2.1 재료

방열판 Fig. 1과 같이 가로 31 mm, 세로 31 10 mm의 알루미늄 판을 사용하였다. 물질 제조에 필요한 시약으로는 PEI(Average Mn~60,000 by GPC, Average Mw~750,000 by LS, 50 wt. % in H2O, Sigma-Aldrich), MWCNT(MR99, Carbon Nano-material Technology Co., Ltd.), 에탄올(탈이온수, TRION)과 DI water를 사용하였다.

Fig. 1 Schematic of the heatsink design and thermocouple placement (CH; channel).

2.2 물질 제조

CO₂ 포집 및 성능을 극대화하기 위해 물질 개발을 수행하였으며, Fig. 2는 서포터 물질에 아민 물질을 함침 시킨 제조법으로 물리적 흡착제는 MWCNT와 화학적 흡착제인 아민계열의 물질인 PEI에 함침 하는 방법으로 물질 제조를 수행하였다. Fig. 2에서는 MWCNT-PEI 물질 제조 방법을 나타내고 있다. 물질 제조 1단계는 물질을 제조하는 단계로서 PEI와 에탄올을 1:1 비율로 추가하였으며, PEI의 높은 점도로인해 300 rpm의 기계적 교반기를 사용하여 2시간 동안 교반하였다. 2단계에서는 교반된 물질에 PEI의 비율에 0.2 wt%의 MWCNT를 추가하였으며 1단계와 동일한 조건으로 교반 후 초음파 분산기를 사용해 물질을 균질화 과정을 수행하였다. 3단계 Dip coating 과정으로 제조된 물질을 방열판의 표면에 코팅 과정을 거쳤으며, 이후 4단계 과정에서는 에탄올을 제거하기 위해서 MWCNT-PEI 분산 물질을 진공 오븐에 12시간 85℃로 가열하여 코팅된 방열판을 건조하는 과정으로 물질을 제조하였다.

Fig. 2 Preparation of MWCNT-PEI material and coating process for the functional heatsink.

2.3 실험 장치 구성

물질이 코팅된 방열판의 성능을 평가하기 위해서 두 가지 방식으로 실험을 수행하였다. Fig. 3에서는 방열판의 발열 성능을 평가하기 위한 실험 장치를 구성하였으며, Fig. 4에서는 방열판에 도포된 CO₂ 포집 용량 평가 장치를 구성하였다.

Table 1과 식(1)에서 전체 발열량이 정의되며, Table 1에서 T_b와 T_f는 LED의 후면부와 전면부 온도, T_i는 실내온도, T_p는 Plenum 영역의 온도이다. 이때, 하첨자는 각 변수의 의미로 f는 전면(Front), b는 후면(Back), i는 실내(Indoor), p는 Plenum에 해당하는 영역을 나타낸다. 식(2)의 h는 열전달계수(W/m²·K), A는 열전달 면적(m²)을 의미한다. 식(1)에서 Qf(W)는 LED 전면 발열량, Qb(W)는 LED 후면 발열이고 LED 전체 발열량은 Qt(W)을 나타낸다. 식(2)에서는 LED의 전면 및 후면에 발생하는 열전달 과정을 각각의 온도차와 열전달 계수를 바탕으로 계산한 결과를 합산하였으며, 본 연구에서는 방열판의 방열 성능 실험을 수행하기 위해서 100 W의 LED 모듈이 작동하였을 때, 발열량을 산출하기 위한 LED의 온도 상승량에 대한 평가를 수행하였다.

LED의 대류 열전달을 고려하여 발열량 산출을 통해서 100 W LED에서는 약 80%가 열원으로 방출되고 있다는 것을 알 수 있으며, 이를 통해서 Fig. 3과 같이 단열재와 80 W의 열원과 방열판으로 구성하였다. 방열판 온도 데이터를 측정하기 위해서 K-type 열전대를 사용하였으며, 온도 데이터 로거(Graphtec GL840-M)로 1 초마다 기록하였다. 기본 방열판과 히터 주변에 6개의 위치에 온도 데이터를 측정하였으며, 이때 온도가 가장 높은 CH1과 낮은 부분인 CH2를 열전대 측정 위치로 선정하여 방열 성능 평가 실험을 수행하였다.

CO₂ 포집 용량을 측정하기 위한 실험으로는 Fig. 4의 개략도에 나와 있는 CO₂ 포집 장치로 실험을 수행하였다. CO₂ 포집 챔버는 Stainless steel 304 장치를 사용하였다.⁽¹⁸⁾ 또한, 밸브 1,2,3을 열어서 내부의 공기를 제거하였으며, 모든 밸브를 닫은 후 레귤레이터를 사용하여서 CO₂ 가스를 5 bar로 저장 탱크에 채웠으며, 밸브 1과 2를 열어서 CO₂ 포집 챔버에 공급하였다. 물질이 도포된 방열판에 CO₂ 포집 중 진공 처리 후의 공기량은 무시하였으며, 방열판에는 CO₂가 없었다고 가정하였으며, CO₂ 포집용량을 계산하였다. 모든 테스트는 상온에서 수행하였으며, 1시간 동안 압력 변화가 0.001 bar 이내일 때 평형 상태에 도달한 것으로 간주하였다.

식(3)에서 하첨자 0과 t는 각각 초기 상태와 특정 상태를 의미하며 n0와 nt는 각 반응기의 시간에서 기체 상태로 존재하는 CO₂의 초기 몰수와 CO₂의 몰수를 나타낸다. (z_CO2)_O와 (z_CO2)_t는 각각 실험의 시작과 각 시간에 따라서 Soave-Redlich-Kwong(SRK) 식을 사용하여 계산된 기체 상태의 CO₂의 압축성 계수를 나타낸다. R, T는 기체 상수와 온도이다. (PCO₂)_O와 (PCO₂)_t는 초기압력과 특정 시간의 압력이며, 식(4)는 위의 변수를 이용해 특정 시간의 CO₂의 몰수를 계산한 식이다. msample은 샘플의 질량을 나타내며 α는 포집된 CO₂ 용량(mmol g^-1)으로 정의하며 식(5)는 흡착 용량 계산식이다.

Fig. 3 Schematic of the experimental setup of heat dissipation analysis.

Fig. 4 Experimental device for CO₂ capture tank.

3.1 방열판 발열 성능 평가 연구

제조된 LED 방열판의 열관리 성능을 평가를 수행하였으며, Fig. 6에서는 초기의 기본 방열판(Bare heatsink)과 MWCNT-PEI 물질을 도포한 방열판에 CO₂ 포집 유무에 따른 방열판을 10분간 가열하였을 때 온도 데이터 결과를 보여준다. 전반적으로 물질이 도포된 방열판이 기본 방열판보다는 온도 상승률이 더 낮음을 알 수 있다. 식물 생장에 사용되는 고강도 LED는 높은 전력 밀도로 인해 상당한 열을 발생시키며, 작동 중 표면온도는 80-100℃에 도달한다.⁽¹⁹⁾ 이러한 열 발생은 LED의 효율성과 수명에 모두 부정적인 영향을 미치므로 효율적인 열관리의 필요성으로 인해, LED 모듈 위에 CO₂ 포집 물질이 도포된 방열판을 적용하였다. Fig. 6에 80℃로 표시된 재생 온도는 CO₂ 탈착이 발생하는 지점을 나타내고 있으며, 4분 후 모든 방열판은 재생 온도(80℃)를 초과했으며 CO₂를 흡착한 방열판이 흡착하지 않은 방열판보다 온도 상승폭이 낮음을 알 수 있다. 이때 포집된 CO₂를 분리하기 위해서 80℃ 이상 열원이 필요하며 CO₂ 흡착제로부터 CO₂가 분리되는 과정에서 주변 열을 흡수하는 흡열 과정이 일어남으로 방열판의 성능이 향상됨을 알 수 있다. 또한, 4분일 때 측정 데이터를 비교해 보면 기본 방열판에 비해서 CO₂를 흡착한 방열판은 12 wt%와 16 wt%일 때 각각 21℃와 23.9℃의 온도 상승률이 더 낮음을 보여주었으며, 이는 CO₂를 흡착한 방열판이 CO₂가 분리되는 과정에서 방열판의 열의 흡수하는 흡열 과정이 일어나게 되면서 방열판의 냉각 효과가 상승한 것이라고 판단된다. 6분까지는 CO₂가 포집된 방열판 CO₂가 포집되지 않은 방열판의 온도차가 점진적으로 상승하였으나, 8분 이후에서는 CO₂가 포집된 방열판은 온도는 CO₂가 포함되지 않은 방열판과 12 wt%와 16 wt%일 때 18.7℃와 17.2℃로 온도 상승률의 차가 준다는 것을 알 수 있다. 이는 CO₂가 포집된 방열판에서 CO₂의 탈착이 완료되었다고 판단된다.

각각의 방열판의 초기 실험 및 재생 과정의 실험에서 10분간 가열하였을 때 최고온도를 결과를 보여준다(Fig. 7). 기본 방열판은 170℃로 가장 높은 온도를 기록하였으며, CO₂가 없이 적용된 12 wt%와 16 wt% MWCNT-PEI 방열판에서는 기본 방열판 대비 3.74%와 5.36%의 열관리 성능이 개선됨을 보여주었다. 반면, CO₂ 포함한 12 wt% 및 16 wt% MWCNT-PEI 방열판 조건에서는 6.41%와 9.99%의 성능이 개선됨을 보여주었으며, 이는 CO₂ 포집 및 탈착 효과로 인해서 온도 상승폭을 늦춰주는 효과를 보여준다. 이때 12 wt% 보다 16 wt% MWCNT-PEI 방열판은 CO₂가 흡착된 조건에서 가장 효율적인 열 관리 성능을 보여주었으며, 이는 방열판 핀 사이의 열전도가 더 잘 이루어져 방열판의 열 방출 성능을 향상에 효과적임을 시사한다.

발열 성능 평가 실험은 MWCNT-PEI 방열판의 물질 도포에 따른 발열 성능을 평가하였으며, CO₂ 탈착과정이 CO₂ 포집의 발열 특성을 활용하여서 열 방출을 향상시키며 열 관리 효율에 기여한다. 또한, CO₂가 분리되는 과정에서 방열판의 열을 흡수하는 흡열 과정이 일어나게 되어 방열판 냉각 효과가 상승됨을 알 수 있다.

Fig. 6 LED heat sink temperature according to CO₂ capture material application.

Fig. 7 Comparison of maximum temperature for different heatsinks.

3.2 CO₂ 포집 용량 평가 연구

본 연구에서는 MWCNT-PEI 방열판의 CO₂ 포집 물질의 탈착 횟수에 따른 CO₂ 포집용량 및 탈착률의 변화를 나타낸다(Fig. 8-Fig. 9). CO₂ 포집 용량 평가 실험(Fig. 4)에서 초기 단계에서는 CO₂의 흡착 속도가 빠르게 증가하였으나 시간이 경과함에 따라 약 1시간 동안 압력 변화가 0.001 bar 이내로 유지될 때 포화 상태에 도달하여 평형상태에 도달하였다고 판단하였다. Fig. 8은 초기 포집 상태와 재생 과정에서의 탈착 횟수에 따른 CO₂ 포집 용량의 변화를 보여준다. 초기 MWCNT-PEI 흡착제가 도포된 방열판은 12 wt%와 16 wt%의 포집 용량은 각각 4.25 mmol g^-1과 3.76 mmol g^-1이다. 이는 중량 대비 12 wt%에서 포집 용량이 높은 것을 알 수 있음을 의미한다. 그러나 탈착 횟수가 증가함에 따라서 초기 흡착제 사용 후 CO₂ 포집 용량이 급격히 감소하여 12 wt%는 1.22 mmol g^-1과 16 wt%은 0.77 mmol g^-1로 포집 용량이 감소하였으며, 이후 재생실험에서는 감소율이 완화되었다. Fig. 9는 탈착 횟수에 따른 CO₂ 탈착률을 보여준다. 초기 단계에서는 두 조건 모두 100%의 탈착률을 보였으나, 1회 재생 이후 12 wt%와 16 wt% 조건 모두 30% 이하로 탈착률이 감소하였다. 이는 CO₂ 포집 능력이 반복 사용으로 인해서 감소하는 경향을 보이지만, MWCNT-PEI 기반의 CO₂ 포집 소재가 초기 흡착 용량이 우수하여 CO₂ 포집 소재로서의 활용 가능성이 충분히 있음을 보여준다.

Fig. 8 CO₂ capture capacity of the number of desorption cycles.

Fig. 9 CO₂ desorption ratio of the number of desorption cycles.