신개념 폐열회수 시스템: Near-Field Thermophotovoltaic Energy Conversion System
열광전변환(Thermophotovoltaic; TPV)은 고온의 발열부에서 방출되는 복사에너지를 p-n junction으로 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.