열및물질전달개론 21C 첨단과학기술에서 열및물질전달의역할 · 유체역학, 열및물질전달 화공열역학, 물리화학 유기화학, 화공기초실험,

Chonbuk National UniversityAdvanced Materials Processing Laboratory (AMPL)

열 및 물질 전달 개론

21C 첨단 과학 기술에서열 및 물질 전달의 역할

열 및 물질 전달 개론

21C 첨단 과학 기술에서열 및 물질 전달의 역할

한 윤 봉

전북대학교 화학공학부

한 윤 봉

전북대학교 화학공학부

2007. 08. 282007. 08. 28


“An Introduction to Mass and Heat Transfer”By Stanley Middleman, John Wiley & Sons (1997) – 교보문고

평가: 중간(35%), 기말(40%), 출석(5%) 과제물(10%), 퀴즈(10%)

21C 과학기술 패러다임21C 과학기술 패러다임Ⅰ.Ⅰ.


여러분의 꿈은 무엇인가요?

꿈은 포기하지 않을 때 이뤄진다.


세상을 변화시키는 사람

[꿈을 가진 사람]

세상을 변화시키는

과학기술


숙제#1: ‘나의 꿈’에 대한 Essay

내 인생의 목표와 비전은 무엇인가?

꿈을 이루게 위해 무엇을, 어떻게 할

것인가?

10년 후, 20년 후 나의 모습은?


자연 속에 숨겨진 비밀을

찾아내어 밝히는 것

과학이란 무엇인가?

자연 속에는 수많은 비밀들이 숨겨져 있습니다.

누구든지 찾는 자가 세상을 움직이는

위대한 과학자가 될 수 있습니다.


공학이란 무엇인가?

과학적 기본 원리들을 사용하여

물질과 에너지를

이용하는 법(기술)을 다루는 학문

우주의 3대 기본 요소:

시간, 공간, 물질(에너지)


자연속의 발견

만유인력: 물체간에 작용하는 서로 잡아당기는 힘.

뉴턴이 사과나무 아래에 있다가 사과가 떨어지는 것을보고 "지구가 사과를 잡아당긴다"라는 생각을 하여만유인력의 법칙 발견.

만유인력 =(두 물체의 질량의 곱) / (물체 간 거리의 제곱)


열역학 제1법칙 (보존법칙)에너지 보존법칙 : 우주 안의 에너지의 총량은 항상 일정질량 보존법칙 : 우주 안의 물질의 총량은 항상 일정

에너지와 물질은 스스로 창조되지도 소멸되지도 않음

E = MC2

solid

gas

liquid

자연 법칙자연 법칙

Chonbuk National UniversityAdvanced Materials Processing Laboratory (AMPL)고체 기체액체

(물질과 에너지)물질의 상태


(물질과 에너지)물질의 상태

고체 기체액체

?


Plasma ~ a collection of free charged particles moving random directions(electrically neutral)


시간

무질서

열역학 제2법칙

진화론

열역학 제2법칙열역학 제2법칙

우주 종말의 날 예고, 그 날은 하나님만이 알고 계심. 붕괴속도를 인간의 과학으로 예측할 수 없으며, 단지

하나님의 시간표에 의하여 결정됨.



Aging vs. Management


에너지.환경 문제


과학자가 될려면

실패를 두려워 말라.

실패가 많을 수록 성공확률은 더 높다.

관찰하고,

궁금해하고,

질문하고,

상상하고,

한 번 해봐라.


Richard P. Feynman in 1959(There is plenty of room at the bottom.)

Q: 직경이 1/16 inch (1.6 mm)인 못의 머리

위에 24권의 대영백과사전 내용을 기록할 수

있을까?

(힌트: 대영백과사전 전체면의 면적은 축구장 면적의 절반, 못의 직경의25,000배에 해당하는 면적)

* 1985년에 T. Newman이 전자빔을 이용해 기록, Feynman 상 ($1000) 수상.

가능할까요?



원자분자

MolecularASSEMBLER

빵, 고기, 옷, 차,

MP3, 휴대폰 등Everything imaginable

가능할까요?


자연속의 발견 (나노기술)


모든 물질은 원자로 구성, 물질의 특성은 원자의 결합에 따라 결정됨.


나노미터는 머리카락 굵기의 십만분의 1 제품을 만드는 방법


나노 기술 이란?

원자 ∙ 분자 단위를 제어하는 기술

어떻게제어하지?

Top-down (물리.화학적 방법)

Bottom-up(화학적 방법)


As-grown ZnO nanostructures


Continued …...


Applications of ZnO

Bio sensors

Hydrogen storageGas sensors


21C형 인재21C형 인재II.II.


21C 과학기술 목표 – 국가성장동력산업21C 과학기술 목표 – 국가성장동력산업

21세기 선진국가

창조적 기술 개발 및 혁신

지속발전 가능한 사회

(ET + NT)

건강한 생명사회

(BT + IT + NT)

유비쿼터스 네트워킹 사회

(IT + NT + BT)


기업이 바라는 인재기업이 바라는 인재

21세기 인재 (임관 삼성종기원 회장)21세기 인재 (임관 삼성종기원 회장)

- 21세기는 창의성이 요구되는 지식기반사회

- 창의적 인재 1명이 수 만명을 부양하는 사회

- 우리나라의 강점:

우수한 인적 자원 인재양성을 위한 사회적, 제도적 인프라 구축 절실

기업이 바라는 인재육성을 위한 공과교육 개선 내용기업이 바라는 인재육성을 위한 공과교육 개선 내용

- 창의력과 기업가 정신

- 의사소통/국제적 능력

- 팀웍 능력

- 학제간(융합) 사고 능력

인력 양성 교육 프로그램

변화에 잘 적응할 수 있는 인력

창조적 인재 양성

변화에 잘 적응할 수 있는 인력

창조적 인재 양성


국가가 바라는 인재 – 창조적 인재국가가 바라는 인재 – 창조적 인재

혁신주도형 경제성장과 국가 경쟁력 강화혁신주도형 경제성장과 국가 경쟁력 강화

※ 창조성은 독창적이고 사회적으로 유용한 성과를 창출하는 능력을 의미 (Sternberg, 1999)※ 창조성은 독창적이고 사회적으로 유용한 성과를 창출하는 능력을 의미 (Sternberg, 1999)

핵심연구인력핵심연구인력

독창적 연구성과를 창출하여

세계적 경쟁력 확보

미래 신기술ᆞ신산업 개척

독창적 연구성과를 창출하여

세계적 경쟁력 확보

미래 신기술ᆞ신산업 개척

산업기술인재산업기술인재

제품ᆞ공정혁신을 통해

고부가가치 창출

연구개발과 생산ᆞ경영을

전략적으로 통합

제품ᆞ공정혁신을 통해

고부가가치 창출

연구개발과 생산ᆞ경영을

전략적으로 통합

(연구현장)(연구현장) (산업ᆞ생산 현장)(산업ᆞ생산 현장)

과학기술 지식을기반으로 사회

각 분야의 혁신을선도

창조적 인재란?

참고: 국가과학기술자문회의 자료 (2005)

기술 패러다임의 변화와

화학공학 교육 특성화

기술 패러다임의 변화와

화학공학 교육 특성화

III.III.


화학공학 기술 패러다임의 변화화학공학 기술 패러다임의 변화

화석원료 중심의

중화학 산업구조

Chemical PlantsEnergy consuming industriesMass productionEnvironmental problems

20 세기

NT-based

융합기술

Environment- Friendly TechnologyFusion Technology (NT + IT + BT)Customer-oriented production

21세기

화학, 화학소재 기반


화학공학 교육의 New Paradigm화학공학 교육의 New Paradigm

화공양론, 반응공학

유체역학, 열 및 물질전달

화공열역학, 물리화학

유기화학, 화공기초실험,유기화학실험, 화학공학실험

IT NT

ETBT

교양필수 과목

MSC 필수

화학공학교육 특성화 모형 : 화학공학 + 첨단과학기술 분야


예 1) IT 분야 - 반도체/디스플레이예 1) IT 분야 - 반도체/디스플레이Plasma Chemistry and EngineeringThin Film ProcessingSurface & Interface Chemical KineticsNanochemical ProcessingSemiconductor Chemical ProcessingSemiconductor Devices Fabrication ProcessesProcess Control and Optimization

Organic ChemistryInorganic ChemistryThin Film ProcessingDisplay Materials Processing Display devices Fabrication ProcessesNanochemical Processing

열 및 물질전달

공정유체역학

반응공학

나노화학공정

공정제어/최적화


Organic materials and materials processing

Process control for catridge manipulation

Suface chemistry and microfluidics

Molecular biology and genetics

DNA chip

예 2) BT 분야 – DNA chip예 2) BT 분야 – DNA chip


Fuel cell vehicleProcess synthesis

Catalysis

Hydrogen production

Functional polymer

Electrochemistry

Fluid dynamics

예 3) ET 분야 – 수소/연료전지예 3) ET 분야 – 수소/연료전지

열 및 물질전달의 예열 및 물질전달의 예Ⅲ.Ⅲ.


NH3 + H2O NH4+ + OH‾ (2)

(CH2)6N4 + 6H2O 6HCHO + 4NH3 (1)

Zn2+ + 2OH‾ Zn(OH)2 (3)

Zn(OH)2 ZnO + H2O (4)

pH buffer to regulate pH

Growth of ZnO nanostructures in solution


Selective growth of ZnO nanorods on desired areas


ZnO NW transistors for flexible electronicsD. Janes, et al., nature nanotechnology, 2, 378 (2007)~ ZnO and In2O3 NW transistors

μeff = 514~300 cm2/Vs at Vg = 0~2V for In2O3 NWTsμeff = 96~70 cm2/Vs at Vg = 0~3V for ZnO NWTs

K = 81~83%ITO (Source/Drain), IZO (Gate)


Examples of mass transfer in microelectronicsExamples of mass transfer in microelectronics

Cu electrochemical deposition Cu grain growth


고분자 연료전지수소와 산소가 전기화학적으로 결합하며 물과 에너지를 생산하는 반응

Anode : H2 → 2H+ + 2eCathode : 1/2O2 + 2H+ + 2e → H2O

Overall reaction : H2+ 1/2O2 → H2O

Examples of mass transfer in leadingExamples of mass transfer in leading--edge technologyedge technology


Methanol 농도

Micro Fuel Cell

Potential


기상화학증착(CVD) 공정

Carrier Gas, Unreacted reactants, By-products

SubstrateNucleation & Island Adsorption & Migration

Gas phase reaction

Transport to surface Desorption

Transfer of by-product

Surface diffusion

Gas Phase

Main gas flow region

Carrier gas + Reactants


Glucose Detection(Mass Transfer & Electrochemical Reaction)

Glucose

Gluconic acid

GODox

GODredFe3+

Fe2+

e-

ZnO/Gold Electrode Surface

Voltage, E

Glucose oxidase (GOD) enzyme immobilized on the gold electrode is continuouslyreduced by electrons generated by the applied voltage.

The GOD then breaks into glucose and gluconic acid.At last due to the origination of different oxidative and reductive cyclic voltammetricpeaks, the glucose is detected by this procedure.

Recognition Transduction+ = Biosensor

항체-항원 반응

(Biological Detection)

Signal Transducer(Optical, Piezoelectric,

electrochemical methods)

- Glucose가 전극에 고정화된 GOD와반응, gluconic 산이 됨

- Glucose의 산화/환원반응시 발생하는전자를 전극에서 전류로 측정


Modified gold electrode by ZnO nanonails

Comparison of glucose sensors

The modified ZnO/Gold electrode provides electrons which reduce or oxidize GOD enzyme in presence of O2 or H2O2.

-Mass transfer of glucose to Gox layer

- Electron conduction through ZnO nanonails to the lectrode

GOx

Typical gold electrode

ZnOnanostructures


pH =7.4 PBS buffer, scan rate of 50 mV/s

0.13 V

0.35 V

pH=7.4, 3 mM glucose

H2O2 generation

Kmapp 14. 7mM

Sensitivity=24.613 μA/cm2.mMHigh detection limit 5 μM.

Umar and Hahn, J. Nanoscience & Nanotechnology. Submitted (2007)

(Oxn)

(Rdn)


Examples of heat transfer processExamples of heat transfer process

Heat exchanger Chemical vapor deposition


Examples of heat transfer in microelectronicsExamples of heat transfer in microelectronics

Micro-fluid system


Examples of Heat Transfer in microelectronicsExamples of Heat Transfer in microelectronics


Heat transer in LED packages

High power

Past Present

Indicator LEDs Illuminator LEDsAdvanced SMDIncreased efficacyHigh-power driveBatter heat managementBatter lumen maintenance

3mm, 5mm, SMDLow efficacy for illuminationVery low flux per deviceHigh degradation rates


Chip ≤ 0.35 Ⅹ0.35 ㎟

Input power ≈ 0.1-0.3 W

Luminous flux ≈ 0.5-3 lm

Chip ≥ 1 Ⅹ1 ㎟

Input power ≈ 1-5 W

Luminous flux ≈ 10-120 lm

-- High Power High Power LEDsLEDs

-- Conventional Conventional LEDsLEDs

Conventional and High Power Conventional and High Power LEDsLEDs


고출력고출력 LED LED 패키지의패키지의 지배방정식과지배방정식과 경계조건경계조건

-- 지배방정식지배방정식

-- 경계조건경계조건

10 Γ−= onqnq ii

2)( Γ−= ∞ onTThq bC

STMnq bii +−=

⎩⎨⎧

±==== ∞

ConductionforqSMConvectionforhTShM

0,0,

tTCQTk∂∂

=+∇ ρ2


입력전류에입력전류에 따른따른 온도온도 분포분포

고출력고출력 LED LED 신뢰성신뢰성 향상을향상을 위한위한 패키징패키징 기술기술

(a) Drive Current = 150 mA (b) Drive Current = 200 mA

(c) Drive Current = 250 mA (d) Drive Current = 300 mA


Heat Sink (PCB) Heat Sink (PCB) 형태에형태에 따른따른 영향영향

-- 해석에해석에 사용된사용된 여러여러 가지가지 Heat Sink Heat Sink 형태의형태의 고출력고출력 LED LED 패키지패키지

고출력고출력 LED LED 신뢰성신뢰성 향상을향상을 위한위한 패키징패키징 기술기술

(a) Square Type PCB Board - A

(d) Metal Board(c) Circle Type PCB Board

(b) Square Type PCB Board - BPCB

(FR-4)

Insulator

Al

Chonbuk National UniversityAdvanced Materials Processing Laboratory (AMPL)고출력고출력 LED LED 신뢰성신뢰성 향상을향상을 위한위한 패키징패키징 기술기술

Heat Sink Heat Sink 형태에형태에 따른따른 온도온도 분포분포 (350 (350 mAmA 인가인가))

(a) Square Type PCB Board - A

(d) Metal Board(c) Circle Type PCB Board

(b) Square Type PCB Board - B


Chemical Enginers make the world better and

more reliable.

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