In this study, a high-resolution integrated real-time visualization device using surface plasmon resonance was designed and considered to overcome the measurement limitations of existing optical systems. For precise measurements, resonance angle and reflectivity were calculated using theoretical equations, and the designed surface plasmon resonance visualization system was verified by comparison with experimental values using a He-Ne laser. Surface information of the droplet was acquired using polarized, single-wavelength converted white light, and quantified through image processing. As a result of the experiment, it was confirmed that when light with a wavelength of 632.8 nm is incident on the Kretchmann structure prism-metal thin film-dielectric (air/water), it is not totally reflected at an angle above the critical angle and the reflectivity is rapidly reduced due to the surface plasmon resonance phenomenon. As a result of quantifying the image, it was confirmed that the droplet reflectivity was similar to the theoretical reflectivity at each resonance angle.

Radiant tubes heat exchangers are critical components that facilitate the heat transfer process to steel in an annealing furnace, and it addresses several engineering problems, such as thermal stress and mechanical failure due to long-term thermal cycling, which can significantly affect the longevity of the tubes and maintenance requirements. In this study, we used commercial software (ANSYS) to simulate the thermal stress and deformation of radiant tubes subjected to extreme thermal conditions and pressure loads. We evaluated both thermally induced deformation and creep deformation, which is a time-dependent deformation under constant stress over the long term. The results showed that uneven temperature conditions and pressure loads lead to significant deformation and potential failures. To mitigate these engineering challenges, we also tested several designs that include supporting brackets. This study provides valuable insights for designing radiant tube heat exchangers in annealing furnaces to extend their lifespan and ensure system safety.

지중점적 관수(subsurface drip irrigation, SDI)는 작물의 뿌리가 수분을 가장 쉽고 효과적으로 이용할 수 있는 방법으로 알려져 있다. 그러나 지중관수는 지표면 관수와 달리 수분의 공급 상태를 육안으로 확인하기 어려운 단점이 있다. 특히 작물의 뿌리가 수분을 흡수할 수 있는 유효수분 량은 토양에 따라 달라지고 동시에 수분을 보유하는 장력(potential energy)에도 영향을 미치게 된다. 지중관수는 지중에서 수분이 확산되는 위치 와 뿌리의 위치까지 도달될 때 효과가 발생한다. 그러나 실제로 토양 내부에서 수분이 이동하고 확산하는 것을 예측하기는 쉽지 않다. 따라서 본 연구에서는 토양의 조건을 일정하게 하고 토층을 파괴시키지 않기 위해 토양조를 이용하였다. 그리고 수분을 지중에 공급한 이후에 토양을 절개하고 토양의 내부 위치별 토양수분을 측정하였다. 이때 토양 내부의 수분함량이 동일한 분포선을 찾아 유효 수분영역을 구하고 공급한 지중관 수량과 비교하였다. 아울러 토양내부의 습윤 확산 형태와 수분량으로 부터 토성에 따른 수분 확산이론을 예측하였다. 여기서 얻어진 수분확산 예측선도와 콩의 생육 시기별 뿌리의 생장위치를 중첩하여 최종적으로 지중관수량을 구하였다. 콩의 뿌리 생육은 파종이후 일일 평균 10 mm 성장한 것으로 나타나 생육 초기에 10일 간격으로 지중관수 공급량을 설계하였다. 주요 결과는 미사질양토에서 유효수분량을 25-35%로 유지하기 위해, 생육초기인 파종후 10일에는 8000 mL, 파종후 20일에는 7000 mL, 파종후 30일에는 6500 mL를 공급해야 할 것으로 판단되었다. 사질토 에서는 유효수분량을 20-30%로 유지하려면 파종후 10일에는 7500 mL, 파종후 20일에는 6500 mL, 파종후 30일에는 6000 mL를 공급하는 것이 타당한 것으로 판단되었다. 또한 생육 30일 이후에는 미사질양토나 사질토 모두 6000 mL를 공급하는 것이 적절할 것으로 보여 진다.

지중관수에 의한 밭작물의 농업용수는 30%이상 절감되고 가용용수량도 지표면 관수에 비해 2배 이상의 효과가 있는 것으로 알려져 있다. 이것은 수분을 지중에 공급하므로 증발산으로 인한 손실을 줄일 뿐만 아니라 지중의 확산 체적을 넓혀 지표면에 비해 수분공급 효과를 높일 수 있기 때문이다. 뿐만 아니라 관수 노동력도 절감되므로 최근 지중관수 장치의 보급이 확산되고 있는 추세이다. 그러나 우리나라는 아직까지 지중관수 장치가 개발되지 않아 농민들은 수입품 자재에 의존하고 있는 실정이다. 지중관수 장치는 3가지 중요한 기능을 가지고 있다. 첫 번째는 공급압력 100-400 kPa 사이에 유량 오차가 5-10% 범위에서 균등해야 하고, 두 번째는 토양속에서 수분을 공급하므로 뿌리가 토출구 속으로 들어가 내부의 관수구가 막히지 않아야 한다. 세 번째는 용수 공급을 중단했을 때, 관수구에서 누수가 되지 않도록 설계⋅제작되어야 한다. 또한 지중에 수분을 공급하므로 지표면 관수와 달리 이상 유무에 대해 확인하기 어려운 점이 있기 때문에 장치의 신뢰성이 높아야 한다. 따라서 지중관수 장치의 핵심은 3가지 기능을 가진 드리퍼의 개발이 우선되어야 가능하다. 유량의 균등성을 유지하는 것은 드리퍼 내부에 압력보상 기술(pressure compensation technology)에 의해 좌우된다. 드리퍼는 outer, lower insert 및 upper insert의 구성요소로 이루어져 있고, 내부에 압력조정 기능 즉, 밸브의 역할을 하는 실리콘이 내장되어 있다. 드리퍼가 유량 균등성, 뿌리 막힘 및 역류방지 기능을 수행하기 위해서 약 10가지의 설계변수를 고려해야 한다. 특히 드리퍼에서 유량이 가장 먼저 통과하는 outer의 원추 높이와 실리콘 경도는 유량 균등성에 미치는 영향이 가장 클 뿐만 아니라 공급유량의 중지 시에는 역류방지의 기능도 동시에 하게 된다. 본 연구에서 개발된 지중관수용 드리퍼의 유량 균등성은 95%를 목표로 하였다. 또한 국내서 개발한 4종의 개발품과 2종의 해외 제품을 대상으로 뿌리 침투 장면도 확인하였고, 역류 방지기능에 대해서는 관수중단점 압력 29 kPa에서 관수가 중단되는 것으로 나타나 성능이 우수한 것으로 판단되었다.