First-principles Studies on the Thermodynamic, Electronic, and Optical Properties of Various UHTC Materials-based Interfaces = 다양한 UHTC 물질 기반 계면의 열역학적, 전자적 및 광학적 특성에 대한 제일원리 계산 연구

국문 초록 (Abstract)

집광형 태양열 발전 시스템용 태양열 흡수체는 고온 환경에서도 안정적으로 작동하며, 태양 스펙트럼의 광범위한 영역에서 높은 광흡수 성능을 확보해야 한다. 특히 자외선-가시광선-근적외선 영역에서의 높은 흡수율과 중적외선 영역에서의 낮은 열 방출률은 선택 흡수 특성을 결정짓는다. 이를 위해 다양한 설계 전략들이 제안되어 왔는데, 그 중 점진적인 다층 구조는 굴절률이 점진적으로 증가하도록 설계하여 층간 계면에서 발생하는 상쇄간섭을 통해 흡수율을 높일 수 있어 차세대 고효율 태양열 흡수체의 설계로 주목받고 있다. 이와 같이 외재적 성능을 향상시키기 위한 구조 설계도 중요하지만, 흡수체의 성능을 설계 의도대로 구현하기 위해서는 소자를 구성하는 재료의 고유 성질을 정확하게 이해하고 이를 바탕으로 적절한 재료 조합을 도출하는 과정이 필요하다.
본 연구에서는 티타늄 이붕화물, 티타늄 질화물, 티타늄 탄화물을 포함한 다양한 계면 구조를 대상으로 제일원리 계산을 통해 초내열 세라믹 기반 다층 구조의 재료 조합을 제안하였다. 먼저 다양한 계
면 구조를 구축하고 구조적 안정성을 평가하였다. 이어 계면층과 벌크층 원자의 전자상태밀도를 비교하여 전자적 특성을 규명함으로써 계면에서 발생한 결합 특성과 구조적 안정성의 관계를 분석하였다. 더불어 본 연구에서는 다층 흡수체 설계에 필수적인 광학적 조건을 만족하는 재료 조합을 찾기 위해 각 재료 표면의 굴절률, 흡수계수, 반사율을 계산하였다. 분석 결과, 티타늄 이붕화물의 티타늄 말단
표면과 티타늄 질화물의 질소 말단 표면 조합, 그리고 티타늄 질화물의 질소 말단 표면과 티타늄 탄화물의 티타늄 말단 표면 조합이 구조적 안정성과 광학적 조건을 동시에 충족하는 것으로 확인되었
다.
본 연구는 재료의 고유 성질을 원자 규모에서 분석하고 고효율 태양열 흡수체를 위한 유망한 재료 조합을 제시하였다. 이 연구 결과는 향후 차세대 태양열 흡수체의 실험적 구현 및 설계 최적화를 위
한 중요한 이론적 기반을 제공할 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• Table of Contents 1
• List of Tables 2
• List of Figures 2
• 1. Introduction 9
• 1.1. Concentrating Solar Power: A Renewable Energy Technology 9
• 1.2. Ultra-high-temperature Ceramics for CSP Systems 13
• 1.3. First-principles Methods: Density Functional Theory 15
• 1.4. Calculation of Dielectric Function 22
• 1.5. Research Purpose 25
• 2. Methods 27
• 2.1. Computational Details 27
• 2.2. Optical Properties 32
• 3. Results and Discussions 34
• 3.1. Structural and Thermodynamic Properties of Surfaces 34
• 3.2. Structural and Thermodynamic Properties of Interfaces 46
• 3.3. Electronic Properties of Interfaces 58
• 3.4. Optical Properties of Surfaces 67
• 4. Conclusion 74
• References 77
• Supplementary Information (SI) 82
• 국문 초록(요약) 89