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Theoretical investigation of effect of graphene on near-field thermal radiation = 그래핀이 근접장 복사열전달에 미치는 영향 분석
서명 / 저자 Theoretical investigation of effect of graphene on near-field thermal radiation = 그래핀이 근접장 복사열전달에 미치는 영향 분석 / Mi-Kyung Lim.
저자명 Lim, Mi-Kyung ; 임미경
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2014].
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초록정보

The present work describes a theoretical investigation of the near-field thermal radiation be-tween semi-infinite media covered with a monolayer of graphene. Doped Si, SiC-based metamaterial, and SiC are used as the substrate medium. It is found that the radiative heat flux can be either enhanced or suppressed by introducing graphene layer. Given that the permittivity of doped Si depends on doping concentration, the mechanism of the enhancement and the reduction of heat flux by insertion of graphene can be explored through varying the permittivity of doped Si substrate. Graphene can enhance the heat flux if it matches resonance frequencies of surface polaritons at vacuum-source and vacuum-receiver interfaces. Further, the heat flux significantly increases if original substrate does not support surface polaritons. Although graphene rarely affects the magnetic surface polaritons of SiC-based metamaterial, it enhances the heat flux through the interaction with the electric surface polaritons of the substrate. The results obtained in this dissertation provide an important guideline into enhancing and suppressing the near-field thermal radiation between semi-infinite media.

본 연구에서는 그래핀이 두개의 반무한한 물질 사이의 근접장 복사열전달에 미치는 영향을 이론적으로 분석하였다. 도핑된 실리콘, 실리콘카바이드를 이용한 메타물질, 그리고 실리콘 카바이드를 반무한 물질로 두고 연구를 수행하였다. 도핑된 실리콘은 온도와 그 도핑 농도에 따라 유전율이 변하기 때문에, 도핑 농도를 변화시키며 기판의 유전율을 변화시켜, 그래핀이 어떻게 근접장 복사열전달에 영향을 미치는지를 분석하였다. 이와 더불어 메타물질에는 자성 표면 폴라리톤이 존재하는 것을 이용하여 그래핀이 메타물질 사이의 근접장 복사열전달에 미치는 영향을 분석함으로써, 그래핀이 자성 표면 폴라리톤을 변화시키는 양상을 분석하였다. 기판의 유전율과 투자율을 변화시키며 계산한 결과, 그래핀이 근접장 복사열전달량을 증가시키거나 감소시키는 메커니즘을 규명할 수 있었다. 먼저, 그래핀이 양쪽 기판의 전기적 표면 폴라리톤의 공명 조건을 맞춰주는 경우 복사열전달량이 증가하였다. 그래핀은 표면 폴라리톤의 공명 주파수를 높여 주는 역할을 수행하기 때문에, 표면 폴라리톤 공명 주파수가 낮은 쪽에 그래핀이 코팅되었을 경우 복사열전달량이 증가하였다. 다음으로, 원래 기판들에 표면 폴라리톤이 존재하지 않았을 경우, 가장 큰 복사열전달량의 증가를 얻을 수 있었다. 또한, 표면 폴라리톤이 일어나는 조건과, 터널링이 가장 크게 일어나는 조건이 맞지 않았을 경우, 그래핀이 이를 맞추어 주어 복사열전달량이 증가하였다. 마지막으로, 가장 일반적인 증가 메커니즘으로 그래핀은 복사열전달이 보다 더 넓은 주파수 범위에서 일어나게 만들어 주기 때문에 이를 통해 총 복사열전달량이 증가하게 된다. 하지만 이 주파수 범위가 너무 넓어졌을 경우, 오히려 복사열전달량이 감소하기도 하는데, 이는 높은 주파수에서는 플랑크 진동자의 평균 에너지값이 낮기 때문이다. 또한, 그래핀이 없이도 표면 폴라리톤과 터널링이 크게 일어나는 조건이 잘 맞고, 그래핀의 표면 폴라리톤이 기판의 표면 폴라리톤보다 더 약하게 되면 그래핀이 복사열전달을 방해하게 된다. 마지막으로 메타물질을 이용한 분석 결과, 그래핀은 메타물질의 자성 표면 폴라리톤에는 영향을 주지 못하지만, 전기적 표면 폴라리톤에 영향을 주며 근접장에서 복사열전달량을 증가시키는 역할을 수행할 수 있다는 것을 확인하였다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {MME 14036
형태사항 67 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 임미경
지도교수의 영문표기 : Seung-Seob Lee
지도교수의 한글표기 : 이승섭
공동지도교수의 영문표기 : Bong-Jae Lee
공동지도교수의 한글표기 : 이봉재
수록잡지명 : "Fabrication of the Microchannel by Metal-Organic Framework, Copper Benzenetricarboxylate". Journal of Nanoscience and Nanotechnology, v.13, pp. 2714-2721(2013)
수록잡지명 : "Near-field thermal radiation between graphene-covered doped silicon plates". Optics Express, v.21, pp. 22173-22185(2013)
학위논문 학위논문(석사) - 한국과학기술원 : 기계공학전공,
서지주기 References : p. 58-62
주제 Near-field thermal radiation
Graphene
Surface polaritons
근접장 복사열전달
그래핀
표면 폴라리톤
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