Highly textured Ag, Al and Al:Si back reflectors for flexible n-i-p silicon thin-film solar cells were prepared on 100-μm-thick stainless steel substrates by DC magnetron sputtering and the influence of their surface textures on the light-scattering properties were investigated. The surface texture of the metal back reflectors was influenced by the increased grain size and by the bimodal distribution that arose due to the abnormal grain growth at elevated deposition temperatures. This can be explained by the structure zone model (SZM). With an increase in the deposition temperatures from room temperature to 500˚C, the surface roughness of the Al:Si films increased from 11 nm to 95 nm, whereas that of the pure Ag films increased from 6 nm to 47 nm at the same deposition temperature. Although Al:Si back reflectors with larger surface feature dimensions than pure Ag can be fabricated at lower deposition temperatures due to the lower melting point and the Si impurity drag effect, they show poor total and diffuse reflectance, resulting from the low reflectivity and reflection loss on the textured surface. For a further improvement of the light-trapping efficiency in solar cells, a new type of back reflector consisting of Ag/Al:Si bilayer is suggested. The surface morphology and reflectance of this reflector are closely dependent on the Al:Si bottom layer and the Ag top layer. The relationship between the surface topography and the light-scattering properties of the bilayer back reflectors is also reported in this paper.

수열탄화 (HTC, Hydrothermal Carbonization)는 수분함량이 높은 바이오매스를 바로 적용하여 닫힌계에서(closed system)에서 승온 시키면 150℃∼250℃범위에서 열수(hot water)에 의하여 고형물의 유기물 일부가 분해되기 시작하여, 탈카르복실화(decarboxylation)와 탈수(dehydration)반응이 유도되며 O/C, H/C 비율을 낮추고 탄소고정을 통해 바이오매스 고형연료의 에너지밀도를 높여 연료로서의 특성이 향상된다. 또한 수열탄화 반응시 높은 수분함량을 건조하여 수분을 증발시키지 않고 물로 분리함으로서 수분 제거시 소비되는 에너지를 일반 건조기술 대비 50%이상 절감함으로서 하수슬러지 고형연료화의 경제성을 향상 시킬 수 있다. 이렇게 분리된 액체생성물에는 유기물 분해에 의해서 용해성 유기물이 다량 농축되어 혐기소화의 전처리 기술로도 적용되고 있다. 본 연구에서는 I시 하수슬러지를 1년간 매달 sampling하여 계절별 하수슬러지 물리화학적 특성 변화와 수열탄화 적용 시 반응 및 연료 특성 변화를 확인하였다. 따라서 상용화 수열탄화 기술을 적용시 계절에 상관없이 안정적인 고형연료 확보 가능성을 확인하였다.

오늘날 인구밀도의 증가와 산업 활동의 증가로 하･폐수처리장이 급속하게 증가하였고, 이에 따라 하･폐수슬러지의 발생량이 많아지고 이를 감량 및 처리하기 위한 연구 및 개발도 증가하는 추세이다. 고함수(함수율 80%)의 특성을 가지고 있는 슬러지에 대한 처리 및 에너지화는 이전부터 많이 진행되고 있으나, 고형연료화에 있어서 높은 에너지 소비비용을 줄이기 위해 수열탄화의 공정에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 2012년부터 런던협약에 의해 유기성폐기물의 해양투기가 금지되면서 하수슬러지 뿐만 아니라 가축분뇨, 음식물류폐기물 등이 육상처리 및 에너지화의 방향으로 진행되어야 할 것이다. 이에 본 연구에서는 유기성폐기물 종류에 따른 수열탄화의 반응특성변화를 평가하고, 수열탄화 반응물의 탈수성, 고형연료 생산수율, 발열량, 탈리여액의 메탄포텐셜 등을 평가하여 종류별 최적의 수열탄화 반응온도를 평가해보았다. 또한, 유기성폐기물 종류별 수열탄화 적용에 따른 고형연료 생산성을 평가하여 유기성폐기물별 연료화 가치를 판단해 보았다.

Recently, production of sewage and wastewater sludge have increased sharply with the population density and related industrial activity. As a result, studies of sludge treatment and reduction have been conducted and a pre-treatment method that uses thermal hydrolysis has emerged as a solution to this problem. To address problems with the thermal hydrolysis pre-treatment process, the deaeration and nitrogen recovery processes have been set up together, thus generating factors that inhibit dewaterability. In this study, the effect of pre-treatment, deaerated sludge on dewaterability-inhibiting factors (pH, temperature, aeration rate) was evaluated and alternative solutions were prepared. First, the dewaterability improvement effect increased rapidly at 190°C or higher when thermal hydrolysis pre-treatment was applied. Then, 1 L of thermal hydrolysis pre-treatment reactants at 190°C were injected into 1, 5, and 10 L/min air flows at 50°C, but no significant difference in capillary suction time (CST) or time to filter (TTF) was found. The dewaterability improved when the temperatures of the pre-treatment reactants varied between 30, 50, and 70°C under aeration at 5 L/min. However, when the pH was increased to 7, 9, or 11 at 5 L/min and 50°C, the dewaterability worsened by at least 10 times relative to the hydrolysis pre-treatment reactants. The zeta potential decreased from -30 mV to -50 mV as the pH increased. Thus, the stabilities and dispersities of the reactants increased due to the repulsive force of the particles. This was confirmed to be the cause of poor dewaterability. A coagulant can be used to solve to this problem, or the deaeration process can be placed after solid-liquid separation and the heat of thermal hydrolysis can be extracted via heat exchanger.

This study was conducted to evaluate the effects of physical characteristics. Twelve specific odorous compounds and various sources of bacteria were tested via treatment of food waste using an ultra-thermophilic aerobic composting process. Food waste was mixed with seed material and operated for 47 days. During composting, the temperature was maintained at 80-90°C. The variations in O2, CO2 and NH3 production suggested typical microorganism-driven organic decomposition patterns. After composting, the concentrations of 12 specific odorous compounds other than ammonia did not exceed the allowable exhaust limits for odor. After composting, thermophiles represented 50% of all bacteria. After composting, the percentage of thermophile bacterial increased by 15%. Therefore, both stable composting operation and economic benefit can be expected when an ultra-thermophilic composting process is applied to food waste.

수열탄화(HTC, HydroThermal Carbonization)는 수분함량이 높은 바이오매스를 바로 적용하여 닫힌계에서 (closed system)에서 승온시키면 150℃~250℃범위에서 열수(hot water)에 의하여 고형물의 유기물 일부가 분해되기 시작하여, 탈카르복실화(decarboxylation)와 탈수(dehydration)반응이 유도되며 O/C, H/C 비율을 낮추고 탄소고정을 통해 바이오매스 고형연료의 에너지밀도를 높여 연료로서의 특성이 향상된다. 또한 수열탄화 반응시 높은 수분함량을 건조하여 수분을 증발시키지 않고 물로 분리함으로서 수분 제거시 소비되는 에너지를 일반건조기술 대비 50%이상 절감함으로서 하수슬러지 고형연료화의 경제성을 향상 시킬 수 있다. 이렇게 분리된 액체생성물에는 유기물 분해에 의해서 용해성 유기물이 다량 농축되어 혐기소화의 전처리 기술로도 적용되고 있다. 본 연구에서는 Lab scale과 1ton/day pilot plant를 이용하여 수열탄화를 하수슬러지에 적용하여 반응특성 및 연료 효율 향상을 확인하였다. 반응온도별 각 반응생성물의 특성 파악을 통해서 최적의 반응조건을 도출하였다. 또한 수열탄화 반응물에서 후단의 혐기소화 공정의 저해인자 제거를 위한 질소회수 공정으로 생기는 pH 변화에 따른 탈수특성 변화와 원인을 확인하였다.

지속적인 경제 성장으로 인한 생활 패턴 및 소비구조의 변화에 의해 폐기물 발생량은 급격히 증가하였으며, 발생 및 특성에 따른 적정처리에 대한 어려움을 겪고 있다. 특히, 유기성 폐기물은 2012년 해양 투기의 전면금지에 따라서 대체할 수 있는 처리 방안에 대해 지속적으로 방법을 강구하고 있는 실정이다. 음식물 폐기물의 경우 높은 유기물 함량과 높은 수분함량으로 직접적인 연료화보다는 퇴비화 및 사료화 등으로 처리하고 있으나, 악취 및 폐수 처리문제 등이 야기되고 있다. 본 연구에서는 수열탄화를 이용하여 Biochar를 생산하고, 생산한 Biochar 특성변화에 대한 연구를 진행하였다. 수열탄화의 온도변화에 따라서 음식물퓨 폐기물의 유기물의 특성 변화 및 연료 특성 변화에 대한 상관관계와 적용성에 대한 평가하였으며, 실험조건은 180-240℃에서 1시간동안 반응하였다. Biochar의 특성분석을 위행원소분석, 공업분석, 발열량 및 유기물 변화 등을 분석하였다. 수열탄화를 통해 발열량이 증가하였으며, 탈수성이 향상되는 결과를 얻었다. 음식물의 유기물의 용해에 의해 Product yield는 낮아지는 결과를 보였다. 화학적으로는 탄소함량의 증가를 통해 발열량이 증가하였다고 판단되며, 높은 온도에서는 분해율이 높아서 고형물 및 탄소 함량이 낮아지는 결과를 알수있었다. 수열탄화를 통해 얻어진 Biochar는 국내 Bio-SRF 기준에 적합한 결과를 보였으며, 수열처리는 음식물류 폐기물 처리의 한 방법으로 제시가능하다고 판단된다.

In this study, hydrothermal carbonization is used to recover energy from sludge. This hydrothermal carbonization is a feasible sustainable energy conversion technology to produce biofuel for renewable energy. The experiments were conducted at 170oC up to 220oC for a 30-min holding period to determine the optimum conditions for hydrothermal carbonization in a lab-scale reactor to apply to a scale-up reactor (1 ton/day). The biochars from sludge were assessed in terms of dewaterability characteristics and fuel properties. The results showed that the optimum temperature of labscale hydrothermal carbonization was 190oC. The 1 ton/day hydrothermal carbonization pilot plant operated at 190oC. The biochar had higher energy content but the char yield sharply decreased. Therefore, an energy of about 49% could effectively be converted from sludge biomass. This sludge from municipal wastewater treatment is a potential energy resource because sludge is composed of organic substances.

본 연구에서는 액상 탄산화 반응을 통하여 이산화탄소(CO2)를 안정하게 고정화가 가능한 알칼리 토금속인 칼슘(Ca)과 마그네슘(Mg) 성분을 다량 포함한 산업부산물인 순환골재에 아민계 흡수제를 이용한 액상 촉진탄산화 기술을 통한 개질화 반응에 대하여 고찰하였다. 순환골재는 굵은골재와 잔골재를 이용하여 무기양이온 용출을 위하여 다양한 용출제별 용출농도를 분석하였으며, 그에 따른 탄산화반응을 진행하였다. CO2는 발전소 포집농도인 15vol%를 이용하여 흡수용액인 MEA 5~30wt%에 따른 CO2 흡수량을 분석하였다. 상기의 과정을 통하여 순환골재 활용 CO2 저감량을 평가하였고 개질된 골재를 활용한 건자재 제작의 기초 데이터를 수립하고자 하였다.

최근 세계적으로 원유정제의 증가 및 탈황기술의 발달로 인하여 유황발생량에 대한 수급의 차이가 커지고 있으며, 향후 발생되는 폐유황의 다량활용에 대한 대책이 없을 경우 폐기물 처리 및 환경오염으로 인한 경제적 손실이 우려되며 폐유황의 다량 활용에 대한 대책이 시급한 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 이러한 폐유황 및 석탄바닥재를 이용한 산업용 건자재로의 활용을 위하여 다양한 개질제를 이용한 유황폴리머 결합재(SPC, sulfur polymer cement)의 제조 특성에 대한 연구를 수행하였으며, 제조된 결합재를 이용한 SPC 모르타르에 대한 성능 테스트를 수행하였다.

화력 및 석탄가스화복합발전(Integrated Gsification Combined Cycle, IGCC)에서 발생하는 바닥회를 주요 골재로 순수유황, 유황폴리머시멘트(Sulfur Polymer Cement, SPC), 포틀랜드 시멘트 등의 다양한 결합재를 이용하여 제작된 콘크리트의 제조 및 제품 특성에 대한 연구를 수행하였다. 제품의 다양한 특성 비교를 통하여 석탄 바닥재를 주요골재로 하는 콘크리트 제작의 최적 결합재를 도출하여 산업용 건자재 생산의 기초 조건을 확립하고자 하였다.

국내는 Carbon Capture & Storage(CCS) 기술은 일정 수준에 도달해 있으나, 대량 저장을 할 수 있는 지중 및 해양지역의 확보와 실용화가 곤란한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 액상 탄산화 반응을 통하여 이산화탄소(CO₂)를 안정하게 고정화가 가능한 알칼리 토금속인 칼슘(Ca)과 마그네슘(Mg) 성분을 다량 포함한 산업부산물인 석탄 바닥재 및 순환골재에 CO₂를 저장하기 위한 기초 연구를 수행하였으며, 이의 반응물인 개질된 석탄 바닥재 및 순환골재를 이용하여 건자재의 제조 가능성에 대한 연구를 수행하였다.

화석연료는 현재 가장 많이 이용되는 에너지 수단이다. 그러나 화석연료는 매장량이 한정되어 있고 사용하면서 배출되는 배출가스는 지구온난화와 여러 가지 환경문제를 일으키고 있다. 이러한 화석연료의 대체할 에너지로 자연 에너지로서 재생 가능하여 반영구적으로 사용이 가능한 재생가능에너지(Renewable energy)가 주목되어지고 있다. 바이오매스는 다른 재생가능에너지와는 다른 탄소계의 에너지 자원이고 전기에너지 이외에 고체, 액체, 기체연료나 화학연료 및 원료로 변환 할 수 있다는 장점이 있다. 또한 지역적으로 편재되어 있지 않고 carbon neutral 에너지로 지구온난화 문제에서도 자유로운 장점으로 인해서 현재 기술적, 경제적 관점에서 가장 현실적인 대체에너지라 할 수 있다. 그러나 이러한 바이오매스도 에너지밀도가 낮고 분산되어 있어 수집, 저장 및 운반비용이 크고 기후의 영향을 받으며, 다양성으로 인한 불균일성으로 인해서 사용 측면에서 어려움이 있다. 따라서 이러한 바이오매스의 단점을 극복하기 위한 방법으로 열수탄화 방법을 이용한 고형연료 생산기술이 주목을 받고 있다. 본 연구는 실험실 규모의 압력반응기로 바이오매스 중에서 폐목재를 이용하여 열수탄화 반응 특성을 반응조건별로 확인하였다. 생성된 고체생성물의 고형연료 특성과 액체생성물의 특성을 평가하였다. 반응온도와 반응 시간은 증가할수록 발열량은 증가하고 수득율은 감소한다. 또한 휘발분의 함량은 감소하고 고정탄소의 함량은 증가한다. 물과 폐목재의 혼합비율도 반응에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 액체생성물은 반응온도와 시간이 증가할수록 COD와 유기산의 농도는 증가하고 총질소와 총인의 농도에는 변화가 없었다. 열수탄화 전후의 수분 재흡수성을 비교하면 반응 후 고체생성물의 수분 재흡수성이 크게 향상되는 것을 확인할 수 있다. 또한 기존의 반탄화(torrefaction) 고체생성물보다 성형성이 좋은 것으로 확인되었다.

본 연구에서는 반도체 공정에서 배출되는 유해가스를 선택적으로 분리하여 처리하기 위한 최적화된 막 모듈처리시스템을 구성하고자 한다. 이에 유해가스 처리를 위한 막 모듈 처리시스템의 운전 최적화를 위해서는 막 모듈로 유입되는 유해가스의 유량과 압력이 동일해야 한다. 따라서 분배관에서 분리막 모듈이 연결되는 시점에 특별한 유량계 등에 장치들을 설치하지 않고 오직 배관의 관경과 배치만으로 분리막에 유입 유량을 동일하게할 수 있다면 분리막 모듈 처리 시스템의 배관 구성을 최적화함으로 비용 절감 등에 효과를 동시에 가질 수 있다. 이에 본 연구에서는 실제 현장 여건을 고려한 기준 배치와 변수별 연구를 통해 최적화된 상용급 분리막 모듈 시스템을 구성하고자 한다. 따라서 3차원 수치해석적 연구를 통하여 막 모듈 설비의 유입 배관 내에 가스의 유동 특성을 파악하여 배관 직경 및 배치를 최적화하여 현장 설계에 반영하고자 한다. 배관내 유동 해석을 위해 k-ε 난류 모델을 적용하였고, 배관 벽면부에 형성되는 층류저층을 해석하기 위하여 벽함수를 적용하였다. 이때 상용급 분리막 모듈 시스템에서 처리하는 가스 유량은 3,000ℓ/min이다. 기준 조건으로 제안된 상용급 분리막 모듈 시스템의 배관 구성 최적화를 위한 배관 내의 3차원 유동을 해석한 결과, 배관 내 가스 속도 벡타를 보면 관경이 큰 250A 주배관에서는 유속이 약 1.4m/sec에서 x축 방향으로 유체는 진행되면서 유속은 0.4m/sec 까지 점차적으로 감소하지만 분배관에서는 약 3m/sec 정도의 빠른 유속 특성을 보이고 있다. 이처럼 분배관에서 유속은 빠르게 형성되지만 분배관 30기에 전체적인 유속은 유사한 특성을 보이고 있다. 그리고 속도벡타에서 설명한 바와 같이 곡관에서 속도변화가 크게 형성되고 있지만 xy평면에서 주배관 유체 진행방향으로 속도분포를 보면 중심축을 기점으로 좌우 대칭을 이루고 있는 것을 확인할 수 있다. 이는 좌우 축대칭으로 설치된 분배관에 유속이 대칭 방향으로 유속은 고르게 형성될 수 있음 유추할 수 있다. 또한 주배관에서 유효동점도를 보면 강한 난류유동을 나타내는 주배관 상부부에서 높은 유효동점도를 나타내고 있고, 유속이 약해 층류적 흐름이 형성되는 주배관의 끝단부분에서 가장 높은 혼합길이 값을 보이고 있다.