KR101695569B1

KR101695569B1 - 열전성능 측정 장치

Info

Publication number: KR101695569B1
Application number: KR1020150142076A
Authority: KR
Inventors: 임재홍; 이규환; 임동찬
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2015-10-12
Filing date: 2015-10-12
Publication date: 2017-01-12

Abstract

본 발명은 열전성능 측정장치로서, 열전재료 시료의 양측에 수평으로 이격되게 배치되어 시료를 지지하는 제1 시료대 및 제2 시료대, 제1 시료대 및 제2 시료대에 각각 연결되어 시료대가 시료를 크기에 따라 지지가능 하도록 평면에서 왕복 이동하는 제1 시료대 지지 스테이지 및 제2 시료대 지지 스테이지 및 상하 좌우로 이동 가능하도록 배치되어, 시료와 접촉하여 접촉점의 온도 및 접촉점 사이를 흐르는 전압을 계측하는 복수의 프로브를 포함하여, 시료의 형태 및 크기와 관계없이 열전성능 측정이 가능한 열전성능 측정장치에 관한 것이다.

Description

열전성능 측정 장치{Thermoelectric property measurement system}

본 발명은 열전성능 측정 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 열전 재료의 형태와 상관없이 열전 성능을 측정 가능한 열전성능 측정 장치에 관한 것이다.

고체 상태인 소재의 양단에 존재하는 온도차에 의해 열 의존성을 갖는 전자(혹은 홀)는 양단에서 농도차이가 발생하고 이것은 열기전력이라는 전기적인 현상으로 나타난다. 이러한 열전현상은 전기적 에너지를 생산하는 열전 발전과, 반대로 전기 공급에 의해 양단의 온도차를 유발하는 열전냉각/가열로 구분할 수 있다. 열전재료는 발전과 냉각 과정에서 오염물질의 배출이 없어 친환경적이고 지속가능한 장점을 가지고 있어서 많은 연구가 이루어 지고 있다. 특히 고열의 엔진, 화력발전, 소각장 등의 환경에서 발생하는 배기열과 폐열을 이용하여 열전발전을 하여 에너지 하베스팅(energy harvesting)을 할 수 있는 신재생 에너지 관련 분야에 대한 관심이 높다.

도 1은 일반적인 구조의 열전성능 측정장치를 나타낸 개략적인 도면이다. 재료양단간의 온도차를 주어 발생 하는 제벡 전압을 측정하여 제벡 계수를 산출할 수 있다. 하지만, 상기 구조의 열전성능 측정장치는 사각기둥 또는 원기둥의 벌크 형태만 측정이 가능하며, 샘플의 크기는 2mm~4mm x 5mm~22mm와 같이 제한 되는 것이 일반적이다.

열전재료의 연구를 위해서는 다양한 형태를 가지는 시료의 열전성능의 평가가 필수적이며, 현재의 열전성능 측정 방법으로는 새로운 구조의 열전재료와 열전모듈 자체의 성능 평가에는 한계가 있다. 따라서, 보다 정확하고, 다양한 형태를 가지는 열전 재료의 열전성능을 측정할 수 있는 열전성능 측정 장치에 대한 요구가 존재한다.

1. 한국공개특허 제2015-0007686호 2. 일본공개특허 제2009-0258032호

본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는, 박막 또는 곡면 형태 등의 열전재료 시료의 형태 및 크기 관계없이 열전성능 측정이 가능한 열전성능 측정 장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는, 열전 소자를 포함하여 열전재료 시료의 양단에 큰 온도차를 일정하게 유지하면서 열전성능 측정이 가능한 열전성능 측정 장치를 제공하는데 있다.

그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상에 따른 열전성능 측정장치는 열전재료 시료의 양측에 수평으로 이격되게 배치되어 상기 시료를 지지하는 제1 시료대 및 제2 시료대, 상기 제1 시료대 및 제2 시료대에 각각 연결되어 상기 시료대가 상기 시료를 크기에 따라 지지가능 하도록 평면에서 왕복 이동하는 제1 시료대 지지 스테이지 및 제2 시료대 지지 스테이지 및 상하 좌우로 이동 가능하도록 배치되어, 상기 시료와 접촉하여 접촉점의 온도 및 접촉점 사이를 흐르는 전압을 계측하는 복수의 프로브를 포함하여, 상기 시료의 형태 및 크기와 관계없이 열전성능 측정이 가능하다.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 시료가 박막 또는 곡면 형태인 경우, 상기 시료의 양단부가 상기 제1 시료대 및 제2 시료대 상부 면에 각각 연접하여 지지되고, 상기 프로브가 상기 시료의 상부면에 접촉하여 열전성능을 측정할 수 있다.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 시료가 벌크 형태인 경우, 상기 시료가 상기 양측 시료대의 사이 공간에 삽입되어 지지되고, 상기 프로브가 상기 시료의 일면에 접촉하여 열전성능을 측정할 수 있다.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 제1 시료대를 가열하는 가열부 및 상기 제2 시료대를 냉각하는 냉각부를 더 포함하여, 상기 제1 시료대 및 제2 시료대에 의해 지지되는 상기 시료 양단에 온도차를 유발할 수 있다.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 가열부는 상기 제1 시료대의 상부 및 하부에 각각 열전 소자를 구비하여 상기 제1 시료대를 가열할 수 있다.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 가열부의 열전 소자의 흡열면에 연결되고, 상기 제1 시료대 지지 스테이지에 고정되는 제1 지지 연결부 및 상기 냉각부의 열전 소자의 발열면에 연결되고, 상기 제2 시료대 지지 스테이지에 고정되는 제2 지지 연결부를 더 구비할 수 있다.

본 발명의 일부 실시예들에 있어서, 상기 열전재료 시료의 열전 성능 측정이 이루어지는 진공 챔버 및 상기 시료의 둘레를 포위하는 단열재를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 기술적 사상에 따른 열전성능 측정장치는 열전 재료의 형태 및 크기와 관계없이 열전성능 측정이 가능하다.

또한, 열전재료 시료의 양단에 큰 온도차를 일정하게 유지하면서 열전성능 측정이 가능하다.

도 1은 일반적인 구조의 열전성능 측정장치를 설명하기 위한 개략적인 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 박막 형태의 시료를 측정하는 열전성능 측정장치를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 벌크 형태의 시료를 측정하는 열전성능 측정장치를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 박막 형태의 시료를 측정하는 열전성능 측정장치의 측면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 벌크 형태의 시료를 측정하는 열전성능 측정장치의 측면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 열전성능 측정장치를 이용하여 측정한 재료의 제벡 계수 측정 결과를 도시한 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 기술적 사상을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 기술적 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 동일한 부호는 시종 동일한 요소를 의미한다. 나아가, 도면에서의 다양한 요소와 영역은 개략적으로 그려진 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 사상은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되지 않는다.

도 2는 본 발명에 따른 박막 형태의 시료를 측정하는 열전성능 측정장치를 나타낸 도면이다. 본 발명에 따른 열전성능 측정장치는 시료대(10), 시료대 지지 스테이지(20) 및 프로브(30)를 포함하여, 상기 시료의 형태 및 크기와 관계없이 열전성능 측정이 가능하다.

상기 시료대(10)는 제1 시료대(10a) 및 제2 시료대(10b)로 구성되고 열전재료 시료(1)의 양측에 수평으로 이격되게 배치되어, 상기 시료(1)를 지지할 수 있다.

상기 시료대 지지 스테이지(20)는 이동하는 제1 시료대 지지 스테이지(20a) 및 제2 시료대 지지 스테이지(20b)로 구성되고 상기 양측 시료대(10)에 각각 연결되어, 상기 시료대(10)가 상기 시료(1)를 크기에 따라 지지가능 하도록 평면에서 왕복 이동할 수 있다.

상기 프로브(30)는 상하 좌우로 이동 가능하도록 배치되어, 상기 시료(1)와 접촉하여 접촉점의 온도 및 접촉점 사이를 흐르는 전압을 계측할 수 있다. 또한 프로브(30)는 2개 이상의 복수의 프로브로 구성되어 접촉점 사이를 흐르는 전압을 계측할 수 있다.

도 2와 같이, 상기 시료(1)가 박막 또는 곡면 형태인 경우, 상기 시료(1)의 양단부가 상기 제1 시료대(10a) 및 제2 시료대(10b) 상부 면에 각각 연접하여 지지되고, 상기 프로브(30)가 상기 시료(1)의 상부 면에 접촉하여 열전성능을 측정할 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 벌크 형태의 시료를 측정하는 열전성능 측정장치를 나타낸 도면이다. 상기 시료(2)가 벌크 형태인 경우, 상기 시료(2)가 상기 양측 시료대(10)의 사이 공간에 삽입되어 지지되고, 상기 프로브(30)가 상기 시료(2)의 일면에 접촉하여 열전성능을 측정할 수 있다.

이와 같이, 본 발명에 따른 열전성능 측정장치는 시료의 크기에 따라 지지가능 하도록 시료대의 위치를 조정할 수 있으며, 수평으로 배치되어 시료가 박막 또는 곡면의 형태인 경우에도 시료대 상부에 배치하여 지지할 수 있고 동시에, 측정 프로브가 상하 좌우로 이동 가능하여 시료의 형태 및 크기와 관계없이 열전성능 측정이 가능한 장점이 있다.

도 4는 본 발명에 따른 박막 형태의 시료를 측정하는 열전성능 측정장치의 측면도이고, 도 5는 본 발명에 따른 벌크 형태의 시료를 측정하는 열전성능 측정장치의 측면도이다. 상기 제1 시료대(10a)를 가열하는 가열부(40) 및 상기 제2 시료대(10b)를 냉각하는 냉각부(50)를 더 포함하여, 상기 제1 시료대(10a) 및 제2 시료대(10b)에 의해 지지되는 상기 시료(1, 3) 양단에 온도차를 유발할 수 있다.

이와 같이 시료에 온도차를 유발하여 열전재료가 실제 사용되는 환경과 유사한 환경에서 열전성능을 측정할 수 있다. 열전재료가 실제로 사용되는 환경은 양단의 온도차가 작게는 수십℃, 크게는 수백℃의 차이가 발생하게 된다. 챔버 전체를 가열하는 것이 아니라 시료대 각각에 가열부 냉각부를 적용하여 높은 온도차를 양단에 적용할 수 있다.

열전 소자에 전류를 흐르게 하여 전위차를 인가하면 펠티어 효과에 의하여 열전 소자의 일단(발열면)은 가열되고 타단(흡열면)은 냉각된다. 전류의 방향을 바꾸면 발열면와 흡열면 역시 반대로 변한다.

시료대를 열전 소자의 발열면과 접촉시키면 시료대를 가열할 수 있고, 시료대를 열전 소자의 흡열면과 접촉시키면 시료대를 냉각할 수 있다.

가열부(40)는 제1 시료대(10a)의 하부에 열전 소자의 발열면이 위치하도록 구성하여 제1 시료대(10a)를 가열할 수 있다. 제1 시료대(10a)의 상부와 하부에 열전 소자(41, 42)의 발열면이 위치하도록 구성하면 더 효과적으로 제1 시료대(10a)를 가열할 수 있다.

또한, 상기 가열부(40)는 상기 제1 시료대 지지 스테이지(20a)에 고정되고 상기 열전 소자(41, 42)의 흡열면에 연결되어 냉각되는 제1 지지 연결부(43, 44)를 더 구비할 수 있다. 상기 제1 지지 연결부(43, 44)는 상부와 하부의 열전 소자(41, 42) 중에 하나에 연결되어 구비될 수 있고, 각각 연결되어 구비될 수 있다.

이에 따라 상기 제1 시료대(10a)는 상기 제1 지지 연결부(43, 44)를 통하여 상기 제1 시료대 지지 스테이지(20a)와 연결되어 지지됨으로써, 상기 시료(1)의 크기에 맞추어 제1 시료대 지지 스테이지(20a)를 이동하여 상기 시료(1)의 크기와 관계없이 지지할 수 있다. 상기 냉각부(50)는 제2 시료대(10b)의 하부에 열전 소자의 흡열면이 위치하도록 구성하여 제2 시료대(10b)를 냉각할 수 있다.

제2 시료대(10b)의 상부와 하부에 열전 소자(51, 52)의 흡열면이 위치하도록 구성하면 더 효과적으로 제2 시료대(10b)를 냉각할 수 있다.

또한, 상기 냉각부(50)는 상기 제2 시료대 지지 스테이지(20b)에 고정되고 상기 열전 소자(51, 52)의 발열면에 연결되어 가열되는 제2 지지 연결부(53, 54)를 더 구비할 수 있다. 상기 제2 지지 연결부(53, 54)는 상부와 하부의 열전 소자(51, 52) 중에 하나에 연결되어 구비될 수 있고, 각각 연결되어 구비될 수 있다.

이에 따라 상기 제2 시료대(10b)는 상기 제2 지지 연결부(53, 54)를 통하여 상기 제2 시료대 지지 스테이지(20b)와 연결되어 지지됨으로써, 상기 시료(1)의 크기에 맞추어 제2 시료대 지지 스테이지(20b)를 이동하여 상기 시료(1)의 크기와 관계없이 지지할 수 있다.

본 발명에 따른 열전성능 측정장치는 상기 열전재료 시료의 열전 성능 측정이 이루어지는 진공 챔버(미도시) 및 상기 시료의 둘레를 포위하는 단열재(미도시)를 더 포함할 수 있다.

도 6은 본 발명에 따른 열전성능 측정장치를 이용하여 측정한 재료의 제벡 계수 측정 결과를 도시한 그래프이다. 비교예는 ULVAC의 ZEM-3 장비로 측정한 제벡 계수 측정 결과이다. 본 발명에 따른 열전성능 측정장치는 열전 재료의 형태와 상관없이 열전 성능을 측정 가능한 동시에 우수한 정확도를 가짐을 나타낸다.

이상에서 설명한 본 발명의 기술적 사상이 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은, 본 발명의 기술적 사상이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

1: 박막형태의 시료 2: 벌크형태의 시료
3. 곡면형태의 시료 10: 시료대
20: 시료대 지지 스테이지 30: 프로브
41, 42, 51, 52: 열전 소자 43, 44: 제1 지지 연결부
53, 54: 제2 지지 연결부

Claims

열전재료 시료의 양측에 수평으로 이격되게 배치되어 상기 시료를 지지하는 제1 시료대 및 제2 시료대;
상기 제1 시료대 및 제2 시료대에 각각 연결되어 상기 시료대가 상기 시료를 크기에 따라 지지가능 하도록 평면에서 왕복 이동하는 제1 시료대 지지 스테이지 및 제2 시료대 지지 스테이지; 및
상하 좌우로 이동 가능하도록 배치되어, 상기 시료와 접촉하여 접촉점의 온도 및 접촉점 사이를 흐르는 전압을 계측하는 복수의 프로브를 포함하여,
상기 시료의 형태 및 크기와 관계없이 열전성능 측정이 가능하며,
상기 제1 시료대를 가열하는 가열부 및 상기 제2 시료대를 냉각하는 냉각부를 더 포함하여, 상기 제1 시료대 및 제2 시료대에 의해 지지되고,
상기 가열부는 상기 제1 시료대의 상부 및 하부에 각각 열전 소자를 구비하여, 펠티어 효과에 의해 상기 제1 시료대를 가열하고,
상기 냉각부는 상기 제2 시료대의 상부 및 하부에 각각 열전 소자를 구비하여, 펠티어 효과에 의해 상기 제2 시료대를 냉각하는 열전성능 측정장치.
제1항에 있어서,
상기 시료가 박막 또는 곡면 형태인 경우, 상기 시료의 양단부가 상기 제1 시료대 및 제2 시료대 상부 면에 각각 연접하여 지지되고, 상기 프로브가 상기 시료의 상부면에 접촉하여 열전성능을 측정하는 열전성능 측정장치.
제1항에 있어서,
상기 시료가 벌크 형태인 경우, 상기 시료가 상기 양측 시료대의 사이 공간에 삽입되어 지지되고, 상기 프로브가 상기 시료의 일면에 접촉하여 열전성능을 측정하는 열전성능 측정장치.
삭제
삭제
제1항에 있어서,
상기 가열부에 구비된 열전 소자의 흡열면에 연결되고, 상기 제1 시료대 지지 스테이지에 고정되는 제1 지지 연결부 및
상기 냉각부에 구비된 열전 소자의 발열면에 연결되고, 상기 제2 시료대 지지 스테이지에 고정되는 제2 지지 연결부를 더 구비하는 열전성능 측정장치.
제1항에 있어서,
상기 열전재료 시료의 열전 성능 측정이 이루어지는 진공 챔버 및
상기 시료의 둘레를 포위하는 단열재를 더 포함하는 열전성능 측정장치.