결정립 표면 제어에 의한 효과적인 고체의 열전도도 감소 : Effective thermal conductivity reduction in solid by controlling grain interface :

강찬영

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자료유형: 학위논문

저자정보: 강찬영 (연세대학교, 연세대학교 일반대학원)

지도교수: 김우철

발행연도: 2015

저작권: 연세대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수9

이 논문의 연구 히스토리 (2)

2015

결정립 표면 제어에 의한 효과적인 고체의 열전도도 감소 : Effective thermal conductivity reduction in solid by controlling grain interface

강찬영 기계공학과.. 2015.01 학위논문

2014

결정립 크기에 따른 실리콘의 열전도도 측정

강찬영 , 김우철 대한기계학회 춘추학술대회 2014.11 학술대회자료

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톰슨이 전자를 발견한지 100여년밖에 지나지 않았지만 고체 내부의 전자의 수송을 제어하는 기술은 눈부신 발전을 이루었다. 그러나 고체 내의 열 수송을 제어하는 것은 전자에 비해 많은 발전을 이루지는 못하였다. 최근 많은 응용분야에서 고체 내 열 수송을 제어하는 것을 필요로 하고 있고 대표적인 것이 열전소재이다. 열전소재는 열을 전기로 혹은 그 반대방향으로 에너지를 변환시킬 수 있는 소재로 열전도도가 낮을수록 그 변환효율이 증가하는 소재이다. 최근 많은 연구로 인해 나노 구조가 고체 내부의 열 수송을 방해하여 열전도도를 낮출 수 있다는 연구가 다수 보고되고 있다.
이 학위 논문은 다양한 구조를 갖는 벌크소재의 열 전송 이론을 설명하는 것에 초점이 맞추어져 있다.
처음으로는 나노구조를 내부에 가지고 있는 나노복합재에 대해 이론적 설명을 하였다. 나노입자 삽입 나노복합재, 나노결정립 나노복합재의 두 가지 나노복합재에 대하 Callaway모델을 이용하여 열전도도를 해석하고 열전도도 한계 감소치를 이론적으로 비교하였다. 결론적으로 나노결정립 나노복합재가 더 낮은 이론적 한계 열전도도 감소율을 보였는데 그 이유는 결정립 산란의 특성이 격자진동의 진동수에 무관하기 때문이다.
두 번째로 결정립의 크기분포가 열전도도에 미치는 영향에 대해 토의한다. 보통 대부분의 다결정 물질의 특성길이는 평균 결정립 크기로 결정이 된다. 그러나 실제 다결정구조는 매우 넓은 결정립 크기 분포를 갖는다. 따라서 다결정 구조의 특성길이를 결정립 크기분포를 고려하여 재정의 하였다.
마지막 주제에서는 열전도도 감소를 위한 새로운 구조를 제안하였다. 제안된 구조는 결정립이 얇은 박막으로 코팅된 구조를 가지고 있어 결정립 코팅 복합재라고 부른다. 결정립 경계면이 얇은 박막형태로 코팅이 되면 Bragg 반사에 의해 포논을 효과적으로 산란시킬 수 있게 된다. 코팅의 두께가 증가하게 되면 Bragg 반사에 의한 산란되는 포논의 파장대가 넓어지게 되어 열전도도가 감소하게 된다.

Although only around 100 years have passed since Thomson''s discovery of electrons, control of the electron transport in solid has been remarkably advanced. However, controlling the thermal transport in solid has not been much developed as electron. Recently, a lot of applications require controlling the thermal transport and representative application is thermoelectrics. Thermoelectric phenomena are the principles that are used to directly convert heat into electricity or vice versa. Its conversion efficiency increases as thermal conductivity of the thermoelectric materials reduces.
This dissertation introduces the thermal transport in bulk solid with various structure including nanostructures. First, nanocomposite which has nanostructures inside the matrix is explained by theoretical work. Thermal conductivities of two kinds of nanocomposite, nanodot nanocomposite and nanograined nanocomposite, are analyzed by Callaway model and are compared in extreme cases. Nanograined nanocomposite shows lower thermal conductivity than nanodot nanocomposite because of its frequency independent scattering.
Second, effect of grain size and grain size distribution on thermal conductivity is discussed. Generally, characteristic length of most polycrystalline materials is modelled by average grain size. However, in reality, polycrystalline materials have very broad grain size distribution. Therefore, characteristic length of grain boundary scattering relaxation time is redefined by applying the effect of grain size distribution.
Last topic is to suggest the new structure to reduce thermal conductivity. Suggested structures have a layer on the grain size which we call as ‘coated grain boundary composite.’ Grain boundary is coated by layer that can scatter phonon effectively by Bragg reflection. Phonon spectrum which are scattered by Bragg reflection is broadened when coating thickness increases. Thus, thermal conductivity decreases as coating layer thickness increases.

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