KR101374272B1 - 미세 표면 구조를 갖는 고효율 광-열에너지 변환소자 및 그 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 태양광을 열에너지로 변환시킬 수 있는 태양광-열에너지 변환소자에 관한 것으로서, 특히, 태양광의 흡수율을 최대화하여 광-열에너지 변환 효율을 크게 높일 수 있고, 이에 따른 열매체로 전달되는 비등열전달 효율을 극대화시킬 수 있는 미세 표면 구조를 갖는 고효율 광-열에너지 변환소자 및 그 제조방법을 제공한다. 이를 위한 본 발명에 따른 광-열에너지 변환소자는, 반도체 물질로 이루어진 기판과; 상기 기판에 수직한 상방으로 길게 뻗은 형상을 가지며 상기 기판의 상면에 배열되는 반도체 물질로 이루어진 복수의 제1나노와이어와; 상기 제1나노와이어와 대향하는 상기 기판의 하방으로 길게 뻗은 형상을 가지며 상기 기판의 하면에 배열되는 반도체 물질로 이루어진 복수의 제2나노와이어;를 포함하여 이루어지되, 상기 제1나노와이어들 사이 및 상기 제2나노와이어들 사이의 공간 바닥면에는 금속성 입자가 클러스터(cluster) 형태로 분산 도포된 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 태양광을 열에너지로 변환시킬 수 있는 태양광-열에너지 변환소자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 태양광의 흡수율을 최대화하여 광-열에너지 변환 효율을 크게 높일 수 있고, 이에 따른 열매체로 전달되는 비등열전달 효율을 극대화시킬 수 있는 미세 표면 구조를 갖는 고효율 광-열에너지 변환소자 및 그 제조방법에 관한 것이다.
종래의 태양에너지 이용기술은 주로 태양전지로 이루어진 모듈을 통해 입사된 태양광을 발전에 이용하는 태양광 이용 기술과 집열기를 통해 태양 열에너지를 직접 이용하는 태양열 이용 기술 및 태양광 이용 기술과 태양열 이용 기술을 복합적으로 이용할 수 있는 복합 이용 기술이 개발되고 있다.
태양광 이용 기술은 반도체 PN 접합으로 구성된 태양 전지(solar cell)에 반도체의 금지대역폭보다 큰 에너지를 가진 파장영역의 태양광이 입사되면 광전효과에 의해 외부에 접속된 부하에 전류가 흐르는 원리를 이용하는 방법으로서 필요에 따라 태양전지를 직,병렬로 연결하여 사용할 수 있다.
태양열 이용 기술은 입사되는 태양 에너지를 집열기로 받아 들여 열매체를 통하여 그 열을 회수하는 방법으로, 현재 가장 많이 사용되고 있는 기술이다.
또한, 상기한 두 기술을 접목시킨 태양 에너지 복합기술은 평판형 광,열 복합 패널을 사용하여 태양으로부터 동시에 두 가지 형태의 에너지를 얻을 수 있는 기술로서, 전기를 생산하고 열을 생산하는데 이용된다. 이러한 태양광과 태양열을 동시에 접목시킨 복합장치에 대한 일 예로는 한국 공개특허공보 제2010-0073083호의 기술이 있다.
한편, 태양광을 이용하여 에너지를 획득하는 기술에 있어서, 태양광의 흡수율을 높이는 것은 무엇보다도 중요하다. 이러한 태양광의 흡수율을 높이기 위해 종래에는 다양한 종류의 태양광 소자에 대한 연구 및 개발이 진행되어 왔다.
그러나, 현재까지 연구 개발되거나 상용화된 태양광 소자의 경우 에너지 변환 효율이 매우 낮은 것이 사실이다. 특히, 태양광 소자에 입사되는 태양광 중 일부는 소자를 투과하게 되고 일부는 소자의 표면으로부터 반사되는 특성이 있기 때문에 태양광을 100% 흡수하는 것은 사실상 불가능하다.
일반적으로 태양광의 흡수율은 투과율 및 반사율과 서로 반비례 관계에 있기 때문에, 태양광의 흡수율을 높이기 위해서는 태양광의 투과율 및 반사율을 줄이는 것이 무엇보다 필요하다. 그러나, 이와 같은 태양광 흡수율과 관련하여 현재까지 보고된 가장 높은 태양광 흡수율은 2010년에 미국 칼텍(caltec) 사(社)의 Atwater 연구그룹에서 보고된 84.4% 정도가 최대 흡수율로 알려져 있다. 이처럼 지금까지 연구 개발되거나 상용화된 태양광 소자의 경우 에너지 변환 효율이 매우 낮기 때문에 이를 다양한 용도에 상용화시켜 적용하는 것이 어려운 문제점이 있었다.
이에, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 태양광 소자의 양쪽 표면에 수직으로 정렬된 일정길이의 나노와이어 구조물을 형성하고, 상기 나노와이어 구조물 사이에 금속성 나노 입자를 클러스터(cluster) 형태로 분산 도포된 나노 구조물 표면을 형성함으로써, 태양광 소자의 양면에 형성된 나노 구조물을 통해 태양광의 반사율을 감소시키고, 나노와이어 사이에 분산된 금속성 입자를 통해 태양광의 투과율을 감소시켜, 태양광 흡수율을 최대화시킬 수 있는 미세 표면 구조를 갖는 고효율 광-열에너지 변환소자 및 그 제조방법을 제공함에 있다.
또한, 나노와이어 및 금속성 입자가 분산된 표면 구조를 갖는 태양광 소자의 양쪽 표면 중 한쪽 면을 태양광이 입사되는 입사면으로 사용하고, 반대 면을 열매체(유체)와 접촉되며 열매체를 비등 가열하는 가열면으로 사용하여, 태양광 소자의 광-열에너지 변환작용에 의해 비등열전달(Boiling heat transfer)이 이루어지도록 구성함으로써, 나노구조물 표면을 통해 열매체로 전달되는 비등열전달 효율을 극대화시킬 수 있는 미세 표면 구조를 갖는 고효율 광-열에너지 변환소자 및 그 제조방법을 제공함에 있다.
상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 광-열에너지 변환소자는, 반도체 물질로 이루어진 기판과; 상기 기판에 수직한 상방으로 길게 뻗은 형상을 가지며 상기 기판의 상면에 배열되는 반도체 물질로 이루어진 복수의 제1나노와이어와; 상기 제1나노와이어와 대향하는 상기 기판의 하방으로 길게 뻗은 형상을 가지며 상기 기판의 하면에 배열되는 반도체 물질로 이루어진 복수의 제2나노와이어;를 포함하여 이루어지되, 상기 제1나노와이어들 사이 및 상기 제2나노와이어들 사이의 공간 바닥면에는 금속성 입자가 클러스터(cluster) 형태로 분산 도포된 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 제1나노와이어가 형성된 기판의 상면은 태양광이 입사되는 입사면으로 사용되고, 상기 제2나노와이어가 형성된 기판의 하면은 유체와 접촉되며 유체를 비등 가열하는 가열면으로 사용될 수 있다.
그리고, 상기 기판 및 제1,2나노와이어는 모두 동일한 실리콘(silicon) 재질로 구성될 수 있다.
아울러, 상기 금속성 입자는 은(Ag) 나노입자로 구성될 수 있다.
한편, 상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 광-열에너지 변환소자의 제조방법은, 기판을 산화제가 포함된 혼합용액 내에 투입하여 혼합용액 내에 이온화되어 있는 복수의 금속성 입자를 상기 기판의 양쪽 표면에 부착시킨 후, 상기 기판을 식각액 내에 투입하여 상기 금속성 입자가 부착된 상기 기판의 양쪽 표면 부분을 일정시간 동안 식각함으로써, 상기 기판의 양쪽 표면에 서로 대향하는 방향으로 길게 뻗은 형상을 갖는 복수의 제1, 2나노와이어를 형성하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 기판의 양쪽 표면에 형성된는 제1,2나노와이어의 높이는 상기 기판의 식각 시간을 통해 조절될 수 있다.
이때, 상기 금속성 입자로는 은(Ag) 나노입자를 적용할 수 있다.
또한, 상기 혼합용액에는 산화제인 AgNO3 및 HF가 혼합될 수 있다.
아울러, 상기 식각액에는 HF 및 H2O2 가 혼합될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 집열판은, 태양광 에너지를 열에너지로 변환하는 다수의 광-열에너지 변환소자를 구비하되, 상기 광-열에너지 변환소자는, 반도체 물질로 이루어진 기판과; 상기 기판에 수직한 상방으로 길게 뻗은 형상을 가지며 상기 기판의 상면에 배열되는 반도체 물질로 이루어진 복수의 제1나노와이어와; 상기 제1나노와이어와 대향하는 상기 기판의 하방으로 길게 뻗은 형상을 가지며 상기 기판의 하면에 배열되는 반도체 물질로 이루어진 복수의 제2나노와이어;를 포함하여 이루어지되, 상기 제1나노와이어들 사이 및 상기 제2나노와이어들 사이의 공간 바닥면에는 금속성 입자가 클러스터(cluster) 형태로 분산 도포되며, 상기 제1나노와이어가 형성된 기판의 상면은 태양광이 입사되는 입사면으로 사용되고, 상기 제2나노와이어가 형성된 기판의 하면은 유체와 접촉되며 유체를 비등 가열하는 가열면으로 사용되는 것을 특징으로 한다.
그리고, 본 발명에 따른 태양광 발전장치는, 태양광 에너지를 열에너지로 변환하는 다수의 광-열에너지 변환소자를 구비한 집열판을 통해 유체를 가열하여 증기화시킨 후 터빈을 돌려 발전하는 태양광 발전장치에 있어서, 상기 광-열에너지 변환소자는, 반도체 물질로 이루어진 기판과; 상기 기판에 수직한 상방으로 길게 뻗은 형상을 가지며 상기 기판의 상면에 배열되는 반도체 물질로 이루어진 복수의 제1나노와이어와; 상기 제1나노와이어와 대향하는 상기 기판의 하방으로 길게 뻗은 형상을 가지며 상기 기판의 하면에 배열되는 반도체 물질로 이루어진 복수의 제2나노와이어;를 포함하여 이루어지되, 상기 제1나노와이어들 사이 및 상기 제2나노와이어들 사이의 공간 바닥면에는 금속성 입자가 클러스터(cluster) 형태로 분산 도포되며, 상기 제1나노와이어가 형성된 기판의 상면은 태양광이 입사되는 입사면으로 사용되고, 상기 제2나노와이어가 형성된 기판의 하면은 유체와 접촉되며 유체를 비등 가열하는 가열면으로 사용되는 것을 특징으로 한다.
상기한 구성을 갖는 본 발명에 따르면, 광-열에너지 변환소자의 양쪽 표면에 수직으로 정렬된 일정길이의 나노와이어 구조물을 형성하고, 상기 나노와이어 구조물 사이에 금속성 나노 입자를 클러스터(cluster) 형태로 분산 도포된 나노 구조물 표면을 형성함으로써, 광-열에너지 변환소자의 양면에 형성된 나노 구조물을 통해 태양광의 반사율을 감소시키고, 나노와이어 사이에 분산된 금속성 입자를 통해 태양광의 투과율을 감소시켜, 태양광 흡수율을 극대화시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 나노와이어 및 금속성 입자가 분산된 표면 구조를 갖는 광-열에너지 변환소자의 양쪽 표면 중 한쪽 면을 태양광이 입사되는 입사면으로 사용하고, 반대 면을 유체와 접촉되며 유체를 비등 가열하는 가열면으로 사용하여, 태양광 소자의 광-열에너지 변환작용에 의해 비등열전달이 이루어지도록 함으로써, 나노구조물 표면을 통해 유체로 전달되는 비등열전달 효율을 극대화시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 광-열에너지 변환소자를 도시한 사시도.
도 2는 도 1의 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 광-열에너지 변환소자의 제조과정을 순차적으로 보여주는 공정도.
도 4는 도 3에 의한 광-열에너지 변환소자의 제조 과정에서 실리콘 기판의 식각 시간에 따른 표면의 형상 변화를 시각적으로 보여주는 이미지.
도 5는 본 발명에 따른 나노와이어 구조 표면 제작시 식각 시간에 따른 나노와이어 길이 변화를 보여주는 그래프 및 이미지
도 6은 본 발명에 따른 광-열에너지 변환소자의 태양광 흡수율 평가 결과를 보여주는 그래프.
도 7은 본 발명에 따른 나노와이어 구조 및 금속성 클러스터 분산을 통한 태양광 흡수율 개선 과정을 보여주는 개념도.
도 8은 기준 태양광 AM 1.5D 조사광에 대한 파장에 따른 흡수율을 스펙트럼 형태로 나타낸 그래프
도 9는 본 발명의 광-열에너지 변환소자를 이용한 비등열전달 과정을 도식적으로 묘사한 개념도
도 10은 표면에 나노와이어 구조 형성 유무 및 나노와이어 길이에 따른 비등열전달 성능 및 열전달 계수 특성을 비교한 그래프.
도 11은 열유속 증가에 따른 국소적 온도 구배 특성을 비교 도시한 그래프
도 12는 평판 구조의 표면과 본 발명의 나노와이어 구조 표면에서 비등열전달시 표면에서 기포생성에 따른 표면의 온도 안정성을 비교한 그래프
도 2는 도 1의 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 광-열에너지 변환소자의 제조과정을 순차적으로 보여주는 공정도.
도 4는 도 3에 의한 광-열에너지 변환소자의 제조 과정에서 실리콘 기판의 식각 시간에 따른 표면의 형상 변화를 시각적으로 보여주는 이미지.
도 5는 본 발명에 따른 나노와이어 구조 표면 제작시 식각 시간에 따른 나노와이어 길이 변화를 보여주는 그래프 및 이미지
도 6은 본 발명에 따른 광-열에너지 변환소자의 태양광 흡수율 평가 결과를 보여주는 그래프.
도 7은 본 발명에 따른 나노와이어 구조 및 금속성 클러스터 분산을 통한 태양광 흡수율 개선 과정을 보여주는 개념도.
도 8은 기준 태양광 AM 1.5D 조사광에 대한 파장에 따른 흡수율을 스펙트럼 형태로 나타낸 그래프
도 9는 본 발명의 광-열에너지 변환소자를 이용한 비등열전달 과정을 도식적으로 묘사한 개념도
도 10은 표면에 나노와이어 구조 형성 유무 및 나노와이어 길이에 따른 비등열전달 성능 및 열전달 계수 특성을 비교한 그래프.
도 11은 열유속 증가에 따른 국소적 온도 구배 특성을 비교 도시한 그래프
도 12는 평판 구조의 표면과 본 발명의 나노와이어 구조 표면에서 비등열전달시 표면에서 기포생성에 따른 표면의 온도 안정성을 비교한 그래프
이하, 본 발명의 바람직한 일실시 예를 첨부도면을 참조하여 상세하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 광-열에너지 변환소자를 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1의 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 광-열에너지 변환소자(100)는 태양광 에너지를 열에너지로 변환하는 판형 소자로서, 실리콘(silicon) 재질로 이루어진 기판(110)과, 상기 기판(110)의 대향하는 상,하면에 배열 형성된 복수의 제1 및 제2나노와이어(nano wire)(122)(132)와, 상기 각 나노와이어(122)(132)들 사이의 공간부 바닥면에 분산된 복수의 금속성 입자(124)(134)들을 포함하여 구성된다.
상기 제1나노와이어(122)는 기판(110)에 수직한 상방으로 길게 뻗은 형상을 갖도록 형성되며, 상기 제1나노와이어(122)의 반대편에 위치하는 제2나노와이어(132)는 기판(110)의 수직한 하방으로 길게 뻗은 형상을 갖도록 배열 형성된다.
이때, 상기 기판(110)의 상,하면에 형성되는 제1 및 제2나노와이어(122)(132)는 기판(110)과 동일한 실리콘(silicon) 재질로 구성되는데, 그 각각의 길이(높이)는 바람직하게는 0.1~1000㎛ 범위 내에서 형성될 수 있다.
그리고, 상기 제1나노와이어(122)들 사이의 공간부 바닥면과, 상기 제2나노와이어(132)들 사이의 공간부 바닥면상에는 금속성 나노입자(124)(134)인 은(Ag) 입자가 클러스터(cluster 또는 particle) 형태로 분산 도포된 구조를 갖는다.
상기와 같은 구조로 양쪽 면이 표면 처리된 본 발명의 광-열에너지 변환소자(100)는 빛이 입사되는 제1표면(120)에서 일차적으로 입사광의 산란을 유도하고, 그 배면에 위치한 제2표면(130)에서 투과된 광의 이차적인 산란작용을 유도하여, 추가적인 투과율의 감소를 유도할 수 있고, 또한 배면에서 반사되어 광 입사면 쪽으로 돌아오는 광량의 감소를 유도하여 반사율 및 투과율을 크게 감소시킴으로써 태양광 흡수율을 크게 증대시킬 수 있고, 이로 인한 광-열에너지 변환효율을 크게 향상시킬 수 있다.
도 3은 상술한 구성을 갖는 광-열에너지 변환소자(100)의 제조과정을 순차적으로 보여주는 공정도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 광-열에너지 변환소자(100)의 제조는, Metal-assisted chemical etching(MaCE) 기법을 이용한 나노와이어의 길이 제어 및 금속성 입자 분산에 특징을 두고 있다.
그리고 본 발명에 따른 광-열에너지 변환소자(100)의 나노구조 표면 제작에 있어, 나노와이어 및 금속성 입자가 분산된 표면을 구현하는 방법은 광-열에너지 변환소자의 상,하면 모두 동일한 방법으로 동시적으로 이루어지기 때문에, 하기에서는 소자의 한쪽 표면에 대한 제조 방법을 일 예로 들어 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 광-열에너지 변환소자(100) 제조방법은, 금속성 입자(Ag;124)의 도입과정으로, 먼저, 산화제인 AgNO3 와 HF가 혼합된 혼합용액 내에 실리콘 기판(110)을 투입하게 되면, 도 3의 (a)와 같이, 혼합용액 내에 이온화되어 있는 Ag+ 가 실리콘 기판(110) 표면에 Ag(124)로 환원되면서 기판(110) 표면에 랜덤(random)한 구조로 달라붙어 부착된다.
이렇게 복수의 Ag 입자가 실리콘 기판(110) 표면에 부착되면, 다음으로, Ag 입자가 부착된 실리콘 기판(110)을 HF 와 H2O2 가 혼합된 식각액(etchant) 내에 투입하게 된다. 이렇게 되면, 상기 (a) 과정에서 실리콘 기판(110) 표면에 환원되어 달라붙은 Ag 입자(124)의 하단부(Si-Ag 접촉부)가 부분적으로 접촉하고 있는 실리콘 기판(110) 표면을 SiO2 로 산화시키게 되고, 이렇게 산화된 SiO2 는 식각액 내에 포함된 HF에 의해 식각되어 제거된다.
즉, Ag 입자(124)가 달라붙어 있는 기판(110) 표면 부분에서만 기판(110)의 산화(SiO2 생성) 및 식각 작용이 지속적으로 반복되어, Ag 입자(124)가 점차 아래방향으로 내려가면서 기판(110)의 식각 작용이 이루어지게 되고, 이러한 식각 과정이 일정시간 동안 이루어진 후에는, 도 3의 (b)와 같이, 실리콘 기판(110)에서 최종적으로 식각되고 남은 부분이 나노와이어(nano wire) 구조로 남게 됨으로써 나노와이어(122) 구조가 형성된 실리콘 기판(110) 표면이 완성된다.
이때, 실리콘 기판(110)의 식각 작용을 위해 처음 도입된 Ag 입자(124)는 기판(110)의 식각이 완료된 후 나노와이어(122)들 사이의 바닥면상에 클러스터(cluster) 형태로 남게 된다. 이와 같이 식각 작용을 위해 도입된 Ag 입자(124)를 제거하지 않고 나노와이어(122) 구조물 사이에 남겨둠으로써 나노와이어(122) 구조 및 금속성 입자(124)가 분산된 형태의 나노구조물 표면을 완성하게 된다. 도 4의 이미지 사진은 상기한 도 3의 제조방법에 의해 제작된 실리콘 기판(110) 표면을 나타낸 것으로서, 기판의 식각이 5초, 30초, 5분, 30분 동안 이루어진 표면의 이미지를 각각 보여주고 있다.
아울러, 상기와 같은 나노구조물 표면 제조과정에서 실리콘 기판(110) 표면에 형성되는 나노와이어(122)의 높이(길이)는 기판(110)의 식각 시간을 제어하여 조절할 수 있는데, 도 5의 그래프는 이러한 식각 시간 제어에 따른 나노와이어 길이 변화를 보여주고 있다. 여기서, 그래프 상단에 표시된 여러 이미지 사진들은 기판의 식각 시간이 30초, 1분, 10분, 70분일 때 기판 표면을 평면 및 측면에서 바라본 모습을 보여주고 있다.
또한, 도 6은 전술된 도 3의 제조방법을 통해 제작된 광-열에너지 변환소자의 광학 특성을 측정한 그래프들로써, 기판의 단면(single side), 양면(double side), 식각 시간 등의 차이에 따른 태양광 흡수율 특성 결과를 보여주는 것이다.
도 6의 특성평가 실험에서는, 태양광 흡수율 성능 평가 인자로서, 나노와이어 구조물의 길이(height), 밀집도(density), 금속 입자(Ag)의 표면 분산 여부, 기판의 단/양면에 나노와이어 구조 적용 여부 등을 구분하여, 상기 각 인자들 경우에 대한 태양광 흡수율 변화를 평가하였으며, 이들 중 최고의 흡수율 성능을 갖는 소자 표면 구조를 도출해내고자 하였다.
그리고, 각 인자들에 대한 표면 광학 특성 평가는 200nm ~ 2500nm의 파장대 영역(자외선 영역 ~ 가시광선 영역 ~ 근적외선 영역)에서 수행되었으며, 그래프의 T는 파장대 영역에서의 투과율을, R은 반사율을, A는 흡수율을 나타내고, Aavg 는 전체 평균(overall averaged) 흡수율 값을 나타낸다.
위의 조건들 하에서 수행된 광학 특성 평가실험 결과는 다음과 같다.
① 나노와이어 구조물에 의한 표면 거칠기 증가 효과
평판 구조를 갖는 실리콘 표면(a)과 한쪽 면에 나노와이어 구조가 형성된 실리콘 표면(b)의 비교 결과를 통해 알 수 있듯이, 소자 표면의 거칠기(나노와이어 형성)가 증가될 경우 반사율 저감효과가 명확히 나타났고, 이에 따른 평균 흡수율(Aavg)도 27.99% -> 54.09%로 크게 증가하였고(a와 b 비교), 아울러, 소자 표면에 생성된 나노와이어의 길이(식각 시간) 증가에 따라 평균 흡수율(Aavg)이 크게 증가하였다.(b,c,d 비교)
② 소자의 표면 거칠기 증가에 따른 확산 광학 반사(diffusive optical reflection) 효과
나노와이어가 형성된 거친 표면에 광이 입사가 되거나 입사 후 반사되어 돌아갈 때, 나노와이어 구조물로 인한 난반사가 유도되어 반사율 및 투과율이 효과적 감소되고, 또한, 나노와이어 구조물의 길이(높이)가 증가됨에 따라 적외선 영역에서의 반사율 및 투과율 감소 효과가 크게 증가된 것을 확인할 수 있다.
③ 금속성 나노 입자를 이용한 흡수율 증가 효과
나노와이어 구조물 제작과정에서 Ag 나노 입자(nano-cluster)를 제거하지 않은 경우(e), 나노와이어 사이에 있는 미세한 금속성 입자(Ag)를 통해 입사되는 빛의 산란(scattering) 효과를 유발시켜 흡수율을 증가시킬 수 있다. 즉, 나노와이어 사이에 있는 Ag 입자가 입사된 빛의 직진 경로를 방해하여 고체 매질 내에서 산란이 일어나도록 유도함으로써 빛의 유효이동 거리를 증가시켜 Ag 입자가 남아있는 나노와이어 구조물 기판의 광흡수율을 증가시킬 수 있는데, 그래프 (c)와 같이 Ag 입자가 없는 경우의 평균 광흡수율은 58.08% 이고, 그래프 (e)와 같이 Ag 입자가 있는 경우 평균 광흡수율은 71.84%로 크게 증가한 것을 볼 수 있다. 이처럼 나노와이어 구조물 사이에 금속성 나노입자(Ag)를 도입함으로써, 특히 적외선 영역에서의 투과율 및 반사율을 크게 감소시킬 수 있다.
④ 표면 구조의 단/양면 구현 여부에 따른 흡수율 개선 효과 (e와 f 비교)
금속입자(Ag)가 분산된 동일한 나노와이어 구조를 실리콘 기판의 단면(single side) 및 양면(double side)에 모두 동일하게 표면 처리한 실험에서는, 실리콘 기판의 단면에만 표면 처리한 경우(e)에 비해 실리콘 기판의 양면 모두에 표면 처리한 경우(f)가 반사율 및 투과율이 크게 감소하여 광흡수율이 크게 증가한 것을 볼 수 있다. 이는 나노구조로 표면 처리된 빛의 입사면에서 빛의 산란을 유도하고, 동일한 나노구조로 표면 처리된 배면에서도 빛의 산란이 추가적으로 유도되어 추가적인 투과율 감소가 일어나고, 또한 배면에서 반사되어 빛의 입사면 쪽으로 돌아오는 광량의 감소를 유도하는 효과에 기인한다고 볼 수 있다.
이상의 실험 결과를 통해 알 수 있듯이, 실리콘 기판 표면에 나노와이어 구조를 형성하고 나노와이어 사이에 Ag 나노입자를 분산시킨 표면을 기판의 양면에 적용한 실리콘 기판 표면의 경우(e), 입사광 파장 200~2500 nm 영역에서 평균 82.10%의 높은 광흡수율 특성이 나타나는 것을 확인할 수 있다. 참고로, 도 7은 소자 표면에 상기와 같은 나노와이어 구조 및 금속성 입자 분산을 통해 태양광 흡수율이 개선되는 과정을 도식적으로 보여주고 있다.
한편, 도 8은 본 발명에 따른 광-열에너지 변환소자의 실제 태양광에 대한 최대 흡수율을 평가한 것으로서, AM 1.5D 조사광(solar irradiation)에 대한 파장에 따른 흡수율을 스펙트럼 형태로 나타낸 그래프이다
이 실험에서는 실제 태양광 특성에 적합한 AM(air mass) 1.5D(direct) 태양 조사광에 대한 태양광 최대 흡수율 표면을 구현하기 위하여, 파장에 따른 에너지 흡수량의 정도를 평가하였다.
도 8의 평가 결과로부터 알 수 있듯이, 거친 나노와이어(SiNWs) 구조와 금속성 입자(Ag)가 분포되어 있는 양면 표면 구현 시 총 태양광(AM1.5D solar irradiation)의 93.1%를 흡수할 수 있는 것을 확인할 수 있다.(case1) 이는 기존 학계에서 보고된 최대 흡수율(84.4%)보다 월등히 향상된 결과임을 보여주는 것이다.
한편, 상술한 바와 같은 고효율 에너지 흡수 표면 구조를 갖는 본 발명의 광-열에너지 변환소자(100)를 다수 개 연결하여 구성하게 되면 태양광 에너지 흡수율을 높여 다양한 용도에 적용하여 사용할 수 있는데, 예컨대, 태양광 에너지를 통해 유체를 가열하여 난방하는 각종 난방 기기나 집열판을 통해 유체를 가열하여 증기화시킨 후 터빈을 돌려 발전하는 태양광 발전장치 등에 적용하여 사용할 수 있다.
도 9는 본 발명에 따른 광-열에너지 변환소자의 하나의 적용 예로서, 광-열에너지 변환소자를 이용한 비등열전달 과정을 도식적으로 묘사한 개념도이다
도 9에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 광-열에너지 변환소자(100)는 복수의 제1나노와이어(122)가 형성된 기판(110)의 제1표면(120)을 태양광이 입사되는 입사면으로 사용하고, 복수의 제2나노와이어(132)가 형성된 기판(110)의 제2표면(130)을 유체와 직접 접촉을 이루며 외부로부터 공급되는 유체를 비등 가열하는 가열면으로 사용함으로써, 이러한 나노구조 표면(nanostructured surface) 형성을 통해 유체에 의한 비등열전달(Boiling heat transfer) 성능을 향상시킬 수 있다.
일반적으로, 비등열전달은 여러 공학 시스템의 열발생 공정에서 널리 이용되는 중요한 열전달 방법 중 하나로서, 임의의 가열면에 액체가 접해 있으면서 비등이 일어나는 경우, 전달되는 열의 대부분이 액체의 기화열로 효과적으로 흡수되어 가열면과 액체 간의 온도 차이가 작아도 열전달이 잘 이루어지게 하는 것을 말한다. 특히, 열전달 표면에서 기포가 발생하는 핵비등열전달은 일반 단상 열전달보다 훨씬 더 많은 양의 열을 효과적으로 전달할 수 있으므로 화력 발전소와 원자력 발전소의 보일러, 각종 난방 기기의 보일러, 각종 냉동기와 히트 펌프의 증발기, 히트 파이프, 반도체 냉각 등 여러 다양한 분야에 적용하여 사용할 수 있다.
도 10은 본 발명에 따른 광-열에너지 변환소자의 비등열전달 성능과 열전달 계수 특성을 비교한 것으로서, 소자 표면에 나노와이어 구조 형성 유무 및 형성된 나노와이어 길이에 따른 비등열전달 성능 및 열전달 계수 특성을 비교한 그래프이다.
도 10의 (a) 그래프는 비등열전달 성능 곡선으로서, X-축은 유체와 접촉되는 광-열에너지 변환소자의 벽면과열(wall superheat) 온도를 나타내고, Y-축은 단위시간당 단위면적을 통하여 이동한 열에너지의 양(heat flux)을 나타낸다.
열전달 성능 비교는 15㎛ 및 2㎛ 높이의 나노와이어 구조를 갖는 실리콘 소자 표면과 평판 구조를 갖는 실리콘 소자 표면을 대상으로 하였으며, 그래프의 성능곡선에서 Y축의 열플럭스(heat flux) 값이 높으면 높을수록 더 많은 열을 방열(dissipation)할 수 있음을 말한다.
그래프를 통해 알 수 있듯이, 평판 실리콘 표면의 경우 최대 열유속(또는 critical heat flux, CHF)값이 90W/㎠정도이고, 길이가 짧은(2㎛ 높이) 나노와이어 구조 표면에서는 180W/㎠, 길이가 긴(15㎛ 높이) 나노와이어 구조 표면에서는 200W/㎠을 약간 상회하는 것을 확인할 수 있다. 즉, 나노와이어 구조를 갖는 실리콘 표면에서의 비등열전달이 평판 구조를 갖는 실리콘 표면 대비 100% 이상의 최대 열유속(CHF) 증가 효과를 발생시킨다는 것을 알 수 있다.
또한, 나노와이어 표면을 갖는 샘플들이 평판 구조의 표면을 갖는 샘플보다 동일 열유속 값에서 벽면과열(wall superheat)이 훨씬 감소한 것을 확인할수 있다. 이는 곧 동일한 양의 열을 전달 또는 방열시킬 때 표면의 온도가 평판보다 나노와이어 구조 표면에서 훨씬 낮게 유지될 수 있다는 것을 의미한다. 이처럼 표면의 온도가 최대한 낮게 유지되면서 더 많은 양의 열을 빼내어 줄 수 있는 본 발명의 나노와이어 표면 구조가 열전달 측면에서도 가장 최적화된 표면 구조라는 것을 알 수 있다.(예컨대, 표면의 온도가 높으면서 최대 열유속이 낮은 표면의 경우 비등열전달 시 표면의 열응력 집중, 열전달 효율 저하 및 국소 표면의 번 아웃(burnout)을 야기할 수 있다)
아울러, 상기한 바와 같이 표면의 온도 감소 또는 낮은 온도 유지 기능을 갖는 본 발명의 나노와이어 표면은 더 높은 열전달 효율 또는 열전달 계수 값을 갖는다는 것을 볼 수 있다. 이는 도 10의 (b) 그래프를 통해 확인할 수 있는데, 열유속(Heat flux) 증가시 나노와이어가 형성된 표면에서 월등히 높은 열전달계수(Heat transfer coefficient) 값을 갖는다는 것을 확인할 수 있고, 또한 최대 열유속 값이 평판 표면 구조의 경우 25000 W/㎡K, 나노와이어 표면 구조의 경우 최대 55000 W/㎡K에 이를 정도로 높게 나타나는 것을 실험적으로 확인하였다.
한편, 도 11은 본 발명의 나노와이어 구조의 표면을 이용한 비등열전달 성능 개선을 비교한 것으로서, 열유속 증가에 따른 국소적 온도 구배 특성을 나타낸 그래프이다.
여기서, 도 11의 (a)는 평판 구조를 갖는 표면에 대한 것이고, (b)는 15㎛ 높이의 나노와이어 구조를 갖는 표면에 대한 것으로서, 그래프 (a)와 (b)는 비등열전달이 일어나는 경우 국소적인 표면의 온도 구배 특성을 각각 평판과 나노와이어 표면에서 측정한 결과이다. 이때, 측정 실험은 5개의 온도 센서를 이용하여 측정하였으며, 각 온도 센서를 일직선상에 1.5 mm의 간격을 두고 배치하여 측정하였다.
그래프 결과를 통해 확인할 수 있듯이, 열유속 값이 증가함에 따라 평판 표면에서는 비교적 짧은 구간(총 길이 6mm)임에도 불구하고 외곽과 중앙부의 온도 구배가 상당히 크게 나타나는 것을 볼 수 있다. 특히, 열유속이 89.3 W/㎠의 경우, 평균 온도가 140.0도이고 표준 편차가 4.74도에 이른다는 것을 확인할 수 있다. 그러나 나노와이어 구조 표면에서는 훨씬 높은 열유속 값(202.0 W/㎠)에서도 오히려 평균 온도는 137.8도로 감소하고, 표준편차의 경우 0.61도로 현저히 감소되는 것을 볼 수 있다. 이러한 평균 온도 및 국소적 온도 구배의 감소는 곧 냉각 및 열교환 표면에서의 열하중 및 국소적 열집중에 따른 열응력에 의한 파손을 최소화시킬 수 있다는 장점을 갖게 한다.
한편, 도 12는 평판 구조의 실리콘 표면과 나노와이어 구조의 실리콘 표면에서 비등열전달시 표면에서의 기포생성에 따른 표면의 온도 안정성을 비교한 그래프이다.
여기서, 그래프 (a)는 평판 실리콘 표면의 시간에 따른 표면 열전달 특성을 나타낸 것이고, (b)는 15㎛ 높이의 나노와이어 구조를 갖는 실리콘 표면의 시간에 따른 표면 열전달 특성을 나타낸 것이다. 특히, 이 실험에서는 기포의 생성을 수반하는 비등열전달이 일어나는 경우, 시간에 따른 국소 표면에서의 온도의 떨림(변화)을 평가하였다.
도 12의 (a)에서 보는 것과 같이, 평판 표면에서는 기포의 생성에 따라 비교적 큰 온도의 변화가 주기적 또는 비주기적으로 나타나는 것을 알 수 있다. 반면 (b)의 나노와이어 구조 표면에서는 훨씬 높은 열유속 조건에서도 표면 온도의 변화가 크게 감지되지 않는 것을 볼 수 있다. 이는 표면에서의 기포 생성 특성에 따른 결과로써, 평판의 경우 비등열전달시 비교적 큰 크기의 불연속적인(discrete) 기포 생성이 국소 표면에 집중됨에 따라 기포의 생성과 표면에서의 탈락에 따라 표면 온도가 크게 변화하는 것을 볼 수 있다. 반면, 매우 거칠면서 초친수 특성을 갖는 본 발명의 나노와이어 구조 표면에서는 매우 작은 크기의 기포가 넓은 면적에서 고르게 퍼져 생성되기 때문에 평판에서와 같은 큰 온도 변화는 감지되지 않는다. 이와 같은 시간에 따른 온도 구배 특성은 열전달/열교환 표면의 안정성과 직결되는 내용이기 때문에, 상당한 크기의 열부하가 동적으로 반복될 경우 열피로(thermal fatigue)에 의한 표면의 파손을 초래할 수도 있는데, 본 발명에서 제공하는 나노와이어 표면 구조를 적용하게 되면, 상기한 문제점들을 완전히 해결할 수 있다는 것을 본 연구 결과를 통해 확인할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이같은 특정 실시 예에만 한정되지 않으며, 해당분야에서 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 특허청구범위 내에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경이 가능할 것이다.
100 : 광-열에너지 변환소자 110 : 기판
120 : 제1표면 122 : 제1나노와이어
124,134 : 금속성 입자 130 : 제2표면
132 : 제2나노와이어 200 : 유체
120 : 제1표면 122 : 제1나노와이어
124,134 : 금속성 입자 130 : 제2표면
132 : 제2나노와이어 200 : 유체
Claims (13)
- 반도체 물질로 이루어진 기판과;
상기 기판에 수직한 상방으로 길게 뻗은 형상을 가지며 상기 기판의 상면에 배열되는 반도체 물질로 이루어진 복수의 제1나노와이어와;
상기 제1나노와이어와 대향하는 상기 기판의 하방으로 길게 뻗은 형상을 가지며 상기 기판의 하면에 배열되는 반도체 물질로 이루어진 복수의 제2나노와이어;를 포함하여 이루어지되,
상기 제1나노와이어들 사이 및 상기 제2나노와이어들 사이의 공간 바닥면에는 금속성 입자가 클러스터(cluster) 형태로 분산 도포된 것을 특징으로 하는 광-열에너지 변환소자
- 제1항에 있어서, 상기 제1나노와이어가 형성된 기판의 상면은 태양광이 입사되는 입사면으로 사용되고, 상기 제2나노와이어가 형성된 기판의 하면은 유체와 접촉되며 유체를 비등 가열하는 가열면으로 사용되는 것을 특징으로 하는 광-열에너지 변환소자
- 제1항에 있어서, 상기 기판 및 제1,2나노와이어는 동일 재질로 구성된 것을 특징으로 하는 광-열에너지 변환소자
- 제2항에 있어서, 상기 기판 및 제1,2나노와이어는 실리콘(silicon)으로 구성된 것을 특징으로 하는 광-열에너지 변환소자
- 제1항에 있어서, 상기 금속성 입자는 은(Ag) 나노입자인 것을 특징으로 하는 광-열에너지 변환소자.
- 태양광 에너지를 열에너지로 변환하는 다수의 광-열에너지 변환소자를 구비한 집열판에 있어서,
상기 광-열에너지 변환소자는,
반도체 물질로 이루어진 기판과;
상기 기판에 수직한 상방으로 길게 뻗은 형상을 가지며 상기 기판의 상면에 배열되는 반도체 물질로 이루어진 복수의 제1나노와이어와;
상기 제1나노와이어와 대향하는 상기 기판의 하방으로 길게 뻗은 형상을 가지며 상기 기판의 하면에 배열되는 반도체 물질로 이루어진 복수의 제2나노와이어;를 포함하여 이루어지되,
상기 제1나노와이어들 사이 및 상기 제2나노와이어들 사이의 공간 바닥면에는 금속성 입자가 클러스터(cluster) 형태로 분산 도포되며,
상기 제1나노와이어가 형성된 기판의 상면은 태양광이 입사되는 입사면으로 사용되고, 상기 제2나노와이어가 형성된 기판의 하면은 유체와 접촉되며 유체를 비등 가열하는 가열면으로 사용되는 것을 특징으로 하는 집열판
- 제6항에 있어서, 상기 기판 및 제1,2나노와이어는 동일 재질로 구성된 것을 특징으로 하는 집열판
- 제6항에 있어서, 상기 기판 및 제1,2나노와이어는 실리콘(silicon)으로 구성된 것을 특징으로 하는 집열판
- 제6항에 있어서, 상기 금속성 입자는 은(Ag) 나노입자인 것을 특징으로 하는 집열판
- 태양광 에너지를 열에너지로 변환하는 다수의 광-열에너지 변환소자를 구비한 집열판을 통해 유체를 가열하여 증기화시킨 후 터빈을 돌려 발전하는 태양광 발전장치에 있어서,
상기 광-열에너지 변환소자는,
반도체 물질로 이루어진 기판과;
상기 기판에 수직한 상방으로 길게 뻗은 형상을 가지며 상기 기판의 상면에 배열되는 반도체 물질로 이루어진 복수의 제1나노와이어와;
상기 제1나노와이어와 대향하는 상기 기판의 하방으로 길게 뻗은 형상을 가지며 상기 기판의 하면에 배열되는 반도체 물질로 이루어진 복수의 제2나노와이어;를 포함하여 이루어지되,
상기 제1나노와이어들 사이 및 상기 제2나노와이어들 사이의 공간 바닥면에는 금속성 입자가 클러스터(cluster) 형태로 분산 도포되며,
상기 제1나노와이어가 형성된 기판의 상면은 태양광이 입사되는 입사면으로 사용되고, 상기 제2나노와이어가 형성된 기판의 하면은 유체와 접촉되며 유체를 비등 가열하는 가열면으로 사용되는 것을 특징으로 하는 태양광 발전장치
- 제10항에 있어서, 상기 기판 및 제1,2나노와이어는 동일 재질로 구성된 것을 특징으로 하는 태양광 발전장치
- 제10항에 있어서, 상기 기판 및 제1,2나노와이어는 실리콘(silicon)으로 구성된 것을 특징으로 하는 태양광 발전장치
- 제10항에 있어서, 상기 금속성 입자는 은(Ag) 나노입자인 것을 특징으로 하는 태양광 발전장치
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020130030684A KR101374272B1 (ko) | 2013-03-22 | 2013-03-22 | 미세 표면 구조를 갖는 고효율 광-열에너지 변환소자 및 그 제조방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020130030684A KR101374272B1 (ko) | 2013-03-22 | 2013-03-22 | 미세 표면 구조를 갖는 고효율 광-열에너지 변환소자 및 그 제조방법 |
Publications (1)
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| KR101374272B1 true KR101374272B1 (ko) | 2014-03-13 |
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| KR1020130030684A KR101374272B1 (ko) | 2013-03-22 | 2013-03-22 | 미세 표면 구조를 갖는 고효율 광-열에너지 변환소자 및 그 제조방법 |
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| KR (1) | KR101374272B1 (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2018208017A1 (ko) * | 2017-05-12 | 2018-11-15 | 전자부품연구원 | 복합패턴구조체 및 그의 제조방법 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20100097549A (ko) * | 2009-02-26 | 2010-09-03 | 전자부품연구원 | 산화아연 나노와이어를 이용한 박막 실리콘 태양전지 및 그의 제조방법 |
| KR20110098910A (ko) * | 2008-11-14 | 2011-09-02 | 밴드갭 엔지니어링, 인크. | 나노 구조 소자 |
| JP2011219355A (ja) | 2010-04-02 | 2011-11-04 | Samsung Electronics Co Ltd | 金属ナノクラスターを含むシリコンナノワイヤ及びその製造方法 |
| US20120313073A1 (en) | 2011-06-07 | 2012-12-13 | California Institute Of Technology | Nickel-based electrocatalytic photoelectrodes |
-
2013
- 2013-03-22 KR KR1020130030684A patent/KR101374272B1/ko not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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