비즈니스 기회
계면 열전달을 조작하기 위한 지속 가능한 전략을 개발
홍콩과학기술대학교(HKUST) 공과대학 연구진은 계면 열 전달을 조작하기 위한 지속 가능하고 제어 가능한 전략을 개발하여 전자 제품, 건물 및 태양 전지판과 같은 다양한 응용 분야에서 친환경 냉각 성능을 개선할 수 있는 길을 열었습니다.
지구 온도 상승으로 인해 효과적인 냉각 솔루션에 대한 수요가 계속 증가함에 따라 전 세계 과학자들은 보다 효과적인 에너지 절약형 냉각 기술을 적극적으로 모색하고 있습니다. 작동을 위해 전적으로 에너지 소비에 의존하는 능동 냉각과 비교할 때 수동 냉각은 열을 줄이고 에너지 소비가 적거나 없는 쾌적한 온도를 유지하기 위해 자연 프로세스와 설계 원칙에 의존합니다. 따라서 이러한 접근 방식은 친환경적인 특성과 전기가 없는 특성으로 인해 연구자들 사이에서 광범위한 관심을 불러일으켰습니다.
새로운 연구 분야 중 하나는 금속-유기 프레임워크(MOF)를 사용하는 수동 냉각으로, 이는 공기에서 수증기를 포집하고 실온 공간 냉각 응용 분야에서 에너지 효율성을 높이는 데 사용할 수 있는 다공성 재료입니다.
그러나 MOF는 일반적으로 열전도율이 낮습니다. 또한, MOF에 흡착된 물 분자가 존재하면 유효 열전도율이 더욱 감소합니다. 이러한 한계로 인해 냉각 성능을 향상시키기 위해 MOF의 고유한 열전달 특성을 조작할 수 있는 여지가 거의 없습니다.
이 문제를 해결하기 위해 전 세계 연구자들은 MOF와 MOF가 접촉하는 물질 사이의 계면 열 방출에 관심을 기울였습니다. 계면 열전도도(ITC)를 향상시키기 위해 접착층, 나노 구조, 화학적 변형 및 자체 조립 단층의 사용을 포함한 다양한 접근 방식이 사용되었습니다. 그러나 정밀한 원자 제어로 완충층을 합성하거나 제작하는 것은 어려운 작업이므로 이러한 방법의 잠재적 응용 분야가 제한됩니다.
HKUST 기계 및 항공우주 공학과의 Zhou Yanguang 교수가 이끄는 연구팀은 선구적인 연구에서 물 흡착 공정을 활용하여 접촉된 기판과 일반적인 MOF 사이의 계면 열 전달을 조작하는 지속 가능하고 제어 가능한 전략을 도입했습니다.
포괄적인 주파수 영역 열반사율(FDTR) 측정 및 분자 역학(MD) 시뮬레이션을 통해 접촉된 기판과 MOF 사이의 ITC가 현저하게 개선되었음을 입증했습니다. ITC는 5.3MW/m에서 증가했습니다. 효과적인 향상은 다른 Au/MOF 시스템에서도 관찰됩니다.
연구팀은 이러한 개선이 MOF 내에서 흡착된 물 분자에 의해 촉진된 조밀한 수로의 형성 덕분이라고 생각합니다. 이러한 채널은 추가 열 경로 역할을 하여 인터페이스 전반의 열 에너지 전달을 크게 향상시킵니다.
연구팀이 개발한 주파수 영역 직접 분해 방법을 사용한 추가 분석에서는 흡착된 물이 고주파 진동을 활성화할 뿐만 아니라 기판과 MOF 사이의 상태 진동 밀도 중첩을 증가시켜 기판에서 MOF로의 열 에너지 발산을 향상시켜 흡착된 물 분자의 브리지 효과를 강조하는 것으로 나타났습니다.
"이 혁신적인 연구는 MOF 및 기타 재료 전반에 걸친 열 수송에 대한 새로운 통찰력을 제공할 뿐만 아니라 MOF와 관련된 냉각 응용 분야의 성능을 향상시킬 수 있는 큰 가능성을 가지고 있습니다. 물 흡착 공정을 활용함으로써 우리 팀은 계면 열 전달을 조작하는 데 돌파구를 마련하여 보다 효율적인 냉각 기술을 위한 길을 열었습니다"라고 Zhou 교수는 말했습니다.
이상의 기사는 2024년 5월 28일 TechXplore에 게재된 “Researchers develop sustainable strategy to manipulate interfacial heat transfer for eco-friendly cooling applications”제목의 기사 내용을 편집하여 작성하였습니다.
* 원문정보 출처 : Researchers develop sustainable strategy to manipulate interfacial heat transfer for eco-friendly cooling applications (techxplore.com)
* 추가정보 출처 : Direct observation of tunable thermal conductance at solid/porous crystalline solid interfaces induced by water adsorbates | Nature Communications