KR101601468B1 - 냉각효율이 향상된 나노유체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 냉각효율 향상을 위한 나노유체에 관한 것으로, 구체적으로 하나 이상의 자성소재 입자로 이루어진 코어부, 및 상기 코어부 표면의 적어도 일부를 피복하는 탄소소재 함유 코어부를 포집하여 캡슐화한 탄소소재 함유 열경화성 고분자 수지로 이루어진 쉘부를 포함하는 코어-쉘 소재와 이를 포함하는 나노유체에 관한 것이다.

Description

냉각효율이 향상된 나노유체{NANOFLUID HAVING IMPROVED COOLING EFFICIENCY}

본 발명은 냉각효율이 향상된 나노유체에 관한 것으로, 자성소재 입자로 이루어진 코어부 및 상기 코어부 표면의 적어도 일부를 피복하는 탄소소재로 이루어진 쉘부를 포함하는 이중 구조의 나노 입자를 포함하는 코어-쉘 소재와, 이를 포함하는 나노유체에 관한 것이다.

나노분말을 분산시킨 유체의 열전도도 향상 경향은 1995년 미국 아르곤 연구소에 의해 보고되었으며, 이러한 유체를 나노유체라 한다. 열전도도가 월등한 고체 나노분말을 이용하여 나노유체를 제조할 경우, 기본 유체 대비 열전도도가 크게 증가하여 열전달 성능이 향상되는 특성을 나타낸다. 이러한 특성에 의해 나노유체는 열교환기, 차량의 냉각기, 전기자동차의 배터리, 원자로의 냉각시스템 등 전기, 전자, 기계분야 등 냉각을 위해 과도한 에너지 소비가 필요한 곳에 이용되고 있다.

초기에 알려진 나노유체는 Al₂O₃, CuO, Cu등의 금속 및 금속산화물 나노입자를 수용액 함유 기본 유체에 분산하여 제조되었다. 이때, 첨가되는 나노입자의 부피비, 나노유체의 온도가 높을수록 열전도도 향상 폭이 커지는 경향을 보였다. 또한, 나노분말 자체의 열전도도가 높을수록 더 높은 열전도도 향상 경향을 보였다.

그러나 이러한 금속 산화물은 높은 비중으로 인해 유체의 흐름이 없을 때 가라앉기 쉽고 강성이 높아 시스템을 가동했을 때 시스템 내부에 손상을 입힐 수 있다. 또한, 열전도도가 높은 금속 나노입자의 안정적인 분산을 위해 매우 많은 양의 분산제 또는 계면 활성제가 사용되는 한계가 있으며, 물 등 극성을 갖는 용매에 분산 가능한 나노입자가 제한되어 있어 활용분야에 적합한 특성을 갖는 나노유체를 제조하는 것에 어려움이 있다.

최근에는 열전도도가 높은 탄소 나노소재에 대한 관심이 높아지면서 이 소재를 이용한 나노유체의 특성 평가가 많이 이루어지고 있다. 한 예로 탄소나노튜브는 높은 열전도도와 길이방향의 긴 형태로 인해 유체의 열전도도를 향상시키는 좋은 소재로 연구되고 있다. 특히 탄소소재는 나노유체로의 열전달 성능 이외에 트라이볼로지(tribology)의 특성을 가지고 있어 시스템 내부 손상 부위를 치유하는 역할을 하는 것으로 알려지면서, 다양한 가능성을 확인할 수 있어 주목받고 있다. 즉, 나노유체의 연구분야가 열전달 특성 증가 이외에 트라이볼로지의 특성을 부가하는 다양한 방향으로 접근을 시도하고 있음을 알 수 있다.

특허문헌 1에는 탄소소재의 열전달 특성을 이용하면서 트라이볼로지의 특성을 첨가하기 위한 방법으로 내부 코어에 나노 다이아몬드나 탄소나노튜브 등을 구비하고, 외부에 트라이볼로지 특성을 가지는 몰리브데늄이나 텅스텐 설파이드 (Molybdenum disulfide, tungsten disulfide)를 코팅하는 방법이 개시되어 있다. 그러나 이러한 나노 물질들도 유체 속에서 응집되거나 장시간 미사용으로 인한 침전 생성 후 재 분산효율이 떨어지는 등의 문제가 생길 수 있으며, 유체의 흐름에 따라 연결되어 있는 꺾여진 튜브 부분이나 펌프나 컴프레셔의 시스템 내부 끼임 등의 문제점이 발생하여 초기 대비 유체를 따라 흐르는 전체 나노소재의 양이 적어지고, 이는 궁극적으로 열전도도의 저하를 가져옴과 동시에 시스템의 내구성에 문제를 발생시킨다. 결과적으로 이러한 나노유체의 사용은 열전달 효과를 얻기 어려우므로, 열 매체로 사용하기 어렵다.

미국 특허공개 제2012-039621호 공보

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에서는 열전도성이 높고, 트라이볼로지 특성을 가지는 나노유체를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위하여,

본 발명의 일 실시예에서는

하나 이상의 자성소재 입자로 이루어진 코어부 및

상기 코어부 표면의 적어도 일부를 피복하는 탄소소재로 이루어진 쉘부를 포함하는 이중 구조의 나노 입자를 포함하는 코어-쉘 소재(素材, material)(1)를 제공한다.

구체적으로, 본 발명의 일 실시예에서는

하나 이상의 자성소재 입자로 이루어진 코어부,

상기 코어부를 포집하여 캡슐화한 탄소소재 함유 열경화성 고분자 수지로 이루어진 쉘부를 포함하는 이중 구조의 나노 입자를 포함하는 코어-쉘 소재(2)를 제공한다.

또한, 본 발명에서는 단일 유체 또는 혼합 유체와, 상기 유체에 상기 코어-쉘 소재가 적어도 하나 이상 분산되어 포함되어 있는 나노유체를 제공한다.

본 발명에 따라 제조된 코어-쉘 소재는 코어부를 이루는 자성소재의 영향으로 자기장을 이용해 입자의 유동 조작이 가능하게 되므로, 입자의 끼임 문제 등을 해결할 수 있다. 또한, 외부 쉘부를 이루는 열전도도가 큰 탄소소재에 의해 트라이볼로지 효과를 나타냄과 동시에 열전도성이 큰 나노유체를 제조할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 나노 입자를 포함하는 코어-쉘 소재의 형태를 개략적으로 나타낸 도면이다.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명한다. 이때, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

먼저, 본 발명의 일 실시예에서는,

하나 이상의 자성소재 입자로 이루어진 코어부 및

상기 코어부 표면의 적어도 일부를 피복하는 탄소소재로 이루어진 쉘부를 포함하는 이중 구조의 나노 입자를 포함하는 코어-쉘 소재(素材, material)(1)를 제공한다.

구체적으로, 본 발명의 일 실시예에서는

하나 이상의 자성소재 입자로 이루어진 코어부,

상기 코어부를 포집하여 캡슐화한 탄소소재 함유 열경화성 고분자 수지로 이루어진 쉘부를 포함하는 이중 구조의 나노 입자를 포함하는 코어-쉘 소재(2)를 제공한다.

상기 본 발명의 코어-쉘 소재에 있어서, 상기 자성소재는 산성의 반응 용매 하에서 FeCl₂.4H₂O와 FeCl₃.6H₂O 간의 반응에 의해 생성된 마그네타이트(magnetite, Fe₃O₄)를 포함할 수 있다.

이때, 상기 마그네타이트의 입자 크기는 10 내지 100nm일 수 있다. 만약, 마그네타이트의 입자 크기가 10 nm 이하이면 캡슐 내부에 포함되는 마그네타이트 입자의 개수가 많아져서 캡슐 내부로 나노입자 포집이 어려운 단점이 있으며, 마그네타이트의 입자 크기가 100nm 를 초과하는 경우, 캡슐 내부에 포집되는 마그네타이트 입자 수가 감소하여 자기장 효율이 낮아 지게 된다.

상기 자성소재는 열적 안정성 및 열전도성을 확보하기 위하여 탄소소재 함유 열경화성 고분자 수지로 이루어진 캡슐안에 포집된 형태로 제조될 수 있다.

이때, 상기 탄소소재로는 탄소나노튜브(CNT) 또는 그래핀을 포함할 수 있다. 또한, 상기 탄소나노튜브는 이중벽 탄소나노튜브(DWNT) 또는 단일벽 탄소나노튜브(SWNT)로 선택할 수 있다.

상기 열경화성 고분자 수지는 구체적으로 멜라민 고분자 수지, 에폭시 고분자 수지, 또는 폴리에스터 고분자 수지를 포함할 수 있다.

본 발명의 코어-쉘 소재에 있어서, 상기 쉘부의 두께는 10 내지 100nm로 조절한다. 만약, 내부 쉘부의 두께가 10 nm 이하로 너무 얇으면 캡슐을 안정화시킬 수 없고, 100 nm를 초과하여 너무 두꺼우면 피복된 쉘부에 의해 전해진 열의 전달이 캡슐안 자성소재까지 도달하는 시간이 길어지게 된다.

또한, 본 발명의 코어-쉘 소재에 있어서, 상기 코어-쉘 소재의 크기는 1 내지 10㎛로 조절될 수 있다. 만약, 코어-쉘 소재의 크기가 1㎛ 이하인 경우 캡슐의 크기가 작아 후속 피복 공정을 실시하는 동안 분산을 극대화하기 어렵다. 반면에 코어-쉘 소재의 크기가 10㎛ 이상으로 커지면 유체의 유동성에 영향을 줄 수 있다.

또한, 본 발명에서는

자성소재를 제조하는 단계;

열경화성 고분자 용액에 탄소소재 전구체를 분사하여 코팅 용액을 제조하는 단계; 및

상기 코팅 용액에 자성소재를 분사하여 코어-쉘 소재를 제조하는 단계를 제공한다.

상기 본 발명의 코어-쉘 소재의 제조 방법에서는 탄소소재 전구체를 열경화성 고분자 용액에 미리 분산하여 코팅 용액을 제조한 다음 사용함으로써, 자성소재를 포집하는 캡슐화된 쉘부를 형성할 수 있다.

이때, 상기 탄소소재 전구체는 코팅 용액의 전체 함량을 기준으로 약 0.1 내지 2wt%의 함량을 분산하여 코팅용액을 제조할 수 있다. 만약, 탄소 소재의 농도가 0.1wt% 이하이면 쉘부 형성 시에 탄소소재의 양이 적어 코어부 전체를 고르게 피복하지 못하므로, 이는 궁극적으로 전도성 네트워크를 이루지 못하는 원인이 된다. 반면에, 탄소 소재의 농도가 2wt%를 초과하면 탄소 소재의 양이 많아 코팅 용액의 점도가 증가하므로, 코팅 용액으로 사용하기 어렵다.

또한, 본 발명의 방법에서는 탄소소재 전구체 분사 전에, 탄소 소재 전구체를 표면 처리함으로써, 다양한 유체 내에서 코어-쉘 소재의 분산이 보다 유리해 진다. 구체적으로, 탄소소재를 카르복시산, 질산 및 황산 등의 산으로 미리 표면 처리하여 표면에 히드록시기 또는 카르복실기 등의 극성 기능기를 부가하는 경우, 물과 같은 극성 용액 내에서 탄소 소재의 분산성을 향상시킬 수 있다. 또는, 탄소 소재와 비공유 결합인 π-π stacking이 가능한 벤젠고리 및 이중고리 화합물을 이용해 탄소소재 전구체 표면에 처리하면 오일 및 비극성 유기용매를 함유하는 유체 내에서 보다 효과적으로 분산시킬 수 있다. 이와 같이, 탄소 소재 전구체를 미리 표면 처리하여 표면에 기능기를 부가하면, 적용하려는 다양한 유체 내에서의 탄소소재 전구체의 분산력을 높일 수 있다. 특히, 본 발명의 탄소 소재 전구체를 표면 처리하여 극성 및 비극성 기능기를 동시에 부가하는 경우에는, 극성과 비극성 혼합 용매 양쪽에서 모두 높은 분산성을 나타낼 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 표면 처리된 탄소 소재 전구체를 이용하여 자성소재를 피복함으로써, 일반적인 나노유체 제조 시에 분산제를 사용하지 않고서도 코어-쉘 소재의 분산성을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명에서는

단일 유체 또는 혼합 유체와, 상기 유체에 상기 코어-쉘 소재가 적어도 하나 이상 분산되어 포함되어 있는 나노유체를 제공한다.

상기 단일 유체는 물, 에틸렌글리콜 및 오일로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 단일 성분을 포함할 수 있다.

또한, 상기 혼합 유체는 부동액과 같은 혼합 유체로서, 물 이외에 에틸렌글리콜 등을 일정 비율로 혼합하여 이용할 수 있다. 예컨대, 자동차의 냉각수 역시 물과 에틸렌글리콜이 1:1로 혼합되어 있는데, 각 사용하는 유체에 코어-쉘 소재의 최적 분산을 위해서는 유체와 혼합이 잘 일어날 수 있도록 다양한 기능기를 혼합하여 첨가할 수 있다.

상기 본 발명의 코어-쉘 소재는 수용액 함유 유체 상에 초음파 공정을 이용해 분산시킨다.

일반적으로 자기장 내에서 자석에 끌리는 성질을 지닌 자성 나노유체는 일반 유체보다 열전도도가 높으며, 특히 자기장 내에서 열전도 특성이 향상되는 특징이 있다. 이러한 소재의 하이브리드화는 유체 속에서 나노입자의 흐름이 내부의 유체 흐름에 의해서뿐만 아니라 외부 자기장에 의해 조절할 수 있어 내부에 입자의 끼임이나 침전의 문제가 발생하지 않는다.

본 발명에서는 내부 코어부에 자성소재를 포함하고, 바깥 최외각 표면에 열전도성이 뛰어난 탄소소재를 피복한 코어-쉘 소재를 합성하고, 이를 나노유체의 소재로 사용함으로써, 분산성이 우수하며 탄소에 의한 트라이볼로지 효과를 나타내며, 내부 입자 이동시 튜브 등의 손상을 방지하게 됨과 동시에 열전도성이 큰 나노유체를 제조할 수 있다. 특히, 본 발명의 나노유체는 코어부에 들어있는 자성소재의 영향으로 자기장을 이용해 입자의 유동 조작이 가능하게 되어 일반적인 Al₂O₃, CuO를 사용했을 때 생기는 입자의 끼임 문제 등을 해결할 수 있다. 따라서, 기존 나노유체 사용에 따른 문제를 해결하고 열전도 높은 유체 사용에 따른 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.

한편, 아무리 작은 나노입자라 할지라도 유체 속에 골고루 분산돼 있기는 어렵기 때문에, 이를 해결하기 위해 일반적으로 나노유체 내에 계면 활성제를 사용하여 나노입자들끼리 응집을 방지하고 코어-쉘 소재의 분산을 증가시키고자 하였다. 하지만, 나노유체 중에 계면활성제를 사용하는 경우, 부가적인 화학반응 가능성, 계면 활성제의 영향으로 입자간 열전달이 차단되어 냉각효율이 떨어지는 단점이 있다. 이에 반하여, 본 발명에서는 코어-쉘 소재의 외부 쉘부를 이루는 탄소 소재를 미리 표면 처리하여 포함함으로써, 나노유체의 이동 중에서 충돌이 일어나더라도 다른 입자와의 응집이 일어나는 것을 방지하는 효과를 얻을 수 있다.

전술한 바와 같은 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였다. 그러나 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능하다. 본 발명의 기술적 사상은 본 발명의 기술한 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며, 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

실시예

(실시예 1)

(a) 코어부 제조 공정

FeCl₂.4H₂O 0.02mol을 2M HCl 용액 10ml에, FeCl₃.6H₂O 0.01mol을 2M HCl 25ml에 용해시킨다. 2M FeCl₂.4H₂O 수용액 1ml과 1M FeCl₃.6H₂O 수용액 4ml를 교반하면서, 0.35M NH₄OH 수용액 50ml를 첨가하였다. NH₄OH를 분당 6mL의 속도로 한 방울씩 첨가하면서 갈색용액에서 점차 검은색 용액으로 변화하면서 마그네타이트 입자가 충분히 생성될 수 있도록 일정시간 교반하였다. 이어서, 형성된 마그네타이트 입자(크기 10nm)를 Ne 자석을 이용하여 응집 필터하고 증류수를 이용하여 수세하였다.

(b) 코팅 용액 제조 공정

그 다음으로, 멜라민(0.05mole)과 포름알데하이드 (0.25mole, 37% solution)를 혼합하고 60℃ 온도에서 20~25분간 반응시켜 반투명한 고분자 전구체를 얻었다. 이어서, 산 처리한 단일벽 탄소나노튜브 0.5wt%를 투입하고 500rpm 속도로 교반 혼합하여 코팅 용액을 제조하였다.

(c) 코어-쉘 소재 제조 공정

그 다음으로, 상기 (b) 단계에서 제조된 코팅 용액에 상기 (a) 단계에서 제조한 마그네타이트 입자를 투입하고, 반응 온도를 80 내지 85℃로 2시간 교반하여 하나 이상의 자성소재 입자로 이루어진 코어부, 상기 코어부를 포집하여 캡슐화한 탄소소재 함유 멜라민 고분자 수지로 이루어진 쉘부를 포함하는 코어-쉘 소재를 형성하였다. 이어서, 원심분리를 하여 형성된 소재를 분리하였다.

상기 캡슐의 크기는 1㎛이고, 상기 쉘부의 전체 코팅 두께는 10nm이다.

(d) 나노유체 제조 공정

상기 (c) 단계에서 제조된 코어-쉘 소재(0.3vol%)를 수용액 함유 유체 (물:에틸렌글리콜 1:1 혼합액)에 초음파 분산하여 투입하였다. 이어서, 본 발명의 나노유체의 열전도특성을 측정하고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다. 이때, 열전도도의 측정은 용액 홀더를 이용하여 레이저플레쉬(NETZSCH LFA 427) 방법으로 측정하였다.

(비교예 1)

쉘부가 형성되지 않은 상기 실시예 1의 (a) 단계에서 제조된 10nm 크기의 마그네타이트 입자(0.3vol%)를 사용하는 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 혼합 유체 (물:에틸렌글리콜 1:1 혼합액)에 마그네타이트 입자를 초음파 분산하여 나노유체를 제조한 다음, 이의 열전도특성을 측정하고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

(비교예 2)

코어-쉘 소재를 포함하지 않는 일반유체를 사용하는 것을 제외하고 상기 비교예 1과 동일한 유체의 열전도특성을 측정하고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

	실시예 1	비교예 1	비교예 2
열전도도(W/mK) @ 25℃	0. 380	0.358	0.319
분산 안전성 합성 직 후 용액의 투과도 측정 (%)	0%	0%	-
일주일 방치 후 교반 후 용액 투과도 측정 (%)	0%	30%	-

상기 표 1 에 나타낸 바와 같이, 실시예 1의 경우 비교예 1 및 2에 비해 열전도도가 더 높은 것을 알 수 있다. 또한, 분산과 관련한 실험에서 본 발명의 코어-쉘 소재를 함유하는 나노유체는 별도의 분산제를 포함하지 않아도, 나노유체의 흐름 없이 일주일 방치 후 다시 저었을 때, 분산이 잘 이루어져 투과율이 낮은 반면에, 자성소재만을 분산시킨 비교예 1의 유체는 유체와 나노 소재의 반응성이 낮아져서 가라앉는 입자가 생기게 되면서, 투과도가 높아지는 것을 알 수 있다.

1: 자성소재 코어부
3: 탄소소재 쉘부

Claims (18)

1. 하나 이상의 자성소재 입자로 이루어진 코어부; 및
   상기 코어부를 포집하여 캡슐화한 쉘부를 포함하며,
   상기 쉘부는 탄소나노튜브(CNT) 또는 그래핀으로 이루어진 탄소소재 함유 열경화성 고분자 수지로 이루어진 이중 구조의 나노 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 코어-쉘 소재(素材, material).
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 자성소재는 마그네타이트(magnetite, Fe₃O₄)인 것을 특징으로 하는 코어-쉘 소재.
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 마그네타이트(magnetite, Fe₃O₄)는 산성의 반응 용매 하에서 FeCl₂.4H₂O와 FeCl₃.6H₂O 간의 반응에 의해 생성된 것을 특징으로 하는 코어-쉘 소재.
5. 청구항 3에 있어서,
   상기 마그네타이트의 입자 크기는 10nm 내지 100nm인 것을 특징으로 하는 코어-쉘 소재.
6. 삭제
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 탄소나노튜브는 이중벽 탄소나노튜브(DWNT) 또는 단일벽 탄소나노튜브(SWNT)인 것을 특징으로 하는 코어-쉘 소재.
8. 청구항 1에 있어서,
   상기 탄소소재는 카르복시산, 질산 및 황산으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 산으로 표면 처리한 것을 특징으로 하는 코어-쉘 소재.
9. 청구항 1에 있어서,
   상기 열경화성 고분자 수지는 멜라민 고분자 수지, 에폭시 고분자 수지 및 폴리에스터 고분자 수지로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 고분자 수지인 것을 특징으로 하는 코어-쉘 소재.
10. 청구항 1에 있어서,
    상기 쉘부의 두께는 10nm 내지 100nm인 것을 특징으로 하는 코어-쉘 소재.
11. 청구항 1에 있어서,
    상기 캡슐은 1㎛ 내지 10㎛의 크기인 것을 특징으로 하는 코어-쉘 소재.
12. 자성소재를 제조하는 단계;
    열경화성 고분자 용액에 탄소소재 전구체를 분사하여 코팅 용액을 제조하는 단계; 및
    상기 코팅 용액에 자성소재를 분사하여 코어-쉘 소재를 제조하는 단계를 포함하는 코어-쉘 소재의 제조 방법.
13. 청구항 12에 있어서,
    상기 탄소 소재는 코팅 용액의 전체 함량을 기준으로 0.1wt% 내지 2wt%의 함량으로 분산하는 것을 특징으로 하는 코어-쉘 소재의 제조 방법.
14. 청구항 12에 있어서,
    상기 탄소 소재는 분사 전에 카르복시산, 질산 및 황산으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 산으로 표면 처리한 것을 특징으로 하는 코어-쉘 소재의 제조 방법.
15. 단일 또는 혼합 유체와,
    상기 유체에 분산된 청구항 1 기재의 코어-쉘 소재를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노유체.
16. 청구항 15에 있어서,
    상기 단일 유체는 물, 에틸렌글리콜 및 오일로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 하나의 성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 나노유체
17. 청구항 15에 있어서,
    상기 혼합 유체는 물과 에틸렌글리콜의 혼합 용액인 것을 특징으로 하는 나노유체.
18. 청구항 17에 있어서,
    상기 물 : 에탄렌글리콜의 혼합비는 1:1인 것을 특징으로 하는 나노유체.

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