소수성 패턴이 있는 친수성 마이크로/나노 구조 표면에서의 지형적 특성에 따른 열전달계수 및 임계열유속 특성 분석 연구

Abstract

요약

다양한 젖음성 표면에서의 비등열전달과 임계열유속을 향상시키기 위한 수조비등 연구가 수행되고 있다. 본 연구에서는 두 가지 수조비등 성능을 동시에 향상시키기 위해 소수성 패턴을 가진 친수성 마이크로/나노 구조 표면을 개발했다. 표면은 실리콘 기판을 사용하여 정렬된 마이크로 구조와 무작위의 나노 구조를 제작했다. 마이크로 기둥 윗면은 자기조립단분자막을 코팅하여 소수성 성질을 띄게 하였다. 낮은 표면온도일 때, 소수성 패턴에서 기포를 발생시켜 열전달계수를 증진시켰고, 친수성 마이크로/나노 구조 표면으로 인해 발생되는 모세관력으로 표면으로의 액체유입을 촉진시켜 임계열유속을 증진시켰다. 실제로 소수성 패턴에서 기포가 발생하는지 확인을 하기 위해 미세한 부분을 초고속으로 관찰이 가능한 방사광 X-선을 이용해 비등 상황 시 기포 거동을 확인하였다. 소수성 패턴이 없는 구조 표면은 마이크로 기둥 사이 바닥면에서만 기포가 생성되지만, 소수성 패턴이 있는 구조 표면은 마이크로 기둥 사이 바닥면뿐만 아니라, 소수성 패턴에서도 기포가 생성되는 것을 확인 하였다. 따라서, 소수성 패턴에서의 추가적인 비등 발생으로 열전달계수가 증가하였다. 이 표면에서 마이크로 기둥 간격을 조절하여 열전달계수와 임계열유속의 변화 양상을 파악하였고, 본 연구에서 가장 높은 열전달계수와 임계열유속을 갖는 표면은 마이크로 기둥 간격 30㎛에서 나타났다.

Abstract

Over the past decades, pool boiling on various wetting surfaces has been intensively investigated to enhance boiling heat transfer and critical heat flux. In this study, to enhance the two thermal performances simultaneously, it was developed hydrophilic micro/nanotextured surfaces with hydrophobic patterns. Using silicon substrate, well-arrayed microtextures and randomly arrayed nanotextures were fabricated hierarchically using micro/nanoelectromechanical system processes. The top of the microtextures was coated locally with hydrophobic characteristics using specific self-assembled monolayer coating methods. Based on experimental data, it was postulated that the hydrophilic surface with hydrophobic pattern can enhance the boiling heat transfer without deteriorating critical heat flux. The bubbles were generated on hydrophobic surface at low wall temperature. Although hydrophobic patterns generated many bubbles, but also hydrophilic surface resisted the growing contact diameter of bubbles. Therefore, hydrophilic surface with hydrophobic pattern could supply the liquid to the dried area at high heat flux. Hydrophilic micro/nanotextured surface could enhance boiling heat transfer and critical heat flux. The boiling heat transfer was enhanced by increasing the evaporative heat flux and quenching heat flux due to the enlarged surface area. The critical heat flux was enhanced by the capillary-induced flow between microtextures and nanotextures. This induced liquid flow contributed to the delay of the critical heat flux by better wetting the dried area. The hydrophilic micro/nanotextured surfaces with hydrophobic patterns enhanced boiling heat transfer and critical heat flux due to the above-mentioned effects. The enhanced critical heat flux depends on the spacing of the micropillars. In this study, the spacing of the micropillars that has the highest critical heat flux was 30μm. For the hydrophilic micro/nanotextured surface with hydrophobic pattern having 30μm spacing, the enhanced boiling heat transfer and critical heat flux were 67.5kW/m2K, 1770kW/m2, respectively. The synchrotron X-ray images and capillary wicking test could postulate boiling heat transfer and critical heat flux enhancement mechanism.