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2020 유기반도체의 광학특성 측정 및 분석 - 결과보고서 A+

Organic Semiconductor유기반도체의 광학특성 측정 및 분석__________________________________________________________________________________________________________________________서론재침전법을 이용하여 유기반도체의 결정크기를 키우는 것을 배운다.레이저 공초점현미경을 이용하여 만들어낸 유기반도체 결정의 PL스펙트럼을 그리고 그를 통한 광학적인 성질을 비교 분석, 유추한다.계면활성제의 첨가가 유기반도체의 결정을 만들고 미치는 영향을 배운다실험방법스파츄라, 20ml,5ml바이알,100ul,200ul 마이크로 피펫, 스포이드,자석교반막대,Alq3,PFO,SDS,THF를 준비한다.각각의 용량에 맞게 물10ml+SDS25mg,물10ml가 든 20ml바이알 두개를 준비하고, 5ml 바이알에는 THF3ml+Alq3 12mg을 넣은 것 1개를 준비하고 각각을 교반시킨다.Alq3가 든 용액 1ml씩 20ml 바이알에 집어넣는다.대기압에서 50도씨로 40시간 동안 열처리한다.이후 핫플레이트 위에서 70도씨로 열처리하여 THF를 증발시킨다.스포이드를 이용하여 SDS를 제거해준다.PFO에서는 SDS가 들은 것 1가지만 위의 방법과 마찬가지로 제조해준다.UV램프를 통해, 발광하는 것을 관찰해준다.마이크로 피펫을 이용하여 슬라이드 글래스 위에 떨어트린 후 건조시킨다.LDM을 이용하여 각각의 시료들을 관찰한다.레이저를 가한 후 데이터들을 분석하여 PL스펙트럼을 구하여 광학적 특성을 알아본다.실험결과 및 분석CCD 관찰 및 분석각각의 변수가 있는 유기물을 CCD로 관찰하였을 때, SDS의 존재여부가 결정의 형성에 큰 영향을 미침을 알 수 있다. 이는 SDS가 유기물의 자기조립현상이 일어나는 과정에서 마이셀을 형성하며 성장속도를 굉장히 키웠음을 볼 수 있다. 또한 Alq3와 PFO는 다른 발광색을 띠고 있는데, 이로 인해 발광파장 역시 다름을 유추할 수 있고, Alq3는 직사각형형태다. 이는 Alq3는 한가지 분자지만, PFO는 분자들이 모여있는 고분자이기 때문인데, 이로 인해 결정이 만들어지지 못하고 그저 뭉쳐있는 모습을 띠고있다.Alq3_SDS(O) CCDCCD사진을 보았을 때, particle도 있는 모습이지만 Alq3가 모여 직사각형 형태의 결정형태를 이루고 있는 모습이 관찰이 된다. 이는 계면활성제 역할을 하는 SDS로 인해 결정이 형성된 것인데, SDS로 인해 형성된 마이셀로 인해, 자기조립현상이 원활히 일어나게 되어 SDS를 쓰지 못한 것에 비해 유기물끼리 더 잘 뭉쳐지게 되어 결정이 형성된 것이다. 또한 back light를 끄고 레이저를 쐈을 때, 초록색으로 발광하는 모습을 관찰할 수 있다.Alq3_SDS(X) CCDCCD사진을 보았을 때 결정의 모습은 관찰되지 않고 particle의 모습만 관찰되는 모습이다. 이는 계면활성제의 역할을 하는 SDS가 첨가되지 않았을 때의 모습으로, 계면활성제가 없으면 유기물끼리 합쳐지려는 경향이 약해져 이로인해 결정이 될 정도로 뭉치지 않는 모습이다. 그렇지만 back light를 끈 채로 레이저를 가하였을 때 여전히 초록색으로 발광하는 모습을 보인다.PFO CCDCCD사진을 보았을 때 PFO의 모습은 어느정도 뭉쳐서 모여있음을 볼 수 있다. 그러나 이 모여있는 모습이 Alq3와 달리 일정한 모양의 결정이 아닌 불규칙한 모습으로 뭉쳐있음을 볼 수 있는데, 이는 Alq3와 다른 PFO의 특징임을 유추할 수 있다. 또한 back light를 끄고 레이저를 가했을 때 파란색으로 발광하는 모습을 볼 수 있다.PL Spectrum(graph)각각의 경우에 대해 x축은 파장으로, y축은 intensity로 두고, PL 스펙트럼을 그려보았다.우선 Alq3를 SDS를 넣었을 때와 안 넣었을 때를 비교해보면, 빛의 세기가 넣었을 때가 안 넣었을 때보다 약 15배 증가하였음을 볼 수있다. 이는 SDS로 인해 형성된 결정들이 빛을 난반사시켜서 세기를 감소시키는 것이 아닌 일정방향으로 모아주면서 빛의 세기가 있고, 결정 및 particle이 균일하게 있는 것이 아닌 heteogeneous하게 존재하므로 어느정도 오차가 발생하여 파장에서의 차이가 있을 수 있다.이번에는 PFO와 Alq3를 관찰해 보았을 때, 최고점의 파장이 다름을 알 수 있는데, 이때 최고점의 파장은 곧 발광파장이 된다. 이를 통해 발광파장이 서로 다름을 알 수 있다. 이때 Alq3는 약 520nm정도이고, PFO는 약 440nm로 각각의 파장은 가시광선영역에서 초록색과 파란색에 해당하는 영역이다. 이로 인해 각각의 물질이 초록색과 파란색으로 발광함을 알 수 있다.Alq3_SDS(O)발광파장 :512.5698nm최대세기: 3657(counts)Alq3_SDS(X)발광파장: 524.9691nm최대세기: 243(counts)PFO발광파장: 438.73422nm최대세기: 3137(counts)CCD 이미지로 첨부ASC파일(메모장)의 PL Spectrum Data로부터 Excel을 활용하여 PL Spectrum(graph)을 이미지로 첨부Parameter에 따른 실험결과 분석결론이번 실험은 PL에서도 형광과 관련이 있는 실험이었다. 그 이유는 빛을 가하고 별도의 시간없이 곧바로 발광을 하며 에너지를 방출하는 모습을 통해 알 수 있습니다.HOMO-LUMO의 energy gap은 무기반도체의 밴드 갭에 해당하는 데, 이때 이 enery gap(E)는E=h*c/λ= hν로 표현이 되는데, h는 플랑크 상수(6.62607015 x 10-34Js), c는 빛의 속도(3.0×108m/s), λ는 파장의길이(nm), ν= 빛의 주파수를 의미합니다.다시 정리하면 E(eV)=1242nm*eV /λ 로 표현이 된다. 이를 통해, Alq3_SDS(O), Alq3_SDS(X), PFO각각의 에너지갭을 구할 수 있다.Alq3_SDS(O) E: 1242nm*eV/512.5698nm=2.42308eVAlq3_SDS(X) E: 1242nm*eV/524.9691nm=2.36585eVPFO E: 1242nm*eV/438.73422nm= 이미지를 통해 SDS를 첨가한 것과 첨가하지 않은 것과의 차이점을 알 수 있었는데, SDS를 넣은 것에는 결정이 형성되어 있었던 것에 반해, 첨가하지 않은 것에는 particle만이 보였다. 이를 통해 SDS가 유기물의 뭉침에 영향을 미침을 볼 수 있는데, 이는 유기용매를 잘 녹이지 못하는 용매에 넣으면서 분산되어 자기조립이 되어가는 과정에서 SDS가 마이셀(micelle)로 형성되면서 더욱 활발히 일어나게 하고 그로 인해, 유기물이 더욱 잘 뭉쳐지면서 결정이 형성되게 되기때문이다. 또한 레이저를 비출 때, 초록색으로 발광함을 알 수 있고, 빛의 세기역시 SDS를 첨가한 것이 약15정도 더 강해졌는데, 이 역시 결정이 생성되면서 빛이 난반사하던것이 한쪽 방향으로 방향을 가해주면서 빛의 세기가 강해졌다고 볼 수 있다.Alq3와 PFO의 차이를 CCD로 관찰할 수 있었는데, Alq3와 달리 PFO에서는 모여서 결정이 형성되지 못하고, 그져 뭉쳐있는 모습을 가지고 있다. 이는 Alq3는 유기물 단분자이지만 PFO는 고분자이기 때문인데, 단분자라는 점에 의해 한쪽방향으로 방향성을 가진 입자들이 모여 결정을 이룰 수 있는 반면에, 고분자인 PFO는 방향성을 가지지 못해 뭉쳐있는 모습을 띠고 있습니다. 또한 레이저를 비출 때, PFO는 Alq3와 달리 파란색의 빛을 방출함을 볼 수 있는데, 이는 PL 스펙트럼을 그려볼 때, 방출파장값이 Alq3는 약 520nm이고, PFO는 440nm이므로 각각의 파장에 해당하는 가시광선영역을 관찰해 볼 때, 각각 초록색과 파란색을 띠는 방출파장을 가지고 있음을 볼 수 있습니다.SDS를 넣은 것과 안 넣은 것에 있어서, 방출파장값은 동일한 물질이므로 같은 값을 가질 것이라고 예상했는데 반해, 실제로는 약 10nm정도의 차이를 가지고 있었는데, 이는 결정이나 particle이 heterogenrous하게 존재하면서 생긴 오차이외에도, 결정이 생성되며 이 결정이 파장이 변하는 데에 영향을 미쳐서 파장이 변했다고 볼 수 있습니다.결국 SDS야에서 응용이 가능한데, OLED, RFID, 유기태양전지, 유기광전소자 등 기존의 실리콘과 같은 무기물들이 차지하던 영역에서 그와 비교해 효율적인 성능을 보이며 연구 개발이 진행되고 있다. 예를 들어, 유기 반도체 나노와이어와 박막 소자를 비교할 때 높은 전하 이동도 및 높은 외부 양자 효율을 보인다. 이를 통해, 결정 결함을 최소화하는 자기 조립체인 나노와이어의 특성이 효율이 매우 좋은 광전자소자를 만드는 것이 가능함을 보여주었고, 그와 관련된 연구가 활발하다. 또한 flexible한 특성과 저비용의 공정과정 그리고 풍부하게 존재함은 다양한 분야에서 연구개발되며 다양하게 응용될 수 있음을 보이고 있다.참고문헌[1] 유호정, 오준학/유기 나노소재의 제조 및 광전자 소자 응용/NICE/2013/제 31권/제 3호/pp291~294[2] 박세연, (2016), Growth Mechanism of Alq3 Crystal in [C12mim][TFSI] via Solution Method, J. of Advanced Engineering and Technology, 9(2), pp.121-125[3] Classroom Experiments and Teaching Materials on OLEDs with Semiconducting Polymers, Amitabh Banerji, Educación Química, 2013, 24(1), pp.17-22[4] Growth and Brilliant Photo-Emission of Crystalline Hexagonal Column of Alq3 Microwires, Seokho Kim, Materials 2018, 11, pp.472-479[5] mcmurry, organic chemistry, cengage,2017, pp.500~505[6] C. Bosshard, K. Sutter, P. Prêtre, J. Hulliger, M. Flörsheimer, P. Katz, and P. Günter, Organic Nonl205

공학/기술| 2021.01.02| 7페이지| 2,000원| 조회(156)

유기반도체, 광학특성, 측정 및 분석

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유체유동 예비보고서 인하대학교 A+

유체유동 실험Fluid Mechanics Experiments (Reynolds Number, Head Loss)실험 제목유체유동실험(레이놀드 수와 손실두실험)실험 목적1) 유체의 흐름을 이용해 레이놀드 수를 이해하고, 유체특성에 대하여 알아본다. 또한 레이놀드 수를 통하여 마찰계수를 구해보고 관계를 이해한다.2) 파이프 내 압력과 관련된 부품들을 이해하고, 거기에서의 유속의 변화에 따르는 손실두를 계산하며 유체의 특성에 대하여 이해하고자 한다.기본 이론1) Reynols number(Re)레이놀즈 수는 유체의 동역학을 알아볼 수 있는 기준이다. 이는 무차원변수인데, 개념적으로 관성에 의한 힘에 대한 점성에 의한 힘의 비율로 말할 수 있습니다. 다시 말해 관성력과 점성력 중 어느것이 우월하냐를 나누는 기준을 보여주는 척도인데, 이 값은 유체의 밀도(ρ), 유체의 점도(μ), 특성 길이(D), 속도(v)에 의해 정의됩니다. 이를 식으로 표현하면, Re=ρvD/μ= vD/ν 로 나타내진다. 이때 단면이 원형이 아니라면 D는 hydraulic diameter로 정의됩니다. 층류는 점성력이 지배적이고, 난류는 관성력이 지배적이므로 이와 관련된 레이놀즈 수의 값을 통하여 층류인지 난류인지를 구분할 수 있고, 대략적으로 Re

공학/기술| 2021.01.02| 5페이지| 2,000원| 조회(207)

인하대, 예비보고서, 유체유동

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기체확산 및 흡수 예비보고서 인하대학교 A+

기체 확산 및 흡수Gas Diffusion and Gas Absorption실험 목적확산의 원리에 대하여 이해하고, 관계된 확산도에 대하여 이해한다. 용매의 확산속도를 측정하고, 용매의 확산도를 계산한다.실험 이론① Fick’s 1st lawFick’s 1st law는 몰 플럭스에 대하여 정리한 것으로, 플럭스가 높은 농도에서 낮은 농도의 방향으로 농도구배에 따라 흐른다고 가정하고 세운 식으로, 일차원에서의 확산에 대한 식은 다음과 같다.JA=-DV*dCA/db ,이때 JA는 성분A의 몰플럭스를 말하고, 단위는 [mol/m2h], DV는 부피확산도로 단위는 [m2/h], CA는 몰농도, b는 확산 방향으로의 거리를 말한다.3차원 확산의 경우 다음과 같이 표현된다.JA=DV∇CA로 이때 ∇= ∂i/∂x+∂j/∂y+∂k/∂z로 이때 (i,j,k)는 벡터를 의미하며, 각 성분으로의 속도를 의미한다.② 기체 확산기체확산이란 혼합물의 각성분이 어떤 물리적인 자극에 의해 이동하는 것으로, 보통 농도구배에 따른 확산이 제일 보편적이다.이때는 높은 농도에서 낮은 농도방향으로 확산이 발생하여 농도의 기울기가 없어지도록 한다. 이렇게 되면서 플럭스는 시간에 따라 점점 감소하게 된다. 이외에도 확산에는 다른 종류가 있는데, 활동도 기울기, 압력기울기, 외력장에 의한 기울기 등에 의하여서도 확산이 발생할 수 있으며, 이때 온도에 의해 생긴 분자확산을 열확산이라고 부르며, 외력장에 의한 것은 강제확산이라고 한다. 또한 확산은 다른 조성의 유체가 혼합할 때에도 발생하는데, 이것이 에디확산 및 에디간 혹은 에디내부의 분자확산이다.③ Chapman-Enskog equation기체의 확산도를 구할 때 쓰는 식으로, 볼츠만 식을 풀어내서 유도하였다. 이때 평균자유행로가 아닌 분배함수를 이용하여 유도한 식으로, 현대 분자운동론에 근거하였다. 이때 2성분계에 대한 식은 다음과 같다.DAB=0.001858T1.5[(MA+MB)/MAMB]0.5/P σ2ABΩD이다. 이때 MA, MB는 A,B성분의 분자량을 P는 압력[atm], σAB는 유효충돌지름(=(σA+ σB)/2)[Å], ΩD는 충돌적분이고 이는 kT/εAB로 이루어진 함수입니다. 이때 εAB=(εBεA)0.5이며 ε는 일반 기체에 대한 Lennard-Jones 힘 상수를 의미합니다.이때 ΩD는 온도가 상승하면서 감소하면서 DAB는 T1.5승 이상으로 상승하는데, 약 300K

공학/기술| 2021.01.02| 6페이지| 2,000원| 조회(246)

인하대, 예비보고서, 기체확산 및 흡수

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공정모사 예비보고서 인하대학교 A+

공정모사를 통한 평형 증류의 설계(Process Simulation – Flash Distillation Design)실험 목적1. 프로세스 시뮬레이션의 원리에 관하여 알아보고 시뮬레이션 프로그램인 유니심의 사용방법에 대하여 알아봅니다.2. 분별증류를 시뮬레이션해보고 유니심을 통하여 얻은 데이터 값을 Rachford-rice equation로부터 구한 데이터값과 비교해본다.실험 이론Plant 산업(Engineering 산업) 간단한 설명과 Plant 산업에서 화공과가 하는 일플랜트란 발전, 담수, 해양설비, 석유화학, 원유, 정유 등등 다양한 산업기반시설 혹은 산업기계나 공장기계 등과 같은 종합체역할을 하는 생산시설 및 공장을 의미합니다. 이때 플랜트산업이란 전력,석유,가스와 같이 제품을 생산하는 데에 들어가는 원료를 다루기위하여 설비를 공급 또는 공장을 짓는 등의 산업을 의미합니다. 이러한 과정에서 화공과의 역할은 설비에 있어 적절한 관의 설계 및 배치, 적합한 공정의 설계 등이 있으며 종합적으로 P&ID를 짜는 것이 화공과의 역할이라고 할 수 있습니다.EOS 설명 (식 유도 생략, 각각의 특징과 용도 위주 비교)조성이 균질할 때, 물체 1몰의 상태에 대하여 PVT, 즉 압력,부피,온도중 두 변수를 통해 알아볼 수 있다. 이러한 PVT의 관계를 나타낸 식을 상태방정식(EOS)라고 한다. 이상기체의 경우 PV=RT라는 간단한 식을 통하여 나타낼 수 있는데, 이상기체에서는 분자의 반발력 및 부피, 인력 등을 고려하지 않았기 때문에 실제 기체에서는 이를 고려해주어야하며, 대표적으로 반데르발스 및 비리알식 등이 있다.VDW equationVan der Waals equation, 즉 VDW 식은 실제기체는 이상기체와 다르게 행동한다는 사실을 기반으로 유도한 식입니다. 이는 높은 온도와 낮은 압력과 같은, 즉 실제기체가 이상기체와 유사해지는 영역에서는 잘 맞습니다. 이때 고려해준 요소에는 분자의 반발력과 인력을 고려해주었는데, 왜냐하면 이상기체는 입자를 부피를 지니고해준 식입니다. 이는 상전이와 같은 평형구간에서는 잘 맞지 않기 때문에, 사용하는데 주의를 기울여야하며, 이에 corresponding states나, equal area rule과 같은 다른 요소를 만들게 되었습니다.반데르발스 식: (P+a/V2)(V-b)=RT로 표현이 되며, 이때 a는 반발력에 관한 인자이고, b는 분자의 부피에 관한 인자입니다.PR equationPeng-Robinson equation, 즉 PR식은 편심인자를 도입한 SRK가 기존의 RK에 비하여 개선이 되었으나, 임계압축인자(Critical Compression factor)가 0.333으로 실험데이터값에 비하여 크게 나와 액체를 측정하는데 큰 오차가 발생한다. 따라서 이로부터 임계압축인자를 0.3075가 되도록 식을 변형하였고, 그로 인해 만들어진 식이다. PR식의 경우 SRK식보다 탄소개수가 6~10인 탄화수소계열 물질의 액상 계산에서는 더 우수하지만, 정확하지는 못하다.PR 식: P = RT/(V-b)a⋅α/(V(V+b)+b(V-b))SRK equationSoave-Redlich-Kwong식, 다시말해 SRK식은 기존의 RK(Redlich-Kwong)식을 기반으로 이심인자의 함수를 추가한 식으로, 이때 이심인자는 pure한 증기압을 정확하게 추산하기위하여 pizer가 고안했다. 이 이심인자는 순물질의 끓는점, 극성, 분자량과 같은 특성을 전반적으로 다루어 보여주는 인자이다. 이심인자는 RK식에 soave가 도입하여, 액체의 증기압을 정확하게 추산할 수 있게 해주는 식이다.SRK 식: P = RT/(V-b)-a⋅α/(V(V+b)) 이때 α= [ 1+(0.48508+1.55171ω-0.15613ω2)(1- Tr0.5)]2로 위에서 도입한 이심인자의 함수에 해당한다.VLE 설명 (라울의 법칙과 비휘발도를 이용한 설명)VLE란 기액평형을 의미하는 말로, 기체상과 액체상이 평형을 이루고 있는 상태를 의미합니다. 이때 액체상과 평형을 이루고 있는 기체상의 증기압을 구할 수 있는데, 만일 용reB∗XB를 따른다. (A,B는 휘발성) 이를 이용해 VLE상태일 때 기체의 증기압을 구할 수 있다. 또한 이를 비휘발도를 도입하여 생각해보면, 액상과 기상의 몰비에 대하여 알 수 있는데, 비휘발도와 액상이 라울의 법칙을 따르고, 기상이 돌턴읩 법칙을 따를 때 비휘발도는 αAB=PA/PB가 되고, 이는 다시 y=αx/(1+(α-1)x)가 되어 액상과 기상의 몰비의 관계를 알 수 있습니다. 이를 통하여 VLE상태에서의 몰분율을 구할 수 있습니다.증류란 혼합물질을 정제하기위한 방법 중 휘발성의 차이를 이용하는 방법입니다. 끓는점의 차이를 이용하여 정제하므로, 먼저나오는 물질이 끓는점이 낮은 물질이고, 나중에 나오는 물질이 끓는점이 높은 물질입니다.단순증류: 주로 불순물이 고체인경우에 쓰는 방법으로, 한가지의 액체를 증류시키는 방법입니다. 액체를 끓인 뒤 냉각시켜 정제하는 방법으로, 액체가 혼합되어 있을 경우, 끓는점 차이가 클 때, 주로 사용합니다. 다른 증류에 비하여 분리효율이 나쁘나, 간단하며 적은 비용이 듭니다.분별증류: 단순증류의 나쁜 분리효율을 높인 증류방법입니다. 분별증류관의 높이에 따른 온도차를 이용하여 끓는점의 차이에 따라 낮은 곳에서부터 차례대로 분리하는 방식입니다. 액화와 기화가 반복적으로 일어나므로 순도를 높일 수 있어, 분리효율이 높아 끓는점의 차이가 적은 혼합물을 분리할 때에 쓰입니다. 그러나 시간과 비용이 단순증류에 비하여 많이 필요합니다. 원유를 증류하는데에 쓰입니다.공비증류: 이상용액과 달리 실제용액에서는 azeotrope이 발생하는 것을 볼 수 있다. 이러한 경우 증류를 반복하여도 일정 몰분율이외의 조성을 가지는데에는 어려움이 있다. 따라서 이러한 공비혼합물이나 끓는점이 비슷한 경우에 대하여 증류하기위한 증류법으로 새로운 공비혼합물을 만드는 제3의 물질을 첨가하여 이로 인해 새로운 끓는점을 가지도록 하여 증류하는 방법으로 이를 사용하는 방법은 물-에탄올 공비혼합물일때, 벤젠을 첨가하여 증류하는 경우가 해당됩니다.진공증류: 진공펌프와져 낮은 온도에서 증류가 가능하게 되므로, 끓는점이 높거나 끓는점 주변에서 분해되기 쉬운 경우에 사용되는 증류법이다.평형증류: VLE를 이용하는 방법으로, 용액을 지속적으로 공급하여주고, 이에 맞춰 계속적으로 발생하는 기체상을 포집하여 응축시키는 방법으로, 플래시증류라고도 한다. 정확하게 분류하기보다 대략적인 분류를 할 경우에 적합하다.Degree of Freedom 설명Degree of Freedom이란 자유도라고도 한다. 한 계에 대하여 운동상태나 혹은 어떠한 평형상태를 표현하는데에 필요한 추가적인 독립변수의 수를 의미한다. 다시 말해 이 계의 운동을 나타내는데 필요한 독립적인 방정식의 수를 의미한다. 질량점이 3차원의 직교좌표계를 운동하고 있을 때, 각각의 좌표계에 대하여 방정식을 요구하므로 이때의 자유도는 3이되며, 곡면위에서 움직이는 경우 두가지 축에 대하여 정해지면 나머지는 정해지므로 자유도는 2가 된다.열역학적인 의미의 자유도는 불균일한 계가 평형상태에 있을 때, 독립적으로 변화가능한 상태변수의 수를 의미한다. 이때 상태변수에는 온도,압력,몰수등이 있으며,이를 Gibbs’ phase rule로 정리하면F=C-P+2 이때, F는 자유도, C는 성분의 수, P는 상의 수를 의미한다.장치 설명 (용도와 종류 설명)Pump대표적으로 물펌프와 압력펌프, 열펌프로 나뉘며 무엇을 다루느냐에 따라 나눠집니다. 열펌프는 에너지를 받아 저온의 열원으로부터 열을 빼앗아, 이를 고온의 열원에 공급하는 역할을 하는 장치이다. 이는 공급되는 에너지의 종류에 따라 구분되어지는데, 예를 들어 전기로 에너지가 들어오면 electrical heat pump, 가스로 에너지가 들어오면 gas heat pump라고 한다. 이러한 기계에는 냉동기 혹은 냉장고가 있다. 이러한 열펌프의 성능은 성능계수(coefficient of performance)라고 불리는 COP를 통하여 효율을 나타내는데, 이는COP= Q/W이다. 이때 Q는 저온부에서 빼앗은 열을 의미한다. 이는 받은 일에 비해 펌프는 슬러리나, 액체류를 옮기기 위하여 압력을 가하는 펌프로, 낮은 압력의 액체를 높은 압력으로 만들어준다. 이때 압력구배가 바로 driving force가 된다. 이때의 펌프는 전기적 혹은 기계적인 힘에 의해 압력을 가할 수 있으며, 다양한 목적에 따라 다양하게 사용할 수 있다.Heat exchanger두개 혹은 그 이상의 유체간의 열을 전달하기 위한 장치입니다. 보통 고체 벽에 의해 유체간의 직접적인 접촉을 막고 열의 교환만을 이뤄냅니다. 냉장고와 같은 경우에서 펌프를 통해 빼앗은 열이 이러한 열교환기를 통해 공기와 접촉을 하며 지속적인 사이클을 이루고 있습니다. 보통 병류와 향류로 두 유체간의 흐름방향에 따라 나눠지게 되며, 이때의 효율과 온도변화는 서로 다릅니다. 보통 향류에서의 효율이 병류에 비하여 더 좋습니다. 종류에는 이중관 열교환기를 시작으로 shell and tube heat exchanger, plate heat exchanger, plate and shell heat exchanger 등등 여러가지 방식의 열교환기가 있습니다.Valve밸브는 흐르는 유체의 양을 조절하는 등의 제어를 위하여 유로를 여닫는 기기를 말합니다. 이중 우리와 관련이 있는 유체에 대한 밸브에 대하여 다루고자 합니다. 밸브는 유체흐름을 조절하는 방식에 따라 종류가 나뉘게 됩니다. 볼밸브, 버터플라이밸브, 글로브밸브, 게이트밸브, 다이어프램밸브 등 다양한 방식의 밸브가 있고, 이들은 각각 완전개폐의 여부, 압력강하의 여부, 토크의 정도, 유지비용의 정도, 세부조정의 정도 등 다양한 기준에 따라 다양한 밸브가 존재합니다. 이러한 밸브는 각 관에 맞추어 사용하여 내가 원하는 상황에 원하는 유량을 흘릴 수 있게 하는 장치로 현재 사용되고 있습니다.참고문헌1. J.M.Smith 외 2인 / 화학공학열역학 / McGraw Hill / 8판 / p. 299~3162. Peter Atkins 외 1명, physical chemistry 9th, Oxford, p.19, 1393. K-612

공학/기술| 2021.01.02| 6페이지| 2,000원| 조회(259)

예비보고서, 공정모사, 평형 증류의 설계

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열전달 예비보고서 인하대학교 A+

열전달Measurement of thermal conductivityand heat transfer coefficient1. 실험 제목Measurement of thermal conductivity and heat transfer coefficient2. 실험 목적열전달 메커니즘에 있어, 전도에서의 Fourier법칙에서 k라고 표현하는 열전도도를 알아보고, 유체의 흐름이 다르면 어떻게 바뀌는지 알아본다. 또한 마지막으로, 금속의 열전도도 역시 측정한다.3. 실험 이론1) 열전달 mechanism- 열전달이란 온도차이로 인한 열에너지가 이동하는 것을 의미합니다. 이 열전달에는 대류, 전도, 복사라는 세가지 형태가 있습니다. 이 세가지에 대해서 설명하고자 합니다. 먼저 전도란 물체의 입자들이 서로간의 상호작용에 의해 에너지가 전달되는 형태로 분자간의 작용 및 자유전자간의 작용으로 존재합니다. 대류란 표면과 인접한 유체사이에서 에너지를 교환하는 방식으로 강제대류와 자연대류가 존재합니다. 마지막으로 복사란 고온의 물체에서 전자파형태로 열을 방출해 저온물체에 충돌하는 열전달로, 이는 전도와 대류에서와는 다르게 중간 매질이 필요하지 않습니다.2) 열저항- 열저항이란 열에 관련된 속성입니다. 이는 재료의 열흐름에 저항하는 성질을 가리킵니다. 물체의 내부가 균일한 경우 열저항은 열전도율과 역수의 관계에 있습니다. 그러나 실제의 경우 경계면 혹은 접촉면에서는 틈이 존재하게 되는데, 이러한 틈의 공기층으로 인해 열전도율이 감소하게 됩니다. 따라서 접촉면이 부드럽고, 상호간에 강하게 접촉할수록, 열저항은 작아지게 됩니다. 열저항의 단위는 관점에 따라 변하게 되는데, 절대열저항을 의미할경우 K/W를 의미하고, 비열저항의 경우 K*m/W를 말하며, Thermal insurance의 경우 m2⋅K/W를 의미합니다. 이때 열저항은RθJC=(ΔT/P)=k/w로 이때 ΔT는 두 지점간의 온도차(절대온도 K), P는 파워(와트 W)를 의미합니다.3) Fourier’s law- 열전도에서 기본 법칙에 해당하는 식입니다. 이는 고체내의 열전도와 관련이 있는 법칙이다. 이 식은 열전달률과 온도구배사이의 관계에 대하여 정리한 식으로 2차원 정상상태에서의 푸리에 법칙을 표현하면 아래의 식으로 표현이 됩니다.ΔQ/Δt = -kAΔT/Δx 이때, ΔQ는 열 전달률, Δt는 시간, k는 열전도가 되는 매질의 열전도도(고유성질), A는 단면적, ΔT/Δx는 온도구배를 의미합니다.이때 열전달률과 마찬가지로 온도구배역시 방향 및 기울기를 지니고 있으므로 벡터로 표현할 수 있습니다. 이때 온도구배와 열전달률의 방향은 서로 방향이 반대이므로 식에서 -부호를 가지고 있게 됩니다.4) 이중관 열교환기 (향류, 병류)- 가장 간단한 유형의 열교환기중 하나입니다. 이는 지름이 다른 두개의 동심원을 가지는 관으로 구성이 됩니다. 각각의 관에는 유체가 흐르고 있는데, 각 관의 유체가 흐르는 방향에 따라 co-current 혹은 counter current로 나눠지는데, co-current는 두 유체가 같은 방향으로 흐르는 경우를 의미하고, counter current는 두 유체가 서로 다른 방향으로 흐르는 것을 의미합니다. 내부 온도나 유속등의 변화에 의해 파이프라인에서 변화가 생기면 흐르는 유체사이의 열교환으로 인해, 정상상태에 도달하게 됩니다.5) 뉴턴의 냉각법칙- 이 법칙은 물체가 냉각이 되는 비율은 물체 및 물체주위의 온도차에 비례한다는 법칙입니다. 이때 온도차가 크면 냉각법칙에 성립하지 못하는 경우가 발생하므로, 온도차가 작은 경우에 있어 이 법칙이 성립합니다. 이는 다시말해 온도차가 작은 경우 뉴턴의 냉각법칙은 푸리에 법칙 역시 만족하게 되어 전도에서 잘 적용이 되며, 또한 대류에서도 적용할 수 있습니다. 그러나 이는 강제된 유체의 경우에 해당하는 것으로 부력구동대류(buoyancy-driven convection)의 경우에만 적용이 가능합니다. 이 법칙은Q=h*A*ΔT(t)로 Q는 열전달률, h는 열전달 계수, A는 단면적, ΔT(t)는 온도차이를 의미합니다.이런 식으로 표현이 됩니다. 이때 계수h의 경우 고체 표면에서의 기하학적 모습과 대류현상의 매질인 유체의 특성에 따라 변하는 값으로 열전도도k와 달리 고유성질이 아닙니다.6) 열전달계수- 열전달 계수는 대류현상에서 고체표면에서 유체로 열을 전하는 크기를 나타내는 계수입니다. 이는 위에서 말한 뉴턴의 냉각법칙 Q=h*A*ΔT(t) 에서 h를 의미하는 것으로, 위에서 언급한 바와 같이 열전도도와 달리 고유성질이 아닙니다. 이는 고체표면에서의 기하학적 모습 및 대류에서의 매질유체의 특성, 또는 대류에서의 물리적 상황 등 전체 계에서 발생하는 변수에 따라 값이 변하는 계수입니다. 따라서 이 값은 그러한 변수에 대하여 정량적으로 도출되는 값이 아닌 실험적으로 구해지는 값입니다. 열전달 계수 h의 단위는 W/m2K입니다.7) 대수평균온도차- 코일의 전체를 대표하는 온도차로, 열교환기에서 열교환 시, 유체와의 열전달량을 구하기 위해서는 유체 간의 온도의 차이를 알아야한다. 이때 모든 위치에 걸친 온도차이를 알 수 없기 때문에 대표적인 평균치인 대수평균온도차를 이용하게 된다. 이는 Log Mean Temperature Difference로 줄여서 LMTD라고 하며, 식은 다음과 같다.ΔTlm= (ΔT1- ΔT2)/ln(ΔT1/ΔT2)이다. 이때 ΔTlm은 대수평균온도차, ΔT1, ΔT2는 각각 파이프의 한쪽에서의 내.외부 유체의 온도차를 의미한다. 이때 ΔT는 병류형 흐름(parallel flow)와 향류형 흐름(counter flow)에 따라 약간의 차이를 보이게 됩니다.1. 병류형 흐름(parallel flow)그림 SEQ 그림 * ARABIC 1(ppt와 그림판을 이용하여 그렸습니다.)병류형일 경우 내.외부 유체는 서로 평행하게 흐르며 그에 따라 온도분포는 위와 같은 온도 그래프를 가지게 됩니다. 또한 그에 따라 위의 그래프에 표기된 것과 같은 ΔT값을 가지게 됩니다.2. 향류형 흐름(counter flow)그림 2 (ppt와 그림판을 이용하여 그렸습니다.)향류형일 경우 내.외부 유체는 서로 반대방향으로 흐르며 그에 따라 온도분포는 위와 같은 온도 그래프를 가지게 됩니다. 또한 그에 따라 위의 그래프에 표기된 것과 같은 ΔT값을 가지게 됩니다.4. 실험 방법1) 실험 전 냉각수가 잘 흐르는지 보며 실험이 진행하면서도 냉각수 흐름 및 유량을 잘 살펴본다..2) Heater의 온도를 적절한 온도1로 설정하고, 그 후 정상상태가 되도록 기다린다..3) thermocouple의 매 지점의 온도를 잰다. 이를4) 온도를 충분히 식힌 뒤 다른 적절한 온도2에서 같은 과정을 반복한다.5) 충분히 온도가 식은 뒤 전원을 끈다.-열전달 계수 실험1) 열교환기의 전원을 키고, 냉각수의 수위을 확인한 후, 더 높은 온도의 유체의 온도를 정한다.2) 레버를 병류로 돌린 후, 두 유체의 유량을 정해준 후, 정상상태에 도달할 때까지 기다린다.4) 온도센서로 각 지점의 온도를 잰다..5) 차가운 유체유량을 바꾼 후 온도를 잰다. 이때 충분한 시간을 둔 후 잰다.6) 향류로 레버를 돌린 후 마찬가지의 과정을 반복한다.5. 참고 문헌1. 안현모, 김민수, 송재성, 한성진 / 전력용변압기의 온도상승 예측을 위한 전자계-열계 결합해석기법연구 / 전기화학논문지 60권 10호 / 2011년 10월 / p. 18392. Yunus A. Cengel and Afshin J. Ghajar/ 알기 쉬운 열전달/ 배대석 외 6명/McGraw-Hill Korea/2015/ p2-1313. 고한서, 김현정/ 최신 유체역학/ 교학사/ 189-243p4.. 정상섬, 송진영, 민혜선, 이성준 / 에너지파일의 열적거돈 인자분석 / 대한토목학회논문집 / 30권 6호 / 2010 / p. 2335. McCabe 외 2인 / 단위조작7판 / McGraw Hill / 2005 / p. 278

공학/기술| 2021.01.02| 6페이지| 2,000원| 조회(259)

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