온도 변화에 따른 La1-xSrxMnO3 (LSMO) 박막 열전도도와 LSMO와 SrTiO3 경계면 열저항

강준구,진형진,양임정 한국물리학회 2023 새물리 Vol.73 No.1

La0.88Sr0.12MnO3 (LSMO) thin films with different thicknesses were deposited using pulsed laser deposition. The thermal conductivity of the thin films was measured using the 3ω method from 100 K to 293 K. The thermal conductivity showed film thickness dependence. The interfacial resistance was separated from the measured thermal conductivity, resulting in the thermal conductivity of the LSMO film. The thermal conductivity of the LSMO film increased with temperature from 100 K to 293 K and showed a noticeable anomaly near 250 K. The interfacial thermal resistance between the LSMO thin film and the STO substrate decreased as temperature increased, particularly between 100 K and 150 K. The interfacial effect was found to be important in determining LSMO films up to 500 nm in thickness. 펄스 레이저 증착 방법을 이용하여 두께가 다른 La0.88Sr0.12MnO3 (LSMO) 박막을 증착하여 3ω법으로 100 K에서 293 K 영역에서 열전도도를 측정하였다. 측정한 열전도도는 박막 두께 의존성을 나타내었다. 박막과 기판 경계면 열저항을 측정한 결과에서 분리시키는 분석을 통하여 LSMO 박막의 열전도도와 경계면 열저항을 구하였다. LSMO 박막 열전도도를 나타내는 박막 내부 영역의 열전도도는 온도가 증가함에 따라 증가함을 나타내었고, 250 K에서 열전도도가 상대적으로 다르게 변하는 경향을 나타내었다. LSMO 박막과 STO 기판 사이 열저항은 온도가 증감함에 따라 감소하였고, 특히 100–150K 영역에서 급격히 감소하였다. 온도가 증감함에 따라 LSMO 박막과 STO 기판 경계면 열저항 효과는 줄어들지만 100–500 nm 두께의 LSMO 박막 열전도도에 경계면 열저항이 큰 영향을 미치는 것을 확인하였다.

열 저항특성을 고려한 지중송전관로 친환경 되메움재 개발

김대홍(Kim Daehong),오기대(Oh Gidae) 한국지반환경공학회 2011 한국지반환경공학회논문집 Vol.12 No.1

지중송전케이블의 송전용량은 케이블 또는 주변지반의 최대허용온도에 좌우되기 때문에 케이블 주위 되메움재는 운영기간동안 낮은 열 저항성을 유지하여야 한다. 케이블 주위에 발생된 열은 되메움재를 통해 즉시 주위에 발산시켜 제거하여야 하며, 그렇지 않으면 통상온도(50~60℃)에서도 열폭주에 의한 절연파괴에 이를 수 있다. 본 논문에서는 되메움재의 열 저항을 낮추기 위한 여러 가지 방법에 대해 논하였으며, 다양한 첨가제를 사용하여 시험을 수행함으로써 열 저항 효과를 측정하였다. 연구결과, 영광 동림천 모래의 경우 상대적으로 균등한 입도분포를 나타내는 모래로써 함수비가 증가함에 따라 열저항은 감소하는 경향을 나타내고 있으며, 특히 건조상태에서의 열저항치는 매우 높은 값(260℃-㎝/watt)을 보여주었다. 또한 진산 화강암 석분 및 모래-쇄석(A-2), 석분-쇄석 혼합재(E-1), SGFC(모래-자갈-플라이애시-시멘트 혼합재)의 경우 양호한 입도와 낮은 열저항(100℃-㎝/watt 건조시)을 보여주었으며, 이들 연구결과를 토대로 열저항이 낮고 환경친화적인 4가지 형태의 개선된 되메움재를 제시하였다. Because the allowable current loading of buried electrical transmission cables is frequently limited by the maximum permissible temperature of the cable or of the surrounding ground, there is a need for cable backfill materials to be maintained at a low thermal resistivity during the service period. Temperatures greater than 50℃ to 60℃ may lead to breakdown of cable insulation and thermal runaway if the surrounding backfill material is unable to dissipate the heat as rapidly as it is generated. This paper describes the results of studies aimed at the development of backfill material to reduce the thermal resistivity. A large number of different additive materials were tested to determine their applicability as a substitute material. The results of Dong-rim river sand (relatively uniform) show that as water content level increases, thermal resistivity tends to decrease, whereas the thermal resistivity on dry condition is very high value(260℃-㎝/watt). In addition, other materials(such as Jinsan granite screenings, A-2(sand and gravel mixture), E-1(rubble and granite screenings mixture) and SGFC(sand, gravel, fly-ash and cement mixture)) are well-graded materials with low thermal resistivity(100℃-㎝/watt when dry). Based on this research, 4 types of improved materials were suggested as the environmentally friendly backfill materials with low thermal resistivity.

유한요소 해석 및 적외선 이미지를 활용한 금형 가열 조립체의 접촉 열저항에 관한 연구

서보민,박창용 대한기계학회 2022 大韓機械學會論文集B Vol.46 No.8

Contact thermal resistance affects mold heating characteristics at a progressive glass molding press heating assembly. In this study, a mold heating assembly was set as a simple test facility, and the temperature changing characteristics were experimentally measured. A finite element method model was built for the assembly, and simulation was performed to estimate contact thermal resistance by matching the measured temperature change trend. The simulation confirmed that an accurate value of contact thermal resistant should be given to the model to fit calculated results to the measured temperature. Additionally, the contact thermal resistance was calculated from an experimental infrared image, and the results showed 3.75% difference from the estimated value by the model. Thus, the contact thermal resistance calculation method with the infrared image could be a useful to determine contact thermal resistance. 순차적 금형 가압 유리성형 공정을 위한 금형 가열장치는 다수의 부품으로 구성되어 접촉면에서 열저항이 금형가열에 영향을 준다. 본 연구에서는 금형 가열부를 실험장치로 구성하여 장치의 가열 특성을 파악하였다. 실험장치에 대한 유한요소 해석모델을 구축하고 계산된 온도를 측정 결과와 비교하여 접촉 열저항을 계산하였다. 해석모델의 다양한 입력값이 온도 예측에 미치는 영향을 파악하여 실험과 일치하는 해석을 얻기 위해서는 정확한 접촉 열저항 값이 입력되어야 함을 파악하였다. 또한, 실험을 통해 얻은 적외선 이미지를 이용하여 접촉 열저항을 구하였으며, 해석과 적외선 이미지를 이용한 접촉 열저항이 3.75%의 차이를 보여 적외선 이미지를 활용한 접촉 열저항 측정법이 유용함을 보였다.

사출금형의 열접촉 저항을 고려한 성형과정의 열-유동 연계해석

손동휘(Dong Hwi Sohn),김경민(Kyung Min Kim),박근(Keun Park) 대한기계학회 2011 大韓機械學會論文集A Vol.35 No.12

사출금형은 일반적으로 다수개의 부품을 조립하여 제작되며, 특히 성형부(Core/Cavity)가 금형 형판 내부에 조립되는 구조를 갖는다. 이러한 구조로 인해 금형 조립부 경계면에서는 열접촉 저항이 발생하여 금형 내부의 열전달 특성에 영향을 미치게 된다. 최근 금형의 열접촉 저항이 성형부의 온도분포에 미치는 영향을 수치적으로 예측하기 위한 선행연구가 수행되었으며, 본 연구에서는 이에 기반하여 열-유동 연계해석을 적용함으로써 금형 내부의 열접촉 저항이 사출성형시 유동특성에 미치는 영향을 분석하였다. 상기 해석결과와 실험결과와의 비교분석을 통해 금형의 열접촉 저항을 고려한 열-유동 연계해석이 기존의 해석방법과 비교할 때 사출성형 유동특성을 보다 향상된 신뢰성으로 예측할 수 있음을 확인하였다. Injection molds are generally fabricated by assembling a number of plates in which the core and cavity components are assembled. This assembled structure has a number of contact interfaces where the heat transfer characteristics are affected by thermal contact resistance. In previous studies, numerical approaches were investigated to predict the effect of thermal contact resistance on the temperature distribution of injection molds. In this study, thermal-fluid coupled numerical analyses are performed to take into account the thermal contact effect on the numerical evaluation of the mold filling characteristics. Comparisons with experimental results show that the proposed coupled analysis provides more reliable results than the conventional analyses in predicting the mold filling characteristics by taking into account the effect of thermal contact resistance inside the injection mold assembly.

결정구조 박막과 비정질 박막에서의 열 저항 비교

강준구,양호순,김종욱 한국물리학회 2010 새물리 Vol.60 No.4

To compare the interfacial thermal resistances of thin films with different crystallinity and crystal structures, we measured the thermal conductivities of Gd₂Zr₂O7, Y₂O₃, and diamond like carbon (DLC) thin films deposited on Al₂O₃substrate. Gd₂Zr₂O7 and Y₂O₃thin films are deposited by using an RF magnetron sputtering and DLC thin film is deposited with an ion gun method. The thermal conductivities of the thin films are measured by the 3ω method at the room tempera-ture. Thermal conductivities of all three thin films show a tendency of film thickness dependence. The thickness dependent thermal conductivity is understood with the interfacial effect between a thin film and a substrate. It is noted that the interfacial thermal resistance is related with the crystallinity and crystal structure of films. 서로 다른 구조를 가지는 박막의 경계면 열저항을 비교하기 위해 Al₂O₃기판 위에 증착시킨 Gd₂Zr₂O7 와 Y₂O₃그리고 DLC 박막의 열전도도를 측정하였다. Gd₂Zr₂O7, Y₂O₃박막은 RF 마그네트론 스퍼터링방법을 이용하여 증착하였고, DLC 박막은 이온건으로 성장시켰다. 모든 박막의 열전도도는 실온에서 3ω 방법으로 측정하였다. 박막의 열전도도는 박막의 두께가 얇아짐에 따라 감소하는 경향을 보이는데, 연전도도의 박막 두께 의존성을 경계면 열저항으로 이해하였다. 또한 각기 다른 종류의 박막의 경계면 열저항 값이 상이하게 나타나는데 이는 박막의 구조적인 차이가 경계면 열저항에 영향을 미치는 것으로 보고 그 결과를 해석하였다.

지중 유효 열물성 산정 및 지중열교환기 성능에 대한 보어홀 열저항의 영향

손병후(Byonghu Sohn) 한국지열·수열에너지학회 2012 한국지열에너지학회논문집 Vol.8 No.4

Geothermal heat pump(GHP) systems use vertical borehole heat exchangers to transfer heat to and from the surrounding ground via a heat carrier fluid that circulates between the borehole and the heat pump. An Important feature associated with design parameters and system performance is the local thermal resistances between the heat carrier flow channels in the borehole and the surrounding ground. This paper deals with the in-situ experimental determination of the effective thermal properties of the ground. The recorded thermal responses together with the line-source theory are used to determine the thermal conductivity and thermal diffusivity, and the steady-state borehole thermal resistance. In addition, this paper compares the experimental borehole resistance with the results form the different empirical and theoretical relations to evaluate this resistance. Further, the performance simulation of a GHP system with vertical borehole heat exchangers was conducted to analyze the effect of the borehole thermal resistance on the system performance.

주사탐침열파현미경을 이용한 1 차원 나노구조체의 정량적 열전도도 계측기법

박경배(Kyung Bae Park),정재훈(Jae Hun Chung),황광석(Gwang Seok Hwang),정의한(Eui Han Jung),권오명(Oh Myoung Kwon) 대한기계학회 2014 大韓機械學會論文集B Vol.38 No.12

본 연구에서는 나노스케일의 공간 해상도를 가지는 주사탐침열파현미경(scanning thermal wave microscopy, STWM)을 이용하여 1 차원 나노구조체의 열전도도를 정량적으로 계측하는 방법을 제시한다. 먼저, 1 차원 나노구조체의 열확산도를 계측하기 위한 STWM 의 원리를 설명한 후, 정량적인 열확산도계측을 위한 이론적 해석 과정을 설명한다. STWM 을 이용한 본 계측기법은 열파가 이동한 거리에 따른 상대적인 위상지연만을 가지고 열확산도를 계측하여 열전도도를 구하기 때문에 탐침과 나노구조체 사이의 열접촉저항 및 나노구조체와 열원간의 열접촉저항의 영향을 받지 않으며, 나노구조체에 인가되는 정확한 열유속을 구할 필요가 없다. 따라서 기존의 측정 기법들에 비해 계측이 매우 단순하면서도 정량적인 계측이 가능하다. We present a method to quantitatively measure the thermal conductivity of one-dimensional nanostructures by utilizing scanning thermal wave microscopy (STWM) at a nanoscale spatial resolution. In this paper, we explain the principle for measuring the thermal diffusivity of one-dimensional nanostructures using STWM and the theoretical analysis procedure for quantifying the thermal diffusivity. The SWTM measurement method obtains the thermal conductivity by measuring the thermal diffusivity, which has only a phase lag relative to the distance corresponding to the transferred thermal wave. It is not affected by the thermal contact resistances between the heat source and nanostructure and between the nanostructure and probe. Thus, the heat flux applied to the nanostructure is accurately obtained. The proposed method provides a very simple and quantitative measurement relative to conventional measurement techniques.

계면 열전달 매칭 기반 온도감응 열메타물질 열기능 제어

경대현(Daehyeon Kyeong),이현민(Haunmin Lee),최원준(Wonjoon Choi) 대한기계학회 2020 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2020 No.12

We propose the concept of phase change thermal metamaterial which is appropriate to manipulate the heat flux based on a specific temperature by controlling the interfacial thermal resistance. The phase change thermal metamaterial is a material capable of controlling the heat path in response to a specific temperature through a combination of a metal and a phase change material. Therefore, when the phase of materials is changed from solid to liquid or vice versa, the characteristics of the interface between the materials change continuously so that the interfacial thermal resistance acts as a more important factor. Because interfacial thermal resistance is mainly determined by the contact area and the degree of phonon scattering between the materials, it is conclusively related with the effective thermal conductivity in phase change material. Here, we demonstrated the impacts of the graphene nanofiller in phase change material and Layer-by-Layer coatings (MWCNT-PEI, MWCNT-PEI-Silane) via simulation tool and experimental setups using thermal unit-cell shifter which is proper to manipulate the interfacial thermal resistance, thereby optimally designing temperature responsive thermal metamaterals.

지중열교환기 설치 조건이 지중 유효 열전도도와 보어홀 열저항에 미치는 영향

임효재(Hyo Jae Lim),공형진(Hyoung Jin Kong),강성재(Sung Jae Kang),최재호(Jae Ho Choi) 대한설비공학회 2011 설비공학 논문집 Vol.23 No.2

A ground loop heat exchanger in a ground source heat pump system is an important unit that determines the thermal performance of a system and its initial cost. A proper design requires certain site specific parameters, most importantly the ground effective thermal conductivity, the borehole thermal resistance and the undisturbed ground temperature. This study was performed to investigate the effect of some parameters such as borehole lengths, various grouting materials and U tube configurations on ground effective thermal conductivity and borehole thermal resistance. In this study, thermal response tests were conducted using a testing device to 9 different ground loop heat exchangers. From the experimental results, the length of ground loop heat exchanger affects to the effective thermal conductivity. The results of this experiment shows that higher thermal conductivity of grouting materials leads to the increase effective thermal conductivity from 22 to 32%. Also, mounting spacers have increased by 14%.

분자동역학을 이용한 박막의 열경계저항 예측 및 실험적 검증

석명은,김윤영 한국전산구조공학회 2019 한국전산구조공학회논문집 Vol.32 No.2

Non-equilibrium molecular dynamics simulation on the thermal boundary resistance(TBR) of an aluminum(Al)/silicon(Si) interfacewas performed in the present study. The constant heat flux across the Si/Al interface was simulated by adding the kinetic energy inhot Si region and removing the same amount of the energy from the cold Al region. The TBR estimated from the sharp temperaturedrop at the interface was independent of heat flux and equal to 5.13±0.17 K·m2/GW at 300 K. The simulation result wasexperimentally confirmed by the time-domain thermoreflectance technique. A 90 nm thick Al film was deposited on a Si(100) waferusing an e-beam evaporator and the TBR on the film/substrate interface was measured using the time-domain thermoreflectancetechnique based on a femtosecond laser system. A numerical solution of the transient heat conduction equation was obtained usingthe finite difference method to estimate the TBR value. Experimental results were compared to the prediction and discussions on thenanoscale thermal transport phenomena were made. 본 논문에서는 비평형 분자동역학 시뮬레이션 기법을 사용하여 알루미늄 박막과 실리콘 웨이퍼 간 열경계저항을 예측하였다. 실리콘의 끝 단 고온부에 열을 공급하고, 같은 양의 열을 알루미늄 끝 단 저온부에서 제거하여 경계면을 통한 열전달이 일어나도록 하였으며, 실리콘 내부와 알루미늄 내부의 선형 온도 변화를 계산함으로써 경계면에서의 온도 차이에 따른열저항 값을 구하였다. 300K 온도에서 5.13±0.17m2·K/GW의 결과를 얻었으며, 이는 열유속 조건의 변화와 무관함을 확인하였다. 아울러, 펨토초 레이저 기반의 시간영역 열반사율 기법을 사용하여 열경계저항 값을 실험적으로 구하였으며, 시뮬레이션 결과와 비교검증 하였다. 전자빔 증착기를 사용하여 90nm 두께의 알루미늄 박막을 실리콘(100) 웨이퍼 표면에 증착하였으며, 유한차분법을 이용한 수치해석을 통해 열전도 방정식의 해를 구해 실험결과와 곡선맞춤 함으로써 열경계저항을 정량적으로 평가하고 나노스케일에서의 열전달 현상에 관한 특징을 살펴보았다.