다상유동은 두 개 이상의 상(phase)이 동시에 존재하는 유동 현상을 의미하며, 본 연구실에서는 특히 미세구조 표면에서의 비등 열전달 특성에 중점을 두고 있습니다. 미세구조 표면은 모세관 압력, 표면 장력, 그리고 표면의 젖음성 등 다양한 물리적 특성이 복합적으로 작용하여, 비등 현상에서의 임계열유속(Critical Heat Flux, CHF)과 열전달 계수(Heat Transfer Coefficient, HTC)를 크게 향상시킬 수 있습니다. 연구실에서는 다양한 미세구조(마이크로필라, 마이크로채널, 사각공동 등)를 설계하고, 이들 표면에서의 액체-기체 상전이, 기포 발생 및 성장, 그리고 기포의 이탈 메커니즘을 실험적으로 분석합니다. 특히, 고속 카메라와 방사광 X-선 영상 기법을 활용하여 미세구조 표면에서의 액체-기체 계면 거동을 정밀하게 관찰하고, 이를 통해 비등 열전달의 미세 메커니즘을 규명합니다. 또한, 다양한 표면 젖음성(친수성, 소수성, 이종 젖음성 패턴 등)이 비등 열전달에 미치는 영향을 체계적으로 분석하여, 최적의 표면 설계 방안을 도출하고 있습니다. 이러한 연구는 전자기기 냉각, 에너지 시스템, 고출력 열교환기 등 다양한 산업 분야에서의 열관리 기술 발전에 기여할 수 있습니다. 나아가, 미세구조 표면에서의 비등 현상은 단순한 열전달 향상을 넘어, 임계열유속의 극대화, 표면 오염 방지, 그리고 시스템의 신뢰성 향상 등 다양한 부가가치를 창출할 수 있습니다. 본 연구실은 실험적 연구와 더불어 수치해석 및 이론적 모델링을 병행하여, 다상유동 및 비등 열전달 분야에서 세계적인 연구 성과를 창출하고 있습니다.

그래핀과 같은 나노소재는 우수한 열전도도와 독특한 표면 특성으로 인해 차세대 열전달 소재로 각광받고 있습니다. 본 연구실에서는 그래핀 산화물(GO), 환원 그래핀 산화물(rGO) 등 다양한 형태의 그래핀을 이용하여, 표면 개질 및 코팅을 통한 비등 열전달 성능 향상 연구를 수행하고 있습니다. 그래핀 코팅 표면은 기포 발생 밀도 증가, 조기 핵비등(onset of nucleate boiling) 유도, 그리고 임계열유속의 극적인 향상 등 다양한 이점을 제공합니다. 특히, 그래핀의 2차원 라미네이트 구조와 3차원 다공성 네트워크 구조를 표면에 형성함으로써, 표면의 열전도도와 기포 거동을 동시에 제어할 수 있습니다. 실험 결과, 그래핀 코팅 두께, 구조적 특성, 그리고 표면의 방향성에 따라 열전달 계수와 임계열유속이 크게 달라짐을 확인하였으며, 이를 바탕으로 최적의 그래핀 코팅 조건을 제시하고 있습니다. 또한, 그래핀 코팅 표면에서의 비등 현상은 기존 금속 표면과는 다른 독특한 열전달 메커니즘을 보이며, 이를 고속 영상 및 열적 분석을 통해 규명하고 있습니다. 이러한 연구는 고출력 전자기기, 차세대 냉각 시스템, 에너지 저장장치 등 다양한 응용 분야에서의 열관리 기술 혁신에 기여할 수 있습니다. 본 연구실은 그래핀 및 나노소재의 물리적, 화학적 특성을 심도 있게 분석하고, 이를 실제 열전달 시스템에 적용함으로써, 나노공학과 기계공학의 융합적 연구를 선도하고 있습니다.

최근 본 연구실에서는 방사광 X-선 영상 기법과 인공지능(특히 인공 신경망) 기법을 결합하여, 기존의 광학적 한계로 관찰이 어려웠던 미세 열유동 현상을 정밀하게 해석하는 연구를 진행하고 있습니다. 방사광 X-선 영상은 미세채널 내부의 액체-기체 계면, 기포의 생성 및 이동, 그리고 접촉선의 동적 거동 등을 고해상도로 시각화할 수 있는 첨단 기술입니다. 이를 통해, 기존 실험 방법으로는 파악하기 어려웠던 다상유동의 복잡한 물리적 현상을 정량적으로 분석할 수 있습니다. 더불어, 인공지능 기법을 활용하여 대량의 실험 데이터를 효율적으로 분석하고, 열유동 현상의 패턴을 자동으로 추출 및 예측하는 연구도 병행하고 있습니다. 예를 들어, ChatGPT와 랜덤 포레스트(Random Forest) 등 다양한 AI 모델을 적용하여, 미세구조 표면에서의 비등 및 기포 거동을 3차원적으로 모델링하고, 실험 결과와의 상관관계를 도출하고 있습니다. 이러한 AI 기반 해석은 기존의 경험적, 이론적 모델의 한계를 극복하고, 복잡한 열유동 시스템의 최적 설계 및 제어에 큰 도움을 줍니다. 이와 같은 첨단 융합 연구는 미래형 열관리 시스템, 고효율 에너지 변환 장치, 그리고 미세유체공학 등 다양한 분야에서의 혁신적 기술 개발로 이어질 것으로 기대됩니다. 본 연구실은 실험, 영상 분석, 인공지능 해석을 유기적으로 결합하여, 열유동 현상 해석의 새로운 패러다임을 제시하고 있습니다.