열전 출력 향상 및 해수담수화를 위한 광 흡수체-열 저장체 기반 하이브리드 광열 구조 연구

Abstract

본 연구에서는 태양열을 효율적으로 관리할 수 있는 하이브리드 광열 구조에 대한 전략을 제시한다. 하이브리드 광열 구조는 복사 또는 대류를 통해 흡수된 열이 손실되는 것을 방지하기 위해 광 흡수체와 열 저장체로 구성된다. <br>광 흡수체는 금속과 유전체로 구성된 Cr-MgF2 다층 구조 흡수체와 W-MgF2 중공 구조 흡수체를 사용하였다. 열 저장체는 고분자 소재인 PMMA(poly(methyl methacrylate))를 사용하였으며, PMMA의 낮은 열전도도를 보완하기 위해 그래핀을 첨가하여 복합체를 제조하여 광 흡수체에서 생성된 열을 저장 및 전달한다. 그래핀을 첨가한 PMMA 복합체는 열 전도도가 약 47 % 향상되어 저장된 열을 효과적으로 전달한다. <br> 다층 구조 광 흡수체–열 저장체의 하이브리드 광열 구조는 0.5 – 2.5 µm의 파장 범위에서 약 80 %의 높은 광 흡수를 나타냈고, 적외선 영역에서 열 손실을 나타내는 ‘대기의 창(Atmospheric window)’ 영역인 8 – 14 µm 범위에서 95 % 이상의 적외선 투과를 나타내 파장 선택성을 확보하였다. 열전 소자의 핫 존(Hot zone)에 하이브리드 광열 구조를 적용한 경우 광 흡수체만 있는 소자 대비 출력 전압이 274 % 증가한다. 또한 두 소자의 온도 차이는 최대 27 K에 달한다. <br>또한, 태양열 흡수와 광열 변환을 향상시키고 해수담수화 적용을 위해 중공 구조를 활용한 W-MgF2 흡수체를 제시한다. 금속 – 유전체 사이의 플라즈몬 공명 효과로 빛을 흡수하는 기전은 동일하나, 중공 구조의 유전체 내부에서 발생하는 빛의 다중 산란 효과를 통해 최초에 흡수되지 못한 빛이 다시 금속 – 유전체 계면에서 플라즈몬 공명을 통해 흡수된다. 공 구조를 가진 흡수체는 0.5 ~ 2.5 µm 파장 범위에서90 % 이상의 높은 광 흡수를 나타냈고, 8 – 14 µm 범위에서 95 % 이상의 적외선 투과를 나타내 파장 선택성을 확보했다. 또한 1 sun 조건 하에서 16시간 동안 최소 57.5 ℃의 광열변환 특성을 보였다. 해수 담수화 성능 평가를 위한 막 증기 투과 시험에서 W-MgF2 흡수체와 PMMA-그래핀 열 저장체의 하이브리드 광열 구조는 약 5 L/m2hr의 물 플럭스를 가지며, 이는 아무 코팅도 하지 않는 깨끗한 막의 80 %에 해당하는 값이다.