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온실가스

그린에너지 토픽스 8번째 강연07EZ040 박민규온실가스저감●지구 온난화온난화 현상 자체는 과거에도 있었으나, 여기서는 주로 19세기 후반부터 관측되고 있는 온난화를 가리킨다. 이러한 현대 온난화의 원인은 온실가스의 증가에 있다고 보는 견해가 지배적이다. 산업 발달에 따라 석유와 석탄 같은 화석연료를 사용하고 농업 발전을 통해 숲이 파괴되면서 온실효과의 영향이 커졌다고 본다. 현재 기후변화에 관한 정부간 패널(IPCC)에서 인정한 견해는 19세기 후반 이후 지구의 연평균기온이 0.6℃ 정도 상승했다는 것이며, 20세기 전반까지는 자연 활동이 온난화를 유발했지만 20세기 후반부터는 인류의 활동이 온난화를 유발했다는 것이다.-온난화 현상의 원인온난화의 원인은 아직까지 명확하게 규명되지 않았으나, 온실효과를 일으키는 온실기체가 유력한 원인으로 꼽힌다. 온실기체로는 이산화탄소가 가장 대표적이며 인류의 산업화와 함께 그 양은 계속 증가하고 있다. 이외에도 메탄, 수증기가 대표적인 온실기체다. 특히 현대에 사용하기 시작한 프레온가스는 한 분자당 온실효과를 가장 크게 일으킨다. 또한 인류가 숲을 파괴하거나 환경오염 때문에 산호초가 줄어드는 것에 의해서 온난화 현상이 심해진다는 가설도 있다. 나무나 산호가 줄어듦으로써 공기 중에 있는 이산화탄소를 자연계가 흡수하지 못해서 이산화탄소의 양이 계속 증가한다는 것이다. 이러한 가설 이외에도 태양 방사선이 온도 상승에 영향을 준다거나, 오존층이 감소하는 것이 영향을 준다거나 하는 가설이 있지만 온실효과 이외에는 뚜렷한 과학적 합의점이 존재하지 않는 상태이다.-온난화 현상의 결과지구의 연평균기온이 계속 올라감으로써 땅이나 바다에 들어 있는 각종 기체가 대기 중에 더욱 많이 흘러나올 것으로 예측된다. 이러한 피드백 효과는 온난화를 더욱 빠르게 진행시킬 것이다. 온난화에 의해 대기 중의 수증기량이 증가하면서 평균강수량이 증가할 것이고 이는 홍수나 가뭄으로 이어질 수 있다. 가장 큰 문제는 해수면이 상승하는 것으로, 기온 상승에 따라 빙하이나 상업부문에서도 소득 수준의 증가에 따라 각종 가전기기의 사용이 지속적으로 늘어난 것도 에너지 소비가 늘어나는 원인이 되고 있다. 실질적으로 매년 10% 이상 전력수요가 증가 하고 있다. 현재의 에너지 소비는 경제적으로도 지탱하기 힘들 뿐 아니라, 환경적으로도 다양한 문제를 일으키고 있다. 우리나라에서 생산되지 않는 에너지원에 대한 높은 의존은 경제에 큰 부담이 되며 원거리 수송과 관련해서 각종 환경오염을 유발하고 있다. 또한 화석연료와 원자력에 전적으로 의존하기 때문에 대기오염을 비롯한 환경오염이 유발되며 방사능 누출의 위험이 상존하고 원자력발전소나 핵폐기물 처리장의 건설부지 선정과 관련해서 해당지역주민의 반발이 빈발하여 사회적 갈등도 유발되고 있다. 우리나라에서 생산되고 재생가능하며 환경적으로 건전한 에너지 자원의 개발과 이용이 절실하다.●신재생에너지=신에너지 + 재생에너지-신재생에너지란?기존의 화석연료를 변환시켜 이용하거나 햇빛, 물, 지열, 생물유기체 등을 포함하는 재생 가능한 에너지를 변환시켜 이용하는 에너지. 지속 가능한 에너지 공급체계를 위한 미래에너지원을 그 특성으로 한다. 신재생에너지는 유가의 불안정과 기후변화협약의 규제 대응 등으로 그 중요성이 커지게 되었다. 한국에서는 8개 분야의 재생에너지(태양열, 태양광발전, 바이오매스, 풍력, 소수력, 지열, 해양에너지, 폐기물에너지)와 3개 분야의 신에너지(연료전지, 석탄액화가스화, 수소에너지), 총11개 분야를 신재생에너지로 지정하고 있다.-신재생에너지의 필요성1. 화석에너지 고갈과 에너지 무기화현재 대부분의 에너지를 화석연료에 의존하고 있는 우리 인류는 그런 화석연료의 고갈됨에 따라 화석연료의 무기화가 진행되고 있다. 에너지원이 하나의 무기가 되어 가고 있는 것이다. BP사의StatisticalReview of World Energy 2008년5월호에 서는 2007년말 현재 석유는 41.6년, 천연가시는 60.3년, 석탄은133년의 가채년수를 가졌다고 말했다. 이런와중에 석유소비량의 증가속도를 태양열 집열기술, 축열기술, 시스템 제어기술, 시스템 설계기술 등이 있다.-시스템 구성집 열 부태양열 집열이 이루어지는 부분으로 집열온도는 집열기의 열손실율과 집광장 치의 유무에 따라 결정됨축 열 부열 시점과 집열량이 이용시점과 부하량에 일치하지 않기 때문에 필요한 일종의 버퍼(buffer) 역할을 할 수 있는 열저장 탱크이 용 부태양열 축열조에 저장된 태양열을 효과적으로 공급하고 부족할 경우 보조열원 에 의해 공급제어장치태양열을 효과적으로 집열 및 축열하고 공급, 태양열 시스템의 성능 및 신뢰성 등에 중요한 역할을 해주는 장치-태양열 시스템 구성요소-태양열 이용기술의 분류태양열 시스템은 열매체의 구동장치 유무에 따라서 자연형(passive) 시스템과 설비형(active) 시스템으로 구분된다. 전자는 온실, 트롬월과 같이 남측의 창문이나 벽면 등 주로 건물 구조물을 활용하여 태양열을 집열하는 장치이며, 후자는 집열기를 별도 설치해서 펌프와 같은 열매체 구동장치를 활용해서 태양열을 집열하는 시스템으로 후자를 흔히 태양열 시스템이라 한다. 집열 또는 활용온도에 따른 분류는 일반적으로 저온용, 중온용, 고온용으로 분류하기도 하며, 각 온도별 적정집열기, 축열방법 및 이용분야는 다음과 같다구분자연형설비형저온용중온용고온용활용온도60℃이하100℃이하300℃이하300℃이상집 열 부자연형시스템공기식집열기평판형집열기*PTC형집열기,*CPC형집열기,진공관형집열기Dish형집열기,Power Tower축 열 부Tromb Wall(자갈,현열)저온축열(현열,잠열)중온축열(잠열,화학)고온축열(화학)이용분야건물공간난방냉난방·급탕,농수산(건조,난방)건물 및 농수산분야냉·난방,담수화,산업공정열,열발전산업공정열,열발전,우주용,광촉매폐수처리,광화학,신물질제조●풍력바람의 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치. 날개, 변속 장치, 발전기로 구성되어 있다. 바람의 운동 에너지로 날개를 회전시킨다. 이 회전력은 중심 회전축을 통해 변속 장치로 전달되어 발전기에서 요구되는 회전수로 증폭된다. 증폭된를 얻을 수 있는데, 이러한 모든 생물유기체(바이오매스)를 통해 얻을 수 있는 에너지를 말한다. 옥수수, 보리, 콩과 같은 곡물이나 나무, 볏짚, 사탕수수 등의 식물이 이용된다. 바이오에너지는 옥수수, 사탕수수, 감자 등 곡물이나 나무, 볏짚 등의 식물체의 당분을 발효시켜 만드는 바이오에탄올과 대두유, 팜유, 폐식용유 등에서 식물성 기름을 추출해 만드는 바이오디젤, 음식물 쓰레기, 축분, 동물체 등을 발효시킬 때 생성되는 메탄가스와 같은 바이오가스가 대표적이다. 바이오에탄올은 휘발유에, 바이오디젤은 경유 연료에 섞어 사용할 수 있어 차량 연료 대체에너지로 활용되고 있다.-바이오에너지 분류대분류중분류내용바이오액체연료생산기술바이오매스생산,가공기술당질계, 전분질계, 목질계바이오디젤 생산기술바이오디젤 전환 및 엔진적용기술바이오매스 액화기술(열적전환)바이오매스 액화, 연소, 엔진이용기술바이오매스가스화기술혐기소화에 의한메탄가스화 기술유기성 폐수의 메탄가스화 기술 및 매립지 가스 이용기술 (LFG)바이오매스 가스화기술(열적전환)바이오매스 열분해, 가스화, 가스화발전 기술바이오 수소 생산기술생물학적 바이오 수소 생산기술바이오매스생산,가공기술가공기술 에너지작물 기술에너지 작물 재배, 육종, 수집, 운반, 가공 기술생물학적 CO2고정화 기술바이오매스 재배, 산림녹화, 미세조류 배양기술바이오 고형연료 생산,이용기술바이오 고형연료 생산 및 이용기술(왕겨탄, 칩, RDF(폐기물연료) 등)●연료전지물을 전기분해하면 수소와 산소로 분해된다. 반대로 수소와 산소를 결합시켜 물을 만들면 이때 발생하는 에너지를 전기 형태로 바꿀 수 있다. 연료전지는 이 원리를 이용한 것이다.연료전지 구성은 전해물질주위에 서로 맞붙어있는 두 개의 전극봉으로 구성돼 있으며 공기중의 산소가 한 전극을 지나고 수소가 다른 전극을 지날때 전기 화학반응을 통해 전기와 물, 열을 생성하는 원리다. 화학적 반응에 의해 전기를 발생시킨다는 점에서 배터리와 비슷하지만 연료전지는 반응 물질인 수소와 산소를 외부로부터 공급 받으가스를 만들어 정제공정을 거친 후 가스터빈 및 증기터빈등을 구동하여 발전하는 신기술이다.-석탄 액화: 고체 연료인 석탄을 휘발유 및 디젤유 등의 액체연료로 전환시키는 기술로 고온 고압의 상태에서 용매를 사용하여 전환시키는 직접액화 방식과, 석탄가스화 후 촉매상에서 액체연료로 전환시키는 간접액화 기술이 있다.-시스템 구성석탄이용기술은 가스화부, 가스정제부, 발전부 등 3가지 주요 Block과 활용 에너지의 다변화를 위해 추가되는 수소 및 액화연료부 등으로 구성됨-석탄가스화 기술: 석탄을 고온·고압 상태의 가스화기에서 한정된 산소와 함께 불완전연소시켜 CO와 H2가 주성분인 합성가스를 생성하는 기술로 전체 시스템 중 가장 중요한 부분으로 석탄 종류 및 반응조건에 따라 생성가스의 성분과 성질이 달라지며 건식가스화 기술과 습식가스화 기술이 있음-가스정제공정: 생성된 합성가스를 고효율 청정발전 및 청정에너지에 사용할 수 있도록 오염가스와 분진(H2S, HCl, NH3 등) 등을 제거하는 기술-가스터빈 복합발전 시스템(IGCC): 정제된 가스를 사용 1차로 가스터빈을 돌려 발전하고, 배기 가스열을 이용하여 보일러로 증기를 발생시켜 증기터빈을 돌려 발전하는 방식장점단점*고효율 발전*SOx를 95%이상, NOx를 90% 이상 저감하는 환경친화기술*다양한 저급연료(석탄, 중질잔사유, 폐기물 등)를 활용한 전기생산 가능, 화학플랜트 활용, 액화연료 생산 등 다양한 형태의 고부가가치의 에너지화*소요 면적이 넓은 대형 장치산업으로 시스템 비용이 고가이므로 초기 투자비용이 높음*복합설비로 전체 설비의 구성과 제어가 복잡하여연계시스템의 최적화, 시스템 고효율화, 운영 안정화 및 저비용화가 요구됨●지열지열에너지는 물, 지하수 및 지하의 열 등의 온도차를 이용하여 냉ㆍ난방에 활용하는 기술로 태양열의 약 47%가 지표면을 통해 지하에 저장되며, 이렇게 태양열을 흡수한 땅속의 온도는 지형에 따라 다르지만 지표면 가까운 땅속의 온도는 개략 10℃∼20℃정도 유지해 열펌프를 이용하는 냉난방시스템있다.

공학/기술| 2012.12.11| 26페이지| 1,000원| 조회(144)

해양, 온실가스, 지열, 유기태양전지, DSSC, 수력, BIPV, 실리콘태양전지

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양성자

양성자 가속기에 관하여그린에너지토픽스07ez040 박민규●양성자중성자와 함께 원자핵을 구성하는 소립자이며 중입자의 하나로써 보통 p로 표기하며, 전자는 +e, 질량수는 1, spin은 1/2, isospin은 1/2이고, 질량은mv =1.67262171(29)×10^?27kg=938.272029(80)MeV/c=1.00727646688(13)u로 전자의 약 1,836배이다. 오늘날의 소립자론에서는 전하 2/3인 u쿼크 두개와 -1/3인 d쿼크로 구성된 복합입자로 생각한다. 이상자기 모멘트를 가졌고 g인자는 5.5856912이다.수소원자의 원자핵이며 동위원소로 질량수가 2인 중양성자(deuteron), 질량수가 3인 3중양성자(triton)가 존재한다.양성자는 1886년 독일의 E. 골드슈타인이 음극선 실험 때 양극에서도 복사선이 방출되는 것을 발견한 데서 알려지기 시작했다. 98년에는 W. 빈이 그 복사선이 양의 전하를 지닌 입자라고 밝혀 이를 검증하는 실험이 시도되었다. 그 결과 실험으로 관측된 양전하를 띤 입자 중 가장 가벼운 것은 질량이 수소원자와 같고, 전하는 전자와 크기가 같으며 부호만 반대인 입자임이 드러났다. 이 입자가 수소원자의 이온인데, 훗날 다른 원자의 구조에서도 중요한 단위로 밝혀졌다. 그래서 양성자가 모든 원자의 근원적인 물질이라 생각되어「으뜸」을 뜻하는 그리스어 protos에서 프로톤(proton)이라고 명명했다.양성자에 전자를 충돌시키면 양성자는 점전하가 아닌 반지름이 0.8fm(1fm=10m) 정도되는 크기를 가진다. 바꿔 말하면 양성자는 구조를 이루고 있는다.또한 고 에너지의 전자나 중성미자를 충돌시키면 양성자를 파괴시킬 수 있고 쿼크로 구성되어 있음이 확인된다.●양성자 가속기 개발 역사과학자에 의해 최초로 양성자 가속이 시도 되었던 것은 1931년 영국의 코크로프트 와 월튼에 의해서였는데 그들은 고전압 전기회로로 구성된 정전형가속기로 양성자를 750 keV까지 가속하여 리튬 표적에 쪼여서 인공적인 핵반응(Li+P->2He)을 시키으로 완성되었다. 선형가속기는 원리적으로 다량의 양성자를 동시에 가속할 수 있으므로 개발 초창기부터 대전류형 가속기로서 각광을 받았다. 이후 대용량 양성자 가속기는 미국 로스알라모스 국립연구소의 800MeV 1mA급 선형 가속기가 1980년대말까지 중간자물리와 원자력 분야 연구에 주로 이용되는 정도였다. 하지만 1990년대에 이르러 영국에서 러터포드 애플턴연구소의 ISIS 및 스위스 PSI 연구소의 SINQ 가속기가 파쇄중성자원의 용도로 건설된 이후 다시 대용량 양성자 가속기의 건설이 활발해지고 있다. 그동안 저에너지 양성자가속기 개발은 주로 의료 및 산업용으로의 개발이 활발히 진행되었다. 그 대표적인 예가 주로 의료 분야에서 많이 이용되는 PET용 및 동위원소 생산용 양성자가속기와 반도체 고정에서 주로 사용되는 이온 및 양성자 주입장치로 현재 우리 주변에 널리 사용되고 있다.●양성자 가속기 원리양성자 가속기는 수소 원자의 핵인 양성자를 고주파 전기장을 이용하여 운동 속도, 즉 운동 에너지를 높이는 장치로서 쉽게 인공적인 핵반을을 일으킬 수가 있다.우선 입자들은 보통 한란을 막기 위해 깨끗이 비워진 파이프 안에서 가속되며, 가속하는 장치들을 신중하게 조절하여 빔을 표적과 일직선으로 맞추는 기술이 필요하다. 그리고 가속에 사용된 자석들이 매우 뜨거워 지는데 이를 냉각시키기 위한 냉각장치가 필요하다.가속 기술의 또 다른 형태도 존재하는데, 입자 가속을 위해 하나는 교류 전기장을 이용하는 것이고, 다른 하나는 라디오 진동수의 진행파나 정상파를 사용하는 것이다. 이 가속 기술이 페르미 가속기와 LHC에 사용되는 가속 원리이다.처음 가속기에 들어가는 입자를 만들기 위해 우선 입자를 이온화 시키는 작업이 필요하다.이온화된 인자는 교류 전기장을 만드는 가속기 구조 속으로 들어가게 되는데, 이 전기장에 의해 가속된 입자는 가속 공동에 공급되는 라디오 진동수 파를 사용하는 선형 가속기 속으로 들어간다. 라디오 진동수 신호는 처음에는 빔의 방향과 같고 그 다음에는 반대 방향인 는 두 개의 전자를 금속 박편에 의해 떼어지고 그렇게 생성된 양성자는 싱크로트론 부스터라는 원형 가속기 속으로 최초로 들어가게 된다.부스터의 구조는 양성자를 가속시키는 라디오 진동수 전자기장을 사용한다. 자기장에 의해 원형 고리 속에 갇혀있는 양성자들은 빛의 속도의 3분의 1의 속도로 가속되는데, 이처럼 빠르게 움직이는 입자를 원형궤도로 유지하기 위해 쌍극자 자석을 이용해 입자들의 진행 경로를 구부리는 데 사용한다. 이 자석에서 자기장은 양성자들이 원형 빔 파이프에서 같은 궤도를 일정하게 유지하고 있게 하는 방법으로 입자들의 에너지를 처음의 약 20배 가량 증가시킨다. 그리고 이때 적정 에너지에 도달한 입자는 지름 2000m 의 주 양성자 싱크로트론으로 들어 간다. 주 싱크로트론은 초전도체 자석을 사용하여 만들어 입자의 속도를 빛의 속도에 근접하게 가속 시키게 되며 주 싱크로트론에 집입하기 전의 100배 가까이 에너지를 증가시킨다. 하지만 이러한 높은 에너지와 빠른 속도를 가진 상태에서 원형 궤도를 유지하는 것은 불 가능 할 수 있다. 그러므로 쌍극자 자석 뿐만이 아닌 테바트론 둘레의 약 30% 부분은 사중극 자석으로 이뤄져 있다. 사중극 자석은 축 위에서는 자기장이 영이지만, 축 밖에서는 자기장 기울기를 가진다. 가령 입자가 x축 방향으로 길을 헤매이면 입자는 축을 향하여 뒤에서 미는 힘을 받게 되고, y방향으로 길을 헤매일 땐 축으로부터 멀어지는 쪽으로 힘을 받는다. 이렇게 주 싱크로트론 구간은 쌍극자 자석과 사중극 자석을 통해 정확한 궤적을 그리게 되고, 위와 동일한 방법으로 반대 방향으로 가속된 또 다른 입자와 상호 충돌하게 된다. 이때 이 충돌로 발생한 에너지에 의해 생성된 새로운 입자와 충돌로부터 부서진 입자들은 검출기에 의해 검출된다. 수십 MeV정도로 가속된 양성자를 핵에 충돌시킬 때 + 전하를 갖는 양성자는 역시 + 로 대전되어 있는 핵과의 전기적 척력을 뚫고 들어가 핵에 흡수되거나 일부 핵자들을 때에내기도 하는 등 여러 핵반응을 이으키게 된다게 된다.●가속기의 분류와 종류가속기는 그 가속방법에 따라 선형가속기와 원형가속기로 나뉘며, 가속입자의 종류에 따라 전자가속기와 양성자가속기로 구별된다. 선형가속기는 주로 전자를 고진공 직선궤도에 따라서 가속하는 것이고, 코크로프트-월턴장치나 밴더그래프정전고압발생기(Van de Graff generator)와 같이 직류 고전압으로서 일시에 가속하는 것과 고주파 전기장을 이용하는 것 등이 있다. 원형가속기는 입자를 고진공 원형궤도에 따라 가속하는 것으로, 사이클로트론(cyclotron), 베타트론(betatron) 및 싱크로트론(synchrotron) 등이 있다.가속입자에 따라 분류하면, 양성자가속기는 대부분 원형가속기이고, 전자가속기 중에서 고에너지가속기는 대개 선형가속기이다. 그 까닭은, 하전입자를 원궤도에 따라 가속할 때에 생기는 제동복사손실량은 질량이 작은 전자의 경우가 많고, 질량이 큰 양성자의 경우가 작기 때문이다. 따라서 양성자 가속은 높은 정밀도와 기술 수준을 요하는 선형가속기보다는 원형가속기가 유리하다.- 밴더그래프정전고압발생기:밴더그래프정전발전기·정전고압발생기라고도 한다. 일종의 벨트기전기이고, 절연물로 만들어진 벨트를 구형중공전극(球形中空電極)과 접지 사이를 지나게 하고, 전원에서 받는 전하를 벨트로서 전극에 반입시켜, 그것으로서 얻어진 고전압에 의해서 전극에 직결한 가속관 안에서 한꺼번에 가속하는 것이다.- 사이클로트론: 운동하는 하전입자가 자기장 속에서 원을 그린다는 것을 이용해서, 자기장 속에서 입자를 회전시키면서 그 회전주기에 맞추어 고주파 전압으로서 되풀이하여 가속하는 것. 사이클로트론은 1932년 미국의 E.O.로렌스가 고안한 것이고, 큰 전자석의 극 사이에 원통형의 가속관을 두고, 이 관을 끼고 D라는 반원형 중공전극을 서로 마주보도록 배치하였다.- 싱크로사이클로트론(synchrocyclotron): 사이클로트론은 자기장의 세기가 균일하면 입자의 회전주기는 일정하게 된다는 것을 기본원리로 한 입자가속기이나 가속입자의 속도가 광속도트가 주로 전자용가속기로서 고안한 것이고, 방사성물질에서 방출되는 베타선에 관련지어 이름하였다. 원형전자석의 극편 사이에 도넛형 가속관을 설치한 것이고, 전자석을 교류로서 여자하면 이온원에서 가속관에 입사한 전자가 유발된 전기장의 작용으로 여자전류가 방향을 바꾸는 동안, 가속관 안에서 원궤도에 따라 가속된다.- 싱크로트론: 다른 가속기로서 예비적으로 가속된 입자를 전기장과 자기장의 작용 하에서 처음부터 원궤도에 따라 가속하여 10억eV 이상의 높은 운동에너지로 가속시킬 수 있는 장치이다. 1945년 미국의 맥밀런과 소련의 벡슬러가 각각 독립적으로 착상해서 만들었다. 이 장치로서 얻어진 고에너지입자빔은 자연의 우주선에너지에 버금가는 것으로, 인공적으로 V입자(hyperon)와 반양성자(反陽性子)의 발견을 가능하게 했을 뿐만 아니라 고에너지물리학, 즉 소립자물리학의 혁신적인 발전을 가져왔다.- 선형가속기(linear accelerator:Linac): 직접 고전압을 걸어주지 않고 비교적 낮은 전압으로서 하전입자를 직선형으로 가속하는 장치. 중공원통형의 전극을 직선 위에 많이 나열하고, 그것을 하나씩 건너서 연결하여 고주파 전압을 걸어준다. 각 전극의 길이를 알맞게 잡고, 입자들은 전극들 사이의 간격에서 가속되므로, 다음 간격에 나타날 때까지는 고주파 전압의 위상이 역전되도록 해두면 높은 에너지가 얻어진다. 1931년 미국의 로렌스가 고안한 방식이며 그 당시는 별로 주목받지 못했으나, 제2차 세계대전 후 초단파기술의 진보로 각광받게 되었다.●양성자 에너지에 따른 물질과의 상호작용양성자는 그 한 개의 질량이 1.67262171(29)×10^?27kg이고 그 크기는 약 100만분의 1나노미터에 해당되는 아주 작은 입자이다. 양성자의 속도는 질량과 에너지의 상관관계에서 결정되는데 빠른속도를 가진 양성자가 물질과 충돌했을 때 일어나는 여러가지 기본 현상들을 잘 이해하게 되면, 양성자를 어떻게 활용할수 있는지 알 수 있게 된다.●가속기 응용분야-나노 가공기술 개발 분야나노

공학/기술| 2012.12.11| 9페이지| 1,000원| 조회(123)

가속기, 양성자, 가속기 응용분야, 양성자 에너지, 양전자 가속기

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실리콘 태양전지

실리콘 태양전지●태양빛의 특징적외선(760nm~1mm), 가시광선(380~760nm) 및 자외선(10~380nm) 등을 포함해 모든 파장의 빛을 포함하고 있다. 태양광선은 인간을 비롯한 모든 생명체에게 매우 중요하다. 적외선은 따뜻하게 지낼 수 있게 하며, 가시광선은 사물을 눈으로 볼 수 있게 하며 식물이 광합성작용을 통해 영양분을 만드는 것을 돕는다. 그리고 자외선은 인간의 피부에서 비타민D를 생성하며, 살균작용을 한다.?빛의 입자 개념 도입Plank, 와 Einstein의 광전효과-광전효과: 전자는 금속 내에서 원자핵의 (+)전하와 전기력에 의해 속박되어 있다. 여기에 빛을 쬐면 빛이 가진 이중성, 즉 파동성과 입자성 중 입자 성질에 의해 빛의 알갱이 광자가 전자와 충돌하게 된다. 이후 전자는 광자가 가진 에너지를 갖게 된다. 이때 에너지가 일함수(w)라고 하는 속박에너지 이상이 되면 전자는 금속 밖으로 튀어나가게 된다. 금속 밖으로 나간 전자가 가진 에너지는 광자가 가진 에너지에 일함수를 뺀 값이 된다.½mv²=hv-w여기서 hν는 광자의 에너지로 h는 플랑크상수, ν는 빛의 진동수이다. (1/2)mv2은 금속 밖으로 나간 전자의 고전적 운동에너지로서 m은 전자의 질량, v는 속도이다.광자의 에너지가 일함수보다 클 때 광전효과가 일어나는데, 이는 빛의 진동수 ν가 일정값(한계진동수) 이상일 때 일어남을 의미한다.다시말해, 한계진동수 이상의 진동수를 가진 빛을 금속 물질에 쬐어주면, 광자가 물질의 자유전자와 충돌하면서 물질의 표면에서 전자가 튀어나온다. 높은 한계진동수를 가진 물질의 전자를 분리하기 위해서는 높은 진동수를 가진 광자가 필요하다. 광자의 진동수는 광자의 에너지와 관련이 있으며 이는 빛의 색을 결정한다. 또한, 같은 물질에서의 방출되는 전자의 개수는 전자와 충돌하는 광자의 개수, 즉 빛의 세기(빛의 밝기)와 비례한다.① 금속 표면에서 광전자가 튀어나오게 하기 위해서는 금속에 비추는 빛의 진동수가 금속의 종류에 따라서 정해지는 특정한 진동수보다 크지 않으면 안 된다. 이때의 진동수를 한계 진동수라고 한다.② 아무리 세기가 약한 빛이라도 그 진동수가 한계진동수보다 크면 시간지연 없이 광전자는 즉시 튀어나온다.③ 광전자가 금속 표면에서 튀어나올 때 갖는 에너지는 빛의 세기에는 관계없고 빛의 진동수에 관계한다.④ 같은 진동수의 빛을 쪼일 경우에 튀어나오는 광전자의 수, 즉 광전류는 빛의 세기에 비례한다.흡수체 및 방출된 전자의 상태에 의해서 광전효과는 다음과 같이 분류된다.① 광이온화: X선·α선 등을 기체에 조사하면 기체의 분자·원자가 전자를 방출하여 양이온이 되는 현상.② 외부광전효과: 고체 표면에 적외선 부근에서 자외선 부근까지의 빛을 조사했을 때 외부에 자유전자를 방출하는 현상.③ 내부광전효과(광전도): 절연체·반도체에 빛을 조사하면 충만띠 또는 불순물준위에 있는 전자가 광에너지를 흡수하여 전도대에 올라가 자유로이 움직일 수 있는 전자 또는 양공이 생겨 전도도가 증가하는 현상.④ 광기전력효과: 어떤 종류의 반도체에 빛을 조사하면, 조사된 부분과 조사되지 않은 부분 사이에 전위차(광기전력)를 낳는 현상.-Energy of PhotonE= hc/λ = hν, c = 3 x 108m/s, speed of lighth = 6.625 x 10-34 J·s, Plank constant, ν = frequency●반도체 PN접합?반도체에서의 전도 Band gap 개념고체에서 원자들이 주기적으로, 한마디로 규칙적인 간격으로 배열되어 있다. 고체 내에서 전자들이 움직이는데 있어서 각 원자들은 움직임을 방해하는 장벽 역할을 하게 된다. 원자를 이루는 전자들은 원자핵에 강하게 속박되어 있는 것들이 있고 가장 바깥 껍질에 존재해서 상대적으로 다른 원자나 외부의 요인에 영향을 쉽게 받는 최외각 전자들이 존재한다. 원자핵에 강하게 속박되어 있는 전자는 움직이지 못하고, 최외각에 있는 전자들이 운동을 할 수 있는데 이때, 최외각에 있는 전자가 어디에도 속박되지 않고 자유롭게 움직인다는 가정에 바탕을 두고 있다. 앞서 이야기했듯이 전자는 파동으로 거동할 수 있고 전자의 존재와 운동은 파동의 방정식으로 기술할 수 있다. 아무리 파동이라도 아무 곳에나 전자가 존재할 수는 없고 원자핵이 있는 자리에는 전자가 있을 수 없다. 그리고 원자핵은 전자에 비해 엄청나게 무겁기 때문에 고정되어 있다고 볼 수 있다. 그러면 원자가 거리의 규칙성을 가지고 주기적으로 배열된 경우에 전자는 파동 형태로 움직여가면서 원자핵이 있는 곳에서 벽이 있는 것처럼 행동하게 된다. 이 벽들이 주기적으로 반복될 때 Kronig-Penny model이란 것을 이용하면 자유롭게 움직이는 전자가 벽이 나타나는 곳에서 어떻게 운동의 변화를 겪는지 알 수 있다. 간단하게 말해서 자유롭게 움직이는 전자가 벽을 맞닥뜨리면 전자의 파동이 진행하다가 벽을 지나가는 성분과 벽에서 튕겨 나오는 성분으로 나눠지고 튕겨 나오는 성분과 원래 방향으로 진행하는 성분의 두 파동은 서로 상쇄간섭을 일으킬 수 있다. 상쇄간섭을 일으켜서 0 (Zero)이 되면 전자가 존재할 수 없는 어느 물리적인 구간이 생기게 된다.이 물리적인 구간은 파동으로 기술된 전자의 wave vector와 규칙적으로 배열된 원자간의 거리 및 원자가 얼마나 높은 벽으로 작용하느냐의 함수로 나타날 수 있다. 즉 원자간의 거리와 에너지 벽의 높이에 따라 어떤 형태의 파동을 갖는 전자는 존재할 수 없게 된다.전자의 파동을 함수로 기술하는 wave vector인 k는 전자의 에너지를 기술하는E=h^2k^2/2m즉, 어느 파동에 해당하는 전자가 어느 고체 내에서 존재할 수 없다면 특정 k나 k들은 그 고체 내에서 존재할 수 없다는 말이고 이는 특정 에너지 상태를 갖는 전자들이 그 고체 내에서 존재할 수 없다는 뜻이 된다. 특정 에너지 상태(들)을 갖는 전자들이 고체 내에 존재할 수 없다는 이것이 바로 에너지 밴드갭이 되는 것이다.요약하자면, 원자의 주기적 배열이 밴드갭을 만드는 이유다.?N-type반도체주기율표 5족에 속하는 원소 ( 인, 안티몬, 비소 등)는 최외각 전자가 5개이며, 이러한 원소소량을 잘 조절하여 진성 반도체 불순물로 첨가하면 진 N형 반도체가 만들어지게 된다.이러한 5족 원소들은 실리콘의 기본적인 결정 구조나 결합 형태를 바꾸지 않으면서 격자의 실리콘 원자를 대신해서 자리를 잡을 수 있다. 그런데, 5족 원소의 가전자 5개 중에서 4개가 이웃의 4족 원소들과 공유 결합을 하게 되고 여분의 전자 하나가 남게 된다. 이 전자는 공유 결합에 참여하지 않고 5족 원자와 느슨하게 결합된 상태이므로 약간의 에너지를 얻으면 바로 전도대로 올라가 자유전자가 될 수 있다.이렇게 5족 원소당 자유전자 하나씩 생성된다. 따라서 열절여기(thermally ionization)에 의해 생성되는 홀과 자유전자쌍 외에 5족원소 당 하나씩 만들어지는 자유 전자가 더해져서 N형 반도체에서는 양전하인 홀의 농도에 비해 음전하인 전자의 농도가 커지게 된다. 따라서 이렇게 5족을 첨가한 반도체를 N형 반도체라고 한다. 여기서 전자를 방출하는 5족을 도너(Donor)라고 한다.?P-type반도체주기율표 3족에 속하는 원소 ( 알루미늄·붕소·갈륨·인듐 등)는 최외각 전자가 3개이며, 이러한 원소소량을 잘 조절하여 진성 반도체 불순물로 첨가하면 진 P형 반도체가 만들어지게 된다. 예를 들어, 순수한 규소 안에 붕소를 첨가하면 이들은 서로 공유결합을 하려고 한다. 그러나 규소의 가전자(가장 바깥 궤도를 도는 전자)가 4개인데 비해 붕소는 3개이므로 공유결합하기 위해서는 가전자 1개가 부족하다. 이때 전자가 부족한 곳이 정공이 되고, 전하 운반체(carrier)는 자유전자보다 양의 전기를 갖는 정공의 농도가 커지게 된다. 따라서 이렇게 3족을 첨가한 반도체를 P형 반도체라고 한다. 여기서 정공을 방출하는 3족을 억셉터( acceptor) 라고 한다.?PN 접합P형 반도체와 N형 반도체가 접합하면 접합면을 기준으로 확신이 일어나 전자와 정공 쌍이 사라지고 이온들만 남게된다. 따라서, 그 이온들만 남은 곳으로 전자와 정공의 이동이 없는 공간 공핍층이 형성된다. 여기서는 양이온 음이온으로 전위차가 생겨 전위장벽을 형성하게 된다. 확산시 N형 쪽에서는 전자가 P형으로 가면서 N형 쪽은 +를 띄게 되고 P형은 그 반대다. 여기에 바이어스를 잡는 방향에 따라 전기가 흐르고 흐르지 않게 되어, 즉 PN접합의 생성으로부터 다이오드가 만들어지게 되는 것이다.-순방향 바이어스PN접합에 순방향 바이어스(p형쪽으로 정전압)을 인가하면, 그림과 같이 공핍층의 내장전위(확산전위)가 감소하고, 포텐셜의 균형이 무너져 확산전류가 증가하고, 전류가 흐른다. 전극에서 n형, p형 각각의 영역에 주입된 전자와 정공(다수캐리어)는 접합영역에서 재결합한다. 보통 실리콘?다이오드의 경우, 접합면을 통과고 거기에 10~100μm 정도의 영역까지(소수캐리어로서) 주입된다. 캐리어가 금제대를 넘어서 재결합할 때, 재결합 에너지를 열이나 빛으로 방출한다. 이 현상을 이용한 것이 발광다이오드나 반도체레이저다. 거꾸로 말하면 순방향전류를 흘리는 데에는 이만큼의 전압(금제대폭이 2전압볼트(eV)라면, 최저 2V)를 외부에서 받을 필요가 있다. 다이오드를 순방향바이어스로 이용하는 경우에는, 여기에서 불순물준위 등을 끼워 전이에 의한 전압의 저하분을 공제하여, 또 전극에서의 쇼키장벽에 의한 전위차나 소자각부에서의 저항손실을 부과한 전압을 줄 필요가 생기는데, 이것을 순방향전압강하(또는 순방향강하전압)이라고 한다. 순방향전압강하는 실리콘다이오드의 경우는 0.6~0.7V 정도, 쇼키배리어다이오드의 경우 0.2V다. 발광다이오드는 발광파장이나 출력에 따라 달라지고, 1~5V정도가 된다.

공학/기술| 2012.12.11| 8페이지| 1,000원| 조회(247)

태양전지, 실리콘 태양전지, 태양전지 동작, 반도체 PN접합

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나노섬유

나노섬유는 지름이 수십에서 수백 나노미터(1나노미터=10억분의 1m)에 불과한 초극세(超極細)실이다. 굵기가 머리카락의 5백분의 1정도에 불과한 첨단 소재로 나노실을 활용할 경우 섬유를 현재보다 1백분의 1정도로 가늘게 만들 수 있다. 나노섬유는 멜트블로운, 복합방사,분활방사, 전기방사 등의 방법으로 제조된다. 나노섬유는 생성과 동시에 3차원의 네트워크로 융착되어 적층된 형태의 다공성 웹은 초박막, 초경량이며 기존섬유에 비해 부피 대비 표면적비가 지극히 높고, 높은 기공도를 지니고 있다. 이러한 특성으로 인해 가스나 액체로부터 미세입자를 분리하는 고효율 초기능성 필터 소재로 활용될 수 있으며, 나노섬유로 구성된 필터는 여과 효율이 높고 공극율이 매우 높아 필터에서 발생하는 알력강하가 적다. 이러한 나노섬유의 장점을 보여주는 예로 나노섬유 3.02g이면 지구에서 달까지(384,400Km) 이을 수 있다. 이것은 나노섬유의 장점을 가장 잘 나타내주는 것이다.이런 나노섬유 역사는?1902, Morton, W. J., Method of dispersing Fluids?1930대, 나노섬유의 개발. 단위시간당 극미량의 토출량과 노즐오염등의 문제점을 극복하지 못해 상용화 못함.?1970대, 멜트블로운, 복합방사 및 분활방사 기술이 실용화 됨. 나노기술선점을 위한 투자확대가 전세계적으로 기술경쟁이 심화됨.?1995, H. Reneker, Nano fiber?2002, 10.; Korea Nanotechnic Co.:100kg/day나노섬유의 특성은섬유의 인장강도는 섬유의 길이와 굵기에 좌우되며 인장강도는 섬유가 가능수록 강해진다.특히 기존의 초극세 섬유보다 훨씬 넓은 표면적을 지니고 단위 면적당 중량이 적어 기존재료 성능의 한계성을 극복할 수 있다, 나노크기의 직경을 지닌 섬유로 구성된 다공성 쉬트 패브릭은 매우 높은 기공도를 지니고 대단히 작은 기공크기를 지닌다. 나노섬유 다공성 쉬트패브릭은 우수한 기계적 특성과 수징기의 이송능, 지극히 낮은 공기투과도, 우수한 에어로졸 입자 통과 억제능 등 거의 멤브레인 특성을 갖는 구조를 지닐 수 있다.?기존의 부직포에 비해 중량 비율 매우 높은 표면적?낮은 밀도, 질량에 비해 큰 표면적?높은 기공 부피?딱 맞는 기공크기나노섬유의 응용분야로는?국방 및 보안-화학 및 생물 보호센서: 나노섬유는 미세입자나 박테리아는 통과하지 못하게 하면서도 내부의 땀은 배출하는 호흡성이 있어 세균 등의 침투를 막아준다. 이외에도 방탄조끼나 군용 헬멧, 산업용 필터 등의 초강력 보강재로 사용할 수 있을 것으로 기대된다.-공업용/군사용 필터로서의 응용: 환경산업용으로 이용되는 예로서 다기능 비닐, 수처리 필터, 에어필터, 구조물용 부직포가 있다. 수처리 필터와 에어 필터는 세계적인 환경오염 문제 해결을 위해 중요한 역할을 담당하고 있는 동시에, 유해물질만을 선택적으로 제거 할 수 있다.?환경 공학 및 생명 공학-멤브레인 제조분야 응용: 나노섬유는 다공서 구조를 가지고 있으며, 기능성 부여가 쉬워 연료전지용 막, 복합막, 친화막 제조 등에 사용되고 있다.?건강-의공학적 분야의 응용: 생체의 구조조직은 바이오 나노섬유를 기본으로 구성되며, 나노섬유의 배향이 제어되어 단층 구조화합에 따라 여러 가지 변형이 더해서 고차 조직을 형성하고 있다. 이러한 정밀한 조직을 완벽하게 구현할 수는 없지만 나노섬유의 기술은 바이오칩, 바이오 센서, 바이오 필터, 재생 의료용 배지에 응용된다.-생체 적합성 소재: 나노섬유는 매우 작은 직경을 가지며 높은 비표면적을 갖는다. 또 수분투과율 및 통기성이 좋고, 세균으로부터 상처를 보호하고 체액이 스며들지 않기 때문에 제거가 용이하고 상처보호용 Wound dressing이나 인공피부 등에 매우 탁월한 효과가 있다.?에너지-태양 전지 및 연료 전지, 배터리에 대한 구분: 전도성 나노섬유는 또 리튬이온 전지(휴대폰 배터리 등에 일반적으로 쓰는 전지)의 전해질로 사용할 경우, 전해액의 누출을 막으면서도 전지의 크기와 무게를 엄청나게 줄일 수 있다. 태양전지의 경우 TiO2 나노섬유를 제조하여 분쇄하고 나노로드를 형성하여 비표면적과 다결정 구조를 형성하여 고점도의 젤 전해질이 산화티탄 나노섬유 웹의 큰기공구조를 통해 손쉽게 TiO2나노로드 층으로 침투되어 광전 변환 효율을 높이는 기술이 개발. 연료전지의 경우마이크로 기공성 초극세 섬유상 분리막을 형성하여 기공도를 높여 사용되고 있고, 연료전지의 불투과성 수소 이온전달 연료전지막으로 사용되고 있다.나노섬유 제조기술?전계방사법-전계방사법은 노즐을 통해 밀리미터 직경의 분사물을 방출시켜 나노섬유로 된 부직포를 생산하는 공정이다. 전극의 한 극은 고분자 용액 내에, 다른 한 극은 집전판에 위치한 서로 반대 극성을 가지는 두 전극 상이에서 고분자 용액은 고분자 필라멘트로 생성된다. 고분자용액이 작은 구멍을 가진 금속 방적 돌기에서 한번 방사되면 용액은 증발되고 집전판에 섬유가 모아진다. 전위차는 방사용액의 특성, 고분자 분자량, 점도 등에 딸라 달라진다. 방적 돌기와 집전판 사이의 거리가 짧아지면 용매의 증발이 충분하지 않기 때문에 방사된 섬유는 집전판에 뿐만 아니라 섬유끼로도 서로 엉키게 된다.나노섬유가 만들어지는 월리는 수직으로 위치한 모세관 끝에 고분자 용액은 중력과 표면 작력사이에 평형을 이루며 반구형 방울을 형성하여 매달려 있게 되는데, 전기장이 부여될 때 공기층과 용액의 계면에 유도되고 전하 또는 쌍극자 반발로 표면장력과 반대되는 힘을 발생시킨다. 따라서 모세관 끝에 매달려 있는 용액의 반구형 표면은 원추형 모양으로 늘어나게 되고, 특정 임계장 세기에서 이 반발정전기력이 표면장력을 극복하게 되면서 하전된 고분자 용액의 jet가 Taylor cone에서 방출된다. 이 jet는 점도가 낮은 용액의 경우 표면장력 때문에 미세방으로 붕괴되지만 점도가 높은 용액의 경우 jet는 붕괴되지 않고 집전판을 향하여 공기 중을 날아가면서 용매가 증발하게 되고 집전판에는 하전된 역속상의 섬유가 쌓이게 된다. 전계방사에 의해 매우 가는 섬유가 제조되는 원인은 jet가 집전판을 향해 날아가는 과정에서 jet의 신장과 splaying 현상에 의해 가늘어지기 때문이다. 그러나 전계방사의 작용되는 가장 중요한 원인은 jet의 굽힘과 신장을 야기하는 whipping 불안정성이 급격히 증대되기 때문이다. 낮은 전기장 하에서는 하나의 jet가 형성되어 균일하게 가늘어지면서 모세관 끝에는 집전판으로 날아간다. 그러나 높은 전기장 하에서 jet는 짧은 거리만 비행한 후 곧 불안전하게 되어서 초기의 하나의 jet가 분열되어 수많은 jet가 형성된 것처럼 보이는 뒤집힌 cone 모양을 보여준다. 이뒤집힌 cone은 하나의 jet가 매우 빠른 whipping의 결과로 나타나고, 이러한 whipping의 진동수는 너무 빠르기 때문에 하나의 jet가 마치 수많은 필라멘트로 분열된 것처럼 보이는 것이다. 이러한 전계방서에서 주 공정변수는 용액의 농도, 점도, 표면장력 및 모세관 끝에서 집전판까지의 거리, 전기장세기, 방사시간 등이다. 이러한 공정 변수에 따라 형성된 섬유의 형태가 달라진다.ElectrospinningEffect of MW 따른 나노섬유의 형태Paramertrs(변수)발전 방향초극세 나노섬유의 용도는 생명과학, 조직공학, 필터미디어, 방호복, 센서 등 다양한 적용이 가능하고 그 중 의료용 재료 및 필터 미디어에 대한 용도전개가 최근 연구의 주요 관심의 대상이다. 특히 생명과학과 조직 공학용 나노섬유와 생체고분자 등 의료용 재료에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 2003년 발표된 나노섬유 관련 논문의 주요 테마는 80%이상이 주로 scaffold에 관한 생명의학에 집중되어 있다. 주로 생체적합성 및 생분해성 고분자인 PLA, PGA, PLGA, collagen, elastin 등의 전기방사 가능성과 이들 초극세 나노섬유 웹에 대한 세포배양 가능성 및 생분해 속도제어를 이용한DDS에의 적용 등에 관한 연구가 보고되고 있다. 이와같이 전계방사된 나노섬유가 생체의학용으로 응용가능한 이유는 세포외기질과 구조적으로 유사한 특성과 물리적으로 비슷한 특성을 보유하고 있기 때문이다. 실제 여러 연구보고에 따르면 나노섬유는 신체조직으로부터 웹의 다공성 표면 내부로 세포 부착과 성장을 촉진시키는 재로로 평가받고 있다. DDS의 약물전달 시간을 조절할 수 있다면 약물의 효과를 지속적으로 유지하고 치료기간을 길게하면서 치료효과를 높이고 아울러 약물이 한꺼번에 대량으로 방출되는 것을 막아 안정성을 높일 수 있다. 많은 연구가들에 의해 나노섬유는 후처리 및 첨가제를 통하여 생분해성 나노섬유의 분해 속도를 조절하고 약물전달 시간을 제어할 수 있다고 보고 되었다.

공학/기술| 2012.12.11| 7페이지| 1,000원| 조회(322)

나노섬유, 나노 섬유 제조기술, 나노 섬유 응용분야

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Solar Cell

Solar Cell태양은 매일 지구가 필요로 하는 에너지의 1만 배를 보내고 있으며 이는 지구상 모든 에너지의 원천이 되고 있다. 한편, 인간의 모든 활동에는 온실가스가 발생하고 있으며 특히 인위적인 CO2의 발생은 지구온난화의 주원인이 되고 있다. 온실가스 배출량을 감축하지 못하면 21세기말에는 지구 평균기온이 1.4~5.8℃ 증가할 것으로 예측되고 있다. 지구온난화는 가뭄과 홍수의 증가, 해수면의 상승, 농업과 생태계 파괴 등인류의 생존기반을 무너뜨릴 위험성이 있다.재생에너지는 화석에너지를 대체할 수 있고 수명주기 동안 온실가스 배출량을 증가시키지 않기 때문에 온실가스 감축대책의 주요한 요인이 되고 있다. 태양에너지는 모든 재생에너지의 원천이며 막대한 자원 잠재력과 자원의 보편성 때문에 가장 주목을 받고 있다. 태양에너지는 열원으로 이용될 수도 있지만 태양전지를 통해 직접 전기에너지로 전환하여 이용할 수도 있다. 태양광발전(PV: Photovoltaic)은 설계가 단순하고 설치가 쉬우며 친환경적인 기술이지만 비용이 많이 드는 것이 단점이다.●Solar Cell이란태양 에너지를 효율적으로 전기 에너지로 변환하도록 설계된 광기전력 효과를 이용한 광전변환 소자로 Si 이나 GaAs 등의 반도체의 pn접합이나 쇼트키 접촉에 반도체의 에너지갭 이상의 에너지를 가진 빛이 비춰지면 전자ㆍ정공쌍이 생성되는데. 이 전자와 정공이 접합부분의 전계에 의하여 분리되어 외부회로에 흘러 전류로 된다. 이와 같이 태양전지는 광 에너지를 직접 전기 에너지로 변환할 수 있는 소자이다. 단일체의 태양전지인 경우는 에너지갭이 1.4~1.5eV일 때에 이론적으로 효율이 최대가 되고, 약 20% 정도가 된다. 종래는 단결정 Si을 재료로 한 태양전지가 주였지만, 여러 가지 화합물 반도체를 사용한 것이라든가 비결정성 실리콘을 이용한 것도 실용화되어 있다. 실제의 변환효율은 Si, 비결정성 Si, GaAs를 재료로 한 것으로서, 각각 약 10~15%, 8~12%, 15~22% 정도이다.●Solar규 태양광발전용량은 16.7~19.5GW 정도로 추정된다. 2011년도는 16.6~24.5GW로 예상되고 있어 향후 시장 전망도 여전히 좋다. 또한 폴리실리콘의 가격하락과 기술발전으로 태양광발전 관련 제품의 생산비가 지속적으로 하락하고 있는 점도 향후 시장 전망을 밝게 하고 있다.○ 현재 태양전지 시장은 1세대의 단일접합 단결정(또는다결정) 실리콘태양전지가 80%를%, CdTe, CIGS, 비정질 실리콘 등의 2세대 박막 태양전지가 20%를 차지하고 있다. 1세대는 상용 최대 효율이 22%로 높고 가격 하락이 지속하고 있어 앞으로도 상당기간 사용될 전망이다. 2세대는 신소재 및 신공정 개발이 지연되고 있어 시장 전망이 불확실하다.○ 지속적인 성장이 예상되는 태양광발전 시장에 대하여 국내기업들이 더욱 적극적으로 참여할 필요가 있다. 중국이 빠르게 성장하고 있어 국내기업들의 입지가 좁아지고 있지만 국내기업들은 세계 최고 수준의 화학 및 전자기술을 보유하고 있어 단시간 내에 선두국가들을 추격할 수 있을 것이다.○ 실제로 국내의 OCI는 세계 2위의 폴리실리콘 생산능력(연산 2.65만톤)을 가지고 있고 현대중공업은 폴리실리콘부터 태양광발전 모듈까지를 생산하기 위한 수직 계열화를 진행 중에 있다. 또한 세계 최고 수준의 태양전지 기술(효율19.6%)을 보유한 신성홀딩스는 2011년에 태양전지 생산용량을 350MW로 증설할 예정이다. 삼성의 경우도 2013년까지 연산 1만 톤의 폴리실리콘 생산용량을 구축할 예정이다. 이외에도 LG, SK, 한화 등도 태양광 사업을 적극적으로 추진하고 있다.●Solar Cell 기술태양전지에서 나오는 전압과 전류가 일정하지 않고 태양광 발전을 통해 발생되는 전기는 DC(직류전원)이기 때문에 변환장치를 이용하여 가정에서 사용하는 AC(교류전원)로 변환시킨다. DC/DC 컨버터를 써서 DC 출력을 일정전압으로 유지하게 한 후 DC/AC 인버터를 사용하여 교류 전원으로 바꿔주는 것이다.①태양전지에 빛이 입사되면 흡수된 태양빛이 가지고 있는 에너 흐르게 된다.① No Light :다이오우드에걸린 전압은 zero. 전류가 흐르지 않음.② Voc 생성 : 빛에 의해 여분의 캐리어(carrier)들이 생성. 전하의 불균형이 외부단자에 걸쳐 전압(Voc) 생성.③ Isc 생성 : 단자들이 연결되면 빛의 세기에 비례하여 전류가 흐름.●Solar Cell 분류○결정 실리콘 태양전지- PV용 1세대 태양전지는 결정 실리콘의 태양전지이며 아직도 기술이 발전 중에 있다.실리콘(Si) 태양전지는 단결정, 다결정, 후면 전극 등이 있다.- 단결정 실리콘 태양전지① m-Si의 p-n 접합 태양전지가 가장 많이 사용되며 시장점유율이 80%나 된다. m-Si 잉m곳은 Czochralski법의 결정성장으로 만든다. 광전효과에 적합한 빛의 파장을 흡수하는 데 한계가 있기 때문에 Si태양전지는 효율에 한계가 있다. 또한 저에너지 파장의 빛은 열 소산이 발생하여 태양전지를 가열하게 되어 효율을 낮춘다. m-Si 태양전지의 최대효율은 표준시험 조건에서 23% 정도이다.② Si 잉곳을 직경 10~15cm, 두께 3mm의 웨이퍼(wafer)로 만든 후에 전천 일사조건에서전압 0.55V, 단위면적(cm2)당 전류 35mA의 태양전지로 만든다. 실제 태양광발전 조건에서 m-Si 태양전지 모듈의 최대효율은 20.4%까지 기록되고 있다.- 다결정 실리콘(p-Si) 태양전지: p-Si 제조로 결정 Si의 비용을 kg당 340달러에서 50 달 러로 크게 낮추었으며 단결정보다 금속오염의 결함이 감소하는 장점도 있으나 단결정보다 효 율이 15% 정도 감소된다.- Si 기반 EWT 태양전지: 수광면의 전면부 전극을 없앤 후면전극형의 태양전지는 재료가 아니라 설계를 통해 효율을 높이는 경우이다. 후면전극의 구현을 위한 공정이 어렵고 높은 비용이 문제이다. EWT 태양전지를 이용하면 효율이 15~20% 증가한다.○박막태양전지- 결정 실리콘 태양전지 모듈은 유리패널 사이에 반도체를 끼워 넣은 형태이지만 박막패널은 유리 또는 스테인리스 기판 위에 실리콘 등의 낮아지고 가시광선의 흡수율은 높아진다.② a-Si의 이중 또는 삼중접합 태양전지(가) a-Si 태S양전지의 효율은 단결정 또는 다결정 실리콘보다 낮으며 실험실에서 최대 12% 정도이다.(나) 단일접합 a-Si 태양전지는 Staebler-Wronski 효과(광 열화현상) 때문에 실제 일사 조건에서효율 이4~8% 수준으로 더 낮아지지만 이중 또는 삼중 접합을 하면 효율이 6~7%로 개선된다.③ a-Si와 p-Si를 접합하는 탠덤(tandem) 태양전지도 효율이 개선되는 박막 태양전지이다. 태양전지의 구조와 두께에 따라8~9%의 효율을 보이고 있다.- CdTe 또는 CdS/CdTe: CdTe는 이론적 밴드-갭이 1.45eV이고 빛흡수율이 높아 박막 태양전지의 소재로 좋다. 작은 크기의 CdTe 태양전지는15%의 효율이 나오며 PV용 모듈의경우도 9% 이상이다. 다른 박막 태양전지와 달리 대용량 태양광발전에 적합하다. 그러나 Cd의 독성과 환경영향이 문제점이다.-CIS와 CIGS① I, III 및 IV족 원소는 빛 흡수율이 높고 전기적 특성이 좋아 반도체로 이용된다. Se는 박막의 균질성을 높이고 CIGS는 Si 태양전지와 달리 여러 가지 소재들이 복합적인 다층구조를 하고 있으며 CIGS가 태양광 흡수물체 역할을 한다. 박막 증착방법으로는 스퍼터링(sputtering), 잉크프린트, Electroplating 등이 개발되어 있다.②CIGS의 최대 효율은 20%까지 나오며 대형 모듈의 경우도 약 13%나된다. 그러나 생산 공정이 복잡하고 재료비가 비싸며 유연성 기판에 사용하기 어려운 문제점이 있다. TV에서ITO(Indium Tin Oxide)를 많이 사용하고 있어 In의 공급량이 부족한 점도 문제이다. CIS나CIGS는 고열에서 열화가 발생하므로 추가적인 코팅이 필요하다.○화합물 반도체- 밴드-갭이 서로 다른 여러 종류의 반도체를 복합하여 접합하면 태양광의 대부분 스펙트럼을 흡수할 수 있다. NREL에 의하면 GaAs와 InGaP을 다중 접합하면 최대효율이 39% 태양전지 개발을 발표한 바 있다. 그러나 우주용 태양전지는 Si 태양전지에 비해 극히 비싸고 강한 태양복사선에 특화된 것이기 때문에 지상용으로 상용화되기 어려웠다.②우주에서는 출력을 높이기 위해 태양광을 집광하여 발전하는 집광형 태양광발전이 사용되는데 최근에는 지상에서도 미국과 스페인 등의 여러 국가들이 CPV를 건설하고 있다.- 염료감응형 태양전지 : 염료감응형 태양전지는 식물이 광합성 작용으로 태양에너지를 이용하는 원리와 같다. 식물은 엽록소가 빛을 흡수하지만 염료감응형 태양전지는 나노 크기의 염료분자가 이를 대신하며 주로 TiO2가 많이 사용된다. 최대효율은 11%까지 나온다. 제조공정이 단순하여 가격을 낮출 수 있고 안정성이 높다. 그러나 효율이 낮고 전해질에 휘발성 용매를 사용하기 때문에밀봉이 문제이다. 최근에는 액체전해질을 고체전해질로 바꾸는 등으로 기술이 개선되고 있다.- 유기박막형 태양전지 : 폴리머나 펜타센, 폴리페닐렌 비닐렌, 프탈로시아닌, 플러렌 등의 유기 반도체를 이용한다. 금속/유기 반도체/금속의 기본구조를 하며 높은 일함수의 전도성 투명전극을 양극으로, 낮은 일함수의 Al이나 Ca 등을 음극으로 사용한다 .광활성층의 두께는 100㎚ 정도이다. 폴리머의 경우에 최대 효율은 4~5%정도로 높지 않지만 값싸고 가벼우며 얇기 때문에 대면적 제작이 가능하고 유연하게 제작할 수 있는 장점이 있다.●Silicone Wafer의 제조공정일반적으로 wafer 제조에 쓰이는 방법은 Czochralski Method이다. 이 방법은 우선 전기로 안에 다결정 실리콘을 높은 온도에서 녹여 액체 상태로 만든 후 실리콘 성장의 핵이 될 단결정(Seed) 실리콘 막대를 액체속에 넣고 천천히 회전을 시키면서 위로 끌어 올리면서 천천히 성장하도록 만든다. 위의 공정을 거쳐서 만들어진 실리콘 단결정 덩어리(Ingot)을wafer 형태로 만들기 위해 일정한 두께로 잘라낸다. 이 공정을 Slicing이라고 한다. Slicing공정 중 발생된 wafer 표면의 Damage를다.

공학/기술| 2012.12.11| 8페이지| 1,000원| 조회(164)

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