In this study, Cu3(btc)2, ZIF-8 which are known for Zeolitic Imidazolate Frameworks were applied to enhance pool boiling capability. These materials are highly porous, thermally stable, and require low fabrication cost. We thought these good characteristics can be used in phase change heat transfer. We fabricated these two materials, tested for different thickness and crystal size.
Chapter 1 describes importance of pool boiling method in cooling electric devices. After that, efforts of other researchers for enhancing boiling characteristic are introduced. Finally, importance and distinctive point of our research were written.
Chapter 2 describes about test vehicle, experiment setup, and test procedure. In chapter 2.1, fabrication process of test vehicle is written. In experiment setup section, specific explain about each part of the experiment setup are written. After that principle and procedure of pool boiling are introduced. Procedure of calibrating RTD sensor which is for measuring temperature was introduced in this section, too.
In the chapter 3, synthesizing procedures of ZIF-8, and Cu3(btc)2 are introduced. SEM images of each result are posted and IR test and XRD test were conducted. Boiling test results with those coated chips are posted, too. In order to understand the mechanism occurs during pool boiling, we took high speed camera, and investigate about the results. Contact angle was measured to see whether thickness effect exists or not.
In the chapter 4, Conclusion is demonstrated with whole results we had got by experiment. We concluded about thickness effect and crystal size effect for enhancing pool boiling in this section.
비등 현상을 이용한 열전달은 매우 매력적인 냉각 방식이다. 좁은 면적에서 많은 양의 열을 방출하기가 용의하고, 비교적 안정적으로 온도 제어가 가능하다. 이러한 비등 열전달을 이용한 냉각에서 두 가지 중요한 요소가 있다. 하나는 임계 열유속이고 나머지 하나는 열전달 계수이다. 임계 열유속이란 열유속을 증가시킬 때 어느 순간 발열체 표면이 기체로 뒤덮이고 온도가 급격히 상승하는 필름 보일링이 발생하게 되는데 이 때의 열유속을 말한다. 이러한 현상은 IT 장비에 적용시 치명적인 문제가 될 수 있으므로 이러한 임계 열유속을 증가시키는 것이 중요하다. 열전달 계수는 열유속과 온도의 비를 나타내는 값으로서 열전달 계수가 높으면 좀 더 낮은 온도에서 냉각이 가능하다. 좀 더 낮은 온도에서 높은 열을 냉각할 수 있다는 것은 IT장비의 냉각에 있어 매우 중요하므로 열전달 계수를 증가시키는 것 또한 매우 중요하다고 할 수 있다.
열전달 계수와 임계 열유속을 증가시키기 위해 많은 연구자들의 다양한 시도를 하였는데, 현재까지 정설로 받아들여지고 있는 가설은 cavity의 수가 임계 열유속과 열전달 계수를 증가시킨다는 것이다. 또, 발열 표면의 단면적을 증가시킴으로써 모세관 힘을 키워 임계 열유속을 증가시킨 연구도 있다. 이처럼 발열체 표면의 cavity를 증가시키고 단면적을 증가시키는 것이 비등 성능 향상에 있어 매우 중요한 포인트라고 할 수 있다.
본 연구에서는 이러한 임계 열유속과 열전달 계수를 증가 시키기 위해 Cu3(btc)2 와 ZIF-8 이라는 나노 세공체를 사용하였다. 이 두 물질은 금속과 폴리머가 결합하여 이루어진 구조체로 분자 내부에 1나노미터 크기의 세공을 가지고 있다. 또한, 이 물질들은 세공을 가지고 있기 때문에 단위 부피당 면적이 매우 넓으며, 열적으로 비교적 안정적이다. 이러한 특징들이 비등 성능을 크게 향상시킬 것이라고 생각되어 이 두 물질을 본 실험에 적용하게 되었다.
Cu3(btc)2 는 결정의 크기에 따라 ZIF-8 코팅 층의 두께에 따라 실험을 진행하였다. Cu3(btc)2 의 경우 17.8%농도에서 길렀을 때 결정이 가장 크고 밀집되어 있었고 테스트 성능이 가장 좋았다. ZIF-8의 경우에는 코팅의 두께의 영향이 거의 없었다. 이는 코팅의 두께차이에 따른 표면적 변화가 미미했거나, FC72용액 자체가 표면적의 영향을 받지 않기 때문이다. ZIF-8의 두께 효과가 미미한 이유는 첫째로 코팅 두께가 너무 얇았고, 두 번째로 코팅이 너무 빽빽하게 형성되었고, 세공을 통과하기에 용액의 분자 크기가 컸기에 겉으로 드러난 표면적만 유효했을 것이다. FC72용액 자체가 표면적의 영향을 받지 않았을 이유는 FC72용액 자체가 매우 습윤이 잘 되기 때문이다. 이렇게 표면적의 영향은 컨택 앵극 측정 결과로부터 알 수 있었다. 오히려 처음 코팅했을 때와 두번째로 코팅했을 때의 차이가 분명히 나타났는데, 이는 분명 결정의 형태가 다름에서 나타나는 차이일 것이다. 표면에 나타나는 결정의 형태와 크기 차이는, 유효하는 cavity 수와 크기의 차이를 야기하고 비등 성능 향상의 차이로 나타난 것으로 보인다.
