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열전현상은 고체상태의 소재 내부에서 열 (온도차)에 의해 전자 또는 정공이 이동함에 의한 열에너지와 전기에너지의 직접적이며 가역적인 변환 현상으로, 전기인가에 의해 열에너지를 이동하여 소재 양단의 온도차를 유발하는 펠티어 (Peltier) 효과와 온도차가 전기로 변환되는 제벡 (Seebeck) 효과를 포함. (그림 1 참조) | 열전현상은 고체상태의 소재 내부에서 열 (온도차)에 의해 전자 또는 정공이 이동함에 의한 열에너지와 전기에너지의 직접적이며 가역적인 변환 현상으로, 전기인가에 의해 열에너지를 이동하여 소재 양단의 온도차를 유발하는 펠티어 (Peltier) 효과와 온도차가 전기로 변환되는 제벡 (Seebeck) 효과를 포함. (그림 1 참조) | ||
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그림 1. (a) 열전 현상 원리, (b) 펠티어 효과 (열전냉각) 및 (c) 제벡 효과 (열전발전) | 그림 1. (a) 열전 현상 원리, (b) 펠티어 효과 (열전냉각) 및 (c) 제벡 효과 (열전발전) | ||
이러한 열전현상은 온도 측정 (thermocouple), 센서, 냉각 (냉방) 및 발열 (난방), 발전 등의 시스템에 응용이 가능함. | 이러한 열전현상은 온도 측정 (thermocouple), 센서, 냉각 (냉방) 및 발열 (난방), 발전 등의 시스템에 응용이 가능함. | ||
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열전냉각 및 발전 시스템 구현을 위한 단위 디바이스는 열전모듈로 절연기판-전극-열전소재(p형/n형)-전극-절연기판의 간단한 구조로 구성되어 열전소재의 성능이 열전냉각 및 발전 효율을 직접적으로 결정하는 소재 의존성이 매우 큰 기술로써 시장 확대의 핵심은 고성능 열전소재의 개발임. | 열전냉각 및 발전 시스템 구현을 위한 단위 디바이스는 열전모듈로 절연기판-전극-열전소재(p형/n형)-전극-절연기판의 간단한 구조로 구성되어 열전소재의 성능이 열전냉각 및 발전 효율을 직접적으로 결정하는 소재 의존성이 매우 큰 기술로써 시장 확대의 핵심은 고성능 열전소재의 개발임. | ||
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열전소재의 성능인 열-전기 변환 효율은 무차원 성능지수 ZT로 정의되며, 성능지수 Z는 {전기전도도 × (제벡계수)2 / 열전도도}이며, T는 절대온도임. | 열전소재의 성능인 열-전기 변환 효율은 무차원 성능지수 ZT로 정의되며, 성능지수 Z는 {전기전도도 × (제벡계수)2 / 열전도도}이며, T는 절대온도임. | ||
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온도에 따라 ZT가 높은 소재가 각각 개발되고 있으며, Bi-Te계 (n-type Bi2Te3-xSex, p-type Bi2-xSbxTe3, 상온 – 250 oC), Pb-Te계 (200 oC – 500 oC), Skutterudite계 (n-type CoSb3, p-type CeFe4Sb12, 300 oC – 600 oC), Si-Ge계 (500 oC – 1000 oC) 등이 ZT > 1.0의 성능을 나타냄 (그림 2 참조, SnSe 등 ZT > 2.0의 고성능 소재가 문헌에 보고되었으나 화학적 안정성, 성능 재현성 등의 문제로 상용화 가능성은 낮은 것으로 판단됨) | 온도에 따라 ZT가 높은 소재가 각각 개발되고 있으며, Bi-Te계 (n-type Bi2Te3-xSex, p-type Bi2-xSbxTe3, 상온 – 250 oC), Pb-Te계 (200 oC – 500 oC), Skutterudite계 (n-type CoSb3, p-type CeFe4Sb12, 300 oC – 600 oC), Si-Ge계 (500 oC – 1000 oC) 등이 ZT > 1.0의 성능을 나타냄 (그림 2 참조, SnSe 등 ZT > 2.0의 고성능 소재가 문헌에 보고되었으나 화학적 안정성, 성능 재현성 등의 문제로 상용화 가능성은 낮은 것으로 판단됨) | ||
현재 상용 열전소재는 250 oC 이하의 온도에서 우수한 열전특성으로 열전냉각 시스템에 적용되는 Bi-Te계가 유일하나, 상온에서 ZT ~0.95 (p-type 소재 ZT ~1.0, n-type 소재 ZT ~0.9) 수준의 낮은 성능을 나타내어 시장 확대를 위해서는 성능 증대가 필요함. (그림 2 참조) | 현재 상용 열전소재는 250 oC 이하의 온도에서 우수한 열전특성으로 열전냉각 시스템에 적용되는 Bi-Te계가 유일하나, 상온에서 ZT ~0.95 (p-type 소재 ZT ~1.0, n-type 소재 ZT ~0.9) 수준의 낮은 성능을 나타내어 시장 확대를 위해서는 성능 증대가 필요함. (그림 2 참조) | ||
2020년 12월 19일 (토) 03:34 판
프로젝트 개요
기술개발 과제
영문 : Enhanced thermoelectric performance by Cu addition in p-type Bi-Te alloys
국문 : Cu 첨가에 의한 p-type Bi-Te계 합금의 열전성능 향상
과제 팀명
뜨끈찌릿해-Yoo
지도교수
유종석 교수님
개발기간
2020년 9월 ~ 2020년 12월 (총 4개월)
구성원 소개
서울시립대학교 화학공학과 20153400** 전*훈(팀장)
서울시립대학교 신소재공과 20174500** 안*우
서론
개발 과제의 개요
개발 과제 요약
열전발전에서 주로 연구되어지고 있는 Bi-Te계 소재의 열전성능 향상이 목표이다. 이를 위해 DFT(Density Functional Theory)계산 논문을 바탕으로 특정 물질이 Doping 되었을 때의 물성을 예측하고자 한다. 이는 직접 실험을 하지 않아도 어느 정도 결과를 알 수 있다는 점에서 매우 경제적이다. 긍정적인 방향으로의 물성 변화가 예측되는 Dopants에 대해서 직접 실험을 통해 계산 값의 타당성을 검증한다. 또한 논문에서 직접 계산은 되어 있지 않지만, 비슷한 경향의 긍정적인 방향으로의 변화가 예측되는 Dopants에 대해서도 합성을 진행하고자 한다.
개발 과제의 배경
◇열전 현상
열전현상은 고체상태의 소재 내부에서 열 (온도차)에 의해 전자 또는 정공이 이동함에 의한 열에너지와 전기에너지의 직접적이며 가역적인 변환 현상으로, 전기인가에 의해 열에너지를 이동하여 소재 양단의 온도차를 유발하는 펠티어 (Peltier) 효과와 온도차가 전기로 변환되는 제벡 (Seebeck) 효과를 포함. (그림 1 참조)
그림 1. (a) 열전 현상 원리, (b) 펠티어 효과 (열전냉각) 및 (c) 제벡 효과 (열전발전)
이러한 열전현상은 온도 측정 (thermocouple), 센서, 냉각 (냉방) 및 발열 (난방), 발전 등의 시스템에 응용이 가능함.
열전냉각 및 발전 시스템 구현을 위한 단위 디바이스는 열전모듈로 절연기판-전극-열전소재(p형/n형)-전극-절연기판의 간단한 구조로 구성되어 열전소재의 성능이 열전냉각 및 발전 효율을 직접적으로 결정하는 소재 의존성이 매우 큰 기술로써 시장 확대의 핵심은 고성능 열전소재의 개발임.
열전소재의 성능인 열-전기 변환 효율은 무차원 성능지수 ZT로 정의되며, 성능지수 Z는 {전기전도도 × (제벡계수)2 / 열전도도}이며, T는 절대온도임.
온도에 따라 ZT가 높은 소재가 각각 개발되고 있으며, Bi-Te계 (n-type Bi2Te3-xSex, p-type Bi2-xSbxTe3, 상온 – 250 oC), Pb-Te계 (200 oC – 500 oC), Skutterudite계 (n-type CoSb3, p-type CeFe4Sb12, 300 oC – 600 oC), Si-Ge계 (500 oC – 1000 oC) 등이 ZT > 1.0의 성능을 나타냄 (그림 2 참조, SnSe 등 ZT > 2.0의 고성능 소재가 문헌에 보고되었으나 화학적 안정성, 성능 재현성 등의 문제로 상용화 가능성은 낮은 것으로 판단됨) 현재 상용 열전소재는 250 oC 이하의 온도에서 우수한 열전특성으로 열전냉각 시스템에 적용되는 Bi-Te계가 유일하나, 상온에서 ZT ~0.95 (p-type 소재 ZT ~1.0, n-type 소재 ZT ~0.9) 수준의 낮은 성능을 나타내어 시장 확대를 위해서는 성능 증대가 필요함. (그림 2 참조)
개발 과제의 목표 및 내용
내용
관련 기술의 현황
관련 기술의 현황 및 분석(State of art)
- 전 세계적인 기술현황
내용
- 특허조사 및 특허 전략 분석
내용
- 기술 로드맵
내용
시장상황에 대한 분석
- 경쟁제품 조사 비교
내용
- 마케팅 전략 제시
내용
개발과제의 기대효과
기술적 기대효과
내용
경제적, 사회적 기대 및 파급효과
내용
기술개발 일정 및 추진체계
개발 일정
내용
구성원 및 추진체계
내용
설계
설계사양
제품의 요구사항
열전냉각 및 발전 시스템 구현을 위한 단위 디바이스는 열전모듈로 절연기판-전극-열전소재(p형/n형)-전극-절연기판의 간단한 구조로 구성되어 열전소재의 성능이 열전 냉각 및 발전 효율을 직접적으로 결정하는 소재 의존성이 매우 큰 기술로써 시장 확대의 핵심은 고성능 열전소재의 개발이다.
설계 사양
열전소재 성능 증대를 위해서는 파워팩터 (전기전도도 × (제벡계수)2) 증가 또는 열전도도 저감이 필요하나 (1) 전하밀도 (n, carrier concentration)에 따른 전기전도도 (σ, electrical conductivity)와 제벡계수 (S, Seebeck coefficient)의 trade-off 관계, (2) 열전도도 (κtotal, thermal conductivity) 저감에 의한 ZT 증대를 위해서는 포논 (phonon)만을 산란하여 격자열전도도 (κlattice, lattice thermal conductivity)를 저감해야 하는 물리적 제한요소가 있음.
개념설계안
내용
이론적 계산 및 시뮬레이션
내용
상세설계 내용
내용
결과 및 평가
완료 작품의 소개
프로토타입 사진 혹은 작동 장면
내용
포스터
내용
관련사업비 내역서
내용
완료작품의 평가
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향후계획
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특허 출원 내용
내용
