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가스 폭발작용에 의한 압력차를 이용한 새로운 초소형 흡입기에 관한 연구 = Study in a noble micro-aspirator using pressure difference driven by gas explosion
서명 / 저자 가스 폭발작용에 의한 압력차를 이용한 새로운 초소형 흡입기에 관한 연구 = Study in a noble micro-aspirator using pressure difference driven by gas explosion / 정진휘.
저자명 정진휘 ; Chung, Jin-Whee
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2006].
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초록정보

The future military technologies are predicted that intelligent technology will be promoted as development of electronic and computer technology. At the same time, portable, miniaturization, low energy consumption, NANO, MEMS (Micro Electro Mechanical System) technologies are applied to military systems. Like these technologies it will be develop into battlefield operation concept of complex system. As this viewpoint, applying MEMS technology to military weapon system allow new tactical ability, low price and high performance and disposable equipment to military strength. And it can expand the performance, the operation, the durability of the existing weapon system. In this research, it dose that merits of MEMS technology apply to weapon system. It is well known that North Korea, our major threaten force, has many chemical strength and they have possibility of an assault with chemical weapons. Therefore, it is very important that pre-detect chemical gases. With like this background, I thought that a novel micro system can be detect "yes or not" of chemical pollution without access in dangerous area. I thought gas chromatography is effective in this system because it can be detect several chemical gases with one stationary phase at once. For realization of this I research a novel micro aspirator which can independently work. Because it is core technology in this system. A novel micro aspirator operate with explosive pressure rise, as a pumping power, driven by a explosion of hydrogen detonating gas. Hydrogen gas can be generated independently by electrolysis and chemical reactions. For chemical reaction, I use mixture of calcium hydride (CaH2) and water (H2O), mixture of Aluminum (Al) and sulphuric acid (H2SO4). After generating hydrogen gas it is mixed with air which come into the channel through open tube. These mixed gases explode by breakdown between electrodes in the other chamber. Due to this breakdown, gases expands with a large blast of heat and pressure. The explosive pressure in a microchannel, which has a shape of venturi tube, induces a sudden flow of air and produces pressure difference between channels that consist of the venturi tube. This pressure difference is a driving force to aspirate gases in the air. And I research four essential parts of a micro aspirator. That is electrode for breakdown, hydrogen generator, hydrogen detonating gas, effective channel. I make an effort to confirmed Paschen's law about breakdown in a microscale. I change the material (Al, Au, Ni), the shape of tip, width, height and I test the electrode. The minimum first breakdown voltage is 300-volt. It is necessary to down the voltage that lower resistance, thicker, wider and sharp-pointed electrode. But A more effort is necessary to down the voltage. I use the paraffilm (Pechiney Plastic Packaging, Chicago), an extensible thin layer of paraffin to separate metal and liquid at the first time. Once the paraffilm melted by microheater, metal and liquid is mixed an reacted. It is not needed to continuously supply electric current after an initial triggering to keep paraffin being melted. In this research, I can't conduct hydrogen gas to generate and aspirator to aspirate outer gas. The first reason is that can't melt the Paraffilm as the problem of analysis of temperature characteristic of heater. The second reason is that it can't endure increasing of pressure caused by chemical reaction in the chamber as a covalent bond between PDMS and PDMS. This research can be applied to micro propellant as well as micro chemical detector.

MEMS (Micro Electro Mechanical System) 또는 MST (Micro System Technology)는 기계적 방법의 한계를 뛰어넘어 마이크로미터(μm, 100만 분의 1m) 단위에서의 구조물이나 센서, 액츄에이터와 같은 부품 또는 센서와 신호 처리기, 액츄에이터가 결합된 미세 시스템과 관련된 기술을 지칭한다. 즉, 실리콘과 세라믹 등의 반도체 재료에 광반응 물질을 코팅하여 빛으로 노광한 후 현상하는 방법을 이용한다. MEMS 기술의 특성은, 첫째, 기존의 반도체 공정을 주요 제조공정으로 채택함으로써 대량생산, 생산시간 감소 및 저가화가 가능하며, MEMS의 초소형 기능요소들은 구동시 아주 작은 전력의 소모로 (mW 단위) 고효율성이 탁월하다. 둘째, 전자-기계 부품의 집적화로 한 장치가 여러 가지 기능을 수행할 수 있고 보다 발전된 새로운 미세가공기술의 개발로 기존의 고가의 장치와 동등하거나 향상된 정밀도를 얻을 수 있다. 셋째, 높은 강성 대비 질량 (stiffness-to-mass) 비와 고온에서도 사용할 수 있는 재료의 채택으로 기존의 중⋅소형 장치에서 구현할 수 없었던 내진동/내충격/내열 강인성 및 단순화된 구조, 구성품으로 유지보수가 간편해지게 된다. 이러한 특성으로 MEMS 기술의 군 무기체계에의 적용은 새로운 작전 능력을 부여하고 저가의 고성능-일회용 장비를 가능케 하며 기존 무기체계들의 성능, 운용성 그리고 수명을 획기적으로 확장시킬 수 있다. 이에 MEMS 기술을 이용한 새로운 소자를 구상하던 중, 북한의 화생방 전력 보유 현실과 그 위협에 대한 대응책을 생각하게 되었다. 적의 화생방 공격을 빠르고 쉽게 탐지하는 것은 군 장병의 생존 및 부대의 전투력 유지를 위한 매우 필수적인 조치라는 것을 인지하게 되었다. 그러나 현재의 화생방 탐지를 위한 군 장비로는 특수 차량을 이용하거나, 휴대용 탐지기라도 사람이 들고 다니거나, 위험 지역에 직접 장병이 가지고 가 설치해야하는 문제점이 있고 고가라 쉽게 일회용으로 쓰고 버릴 수도 없다는 문제가 있다. 이러한 배경에서 위험지역에 접근하지 않고 화학 오염도를 탐지할 수 있는 초소형 시스템을 생각하게 되었고, 이 중 동시다발적으로 다양한 종류의 화학작용제(가스)를 탐지할 수 있는 것이 이온 이동도의 차이를 이용한 가스 크로마토그래피(gas chromatography)이며, 이를 구현하기 위한 핵심적인 기술이 독립적으로 작동 가능한 초소형 흡입기라는 생각에서 본 연구를 수행하게 되었다. 본 연구는 4단계로 나누어 진행되었다. 첫 번째 연구는, 폭발을 일으키는 근원이 되는 방전 전극을 이용한 방전(breakdown)에 대한 것이다. 파센 법칙(Paschen\'s law)에 따르면, 방전 전극에 인가전압을 서서히 증가하면 초기의 낮은 전압 영역에서 암전류(dark current)가 흐르며, 이는 방전 공간에 존재하는 극히 미약한 수의 공간 전자가 있어서 이들이 가속을 받고 중성기체를 전리하여 이온이 가속되는 미세전류가 흐르는 영역이다. 이 때 특정 전압에서 음극(cathode)의 표면으로 가속된 이온에 의하여 음극 표면으로부터 이차 전자가 방출되어 이들이 전극의 간극으로 가속되면서 중성기체를 이온화하고 전자와 이온이 증식되어 방전관이 점화된다. 이렇게 방전이 개시되면 전자가 더욱 증대되고 공간 전하의 증대는 방전관 자체의 내부 저항의 감소를 가져온다. 그리고 동시에 고 전류의 발생으로 외부저항에 의한 전압강하로 방전관의 전압은 오히려 감소되어 방전관을 흐르는 전류 증대가 정지된다. 이러한 원리를 이용하여 방전 전극을 세 가지의 다른 재료로 제작하였으며, 알루미늄(Al)과 금(Au)은 E-beam 장비를 이용하여 증착하였고 니켈(Ni)은 전기도금을 이용하였다. 각각 전극의 폭, 높이, 간극을 조절함으로써 그 차이를 확인하였다. 두 번째 연구는, 초소형 챔버 내에서의 수소 발생에 관한 것이다. 먼저 수소 발생에 있어서 가장 잘 알려진 전기분해를 이용한 방법으로 수소 발생률을 확인하였으며, 다음으로 간단한 화학반응을 이용하여 수소를 발생시켰다. 수소화금속을 이용하는 방법으로 칼슘하이드라이드(CaH)가 물(H2O)과 반응하여 수소를 발생시킬 수 있었으며, 금속이 강산과 반응할 때 금속은 산화되며 화합물을 만들고 강산의 수소가 기체상태로 나오는 원리를 이용하여 알루미늄(Al)과 황산(H2SO4)을 반응시켜서 수소를 발생시켰다. 이 때에는 금속과 액체를 분리한 후 작은 전압으로 자체 반응을 유도하기 위해 파라필름(Paraffin)을 이용하였다. 본 연구에서는 히터의 온도 특성 분석 및 공정상의 오차 등으로 성공하지는 못했다. 세 번째 연구는, 수소(H2)와 산소(Air)의 폭발적인 반응을 이용한 수소 폭명기에 관한 것이다. 앞에서 연구한 두 가지의 결과를 혼합한 실험이며, 대기압 하에서 챔버 내에 수소와 공기를 가득 채운 후 방전 전극을 이용하여 방전시키면 순간적으로 폭발하게 되고, 폭발 직후에는 양압이 발생하였으나 챔버내의 순간적인 압력강하로 음압이 발생하는 원리를 이용한 것이다. 마지막으로 위 연구들을 집적화한 초소형 흡입기에 관한 연구를 수행하였다. 수소 발생기를 이용하여 수소를 발생시키면 대기압 하에서 공기와 혼합하게 되고, 이 혼합 가스가 챔버 내에 모인 후 방전시키면 순간적인 폭발로 인한 압력강하로 대기와 연결된 통로를 통하여 대기 중의 가스가 흡입되는 원리이다. 보다 효율적인 흡입을 위해 채널을 벤츄리 관 모양으로 제작하였으며, 베르누이의 정리에 의해 보다 좁은 관에서의 유속이 더 빠르고 압력은 더 낮다는 이론을 활용하였다. 본 연구에서는 가스 폭발작용에 의한 압력차를 이용한 새로운 초소형 흡입기에 관한 연구를 수행하였다. 폭발을 위한 가스로는 상대적으로 반응성이 좋은 수소와 공기를 이용하였고 간단한 화학반응을 이용하여 독립적으로 작동 가능한 수소 발생기를 제작할 수 있음을 알았다. 방전을 위해 전극의 크기, 간극 그리고 재료의 종류를 다양화하여 대기압 하에서 방전 가능한 효과적인 전극 구성을 제시하였다. 이러한 원리를 이용하여 파센 곡선(Paschen\'s curve) (방전 전압과 압력과의 관계 곡선)이 마이크로 영역에서도 적용 가능함을 실험적으로 확인하였다. 또한 가스의 폭발작용에 의한 순간적인 압력강하로 인한 압력 차이를 이용하여 상대적으로 높은 대기압 하에서의 기체가 순간적으로 흡입된다는 새로운 개념을 제시하였다. 이러한 연구는 휴대 가능한 초소형 화학 탐지기뿐만 아니라 초소형 추진체로 응용 가능할 것이다.

서지기타정보

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청구기호 {MME 06049
형태사항 [iii], 63 p. : 삽도 ; 26 cm
언어 한국어
일반주기 부록 수록
저자명의 영문표기 : Jin-Whee Chung
지도교수의 한글표기 : 이승섭
지도교수의 영문표기 : Seung-Seob Lee
학위논문 학위논문(석사) - 한국과학기술원 : 기계공학전공,
서지주기 참고문헌 : p. 49-53
주제 미소기전공학
흡입기
수소폭명기
방전
MEMS
aspirator
hydrogen detonating gas
breakdown
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