학술논문
상변화 물질을 이용한 실외 디스플레이 열관리 시스템에 관한 연구 / A study on thermal management system of Outdoor Display using phase change material
Document Type
Dissertation/ Thesis
Author
Source
Subject
Language
Korean
Abstract
Compared to the conventional method of delivering information through people and voice, outdoor displays can deliver information easily and quickly and operate 24 hours a day. However, outdoor temperatures in summer are approaching 40°C due to global warming, and LCD (Liquid Crystal Display) exposed to high solar radiation for a long time have been damaged. It causes various problems like Blackening, Gravity Mura, Yellowing. As a result of an experiment that irradiate heat flux on a display, it is confirmed that a Blackening occurs when the temperature on the front of the display reaches above 68°C. Such display issues cause user inconvenience and economic loss, and affect display life. In order to solve heating problem, air-cooling and water-cooling methods are applied to outdoor display thermal management systems. However, it is difficult to apply to new outdoor display thermal management systems in Korea. Because foreign countries widely applied the patents for heat exchanger, air-cooling and water-cooling methods. Therefore, this study intends to develop a new outdoor display thermal management system (DTMS) without technology infringement by applying a phase change material. In order to develop a thermal management device, an 1st experimental study was conducted. First, in order to analyze the damage occurrence condition for the display panel, we studied the temperature range the damage occurs through an experiment. In addition, we compared the cooling performance of the air-cooling method and PCM cooling method after PCM (Phase Change Materials) cooling and the forced convection experiment. Through this process, we proved that PCM is a suitable material for outdoor display thermal management system. In the 2nd study, we studied to improve the cooling performance of PCM. To improve the cooling performance, we have increased amount of PCM in the 2nd research model and proposed to add fan and Trombe wall to PCM cooling system. Experiment and numerical analysis were conducted, and we compared the cooling performance based on the average temperature of the front of the display and energy consumption. In this process, it was confirmed that the cooling system adding fan and Trombe wall to PCM cooling system is suitable for the low-power thermal management system. However, the temperature stratification, a disadvantage of PCM, was also observed in the 2nd research model. We thought this phenomenon was caused by the slow flow rate of experimental model. Therefore, further research is required to increase the inlet flow rate of air. If this problem is solved, the PCM+fan cooling method and the PCM+Trombe wall cooling method could be evaluated as a low-power, high-efficiency thermal management device.
사람, 음성을 통해 정보를 전달했던 기존 방식에 비해 실외 디스플레이는 정보를 쉽고 빠르게 전달할 수 있으며 24시간 내내 작동 가능하다는 장점이 있다. 하지만 여름철 실외 기온은 지구 온난화로 인해 40℃를 육박하고 있으며, 장시간 높은 태양열에 노출된 액정 디스플레이에 손상이 생겨 여러 가지 문제가 발생하고 있다. 대표적인 현상으로는 흑화 (Blackening), 중력 무라 (Gravity Mura), 황변 등이 있는데, 실험 결과 디스플레이 전면부 온도가 68℃ 이상 올라갔을 때 흑화 현상이 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 이와 같은 디스플레이 이슈는 사용자의 불편과 경제적 손실을 야기하며 디스플레이 수명에 악영향을 미친다. 이러한 발열 문제를 해결하기 위해 공랭, 수냉식 냉각 방법이 실외 디스플레이 열관리 시스템에 적용되고 있는데, 외국에서 발행한 열교환기, 공랭, 수냉 방식 특허가 광범위하게 출원 되어있어 국내 신기술 개발에 적용시키기 어렵다. 따라서 본 연구에서는 기술 침해가 없는 새로운 실외 디스플레이 열관리 시스템(Display thermal management system, DTMS)을 위해 상변화 물질을 적용하여 효과적인 열관리 장치를 개발하고자 한다. 열관리 장치 개발을 위해, 1차 연구에서 실험연구가 수행되었다. 먼저, 디스플레이 패널에 대하여 손상 발생 조건을 분석하기 위해 손상이 발생되는 온도 범위를 실험을 통해 확인하였다. 또한 fan을 이용한 강제 대류 실험과 PCM 냉각 실험 결과를 비교하여 공랭 방식과 PCM 냉각 방식의 냉각 성능을 비교하였다. 이 과정에서 PCM이 열관리 시스템에 적합한 재료임을 입증하였다. 2차 연구에서는 PCM의 냉각 성능을 향상시키기 위한 연구가 수행되었다. 이를 위해 2차 연구 목업에서 PCM을 증량하였으며, fan과 Trombe wall 구조를 추가하는 방법이 제안되었다. 추가 방식에 대한 실험을 위해 2차 연구가 진행되었다. 연구를 위해 실험과 수치해석이 수행되었으며 흑화 현상 개선을 위해 디스플레이 전면부 평균 온도와 에너지 소모량을 기준으로 냉각 성능을 비교하였다. 이 과정에서 PCM에 fan과 Trombe wall을 추가한 냉각 시스템이 저전력 열관리 시스템에 적합함을 확인하였다. 하지만 PCM의 단점인 온도 층화 현상이 2차 연구 모델에서도 관측되었다. 이는 느린 유속으로 인한 현상으로, 유속 증가를 위한 추가 연구가 필요하다. 해당 문제를 해결한다면 PCM+fan 냉각 방식과 PCM+Trombe wall 냉각 방식이 저전력 고효율 열관리 장치로 평가될 수 있을 것이다.
사람, 음성을 통해 정보를 전달했던 기존 방식에 비해 실외 디스플레이는 정보를 쉽고 빠르게 전달할 수 있으며 24시간 내내 작동 가능하다는 장점이 있다. 하지만 여름철 실외 기온은 지구 온난화로 인해 40℃를 육박하고 있으며, 장시간 높은 태양열에 노출된 액정 디스플레이에 손상이 생겨 여러 가지 문제가 발생하고 있다. 대표적인 현상으로는 흑화 (Blackening), 중력 무라 (Gravity Mura), 황변 등이 있는데, 실험 결과 디스플레이 전면부 온도가 68℃ 이상 올라갔을 때 흑화 현상이 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 이와 같은 디스플레이 이슈는 사용자의 불편과 경제적 손실을 야기하며 디스플레이 수명에 악영향을 미친다. 이러한 발열 문제를 해결하기 위해 공랭, 수냉식 냉각 방법이 실외 디스플레이 열관리 시스템에 적용되고 있는데, 외국에서 발행한 열교환기, 공랭, 수냉 방식 특허가 광범위하게 출원 되어있어 국내 신기술 개발에 적용시키기 어렵다. 따라서 본 연구에서는 기술 침해가 없는 새로운 실외 디스플레이 열관리 시스템(Display thermal management system, DTMS)을 위해 상변화 물질을 적용하여 효과적인 열관리 장치를 개발하고자 한다. 열관리 장치 개발을 위해, 1차 연구에서 실험연구가 수행되었다. 먼저, 디스플레이 패널에 대하여 손상 발생 조건을 분석하기 위해 손상이 발생되는 온도 범위를 실험을 통해 확인하였다. 또한 fan을 이용한 강제 대류 실험과 PCM 냉각 실험 결과를 비교하여 공랭 방식과 PCM 냉각 방식의 냉각 성능을 비교하였다. 이 과정에서 PCM이 열관리 시스템에 적합한 재료임을 입증하였다. 2차 연구에서는 PCM의 냉각 성능을 향상시키기 위한 연구가 수행되었다. 이를 위해 2차 연구 목업에서 PCM을 증량하였으며, fan과 Trombe wall 구조를 추가하는 방법이 제안되었다. 추가 방식에 대한 실험을 위해 2차 연구가 진행되었다. 연구를 위해 실험과 수치해석이 수행되었으며 흑화 현상 개선을 위해 디스플레이 전면부 평균 온도와 에너지 소모량을 기준으로 냉각 성능을 비교하였다. 이 과정에서 PCM에 fan과 Trombe wall을 추가한 냉각 시스템이 저전력 열관리 시스템에 적합함을 확인하였다. 하지만 PCM의 단점인 온도 층화 현상이 2차 연구 모델에서도 관측되었다. 이는 느린 유속으로 인한 현상으로, 유속 증가를 위한 추가 연구가 필요하다. 해당 문제를 해결한다면 PCM+fan 냉각 방식과 PCM+Trombe wall 냉각 방식이 저전력 고효율 열관리 장치로 평가될 수 있을 것이다.