할을 할 것을 기대할 수 있다.
본 실험에서는 종래와는 달리 먼저 입출구 부분에서 입자분포 측정장치를 이용하여 실험함으로써 여러 가지 입자크기에 대하여 동시에 효율을 구할 수 있는 장치를 구성하고 앞에서 열거한 여러 가지 실험인자중 레이놀즈수와 S/W를 변화시키면 서 일단 슬릿 임팩터(one-stage slit impactor)의 효율을 .root.Stk에 따라 구하여 일단 임팩터 뿐만 아니라 다단 임팩터(multistage impactor)에 대한 설계기초자료를 마련하 고자 한다.
플라즈마 내에서 발생하는 입자는 플라즈마 내 전기적 및 화학적 특성으로 인해 응집이 적고 균일한 특성을 가진다. 이에 따라 도포성이 좋으며 낮은 응력을 가지는 박막의 형성이 가능하다. 이러한 특성을 가지는 나노입자는 메모리, 고효율 박막형 태양전지 등에 이용될 수 있다. 특히, PECVD (Plasma enhanced chemical vapor deposition) 공정 중 플라즈마가 켜져있는 동안 수소 가스를 펄스형태로 추가 주입하는 방법은 실리콘 이온 사이의 결합을 통한 표면 성장을 일부 방해하여 이를 통해 최종적으로 생성되는 실리콘 입자의 크기제어를 가능하게 한다. 이러한 과정으로 PECVD내에서 생성된 입자의 입경 분포는 기존의 경우 공정 중 포집을 한 후 전자현미경을 이용하였지만 실시간 측정이 불가능한 한계가 있었고, 레이저를 이용한 실시간 측정은 그 측정범위의 한계로 인해 적용에 어려움이 있었다. 이에 따라 본 연구에서는 저압에서 실시간으로 나노입자 크기분포 측정이 가능한 PBMS (particle beam mass spectrometer)를 이용하여 PECVD 내에서 수소가스 펄스를 이용하여 발생되는 실리콘 입자를 공정 변수별로 측정하여 각 변수에 따른 입자 생성 경향을 분석하였다. 실리콘 나노 입자의 측정은 PBMS 장비의 전단 부분을 PECVD 장치 내부에 연결하여 진행하였다. 수소 가스 펄스를 이용한 실리콘 입자 생성의 주요 변수는 RF pulse, $H_2$ pulse, 가스 유량 (Ar, $SiH_4$, $H_2$), Plasma power, 공정 압력 등이 있다. 이와 같이 주어진 변수들의 제어를 통해 생성된 나노입자의 입경분포를 PBMS에서 실시간으로 측정하고, 동일한 조건에서 포집한 입자를 TEM 분석 결과와 비교하였다. 측정 결과 각각의 변수에 대하여 생성되는 입자의 크기분포 경향을 얻을 수 있었으며, 이는 추후 생성 입자의 응용 분야에 적합한 크기 분포 특성을 가지는 실리콘 입자를 제조하기 위한 조건을 정립하는데 중요한 역할을 할 것을 기대할 수 있다.
대기오염물질 중 입자상물질(particulate matter, PM)의 크기분포 측정은 주로 다단임팩터(cascade impactor)에 의해 이루어지고 있다. 임팩터 각 단에 포집된 입자의 무게를 측정하여 입자상물질의 크기 분포로 환산하는 다단임팩터는 입자의 샘플링에 많은 시간이 소모되며 필터의 전처리 및 무게측정과정이 번거롭고, 시간에 따른 농도분포의 추이를 파악할 수 없는 단점이 있다. (중략)
본 연구에서는 대기중 저농도 수준의 다환방향족탄화수소(PAH) 농도를 측정하기 위하여 이들의 포집과 분석방법을 평가하였다. PAH의 포집매체로서 기체상은 Tenax 흡착제를, 입자상은 PTEE 및 유리섬유필터를 이용하였으며 양자 모두 저유량샘플러에 의해 포집되었다. 필터 및 흡착제에 함유된 유기성분은 Soxhlet 장치로 추출하였으며 신속하고도 간편한 Silica 미니칼럼을 이용하여 PAH 함유성분을 분리하였다. PAH 성분은 역상 HPLC로 분리되어 형광 및 UV 검출기로 검지하였다. 분석은 환경보건학적 중요성을 갖는 18개의 PAH에 대하여 행하여졌다. 분석방법의 타당성을 검토하기 위하여 추출능(시료의 회수율), 시료의 전처리단계, HPLC 분리능과 재현성 및 검출한계치 등이 평가되었으며 이울러 서로 다른 포집매체의 이용에 따른 회수율의 영향도 비교 검토되었다. 본 연구에서 채택된 포집 및 분석방법을 실제 환경시료에 적용하여 가스상 및 입자상 PAH 분석을 위한 실례를 제시하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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