KR101082353B1 - 열전소자 평가 장치 및 이를 이용한 열전 소자 평가 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 열전소자 평가 장치 및 이을 이용한 열전 소자 평가 시스템에 관한 것으로, 더 상세하게는 보호열판법을 이용하여 열전소자의 열전도도를 측정하는 평가 장치 및 이를 이용한 열전 소자 평가 시스템에 대한 것이다.
이 열전 소자 평가 장치는 코팅된 열선이 배열된 냉각 플레이트; 상기 냉각 플레이트와 맞닿아 열전 소자인 샘플을 사이에 위치시키며 상기 코팅된 열선이 배열된 가열 히터; 상기 가열 히터를 소정 간격을 두고 둘러서 감싸 상기 가열 히터의 열 방출을 막는 가드 히터; 및 상기 가열 히터와 가드 히터를 소정 간격을 두고 덮는 커버 히터를 포함한다.
본 발명에 의하면, 가는 열선이 배열된 금속판을 열전 소자 사이에 배치함으로써 열전 소자의 열전도도를 효율적으로 측정할 수 있어 열전 소자의 성능 지수를 산출하는 것이 가능하다.
이 열전 소자 평가 장치는 코팅된 열선이 배열된 냉각 플레이트; 상기 냉각 플레이트와 맞닿아 열전 소자인 샘플을 사이에 위치시키며 상기 코팅된 열선이 배열된 가열 히터; 상기 가열 히터를 소정 간격을 두고 둘러서 감싸 상기 가열 히터의 열 방출을 막는 가드 히터; 및 상기 가열 히터와 가드 히터를 소정 간격을 두고 덮는 커버 히터를 포함한다.
본 발명에 의하면, 가는 열선이 배열된 금속판을 열전 소자 사이에 배치함으로써 열전 소자의 열전도도를 효율적으로 측정할 수 있어 열전 소자의 성능 지수를 산출하는 것이 가능하다.
Description
본 발명은 열전소자 평가 장치 및 이를 이용한 열전 소자 평가 시스템에 관한 것으로, 더 상세하게는 보호 열판법을 이용하여 열전소자의 열전도도를 측정하는 평가 장치 및 이를 이용한 열전 소자 평가 시스템에 대한 것이다.
열전소자는 보통 열전모듈, 펠티어소자, ThermoElectric Cooler(TEC), ThermoElectric Module(TEM) 등으로 다양한 이름으로 불린다. 열전소자는 작은 열 펌프(Heat Pump)라고 할 수 있다. 즉, 저온의 열원으로부터 열을 흡수하여 고온의 열원에 열을 주는 장치이다.
원리를 보면, 열전소자 양단에 직류 전압을 인가하면 열이 흡열부에서 발열부로 이동하게 된다. 따라서 시간이 지남에 따라 흡열부는 온도가 떨어지고 발열부는 온도가 상승하게 된다. 이때 인가전압의 극성을 바꿔주면 흡열부와 발열부는 서로 바뀌게 되고 열의 흐름도 반대가 된다.
그런데, 이러한 열전 소자의 성능 지수(ZT)는 열전 소자의 열전도도, 전기 전도도, 제벡전압에 의해 결정된다. 이중 전기 전도도와 제벡 전압은 통상적인 방법으로 쉽게 측정이 가능하나 열전도도는 그러하지 못하다.
따라서, 열전 소자의 성능 지수를 계산하기 위해서는 열전소자의 열전도도를 측정할 필요가 있다.
본 발명은 위에 제기된 종래 기술의 문제점을 해소하고자 제안된 것으로서, 열전 소자의 성능 지수(ZT)를 계산하기 위해 열전 소자의 열전도도를 측정하는 열전소자 평가 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 열전 소자 평가 장치를 이용하여 열전 소자에 대한 평가를 수행하는 열전 소자 평가 시스템을 제공하는데 다른 목적이 있다.
본 발명은 위에서 제기된 과제를 달성하기 위해, 열전 소자 평가 장치를 제공한다. 이 열전 소자 평가 장치는 코팅된 열선이 배열된 냉각 플레이트; 상기 냉각 플레이트와 맞닿아 열전 소자인 샘플을 사이에 위치시키며 상기 코팅된 열선이 배열된 가열 히터; 상기 가열 히터를 소정 간격을 두고 둘러서 감싸 상기 가열 히터의 열 방출을 막는 가드 히터; 및 상기 가열 히터와 가드 히터를 소정 간격을 두고 덮는 커버 히터를 포함한다.
이때, 상기 열선은 직경이 1mm 내지 2mm의 크기이며, 테프론으로 코팅될 수 있다.
또한, 상기 냉각 플레이트, 가열 히터, 가드 히터 및 커버 히터의 일측에는 온도 센서 홀이 형성된다.
또한, 상기 냉각 플레이트, 가열 히터, 가드 히터 및 커버 히터는, 각각, 상기 코팅된 열선이 안착된 홈을 실버 나노 입자를 포함하는 실버 플레이트로 채워넣는 제 1 코팅층, 제 2 코팅층, 제 3 코팅층 및 제 4 코팅층을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 냉각 플레이트, 가열 히터, 가드 히터 및 커버 히터는, 각각, 제 1 코팅층, 제 2 코팅층, 제 3 코팅층 및 제 4 코팅층을 덮는 금속성 재질의 제 1 커버판, 제 2 커버판, 제 3 커버판 및 제 4 커버판을 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 열전 소자 평가 장치는 상기 냉각 플레이트를 일정 온도로 냉각시키는 냉각조를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 냉각조와 상기 냉각 플레이트 사이에는 완충역할을 위한 버퍼층이 놓일 수 있다.
여기서, 상기 버퍼층은 단열재 계열의 얇은 판일 수 있다.
또한, 상기 가드 히터 및 커버 히터는, 각각, 체결을 위한 제 1 체결부, 제 2 체결부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 냉각 플레이트(230), 가열 히터(240), 가드 히터(250) 및 커버 히터(160)는 단조 알루미늄으로 제작될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예로서, 열전 소자 평가 시스템이 제공된다. 이 열전 소자 평가 시스템은, 위에 기술된, 열전 소자 평가 장치; 상기 열전 소자 평가 장치에 전압 전원을 공급하는 온도 조절기; 상기 온도 센서 홀에 장착되어 열전 소자 평가 장치를 센싱하는 온도 센서; 및 상기 온도 센서에 의해 상기 열전 소자의 열전도도를 산출하고 상기 열전도도를 이용하여 상기 열전 소자의 성능지수를 산출하는 산출부를 포함한다.
이때, 상기 온도 조절기는 상기 냉각 플레이트, 가드 히터 및 커버 히터의 열선에는 AC 전압 전원을, 상기 가열 히터의 열선에는 DC 전압 전원을 공급하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 열전도도는 다음식, 
(여기서, k는 열전도도이고, Q는 가열 히터에 의해 열전소자에 공급되어지는 열에너지, d는 측정되어지는 열전소자의 두께, ΔT는 고온부와 저온부의 온도편차, 즉 ΔT=(TH-TL), A는 가열 히터에 의해 열전소자에 열에너지가 공급되는 면적)을 이용하여 계산된다.
이때, 상기 성능 지수는 다음식, 
(여기서, ZT는 성능 지수이고, α는 제벡 계수(Seebeck coefficient)로서 
이고, σ는 전기 전도도이며, T는 고온부와 저온부의 평균 온도, 즉 T= (TH+TL)/2 임)을 이용하여 계산된다.
본 발명에 따르면, 가는 열선이 배열된 금속판을 열전 소자 사이에 배치함으로써 열전 소자의 열전도도를 효율적으로 측정할 수 있어 열전 소자의 성능 지수를 산출하는 것이 가능하다.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는 열전 소자의 성능 지수를 산출할 수 있어 각 물질의 열전 소자의 특성을 파악할 수 있다는 점을 들 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 열전 소자 평가 장치에 대한 구성을 보여주는 도면이다.
도 2는 도 1의 열전 소자 평가 장치를 X-X축으로 절개한 단면 조립도이다.
도 3은 도 2의 열전 소자 평가 장치 중 가열 히터와 가드 히터로 이루어진 고온판에 대한 평면도이다.
도 4는 도 2의 열전 소자 평가 장치 중 가드 히터의 구조를 보여주는 도면이다.
도 5는 도 2의 열전 소자 평가 장치 중 가열 히터의 구조를 보여주는 도면이다.
도 6은 도 2의 열전 소자 평가 장치 중 커버 히터의 구조를 보여주는 도면이다.
도 7은 도 2의 열전 소자 평가 장치 중 냉각 플레이트의 구조를 보여주는 도면이다.
도 2는 도 1의 열전 소자 평가 장치를 X-X축으로 절개한 단면 조립도이다.
도 3은 도 2의 열전 소자 평가 장치 중 가열 히터와 가드 히터로 이루어진 고온판에 대한 평면도이다.
도 4는 도 2의 열전 소자 평가 장치 중 가드 히터의 구조를 보여주는 도면이다.
도 5는 도 2의 열전 소자 평가 장치 중 가열 히터의 구조를 보여주는 도면이다.
도 6은 도 2의 열전 소자 평가 장치 중 커버 히터의 구조를 보여주는 도면이다.
도 7은 도 2의 열전 소자 평가 장치 중 냉각 플레이트의 구조를 보여주는 도면이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 열전 소자 평가 장치에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 열전 소자 평가 장치에 대한 구성을 보여주는 도면이다. 도 1을 참조하면, 열전 소자 평가 장치(100), 이 열전 소자 평가 장치(100)에 열원을 공급하는 온도 조절기(110), 이 열원을 공급받음에 따라 열전 소자 평가 장치(100)에 놓여 있는 열전 소자의 온도를 센싱하는 복수의 온도 센서(130, 131), 이 온도 센서에 의해 센싱된 열전 소자의 온도를 이용하여 열전 소자의 열전도도를 계산하고 이 열전도도에 따라 성능 지수(ZT)를 산출하는 산출부(120)가 도시된다.
물론, 이를 위해 산출부(120)는 마이크로프로세서(미도시), 저장 장치(미도시), 프로그램, 소트웨어, 디스플레이(미도시) 등이 구비되어 있다. 따라서, 산출부(120)는 센서(130, 131)의 센싱 데이터를 실시간으로 저장하고, 이 데이터를 바탕으로 열전도도를 계산함으로써 열전 소자의 성능 지수(ZT)를 산출하는 역할을 한다.
또한, 산출부(120)는 산출된 성능 지수를 디스플레이상에 디스플레이하는 것도 가능하다.
온도 조절기(110)는 열전 소자 평가 장치(100)에 AC, 또는 DC 전압 전원을 공급하는 역할을 한다.
도 2는 도 1의 열전 소자 평가 장치를 X-X축으로 절개한 단면 조립도이다. 도 2를 참조하면, 여러 개의 층이 쌓여 있는 구조를 보여주며, 밑층에 냉각조(210)와 이 냉각조(210)에 냉각수를 공급하는 급수 라인(212), 옆측에는 체결봉(280)이 구성된다. 이를 더 상세하게 보여주는 도면이 우측에 도시된 점선으로 도시된 확대도이다. 이 확대도를 참조하면, 열전 소자 평가 장치(100)는 크게 냉각조(210), 냉각 플레이트(230), 가열 히터(240), 가드 히터(250), 커버 히터(260) 등이 층을 이룬 구조이다. 이들 열전 소자 평가 장치(100)의 구조를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
냉각조(210)는 냉각수(211)를 저장하는 영역으로 상층으로부터 전달된 열을 냉각시키는 역할을 한다. 여기서, 냉각수(211)로는 보통 액체 질소가 사용되나, 이에 한정되지는 않으며, 액체 헬륨, 프레온 가스 등이 사용될 수 있다.
이 냉각조(210) 상단에 버퍼층(220)이 놓인다. 이 버퍼층(220)은 냉각조(210)와 냉각 플레이트(230) 사이에서 완충 역할을 하며 단열재 계열의 판재가 사용될 수 있다.
냉각 플레이트(230)는 버퍼층(220)의 상단에 배치되며 하단의 일측에 바깥쪽으로 온도 센서(130, 131)를 설치하기 위한 온도 센서 홀(231)이 형성된다. 물론, 냉각 플레이트(230)의 상부쪽에는 열선(200)이 배열된다. 열선은 바깥쪽이 테프론으로 피복된 종류를 사용한다. 이 열선의 구조를 보여주는 도면이 도 6에 도시된다. 즉, 이 열선(200)은 절연효과가 있고 약 200℃까지 사용 가능하다.
또한, 냉각 플레이트(230)는 열전달 효율이 뛰어난 알루미늄 재료가 사용된다. 이 냉각 플레이트(230)의 구조를 보여주는 도면이 도 7에 도시된다. 이에 대하여는 후술하기로 한다.
이 냉각 플레이트(230)의 상단에는 열선(200)을 고정하여 열전도도를 높이는 제 1 코팅층(234)이 놓인다. 이 제 1 코팅층(234)은 실버 페이스트(silver paste) 코팅으로 은 나노 입자가 들어있다.
이 제 1 코팅층(234)의 표면에 열전도도가 잘되는 제 1 커버판(236)가 구성된다. 이 제 1 커버판(236)은 재질이 금속성으로 구성된다. 즉, 예를 들면 알루미늄, 구리 등이 사용될 수 있다.
이 제 1 커버판(236) 위에는 시험 대상인 샘플(290)이 놓인다. 이 샘플(290)은 열전 소자가 된다. 물론, 열전 소자는 열전현상을 기초로 하여 구성된다. 여기서, 열전소자란, 열과 전기의 상호작용으로 나타나는 각종 효과를 이용할 수 있는 소자의 총칭을 말한다.
이러한 열전소자들의 일 예로는 회로의 안정화와 열, 전력, 빛 검출 등에 사용하는 서미스터, 온도를 측정할 때 사용하는 제벡(seebeck) 효과를 이용하게 되는 소자, 냉동기나 항온조 제작할 때 사용하는 펠티에(peltier) 효과를 이용하게 되는 소자 등이 있다. 보통 열전소자로 가장 광범위하게 사용되는 물질은 Bi2Te3이다.
이러한 제벡 효과에 발생하는 전압을 수학식으로 표현하면 다음과 같다.
여기서, α는 제벡 계수(Seebeck coefficient)라 불리는 값으로 단위 온도차에서 유도되는 전압을 의미한다. 일반적으로 금속에서는 ~수 μV/K의 아주 작은 값을 가지며, 반도체에서는 ~수백 μV/K의 값을 가진다. 이 제벡 계수의 값이 클수록 당연히 열전효과에 의하여 발생하는 기전력이 커지므로 좋은 열전 소자가 된다.
한편, 열전소자의 분야에서는 각 물질의 열전소자의 특성을 가늠하는 지표(figure-of-merit)로 성능 지수(ZT) 값을 사용한다. 온도차이가 있는 경우, 저온부의 온도가 TL이고 고온부의 온도가 TH이며, 열전효과를 위하여 사용되는 물질의 열전도도가 κ, 전기 전도도가 σ라면, 성능 지수(ZT)는 다음식들을 이용하여 구해진다.
여기서 Q는 가열 히터에 의해 열전소자에 공급되어지는 열에너지,
d는 측정되어지는 열전소자의 두께,
ΔT는 고온부와 저온부의 온도편차, 즉 ΔT=(TH-TL),
A는 가열 히터에 의해 열전소자에 열에너지가 공급되는 면적이다.
여기서 T는 고온부와 저온부의 평균 온도, 즉 T= (TH+TL)/2 이다.
위 수학식 3에서 ZT는 제벡 계수(Seebeck coefficient)의 제곱에 비례하는 값이므로, 높은 열전효과를 위해서는 당연히 ZT의 값이 클수록 좋은 것임을 알 수 있다. 일반적으로 널리 사용되는 반도체 재료인 실리콘의 경우에는 전기적인 전도도가 150 W/cm2K에 달하며, 이로 인하여 상온에서의 ZT는 0.01에 불과하다.
한편, 널리 사용되는 Bi2Te3인 경우에는 ZT가 상온에서 1에 근접한다. 가장 이상적인 열전소재로서는 높은 전기전도도와 낮은 열전도도를 가지는 물질이라 할 수 있다.
따라서, 이러한 성능 지수(ZT)를 구하기 위해서는 샘플(290)의 위아래로 온도차가 발생하도록 해야 한다. 따라서, 샘플(290)의 바로 위에 이 샘플(290)을 가열하는 가열 히터(240)가 놓인다. 이 가열 히터(240)의 구조를 보여주는 도면이 도 5에 도시된다. 이에 대하여는 후술하기로 한다.
이 가열 히터(240)도 냉각 플레이트(230)와 유사하게, 알루미늄 등과 같은 금속 재질로 이루어지며, 하부에 온도 센서(도 1의 130, 131)를 삽입하기 위한 온도 센서홀(241)이 형성되고, 이 홀도 센서홀(241) 위쪽에 순서대로 열선(200), 제 2 코팅층(244)가 형성된다. 이와 함께, 가장자리에 체결부(252)가 형성된다. 이 체결부(252)는 후술할 커버 히터(260)의 가장자리에 형성된 체결부(262)와 같은 형상과 크기를 가지며, 중앙에 홈(미도시)이 형성된다.
또한, 이 제 2 코팅층(244)의 표면에는 열전도가 잘되는 제 2 커버판(256)이 구성된다. 이 제 2 커버판(246)은 재질이 금속성으로 구성된다. 즉, 예를 들면 알루미늄, 구리 등이 사용될 수 있다.
이 가열 히터(240)를 둘러싸면서 이 가열 히터(240)와 일정 간격인 제 1 간격(242)을 두고 가드 히터(250)가 놓인다. 가드 히터(250)와 가열 히터(240)의 결합 형태를 보여주는 도면이 도 3에 도시된다.
즉, 도 3은 도 1의 열전 소자 평가 장치에 대한 평면도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 가열 히터(240)가 가드 히터(250)의 중앙에 놓인 형태이다. 이러한 가드 히터(260)의 구성을 보여주는 도면이 도 4에 도시된다. 이에 대하여는 후술하기로 한다.
가드 히터(250)는 가열 히터(240) 또는 냉각 플레이트(230)와 유사하게 알루미늄 등과 같은 금속 재질로 이루어지며, 하부에 온도 센서(도 1의 130, 131)를 삽입하기 위한 온도 센서홀(251)이 형성되고, 이 혼도 센서홀(251) 위쪽에 순서대로 열선(200), 제 3 코팅층(254)가 형성된다. 또한, 이 제 3 코팅층(254)의 표면에는 열 전도 및 열 방출을 막는 제 3 커버판(256)이 구성된다.
물론, 가드 히터(250)의 제 3 커버판(256)의 표면에는 일정 간격을 두고 커버 히터(260)가 놓이도록 간극자(263)를 안치하기 위한 홈(미도시)이 형성된다.
커버 히터(260)는 가열 히터(240) 및 가드 히터(250)와 일정 간격인 제 2 간격(242)을 두고 놓이기 위해 일정 높이를 갖는 간극자(263)가 하단에 형성된다. 이 간극자(263)는 알루미늄 등과 같은 금속 재질로 긴 형상의 사각형이 되며, 커버 히터(260)의 하면에 4개가 형성되어 사각형을 이룬다. 물론, 이는 예시를 위한 것으로 육각형, 원형 등도 가능하다.
물론, 이러한 간극자(263)와 커버 히터(260)의 목적은 가열 히터(240)로부터 방출되는 열이 밖으로 새어나가지 않도록 하는 것이다. 이러한 커버 히터(260)의 구조를 보여주는 도면이 도 6에 도시된다. 도 6에 대하여는 후술하기로 한다.
커버 히터(260)는 가열 히터(240) 또는 냉각 플레이트(230)와 유사하게 알루미늄 등과 같은 금속 재질로 이루어지며, 하부에 온도 센서(도 1의 130, 131)를 삽입하기 위한 온도 센서홀(261)이 형성되고, 이 홀도 센서홀(261) 위쪽에 순서대로 열선(200), 제 4 코팅층(264)가 형성된다.
이와 함께, 가장자리에 체결부(262)가 형성된다. 따라서, 체결봉(280)을 가이드 히터(250)의 체결부(252)와 커버 히터(260)의 체결부(262)에 체결함으로써 가이드 히터(250)와 커버 히터(260)가 고정된다.
또한, 이 제 4 코팅층(264)의 표면에는 열전도가 잘되는 제 4 커버판(270)이 구성된다. 이 제 4 커버판(270)은 알루미늄 등과 같은 금속 재질로 이루어진다.
따라서, 가이드 히터(250)와 가열 히터(240)로 이루어지는 상층부와 냉각 플레이트(230)로 이루어지는 하층부 사이에 온도차가 발생한다. 즉, 가이드 히터(250)와 가열 히터(240) 쪽은 커버 히터(260)로 인해 열이 계속 보존되지만, 냉각 플레이트(230)의 경우 냉각조(210)로 인해 열이 일정 수준 하강된 상태에서 보존되므로, 온도차가 발생하게 된다.
이로 인해 열전도의 흐름 순서가 가이드 히터(250)와 가열 히터(240)쪽으로부터 냉각 플레이트(230)쪽으로 진행하게 된다.
즉 샘플(290)을 통하여 열전도가 이루어지고 이 열전도를 통해 온도차가 발생하므로, 이 온도차를 측정하게 되면 수학식 2를 통하여 샘플(290)의 열전도도를 계산하는 것이 가능하다.
이제, 가드 히터(250), 가열 히터(240), 커버 히터(260), 냉각 플레이트(230)의 구조를 설명하기로 한다.
도 4는 도 2의 열전 소자 평가 장치 중 가드 히터(250)의 구조를 보여주는 도면이다. 도 4를 참조하면, 가드 히터(250)는 사각형 형상으로 중앙에 가열 히터(240)를 조립할 수 있는 가열 히터 조립홈(450)이 있는 구조이다.
물론, 여기에도 열선(200)이 배열되는데, 이 열선(200)의 배열 구조는 위치 마다 조금씩 다르다. 이를 보여주기 위해 가드 히터(250) 상의 제 1 부분(400)과 제 2 부분(410)을 확대한 확대도(401, 411)가 아래쪽에 도시된다.
제 1 확대도(401)는 열선(200)이 사각형 형상인 가드 히터(250)를 따라 휘어지는 부분을 나타낸다. 여기서, 열선(200)은 "ㄴ"자 형상으로 일정 간격을 두고 배열된다. 제 2 확대도(411)는 열선(200)이 인입되고 입출되는 부분을 나타낸다. 여기서, 열선(200)은 "+"극과 "-"극의 두 선으로 "ㄷ"자 형상으로 일정 간격을 두고 배열된다.
또한, 가드 히터(250)의 가장 자리에는 체결봉(도 2의 280)이 조립될 수 있도록 하는 체결부(252)가 구비되며, 이 체결부(252)의 중앙에는 관통하는 체결홈(252-1)이 형성되어 있다.
도 5는 도 2의 열전 소자 평가 장치 중 가열 히터(240)의 구조를 보여주는 도면이다. 도 5를 참조하면, 가열 히터(240)에도 열선(200)이 배열된다. 도 5에 도시된 열선(200)의 배열 구조는 도 4의 가드 히터(250)에서 배열된 구조와 다르게 되어 있으나, 이는 구별을 위한 것으로 도 4의 가드 히터(250)와 동일한 배열 구조가 될 수도 있다. 물론, 도 5는 이해의 편의를 위해 테두리의 형태와 열선(200)의 배열 구조만을 도시한 것이다.
도 6은 도 2의 열전 소자 평가 장치 중 커버 히터(260)의 구조를 보여주는 도면이다. 도 6을 참조하면, 커버 히터(260)에도 열선(200)이 배열된다. 커버 히터(260)에서 열선(200)이 배열되는 방식을 보여주는 확대도가 하단에 도시된다. 이 확대도를 참조하면, 열선(200)은 열전도 금속선(202)과 이 열전도 금속선(202)을 코팅하는 피복부(201)로 구성된다.
물론, 이 피복부(201)는 불소수지의 테프론을 사용하는데, 이 테프론의 화학적 특성은 다른 고분자 재료에 비해 비활성화, 내열성, 절연 안정성이 매우 우수하다는 점이다. 따라서, 보통 열선의 경우에는 열선이 코팅되어 있지 않으므로 절연이 되지 않아 금속성인 커버 히터(260)에도 전기가 흐르게 되는 문제점이 있다.
그러나, 테프론으로 피복된 열선(200)은 절연성이 우수하면서도 열전도가 가능하다. 또한, 직경이 1mm 내지 2mm에 불과해 냉각 플레이트(230), 가열 히터(240), 가드 히터(250) 등에서 촘촘하게 열선(200)이 배열되므로 열판 전체에 걸쳐 균일한 온도를 유지시키는 것이 가능하다. 따라서, 최소 5cm x 5cm 크기에서 최대 10cm x 10cm 크기의 열전 소자에 대하여 적용 가능하다.
이 열선(200)은 커버 히터(260)의 상단에 "U"자 형상의 열선 홈(600)에 안착된다. 물론, 열선(200)이 이 열선 홈(600)에 안착된 이후에는 도 2에 도시된 바와 같이, 코팅층(264)이 놓이고, 이 코팅층(264)에 커버판(270)이 놓인다.
이 코팅층(264)은 열전도성을 좋게 하기 위하여 은 나노 입자가 들어 있는 실버 페이스트(silver paste)로 코팅한다. 따라서, 이 코팅층(264)은 열선(200)이 열선홈(600)에 안착되면서 생기는 틈을 완전히 메우게 되므로 열선(200)으로부터 커버 히터(260) 전체로의 열전도도를 향상시킨다.
물론 위에서 설명한 코팅층 구조는 냉각 플레이트(230), 가열 히터(240), 가드 히터(250)에도 적용된다.
도 7은 도 2의 열전 소자 평가 장치 중 냉각 플레이트(230)의 구조를 보여주는 도면이다. 도 7에 도시된 냉각 플레이트(230)도 도 6에서 설명한 바와 유사한 구조를 갖는다. 다만 도 7에 도시된 냉각 플레이트(230)의 경우에는 체결부(262)가 구비되지 않는다. 도 7에 대한 설명은 도 6에 설명된 바와 유사하므로 본 발명의 명확한 이해를 위해 더 이상의 설명은 생략하기로 한다.
도 4 내지 도 7에 도시된 냉각 플레이트(230), 가열 히터(240), 가드 히터(250), 및 커버 히터(260)에 배열된 열선(200)에 전원을 공급하는 역할은 온도 조절기(도 1의 110)가 한다. 부연하면, 온도 조절기(110)는 AC 또는 DC 전압 전원을 이들 열선(200)에 가함으로써, 열선(200)의 온도가 상승 또는 하강하게 되어 냉각 플레이트(230), 가열 히터(240), 가드 히터(250) 및 커버 히터(260)의 온도를 조절하는 것이 가능하다.
물론, DC 전압 전원은 가열 히터(240)에만 공급되고, 냉각 플레이트(230), 가드 히터(250) 및 커버 히터(260)에는 AC 전압 전원이 공급된다.
또한, 도 4 내지 도 7에 도시된 냉각 플레이트(230), 가열 히터(240), 가드 히터(250), 및 커버 히터(260)들 자체는 표면상에 열선(200)을 안치하기 위한 미세한 열선홈이 가공되어야 한다. 왜냐하면, 열선(200)은 직경이 1mm 내지 2mm에 불과하므로, 이러한 미세한 열선(200)을 안치시키기 위해서는 열선홈 또한 미세하게 가공될 필요가 있기 때문이다.
따라서, 본 발명에서는 알루미늄을 사용하는 것으로 기재하였으나, 더 바람지직하게는 단조 처리된 알루미늄으로 제조될 수 있다. 왜냐하면, 단조 처리된 알루미늄을 사용해야, 열선의 정밀가공이 가능하고, 저온과 고온의 온도조절 반복에 의해서도 판의 변형을 방지하고 내구성을 가질 수 있기 때문이다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이러한 실시 예에 한정되지 않으며, 수많은 변형예가 가능함을 당업자라면 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 첨부된 청구항과 그 균등물에 의해 정해져야 할 것이다.
100: 열전 소자 평가 장치 110: 온도 조절기
130, 131: 온도 센서 120: 산출부
200: 열선 201: 열전도 금속선
202: 피복부 210: 냉각조
211: 냉각수 212: 급수 라인
220: 버퍼층 230: 냉각 플레이트
231: 온도 센서 홀 234: 제 1 코팅층
236: 제 1 커버판 240: 가열 히터
241: 온도 센서 홀 242: 제 1 간격
243: 제 2 간격 244: 제 2 코팅층
246: 제 2 커버판 250: 가드 히터
251: 온도 센서 홀 252: 제 1 체결부
254: 제 3 코팅층 256: 커버판
260: 커버 히터 261: 온도 센서 홀
262: 제 2 체결부 263: 간극자
264: 제 4 코팅층 267: 온도 센서 홀
270: 제 3 커버판 280: 체결봉
290: 샘플 450: 가열히터 조립홈
600: 열선홈
130, 131: 온도 센서 120: 산출부
200: 열선 201: 열전도 금속선
202: 피복부 210: 냉각조
211: 냉각수 212: 급수 라인
220: 버퍼층 230: 냉각 플레이트
231: 온도 센서 홀 234: 제 1 코팅층
236: 제 1 커버판 240: 가열 히터
241: 온도 센서 홀 242: 제 1 간격
243: 제 2 간격 244: 제 2 코팅층
246: 제 2 커버판 250: 가드 히터
251: 온도 센서 홀 252: 제 1 체결부
254: 제 3 코팅층 256: 커버판
260: 커버 히터 261: 온도 센서 홀
262: 제 2 체결부 263: 간극자
264: 제 4 코팅층 267: 온도 센서 홀
270: 제 3 커버판 280: 체결봉
290: 샘플 450: 가열히터 조립홈
600: 열선홈
Claims (11)
- 코팅된 열선(200)이 배열된 냉각 플레이트(230);
상기 냉각 플레이트(230)와 맞닿아 열전 소자인 샘플(290)을 사이에 위치시키며 상기 코팅된 열선(200)이 배열된 가열 히터(240);
상기 가열 히터(240)를 소정 간격을 두고 둘러서 감싸 상기 가열 히터(240)의 열 방출을 막는 가드 히터(250); 및
상기 가열 히터(240)와 가드 히터(250)를 소정 간격을 두고 덮는 커버 히터(260)를 포함하되,
상기 냉각 플레이트(230), 가열 히터(240), 가드 히터(250) 및 커버 히터(260)의 일측에는 각각 온도 센서 홀(231), 온도 센서 홀(241), 온도 센서 홀(251), 온도 센서 홀(261)이 형성되는 열전 소자 평가 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 열선(200)은 직경이 1mm 내지 2mm의 크기이며, 테프론으로 코팅되는 열전 소자 평가 장치. - 제 2 항에 있어서,
상기 냉각 플레이트(230), 가열 히터(240), 가드 히터(250) 및 커버 히터(260)는, 각각, 상기 코팅된 열선(200)이 안착된 홈을 실버 나노 입자를 포함하는 실버 플레이트로 채워넣는 제 1 코팅층(234), 제 2 코팅층(244), 제 3 코팅층(254) 및 제 4 코팅층(264)을 더 포함하는 열전 소자 평가 장치. - 제 3 항에 있어서,
상기 냉각 플레이트(230), 가열 히터(240), 가드 히터(250) 및 커버 히터(260)는, 각각, 제 1 코팅층(234), 제 2 코팅층(244), 제 3 코팅층(254) 및 제 4 코팅층(264)을 덮는 금속성 재질의 제 1 커버판(236), 제 2 커버판(246), 제 3 커버판(256) 및 제 4 커버판(270)을 더 포함하는 열전 소자 평가 장치. - 제 2 항에 있어서,
상기 냉각 플레이트(230)를 일정 온도로 냉각시키는 냉각조(210)를 더 포함되, 상기 냉각조(210)는 액체질소를 사용하는 열전 소자 평가 장치. - 제 5 항에 있어서,
상기 냉각조(210)와 상기 냉각 플레이트(230) 사이에는 완충역할을 위한 버퍼층(220)이 놓이며, 상기 버퍼층(220)은 단열재 계열의 판재인 열전 소자 평가 장치. - 제 2 항에 있어서,
상기 가드 히터(250) 및 커버 히터(260)는, 각각, 체결을 위한 제 1 체결부(252), 제 2 체결부(262)를 포함하는 열전 소자 평가 장치. - 제 2 항에 있어서,
상기 냉각 플레이트(230), 가열 히터(240), 가드 히터(250) 및 커버 히터(260)는 단조 알루미늄으로 제작되는 열전 소자 평가 장치. - 제 2 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항의 열전 소자 평가 장치(100);
상기 열전 소자 평가 장치에 전압 전원을 공급하는 온도 조절기(110);
상기 온도 센서 홀에 각각 장착되어 열전 소자 평가 장치를 센싱하는 온도 센서; 및
상기 온도 센서에 의해 상기 열전 소자의 열전도도를 산출하고 상기 열전도도를 이용하여 상기 열전 소자의 성능지수를 산출하는 산출부(120)
를 포함하는 열전 소자 평가 시스템. - 제 9 항에 있어서,
상기 온도 조절기(110)는 상기 냉각 플레이트(230), 가드 히터(250) 및 커버 히터(260)에는 AC 전압 전원을, 상기 가열 히터(240)에는 DC 전압 전원을 공급하는 열전 소자 평가 시스템. - 제 10 항에 있어서,
상기 열전도도는 다음식,
(여기서, k는 열전도도이고, Q는 가열 히터에 의해 열전소자에 공급되어지는 열에너지, d는 측정되어지는 열전소자의 두께, ΔT는 고온부와 저온부의 온도편차, 즉 ΔT=(TH-TL), A는 가열 히터에 의해 열전소자에 열에너지가 공급되는 면적)을 이용하여 계산되고,
상기 성능 지수는 다음식,
(여기서, ZT는 성능 지수이고, α는 제벡 계수(Seebeck coefficient)로서
이고, σ는 전기 전도도이며, T는 고온부와 저온부의 평균 온도, 즉 T= (TH+TL)/2 임)을 이용하여 계산되는 열전 소자 평가 시스템.
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