보론 나노연료 액적 연소의 분광학적 분석 = Spectroscopic Analysis of Boron Nanofuel Droplet Combustion

국문 초록 (Abstract)

최근 추진기관의 고성능화와 연료 효율 향상에 대한 요구가 높아지면서, 기존 탄화수소계 연료의 한계를 극복하기 위한 고에너지 연료 기술이 주목받고 있다. 특히 금속 나노입자를 첨가한 나노연료(nanofuel)는 높은 발열량과 우수한 열전달 특성으로 차세대 추진기관의 유력한 대안으로 평가된다. 연료 내에 분산된 금속 입자의 산화 반응은 추가적인 에너지 방출을 유도하여 연소 온도와 에너지 밀도를 향상시킨다. 이러한 고에너지 나노연료는 차세대 추진기관의 성능 향상에 기여할 잠재력을 지니며, 나노입자의 실제 연소 거동 규명이 향 후 응용 확장에 중요한 기반이 될 것이다. 본 연구에서는 계면활성제 조성과 실란 표면처리가 보론 나노연료의 단일 액적 연소 특성 및 화염 온도에 미치는 영향을 분광학적으로 규명하였다. 1-부탄올을 기저 연료로 사용하고, 70 nm 보론 나노입자에 Span 80, 올레산(oleic acid), 3-Triethoxysilylpropylamine(APTS) 을 각각 적용하여 나노연료를 제조하였다. 보론 함량(0–4 wt.%)과 계면활성제 첨가량(0–2 wt.%)을 변화시키며 연소율, 퍼핑(puffing) 강도, 보론 연소 스펙트럼 및 발열량을 측정하였다. 그 결과, 계면활성제의 첨가는 퍼핑과 미립화를 유도하여 보론 연소를 가능하게 하는 핵심 요인으로 확인되었으며, 특히 Span 80은 oleic acid보다 강한 퍼핑과 활발한 보론 연소를 유도하여 액적 연소 시간을 단축시켰다. 또한 보론 농도가 증가할수록 퍼핑과 연소가 강화되는 경향이 관찰되었다. 실란 처리된 보론 나노연료는 높은 열적 안정성으로 인해 연소 강도가 낮았으나, Span 80과 병용 시 보론 연소가 촉진되는 효과를 보였다. 그을음(flame soot) 생성이 많은 exo-THDCPD 연료는 분광 신호가 약화되어 보론 연소 스펙트럼을 직접적으로 측정하기 어렵다. 이에 본 연구에서는 고속 카메라 영상을 기반으로 한 영상 처리 기법을 적용 하여 화염의 이차원 온도장을 도출하였으며, 동시에 이색법(two- color method)을 이용하여 온도를 비교·검증하였다. 영상 처리로 얻은 온도 분포는 이색법 결과와의 최대 오차가 2% 미만으로 나타나, 두 방법 간의 높은 신뢰성을 확인할 수 있었다. 평균 화염 온도는 약 1800 K로 측정되었으며, 퍼핑 강도와 보론 함량이 증가할수록 화염 온도 또한 상승하는 경향을 보였다. 이는 퍼핑 과정에서 보론 입자의 표면 노출이 확대되어 산화 반응이 촉진된 결과로 해석된다. 이러한 결과는 영상 기반 온도 측정 기법이 짙은 그을음 환경에서도 보론 연소 특성을 정량적으로 평가할 수 있는 효과적인 대체 방법임을 입증 하였다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서 론 1
• Ⅱ. 실험 장비 및 계측 7
• 1. 실험 장비 구성 7
• 2. 보론 나노연료 9
• 2.1 보론 나노입자 9
• 2.2 보론 나노입자 실란 코팅 10
• 2.3 실험 조건 12
• 3. 연소 특성 계측 14
• 3.1 분광학적 기법 14
• 3.2 유효 연소율 16
• 3.3 화염 온도 계측 18
• 3.4 화염 온도 계측 기법 검증 24
• 4. 나노연료 발열량 측정 26
• 4.1 발열량 측정 장비 26
• 4.2 저위 발열량 변환 28
• Ⅲ. 계면활성제 첨가 영향 실험 결과 30
• 1. 액적 연소 광학 분석 30
• 1.1 1-부탄올에 Span 80 첨가가 미치는 영향 30
• 1.2 보론 2 wt.% 나노연료 연소 특성 32
• 1.3 보론 4 wt.% 나노연료 연소 특성 34
• 1.4 계면활성제 종류에 따른 효과 36
• 1.5 보론 나노연료 퍼핑 메커니즘 고찰 39
• 2. 유효 연소율 41
• 3. 분광학적 분석 43
• 3.1 분광계를 통한 보론 연소 분석 43
• 3.2 PMT를 통한 보론 연소 분석 48
• 4. 나노 연료 발열량 51
• Ⅳ. 실란 코팅 보론 실험 결과 54
• 1. 액적 연소 광학 분석 54
• 1.1 실란 보론 나노연료 연소 특성 54
• 1.2 실란 보론 나노연료 퍼핑 메커니즘 고찰 58
• 2. 유효 연소율 61
• 3. 분광학적 분석 63
• 3.1 분광계를 통한 보론 연소 분석 63
• 3.2 PMT를 통한 보론 연소 분석 66
• 4. 나노연료 발열량 69
• V. 화염 온도 계측 실험 결과 71
• 1. 이색법을 통한 화염 온도 계측 71
• 2. 이미지 처리 기법을 통한 화염 온도 계측 73
• 2.1 exo-THDCPD 액적 화염 온도 측정 73
• 2.2 보론 나노연료 액적 화염 온도 측정 74
• 2.3 실란 보론 나노연료 액적 화염 온도 측정 77
• Ⅵ. 결 론 80