포논 평균자유행로 분포를 이용한 실리콘 포노닉 나노 구조에서의 포논 전달 예측 모델

Q: 이 논문에서 정의한 실리콘 포노닉 나노구조(이)란 무엇인가?

열전달 제어를 목적으로 나노구조를 최적화한 단결정 실리콘 구조를 의미한다. 이는 포논의 평균자유행로 스펙트럼 분포와 홀-포논 산란 메커니즘을 통해 열전도율을 조절할 수 있는 특수한 물리적 구조체로 정의된다.

Q: 실리콘 포노닉 나노구조의 열전도율을 예측하는 모델의 핵심 특징은 무엇인가?

연구 결과, 포논의 평균자유행로 억제 효과와 홀-포논 산란 정도를 나타내는 매개 변수를 도입하여 모델을 구축하였다. 이를 통해 기존 몬테카를로 수치 해석보다 높은 예측 정확도로 나노구조 내 포논 전달 특성을 분석할 수 있다.

진재식

doi:10.3795/KSME-B.2018.42.3.221

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자료유형: 학술저널

저자정보: 진재식 (조선이공대학교)

저널정보: 대한기계학회 대한기계학회 논문집 B권 대한기계학회논문집 B권 제42권 제3호(통권 제390호)

발행연도: 2018.3

수록면: 221 - 228 (8page)

DOI: 10.3795/KSME-B.2018.42.3.221

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본 연구는 포논(phonon) 평균자유행로(mean free path, MFP) 스펙트럼(spectrum) 분포 별 열전도 기여도를 이용하여, 실리콘(Si)-포노닉 결정체(phononic crystals, PnC) 내 포논 전달 해석 모델을 제시했다. Si-PnC 내 포논 MFP에 대한 현상학적 접근(phenomenological approach)을 이용하여, Si-PnC 내 복잡한 홀(hole)-포논 산란(scattering) 정도를 표현할 수 있는 간단한 인자를 도입하고, 기존 연구에서 제시한 다양한 실험 조건 및 결과를 활용하여 모델을 완성했다. 이렇게 개발된 모델을 기존의 다른 조건의 Si-PnC 열전도율 측정 결과들에 적용하여, 본 연구에서 제시된 모델의 타당함을 보였고, 모델 개발 과정에서 사용된 홀(hole)-홀 간격의 범위를 벗어나는 경우에 대한 맞춤 매개 변수(fitting parameter) 값을 추가로 구하여, 본 모델의 결과가 기존의 Monte Carlo 기법의 수치적 결과 보다 예측 정확도가 높음을 확인했다. 본 연구결과는 향후 열전모듈 효율 향상 및 반도체 시스템의 열 관리 및 열 제어 연구에 활용될 수 있다.

#Phonon(포논) #Silicon Phononic Nanostructure (실리콘 포노닉 나노구조) #Phonon Mean Free Path(포논 평균자유행로) #Thermal Conductivity(열전도율) #Porosity(다공도)

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