[논문]표면조도가 나노유체 액적의 접촉각에 미치는 영향

김영찬

doi:10.3795/ksme-b.2013.37.6.559

표면조도가 나노유체 액적의 접촉각에 미치는 영향
Effects of Surface Roughness on Contact Angle of Nanofluid Droplet 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.37 no.6 = no.333, 2013년, pp.559 - 566

초록
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본 연구에서는 고체의 표면조도가 나노유체 액적의 접촉각에 미치는 영향에 대해 실험적 연구를 수행하였다. 나노유체는 산화구리(CuO) 나노분말을 순수 물과 혼합하여 제조하였으며, 고체는 한 변의 길이가 10 mm 정육면체 구리시편을 실험에 사용하였다. 나노유체 액적의 접촉각은 동일한 표면조도 조건에서 순수 물 액적의 접촉각 보다 다소 낮게 측정되었으며, 구리시편의 표면조도가 증가할수록 순수 물과 나노유체 액적의 접촉각은 모두 증가하고 있음을 실험결과로부터 알 수 있었다. 또한 가열-급냉(quench) 실험을 거친 구리시편 표면에서의 접촉각은 순수 표면에서의 접촉각보다 다소 낮게 측정되었으며, 이는 구리표면의 산화에 기인하는 것으로 판단된다. 그러나 가열-급냉 실험에 있어서 냉각 액체로서 순수 물과 나노유체를 사용한 경우의 액적 접촉각 측정결과들은 큰 차이가 없는 것으로 나타났으며, 이러한 실험결과로부터 냉각과정에 있어서 나노입자가 액적의 접촉각에 영향을 미칠 정도로 구리시편의 표면상태를 변화시키지 못하는 것으로 생각된다.

Abstract ▼ AI-Helper

The effects of solid surface roughness on the contact angle of a nanofluid droplet were experimentally investigated. The experiments were conducted using the solid surface of a 10 mm cubic copper block and the nanofluid of water mixed with CuO nanoparticles. The experimental results showed that the contact angles of nanofluid droplets were lower than those of water droplets and that the contact angle of the nanofluid droplet increased with the solid surface roughness. Furthermore, it was found that the contact angles of water droplets on the solid surface quenched by both water and the nanofluid were lower than those of water droplets on the pure solid surface. However, significant differences were not observed between the contact angles on the solid surfaces quenched by water and the nanofluid.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

1에서도 알 수 있듯이 고체와 액체 또는 고체와 기체의 표면장력, 즉 고체 표면상태의 영향을 크게 받는 것으로 알려져 있다.⁽⁷⁾ 본 연구는 나노유체의 증발, 비등 또는 분무냉각과 같은 상변화 열전달에 대한 기초연구로써 고체표면의 조도(roughness)가 순수 물 또는 나노유체액적의 접촉각에 미치는 영향에 대해 실험적 연구를 수행하였다.
또한 그림에는 측정결과의 최대 및 최소값의 범위를 함께 나타내었으며 그림에서 알 수 있듯이 거친 표면일수록 측정오차의 범위가 증가하고 있다. 또한 본 연구에서는 고온의 전열면이 나노유체에 의해 냉각되는 과정에 있어서 나노입자가 전열면 표면에 부착되어 표면조도에 미치는 영향을 파악하기 위해 다음과 같은 실험을 수행하였다.
본 연구에서는 고체표면의 조도를 변화시켜 표면조도가 순수 물과 나노유체의 접촉각에 미치는 영향에 대해 실험적 연구를 수행하였으며, 실험 결과를 정리하면 다음과 같다.

가설 설정

5% 나노유체에 의한 급냉 실험을 거친 구리시편을 이용하여 순수 물 액적의 접촉각을 측정한 실험결과를 나타내었다. 앞서 설명한 바와 같이 급냉 실험을 거친 구리시편의 표면조도와 순수한 구리시편의 표면조도와 거의 동일한 것으로 가정하였으며, 3종류의 샌드페이퍼로 연마한 순수 구리시편의 표면조도 측정 값을 순수 물과 나노유체 급냉 실험을 거친 표면에 동일하게 적용하여 나타내었다. Fig.

제안 방법

이러한 나노입자들의 응집현상을 감소시키고 입자들의 안정된 부유성을 유지시키기 위해 에틸렌글리콜, 오일, 계면활성제 등과 같은 물질을 첨가하고 있으나, 이러한 첨가제는 나노유체 자체의 특성에 영향을 미쳐 순수한 나노유체의 특성에 대한 정량적 평가를 어렵게 만들 가능성이 있다. 따라서 본 연구에서는 나노유체를 제조함에 있어서 이러한 첨가제를 사용하지 않고 초음파 진동에 의해 나노입자들을 안정적으로 분산시킨 후 실험에 사용하였다. 본 실험에 사용된 순수 물은 시판용 증류수를 사용하였다.
나노유체에 대한 나노입자의 농도는 일반적으로 부피농도를 이용하여 표기하고 있으며, 이는 나노유체의 유체역학적인 측면에서 부피농도가 매우 중요한 것으로 알려져 있기 때문인 것으로 판단된다. 본 연구에서도 순수 물과 나노입자의 질량비를 기준으로 혼합한 후 물과 산화구리의 밀도를 이용하여 부피농도를 계산하였다. 본 연구에서는 부피농도 0.
9에는 순수 물을 이용하여 액적의 접촉각을 측정한 대표적인 결과를 나타내었다. 액적의 접촉각은 Fig. 10에 나타낸 바와 같이 구리시편에 순수 물 또는 나노유체 액적을 떨어뜨림과 동시에 액적의 형상을 촬영한 후 형상을 분석하는 방법을 이용하여 측정하였다. Fig.
즉 Fig. 3에 나타낸 구리시편을 공기 중에서 약 150~200℃까지 가열한 후 순수 물 또는 나노유체에 담구어 실온까지 급냉(quench)시킨 구리시편의 표면조도를 측정하여 그 값의 변화를 관찰하였다. Fig.

대상 데이터

3에 나타낸 것과 같이 표면조도가 각각 다른 3종류의 구리시편을 실험에 이용하였다. 구리시편은 한 변의 길이가 10㎜인 정육면체이며, 표면을 #2000, #400, #60 3종류의 샌드페이퍼를 이용하여 연마함으로서 표면조도를 다르게 설정하여 실험에 이용하였다. 본 연구에서는 접촉각 측정을 위한 액체로서 순수 물과 나노유체를 사용하였으며 나노 유체는 순수 물에 80nm 크기의 산화구리(CuO) 분말을 혼합하여 제조하였다.
본 연구에서는 고체표면의 조도가 액적의 접촉각에 미치는 영향을 관찰하기 위해 Fig. 3에 나타낸 것과 같이 표면조도가 각각 다른 3종류의 구리시편을 실험에 이용하였다. 구리시편은 한 변의 길이가 10㎜인 정육면체이며, 표면을 #2000, #400, #60 3종류의 샌드페이퍼를 이용하여 연마함으로서 표면조도를 다르게 설정하여 실험에 이용하였다.
본 연구에서도 순수 물과 나노입자의 질량비를 기준으로 혼합한 후 물과 산화구리의 밀도를 이용하여 부피농도를 계산하였다. 본 연구에서는 부피농도 0.1%와 0.5%의 순수 물-산화구리 나노유체를 실험에 사용하였다.
본 연구에서는 앞서 설명한 바와 같이 구리시편의 표면을 #2000, #400, #60 3종류의 샌드페이퍼를 이용하여 일정 횟수 연마하여 액적의 접촉각 측정실험에 활용하였다. Fig.
구리시편은 한 변의 길이가 10㎜인 정육면체이며, 표면을 #2000, #400, #60 3종류의 샌드페이퍼를 이용하여 연마함으로서 표면조도를 다르게 설정하여 실험에 이용하였다. 본 연구에서는 접촉각 측정을 위한 액체로서 순수 물과 나노유체를 사용하였으며 나노 유체는 순수 물에 80nm 크기의 산화구리(CuO) 분말을 혼합하여 제조하였다. 일반적으로 나노입자를 첨가한 혼합유체의 경우 나노입자들이 응집 되어 침전되거나 관내에 흡착되어 시스템의 성능을 저하시키는 현상이 발생한다.
액적의 접촉각은 독일 Krüss사의 액적형상 분석장치(DSA 100)를 활용하여 측정하였다.

성능/효과

(1) 구리시편의 표면조도가 증가할수록 순수 물과 나노유체 액적의 접촉각은 증가한다. 이는 Wenzel의 연구결과와도 일치하며, 표면조도의 증가는 실제 표면적의 증가로 인해 고체-액체의 응집력을 증가시켜 액적의 접촉각이 증가하는 것으로 판단된다.
(3) 동일한 표면조도 조건에서 나노유체 액적의 접촉각이 순수 물 액적의 접촉각보다 작아지는 경향이 있으며 이러한 경향은 나노유체의 부피농도가 증가할수록 크게 나타나고 있음을 알 수 있다. 이는 나노입자와 액체의 경계에서 형성되는 표면에너지에 기인하는 것으로 판단된다.
8에 나타낸 측정결과로부터 순수 물 또는 나노유체에 의해 급냉 실험을 거친 구리표면의 표면조도는 급냉 실험을 거치지 않은 구리시편의 표면조도와 비교할 때 전체적으로는 큰 차이가 없음을 알 수 있다. 그러나 측정결과를 좀 더 세심하게 관찰하여 언급한다면 표면조도가 매우 작은 #2000의 경우 나노유체에 의한 급냉 실험 후 약간 조도가 증가하였으나, 표면조도가 매우 큰 #60의 경우 오히려 표면조도가 약간 감소한 것으로 나타났다. 이러한 실험결과는 표면조도가 매우 작고 편평한 표면에서는 나노입자의 부착이 표면조도를 거칠게 만드는 효과가 발생할 수 있지만, 표면조도가 매우 거친 구리표면에 있어서 나노입자의 부착은 표면을 편평하게 만들어 주는 효과로 인해 오히려 표면조도가 낮아지는 것으로 추정된다.
13으로부터 순수 물과 나노유체에 의해 급냉 실험을 거친 표면에서 실시한 액적의 접촉각 측정결과는 급냉 실험을 거치지 않은 순수 구리시편에서의 측정결과보다 약간 작아지는 경향이 있음을 알 수 있다. 그리고 순수 물과 나노유체에 의한 급냉 실험을 거친 표면에서의 접촉각 측정결과는 거의 차이가 없는 것으로 나타났다. 일반적으로 구리시편을 공기 중에서 가열할 경우 표면에서 산화가 빠르게 진행되어 표면의 물리적 화학적 성질이 모두 변하는 것으로 알려져 있다.
12에 나타낸 바와 같이 고체의 표면조도가 커질수록 γ가 증가하며, 이 힘과 평형을 이루기 위해 액적의 접촉각이 증가한다는 것이다. 본 실험결과에 있어서도 Wenzel의 연구결과와 마찬가지로 고체의 표면조도가 증가할수록 액적의 접촉각이 약간 증가하고 있음을 알 수 있었다
특히 고체 표면의 산화, 불순물의 부착 등에 큰 영향을 받아 동일한 실험조건에서도 측정결과가 매우 다르게 나타나는 경우가 많기 때문에 실험의 재현성을 유지하기가 어려운 상황이다. 본 연구에서는 동일한 실험조건에서 접촉각의 측정 횟수를 최대 70회까지 반복하여 평균값을 산출하였으며, 따라서 오차범위는 비교적 크지만 신뢰성 있는 측정결과라고 판단된다. Fig.
는 겉보기 표면적이다. 완전히 편평한 고체 표면의 조도계수는 1이며, 표면조도가 커질수록 실제 표면적이 증가하여 조도계수는 증가한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	최근 증발(evaporation) 또는 비등(boiling)과 같은 액체의 상변화(phase change)를 이용한 냉각 기술이 주목받게된 이유는?	최근 고성능, 고밀도 전자장비의 효율적인 냉각을 위해 증발(evaporation) 또는 비등(boiling)과 같은 액체의 상변화(phase change)를 이용한 냉각 기술이 크게 주목받고 있다.(1~3) 또한 상변화 열전달의 촉진을 목적으로 나노사이즈의 금속입자와 액체를 혼합하여 제조한 나노유체(nanofluid)를 이용한 새로운 냉각기술에 대한 연구도 활발히 진행되고 있다.
	나노사이즈의 금속입자와 액체를 혼합하여 제조한 나노유체(nanofluid)를 이용한 새로운 냉각기술에 대한 연구의 목적은?	최근 고성능, 고밀도 전자장비의 효율적인 냉각을 위해 증발(evaporation) 또는 비등(boiling)과 같은 액체의 상변화(phase change)를 이용한 냉각 기술이 크게 주목받고 있다.(1~3) 또한 상변화 열전달의 촉진을 목적으로 나노사이즈의 금속입자와 액체를 혼합하여 제조한 나노유체(nanofluid)를 이용한 새로운 냉각기술에 대한 연구도 활발히 진행되고 있다.(4,5) 액체의 접촉각은 이러한 상변화 열전달에 큰 영향을 미치는 요소로 알려져 있다.
	표면조도가 순수 물과 나노유체의 접촉각에 미치는 영향에 대해 실험적 연구를 수행 결과를 정리하시오.	(1) 구리시편의 표면조도가 증가할수록 순수 물과 나노유체 액적의 접촉각은 증가한다. 이는 Wenzel의 연구결과와도 일치하며, 표면조도의 증가는 실제 표면적의 증가로 인해 고체-액체의 응집력을 증가시켜 액적의 접촉각이 증가하는 것으로 판단된다. (2) 가열-급냉 실험을 거친 구리시편은 표면이 산화되어 순수 물과 나노유체 액적의 접촉각을 감소시킨다. 그러나 가열-급냉 실험에 있어서 냉각 액체로서 순수 물과 나노유체를 사용한 경우에 대한 액적의 접촉각 측정결과들은 큰 차이가 없는 것으로 나타났으며, 이러한 실험결과로부터 냉각과정에 있어서 나노입자가 액적의 접촉각에 영향을 미칠 정도로 구리시편의 표면상태를 변화시키지 못하는 것으로 생각된다. (3) 동일한 표면조도 조건에서 나노유체 액적의 접촉각이 순수 물 액적의 접촉각보다 작아지는 경향이 있으며 이러한 경향은 나노유체의 부피농도가 증가할수록 크게 나타나고 있음을 알 수 있다. 이는 나노입자와 액체의 경계에서 형성되는 표면에너지에 기인하는 것으로 판단된다.

참고문헌 (7)

Anderson , T. M. and Mudawar, I., 1989, "Micro- Electronic Cooling by Enhanced Pool Boiling of a Dielectric Fluorocarbon Liquid," ASME J. of Heat Transfer, Vol. 111, pp. 752-759.

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Honda, H., Takamastu, H. and Wei, J. J., 2002, "Enhanced Boiling of FC-72 on Silicon Chips With Micro-Pin-Fins and Submicron-Scale Roughness," ASME J. of Heat Transfer, Vol. 124, pp. 383-390.

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Kim, Y. C., 2010, "Effects of Micro-fin Structure on Spray Cooling Heat Transfer in Forced Convection and Nucleate Boiling Region," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. B, Vol. 34-11, pp. 983-990.

원문보기 상세보기
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Wenzel, R. N., 1936, "Resistance of Solid Surfaces to Wetting by Water," Industrial and Engineering Chemistry, Vol. 28-8, pp. 988-994.

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저자의 다른 논문 :

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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