[논문]열전달 촉진을 위한 탄소나노튜브(CNT)/금속 복합체 소결 코팅에 관한 연구

정희여; 김민수; 박찬우

doi:10.7234/composres.2013.26.6.373

열전달 촉진을 위한 탄소나노튜브(CNT)/금속 복합체 소결 코팅에 관한 연구
A Study on the Sinterning of the Carbon Nanotube/Metal Composites for the Heat Transfer Enhancement 원문보기

Composites research = 복합재료, v.26 no.6, 2013년, pp.373 - 379

정희여 (전북대학교 기계설계공학부 대학원) , 김민수 (전북대학교 기계설계공학부) , 박찬우 (전북대학교 기계설계공학부)

초록
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냉매의 비등이나 응축같은 열전달 향상을 위하여 금속 표면위에 탄소나노튜브(CNT)를 코팅하는 것을 연구하였다. 다중벽 탄소나노튜브/구리 복합소재는 어트리션 볼밀에 의해서 제작되었으며, 정전 도장 장치로 복합 분말을 구리 기판위에 코팅한 후 전기로에서 소결하였다. 본 논문에서는 CNT/Cu 코팅 표면의 분석 및 소결전후의 탄소나노튜브의 변화를 파악하기 위하여 샘플들을 주사전자현미경, EDAX, 라만분광법에 의해 분석하였다. 아울러 열전달 촉진은 비등열전달로 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The coating of metal surface with carbon nanotubes (CNTs) has been studied for the heat transfer enhancement of the boiling and condensation of refrigerant. The MWCNT/copper composite powder was made by the attrition ball milling, which has been coated on the copper wafer by electrostatic powder coating and sintered with electric furnace. In this paper, experiments were performed to assess the characterization and comparison of CNT before and after sinterning and the morphology changes of the CNT/Cu-coated surface. The samples were examined by the scanning electron microscope (SEM), energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDAX) and raman spectroscopy. To verify the heat transfer enhancement, boiling heat transfer tests were performed.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 금속 표면에서 비등 열전달을 촉진을 위하여 CNT를 기존방식과 다른 방법으로 금속 표면위에 코팅을 하였다. 즉, Attrition ball mill을 이용해서 제작된 CNT/구리입자 복합분말을 구리 시편 위에 고루 분산시킨 후 입자들을 소결 코팅하였다.
본 연구에서는 금속 표면에서 비등 열전달을 촉진을 위하여 CNT를 기존방식과 다른 방법으로금속 표면위에 코팅하고자 한다. 이를 위하여 attrition ball mill을 이용해서 제작된 CNT/구리입자복합분말을 구리 시편 위에 고루 분산시킨 후 입자들을 소결 코팅하였다.

제안 방법

이를 위하여 attrition ball mill을 이용해서 제작된 CNT/구리입자복합분말을 구리 시편 위에 고루 분산시킨 후 입자들을 소결 코팅하였다. CNT/금속 복합재료의 소결 코팅 과정을 통해서 구리 시편 위에 비등 열전달에 유리한 마이크로 나노 미세구조를 제조하였다. 아울러 복합 재료의 CNT의 성분비율 및 Cu 코팅층 첨가, 소결 온도 등의 변수에 따른 구리시편 표면의 마이크로 나노 미세구조의 변화를 연구하였다.
Ujereh et al.는 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 방법을 이용해서 실리콘 위에 CNT코팅하여 FC-72 냉매의 풀 비등 CHF(Critical Heat Flux)의 촉진 영향을 살펴보았다. 이들은 CNT가 표면 면적 증가하기 때문에 코팅된 실리콘과 구리표면의 CHF를 크게 향상시킨다는 것을 증명하였다[6].
구리 분말은 평균적으로 30 µm의 입자 크기를 이루고 있으며, MWCNT들은 서로 얽히어 있는 것을 볼 수 있다. 산화방지를 위하여 Milling시 분위기 가스로 밀링 Jar 내에 알곤 가스를 주입하였다.
CNT/금속 복합재료의 소결 코팅 과정을 통해서 구리 시편 위에 비등 열전달에 유리한 마이크로 나노 미세구조를 제조하였다. 아울러 복합 재료의 CNT의 성분비율 및 Cu 코팅층 첨가, 소결 온도 등의 변수에 따른 구리시편 표면의 마이크로 나노 미세구조의 변화를 연구하였다. 아울러 이를 비등 열전달 실험을 하여 열전달 촉진 영향을 파악하였다.
CNT/금속 복합재료의 소결 코팅 과정을 통해서 구리 시편 위에 비등 열전달에 유리한 마이크로 나노 미세구조를 제조하였다. 아울러 복합재료의 CNT의 성분비율 및 Cu 코팅 층 첨가, 소결 온도 등의 변수에 따른 소결 전후 구리 시편 표면의 마이크로 나노 미세구조의 변화를 연구하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
아울러 복합 재료의 CNT의 성분비율 및 Cu 코팅층 첨가, 소결 온도 등의 변수에 따른 구리시편 표면의 마이크로 나노 미세구조의 변화를 연구하였다. 아울러 이를 비등 열전달 실험을 하여 열전달 촉진 영향을 파악하였다.
작동 유체 온도 T_sat은 포화온도이다. 열전달 표면온도 T_wall 는 구리블럭 중심에 있는 열전대의 온도를 이용하여 표면온도를 계산하였다.
그리고 용기 내의 온도를 정확하게 측정하기 위해서 4wire RTD를 3개 설치했다. 외부로의 열손실을 방지하기 위해서 용기외부를 단열재를 붙어 단열을 하였다. 열전달 시험부는 구리 block(10 mm×10 mm×3 mm)과 열을 공급하는 히터로 구성되어 있다.
본 연구에서는 금속 표면에서 비등 열전달을 촉진을 위하여 CNT를 기존방식과 다른 방법으로금속 표면위에 코팅하고자 한다. 이를 위하여 attrition ball mill을 이용해서 제작된 CNT/구리입자복합분말을 구리 시편 위에 고루 분산시킨 후 입자들을 소결 코팅하였다. CNT/금속 복합재료의 소결 코팅 과정을 통해서 구리 시편 위에 비등 열전달에 유리한 마이크로 나노 미세구조를 제조하였다.
본 연구에서는 금속 표면에서 비등 열전달을 촉진을 위하여 CNT를 기존방식과 다른 방법으로 금속 표면위에 코팅을 하였다. 즉, Attrition ball mill을 이용해서 제작된 CNT/구리입자 복합분말을 구리 시편 위에 고루 분산시킨 후 입자들을 소결 코팅하였다. CNT/금속 복합재료의 소결 코팅 과정을 통해서 구리 시편 위에 비등 열전달에 유리한 마이크로 나노 미세구조를 제조하였다.
온도를 측정하기 위해서 구리 block옆에 2개 열전대를 삽입하였다. 직류 전원 공급기를 사용하여 열전달 시험부 내에 삽입된 히터에 전원을 공급하여 히터 열유속을 조절하였다. 그리고 실험 데이터는 프로그램(Agilent VEE)을 이용하여 측정하였다.
1은 본 실험의 공정을 도식적으로 보여준다. 첫 번째 공정은 CNT/metal 복합 소재 제작공정으로 MWCNT과 구리 분말을 5 mm 지르코니아 볼과 혼합하여 Attrition Ball Milling에서 약 2시간 동안에 MWCNT/copper 복합 powder 제조하였다.

대상 데이터

CNT/metal 복합 소재 분말은 직경을 5~20 nm, 길이~10 µm의 MWCNT(Carbon nano-meterial technology Co., LTD)와 Copper(Duksan Pure Chemicals Co., LTD)을 Attrition Milling에 투입한 후 2시간의 밀링 시간을 적용하여 탄소 나노튜브/copper 복합 powder를 제조하였다.
2는 풀 비등 열전달 실험 장치의 개략도를 나타낸다. 작동 유체는 R134a를 했다. 실험은 압력이 2.

데이터처리

직류 전원 공급기를 사용하여 열전달 시험부 내에 삽입된 히터에 전원을 공급하여 히터 열유속을 조절하였다. 그리고 실험 데이터는 프로그램(Agilent VEE)을 이용하여 측정하였다.

성능/효과

1. 구리시편 위에 순수한 Cu powder 층을 첨가하지 않고 CNT/Cu 복합 powder 층으로만 코팅한 단층 코팅(One layer coating)의 경우 코팅 층간의 소결 치밀화가 감소되었다. 단, CNT 10 vol% 이하의 경우에서 만 치밀하게 유지되었다.
2. 구리판위에 순수한 Cu pwder 코팅층을 첨가하는 이층 코팅(Two layer coating)의 경우는 소결성이 대폭 향상되며 20 vol% 정도까지 치밀화된 소결 코팅체 제조가 가능하였다.
5는 단층 코팅방식으로 제작된 것으로 구리 시편위에 CNT/Cu 복합 Powder만 분산 시킨 후 850℃에서 소결한 시편의 표면 SEM 사진이다. CNT 입자 들이 구리입자에 관입하는 동시에 표면에도 분산되어지게 되며 CNT 입자들이 Cu-Cu 입자간의 계면에 위치 하여 직접적인 접촉을 방해하게 되어 결과적으로 소결을 저하시키는 것을 판단되었다. 그림 (a)에서 보듯이 CNT 5 vol% 시편만 성공적으로 소결이 가능하였고, 그림 (b)~(d) 그 이상에서는 Cu와 CNT 계면에서 입자간 확산이 이루어지지 않는 것으로 파악되었다.
이에 따라 CNT/Cu 복합 powder와 순수한 Cu 입자간 소결이 잘 진행된 사실을 알 수 있다. EDAX 분석 결과 (a)~(d)로 볼 때 CNT가 증가해도 CNT/Cu 분말 제조, 바인더(PVA) 산화와 소결 과정 중 CNT가 산화되거나 파손이 크게 일어나지 않아 CNT의 양이 줄지 않은 것으로 판단된다. 열전달 측면에서는 CNT 비율이 증가해야 열전달 촉진에 유리 하므로 상기 최종 방안 및 조건이 적절하다고 판단된다.
EDAX 분석 결과 (a)~(d)로 볼 때 CNT가 증가해도 CNT/Cu 분말 제조, 바인더(PVA) 산화와 소결 과정 중 CNT가 산화되거나 파손이 크게 일어나지 않아 CNT의 양이 줄지 않은 것으로 판단된다. 열전달 측면에서는 CNT 비율이 증가해야 열전달 촉진에 유리 하므로 상기 최종 방안 및 조건이 적절하다고 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	탄소나노튜브의 탁원한 고유 특성을 감소하게 하는 조건은?	그러나 CVD방법으로 합성 시 불순물을 함유하고 있어, CNT의 물성 향상을 방해하고, CVD 코팅 공정이 복잡하여 공업적으로 넓은 범위에서 응용되기가 어려운 편이다. 또한 탄소나노튜브는 각각의 튜브 사이에 반데르발스 힘을 작용해서 서로 뭉칠 때 CNT의 탁월한 고유 특성이 크게 감소한다[8]. 따라서 탄소나노튜브를 열적 분야에 적용하는 데에도 많은 어려움이 따르고 있다.
	탄소나노튜브의 특징은?	탄소나노튜브는 탁월한 물성이 있기 때문에 각 영역에서 주목받고 있다. 전기 전도도가 구리와 비슷하고, 열전도율은 자연계에서 가장 뛰어난 다이아몬드와 같으며, 강도는 철강보다 100배나 뛰어나다[1-4]. Kim et al.
	PECVD방법을 이용해서 실리콘 위에 CNT 코팅으로 FC72 냉매의 풀 비등 CHF의 촉진 영향을 살펴본 결과, CNT에 의하여 실리콘과 구리표면에 어떤 영향을 미치는 것을 증명할 수 있었는가?	는 PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) 방법을 이용해서 실리콘 위에 CNT코팅하여 FC72 냉매의 풀 비등 CHF(Critical Heat Flux)의 촉진 영향을 살펴보았다. 이들은 CNT가 표면 면적 증가하기 때문에 코팅된 실리콘과 구리표면의 CHF를 크게 향상시킨다는 것을 증명하였다[6]. Khanikar et al.

참고문헌 (15)

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Khanikar, V., Mudawar, I., and Fisher, T., "Effects of Carbon Nanotube Coating on Flow Boiling in a Micro-channel," International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 52, 2009, pp. 3805-3817.

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Datsyuk, V., Kalyva, M., Papagelis, K., Parthenios, J., Tasis, D., Siokou, A., Kallitsis, I., and Galiotis, C., "Chemical Oxidation of Multiwalled Carbon Nanotubes," Carbon, Vol. 46, 2008, pp. 833-840.

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Yang, C.-Y., and Fan, C.-F., "Pool Boiling of Refrigerants R- 134a and R-404A on Porous and Structured Surface Tubes - Part II, Heat Transfer Performance," Journal of Enhanced Heat Transfer, Vol. 13, 2006, pp. 65-84.

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Fan, C.-F., and Yang, C.-Y., "Pool Boiling of Refrigerants R-134a and R-404A on Porous and Structured Tubes-Part I, Visualization of Bubble Dynamics," Journal of Enhanced Heat Transfer, Vol. 13, 2006, pp. 85-97.

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Cieslinski, J.T., "Nucleate Pool Boiling on Porous Metallic Coatings," Experimental Thermal and Fluid Science, Vol. 25, 2002, pp. 557-564.

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El-Genk, M.S., and Ali, A.F., "Enhanced Nucleate Boiling on Copper Micro-porous Surfaces," International Journal of Multiphase Flow, Vol. 36, 2010, pp. 780-792.

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Edward Joshua T. Pialago, Kwon, O.K., and Park, C.W., "Nucleate Boiling Heat Transfer of R134a on Cold Sprayed CNT-Cu Composite Coatings", Applied Thermal Engineering, Vol. 56, Issues 1-2, July 2013, pp. 112-119.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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