| 초록 |
1. 개요 나노유체란 100nm 이하의 크기를 갖는 나노입자가 분산된 유체를 말하며, 1995년 미국 국립아르곤연구소의 최웅소 박사에 의해 최초로 연구되었다[1]. 지난 수십 년 동안 전자, 통신, 컴퓨터 기술은 비약적인 성장을 이룸에 따라 열관리(thermal management)의 중요성과 고성능 집적형 냉각시스템의 필요성이 증대되고 있다[2]. 열전달률(heat transfer rate)을 향상시키기 위한 일반적인 기술인 핀 혹은 마이크로채널을 이용하여 표면적을 증대시키는 방법은 한계에 직면했다. 열전달률을 향상시키는 또 다른 기술은 기존의 유체(물, 에틸렌글리콜, 미네랄오일)에 금속 혹은 비금속 나노입자를 부유시켜 나노유체를 제작하는 방법이다. 나노유체가 열전달률을 향상시키는 메커니즘은 크게 세 가지로 분류할 수 있다. 1) 브라운운동(Brownian motion): 유체 내의 나노입자들이 불규칙한 브라운운동에 의해 미세교반 효과가 발생하여 열전달률을 향상시킬 수 있다. 2) 유체층 영향: 유체의 나노입자 주변으로 액체 분자들이 층을 형성하여 일반 유체에 비해 열전달률을 향상시킬 수 있다. 3) 클러스터링 효과: 유체 내의 입자들이 반데르발스(Vander Waals) 인력에 의해 응집되어 형성된 프랙탈 구조를 통해 열전달률이 기존 유체에 비해 향상될 수 있다. 본 동향보고서는 다양한 나노유체의 열적/유동적 특성에 대해 살펴본다. 우선, 나노유체 합성 및 특성 평가 과정에 대해 개략적으로 살펴본 후(그림 1), 나노유체의 열전달률을 향상시키기 위한 최신 기술 동향 및 개선 과제, 응용 분야에 대해 살펴본다. 그림 1. 나노유체 합성 및 특성 평가 흐름도 2. 나노유체 합성 및 분석 안정화된 나노유체를 합성하는 것은 나노유체의 열전달 활용에 있어 매우 중용하다. 안정화되지 못한 나노유체는 이상성 열전달 상태를 만들거나, 나노입자의 뭉침 현상이 발생할 수 있다. 나노유체는 일반적으로 단일 단계(one-step) 혹은 2단계(two-step) 방법에 의해 합성된다. 표 1은 일반적인 나노유체 합성 기법의 주요 특징을 나타내며, 표 2는 대표적인 기저유체 및 나노입자의 열전도도를 나타낸다[2]. 표 1. 나노유체 합성 기법 나노유체 합성 기법 내용 단일 단계(one-step) - 나노입자의 제작과 기저유체로의 분산이 동시에 이루어짐. - 장점 : 나노입자의 산화를 방지할 수 있으며, 2단계 기법에 비해 안정화된 나노유체를 합성할 수 있음. - 단점 : 대량생산이 어려움. - 주요 기술 : 1) laser ablation, 2) submerged arc nanoparticles synthesis system(SANSS) 2단계(two-step) - 나노입자의 제작 단계와 기저유체 속에 분산시키는 단계로 분리. 초음파진동(ultrasonic vibrator)을 이용하여 기저유체 내에 나노입자를 분산시킴. - 장점 : 단일 단계 기법에 비해 경제적이며 대량생산이 가능함. - 단점 : 나노입자의 뭉침 현상으로 안정화된 나노유체를 얻기 어려움. 표 2. 대표적인 기저유체 및 나노입자의 열전도도 물질 열전도도 (W/mK) 물질 열전도도 (W/mK) Engine oil 0.150 Graphite 120 Kerosene 0.150 Silicon (Si) 148 Ethylene glycol (EG) 0.253 Aluminum (Al) 237 Water 0.613 Aluminum nitride (AlN) 285 Titanium dioxide (TiO 2 ) 8.4 Gold (Au) 317 Copper oxide (CuO) 32.9 Titanium carbide(TiC) 330 Alumina (Al 2 O 3 ) 40 Silicon carbide(SiC) 350 Platinum (Pt) 70 Copper (Cu) 401 Sodium (Na) 70.3 Silver (Ag) 429 Iron (Fe) 80 Carbon nanotube 3000 Cadmium (Cd) 92 Diamond 3300 나노유체의 안정화를 분석하는 방법에는 제타 전위(zeta potential)를 측정하는 방법, 침강법(sedimentation), 자외선/가시광선 분광광도법(UV/VIS spectrometry), 전자현미경(electron microscopy)을 이용하는 방법 등이 있다[4]. 3. 나노유체 연구 동향 시스템의 열전달과 관련하여 고려해야 할 나노유체의 주요 열 물성(thermos-physical properties)에는 밀도, 비열 용량, 열전도도, 점도 및 표면장력이 있다. 기저유체와 비교하여 나노유체의 열 물성 예측이 필요하며, 대표적으로 열전도도, 점도 및 표면장력의 변화를 검토한다. 3.1. 열전도도 나노유체의 열전도도를 측정하는 방법은 비정상 열선법(transient hot-wire approach, THW), 정상상태 평행판법(steady-state parallel plate approach), 온도변동법(temperature oscillation approach) 등이 있으며, 이 중 열선의 온도구배 특성을 이용한 비정상 열선법은 가장 보편적인 방법이다[4]. 표 3은 나노유체의 열전도도 향상 결과를 나타낸다. 표 3. 나노유체의 열전도도 향상 결과 나노입자 ( 크기 ) 기저유체 측정 방법 열전도도 상승 참고문헌 Al 2 O 3 (60.4nm) DI water, EG, Pump oil THW 7.6% at 5.0 vol% [5] CuO (4nm) EG THW 1.0089% at 0.01 vol% [6] Ag (80nm) DI water THW 69.3%. at 0.9 vol% [7] Ti (20nm) DI water, Alcohol THW 10.60% at 0.1 vol% [8] CuO (30nm) Water THW 22% at 4.0 vol% [9] Al 2 O 3 (11nm) Water THW 18% at 4.0 vol% [9] CNT (10~50nm) Water THW 10% at 4.0 vol% [9] CuO (30nm) Water THW 10% at 2.0 vol% [10] Al 2 O 3 (36nm) Water THW > 2.8% [11] Al 2 O 3 (47nm) Water THW 12.1% at 2.0 vol% [12] Cu EG THW 3.8% at 2.0 vol% [13] Al 2 O 3 (20nm) Water THW 40% at 1.5 wt% [14] Al 2 O 3 Water THW 23% at 7.0 vol% [15] TiO 2 Water THW 23% at 4.0 vol% [15] CuO (60nm) Water THW 8% at 0.4 vol% [16] TiO 2 (21nm) DI water THW Optimum at 0.2 vol% [17] CNT (9.2nm) Water THW 1.4% at 0.3 vol% [18] 3.2. 점도 나노유체의 점도는 나노입자의 질량농도와 부피비가 증가함에 따라 증가하지만 온도가 증가함에 따라 감소한다. 나노입자의 부피비가 증가하여 나노유체의 질량속도가 증가하면 동적점도는 증가한다. 나노유체의 상대점도는 나노입자의 부피비와 전단속도(shear rate)에 영향을 받는다. 더 작은 지름의 나노입자는 더 큰 표면적에서 주변 유체와 상호작용하므로 입자 직경이 감소함에 따라 점도가 증가한다. 점도가 증가하면 프란틀(Prandtl) 수는 증가하지만 열전달 및 펌핑 전력에 영향을 주는 레이놀즈(Reynolds) 수는 감소한다. 또한 점도는 온도의 증가에 따라 감소하여 레이놀즈 수 및 넛셀(Nussult) 수의 증가를 가져온다[2]. |
