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Kafe 바로가기주관연구기관 | 이화여자대학교 Ewha Womans University |
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연구책임자 | 김성진 |
참여연구자 | 권오명 , 김우철 , 심지훈 , 이종수 , 임영수 , 고승환 |
보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 | 한국어 |
발행년월 | 2018-08 |
주관부처 | 과학기술정보통신부 Ministry of Science and ICT |
과제관리전문기관 | 한국연구재단 National Research Foundation of Korea |
등록번호 | TRKO202000006949 |
DB 구축일자 | 2020-09-12 |
키워드 | 열전소자.나노복합체.수송방정식.포논산란.Thermoelectric device.Nanocomposite.Transport equation.Phonon scattering.ab-initio. |
연구의 목적 및 내용
• 나노구조체(양자점, 나노선)/열전소재 나노복합재료에서 나노구조체의 구조, 크기 및 조성의 변화에 따른 phonon 제어와 열전 효율의 관계 규명
• 저차원 파이얼스 격자왜곡을 이용한 열전 신소재, 포논산란 유도 나노구조체(코어-쉘 구조, 기공율 제어 등)의 합성 및 벌크화 구현을 통한 산화물계 열전소재 개발(소재 ZT ≥2.4)
• 나노구조물을 통한 열전성능지수 향상 해석 모델 및 계측 기술 개발, 나노구조물 이용한 고효율 열전소재를 기반으로 열전모듈을 제작 (열전소자쌍 ZT≥2.0 크기는
연구의 목적 및 내용
• 나노구조체(양자점, 나노선)/열전소재 나노복합재료에서 나노구조체의 구조, 크기 및 조성의 변화에 따른 phonon 제어와 열전 효율의 관계 규명
• 저차원 파이얼스 격자왜곡을 이용한 열전 신소재, 포논산란 유도 나노구조체(코어-쉘 구조, 기공율 제어 등)의 합성 및 벌크화 구현을 통한 산화물계 열전소재 개발(소재 ZT ≥2.4)
• 나노구조물을 통한 열전성능지수 향상 해석 모델 및 계측 기술 개발, 나노구조물 이용한 고효율 열전소재를 기반으로 열전모듈을 제작 (열전소자쌍 ZT≥2.0 크기는 20 x 20 mm)
• 나노복합체 열전소재 내부 계면에서의 열특성 (제백계수 5 nm 이하, 온도/열물성 10 nm 급) 계측 및 분석
• 저차원 나노구조체의 특성길이에 따른 ZT 변화 정량 계측
• 5~50 nm 나노구조물 계면에서의 ab-initio 기반의 분자동역학 포논 산란 해석 및 볼츠만 수송 방정식 기반 멀티스케일 열특성 해석 모델 개발
• 파워팩터를 정량적으로 예측 가능한 ab-initio 기반의 멀티스케일 시뮬레이션 소프트웨어 개발
• 도핑을 통한 그래핀 열전도도 저감 기술 개발과 이를 통한 고효율 그래핀 열전소재 개발 및 열전 및 광학적 물성의 계측법 및 해석모델을 고안
• 나노 구조체 융합기술을 이용한 고효율 열전소재 개발 (ZT≥2.0) 및 모듈화
- 열전도도 ≤ 0.5 W/mK - 제벡계수 ≥ 200 μV/K
- 전기전도도 ≥ 450 S/cm
연구개발성과
• 본 연구에서는 ZT 2.4 이상인 고효율 열전소재를 개발하는 것이 궁극적인 목표이며 총 7 명의 연구책임자로 구성되어 3 세부과제를 수행함.
1. 제 1세부 : 포논 제어 기반 고효율 열전 소재 및 소자 개발
○ Ab-initio 방법을 이용한 파워팩터 계산 및 최적화 방안 (ab-initio + NEGF를 이용한 나노소자의 열특성 계산 및 정량적 파워팩터 계산의 방법론 확립); ○ 나노스케일에서의 열전물성 계측 기술 (포논평균자유행로 분광학 개발, 5nm 수준 다채널 SSM 탐침 제작); ○나노복합체 계면에서의 열특성 변화 분석 ; 소자 및 모듈 제작 (zT ~ 2.13 물질(SnTe)에서의 새로운 물리현상 규명; 저발전단가 신구조 열전소자 개발 (소자 ZT ~ 6에 근접))
2. 제 2세부: 나노구조물을 통한 포논 제어 기반 고효율 열전 소재 합성연구
○ 나노 구조물을 이용한 열전복합재료 합성 및 열전특성 최적화; ○저차원 자연초격자 및 벌크 복합체 열전물성 규명 (n-type 벌크 복합체 Bi-doped PbTe/Ag2Te 세계 최고 열전성능 수준 달성 ZT∼1.7); ○자연적 superlattice 구조를 지니는 oxychalcogenide계 열전소재 개발 (중저온 열전소재) : 벌크화 산칼코겐화물 나노구조체 전기전도도/열전도도 비 향상기술 최적화를 통한 열전성능 향상: 전기전도도(σ)/열전도도(κ) ≥ 2.0 x 104 K/V2 달성, 열전도도 ≤ 0.5 W/mK 달성
3. 제 3세부: 실리콘 도핑 그래핀을 이용한 고성능 열전 소자 개발
○ 도핑 그래핀 합성 및 계측 시편 제작; ○도핑 그래핀과 순수 그래핀의 열전도도, 제벡계수, 전기전도도, 복소 굴절률 계측 및 비교 분석을 통한 고효율 열전 성능 연구 (optothermal Raman 방법, 4점측정법, 타원편광법, 두 종류의 이산화규소/실리콘 기판으로부터의 반사 등의 다양한 계측법 개발 및 물성해석 모델제시)
• 1 세부는 2 세부에 설계 가이드라인을 제시하고, 2세부에서는 열전소재의 합성 및 열전성능지수를 평가함. 3 세부에서는 그래핀, 치환된 그래핀을 합성하고 2 세부과제와 협력하여 열전특성을 연구함. 국제공동연구 (University of California at San Diego 의 Renkun Chen 교수와 Texas A&M University 의 Choongho Yu 교수)를 통해서, (1)측정치의 교차 평가, (2)상호 연구인력교류를 통해서 최신 열전동향공유함.
• 지난 7년 동안 본 연구를 통해 SCI 논문 109 편, 학회 517 편을 발표. 그밖에 SCI 논문 4 편이 인쇄 중이고 4 편을 제출함.
연구개발성과의 활용계획(기대효과)
• ZT 2.0 이상의 열전 효과를 가지는 열전 소자의 개발은 현재 화석에너지나 원자력 에너지로는 이룩하기 불가능한 고효율, 무공해 에너지 시스템으로 에너지 분야에 새로운 신기원을 이루는 계기가 될 것임.
• 주된 응용분야로서는 발전소자 자동차에서 버려지는 폐열의 전기적회수에 이용될 것임.
• 기존 에너지 시스템을 고효율 나노 열전 소자로 대체할 경우 연간 1억 달러 이상의 에너지 비용 절감 효과가 나올 것이라 예상되며, 에너지 수입 대체 효과로 국제 유가 및 해외 경제에 의해 크게 영향을 받는 국내 시장 경제가 안정화될 것이라고 전망됨.
• 다양한 그래핀을 이용한 헤테로 구조의 합성과 활용, 그리고 정량적인 물성 계측 분야에 있어서 검사비용의 절감 및 수입·수출 대체 효과 등을 기대함.
(출처 : 요약문 4p)
과제명(ProjectTitle) : | - |
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연구책임자(Manager) : | - |
과제기간(DetailSeriesProject) : | - |
총연구비 (DetailSeriesProject) : | - |
키워드(keyword) : | - |
과제수행기간(LeadAgency) : | - |
연구목표(Goal) : | - |
연구내용(Abstract) : | - |
기대효과(Effect) : | - |
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