초록 ▼

1. 개요

나노유체란 100nm 이하의 크기를 갖는 나노입자가 분산된 유체를 말하며, 1995년 미국 국립아르곤연구소의 최웅소 박사에 의해 최초로 연구되었다[1]. 지난 수십 년 동안 전자, 통신, 컴퓨터 기술은 비약적인 성장을 이룸에 따라 열관리(thermal management)의 중요성과 고성능 집적형 냉각시스템의 필요성이 증대되고 있다[2]. 열전달률(heat transfer rate)을 향상시키기 위한 일반적인 기술인 핀 혹은 마이크로채널을 이용하여 표면적을 증대시키는 방법은 한계에 직면했다. 열전달률을

1. 개요

나노유체란 100nm 이하의 크기를 갖는 나노입자가 분산된 유체를 말하며, 1995년 미국 국립아르곤연구소의 최웅소 박사에 의해 최초로 연구되었다[1]. 지난 수십 년 동안 전자, 통신, 컴퓨터 기술은 비약적인 성장을 이룸에 따라 열관리(thermal management)의 중요성과 고성능 집적형 냉각시스템의 필요성이 증대되고 있다[2]. 열전달률(heat transfer rate)을 향상시키기 위한 일반적인 기술인 핀 혹은 마이크로채널을 이용하여 표면적을 증대시키는 방법은 한계에 직면했다. 열전달률을 향상시키는 또 다른 기술은 기존의 유체(물, 에틸렌글리콜, 미네랄오일)에 금속 혹은 비금속 나노입자를 부유시켜 나노유체를 제작하는 방법이다. 나노유체가 열전달률을 향상시키는 메커니즘은 크게 세 가지로 분류할 수 있다.



1) 브라운운동(Brownian motion): 유체 내의 나노입자들이 불규칙한 브라운운동에 의해 미세교반 효과가 발생하여 열전달률을 향상시킬 수 있다.

2) 유체층 영향: 유체의 나노입자 주변으로 액체 분자들이 층을 형성하여 일반 유체에 비해 열전달률을 향상시킬 수 있다.

3) 클러스터링 효과: 유체 내의 입자들이 반데르발스(Vander Waals) 인력에 의해 응집되어 형성된 프랙탈 구조를 통해 열전달률이 기존 유체에 비해 향상될 수 있다.



본 동향보고서는 다양한 나노유체의 열적/유동적 특성에 대해 살펴본다. 우선, 나노유체 합성 및 특성 평가 과정에 대해 개략적으로 살펴본 후(그림 1), 나노유체의 열전달률을 향상시키기 위한 최신 기술 동향 및 개선 과제, 응용 분야에 대해 살펴본다.



그림 1. 나노유체 합성 및 특성 평가 흐름도



2. 나노유체 합성 및 분석

안정화된 나노유체를 합성하는 것은 나노유체의 열전달 활용에 있어 매우 중용하다. 안정화되지 못한 나노유체는 이상성 열전달 상태를 만들거나, 나노입자의 뭉침 현상이 발생할 수 있다. 나노유체는 일반적으로 단일 단계(one-step) 혹은 2단계(two-step) 방법에 의해 합성된다. 표 1은 일반적인 나노유체 합성 기법의 주요 특징을 나타내며, 표 2는 대표적인 기저유체 및 나노입자의 열전도도를 나타낸다[2].



표 1. 나노유체 합성 기법



나노유체 합성 기법
내용


단일 단계(one-step)
- 나노입자의 제작과 기저유체로의 분산이 동시에 이루어짐.

- 장점: 나노입자의 산화를 방지할 수 있으며, 2단계 기법에 비해 안정화된 나노유체를 합성할 수 있음.

- 단점: 대량생산이 어려움.

- 주요 기술: 1) laser ablation, 2) submerged arc nanoparticles synthesis system(SANSS)


2단계(two-step)
- 나노입자의 제작 단계와 기저유체 속에 분산시키는 단계로 분리. 초음파진동(ultrasonic vibrator)을 이용하여 기저유체 내에 나노입자를 분산시킴.

- 장점: 단일 단계 기법에 비해 경제적이며 대량생산이 가능함.

- 단점: 나노입자의 뭉침 현상으로 안정화된 나노유체를 얻기 어려움.







표 2. 대표적인 기저유체 및 나노입자의 열전도도




물질
열전도도(W/mK)
물질
열전도도(W/mK)


Engine oil
0.150
Graphite
120


Kerosene
0.150
Silicon (Si)
148


Ethylene glycol (EG)
0.253
Aluminum (Al)
237


Water
0.613
Aluminum nitride (AlN)
285


Titanium dioxide (TiO2)
8.4
Gold (Au)
317


Copper oxide (CuO)
32.9
Titanium carbide(TiC)
330


Alumina (Al2O3)
40
Silicon carbide(SiC)
350


Platinum (Pt)
70
Copper (Cu)
401


Sodium (Na)
70.3
Silver (Ag)
429


Iron (Fe)
80
Carbon nanotube
3000


Cadmium (Cd)
92
Diamond
3300







나노유체의 안정화를 분석하는 방법에는 제타 전위(zeta potential)를 측정하는 방법, 침강법(sedimentation), 자외선/가시광선 분광광도법(UV/VIS spectrometry), 전자현미경(electron microscopy)을 이용하는 방법 등이 있다[4].



3. 나노유체 연구 동향

시스템의 열전달과 관련하여 고려해야 할 나노유체의 주요 열 물성(thermos-physical properties)에는 밀도, 비열 용량, 열전도도, 점도 및 표면장력이 있다. 기저유체와 비교하여 나노유체의 열 물성 예측이 필요하며, 대표적으로 열전도도, 점도 및 표면장력의 변화를 검토한다.



3.1. 열전도도

나노유체의 열전도도를 측정하는 방법은 비정상 열선법(transient hot-wire approach, THW), 정상상태 평행판법(steady-state parallel plate approach), 온도변동법(temperature oscillation approach) 등이 있으며, 이 중 열선의 온도구배 특성을 이용한 비정상 열선법은 가장 보편적인 방법이다[4]. 표 3은 나노유체의 열전도도 향상 결과를 나타낸다.





표 3. 나노유체의 열전도도 향상 결과




나노입자(크기)
기저유체
측정 방법
열전도도 상승
참고문헌


Al2O3 (60.4nm)
DI water, EG, Pump oil
THW
7.6% at 5.0 vol%
[5]


CuO (4nm)
EG
THW
1.0089% at 0.01 vol%
[6]


Ag (80nm)
DI water
THW
69.3%. at 0.9 vol%
[7]


Ti (20nm)
DI water, Alcohol
THW
10.60% at 0.1 vol%
[8]


CuO (30nm)
Water
THW
22% at 4.0 vol%
[9]


Al2O3 (11nm)
Water
THW
18% at 4.0 vol%
[9]


CNT (10~50nm)
Water
THW
10% at 4.0 vol%
[9]


CuO (30nm)
Water
THW
10% at 2.0 vol%
[10]


Al2O3 (36nm)
Water
THW
> 2.8%
[11]


Al2O3 (47nm)
Water
THW
12.1% at 2.0 vol%
[12]


Cu
EG
THW
3.8% at 2.0 vol%
[13]


Al2O3 (20nm)
Water
THW
40% at 1.5 wt%
[14]


Al2O3
Water
THW
23% at 7.0 vol%
[15]


TiO2
Water
THW
23% at 4.0 vol%
[15]


CuO (60nm)
Water
THW
8% at 0.4 vol%
[16]


TiO2 (21nm)
DI water
THW
Optimum at 0.2 vol%
[17]


CNT (9.2nm)
Water
THW
1.4% at 0.3 vol%
[18]







3.2. 점도

나노유체의 점도는 나노입자의 질량농도와 부피비가 증가함에 따라 증가하지만 온도가 증가함에 따라 감소한다. 나노입자의 부피비가 증가하여 나노유체의 질량속도가 증가하면 동적점도는 증가한다. 나노유체의 상대점도는 나노입자의 부피비와 전단속도(shear rate)에 영향을 받는다. 더 작은 지름의 나노입자는 더 큰 표면적에서 주변 유체와 상호작용하므로 입자 직경이 감소함에 따라 점도가 증가한다. 점도가 증가하면 프란틀(Prandtl) 수는 증가하지만 열전달 및 펌핑 전력에 영향을 주는 레이놀즈(Reynolds) 수는 감소한다. 또한 점도는 온도의 증가에 따라 감소하여 레이놀즈 수 및 넛셀(Nussult) 수의 증가를 가져온다[2].



3.3. 표면장력

나노유체에서 표면장력에 대한 분석은 열전도도와 점도에 비해 비교적 관심을 덜 받았다. 현재 나노유체의 표면장력에 대한 분석은 매우 부족하기에 온도, 농도, 크기 등과 같은 다양한 변수에 대한 영향을 함께 평가할 필요가 있다[4].



4. 응용 분야

나노유체는 다양한 열전달 시스템에 적용 가능하며, 실용적인 열전달 프로세스에 매우 적합하다. 현재 자동차, 국방, 전자장비, 공조장비, 에너지, 우주 분야의 냉각시스템에서 나노유체의 활용을 위한 연구를 진행하고 있다[4].

자동차 라디에이터 분야의 경우, 에틸렌글리콜과 물이 1:1 혼합된 용액이 일반적인 냉각수로 사용된다. 하지만 이러한 혼합액이 순수한 물보다 열전달률이 낮기에 나노유체를 이용하여 개선하는 연구가 진행되고 있다. 물을 기저유체로 하여 CNT를 1.0 vol% 분산시킨 나노유체의 경우 열전달률이 약 90.7% 향상됨을 보였다[20]. 이외에도, 물 기반의 유체에 Al2O3, SiO2, CuO, TiO2 나노입자를 분산시킨 나노유체에 대한 연구가 진행되었다.

전자장비 분야의 경우, 나노유체의 열전달 효율 향상과 더불어 냉각시스템의 크기를 줄이는 연구가 병행되어야 한다. Sakanova et al.은 물 기반의 Al2O3 나노유체를 마이크로채널 기반의 히트싱크에 적용하였고, 약 17.3 %(Al2O3: 5 vol%), 10. 6%(Al2O3: 1 vol%)의 열전달 효율 향상을 보고하였다[21].



5. 결론

나노유체는 액체의 열전도도를 개선시키는 방열 문제 해결 기법으로, 나노유체 분야 연구는 2005년을 기점으로 급속하게 증가하고 있으며, 미국을 중심으로 활발하게 연구되고 있다[19]. 특히, 미국의 국립아르곤연구소가 이 분야의 연구를 리드해가고 있으며, 아시아권에서는 중국, 이란, 인도, 싱가포르, 한국, 대만 등이 활발하게 연구를 진행하고 있다.

나노유체의 다양한 요소들에 대한 평가 결과로부터 높은 수준의 냉각효율을 제공할 수 있다는 점은 매우 매력적인 결과이다. 하지만 나노유체의 안정성 및 생산 단가는 나노유체의 상용화에 주요 장애로 작용하기에 향후 더 정확하고 통일된 연구 결과를 도출하는 것이 필요하다.







References

1. Choi SUS. Enhancing thermal conductivity of fluids with nanoparticles. In: Singer DA, Wang HP, editors. . Developments and Applications of Non- Newtonian Flows, vol. FED 231. New York: American Society of Mechanical Engineers; 1995. p. 99–105.

2. Renewable and Sustainable Energy Reviews 75 (2017) 451–460

3. Renewable and Sustainable Energy Reviews 91 (2018) 564–583

4. 권길성, 열전달 특성 개선을 위한 나노유체 기술 현황, 한국원자력연구원

5. Xie Huaqing, Wang Jinchang, Xi Tonggeng, Liu Yan, Ai Fei. Thermal conductivity enhancement of suspensions containing nanosized alumina particles. J Appl Phys 2002;91:7.

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