Towards Monolithic Branching-Heat-Pipe Radiators Produced with Laser Powder Bed Fusion: Effects of Print Orientation and Surface Oxidation on Wick Performance

기술 요약: 레이저 분말 침대 융해 방식(LPBF)으로 제작된 단일 구조 분기형 히트 파이프 방열판을 향하여

문제 제기
적층 제조(AM), 특히 레이저 분말 침대 융해(LPBF) 방식은 핵 전기 추진(NEP) 시스템을 위한 히트 파이프 방열판과 같은 내장형 열 관리 솔루션을 갖춘 단일 구조 부품을 제작할 수 있는 잠재력을 제공한다. 이전 연구들이 단일 구조 히트 파이프 방열판 제작의 타당성을 입증했으나, 다양한 빌드 방향에 따른 위크(wick) 구조의 제조 가능성과 성능에 대해서는 여로 핵심적인 공백이 남아 있었다. 기존 설계는 위크가 다양한 각도(예: 45도 분기)로 인쇄되는 분기 기하학적 구조를 요구하는 경우가 많지만, 인쇄 방향이 위크 성능에 미치는 영향은 알려지지 않았다. 또한, 고온 산화가 표면 질감을 변화시킨다는 관찰 결과에도 불구하고, 인쇄 후 산화가 모세관 현상에 미치는 영향에 대한 체계적인 평가는 이루어지지 않았다. 본 연구는 인쇄 방향과 산화가 Inconel 718 히트 파이프 위크의 제조 가능성 및 위킹(wicking) 성능에 미치는 영향을 조사함으로써 이러한 공백을 해결하고자 한다.

연구 방법론
본 연구는 실제 히트 파이프 기하학적 구조를 더 잘 모사하고, 평판이나 전체 실린더 형태보다 유체 전선 추적을 용이하게 하기 위해 반원통형 시편 설계(높이 80mm, 외경 5mm)를 활용하였다. 사전 연구를 바탕으로 두 가지 별도의 위크 생성 전략을 평가하였다:

1. 래스터(Rastered): 레이저 해치 패스(hatch pass) 간격을 조절하여 미세 공극을 생성함으로써 다공성을 생성함.
2. 소터링(Sintered): 안정성을 유지하면서 상호 연결된 다공성 구조를 만들기 위해 레이저 체적 에너지 밀도를 낮추어 다공성을 생성함.

시편은 Inconel 718 분말을 사용하여 400W GE Additive Concept M2 장비로 제작되었다. 실험 설계에는 다섯 가지 요인이 포함되었다:

• 인쇄 방향: 수직(0°), 경사(45°), 수평(90°)을 포함하며, 상향(up-facing) 및 하향(down-facing, 오버행) 조건을 모두 포함함.
• 위크 두께: 0.4mm, 0.6mm, 1.0mm.
• 레이저 파라미터: 래스터 위크를 위한 해치 간격 변화 및 소터링 위크를 위한 레이저 출력 변화.
• 후처리: 인쇄 상태(as-printed) 대 산화 상태(1000°C, 개방형 가열로에서 40분간 처리).
• 작동 유체: 탈이온수(DI water) 및 에탄올.

위크 성능은 $K$(투과율)를 $r_{eff}$(유효 기공 반경)로 나눈 값인 **성능비(Performance Ratio, PR)**로 정량화되었다. 이 지표는 고속 DSLR 이미징을 통해 유체 전선 높이를 추적하고, 힘 균형 모델(모세관력 대 중력 및 점성 항력)을 사용하여 도출된 유체 전선 상승 속도 실험으로부터 얻어졌다. 제조 가능성은 광학 및 주사 전자 현미경(SEM)을 통해 완전한 구조부터 완전한 파손에 이르는 결함을 분류함으로써 평가되었다.

주요 결과

• 제조 가능성 및 결함: 결함의 심각도는 방향과 전략에 따라 크게 달라진다. 하향(오버행) 방향, 특히 -90°에서 가장 높은 결함률을 보였다. 두꺼운 위크(1.0mm)는 얇은 위크(0.4mm)보다 일관되게 낮은 결함률을 나타냈다. 소터링 위크는 모든 방향에서 래스터 위크에 비해 더 높은 견고함과 낮은 결함률을 보였다.
• 방향 의존적 성능: 최적의 인쇄 방향은 위크 전략에 따라 결정된다:
  • 래스터 위크: 수직(0°) 방향에서 최고의 성능을 보였다. 성능은 각도가 수평에 가까워질수록 저하되었다. 이는 래스터 구조의 "채널형" 구조가 수직 흐름 경로와 정렬되어 있기 때문이다.
  • 소터링 위크: 수평(90°) 방향에서 최고의 성능을 보였다. 이는 소터링 위크가 Z-방향보다 X/Y 방향에서 투과율이 더 높다는 기존 시뮬레이션 결과와 일치한다.
  • 경사 방향: 래스터 위크는 45° 각도에서 소터링 위크보다 높은 성능비를 보였으나, 결함률이 현저히 높았다.
• 다공성 대 성능: 레이저 파라미터와 방향에 따라 다공성이 변하지만, 다공성 그 자체는 성능비의 약한 예측 인자이다. 흐름 경로의 형태와 연결성(전략 및 방향에 의해 결정됨)이 더 중요한 결정 요인이다.
• 산화 효과: 인쇄 후 산화는 탈이온수의 위킹 성능을 유의미하게 향상시켰는데, 이는 친수성 산화층이 형성되어 접촉각을 줄이고 모세관 압력을 높였기 때문으로 보인다. 그러나 이미 Inconel 718 표면을 효과적으로 적시는(접촉각이 거의 0에 가까운) 에탄올의 경우, 성능 향상이 관찰되지 않았다. 실제로 소터링 위크의 경우, 에탄올에 대한 산화는 산화층이 가용 유체 부피를 줄임으로써 성능을 통계적으로 유의미하게 감소시키는 결과를 초래했다.

의의 및 주장
저자들은 본 연구가 복잡한 분기형 기하학적 구조를 가진 단일 구조 히트 파이프를 위해 단일한 균일 위크 전략은 불충분하다는 점을 확립한다고 주장한다. 대신, 설계 최적화는 각 세그먼트의 특정 빌드 방향을 고려해야 한다. 본 연구는 하이브리드 전략—수직 구간에는 래스터 위크를 사용하고, 수평 또는 수평에 가까운 구간으로 전환될 때 소터링 위크를 사용하는 방식—을 활용하여 전체 시스템 성능을 극대화할 수 있음을 시사한다.

또한, 본 논문은 인쇄 후 산화가 초기 젖음성이 낮은(Inconel 718에 대한 물과 같은) 작동 유체에 대해 모세관 작용을 향상시키는 실행 가능하고 저비용의 전략이 될 수 있다고 상정한다. 반면, 높은 고유 젖음성을 가진 유체(에탄올과 같은)의 경우 산화는 이점이 없으며 오히려 해로울 수 있다.

본 연구의 결과는 LPBF 방식의 히트 파이프 방열기 설계자들이 제조 가능성(오버행에서의 결함 최소화)과 열 성능(방향별 특화 전략 및 표면 처리) 사이의 균형을 맞추기 위한 프레임워크를 제공한다. 본 연구는 LPBF가 경량화된 고성능 열 관리를 위한 유망한 기술이지만, 이를 실현하기 위해서는 공정 파라미터, 방향별 설계, 그리고 표적화된 후처리를 통합하는 총체적인 접근 방식이 필요하다는 결론을 내린다.