1. 최종목표1-1. 정성적 목표(1) 원자자리 표적 도핑을 통한 페로브스카이트 산화물 소재 전기적 특성 제어 기술 개발(2) 용출을 이용한 페로브스카이트 산화물 입자 내 산소 공공 농도/분포 제어 기술 개발(3) A 금속 코팅 및 B 금속 용출을 통한 산화물 입자 내 A 금속 변조 도핑 및 in-situ A-B 합금 나노입자 표면 생성 기술 개발 (mos...
페로브스카이트 산화물
열전 발전
산소 공공
용출
합금 나노입자
2
2023년 2월-2027년 2월
|145,973,000원
산소 공공 제어 및 실시간 모자이크 표면 생성을 통한 고효율 고온용 산화물 열전발전 소재
1. 최종목표1-1. 정성적 목표(1) 원자자리 표적 도핑을 통한 페로브스카이트 산화물 소재 전기적 특성 제어 기술 개발(2) 용출을 이용한 페로브스카이트 산화물 입자 내 산소 공공 농도/분포 제어 기술 개발(3) A 금속 코팅 및 B 금속 용출을 통한 산화물 입자 내 A 금속 변조 도핑 및 in-situ A-B 합금 나노입자 표면 생성 기술 개발 (mos...
페로브스카이트 산화물
열전 발전
산소 공공
용출
합금 나노입자
3
주관|
2022년 5월-2023년 5월
|67,209,000원
제벡계수 실험값을 이용한 간단하고 정확한 열전소재 상태밀도 유효질량 계산 모델 개발
본 연구에서 제안하는 “제벡계수 실험값을 이용한 간단하고 정확한 열전소재 상태밀도 유효질량 계산 모델 개발”은 제벡계수(S) 측정값을 통해 페르미 전위(η) 예측 기술, S를 통해 예측된 η와 측정된 전하농도(n) 및 온도(T)를 통해 상태밀도 유효질량(md*)를 계산할 수 있는 기술 등의 핵심 요소 기술의 성공적인 개발을 통해 가능하고, 이를 위해 1년의 연구기간이 요구되며 연구목표 및 내용은 아래와 같음.
1. 연구과제의 내용 및 평가주안점
▶ S로부터 η 예측 (산란 메커니즘 별 S로부터 η를 예측하는 모델 개발)
- Single Parabolic Band (SPB) 모델 계산을 통해 전하 산란 메커니즘 별 η에 따른 S 계산
Acoustic phonon 산란 메커니즘
Neutral impurity 산란 메커니즘
Ionic impurity 산란 메커니즘
- 각 산란 메커니즘 별 S vs. η 관계에 Regression 모델을 최적화하여 S를 입력하면 η를 예측하는 모델 개발
- 각 산란 메커니즘 경향에 따른 Regression 모델 최적화
- SPB 모델 대비 오차 10% 이내
▶ S, n, T로부터 md*를 예측 (산란 메커니즘 별 S, n, T로부터 md*를 예측하는 모델 개발)
- SPB 모델 계산을 통해 전하 산란 메커니즘 별 η, md*, T에 따른 n 계산
Acoustic phonon 산란 메커니즘
Neutral impurity 산란 메커니즘
Ionic impurity 산란 메커니즘
- 산란 메커니즘 별 η(S) 및 n(η, md*, T)를 연결하여 n(S, md*, T) 모델 도출
- 각 산란 메커니즘 경향에 따른 Regression 모델 최적화
- SPB 모델 대비 오차 10% 이내
▶ md* 예측 모델을 실제 열전소재 합성/측정 결과에 적용
- Bi-Te계 소재 합성 후 md* 예측 모델 검증 (n값이 다른 Bi-Te 소재 3종 합성)
- Pb-Te계 소재 합성 후 md* 예측 모델 검증 (n값이 다른 Pb-Te 소재 3종 합성)
- SPB 모델 대비 오차 10% 이내
계산과학 기반 발전용 고효율 삼원계 인화물 열전 신소재 합성 및 밴드 모델링을 통한 열전특성 최적화
(1) 계산과학 기반 삼원계 인화물 신조성 열전재료 후보 도출◦ The Materials Project 데이터베이스에는 현재 세계 최대 규모인 48,000개 재료에 대한 전기적 특성이 계산되어 있음. 재료의 전기적 특성은 밴드 구조를 바탕으로 Boltzmann transport theory를 이용하여 계산되었으며, 계산 시 전하의 constant relaxation time을 가정함. ◦ [한국, 터키] 48,000개 재료 중 금속 인화물의 열전성능(전기적 특성)이 우수한 것으로 계산되었음. 특히, XYP (X, Y는 금속임) 삼원계 인화물의 경우, 복잡한 밴드 구조에 의한 밴드 중첩으로 기존 최고 zT를 갖는 상용 Bi-Te 및 PbTe계 열전재료보다 zT가 더 높을 것으로 계산되었음. 따라서, 삼원계 인화물 중에서도 가장 높은 zT 계산값을 갖는 ZnNaP, SrLiP, BaLiP, SnNaP, 4개의 삼원계 인화물을 단결정/다결정 합성 후보군으로 도출하였음 (J. Mater. Chem. C 5, 12441 (2017)). (2) 삼원계 인화물 신조성 열전재료의 단결정 성장 및 Band Transport Modeling◦ [터키] 계산과학 기반으로 도출된 4개의 삼원계 인화물 신조성 열전재료는 대부분 결정방향에 따라 열전성능이 민감하게 변하기 때문에 최적의 열정성능 구현을 위해서는 단결정 성장이 필수적임. 조성에 따라 (1) Bridgman technique, (2) Chemical Vapor Transport (CVT) method, (3) Flux method 등을 활용하여 단결정을 합성할 계획임. ◦ [한국] 합성된 단결정의 열전특성에 band transport modeling을 적용하여 신조성 열전재료의 밴드인자(effective mass, deformation potential 등)를 도출하고, 도출된 밴드인자로 최대 이론 zT와 최대 zT가 구현되는 최적의 전하 농도(nH)를 예측함. [터키] 최적의 nH에 도달하기 위한 단결정 합성 조건을 탐색하고, 새롭게 단결정을 성장하여 삼원계 인화물 신조성 열전재료 개발을 가속화함. (3) 열전특성과 유전특성 간의 물리적 관계 규명을 통한 새로운 고효율 열전재료 설계 전략 도출◦ [한국] Band transport Modeling이 예측한 최대 이론 zT를 갖는 신조성 열전재료 단결정 합성이 완료된 후, 동일한 단결정 샘플의 (1) 온도 및 주파수별 비유전율과 (그림 3), (2) Impedance를 (그림 4) 비유전율의 온도의존성 측정 시스템을 이용하여 측정할 계획임. ◦ [한국] 최근 열전재료의 유전특성과 carrier-phonon 상호작용이 이론적으로 상관관계가 있다는 보고가 있었음 (Nat. Rev. Mater. 2, 17049, (2017)). Carrier-phonon 상호작용이 강한 경우, phonon에 의한 nondegenerate mobility(μ0) 감소로 zT 증대를 제한함. 4개의 삼원계 인화물 신조성 열전재료 단결정의 유전특성 측정결과와 μ0/κl (κl는 phonon에 의한 격자열전도도임) 비율을 실험적으로 비교함으로써 유전특성과 charge-phonon 상호작용 간 물리적 관계를 규명할 계획임.
계산과학 기반 발전용 고효율 삼원계 인화물 열전 신소재 합성 및 밴드 모델링을 통한 열전특성 최적화
(1) 계산과학 기반 삼원계 인화물 신조성 열전재료 후보 도출
◦ The Materials Project 데이터베이스에는 현재 세계 최대 규모인 48,000개 재료에 대한 전기적 특성이 계산되어 있음. 재료의 전기적 특성은 밴드 구조를 바탕으로 Boltzmann transport theory를 이용하여 계산되었으며, 계산 시 전하의 constant relaxation time을 가정함.
◦ [한국, 터키] 48,000개 재료 중 금속 인화물의 열전성능(전기적 특성)이 우수한 것으로 계산되었음. 특히, XYP (X, Y는 금속임) 삼원계 인화물의 경우, 복잡한 밴드 구조에 의한 밴드 중첩으로 기존 최고 zT를 갖는 상용 Bi-Te 및 PbTe계 열전재료보다 zT가 더 높을 것으로 계산되었음. 따라서, 삼원계 인화물 중에서도 가장 높은 zT 계산값을 갖는 ZnNaP, SrLiP, BaLiP, SnNaP, 4개의 삼원계 인화물을 단결정/다결정 합성 후보군으로 도출하였음 (J. Mater. Chem. C 5, 12441 (2017)).
(2) 삼원계 인화물 신조성 열전재료의 단결정 성장 및 Band Transport Modeling
◦ [터키] 계산과학 기반으로 도출된 4개의 삼원계 인화물 신조성 열전재료는 대부분 결정방향에 따라 열전성능이 민감하게 변하기 때문에 최적의 열정성능 구현을 위해서는 단결정 성장이 필수적임. 조성에 따라 (1) Bridgman technique, (2) Chemical Vapor Transport (CVT) method, (3) Flux method 등을 활용하여 단결정을 합성할 계획임.
◦ [한국] 합성된 단결정의 열전특성에 band transport modeling을 적용하여 신조성 열전재료의 밴드인자(effective mass, deformation potential 등)를 도출하고, 도출된 밴드인자로 최대 이론 zT와 최대 zT가 구현되는 최적의 전하 농도(nH)를 예측함. [터키] 최적의 nH에 도달하기 위한 단결정 합성 조건을 탐색하고, 새롭게 단결정을 성장하여 삼원계 인화물 신조성 열전재료 개발을 가속화함.
(3) 열전특성과 유전특성 간의 물리적 관계 규명을 통한 새로운 고효율 열전재료 설계 전략 도출
◦ [한국] Band transport Modeling이 예측한 최대 이론 zT를 갖는 신조성 열전재료 단결정 합성이 완료된 후, 동일한 단결정 샘플의 (1) 온도 및 주파수별 비유전율과 (그림 3), (2) Impedance를 (그림 4) 비유전율의 온도의존성 측정 시스템을 이용하여 측정할 계획임.
◦ [한국] 최근 열전재료의 유전특성과 carrier-phonon 상호작용이 이론적으로 상관관계가 있다는 보고가 있었음 (Nat. Rev. Mater. 2, 17049, (2017)). Carrier-phonon 상호작용이 강한 경우, phonon에 의한 nondegenerate mobility(μ0) 감소로 zT 증대를 제한함. 4개의 삼원계 인화물 신조성 열전재료 단결정의 유전특성 측정결과와 μ0/κl (κl는 phonon에 의한 격자열전도도임) 비율을 실험적으로 비교함으로써 유전특성과 charge-phonon 상호작용 간 물리적 관계를 규명할 계획임.