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초록
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이 글에서는 표면 특성을 변화시켜 열전달 효율을 향상하기 위한 방법으로 플라즈마 기반의 표면처리 사례를 소개하고 적용가능성 및 한계를 논의한다.

AI 본문요약
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후속연구

  • 열교환기분야에서도 최근 이를 이용한 효율 향상과 상업적 응용의 가능성에 주목하고 있다. 금속 및 고분자 등 열교환기에 사용되는 소재의 표면 특성을 제어하기 위한 연구개발과, 비등 및 응축 현상과 연계한 열역학적 해석을 결합한다면 열교환기의 고부가 가치화 및 고효율화를 실현할 수 있을 것으로 전망된다.
  • 에이징 현상이란 폴리머나 금속이 플라즈마 친수화 처리 후 수시간부터 수개월까지의 시간이 지난 후 이전의 표면 상태로 돌아가는 것을 뜻하는데, 이 현상은 처리시간, 대상 물질의 종류와 처리 방법 등에 따라 영향을 받는다. 또한 가동시간의 대부분이 액체에 노출되는 열교환기 특성상 침착되는 슬러지 또는 스케일의 형성조건에서도 당초 목표한 처리 특성이 장시간 유지되도록 하는 신뢰성 향상 연구도 추가적으로 필요하다.
  • 열공정기기를 비롯한 보다 새로운 응용분야에 적용하기 위해서는 낮은 제조단가로도 가능한 플라즈마의 발생 기술과 이에 기반한 표면처리 공정기술 및 효과의 검증이 필요하다. 무엇보다 반도체와 디스플레이 소자공정에서 요구하는 복잡한 플라즈마 공정과 장비가 아닌 간소화된 연속 공정이 개발될 때 그 활용도가 높아질 것이다. 이것이 대기압 기반 플라즈마 표면처리 공정에 주목하는 이유이다.
  • 몇 가지 연구개발의 이슈와 상용화를 위한 장벽에도 불구하고, 대기압 플라즈마는 열교환기용 소재의 표면처리를 효과적으로 이룰 수 있는 주목해야하는 후보기술이다. 플라즈마 기술과 열전달 기술 간의 융합이라는 측면에서도 다각적인 후속 연구를 기대한다.
  • 저압에서만 가능했던 플라즈마 처리가 대기압/대기중에서도 저가의 연속공정으로 실현된다는 점으로 인해 대기압 플라즈마 장비는 디스플레이용 기판의 세정과 전처리, 고분자 표면에너지 제어와 점착력 개선, 섬유 및 목재의 기능성 처리와 의료 및 바이오 분야 등의 산업분야로 응용영역이 확대되고 있으며 국내외에서도 관련 상용 장비 시장이 본격화되려는 움직임이 있다. 향후 폭발적인 성장이 예견되는 유연 소자와 유연 디스플레이 제조 분야에서 대기압 플라즈마 장비는 새로운 기회를 얻게 될 것으로 전망된다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
열전달 시스템의 설계변화 없이 열교환 소재의 표면 특성 변화만으로도 효율향상이 가능한 이유는? 일반적인 열교환기 효율향상이란 유체의 특성을 고려한 시스템의 구조 설계에 기반하지만 열전달 시스템의 설계변화 없이 열교환 소재의 표면 특성 변화만으로도 효율을 향상시킬 수 있다. 이상(two-phase) 유동에서 알려진 이러한 현상은 친수성(親水性, hydrophilicity) 또는 소수성(疏水性, hydrophobicity) 열교환기의 표면특성이 비등 또는 응축과정에서 열전달의 효율을 높이기 때문이다(J. Heat Transfer 2001, 123, 1071).
반도체 및 디스플레이 공정에서의 플라즈마(plasma) 공정은 어떻게 구분되는가? 전기에너지를 통해 유지되는 플라즈마 상태는 높은 에너지의 전자와 이온 및 화학적 활성종(chemically active species) 등 반응성이 높은 입자를 생성하고, 이를 통해 원하는 물리적, 화학적 표면 특성을 만들 수 있다. 반도체 및 디스플레이 공정에서 이용하는 플라즈마 표면처리는 표면의 거칠기를 제어하는 식각(etching), 표면에 새로운 막을 형성하는 증착(deposition), 산화 및 질화 등 화학적 기능기의 표면제어를 위한 기능화(functionalization) 등으로 구분할 수 있다. 이미 반도체 기판은 450mm 급으로, 디스플레이 기판은 8세대급(2,200mm×2,500mm) 이상의 크기로 대면적·대량생산이 가능하며, 수십nm 수준의 회로를 기판에 형성시킬 수준의 정교한 제조능력도 보이고 있는 등 플라즈마 표면처리는 상업적으로도 검증된 기술이다.
최근에 논의되고 있는 대표적인 표면처리 기술은 어떤 것들이 있는가? Heat Transfer 2001, 123, 1071). 최근의 연구는 표면처리 효과로 인한 현상 이해와 더불어 광범위한 표면처리 기술도 함께 논의되고 있는데, 대표적으로 표면 거칠기 제어, 광촉매(TiO2) 물질 코팅과 UV 조사, 나노 입자의 분산, 초미세 가공기술에 의한 가열부 표면 형상 제어, 그리고 그래핀 기반의 소재 활용 등이 알려져 있다. 상업적으로도 소수성 폴리머 박막의 형성으로 저온응축 효율을 높이거나[LG전자(주)] 발전설비 적용을 목표로한 소수성 코팅 기반의 증기응축기 효율 향상 기술(기계저널 2015, 55) 개발이 논의되는 등 제품화가 본격화되는 추세이다.
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