KR102164784B1 - 열전냉각소자의 수명시험 방법 - Google Patents

열전냉각소자의 수명시험 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 열전냉각소자의 수명시험 방법에 관한 것으로서 보다 상세하게는 열전냉각소자의 가속시험을 위한 장비에 의하여 수행되며, 상기 장비는 열전냉각소자의 가속 시험을 위한 장비의 가속조건을 설정하여 입력받는 단계; 상기 가속조건으로부터 가속계수를 도출하는 단계; 상기 가속계수로부터 수명시험시간을 도출하는 단계; 상기 수명시험시간에 따라서 열전냉각소자의 응력에 의한 피로파괴 가속시험을 개시하는 단계; 및 상기 응력에 의한 피로파괴 가속시험이 종료되는 단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 열전냉각소자의 수명시험 방법을 제공한다.

Description

열전냉각소자의 수명시험 방법{Life test method for thermoelectric module}
본 발명은 열전냉각소자의 수명시험 방법에 관한 것으로서 보다 상세하게는 열전냉각소자의 가속시험을 위한 장비에 의하여 수행되며, 상기 장비는 열전냉각소자의 가속 시험을 위한 장비의 가속조건을 설정하여 입력받는 단계; 상기 가속조건으로부터 가속계수를 도출하는 단계; 상기 가속계수로부터 수명시험시간을 도출하는 단계; 상기 수명시험시간에 따라서 열전냉각소자의 응력에 의한 피로파괴 가속시험을 개시하는 단계; 및 상기 응력에 의한 피로파괴 가속시험이 종료되는 단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 열전냉각소자의 수명시험 방법을 제공한다.
열전냉각소자는 2개의 이종 금속 접합부를 통해서 전류를 흘렸을 때 열이 흡수된다는 페르티에 효과에 따라서 만들어진 전자 열 펌프이다. Bi2Te3, Sb2Te3와 같은 반도체와 금속의 접합부에서의 같은 효과를 이용한 것도 있으며, 반도체를 사용한 것은 양전극 · n형 반도체 · 중간 전극 · p형 반도체 · 음전극이라는 구성에 의해 전극을 통해서 통전함으로써 음, 양의 양 전극측을 발열원, 중간 전극을 흡열원으로 하는 열 펌프가 이루어진다.
이와 같은 열전냉각소자는 열 펌프로서 신뢰성이 구축되어야 하며, 따라서 열전냉각소자의 수명을 결정하는 것은 매우 중요하다.
열전소자의 수명예측에 관한 선행기술로서, 대한민국등록특허 제1484956호 "열전소자의 시험장치 및 그 시험방법"이 개시된 바 있는데, 동 선행기술은 열전소자의 불량품 및 수명을 손쉽고 빠르게 판별할 수 있는 열전소자의 시험장치 및 그 시험방법에 관한 것이다. 동 선행기술에 따른 열전소자의 시험장치 및 그 시험방법은 열전소자를 지그에 고정시킨 다음, 직류 전압을 제공하고, 열전소자의 내부저항을 측정하여 불량을 판별함으로써, 많은 양의 열전소자를 신속/정확하게 정상 또는 불량으로 판별할 수 있고, 이로 인하여 정상 열전소자만 선택하여 향후에 수명 판별할 수 있어 시험 효율 및 정확성을 높일 수 있는 이점이 있다. 또한, 열전소자에 정출력과 역출력의 직류 전압을 번갈아가면서 제공하고, 열전소자의 양단에 흡열과 발열 반응이 번갈아가면서 이뤄지는 과정에서 열전소자의 양단 온도 변화에 따라 수명을 판별함으로써, 열전소자에 임의의 온도차를 제공하기 위한 장치를 생략할 수 있고, 나아가 열전소자에 전기적 충격과 열적 충격을 동시에 제공하면서 시험할 수 있어 수명 판별에 정확성과 생산성을 높일 뿐 아니라 시험시간을 단축시킬 수 있는 이점이 있다.
그러나, 동 기술은 열전소자의 수명을 예측할 수 있는 방법에 대해서만 개시하고 있을 뿐, 열전소자의 가속수명을 도출하고 이로부터 시험시간을 단축할 수 있는 방법에 관한 것이 아니다.
따라서, 열전냉각소자에 관한 정량적이고 오류가 최소화된 수명시험 방법의 제안이 필요하다.
대한민국등록특허 제1484956호
본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명은 사용온도구간과 가속시험 온도구간의 비율을 통하여 가속계수를 도출하고, 가속계수로부터 열전냉각소자의 가속조건을 DC 전압에 대해서 설정하며, 이로부터 가속계수에 의한 수명 시험시간을 설정한 후, 실제 열전냉각소자를 가열하여 응력에 의한 피로파괴가 이루어짐으로써 전기저항이 기준치 이상이 되는지 여부를 판단하여, 전기저항이 기준치 이상이 되는 시간이 가속 수명 시험시간 이상인 경우 해당 열전냉각소자의 가속 수명이 적합한 것으로 결정할 수 있도록 하되, 가속수명시간의 기준점을 세움으로써 열전냉각소자의 응력에 의한 피로파괴 시험시간을 단축할 수 있는 열전냉각소자의 수명시험 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 열전냉각소자의 정량적 수명시험방법 및 오차가 최소화된 수명시험 방법을 제시하도록 하는 열전냉각소자의 수명시험 방법을 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.
본 발명은 전술한 목적을 달성하기 위하여, 열전냉각소자의 가속시험을 위한 장비에 의하여 수행되며, 상기 장비는 열전냉각소자의 가속 시험을 위한 장비의 가속조건을 설정하여 입력받는 단계; 상기 가속조건으로부터 가속계수를 도출하는 단계; 상기 가속계수로부터 수명시험시간을 도출하는 단계; 상기 수명시험시간에 따라서 열전냉각소자의 응력에 의한 피로파괴 가속시험을 개시하는 단계; 및 상기 응력에 의한 피로파괴 가속시험이 종료되는 단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 열전냉각소자의 수명시험 방법을 제공한다.
상기 열전냉각소자의 결함 여부 시험은 납땜부의 균열 여부 시험인 것이 바람직하다.
상기 응력에 의한 피로파괴 시험이 종료되는 단계; 이전에, 열전냉각소자의 전기저항이 미리 설정된 기준치 이상인지 확인하는 단계;를 더 포함하며, 상기 기준치 이상에 충족하지 않는 경우, 응력에 의한 피로파괴 시험이 반복 수행되는 것이 바람직하다.
상기 장비는 전압인가 온도사이클 시험장치인 것이 바람직하다.
가속시험시 설정되는 온도의 상한과 하한의 차이는 실제 사용시(사용수명시험시) 설정되는 온도의 상한과 하한의 차이보다 더 큰 것이 바람직하다.
상기 가속조건으로부터 가속계수를 도출하는 단계;는, 가속시험시 설정된 온도의 상한과 하한의 차이값을 분자로 하고, 실제 사용시 설정된 온도의 상한과 하한의 차이값을 분모로 하여 연산하는 제1단계; 상기 연산된 이후에 도출된 값을 재료상수를 승수로하여 연산하는 제2단계;를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
사용수명을 분자로 하고, 가속수명을 분모로 하는 값은 상기 제2단계의 값과 등가인 것이 바람직하다.
상기 재료상수는 2 ~ 3의 값인 것이 바람직하다.
상기 응력에 의한 피로파괴 가속시험은, 열전냉각소자에 순방향 전압을 인가하는 단계; 상기 순방향 전압 인가과정에서 온도를 미리설정된 상한값까지 상승시키는 단계; 상기 순방향 전압을 중단하고, 열전냉각소자에 역방향 전압을 인가하는 단계; 및 상기 역방향 전압 인가과정에서 온도를 미리설정된 하한값까지 하강시키는 단계;를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
상기 순방향 전압 인가과정에서 온도를 상승시키는 단계는 90℃의 온도까지 상승시키고, 상기 역방향 전압 인가과정에서 온도를 하강시키는 단계는 20℃의 온도까지 하강시키는 것이 바람직하다.
이상과 같은 본 발명에 따르면, 열전냉각소자의 가속조건을 DC 전압에 대해서 설정하고, 이로부터 가속계수에 의한 수명 시험시간을 설정한 후, 실제 열전냉각소자를 가열하여 응력에 의한 피로파괴가 이루어짐으로써 전기저항이 기준치 이상이 되는지 여부를 판단하여, 전기저항이 기준치 이상이 되는 시간이 가속 수명 시험시간 이상인 경우 해당 열전냉각소자의 가속 수명이 적합한 것으로 결정할 수 있도록 하되, 가속수명시간의 기준점을 세움으로써 열전냉각소자의 열화 시험시간을 단축할 수 있는 효과를 기대할 수 있다.
또한, 열전냉각소자의 정량적 수명시험방법 및 오차가 최소화된 수명시험 방법을 제시하도록 하는 효과를 기대할 수 있다.
도 1은 본 발명에서 열전냉각소자의 시험에 사용된 전압인가 온도 사이클 시험장치를 나타내는 도면이다.
도 2는 종래의 열전냉각소자의 사용 수명 시험방법을 나타내는 플로우차트이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 열전냉각소자의 가속 수명 시험방법을 나타내는 플로우차트이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 열전냉각소자의 응력에 의한 피로파괴시험을 나타내는 플로우차트이다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명하도록 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명을 설명함에 있어서, 정의되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의 내려진 것으로, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명에서 열전냉각소자의 시험에 사용된 전압인가 온도 사이클 시험장치를 나타내는 도면이고, 도 2는 종래의 열전냉각소자의 사용 수명 시험방법을 나타내는 플로우차트이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 열전냉각소자의 가속 수명 시험방법을 나타내는 플로우차트이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 열전냉각소자의 응력에 의한 피로파괴시험을 나타내는 플로우차트이다.
가속수명시험은 수명을 추정하기 위해 짧은 시간 동안 높은 스트레스 인가하는 시험방법을 의미한다. 이와 같은 가속수명시험을 수행하게 되면, 열전냉각소자에 대한 수명 시험과 같이 장시간이 소요되는 시험 시간을 획기적으로 단축할 수 있게 된다. 다만, 열전냉각소자에 대한 가속수명시험을 수행하기 위해서는 열전냉각소자의 가속수명 시험에 적합한 수명 시험 방법이 정립되어야 한다. 본 발명은 이에 관한 것이다.
본 발명은 열전냉각소자의 가속시험을 위한 장비에 의하여 수행되며, 상기 장비는 열전냉각소자의 가속 시험을 위한 장비의 가속조건을 설정하여 입력받는 단계; 상기 가속조건으로부터 가속계수를 도출하는 단계; 상기 가속계수로부터 수명시험시간을 도출하는 단계; 상기 수명시험시간에 따라서 열전냉각소자의 응력에 의한 피로파괴 가속시험을 개시하는 단계; 및 상기 응력에 의한 피로파괴 가속시험이 종료되는 단계;를 포함하여 구성된다. 이는 도 3에 도시되었으며, 종래의 수명시험방법인 도 2를 개선한 것이다.
즉, 본 발명은 열전냉각소자의 가속수명을 결정하는 방법에 관한 것이며, 향후 가속수명을 기준값으로 하여, 각 제조원별로 제조된 열전냉각소자를 본 가속수명을 기준값으로 하는 상대적 수명을 측정함으로써 해당 열전냉각소자가 제대로 제작되었는지 확인할 수 있다. 즉, 해당 열전냉각소자의 불량 또는 고장여부 확인, 소재 제조조건의 수정 가능성 확인 등이 가능하다.
이하에서는 본 발명에서 적용된 가속계수와 수명시험시간을 설정하는 과정을 수식으로 나타내었다.
시험시간은 열전냉각소자가 현장에서 사용될 기간을 고려한 설계수명에 따라서 결정한다. 본 발명에서는 열전냉각소자의 B10 수명(가속수명 B10test, 사용수명 B10use)을 신뢰수준 60%로 보장할 수 있는 인증시험방식을 설계하였다.
본 발명에서는 와이블 분포를 따르고, 신뢰수준(1-β), 열전냉각소자 시료수 n, 형상 모수 m일 경우 각 시료당 시험 시간은 다음과 같다.
Figure 112019027788938-pat00001
예를 들어, 신뢰수준 60 %, 시료수 8개, 형상 모수 3.6일 경우, 각 시료당 시험 시간은 다음과 같다.
Figure 112019027788938-pat00002
일반적으로 열전냉각모듈의 일반적인 수명(실사용 시간)시험 방법은 온도조건의 하한이 40℃이고, 온도조건의 상한이 90 ℃이나, 표 1에서와 같이 가속시험 온도조건의 하한을 20℃로 하고, 상한을 90℃로 하여 가속 시험할 경우, Coffin-Manson식에 의한 가속 계수는 아래와 같다.
Figure 112019027788938-pat00003
여기서, N은 시험시 사이클(cycle, 반복) 수이고, a는 재료상수이며, △T는 사용조건 또는 가속시험조건에서의 온도의 상한과 하한의 차이이다.
즉, 가속시험시 설정되는 온도의 상한과 하한의 차이는 실제 사용시(사용수명시험시) 설정되는 온도의 상한과 하한의 차이보다 더 크다.
위 가속계수를 도출하는 과정을 일반화하면, 가속조건으로부터 가속계수를 도출하는 단계는, 가속시험시 설정된 온도의 상한과 하한의 차이값을 분자로 하고, 실제 사용시 설정된 온도의 상한과 하한의 차이값을 분모로 하여 연산하는 제1단계, 상기 연산된 이후에 도출된 값을 재료상수를 승수로하여 연산하는 제2단계를 포함하여 구성된다.
수명 시험 사이클
B 10 수명(년) 1 2 3 4 5 10
B 10 수명(시간) 8 760 17 520 26 280 35 040 43 800 87 600
시료당 시험시간(t) 4 575 9 149 13 724 18 298 22 873 45 746
시험사이클 1 906 3 812 5 718 7 642 9 530 19 060
시험기준(사이클) 2 000 4 000 6 000 8 000 10 000 20 000
따라서, 시료당 시험 시간 테스트(ttest)는 아래와 같이 정의된다.
Figure 112019027788938-pat00004
여기서 B10test는 가속 조건하에서의 각 시료당 시험 시간 및 시료의 B10 수명이고 B10use는 실제 사용 동작 조건에서의 B10 수명이다.
열전냉각모듈의 경우 주된 고장메커니즘은 남땜부의 균열이며 이 경우 a는 2내지 3이다. 본 발명에서 시험에 사용된 열전냉각소자의 경우 2를 취하였다.
본 발명의 응력에 의한 피로파괴 가속시험은 다음과 같은 프로세스를 따른다.
먼저, 열전냉각소자에 순방향 전압을 인가하여 온도를 미리설정된 상한값까지 상승시킨다. 본 발명에서는 90℃까지 상승시켰다. 그 다음에 순방향 전압을 중단하고, 열전냉각소자에 역방향 전압을 인가한여 온도를 미리설정된 하한값까지 하강시킨다. 본 발명에서는 20℃까지 하강시켰다. 이를 반복함으로써 피로를 발생시켜 파괴시험을 수행한다. 이는 도 4에 나타내었다. 도 4에서 N은 시험횟수를 의미하며, 미리 정한 시험횟수에 도달하는지의 여부에 따라서 시험을 계속할지 종료할지를 정한다. 미리 정한 시험횟수는 전술한 바와 같이 산정된 가속계수에 따르며, 위 시험횟수를 초과하는 경우에도 파괴가 일어나지 않으면, 해당 열전냉각소자는 결함이 없는 정상제품이라고 할 수 있다.
이상에서 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예로 국한되는 것이 아니고 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형실시될 수 있다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 안정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 열전냉각소자의 가속시험을 위한 장비에 의하여 수행되며, 상기 장비는
    열전냉각소자의 가속 시험을 위한 장비의 가속조건을 설정하여 입력받는 단계;
    상기 가속조건으로부터 가속계수를 도출하는 단계;
    상기 가속계수로부터 수명시험시간을 도출하는 단계;
    상기 수명시험시간에 따라서 열전냉각소자의 응력에 의한 피로파괴 가속시험을 개시하는 단계; 및
    상기 응력에 의한 피로파괴 가속시험이 종료되는 단계;
    를 포함하여 구성되며,
    상기 수명시험시간은 하기 식에 의하여 도출되는 것을 특징으로 하는 열전냉각소자의 수명시험 방법.
    식)
    Figure 112020078577101-pat00009

    여기서, t는 수명 시험 시간, (1-β)는 신뢰수준, n은 열전냉각소자 시료수, m은 형상 모수, B10은 열전냉각소자의 수명.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열전냉각소자의 결함 여부 시험은 납땜부의 균열 여부 시험인 것을 특징으로 하는 열전냉각소자의 수명시험 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 응력에 의한 피로파괴 시험이 종료되는 단계; 이전에,
    열전냉각소자의 전기저항이 미리 설정된 기준치 이상인지 확인하는 단계;를 더 포함하며, 상기 기준치 이상에 충족하지 않는 경우, 응력에 의한 피로파괴 시험이 반복 수행되는 것을 특징으로 하는 열전냉각소자의 수명시험 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 장비는 전압인가 온도사이클 시험장치인 것을 특징으로 하는 열전냉각소자의 수명시험 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    가속시험시 설정되는 온도의 상한과 하한의 차이는 실제 사용시 설정되는 온도의 상한과 하한의 차이보다 더 큰 것을 특징으로 하는 열전냉각소자의 수명시험 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 가속조건으로부터 가속계수를 도출하는 단계;는,
    가속시험시 설정된 온도의 상한과 하한의 차이값을 분자로 하고, 실제 사용시 설정된 온도의 상한과 하한의 차이값을 분모로 하여 연산하는 제1단계;
    상기 연산된 이후에 도출된 값을 재료상수를 승수로하여 연산하는 제2단계;
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 열전냉각소자의 수명시험 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    사용수명을 분자로 하고, 가속수명을 분모로 하는 값은 상기 제2단계의 값과 등가인 것을 특징으로 하는 열전냉각소자의 수명시험 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 재료상수는 2 ~ 3의 값인 것을 특징으로 하는 열전냉각소자의 수명시험 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 응력에 의한 피로파괴 가속시험은,
    열전냉각소자에 순방향 전압을 인가하는 단계;
    상기 순방향 전압 인가과정에서 온도를 미리설정된 상한값까지 상승시키는 단계;
    상기 순방향 전압을 중단하고, 열전냉각소자에 역방향 전압을 인가하는 단계; 및
    상기 역방향 전압 인가과정에서 온도를 미리설정된 하한값까지 하강시키는 단계;
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 열전냉각소자의 수명시험 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 순방향 전압 인가과정에서 온도를 상승시키는 단계는 90℃의 온도까지 상승시키고, 상기 역방향 전압 인가과정에서 온도를 하강시키는 단계는 20℃의 온도까지 하강시키는 것을 특징으로 하는 열전냉각소자의 수명시험 방법.
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