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문제 정의
- 비정상 열전법을 이용한 나노유체의 열전도도 측정 시 백금선 표면에 나노입자가 흡착되는 현상이 발생하며,이러한 현상으로 인해 열전도도 측정실험의 정확성이 떨어진다. 따라서 본 연구에서는 흡착현상으로 인해 열전도도가 잘 측정되지 않는 현상을 방지하기 위하여 매 실험마다 초음파 세척기를 사용하여 백금선을 충분히 세척하였다.모든 실험은 유체의 실험온도를 상온(25℃)으로 일정하게 유지하여 실시하였고, 실험의 정확도와 신뢰성을 높이기 위하여 동일한 실험조건에서 10번의 반복실험을 수행하였다.
제안 방법
- 그래핀 나노유체의 점도는 회전형 디지털 점도계 DV Ⅱ+pro를 이용하여 측정하였다. DV Ⅱ+pro는 회전 추의 회전수를 0 ∼ 200rpm까지 조절할 수 있고, 시료용액의 전단율을 일정하게 유지시킬 수 있기 때문에 뉴톤유체와 비 뉴톤유체의 측정에 모두 유용하다.
- 제조된 그래핀 나노유체 50 ㎖가 들어 있는 매스실린더에 백금선이 연결된 측정 장유체의 온도를 실험온도인 25℃로 평형 시킨다. 그리고 휘트스톤 브리지의 가변저항 10 ㏀을 조절하여 검류계(galvanometer)의 전압을 0으로 만든 뒤, 휘트스톤 브리지 회로에 DC15V를 인가시켜 변화하는 백금선의 저항을 측정하였다. 그리고 Bentley가 제시한 백금선의 전기저항-온도에 관한 선형식 (1)을 이용하여 백금선의 저항을 온도로 환산하였다11).
- 기본유체는 1차 증류수를 사용하였고, 그래핀 입자와 기본유체를 0.001 ∼ 0.1 vol%의 비율로 각각 혼합하고, 2시간 동안 초음파 분산기로 분산하여 그래핀 나노유체를 제조하였다.
- 대부분의 나노소재를 이용하여 나노유체를 제조할 때 가장 큰 문제점은 나노소재와 유체를 단순혼합해서는 유체 내에 나노입자들이 안정적으로 부유가 되지 않는다는 것이다. 따라서 본 연구에서는 그래핀 나노유체의 분산 안정성 확보를 위하여 초음파 분산기를 이용하였다. 기본유체는 1차 증류수를 사용하였고, 그래핀 입자와 기본유체를 0.
- 따라서 본 연구에서는 평균 입자 직경은 다르고 나머지 물성치는 같은 두 종류의 그래핀을 이용하여 그래핀 나노유체를 제조하였으며, 이 두 종류의 그래핀 나노유체에 대한 열전도도 및 점도 특성을 비교분석 하였다.
- 따라서 본 연구에서는 흡착현상으로 인해 열전도도가 잘 측정되지 않는 현상을 방지하기 위하여 매 실험마다 초음파 세척기를 사용하여 백금선을 충분히 세척하였다.모든 실험은 유체의 실험온도를 상온(25℃)으로 일정하게 유지하여 실시하였고, 실험의 정확도와 신뢰성을 높이기 위하여 동일한 실험조건에서 10번의 반복실험을 수행하였다. 측정된 결과는 동일 실험조건에서 측정한 기본유체의 열전도도와 비교하여 기본유체 대비 열전도도 증가비율로 나타내었다.
- 본 연구에서 평균 입자 직경이 다른 두 종류의 그래핀을 각각 첨가하여 제조된 그래핀 나노유체의 열전도도 및 점도 특성을 상온(25℃)에서 비교분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
대상 데이터
- 본 연구에서 사용된 M-5와 M-15 그래핀의 SEM(ScanningElectronMicroscope) 사진을 Fig. 1에 나타내었다.사진을 보면 알 수 있듯이 2차원적 구조를 가진 그래핀은 얇은 판 모양을 하고 있음을 볼 수 있으며, 같은 탄소동소체인 탄소나노튜브와 마찬가지로 입자와 입자간의 반데르발스 상호 작용으로 인하여 응집체 형태를 이루고 있음을 알 수 있다.
- 또한 CRC Handbook ofChemistry andPhysics에 보고된 증류수의 열전도도 데이터와 본 실험 장치를 이용하여 측정한 증류수의 열전도도를 비교한 결과 1% 이내의 편차로 실험 데이터가 일치하였다10). 실험장치는 백금선의 저항변화를 측정할 수 있는 휘트스톤 브리지(WheatstoneBridge)와 전압을 공급해주기 위한 파워 서플라이, 데이터의 수집과 저장을 위한 Agilent34970A 데이터 로거(logger)와 컴퓨터로 구성되어 있다. 휘트스톤 브리지는 직경 76 ㎛, 길이 15 ㎝ 백금선(R4)과 10 Ω(R2), 10 ㏀(R1)의 저항 그리고 브리지의 검류계에 걸리는 전압을 0으로 만들어주기 위한 10 ㏀의 가변저항(R3)으로 구성되어있다.
이론/모형
- 그리고 휘트스톤 브리지의 가변저항 10 ㏀을 조절하여 검류계(galvanometer)의 전압을 0으로 만든 뒤, 휘트스톤 브리지 회로에 DC15V를 인가시켜 변화하는 백금선의 저항을 측정하였다. 그리고 Bentley가 제시한 백금선의 전기저항-온도에 관한 선형식 (1)을 이용하여 백금선의 저항을 온도로 환산하였다11). 여기서, Eth는 검류계로 측정된 전압이며, Vs는 직류전원공급기의 인가전압, T는 백금선의 온도이다.
- 2는 휘트스톤 브릿지(WheatstoneBridge)를 이용하여 구성한 열전도도 측정 실험장치의 개략도이다. 본 연구에서는 그래핀 나노유체의 열전도도를 측정하기 위하여 비정상 열선법(TransientHot-wireMethod)을 이용하였다. 또한 CRC Handbook ofChemistry andPhysics에 보고된 증류수의 열전도도 데이터와 본 실험 장치를 이용하여 측정한 증류수의 열전도도를 비교한 결과 1% 이내의 편차로 실험 데이터가 일치하였다10).
- 위 식 (1)의 백금선의 전기저항-온도에 관한 선형식을 이용하여 계산된 온도를 Nagasaka12)가 제안한 열선의 온도 변화식을 이용하여 최종적으로 그래핀 나노유체의 열전도도를 계산 하였다.
성능/효과
- (1) 그래핀 M-15를 첨가한 그래핀 나노유체보다 평균입자직경이 작은 그래핀 M-5를 첨가한 그래핀 나노유체의 열전도도 증가율이 높음을 알 수 있었다. 또한 0.
- (2) 0.01vol%에서 그래핀 M-15 나노유체의 점도 증가율은 15.65%로 평균입자직경이 작은 그래핀 M-5 나노유체의 점도 증가율 12.8%보다 약 1.2배 높음을 확인하였다.
- (3) 0.1vol%에서 그래핀 M-5 나노유체의 열전도도는 증류수 대비 10.63% 증가하였고, 점도는 34.14% 증가하여 그래핀 나노 유체의 체적분율에 따른 점도 증가율은 열전도도 증가율보다 상당히 높다는 것을 알 수 있었다.
- (4) 평균입자직경이 작은 그래핀을 이용하여 제조한 나노유체가 열전도도 및 점도 특성이 우수하다는 것을 알 수 있었다.
- 또한 그래핀 M-5를 첨가한 나노유체의 점도 증가율보다 그래핀 M-15 나노유체의 점도 증가율이 높다는 것을 알 수 있다. 0.01 vol%에서 그래핀 M-15 나노유체의 점도 증가율은 15.65%로 그래핀 M-5 나노유체의 점도 증가율 12.8%보다 약 1.2배 높음을 확인하였다. 이는 그래핀 M-15의 평균 입자 직경이 그래핀 M-5보다 크기 때문인 것으로 판단된다.
- 1 vol%까지 추가적으로 측정하여 나타낸 그래프이다. 0.1 vol%의 체적분율에서 그래핀 M-5 나노유체의 증류수 대비 점도 증가율은 34.14%임을 확인하였으며, 그래핀 나노유체의 체적분율에 따른 점도 증가율은 열전도도 증가율보다 상당히 높음을 알 수 있다. 점도 증가율이 높다는 것은 열교환기 작동유체로서는 상당히 불리한 조건이다.
- 이는 그래핀 M-15의 평균 입자 직경이 그래핀 M-5보다 크기 때문인 것으로 판단된다. 따라서 이와 같은 실험결과는 평균 입자 직경이 큰 그래핀 보다 작은 그래핀을 첨가하여 제조한 나노유체의 열전도도 및 점도 특성이 훨씬 우수하다는 것을 나타낸다.
- (1) 그래핀 M-15를 첨가한 그래핀 나노유체보다 평균입자직경이 작은 그래핀 M-5를 첨가한 그래핀 나노유체의 열전도도 증가율이 높음을 알 수 있었다. 또한 0.01 vol%에서 그래핀 M-5 나노유체의 열전도도 증가율은 5.47%로 그래핀 M-15 나노유체의 열전도도 증가율 4.45%보다 약 1.2배 높음을 확인하였다.
- 그림을 보면 알 수 있듯이 그래핀의 첨가비율이 증가함에 따라 열전도도 같이 증가함을 알 수 있다. 또한 0.1 vol %의 체적분율에서 그래핀 M-5 나노유체의 열전도도는 증류수 대비 10.63% 증가하였다. 이와 같이 작은 첨가비율에서 높은 열전도도 증가효과를 나타내는 그래핀 나노유체는 각종 열교환기의 효율을 증가시키는데 있어 상당히 우수한 효과를 나타낼 것이라고 판단된다.
- 그림을 보면 알 수 있듯이 두 종류의 그래핀 나노유체 모두 첨가된 그래핀 입자의 양이 증가함에 따라 점도도 같이 증가한다는 것을 알 수 있다. 또한 그래핀 M-5를 첨가한 나노유체의 점도 증가율보다 그래핀 M-15 나노유체의 점도 증가율이 높다는 것을 알 수 있다. 0.
- 2배 높음을 확인하였다. 이와 같은 결과는 그래핀의 직경이 그래핀 나노유체의 열전도도 증가율에 영향을 미치며, 직경이 작은 그래핀을 첨가한 그래핀 나노유체의 열전도도 효과가 더 좋다는 것을 의미한다. 그래핀과 같은 탄소동소체인 탄소나노튜브의 경우는 입자의 길이가 긴 것을 첨가한 나노유체가 열전도도가 높다고 보고되었다13).
- 모든 실험은 유체의 실험온도를 상온(25℃)으로 일정하게 유지하여 실시하였고, 실험의 정확도와 신뢰성을 높이기 위하여 동일한 실험조건에서 10번의 반복실험을 수행하였다. 측정된 결과는 동일 실험조건에서 측정한 기본유체의 열전도도와 비교하여 기본유체 대비 열전도도 증가비율로 나타내었다.
- 그림을 보면 알 수 있듯이 평균 입자 직경이 작은 그래핀 M-5 나노유체의 열전도도 증가율이 그래핀 M-15 나노유체의 열전도도 증가율보다 높음을 알 수 있다.특히, 0.01vol%에서 그래핀 M-5 나노유체의 열전도도 증가율은 5.47%로 그래핀 M-15 나노유체의 열전도도 증가율 4.45%보다 약 1.2배 높음을 확인하였다. 이와 같은 결과는 그래핀의 직경이 그래핀 나노유체의 열전도도 증가율에 영향을 미치며, 직경이 작은 그래핀을 첨가한 그래핀 나노유체의 열전도도 효과가 더 좋다는 것을 의미한다.
후속연구
- 점도 증가율이 높다는 것은 열교환기 작동유체로서는 상당히 불리한 조건이다. 따라서 그래핀 나노 유체의 점도를 저감시킬 수 있는 방법을 찾기 위한 추가적인 연구가 필요하다고 판단된다.
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