이전 연구에서 우리는 나노구조와 화학연료의 동축 구조를 제작하여 이를 점화시켰을 때, 축방향으로 매우 빠르게 화학 반응이 전파되며, 이와 동시에 높은 비출력을 가지는 화학-전기 에너지를 생성할 수 있음을 증명하였으며, 이러한 현상을 열동력 파도로 명명하였다. 본 연구에서는 열동력 파도와 관련된 여러가지 물리적인 현상을 심도있게 다루려 한다. 나노구조의 다른 배열 상태에 따라 반응 전파속도, 에너지 생성 정도가 어떻게 달라지는지, 그리고 이와 동시에 발생하는 전기 신호와는 어떤 연관 관계가 있는 지를 연구하였다. 또한 이론적으로 온도 변화에 따라 달라지는 나노튜브와 화학연료의 성질, 대류와 복사에 의한 영향을 고려했을 때 열동력 파도의 전파 양상이 어떻게 달라지는 지를 규명하였다.
이전 연구에서 우리는 나노구조와 화학연료의 동축 구조를 제작하여 이를 점화시켰을 때, 축방향으로 매우 빠르게 화학 반응이 전파되며, 이와 동시에 높은 비출력을 가지는 화학-전기 에너지를 생성할 수 있음을 증명하였으며, 이러한 현상을 열동력 파도로 명명하였다. 본 연구에서는 열동력 파도와 관련된 여러가지 물리적인 현상을 심도있게 다루려 한다. 나노구조의 다른 배열 상태에 따라 반응 전파속도, 에너지 생성 정도가 어떻게 달라지는지, 그리고 이와 동시에 발생하는 전기 신호와는 어떤 연관 관계가 있는 지를 연구하였다. 또한 이론적으로 온도 변화에 따라 달라지는 나노튜브와 화학연료의 성질, 대류와 복사에 의한 영향을 고려했을 때 열동력 파도의 전파 양상이 어떻게 달라지는 지를 규명하였다.
There is considerable interest in developing energy sources capable of larger power densities. In our previous works, we proved that by coupling an exothermic chemical reaction with 1D nanostructures, a self-propagating reactive wave can be driven along its length with a concomitant electrical pulse...
There is considerable interest in developing energy sources capable of larger power densities. In our previous works, we proved that by coupling an exothermic chemical reaction with 1D nanostructures, a self-propagating reactive wave can be driven along its length with a concomitant electrical pulse of high specific power, which we identified as a thermopower wave. Herein, we discuss details about many different aspects of a thermopower wave. Different alignment degree in vertically aligned CNT films is evaluated in the reactive wave speed and correlated with its thermal reaction that affects the change in the magnitude of energy generation. The effects of the temperature-dependent properties of chemical fuels and CNTs are evaluated. Furthermore, we explore the convection and radiation portions in this thermal wave as well as the synchronization between the thermal reaction transfer and the oscillation of the electrical signal.
There is considerable interest in developing energy sources capable of larger power densities. In our previous works, we proved that by coupling an exothermic chemical reaction with 1D nanostructures, a self-propagating reactive wave can be driven along its length with a concomitant electrical pulse of high specific power, which we identified as a thermopower wave. Herein, we discuss details about many different aspects of a thermopower wave. Different alignment degree in vertically aligned CNT films is evaluated in the reactive wave speed and correlated with its thermal reaction that affects the change in the magnitude of energy generation. The effects of the temperature-dependent properties of chemical fuels and CNTs are evaluated. Furthermore, we explore the convection and radiation portions in this thermal wave as well as the synchronization between the thermal reaction transfer and the oscillation of the electrical signal.
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문제 정의
또한 모델링 과정에서 온도 변화에 따른 탄소나노튜브와 화학연료의 성질 변화, 그리고 대류, 복사 등의 열손실이 열동력 파도의 전파에 어떠한 영향을 미치는지를 연구하였다.
본 논문에서 우리는 열동력 파도 현상에 대해 구체적인 기작을 보고하였다. 탄소나노튜브의 정렬 구조가 열동력 파도의 전파 속도에 어떤 영향을 미치는지를 규명하였다.
이 논문에서는 주로 열동력 파도 현상의 생성 과정에 관여하는 중요한 요소들이 실제 에너지 전달에 어떠한 영향을 미치는 지를 연구하였다.
본 논문에서 우리는 열동력 파도 현상에 대해 구체적인 기작을 보고하였다. 탄소나노튜브의 정렬 구조가 열동력 파도의 전파 속도에 어떤 영향을 미치는지를 규명하였다. 또한 모델링 과정에서 온도 변화에 따른 탄소나노튜브와 화학연료의 성질 변화, 그리고 대류, 복사 등의 열손실이 열동력 파도의 전파에 어떠한 영향을 미치는지를 연구하였다.
제안 방법
두가지 방식으로 제작된 나노튜브에서 열동력 파도의 전파 속도가 다름이 측정되었다.
두번째로 열적 반응으로 인한 온도 변화에 따라 동적으로 달라지는 연료와 탄소 나노튜브의 속성이 열에너지 전파에 어떤 영향을 미치는 지를 규명하였다.
마지막으로 열동력 파도의 물리적 현상이 이 과정에서 생성되는 전기에너지 생성과 어떠한 상관 관계가 있는지를 구체적으로 논의하였다.
마지막으로 열에너지 전파와 전기 에너지 생성간에 어떤 상관관계가 있는지를 구체적으로 규명하였다.
두번째로 열적 반응으로 인한 온도 변화에 따라 동적으로 달라지는 연료와 탄소 나노튜브의 속성이 열에너지 전파에 어떤 영향을 미치는 지를 규명하였다. 세번째로 동축 구조안에서 대류, 복사 현상등으로 인해 열동력 파도 현상에서 어느정도의 에너지 손실을 가져 올 수 있는지를 이론적으로 밝혀내었다. 마지막으로 열에너지 전파와 전기 에너지 생성간에 어떤 상관관계가 있는지를 구체적으로 규명하였다.
열동력 파도 현상을 위한 나노 구조 형성을 위해 수직으로 정렬되어 있는 탄소나노튜브를 화학증착 방법을 이용하여 제작하였다. 제작 과정의 차별화로 야기되는 탄소나노튜브 정렬 정도의 차이는 열동력 파도의 축방향을 따르는 전파에 큰 영향을 끼칠 수 있음을 규명하였다.
온도 변화에 따른 성질을 고려하여 수행한 계산의 결과는 화학연료에서 방출되는 에너지 부분을 더한 일차원적인 열전도 방정식 만을 반영했었다.
우리는 탄소나노튜브가 성장하고 있는 중간에 10 분간격으로 물 거품을 주입시켜주는 방법으로 물 거품이 없을 경우보다 정렬 상태가 더 좋은 탄소나노튜브를 제작했다.
이를 위해 화학연료로 사용된 TNA 의 비열, 연소열, 열확산도, 무차원화된 연료의 비열과 방출되는 에너지의 계수인 베타(무차원화된 연료의비열:β = CpEa/QR, Cp:연료의 비열, Ea:연료 활성화 에너지, Q : 연료의 열에너지 방출량, R:이상기체상수) 의 값을 300 K 에서 3000 K까지 다양화하여 모델링 결과에 반영하였다.
제작 과정의 차별화로 야기되는 탄소나노튜브 정렬 정도의 차이는 열동력 파도의 축방향을 따르는 전파에 큰 영향을 끼칠 수 있음을 규명하였다. 탄소나노튜브의 정렬 정도를 다르게 하기위해 화학 증착 과정에서 주기적으로 물 거품(Water Bubbles)을 주입하는 방법을 사용하였다.(16) 물 거품을 주기적으로 주입하는 방식은 탄소나노튜브 성장 과정에서 비결정성 탄소를 제거해주고, 성장 길이를 향상시켜줌과 동시에 정렬 상태를 개선하는 효과를 보일 수 있다.
성능/효과
보조적인 대체 에너지 생성 방법으로 주목받는 열전기 현상과 화학 연료에서 생성 되는 연소 반응을 나노재료 (나노튜브 등)와 연료의 동축구조 (Core/Shell) 에 통합하여 큰 비출력의 에너지를 생성할 수 있음이 밝혀졌다.
이러한 이유로 대류와 복사 열손실은 많은 수의 탄소나노튜브와 화학연료의 동축 구조가 다중 구조로 정렬 되어 있을때는 열동력 파도의 속도를 결정하는 요인에서 작은 부분만을 차지한다는 결론을 내릴 수 있다.
제작 과정의 차별화로 야기되는 탄소나노튜브 정렬 정도의 차이는 열동력 파도의 축방향을 따르는 전파에 큰 영향을 끼칠 수 있음을 규명하였다.
탄소나노튜브 주변을 TNA(cyclotrimethylene-trinitramine) 라는 화학 연료로 코팅한 후 점화 반응을 일으키는 방식으로 최초의 열동력 파도 현상을 생성하였으며 또한 기존의 열전기 현상에서 예측할 수 있는 것보다 더 많은 양의 에너지를 생성할 수 있음을 증명하였다.
후속연구
위의 연구 내용들은 최근 새롭게 제안된 열동력 파도 현상을 보다 구체적으로 이해하고, 또한 그 효율성에 영향을 미치는 여러 요인들을 고려함에 따라 향후 전기 에너지 생성 및 열전파의 효율성을 높이는데에 기반이 될 수 있다. 이는 Microsystem을 위한 신개념의 에너지원, 기존의 에너지 생성 과정에서 발생하는 잔류연료를 이용하여 전체 효율을 향상시키는 새로운 방법으로 응용될 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
탄소나노튜브란 무엇인가?
탄소나노튜브는 얇은 단일 탄소의 단층들이 일차원적인 원통형 배열의 구조로 정렬되었을 때 생성되는 구조이다.(1) 이러한 독특한 구조로 인해 탄소나노튜브는 열적, 전기적, 광학적, 기계적으로 다른 재료들과 비교하여 더 나은 성질을 가지게 되며, 나노기술, 전기, 광학을 비롯한 다른 여러 분야에 응용될 수 있는 잠재적인 포텐셜을 가지고 있다.
본 연구에서 대류와 복사로 인해 생기는 열손실의 크기가 전파 속도에 영향을 주지 않은 이유는?
4 의 데이터를 비교했을 때, 대류와 복사로 인해 생기는 열손실의 크기는 전파 속도에 크게 영향을 주고 있지는 않음을 알 수 있다. 이는 대류와 복사로 인해 생성되는 열전달 손실이 인접해있는 다른 탄소나노튜브와 화학연료의 동축 구조에 다시 흡수되어 수직으로 정렬되어 있는 다중 구조를 따라 축 방향으로 전달되기 때문이다(Fig. 5).
탄소나노튜브의 이점은?
탄소나노튜브는 얇은 단일 탄소의 단층들이 일차원적인 원통형 배열의 구조로 정렬되었을 때 생성되는 구조이다.(1) 이러한 독특한 구조로 인해 탄소나노튜브는 열적, 전기적, 광학적, 기계적으로 다른 재료들과 비교하여 더 나은 성질을 가지게 되며, 나노기술, 전기, 광학을 비롯한 다른 여러 분야에 응용될 수 있는 잠재적인 포텐셜을 가지고 있다. 특히 탄소나노튜브는 전기 에너지와 열 에너지의 전달 및 조절에 있어서 많은 가능성을 보여주고 있다. 탄소나노튜브의 축방향으로 향상된 전기,(2,3) 열 에너지(4~6)의 전달성을 이용하여 발광 다이오드 (Light-Emitting-Diode), 전계효과 트랜지스터 (Field-Effect-Transistor), 열적 정류기 (Thermal Rectifier),(7) 포논 파동 길잡이 (Phonon Wave Guide)(8)와 같은 소자들의 개발이 진행중이다.
참고문헌 (26)
Dresselhaus, M. S. and Avouris, P., 2001, "Introduction to Carbon Materials Research," Top Appl Phys Vol. 80, No., pp. 1-9.
Ebbesen, T. W., Lezec, H. J., Hiura, H., Bennett, J. W., Ghaemi, H. F. and Thio, T., 1996, "Electrical Conductivity of Individual Carbon Nanotubes," Nature Vol. 382, No. 6586, pp. 54-56.
Ando, Y., Zhao, X., Shimoyama, H., Sakai, G. and Kaneto, K., 1999, "Physical Properties of Multiwalled Carbon Nanotubes," Int J Inorg Mater Vol. 1, No. 1, pp. 77-82.
Yu, C. H., Shi, L., Yao, Z., Li, D. Y. and Majumdar, A., 2005, "Thermal Conductance and Thermopower of an Individual Single-Wall Carbon Nanotube," Nano Lett Vol. 5, No. 9, pp. 1842-1846.
Adu, C. K. W., Sumanasekera, G. U., Pradhan, B. K., Romero, H. E. and Eklund, P. C., 2001, "Carbon Nanotubes: A Thermoelectric Nano-Nose," Chem Phys Lett Vol. 337, No. 1-3, pp. 31-35.
Sumanasekera, G. U., Pradhan, B. K., Romero, H. E., Adu, K. W. and Eklund, P. C., 2002, "Giant Thermopower Effects from Molecular Physisorption on Carbon Nanotubes," Phys Rev Lett Vol. 89, No. 16, p. 166801.
Kim, P., Shi, L., Majumdar, A. and McEuen, P. L., 2001, "Thermal Transport Measurements of Individual Multiwalled Nanotubes," Phys Rev Lett Vol. 8721, No. 21, p. 215502.
Takashiri, M., Takiishi, M., Tanaka, S., Miyazaki, K. and Tsukamoto, H., 2007, "Thermoelectric Properties of n-Type Nanocrystalline Bismuth-Telluride-Based Thin Films Deposited by Flash Evaporation," J Appl Phys Vol. 101, No. 7, p. 074301.
Zhao, X. B., Ji, X. H., Zhang, Y. H., Zhu, T. J., Tu, J. P. and Zhang, X. B., 2005, "Bismuth Telluride Nanotubes and the Effects on the Thermoelectric Properties of Nanotube-Containing Nanocomposites," Appl Phys Lett Vol. 86, No. 6, p. 062111.
Li, L., Yang, Y. W., Huang, X. H., Li, G. H., Ang, R. and Zhang, L. D., 2006, "Fabrication and Electronic Transport Properties of Bi Nanotube Arrays," Appl Phys Lett Vol. 88, No. 10, p. 103119.
Boukai, A. I., Bunimovich, Y., Tahir-Kheli, J., Yu, J. K., Goddard, W. A. and Heath, J. R., 2008, "Silicon Nanowires as Efficient Thermoelectric Materials," Nature Vol. 451, No. 7175, pp. 168-171.
Venkatasubramanian, R., Siivola, E., Colpitts, T. and O'Quinn, B., 2001, "Thin-Film Thermoelectric Devices with High Room-Temperature Figures of Merit," Nature Vol. 413, No. 6856, pp. 597-602.
Choi, W., Hong, S., Abrahamson, J. T., Han, J. H., Song, C., Nair, N., Baik, S. and Strano, M. S., 2010, "Chemically Driven Carbon-Nanotube-Guided Thermopower Waves," Nat Mater Vol. 9, No. 5, pp. 423-429.
Hata, K., Futaba, D. N., Mizuno, K., Namai, T., Yumura, M. and Iijima, S., 2004, "Water-Assisted Highly Efficient Synthesis of Impurity-Free Single- Waited Carbon Nanotubes," Science Vol. 306, No. 5700, pp. 1362-1364.
Parr, T. and Hanson-Parr, D., 1998, "RDX Ignition Flame Structure," Twenty-Seventh Symposium (International) on Combustion, Vols 1 and 2 Vol., No., pp. 2301-2308.
Oyumi, Y., 1988, "Melt phase Decomposition of RDX and Two Nitrosamine Derivatives," Propell. Explos. Pyrot. Vol. 13, No., pp. 42-47.
Liau, Y. C., Kim, E. S. and Yang, V., 2001, "A Comprehensive Analysis of Laser-Induced Ignition of RDX Monopropellant," Combust. Flame Vol. 126, No. 3, pp. 1680-1698.
Volkov, E. N., Paletsky, A. A. and Korobeinichev, O. P., 2008, "RDX Flame Structure at Atmospheric Pressure," Combust. Explo. Shock. Vol. 44, No. 1, pp. 43-54.
Richard E. Sonntag, G. J. V. w., 1991, Introduction to Thermodynamics: Classical and Statistical. 3rd ed ed., John Wiley & Sons:.
Begtrup, G. E., Ray, K. G., Kessler, B. M., Yuzvinsky, T. D., Garcia, H. and Zettl, A., 2007, "Probing Nanoscale Solids at Thermal Extremes," Physical Review Letters Vol. 99, No. 15, p. 155901.
Li, C. Y. and Chou, T. W., 2004, "Modeling of elastic Buckling of Carbon Nanotubes by Molecular Structural Mechanics Approach," Mechanics of Materials Vol. 36, No. 11, pp. 1047-1055.
Li, C. Y. and Chou, T. W., 2005, "Quantized Molecular Structural Mechanics Modeling for Studying the Specific Heat of Single-Walled Carbon Nanotubes," Physical Review B Vol. 71, No. 7, p. 075409.
Weber, R. O., Mercer, G. N., Sidhu, H. S. and Gray, B. F., 1997, "Combustion Waves for Gases (Le1) and Solids (L->infinity)," Proceedings of the Royal Society of London Series a-Mathematical Physical and Engineering Sciences Vol. 453, No. 1960, pp. 1105-1118.
Please, C. P., Liu, F. and McElwain, D. L. S., 2003, "Condensed Phase Combustion Travelling Waves with Sequential Exothermic or Endothermic Reactions," Combustion Theory and Modelling Vol. 7, No. 1, pp. 129-143.
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