초록 ▼

고효율 물성을 발현하기 위해 비싸고, 독성의 무거운 원소로 구성되는 기존 열전소재의 패러다임 전황을 위해, 값싸고, 가볍고, 환경 친화적이며 상온 열전변환 효율 (ZT>2.5 @ 400K)이 상용화 가능한 벌크 열전소재 원천기술 개발 계획 수립: 1)새로운 결정구조의 열전소재 설계를 위한 융합계산과학(역방향제일원리와 정방향제일원리) 활용계획 수립, 2) 유기, 무기, 하이브리드 열전소재 공정 기술 개발계획 수립, 3) 신소재의 열전 변환효율 측정인증 및 분석 기술 개발계획 수립. 선기획과제에서 열전소재의 전체 특허동향/핵심기술 심층

고효율 물성을 발현하기 위해 비싸고, 독성의 무거운 원소로 구성되는 기존 열전소재의 패러다임 전황을 위해, 값싸고, 가볍고, 환경 친화적이며 상온 열전변환 효율 (ZT>2.5 @ 400K)이 상용화 가능한 벌크 열전소재 원천기술 개발 계획 수립: 1)새로운 결정구조의 열전소재 설계를 위한 융합계산과학(역방향제일원리와 정방향제일원리) 활용계획 수립, 2) 유기, 무기, 하이브리드 열전소재 공정 기술 개발계획 수립, 3) 신소재의 열전 변환효율 측정인증 및 분석 기술 개발계획 수립. 선기획과제에서 열전소재의 전체 특허동향/핵심기술 심층분석, 시장 조사분석, 전문가 자문 및 워크샵 등을 통해 원천기술 확보가능성이 큰 유기 및 하이브리드 열전소재분야 최적 연구분야를 선정하였고 짧은 기간이지만 선행연구를 통해 특허출현을 하였음. 반면, 이원계이상의 무기열전소재는 원천기술 확보가 희박하여 아래와 같은 연구내용을 수행하는 것이 바람직하다는 결론을 얻었음. 1) 융합 계산과학(역방향제일원리와 정방향제일원리)을 사용하여 실리콘 만큼 매장량이 풍부하고 상온 열전특성이 좋은 P(인)-기반 층상 결정구조 설계. 2) P-기반 새로운 층상 결정구조를 갖는 열전소재 원천기술 개발, 3) 저에너지 밴드갭, 고전기전도도 유기 열전소재 원천기술 개발, 4) 고효율 유기/무기 층상구조 하이브리드 열전소재 원천기술 개발, 5) 열전 원천소재의 상용화에 필수적인 열전변환효율의 측정인증 기술 개발.

Abstract ▼

This study is to plan for development of the creative thermoelectric materials (organic, layered inorganic, and layered hybrid), which are low-cost, light, and environment-friendly for commercialization in the temperature range of 280 K to 500 K, based on materials design coming from the inverse DFT

This study is to plan for development of the creative thermoelectric materials (organic, layered inorganic, and layered hybrid), which are low-cost, light, and environment-friendly for commercialization in the temperature range of 280 K to 500 K, based on materials design coming from the inverse DFT (density functional theory) and normal DFT calculations. The materials design is focused on unexplored thermoelectric materials through intensive patent analyses. The material selection is screened in the view of elemental abundance on earth and property performance. This plan comprises of the following four research topics.


Contents:
- Design of new layered crystal structure of elemental semiconductor(Phosphorus) through inverse-DFT and DFT calculations of thermoelectric properties of the new layered crystals structure. Optimization of new layered crystal structure through feedback of both calculations. Calculation and predictions of optimum doping and alloying of new layered crystal structure.
- Development of organic thermoelectric materials (ZT>1.0) with low bandgap (<0.5 eV) designed by molecualr modelling and DFT calculations
- Development of doped and alloyed layered crystal structure (x-BP, ZT>2.0) which has the same crystal structure (XP) which has different layered crystal structure designed by inverse-DFT.
- Development of layered hybrid materials (ZT>2.5) with alternating inorganic and conducting organic layers.
- Development of certified measurement technology of thermoelectric energy conversion efficiency and analyses of thermoelectric parameters and crystals structure of new layered crystal structures (x-BP and XP)

Expected contribution:
- Convergence technology of inverse-DFT and DFT for developing creative thermoelectric materials will contribute to designing other new materials.
- The new layered materials (x-BP and XP), which are low-cost, light, and environment-friendly, are expected to replace the present thermoelectric materials which are expensive, heavy, and toxic.
- The certified measurements will accelerate the commercialization of thermoelectric materials and devices.

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제출문 ... 2
• 보고서 요약서 ... 3
• 요약문 ... 4
• SUMMARY ... 9
• CONTENTS ... 11
• 목차 ... 12
• 1장. 선행기획연구 개요 ... 15
• 1-1절. 선행기획연구 목적, 필요성 및 범위 ... 15
• 1. 상온용 고효율 열전소재 원천기술 개발의 목적 ... 15
• 2. 상온용 벌크 열전소재 원천기술 개발의 경제적, 사회적 중요성 ... 16
• 3. 상온용 벌크 열전소재 원천기술 개발의 학문적 의의와 필요성 ... 16
• 1-2절. 대상 창의소재 기술의 정의 및 개념 ... 18
• 1. 대상 창의 열전소재 기술의 정의 ... 18
• 2. 대상 창의 열전소재 원천기술의 개념 ... 18
• 2장. 기술개발 현황 및 조사 분석 ... 19
• 2-1절. 국내·외 기술개발 현황 ... 19
• 2-1-1. 국내·외 기술개발 수준 ... 19
• 2-1-2. 국내·외 기술개발 및 현황 ... 19
• 2-2절. 선행연구 조사 분석 및 시사점 ... 43
• 2-2-1. 선행연구 계산과학 분석 시사점 ... 43
• 2-2-2. 선행연구 무기 열전소재 분석 시사점 ... 46
• 2-2-3. 선행연구 유기 열전소재 분석 시사점 ... 47
• 2-2-4. 선행연구 하이브리드 열전소재 분석 시사점 ... 48
• 2-2-5. 선행연구 측정기술 개발 분석 시사점 ... 49
• 2-3절. 특허조사 ... 51
• 2-3-1 분석 배경 ... 51
• 2-3-2 분석 목적 ... 51
• 2-3-3 분석 범위 ... 51
• 2-3-4 유효특허 선발 기준 및 결과 ... 54
• 2-3-5 분석 방법 ... 55
• 2-3-6 특허기술 Landscape ... 56
• 2-3-7 핵심기술 심층분석 ... 59
• 2-3-8 IP history ... 60
• 2-3-9 핵심기술 분석 결과 ... 62
• 2-3-10 지재권 확보 가능성 ... 64
• 2-3-11 결론 및 시사점 ... 66
• 3장. 기술개발 목표 및 내용 ... 67
• 3-1절. 원천특허 포트폴리오 ... 67
• 3-2절. 연구개발 내용 및 범위 ... 69
• 3-2-1. 계산과학 ... 70
• 3-2-2. 유기 열전소재 ... 75
• 3-2-3. 하이브리드 열전소재 ... 80
• 3-3절. 기존 기술과의 차별성 및 원청성 ... 93
• 3-3-1. 본 연구의 기본 연구와의 차별성 및 혁신성 ... 93
• 3-2-2. 현재 기술의 기술적 한계 극복 ... 99
• 3-3-3. 원천성 ... 104
• 3-4절. 국가 R&D 전략의 연계성 및 부합성 ... 108
• 3-5절. 선행연구 내용 및 결과 ... 109
• 3-5-1. 계산과학 선행연구 ... 109
• 3-5-2. 유기 열전소재 선행연구 ... 117
• 3-5-3. 하이브리드 열전소재 선행연구 ... 126
• 3-5-4. 선행 연구결과 시사점 ... 133
• 4장. 선행기획연구 활동 추진 내용 ... 136
• 4-1절. 선행기획연구 추진체계 ... 136
• 4-2절. 선행기획연구 방법론 ... 136
• 4-2-1. 추진전략·방법 ... 136
• 4-2-2. 선행특허현황 분석 및 기술정보 수집 ... 137
• 4-2-3. 기획자문단 확보 ... 137
• 4-3절. 선행기획연구 활동 내용 ... 138
• 4-4절. R&D 추진 전략 컨설팅 결과 ... 142
• 5장. 기대성과 및 활용계획 ... 143
• 5-1절. 기대성과 ... 143
• 5-1-1. 기술적 기대성과 ... 143
• 5-1-2. 경제산업적 기대성과 ... 143
• 5-1-3. 환경적 기대성과 ... 144
• 5-2절 상용화 예상 분야 ... 145
• 5-3절. 경제성 분석(시장 규모 및 전망) ... 147
• 5-3-1 시장 규모 ... 147
• 5-3-2 시장 전망 ... 148
• 6장. 참고문헌 ... 151
• □ 별첨 ... 153
• 부록 1. 자체 컨설팅 의견서 ... 154
• 부록 2. 신 열전소재 후보군의 데이터마이닝 스크리닝 방법 ... 155
• 끝페이지 ... 175