[논문]PDP용 배기로내 열전달 현상 해석

박형규; 정재동; 김찬중; 이준식; 박희재; 조영만; 조해균; 박득일

doi:10.22634/ksme-b.2001.25.3.347

문제 정의

본 연구는 PDP 배기로의 설계와 개선을 위해 필수적으로 수행되어야 할 배기로 내 열전달 특성을 해석하였다. 우선 LG전자의 시험배기로에서 42인치 패널에 대해 모델 배기 공정 실험을 수행하고 이를 수치 해석해와 비교하였다.
이때 고르게 유전체 막을 형성하기 위해서는 균일한 온도로 유지시킬 필요가 있으며 이러한 온도 제어가 이루어지지 않을 경우 생기 는 요철은 PDP의 화질에 악영향을 미치게 된다. 본 연구는 PDP 배기로의 설계와 개선을 위해 필수적으로 수행되어야 할 배기로 내 열전달 특성의 해석을 그 목표로 한다.

가설 설정

출구는 고체 구조물들로부터 충분히 멀리 떨어져 있지 않아 출구로부터의 유입이 생길 수 있으므로 압력 경계조건을 부여하였다. 이외 모든 경계 는 단열 벽면으로 가정하였다. 또한 1개의 패널에 대한 계산에서는 패널 전후 방향의 경계조건을 Cyclic 경계조건으로 처리하였다.
67 m/s에 해당한다. 입구 높이를 기준으로 레이놀즈수는 약 1.2 X 冷5이며, 10%의 난류 강도와 입구 높이의 0.1 배 정도인 0.1m의 길이 척도를 가지는 것으로 가정 하였다. 입구에서의 온도는 계획된 모델 배기공 정에 맞추어 시간의 함수로 미리 결정되어 있다.

제안 방법

각 재료의 물성올 Table 1에 정리하였다. 고체의 전도 및 유체와의 conjugate heat transfer는 각각의 에너지 방정식을 동시에 풀고 두 상(phase)의 경계면에서 에너지 플럭스가 연속이 되도록 하는 방법을 사용하였다.
이와 같이 실험과의 비교를 통하여 얻어진 수치해석 모델올 양산로에 적용하기 위해 연속가열. 냉각 방식으로 온 도 이력 곡선이 주어진 경우와 노와 노 사이의 온 도 차가 각각 40r, 80℃인 두 가지의 tact-type 공정에 대한 해석을 수행하였다.
실험은 7개의 패널이 올려져 있는 cart에 대해 주어진 패널의 온도이 력선을 따라 가열. 냉각과 정을 진행하면서 패널 면 위에 균일하게 분포되어 있는(x=255, 483, 745mm, 戶151, 318, 485mm) 9점에서의 온도분포를 측정하였다. 패널면의 온도분 포 측정에는 K-type Sheath형 열전대를, 노로 유입되는 공기의 온도측정에는 K-type 다점 온도 조 절계와 멀티온도기록계를 각각 사용하였다.
실제 공정은 단계별로 일정한 온도를 유지하는 노(chamber) 안에 cart가 들어가서 원하는 온도를 얻은 후 다음 노로 진행하는 tact-type과 연속적으로 cart가 진행하면서 열풍으로 승온(가열), 유지, 강온(냉각) 하는 방식이 있다. 두 가지 방식 모두 장단점올 가지고 있으며 본 연구에서는 tact-type 배기 공정에 대하여 수치해석을 수행하였다.
하지만 격벽의 영향 등에 의한 cart 내 공 간 적인 불일치를 생각하면 한 개의 패널로 cart 전체를 대표할 수 있을지는 의문이다. 따라서 7개의 패널로 구성된 cart 전체(Fig. 2a)를 해석하여 패널 한 개(Fig. 2b)만을 해석한 결과와 비교하였다. Fig.
이외 모든 경계 는 단열 벽면으로 가정하였다. 또한 1개의 패널에 대한 계산에서는 패널 전후 방향의 경계조건을 Cyclic 경계조건으로 처리하였다.
정성적으로 잘 일치하는 결과를 얻었다. 또한 실험과의 비교를 통하여 얻어진 수치해석 모델을 양산로에 적용하기 위해 AT = 40t, 80笆 인 두 가지 경우의 tact-type에 대하여 해석을 수행하였다. 전자의 경우가 보다 균일한 패널 내 온도분포를 보였다.
배기로(~ 1800x 1870X 1350)내에 놓인 패널이 경험하는 실제 열전달 특성을 알아보기 위하여 LG전자의 시험배기로에서 가로, 세로 비 16 : 9의 42인치 패널(1004x 602x 6)에 대하여 모델 배 기 공정 실험을 수행하였다. 이 실험 장치에는 배기장치의 기능인 패널의 가열(35(TC), 진공 배기, 패널 안으로의 기체주입, 배기 tip-off가 포함된다.
본 연구에서는 7개의 패널로 구성된 cart에 대해서 계산을 수행하였다. 계산에 사용된 격자를 Fig.
본 연구에서는 연속가열, 냉각 방식으로 온도 이력 곡선이 주어진 경우와 노와 노 사이의 온도 차가 각각 40笆, 80笆인 두 가지의 tact-type 공정에 대한 해석을 수행하였다. 이때, cart의 이동 속 도가 동일하다면, 경우 1(각 step 당 AT = 40笆) 이 경우 11(AT = 80P)에 비해 더 긴 공정 라인을 필요로 한다는 것을 알 수 있다.
수치 모델의 검 중을 목적으로 우선 LG전자의 시험 배기로에서 42인치 패널에 대해 모델 배기 공정 실험을 수행하고 이를 수치해석 결과와 비교하였다. 패널의 온도는 입구로부터 들어오는 열풍으로 제어하며 우선 3bC 에서 시작하여 45분 동안 350℃까지 열풍의 온도를 높이는 승온구간, 이후 10분 동안 이 온도를 계속 유지하는 항온 구 간, 그리고 2단계의 강온구간으로 이루어진다.
비정상 상태의 해석을 위한 알고리듬은 PISO를 사용하였다. 실험과 비교하는 경우에 대략 1~5 초의 시간 간격으로 140분까지, 그리고 양산로에 대한 실제 공정에 적용할 때는 20초의 시간 간격으로로 420분까지 계산을 수행하였다. 시간 간격을 1/2, 1/4로 하여 비교할 때 그 차이는 무시할 만 하다.
실험은 7개의 패널이 올려져 있는 cart에 대해 주어진 패널의 온도이 력선을 따라 가열. 냉각과 정을 진행하면서 패널 면 위에 균일하게 분포되어 있는(x=255, 483, 745mm, 戶151, 318, 485mm) 9점에서의 온도분포를 측정하였다.
연구는 우선 LG전자의 시험배기로에서 42인치 패널에 대해 모델 배기 공정 실험을 수행하고 이를 수치 해석해와 비교하였다. 이와 같이 실험과의 비교를 통하여 얻어진 수치해석 모델올 양산로에 적용하기 위해 연속가열.
연구는 우선 LG전자의 시험배기로에서 42인치 패널에 대해 모델 배기 공정 실험을 수행하고 이를 수치 해석해와 비교하였다. 이와 같이 실험과의 비교를 통하여 얻어진 수치해석 모델올 양산로에 적용하기 위해 연속가열.
196의 다공성 매질로 근사하였다. 이때 유동 방향 에 대해 그 수직인 방향의 유동 저항을 크게 하여 비등방성 permeability의 영향을 고려하였다.
하지만 실제 공정에서는 cart의 이송을 위하여 격벽 주변이 충분히 밀폐되지 않은 상태이며, 이 틈 사이로 유동이 빠져나가거나 반대로 노내 고속 유 동으로 인한 압력강하 때문에 외기로부터 유동이 스며드는 가능성을 생각할 수 있다. 이러한 가능성을 고려하여 LG전자의 시험로에서와 동일하게 격벽 상하면에 20mm의 틈새를 주어 cart 전체를 해석하였다. 이 경우에도 격벽 틈새로의 압력강하로 인한 영향은 패널의 온도 불균일 도를 증가시키나 그 정도는 그다지 크지 않음을 알 수 있었다.
냉각과 정을 진행하면서 패널 면 위에 균일하게 분포되어 있는(x=255, 483, 745mm, 戶151, 318, 485mm) 9점에서의 온도분포를 측정하였다. 패널면의 온도분 포 측정에는 K-type Sheath형 열전대를, 노로 유입되는 공기의 온도측정에는 K-type 다점 온도 조 절계와 멀티온도기록계를 각각 사용하였다.

이론/모형

열전달등이 복합된 비정상 난류유 동의 해석을 위하여 상용코드인 STAR-CD를 사용하였다. 공간에 대해서는 1차 정확도의 상류도 식과 2차 정확도의 중앙 차분도 식을 각각 혹은 혼 합도식 으로 섞어서 사용하였으며, 시간적분에 는 1차 정확도의 Implicit Euler 방법을 사용하였다. 비정상 상태의 해석을 위한 알고리듬은 PISO를 사용하였다.
식 (1)은 유체의 연속방정식, 식 (2)는 유체의 운동량방정식, 식 (3) 은 유체의 에너지방정식, 그리고 식 (4) 는 고체의 에너지(전도)방정식이다. 난 류모델은 표준 为-e 모델을 사용하였다.
공간에 대해서는 1차 정확도의 상류도 식과 2차 정확도의 중앙 차분도 식을 각각 혹은 혼 합도식 으로 섞어서 사용하였으며, 시간적분에 는 1차 정확도의 Implicit Euler 방법을 사용하였다. 비정상 상태의 해석을 위한 알고리듬은 PISO를 사용하였다. 실험과 비교하는 경우에 대략 1~5 초의 시간 간격으로 140분까지, 그리고 양산로에 대한 실제 공정에 적용할 때는 20초의 시간 간격으로로 420분까지 계산을 수행하였다.
고체와 유체의 conjugate heat transfer와 다공성 물질 내 유동. 열전달등이 복합된 비정상 난류유 동의 해석을 위하여 상용코드인 STAR-CD를 사용하였다. 공간에 대해서는 1차 정확도의 상류도 식과 2차 정확도의 중앙 차분도 식을 각각 혹은 혼 합도식 으로 섞어서 사용하였으며, 시간적분에 는 1차 정확도의 Implicit Euler 방법을 사용하였다.

성능/효과

이를 위해 ventilation head의 위치를 패널 후방으로 이동시키는 방법과 함께 노(■爐)내 하부구조로 유동이 유입되지 않도록 제어하는 방법이 고려되었다. Fig. 7에서 이들을 비교한 바에 따르면, ventilation head의 위치만을 패널 후방으로 이동 시 킨 경우 및 이와 동시에 입구로부터 노 하부로 유입되는 유동을 차단한 경우(입구 전체에서 유입되는 유량은 같음)에 각각 원래보다 92%와 67% 정도까지 패널 면상의 온도 차가 감소하는 것을 알 수 있었다. 이것은 앞에서 예상했던 것과 같이, 입구로부터 노내 하부구조로 유입되는 유동을 제거함으로써, 패널 아래쪽에 집중되었던 난류 유동과 이로 인한 열전달을 상대적으로 약하게 만들었기 때문으로 보이며 그 유동 특성은 Fig.
10과 같이 패널 면상의 9점에 대한 최대온도 차를 시간에 따라 나타내었다. 실제로 401 간격의 tact-type 공정이 8 Ot 간격의 공정보다 작은 최대온도 차를 보이며, 예상된 바와 같이 경우 I가 경우 II보다 상대적으로 더 균일한 온도 차를 보이는 것을 확인할 수 있었다. 다만 전술한 바와 같이 격자 수에 대한 제한 때문에 패널 내 최대온도 차에 관한 해석은 실제보다 과소평가 되었음올 고려하여야 할 것이다.

후속연구

굵은 점선은 시간에 따른 입구온도 변화이며 실선으로 표시한 수치해석 결과는 굵은 실선으로 표시한 실험 결과 와 잘 일치한다. 강온구간에서 수치 해가 실험자료에 대해 나타내는 시간 지연은, 수치 해의 정확 도와 적절한 난류 모델의 선정, 그리고 실제 상황에 대한 모델링의 정확성에 기인한 것으로 생각되며, 이것은 앞으로의 연구에서 해결되어야 할 사항일 것이다.
이는 cart 내 패널 간의 피치를 줄일 수 있음을 의미하기도 한다. 따라서 추후 양산로 설계 시 패널 피치는 보다 최적 화할 필요가 제기되며 그에 따른 생산성 향상이 기대된다.
4의 결과는 다소 과소평가되었다 는 것을 알 수 있다. 이는 패널 가장자리를 따라서 가장 큰 온도구배가 존재하기 때문이며 추후 온도 균일도를 언급하기 위해서는 열전대 위치를 패널 바깥으로 분포시킬 필요가 있을 것이다. 또한 승온(가열)과 강온(냉각) 모두의 경우에 대하여 패널의 왼쪽 아래면이 오른쪽 위 면보다 더 빠른 열적 반응을 보이고 있음을 볼 수 있었다.
이 경우에도 격벽 틈새로의 압력강하로 인한 영향은 패널의 온도 불균일 도를 증가시키나 그 정도는 그다지 크지 않음을 알 수 있었다. 이상의 논의로부터, 현재 주어진 배기로 구조에서는 패 널 하나만을 해석함으로써 cart 내 모든 패널을 대표하여 해석할 수 있을 것이다. 이는 cart 내 패널 간의 피치를 줄일 수 있음을 의미하기도 한다.
5笆로 감소시켰다. 주어진 조건하에서 cart 내 모든 패널은 동일한 온도를 경험함을 알 수 있고, 따라서 추후 양산로 설계 시 패널 피치는 보다 최적화할 필요가 제기되며 그에 따른 생산성 향상이 기대된다.

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