열전도성 나노유체 기반 냉각제
초음파로 합성한 나노유체는 효율적인 냉각제이자 열교환기용 유체입니다. 열전도성 나노소재는 열전달 및 방열 능력을 크게 높입니다. 초음파 처리는 열전도성 나노입자의 합성과 기능화뿐 아니라 냉각 용도의 안정적인 고성능 나노유체 생산에도 널리 확립되어 있습니다.
나노유체가 열수력 성능에 미치는 영향
재료의 열전도율은 열을 전도하는 능력을 나타내는 척도입니다. 냉각제와 열전달 유체(열매체 또는 열매체유라고도 함)에는 높은 열전도율이 요구됩니다. 수많은 나노소재가 뛰어난 열전도 특성을 제공합니다. 나노소재의 우수한 열전도성을 활용하기 위해 이른바 나노유체를 냉각액으로 사용합니다. 나노유체는 나노미터 크기의 입자가 물, 글리콜 또는 오일과 같은 기저 유체에 부유하여 콜로이드 용액을 형성하는 유체입니다. 나노유체는 나노입자나 더 큰 입자가 없는 액체에 비해 열전도율이 크게 높아질 수 있습니다. 분산된 나노입자의 재질, 크기, 점도, 표면 전하 및 유체 안정성은 나노유체의 열적 성능에 상당한 영향을 미칩니다. 나노유체는 기존 기저 유체에 비해 우수한 열전달 성능을 보이므로 열전달 응용 분야에서 그 중요성이 빠르게 커지고 있습니다.
초음파 분산은 높은 열전달 성능을 갖는 나노유체를 생산하는 매우 효율적이고 신뢰할 수 있으며 산업적으로 확립된 기술입니다.
- 에너지 및 물질 전달 속도를 크게 높이는 높은 표면적 : 부피 비율
- 매우 우수한 콜로이드 안정성을 제공하는 작은 질량
- 침식을 최소화하는 낮은 관성
나노 크기와 관련된 이러한 특성은 나노유체에 탁월한 열전도율을 부여합니다. 초음파 분산은 기능화된 나노입자와 나노유체를 생산하는 가장 효율적인 기술입니다.
초음파로 생산한 우수한 열전도성의 나노유체
CNT, 실리카, 그래핀, 알루미늄, 은, 질화붕소 등 수많은 나노소재가 열전달 유체의 열전도성을 높인다는 사실이 이미 입증되었습니다. 아래에서는 초음파 처리로 제조한 열전도성 나노유체에 관한 대표적인 연구 결과를 확인할 수 있습니다.
초음파를 이용한 알루미늄 기반 나노유체 생산
Buonomo et al. (2015)은 초음파 처리로 제조한 Al2O3 나노유체의 향상된 열전도율을 입증했습니다.
연구진은 Al2O3 나노입자를 물에 균일하게 분산시키기 위해 Hielscher 프로브형 초음파 처리기 UP400S를 사용했습니다. 초음파로 응집을 해체하고 분산시킨 알루미늄 입자는 입자 농도와 관계없이 모든 나노유체에서 약 120 nm의 입자 크기를 나타냈습니다. 나노유체의 열전도율은 순수한 물과 비교했을 때 온도가 높아질수록 증가했습니다. Al2O3 입자 농도가 0.5%일 때 실온인 25°C에서 열전도율 증가율은 약 0.57%에 불과하지만, 65°C에서는 이 값이 약 8%로 증가합니다. 부피 농도가 4%일 때는 온도가 25°C에서 65°C로 상승함에 따라 향상률이 7.6%에서 14.4%로 증가합니다.
[참조: Buonomo et al., 2015]
UP400S로 초음파 처리한 후 질화붕소 농도가 서로 다른 수계 질화붕소 나노유체의 입자 크기 분포: (a) 0.1% hBN, (b) 0.5% hBN, (c) 2% hBN
(연구 및 그래프: © Ilhan et al., 2016)
초음파 처리를 이용한 질화붕소 기반 나노유체 생산
Ilhan 등(2016)은 육방정계 질화붕소(hBN) 기반 나노유체의 열전도도를 조사했습니다. 이를 위해 평균 직경이 70 nm인 hBN 나노입자를 함유하며 잘 분산되고 안정적인 일련의 나노유체를 초음파 처리와 도데실황산나트륨(SDS), 폴리비닐피롤리돈(PVP) 등의 계면활성제를 사용하는 두 단계 방법으로 제조했습니다. 초음파로 분산한 hBN–물 나노유체는 입자 농도가 매우 낮아도 열전도도가 크게 증가합니다. 프로브형 초음파 처리기 UP400S로 초음파 처리한 결과, 응집체의 평균 입자 크기가 40–60 nm 범위까지 감소했습니다. 연구진은 처리하지 않은 건조 상태에서 관찰된 크고 치밀한 질화붕소 응집체가 초음파 처리 공정과 계면활성제 첨가로 해체된다고 결론지었습니다. 따라서 초음파 분산은 다양한 입자 농도의 수성 나노유체를 제조하는 효과적인 방법입니다.
[참조: Ilhan et al., 2016]
입자 부피 농도가 0.5%인 초음파 분산 에틸렌글리콜(EG) 기반 hBN 나노유체의 형태를 보여주는 STEM 이미지.
(연구 및 그래프: © Ilhan et al., 2016)
“초음파 처리는 문헌에서 나노유체의 안정성을 높이는 데 가장 널리 사용되는 공정입니다.” [Ilhan et al., 2016] 또한 오늘날 산업 생산에서도 초음파 처리는 탁월한 성능과 장기 안정성을 갖춘 나노유체를 얻는 데 효과, 신뢰성 및 경제성 면에서 가장 뛰어난 기술입니다.
냉각제 생산용 산업용 초음파 처리기
과학적으로 입증되고 산업적으로 확립된 기술 – 나노유체 생산용 Hielscher 초음파 처리기
초음파 고전단 분산기는 고성능 냉각제와 열전달 유체를 연속 생산하는 신뢰할 수 있는 장비입니다. 초음파 구동 혼합은 까다로운 혼합 조건에서도 효율성과 신뢰성이 뛰어난 것으로 알려져 있습니다.
Hielscher Ultrasonics 장비를 사용하면 무독성, 비위험성 나노유체를 제조할 수 있으며, 일부는 식품 등급으로도 제조할 수 있습니다. 동시에 당사의 모든 초음파 처리기는 효율성과 신뢰성이 높고, 안전하게 작동할 수 있으며, 매우 견고합니다. 24/7 연속 운전이 가능하도록 설계되어, 당사의 탁상형 및 중형 초음파 처리기조차도 상당한 양을 생산할 수 있습니다.
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아래 표는 당사 초음파 처리기의 대략적인 처리 용량을 보여줍니다:
| 배치 부피 | 유량 | 권장 장비 |
|---|---|---|
| 1–500mL | 10–200mL/min | UP100H |
| 10–2000mL | 20–400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1–20L | 0.2–4L/min | UIP2000hdT |
| 10–100L | 2–10L/min | UIP4000hdT |
| 15–150L | 3–15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10–100L/min | UIP16000 |
| n.a. | 더 높은 유량 | 클러스터형 UIP16000 |
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Hielscher Ultrasonics는 실험실, 파일럿 및 산업 규모의 혼합, 분산, 유화 및 추출 용도로 고성능 초음파 균질기를 제조합니다.
문헌 / 참고문헌
- B. Buonomo, O. Manca, L. Marinelli, S. Nardini (2015): Effect of temperature and sonication time on nanofluid thermal conductivity measurements by nano-flash method. Applied Thermal Engineering 2015.
- Beybin İlhan, Melike Kurt, Hakan Ertürk (2016): Experimental investigation of heat transfer enhancement and viscosity change of hBN nanofluids. Experimental Thermal and Fluid Science, Volume 77, 2016. 272-283.
- Oldenburg, S., Siekkinen, A., Darlington, T., Baldwin, R. (2007): Optimized Nanofluid Coolants for Spacecraft Thermal Control Systems. SAE Technical Paper, 2007.
- Mehdi Keyvani, Masoud Afrand, Davood Toghraie, Mahdi Reiszadeh (2018): An experimental study on the thermal conductivity of cerium oxide/ethylene glycol nanofluid: developing a new correlation. Journal of Molecular Liquids, Volume 266, 2018, 211-217.
알아두면 좋은 정보
나노유체가 냉각 및 열전달 용도에 적합한 이유는 무엇일까요?
새로운 종류의 냉각제인 나노유체는 나노 크기 입자의 운반 액체 역할을 하는 기본 유체(예: 물)로 구성됩니다. 특정 목적에 맞게 설계된 나노입자(예: 나노 크기의 CuO, 알루미나 이산화티타늄, 탄소 나노튜브, 실리카 또는 구리, 은 나노막대와 같은 금속)를 기본 유체에 분산시키면 생성된 나노유체의 열전달 능력이 크게 향상될 수 있습니다. 이로 인해 나노유체는 탁월한 고성능 냉각액이 됩니다.
열전도성 나노입자를 함유하도록 특수하게 제조된 나노유체를 사용하면 열전달과 방열 성능을 크게 향상시킬 수 있습니다. 예를 들어, 직경이 55±12 nm이고 평균 길이가 12.8 µm인 은 나노막대를 0.5 vol.% 농도로 첨가하면 물의 열전도도가 68% 증가했으며, 은 나노막대를 0.5 vol.% 첨가하면 에틸렌글리콜 기반 냉각제의 열전도도가 98% 증가했습니다. 0.1% 농도의 알루미나 나노입자는 물의 임계 열유속을 최대 70%까지 증가시킬 수 있습니다. 이 입자는 냉각되는 물체에 거친 다공성 표면을 형성하여 새로운 기포의 생성을 촉진하며, 입자의 친수성은 생성된 기포가 떨어져 나가도록 도와 증기층 형성을 억제합니다. 농도가 5%를 초과하는 나노유체는 비뉴턴 유체처럼 거동합니다. (참조: (Oldenburg et al., 2007)
열 제어 시스템에 사용되는 냉각제에 금속 나노입자를 첨가하면 기본 유체의 열전도도가 대폭 증가할 수 있습니다. 이러한 금속 나노입자–유체 복합재료를 나노유체라고 하며, 이를 냉각제로 사용하면 우주선 열 제어 시스템의 중량과 전력 요구량을 줄일 수 있는 가능성이 있습니다. 나노유체의 열전도도는 구성 나노입자의 농도, 크기, 형상, 표면 화학적 특성 및 응집 상태에 따라 달라집니다. 나노입자의 첨가 농도와 종횡비가 물 및 에틸렌글리콜 기반 냉각제의 열전도도와 점도에 미치는 영향을 조사했습니다. 직경이 55 ± 12 nm이고 평균 길이가 12.8 ± 8.5 μm인 은 나노막대를 부피 기준 0.5% 농도로 첨가하면 물의 열전도도가 68% 증가했습니다. 에틸렌글리콜 기반 냉각제의 열전도도는 은 나노막대의 첨가 농도가 부피 기준 0.5%일 때 98% 증가했습니다. 동일한 첨가 밀도에서 긴 나노막대는 짧은 나노막대보다 열전도도에 더 큰 영향을 미쳤습니다. 그러나 긴 나노막대는 짧은 나노막대보다 기본 유체의 점도도 더 크게 증가시켰습니다.
(Oldenburg et al., 2007)
Hielscher Ultrasonics는 고성능 초음파 균질기를 실험실 규모부터 산업 규모까지 제조합니다.