액체금속 기반 광열-전열 페이스트를 이용한 빛과 전기로 작동하는 이중모드 능동 해빙/방빙 시스템

국문 초록 (Abstract)

추운 환경에서의 표면 결빙은 교통, 항공, 야외 장비, 건축물, 산업 설비 등 다양한 분야에서 지속적인 안전 및 운영상의 문제를 야기한다. 본 연구에서는 Ga 기반 액체금속(Liquid Metal, LM)의 광열 및 전열 기능을 상호 보완적으로 통합한 이중 모드 해빙/방빙 플랫폼을 제시한다. 광열 구성요소는 미세화된 LM 미립자와 상변화물질(Phase Change Material, PCM)의 하이브리드 구조로 이루어져 있으며, 태양광을 효율적으로 열로 전환하는 동시에 계절 변화에 따라 잠열 흡수를 통해 표면 온도를 자기조절적으로 유지한다. 전열 구성요소는 LM의 연속상을 유지하도록 설계되었으며, Si 필러를 도입해 전기·열적 특성이 조절 가능한 인쇄형 줄 가열(Joule heating) 기능을 구현하였다. 두 구성요소 모두 우수한 유변학적 가공성을 갖는 점탄성 페이스트 형태로 제조되어, 다양한 기판에 직접적이고 맞춤형으로 적용할 수 있다. 두 시스템을 순차적으로 통합하였을 때, 본 플랫폼은 모사된 겨울 환경(흐린 날씨와 야간 조건 포함)에서도 빠른 표면 가열 및 효과적인 결빙 방지 성능을 안정적이면서 에너지 효율적으로 달성하였다. 간편한 적용성과 우수한 성능을 바탕으로, 본 시스템은 다양한 환경 및 운용 조건에서 실질적이고 효과적인 결빙 관리 솔루션을 제공할 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• 그림목차 ⅲ
• 국문초록 ⅵ
• 제 1 장 서론
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 해빙/방빙 전략 2
• 1.2.1 수동적(passive) 전략 2
• 1.2.2 능동적(active) 전략 2
• 1.3 광열 변환(Photothermal Conversion) 4
• 1.3.1 광열 변환 메커니즘 4
• 1.3.2 액체금속(Liquid Metal)의 광열 특성 4
• 1.3.3 상변화물질(PCM)의 광열 완충 특성 5
• 1.4 전열 변환(Electrothermal Conversion) 5
• 1.4.1 전열 변환 메커니즘 5
• 1.4.2 액체금속의 신축성 전열 히터 구현 특성 6
• 1.5 에폭시 매트릭스 기반 복합재료 시스템 6
• 1.6 연구 목표 7
• 제 2 장 실험 방법
• 2.1 Ga 필러(Ga Fillers) 제조 10
• 2.2 PCM 필러(PCM Fillers) 제조 10
• 2.3 PCM@Ga 하이브리드 필러 제조 10
• 2.4 광열 시스템(Photothermal System) 제작 11
• 2.5 전열 시스템(Electrothermal System) 제작 11
• 2.6 광열/전열 통합 시스템(Integrated Photo/Electro-thermal System) 제작 12
• 2.7 형태학적 분석(Morphological Observation) 12
• 2.8 유변물성 분석(Rheological Properties) 12
• 2.9 압축시험(Compression Test) 12
• 2.10 시차주사열량분석(Differential Scanning Calorimetry, DSC) 13
• 2.11 열전도도 측정(Thermal Conductivity Measurement) 13
• 2.12 가열 성능 평가(Heating Performance Evaluation) 13
• 2.13 해빙/방빙 성능 평가(De-icing and Anti-icing Tests) 14
• 제 3장 결과 및 고찰
• 3.1 하이브리드 필러의 설계 및 형태학적 분석 15
• 3.2 PCM@Ga 기반 복합체의 광열 가열 성능 평가 24
• 3.3 인쇄형 EGaIn 기반 전열 페이스트의 설계 및 물성 분석 36
• 3.4 형태/전압 변화에 따른 전열 패턴의 가열 거동 특성 42
• 3.5 광열-전열 통합 시스템의 가열 성능 평가 48
• 3.6 광열-전열 통합 시스템의 해빙/방빙 성능 평가 55
• 제 4장 결론 60
• 참고문헌 62
• 부록 67
• Abstract 73