Experimental Investigation of Thermal Conductivities of EG-based ZnO Nanofluids Manufactured Using Pulsed Wire Evaporation Method

<학술논문> DOI http://dx.doi.org/10.3795/KSME-B.2012.36.2.111 ISSN 1226-4881

전기선 폭발법에 의해 제작된

에틸렌 글리콜 기반 ZnO 나노유체의 열전도도^§

김현진^* · 황교식^*· 신현교^*· 이창규^**· 이경자^**· 윤종호^***· 장석필^*†

* 한국항공대학교 항공우주 및 기계공학부, ** 한국원자력연구원, *** 경일대학교 기계자동차공학부

Experimental Investigation of Thermal Conductivities of

EG-based ZnO Nanofluids Manufactured Using Pulsed Wire Evaporation Method

Hyun Jin Kim^*, Kyo Sik Hwang^*, Hyun Kyo Shin^*, Chang kyu Rhee^**, Gyung-Ja Lee^**

Jong-Ho Yoon^*** and Seok Pil Jang^*†

* Dept. of Mechanical Engineering, Korea Aerospace Univ.,

** Korea Atomic Energy Research Institute,

***Dept. of Mechanical Engineering Kyung Il Univ.

(Received December 16, 2010 ; Revised October 17, 2011; Accepted October 28, 2011)

- 기호설명 -

a : 열선의 반경

[ ]

T : 온도

[ ]

k : 열전도도

[

]

R : 열저항

q : 단위길이당 발열량

[

]

t : 시간

[ ]

α : 열확산계수

φ

ψ

w : 백금선

eff : 유효 열전도도

Key Words : ZnO Nanofluid(ZnO 나노유체), Thermal Conductivity(열전도도), Transient Hot Wire Method(비정상 열선법), Pulsed Wire Evaporation Method(전기선 폭발법₎

초록: 본 연구에서는 에틸렌 글리콜 기반의 ZnO 나노유체의 열전도도를 비정상열선법(Transient Hot Wire

Method)를 이용하여 ₁₀℃에서 ₅₀℃까지 측정하였다_. 에틸렌 글리콜 기반의 _ZnO 나노유체는 전기선 폭발

법을 사용하여 부피비 1%, 3%, 5.5%로 제작 되었으며, 투과전자현미경(Transmission Electron Microscope,

TEM)을 이용하여 제작된 에틸렌 글리콜 기반의 _ZnO나노유체의 분산_·부유 특성을 확인하였다_. 열전도도

측정 결과 에틸렌 글리콜 기반의 ZnO 나노유체는 부피비에 따라 향상하였으며, 5.5%의 부피비에서 최대

26.5%의 열전도도 향상을 보였다_. 측정 결과는 기존의 열전도도 예측 모델인 _Maxwell 및 Hasselman &

Johnson model 과 비교하였다.

Abstract: In this paper, the thermal conductivities of ethylene glycol– based ZnO nanofluids manufactured using the pulsed wire evaporation method are experimentally measured using the transient hot wire method at temperatures in the range of 10℃ _{to 50}℃. For this purpose, ethylene glycol–based ZnO nanofluids with 1%, 3%, and 5.5% volume fractions were manufactured using the pulsed wire evaporation method. Transmission electron microscopy (TEM) was performed to investigate the suspension stability of the ethylene glycol–based ZnO nanofluids. Based on the experimental results, the thermal conductivities of ethylene-glycol-based ZnO nanofluids increase with increasing volume fractions of ZnO nanofluids.

The maximum enhancement of the thermal conductivity is 26.5% for a volume fraction of 5.5% at 22℃. Finally, the experimental results are compared with conventional models such as the Maxwell and Hasselman & Johnson models.

§ 이 논문은 대한기계학회 2010 년도 추계학술대회(2010.

11. 3.-5., ICC 제주) 발표논문임

† Corresponding Author, [email protected]

© 2012 The Korean Society of Mechanical Engineers

BF : 기본유체

NF : 나노유체

NP : 나노입자

1. 서 론

기존에 사용되던 냉각 유체들 보다 뛰어난 열성 능을 가지는 나노유체에 관한 연구는 최근 10 년 간 많은 연구자들에 의해 다양하게 진행 되고 있 다_. 이러한 나노유체의 열 특성 중 가장 많은 연 구가 진행되고 있는 부분은 소량의 나노입자를 첨 가하였음에도 불구하고 열전도도의 상승을 보이는 나노유체의 열전도도 특성에 관한 연구이다.

최근_Al2O3, CuO, Ag, Au, CNT, ZnO등 다양한 입 자를 포함한 나노유체의 열전도도에 관한 많은 연 구가 이루어지고 있으며_, 다양한 기본유체와 제작 방법을 사용하여 나노유체를 제작하고 열전도도에

관한 연구를 진행하고 있다_.^(1~8) 특히 _ZnO 나노유

체의 경우 에틸렌 글리콜을 기본유체로 사용하여

부피비 0.3% 에서 5% 까지 Two-step 방법으로 제

작 후 열전도도를 측정한 결과가 ₂₀₀₉년도 _Yu 등

에 의해 보고 되었다. Yu 등은 에틸렌 글리콜 기

반의 _ZnO 나노유체가 부피비가 증가함에 따라 열

전도도가 향상된다고 보고 하고 있으며, 특히 5%

의 부피비에서 _26.5%의 높은 열전도도 향상을 보 임을 보고 하였다. 이때의 나노입자의 크기는 약

210nm 이다_.⁽⁹⁾ 위에서 보고된 선행연구에서 사용

된 Two-step 방법은 일반적으로 나노유체 제작에

가장 널리 사용되고 있으며_, 나노입자를 제작하는 단계와 유체에 분산시키는 단계가 분리되어있어 준비된 나노입자를 기본유체에 분산·부유 시키는 방법을 사용하므로 제작 방법이 비교적 간단하여 대량생산에는 유리하지만 One-step 으로 제작된 나 노유체에 비해 분산 안정성이 좋지 않은 단점이 있다.

따라서 본 연구에서는 _Two-step방법으로 제작되 는 나노유체보다 분산성이 우수한 것으로 알려져

있는 _One-step 방법 중 하나인 유체 내부에 선형태

의 금속에 높은 전압을 가하여 유체 내부에서 폭 발을 일으켜 나노유체를 제작하는 방식인 전기선 폭발법(Pulsed Wire Evaporation Method)을 이용하여

에틸렌 글리콜 기반의 ZnO 나노유체를 제작하고

비정상 열선법(Transient Hot Wire Method)을 이용하 여 열전도도를 측정해 보았다. 또한 제작된 유체 의 분산·부유 특성을 확인해 보기 위해 투과전자 현미경(Transmission Electron Microscope)을 이용하 여 나노유체 내부의 입자의 분산·부유 특성을 알

아보았다.

2. 실험장치 및 실험

2.1 나노유체 제작

본 연구에서 사용된 에틸렌 글리콜 기반의 ZnO

나노유체는 전기선 폭발법(Pulsed Wire Evaporation

Method)을 이용하여 제작하였다_.

전기선 폭발법이란 분산성의 뛰어난 것으로 알

려진 물리적 _One-step 중 한 방법이다_. 제작 방법

은 액상 분위기의 회전하는 챔버 내부에 가느다란

선_(Wire)형태의 금속을 공급함과 동시에 금속에

높은 전압을 걸어 금속을 폭발시키는 방법이다. 폭발된 금속입자들은 챔버 내부에 흐르고 있는 유 체 내부에서 상변화를 통하여 나노 유체를 제작하 는 방법으로써, 고분산성을 가지는 나노유체의 대 량생산이 가능하다_. 실험장치는 크게 전원 공급 파트, 와이어 공급 파트, 챔버 파트로 구성되어 지

며 매회 일정한 양의 선_(Wire)을 공급하여 나노유

체를 부피비 1%, 3%, 5.5%로 제작하였다.

2.2 실험장치 빛 실험 방법

본 연구에서는 제작된 1%, 3%, 5.5%의 부피비를 가지는 에틸렌 글리콜을 기본유체로 하는 _ZnO 나 노유체의 열전도도를 측정하기 위해 비정상 열선 법(Transient Hot Wire Method)을 이용한 측정장치를 제작하였으며_, 제작된 비정상 열선법 (Transient

Hot Wire Method)을 이용한 나노유체 열전도도 측

정장치는 _{Fig. 1}에 도시하였으며_, 실험장치는 저항

측정을 위한 Wheatstone Bridge, 측정된 Data 를 수

집하기 위한 Data Acquisition 및 백금선에 전원을

공급하기 위한 Power Supply로 구성되어 있다.

비정상 열선법(Transient Hot Wire Method)을 이용 한 열전도도측정은 실린더 내부에 백금선을 열선 으로 사용하여 열선에 전압을 가하여 가열할 때

w

w R

R +∆ R3

R2 R₁

Power Supply Data Acquisition

A

B

Fig. 1 Schematic apparatus of transient hot wire method

Wheatstone Bridge 를 이용하여 전압차₍∆V )를 측 정한 후 저항변화로 바꾸고 이를 다시 온도 변화 로 환산하여 미세한 온도변화를 측정한다_. 이를 위하여 사용되는 백금선의 온도-저항 관계식은 식 (1)과 같다.⁽¹⁰⁾

( )

[

]

0 + −

=R T

R_w β (1)

여기서 R_w는 0℃에서 백금선의 열저항이고, β 는 Resistance Temperature Coefficient로써 제조 업체 에서 제공된 값인 0.00391/^oC^{을 사용하였다}. 영 저항은 면적에 반비례하고 길이에 비례한다.

비정상 열선법의 기본방정식 열확산방정식_(Heat

Diffusion Equation)으로부터 다음과 같은 온도차에

관한 해로 주어진다_.



 



= 

∆ a C

t k

T q 4₂

4 ln

α

π (2) 여기서 T, t, q, α, a, C^{는 각각 온도}, 시간, 단위 길이당 발열량_, 열확산계수_, 열선의 반경_,

( )

exp =

= γ

C ^{이며 여기서} γ ^는 Euler

constant를 의미한다.

식 ₍₁₎을 다시 정리하면 다음과 같은 형태의

열전도도에 관한 관계식을 얻을 수 있다.

) (ln

) (

4 d t

T d

k q ∆

= π (3)

여기서 k, T,t,q는 각각 유체의 열전도도, 온 도_, 시간_, 단위길이당 발열량을 나타낸다_.

20 25 30 35 40 45 50

0.24 0.26 0.60 0.65

Average of Exprimental Results(DI-water) Ref. of DI-water

Average of Exprimental Results(EG) Ref. of EG

Thermal Conductivity (W/mK)

Temperature(^oC)

Fig. 2 Validation of transient hot wire method

측정된 전압차이로부터 계산된 온도차이와 시간

과의 관계를 식 (3)에 대입하여 계산하면 유체의

열전도도를 얻을 수 있다_. 본 연구에서 제작된 열 전도도 측정 장치는 물과 에틸렌 글리콜을 이용하 여 검증실험을 실시하였다_.

검증 실험결과 측정된 결과는 물과 에틸렌 글리

콜 모두 _1.5% 오차범위 내에서 측정이 되었다_.⁽¹¹⁾

3. 실험 결과 및 고찰

3.1 열전도도

전기선 폭발법을 이용하여 제작된 부피비 _1%,

3%, 5.5%의 에틸렌 글리콜을 기본유체로 하는

ZnO 나노유체의 열전도도를 위에서 검증된 비정 상 열선법(Transient Hot Wire Method)을 사용한 열 전도도 측정장비를 이용하여 열전도도를 측정하였 으며_, 결과는 _{Fig. 3}과 같다_.

열전도도 측정결과 부피비 1%를 가지는 에틸렌

글리콜 기반의 _ZnO 나노유체의 열전도도는 약

4.8%의 상승폭을 보였으나 온도가 상승함에 따라

열전도도 상승폭에 큰 차이를 보이지는 않았다_.

부피비 5.5%의 경우에는 약 26.5%의 상승을 보였

으며_, 이 결과 역시 온도에 따라 측정한 결과 온 도에 따른 열전도도의 영향은 측정되지 않았다.

측정된 실험결과를 기존에 발표된 정적 열전도

도 예측 모델 중 Maxwell Model 과 입자와 유체

사이의 경계 열저항을 고려한 Hasselman & Johnson

Model과 비교하여 보았다_.

Maxwell Model은 식 (4)와 같으며, Hasselman &

Johnson Model 은 식 ₍₅₎를 사용하여 열전도도의

예측이 가능하다.

-10 0 10 20 30 40 50

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Experimental Results of ZnO nanofluids(1%) Experimental Results of ZnO nanofluids(3%) Experimental Results of ZnO nanofluids(5.5%) Maxwell Model(Vol.%: 1%)

Maxwell Model(Vol.%: 3%) Maxwell Model(Vol.%: 5.5%)

Thermal Conductivity Enhancement[%]

Temperature[^oC]

Fig. 3 Experimental results of thermal conductivity of EG-based ZnO nanofluids

(a)

(b)

Fig. 4 TEM images ((a) Vol.% 1%, (b) Vol. % 5.5%)

( )

(

)

f p

f p f

p f eff

k k k k

k k k

k k k

−

− +

− +

= +

φ φ 2

2

2 (4)

여기서 k_eff , k_p, k_f ,

φ

Hasselman & Johnson Model은 식 ₍₅₎로 주어진다_.

( )

[ ] [ ( ( ) ) ]

( )

[

] [ (

( )

) ]

f p

f p

f eff

k k

k k

k k

k k

k k

−

−

− + +

−

− +

+

= +

α φ

α

α φ

α

1 2

2 1

1 2 2 2

1 (5)

여기서,

m p

b f p

b k

r k R d

R =

= 2 α

여기서 k_eff , k_p, k_f ,

φ

측정된 열전도도 값을 정적 열전도도 예측 모델

인 Maxwell Model 과 경계 열저항을 포함하는

Hasselman & Johnson Model 과 비교 결과 측정에 사용된 비정상열선법(transient Hot Wire Method)을 사용한 장치의 오차를 고려하여도 Maxwell Model 로는 예측할 수 없는 열전도도 상승 폭이며 이는 정적 모델에서 고려하는 부피비, 기본유체의 열전 도도_, 입자의 열전도도등의 효과 이외에 다른 효 과가 나노유체의 열전도도 향상에 영향을 미치는 것으로 보인다.

3.2 분산안정성

본 연구에서는 전기선 폭발법을 이용하여 제작 된 나노유체의 부유특성을 _TEM 촬영을 통하여

확인 하였다. Fig. 4 는 제작된 나노유체의 TEM촬

영 결과 이다_. 촬영 결과 약 _50nm 크기의 구형 및

막대형 ZnO 나노입자가 비교적 고르게 분포하여

유체의 분산성이 우수한 것으로 판단된다_. 그러나 부피비가 달라짐에 따라 높은 부피비를 가질수록 많은 응집이 일어나 있음을 확인할 수 있었으며_, 이는 분산성에 영향을 미쳐 부피비 _1%의 유체가

5.5%의 유체보다 우수한 분산성을 가진다고 판단

할 수 있다_. 그러나 전체적인 유체의 분산안정성 은 우수하다고 판단할 수 있다.

4. 결 론

본 연구에서는 전기선 폭발법을 이용하여 부피

비 1%, 3%, 5.5%의 에틸렌 글리콜 기반의 ZnO 나

노유체를 제작하였다_. 또한 전기선 폭발법으로 제

작된 에틸렌 글리콜 기반의 ZnO 나노유체의 열전

도도를 비정상 열선법 (Transient Hot Wire Method) 을 이용하여 측정하였으며, 제작 된 나노유체의 분산·부유 특성을 알아보기 위하여 투과전자 현 미경을 사용하여 입자의 형상과 크기 그리고 부유 특성을 알아보았다. 투과 전자 현미경 촬영 결과

제작된 나노유체는 50nm크기로 구형 및 막대형태 를 가진 것으로 관찰되었으며, 높은 부피비를 가 지는 나노유체의 경우 응집현상이 일어남을 발견

할 수 있었다. 그러나 물리적One-step방법을 이용

하여 제작된 유체의 분산·부유특성은 _TEM 측정 결과 비교적 우수한 것으로 관측 되었다.

제작된 나노유체의 열전도도 측정결과 _1% 부피 비를 가지는 나노유체의 열전도도는 4.8%, 부피비 3%의 유체는 _16.2%, 부피비 _5.5%의 유체는 _26.5%

의 매우 높은 열전도도의 상승을 보였다. 나노유 체의 열전도도를 온도에 따라 측정한 결과 온도에 따른 열전도도의 변화는 관측할 수 없었으며_, 측 정된 나노 유체 열전도도 실험결과는 기존에 발표 된 열전도도 정적 예측모델인 Maxwell Model 과 유체와 나노입자 사이의 경계열저항을 고려한 Hasselman & Johnson Model 과 비교해 본 결과 실 험결과는 정적 모델인 두 가지 예측모델에서 예측 한 값보다 매우 높게 측정되었다_. 본 연구에서 사 용한 정적 모델은 기본유체의 열전도도, 입자의 열전도도_, 부피비_, 경계열저항만을 고려하고 있는 모델이므로 위의 모델이 실험결과를 예측하지 못 한다는 것은 나노유체의 열전도도 향상에는 나노 입자의 열전도도_, 기본 유체의 열전도도 그리고 부피비 이외에도 열전도도 향상에 영향을 미치는 다른 메커니즘이 존재한다는 것을 의미한다_. 따라 서 나노유체의 열전도도 향상을 예측하기 위하여 위에 열거한 효과들 이외의 효과들을 포함하는 모 델의 개발이 필요할 것으로 사료된다.

본 연구에서 사용된 전기선 폭발법을 이용하여 대량생산이 가능한 나노유체는 높은 열전도도 향 상으로 인하여 차세대 열전달 매체로 사용이 가능 할 것으로 사료되며_, 점도 측정과 대류열전달 실 험을 통한 열전달 성능 평가 및 열교환기 적용실 험을 통해 새로운 열전달 유체로 사용이 가능할 것으로 예상된다.

후 기

본 논문은 ₂₀₀₉ 년 한국에너지기술연구원 지원 과

제인 에너지자원기술개발사업의 지원(2008-E-CM11-

P-08-3-010) 의하여 연구된 결과이며_, 이에 감사 드립

니다.

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