TiCN 내 텅스텐 카바이드의 전자 구조 및 광학 특성에 대한 순순한 계산

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 9407(2023) 이 기사 인용

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우리는 TiCN 기반 서멧의 주요 구성 요소인 텅스텐 카바이드 WC의 전자 구조와 광학적 특성을 이해하기 위한 기본 계산을 제시합니다. TiCN 기반 서멧은 절삭 공구로 널리 사용되며 사용 후 평소와 같이 폐기됩니다. 한편, 서멧 자체도 태양광 흡수막의 유명한 성분이기도 합니다. 우리는 WC가 상당히 낮은 에너지 플라즈마 여기 \(\sim\) 0.6eV(2\(\upmu\)m)를 가지며 따라서 태양 선택적 흡수체의 좋은 구성 요소가 될 수 있음을 발견했습니다. 광열 변환에 대해 평가된 성능 지수는 TiCN 기반 서멧에 포함된 다른 재료에 비해 눈에 띄게 높습니다. 유전체 함수의 허수부는 플라즈마 여기 에너지에 해당하는 유전체 함수의 실수부의 영점 부근에서 상당히 작습니다. 따라서 명확한 플라즈마 에지가 나타나 태양열 흡수체로서 WC의 고성능을 보장합니다. 이는 폐기된 TiCN 기반 서멧 절삭 공구를 적절한 처리 및 수정 후 태양광 흡수 필름으로 재활용할 수 있다는 점에서 매우 흥미로운 측면입니다.

최근 몇 년 동안 화석 연료를 재생 가능 에너지원으로 대체하는 연구가 집중적으로 연구되어 왔습니다. 태양 에너지는 그 풍부함으로 인해 전 세계 에너지 문제를 해결할 수 있는 유망한 대안으로 간주되어 왔습니다1. 태양에너지 수확의 실용화를 위해서는 지속가능하고 친환경적인 기술을 탐구하는 것이 중요하다고 여겨진다. 태양광 변환은 태양에너지로부터 직접 전력을 생산하는 가장 널리 보급된 기술이다. 한편, 태양광으로부터 열에너지를 얻기 위해 서멧 기반 태양열 흡수재도 상용화되었습니다2. 집광형 태양광발전소는 증기터빈을 이용해 전기를 생산하는 검증된 기술 중 하나이다. 열 에너지는 태양이 더 이상 빛나지 않을 때 전기를 생성하기 위해 저장될 수 있습니다. 열 에너지 저장은 다른 에너지 저장 시스템(예: 배터리)3보다 훨씬 저렴합니다. 그러나 태양열 시스템을 개선하기 위한 인공 태양 흡수체의 세 가지 한계가 확인되었습니다4. 첫째, 파장 이하 구조의 메타물질을 이용한 복잡한 설계를 통해 효율이 높은 태양광 흡수체를 제작한다. 둘째, 전통적인 준비 방법에는 다층 표면을 생성하기 위해 고가의 진공 기반 증착 장비와 고순도 타겟이 필요합니다. 셋째, 장기간 고온 작동 중에 스펙트럼 선택적 흡수율을 유지하기에는 열 안정성이 부족합니다.

서멧(Cermet)은 경도, 열안정성, 항산화 특성을 지닌 금속과 세라믹의 복합체입니다. 전형적인 태양열 흡수체는 그림 1a1,2에 나와 있습니다. 서멧 기반 태양광 흡수체는 상단에 반사 방지층이 있고 하단에 적외선 반사체가 있는 흡수체로서의 서멧 층으로 구성됩니다. 태양광 선택흡수체는 태양광 흡수체로서의 고성능을 달성하기 위해 중요한 역할을 한다. 고온에서는 흑체 방출력이 크게 증가하여 흡수체에서 큰 복사열 손실이 발생합니다. 이상적인 태양광 선택적 흡수체는 2.0\(\upmu\)m 컷오프 파장을 갖는 그림 1b의 녹색 선으로 설명된 것처럼 높은 태양 흡수율과 낮은 열 방사율을 가져야 합니다5. 서멧 기반 흡수체는 금속 입자가 포함된 산화물에 대해 잘 연구되었습니다. 복합재의 유전 기능은 금속 부피 분율을 증가시켜 Bruggeman 근사법으로 분석된 흡수 피크의 주파수를 감소시킴으로써 제어됩니다3.

(a) 반사 방지층, 서멧층 및 적외선 반사층으로 구성된 서멧 기반 태양열 흡수체의 개략도. (b) 태양열 흡수체로서 요구되는 광학 성능을 보기 위한 개략도. 빨간색 실선은 0.3~2.0\(\upmu\)m 범위의 햇빛의 스펙트럼 파워를 나타내고, 파란색 실선은 흑체 열 조사의 스펙트럼 파워를 나타냅니다. 따라서 2\(\upmu\)m은 높은 태양열 흡수율과 낮은 열방사율을 보장하는 차단 파장입니다. 이상적으로는 녹색 실선으로 표시된 흡수 스펙트럼 \(A(\lambda )\)을 갖는 물질이 태양열 흡수체로 바람직합니다.