KR101541390B1 - Performance evaluation device of thin-film thermoelectric material and method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 박막 열전 소재의 성능 평가 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 박막 열전 소재와의 접촉 조건의 편차를 최소화하는 박막 열전 소재의 성능 평가 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and a method for evaluating the performance of a thin film thermoelectric material, and more particularly, to an apparatus and method for evaluating the performance of a thin thermoelectric material that minimizes a variation in contact conditions with the thin film thermoelectric material.
에너지 하베스팅(Energy Harvesting) 및 친환경 대체에너지로서 열전소재의 가능성에 대하여 연구개발이 지속되고 있다. 나노 기술 발달 이전에 열전소재는 에너지원으로서의 효율이 낮아 국방, 우주 산업 등의 특수 분야에서만 벌크형의 형태로 사용되었으나 2000년대를 기점으로 NT 기술 적용으로 나노 사이즈에서 열전소재가 제어될 경우 열전변환 효율이 벌크형에 비해 2배 이상 향상시킬 수 있음이 입증되어 다중 초격자층, 나노와이어, 나노 분말 등을 이용한 나노 기술 기반의 열전 소재 개발이 매우 활발하게 이루어지고 있다. Research and development are continuing on the possibility of thermoelectric materials as energy harvesting and environmentally friendly alternative energy. Prior to the development of nanotechnology, thermoelectric materials were used in bulk form only in special fields such as defense and space industry due to low efficiency as an energy source. However, when thermoelectric material is controlled in nano size by applying NT technology from 2000's, thermoelectric conversion efficiency Has been proved to be able to improve more than twice as compared with the bulk type, and development of nanotechnology based thermoelectric materials using multi-layered superlattice layers, nanowires, and nano powders has been actively performed.
나노 기술 기반 열전소재 개발에 따라 열전 변환 효율 향상 뿐 아니라 두께를 얇게 제작 할 수 있어 스마트폰의 휴대용 발전 및 냉각장치, 원유 이송 파이프 라인 등의 원거리 설치용 무선센서 네트워크 전원장치, 바이오 분야 손목시계형 당뇨 측정 장치 등 얇고(thin) 유연한(flexible) 형태의 전원 공급장치로써 적용 가능성도 높아지고 있다. The development of thermoelectric materials based on nanotechnology can improve the thermoelectric conversion efficiency as well as making it thinner. It can be used for portable power generation and cooling device of smart phone, wireless sensor network power supply device for remote installation such as crude oil transfer pipeline, It is also applicable as a thin, flexible type power supply device such as a measuring device.
현재까지는 벌크형에 대한 열전소재 측정 장비들이 개발되어 사용 중이나, 나노 박막형 열전소재의 특성을 측정 평가하는 기술에 대하여는 개발이 미진한 실정이며 아직까지 측정 방법에 대한 표준화 작업이 이루어지지 않아 연구자가 제시하는 성능 지표 결과에 신빙성이 떨어지는 문제가 있다. 따라서 성능이 우수한 나노 박막형 열전소재의 연구개발과 소자 어플리케이션의 상용화를 위해서는 이의 특성을 객관적으로 평가할 수 있는 기술 및 장비의 개발이 필수적이다. Although the thermoelectric material measurement equipment for the bulk type has been developed and used until now, there has been little development about the technology for measuring and evaluating the characteristics of the nano thin film type thermoelectric material, and the standardization of the measurement method has not been performed yet. There is a problem in that the reliability of the indicator results is poor. Therefore, in order to research and develop nano-thin-film thermoelectric materials with excellent performance and to commercialize device applications, it is essential to develop techniques and equipment capable of objectively evaluating their characteristics.
열전소재의 효율을 평가하기 위한 성능을 나타내는 지표로 ZT 계수가 사용되며 다음의 식으로 표현된다. The ZT coefficient is used as an indicator of the performance for evaluating the efficiency of thermoelectric materials and is expressed by the following equation.
위의 식에서 열전소재의 성능을 결정하는 물성은 제벡계수 S, 전기전도도 σ, 열전도도 κ로, 이중 제벡계수 S는 제곱항으로 영향력이 커서 열전소재 성능 평가 시 주요 지표로 사용하고 있다. In the above equation, the physical properties that determine the performance of the thermoelectric material are influenced by the Seebeck coefficient S, the electric conductivity σ, the thermal conductivity κ, and the double Seebeck coefficient S as the square root.
현존하고 있는 제벡계수 측정창치는 1마이크로 이상 두께의 열전소재에 대해서는 신뢰성이 있는 데이터를 제공하나 최근 활발하게 개발되고 있는 나노급 두께의 박막 열전 소재에 대해서는 오차가 발생하여 신뢰도가 떨어지는 문제가 있다. The existing Seebeck coefficient measurement system provides reliable data for thermoelectric materials with a thickness of more than 1 micrometer. However, there is a problem that reliability is lowered due to errors occurring in thin film thermoelectric materials having nano thicknesses which are being actively developed recently.
따라서, 나노급 박막 열전 소재의 특성에 최적화된 제벡계수의 측정 장치 및 방법이 필요하다. Therefore, there is a need for an apparatus and method for measuring a Seebeck coefficient optimized for the properties of nano-scale thin film thermoelectric materials.
관련 선행기술로는 한국등록특허 제1082353호(등록일:2011.11.04., 열전소자 평가 장치 및 이를 이용한 열전 소자 평가 시스템)가 있다.
A related prior art is Korean Patent No. 1082353 (registered on November 4, 2011, Thermoelectric Device Evaluation Apparatus and Thermoelectric Device Evaluation System Using the same).
본 발명은 나노 박막형 열전 소재의 제벡계수를 측정하는 박막 열전 소재의 성능 평가 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다. The present invention provides an apparatus and a method for evaluating the performance of a thin film thermoelectric material for measuring a Seebeck coefficient of a nano-thin film type thermoelectric material.
또한, 본 발명은 나노 박막 열전 소재의 특성을 측정하기 위해, 온도측정을 위한 측정 프로브 및 박막 간의 접촉에 따른 편차요소를 배제하는 비접촉 방식의 박막 열전 소재의 성능 평가 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.The present invention also provides an apparatus and a method for evaluating the performance of a non-contact thin film thermoelectric material for measuring properties of a nano-thin-film thermoelectric material, in which a measurement probe for temperature measurement and a deviation element due to contact between thin films are excluded .
또한, 본 발명은 동일한 박막 열전 소재에 대하여 열흐름 방향에 대한 편차발생 가능성을 제거하기 위하여 자동으로 열흐름 방향을 전환하면서 이에 따른 제벡계수를 측정하는 박막 열전 소재의 성능 평가 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다. Also, the present invention provides an apparatus and a method for evaluating the performance of a thin film thermoelectric material, which automatically measures the heat flow direction and accordingly measures a bekk coefficient, in order to eliminate the possibility of deviation in the heat flow direction for the same thin film thermoelectric material .
또한, 본 발명은 동일 온도 구간에서 수회 전위차를 측정하여 평균값을 도출하여 정밀도를 향상시키는 박막 열전 소재의 성능 평가 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다. It is another object of the present invention to provide an apparatus and a method for evaluating performance of a thin film thermoelectric material, which is capable of measuring a potential difference several times in the same temperature range to derive an average value to improve precision.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않는다.
The technical objects to be achieved by the present invention are not limited to the above-mentioned technical problems.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 박막 열전 소재의 성능 평가 장치는, 박막 열전소재의 양측 끝단의 온도를 각각 조절하는 온도 제어 스테이지; 상기 박막 열전 소재의 표면에서 방출하는 표면온도를 측정하는 온도 검출부; 상기 박막 열전 소재의 표면을 접촉하여 발생하는 전기적 특성을 측정하는 측정부; 상기 온도 검출부에서 검출된 박막 열전 소재의 온도 정보에 따른 측정부에서 측정된 전기적 특성 정보를 전달 받아 제벡계수를 도출하는 메인제어부;를 포함할 수 있다.According to an aspect of the present invention, there is provided an apparatus for evaluating the performance of a thin film thermoelectric material, including: a temperature control stage for controlling temperatures of both ends of the thin film thermoelectric material; A temperature detector for measuring a temperature of a surface of the thin film thermoelectric material; A measuring unit for measuring electrical characteristics generated by contacting the surface of the thin-film thermoelectric material; And a main controller for receiving the electrical characteristic information measured by the measuring unit according to the temperature information of the thin film thermoelectric material detected by the temperature detector to derive a bekking coefficient.
구체적으로, 상기 온도 검출부는 비접촉식 온도센서 또는 적외선 카메라일 수 있다.Specifically, the temperature detector may be a non-contact temperature sensor or an infrared camera.
또한, 상기 온도 제어 스테이지를 제어하는 스테이지 컨트롤러를 더 포함할 수 있다. The apparatus may further include a stage controller for controlling the temperature control stage.
또한, 상기 측정부는 프로브 스테이션 및 측정모듈을 포함하되, The measurement unit may include a probe station and a measurement module,
프로브 스테이션은 상기 박막 열전 소재의 표면을 직접 접촉하여 전기적 특성을 측정하는 프로브 핀;Wherein the probe station comprises: a probe pin for directly contacting the surface of the thin-film thermoelectric material to measure electrical characteristics;
상기 프로브 핀이 Z축 방향으로 이동하여 상기 박막 열전 소재를 접촉하게 하는 높이조정노브; 및 A height adjustment knob for moving the probe pin in the Z-axis direction to contact the thin film thermoelectric material; And
상기 프로브 핀과 상기 박막 열전 소재의 접촉 시 일정한 하중으로 프로브 핀이 박막 열전 소재를을 누를 수 있도록 조정하는 하중 조정부;를 포함하고, And a load adjusting unit for adjusting the probe pin to press the thin film thermoelectric material with a predetermined load when the probe pin and the thin film thermoelectric material are in contact with each other,
상기 측정모듈은 상기 프로브 핀이 측정한 전기적 특성을 데이터화 할 수 있다.The measurement module can digitize electrical characteristics measured by the probe pin.
또한, 상기 프로브 핀은 상기 온도 검출부가 측정한 박막 열전 소재의 동일한 위치의 표면에 접촉할 수 있다. In addition, the probe pin can contact the surface of the same position of the thin film thermoelectric material measured by the temperature detector.
또한, 상기 온도 제어 스테이지, 온도 검출부, 및 측정부가 진공상태에서 수행할 수 있도록 둘러싸는 진공챔버;를 더 포함할 수 있다. The apparatus may further include a vacuum chamber enclosing the temperature control stage, the temperature detector, and the measurement unit so that the temperature control stage, the temperature detector, and the measurement unit can perform in a vacuum state.
상기 과제를 달성하기 위한 또 다른 본 발명의 박막 열전 소재의 성능 평가 방법은 상기 박막 열전 소재를 온도 제어 스테이지에 상단에 위치시키는 제1 단계;According to another aspect of the present invention, there is provided a method for evaluating the performance of a thin film thermoelectric material, the method comprising: a first step of positioning the thin thermoelectric material on a temperature control stage;
상기 박막 열전 소재의 시작온도, 온도편차(△T), 및 시험구간을 설정하는 제2 단계; 상기 온도 제어 스테이지를 시작온도 또는 설정온도로 승온 및 승하시키는 제3 단계; 상기 온도 제어 스테이지에 의해 상기 박막 열전 소재의 온도가 시작온도 또는 설정온도에 도달한 후 일정시간이 경과되면, 박막 열전 소재의 전압을 측정하는 제4 단계; 및 상기 제3 단계 및 제4 단계를 반복하여 시작온도 또는 설정온도의 온도편차에 대한 전위차를 측정하여 선형 피팅법을 적용하여 기울기(제벡계수)를 구하는 제5 단계;로 이루어지되, 상기 설정온도는 시작온도부터 시험구간에 따라 설정된 온도일 수 있다.A second step of setting a start temperature, a temperature deviation (DELTA T), and a test period of the thin film thermoelectric material; A third step of raising and lowering the temperature control stage to a start temperature or a set temperature; A fourth step of measuring a voltage of the thin film thermoelectric material when a predetermined time has elapsed after the temperature of the thin film thermoelectric material reaches the start temperature or the set temperature by the temperature control stage; And a fifth step of repeating the third and fourth steps to measure a potential difference with respect to a temperature deviation of a start temperature or a set temperature and to obtain a slope (a Seebeck coefficient) by applying a linear fit method, May be a temperature set according to the test section from the start temperature.
구체적으로, 상기 온도 제어 스테이지는 각각 다른 온도를 설정하여 박막 열전 소재의 양 끝단을 온도편차를 발생시킬 수 있다. Specifically, the temperature control stage may set different temperatures to generate temperature deviations at both ends of the thin film thermoelectric material.
또한, 상기 시작온도, 온도편차(△T), 및 시험구간을 설정시, 동일한 시험구간에서 반복시험 할 수 있는 샘플링 횟수를 더 설정할 수 있다.
Further, when setting the start temperature, the temperature deviation (DELTA T), and the test section, it is possible to further set the number of times of sampling that can be repeatedly tested in the same test section.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 기존의 접촉식 온도 및 전위차 측정 방법에서 온도는 비접촉 방식으로 측정하고 전위차는 0.2 내지 0.3㎛ 직경을 가지는 프로브 핀을 적용하여 박막 열전 소재와의 접촉 조건의 상이함에 따라 발생하는 측정오차를 최소화 할 수 있는 효과가 있다. As described above, according to the present invention, in the conventional contact type temperature and potential difference measurement method, the temperature is measured in a non-contact manner and a potential difference is applied to a probe pin having a diameter of 0.2 to 0.3 탆, Thereby minimizing the measurement error that may occur.
또한, 본 발명은 프로브 스테이션의 하중 조정장치가 프로브 핀으로 박막 열전 소재를 누르는 힘을 일정하게 유지하여 접촉 조건의 상이함에 따라 발생하는 전위차의 편차 발생 원인을 해소하고 측정 정밀도를 향상시키는 효과가 있다. In addition, the present invention has an effect that the load adjusting device of the probe station keeps the pressing force of the thin film thermoelectric material constant with the probe pin, thereby eliminating the cause of the deviation of the potential difference caused by the difference of the contact condition and improving the measurement accuracy .
또한, 본 발명은 독립된 두 개의 온도 제어 스테이지를 구비하여 박막 열전 소재의 이동 없이 동일한 자리에서 양단의 온도를 온도 제어 스테이지의 온도를 변환하여 히팅-쿨링 또는 쿨링-히팅을 용이하게 설정할 수 있는 효과가 있다.
In addition, the present invention has two independent temperature control stages, and it is possible to easily set the heating-cooling or the cooling-heating by converting the temperature of the temperature control stage at both ends in the same place without moving the thin film thermoelectric material have.
도 1은 본 발명의 실시예와 따른 박막 열전 소재의 성능 평가 장치를 나타낸 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 박막 열전 소재의 성능 평가 장치의 온도 검출부 및 온도 제어 스테이지를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 박막 열전 소재의 성능 평가 장치의 온도 제어 스테이지 상단에 위치된 박막 열전 소재를 나타낸 이미지이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 바막 열전 소재의 성능 평가 장치의 온도제이서 스테이지 상단을 온도 검출부로 촬영한 이미지이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 박막 열전 소재의 성능 평가 장치의 설계도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 박막 열전 소재의 성능 평가 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 박막 열전 소재의 성능 평가 장치 및 방법을 이용한 온도편차에 따른 전위차의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 박막 열전 소재의 성능 평가 장치 및 방법을 이용한 온도에 따른 제벡계수의 변화를 나타낸 그래프이다. 1 is a schematic view showing an apparatus for evaluating the performance of a thin-film thermoelectric material according to an embodiment of the present invention.
2 is a view showing a temperature detection unit and a temperature control stage of a performance evaluation apparatus for a thin film thermoelectric material according to an embodiment of the present invention.
3 is an image showing a thin film thermoelectric material positioned at the top of a temperature control stage of the apparatus for evaluating the performance of a thin film thermoelectric material according to an embodiment of the present invention.
4 is an image of the top of a temperature sensor stage of a device for evaluating the performance of a bar thermoelectric material according to an embodiment of the present invention,
5 is a schematic diagram of an apparatus for evaluating the performance of a thin film thermoelectric material according to an embodiment of the present invention.
6 is a flowchart illustrating a method of evaluating the performance of a thin-film thermoelectric material according to an embodiment of the present invention.
7 is a graph showing a change in potential difference according to a temperature deviation using an apparatus and a method for evaluating performance of a thin film thermoelectric material according to an embodiment of the present invention.
8 is a graph showing changes in the Seebeck coefficient according to temperature using an apparatus and a method for evaluating the performance of a thin-film thermoelectric material according to an embodiment of the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 어느 곳에서든지 동일한 부호로 표시한다. 또한 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the drawings, the same components are denoted by the same reference symbols whenever possible. In the following description, well-known functions or constructions are not described in detail since they would obscure the invention in unnecessary detail.
본 발명은 박막 열전 소재의 성능을 평가하는 성능 지수(ZT)를 얻기 위한 항목 중 제벡계수(S)를 측정하는 것으로, 열전 소재의 열전도도 및 전기 전도도의 측정 및 산출에 대한 내용은 생략 하도록 한다. The present invention measures the Seebeck coefficient (S) among the items for obtaining the figure of merit (ZT) for evaluating the performance of the thin film thermoelectric material, and the measurement and calculation of the thermal conductivity and the electric conductivity of the thermoelectric material are omitted .
도 1 내지 도 5는 본 발명의 실시예와 따른 박막 열전 소재의 성능 평가 장치를 나타낸 도면으로서, 성능 평가 장치(100)는 온도 제어 스테이지(110), 온도 검출부(120), 측정부(130), 및 메인제어부(140)를 포함한다. 1 to 5 are views showing an apparatus for evaluating the performance of a thin film thermoelectric material according to an embodiment of the present invention. The
온도 제어 스테이지(110)는 독립된 두 개의 제1 온도 제어 스테이지(110a) 및 제2 온도 제어 스테이지(110b)로 구성되며, 박막 열전 소재(1)의 양 끝단을 각각 제1 온도 제어 스테이지(110a) 및 제2 온도 제어 스테이지(110b)의 상단위에 위치시켜 박막 열전 소재(1)의 부위 별로 온도를 조절한다. The
이때, 온도 제어 스테이지(110)는 박막 열전 소재(1) 안착될 수 있도록 안착 홈(미도시) 형성 될 수 있다. At this time, the
또한, 온도 제어 스테이지(110)는 각각 온도를 제어하는 스테이지 컨트롤러(150)를 더 구비하여, 히팅(heating) 및 쿨링(cooling)으로 박막 열전 소재의 양단면에 온도편차를 구현한다. The
스테이지 컨트롤러(150)는 SSR ON/OFF제어 또는 전류 제어 방식으로 ㅁ0.5℃ 이내로 온도 제어가 가능하다.The
박막 열전 소재(1)는 제작방법에 따라 동일 시편에 대해 열흐름의 방향의 차이로 다르게 측정되기도 하기 때문에 이에 대한 편차를 제거하고자 온도 제어 스테이지(100) 및 스테이지 컨트롤러(150)로 동일 시험 조건에서 열 흐름의 방향을 자동 변환시켜 각각 측정된 평균으로 도출시킬 수 있다. Since the thin film
따라서, 본 발명은 독립된 두 개의 온도 제어 스테이지(110)를 구비하여 박막 열전 소재(1)의 이동 없이 동일한 자리에서 양단의 온도를 온도 제어 스테이지(110)의 온도를 변환하여 히팅-쿨링 또는 쿨링-히팅을 용이하게 설정할 수 있는 효과가 있다. Accordingly, the present invention includes two independent
또한, 온도 제어 스테이지(110) 하단에 배치하여 온도 제어 스테이지(110)의 발열을 해소하는 히트싱크(111)를 더 구비한다. The
온도 검출부(120)는 박막 열전 소재(1)의 표면에서 방출되는 표면온도를 측정한다. 여기서, 온도 검출부(120)는 비접촉식 온도 센서 또는 적외선 카메라일 수 있다. 도 4는 적외선 카메라로 온도 제어 스테이지(110)를 촬영한 모습으로 박막 열전 소재(1)의 온도 변화를 용이하게 검출할 수 있다.The
여기서, 비접촉식 온도 센서는 온도 제어 스테이지(110) 상단에 각각 구비함이 바람직하며, 적외선 카메라는 온도 제어 스테이지(110)를 모두 검출할 수 있는 높이에 위치시키는 것이 바람직하다. Here, it is preferable that the non-contact type temperature sensor is provided at the upper end of the
온도 검출부(120)는 온도 제어 스테이지(110)와 일정간격 이격된 상단에서 온도 제어 스테이지(110)의 상면을 검출해야 하므로 온도 검출부(120)를 지탱해주는 지지부재(170)를 더 구비한다. 이때, 지지부재(170)는 온도 검출부(120)의 높이를 조절할 수 있도록 형성한다. The
측정부(130)는 프로브 스테이션(131) 및 측정모듈(132)로 구분하며, 프로브 스테이션(131)은 프로브 핀(131a), 높이조정노브(131b), 및 하중 조정부(131c)를 포함한다. The measuring unit 130 is divided into a
여기서, 프로브 핀(131a)은 상기 박막 열전 소재(1)의 표면을 직접 접촉하여 전기적 특성을 측정한다. 이때, 프로브 핀(131a)는 0.2 내지 0.3㎛의 두께를 가지며, 백금으로 되어 전기저항을 최소화한다. Here, the
따라서, 본 발명은 프로브 핀(131a)과 박막 열전 소재(1)의 접촉 조건의 편차를 최소화할 수 있는 효과가 있다. Therefore, the present invention has the effect of minimizing the deviation of the contact condition between the
프로브 핀(131a)은 박막 열전 소재(1)가 온도 제어 스테이지(110) 상단에 준비하고, 측정부(130)가 향하는 박막 열전 소재(1)의 표면에 미리 세팅할 수 있다. The
프로브 핀(131a)는 비접촉식 온도 센서를 이용하여 박막 열전 소재(1)의 온도를 검출하는 경우 레이저가 조사되는 위치와 동일한 위치에 위치하고, 적외선 카메라를 이용하여 박막 열전 소재(1)의 온도를 검출하는 경우, 적외선 카메라가 촬영하는 동일한 위치에 위치시켜 오차율을 줄일 수 있다. When the temperature of the thin film
또한, 높이조정노브(131b)는 프로브 핀(131a)이 Z축 방향으로 상하이동하여 상기 박막 열전 소재(1)를 접촉하게 한다.The
또한, 하중 조정부(131c)는 프로브 핀(131a)과 상기 박막 열전 소재(1)의 접촉시 일정한 하중으로 프로브 핀(131a)이 박막 열전 소재(1)를 누를 수 있도록 조정한다. 이때, 하중 조정부(131c)는 스프링 구조를 적용하여 박막 열전 소재 표면과 접촉하는 하중을 항상 일정하게 유지한다. The
따라서, 본 발명은 프로브 스테이션(131)의 하중 조정장치(131c)가 프로브 핀(131a)으로 박막 열전 소재(1)를 누르는 힘을 일정하게 유지하여 전위차의 편차 발생 원인을 해소하고 측정 정밀도를 향상시키는 효과가 있다. Therefore, the present invention can improve the measurement accuracy by eliminating the cause of the deviation of the potential difference by keeping the pressing force of the
또한, 측정모듈(132)은 프로브 핀(131a)이 측정한 전위차를 포함하는 전기적 특성을 실시간으로 데이터화하여 입력 받는다. 이렇게 데이터화하여 입력된 정보는 메인제어부(140)에 전달한다. In addition, the
온도 제어 스테이지(110), 온도 검출부(120), 및 측정부(130)는 진공상태에서 수행할 수 있도록 진공챔버(160)에 둘러싸여 있을 수 있다. 진공챔버(160)는 온도 검출부(120)로 온도센서 사용 시 주위 환경으로부터 반사되어 들어오는 적외선을 차단하기 위해 장비 외면에 적외선 차폐필름 등으로 코팅하여 막을 형성할 수 있다. The
여기서, 진공챔버(160)를 적용하면 대류에 의한 영향을 받지 않는 효과가 있다. Here, when the
메인제어부(140)는 온도 검출부(120)에서 검출된 박막 열전 소재(1)의 온도 정보에 따른 측정부(130)에서 측정된 전기적 특성 정보를 전달 받아 제벡계수를 도출한다. The
또한, 메인제어부(140)는 스테이지 컨트롤러(150)와 통신하여 설정 온도를 모니터링 할 수 있다.In addition, the
상기와 같은 구성으로 이루어진 본 발명의 실시예에 따른 박막 열전 소재(1)의 성능 평가방법은 도 6과 같다. The performance evaluation method of the thin film
먼저, 박막 열전 소재(1)를 온도 제어 스테이지(110)에 상단에 위치시킨다(S10). 이때, 박막 열전 소재(1)는 독립된 스테이지를 구비한 온도 제어 스테이지(110)에 박막 열전 소재를 위치시키는데 있어, 일측은 제1 온도 제어 스테이지(110a)의 상단에 위치하고, 타측은 제2 온도 제어 스테이지(110b)의 상단에 위치하는 것이 바람직하다First, the thin film
그리고, 온도 제어 스테이지(110) 상단에 위치한 박막 열전 소재(1)방향으로 온도 검출부(120) 및 측정부(131)의 프로브 핀(131a)이 동일 위치를 향하도록 한다. The
즉, 온도 검출부(120)가 검출한 박막 열전 소재(1)의 표면과 동일한 위치에 프로브 핀(131a)을 위치시킨다. That is, the
이어, 박막 열전 소재(1)의 시작온도, 온도편차(△T), 및 시험구간을 설정한다(S20). 여기서, 시작온도는 시험이 시작되는 온도를 의미하고, 온도편차는 온도 제어 스테이지(110)의 양측의 온도 차이를 의미하며, 시험구간은 시작 온도에서 이후로 진행될 온도 구간을 의미한다. Next, a start temperature, a temperature deviation (DELTA T), and a test period of the thin film
또한, 동일온도, 동일편차에서 수회 샘플링(Sampling)할 수 있도록 샘플링 횟수도 설정할 수 있으며, 온도 오차에 따른 신뢰도를 높이기 위해 수차례 샘플링 할 수 있다.In addition, the number of sampling times can be set so that sampling can be performed several times at the same temperature and the same deviation, and sampling can be performed several times in order to increase the reliability according to the temperature error.
여기서, 온도편차는 시작온도를 기준으로 설정하거나, 어느 일측 온도 제어 스테이지를 기준으로 설정될 수 있다. Here, the temperature deviation may be set based on the starting temperature, or may be set based on either one of the temperature control stages.
예를 들어, 온도 편차를 시작온도를 기준으로 설정하는 경우, 시작온도가 20℃이고, 온도편차가 2℃일 때, 제1 온도 제어 스테이지(110a)는 19℃이고 제2 온도 제어 스테이지(110b)는 21℃로 설정될 수 있다. For example, when the temperature deviation is set based on the start temperature, when the start temperature is 20 占 폚 and the temperature deviation is 2 占 폚, the first
또한, 어느 일 측의 온도 제어 스테이지(110)의 온도를 기준으로 설정하는 경우, 시작온도가 20℃이고, 온도편차가 2℃일 때, 제1 온도 제어 스테이지(110a)는 20℃이고, 제2 온도 제어 스테이지(110b)는 22℃로 설정 될 수 있다. When the temperature of the one
즉, 사용자는 시작온도 및 온도편차를 각각 복수로 설정하여 각 해당 시작온도 및 온도편차의 측정이 완료되면 재설정 없이 미리 설정해둔 시험구간으로 다음 온도 및 온도편차가 설정된다. 하기에서 시작온도부터 시험구간에 따라 설정된 다음 온도를 설정온도라 한다. That is, the user sets a plurality of start temperatures and temperature deviations, respectively, and sets the next temperature and temperature deviations to the preset test periods without resetting when the corresponding start temperature and temperature deviations are measured. In the following, the temperature set from the start temperature to the test zone is called the set temperature.
이어, 온도 제어 스테이지(110)의 온도를 승온 또는 하강시킨다(S30) 이때, 온도 제어 스테이지(110)는 박막 열전 소재(1)의 양끝단의 온도편차를 주기 위해 시작온도를 기준으로 각각 달리 설정하여 박막 열전 소재(1)의 양 끝단을 온도편차를 발생시킨다. Next, the
이어, 온도 제어 스테이지에 의해 박막 열전 소재(1)가 시작온도 및 설정온도에 도달하여 안정화 온도를 유지중인지 판단한다(S40). 이때, 박막 열전 소재(1)는 상단에 구비된 온도 검출부(120)에 의해 온도를 실시간으로 모니터링하여 기준 온도에서 약 1분 내지 2분정도로 유지되어 경과하면 안정화 단계 이르렀다고 판단할 수 있다. Next, it is determined whether the thin film
이어, 박막 열전 소재(1)의 온도가 시작온도 또는 설정온도에 도달하여 안정화 온도이면, 박막 열전 소재(1)의 양단의 전압을 측정한다(S50). 이때, 안정화 온도란 시작 온도 또는 설정온도에 도달한 후, 동일 온도가 유지되면서 기 설정된 시간을 초과하면 안정화된 온도로 판단할 수 있고, 안정화된 온도에서 박막 열전 소재의 표면에 닿아 있는 프로브 핀(131a)이 전압을 측정하게 된다. 이때, 기 설정된 샘플링 횟수만큼 측정한다. Next, if the temperature of the thin film
이어, 시작온도 또는 설정온도 및 온도편차로 온도 제어 스테이지(110)의 온도를 변경한다(S60). 이때, 시작온도가 20℃이고, 온도편차가 2℃인 경우, 다음 설정온도는 22℃가 된다. 하기에서 다시 설명한다. Subsequently, the temperature of the
이어, 온도 제어 스테이지(110)의 온도가 변경되면 온도 제어 스테이지(110)의 온도 승온 또는 하강부터 전압 측정까지 반복하여 수행하고, 설정된 시작 또는 설정온도 및 온도편차에 대한 전압 측정이 끝이 나면, 온도편차에 대한 전위차를 측정하여 선형피팅법을 적용하여 기울기(제벡 계수)를 도출한다(S70).When the temperature of the
상기의 방법을 간략히 설명하면, 제1 온도 제어 스테이지(110a)를 기준으로 시작온도가 20℃, 온도편차가 2℃, 시험구간이 5, 샘플링수가 5회이면, 제1 온도 제어 스테이지(110a)는 20℃이고, 제2 온도 제어 스테이지(110b)는 22℃ 이며, 이 구간에서 5회의 샘플링을 수행한다. 이때, 실질적인 온도편차는 약1.9 내지 2.1℃으로 오차가 발생될 수 있다. If the starting temperature is 20 ° C, the temperature deviation is 2 ° C, the test period is 5, and the sampling number is 5 times based on the first
5회의 샘플링이 종료되면 다음 시험 구간으로 제1 온도 제어 스테이지(110a)는 22℃, 24℃, 26℃, 28℃, 및 30℃ 순으로 가변되고, 제2 온도 제어 스테이지(110b)는 24℃, 26℃, 28℃, 30℃, 및 32℃ 순으로 가변하여 박만 열전소재의 양단 끝의 전압을 측정하게 된다. The first
즉, 온도편차 및 전위차로 제벡계수를 도출한다. That is, the Seebeck coefficient is derived from the temperature deviation and the potential difference.
하기의 표1은 시작온도 293K이고, 온도편차가 0.5K, 시험구간이 4, 및 샘플링 5회 일 때, 상기와 같은 장치와 방법을 이용하여 온도편차별 전압을 측정한 것으로 온도편차와 전압차에 따른 그래프는 도 7과 같으며, 이와 같이, 동일한 조건 하에서도 실제 측정 시 일정 범위의 분포를 가지며 이를 수치화 및 데이터화하기 위해서는 1차 함수 선형 피팅법을 적용하여 기울기를 계산하여, 제벡계수(S)가 88.189임을 알 수 있다.Table 1 below shows the results of measuring the temperature difference voltage using the apparatus and method as described above when the starting temperature is 293 K, the temperature deviation is 0.5 K, the test section is 4, and the sampling is 5 times. 7, as shown in FIG. 7, in the same condition, the distribution has a certain range in the actual measurement. In order to digitize and data thereof, the slope is calculated by applying a first-order linear fitting method, ) Is 88.189.
상기 표 1과 같은 방법으로 각 온도 별로 제벡계수를 구하면 표 2와 같으며, 이에 따른 그래프는 도 8과 같이 나타낼 수 있다. Table 2 shows the obtained Seebeck coefficient for each temperature in the same manner as in Table 1, and a graph of the Seebeck coefficient can be shown in FIG.
상기와 같은 박막 열전 소재의 성능 평가 장치 및 방법은 위에서 설명된 실시예들의 구성과 작동 방식에 한정되는 것이 아니다. 상기 실시예들은 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 구성될 수도 있다.
The apparatus and method for evaluating the performance of a thin-film thermoelectric material as described above are not limited to the configuration and operation of the embodiments described above. The embodiments may be configured so that all or some of the embodiments may be selectively combined so that various modifications may be made.
1: 박막 열전 소재
100: 성능 평가 장치 110: 온도 제어 스테이지
110a: 제1 온도 제어 스테이지 110b: 제2 온도 제어 스테이지
111: 히트싱크 120: 온도 검출부
130: 측정부 131: 프로브 스테이션
131a: 프로브 핀 131b: 높이조정 노브
131c: 하중 조정부 132: 측정모듈
140: 메인제어부 150: 스테이지 컨트롤러
160: 진공챔버 170: 지지부재1: Thin film thermoelectric material
100: performance evaluation device 110: temperature control stage
110a: first
111: heat sink 120: temperature detector
130: measuring part 131: probe station
131a: Probe
131c: Load adjustment unit 132: Measurement module
140: main controller 150: stage controller
160: vacuum chamber 170: support member
Claims (9)
상기 박막 열전 소재의 표면에서 방출하는 표면온도를 측정하는 온도 검출부;
상기 박막 열전 소재의 표면을 접촉하여 발생하는 전기적 특성을 측정하는 측정부;
상기 온도 검출부에서 검출된 박막 열전 소재의 온도 정보에 따른 측정부에서 측정된 전기적 특성 정보를 전달 받아 제벡계수를 도출하는 메인제어부;를 포함하되,
상기 온도 제어 스테이지는 히팅(heating) 및 쿨링(cooling)으로 상기 박막 열전 소재의 양단면에 온도편차를 발생시키고,
상기 측정부는 프로브 스테이션 및 측정모듈을 포함하되, 프로브 스테이션은 접촉저항을 줄이기 위해 백금으로 형성되어 상기 박막 열전 소재의 표면을 직접 접촉하여 전기적 특성을 측정하는 핀 형태의 프로브 핀; 상기 프로브 핀이 Z축 방향으로 이동하여 상기 박막 열전 소재를 접촉하게 하는 높이조정노브; 및 상기 프로브 핀과 상기 박막 열전 소재의 접촉 시 일정한 하중으로 프로브 핀이 박막 열전 소재를 누를 수 있도록 조정하는 하중 조정부;를 포함 하는 것을 특징으로 하는 박막 열전 소재의 성능 평가 장치.
A temperature control stage for controlling the temperatures of both ends of the thin film thermoelectric material;
A temperature detector for measuring a temperature of a surface of the thin film thermoelectric material;
A measuring unit for measuring electrical characteristics generated by contacting the surface of the thin-film thermoelectric material;
And a main controller for receiving the electrical characteristic information measured by the measuring unit according to the temperature information of the thin film thermoelectric material detected by the temperature detector to derive a bake stress coefficient,
The temperature control stage generates a temperature variation in both end faces of the thin film thermoelectric material by heating and cooling,
The probe unit includes a probe station and a measurement module. The probe station includes a pin-shaped probe pin formed of platinum to reduce the contact resistance and directly contacting the surface of the thin-film thermoelectric material to measure electrical characteristics. A height adjustment knob for moving the probe pin in the Z-axis direction to contact the thin film thermoelectric material; And a load adjuster for adjusting the probe pin to press the thin film thermoelectric material with a predetermined load when the probe pin and the thin film thermoelectric material are in contact with each other.
상기 온도 검출부는 비접촉식 온도센서 또는 적외선 카메라인 박막 열전 소재의 성능 평가 장치.
The method according to claim 1,
Wherein the temperature detector is a non-contact temperature sensor or an infrared camera.
상기 온도 제어 스테이지의 온도를 제어하는 스테이지 컨트롤러를 더 포함하는 박막 열전 소재의 성능 평가 장치.
The method according to claim 1,
And a stage controller for controlling the temperature of the temperature control stage.
상기 측정모듈은 상기 프로브 핀이 측정한 전기적 특성을 데이터화하는 박막 열전 소재의 성능 평가 장치.
The method according to claim 1,
Wherein the measurement module converts the electrical characteristics measured by the probe pin into data.
상기 프로브 핀은 상기 검출부가 측정한 박막 열전 소재의 동일한 위치의 표면에 접촉하는 박막 열전 소재의 성능 평가 장치.
The method according to claim 1,
Wherein the probe pin contacts a surface of the same position of the thin-film thermoelectric material measured by the detector.
상기 온도 제어 스테이지, 온도 검출부, 및 측정부가 진공상태에서 수행할 수 있도록 둘러싸는 진공챔버;를 더 포함하는 박막 열전 소재의 성능 평가 장치.
The method according to claim 1,
And a vacuum chamber enclosing the temperature control stage, the temperature detection unit, and the measurement unit so that they can be performed in a vacuum state.
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