초록 ▼

핵심기술
광대역 환경에서의 이용 적합성을 확보한 고효율 복합 열전 모듈 개발
최종목표
◦ 광대역 복합 열전발전 모듈 개발
- 복합열전모듈에 최적화된 중온(450K 이상) 및 중고온용 고효율 열전변환소재 개발 (목표 개발성능: ZT≧1.3)
- 에너지 변환효율 12% 이상의 광대역 열전발전 모듈 개발
개발내용 및 결과
◦ LAST 계, TAGS 계, Mg 계, Zn 계 등과 같은 금소계신 열전소재 개발 및 제조 공정 개발 (세계최고성능 물질 4종 개발 : BiTe계 포함)
-n형 중온용 열

핵심기술
광대역 환경에서의 이용 적합성을 확보한 고효율 복합 열전 모듈 개발
최종목표
◦ 광대역 복합 열전발전 모듈 개발
- 복합열전모듈에 최적화된 중온(450K 이상) 및 중고온용 고효율 열전변환소재 개발 (목표 개발성능: ZT≧1.3)
- 에너지 변환효율 12% 이상의 광대역 열전발전 모듈 개발
개발내용 및 결과
◦ LAST 계, TAGS 계, Mg 계, Zn 계 등과 같은 금소계신 열전소재 개발 및 제조 공정 개발 (세계최고성능 물질 4종 개발 : BiTe계 포함)
-n형 중온용 열전소재: LAST계 화합물: ZT=1.4
-n형 중온용 열전소재: Mg2Si계 화합물: ZT=1.0
-p형 중온용 열전소재: AgSbTe2계 화합물: ZT=1.78
-p형 중온용 열전소재: TAGS계 화합물: ZT=1.39
-p형 중온용 열전소재: Zn4Sb3계 화합물: ZT=1.53
◦ Perovskite계 산화물 열전특성 조율 개념 확립 (proof-of-concept) 및 소재 탐색
-n형 ZT=0.56(pt적용시), p형 ZT=0.1 획득
◦ 열전물성 측정의 신뢰성 확보를 위한 표준화 공정 확립
◦ 고 내열성 및 고 절연성 폴리이미드/실리카 나노 복합 재료 개발을 통한 복합 모듈 구성 기술 개발
◦ 전산모사를 이용한 이종 전극층 최적구조 설계 기법 개발
◦ 이종소재 접합 및 저손실 전극 구성 기술 개발
◦ 발전모듈 단위체 설계 및 성능예측 기술 개발
◦ 열해석을 통한 고효율 복합 열전모듈 설계
◦ 고효율 복합 열전모듈 제작 및 출력 측정
◦ 세계 3번째로 복합열전모듈 제작 및 효율 12.1% 획득
기술개발배경
◦ 열전발전은 저온의 저급열에너지와 소규모 분산형의 열에너지를 유지비 없이 직접전기에너지로 변환할 수 있는 유일한 발전방식으로 산업배/폐열 및 수송기기 등의 배폐열을 회수하여 에너지 소비효율을 높일 수 있음.
◦ 열전발전기술이 보다 경쟁력 있는 신에너지 기술로 응용되기 위해서는 고성능 열전소재의 개발뿐만 아니라 이들로 구성된 고성능 복합 열전모듈화 기술 개발이 필요함.
◦ 국내의 경우에는 열전발전모듈 뿐만 아니라 일부 열전소재 역시 그 개발 사례가 없어 광대역 복합모듈화 기술의 개발 필요성이 매우 큼
핵심개발기술의 의의
◦ 산화물 열전소재는 세계적으로도 연구개발 초기 단계이므로, 소재원천기술 확보와 더불어 세계적 상대 우위를 점할수 있는 분야임.
◦ 교토 의정서 발효 후 국가 경쟁력을 강화하고, 저탄소 녹색 성장을 위한 방법임.
◦ 전산모사는 원천 기반 기술로서 신소재/소자의 개발과 성능 최적화에 필수 요소로서, 고비용 실험 연구 구조 개선(연구기간 단축, 연구비 규모 축소)의 효과도 기대됨.
◦ 독자적 신 재료 설계 기법 개발로 선진국과의 기술 격차 줄이고 원천 열전 신소재를 선점.
적용분야
◦ 산업 배폐열 및 수송기기 배폐열 활용을 위한 열전발전기
◦ 모바일 기기용 에너지 하베스터
◦ 냉난방 및 공조 시스템용 열전 온도 조절 시스템

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제출문 ... 2
• 기술개발사업 최종보고서 초록 ... 3
• 기술개발사업 주요 연구성과 ... 7
• 목차 ... 15
• 제1장 서론 ... 18
• 제1절 개발기술의 중요성 및 필요성 ... 18
• 제2절 국내·외 관련 기술의 현황 ... 22
• 1. 국내 기술 수준 ... 22
• 2. 국외 기술 수준 ... 25
• 제3절 기술개발 시 예상되는 기술적·경제적 파급 효과 ... 34
• 1. 기술적 측면 ... 34
• 2. 경제·산업적 측면 ... 34
• 가. 거시적 측면 ... 34
• 나. 미시적 측면 ... 35
• 3. 정책적 측면 ... 35
• 제2장 기술개발 내용 및 방법 ... 36
• 제1절 최종 목표 및 평가 방법 ... 36
• 1. 최종목표 ... 36
• 2. 정량적 목표 ... 36
• 3. 평가방법 ... 38
• 제2절 단계 목표 및 평가 방법 ... 46
• 제3절 연차별 개발 내용 및 개발 범위 ... 46
• 1. 1차년도 ... 46
• 가. 개발목표 ... 46
• 나. 개발 내용 및 개발범위 ... 46
• 2. 2차년도 ... 47
• 가. 개발목표 ... 47
• 나. 개발내용 및 개발범위 ... 48
• 3. 3차년도 ... 49
• 가. 개발목표 ... 49
• 나. 개발내용 및 개발범위 ... 49
• 4. 참여기관의 연차별 연구내용 ... 51
• 가. 참여기관: 서울대학교 ... 51
• 1) 최종목표 ... 51
• 2) 연차별 연구내용 ... 51
• 가) 1차년도 ... 51
• 나) 2차년도 ... 51
• 다) 3차년도 ... 52
• 나. 참여기관: 한국화학연구원 ... 52
• 1) 최종목표 ... 52
• 2) 연차별 연구내용 ... 52
• 가) 1차년도 ... 52
• 나) 2차년도 ... 53
• 다) 3차년도 ... 53
• 다. 참여기관: 경북대학교 ... 54
• 1) 최종목표 ... 54
• 2) 연차별 연구내용 ... 54
• 가) 1차년도 ... 54
• 나) 2차년도 ... 54
• 다) 3차년도 ... 55
• 제3장 결과 및 사업화 계획 ... 56
• 제1절 연구개발 최종 결과 ... 56
• 1. 연구개발 추진 일정 ... 56
• 2. 기술 개발 내용 ... 57
• 가. 광대역 복합 모듈용 열전소재 개발 ... 58
• 1) n형 중온용 열전소재: LAST계 화합물 ... 58
• 가) 실험방법 ... 58
• 나) 결과 및 고찰 ... 58
• 2) n형 중온용 열전소재: Mg2Si계 화합물 ... 63
• 가) 실험방법 ... 64
• 나) 결과 및 고찰 ... 64
• 3) p형 중온용 열전소재: AgSbTe2계 화합물 ... 76
• 가) 실험방법 ... 77
• 나) 결과 및 고찰 ... 77
• 4) p형 중온용 열전소재: TAGS계 화합물 ... 83
• 가) 실험방법 ... 83
• 나) 결과 및 고찰 ... 83
• 5) p형 중온용 열전소재: Zn4Sb3계 화합물 ... 87
• 가) 실험방법 ... 88
• 나) 결과 및 고찰 ... 88
• 6) p형 중저온용 열전소재: Bi-Sb-Te 화합물계 ... 94
• 가) 실험방법 ... 95
• 나) 결과 및 고찰 ... 95
• 7) n형 중저온용 열전소재 : Bi-Te-Se 화합물계 ... 98
• 가) 실험방법 ... 99
• 나) 결과 및 고찰 ... 99
• 8) 고온용 페롭스카이트계 열전소재 ... 103
• 가) Degenerate semiconductor analysis: Undoped La2NiO4의 열전 지수 ... 104
• 나) 실험 방법 ... 104
• 나) 실험결과 ... 104
• 나) 페롭스카이트 고용체/혼합체에 대하여 평형/비평형상태에서 물질과 조성, 온도, 산소부정비량에 따른 열전특성 조사 ... 107
• 다). 페롭스카이트 화합물/금속 혼합체에 대하여 평형/비평형상태에서 물질과 조성, 온도, 산소부정비량에 따른 열전특성 조사 ... 122
• 나. 복합 모듈 구성 기술: 고 내열성 및 고 절연성 폴리이미드/실리카 나노 복합 재료 개발(경북대학교) ... 134
• 1) 고 내열성 폴리이미드/실리카 복합체 합성기술 ... 135
• 2) 지방족 가교 폴리에스테르 합성 및 물성 평가 ... 137
• 3) 지방족 가교 폴리에스테르-실리카 복합재료 합성 및 물성 평가 ... 138
• 다. 복합모듈 구성 기술 : 이종 전극층 최적구조 설계 기법 개발(한국화학연구원) ... 141
• 1) 복합 적층 구조에 대한 열유동 해석과 이를 통한 최적 적층 구조 설계 ... 142
• 2) 제일원리법을 이용한 열전재료/전극층 특성모사 ... 149
• 3) 반도체 열전소재 속으로의 금속 원자의 확산 현상에 대한 전산모사(diffusion barrier 계산 등) ... 151
• 라. 복합모듈 구성 기술 : 이종 소재 접합 및 저 손실 전극 구성 기술 ... 153
• 1) 금속계 확산방지층의 솔더 재료 확산 제어 특성 ... 154
• 2) 확산접합을 통해 열전재료/전극의 확산특성 ... 155
• 마. 복합모듈 구성 기술 : 발전모듈 단위체 설계 및 성능예측 기술 개발 ... 158
• 1) 복합열전모듈 성능예측기법 개발 ... 159
• 2) 광대역 열전발전모듈의 효율 특성 예측 ... 161
• 바. 고효율 복합 모듈 개발 ... 163
• 1) 열해석을 통한 최적 복합모듈 설계 ... 164
• 가) 적용된 열전재료/절연판 모델 ... 164
• 나) 열전재료/접합금속/전극/절연판 모델 ... 168
• 2) 복합 열전모듈 설계 및 제작 ... 179
• 3) 복합 열전모듈의 출력 및 효율 특성 ... 185
• 사. 정량적 연구성과 ... 188
• 3. 연구개발 실적 ... 189
• 가. 논문 게재 및 발표 성과 ... 189
• 나. 지적재산권 성과 ... 193
• 다. 발생품 현황 ... 194
• 제2절 연구개발 추진 체계 ... 196
• 1. 연구개발 추진전략 ... 196
• 2. 연구개발 추진체계 ... 198
• 3. 연구개발팀 편성도 ... 199
• 제3절 시장 현황 및 사업화 전망 ... 199
• 1. 국내 산업체 및 시장현황 ... 199
• 2. 선진국 산업체 및 시장현황 ... 201
• 최종보고서 요약서 ... 213