K-MOOC

강 좌 명

나노 스케일 에너지 전달

학습목표

본 강좌는 학부 고학년 및 대학원생을 대상으로, 나노스케일에서 매크로스케일에 이르는 열 및 에너지의 전달 과정을 이해하기 위한 언어를 익히고 기초 지식을 학습하는데 주안점을 둔다. 이를 위해, 에너지 전달의 기본 입자인 photons, electrons, phonons, 그리고 molecules을 동시에 다루어 서로 다른 에너지 전달자 간의 유사점과 차이점을 학습한다. 특히, 고체물질 내부에서 일어나는 전달현상에 초점을 두어, 학부 수준에서 익숙한 전기 전도 및 열 전도의 기본 법칙들이 미세스케일에서 어떻게 해석되고 유도될 수 있는지를 이해한다.

교재 및 참고자료

⦁PDF 자료 제공

⦁Chen,Gang. Nanoscale Energy Transport andConversion. Oxford University Press, 2005. ISBN:9780195159424

주차별 수업계획

주차

주차명

(주제)

주차별 학습 목표

차시

차시명

강좌운영방법

학습내용

수업방법

평가방법

학습자료

1

Classical

transport

laws in

micro-scal

강좌의 취지 및 전체적인 개요를 익히고, classical transport laws를 미세스케일 관점에서 이해할 수 있다.

1-1

Introduction

강의영상

(18분×1)

퀴즈

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1-2

Classical Laws

강의영상

(9분×1)

퀴즈

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1-3

Microscopic Pictures

강의영상

(14분×1)

퀴즈

PDF 제공

2

Basic

questions on

transport

phenomena

in

micro-scale

미세스케일에서의 전달현상을 다루기 위한 5가지 기본 질문 및 그에 대한 답을 제시하고, Fourier’s law를 유도할 수 있다.

2-1

미세스케일 전달현상이해를

위한 5가지 기본 질문(1)

강의영상

(10분×1)

퀴즈

PDF 제공

2-2

미세스케일 전달현상이해를

위한 5가지 기본 질문(2)

강의영상

(12분×1)

퀴즈

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2-3

Simple kinetic theory

강의영상

(9분×1)

퀴즈

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3

Material

wave &

Schrodinger

equation

양자역학에 의한 wave-particle duality를 이해하고, material wave의 수학적 모델인 Schrodinger 방정식을설명할 수 있다.

3-1

Basic wave characteristics

강의영상

(12분×1)

퀴즈

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3-2

Wave-particle duality

강의영상

(14분×1)

퀴즈

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3-3

Schrödinger equation

강의영상

(12분×1)

퀴즈

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3-4

General solution of

Schrödinger equation

강의영상

(12분×1)

퀴즈

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4

Example

solutions of

Schrodinger

equation

다양한 예를 통해time-independent Schrodinger 방정식의 풀이 및 energy quantization의 의미를 설명할 수 있다.

4-1

1D quantum well & 2D

quantum wire

강의영상

(14분×1)

퀴즈

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4-2

Harmonic oscillator & rigid

rotor

강의영상

(10분×1)

퀴즈

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4-3

Electronic energy levels &

spin

강의영상

(15분×1)

퀴즈

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5

Electron

energy levels

in solids

1D Kronig-Penney model을 통해 고체내 전자의 energy levels를 구해보고 도체, 반도체, 부도체의 차이를설명할 수 있다.

5-1

Kronig-Penney model

강의영상

(13분×1)

퀴즈

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5-2

Electron energy levels in

solids

강의영상

(14분×1)

퀴즈

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5-3

Conductor, insulator, and

semiconductor

강의영상

(19분×1)

퀴즈

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6

Crystal

structure &

reciprocal

lattice

Crystal structure 종류 및 결합의 종류를 이해하고 reciprocal lattice 개념을 설명할 수 있다.

6-1

Crystal structure

강의영상

(15분×1)

퀴즈

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6-2

Bonding potential

강의영상

(14분×1)

퀴즈

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6-3

Reciprocal lattice

강의영상

(18분×1)

퀴즈

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6-4

Bragg diffraction

강의영상

(15분×1)

퀴즈

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7

Phonons

Phonon의 개념을 학습하고 electron, phonon, photon의 density of states를 설명할 수 있다.

7-1

Dispersion relation for

Lattice vibration

강의영상

(16분×1)

퀴즈

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7-2

Phonons

강의영상

(13분×1)

퀴즈

과제

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7-3

Density of states

강의영상

(13분×1)

퀴즈

과제

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8

Quantum

statistic

Fermi-Dirac과 Bose-Einstein 통계를 학습하고 그 적용 예를 제시할 수 있다.

8-1

Fermi-Dirac &

Bose-Einstein distribution

강의영상

(16분×1)

퀴즈

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8-2

Applications of quantum

statistics – part 1:

blackbody radiation

강의영상

(12분×1)

퀴즈

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8-3

Applications of quantum

statistics – part 2:

phonon&electron specific

heat

강의영상

(12분×1)

퀴즈

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9

Fundamentals in

statistical

thermodynam

ics

Ensemble 개념과 종류를 학습하고 그의 적용을 통해 가스 분자의 비열표현을 유도할 수있다.

9-1

Statistical ensembles - part

1

강의영상

(14분×1)

퀴즈

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9-2

Statistical ensembles –

part 2

강의영상

(13분×1)

퀴즈

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9-3

Applications

강의영상

(14분×1)

퀴즈

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10

Plane waves

& reflectio

Electron wave와electromagnetic wave의 기본개념을 학습하고 계면에서의 거동을설명할 수 있다.

10-1

Introduction

강의영상

(12분×1)

퀴즈

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10-2

Electron waves

강의영상

(17분×1)

퀴즈

PDF 제공

10-3

Wave propagation in thin films

강의영상

(11분×1)

퀴즈

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11

Landauer

formalism

Multilayer 박막구조에서의 wave 거동을 설명할 수 있다.

11-1

Landauer formalism

강의영상

(14분×1)

퀴즈

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11-2

Group velocity

강의영상

(12분×1)

퀴즈

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12

Introduction

to Boltzmann

equati

Wave 관점에서의 에너지 전달을 표현하는 Landauer formalism을 학습하고 wave의 group velocity 개념을 설명할 수 있다.

12-1

Wave to particle transition

강의영상

(11분×1)

퀴즈

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12-2

Introduction to Boltzmann

equation

강의영상

(16분×1)

퀴즈

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13

Carrier

scattering

Particle 관점에서의 에너지 전달을 서술하기 위한 Boltzmann 방정식의 개념을 설명할 수 있다.

13-1

Carrier scattering – part 1

강의영상

(17분×1)

퀴즈

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13-2

Carrier scattering – part 2

강의영상

(15분×1)

퀴즈

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14

Derivation of

classical

constitutive

laws

에너지 전달자 간 scattering 의 물리적 의미를 이해하고 Boltzmann 방정식 내 scattering 항을 기술할 수 있다.

14-1

Derivation of Fourier’s law

강의영상

(16분×1)

퀴즈

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14-2

Derivation of Ohm’s law

강의영상

(14분×1)

퀴즈

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15

Thermoelectric effects

Boltzmann 방정식을 이용하여 Fourier’s & Ohm’s laws를 유도할 수 있다.

15-1

Thermoelectric effects

강의영상

(12분×1)

퀴즈

과제

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15-2

Onsager relations

강의영상

(14분×1)

퀴즈

과제

기말프로젝트

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