[논문]나노유체 열전도도 측정을 위한 비정상열선측정법 인자 연구

홍성욱

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홍성욱 (경희대학교 기계공학과)

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문제 정의

본 연구에서는 비정상열선법을 이용하여 유체의 열전도도를 측정하는 과정에서 발생하는 불확도의 원인들을 고려해보고 이를 감소시킬 수 있는 방법을 분석해보았다. 그리고 이렇게 구성한 장치를 통해 측정한 Al₂O₃ 나노유체의 열전도도를 제시해 보고자 한다.
따라서 나노유체를 측정하기 전에 발생할 수 있는 불확도를 정확하게 분석하지 않으면 정확한 데이터를 얻을 수 없다. 본 연구에서는 비정상열선법을 이용하여 유체의 열전도도를 측정하는 과정에서 발생하는 불확도의 원인들을 고려해보고 이를 감소시킬 수 있는 방법을 분석해보았다. 그리고 이렇게 구성한 장치를 통해 측정한 Al₂O₃ 나노유체의 열전도도를 제시해 보고자 한다.

제안 방법

고정저항의 종류에 따른 물의 열전도도 측정 결과를 그림 4에 나타내었다. 10회 반복측정 하였으며 이를 박스플롯으로 나타내었다. 표 2 의 각 저항의 온도저항계수(Temperature Coefficient of Resistor)를 비교해보면 시멘트저항과 같이 온도저항계수가 높은 경우 문헌 값 보다 열전도도가 높게 측정되는 것을 알 수 있다.
고정저항 값은 20 Ω를 사용하였고 고정저항에 의한 영향을 보기 위해 탄소피막저항, 시멘트 저항, 금속피막저항, 알루미늄판 저항을 사용하였다.
유체의 용기를 제작시 용기의 직경은 유체의 열확산률을 고려해서 제작해야 한다. 본 연구에서는 시험부의 검증을 위해 반경이 0.012 m와 0.021 m인 두 용기에서 물의 열전도도를 측정을 하였다. 표 3은 두 시험부를 이용하여 물의 열전도도를 10회 측정한 결과이다.
0%로 조절하여 제조한 나노유체의 열전도도 측정 결과를 그림 6에 나타내었다. 분산성 확보를 위해 3시간 동안 bath type 초음파 분쇄기를 이용하여 에너지를 가해주었다. 각 시료들은 10회 반복측정을 하여 박스플롯으로 나타내었다.
비정상열선법을 이용하여 유체의 열전도도를 측정하는 과정에서 영향을 미치는 인자들을 분석해보았다. 본 연구에서 고려한 인자들과 결론은 다음과 같다.
코팅두께가 다른 연구 그룹에서 사용한 열선보다 상대적으로 두껍기 때문에 반경이 12.5 µm이고 Isonel 코팅두께가 1.5 µm인 열선과 비교검증을 실시하였다.
일반적으로 유체의 열전도도를 측정하는 방법으로 장치구성이 쉽고 측정시간이 짧으며 대류에 의한 효과를 제거할 수 있는 비정상열선법이 사용되고 있다. 특히 나노유체와 같이 높은 전기전도성을 갖는 유체의 열전도도를 측정하는 방법으로 코팅제를 접합한 열선을 이용하는 방식이 제안되었다.⁽⁵⁾ 앞서 말했듯이 비정상열선법은 비교적 장치구성이 쉽지만 장치 설계 과정, 데이터 획득 과정, 데이터처리 과정에서 발생할 수 있는 오차의 요소들을 고려하지 않으면 측정값의 불확도는 증가하게 된다.

대상 데이터

본 연구에 사용되는 백금선은 반경이 25 µm이고 Teflon 코팅두께가 25 µm 인열선이다.
(3) 상대적으로 코팅층이 두꺼운 열선을 이용하더라도 측정결과의 불확도에 크게 영향을 미치지 않는다. 본 연구에서 사용한 열선은 반경 25 µm, 코팅두께 25 µm 열선이다.
본 연구에서 제작한 시험부의 반경은 0.012m이다. 이는 적은양의 샘플을 이용하여 열전도도를 측정하기 위함이다.
2% 이다. 시험부는 측정 유체의 열확산에 의한 영향을 분석하기 위해 반경이 12 mm와 21 mm인 두 개의 원형관을 제작하였다. 열선의 종류는 코팅층에 의한 영향을 분석하기 위해 25 µm 열선 반경과 25 µm Teflon 코팅층이 접합된 백금선과 12.
열선의 종류는 코팅층에 의한 영향을 분석하기 위해 25 µm 열선 반경과 25 µm Teflon 코팅층이 접합된 백금선과 12.5 µm 열선 반경과 1.5 µm Isonel 코팅층이 접합된 백금선을 이용하였고 길이는 141 mm이다.
본 연구에서 구성한 비정상 열선 장치의 회로를 그림 1에 나타내었다. 회로내의 직류 전원공급은 ARRAY사의 3645A 모델을 이용하였고 on/off 제어를 통해 6 V를 공급하였다. 전압 측정 방식은 National Instrument사의 USB-6210 모델을 이용하여 브릿지 회로내에 걸리는 전체 전압과 양단간의 전압차이를 두 채널로 획득하였다.

이론/모형

고정저항 허용오차와 열선의 초기 저항을 측정하기 위해 GOM-801G 저저항계 모델을 이용하였으며 정확성은 reading의 ±0.2% 이다.
회로내의 직류 전원공급은 ARRAY사의 3645A 모델을 이용하였고 on/off 제어를 통해 6 V를 공급하였다. 전압 측정 방식은 National Instrument사의 USB-6210 모델을 이용하여 브릿지 회로내에 걸리는 전체 전압과 양단간의 전압차이를 두 채널로 획득하였다. 표 1은 휘스톤 브릿지에 사용된 고정저항의 종류와 특징들이다.

성능/효과

(2) 회로내의 고정저항은 온도저항계수가 낮은 것을 이용해야한다. 온도저항계수가 높을수록 고정저항의 상승폭이 증가하므로 50 ppm미만의 값을 사용해야 한다.
(3) 상대적으로 코팅층이 두꺼운 열선을 이용하더라도 측정결과의 불확도에 크게 영향을 미치지 않는다. 본 연구에서 사용한 열선은 반경 25 µm, 코팅두께 25 µm 열선이다.
각기 다른 두 열선을 이용하여 측정한 물의 열전도도 결과를 표 2에 나타내었다. 10회 반복측정을 하였고 Teflon 코팅열선과 Isonel 코팅열선의 평균오차는 각각 0.39%, 1.27%이다. 두 열선 모두 문헌값과 비교해서 낮은 오차가 발생하는 것을 알 수 있다.
각 시료들은 10회 반복측정을 하여 박스플롯으로 나타내었다. 나노유체의 측정 결과는 기존의 검증했던 물의 열전도도에 비해 편차가 크게 측정되었다. 이는 나노유체의 안정성이 충분히 확보되지 못한 것에 기인하는 것으로 생각된다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

측정값의 불확도에 크게 영향을 미치는 인자는?

(5) 앞서 말했듯이 비정상열선법은 비교적 장치구성이 쉽지만 장치 설계 과정, 데이터 획득 과정, 데이터처리 과정에서 발생할 수 있는 오차의 요소들을 고려하지 않으면 측정값의 불확도는 증가하게 된다. 고정저항, 측정셀의 크기, 열선의 종류 그리고 직류전원공급기의 시간지연 등은 측정값의 불확도에 크게 영향을 미치는 인자들이다. 여러 연구 그룹에서 나노유체에 대한 열전도도 측정데이터를 제시하였지만 아직까지 물성치의 표준은 확립되어 있지 않은 실정이다.

일반적으로 유체의 열전도도를 측정하는 방법에는 무엇이 사용되고 있는가?

물과 같은 기존유체에 나노입자를 분산시킨 나노유체의 열전달 상승효과가 보고된 이래 열전도도 상승 메커니즘에 대한 연구(1-3)와 열전도도 측정을 위한 연구(4-6)가 이루어지고 있다. 일반적으로 유체의 열전도도를 측정하는 방법으로 장치구성이 쉽고 측정시간이 짧으며 대류에 의한 효과를 제거할 수 있는 비정상열선법이 사용되고 있다. 특히 나노유체와 같이 높은 전기전도성을 갖는 유체의 열전도도를 측정하는 방법으로 코팅제를 접합한 열선을 이용하는 방식이 제안되었다.

비정상열선법을 이용하여 유체의 열전도도를 측정하는 과정에서 영향을 미치는 인자들을 분석한 결과는?

(1) 전원공급기의 시간상수를 고려하여 데이터를 획득 하여야 한다. 즉 로그시간-온도변화 기울기를 초기구간에서 측정하면 시간지연의 영향을 받게 된다. (2) 회로내의 고정저항은 온도저항계수가 낮은 것을 이용해야한다. 온도저항계수가 높을수록 고정저항의 상승폭이 증가하므로 50 ppm미만의 값을 사용해야 한다. (3) 상대적으로 코팅층이 두꺼운 열선을 이용하더라도 측정결과의 불확도에 크게 영향을 미치지 않는다. 본 연구에서 사용한 열선은 반경 25 µm, 코팅두께 25 µm 열선이다. (4) 시험부의 용기를 제작시 유체의 열확산률을 고려해야 한다. 물의 경우 열선으로부터 열확산에 의한 열침투 거리는 7.4 mm 이다. (5) 본 연구에서 측정한 Al2O3 나노유체의 유효열전도도는 1.0 vol. %에서 모유체 대비 5.65% 증가하였다.

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