열광전변환(Thermophotovoltaic; TPV)은 고온의 발열부에서 방출되는 복사에너지를 p-n 접합으로 구성된 광전지셀에서 흡수하여 전기에너지로 변환하는 장치이다. TPV 에너지 변환 장치는 폐열 및 태양열로부터 전력을 생산할 수 있는 유망한 재생에너지 발전 기술로 주목받고 있다. 이때 발열부에서 광전지셀로 전달되는 복사에너지의 크기는 플랑크 법칙으로 제한되기 때문에, 낮은 전력 밀도로 인해 전력 생산에 많은 공간이 요구된다. 이를 극복하기 위해 근접장에서의 추가적인 열전달 모드를 이용해 전력 밀도를 높일 수 있는 근접장 열광전변환 장치가 제시되었다. 물리적으로 발열부와 광전지셀 사이의 거리를 나노스케일로 만들면 소멸파(evanescent wave) 모드를 통한 근접장 복사에너지가 전달되어 복사열유속의 크기가 매우 크게 증가한다는 사실은 이미 실험으로 규명되었다. 이러한 근접장 복사열전달 현상을 이용하여 발전 밀도가 매우 향상된 장치를 근접장 열광전지 (Near-field Thermophotovoltaic; NF-TPV) 장치라고 한다. 본 연구실은 기존 열광전지보다 수십 배 높은 전력 밀도를 가질 수 있는 NF-TPV 장치에 주목하였다. 근접장 열전달 시뮬레이션 및 전하이동 모델링을 이용한 TPV 장치를 최적설계하고, 반도체 공정과 정밀 구동계를 이용해 성능을 검증함으로써 재생에너지 발전 수요를 효과적으로 충족할 수 있는 NF-TPV 장치를 개발하고 있다. 이 연구는 향후 열관리(thermal management)라는 'passive'한 개념을 wasted heat recovery 시스템과 접목하여 궁극적으로는 에너지 생산이라는 'active'한 개념으로 패러다임을 바꾸는데 초석이 될 것으로 기대한다.

Big Data와 AI 등으로 대변되는 4차 산업혁명의 도래와 5세대(5G) 이동통신 기술의 발전에 따라 반도체 소자의 고집적화/고성능화 추세는 더욱 가속화되고 있으며, 이에 따라 전통적인 열관리 기술을 이용한 반도체 소자의 발열문제 개선은 한계에 도달하였다. 소자 내 과열점(hotspot)의 온도를 획기적으로 낮추기 위해서는 과열점 바로 근처(수 마이크로미터 이내)에서 효과적으로 열을 면방향(in-plane)으로 분산(spreading)시키는 것이 중요하다. 따라서 복사열전달 연구실은 나노 스케일에서 일어나는 Surface polariton을 통한 단층/다층 금속박막 구조에서의 면방향 유효열전도도(effective thermal conductivity) 향상을 예측하고, 해당 구조의 면방향 유효열전도도를 정상상태 열반사법, 3-오메가법과 같은 다양한 계측 방법으로 규명하여 신개념 소자단위 열관리 기술을 개발하였다. 이 외에도, 본 연구실은 수소저장장치와 같은 통합시스템의 열솔루션도 지속적으로 제시하고 있으며, 이를 위해 수소저장합금의 열물성을 Guarded Hot Plate 기법으로 정밀 측정하고, 다양한 상황에서의 수소저장합금 내부 열전달을 예측하여 높은 수소 충방전 효율을 위한 열설계를 수행하였다.

복사냉각 기술은 표면의 방사율을 제어해 야외 및 주간 환경에서 자발적 복사냉각 현상을 일으키는 기술이다. 표면의 방사율과 흡수율이 물리적으로 동일하다는 점을 이용하여 선택적 방사율 스펙트럼을 설계한다면, 표면에서 발생하는 자발적 복사열 방출량을 극대화하고 태양열 및 대기 방사열 흡수량을 최소화하여, 냉각 성능을 극대화할 수 있다. 따라서 복사열전달 연구실에서는 선택적 방사율 스펙트럼을 설계하는 대표적인 방법인 광학 구조의 전자기 공진 효과를 이용하여, 물질 본연의 방사율에 더하여 마이크로/나노 구조와 전자기파의 상호작용을 통해 원하는 영역의 방사율은 증대시키고, 다른 영역의 방사율은 감소기키는 선택적 방사율을 구현하는 기술을 확보하였다. 개발된 복사냉각 기술은 일반적인 열 시스템의 냉방부하 절감 (에어컨, 빌딩 제습 등), 에너지 소자 발열 제어 (태양전지, 전자기기, 배터리 등), 산업 시스템의 효율적인 열관리 (스마트팜, 플랜트 등) 등을 위한 친환경, zero-energy 냉각 기술로써 활용될 수 있다. 우리 복사열전달 연구실은 이와 같은 복사냉각 기술 연구 개발을 통해 국가의 미래를 좌우할 탄소중립 에너지 기술 개발에 기여하고자 한다.