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열유동제어실험실

2. 연구 분야

2-1. 광열효과(Photothermal effect)를 이용한 연구

기계 열물성 측정

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더운 날에는 때때로 지면이 울렁거리거나 지면에 하늘이 비치는 신기루 현상이 일어납니다.
신기루 현상은 지면 근처의 공기가 데워지면서 팽창하고
그 결과 공기의 밀도가 낮아지면서 굴절률이 달라지기 때문에 발생하는 현상입니다.
지면이 많이 뜨거워지면 질수록 빛이 많이 굴절되게 됩니다.

기계 열물성 측정

이러한 신기루의 원리를 활용하면 어떤 물체가 얼마나 뜨거워 졌는지도 알아볼 수 있습니다.
위의 그림과 같이 레이져로 강력한 빔(녹색, Pump beam)을 물체에 조사하면 물체는 뜨거워지게 됩니다.
이때 다른 빛(빨간색, Probe beam)을 물체 위로 통과시키면 신기루 현상에 의해 빛이 휘게 됩니다.

물체가 뜨거워진 정도가 크면 클수록 빛이 많이 휘게 됩니다.
따라서 빛이 휘는 정도를 측정하면 물체의 온도 변화를 비접촉식으로 정밀하게 측정할 수 있습니다.

이러한 방법을 광열측정법(Photothermal measurement)라고 합니다.



저희 연구실에서는 이러한 광열측정법을 이용하여 물체의 여러가지 중요한 물성들을 측정하는 실험을 하고 있습니다.

기계 열물성 측정

2-2. 관련 연구 과제 : 광열효과를 이용한 열물성 측정

연구 개발 배경
  • IT 및 디스플레이산업에서 연성, 투명, 박막, 대면적의 키워드로 기술 개발 증가
  • 신기술 적용 및 성능을 향상시키기 위해 다양한 재료에 대한 많은 연구 진행됨
  • 이방성, 박막 및 투명 재료 등 새로운 물질에 대한 열물성 데이터 필요
  • 광열효과를 이용한 열물성 측정 기술의 한계점을 극복하기 위한 아이디어 필요

 

연구 목표 및 내용
- 다양한 이방성 소재와 투과형 재료의 열전도 계수 측정
  • 이방성 특징을 갖는 재료에 대한 초정밀 열전도계수 측정 기술 개발
  • 단층 및 다층 투과형 재료의 초정밀 열물성 측정 기술 개발
 
- 범용성 열물성 측정 기술 개발
  • 광열효과를 이용한 열물성 측정 기술은 다양하지만 각각 한계점이 존재
  • 한계점을 극복하기 위한 방법론 제시
기계 열물성 측정

2-3. 관련 연구 과제 : 광열효과를 이용한 물질 분포 측정 기술개발

연구 개발 배경
  • 기존 존재 이미징 기술의 초점은 생체진단에 초점이 맞춰져 있음
  • 산업분야에 활용될 수 있는 이미징 기술이 필요
  • CT, X-ray, MRI등 기존에 존재하는 기술들의 단점 극복을 위한 기술 필요
    기존 기술의 경우, 측정 매질에 따라 적용 가능한 이미징 기술이 다름


연구 목표 및 내용
- 산업 분야의 고정밀 반도체 제작 공정 검사에 사용될 수 있는 물질 내부 마이크로 패턴 측정 방법 개발
  • 광열 효과를 이용한 비접촉/비파괴 내부 이미징 기술 개발
  • 측정 매질(금속, 생체등)에 제한이 없는 측정 방법 구축

- 산업 및 바이오 분야의 멤브레인(다공성 소재)에 흡수,침투 한 물질의 미세 깊이 및 분포를 3차원 방향으로 측정 할 수 있는
방법 개발
  • 흡수 또는 침투 깊이를 측정을 위한 이론적 모델 및 이미징 재구축 기술 개발
  • 측정 깊이와 측정 해상도 극대화를 위한 측정 방법 개발 및 확립
기계 열물성 측정

2-4. 관련 연구 과제 : 지능형 표적지향 항암치료 기술 개발

연구 개발 배경
  • 광열치료(Photothermal therapy)는 광열효과를 이용함에도 불구하고 열전달 측면에서의 연구가 매우 미흡한 실정
  • 광열치료 메커니즘에서 레이저에 의한 온도 상승 및 분포는 매우 중요한 인자
  • 따라서 암세포에 가해지는 온도의 절대값과 분포에 대해 면밀한 분석이 필요함

 

연구 목표 및 내용
  • 광열치료에 포함된 전자기장 분포 해석을 포함하는 3차원 비정상상태 열전도 방정식 제시
  • 3차원 수치해석을 통하여 다양한 조건에 따른 암세포 사멸 범위 도출
  • 생체 조직에 따른 in vitro, in vivo 실험을 통해 암세포 사멸 범위 측정 및 최적 치료 조건 확립
기계 열물성 측정

3-1. 냉동 공조 장치의 설계, 실험 및 최적화

에어콘, 공기청정기, 가습기 등 실내 환경 개선을 위한 여러 가지 공조 장치가 실생활에 사용되고 있습니다.
이러한 공조 장치들의 성능은 열역학, 유체역학, 열전달의 복합적인 설계를 통해 만들어 지고 있습니다.
저희 실험실에서는 에어컨, 공기청정기, 가습기 등의 성능 평가를 진행하며,
이를 기반으로 하여 장치들의 성능에 영향을 주는 주요 인자들을 연구하고 있습니다.

뿐만 아니라 이러한 장치들의 성능에 결정적인 영향을 주는
필터의 수명실험 및 설계를 통한 최적의 공조 장치를 개발하는 연구를 수행하고 있습니다.

기계 열물성 측정

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3-2. 관련 연구 과제 : 사용환경에 따른 성능 변화 파악

연구 개발 배경
  • 사용 기간에 따른 필터 성능 저하 데이터 미비
  • 필터 교체를 판단하기 위한 근거 데이터 필요
  • 필터 교체 시기를 감지하는 실용 가능한 메커니즘 미확보


연구 목표 및 내용
- 생활먼지, 유분 누적에 따른 필터의 성능 변화 측정
  • 필터의 사용기간에 따른 생활먼지 및 유분 누적량 데이터베이스 확보
  • 필터의 생활먼지 및 유분 누적량에 따른 필터 성능 데이터베이스 확보
  • 필터의 성능 데이터베이스를 근거로 필터 수명 결정
  • 필터의 생활먼지 및 유분 누적량에 따른 필터의 압력강하, 투과도, 색상 변화 등 필터의 상태를 나타내는 각종 지표 측정
  • 필터의 상태를 감지하는 실용 가능한 지표 도출
기계 열물성 측정

3-3. 관련 연구 과제 : 가습기 & 공기 청정 가습기 최적설계

연구 개발 배경
  • 실내 생활공간에서의 생활환경 개선과 온열환경 및 실내 공기질, 미세먼지 유해가스 등에 대한 문제와 관심이 부각
  • 실내 생활환경 개선장치인 가습기 및 공기청정기의 사용과 시장성이 증가
  • 가습 성능 및 공기 청정 성능에 대한 체계적인 연구 및 Database 필요


연구 목표 및 내용
- 가습/공기청정기의 구동 방법에 따른 성능결정인자 계측/분석
  • Benchmark 시료 분석을 통한 계측/분석

- 가습기의 성능결정인자에 따른 가습량 변화 계측/분석
  • 디스크/Felt 사이즈, 재질, 형상, 표면적, 풍량 등의 변화에 따른 가습성능 Database확보

- 공기청정기의 성능결정인자에 따른 공기청정성능 변화 계측/분석
  • Filter 종류 및 조합, 풍량, 입자 사이즈별 집진능력 및 압손 실험을 통한 Database확보

3-4. 관련 연구 과제 : 가습소자 Parameter 변화에 따른 가습 특성 변화

연구 개발 배경
  • 실내 생활환경 개선을 위한 가습기의 사용 증가
  • 가습 소자의 Parameter변화에 대한 물질전달계수 변화 데이터 미비
  • 가습 소자의 Parameter 변화에 따른 물질전달계수 변화를 체계적으로 측정할 수 있는 가습소자 단품 시험장비 미비
  • 가습소자의 물질전달계수에 대한 체계적인 연구 및 데이터베이스 필요


연구 목표 및 내용
- Felt type 기화식 가습기에서 Felt의 Parameter 변화에 따른 물질전달 계수 측정
  • 기존 상용 가습 Felt의 제품별 Parameter 데이터베이스 확보
  • 분석된 Parameter를 이용한 Test용 Felt 가습소자 제작/실험
  • Heat Transfer 와 Mass Transfer 사이의 Analogy를 이용한 가습소자에서의 증발현상 규명
  • Heat Transfer 와 Mass Transfer 사이의 Energy Balance, Analogy를 이용한 Parameter와 증발/가습량 사이의 Correlation 확보
  • Correlation을 바탕으로 한 가습성능 Simulation tool 개발
기계 열물성 측정

3-5. 관련 연구 과제 : Big data와 Machine learning을 이용한 공조시스템의 스마트제어

연구 개발 배경
  • 최근 IOT 기술의 발달로 인해 가전제품을 원격으로 조정함은 물론 사용자의 사용 패턴을 학습에 대한 관심이 증가
  • 사용 환경에 따른 패턴 학습을 위해 방대한 데이터(Big data)의 누적이 필요하고, 이를 체계적으로 정리 및 분류할 방법론(Machine learning)이 필요함


 

연구 목표 및 내용
  • 사용 환경 및 사용 패턴 학습을 이용한 쾌적 스마트제어 기술 개발
  • 실내/실외 온도, 습도, 청정도, 시각, 날씨, 재실인원, 생리신호, 운동량 등을 감지하여 사용자가 어떤 사용 패턴을 나타내는가를 학습하여, 사용자의 조작 없이 공조기가 자동으로 운전 조건을 설정함
  • 운전 조건에 따른 실내 온도 변화를 예측하여 쾌적성 및 절전 관점에서 가장 최적의 운전 조건을 찾음

3-6. 관련 연구 과제 : 건조 성능 계수를 이용한 과도상태에서의 히트펌프 의류 건조기 시뮬레이션 개발

연구 개발 배경
  • 국내의 의류 건조기 시장 규모는 주거 환경 변화, 대기 오염 심화, 실내 건조 위생 문제 등으로 크게 성장
  • 다양한 형식의 의류 건조기 중 히트펌프 건조기는 높은 에너지 이용 효율로 시장에서 크게 주목 받음
  • 하지만 사이클의 성능, 피건조물의 상태 등이 다양한 현상이 결합되어 있는 히트펌프 건조기의 경우 현재 설계 시 실험적 접근을 통해 이루어 지고 있어 개발에 많은 시간과 비용이 소요됨
  • 히트펌프 건조기에 적용 가능한 사이클 시뮬레이션 및 시스템 성능 예측 시뮬레이션을 개발함으로써 제품 개발에 소요되는 시간과 비용을 절감하고자 함

 

 
연구 목표 및 내용
- 과도 상태 건조기 사이클 해석 시뮬레이션 개발
- 건조 성능 데이터 베이스 구축 실험
- 건조 해석 모형 개발 및 상관 계수 도출
- 건조 성능 상관 계수와 과도 사이클 시뮬레이션 연동 해석
- 시스템 실험을 통한 시스템 성능 예측 결과 검증

4-1. 전자 장치 냉각

여름에 너무 더워서 일이 손에 잘 잡히지 않았던 기억이 있을 것입니다.
우리 몸은 적당한 체온에서 잘 움직일 수 있는데,
너무 더우면 체온이 올라가는 것을 냉각하기 위해 신체에서 다양한 일을 하기 때문입니다.
적당한 온도를 유지해 줘야 하는 것은 비단 사람의 몸 뿐이 아닙니다.
여러 전자 장치나 기계 장치들도 잘 작동하려면 적정한 온도를 유지 하여야 합니다.

따라서 많은 전자 장치들이 아래와 같이 열을 방출하는 장치들을 가지고 있습니다.
저희 실험실에서는 컴퓨터, 핸드폰, TV 등에 장착될 수 있는 차세대 냉각 장치를 만드는 연구를 하고 있습니다.

기계 열물성 측정

4-2. 관련 연구 과제 : 다양한 형상을 갖는 히트싱크의 성능 측정

연구 개발 배경
  • 소형화, 고성능화로 인한 전자 기기들의 발열량이 크게 증가
  • 냉각 시스템의 성능 향상과 함께 소형화를 위한 형상 최적화 필요


연구 목표 및 내용
- 다양한 형상의 핀을 갖는 원통형 자연 대류 히트싱크의 방열 성능 측정
  • 평판 핀, 삼각 핀, Branched fin 등 다양한 형상의 핀에 대한 방열 성능 측정 및 상관 관계식을 통한 형상 최적화

- Vibration-assisted Heatsink의 방열성능 측정
  • 진동을 이용하여 자연대류 히트싱크의 방열 성능 향상 유도
  • 다양한 진동 모드와 진폭에 대한 방열성능 측정 및 상관관계 분석을 통한 성능 최적화
기계 열물성 측정

5-1. 바닷물을 이용한 전력 생산

바닷물이 짭잘한 맛을 가지는 것은 바닷물 안에 나트륨, 염소등의 이온이 들어있기 때문입니다.
이러한 이온의 에너지를 활용하여 전기를 만들 수 있다면 어마어마한 양이 될 것입니다.

저희 연구실에서는 바닷물에 든 이온의 에너지를 추출하여 전력을 생산하기 위한 다양한 연구를 하고 있습니다.

기계 열물성 측정

5-2. 관련 연구 과제 : 능동형 이온수송을 이용한 역전기투석식 발전 개발

연구 개발 배경
  • 해수와 담수간의 이온 이송을 이용하여 많은 재생 에너지 생산 가능
  • 이산화 탄소 및 오염물질 발생 없는 환경 친화적 발전시스템
  • 에너지 생산이 시간에 따라 변하지 않고 예측 가능함


연구 목표 및 내용
- 내부 나노 채널을 가지는 박막 제조 및 표면 처리를 통한 발전 성능이 향상된 박막 제작
  • 전기화학 적 방식으로 나노 채널을 가지는 알루미나 박막 제조
  • Amino silane 및 Silica 코팅을 통한 이온 교환막 제작

- 나노 채널을 가지는 막의 특성 해석 모델 개발 및 박막 내부구조 형상 최적화
- 역전기 투석식 발전기 시제품 제작

3. 연구 과제

연구과제
연구 과제명 연구 기간 위탁 기관 연구책임자
고속철도 디스크 브레이크에서의 온도측정 1999.11 ~2002.10 한국철도기술연구원 유재석
기계 열물성 측정에 관한 연구 2001.07 ~2006.07 한국과학재단 유재석
유체 박막 내에서의 온도장과 두께에 대한 나노 스케일의 공간 해상도를 갖는 비접촉식 계측 방법의 개발 2004.04 ~2007.03 한국학술진흥재단 김현정
초미세 패턴 박막의 열물성 측정에 관한 연구 2006.03 ~2009.02 한국과학재단 유재석
이방성 물질 및 투과형 박막에 대한 열물성 측정 2009.05 ~2011.04 한국연구재단 김현정
Photothermal Imaging을 이용한 물질 공간분포 측정법 개발 2010.09 ~2013.08 한국연구재단 유재석
해수와 담수의 염도 차이를 에너지원으로 하는 나노 내부 구조를 가지은 역전기투석식 발전 시스템 개발 2010.09 ~2015.08 한국연구재단 김동권
해수와 담수의 수증기압 차이를 에너지원으로하는 마이크로/나노 윅을 이용한 새로운 발전 시스템 개발 2011.05 ~2014.04 한국연구재단 김동권
나노 채널에서의 능동형 이온이송을 이용한 발전기술 2011.09 ~2016.08 한국연구재단 김동권
이방성의 특징을 갖는 투명 전극 재료의 열전도계수 측정기술 개발 2013.11 ~2016.10 한국연구재단 유재석
사용환경에 따른 필터 성능 변화 파악 연구 2014.06 ~2014.12 삼성전자 윤백
가습기-공기청청 가습기 성능 결정 인자 분석을 통한 최적 설계 2014.06 ~2015.05 대영전자 윤백
광열효과를 이용한 단층촬영 기법에 대한 연구 2015.11 ~2018.10 한국연구재단 김현정
먼지종류에 따른 필터 성능 변화 측정 2015.05 ~2016.05 삼성전자 윤백
일체형 다단 반탄화로를 이용한 폐자원 활용 고형연료 생산기술 개발 2016.11 ~2018.10 (사)한국산학연협회 김현정
광열효과를 이용한 범용성 열물성측정 기술 개발 2017.06 ~2020.05 한국연구재단 유재석
MF 집진기의 부착먼지 제거성능평가 및 최적세척주기 예측기술 개발 2017.09 ~2018.09 삼성전자 윤백
건조 성능 계수를 이용한 과도상태 히트펌프 의류 건조기 시뮬레이션 개발 2018.01 ~2019.01 삼성전자 윤백
광열치료의 온도분포 최적화를 통한 종양 세포 사멸 제어에 관한 연구 2018.03 ~ 2020.02 한국연구재단 김현정
주택 열환경 시뮬레이션과 데이터 분류 기법을 이용한 가정용 에어컨의 고장 진단 알고리즘 개발 2018.04 ~2019.02 삼성전자 윤백

 

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