KR101315772B1 - 열전도 가시화 분석 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열전도 가시화 분석 시스템 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다양한 종류의 고체 시편에 대한 열전도 특성을 명확하게 파악하기 위한 열전도 가시화 분석 시스템 및 방법에 관한 것이다.
이를 위하여 본 발명은, 개폐를 위한 챔버 도어부를 가지는 밀폐형의 지그챔버; 상기 지그챔버 내부에 탈착 가능하게 장착되며, 고체 시편에 면접촉 가능한 열원을 가지고 고체 시편의 열전도 현상을 유도하는 지그; 상기 지그 내부에 열풍을 공급하거나 또는 지그챔버 내부에 냉풍을 공급할 수 있는 공기조화기; 상기 고체 시편의 열전도에 대한 열화상 이미지 또는 동영상을 촬영하기 위한 열화상 카메라;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 열전도 가시화 분석 시스템을 제공한다.

Description

열전도 가시화 분석 시스템 및 방법 {Analysis system and method for visualizing heat conduction of a sample}

본 발명은 열전도 가시화 분석 시스템 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다양한 종류의 고체 시편에 대한 열전도 특성을 명확하게 파악하기 위한 열전도 가시화 분석 시스템 및 방법에 관한 것이다.

최근 고체 시편의 열전도 현상의 정량적 수치화를 위한 열전도도 측정 표준화 방법들을 통해 문헌상에 보고된 열전도도 값의 경우 측정방식 및 시편의 종류에 따라 상이한 결과값을 보이고 있으며, 실제 시편에서의 열전도 현상을 가시화하기 위한 온도기록법(thermographic)으로 이미징(imaging)하기 위한 규격화된 시스템의 부재로 인하여 열전도 현상의 가시화 분석시 온도와 대류, 습도 등의 주변 환경의 영향, 시편과 열원과의 계면 저항, 시편의 크기, 열원에서부터 시편으로의 불균일한 열전달 현상 등 다양한 변수들의 영향이 발생하고 있으며, 이에 따라 고체 시편의 열전도 현상 분석에 있어 한계를 보이고 있다.

현재 열전도 측정에 관한 표준 실험은 고체 시편의 열전도도 값 측정과 정량적인 분석으로 이루어지는데, 다양한 열전도 측정방식으로 인하여 동일 시편이 측정방법에 따라 상이한 값을 보이게 되며, 또한 복합재 시편의 경우 필러 배향 및 분산 정도에 따라 동일 시편 내에서 두께방향과 길이방향(혹은 면방향)으로의 열전도도 값이 다르게 나타난다.

대부분의 열전도도 측정방법은 두께방향으로의 열전도도 측정을 위해 최적화되며, 길이방향으로의 열전도도 값은 길이방향(혹은 평판방향) 테스트용 시편 홀더의 모양이나 시편의 제조방법에 따라 큰 차이를 보여 그 신뢰성이 떨어진다.

일반적으로 고체 시편에서의 열전도는 온도구배가 존재하는 환경에서 일어나며, 고온부에서 열에너지가 시편의 결정격자를 통해 포논의 형태로 전달되는데, 열화상 카메라를 이용하게 될 경우 시편의 열확산 현상을 구간(픽셀) 온도변화로 탐지(detection)하여 컬러 콘트라스트(color contrast)로 디스플레이에 표시하게 된다.

그러나 전술한 바와 같이, 실제 시편에서의 열전도 현상을 가시화하기 위한 규격화된 시스템의 부재로 인하여, 가시화 분석시 온도와 대류, 습도 등의 주변 환경의 영향, 시편과 열원과의 계면저항, 시편의 크기, 열원에서 시편으로의 불균일한 열 전달 현상 등 다양한 변수들의 영향으로 인하여 현상 분석에 있어 한계점을 보이고 있다.

특히 고분자 복합재 시편의 경우 그 제조방법에 따라 필러의 배향과 분산이 달라지는데, 일반적으로 사출을 통해 제조되는 시편의 경우 필러가 전달력을 받아 사출방향(즉, 길이방향)으로 배향이 되며, 이에 따라 필러가 사출방향으로 열전달 경로를 형성하여 열전도 특성이 두께방향 대비 높게 나오게 된다. 이는 사출조건, 고분자 수지의 결정성, 필러의 크기 및 형상, 필러의 표면특성 등에 따라 그 정도에 차이가 있으며, 따라서 시편의 길이방향 및 두께방향으로의 열전도 특성에 대한 명확한 분석이 필요하다.

본 발명은 상기와 같은 점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 고체 시편에 대한 열전도 현상의 가시화를 통하여 열의 확산속도를 확인하고 시편의 종류에 따른 열전도 특성을 파악함에 있어, 각기 다양한 열전도 특성을 지니는 고체 시편의 결정 격자 즉, 원자 배향 및 배열 구조에 의한 열적 이방성을 고려하여 열전달 방향성에 따른 열확산 현상을 가시화하기 위해 두께방향 및 길이방향, 그리고 방사방향으로 열전도 특성을 측정할 수 있는 규격화된 열전도 가시화 분석 시스템 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 고체 시편의 열전도도에 따라 달라지는 대류에 의한 방열현상을 가시화하여 두께방향 및 길이방향, 그리고 방사방향으로 열전도 특성을 측정할 수 있는 규격화된 열전도 가시화 분석 시스템 및 방법을 제공하는데도 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 개폐를 위한 챔버 도어부를 가지는 밀폐형의 지그챔버; 상기 지그챔버 내부에 탈착 가능하게 장착되며, 고체 시편에 면접촉 가능한 열원을 가지고 고체 시편의 열전도 현상을 유도하는 지그; 상기 지그 내부에 열풍을 공급하거나 또는 지그챔버 내부에 냉풍을 공급할 수 있는 공기조화기; 상기 고체 시편의 열전도에 대한 열화상 이미지 또는 동영상을 촬영하기 위한 열화상 카메라;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 열전도 가시화 분석 시스템을 제공한다.

바람직하게, 상기 지그로는 고체 시편의 두께방향의 열전도 측정을 위한 두께방향 측정용 지그, 고체 시편의 길이방향의 열전도 측정을 위한 길이방향 측정용 지그, 및 고체 시편의 방사방향의 열전도 측정을 위한 방사방향 측정용 지그 중 선택된 어느 하나의 지그 또는 둘 이상의 지그가 사용되는 것을 특징으로 한다.

상기 두께방향 측정용 지그는 그 일면에 고체 시편의 일면에 전체적으로 면접촉 가능한 평판형 열원을 가지며, 상기 열원을 승온시키기 위한 열풍의 출입을 위한 열풍 유입구와 열풍 배출구를 가진다.

상기 길이방향 측정용 지그는 그 일면에 고체 시편의 일면 중앙에 면접촉 가능한 포켓형 열원을 가지며, 상기 열원을 승온시키기 위한 열풍의 출입을 위한 열풍 유입구와 열풍 배출구를 가진다.

그리고, 상기 방사방향 측정용 지그는 고체 시편의 일단부가 전체적으로 면접촉되게 삽입가능한 원판형 열원을 가지며, 상기 열원의 맞은편에 열원을 승온시키기 위한 열풍의 출입을 위한 열풍 유입구와 열풍 배출구를 가진다.

또한, 상기 공기조화기는 지그의 열원을 균일하게 승온시키기 위한 열풍을 생성 및 공급하는 온풍유닛, 고체 시편의 냉각을 위해 지그챔버 내부에 유입시키는 냉풍을 생성 및 공급하는 냉풍유닛, 및 열풍과 냉풍의 온도 조절을 위한 컨트롤 유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 공기조화기에는 온풍유닛에서 생성되는 열풍을 공기 순환 방식으로 공급하기 위해 그 온풍출구 및 입구를 지그의 열풍 유입구 및 배출구와 각각 연결해주는 열풍덕트가 연결 설치되고, 냉풍유닛에서 생성되는 냉풍을 공급하기 위해 그 냉풍출구를 지그챔버의 냉풍입구와 연결해주는 냉풍덕트가 연결 설치된다.

바람직하게, 상기 지그는 알루미늄 소재의 열원을 제외한 부분이 모두 단열재로 된 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명은, 열풍 또는 냉풍을 생성 및 공급할 수 있는 공기조화기와 덕트로 연결되어 있는 밀폐형 지그챔버를 마련하는 단계; 상기 지그챔버에 선택한 고체 시편의 열전도 측정에 적합한 지그를 선택 장착하는 단계; 상기 공기조화기를 통해 지그의 열원을 가열하고, 가열된 열원을 통해 지그에 장착한 고체 시편으로 열을 전달하여 열전도를 유도하는 단계; 열화상 카메라를 이용하여 상기 고체 시편의 열화상 이미지 또는 열확산 동영상을 촬영하는 단계; 상기 열화상 이미지 또는 열확산 동영상을 통해 시편의 열전도 특성을 분석하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전도 가시화 분석 방법을 제공한다.

바람직하게, 상기 열전도를 유도하는 단계는, 평판형 시편의 일면 전체를 평판형 열원에 면접촉시켜 시편의 두께방향으로 열전도를 유도하는 단계; 평판형 시편의 일단부만 포켓형 열원에 둘러싸인 형태로 면접촉되게 삽입시켜 시편의 길이방향으로 열전도를 유도하는 단계; 평판형 시편에 일면 중앙에 원판형 열원을 면접촉시켜 시편의 방사방향으로 열전도를 유도하는 단계; 중 선택한 어느 한 단계 또는 둘 이상의 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 바람직하게, 상기 공기조화기를 통해 지그챔버 내부에 냉풍을 공급하여 지그에 장착되어 있는 고체 시편을 대류에 의해 냉각하는 단계; 열화상 카메라를 이용하여 상기 고체 시편의 냉각에 따른 열화상 이미지 또는 열확산 동영상을 촬영하는 단계; 상기 열화상 이미지 또는 열확산 동영상을 통해 시편의 방열에 따른 열전도 특성을 분석하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이에 본 발명에 따른 열전도 가시화 분석 시스템 및 방법은 고체 시편의 두께방향뿐만 아니라 길이방향 및 방사방향으로의 열확산 현상을 가시화 분석할 수 있어 고체 시편의 열전도 특성을 정성적으로 정확하게 분석 가능하며, 이에 열전도 측정방식을 고정화하고 이를 통해 열전도 특성 분석을 표준화하는데 유용하게 이용될 수 있다.

또한, 본 발명의 시스템 및 방법은 고체 시편의 실험에 영향을 미치는 인자들을 고정시켜 결과 데이터의 신뢰성을 향상시키는데 일조할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열전도 가시화 분석 시스템을 나타낸 개략적인 구성도
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 열전도 가시화 분석 시스템의 공기조화기를 나타낸 도면
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 두께방향 측정용 지그를 나타낸 도면
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 길이방향 측정용 지그를 나타낸 도면
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 방사방향 측정용 지그를 나타낸 도면
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 열전도 가시화 분석 방법 중 고체 시편의 열전도 이미지를 촬영하는 상태를 나타낸 도면
도 7 및 도 8은 종래기술 방식으로 고체 시편의 열전도 이미지를 촬영하는 상태를 나타낸 도면
도 9는 종래기술 방식에 따라 두께방향으로 열전도 현상을 촬영한 두 개의 고체 시편에 대한 열화상 이미지를 시간순으로 나열한 도면
도 10은 종래기술 방식에 따라 길이방향으로 열전도 현상을 촬영한 고체 시편의 열화상 이미지를 나타낸 도면
도 11은 본 발명에 따라 두께방향으로 열전도 현상을 촬영한 고체 시편의 열화상 이미지를 나타낸 도면

본 발명은 열전도 가시화 분석 시스템 및 방법에 관한 것으로, 고체 시편의 열적 이방성을 고려하여 시편의 두께방향 및 길이방향, 그리고 3차원의 방사방향으로 열확산 현상을 측정(혹은 촬영) 분석하여 시편 종류에 따라 정확한 열전도 특성의 분석이 가능함에 특징이 있다.

이에 본 발명에서는 열화상 이미지를 통해 고체 시편에서 일어나는 열확산 과정을 측정 및 분석함으로써 시편 종류에 따른 열전도 특성을 정확하게 분석하기 위한 규격화된 시스템 및 방법을 제공하고자 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하도록 한다.

아울러, 여기서 시편의 길이방향이라 함은 두께방향에 직각이 되는 2차원의 면방향을 포함한다.

알려진 바와 같이, 모든 고체물질은 절대온도 이상에서 격자진동을 하게 되고, 이때 원자 및/또는 분자가 진동하며 발산하는 전자기파 중 열 특성을 가진 적외선을 탐지(detection)하여 이미지화하는 열화상 카메라를 통해 열확산 현상을 가시화할 수 있다.

이에 본 발명에서는 열화상 카메라를 이용하여 고체 시편의 열전도 현상을 가시화하되, 다양한 고체 시편의 열적 이방성을 고려하여 시편의 열전달 방향성에 따른 열확산 현상을 가시화하기 위해 시편의 두께방향 및 길이방향 그리고 방사방향으로 열전도도를 측정할 수 있는 지그를 이용한다.

예를 들어, 복합재 시편의 경우 사출조건, 고분자 수지의 결정성, 필러의 크기 및 형상, 필러의 표면특성 등에 따라 두께방향 및 길이방향의 열전도 특성에 차이가 있으며, 따라서 시편의 길이방향 및 두께방향으로의 열전도 특성에 대한 명확한 분석이 필요하다.

상기의 지그는 두께방향 측정용 지그(20), 길이방향 측정용 지그(30), 및 방사방향 측정용 지그(40)의 3가지 타입으로 구성될 수 있다.

1. 두께방향 측정용 지그(20)

고체 시편의 두께방향의 열전도 측정을 위한 것으로, 도 3에 도시된 바와 같이, 두께방향 측정용 지그(20)는 일측면부에 지그(20) 내부를 통과하는 열풍의 유입을 위한 열풍 유입구(21)와 지그(20) 내부를 통과하는 열풍의 배출을 위한 열풍 배출구(22)를 가지는 직육면체 형태로 형성되고, 그 상면부에 열풍 유입구(21) 및 배출구(22)를 통해 지그(20) 내부를 통과하여 순환하는 열풍에 의해 가열되어 승온 가능한 열원(23)을 가진다.

상기 열원(23)은 고체 시편의 일 평면(두께방향에 직각을 이루는 면)이 전체적으로 면접촉 가능한 크기 및 형태(예컨대, 평판형)로 형성되고, 지그(20)의 상면부에는 열원(23) 주변으로 배치되며 고체 시편을 잡아주기 위한 시편 홀더(24)가 구비된다.

이러한 두께방향 측정용 지그(20)는 장착된 고체 시편의 일 평면(두께방향에 직각을 이루는 면)이 전체적으로 열원(23)에 면접촉하게 되며, 상기 열원(23)에서 방출되는 열에너지가 고체 시편의 일 표면(두께방향에 직각을 이루는 면임) 전체로 전달되고, 고체 시편의 일 표면에 전달된 열에너지는 시편의 두께방향을 통해 확산되어 시편의 타 표면(반대편 표면)으로 나오게 된다.

이때, 상기 고체 시편의 타 표면을 열화상 카메라(70)로 촬영하여 열전도 분석을 위한 열화상 이미지를 얻을 수 있다.

2. 길이방향 측정용 지그(30)

고체 시편의 길이방향의 열전도 측정을 위한 것으로, 도 4에 도시된 바와 같이, 길이방향 측정용 지그(30)는 일측면부에 지그(30) 내부를 통과하는 열풍의 유입을 위한 열풍 유입구(31)와 지그(30) 내부를 통과하는 열풍의 배출을 위한 열풍 배출구(32)를 가지는 직육면체 형태로 형성되고, 열풍 유입구(31) 및 배출구(32)를 가지는 측면부의 맞은편에 지그(30) 내부를 통과하여 순환하는 열풍에 의해 가열되어 승온 가능한 열원(33)을 가진다.

상기 열원(33)은 고체 시편의 일단부 예컨대, 시편의 길이방향의 1/3 정도가 삽입가능한 포켓 형태로 구비되며, 고체 시편의 일단부를 둘러싼 형태로 시편과 면접촉하는 열원(33)은 지그(30) 내부를 통과하여 흐르는 열풍에 의해 승온되어지고, 이에 의해 고체 시편에 열에너지를 전달하게 된다.

이러한 길이방향 측정용 지그(30)는 장착된 고체 시편의 일단부가 열원(33)에 둘러싸여 전체적으로 열원(33)과 면접촉하게 되며, 이에 열원(33)에서 방출되는 열에너지가 시편으로 전달되고 시편의 길이방향으로 확산되어 시편의 타단부로 나오게 된다.

이때, 상기 고체 시편의 타단부(지그 밖으로 돌출되어 있는 부분)를 열화상 카메라(70)로 촬영하여 열전도 분석을 위한 열화상 이미지를 얻을 수 있다.

3. 방사방향 측정용 지그(40)

고체 시편의 방사방향의 열전도 측정을 위한 것으로, 도 5에 도시된 바와 같이, 길이방향 측정용 지그(40)는 일측면부에 지그(40) 내부를 통과하는 열풍의 유입을 위한 열풍 유입구(41)와 지그(40) 내부를 통과하는 열풍의 배출을 위한 열풍 배출구(42)를 가지는 직육면체 형태로 형성되고, 그 상면부에 열풍 유입구(41) 및 배출구(42)를 통해 지그(40) 내부를 통과하여 순환하는 열풍에 의해 가열되어 승온 가능한 열원(43)을 가진다.

상기 열원(43)은 고체 시편의 일면(두께방향에 직각을 이루는 면) 전체와 면접촉 가능한 크기가 아닌 고체 시편의 일면 중앙부위 즉, 고체 시편의 일면과 부분적으로 면접촉 가능한 원판 형태로 형성되고, 지그(40)의 상면부에는 열원(43) 주변으로 배치되며 고체 시편을 잡아주기 위한 시편 홀더(44)가 구비된다.

이러한 방사방향 측정용 지그(40)는 시편의 두께방향 및 길이방향으로 열확산되는 열전도 특성을 측정하기 위해 3차원의 방사방향으로 확산되는 열전도 현상을 측정하기 위한 지그로서, 열원(43)이 시편의 전체면적이 아닌 포인트 소스 형태로 열에너지를 전달하여 1차로 두께방향을 통해 전달된 열이 방사상으로 확산되어 고체 시편의 타면(열원과 면접촉하고 있는 일면의 반대편)으로 나오게 된다.

이때, 상기 고체 시편의 타면을 열화상 카메라(70)로 촬영하여 열전도 분석을 위한 열화상 이미지를 얻을 수 있다.

상기와 같은 두께방향 및 방사방향 측정용 지그(20,40)에 유입되는 열풍은 지그의 열원(23,43) 주변을 둘러싸는 형태로 한바퀴 돌아서 배출되고, 길이방향 측정용 지그(30)에 유입되는 열풍은 지그의 열원(33)에 직접적으로 접촉한 후 배출되며, 이 과정에서 열원(23,33,43)을 가열하여 승온시키게 된다.

도면으로 도시하지는 않았으나, 상기 지그(20,30,40)들은 열풍을 열원 측으로 유도하기 위한 유로를 가지며, 상기 유로는 파티션에 의해 형성된다.

즉, 상기의 지그(20,30,40)는 내부로 유입되는 열풍이 상기 파티션에 의해 원활하게 순환되면서 열원(23,33,43)에 집중적으로 공급되는데, 길이방향 측정용 지그(30)의 경우 열원(33)이 지그(30) 내부에 삽입된 형태로 설치되어 있어서 지그(30)로 유입되는 열풍이 상기 파티션에 의해 열원(33)과 직접적으로 접촉하게 된다.

또한, 상기의 지그(20,40)에서 시편 홀더(24,44)는 열화상 카메라(70)의 촬영을 가능한 간섭하지 않는 형태로 구성되어 열화상 카메라의 전면 시야를 확보하고 열전도 분석에 대한 간섭을 최소화하며, 고체 시편과 접촉하는 부위를 최소화하여 열 손실을 방지한다.

또한, 상기의 지그(20,30,40)는 각 조건하에서 고체 시편과 열원(23,33,43)과의 접촉면을 최대화하여 승온 시간을 단축하고 시편의 열 확산을 향상시킬 수 있도록 마련된다.

또한, 상기의 지그(20,30,40)는 금속재의 열원(23,33,43)을 제외한 부분이 단열재로 형성되어 열원(23,33,43) 이외에 다른 부분에서의 열 손실을 최소화한다.

상기 열원(23,33,43)은 금속 중에서도 열전도도가 높은 알루미늄 소재로 된 것이 사용되며, 최소 두께로 사용되어 열 공급 효율을 높일 수 있도록 하고, 열화상 카메라의 촬영시 간섭을 최소화하도록 한다.

그리고, 지그(20,30,40)의 형태에 따라 다를 수 있으나, 시편은 기본적으로 열원에 면접촉되는 형태로 장착되며, 시편과 지그(20,30,40)의 열원(23,33,43) 사이에 열전달 효율을 저해하는 계면저항(예컨대 공극, 불순물 등)을 최소화하기 위해 지그 열원(23,33,43)의 표면을 먼저 에탄올을 이용하여 클리닝(cleaning)한 다음, 열전도도 10 W/mK 급 이상의 써멀 컴파운드(thermal compound(thermal paste))를 발라 시편과 지그 열원(23,33,43) 사이의 공극을 최소화함이 바람직하다.

또한, 고체 시편에서의 열확산 거리에 따라 가시화 결과가 달라지므로, 측정 시편을 규격화함이 필수적이다. 예를 들어, 고체 시편의 크기를 가로 100 * 세로 100 * 두께 3 ㎜ 로 규격화하여 열전도 특성을 분석할 수 있다.

한편, 고체 시편이 열원(23,33,43)과 접촉되는 부분의 모든 표면에 대해 균일한 온도를 부여(또는 형성)하기 위해, 일반 열선이나 저항체에 의한 발열 대비, 열원(23,33,43)을 전체적으로 동일한 온도로 승온시키기 위해 열풍을 순환시키는 공기조화기(50)를 이용한다.

상기 공기조화기(50)는 열풍을 이용하여 지그 열원(23,33,43)의 온도제어가 가능하고, 도 2와 같이 열풍을 생성 및 공급하기 위한 온풍유닛(51)과 더불어 냉풍을 생성 및 공급하기 위한 냉풍유닛(56)을 가지며, 열풍과 냉풍의 온도 조절을 위한 컨트롤 유닛(60)을 가진다.

상기 온풍유닛(51)은 전기저항을 이용하여 열을 발산하며 코일의 감긴 수에 의해 최고발산온도가 결정되는 열선코일(혹은 저항체)(52)과, 열선코일(52)에 의해 가열된 내부 공기를 유로튜브(미도시)를 통해 원하는 장소 즉, 공기조화기(50)의 온풍출구(54)로 보내기 위한 블로워(53)를 포함하여 이루어진다.

상기 온풍유닛(51)은 최고 250℃의 열풍을 공급할 수 있으며, 공기 순환 방식을 사용하여 열 효율을 높인다.

그리고, 상기 온풍출구(54)로 배출되는 열풍은 지그(20,30,40)의 열풍 유입구(21,31,41)로 공급된다.

상기 냉풍유닛(56) 역시 전기저항을 이용하여 열을 발산하며 코일의 감긴 수에 의해 최고발산온도가 결정되는 열선코일(혹은 저항체)(57)과, 열선코일(57)에 의해 가열된 내부 공기를 유로튜브(미도시)를 통해 원하는 장소 즉, 공기조화기(50)의 냉풍출구(59)로 보내기 위한 블로워(58)를 포함하여 이루어진다.

상기 냉풍유닛(56)은 최고 50℃의 냉풍을 공급할 수 있으며, 블로워(58)의 회전속도에 의해 풍속조절이 가능하다.

그리고, 상기 냉풍출구(59)로 배출되는 냉풍은 지그챔버(10)의 냉풍입구(12)로 공급된다.

상기 컨트롤 유닛(60)은 공기조화기(50)의 세부 조건을 설정하기 위한 것으로, 열선코일(57)을 이용하여 냉풍의 온도를 조절(실온 ~ 50℃)하기 위한 냉각풍 온도 조절장치와, 블로워(58)를 이용하여 냉풍의 유속을 조절(0 ~ 6 m/s)하기 위한 냉각풍 유속 조절장치, 및 이동가능한 냉풍덕트(15)를 이용한 냉각풍 풍향 조절장치가 구비되며, 이에 냉풍유닛(56)을 이용하여 일반 대류 조건과 동일한 냉각 조건으로 지그챔버(10)에서 고체 시편의 대류에 의한 방열현상의 분석을 가능하게 한다.

덕트(13~15)는 공기조화기(50)에서 생성된 열풍과 냉풍을 각각 지그(20,30,40) 및 지그챔버(10)로 유동시키는 관으로, 유리섬유로 된 단열재 마감처리를 통해 열 손실을 최소화하도록 마련되며, 순환되는 공기가 외부 충격에 의한 영향을 받지 않도록 고정형으로 구성된다.

도 1에 도시된 바와 같이, 상기 덕트(13~15)로는 온풍유닛(51)에서 생성되는 열풍의 출입을 위한 공기조화기(50)의 온풍출구(54) 및 온풍입구(55)를 지그챔버(10) 내에 장착되는 지그(20,30,40)의 열풍 유입구(21,31,41) 및 배출구(22,32,42)에 각각 연결해주는 열풍덕트(13,14)와, 또한 공기조화기(50)의 냉풍출구(59)를 지그챔버(10)의 냉풍입구(12)에 연결해주는 냉풍덕트(15)가 있다.

아울러, 상기 공기조화기(50)는 내부의 뜨거운 공기를 상황에 따라 빠르게 감온시키기 위해 온풍유닛(51)과 냉풍유닛(56)이 장착되어 있는 내부공간의 개폐를 위한 도어부(50a)를 가지며, 그 하부에 실험에 필요한 장치를 수납 및 보관하기 위해 개폐가능한 수납공간(61)을 가진다.

상기 공기조화기(50)와 냉풍덕트(15)를 통해 연결되는 지그챔버(10)는 외부의 대류에 의한 고체 시편의 열전달 특성 변화를 방지하기 위해 밀폐형 챔버로 마련되고, 전술한 지그(20,30,40)를 내부에 거치 및 설치하기 위한 지그 장착부(미도시)를 가진다.

상기 지그챔버(10)는 외부 환경의 영향을 최소화하기 위해 외벽이 단열 처리되며, 고체 시편의 열전도 측정 조건에 따라 전술한 3가지 타입의 지그(20,30,40)가 지그 장착부에 선택적으로 장착 및 분리될 수 있다.

또한, 상기 지그챔버(10)에는 그 전면에 열화상 카메라(70)로 고체 시편을 촬영하기 위해 개폐가능한 챔버 도어부(11)가 구비되고, 지그(20,30,40)의 열원(23,33,43)의 표면온도를 측정하기 위한 센서(미도시)가 내부에 설치되어 있으며, 상기 컨트롤 유닛(60)에 그 측정 온도가 표시된다.

상기 열화상 카메라(70)는 고체 시편에 전달된 열이 고체 시편 내에서 전도되는 현상을 이미지 또는 동영상으로 촬영하기 위한 장치로, 도 6과 같이 지그챔버(10)의 전방에서 고체 시편의 온도를 이미지 또는 동영상으로 측정할 수 있다.

상기 지그(20,30,40) 표면의 열원(23,33,43)은 공기조화기(50)의 온풍유닛(51)에서 열선코일(52)에 의해 승온시킨 공기가 블로워(53)를 통해 지그(20,30,40)의 열풍 유입구(21,31,41)로 유입되고 다시 지그(20,30,40)의 열풍 배출구(22,32,42)를 통해 공기조화기(50)의 온풍유닛(51)으로 복귀하는 순환 열풍에 의해 가열되어진다.

이러한 본 발명의 분석 시스템은 측정하고자 하는 고체 시편의 열전도 특성에 적합한 지그(20,30,40)를 지그챔버(10)에 장착한 후, 상기 지그(20,30,40)에 고체 시편을 장착하고 열원(23,33,43)을 승온시켜 시편의 열전도를 발생시킨 뒤 열화상 카메라(70)를 이용하여 시편에서 일어나는 열확산의 열화상 이미지 또는 동영상의 데이터 및 분석 결과를 얻을 수 있다.

이와 같은 본 발명의 열전도 가시화 분석 시스템은 승온에 의한 열전도 현상과 더불어 냉각(혹은 대류)에 의한 방열 현상의 가시화 분석이 가능하다.

고체 시편에서의 열전달 현상은 전도, 대류, 복사에 의해 일어나므로, 본 발명에서는 방열에 따른 열전도 현상의 가시화를 위해, 공기조화기(50)에서 지그챔버(10)의 내부 대류 조건을 설정하고 가시화 분석을 위해 방열에 따른 열화상 이미지 또는 동영상을 측정한다.

냉각에 의한 시편의 열 손실은 냉풍 온도, 냉풍 유속, 및 냉풍 풍향 등 3가지 조건을 고려하여 측정 데이터를 분석할 수 있으며, 이는 시편의 실제 상황에 맞춰 방열 성능을 판단하기 위한 자료로 사용될 수 있다.

고체 시편의 열전도 및 방열 현상을 분석하기 위한 실험은 모두 지그챔버(10) 내부에서 이루어지며, 이에 대류 혹은 온도 등의 외부 환경의 영향을 배제할 수 있어 계절 및 실험 장소에 무관하게 신뢰성 있는 데이터를 얻을 수 있다.

이에, 본 발명의 분석 시스템은 고체 시편의 종류에 따른 열전도 및 방열 특성 분석을 표준화하는데 유용하다.

따라서 본 발명을 통해 열전도 및 방열 현상을 가시화하여 소재의 실질적인 열확산 특성을 파악하고, 소재의 열전도 측정에 대한 다양한 조건에 대한 표준화를 구축하여 소재 개발에 필요한 데이터의 신뢰성을 높일 수 있다.

또한, 소재의 열전도도 데이터 베이스를 구축하여 신소재 개발의 인프라 구축 및 상용화 적용 가능성 분석에 기반을 제공할 수 있다.

이하, 후술하는 실험예는 본 발명의 예증을 위하여 제시되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.

실험예

본 실험은 고체 시편이 가열되면서 일어나는 열전도 현상과 가열된 고체 시편이 냉각되면서 일어나는 방열 현상을 분석하기 위한 것으로, 가열 및 냉각에 따른 소재의 열전도 특성을 분석하여 배터리 시스템 모듈에 적용 가능성을 파악한다.

여기서 방열 현상의 분석을 위한 조건은 전기자동차용 배터리 시스템 모듈의 방열 조건을 토대로 하여 설정하였으며, 가열에 의한 열전도 현상의 분석을 위한 조건으로는 고체 시편을 70℃로 가열하여 실험하기로 하였다.

1. 종래기술 방식의 열전도 측정 실험

고체 시편에 열을 공급하기 위한 열원으로 핫플레이트(hot plate)(1)와 열화상 카메라(2)를 사용하였으며(도 7 및 8 참조), 시간에 따른 열전도 현상을 기록하여 데이터를 형성하였다.

이러한 열전도 측정 실험의 결과 데이터를 역으로 계산하여 시편의 방열 특성을 도출하였다.

두께방향의 열전도 측정

70℃로 가열된 핫 플레이트(1) 위에 고체 시편을 면접촉되게 올려놓고, 도 7과 같이 삼각대를 사용하여 열화상 카메라(2)로 위에서 아래 방향으로 시편을 촬영(0.5초 간격으로 촬영함)하여 시편이 가열되는 현상을 측정하였다.

도 9는 두께방향으로 열전도 현상을 촬영한 두 개의 고체 시편에 대한 열화상 이미지를 시간순으로 나열한 도면이다.

도 9의 측정된 열화상 이미지를 보면, 방사형으로 시편의 열전도가 일어남을 확인할 수 있으며, 이러한 현상은 시편의 열전도 특성이 아닌 핫 플레이트의 열이 시편에 균일하게 공급되지 못함을 의미한다. 또한, 유지하고자 하는 온도의 오차 범위도 상당히 크기 때문에 종래기술 방식으로 시편의 두께방향의 열전도 현상을 정확하게 측정할 수 없음을 알 수 있다.

길이방향의 열전도 측정

70℃로 가열된 핫 플레이트(1) 위에 알루미늄으로 된 100㎜*2㎜*10㎜의 직사각형 홀이 있는 시편 받침대(3)를 올려놓은 후 알루미늄 호일을 시편과 시편 받침대(3) 사이에 접착시켜 시편이 시편 받침대(3)의 홀에 억지끼움 식으로 삽입되게 하였다. 도 8과 같이 상하방향으로 기립되어 있는 시편의 정면에 열화상 카메라(2)를 배치하고 시편을 촬영하여 시편의 열전도 현상을 측정하였다.

도 10은 길이방향으로 열전도 현상을 촬영한 고체 시편의 열화상 이미지를 나타낸 도면이다.

도 10의 측정된 열화상 이미지를 보면, 열원으로부터 전달되는 열이 시편의 1/3 정도로 전달됨을 볼 수 있는데, 이는 외부환경의 영향으로 대류에 의해 방열 현상이 일어남을 의미하며, 열원(핫 플레이트, 알루미늄 시편 받침대)의 불안정한 열 공급으로 인하여 길이방향의 열전도를 정확하게 측정할 수 없음을 알 수 있다.

2. 본 기술 방식의 열전도 측정 실험

고체 시편의 열전도 측정을 위한 지그와 공기조화기, 외부 환경을 차단하여 실험조건에 객관성을 부여하기 위한 밀폐형의 지그챔버, 열화상 카메라 등을 사용하였으며, 시간에 따른 열전도 현상을 측정 및 기록하여 결과 데이터를 형성하였다.

방열 특성은 공기조화기의 냉풍유닛에서 생성된 설정온도의 냉풍을 이용하여 원하는 방향으로 지그챔버에 냉풍을 유입시켜 대류로 인한 고체 시편의 방열 현상을 촬영 및 측정하였다.

두께방향의 열전도 측정

공기조화기의 설정온도를 70℃로 맞추고 지그 열원(23)의 표면 온도를 설정온도까지 상승시킨 후, 두께방향 열전도 측정용 지그(20)에 시편을 장착하였다. 이때, 시편 표면에 써멀 컴파운드를 얇게 바르고 지그(20)의 시편 홀더(24)를 이용하여 시편을 열원과 밀착시켜 시편과 열원 사이의 계면저항을 최소화되게 하였다. 시편 장착 후, 지그챔버(10)의 챔버 도어부(11)를 오픈한 뒤 시편과 1m 거리에 열화상 카메라(70)를 배치하고 촬영하여 시편의 열전도 현상에 대한 데이터를 측정하였다(도 6 참조).

도 11은 두께방향으로 열전도 현상을 촬영한 고체 시편의 열화상 이미지를 나타낸 도면이다.

도 11의 측정된 열화상 이미지를 보면, 고체 시편에서 불규칙하게 열전도가 일어남을 볼 수 있는데, 이러한 현상은 시편의 특성에 따른 열전도가 일어났음을 의미한다. 또한 공기조화기의 설정온도와 열원의 표면온도가 일치하였고 열원의 표면 위치에 따른 온도 오차범위가 ±1℃로 상당히 안정적으로 열이 공급됨을 확인하였는바, 시편의 두께방향의 열전도를 정확하게 측정할 수 있음을 알 수 있다.

방사방향의 열전도 측정

방사방향의 열전도는 지름 30㎜의 원판형 열원을 이용하여 시편을 가열한 점을 제외하고 두께방향의 열전도 측정 방법과 동일하게 실험 및 측정하였다. 방사방향 측정용 지그에 시편 장착시, 써멀 컴파운드를 시편이 아닌 열원의 표면에 얇게 발라주었다. 열원이 시편의 일면에 부분적으로 면접촉하게 되므로 열원이 시편의 중앙부에 정확하게 접촉된 상태로 고정하기 위해 시편 홀더를 이용하여 시편을 잡아서 고정해주되 시편의 휘어짐을 방지토록 하였다.

도면으로 나타내지는 않았으나, 측정된 열화상 이미지를 보면, 시편에서 방사형으로 열이 전도됨을 확인할 수 있었다. 열원에서 가장 먼 시편의 가장자리 부위는 설정온도 70℃보다 낮은 온도로 측정되었는데, 이는 지그챔버 내의 공기 대류로 인한 방열 현상이 일어났음을 의미한다. 이에 시편의 방사방향의 방열에 따른 열전도를 정확하게 측정할 수 있음을 알 수 있다.

길이방향의 열전도 측정

길이방향 측정용 지그를 지그챔버에 장착하기 전에 먼저 시편을 지그에 장착해야 하므로, 일단부의 30㎜에 서머 컴파운드를 얇게 바른 시편을 지그의 포켓형 열원에 삽입하여 장착하였다. 이때, 지그의 구조상 열풍이 열원에 원활히 전달되지 못하는 경우 충분한 시간으로 가열하여 설정온도와의 차이를 줄일 수 있다.

도면으로 나타내지는 않았으나, 측정된 열화상 이미지를 보면, 종래기술 방식의 열전도 측정과 달리 시편의 끝부분(지그 외부로 돌출된 부분)까지 열전도가 이루어졌으며, 열전도 시간도 종래 대비 단축되었다. 시편이 삽입되는 열원 부분을 제외한 나머지 지그 부분은 단열재로 이루어져 있어 지그 내부의 열이 방출됨을 방지하고 열화상 카메라의 측정에 거의 간섭을 주지 않았다. 즉, 시편의 길이방향의 열전도를 정확하게 측정할 수 있음을 알 수 있다.

상기와 같은 실험 결과, 종래기술 방식에 따른 열전도 측정의 경우, 사출성형된 복합재 시편 내 필러 배향 및 분산, 충진류 등 소재에 따른 변수와 상관없이 열원(핫 플레이트)의 열 전달 경로에 의해서만 열확산이 관찰되었고, 밀폐되지 않은 환경에서 측정됨에 의해 주변 대류에 큰 영향을 받음을 알 수 있으며, 열확산 방향은 시편의 특성보다 열원의 형태에 더 큰 영향을 받았고, 시편의 장착위치가 고정되지 않음으로 인해 시편을 열원 상에 장착할 때마다 시편의 장착위치가 매번 달라져 열확산 이미징 결과의 신뢰성이 저하되었다. 이에 복합재 시편의 열전도 현상을 객관적으로 정확하게 측정할 수 없음을 알 수 있다.

또한, 종래기술 방식에 따른 열전도 측정의 경우, 주변 대류의 영향을 받는 등으로 인해 냉각풍에 의한 방열 현상을 가시화하여 분석함이 불가능하여 열전도 측정 실험의 결과 데이터를 역으로 계산하여 시편의 방열 특성을 도출하였다.

반면, 본 발명에 따른 열전도 측정의 경우, 열원의 형태 및 표면 온도 분포에 따라 시편 내에서의 열확산이 불균일하게 일어났고, 열원의 형태보다 시편의 특성에 따른 열전도가 일어났으며, 공기조화기의 설정온도와 열원의 표면온도가 일치하였고 열원의 표면 위치에 따른 온도 오차범위가 매우 적어 열원의 열에너지가 시편에 매우 안정적으로 공급되었음을 확인하였다. 이에 시편의 열전도를 종래 대비보다 정확하게 측정할 수 있음을 알 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 열전도 측정의 경우, 냉풍에 의한 방열 현상을 가시화하여 분석함이 가능하였다.

10 : 지그챔버 11 : 챔버 도어부
12 : 냉풍입구 13,14 : 열풍덕트
15 : 냉풍덕트 20 : 두께방향 측정용 지그
21 : 열풍 유입구 22 : 열풍 배출구
23 : 열원 24 : 시편 홀더
30 : 길이방향 측정용 지그 31 : 열풍 유입구
32 : 열풍 배출구 33 : 열원
40 : 방사방향 측정용 지그 41 : 열풍 유입구
42 : 열풍 배출구 43 : 열원
44 : 시편 홀더 50 : 공기조화기
50a : 도어부 51 : 온풍유닛
52 : 열선코일 53 : 블로워
54 : 온풍출구 55 : 온풍입구
56 : 냉풍유닛 57 : 열선코일
58 : 블로워 59 : 냉풍출구
60 : 컨트롤 유닛 61 : 수납공간
70 : 열화상 카메라

Claims (13)

1. 개폐를 위한 챔버 도어부(11)를 가지는 밀폐형의 지그챔버(10);
   상기 지그챔버(10) 내부에 탈착 가능하게 장착되며, 고체 시편에 면접촉 가능한 열원을 가지고 고체 시편의 열전도 현상을 유도하는 지그(20,30,40);
   온풍 유닛(51)과 냉풍 유닛(56)을 가지며, 온풍 유닛(51)을 통해 상기 지그(20,30,40) 내부에 열풍을 공급하거나 또는 냉풍 유닛(56)을 통해 지그챔버(10) 내부에 냉풍을 공급할 수 있는 공기조화기(50);
   상기 고체 시편의 열전도에 대한 열화상 이미지 또는 동영상을 촬영하기 위한 열화상 카메라(70);
   를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 열전도 가시화 분석 시스템.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 지그로는 고체 시편의 두께방향의 열전도 측정을 위한 두께방향 측정용 지그(20), 고체 시편의 길이방향의 열전도 측정을 위한 길이방향 측정용 지그(30), 및 고체 시편의 방사방향의 열전도 측정을 위한 방사방향 측정용 지그(40) 중 선택된 어느 하나의 지그 또는 둘 이상의 지그가 사용되는 것을 특징으로 하는 열전도 가시화 분석 시스템.
   
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 두께방향 측정용 지그(20)는 그 일면에 고체 시편의 일면에 전체적으로 면접촉 가능한 평판형 열원(23)을 가지며, 상기 열원(23)을 승온시키기 위한 열풍의 출입을 위한 열풍 유입구(21)와 열풍 배출구(22)를 가지는 것을 특징으로 하는 열전도 가시화 분석 시스템.
   
4. 청구항 2에 있어서,
   상기 길이방향 측정용 지그(30)는 그 일면에 고체 시편의 일면 중앙에 면접촉 가능한 포켓형 열원(33)을 가지며, 상기 열원(33)을 승온시키기 위한 열풍의 출입을 위한 열풍 유입구(31)와 열풍 배출구(32)를 가지는 것을 특징으로 하는 열전도 가시화 분석 시스템.
   
5. 청구항 2에 있어서,
   상기 방사방향 측정용 지그(40)는 고체 시편의 일단부가 전체적으로 면접촉되게 삽입가능한 원판형 열원(43)을 가지며, 상기 열원(43)의 맞은편에 열원을 승온시키기 위한 열풍의 출입을 위한 열풍 유입구(41)와 열풍 배출구(42)를 가지는 것을 특징으로 하는 열전도 가시화 분석 시스템.
   
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 공기조화기(50)는 지그(20,30,40)의 열원을 균일하게 승온시키기 위한 열풍을 생성 및 공급하는 온풍유닛(51), 고체 시편의 냉각을 위해 지그챔버(10) 내부에 유입시키는 냉풍을 생성 및 공급하는 냉풍유닛(56), 및 열풍과 냉풍의 온도 조절을 위한 컨트롤 유닛(60)을 포함하는 것을 특징으로 하는 열전도 가시화 분석 시스템.
   
7. 청구항 1 또는 6에 있어서,
   상기 공기조화기(50)에는 온풍유닛(51)에서 생성되는 열풍을 공기 순환 방식으로 공급하기 위해 그 온풍출구(54) 및 입구(55)를 지그의 열풍 유입구(21,31,41) 및 배출구(22,32,42)와 각각 연결해주는 열풍덕트(13,14)가 연결 설치되고, 냉풍유닛(56)에서 생성되는 냉풍을 공급하기 위해 그 냉풍출구(59)를 지그챔버(10)의 냉풍입구(12)와 연결해주는 냉풍덕트가 연결 설치되는 것을 특징으로 하는 열전도 가시화 분석 시스템.
   
8. 청구항 1에 있어서,
   상기 지그(20,30,40)는 알루미늄 소재의 열원(23,33,43)을 제외한 부분이 모두 단열재로 된 것을 특징으로 하는 열전도 가시화 분석 시스템.
   
9. 열풍 또는 냉풍을 생성 및 공급할 수 있는 공기조화기와 덕트로 연결되어 있는 밀폐형 지그챔버를 마련하는 단계;
   상기 지그챔버에 선택한 고체 시편의 열전도 측정에 적합한 지그를 선택 장착하는 단계;
   상기 공기조화기를 통해 지그의 열원을 가열하고, 가열된 열원을 통해 지그에 장착한 고체 시편으로 열을 전달하여 열전도를 유도하는 단계;
   열화상 카메라를 이용하여 상기 고체 시편의 열화상 이미지 또는 열확산 동영상을 촬영하는 단계;
   상기 열화상 이미지 또는 열확산 동영상을 통해 시편의 열전도 특성을 분석하는 단계;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전도 가시화 분석 방법.
   
10. 청구항 9에 있어서,
    상기 열전도를 유도하는 단계는,
    평판형 시편의 일면 전체를 평판형 열원에 면접촉시켜 시편의 두께방향으로 열전도를 유도하는 단계;
    평판형 시편의 일단부만 포켓형 열원에 둘러싸인 형태로 면접촉되게 삽입시켜 시편의 길이방향으로 열전도를 유도하는 단계;
    평판형 시편에 일면 중앙에 원판형 열원을 면접촉시켜 시편의 방사방향으로 열전도를 유도하는 단계;
    중 선택한 어느 한 단계 또는 둘 이상의 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전도 가시화 분석 방법.
    
11. 청구항 9에 있어서,
    상기 공기조화기를 통해 지그챔버 내부에 냉풍을 공급하여 지그에 장착되어 있는 고체 시편을 대류에 의해 냉각하는 단계;
    열화상 카메라를 이용하여 상기 고체 시편의 냉각에 따른 열화상 이미지 또는 열확산 동영상을 촬영하는 단계;
    상기 열화상 이미지 또는 열확산 동영상을 통해 시편의 방열에 따른 열전도 특성을 분석하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전도 가시화 분석 방법.
    
12. 청구항 9에 있어서,
    상기 지그는 열원을 승온시키기 위한 열풍의 출입을 위해 열풍 유입구와 열풍 배출구를 가지며, 알루미늄 소재의 열원을 제외한 부분이 모두 단열재로 된 것을 특징으로 하는 열전도 가시화 분석 방법.
    
13. 청구항 9에 있어서,
    상기 지그의 열원 표면을 클리닝한 후, 열원 표면에 써멀 컴파운드를 도포하여 고체 시편과 열원 사이의 공극을 최소화하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열전도 가시화 분석 방법.
    

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