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연구내용
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인체 친화적인 저온 열전 하베스팅 소재 및 모듈 개발의 핵심은 창의적인 접근 방법으로 소재의 물성을 제어함으로써 열전 효율을 향상시키며 이를 신뢰성 있고 안정적으로 모듈화 하는 기술을 개발하는 것이다.
본 과제의 저온 열전 하베스팅 모듈 연구는 종래의 Bi-Te 계열 소재를 중심으로 하는 연구와는 획기적으로 다르게, 실리콘/실리사이드 이종접합 및 다층 박막 구조화 기법을 사용하여 열전도도, power factor 등을 향상시킴으로써 비교적 안정적인 열전 소자 모듈화 기술을 개발하고, 이 연구를 통하여 얻어진 연구 성과를 확장하여 직접 저온 열전 모듈 개발에 적용할 수 있는 기존에 알려지지 않은 혁신적이며 동시에 실용화가 가능한 요소기술을 개발하는 매우 창의적이고 도전적인 연구를 수행하는 것을 목표로 한다.
실리콘 소재 물질의 나노 구조화 및 다층 박막 구조화를 통해 효율적 소재 설계 및 유사 초격자(Pseudo-superlattice) 구조 설계를 함으로써 ZT 지수를 개선하고 안정된 모듈로 구현할 것이다. 기존 실리콘 나노선 구조 등을 이용한 소재의 열전 성능 지수의 향상은 매우 우수한 것으로 보고되고 있지만 이를 모듈화하여 소자로 구현하는 경우 열전 효율이 급격히 떨어짐으로써 공정상 모듈화가 어려운 문제가 있다. 따라서 본 연구의 다층 박막 구조화 방법은 기존의 CMOS 공정을 활용하여 소자 모듈화가 보다 용이하고 안정적으로 이루어 질 수 있는 접근 방법이다. 이를 위해, COMSOL Multiphysics 툴을 이용한 열전 시뮬레이션을 통해 보다 신뢰성 있는 결과를 이끌어 내고, 소자 구현 시 발생되는 시행착오를 줄이고자 한다. 이 시뮬레이션을 통해 다양한 환경과 여러가지 소자 형태, 접합 형태에서의 열전 효과를 예측할 수 있다. 그 밖에도 소재의 열전도도 측정 장비를 기술협력을 통해 자체적으로 구성하여 신뢰성 있는 측정 방법을 확보할 것이다. 열전 모듈을 센서 보조 전원으로 활용함으로써 에너지 하베스팅까지 고려한 효과적인 통신 알고리듬을 확보할 것이다. 기존의 센서 네트워크에 관한 연구는 라우팅에 관한 연구이거나 전파 송수신에 관한 연구, sleep/awake를 이용한 미디엄 센싱 주기 조절 연구였다. 이는 센서가 한정된 베터리의 에너지를 가지고 있다는 전제하에 이루어지는 연구로써, 센서가 자체적으로 에너지를 발전하는 경우가 아니었다. 에너지 하베스팅 소자를 접목한 센서들의 네트워크라면, 기존까지 진행된 연구에서 더 나아간 결과를 얻어낼 수 있다. 주변 환경과 상황에 따른 에너지 하베스팅 소자의 작동에 따라 융통성 있는 에너지 관리가 가능하며, 추가 전원으로 인한 향상된 통신 성능을 기대할 수 있다. 따라서 상용 센서 모듈에 열전 에너지 하베스팅 소자를 결합하여 센서 네트워크를 구축할 것이며, 네트워크 계층의 라우팅 프로토콜이나 Medium Access Control 계층의 미디엄 센싱 프로토콜을 수정하여 향상된 센서 네트워크 알고리듬을 적용한 새로운 웨어러블 디바이스 네트워크 기술을 확보하고 그 외에도 자연 열이 발생되는 곳에 적용 가능한 네트워크 기술을 연구할 것이다.
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