유기소재화학 - PEMFC 수소 에너지 (Hydrogen Energy) 현재와 미래의 Energy 재생에너지의 특징 재생에너지의 85% 는 태양광 , 풍력 발전 발전시간과 전력 소요시간의 차이가 발생 , 국가 단위의 막대한 에너지 저장 기술 필요 에너지의 역사는 인류의 역사와 함께 격변 , 미래의 에너지는 재생에너지 수소 에너지 (Hydrogen Energy) Eneryg 의 저장 높은 발전 효율 클린 에너지 – 연료 전지 (Fuel Cell) 발전시 , 물과 전기 에너지만 생산 풍부함 – 친환경적인 방법 등 많은 방법이 존재 수소 에너지 장점 단점 생산 기술과 기반 시설이 많이 부족 – 현재는 높은 가격을 형성 저장 , 운반 기술 부족 다른 가스에 비해서도 밀도가 낮고 , 액화가 어려움 PEMFC Fuel Cell 이란 ? 연료전지 (Fuel Cell) ↔ 전기분해 2
TEG 와 열파이프를 사용하는 자동차 열회수 시스템 대표적인 주행조건 하에서 대략 평균 25% 의 효율 나머지 55~80% 는 냉각제나 배기가스로 버려 짐 폐열회수 시스템은 폐열을 전기로 전환하는 잠재성을 가지며 자동차의 연료소비 절감 가능 1 내연 기관의 한계 2 TEG( 열전변환소자 ) 를 이용한 발전 한 쪽이 가열 시 , 다른 쪽은 차가워지며 전압이 생성 효율은 약 5%. 카르노사이클 (Carnot cycle) 과 관련 온도차가 클수록 효율은 더높아진다 . 적용 가능 소재 : 고온부 – 텔루르화 납 (lead telluride) 저온부 – 텔루륨화 비스무트 4 실현 가능성 ( 타당성 평가 ) 전통적인 자동차 라디에이터를 대체하기 위한 폐열회수 시스템이 개발 됨 시스템의 목적은 여분의 가동부품을 설치하지 않으면서 라디에이터를 대체 하는 것 72 개의 40mm×40mm TEG 와 128 개의 작은 직경 열파이프로 구성되며 공회전상태에서 28W 의 출력을 생산 주행속도 80km 에서 고온측은 약 80℃, 저온측은 약 45℃ 으로 75W 의동력을 생산 . Goncalves 등은 TEG 의 다른 측을 냉각하기 위해물 열싱크 (water heat sink) 를 사용 이 경우 표준 열파이프 대신에 가변 컨덕턴스 열파이프 (VCHP: Variable Conductance Heat Pipe) 를 사용 Orr 등이 개발한 배기열 회수장치는 TEG 의 양쪽에 열파이프를 사용하고 있으며 열을 TEG 에 혹은 TEG 로부터 열을 전달 이 시스템은 팬 (fan) 을 이용한 공기냉각으로 대향류 열교환기가 사용되며 약 6W 의 동력을 생산 Orr 등이 개발 (2014, 2015) 한 다른 열교환기에서는 온도성능을 증가시키기 위하여 두꺼운 동재 (copper) 물 열파이프가 사용 여기에서는 나프탈렌 열파이프 예비열교환기 (Naphthalene heat pipe pre-heat exchanger) 가 배가가스 온도를 줄이고 TEG 흐름을 막을목적으로 제의 3 열파이프 추가를 통한 개선된 TEG 발전 gas flow 에 fin 을 가진 열파이프 추가 시 , 효율이 증가 TEG 와 가스 사이의 열저항을 저감 가능 핀 효율이 높아지면 활용되는 핀의 면적과 압력손실을 줄일 수 있음 열파이프는 최대 열전달율에서 사용이 제한 됨 온도가 너무 높으면 열파이프가 압력이 높게 되어 파열에 이를 수 있다 적당한 온도에서 열파이프를 통한 효율 증가 가능전기자동차에 히트펌프 적용 1 히트 펌프 시스템 전기차 열 관리 기술 에어컨 히트펌프 난방시스템 2 히트 펌프 시스템 종류 및 적용 내연기관에서는 엔진열을 이용하여 열을 얻음 . 겨울철에는 외부 공기도 차가움 히트펌프 구동을 위한 추가적인 열원이 필요 증발 전 거쳐야하는 팽창단계 팽창 → 압력이 낮아짐 → 온도가 낮아짐 증발 전 냉매온도는 외부 온도에 비해 상대적으로 2~3 도 낮음 히트펌프 작동 전력은 배터리에서 사용 히트펌프가 친환경 에너지는 아니기에 배터리를 소모 전기 히터로 1kW 를 얻으려면 – 1.1kW 배터리 소모 히트 펌프로 1kW 를 얻으려면 – 0.5kW 배터리 소모 + 0.5 kW 외부 열 소모 → 전기 히터 대비 0.6kW 적게 전력 소모 겨울철 난방 시 에너지 효율을 높여주는 히트펌프 일반적으로 겨울철 자동차에서 히트펌프 구동 시 , 외부 공기를 열원으로 사용 고효율 히트펌프 경우 , 외부공기열원 + 모터 폐열 + 배터리 폐열을 회수 사용열을 흡수하고 방열하는 원리에 따라 압축식 , 화학식 , 흡수식 , 흡착식 등 흡수식 히트펌프 : 압축식 히트펌프에서 압축 행정 대신에 흡수액의 가열에 의한 냉매의 고압 증발 과정을 이용 → 가스의 연소열이나 온수 , 증기의 열을 이용하여 열을 전달 → 대용량의 열 을 회수하는 곳에 주로 사용 → 흡수식 히트펌프는 공급하는 열량의 40% 를 폐열의 회수열로 이용 → 결과적으로 에너지 비용의 40% 를 절약가능 제습난방 히트펌프 → 추운 날씨에는 자동차 유리창에 김서림이 생기면서 운전자의 시야를 방해 → 자동차 주행사고의 우려가 있으므로 → 에어컨을 가동하여 제습 + 전기히터를 가동하여 난방 → 이 경우 불필요한 난방부하가 증가하며 불필요한 전력손실이 발생 전기자동차에 히트펌프 적용 3 히트펌프 발전 방향 최근 저온 주행 거리 평가를 전기차 성능을 보는 척도로 사용 2017 년 신설된 평가 항목 히트 펌프 발전 방향 좋은 시스템이지만 다소 복잡하다는 것이 단점 히트펌프 시스템의 모듈화를 통해 설치 및 AS 의 편의성 향상이 필요 성능 향상과 모듈화의 연구 필요 전기차 전용 플랫폼에서 고효율 히트 펌프의 필요성은 점점 부각되고 있음 전기차 배터리 온도 제어에 필수인 에어컨 기능 향상은 급속 충전 시간을 단축시켜 단 5 분 충전으로 100km 주행이 가능하다 . 2 히트 펌프 시스템 종류 및 적용 2 중 효용 흡수식 히트펌프 제 1 종 흡수식 히트펌프 15 도 이상의 열원이면 사용 가능 20~60 도 사이의 열원에서 열을 흡수 50~95 도의 온수 생산 단일 효용 흡수식 히트펌프 1 보다 큰 COP COP가 더 높은 열 또는 더 낮은 출력 온도에 사용됨 외부 열 입력 없이 냉매를 증발 시킬수 있기 때문에 COP 를 높임자동차 진동 운동을 통한 에너지 하베스팅 1 자동차 진동 에너지 2 진동에너지의 활용 자동차의 진동을 최대한 이용하기 위해서는 진동이 가장 많이 발생하는 바퀴의 서스펜션 서스펜션은 일반적으로 쇼크 업쇼버 (Shock Absorber, 쇼바 , 댐퍼라고 ) 라 불리는 충격 흠수장치와 , 스프링이 합쳐진 것을 지칭 승차감을 좋게 하기 위해서 마차에 스프링을 달던 것에서 시작 이 스프링이라는 소재 자체가 워낙 탄성이 좋다 보니 너무 차체가 튀게 되었는데 , 이에 그 반동을 잡아주기 위해 고안된 장치가 쇼크 업쇼버 종류에는 종발이 서스펜션 , 일체형 서스펜션 , 에어 서스펜션 서스팬션은 자동차 바퀴의 진동을 그대로 받으면서 스프링으로 그 진동을 감소시켜주는 장치이기에 이 서스펜션에 압전소자를 설치한다면 좋은 효울을 낼 수 있을거라 예상 쉐이크 ( 자동차에서 일반적인 포장도로나 작은 요철 부위를 주행하는 경우 40~70km/h 로 주행할 때에 발생 ) 저주파 (5~25Hz) 의 진동 쉬미진동 (80km/h 이상 고속으로 주행하는 경우에 주로 발생 ) 5~15Hz 의 주파수 이미 사용중인 아이디어임 단일 사용에 있어서 장점이 부족함 앞서 조사한 히트펌흐 , 열전소자에 함께 적용시 효율의 증가를 꾀할 수 있다고 판단 내구성과 경제성 평가가 필요함 3 설계 방향 2020, 2021 년 현대 자동차 , 기아 자동차 등 실제 히트펌프에 대한 개선이 이루어지고 있음 새로운 전기차 플랫폼에는 새로운 히트 펌프 적용을 발표 히트 펌프가 전기차의 에너지 효율 향상을 위해 필요함은 이미 사실이 됨 한국의 히트 펌프 기술은 독일 , 미국 등 완성 자동차 시장에서 기술력을 인정받아 수출되고 있음 아직 개선 가능성과 경제성을 현 산업에서 인정하고 R D 를 진행중 따라서 향후 설계는 히트펌프를 메인으로 진행 예정 부가적으로 열전 소자와 진동에너지 등 효율 증가를 위한 부수적인 아이디어 도입{nameOfApplication=Show}
MOS에 대한 고찰목차Metal-Oxide-Semiconductor (MOS)MOS 커패시터 구조 및 작동 원리MOS 구조의 커패시턴스에너지밴드 및 Flatband voltage1. Metal-Oxide-Semiconductor (MOS)1.1 MOS 커패시터 구조 및 작동 원리전자·회로 공학에 많이 사용되는 MOSFET(MOS field-effect transistor)는 2단자인 MOS 구조에서 Drain, Source를 추가하여 3단자 구조로 변경한 구조일 뿐 기본 원리는 MOS와 동일하다.MOS 구조의 경우 Metal gate 와 Semiconductor 사이에 전자와 정공이 흐르지 못하도록 insulator layer가 필요하며 보통 SiO2를 많이 사용하는 추세이다. 그 이유는 흔히 사용하는 Semiconductor가 Si이기에 Si 산화 공정을 통해서 쉽게 SiO2 insulator layer 형성이 가능하기 때문이다.MOS의 기능은 전류를 흐르지 못하게 하며, 전하를 저장하는 기능을 한다. 전하를 저장하기에 축전기(Capacitor)라고 부르며 Gate에 인가된 전하에 의해 Semiconductor에 전기장이 형성되고 이를 channel로 이용하여 MOSFET이 구동하게 된다.채널 형성에 필요한 게이트 전압의 크기를 문턱 전압(threshold voltage, Vt)라고 한다. 산화막-반도체 계면에서의 Fermi 준위와 전도대 및 가전자대와의 위치 관계는 MOS 커패시터 전압과 관련되며 반도체 표면의 특성은 가해지는 전압에 따라 p→n, n→p로 반전될 수 있다.MOS 커패시터의 이해를 위해서는 Energy diagram에 대한 이해가 필수적이다. Energy diagram의 변화는 gate 전압에 따라 크게 3가지 상태로 구분할 수 있다. 축적(accumulation), 공핍(depletion), 반전(inversion)로 구분되며 세 가지 상태에서 major, minor 캐리어의 움직임은 변화하며 캐패시터의 동작도 변화한다.Energy diagram의 y축은 에너지를 나타내며, 양전압 인가시 Energy가 증가하고 음 전압 인가시 Energy가 감소한다. Semiconductor가 n-type으로 도핑된 경우 gate에 반대 전하인 양 전압인가시 gate의 Energy는 증가하며 band가 아래로 휘어지게 된다. Semiconductor 영역에서도 band bending이 이루어지며 전자는 insulator 부근으로 모이게 된다. 이를 축적, accumulation이라고 한다. 반대로 n-type Semiconductor와 gate에 같은 음 전압 인가 시, semiconductor의 band는 위로 bending이 발생한다. Gate에 음 전압이 인가된 경우, insulator 아래에는 hole이 모이게 되지만 n-type 반도체이기에 majority carrier는 electron으로 Semiconductor-insulator layer 표면에는 hole이 모이지 않는다. 따라서 interfacial electric carrier가 없는 경우를 공핍, depletion이라고 한다. Gate에음 전압이 더 커지게 되는 경우 minority carrier가 형성되며 이를 inversion이라고 한다.1.2 MOS 구조의 커패시턴스MOS capacitor의 특성을 평가할 때, 커패시턴스로서 얼만큼 전하를 축절할 수 있는지를 평가한다. MOS 커패시터에서 유전체의 커패시턴스는 아래 식으로 정의된다.εSiO2 는 SiO2의 유전 상수, ε0 는 진공 유전율, A는 금속 전극 면적, t는 SiO2의 두께를 의미한다. 커패시턴스는 gate에 전압을 인가했을 때, 인자들의 변화를 통해서 측정된다. Gate 전압 인가 시, AC 전압의 주파수에 따라서도 소자의 C-V(Capacitance-Voltage) 특성은 변화하게 된다. AC 주파수가 High frequency(>1 MHz)의 경우 minority carrier의 응답속도 보다 주파수 변화가 크기에 minority carrier가 oxide layer에 쌓일 시간이 부족하고, inversion은 발생하지 않는다. 반대로 low frequency의 경우 minority carrier가 이동할 시간이 충분하기에 inversion이 발생하고 커패시턴스의 측정이 가능하다.MOS 커패시터의 C-V 특성은 축적, 공핍, 반전 상태에 따라서 변화하며, 측정 주파수 특성에도 변화한다. 가령 예를 들어 p-type semiconductor와 gate에 음의 바이어스를 인가 시, oxide layer 아래에는 majority carrier인 hole의 축적만 이루어지고 공핍과 반전은 발생할 수 없는 환경이 만들어진다. 이러한 경우에서 커패시턴스는 산화막 두께에만 의존하며 아래 식을 따른다.반대로 예를 들어, p-type semiconductor와 gate에 양의 바이어스를 인가 시, oxide layer 아래에 hole은 밀려나고 공핍층이 형성되게 된다. 공핍층에 의해서 전극 사이의 거리가 멀어지게 되고 이는 커패시턴스 값을 낮추는 요인으로 작용한다. 공핍층을 넘어서 점차 전압이 증가하면 inversion이 발생하게 된다. Inversion layer의 경우 oxide를 사이에 두고 같은 전극이 맞닿기 때문에 다시 산화막에 의한 커패시턴스를 갖게 된다.1.3 에너지밴드 및 Flatband voltage이상적인 MOS의 Energy diagram은 옆의 그림처럼 Zero bias 시 Metal, Semiconductor의 Fermi level 이 일치하면서 band를 형성하는 모습일 것이다. 하지만 Fermi level의 형성은 각 물질의 일함수(work function, Ф)에 의존하며 고유값을 가진다. 다시 말해서 이상적으로 metal과 semiconductor의 Fermi level이 일치할 확률은 상당히 낮다고 볼 수 있다.에너지 다이어그램을 좀 더 구체적으로 살펴보려고 한다. 우선 최상단에 하늘색으로 Vacuum level이 존재한다. 이는 물체(metal, semiconductor etc.)에서 전자를 떼어내 정전기적 인력이 작용하지 않는 가상의 vacuum level을 의미한다. Fermi level은 임의의 온도 K에서 전자가 채워질 확률이 절반인 Energy level을 의미한다. 일반적인 전자의 Energy state를 Fermi level이라고 칭할 수 있다. 따라서 work function은 Fermi level을 기준으로 설정되며 energy의 단위 [eV]를 위해서 work function의 단위 [V]에 단위 전하[e]를 곱해서 표기한다. 다음은 Electron affinity, 전자친화도, χ이다. 전자 친화도는 일반 화학에서 배웠듯이 전자 하나를 원자, 혹은 물질이 얼마나 잘 받아들 일 수 있는 가에 대한 지표이다. 그러니까 전자를 잘 받아들일 수 있다, 전자의 에너지 loss가 가장 적은 상태로 물질의 Conduction band에 안착할 수 있다. 라고 생각할 수 있다. 따라서 물질이 가지는 고유한 Conduction band의 가장 최상단과 연결시킬 수 있다. 우리는 work function과 electron affinity를 통해서 Energy gap/2를 계산할 수 있다. 또한 oxide layer의 상하 길이는 oxide layer가 가진 energy gap을 의미한다. 따라서 energy gap이 큰 물질(oxide layer)는 위 아래로 긴 energy diagram을 가진다.물질은 접합이 이루어진다면, 전자의 확산 개념에서, energy 평형의 개념에서 서로의 에너지 level을 동일하게 맞추려고 한다. 이상적으로 metal, semiconductor의 Fermi level이 동일한 경우 band의 변화는 없겠지만 Fermi level은 일함수에 의해서 결정된다. 따라서 이상적인 접합보다는 Fermi level이 다른 접합이 더 자주 발생한다. Fermi level이 낮은 쪽에서는 band가 올라가려고 하고, Fermi level이 높은 쪽에서는 band가 내려가려고 할 것이다. 이렇게 같은 레벨을 맞추게 되면 band는 bending이 발생했을 것이다.그렇다면 실제로 Fermi level이 다른 경우 Zero bias 상황에서 에너지 다이어그램은 다음과 같다.그림은 metal의 Fermi level이 낮기 때문에 semiconductor의 Fermi level도 아래 방향으로 휘어지는 모습을 보인다. Bending이 일어난 후에는 metal과 semiconductor의 fermi level은 평행하게 위치한다. 그렇다면 bending이 일어나는 양도 앞선 자료에 의하면 계산이 가능하다. Fermi level이란 일반적으로 전자가 존재하는 level 이라고 말한다 하였고, 임의의 가상의 vacuum level까지의 차이를 일함수 라고 하였다. 가상의 vacuum level은 metal, semiconductor가 가지는 동일한 level이라고 했을 때, 각각의 work function 차이만큼 Fermi level의 차이가 발생하고 그 차이만큼 band bending이 발생할 것이다. 이때 Oxide layer의 bending의 양과 semiconductor부분의 bending의 정도가 다른 것을 볼 수 있다. Semiconductor의 bending된 정도를 Semiconductor의 surface potential이라고 한다. Oxide의 경우 oxide surface potential이라고 한다. 이 양은 bending이 얼마나 되었는 가를 말하며 보통 일함수와 같은 Ф기호를 사용하기도 하고 ψ기호를 사용하기도 한다. 이는 교재마다 다르지만 표기의 차이일 뿐이다.
◦ Polymer란? ① 반복단위 monomer가 polymerization 된 것. ② 독특한 물리적 특성(toughness, viscoelasticity)을 가짐◦Polymer 명명 monomer 2개 : Dimer 3개 : Trimer 수개 : Oligomer Telechelic polymer : 말단에 두개의 반응기를 갖는 고분자나 oligomer◦ Polymer를 구성하는 monomer ① 종류 수 – 1개 : homopolymer 2개 : copolymer 3개 : terpolymer ① 반복 순서 Alternating : A-B-A-B-A-B Block : A-B-A-B-A-B Random Graft◦ Copolymer의 종류 ① Line copolymer : A-B-A-B-A-B ② Branched copolymer star polymer◦ Crystalline(결정형) vs. Amorphous(비결정형)① Tg(유리전이 온도)를 넘으면, 유연해짐 ② Tm(녹는점)을 넘으면, 액체가 됨 ③ Tg~Tm에서, metastable viscous liquid가 됨 ④ metastable: 바닥상태보다 높은 E 오랫동안 변하지 않고 유지되는 상태 ⑤ Crystalline polymer는 녹는점이 확실 ⑥ Amorphous polymer는 넓은 녹는점 띠를 형성 Plasticizer (가소제) ① 고온에서 성형가공을 용이하게 하는 물질 ② 넣으면 polymer가 부드러워 짐 ③ 사슬간 인력을 낮춤 ④ 천천히 증발해서, 나중에는 딱딱해 짐1. 점도가 낮을 것 2. 물, 기름에 안정할 것 3. 증기압이 낮을 것 – 증발이 빠르면 안됨 4. 빛·열에 안정할 것 5. 독성이 없고, 무색, 호환성이 우수할 것 ⑤ 조건
전기 화학 가역성(electrochemical reversibility)Butler-Vomer equation의 가정) 물질 전달 속도가 충분히 빠른 경우- 과전압이 과도하게 작용한 경우, 물질 전달 속도가 전하 전달 속도보다 느려짐- 과전압이 작용해도 더 이상 current가 변하지 않는 한계 전류 형성(limiting current)- 반응이 가역적인 경우,높은 과전압에서 한계 전류 형성- 반응이 비-가역적인 경우, 낮은 과전압에서 한계 전류 형성