초록 ▼

□ 연구개요
본 과제는 3차년도에 걸쳐서 진행 된 과제이며 저온 영역 (400K 이하)에 속하는 태양광을 열원으로 사용할 수 있는 Bi-Te계 열전소자의 발전성능을 극대화하기 위해 광 포획용 실리콘 나노 배열체의 최적의 기하학적 형태를 결정하고 광열 나노입자 및 폴리머 박막의 융합화를 통해 표면온도를 70℃ 이상 상승시킬 수 있는 광-열 변환 플랫폼을 개발하는 연구를 진행함. 이를 위해 건식 및 습식 식각공정을 통해 구현된 Free-standing 실리콘 나노 배열체의 기하학적 형태에 따른 광 흡수 특성 평가를 통해 광열 나노

□ 연구개요
본 과제는 3차년도에 걸쳐서 진행 된 과제이며 저온 영역 (400K 이하)에 속하는 태양광을 열원으로 사용할 수 있는 Bi-Te계 열전소자의 발전성능을 극대화하기 위해 광 포획용 실리콘 나노 배열체의 최적의 기하학적 형태를 결정하고 광열 나노입자 및 폴리머 박막의 융합화를 통해 표면온도를 70℃ 이상 상승시킬 수 있는 광-열 변환 플랫폼을 개발하는 연구를 진행함. 이를 위해 건식 및 습식 식각공정을 통해 구현된 Free-standing 실리콘 나노 배열체의 기하학적 형태에 따른 광 흡수 특성 평가를 통해 광열 나노입자 및 폴리머 박막의 광-열 변환성능을 최대화할 수 있는 최적의 실리콘 나노 배열체를 확립하고, 흡수된 태양광의 특정 파장에 의해 플라즈몬 공명현상이 발생하는 광열 금속 나노 입자를 통해 고온 발생용 광-열 변환 플랫폼 개발 연구를 추진하였음.

□ 연구 목표대비 연구결과
1. 광 포획용 실리콘 나노 배열체 제작 기술과 이론적인 해석 및 설계인자 도출 연구
◼ Free-standing 수직배향 및 계층적 형태의 실리콘 나노 배열체 제작 공정 확립
◼ 실리콘 원기둥 배열체가 가장 우수한 광 흡수율 특성 확인
◼ 광원 AM 1.5 조건에서 최적의 나노 배열체 (높이: ~ 2 μm) 확보
2. 실리콘 나노 배열체와 폴리머 박막의 일체화를 통한 50℃ (ΔT~20K) 이상의 광-열변환 플랫폼 개발 연구
◼ 광열 폴리머 (PEDOT:PSS) 박막화 공정 및 실리콘 나노 배열체 일체화
◼ 실리콘 나노 배열체와 광열 폴리머 박막의 표면 온도 측정 및 COMSOL 시뮬레이션
◼ 50℃ (ΔT~20K) 이상의 실리콘 나노 배열체와 폴리머 박막의 광-열 변환 플랫폼 개발
◼ 열전소자의 성능 측정 및 평가 자동화를 위한 Labview 프로그램 제작
3. 금속 나노 입자가 부착된 실리콘 나노 배열체와 광열 폴리머 박막 기반으로 70℃ (ΔT~40K) 이상의 광-열 변환 플랫폼 개발 연구
◼ 광열 나노 입자 탐색 및 물질 형상 제어 공정 조건 확립
◼ 광열 나노 물질의 플라즈몬 공명현상이 광-열 변환성능에 미치는 영향 해석
◼ AgNWs/PEDOT:PSS/SiNWs/Si Pyramids 플랫폼의 광열 변환 성능 (60℃, ΔT~30K)
◼ 광-열 변환 플랫폼과 결합 가능한 PDMS/Cu/n-BT/p-BST/Cu/PDMS 열전소자 개발
4.광-열 변환 성능을 향상시킬 수 있는 다양한 형태의 실리콘 나노배열체 개발 연구
◼ 웨이브가이드 (waveguide)형 실리콘 (Si) 나노선 및 나노피라미드 개발
◼ 나노입자 리소그래피 방법을 통한 광 집속형 Si 나노렌즈 개발

□ 연구개발결과의 중요성
본 연구는 광 포획용 실리콘 나노 배열체와 광열 나노 입자 및 폴리머 박막의 융합화 및 태양광의 특정 파장에 의해 플라즈몬 공명현상 통해 태양광의 이용을 극대화할 수 있는 최적의 광-열 변환 플랫폼 개발하였음. 최종적으로 70℃ 이상이 되는 광-열 변환 플랫폼을 Bi-Te계 열전소자에 활용할 수 있는 중요한 연구 결과를 보여주고 있음.
◼ AM 1.5 조건에서 실리콘 박막 대비 우수한 광 흡수율을 갖는 나노 배열체 설계인자를 도출하여 최적의 실리콘 나노 배열체를 구현함. 이는 열전소자/태양전지의 성능을 향상시키기 위한 광-전/광-열 변환 플랫폼 개발의 핵심 요소임.
◼ 일련의 실험적 접근 및 이론적 해석을 통해 광원 AM 1.5 조건에서 50℃ 이상의 실리콘 나노 배열체와 광열 폴리머 박막 기반 광-열 변환 플랫폼 제작기술 확보함. 이는 저온 영역에 속하는 Bi-Te계 열전소자에 충분한 기전력을 제공해 열전발전효율이 향상될 것으로 기대됨.
◼ 흡수된 태양광의 특정 파장에 의해 플라즈몬 공명현상이 발생하는 광열 나노입자를 우수한 광 흡수력을 나타내는 실리콘 나노 배열체에 도입함으로써 광열 폴리머 박막과 일체화하여 최상의 광-열 변환 플랫폼을 확보함. 이는 태양광의 이용을 극대화함으로써 70℃ 이상의 고온 광-열 변환이 가능하게 되고 궁극적으로 Bi-Te계 열전소자와 결합하면 열전효율을 배가시킬 것으로 기대됨.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 1-1. 연구의 필요성 ... 4
• 1-2. 연구의 최종 목표 ... 4
• 1-3. 연차별 연구목표 및 범위 ... 4
• 2. 연구수행내용 및 연구결과 ... 7
• 2-1. 1차년도 (2017 - 2018) ... 7
• 2-2. 2차년도 (2018 - 2019 ... 10
• 2-3. 3차년도 (2019 - 2020) ... 13
• 3. 연구개발결과의 중요성 ... 17
• 4. 참고문헌 ... 18
• 5. 연구성과 ... 19
• 끝페이지 ... 21