보고서 정보
주관연구기관 |
연세대학교 Yonsei University |
연구책임자 |
이우영
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보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
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발행년월 | 2017-11 |
과제시작연도 |
2016 |
주관부처 |
미래창조과학부 Ministry of Science, ICT and Future Planning |
등록번호 |
TRKO202100004112 |
과제고유번호 |
1711044048 |
사업명 |
개인연구지원 |
DB 구축일자 |
2021-07-03
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키워드 |
열전.나노선.번들.폐열.열전모듈.열전성능지수.에너지하베스팅.밴드엔지니어링.포논엔지니어링.Thermoelectric.Nanowire.bundle.waste heat.thermoelectric module.figure of merit.energy harvesting.band engineering.phonon engineering.
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초록
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□ 연구의 목적 및 내용
본 연구에서는 기존의 열-전기 에너지 변환 시스템의 적용이 어려운 중저온 열원을 이용한 효율적인 전기에너지 변환을 위하여 열전성능지수 2.0 이상의 나노선 번들을 기반으로 한 변환효율 15 % 이상의 고효율 열전모듈을 개발하고 출력밀도 20 mW/cm²를 구현한다.
가. 번들기반 초고효율 열전 나노선 개발
(가) 나노홀 구조의 템플레이트 제조 기술 개발
(나) N형, P형 단결정 열전나노선 제조 기술 개발
(다) 코어/쉘 구조 열전나노선 제조 기술 개발
나. 열전나
□ 연구의 목적 및 내용
본 연구에서는 기존의 열-전기 에너지 변환 시스템의 적용이 어려운 중저온 열원을 이용한 효율적인 전기에너지 변환을 위하여 열전성능지수 2.0 이상의 나노선 번들을 기반으로 한 변환효율 15 % 이상의 고효율 열전모듈을 개발하고 출력밀도 20 mW/cm²를 구현한다.
가. 번들기반 초고효율 열전 나노선 개발
(가) 나노홀 구조의 템플레이트 제조 기술 개발
(나) N형, P형 단결정 열전나노선 제조 기술 개발
(다) 코어/쉘 구조 열전나노선 제조 기술 개발
나. 열전나노선 평가 기술 및 메커니즘 분석 기술 개발
(가) 단일 나노선 기반 열전 성능 평가 기술 개발
(나) 나노선 열전 메커니즘 분석 기술 개발
다. 번들 기반 초고효율 열전모듈 개발
(가) 제로-갭 전극 접합 기술 개발
(나) 나노선 번들 기반 열전 모듈 기술 개발
(다) 종횡비 최적화를 통한 초고효율 열전모듈 개발
□ 연구결과
가. 번들기반 초고효율 열전 나노선 개발
(가) 나노홀 구조의 템플레이트 제조 기술 개발
• 나노선 번들 제조용 템플레이트 (AAO, Polycarbonate) 제조 기술 개발, Pore의 길이, 밀도 등 나노선 형상 제어 기술 확보
(나) N형, P형 단결정 열전나노선 제조 기술 개발
• 템플레이트 기반의 전기도금법, 식각법의 열전나노선 번들 제조기술 개발, 직경/조성 제어 나노선 번들 제조기술 확보
(다) 코어/쉘 구조 열전나노선 제조 기술 개발
• OFF-ON 기술을 응용하여 Te, Sn, Sb, SiO2의 다양한 물성(금속, 반도체, 부도체) Shell을 지니는 코어/쉘 구조 나노선 확보
나. 열전나노선 평가 기술 및 메커니즘 분석 기술 개발
(가) 단일 나노선 기반 열전 성능 평가 기술 개발
• 전 열전 물성 측정용 All in one MEMS 소자 개발, 나노선 분산용 마이크로 manipulator 개발 / Cr/C 전극 형성 기술 확보
• 수소 플라즈마 에칭 장비 세팅 및 오믹 컨택 기술 개발, 폴리머 기반 전해질 게이트 제어 전기전도도 측정 및 분석
(나) 나노선 열전 메커니즘 분석 기술 개발
• 금속성 / 부도체성 쉘 나노선 전기적, 열전 수송특성 분석
• Bi/Te 코어/쉘 나노선 직경 의존성 측정 및 Parallel Resistor 모델 이용 메커니즘 분석
다. 번들 기반 초고효율 열전모듈 개발
(가) 제로-갭 전극 접합 기술 개발
• Cu 전극 패터닝 절연기판 설계, 열전소자 Ag계 기능층 소재 개발, 저온 solder를 통한 접합 공정 개발 등 요소 기술 확보
(나) 나노선 번들 기반 열전 모듈 기술 개발
• 템플레이트 및 전기도금법, 식각법을 기반한 N형, P형 나노선 번들 제조 기술 및 나노선 단일 번들의 평가 플랫폼 확보
(다) 종횡비 최적화를 통한 초고효율 열전모듈 개발
• Si계, BiTe계 열전 나노선 번들의 직경 및 길이 종횡비 최적화와 제작된 나노선 번들 모듈의 평가 플랫폼 확보
□ 연구결과의 활용계획
가. 발전소·산업체·자동차 중저온 폐열 회수
• 발전소: 발전소의 중저온 폐열을 회수하여 발전효율의 증가를 이룰 수 있다.
• 산업체: 고온의 공정이 없는 일반적인 산업체에도 적용 가능하여 산업 전반에 걸친 에너지 소비 절감과 효율 증대가 가능하다.
• 자동차: 중저온용 열전모듈은 자동차의 폐열을 전기로 회수할 수 있게 함으로써 자동차의 연비를 높이고 매연을 감소시키는 역할을 한다.
나. 자연 열에너지 발전
• ZT = 2.0 열전 발전 소자가 구현되면 이를 태양열, 지열 및 해수열과 같은 주변 환경에 존재하는 자연의 열에너지를 이용한 발전이 가능하다.
• 사이즈가 자유롭게 조절되는 열전발전 시스템의 특징으로 인하여 독립적 에너지 생산 단위를 통한 스마트 그리드 형성을 이룰 수 있다.
다. 미소 열에너지 하베스팅
• 초 고효율 열전 발전 소자는 인체열과 같은 미소 열에너지를 이용한 발전이 가능하여 각종 스마트 기기를 충전할 수 있으며 스마트 의류의 구현이 가능해진다.
(출처 : 연구결과 요약문 4p)
Abstract
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□ Purpose& contents
Medium-low temperature was not favorable condition for thermoelectric energy conversion system to be applied. The purpose of this research, however, is to come up with thermoelectric module at such condition, based on ZT>2 nanowire bundle achieving 15%> in conversion efficienc
□ Purpose& contents
Medium-low temperature was not favorable condition for thermoelectric energy conversion system to be applied. The purpose of this research, however, is to come up with thermoelectric module at such condition, based on ZT>2 nanowire bundle achieving 15%> in conversion efficiency and 20 mW/cm² in power density.
a. Development of ultra high efficient nanowire bundle
b. Development on tools to evaluate thermoelectric nanowire and analyze its mechanism
c. Development of bundle-based ultra high efficient thermoelectric module
□ Result
a. Development of ultra high efficient nanowire bundle
i) Development of fabrication method for nano-hole structure templates
• Development of fabrication method for AAO and Polycarbonate templates by controlling a variation in pore diameter and pore density to synthesize various nanowires with different aspect ratios
ii) Development of fabrication method for N, P type single crystalline thermoelectric nanowires
• Development of synthesis method for thermoelectric nanowire bundle by using template-based electroplating and etching methods to synthesize various nanowires with different pore diameters and compositions
iii) Development of fabrication method for core/shell structure thermoelectric naonwires
• Synthesis of core/shell structured nanowires using various shell materials such as Te, Sn, Sn, and SiO2, which are metallic, semiconducting, and insulating materialsb. Development on tools to evaluate thermoelectric nanowire and analyze its mechanism
b. Development on tools to evaluate thermoelectric nanowire and analyze its mechanism
i) Development on tools to evaluate individual thermoelectric nanowire
• Development of fabrication method for All-in-one MEMS device to evaluate the full-thermoelectrical properties of Seebeck coefficient, electrical conductivity, and thermal conductivity.
• Development on technique for the measurement of electrical conductivity using polymer-based electrolyte gates. Equipment installation for hydrogen plasma etching to obtain good Ohmic contacts.
ii) Development on tools to analyze mechanism of thermoelectric nanowires
• Characterizations of electrical and thermal transport properties of metal/insulator core/shell structured nanowires
• Investigation of diameter-dependence of Bi/Te core/shell nanowires on thermoelectric properties and mechanism analysis based on Parallel Resistor model
c. Development of bundle-based ultra high efficient thermoelectric module
i) Development of contact technique for thermoelectric module based on bundle nanowires
• Design of insulating substrate through patterning of Cu electrodes, development of material for Ag-based functional layer, development on technique for soldering process through low temperature solders ii) Development of thermoelectric module based on bundle nanowires
• Development of fabrication method for N- and P-type nanowire bundles using template-based method and electroplating/etching method. Development on technique to fabricate an evaluation platform for unit bundle of nanowires
iii) Optimization of aspect ratio of bundle nanowires
• Optimization of aspect ratio (length to diameter ratio) of Si-based and BiTe-based thermoelectric nanowire bundle and development of technique for evaluation platform of thermoelectric module based on bundle nanowires
□ Expected Contribution
a. Waste heat recovery for power plants, automobiles, and industry
i) Power plants: an increase in the power generation efficiency can be achieved by recovering the waste heat of the low and medium on plants
ii) Industry: no industry can be applied to the general process of high temperature it is possible to reduce energy consumption and increase efficiency across the industry.
iii) Automobiles: low and medium onyong thermoelectric module to increase the fuel efficiency of the vehicle by allowing to recover the waste heat of the electric car and serves for reducing the fumes.
b. Natural thermal power generation
i) If ZT = 2.0 thermoelectric power generation device is implemented can be developed using natural thermal energy that exists in this environment, such as solar, geothermal heat and water.
ii) Due to the characteristics of the thermoelectric power generation system which is freely adjustable size can be achieved through smart grid to form an independent unit of energy produced.
c. Low thermal energy harvesting
i) Ultra-Efficient thermoelectric power generation device can be developed with a smile as thermal body heat to charge a variety of smart devices and enables the implementation of a smart garment.
(출처 : SUMMARY 5p)
목차 Contents
- 표지 ... 1
- 목차 ... 2
- 연구계획 요약문 ... 3
- 연구결과 요약문 ... 4
- 한글요약문 ... 4
- SUMMARY ... 5
- 연구내용 및 결과 ... 6
- 1. 연구개발과제의 개요 ... 6
- 2. 국내외 기술개발 현황 ... 11
- 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 17
- 4. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 68
- 5. 연구결과의 활용계획 ... 73
- 6. 연구과정에서 수집한 해외 과학기술정보 ... 73
- 7. 주관연구책임자 대표적 연구실적 ... 74
- 8. 참고문헌 ... 75
- 9. 연구성과 ... 75
- 10. 국가과학기술지식정보서비스에 등록한 연구시설‧장비 현황 ... 88
- 11. 연구개발과제 수행에 따른 연구실 등의 안전조치 이행실적 ... 90
- 12. 기타사항 ... 92
- [별첨1] 대 표 연 구 성 과 ... 93
- [별첨2] 세부 목표 관련 증빙 ... 108
- 끝페이지 ... 129
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