• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 한국신재생에너지학회 2010년도 춘계학술대회 초록집
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• pp.98.1-98.1
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• 2010

본 실험에서는 $CuInSe_2$ 3원물질을 화학량론적 조성비가 되도록 박막을 제조하기 위해 각 단위원소를 원자비에 맞춰 전자선가열 진공증착기를 사용하여 Cu, In, Se 순으로 증착하였다. $90^{\circ}C$이하의 온도에서 $CuIn_2$, In상이 주를 이루며, $100^{\circ}C$이상에서는 $Cu_{11}In_9$상이 나타나기 시작하고 In상이 증가하였다. $10^{-3}torr$이상의 진공석영관에서 열처리와 동시에 Selenization을 통해 제작된 $CuInSe_2$박막은 열처리온도 $250^{\circ}C$에서는 CuxSe, CuSe등의 2차상들이 나타나다가 $450^{\circ}C$이상의 고온에서 $CuInSe_2$ 단일상을 형성하였다. 이로부터 진공중에서 반응을 시켰을 때, 더 낮은 온도에서 반응이 일어나고 열역학적으로 보다 안정한 소수의 화합물들이 쉽게 형성됨을 확인할 수 있었다. 특히 $250^{\circ}C$에서는 Sphalerite 구조를 가지다가 $350^{\circ}C$이상의 온도에서 Selenization하였을 때 Chalcopyrite 구조를 가졌다. 박막이 두꺼워지면서 결정립의 크기가 커지고 응력이 작아지는 특성을 보였다. 에너지 밴드갭은($E_g$)은 Cu/In 성분비율이 클수록 작은값을 보였으며, 결절립크기가 증대되므로 결국 흡수계수가 낮아짐을 알 수 있다. 또한 두께가 증가할수록 전반적으로 흡수계수가 증가하였고 Cu/In의 성분비율이 0.97일 때 기초흡수파장은 1,169nm이고 에너지밴드갭은 1.06eV이었으며, 두께 $1.5{\mu}m$이상일 때 전반적으로 양호한 상태의 p-type $CuInSe_2$박막을 제작하였다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 한국신재생에너지학회 2010년도 춘계학술대회 초록집
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• pp.209.2-209.2
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• 2010

최근 정부의 녹색성장 정책, 고유가시대 도래, 온실가스 감축 의무화, 폐기물 해양배출 강화 등으로 인해 폐기물의 자원화에 대한 관심이 고조되고 있다. 국내에서 발생되는 가연성폐기물을 기존의 감량처리 대신 가스화 공정을 적용하여 합성가스로 전환할 경우 환경친화적이고 고효율의 에너지 회수가 가능하게 된다. 폐기물 가스화를 통해 얻어진 합성가스는 난방, 가스엔진 및 연료전지를 이용한 전기생산과 DME, SNG등의 합성연료유 제조에 활용될 수 있으며, WGS 반응 및 PSA 방법에 의해 수소를 얻을 수 있다. 이와 더불어 최근에는 메탄올과 CO의 합성을 통해 얻어지는 초산제조 공정에서의 원료로서 폐기물 가스화를 통한 합성가스 내의 CO를 활용하는 방안이 연구되고 있다. 이는 기존 초산 제조공정에서 CO를 생산하기 위해 소모되는 고가의 석유계(납사, 중질유) 원료를 절감할 수 있어 경제적으로 장점을 가지고 있다. 이를 위해서는 폐기물 가스화에서 발생된 합성가스 내에 포함된 금속성분, 분진등의 오염물질의 농도가 후단공정에 영향을 주지 않아야 하며, 초산제조공정의 안정적인 운전을 위해 합성가스의 CO, $H_2$ 조성 변화폭이 ${\pm}5%$이하로 유지되어야 하는 기술적인 문제를 해결해야 한다. 따라서 본 연구에서는 폐기물 가스화 시스템의 운전특성을 통해 환경성, 기술성, 경제성을 분석 평가 할 수 있도록 구성된 분석 프레임워크를 이용하여, 초산제조공정에 적용하기위한 상용급 폐기물 가스화 시스템의 특성을 비교 분석하였다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 한국신재생에너지학회 2010년도 춘계학술대회 초록집
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• pp.215.2-215.2
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• 2010

지구온난화의 주범으로 알려진 $CO_2$의 대기 중 농도는 산업혁명 이전 280ppm에서 산업 혁명 이후 375ppm으로 증가하였다. 정부 간 기후변화패널(IPCC)의 기후변화 시나리오에 의하면, 지금부터 다양한 감축노력을 한다 할지라도 $CO_2$ 증가추세는 계속되어 2100년경에는 대기 중 $CO_2$농도가 600~950ppm에 이를 것으로 예측하고 있다. 현재까지 화력발전부분은 온실가스($CO_2$)의 최대 배출 원으로 알려져 있으며 이 분야의 $CO_2$ 회수기술은 연소 후 포집(Post-combustion), 순산소 연소(Oxy-fuel combustion), 연소 전 탈탄소화(Pre-combustion) 3가지로 크게 구분된다. 이중 석탄가스화복합발전(IGCC)기술과 연계하여 $CO_2$를 회수할 수 있는 방법이 연소 전 탈탄소화 기술이다. 핵심기술은 $CO_2$ 분리공정으로 적용 될 수 있는 기술로서는 흡착 흡수법, 막분리법 그리고 가스 하이드레이트가 있으나 아직까지 우리나라의 가스 하이드레이트 기술은 전무한 형편이다. 본 연구에서는 가스 하이드레이트 형성원리를 이용하여 정온 정압 조건에서 $CO_2/H_2$ 하이드레이트를 제조하였으며 특히, 하이드레이트 형성 촉진제인 TBAB(Tetra-n-butyl ammonium bromide)를 첨가하여 TBAB 농도에 따른 상평형 및 속도론 실험을 수행 하였다. 또한 라만 분석을 통하여 $CO_2$ 회수 분리에 대한 연구도 병행하였다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 한국신재생에너지학회 2010년도 춘계학술대회 초록집
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• pp.100.2-100.2
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• 2010

Superstrate형 실리콘 박막 태양전지에서 전면전극으로 사용되는 투명전도막의 표면형상은 태양전지내로 입사하는 태양광의 표면산란에 영향을 미치며 표면산란 증가를 통한 광 포획 및 단락전류밀도 향상을 통하여 태양전지 효율을 증대시키는 중요한 역할을 한다. 기존에 실리콘박막 태양전지용으로 많이 사용되는 상용 Asahi-U형 투명전도막은 수소 플라즈마에 대한 안정성이 낮고 입사광의 장파장 대역에서의 산란특성이 낮아 실리콘 박막 태양전지의 고효율화에 한계점이 있었다. 최근에 Asahi-U형 투명전도막을 대신하여 ZnO계 투명전도막을 전면전극으로 사용하려는 연구가 활발히 진행되고 있으며 Al을 토핑원소로 사용하는 ZnO:Al 투명전도막은 우수한 전기적, 광학적 특성과 수소플라즈마 안정성 및 저 비용 등의 우수한 장점을 갖고 있다. 스퍼터링 방식으로 제조된 ZnO:Al 투명전도막의 표면형상은 일반적으로 증착 후 습식식각을 통하여 조절되며 식각 전 박막의 미세구조에 영향을 받는 것으로 알려져 있다. 또한 습식 식각 이후의 표면거칠기에 따라 다양한 광학적, 전기적 특성을 나타낸다. 본 연구에서는 in-line RF-magnetron sputter 장비를 이용하여 다양한 공정조건하에서 ZnO:Al 투명전도막을 제조하고 증착된 박막의 미세구조 특성에 따른 습식식각 이후의 표면형상 변화 및 전기적 광학적 특성 변화를 조사하였다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 한국신재생에너지학회 2010년도 춘계학술대회 초록집
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• pp.217.2-217.2
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• 2010

자연 상태에서의 가스하이드레이트의 존재는 물의 빙점보다 높은 온도에서 가스 수송관이 막히는 사고가 관내에 생성된 하이드레이트에 의한 것으로 규명된 이후영구동토지역이나 심해저에 부존되어 있는 막대한 매장량으로 인해 매우 활발한 연구가 최근에 진행되고 있다. 가스하이드레이트는 수분의 량에 비해 대량의 가스를 함유하므로 인위적인 가스하이드레이트를 제조하기 위하여 여러 가지 연구 중 하이드레이트 반응을 촉진하는 촉진제(promoter)와 생성을 억제하는 억제제(inhibitor)를 찾는 연구가 활발히 이루어지고 있다. 계면활성제와 고분자물질이 이들의 다양한 첨가제로 현제 사용되고 있다. 이러한 연구에서 메탄가스하이드레이트 형성에 영향을 미치는 대상물질로 선택한 DME(Dimethane Ether)는 산소 함유율이 34.8wt%인 함산소연료로 최근 신에너지로 부상하고 있으며, 해외 가스전 개발과 맞물려서 상용화단계에 들어와 있다. DME의 물리화학적인 특성으로는 상온의 온도에서 약5기압의 압력으로 액화 시킬 수 있다. 마취성이 강한 디에틸에테르와는 달리 마취성이 없을 뿐만 아니라 인체에 무해한 무색기체로 세탄가가 60가까이되어 경유(세탄가 55) 대체연료로 내연기관의 실증사업이 진행되고 있다. 이러한 특성을 갖고 있는 DME가 메탄가스 하이드레이트 생성에는 어떤 영향을 미치는지를 본 연구에서는 실험을 통해서 분석을 수행하였다. 실험과정에는 세 단계로 구분하여 진행하였는데 첫 번째 단계에서는 메탄가스만으로 하이드레이트 생성조건을 실험분석하였고, 두 번째 단계에서는 DME가스를 먼저 주입한후 동일 온도에서 메탄가스를 주입시켜 하이드레이트 생성 압력을 실험측정하였다. 마지막 단계에서는 DME가스를 약 두 배 정도 많이 주입한 후 동일 온도에서 메탄가스를 주입하여 하이드레이트 생성 압력을 측정하였디. 이러한 단계별 과정을 다소 온화한 $-5^{\circ}C{\sim}4^{\circ}C$의 온도 범위에서 반복적으로 수행하였다. 실험결과에서는 메탄만의 하이드레이트 형성보다 빙점($0^{\circ}C$) 이하의 온도 범위에서는 DME가 메탄하이드레이트 형성에 촉진제 역할을 하였고, 빙점 이상의 온도에서는 억제제의 역할을 하는 것으로 측정되었다. 또한 첨가된 DME의 양에 따라 촉진제의 역할과 억제제의 역할에 확연한 차이를 보였다. 추후 실험에서는 좀더 넓은 농도, 온도 및 압력범위에서 재현성 실험을 추가로 수행할 것도 제안한다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 한국신재생에너지학회 2010년도 춘계학술대회 초록집
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• pp.73.1-73.1
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• 2010

태양광 시장은 세계적인 금융 위기 속에서도 점점 그 규모가 확대되고 있다. 시장의 규모가 확대되고 있음에도 불구하고 금융 위기를 겪으면서 생산자 중심의 시장에서 수요자 중심의 시장으로 바뀌게 되었다. 이에 따라 더 적은 비용으로 높은 출력의 제품만이 경쟁력을 가지게 됨으로써 효율이 더욱 이슈화되었다. 여러 태양전지 중 가장 점유율이 높은 결정질 태양전지는 일반적인 양산 공정만으로 효율을 높이는데 한계가 있으므로 selective emitter, back contact, light induced plating 등의 새로운 공정을 도입하여 효율을 높이려는 경향이 나타나고 있다. 본 연구에서는, ALD 장치를 사용하여 결정질 태양전지의 후면을 passivation 함으로써 효율을 높이는 방법을 모색하였다. 부동화 층으로는 $Al_2O_3$를 사용하였으며 셀을 제조하여 평가하였다. 실험방법은 p-type의 웨이퍼를 이용하여 습식으로 texturing 후 $POCl_3$ 용액으로 p-n junction을 형성하였고 anti-reflection 막인 SiNx는 PECVD를 사용하여 R.I 2.05, 80nm 두께로 증착하였다. 그런 다음 후면의 n+ layer를 제거하기 위하여 SiNx에 영향을 미치지 않는 용액을 사용하여 후면을 식각하였다. BSF 층은 screen printer로 Al paste를 printing하여 형성하였고 Al etching용액으로 여분의 Al제거한 후 ALD 장치를 이용하여 $Al_2O_3$를 증착하였다. 마지막으로 전극을 형성한 후 laser로 isolation하여 효율을 평가하였다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 한국신재생에너지학회 2010년도 춘계학술대회 초록집
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• pp.218.2-218.2
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• 2010

저분자량의 가스와 물이 물리적 결합으로 이루어진 가스 하이드레이트는 상대적으로 많은 양의 가스가 포집될 수 있다는 특성을 이용하여 다양한 분야에서 활발한 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 매립지에서 발생되는 매립가스를 하이드레이트의 원리를 이용하여 효율적으로 저장 및 수송하기위한 공정에 적용하기위해 필요한 매립지 가스 하이드레이트의 상평형에 대한 특성을 분석하고자한다. 일반적으로 매립지 가스에는 메탄이 약 50%, 이산화탄소가 약 35%, 질소가 약 6% 포함되어 있으며 그 밖에 산소, 수분, 암모니아 황화수소 메르캅탄 등 할로겐 계통을 포함한 탄화수소계화합물 수십여종이 포함되어 있다. 이러한 매립지가스를 하이드레이트화 하기위해서는 매립지가스에 포함된 다양한 성분들이 하이드레이트 형성에 미치는 영향을 알아볼 필요가 있다. 특히 황화수소의 경우 독성이 있으며, 실제 플랜트에서 장비의 부식등 악영향을 미치므로 이와 관련한 기초 연구가 필요하다. 따라서 본 연구에서는 메탄, 이산화탄소, 황화수소가 각각 49.9%, 50.05%, 500ppm의 조성으로 이루어진 혼합가스를 이용하여 하이드레이트 생성 및 해리 시 거동을 측정하고 그 상평형 영역을 기존데이터와 비교분석 하였다. 25bar, 36bar에서 측정한 상평형 데이터는 한국해양대학교 에서 측정한 결과와 마찬가지로 실제 상평형 영역이 CSMHYD 프로그램으로 예측한 것보다 하이드레이트의 안정영역이 약 2bar 정도 높게 형성되는 것을 확인하였으며, $CH_4+CO_2+H_2S$ 혼합가스 하이드레이트의 생성 시 mol consumption은 $CH_4+CO_2$ 혼합가스 하이드레이트와 유사하게 나타났다. 이 결과로 유추하건대, 황화수소의 첨가는 하이드레이트의 형성 압력을 높이지만, 하이드레이트 형성률에는 크게 영향을 미치지 않는다고 할 수 있다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 한국신재생에너지학회 2010년도 춘계학술대회 초록집
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• pp.106.1-106.1
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• 2010

석탄가스화기술은 매장량이 풍부하여 안정적인 공급이 보장되는 석탄을 이용함과 동시에 환경오염물질 감소라는 사회적 요구조건을 충족시키면서 화학제품, 석탄-가스화, 석탄-디젤화, 연료전지, 복합발전 등 다양한 분야에 응용이 가능한 장점이 있다. 특히 석탄가스화복합기술(Intergrated Coal Gasification Combined Cycle, IGCC)은 석탄을 고온, 고압하에서 가스화시켜 일산화탄소(CO), 수소($H_2$)가 주성분인 합성가스를 제조, 정제 후 가스터빈 및 증기터빈을 복합으로 구동하여 전기를 생산하는 친환경 차세대 발전기술로 주목을 받고 있다. 현재 IGCC 기술은 세계적으로 볼 때 상용화단계에 있고, 우리나라의 경우 한국형 IGCC 기술의 확보를 위한 연구사업이 진행중에 있다. 본 연구는 IGCC 발전플랜트의 발전효율을 결정하는 가장 중요한 부분이라 할 수 있는 가스화반응기의 모델링 기술을 개발하는 목적으로 진행되었다. 본 연구에서는 석탄가스화 반응기에서 발생하는 석탄의 휘발화와 Char의 표면반응 그리고 기상에서의 가스화반응등의 현상을 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics)을 이용하여 모델링하는 방법론이 연구되었다. 해석을 위한 형상은 해석에 소요되는 시간을 줄이고, 형상이 해석결과에 미치는 영향을 줄이고자 2차원으로 구성하였다. 해석을 위한 수학적모델으로는 난류모델, 가스화반응모델, Lagrangian particle tracking, Char reaction 등을 포함하였고, 해석을 위한 Solver는 Fluent를 이용하였다. 모델링결과에 의해 예측되는 합성가스의 조성을 상용급 IGCC 가스화기의 운전결과와 비교해 본 결과 본 연구에서 설정한 모델로 예측되는 온도 및 가스농도가 실험치와 유사하게 나타남을 알 수 있었고 이를 통하여 본 연구에서 설정한 모델링방법이 적절함을 알 수 있었다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 한국신재생에너지학회 2010년도 춘계학술대회 초록집
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• pp.105.2-105.2
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• 2010

석탄의 직접 연소 대신 고온/고압의 조건에서 불완전연소 및 가스화 반응을 통하여 일산화탄소(CO)와 수소($H_2$)가 주성분인 합성가스를 제조하여 이용하는 석탄 가스화 기술은 현실적인 에너지원의 확보를 위한 방법인 동시에 이산화탄소를 저감할 수 있는 기술이라 할 수 있다. 따라서, 본 연구에서는 non-slagging 방식의 pilot급 분류층 석탄가스화기를 대상으로 고압 미분탄공급장치, 합성가스 냉각장치, 고온 집진장치 등을 연계하여 상용급 석탄가스기와 유사한 $1,300^{\circ}C$, 20 kg/$cm^2$의 운전조건에서 미분탄의 안정적인 공급을 통한 양질의 합성가스 제조 및 제조된 합성가스의 분기 공급특성 시험을 진행하였다. 그리고, 고압 미분탄공급장치는 공급호퍼에 저장된 미분탄을 고온/고압 조건으로 운전되는 석탄가스화기에 공급하기 위한 설비로서, 이러한 고압 미분탄공급장치를 이용한 기류수송 방식의 미분탄 공급 기술은 가스화기 설계 및 운전제어 기술과 더불어 석탄가스화기 시스템의 안정적 연속운전을 위한 가장 핵심적인 기술 중 하나라고 할 수 있다. 따라서, 본 연구에서는 아역청탄인 인도네시아 ABK탄을 대상으로 향후 dense phase 고압 기류수송을 목적으로 하는 고압 미분탄공급장치의 성능특성을 시험을 진행하였는데, 시험 결과 73 kg/h 조건에서 20 kg/$cm^2$의 가스화기에 대한 안정적인 미분탄 공급특성을 확인할 수 있었으며, 이러한 미분탄 공급 조건에서 CO 40～45%, $H_2$ 16~20%, $CO_2$ 5~8% 조성의 양질의 합성가스를 평균적으로 $230{\sim}50Nm^3/h$ 안정적으로 제조할 수 있었다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 한국신재생에너지학회 2010년도 춘계학술대회 초록집
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• pp.107.1-107.1
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• 2010

고체 흡수제를 이용한 석탄합성가스 중의 황제거 기술은 습식 스크러빙 방식에 비해 고온에서 운전가능하므로 석탄가스화복합발전의 효율 향상을 가져올 수 있다. 고체탈황제는 서로 연결된 두 개의 유동층 반응기를 순환하면서 흡수탑에서는 합성가스 중의 $H_2S$로부터 황을 흡수하고 재생탑에서는 공기 중의 산소와 흡수된 황이 반응하여 $SO_2$를 배출하고 재생된다. 따라서 고체 황 흡수제는 유동층 공정에 응용가능한 물성과 함께 높은 황흡수능과 빠른 반응성이 요구된다. 본 연구에서는 기존 개발된 고체 탈황제가 가졌던 소성시 수축 현상, 낮은 내마모도 등을 개선하기 위해 지지체 조성을 변경하여 개발한 분무성형 탈황제의 흡수 재생 온도에 따른 황흡수 특성 변화를 조사하였다. $H_2S$ 1 vol. %를 함유한 모사 합성가스를 이용하여 흡수온도 450, $500^{\circ}C$, 재생온도 500, 550, 600, $650^{\circ}C$에서 황 흡수능을 열중량분석기를 이용하여 측정하였다. 개발된 흡수제는 유동층 공정 적용에 적합한 훌륭한 물성(형상, 밀도, 강도 등)과 함께 $500^{\circ}C$ 흡수와 $650^{\circ}C$ 재생을 기준으로 10 wt% 이상의 높은 황흡수능을 보여주었다. 흡수온도 변화는 황 흡수능 변화에 큰 영향을 미치지 않았으나, 재생온도가 $600^{\circ}C$ 이하인 경우 황흡수능이 5 wt% 이하로 크게 떨어져 재생온도를 $650^{\circ}C$ 이상 유지시키는 것이 중요함을 알 수 있었다.