드라이 아이스 블라스팅 세정 공정의 개발

박종수, 김선근

중앙대학교 공과대학 화학공학과

Development of Dry Ice Pellet Blasting Process and Equipment

Jongsoo-Park, Sun-Geon Kim

Department of Chemical Engineering, Chung Ang University

서론

세정 공정은 세정제를 사용하여 표면의 불순물을 제거하는 공정으로 제품의 필요한 청정도를 유지하기 위해 많은 산업에서 필요불가결의 요소공정이다. 종래의 방법은 독성이 강한 염소계 세정제나 마모성 입자의 blasting 세정 방식을 사용되어 왔으나 전자는 환경오염 문제를 후자는 후처리의 문제를 유발시키고 있다. 이에 비해 dry ice pellet에 의한 세정은 2차 오염물을 발생시키지 않고, 인체에도 전혀 무해할 뿐 아니라, 후처리가 필요하지 않는 건식 세척방식이며 환경 친화적인 세척방식이다. 또한 성능의 면에서도 기존의 방법에 비해 우수한 방법으로 평가되고 있다. dry ice pellet에 의한 세정은 dry ice가 물리적으로 오염물을 제거하고 스스로는 승화되므로 2차 오염물질을 남기지 않을 뿐만 아니라 대상물의 표면을 마모, 손상시키지 않으며, 세정시간이 매우 빠르고 오염물에 매우 선택적인 화학세정제 보다 범용성의 면에서도 뛰어나다 하겠다. 이 세정법은 반도체, 광학부품 등에서 시작하여, 기계, 화학, 선반, 건물 내외 벽 및 터널 벽, 옥내의 조형물, 핵발전소 등의 오염물질을 제거하는데 이미 널리 사용되고 있으며, 항공기를 비롯한 표면의 페인트 제거에 그 기술적, 환경적, 경제적 우월성이 입증된 바 있다.

본 연구에서는 먼저 액체탄산(Liquid CO2)을 이용한 dry ice snow 제조기술을 확립하고, 이로부터 dry ice pellet을 제조하는 장치인 고효율, 저비용의 pelletizer를 제작하고, 더 나아가 dry ice pellet blasting 세정장치와 노즐을 기술적으로 개발하여 궁극적으로 국내/외의 많은 산업체들에게 확산, 보급하는데 그 목적이 있다.

이론

고압으로 액화된 탄산가스는 단열팽창에 의해 1 기압, -78℃ 하에서 dry ice snow로 생성된다. 이렇게 얻어진 dry ice snow는 서브 마이크론 또는 마이크론 내외 크기의 매우 작은 입자로 이를 유압식 pelletizer의 실린더 안에 주입, 압착하고 die를 통해서 사출 고밀도의 pellet을 제조하여 이를 고속 기류에 실어 표면 오염물질을 제거하는 기술이다.

dry ice pellet blasting의 작동하는 메커니즘은 운동에너지와 열적에너지 그리고 승화에 의한 팽창 에너지의 조합에 기초한다.

dry ice pellet의 표면 충돌시 운동에너지에 의한 표면 오염물질의 제거 그리고 표면과 오염물질 사이의 국부적인 냉각에 의해 표면 오염물질을 레이어로부터 열을 급속하게 빼앗는다. 이 열적 대응의 차이는 표면 사이에 높은 shear stress를 작용한다. 결과 blasting시 부착된 표면 오염물질은 물러지고 오그라들며 탄성을 잃게 되어 부착에너지를 초과해 격리되고 dry ice pellet의 승화시 발생하는 800배의 부피 팽창에 의해 오염 물질을 들어 올리게 된다.

마지막으로 고속의 기류에 의해 표면 오염물질은 비산, 제거된다.

dry ice pellet blasting은 낮은 경도 때문에 다른 blasting media와는 다르게 표면에 손상을 주지 않고 오염물질을 완전하게 제거한다.

실험 및 장치 제작

본 연구에서 제작한 blasting 장치는 크게 두부분으로 나누어 지는데 Figure 2의 액체탄산(Liquid CO2)을 이용하여 dry ice pellet을 제조하는 장치인 pelletizer 그리고 이에서 얻어진 pellet을 고압의 공기를 이용하여 노즐을 통해 가속 분사하게 하는 blaster는 Figure 1 이다.

액체탄산(Liquid CO2)을 이용하여 dry ice snow의 회수를 위해 필터를 이용하는데 본 연구에서는 필터의 소재로 가장 이상적인 밀도 구배를 지닌 폴리에틸렌 재질을 선택했다. 이는 압력 손실이 낮아 1 : 1 (dry ice snow: gaseous CO2)이하의 고효율로 dry ice snow와 기체탄산을 분리하고 또한 습도에 의한 영향을 받지 않아  고효율의 dry ice snow 제조에 가장 이상적이다.

이렇게 제조된 dry ice snow는 이동 가능한 탁자형의 구조상에 유압모터, 오일탱크, 작동레버 등의 유압기구를 구비하고 본체의 상단에 경사지도록 장착된 유압 기구에 의해 작동되는 피스톤을 수용하는 실린더, 상기 실린더의 전방으로 장착되고 복수의 관통공을 구비하는 사출 die를 지닌 pelletizer를 제작하였다. 이로써 dry ice pellet의 제조가 가능하게 되었다.

이에서 얻어진 pellet을 이용하여 blasting 하는 장치인 blaster는 pelletizer로부터 얻어진 pellet을 호퍼 내로 채우고 호퍼 안의 pellet은 회전식 로타리식 에어락 피딩 장치에 의해 완벽하게 공기를 차단한 채 압축 공기와 혼합하여 노즐을 통해 고압으로 분사해 오염물질을 제거하는 장치이다.

본 연구에서 제작한 dry ice blaster는 피딩시에 호퍼 내의 dry ice pellet의 아치현상을 극복하며 회전식 로타리 에어락 피딩 장치에 의해 압축공기의 역류를 차단한 채 dry ice pellet의 양을 조절 압축공기의 흐름에 실어 dry ice blasting에 가장 적합한 노즐 기술로 진보된 converging-diverging의 노즐에 의해 초음속으로 분사된다.

상기한 pelletizer를 이용하여 고밀도의 pellet을 제조하고 이를 blaster에 의해 고속으로 분사하여 표면의 기름떼, 녹, 접착제, 유지, 라커, 페인트등 오염물질을 제거하는 기술이다.

실험 변수로는 pellet의 밀도, 경도 및 CO2 함량과 blasting시의 컴프레서의 공기압, 공기량, 호스길이 및 지름, pellet 분사량, 오염물질의 종류, 노즐과 기판 사이의 거리 및 각도이다.

결과 및 토론

1. 이상에서와 같이 본 연구에서는 액체탄산(Liquid CO2)으로부터 폴리에틸렌 필터를 이용 dry ice snow를 제조함과 동시에 pelletizer를 이용하여 dry ice snow를 pellet화 시키고 이를 blaster에 의해 압축공기에 동반하여 표면 오염물질을 제거 할 수 있는 dry ice pellet blasting 장치를 제작하였다.

2. 본 연구에서 dry ice pellet blasting은 다양한 오염물질 녹, 기름떼, 라커막, 페인트 제거에 탁월한 세정력을 확보하였다. 라커막의 경우 1000-1500 □/min의 세정 결과를 보였다.

3. 본 연구 dry ice pellet blasting에서의 blaster의 호퍼 용량은 12kg이고, pellet 분사량은 0-0.85kg/min까지 조절이 가능하다. dry ice pellet 분사량과 속도에 따라 세정 효과를 증대시킬 수 있다.

4. pellet의 경도는 Mohs 경도 2-3사이이다. 이는 calcium sulfate CaSO4-2(H2O) (2 Mohs) 혹은 calcium carbonate CaCO3 (3 Mohs)와 비슷하다.

5. 실험 시 오염물질의 종류, 노즐 기판 사이의 거리 및 각도, 세척 시간, 컴프레서의 압력과 공기량, pellet 분사량에 따라 다양한 세정력을 확보할 수 있었다.

6. 입자의 유속은 300m/s에 이른다.

7. dry ice pellet blasting은 그 기술적, 환경적, 경제적 우월성이 입증된 바 많은 분야에 적용이 가능할 것으로 예상된다.

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20. Cheol Nam Yoon □Preparation of Sublimable Particles and Their Effects on the Cleaning Efficiency in Cryogenic Jet Cleaning□

Figure 1. Dry ice pellet blaster        Figure 2. Dry ice pelletizer

Figure 3. Experimental appratus of Dry ice pellet blasting

Figure 4. Dry ice pellet blasting