[논문]그래핀과 탄소나노튜브의 형상에 따른 나노유체의 열전도도 특성 비교 연구

박성식; 한상필; 전용한; 김종윤; 김남진

doi:10.7836/kses.2013.33.3.099

그래핀과 탄소나노튜브의 형상에 따른 나노유체의 열전도도 특성 비교 연구
A Comparative Study on the Characteristics of Nanofluids to the Shape of Graphene and Carbon Nanotube 원문보기

한국태양에너지학회 논문집 = Journal of the Korean Solar Energy Society, v.33 no.3, 2013년, pp.99 - 106

박성식 (제주대학교 에너지공학과) , 한상필 (상지영서대학교 소방안전과) , 전용한 (상지영서대학교 소방안전과) , 김종윤 (서정대학교 소방안전관리과) , 김남진 (제주대학교 에너지공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, high-thermal-conductivity graphene and carbon nanotube nanoparticles have attracted particularly close attention from researchers. In the present study, the thermal conductivity and viscosity properties of two kinds of graphene and carbon nanotube nanofluids added to distilled water - two graphenes and carbon nanotubes of differing size - were compared and analyzed. The thermal conductivities of the nanofluids, formulated in the usual manner by adding graphene and carbon nanotube to distilled water and subjecting the mixture to ultrasonic dispersion, were measured by the transient hot-wire method, and the viscosities were determined using a rotational digital viscometer. As a result, we concluded that the nanofluid of small particle diameter of graphene have outstanding properties as heat transfer media, due to their excellent thermal conductivity and viscosity, compared with the other nanofluid.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

제안 방법

따라서 본 연구에서는 동일한 열전도도 특성을 가지고 있으나 형상이 다른 그래핀과 탄소나노튜브를 이용하여 나노유체를 제조하였다. 그리고 그래핀과 탄소나노튜브의 입자크기, 체적비율에 따른 열전도도 및 점도 측정 실험을 수행하고, 그래핀과 탄소나노튜브 나노입자의 크기, 체적비율, 형상이 나노유체의 열전도도 및 점도에 미치는 영향에 대하여 비교분석하였다.
기본유체는 1차 증류수를 사용하였고, 그래핀 입자와 기본유체를 0.001 ∼ 0.1 vol%의 비율로 각각 혼합하고, 2시간 동안 초음파 분산기로 분산하여 각각의 나노유체를 제조하였다.
따라서 단순히 탄소나노튜브와 그래핀 입자를 기본유체와 혼합해서는 나노입자들이 유체 내에 적절하게 분산되지 않으며, 높은 열적특성을 나타내는 나노유체의 특성이 잘 나타나지 않는다. 따라서 본 연구에서는 그래핀 나노유체의 분산 안정성 확보를 위하여 초음파 분산기를 이용하였다.기본유체는 1차 증류수를 사용하였고, 그래핀 입자와 기본유체를 0.
또한 백금선 표면에 그래핀 입자가 달라붙어 열전도도가 잘 측정되지 않는 현상을 방지 하기 위하여 매 실험마다 초음파 세척기를 사용하여 백금선을 충분히 세척하였다. 모든 실험은 유체의 실험온도를 일정하게 유지하여 실시하였고, 실험의 정확도와 신뢰성을 높이기 위하여 동일한 실험조건에서 10번의 반복 실험을 수행하였다.
, 34079A)와 컴퓨터로 구성되어 있다. 또한 항온수조(Jeio Tech., RW-3025G)를 이용하여 그래핀과 탄소나노튜브 나노유체의 온도를 실험온도(25℃)로 일정하게 유지시켰다. 측정된 백금선의 저항은 Bently¹⁰⁾의 전기저항-온도에 관한 선형식과 온도-저항계수 0.
또한 백금선 표면에 그래핀 입자가 달라붙어 열전도도가 잘 측정되지 않는 현상을 방지 하기 위하여 매 실험마다 초음파 세척기를 사용하여 백금선을 충분히 세척하였다. 모든 실험은 유체의 실험온도를 일정하게 유지하여 실시하였고, 실험의 정확도와 신뢰성을 높이기 위하여 동일한 실험조건에서 10번의 반복 실험을 수행하였다. 측정된 결과는 동일 실험 조건에서 측정한 기본유체의 열전도도와 비교 하여 기본유체 대비 열전도도 증가비율로 나타내었다.
본 연구에서 그래핀과 탄소나노튜브 나노유체의 점도는 회전형 디지털 점도계 DV II+pro 를 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.
본 연구에서 동일한 열전도도 특성을 가지고 있으나 형상이 다른 그래핀과 탄소나노튜브를 이용하여 제조한 나노유체의 열전도도 및 점도 특성을 비교분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구에서는 CVD(Chemical vapor deposition)법으로 제조된 두 종류의 다중벽 탄소나노튜브(Multi-wall carbon nanotube, MWCNT, Hanwha-nanotech Co.)와 두 종류의 그래핀(XG sciences Co.)을 사용하였고, 표 1에 본 연구에서 사용된 그래핀과 다중벽 탄소나노튜브의 자세한 물성치를 나타내었다. 표를 보면 알 수 있듯이 두 종류의 다중벽 탄소나노튜브는 길이만 다른 특성을 가지고 있으며, 그래핀은 입자 직경만 다른 특징을 가지고 있다.
본 연구에서는 비정상 열선법을 사용하여 탄소나노유체의 열전도도를 측정하였다. 그리고 CRCHandbookofChemistryandPhysics에 보고된 증류수의 열전도도 데이터와 본 실험 장치를 이용하여 측정한 증류수의 열전도도를 비교한 결과 1% 이내의 편차로 실험 데이터가 일치하였다.
Liu et al.은 엔진오일에 탄소나노튜브를 첨가한 나노유체의 열전도도를 측정하였다. 이들은 공통적으로 기본유체에 첨가되는 탄소나노튜브의 양이 증가할수록 제조된 나노유체의 열전도도가 크게 증가하였다고 보고하였다.

대상 데이터

따라서 본 연구에서는 동일한 열전도도 특성을 가지고 있으나 형상이 다른 그래핀과 탄소나노튜브를 이용하여 나노유체를 제조하였다. 그리고 그래핀과 탄소나노튜브의 입자크기, 체적비율에 따른 열전도도 및 점도 측정 실험을 수행하고, 그래핀과 탄소나노튜브 나노입자의 크기, 체적비율, 형상이 나노유체의 열전도도 및 점도에 미치는 영향에 대하여 비교분석하였다.
그림 2에 비정상 열선법을 이용한 나노유체 열전도도 측정 실험장치의 개략도를 나타내었다. 실험장치는 테프론으로 코팅된 직경 76 ㎛ 백금선(R4, Nilaco Co., PT-967353)과 10 Ω (R2), 10 ㏀(R1)의 저항 그리고 10 ㏀의 가변 저항(R3)으로 구성된 휘트스톤 브리지와 이 휘트스톤 브리지에 직류 전원을 공급해주기 위한 DC파워 서플라이(Agilent Tech., E3648A) 그리고 수집되는 데이터의 저장과 모니터링을 위한 데이터 수집 장치(Agilent Tech., 34079A)와 컴퓨터로 구성되어 있다. 또한 항온수조(Jeio Tech.

이론/모형

, RW-3025G)를 이용하여 그래핀과 탄소나노튜브 나노유체의 온도를 실험온도(25℃)로 일정하게 유지시켰다. 측정된 백금선의 저항은 Bently¹⁰⁾의 전기저항-온도에 관한 선형식과 온도-저항계수 0.0039092/℃를 사용하여 측정된 백금선의 저항을 온도로 변환하였으며, 다음과 같은 식 (1)을 이용하여 각각의 나노유체의 열전도도를 최종적으로 계산하였다.¹¹⁾여기서, k는 유체의 열전도도이며, T₁, T₂는 각각 시간 t₁, t₂에서 측정된 백금선의 온도이다.

성능/효과

(1)다중벽 탄소나노튜브 나노유체의 경우 길이가 긴 입자를 이용하였을 때 보다 높은 열전도도 효과를 나타냄을 알 수 있었으며, 그래핀 나노유체는 직경이 작은 입자를 이용하였을 때 보다 높은 열전도도 특성을 나타낸다는 것을 알 수 있었다.
(2)0.1vol%에서 CM-100다중벽 탄소나노튜브 나노유체의 열전도도는 증류수 대비 6.71% 증가하였고, 그래핀 M-5나노유체는 10.63% 증가하여 그래핀 나노유체가 탄소나노튜브 나노유체보다 약 1.6배의 높은 열전도도 효과를 나타냄을 알 수 있었다.
(3)열전달 매체로 이용하기 위한 다중벽 탄소 나노튜브 나노유체의 점도는 길이가 짧은 입자를 이용하였을 때 우수한 효과를 나타내었으며, 그래핀 나노유체도 마찬가지로 직경이 작은 입자를 이용하였을 때 훨씬 우수한 효과를 나타냄을 알 수 있었다.
(4)점도의 경우 0.001-0.06vol%까지는 그래핀 M-5나노유체의 점도가 높았으나 0.07vol% 이후에는 CM-100다중벽 탄소 나노튜브 나노유체의 점도가 그래핀 M-5나노유체보다 높음을 알 수 있었다.
그림 4는 입자 직경이 다른 그래핀 M-5와 M-15를 이용하여 제조한 그래핀 나노유체의 열전도도를 비교하여 나타낸 그래프이다. 그래핀의 경우 탄소나노튜브와는 다르게 평균 입자 직경이 작은 그래핀 M-5입자를 이용한 나노유체의 열전도도가 높음을 보였다. 특히, 0.
본 연구에서는 비정상 열선법을 사용하여 탄소나노유체의 열전도도를 측정하였다. 그리고 CRCHandbookofChemistryandPhysics에 보고된 증류수의 열전도도 데이터와 본 실험 장치를 이용하여 측정한 증류수의 열전도도를 비교한 결과 1% 이내의 편차로 실험 데이터가 일치하였다.¹²⁾
01vol%의 비율로 제조한 나노유체의 열전도도를 비교하여 나타낸 그래프이다. 그림을 보면 알 수 있듯이 길이가 긴 CM-100다중벽 탄소나노튜브를 이용하여 제조한 나노유체의 열전도도가 높음을 알 수 있으며, 0.01vol%에서 CM-100다중벽탄소나노튜브 나노유체의 열전도도 증가율은 길이가 짧은 CM-95다중벽 탄소나노튜브 나노유체보다 약 5.5% 높음을 알 수 있었다. 이는 탄소나노튜브의 길이가 나노유체의 열전도도에 영향을 미치며, 길이가 긴 탄소나노튜브가 효과가 좋다는 것을 의미한다.
2% 낮음을 확인하였다. 따라서 그래핀 나노유체의 점도는 열전도도와 마찬가지로 입자의 크기에 큰 영향을 받는다는 것을 알 수 있었다. 점도가 높다는 것은 각종 시스템의 열전달 매체로서는 불리한 조건이기 때문에 이와 같은 실험결과는 입자 직경이 큰 그래핀보다 작은 그래핀을 첨가하여 제조한 나노유체의 열전도도 및 점도 특성이 훨씬 우수하다는 것을 나타낸다.
그림을 보면 알 수 있듯이 그래핀 M-5나노유체의 열전도도가 CM-100 다중벽 탄소나노튜브 나노유체보다 높음을 알 수 있다.또한 0.1 vol%에서 CM-100다중벽 탄소나노튜브 나노유체의 열전도도는 증류수 대비 6.71% 증가하였고, 그래핀 M-5나노유체는 10.63%증가하여 그래핀 나노유체가 탄소나노튜브 나노유체보다 약 1.6배의 높은 열전도도 증가효과를 나타냄을 확인하였다. 이와 같은 이유는 그래핀과 탄소나노튜브의 서로 다른 형상 때문이라고 사료된다.
또한 T. T. Baby는 열박편화로 제조된 그래핀과 증류수를 혼합하여 나노유체를 제조하고 열전도도를 측정하였으며, 25℃, 0.056 vol%에서 기본유체 대비 14%의 열전도도가 증가함을 확인하였다.⁷⁾S.
⁸⁾특히, Wei Yu et al.은 에틸렌 글리콜을 기반으로한 그래핀 나노유체의 열전도도를 체적비율에 따라 측정하였으며, 5.0 vol%에서 기본유체보다 86% 향상된 열전도도 특성을 확인하였다.⁹⁾
01 vol%에서 그래핀 M-5나노유체의 열전도도 증가율은 그래핀 M-15나노유체보다 약 23%높았다. 이와 같은 결과는 그래핀의 직경이 그래핀 나노유체의 열전도도 증가율에 영향을 미치며, 직경이 작은 그래핀을 첨가한 그래핀 나노유체의 열전도도 효과가 더 좋다는 것을 의미하며, 그래핀을 이용한 나노유체의 열전도도는 탄소나노튜브를 이용한 나노유체보다 입자의 크기에 큰 영향을 받는다는 것을 알 수 있다.
01vol%의 비율로 제조한 두 종류의 다중벽 탄소나노튜브 나노유체의 점도를 비교하여 나타낸 그래프이다. 점도의 경우 열전도도 실험결과와는 다르게 입자의 길이가 짧은 CM-95다중벽 탄소나노튜브를 이용한 나노유체가 CM-100다중벽 탄소나노튜브 나노유체보다 점도가 22.7% 낮아 열전달 매체로서 더 유리하다는 것을 알 수 있었다. 이는 CM-100다중벽 탄소나노튜브의 입자의 길이가 CM-95보다 길기 때문인 것으로 판단된다.
모든 실험은 유체의 실험온도를 일정하게 유지하여 실시하였고, 실험의 정확도와 신뢰성을 높이기 위하여 동일한 실험조건에서 10번의 반복 실험을 수행하였다. 측정된 결과는 동일 실험 조건에서 측정한 기본유체의 열전도도와 비교 하여 기본유체 대비 열전도도 증가비율로 나타내었다.
그래핀의 경우 탄소나노튜브와는 다르게 평균 입자 직경이 작은 그래핀 M-5입자를 이용한 나노유체의 열전도도가 높음을 보였다. 특히, 0.01 vol%에서 그래핀 M-5나노유체의 열전도도 증가율은 그래핀 M-15나노유체보다 약 23%높았다. 이와 같은 결과는 그래핀의 직경이 그래핀 나노유체의 열전도도 증가율에 영향을 미치며, 직경이 작은 그래핀을 첨가한 그래핀 나노유체의 열전도도 효과가 더 좋다는 것을 의미하며, 그래핀을 이용한 나노유체의 열전도도는 탄소나노튜브를 이용한 나노유체보다 입자의 크기에 큰 영향을 받는다는 것을 알 수 있다.
그림을 보면 알 수 있듯이 평균 입자 직경이 작은 그래핀 M-5나노유체의 점도가 낮음을 알 수 있다. 특히, 0.01vol%에서 그래핀 M-5나노유체의 점도 증가율은 평균 입자 직경이 큰 그래핀 M-15나노유체보다 약 18.2% 낮음을 확인하였다. 따라서 그래핀 나노유체의 점도는 열전도도와 마찬가지로 입자의 크기에 큰 영향을 받는다는 것을 알 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	그래핀이란 무엇인가?	그래핀은 sp2결합에 의해 2차원 상에서 탄소 원자 6개로 이루어진 육각형들이 벌집모양의 배열을 이루고 있는 원자 한 층을 명명하며,탄소나노튜브는 이들 육각형들이 서로 연결되어 튜브 형상을 이루고 있는 것으로 그래핀을 말면 그래핀 끝 부분이 결합을 하여 튜브모양의 탄소나노튜브가 된다.또한 그래핀과 탄소나노튜브는 구조적,화학적으로 매우 안정하고 뛰어난 열전도도와 전도체로서의 특징을 갖고 있다고 보고되었다.
	나노유체가 차세대 열전달 매체로 각광받게 된 배경은 무엇인가?	최근 냉동 및 냉장,열교환기,고집적 전자 부품 냉각,원전 및 각종 발전 시스템과 같은 다양한 산업에서 시스템의 효율 극대화와 발열량 제어가 중요한 문제로 대두되고 있다.이에 따라 새로운 열전달 매체의 개발에 초점이 맞춰지고 있으며,기본유체보다 우수한 열전달 특성을 나타내는 나노유체가 차세대 열전달 매체로 각광을 받고 있다.
	그래핀과 탄소나노튜브의 특징은 무엇인가?	그래핀은 sp2결합에 의해 2차원 상에서 탄소 원자 6개로 이루어진 육각형들이 벌집모양의 배열을 이루고 있는 원자 한 층을 명명하며,탄소나노튜브는 이들 육각형들이 서로 연결되어 튜브 형상을 이루고 있는 것으로 그래핀을 말면 그래핀 끝 부분이 결합을 하여 튜브모양의 탄소나노튜브가 된다.또한 그래핀과 탄소나노튜브는 구조적,화학적으로 매우 안정하고 뛰어난 열전도도와 전도체로서의 특징을 갖고 있다고 보고되었다.1)2)3)4)

참고문헌 (14)

Das. S. K., Choi. S. U. S., Yu. W., Nanofluids Science and Technology, John Wiley & Sons, Inc., 2008.
Novoselov. K. S. et al., Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films, Science 306, 666, 2004.

상세보기
Novoselov. K. S. et al., Two-dimensional gas of massless Dirac fermions in graphene, Nature 438, 197, 2005.

상세보기
Geim. A. K. and Kim. P., Carbon wonderland, Scientific American, 298, pp. 90-97, 2008

상세보기
Choi, S. U. S., Zhang, Z. G., Yu, W., Lockwood, F. E., Grulke, E. A., Anomalous thermal conductivity enhancement in nanotube suspensions, Applied Physics Letter, Vol. 79, NO. 14, pp. 2252-2254, 2001.

상세보기
Liu, M. S., Lin, M. C., Huang, I. Te., Wang, C. C., "Enhancement of thermal conductivity with carbon nanotube for nanofluids" , International Communications in Heat and Mass Transfer, Vol. 32. No. 9, pp. 1202-1210, 2005.

상세보기
Baby. T. T. and Ramaprabhu. S., Inverstigation of thermal and electrical conductivity of graphene based nanofluids, Journal of Applied Physics, 108, 124308, 2010.

상세보기
Gupta. S. S. et al., Thermal conductivity enhancement of nanofluids containing graphene nanosheets, Journal of Applied Physics, 110, 084302, 2011.

상세보기
Yu. W., Xie. H., Wang. X., Wang. X., Significant thermal conductivity enhancement for nanofluids containing graphene nanosheets, Physics Letters, 375, 1323-1328, 2011.

상세보기
Bently, J. P., Temperature sensor characteristics and measurement system design, Journal of Physics E: Scientific Instruments, 1984, Vol. 17, pp. 430-435.

상세보기
Nagasaka, Y. and Nagashima, A., Absolute Measurement of the thermal conductivity of electrically conducting liquids by the transient hot-wire method, Journal of Physics E: Scientific Instruments, 1981, Vol. 14, pp. 1435-1440.

상세보기
Kim, N. J., Park, S. S., Lim, S. H., Chun, W. G., A studyon the characteristics of carbon nanofluids at the room temperature, International Communications in Heat and Mass Transfer, Vol. 38, No. 3, pp. 313-318, 2011.

상세보기
Hamilton. R. L., Crosser. O. K., Thermal conductivity of heterogeneous two-component systems, Ind. Eng. Chem. Fundamen., Vol. 1, p. 187, 1962.

상세보기
Gao. L., Zhou. X. F., Differential effective medium the ory for thermal conductivity in nanofluids, Physics Letters, Vol. 348, pp. 355-360, 2006.

상세보기

저자의 다른 논문 :

LOADING...

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증