다공성 윅 구조 표면에서의 라이덴프로스트 현상 연구

Abstract

라이덴프로스트 현상이란 액체가 끓는 점 이상의 높은 온도로 가열된 표면과 접촉할 때 나타나는 현상으로, 짧은 순간 급격하게 증기가 생성되기에, 액체와 가열 표면 사이에 증기막이 생성되고 이로 인해 액체가 표면에 닿지 못하고 뜨는 현상을 뜻한다. 이 현상은 고온으로 가열된 프라이팬에 물을 뿌리면 물이 표면과 접촉하지 못하고 마구 움직이는 것으로도 관찰이 가능하다. 상변화 열전달의 여러 비등 영역 중에서 열전달 효율이 낮고 가열 표면의 온도가 매우 높은 막비등 영역에 속한다. 2000년대 이후 나노유체 및 마이크로/나노 표면구조로 인해 상변화 열전달이 획기적으로 증진된다는 것이 여러 연구자들에 의해 소개되었고 핵비등 영역에서는 증진의 핵심 메커니즘이 표면 구조에서의 모세관력에 의한 추가적인 냉각수 유입이라고 제기되었다 (Kim et al., 2007a, Ahn et al., 2012). 핵비등 영역과 마찬가지로 막비등 영역에서도 표면 구조에 의한 라이덴프로스트 온도 증진이 여러 연구자들에 의해 보고되어 왔다. 하지만 증진 효과 해석 시, 아직까지 표면 구조의 다양한 특성들을 고려한 통합적인 해석이 이루어진 바가 없었고, 연구자들마다 결과를 해석할 때 분석에 사용하는 표면 인자들이 각기 다른 경우가 많았다. 또한 라이덴프로스트 온도를 정의하는 방법이 2가지로 혼재되어 사용되어 왔는데 냉각 성능 기반으로 설정하거나 혹은 가시화를 통해 안정적인 증기막이 형성되기 시작하는 온도로 설정하였다. 선행 연구에서는 관념적으로 두 개념이 동일하다고 여겨졌으나, 안정적으로 증기막이 형성된 상황, 즉 표면구조가 냉각수에 닿지 못하는 상황에서 어떻게 표면구조가 라이덴프로스트 현상에 영향을 미칠 수 있는지에 대해서는 의문이 제기되어 왔었다. 따라서 본 연구에서는 먼저 미국 아르곤국립연구소의 개량광자원 (Advanced Photon Source) 를 활용한 싱크로트론 (Synchrotron) 엑스레이 (X-ray) 초정밀 가시화 기법을 활용하여, 라이덴프로스트 현상의 액체-기체-고체 계면을 측정하였다. 그 결과 라이덴프로스트 현상 초기에 액체와 가열 표면이 충돌하면서 짧은 순간 간헐적이고 국소적인 액체-고체 간의 접촉이 있음을 확인하였다. 따라서 표면 구조가 라이덴프로스트 상황 초기(수 밀리세컨드, milliseconds)에 영향을 미칠 수 있음을 증명하였고, 라이덴프로스트 온도를 정의할 때 가시화 기법에 따른 정의 방법은 신뢰도에 문제가 있을 수 있음을 확인하였다. 다음으로 표면 구조의 영향을 확인하기 위하여, 마이크로 두께의 얇은 마이크로/나노 표면 구조를 개질 하여 라이덴프로스트 실험을 수행하였다. 그 결과 400도 이상으로 가열된 표면에서도 모세관력의 반증인 얇은 액막 (precursor)이 확인되었다. 456도의 라이덴프로스트 온도 상황에서도 이러한 액막은 유지되었으며 이러한 액막에 의해 수 밀리세컨드의 초기 순간, 액체-고체 간의 접촉 면적 및 접촉 시간이 각각 2배, 5배 이상 증진된 것을 확인할 수 있었다. 따라서 표면의 젖음성 특히 모세관력이 증진의 핵심 메커니즘이라고 판단하였다. 하지만 표면 조도, 표면 투과도, 열물성치와 같은 여러 표면 인자들을 정확히 측정하기 어려웠고, 각각의 표면 인자의 영향을 무시한 채, 모세관력에 의한 효과를 분석하는데 한계가 존재했다. 따라서, 표면의 투과도, 열물성치, 모세관력 등이 조절되면서 정량적으로 측정 가능한 표면을 개질하기 위해 지르코니아 분말을 활용하여 다공성 윅 (좁은 틈) 표면 구조를 소결하여 제작하였다. 제작된 다공성 윅 구조 표면은 소결 조건에 따라 0.7 ~ 44 % 의 기공률을 보였고, 90 나노미터의 작은 입자를 소결하여 제작하였기에 실험 결과에 무시할만한 범위의 0.1 ~ 0.2 마이크로 미터의 표면 조도를 나타내었다. 각각의 표면에서의 모세관력을 정량적으로 측정하기 위하여 Ahn et al., 2012 가 발표한 기법을 사용하여 모세관력에 의한 순간적인 냉각수 흡수 속도 (위킹, wicking rate) 을 측정한 결과 0 ~ 78 μL/s 의 범위를 가지는 것을 확인할 수 있었으며, 흡수 속도가 빠를수록 (모세관력이 클수록) 증진된 라이덴프로스트 온도를 확인할 수 있었다. 상기에서 언급된 바와 같이 표면 구조의 모세관력뿐만 아니라, 열물성치와 표면투과도에 대한 효과도 각기 분석을 진행하였다. 작동 유체를 물(Deionized water)과 에탄올을 사용한 결과, 핵비등 영역 이후, 과도 비등 (transition boiling regime) 에서는 모세관력 차이에 의해 유의미한 열전달 효율 증가를 확인하였으나, 라이덴프로스트 온도를 결정짓는 주요 인자는 선행연구에서 주로 제시되어 온 표면구조의 모세관력이 아닌 표면의 열물성치 (thermal effusivity) 임을 확인할 수 있었다. 최종적으로 가열 표면과 냉각수의 열물성치 특성에 따른 라이덴프로스트 온도 모델을 제시하였으며, 본 연구를 포함한 선행연구 데이터들을 잘 예측할 수 있음을 확인하였다.

This study was conducted to identify surface factors that can increase Leidenfrost temperature TLFP, which is a critical determinant between transition boiling and film boiling heat transfer in cooling systems. This study was divided into three parts. (1) Liquid-Solid (L-S) contact during film boiling under a dynamic Leidenfrost droplet was confirmed by a synchrotron X-ray imaging technique. L-S contact occurred only during the first few milliseconds at TLFP. (2) The effect of capillary wicking at TLFP was studied. A multiscale-textured surface (MTS) which showed improved surface wetting characteristics (contact angle 0° with capillary wicking) was fabricated on zirconium substrate by anodic oxidation. On this surface, capillary wicking caused a thin liquid layer to appear at TLFP = 456 °C. (3) To clarify the relationship between TLFP increase and various surface factors, a parameter study with porous wick surfaces was conducted. Zirconia powder was sintered at various temperatures to achieve relative porosities of 0.7 – 44 %. To confirm the wicking activity for each porous wick surface, the fluid level in a small tube having an inner diameter of 1 mm was measured after first contact of the porous surface and the liquid meniscus. When the liquid was deionized water, the volumetric wicking rate ranged from 0 to 78 μL/s, but when ethanol was used as a working fluid, the capillary wicking did not differ significantly between porous wick surfaces. To exclude the effect of other surface factors, the effect of vapor layer absorption on surface permeability, and the effect of transient conduction on thermal properties were investigated. In the post-CHF regime, capillary wicking significantly affected the transition boiling regime; thermal effusivity was the dominant determinant of TLFP. Finally we derived and tested a model to predict TLFP.