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나노유체의 제조 및 물성치 특성에 관한 연구
Reports NRF is supported by Research Projects( 나노유체의 제조 및 물성치 특성에 관한 연구 | 2005 Year 신청요강 다운로드 PDF다운로드 | 황유진(부산대학교) ) data is submitted to the NRF Project Results
Researcher who has been awarded a research grant by Humanities and Social Studies Support Program of NRF has to submit an end product within 6 months(* depend on the form of business)
  • Researchers have entered the information directly to the NRF of Korea research support system
Project Number D00012
Year(selected) 2005 Year
the present condition of Project 종료
State of proposition 재단승인
Completion Date 2007년 08월 28일
Year type 결과보고
Year(final report) 2007년
Research result report
  • Abstract
  • Nanofluid is a kind of new engineering material consisting of nanometer-sized particles dispersed in base fluid. Nanofluid could have various applications such as magnetic fluids, heat exchanger working fluids, lubricants, drug delivery and so on. In present study, various physical treatment techniques based on two-step method including stirrer, ultrasonic bath, ultrasonic disruptor, and high-pressure homogenizer were used to prepare stable nanofluids. Also, in order to prepare nanofluid with much smaller primary nanoparticles, we also employed a modified magnetron sputtering system, which was designed for sputtered nanoparticles to directly hit the liquid thin film formed on a rolling drum (i.e. one-step method). Investigating properties of nanofluids, various nanoparticles, such as MWCNT (Multi-walled Carbon Nanotube), fullerene, copper oxide, silicon dioxide and silver, are used to produce nanofluids. As base fluids, DI-water, ethylene glycol, oil, and silicon oil are used. To investigate the thermo-physical properties of nanofluids, thermal conductivity and kinematic viscosity are measured. Stability of nanofluid is estimated with UV-vis spectrophotometer and zeta potential analyzer. Heat transfer characteristics of nanofluid has been investigated with a microchannel heat exchanger as a working fluid of Ag-DI water nanofluids.
    In this study, the high pressure homogenizer is the most effective method to produce nanofluid with the prepared nanoparticle and base fluid. Excellently stable nanofluids are produced with the magnetron sputtering system. Kinematic viscosity of nanofluid increases with the volume fraction of the suspended particles. Also, the experimental results have been compared with the Einstein-Brinkman modeling results. Thermal conductivity of nanofluid increases with increasing particle volume fraction except water-based fullerene nanofluid which has lower thermal conductivity than base fluid due to its lower thermal conductivity, 0.4 W/mK. The experimental results can't be predicted by Jang and Choi model. Heat transfer coefficient of the microchannel heat exchanger applying Ag-DI water nanofluid increases up to 22.8%.
  • Research result and Utilization method
  • 1. 세가지의 제조방법을 통하여 나노입자의 유체에 분산시킨 결과 카본블랙은 교반기, 초음파 분산기, High-pressure Homogenizer를 이용하였을 때, 각각의 유체역학적 평균 직경은 183 nm, 106.7 nm, 42.7 nm이고, Ag의 경우는 각각 204.7 nm, 110.7 nm, 45.3 nm가 되었다. 이 결과로부터 High-pressure Homogenizer를 이용하는 경우 가장 효율적으로 유체 내 입자의 분산이 가능하며 입자 개개의 평균크기인 입자의 Primary Size까지 입자를 분산할 수 있음을 알 수 있었다.

    2. Sputtering System을 이용하여 입자의 발생에서 나노유체의 제조를 단일공정으로 하는 시스템을 제작하여 Ag-Silicon Oil 나노유체를 제조할 수 있었다. 이 때 제조된 나노유체를 TEM과 입도 분석한 결과 제조된 나노유체 내 Ag입자의 평균크기는 5 nm 이하임을 알 수 있었고, 유체 내에서 응집현상 없이 매우 고르게 분산되어 있음을 알 수 있었다.

    3. 제타 포텐셜 분석기를 통하여 나노유체 내 입자의 표면전위 측정을 수행하였다. 물리적인 나노유체 제조 방법에 따른 나노입자의 제타 포텐셜을 측정한 결과 값의 유의차가 나타나지 않았으며, 분산제인 SDS를 사용하는 경우, 입자의 표면전위가 -25 mV에서 -35 mV로 절대값이 커짐을 알 수 있었다. 이로부터 나노유체의 분산을 위해서는 적합한 물리적인 방법과 함께 유체와 입자의 계면특성에 맞는 분산제의 사용이 필요함을 알 수 있었다.

    4. 분광광도계를 이용하여 입자의 농도와 흡광도의 선형 검량곡선을 구하였고, 선형 검량곡선으로부터 여러 가지 나노유체의 총 800 시간에 걸쳐 부유하고 있는 입자의 농도를 측정할 수 있었다. 나노유체의 침전도는 입자와 액체 계면의 특성이 영향을 받음을 알 수 있었고, 분산 안정제의 첨가에 따라 나노유체의 부유 안정성이 증가함을 알 수 있었다. 분산제의 첨가량이 증가할수록 분산 안정성이 좋아지나 특정 농도 이상에서는 오히려 분산 안정성이 감소하는 것을 보아 최적의 분산 안정제의 농도가 있음을 알 수 있었다.

    5. 나노입자의 종류와 기본유체의 종류에 따른 나노유체의 동점도를 측정하였으며, 구형의 입자가 유체 내에 고르게 잘 분산되어 있고 유체의 점도가 높은 경우는 Einstein-Brinkman 식과 잘 맞는 결과를 보였다. 입자의 분산이 매우 잘 이루어져 있는 Fullerene-광유 나노유체의 경우는 체적분율 1 vol% 이내에서 3% 미만의 동점도 증가율을 보였다. 입자의 형상이 섬유상 물질인 MWCNT의 경우는 0.1 vol% 이상에서 급격한 점도 증가를 보였으며, 구형의 입자가 분산되어 있다고 가정한 Einstein-Brinkman 모델과는 잘 맞지 않음을 알 수 있었다.

    6. 나노유체의 열전달 특성 중 입자의 기본유체의 열전도도의 변화에 따른 열전도도 특성을 살펴보기 위하여 물, 에틸렌 글리콜, 광유에 CuO, MWCNT, SiO2, Ag 입자를 분산시켜 열전도도를 측정하였다. 동일한 기본유체에 동일한 체적분율의 입자가 분산되어 있는 경우 입자의 열전도도가 높을 수록 열전도도 증가가 크게 나타났으며, 동일한 입자가 동일한 체적분율로 분산되어 있는 경우 기본유체의 열전도도가 낮을 수록 높은 열전도도 향상 효과가 있음을 알 수 있었다.

    7. 나노유체의 열전도도는 분산되어 있는 입자의 체적분율에 비례하여 증가함을 알 수 있었고, MWCNT 나노유체의 열전도도 실험결과를 각각 고전 모델인 Hamilton-Crosser 모델과 나노유체 열전도도 모델인 Jang and Choi 모델과 비교분석하여, 고전 모델과는 잘 맞지 않고 나노유체 열전도도 모델에는 Validation이 가능함을 알 수 있었다. 또한 MWCNT 선행연구 결과인 Choi (2001)의 연구결과와 Jang and Choi 모델의 결과치를 비교분석함으로써 MWCNT 나노유체의 열전도도는 입자의 방향성과 Kapitza 저항을 조절함으로써 더욱 증가시킬 수 있음을 알 수 있었다.

    8. 나노유체를 적용한 마이크로 채널 열교환기의 열전달 특성을 분석하였다. Ag-물 나노유체를 적용한 경우 물의 경우에 비해 Ag 입자가 0.5 vol% 일때 열전달 계수가 22.8%까지 증가함을 알 수 있었다. 또한 Ag 나노유체 적용에 따른 마이크로 채널 열교환기의 압력손실 측정 시 기존 물의 압력손실과 거의 유의차가 없음을 알 수 있었다.
  • Index terms
  • nanofluid, viscosity, thermal conductivity, magnetron sputtering, microfluidizer
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