I. 서 론
전통적인 냉각 방식은 냉장고, 에어컨 등에 사용되며, 압축기를 이용하여 냉매를 압축시켰다가, 팽창시킬 때 냉각되는 원리를 이용한다. 이는 움직이는 부품을 많이 포함하고 있고, 이로 인해 베어링 등의 부품의 마모로 인한 내구성의 한계가 있다. 한편 음파 등의 파동을 이용한 냉각 방식은 이에 비해 스피커 등을 구동하여 소리를 발생시키고, 파동에너지가 공기 등의 매질을 통과하여, 냉각을 해 주므로 압축기를 이용한 방식에 비해 구조가 단순한 장점이 있다.[1]
음향 냉각 또는 열음향 냉각 기술은 꽤 오래전부터 개발되어 왔다.[1] 최근 Sarpero et al.[2]은 음향 냉각장치에서 중요한 스택 형상의 최적화에 대한 연구를 발표하였다. Gökay와 Karabacak[3]은 기존에 주로 이루어졌던 Sine 파형 이외의 파들에 대하여 실험을 통하여 최적화 연구를 하였다. 이러한 음향 냉각 기술들은 주로 1 kHz 이내의 음파를 이용한 방식이며, 1 kHz 이상의 파를 이용한 연구는 미진한 상황이다. 주파수가 높아지면 이에 반비례해 파장이 짧아지게 되므로 전체적인 시스템의 크기를 줄일 수 있는 장점이 있다. 특히 20 kHz 이상의 파를 초음파라고 하며, 음파는 소리가 심하여 소음이 발생할 수 있는 반면, 초음파는 사람이 인식하기 어려울 정도로 조용한 장점이 있다.
한편 초음파는 다양한 산업 분야에 활용되고 있다.[4] 가공 분야로는 밀링(Milling), 드릴링(Drilling), Horning 등에 부가적으로 사용되며, 일반 산업용 및 가정용의 세정장치와 반도체 및 평판디스플레이 제조공정에도 활용 된다. Chen et al.[5]은 홀로그램 등에 활용될 수 있는 초음파를 이용한 미세 패턴 가공(Micro Texturing)에 대한 연구를 진행하였다. 본 연구팀에서는 1 MHz, 3 MHz급의 반도체 세정공정용 메가소닉을 연구하고 발표하였다.[6]
센서 용으로 보면 자동차의 거리 센서, 수중 음향 센서, 유량 센서 등의 기술도 다양하게 개발 되었다. Shao et al.[7]은 광섬유를 이용한 초음파 센서를 개발하였다. 초음파는 의료용으로도 활발한 연구가 이루어지고 있다. Lim[8]은 나노 단위의 세포외소포에서 다세포생물체까지 생체 입자를 조작하는 데 사용되는 단일 초음파 빔을 사용하는 단일 빔 음향 집게(Single Beam Acoustic Tweezers, SBAT)를 연구하였다.
그러나 음향 냉각 기술에 적용한 사례는 미진한 편이다. 본 연구팀에서는 초음파를 이용한 냉각에 사용할 수 있는 스택을 제작하여 발표하였다.[9] 이번에는 음향 냉각 장치의 스피커를 대체할 수 있는 초음파 발생장치를 개발하고자 하였다.
본 연구에서는 기존 연구들에 비해 주파수가 높은 파동에너지를 이용한 냉각 장치를 설계 제작하고자 하였다. 이를 위해 두가지 주파수를 이용한 파동 냉각 장치를 설계하고 제작하였다. 그리고 음향 냉각 실험을 수행하고 측정 데이터를 분석하였다. 이제 주파수를 올려서 초음파의 영역에서 작동하는 파동 발생장치를 설계하였다. 제작한 40 kHz 급의 웨이브가이드의 주파수를 측정하고 설계치와 비교 분석하였다.
II. 음향 냉각 실험
음향 냉각 장치의 기본적인 작동 원리는 Fig. 1에 나와 있다. 크게 파동 발생 장치인 스피커와, 공명관, 스택으로 구성되어 있다. 스피커에서 발생한 음파는 스택으로 전달되게 된다. 이때 스택 내부의 공기는 좌우로 진동하게 되며, 오른쪽으로 이동할 때는 단열 압축 그리고 왼쪽방향으로는 단열 팽창과정이 형성된다. 그러므로 이러한 미세한 공기들의 움직임들이 냉각사이클을 형성하게 되어 왼편은 저온부(QL) 오른편은 고온부(QH)가 형성되어 냉각을 할 수 있게 된다.
본 장에서는 385 Hz와 1,150 Hz 두 가지 주파수를 이용한 파동 냉각 장치를 제작하고 실험을 수행하였다. 공명관의 길이를 계산하기 위해 아래 식을 이용하였다.
여기서 v는 음속, f는 주파수, λ는 파장이다. 전체 공명관의 길이는 λ/4이어야 하며, 음속 v는 344 m/s(20 °C일 때)이므로 각각의 주파수에 대한 공명관의 길이는 Table 1과 같다.[10] 각각의 주파수에 대하여 제작한 파동 냉각 장치의 사진이 Fig. 2에 나와 있다. 그리고 스택의 사진이 Fig. 3에 나와 있다. 스택의 재질은 열전도도는 낮으며 열용량은 큰 재료인 카메라용 필름(두께 0.2 mm)을 선정하였고, 필름사이의 일정한 간격을 유지하며, 본드로 접착하기 용이한 지름 0.6 mm의 낚시줄을 사용하였다.[1]
Table 1.
Dimensions of resonator.
| Frequency | Resonator length | |
| Type 1 | 385 Hz | 223 mm |
| Type 2 | 1,150 Hz | 75 mm |
제작한 시스템의 성능을 측정하기 위해 Fig. 4와 같은 실험 장치를 구성하였다. 실험 장치는 전력계(Yokogawa, WT1800), Function Generator(GW Instek, AFG-2225), Amplifier(NF, HSA4101), Data Aquisition System(DAQ System, Agilent, 34970A) 등으로 구성되어 있다. Function Generator에서 원하는 주파수 파형을 발생시키고, 이를 증폭시켜서 스피커에 파워를 공급한다. 그리고 고온부와 저온부의 온도는 Thermocouple로 측정하여 DAQ 시스템을 통하여 획득하여, 컴퓨터 내에서 분석하였다.
Type 1(385 Hz)의 경우 단열을 하지 않은 상태에서 측정한 결과가 Fig. 5(a)에 나와 있고, 단열을 한 상태에서 측정한 결과는 Fig. 5(b)에 나와 있다. 단열을 하지 않은 경우 주변온도 23 °C 보다 낮은 4.5 °C를 달성하였고, 단열을 한 경우 4.7 °C의 냉각효과를 보였다(구동 전압, 1.5 V). Type 2(1,150 Hz)의 경우는 이보다 낮은 3.3 °C의 결과를 보여 주었다(주변온도, 23 °C, 구동 전압, 1.5 V).
III. 웨이브가이드 FEM 해석 및 제작
이번에는 앞 절에서 수행한 파동 냉각 실험 결과를 참고하여, 스피커를 대체할 수 있으며, 40 kHz 급의 주파수를 갖는 웨이브가이드를 개발하고자 하였다. 웨이브가이드의 구조 및 치수가 Fig. 6에 나와 있다. 웨이브가이드는 고리 형상(Ring-type)의 두 개의 압전소자[Lead Zirconate Titanate(PZT) Actuator, Φ 26 × 8 mm]로 구동된다. 압전소자에서 발생한 진동은 1단과 2단 웨이브가이드를 거치면서 진폭이 확대 된다. 그리고 마지막의 큰 원판의 상부에서 넓은 면적의 음압이 발생하게 되는 원리로 작동한다.
웨이브가이드를 설계하기 위해 유한요소해석(Finite Element Methods, FEM) 프로그램인 Ansys를 이용하여 상세 치수를 해석하였다. 우선 좌우 대칭이므로 한쪽 면을 2차원으로 모델링하고, Fig. 7과 같이 경계조건을 설정하였다. 32 kHz ~ 40 kHz까지의 범위에서 해석을 수행하여, 임피던스가 최대인 주파수를 구하고자 하였다. 임피던스는 전기 저항 R을 의미하며, 전압 V와 전류 I는 다음의 관계를 가진다.[11]
또한 전기 회로에서 발생하는 열은 아래 식에서 구할 수 있으며,
여기서 P는 전력을 의미한다.[11] 그러므로 동일한 구동 전압 V를 가정하면 저항이 최대일 때 전류가 최소가 되어 압전소자에서 발생하는 열을 최소화 할 수 있다. 이에 웨이브가이드를 설계할 때 최대 임피던스를 가지는 주파수를 선정하였다.
해석 결과 임피던스가 최대인 주파수는 Fig. 8(a)와 같이 35.5 kHz로 나왔으며, 실제로 시스템을 제작하여 임피던스 Analyzer(Agilent, 4294A)를 측정한 결과는 Fig. 8(b)와 같이 37.5 kHz로 나왔다. 그러므로 해석값과 측정값의 오차는 5.3 %였으며, 잘 일치함을 알 수 있었다. Fig. 9에 FEM 해석을 통하여 얻은 변위 해석 결과가 나와 있으며, 상단의 원형 판에서 골고루 변위가 발생함을 알 수 있었다. Fig. 1에 나와 있는 것처럼 냉각 성능은 공기의 움직임이 활발히 형성되어야 하므로, 본 해석의 결과가 의미가 있다. 마지막으로 Fig. 10(a)에는 제작한 웨이브가이드의 사진이 그리고 Fig. 10(b)에는 이를 구동하기 위한 발진장치(Electric Generator)의 사진이 나와 있다.
IV. 결 론
본 연구는 차세대 냉각 방식으로 연구되고 있는 파동 냉각 기술에 관한 것이다. 기존의 냉매를 이용한 압축식 냉각에 비해 다양한 장점을 지니고 있다고 보인다. 이에 385 kHz, 1,150 kHz 두가지 타입의 음향 냉각 장치를 제작하여 성능을 테스트 하였다. 그 결과 Type 1(385 Hz)의 경우 상온에서 단열을 한 경우 구동 전압이 1.5 V일 때 4.7 °C의 냉각효과를 보였다.
이러한 기초 결과를 활용하여, 이번에는 40 kHz 급의 웨이브가이드를 설계 제작하였다. 해석 결과 임피던스가 최대인 주파수는 35.5 kHz였고, 실험을 통해 측정한 결과는 37.5 kHz로 잘 일치함을 알 수 있었다(5.3 % 오차). 결론적으로, 향후 스피커를 대체할 수 있는 초음파 액츄에이터(Actuator)로 활용할 수 있을 것으로 판단된다. 또한 본 장비를 이용하여 냉각 실험을 진행하고, 에너지 효율을 향상 시킬 수 있는 설계 최적화를 수행할 계획이다.
