KR102190420B1 - 고온 안정성을 갖는 산화세륨 기반의 열 방사체 및 이의 제조방법 - Google Patents

고온 안정성을 갖는 산화세륨 기반의 열 방사체 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 개시 내용에서는 고온 산화 환경에 안정하면서도 높은 반사율을 갖는 산화세륨의 광 결정을 기반으로 하되, 주기적인 홀 패턴의 캐비티 구조가 형성되어 페브리-페로 캐비티 공진(Fabry-Perot cavity resonance)을 발생시킴으로써 소정 밴드 갭 이상의 광자를 선택적으로 배출하는 2차원 구조의 열방사체 및 이의 제조방법이 기재된다.

Description

고온 안정성을 갖는 산화세륨 기반의 열 방사체 및 이의 제조방법{Cerium Oxide-based Photonic Crystal Thermal Emitter Having High-temperature Stability and Method for Preparing the Same}
본 개시 내용은 고온 안정성을 갖는 산화세륨 기반의 열 방사체 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시 내용은 고온 산화 환경에 안정하면서도 높은 반사율을 갖는 산화세륨의 광 결정을 기반으로 하되, 주기적인 홀 패턴의 캐비티 구조가 형성되어 페브리-페로 캐비티 공진(Fabry-Perot cavity resonance)을 발생시킴으로써 소정 밴드 갭 이상의 광자를 선택적으로 배출하는 2차원 구조의 열 방사체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
최근 고에너지 밀도, 고효율의 에너지 변환 시스템의 필요성이 증대함에 따라 열 광전 시스템(thermophotovoltaic system)이 주목을 받고 있다. 이러한 시스템은 단일 접합 광전모듈 기준으로 Shockley-Queisser의 이론에 의하여 40%의 높은 이론적 효율을 가질 수 있으며, 최근에는 다중접합 광전모듈의 개발로 인하여 보다 높은 효율을 달성할 수 있을 것으로 기대되고 있다.
열 광전 시스템에 있어서, 열 방사체는 전체 시스템 효율에 중대한 영향을 미치는 중요 구성 요소이다. 높은 전환 효율을 달성하기 위하여, 열 방사체는 광 기전 전지(photovoltaic cell; PV cell)의 밴드 갭을 초과하도록 조절된 조사 광(radiation)을 방출하고, 밴드 갭 미만의 무용한 조사 광의 방출 또는 방사를 억제할 필요가 있다. 예시적으로, 광 기전 전지는 이를 구성하는 반도체의 밴드 갭 이상의 에너지를 갖는 광자를 수집하여 전기를 발생시키는 바, 이때 조사 광(예를 들면, 태양광)은 자외선에서 적외선에 이르는 넓은 영역의 스펙트럼을 갖고 있으나, 반도체 밴드 갭 이상의 에너지를 갖는 광자(photon)만이 전기를 생산하는데 활용된다.
일반적으로, 열 방사체는 흡수체/반사체 구조로 이루어지는 바, 예를 들면 흡수체(흡수층)에서는 단파 영역의 광을 모두 흡수하는 반면, 장파 영역의 광은 통과(투과)시킨다. 이의 하측에 위치하는 반사체(반사층)의 경우, 흡수체를 통과한 장파 영역의 광을 반사시키도록 기능한다. 반사체로서 통상적으로는 장파에서 반사율이 높은 금속을 사용하는데, 이때 흡수체의 광학적 설계 여하에 따라 1차원 방사체 및 2차원 방사체로 구분할 수 있다.
1차원 방사체의 경우, 다중 무반사 코팅을 통하여 흡수체를 설계할 수 있으나, 열 방사체의 높은 작동 온도로 인하여 사용 가능한 물질은 제한된다. 따라서, 서브파장-스케일의 금속 및 유전체 코팅을 통하여 메타표면(metasurface)을 구현하여 흡수체를 구성할 수 있다. 반면, 2차원 방사체의 경우, 금속에 주기적인 파장 스케일의 나노 패터닝을 통하여 흡수체를 구성하고, 단일 금속 물질의 패터닝을 통하여 광학적으로 방사체를 설계할 수 있다. 그러나, 금속은 실질적으로 산화에 취약하기 때문에 산화 방지막으로 유전체를 코팅하고 있다.
그럼에도 불구하고, 광전 모듈에 광자를 공급하는 열 방사체의 열적 안정성 한계 때문에 아직까지 열 광전 에너지 변환 시스템의 상용화가 이루어지지 못하고 있다. 열 방사체의 경우, 밴드 갭 이상의 광자를 방출하기 위하여는 800 ㅀC 이상의 높은 작동온도를 필요로 하고 단파 영역에 대한 낮은 반사율을 나타내야 한다. 반면, 밴드 갭 이하의 광자 방출을 억제하기 위하여는 장파 영역에 대한 높은 반사율을 요구한다.
이러한 작동 온도 조건 및 장파 영역의 반사율 조건을 충족시키기 위하여, 종래에 제안된 열 방사체의 경우, 텅스텐, 탄탈륨 등과 같이 녹는점이 높고(1500K 이상). 반사율이 높은 금속(금속 미러) 기반의 열 방사체가 대부분이다. 그러나, 금속 기반의 열 방사체의 경우, 낮은 진공 조건 하에서 열 산화에 의한 안정성 문제가 발생한다.
또한, 금속 표면이 산소에 노출되는 것을 억제하기 위하여 제안된 금속-유전체 기반의 열 방사체의 경우(Optics express, vol. 21, pp. 11482-11491, 2013; Optical Materials, vol. 72, pp. 45-51, 2017 등), 2가지 이상의 상이한 물질로 구성되는 바, 2가지 상이한 물질 간 계면은 고온에서 금속과 유전체 계면의 열팽창계수 차이에 의한 열 응력(thermal stress) 및 계면 확산(interfacial diffusion)이 유발된다.
이러한 현상은 나노 사이즈로 구현된 형태학적 특징 및 광학적 선택도를 교란시키는 요인으로 작용한다. 이외에도, 유전층을 이용하여 기저 금속층을 보호하는 경우에도, 산소가 유전층(산화 방지층)을 침투 또는 통과하여 금속을 산화시키거나, 또는 열 응력에 의하여 유전층이 파괴되어 표면이 노출된 금속을 직접 산화시키는 현상이 야기된다. 그 결과, 열 방사체 내 금속의 산화로 인하여 반사체의 반사율을 크게 저하시켜 밴드 갭 이하의 광자를 방출하게 되고, 이는 전체 열 광전 변환 시스템의 효율을 감소시키게 된다.
따라서, 고온 조건 하에서 산소에 대하여 우수한 안정성을 갖는 벌크(bulk) 타입의 선택적 열 방사체에 대한 필요성이 존재한다.
따라서, 본 개시 내용의 일 구체예에서는 종래 기술에서 구현되지 않은 고온 안정성, 특히 고온에서 산소에 대한 안정성이 양호한 벌크 타입의 열 방사체 및 이의 제조방법을 제공하고자 한다.
또한, 본 개시 내용의 다른 구체예에서는 전술한 열 방사제를 이용한 열 광전 변환 시스템을 제공하고자 한다.
본 개시 내용의 제1 면에 따르면,
산화세륨 광 결정을 함유하며, 주기적인 홀 패턴의 캐비티 구조가 형성되어 페브리-페로 공동 공진(Fabry-Perot cavity resonance)을 발생시킴으로써 소정 밴드 갭 이상의 광자를 선택적으로 방출하도록 구성된 2차원의 열 방사체가 제공된다.
본 개시 내용의 제2 면에 따르면,
a) 산화세륨 분말을 제공하는 단계;
b) 상기 산화세륨 분말을 프레싱하여 소정 형상의 산화세륨 성형물을 제조하는 단계;
c) 상기 성형물을 900 내지 1800℃ 범위에서 선택되는 온도 조건에서 열처리함으로써 산화세륨 성형물의 결정 구조를 변화시키는 단계; 및
d) 열처리된 산화세륨 성형물의 적어도 일 면을 패턴화하는 단계;
를 포함하며,
상기 단계 d)에 의하여 상기 열처리된 산화세륨 성형물의 적어도 일 면에 주기적인 홀 패턴의 캐비티 구조가 형성되어 페브리-페로 공동 공진을 발생시킴으로써 소정 밴드 갭 이상의 광자를 선택적으로 방출하도록 구성되는 2차원의 열 방사체의 제조방법이 제공된다.
본 개시 내용의 제3 면에 따르면,
에너지 조사 소스;
상기 에너지 조사 소스로부터 방출된 에너지 중 특정 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하여 방출하는 2차원의 열 방사체; 및
상기 열 방사체로부터 방출된 광을 전기에너지로 전환시키는 열 광전 디바이스;
를 포함하며,
여기서, 상기 2차원의 열 방사체는 산화세륨 광 결정을 함유하며, 주기적인 홀 패턴의 캐비티 구조가 형성되어 페브리-페로 공동 공진을 발생시킴으로써 소정 밴드 갭 이상의 광자를 선택적으로 방출하도록 구성된 열 광전 변환 시스템이 제공된다.
본 개시 내용에 따라 제공되는 2차원의 열 방사체를 구성하는 산화세륨은 높은 녹는점을 가질 뿐만 아니라, 금속산화물이기 때문에 고온의 산소 환경에서 양호한 안정성을 나타낼 수 있다. 특히, 산화세륨은 금속이 아님에도 불구하고 장파 영역에서 금속에 필적할만한 높은 반사율(90% 이상)을 갖기 때문에 종래의 열 방사체에 적용된 금속(또는 금속 미러)을 효과적으로 대체할 수 있고, 금속과 달리 고온의 산소 환경에서 안정하여 별도의 산화방지막 또는 유전층을 요하지 않는 장점을 갖는다.
더 나아가, 열 방사체 제조 과정 중 열처리 온도에 의한 세륨 산화물의 결정 성상을 조절하여 열 광전 시스템의 광 기전 디바이스에 적합한 흡수/방출 광의 특성(예를 들면, 파장)을 구현할 수 있다.
도 1a는 일 구체예에 따른 산화세륨 기반의 2차원 열 방사체의 사시도 및 단면도이고;
도 1b는 페브리-페로 공동 공진의 발생 원리를 보여주는 도면이고;
도 2는 일 구체예에 따른 산화세륨 기반의 2차원 열 방사체로부터 선택적 열 방출(장파장 영역의 광은 반사하는 한편, 단파장 영역의 광은 흡수하여 방출함)하는 원리를 개략적으로 도시하는 도면이고;
도 3은 예시적 구체예에 따라 열 방사체를 이용한 열 광전 변환 시스템의 개략적인 구조를 도시하는 도면이고;
도 4는 실시예에 따라 프레싱 공정을 통하여 산화세륨 디스크를 제작하는 과정을 도시하는 도면이고;
도 5a 내지 도 5c 각각은 실시예 1에서 산화세륨 디스크 샘플의 가열 온도에 따른 반사율(a), 그리고 산화세륨 디스크 샘플을 900℃(b) 및 1600℃(c)로 가열한 직후의 사진이고;
도 5d 내지 도 5f 각각은 비교예 1에서 텅스텐 디스크 샘플의 가열 온도에 따른 반사율(d), 그리고 텅스텐 디스크 샘플의 가열 전(e) 및 900℃로 가열한 직후(e)의 사진이고;
도 6a 내지 도 6e 각각은 실시예에서 산화세륨 디스크 샘플의 열 처리(소결) 조건에 따른 광학 특성의 변화를 보여주는 사진(a), 결정 상태를 보여주는 FE-SEM 사진(b), 반사도(reflectance) 측정 그래프(c), XRD 패턴(d) 및 그레인 사이즈(e)를 보여주는 그래프이고;
도 7은 실시예에 따라 제조된 산화세륨 디스크 샘플(1600℃ 열처리)에 대한 Kramers-Kronig inversion을 통하여 계산된 산화세륨의 굴절률을 보여주는 그래프이고;
도 8은 산화세륨 기반의 2차원 광 결정 방사체 중 홀 패턴의 직경(D)에 따른 복사 스펙트럼 변화를 나타내는 그래프이고;
도 9a 및 도 9b 각각은 실시예에서 산화세륨 광 결정 방사체를 GaSb PV 전지(a) 및 GaInAsSb PV 전지(b)에 적용한 경우, 산화세륨 광 결정 방사체 내 홀 패턴의 형성 유무 및 홀 패턴 직경에 따른 열광전 에너지 변환 시스템의 효율을 나타내는 그래프이고; 그리고
도 10a 및 도 10b 각각은 실시예에서 산화세륨 광결정 방사체를 GaSb 태양전지(a) 및 GaInAsSb 태양전지(b)에 적용한 경우, 산화세륨 광 결정 방사체 내 홀 패턴의 형성 유무 및 홀 패턴 직경에 따른 열 광전 에너지 변환 시스템의 효율ㅧ출력을 산출한 값을 보여주는 그래프이다.
본 발명은 첨부된 도면을 참고로 하여 하기의 설명에 의하여 모두 달성될 수 있다. 하기의 설명은 본 발명의 바람직한 구체예를 기술하는 것으로 이해되어야 하며, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아님을 이해해야 한다.
또한, 첨부된 도면은 이해를 돕기 위하여 실제 층의 두께(또는 높이) 또는 다른 층과의 비율에 비하여 다소 과장되게 표현된 것일 수 있으며, 그 의미는 후술하는 관련 기재의 구체적 취지에 의하여 적절히 이해될 수 있다.
본 명세서에 있어서, "상에" 및 "위에"라는 표현은 상대적인 위치 개념을 언급하기 위하여 사용되는 것으로서, 언급된 층에 다른 구성 요소 또는 층이 직접적으로 존재하는 경우뿐만 아니라, 그 사이에 다른 층(중간층) 또는 구성 요소가 개재되거나 존재할 수 있다. 따라서, 별도로 "직접적으로"라는 표현을 사용하지 않는 한, 상술한 바와 같이 상대적 개념으로 이해될 수 있다.
이와 유사하게, "하측에", "하부에" 및 "아래에"라는 표현 및 "사이에"라는 표현 역시 위치에 대한 상대적 개념으로 이해될 수 있을 것이다.
"접촉한다"는 협의로는 2개의 대상 간의 직접적인 접촉을 의미하기는 하나, 광의로는 임의의 추가 구성 요소가 개재될 수 있는 것으로 이해될 수 있다.
본 명세서에 있어서 임의의 구성 요소 또는 부재가 다른 구성 요소 또는 부재와 "연결된다" 또는 "연통된다"고 기재되어 있는 경우, 달리 언급되지 않는 한, 상기 다른 구성 요소 또는 부재와 직접 연결 또는 연통되어 있는 경우뿐만 아니라, 다른 구성 요소 또는 부재의 개재 하에서 연결 또는 연통되어 있는 경우도 포함되는 것으로 이해될 수 있다.
본 개시 내용의 일 구체예에 따르면, 페브리-페로 공동 공진(Fabry-Perot cavity resonance)을 발생시킴으로써 선택적 복사 특성이 강화된 2차원의 열 방사체, 구체적으로는 광 결정을 함유하는 2차원의 광 결정 열 방사체가 제공된다. 이러한 선택적 복사 특성에 의하여 후술하는 바와 같이 열 광전 변환 시스템에 있어서 광기전 디바이스의 작동에 적합한 소정 밴드 갭 이상의 광자를 선택적으로 방출할 수 있다.
일 구체예에 따르면, 열 방사체의 재질인 산화세륨은 세라믹, 구체적으로 금속 산화물 재질로서, 2400℃의 높은 녹는점을 가지고 있으며, 금속 산화물이기 때문에 산소 환경에서 매우 안정한 특성을 갖고 있다. 특히 주목할 점은 금속에 해당되지 않음에도 불구하고, 장파 영역에서 금속만큼이나 높은 반사율(90% 이상)을 가지고 있기 때문에 종래의 금속 미러를 대체할 수 있는 잠재력을 갖고 있는 한편, 금속 미러와 달리 산소 환경(특히, 고온의 산소 환경) 하에서도 양호한 안정성을 나타낼 수 있기 때문에 별도의 산화 방지막(또는 유전층)을 요하지 않는다.
일 구체예에 따른 산화세륨 기반의 2차원 열 방사체의 사시도 및 단면도를 도 1a에 도시하였다.
도시된 구체예에 있어서, 열 방사체(100)는 소정 형상의 산화세륨 기재(101)의 일 면에 주기적인 홀 패턴(102)이 형성된 캐비티 구조가 형성되어 있다. 이때, 열 방사체(100)를 구성하는 산화세륨은 광 결정 형태로 존재한다. 광 결정(photonic crystal)은 조사(전자기적 조사)를 적어도 하나의 미리 정해진 대역의 파장을 선택적으로 방출하도록 한다. 이와 관련하여, 산화세륨 결정의 그레인 사이즈는 하기 수학식 1의 Scherrer 식에 의하여 산출될 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112018127355118-pat00001
상기 식에서, τ는 평균 그레인 사이즈이고, β는 FWHM(full width at half maximum)이며, θ는 Bragg 각도이고, 그리고 λ는 x-선 파장(0.15418 nm)이다.
예시적 구체예에 따르면, 산화세륨 광 결정의 그레인 사이즈는, 예를 들면 약 40 내지 200 nm, 구체적으로 약 120 내지 190 nm, 보다 구체적으로 약 160 내지 180 nm 범위일 수 있다. 열 방사체 내 산화세륨 결정의 그레인 사이즈는, 특히 가시광선 파장 영역에서의 흡수 특성에 영향을 미치는 요인으로 작용할 수 있다. 만약, 산화세륨 결정의 그레인 사이즈가 지나치게 작은 경우에는 흡수 성능이 저하되는 현상이 발생할 수 있기 때문에, 전술한 범위 내에서 적절히 조절하는 것이 유리할 수 있다.
또한, XRD 패턴 분석 시, 예시적 구체예에 따른 열 방사체 내 산화세륨 광 결정의 가장 강한 강도를 갖는 3개의 피크는, 2θ 기준으로 28.5 내지 28.7°, 47.5 내지 47.6°, 그리고 56.3 내지 56.4° 범위일 수 있다.
한편, 도시된 구체예에 따르면, 홀 패턴(102)의 단면은 원형일 수 있으나, 페브리-페로 공동 공진을 발생시킬 수 있는 한, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 원형 이외에도, 삼각형, 사각형, 타원형, 육각형, 십자형 등의 단면 형상도 가능하다.
도 1a를 참조하면, 홀 패턴(102)의 직경(D)는 선택적 복사에 의한 방출 파장의 특성, 구체적으로 컷-오프 파장(cut-off wavelength; 투과율이 50% 처리량까지 감소하는 파장)에 영향을 미치는 요인일 수 있는 바, 예를 들면 약 2000 nm 이하, 구체적으로 약 300 내지 1700 nm, 보다 구체적으로 약 600 내지 1200 nm 범위일 수 있다. 이와 관련하여, 홀 패턴(102)의 직경은 해당 열 방사체로부터 방출된 광을 이용하는 열 광전 디바이스에 적합한 파장에 따라 해당 수치 범위에서 조절될 수 있다.
도시된 구체예에 있어서, 홀 패턴(102)의 피치(인접하는 홀 패턴의 중심 간의 거리; P)는 약 4000 nm 이하, 구체적으로 약 500 내지 3500 nm, 보다 구체적으로 약 1000 내지 3000 nm 범위 내일 수 있다. 이때, 피치(P)는 홀 패턴 직경 기준으로, 예를 들면 약 2배 이하, 구체적으로 약 1.1 내지 1.9배, 보다 구체적으로 약 1.2 내지 1.8배의 범위 내에서 조절될 수 있는 바, 그 이유는 홀 패턴 직경 기준으로 피치가 너무 큰 경우에는 단위면적 당 공진기 수가 감소하여 흡수 성능이 저하될 수 있기 때문이다.
한편, 홀 패턴(102)의 높이(H)는 컷-오프 파장의 위치에 중대한 영향을 미치는 요인에 해당되지는 않으나, 지나치게 작은 경우에는 흡수 성능이 저하되는 현상을 유발할 수 있는 반면, 홀 패턴(102)의 높이(H)가 직경(D) 대비 지나치게 큰 경우에는 사실 상 패턴을 구현하기 곤란한 만큼, 최대 약 10000 nm, 구체적으로 약 500 내지 8000 nm, 보다 구체적으로 약 1000 내지 6000 nm 범위 내에서 조절될 수 있다. 다만, 홀 패턴(102) 내 공간의 면 비(aspect ratio)는, 예를 들면 약 0.5 내지 5, 구체적으로 약 1 내지 4, 보다 구체적으로 약 1.5 내지 3 범위일 수 있으며, 해당 면 비의 범위를 충족하도록 높이를 조절할 수 있다.
이외에도, 열 방사체 중 단위 셀(도 1a 참조)의 면적 대비 홀 패턴 면적은 단위면적 당 공진기 수와 밀접한 관련성이 있고, 그 결과 흡수 성능에 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 예를 들면 약 40 내지 70%, 구체적으로 약 45 내지 65%, 보다 구체적으로 약 50 내지 60% 범위 내에서 조절할 수 있다.
일 구체예에 따른 산화세륨 재질의 2차원 열 방사체 내 주기적인 홀 패턴에 의하여 페브리-페로 공동 공진을 발생시키는 원리는 도 1b와 같이 나타낼 수 있다.
상기 도면에 따르면, 단계 (1)에서는 도입된 광이 일 측 벽면에서 반대 측 벽면으로 진행한다. 이후, 단계 (2)에서 반대 측 벽면으로 진행된 광이 다시 일 측 벽면 방향으로 반사되는 바, 이는 소한 매질에서 밀한 매질의 경계면에서의 반사이므로 상(phase)이 반대로 바뀌어 반사된다. 그 다음, 단계 (3)에서는 상이 전환되어 반사된 광이 기존의 광과 공진을 일으켜 정상파를 발생시킴으로서 흡수를 극대화할 수 있다. 이때, 열 방사체에 형성된 홀 패턴(102) 내부에 공진을 일으킬 수 있는 광은 정상파 조건에 의하여 홀 패턴 직경의 2배의 파장까지 가능하다. 정상파 조건에서 벗어난 광은 공진되지 않고 반사되는 바, 이러한 메커니즘을 통하여 선택적으로 밴드 갭 이상의 광자만을 방출할 수 있게 된다.
이와 관련하여, 일 구체예에 따른 산화세륨 기반의 2차원 열 방사체로부터 선택적 열 방출(장파장 영역의 광은 반사하는 한편, 단파장 영역의 광은 흡수하여 방출함)하는 원리를 도 2와 같이 도시할 수 있다.
상기 도면에 따르면, 열 방사체(100)의 산화세륨 기재(101)에서 주기적 홀 패턴(102)이 형성된 면의 반대 면 상으로 에너지가 조사된다. 이때, 조사된 에너지는 산화세륨 기재(101)를 통과하여 홀 패턴(102)으로 도입됨에 따라, 전술한 바와 같이 페브리-페로 공동 공진이 발생하여 특정 파장 대역의 광이 홀 패턴(102)으로부터 방출된다. 반면, 전술한 바와 같이 페브리-페로 공동 공진 요건을 충족하지 않은 파장 대역의 광(즉, 정상파 조건에서 벗어난 광)은 공진되지 않기 때문에, 공진기 내부에 존재할 수 없어 흡수 및 복사가 발생하지 않고 홀 패턴 바닥 면에서 반사된다.
예시적 구체예에 따르면, 열 방사체(100)에 적용 가능한 조사 소스(radiation source)는 연속 스펙트럼의 파장에 걸쳐 연장되는 전자기적 조사를 방출하는 임의의 디바이스 또는 부품을 포함할 수 있다. 이러한 스펙트럼은 자외선 영역으로부터 극 적외선 영역까지의 스펙트럼 범위, 또는 이들 사이의 부분 대역일 수 있다.
예시적 구체예에 따르면, 조사 소스는 레이저와 같은 유도 방출 소스(stimulated emission)보다는 온도에 따라 방출하는 흑체 등의 방사체로서, 예를 들면 가시광선 대역 및/또는 근적외선 대역 파장(전형적으로 약 200 내지 3000 nm, 보다 전형적으로 약 250 내지 2500 nm의 파장)의 에너지를 주로 조사할 수 있다. 이러한 조사 소스의 예는 태양광, 백열광, 열 램프, 저항 히터, 버너, 연소 복사열 등일 수 있고, 가열 시 광범위한 스펙트럼 범위에 걸쳐 전자기적 에너지를 방출할 수 있다. 이때, 조사 소스의 물성 및 가열 온도에 따라 열 조사의 출력, 그리고 이의 스펙트럼 조성 및 분포가 결정될 수 있다. 예를 들면, 온도 증가 시 방출 플럭스는 급격히 상승하는 한편, 스페트럼 조사는 보다 짧은 파장으로 시프트된다.
한편, 본 개시 내용의 다른 구체예에 따르면, 전술한 2차원의 열 방사체를 제조하는 방법이 제공된다.
먼저, 원료 물질로서 산화세륨 분말, 예를 들면 시판 중인 산화세륨 분말을 사용할 수 있다. 이와 관련하여, 산화세륨 분말의 입자 사이즈는, 전형적으로 약 3 내지 10 ㎛, 보다 전형적으로 약 4 내지 8 ㎛, 특히 전형적으로 약 5 내지 7 ㎛ 범위일 수 있으나, 이는 예시적인 취지로 이해될 수 있다. 다만, 후속 단계인 프레싱 과정 중 성형 용이성, 열처리 과정에서의 재결정화 등의 측면에서 전술한 사이즈 범위 내의 산화세륨 분말을 사용하는 것이 유리할 수 있다.
그 다음, 프레싱 공정을 통하여 산화세륨 분말을 소정 형상의 성형물로 제조하는 단계를 수행할 수 있다. 이때, 프레싱 공정은, 예를 들면 건식 프레싱 공정일 수 있는 바, 원하는 형상의 공간을 제공하는 구조물(예를 들면, 금형)을 이용하여 수행할 수 있다. 이때, 프레싱 압력은, 예를 들면 약 5 내지 20 MPa, 구체적으로 약 7 내지 15 MPa, 보다 구체적으로 약 9 내지 12 MPa 범위일 수 있으나, 이는 예시적인 의미로 이해될 수 있으며, 용도에 따라 열 방사체에 요구되는 강도 특성 등을 고려하여 변경할 수 있다.
상술한 바와 같이 성형물을 제조한 후에는 산화세륨의 결정 구조를 변화시켜 추가적인 흡수성능을 획득하기 위하여 열처리(소성 또는 어닐링)를 수행할 수 있다. 이러한 열처리 과정에서 산화세륨은 재결정되는 바, 전형적으로는 결정성 또는 결정화도(degree of crystallinity)가 증가하게 된다.
일 구체예에 따르면, 열 처리 온도는, 예를 들면 약 900 내지 1800℃, 구체적으로 약 1000 내지 1700℃, 보다 구체적으로 약 1500 내지 1650℃ 범위 내에서 조절될 수 있다. 특정 구체예에 따르면, 열처리 온도는 약 1600℃ 또는 이의 부근일 수 있는 바(예를 들면, 약 1550 내지 1650℃), 이러한 열처리 온도에서 양호한 반사율 및 단파장 대역의 광에 대한 선택도가 개선된 산화세륨의 결정 특성을 얻을 수 있다. 특히, 열처리 온도 조건은 산화세륨 광 결정의 성상(특히, 그레인 사이즈) 등에 영향을 미치는 점은 주목할 만하다.
이와 관련하여, 열처리를 위한 승온 과정 중 성형물 내 산화세륨은 나노 사이즈 내지 마이크로 스케일의 입자 형태의 표면을 갖고 있으나, 열처리 온도가 증가함에 따라 산화세륨 입자가 점차적으로 응집되고 재결정됨으로써 마이크로 스케일의 조약돌 형태의 표면으로 전환될 수 있다. 이와 같이, 열처리 온도가 증가할수록 산화세륨 광 결정의 그레인 사이즈는 증가하게 되는 바, 열처리 조건을 변경함으로써 원하는 방출 광 파장 대역의 선택도를 얻는데 요구되는 그레인 사이즈를 조절할 수 있다.
상술한 바와 같이 열 처리 단계를 수행한 후에는 도 1a에 도시된 바와 같이 성형물의 적어도 일 면에 주기적인 홀 패턴의 캐비티 구조를 형성하는 단계가 수행될 수 있다.
이때, 주기적 홀 패턴을 형성하기 위하여는 종래에 알려진 패턴화(구체적으로 나노 패턴화) 테크닉을 이용한 선택적 에칭 공정이 적용될 수 있다. 이때, 패턴화(나노 패턴화) 테크닉으로서, 포토레지스트를 이용한 포토리소그래피(photolithography), 전자빔 (electron-beam) 리소그래피(lithography), 집속이온빔(focused ion beam, FIB) 리소그래피, 나노 임프린트법(예를 들면, 열 임프린트 방식, UV 임프린트 방식), 산화 알루미늄 피막 마스크(anodic aluminum oxide mask) 형성법 등의 마스크 패턴화 방법이 적용 가능하다. 다만, 이는 예시적인 것으로 본 발명이 이에 한정되지 않음은 명확하다.
그 다음, 소정의 홀 패턴에 따라 산화세륨 기재(101)의 원하는 깊이까지 에칭을 수행하여 산화세륨 기재(101)에 주기적으로 형성된 홀 패턴(102)을 형성한다. 이와 관련하여, 마스크 형성 후 에칭 방법으로는 건식 에칭법, 예를 들면 반응성 이온 에칭법(reactive ion etching; RIE), 유도 결합 플라즈마 반응성 이온 에칭법(inductively coupled plasma reactive ion etching; ICP-RIE), 화학적 이온 빔 에칭법(chemically assisted ion beam etching; CAIBE) 등을 이용할 수 있다.
택일적으로 습식 에칭 방법이 적용될 수 있는 바, 이때 당업계에 공지된 산 기반의 에칭액, 예를 들면 페로시안화칼륨과 염산의 수용액, 황산제1철7수화물 기반 수용액 등을 이용할 수 있다.
상술한 패턴화 테크닉의 세부 기술적 사항은 당업계에 공지된 만큼, 추가적인 설명은 생략하기로 한다.
본 개시 내용의 또 다른 구체예에 따르면, 산화세륨을 기반으로 하는 2차원의 광 결정 열 방사체를 이용한 열 광전 변환 시스템이 제공된다. 이와 관련하여, 열 방사체를 이용한 열광전 변환 시스템의 개략적인 구조는 도 3에 예시된다.
상기 도면을 참조하면, 열광전 변환 시스템은 크게 에너지 조사 소스(200), 열 방사체(100) 및 열 광전 디바이스(thermophotovoltaic(TPV) device; 300)의 순으로 배치된다.
도시된 구체예에 따르면, 전술한 바와 같이 에너지 조사 소스(200)로부터 방출된 에너지는 열 방사체(100)의 일 면(구체적으로 주기적 홀 패턴이 형성된 면의 대향 면) 상에 조사된다. 이때, 조사 소스(200)에 의하여 열 방사체는, 예를 들면 약 800 내지 2000℃(구체적으로 약 1000 내지 1800℃, 보다 구체적으로 약 1200 내지 1600℃)의 온도로 승온되고, 이로부터 주기적 홀 패턴에 의하여 발생된 페브리-페로 공동 공진에 의하여 특정 대역 파장의 광(전자기 에너지)이 선택적으로 열 광전 디바이스(300)의 광 기전 전지(PV cell; 302)로 조사될 수 있고, 이는 열 광전 변환 시스템의 효율을 높일 수 있다.
한편, 예시적 구체예에 있어서, 열 방사체(100)와 열 광전 디바이스(300) 간의 거리는, 예를 들면 10 mm 이하, 구체적으로 약 2 내지 8 mm, 보다 구체적으로 3 내지 6 mm 범위일 수 있다. 열 방사체와 열 광전 디바이스 간의 거리는 광 기전 전지로 방사되는 복사 열의 량과 직접적인 연관이 있는 만큼, 시스템 효율 등을 고려하여 전술한 범위로 조절하여 시스템을 구성하는 것이 유리할 수 있다.
또한, 열 광전 디바이스(300)에서 광 기전 전지(302)의 온도는, 예를 들면 약 30 ℃ 이하, 구체적으로 약 23 내지 28 ℃, 보다 구체적으로 약 25 내지 26 ℃ 범위일 수 있다. 광 기전 전지의 온도는 생산 전력의 개방 전압과 관련성이 있다. 만약, 광 기전 전지의 온도가 지나치게 낮은 경우에는 생산 전력이 감소하여 전체 시스템의 효율을 저하시키는 요인으로 작용할 수 있기 때문에 전술한 범위 내로 유지해주는 것이 유리할 수 있다.
선택적으로, 광학 필터(301)가 열 방사체(100)와 열 광전 디바이스(300)의 광 기전 전지(302) 사이에 개재될 수 있다. 이러한 광학 필터(301)는 열 방사체에 의하여 방출된, 광 기전 전지(302)의 밴드 갭보다 낮은 파장 대역의 에너지를 반사하는 한편, 원하는 파장 대역의 광(광 기전 전지의 밴드 갭 이상의 에너지를 가짐)이 열 광전 디바이스(300)로 향하도록 하는 기능을 갖는다.
예시적 구체예에 따르면, 당업계에서 공지된 다양한 열 광전 디바이스(또는 전지)가 사용 가능하다. 일 예로서, 비교적 낮은 밴드 갭을 갖는 열 광전 디바이스를 사용할 수 있는 바, 예시적으로 밴드 갭은, 예를 들면 약 0.8 eV 이하, 구체적으로 약 0.7 eV 이하)일 수 있다. 또한, 열 광전 디바이스(300)는 GaSb, GaInAs, InGaAsSb 등의 재료를 기반으로 하는 것일 수 있는 바, 사용되는 재료에 따라 열 광전 디바이스로 도입되는 요구되는 광의 파장 대역은 상이할 수 있다.
도시된 구체예에서는 열 방사체(100)의 제조 과정 중 열처리 조건 등을 비롯하여 치수(홀 패턴의 직경 등), 그레인 사이즈 등을 조절함으로써 열 광전 디바이스에 적합한 파장 대역의 광을 선택적으로 흡수하여 방출함으로써 열 광전 변환을 최적화할 수 있는 장점을 제공할 수 있다. 예를 들면, GaSb 기반의 열 광전 디바이스의 경우에는 약 1700 nm의 컷-오프 파장 대역을 가질 수 있고, GaInAsSb 기반의 열 광전 디바이스의 경우에는 약 2250 nm의 컷-오프 파장 대역을 가질 수 있는 바, 본 구체예에 따른 2차원의 산화세륨 광 결정 방사체는 열 광전 디바이스에 요구되는 파장 대역의 광을 방출할 수 있도록 조절될 수 있다.
또한, 예시적 구체예에 따르면, 열 광전 디바이스는 단일 전지(cell) 형태일 수도 있으나, 복수의 전지를 어레이 형태로 배치한 것일 수도 있다.
이처럼, 본 구체예에 따른 산화세륨 기반의 열 방사체는 열 광전 변환 시스템의 선택적 방사체로 사용되어 시스템의 효율을 높일 수 있고, 또한 태양열 집열기 내 흡수체 역시 동일한 광학특성 및 열 산화 안정성을 요구하므로, 솔라 타워 등 고온의 태양에너지 흡수체로 사용될 수도 있다.
본 발명은 하기의 실시예에 의하여 보다 명확히 이해될 수 있으며, 하기의 실시예는 본 발명의 예시 목적에 불과하며 발명의 영역을 제한하고자 하는 것은 아니다.
실시예 1
샘플의 제조 및 특성화
디스크 형상의 산화세륨(CeO2) 펠렛의 샘플을 제작하기 위하여, 시판 중인 세륨(IV) 산화물 파우더(99.9% 순도, 입자 직경: 5 ㎛, Alfa Aesar)를 사용하였다. 세륨 산화물 파우더를 도 4에 도시된 절차에 따라 디스크 형상의 산화세륨 펠렛을 제조하였다. 구체적으로, 원료 파우더를 1-인치 펠렛 다이(MTI Co.) 내에 투입하고, 10 MPa의 압력 조건 하에서 수동식 펠렛 프레스(model 4350, Carver Inc.)에 의하여 건식 프레싱함으로써 펠렛을 제조하였다. 그 다음, 제조된 펠렛을 고온 로(S-1700 Mini, Han Tech Co.)를 이용하여 900℃ 또는 1600℃ 및 공기 분위기 조건 하에서 4 시간 동안 소결시켰다.
한편, 대조군으로 시판 중인 텅스텐 플레이트(99.9% 순도, 0.5 mm 두께)를 사용하여 공기 분위기 및 900℃ 조건에서 열 및 산화 안정성 테스트를 수행하였다.
제조된 샘플의 표면 형태학적 특징은 FE-SEM (S-4800, Hitachi)를 이용하여 특성화하였다, 샘플의 광학 특성은 200-2500 nm 파장에서 UV-Vis-NIR spectrophotometer (Cary 5000, Varian)에 의하여 측정되었다.
Kramers-Kronig (KK) Inversion
산화세륨의 굴절률을 측정하기 위하여, 측정된 반사율 데이터(CeO2-1600℃)에 기초하여 Kramers-Kronig (KK) Inversion을 수행하였다. 이에 대한 원리 및 세부 사항은 Applied optics, vol. 34, pp. 4755-4767 (1995) 및 JOSA A, vol. 10, pp. 2648-2657 (1993)에 기재되어 있으며, 상기 문헌은 본 명세서의 참고자료로 포함된다.
FDTD 시뮬레이션
2차원의 산화세륨 광 결정 열 방사체의 선택도를 평가하기 위하여 산출된 산화세륨의 굴절률을 이용하여 FDTD 시뮬레이션을 수행하였다. 이때, 주기적 홀 패턴을 채택하였는 바, 이때 홀 패턴의 직경(D) : 높이(H) : 피치(P)의 비는 10 : 20 : 12이었다. 또한, 단위 셀의 면적 대비 홀 패턴 면적의 비는 0.55로 설정되었다.
수직 입사 평면 파(normally incident plane wave)의 경우, 구조의 흡수도는 개별 그리드(grid)에서 JㅇE를 적분(integration)함으로서 계산하였다(이때, J 및 E는 각각 전류 밀도 및 전기장을 의미함). 평면 파의 파장은 10 nm 스텝 사이즈로 350-2000 nm로 스캐닝하였다. x, y 및 z 방향에 대하여 5 nm의 공간 해상도(spatial resolution)가 사용되었고, 주기적 경계 조건은 인-플레인 방향을 따라 적용하였다. 구조의 상한 및 하한에서 완전히 매칭된 층이 도입되었다.
열 광전(TPV) 시스템 모델링
산화세륨 기반의 2차원 광 결정 열 방사체를 이용한 에너지 전환 효율의 개선을 확인할 목적으로, 광 기전 전지에 대한 다이오드 모델을 조합한 열역학적 평형 모델을 적용하였으며, 도 3에 도시된 열 광전 변화 시스템을 적용하였다.
결과 및 토의
- 열 및 산화 안정성 테스트
본 실시예에 따라 제조된 산화세륨 디스크 샘플의 가열 온도에 따른 반사율(a), 그리고 산화세륨 디스크 샘플을 900℃(b) 및 1600℃(c)에서 4 시간 동안 가열(열 처리)한 직후의 사진 각각을 도 5a 내지 도 5c에 나타내었다. 또한, 대조군으로서 텅스텐 플레이트의 가열 온도에 따른 반사율(d), 그리고 산화세륨 디스크 샘플의 가열 전(e) 및 900℃(f)로 가열한 직후의 사진 각각을 도 5d 내지 도 5f에 나타내었다.
상기 테스트는 열적 안정성 테스트 조건에 따른 광학특성 결과를 나타낸다. 테스트 결과, 산화세륨은 900℃ 및 1600℃의 승온(열 처리) 및 공기 분위기 조건 하에서도 90% 이상의 높은 반사율을 나타내었다. 이러한 우수한 열 및 산화 안정성은 산화세륨이 이미 안정적인 금속 산화물이고 높은 녹는 점을 갖고 있기 때문으로 판단된다.
반면, 텅스텐의 경우, 가열 전 90% 이상의 높은 반사율을 나타내었으나, 900℃로 가열한 이후에는 완전히 산화되어 반사율이 30% 이하로 감소되었다. 이러한 결과는 동일 승온 조건 하에서 산화세륨이 텅스텐보다 열적으로 더 안정함을 의미한다.
한편, 제조된 산화세륨의 디스크 샘플의 열 처리(소결) 조건에 따른 광학 특성의 변화를 보여주는 사진(a), 결정 상태를 보여주는 FE-SEM 사진(b), 반사도(reflectance) 측정 그래프(c), XRD 패턴(d) 및 그레인 사이즈(e)를 보여주는 그래프 각각을 도 6a 내지 도 6e에 나타내었다.
도 6a에 따르면, 열 처리 온도가 증가함에 따라 산화세륨의 디스크 샘플의 색상이 점차적으로 붉은색으로 변화하였다.
또한, 도 6b에 따르면, 900℃로 열 처리된 산화세륨의 디스크 샘플의 경우, 나노 스케일에서 마이크로스케일의 입자 형태의 표면을 갖고 있다. 반면, 열 처리 온도가 높아질수록, 특히 1500℃ 이상에서는 마이크로스케일의 조약돌(pebble)과 유사한 형태의 표면을 갖고 있음을 알 수 있다(도 6b). 이는 열 처리 온도가 1600℃에 근접할수록 산화세륨의 재결정이 일어나 결정성이 높아졌기 때문으로 판단된다.
도 6c에 따르면, 고온 열 처리에 의한 재결정 과정에서 반사 스펙트럼의 개형은 다소 달라졌으나, 여전히 90% 이상의 높은 반사율을 나타내기 때문에 적외선 미러로 충분히 기능할 수 있음을 알 수 있다.
도 6d에 나타난 XRD 패턴에 따르면, 열처리 온도가 증가할수록 비정질 영역은 감소하는 반면, 결정질 영역은 증가하였는 바, 이는 재결정 과정을 통하여 산화세륨의 결정도가 증가하였음을 지시한다.
이외에도, 도 6e에 따르면, 열 처리 온도가 900℃에서 1300℃까지는 산화세륨 결정의 그레인 사이즈는 큰 변화를 나타내지 않았다. 그러나, 1500℃에서부터 그레인 사이즈가 급격히 증가하였는 바, 이는 열 처리 온도가 증가함에 따라 나노-마이크로 입자가 점점 응집되고, 재결정 과정을 통하여 결정의 형태 및 결정성이 변화되었음을 지시한다.
- 굴절률 평가
높은 결정성을 갖는 산화세륨 디스크 샘플(1600℃ 열 처리)의 파장대 별 반사율을 이용하여 Kramers-Kronig inversion으로부터 파장대별 굴절률을 계산하였으며, 그 결과를 도 7에 나타내었다.
상기 도면에서는 높은 진동수 영역에서 자유 전자(free electron) 모델, 그리고 낮은 진동수 영역의 외삽(extrapolation)을 적용하였는 바, 산화세륨의 굴절률에서 허수부 k 값이 금속만큼 매우 높은 값을 나타내었다. 이와 관련하여, 높은 반사도(50% 이상)를 얻기 위하여는 굴절률의 허수부가 높아야 한다.
본 실시예에 따른 산화세륨 디스크 샘플은 높은 k 값을 갖고 있기 때문에, 경계면에서 반사, 그리고 매질 내 흡수가 높다. 따라서, 높은 k 값을 갖는 산화세륨은 나노 패터닝을 통하여 단파 영역 또는 단파장 대역의 흡수를 증대시켜 선택적 복사 특성을 개선할 수 있음을 시사한다.
- 산화세륨 기반의 열 방사체 중 홀 패턴의 직경에 따른 영향 평가
산화세륨 기반의 열 방사체는 페브리-페로 공동 공진(Fabry-Perot cavity resonance)이 발생하도록 주기적 홀 패턴으로 설계되었다. 이때, 홀 패턴의 직경(D)에 따른 복사 스펙트럼 변화를 도 8에 나타내었다(홀 패턴의 높이(H): 6000 nm, 단위 셀 면적 대비 홀 패턴 면적: 55%).
평가 결과, 홀 패턴의 직경이 증가할수록 그래프가 장파장 영역으로 평행 이동하는 것을 알 수 있다. 이는 홀 패턴의 직경이 변화함에 따라 공진 가능한 컷-오프 파장 역시 선형 비례하여 변화하기 때문이다. 즉, 홀 패턴의 직경은 정사파의 최대 파장과 관련되며 이의 높이는 공동(cavity) 모드의 수를 결정한다. 보강 간섭 및 소멸 간섭으로 인하여 방출 스펙트럼이 다소의 발진(oscillation)이 유발됨에도 불구하고 컷-오프 파장을 초과하는 전체적인 방사 스펨트럼은 공동 공진 모드에 의하여 개선될 수 있다.
- 산화세륨 기반의 열 방사체에 따른 열 광전 변환 시스템의 성능 평가
FDTD 결과에 기초하여, 열 광전 모델링을 수행하여 에너지 변환 효율을 평가하였다. 모델링에 있어서, GaSb 전지(밴드갭: 0.72 eV, 컷-오프 파장: 1700 nm) 및 GaInAsSb 전지(밴드갭: 0.55 eV, 컷-오프 파장: 2250 nm)를 적용하였다. 이때, 입력 강도(Intensity)를 100 kW/㎡로, 그리고 PV 전지의 온도를 293K로 고정하였다.
산화세륨 광 결정 방사체 내 홀 패턴의 형성 유무 및 홀 패턴 직경에 따른 열광전 에너지 변환 시스템(GaSb PV 전지 및 GaInAsSb PV 전지)의 효율을 도 9a 및 도 9b에 나타내었다. 또한, 산화세륨 광 결정 방사체 내 홀 패턴의 형성 유무 및 홀 패턴 직경에 따른 열광전 에너지 변환 시스템의 효율ㅧ출력을 산출한 값을 도 10a 및 도 10b에 나타내었다. 이때, 대조군으로 홀 패턴을 형성하지 않은 열 방사체 및 홀 패턴의 직경을 600 nm, 800 nm 및 1000 nm로 변화시켰다.
상기 도면에 따르면, GaSb 전지의 경우, 컷-오프 파장대가 1700 nm이기 때문에 홀 패턴의 직경이 800 nm인 샘플(D800)의 시스템 효율 및 효율과 출력 곱의 값이 홀 패턴이 형성되지 않은 경우(Bare)의 샘플에 비하여 월등히 높은 수준이었다(도 9a 및 도 10a) 한편, 홀 패턴의 직경이 각각 500 nm인 샘플(D500) 및 1100 nm 샘플(D1100)인 경우에는 대조군에 비하여 낮은 효율을 나타내었다. 이는 GaSb 전지의 컷-오프 파장대와 매칭되지 않은 파장 대역에서의 높은 흡수 스펙트럼에 기인한 것으로 볼 수 있다.
한편, GaInAsSb 전지의 경우, 컷-오프 파장대가 GaSb 전지에 비하여 긴 2250 nm이다. 따라서, 상대적으로 장파장 대역까지 높은 흡수 스펙트럼을 나타낸 홀 패턴의 직경이 1100 nm인 샘플(D1100)의 시스템 효율 및 효율과 출력 곱의 값이 높게 나타났다(도 9b 및 도 10b).
상술한 테스트 결과를 고려하면, 주기적 홀 패턴이 형성된 산화세륨 기반의 열 방사체에 있어서, 홀 패턴의 직경이 각각 800 nm 및 1100 nm인 산화세륨 광 결정 열 방사체는 각각 컷-오프 파장대가 1700 nm인 GaSb 전지 및 2250 nm인 GaInAsSb 전지에 적합함을 알 수 있다. 따라서, 상기 테스트에서는 주기적 홀 패턴의 치수(특히, 직경)를 조절함으로써 열 광전 디바이스에 최적화된 복사 스펙트럼을 구현할 수 있다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 이용될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.

Claims (17)

  1. 산화세륨 광 결정을 함유하며, 주기적인 홀 패턴의 캐비티 구조가 형성되어 페브리-페로 공동 공진(Fabry-Perot cavity resonance)을 발생시킴으로써 소정 밴드 갭 이상의 광자를 선택적으로 방출하도록 구성되며, 상기 산화세륨 광 결정의 그레인 사이즈는 120 내지 200 nm 범위인 2차원의 열 방사체.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 홀 패턴의 단면은 원형인 것을 특징으로 하는 2차원의 열 방사체.
  4. 제1항에 있어서, 상기 홀 패턴의 직경은 2000 nm 이하이고, 상기 홀 패턴의 피치는 4000 nm 이하이며,
    이때, 피치는 홀 패턴 직경 기준으로 2배 이하인 것을 특징으로 하는 2차원의 열 방사체.
  5. 제4항에 있어서, 상기 홀 패턴의 높이는 최대 10000 nm이고, 이때 홀 패턴 내 공간의 면 비는 0.5 내지 5 범위인 것을 특징으로 하는 2차원의 열 방사체.
  6. 제1항에 있어서, 상기 열 방사체 중 단위 셀의 면적 대비 홀 패턴 면적은 40 내지 70% 범위인 것을 특징으로 하는 2차원의 열 방사체.
  7. a) 3 내지 10 ㎛의 입자 사이즈를 갖는 산화세륨 분말을 제공하는 단계;
    b) 상기 산화세륨 분말을 프레싱하여 소정 형상의 산화세륨 성형물을 제조하는 단계;
    c) 상기 성형물을 1300℃ 초과, 그리고 1800℃까지 범위에서 선택되는 온도 조건에서 열처리함으로써 산화세륨 성형물의 결정 구조를 변화시키는 단계; 및
    d) 열처리된 산화세륨 성형물의 적어도 일 면을 패턴화하는 단계;
    를 포함하며,
    상기 단계 d)에 의하여 상기 열처리된 산화세륨 성형물의 적어도 일 면에 주기적인 홀 패턴의 캐비티 구조가 형성되어 페브리-페로 공동 공진을 발생시킴으로써 소정 밴드 갭 이상의 광자를 선택적으로 방출하도록 구성되고,
    상기 열처리된 산화세륨 성형물 내 산화세륨 광 결정의 그레인 사이즈는 120 내지 200 nm 범위인 2차원의 열 방사체의 제조방법.
  8. 삭제
  9. 제7항에 있어서, 상기 단계 b)는 5 내지 20 MPa 범위의 프레싱 압력 조건 하에서 수행되는 것을 특징으로 하는 2차원의 열 방사체의 제조방법.
  10. 제7항에 있어서, 상기 단계 c)는 1500 내지 1650℃ 범위에서 선정되는 온도에서 수행되는 것을 특징으로 하는 2차원의 열 방사체의 제조방법.
  11. 제7항에 있어서, 상기 단계 d)는 나노 패턴화 테크닉을 이용한 선택적 에칭 방법에 의하여 수행되는 것을 특징으로 하는 2차원의 열 방사체의 제조방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 나노 패턴화 테크닉은 포토레지스트를 이용한 포토리소그래피, 전자빔 리소그래피, 집속이온빔 리소그래피, 나노 임프린트법 또는 산화 알루미늄 피막 마스크 형성법인 것을 특징으로 하는 2차원의 열 방사체의 제조방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 선택적 에칭 방법은 반응성 이온 에칭법, 유도 결합 플라즈마 반응성 이온 에칭법 또는 화학적 이온 빔 에칭법인 것을 특징으로 하는 2차원의 열 방사체의 제조방법.
  14. 에너지 조사 소스;
    상기 에너지 조사 소스로부터 방출된 에너지 중 특정 파장 영역의 광을 선택적으로 흡수하여 방출하는 2차원의 열 방사체; 및
    상기 열 방사체로부터 방출된 광을 전기에너지로 전환시키는 열 광전 디바이스;
    를 포함하며,
    여기서, 상기 2차원의 열 방사체는 산화세륨 광 결정을 함유하며, 주기적인 홀 패턴의 캐비티 구조가 형성되어 페브리-페로 공동 공진을 발생시킴으로써 소정 밴드 갭 이상의 광자를 선택적으로 방출하도록 구성되고,
    상기 산화세륨 광 결정의 그레인 사이즈는 120 내지 200 nm 범위인 열 광전 변환 시스템.
  15. 제14항에 있어서, 상기 에너지 조사 소스는 200 내지 3000 nm의 파장 대역의 에너지를 조사하는 것임을 특징으로 하는 열 광전 변환 시스템.
  16. 제14항에 있어서, 상기 열 광전 디바이스의 밴드 갭은 0.8 eV 이하인 것을 특징으로 하는 열 광전 변환 시스템.
  17. 제16항에 있어서, 상기 열 광전 디바이스는 GaSb, GaInAs, 또는 InGaAsSb 재료를 기반으로 하는 것임을 특징으로 하는 열 광전 변환 시스템.
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