KR102384163B1 - 열전모듈 시험장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일실시예는 열전모듈(thermoelectric module)을 테스트하는 열전모듈 시험장치를 제공한다. 열전모듈 시험장치는 상기 열전모듈의 일측이 접하는 저온부; 상기 저온부와 마주하며 이격되도록 배치되며, 상기 열전모듈의 타측이 접하는 고온부로서, 입구와 출구를 가지는 냉각배관이 형성된 고온부; 그리고 상기 저온부와 상기 고온부 간의 온도차를 주기적으로 변경시키면서 상기 열전모듈이 생성하는 출력을 측정하는 열사이클(thermal cycle) 시험의 냉각기간 동안 상기 냉각배관의 입구에 상기 고온부로부터의 열에 의해 기화될 액체 입자와 상기 액체 입자를 이송하는 케리어 기체를 공급하는 냉각유체 전달관;을 포함한다.

Description

열전모듈 시험장치{THERMOELECTRIC MODULE TEST APPARATUS}

본 발명은 열전모듈 시험장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 시험시간을 단축할 수 있는 열전모듈 시험장치에 관한 것이다.

펠티어(peltier)소자는 이종(異種)의 금속 접촉면에 전류가 흐를 때 열이 발생 또는 흡수되는 펠티에효과를 이용한 소자를 말한다. 일반적으로 열전소자는 열과 전기의 상호작용으로 나타나는 각종 효과를 이용한 소자를 총칭하는 표현이다.

이러한 열전 소자는 검사장치, 열전발전 등의 분야에 응용되고 있다.

예를 들어, 반도체 소자의 검사장치의 일 예로, 핸들러 시스템은, 생산된 반도체 소자를 트레이에 장착하여 테스터에 로딩한 후 자동검사를 수행하고 검사결과에 따라 이들을 분류하여 외부로 언로딩하는 일종의 자동검사장치를 말한다.

이러한 핸들러 시스템은 상온에서의 성능검사뿐만 아니라, 전열히터 및 액화질소 등을 이용하여 고온 및 저온 분위기를 조성하여 반도체 소자의 사용환경(온도조건)에 따른 고온 및 저온대역에서의 성능검사를 할 수 있도록 구성되는 것이 일반적이다.

그러나 기존의 핸들러 시스템은 별도의 예열챔버 및 환원챔버를 구성하여 반도체 소자를 가열 및 냉각하여 검사하여야 해서 검사 장치에서의 공간적인 부담이 매우 크고 시간적인 손실로 인해 검사효율이 저하되는 문제점이 있다.

따라서 반도체 소자들의 검사장비에 있어서 검사효율 및 검사신뢰성을 동시에 만족할 수 있는 방법에 대한 요구에 대응하여, 반도체 소자 등의 검사대상에 대한 검사가 이루어지는 테스트 챔버 내에 열전모듈을 이용한 온도제어시스템을 장착하여 검사대상인 반도체 소자를 직접 가열 및 냉각함으로써 상기한 문제점 해소하는 기술이 개시되고 있다.

한편, 열전발전 분야에서는 온도 차이에 의해서 기전력이 발생하는 제벡효과를 이용하여 새로운 청정에너지로서 개발하는 것에 대한 관심이 높아지고 있다. 수십 년간 저효율 에너지 변환 기술로 알려진 열전발전기술은 중온(300~700℃) 영역에서 10% 이상의 효율이 가능한 것으로 보고되고 있으며, 신규 에너지 재생기술로 크게 주목받으며 국내외에서 활발히 연구가 진행되고 있다.

다만, 중온 열전모듈은 평균 사용 온도가 높기 때문에 발생하는 열전소재의 산화 및 승화로 인해 그 발전 효율과 특성이 현저히 저하되는 문제가 있다. 보다 구체적으로는. 열전모듈은 고온부와 저온부의 온도차를 이용하여 발전하는데 고온부에서의 온도가 500 ~ 600℃에 이르게 되므로 열전소재의 산화 및 승화에 의한 열화가 발생할 수 있다.

전술한 바와 같이, 반도체 소자 시험장치에 열전소자를 이용하는 경우나, 열전소자를 이용하여 열전발전을 위한 시스템을 개발하기 위해서는 열전소자의 발전성능을 정확히 파악해야 하며, 또한 이러한 열전소자에 사용되어지는 열전물질의 열전특성을 정밀하게 평가할 수 있어야만 한다. 특히, 장시간 사용시 열전소자의 정상적 작동을 확인할 수 있는 신뢰성 테스트가 수행되어야 한다.

이러한 장기신뢰성 테스트로서 해당 부재의 냉각과 가열을 교대로 반복해 실시하는 가열 냉각 시험이 수행되고 있다. 이 가열 냉각 시험은, 열사이클 시험으로 불리고 있으며, 시험 부재의 냉각과 가열을 교대로 수천회 반복해 실시될 수 있다.

이러한 열사이클 시험에 의해서 시험 부재에 파손이나 열화가 생기지 않는지를 관측해, 시험 부재가 특정한 온도 변화에 견딜 만할지를 보는 것은, 전기 디바이스 등의 내구성을 보는데 있어서, 중요한 시험이다.

종래의 열전소자 시험장치에 있어서는, 상하로 서로 대향하게 배치되는 저온부 및 고온부 사이에 열전소자 내지 열전모듈을 개재시키고, 저온부에 의해 열전모듈의 일면은 저온으로 되게 하고, 고온부에 의해 열전모듈의 타면은 고온으로 되게 하여 열전모듈에서의 출력을 측정하게 된다.

이러한 테스트를 장시간에 걸쳐 열전소자가 열사이클(Thermal cycle) 을 격도록 진행함으로써, 열전모듈의 장기신뢰성을 테스트할 수 있다. 그러나 기존의 장기신뢰성 테스트를 위한 열전모듈 시험장치는 열사이클 중 냉각기간에 고온부의 냉각속도가 낮아 테스트 시간이 길고(예를 들어, 1cycle 당 30분 내외 소요) 그에 따라 많은 횟수의 테스트가 어려운 문제점이 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 열전모듈의 장기신뢰성 테스트를 위한 열사이클 시험의 시험시간을 단축할 수 있는 열전모듈 시험장치를 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는 열전모듈(thermoelectric module)을 테스트하는 열전모듈 시험장치를 제공한다. 열전모듈 시험장치는 상기 열전모듈의 일측이 접하는 저온부; 상기 저온부와 마주하며 이격되도록 배치되며, 상기 열전모듈의 타측의 온도를 상승시키고, 입구와 출구를 가지는 냉각배관이 형성된 고온부; 그리고 상기 저온부와 상기 고온부 간의 온도차를 주기적으로 변경시키면서 상기 열전모듈이 생성하는 출력을 측정하는 열사이클(thermal cycle) 시험의 냉각기간 동안 상기 냉각배관의 입구에 상기 고온부로부터의 열에 의해 기화될 액체 입자와 상기 액체 입자를 이송하는 케리어(carrier) 기체를 공급하는 냉각유체 전달관;을 포함한다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 고온부는, 상기 열전모듈의 타측과 접하는 핫(hot)블록; 그리고 상기 핫블록과 접하며, 상기 냉각배관이 형성된 냉각블록으로서, 상기 입구 및 상기 출구가 상기 냉각블록의 측면에 형성된 냉각블록;을 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 케리어 기체는 냉각용 공기이고, 상기 액체 입자는 수분 입자일 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 열전모듈 시험장치는 상기 열사이클 시험의 냉각기간 동안, 상기 냉각유체 전달관을 통해 상기 냉각용 공기를 연속적으로 공급하고, 상기 수분 입자를 간격을 두고 상기 냉각용 공기 중으로 분사하여 공급하는 냉각유체 공급부;를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 냉각배관은 상기 입구로부터 상기 출구까지 복수회 절곡되며, 냉각효율 향상을 위해 상기 냉각블록 내부를 전체적으로 굽이치며 관통하도록 형성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 저온부는, 상기 열전모듈의 일측과 접하는 콜드블록; 그리고 상기 콜드블록을 냉각시키는 냉각유닛;을 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 저온부는 상기 콜드블록에 형성되어 상기 열전모듈의 일측과 전기적으로 접하는 하부 전극;을 더 포함하며, 상기 고온부는 상기 핫블록에 형성되어 상기 열전모듈의 타측과 접하는 상부 전극;을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 열전모듈로부터의 출력을 측정하는 출력측정부;를 더 포함할 수 있으며, 상기 출력측정부는, 상기 하부 전극 또는 상부 전극과 전기적으로 연결되어 열전모듈로부터의 출력이 출력되는 내부배선; 상기 내부배선에 연결된 피드쓰루(feedthrough); 상기 피드쓰루에 연결된 외부배선; 그리고 상기 외부배선에 연결되며, 상기 열전모듈로부터의 출력이 인가되는 전기적 부하(electric load);를 포함하며, 상기 내부배선, 상기 피드쓰루 및 상기 외부배선의 소재는 Skutterudite 열전소재의 최대출력 지점을 확인할 수 있도록 하는 저저항 소재로 이루어질 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 열전모듈 시험장치는 상기 저온부 및 상기 고온부가 수용되며, 상기 냉각유체 전달관용 포트가 형성된 챔버; 상기 고온부의 핫블록에 전원을 공급하는 전원 케이블; 그리고 상기 저온부 또는 상기 고온부를 승강시켜 상기 열전모듈을 상기 핫블록과 상기 콜드블록 사이에 홀딩시키는 엑츄에이터;를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 고온부의 하부에 위치하되, 역 사다리꼴 형상으로 형성되어 상기 열전모듈과 접촉함에 따라, 상기 열전모듈을 테스트하는 과정에서의 상기 고온부의 형상 변화를 방지하는 인터포저를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 고온부에 공기(Air)와 함께 수분 입자를 포함하는 냉각유체를 워터젯 방식으로 흘려주어 기화열을 통해 냉각효율을 현저히 향상시켜 열사이클 시험의 시간을 단축한 열전모듈 시험장치를 제공할 수 있다.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전모듈 시험장치를 나타내는 도면이다.
도 2및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전모듈 시험장치의 챔버 내부 구조의 일 예를 나타내는 도면들이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전모듈 시험장치의 냉각블록의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전모듈 시험장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전모듈 시험장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전모듈 시험장치의 열사이클의 성능을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전모듈 시험장치의 출력 측정부의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전모듈 시험장치의 출력 측정부의 배선부의 저항과 열전모듈의 출력의 관계를 설명하기 위한 도면이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전모듈 시험장치를 나타내는 도면이다. 도 2및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전모듈 시험장치의 챔버(300) 내부 구조의 일 예를 나타내는 도면들이다.

열전모듈 시험장치는 열전모듈(thermoelectric module)의 신뢰성, 예를 들어, 장기간 사용시의 신뢰성을 테스트하는 장치이다. 열전모듈은 열전소자의 어레이일 수 있다. 일반적으로 열전소자는 열과 전기의 상호작용으로 나타나는 각종 효과를 이용한 소자를 총칭하는 표현이다. 예를 들어, 열전소자로서 펠티어소자는 열의 흡수 또는 발생이 생기는 현상인 펠티에효과를 이용한 소자를 의미한다. 펠티에효과는 이종(異種)의 금속 접촉면에 전류가 흐를 때 열이 발생 또는 흡수되는 현상을 말한다.

열전모듈 시험장치는 열전모듈에 온도차를 인가하고, 이로 인해 열전모듈로부터 발생되는 전기 에너지, 즉 출력을 측정하는 장치일 수 있다.

열전모듈 시험장치는 저온부(110), 고온부(130), 냉각유체 전달관(170) 및 챔버(300)를 포함할 수 있다.

챔버(300)의 내에 저온부(110) 및 고온부(130)가 수용되며, 챔버(300)에는 냉각유체 전달관(170)용 포트가 형성될 수 있다.

저온부(110)와 고온부(130)는 서로 마주보며 이격되도록 챔버(300)의 내부에 지지부(150)에 설치될 수 있다. 도 2에는 저온부(110)가 하측에 고온부(130)가 상측에 위치하는 예가 도시되어 있지만, 이러한 상하 배치는 변경될 수도 있다.

열전모듈은 전술한 바와 같이, 복수의 열전소자(700: 도 8 참조)를 포함할 수 있다. 이러한 열전모듈의 일측이 저온부(110)에 접하고, 열전모듈의 타측이 고온부(130)에 접하도록 위치될 수 있다.

저온부(110)는 저온으로 유지되거나, 설정된 특정 저온이 되도록 점차적으로 냉각될 수 있다. 따라서 저온부(110)는 열전모듈의 일측에 접하여 열전모듈의 일측을 저온으로 되게 할 수 있다.

고온부(130)는 고온으로 유지되거나 설정된 특정 고온이 되도록 점차적으로 승온될 수 있다. 따라서, 고온부(130)는 열전모듈의 타측에 접하여 열전모듈의 타측을 고온으로 되게 할 수 있다.

이에 따라 열전모듈에는 온도차가 인가될 수 있고, 이러한 온도차이에 의해 열전모듈로부터 기전력이 발생될 수 있다.

열전모듈 시험장치는 이러한 기전력 내지 전기에너지, 즉 출력을 측정할 수 있다. 이러한 온도차의 인가는 장시간에 걸쳐 주기적으로, 즉 열사이클(thermal cycle) 형태로 인가될 수 있다. 이러한 장기간의 시험에 의해 열전모듈의 열전특성을 테스트하고, 장기신뢰성을 테스트할 수 있다.

저온부(110)는 판 형상의 콜드(cold)블록(111)과 콜드블록(111)을 냉각시키는 냉각유닛(113)이 연결될 수 있다. 콜드블록(111)은 열전소자의 일측과 접하여 열전소자의 일측을 냉각시킬 수 있다.

고온부(130)에는 입구와 출구를 가지는 냉각배관(1331)이 형성될 수 있다. 본 실시예에서 고온부(130)는 판 형상의 핫(hot)블록(131) 및 냉각블록(133)을 포함할 수 있다.

핫블록(131)은 열전소자의 타측과 접하며 열전소자의 타측을 가열할 수 있다. 핫블록(131)에는 가열을 위한 전원케이블(160)이 연결될 수 있다.

냉각배관(1331)은 냉각블록(133)에 형성될 수 있다. 냉각배관(1331)의 입구로 열사이클의 냉각기간 동안 냉각유체가 공급될 수 있고, 따라서 냉각블록(133)과 접한 핫블록(131)이 냉각될 수 있다.

열전모듈은 복수의 열전소자를 포함할 수 있으며, 열전소자는 P형 소자, N형 소자를 포함할 수 있다. 열전모듈은 열전모듈의 일측, 즉 콜드블록(111)과 접하는 측에 하부 전극(도시되지 않음)과, 열전모듈의 타측, 즉 핫블록(131)과 접하는 측에 상부 전극(도시되지 않음)을 더 포함할 수 있다. 이러한 하부 전극과 상부 전극에 의해 복수의 열전소자는 전기적으로 서로 직렬연결 또는 병렬연결될 수 있다.

상기한 설명에서는 복수의 열전소자를 전기적으로 연결하는 하부 전극 및 상부 전극이 열전모듈의 일 구성으로 설명되었지만, 하부 전극 및 상부 전극이 열전모듈 시험장치의 일 구성으로 포함될 수도 있다. 예를 들어, 하부 전극은 콜드블록(111)의 상면에 형성되고, 상부 전극은 핫블록(131)의 하면에 형성될 수 있다. 또는 별도의 기판에 하부 전극 및 상부 전극이 형성될 수도 있다.

냉각유체 전달관(170)은 파이프 내지 튜브 형태의 배관일 수 있으며, 냉각블록(133)에 형성된 냉각배관(1331)의 입구에 연결되는 공급관(171)을 포함할 수 있다. 냉각배관(1331)은 출구를 가지며, 출구에는 냉각유체 전달관(170)의 배출관(175)이 연결될 수 있다. 열전모듈 시험장치는 냉각유체 전달관(170)과 연결된 냉각유체 공급부(200)를 더 포함할 수 있다.

열사이클 시험 동안 저온부(110)와 고온부(130) 간의 온도차에 의해 열전모듈이 생성하는 출력이 측정되는 등 테스트가 수행될 수 있다. 냉각유체 공급부(200)는 열사이클(thermal cycle)의 냉각기간 동안, 냉각유체 전달관(170)을 통해 냉각배관(1331)에 미세한 액체 입자와 이를 운송하는 케리어 기체를 공급할 수 있다. 케리어 기체로는 냉각 공기가 사용될 수 있고, 미세한 액체 입자는 미스트 형태로 분사된 수분 입자일 수 있다.

열전모듈 시험장치는 저온부(110) 또는 고온부(130)를 승강시켜 열전모듈을 콜드블록과 핫블록(131)의 사이에 홀딩시키는 엑츄에이터(140) 및 시험을 위한 각종 모듈을 더 포함할 수 있다.

시험을 위한 각종 모듈은, 예를 들어, 도 1에 예시된 바와 같이, 전원제어부(510), 열전모듈의 출력을 측정하기 위한 전기적 부하(electric load)를 표시하는 로드표시부(520)(load indicator), 로드의 변경을 제어하는 로드제어부(530)(load controller), 열전모듈 등의 온도를 표시하는 온도표시부(540)(Temp indicator), 챔버(300)의 진공을 표시하는 진공표시부(550)(vacuum indicator) 및 열전모듈의 출력을 측정하기 위해 열전모듈에 전기적으로 연결되는 출력측정부(560), 이러한 각종 모듈, 열사이클 제어, 냉각, 가열의 제어를 위한 제어부(570)를 포함할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전모듈 시험장치의 냉각블록(133)의 일 예를 나타내는 도면이다.

전술한 바와 같이, 냉각유체 공급부(200)는 열사이클(thermal cycle)의 냉각기간 동안, 냉각용 공기 및 수분 입자가 혼합된 냉각유체를 냉각유체 전달관(170)을 통해 냉각블록(133)의 냉각배관(1331)에 공급할 수 있다.

도 4에 예시된 바와 같이, 냉각블록(133)의 냉각배관(1331)은 입구로부터 출구까지 복수회 절곡되며, 냉각효율 향상을 위해 냉각블록(133) 내부를 전체적으로 굽이치며 관통하도록 형성될 수 있다.

예를 들어, 냉각유체 공급부(200)는 냉각기간동안 냉각용 공기는 연속적으로 공급하고, 수분 입자를 일정한 간격을 두고 냉각용 공기 중으로 분사하여 공급할 수 있다. 즉, 냉각용 공기는 자체로 냉매일 뿐만 아니라, 수분 입자의 운반기체, 즉 케리어로서 기능할 수 있다.

냉각용 공기와 수분 입자의 혼합물인 냉각유체는 도 4에 도시된 바와 같이, 냉각블록(133)의 냉각배관(1331)을 흐르며, 냉각블록(133)을 냉각하게 된다. 특히, 수분 입자가 기화될 수 있고, 이때, 기화열을 흡수함으로써, 냉각효율이 현저히 향상될 수 있다. 수분 입자의 크기를 작게 하여 고온에서 쉽게 기화되도록 할 수 있다. 이러한 기화열에 의해 핫블록(131)의 열을 효과적으로 방열할 수 있다.

전술된 온도표시부에는 냉각블록(133)의 온도도 표시될 수 있다. 물론 냉각블록(133)에는 온도센서가 설치될 수 있다. 냉각블록(133)의 온도에 따라 수분 입자를 분사하는 간격이나 양을 조절할 수 있다. 물론, 수분 입자를 연속적으로 분사하여 공급하는 것도 가능하다. 분사방식은 워터젯(waterjet)방식이 사용될 수 있다. 가능한 한 냉각블록(133)의 냉각을 신속하게 하기 위해, 수분 입자의 입자크기, 분사량, 분사간격 등을 조절할 수 있을 것이다.

냉각블록(133)과 핫블록(131)이 접하고 있으므로, 핫블록(131)은 냉각블록(133)에 의해 냉각될 수 있다. 핫블록(131)에도 온도센서가 설치될 수 있다. 온도표시부는 핫블록(131) 및 냉각블록(133)의 온도를 모두 표시할 수도 있다.

본 실시예의 열전모듈 시험장치는 중고온의 열전모듈의 측정에 사용될 수 있으며, 이 경우 승온하고 냉각하는 시간이 총 테스트 시간에 큰 비중을 차지할 수 있다. 본 실시예에서는 전술한 공기 및 워터젯 형태로 냉각유체를 냉각블록(133)에 공급하여 500℃ ~ 600℃ 의 핫블록(131)을 효율적으로 냉각할 수 있다.

이와 같이, 핫블록(131)에 냉각블록(133)을 접하게 하고, 냉각블록(133)의 냉각배관(1331)에 수분 입자를 포함한 냉각용 공기를 공급함으로써, 공기냉각과 함께 수분의 기화에 의한 기화열 흡수로 냉각효과를 현저히 향상시킬 수 있고, 냉각시간이 크게 단축될 수 있다. 따라서, 열사이클이 수백회 또는 수천회 등 매우 많이 반복수행되는 장기신뢰성 테스트에서 각 사이클의 시간이 단축되므로 전체 시험시간이 현저히 단축될 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예인 도2와는 다른 실시예에 따른 열전모듈 시험장치의 구성을 나타내는 도면이다.

도5를 참조하면, 본 실시예에 따른 열전모듈 시험장치는 저온부(110), 인터포저(120), 고온부(130)를 포함할 수 있고, 이와 같은 열전모듈 시험장치는 지지부(150)의 지지에 의해 설치될 수 있다. 본 실시예에 따른 고온부(130)는 핫블록(131), 냉각블록(133), 그리고 코팅층(135)을 포함하여 구성될 수 있다. 여기서, 저온부(110)는 도 2 내지 도 4를 참조한 설명에서 상세히 설명한 바, 중복되므로 여기서는 생략한다.

본 발명의 실시예에 따른 코팅층(135)은 핫블록(131)의 하부에 위치하여, 열처리 시간에 따라 열접촉 저항(Thermal contact resistance)이 변화하는 현상을 최소화하기 위해 니켈(Ni) 또는 텅스텐(W)으로 코팅될 수 있다.

그리고, 인터포저(120)는 코팅층(135)의 하부에 위치하여, 코팅층(135)과 맞닿는 부분부터 하부 방향으로 갈수록 폭이 좁아지는 형태로 단면이 역 사다리꼴 형상인 블록으로 형성될 수 있다. 상기와 같은 형상의 인터포저(120)에 의해, 핫블록(131)이 고온/고압 상태에서 압력을 받음으로써, 핫블록(131)의 하부 중앙 부분은 열전소자가 위치하는 방향으로 오목하게 변형되고, 상대적으로 핫블록(131)의 하부 에지(edge) 부분이 돌출되게 되는 현상을 방지할 수 있다.

또한, 내부에 열전소자가 삽입되는 본 실시예에 따른 핫블록(131)은 일체형으로 구현되어, 고온/고압 상태에서의 압력에 의해 전술한 바와 같이, 핫불록(131)의 하부 영역의 형태가 변형되는 현상을 방지할 수 있다.

예컨대, 본 실시예에 따른 핫블록(131)은 스테인리스 강(stainless steel)로 제작될 수 있다.

일 실시예인 도5를 참조하면, 본 발명의 열전모듈 시험장치는 지지부(150)와 고온부(130) 사이를 연결하는 탄성부재(180)를 더 포함하여 구성될 수 있다. 본 실시예에 따른 탄성부재(180)는 압축스프링으로 구성되어, 지지부(150) 및 고온부(130)에 탄력 지지된 상태로 배치될 수 있다. 이러한, 탄성부재(180)에 의해 고온부(130)와 저온부(110) 사이에 위치하는 열전모듈(700)을 가압하여 시험을 진행하는 동안에 열전모듈(700)에 일정하고, 균등한 압력이 가해지도록 제어함으로써, 초기 열팽창으로 인한 압력변화를 최소화할 수 있다.

도6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전모듈 시험장치의 구성을 나타내는 도면이다.

도6을 참조하면, 상술한 바와 같은 탄성부재(180)가 지지부(150)와 저온부(110) 및 고온부(130)를 지지하는 지지 기둥 부재에 탄성부재(180)가 형성되어, 열처리 시간 동안 열전모듈(700)에 일정하고 균등한 압력이 가해지도록 컨트롤 할 수 있다.

도 7는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전모듈 시험장치의 열사이클의 성능을 설명하기 위한 도면이다. 도 7에는 냉각방식에 따른 열사이클 그래프가 도시되어 있으며, 이를 통해 냉각방식에 따른 냉각시간의 차이를 확인할 수 있다.

종래의 열전모듈 장기신뢰성 시험장비는 고온 히터부의 냉각속도가 낮아 열사이클(Thermal cycle) 시험시 테스트 시간이 길고(예: 1cycle 당 30분 내외 소요), 이에 따라 많은 횟수의 테스트가 어려웠다.

본 실시예에 따른 열전모듈 시험장치는 고온부(130)의 냉각블록(133)에 냉각배관(1331)을 형성하고, 냉각공기와 함께 수분 입자를 간격을 두고 또는 연속적으로 워터젯 방식으로 분사하여 기화열을 이용해 냉각효율을 크게 향상시키는 메커니즘을 가진다. 이에 따라 냉각시간 단축에 의해 많은 횟수의 테스트를 원활히 수행할 수 있다.

예를 들어, 공기 및 워터젯 냉각(Air & Waterjet cooling)으로 500℃ 로부터 200℃ 냉각하는 경우, 냉각시간을 5min 이내가 되도록 냉각속도를 단축시킬 수 있었다. 즉 대략 냉각속도는 60℃가 달성됨을 확인하였다.

즉, 공기 및 워터젯 냉각방식 도입으로 열사이클링시 고온부(130)의 핫블록(131)의 온도를 급격히 강하시킬 수 있었다. 이로 인해, 열사이클링 시험시 시험시간을 단축시킬 수 있었으며, 일 예로, 500℃에서 200℃까지 냉각시킬 때, 비냉각(non-cooling), 즉 강제냉각을 하지 않은 경우에 대비하여, 한 사이클당 30분 이상 단축할 수 있었다. 이러한 시간은 열사이클링 1000회 실험시, 약 500시간(약 21일) 정도에 해당되며, 따라서, 테스트 시간이 현저히 단축될 수 있다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전모듈 시험장치의 출력측정부(560)의 일 예를 나타내는 도면이다. 도 1에서 예시된 출력측정부(560)의 전기적 연결의 구성의 일 예가 도 8에 도시되어 있다. 도 9은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전모듈 시험장치의 출력측정부의 배선부의 저항과 열전모듈의 출력의 관계를 설명하기 위한 도면이다.

출력측정부(560)는 열전모듈로부터의 출력을 인출하는 내부배선(561)과, 내부배선(561)에 연결된 피드쓰루(563)(feedthrough)와, 피드쓰루(563)에 연결된 외부배선(565), 그리고 외부배선(565)에 연결되며 열전모듈로부터의 출력이 인가되는 전기적 부하(electric load)를 포함할 수 있다.

내부배선(561), 피드쓰루(563) 및 외부배선(565)의 소재는 Skutterudite 열전소재의 최대출력 지점을 확인할 수 있도록 하는 저저항 소재로 이루어질 수 있다.

열전모듈의 출력 측정 시 전기적 부하(Electric load)에서 저항의 변화를 통해 최대 출력 지점을 확인할 수 있다. 따라서, 출력측정부(560) 자체의 내부저항(internal resistance)은 최소화되는 것이 바람직하다.

본 실시예에 따른 열전모듈 시험장치는 열전모듈에서 전기적 부하(Electric load)까지 연결되는 모든 도선 및 피드쓰루(563)(Feedthrough)의 저항을 매우 작게 하여 열전모듈의 최대 출력을 측정할 수 있도록 하는 특징을 가진다.

이와 같은 재질의 도선으로 하면, 다른 열전소재에 비해 저항이 더 낮은 Skutterudite 열전소재를 측정가능하다. 따라서, 이러한 도선으로 구성된 출력측정부(560)에 의하면, 다른 열전소재의 열전모듈도 충분히 측정가능하다.

도 9을 참조하면, 출력측정부(560)의 내부저항과 열전모듈로부터 측정된 출력의 관계가 도시되어 있다.

도 9에서 열전모듈의 저항이 40mΩ 수준인 경우, 출력측정부(560)의 내부저항에 따라 측정되는 열전모듈의 출력의 차이가 뚜렷하게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 즉, 출력측정부(560)의 초기 내부저항, 즉 내부배선(561), 피드쓰루의 연결부 및 외부배선(565)의 전체적 저항을 140mΩ에서 20mΩ 수준으로 개선하는 경우, 열전모듈의 측정된 출력이 매우 크게 증가하는 것을 확인할 수 있다.

전술한 바와 같이, 내부저항이 매우 작게 되도록 도선을 *** 로 형성하면, 열전소재 중 저항이 제일 낮은 수준인 Skutterudite 소재를 측정할 수 있다. 이러한 기준으로 열전모듈 시험장치를 세팅하면, Bi-Te, Mg2Si, PbTe 모듈 등 여러 가지의 열전모듈 측정에 문제없이 사용될 수 있다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

110 : 저온부
111 : 콜드블록
113 : 냉각유닛
120: 인터포저
130 : 고온부
131 : 핫블록
133 : 냉각블록
1331 : 냉각배관
140 : 엑츄에이터
150 : 지지부
160 : 전원케이블
170 : 냉각유체 전달관
171 : 공급관
175 : 배출관
180: 탄성부재
200 : 냉각유체 공급부
300 : 챔버
560 : 출력측정부
561 : 내부배선
563 : 피드쓰루
565 : 외부배선
567 : 전기 부하

Claims (10)

1. 챔버 내에 설치되어, 열전모듈(thermoelectric module)을 테스트하는 열전모듈 시험장치에 있어서,
   상기 열전모듈의 일측이 접하는 저온부;
   상기 저온부와 마주하며 이격되도록 배치되며, 상기 열전모듈의 타측의 온도를 상승시키고, 입구와 출구를 가지는 냉각배관이 형성된 고온부;
   상기 저온부와 상기 고온부 간의 온도차를 주기적으로 변경시키면서 상기 열전모듈이 생성하는 출력을 측정하는 열사이클(thermal cycle) 시험의 냉각기간 동안 상기 냉각배관의 입구에 상기 고온부로부터의 열에 의해 기화될 액체 입자와 상기 액체 입자를 이송하는 케리어(carrier) 기체를 공급하는 냉각유체 전달관;
   상기 고온부의 하부에 위치하되, 역 사다리꼴 형상으로 형성되어 상기 열전모듈과 접촉함에 따라 상기 열전모듈을 테스트하는 과정에서의 상기 고온부의 형상 변화를 방지하는 인터포저;
   상기 챔버의 내부에 형성되는 지지부; 그리고
   상기 고온부 및 상기 저온부 사이로 가압되는 열전모듈에 가해지는 압력을 균등하게 제어하기 위하여, 상기 지지부와 상기 고온부를 지지하는 지지 기둥 부재를 감싸며 형성되는 탄성부재를 포함하되,
   상기 고온부는,
   상기 열전모듈의 타측과 접하는 핫(hot)블록; 그리고
   상기 핫블록과 접하며, 상기 냉각배관이 형성된 냉각블록으로서, 상기 입구 및 상기 출구가 상기 냉각블록의 측면에 형성된 냉각블록을 포함하고,
   상기 냉각블록은 상기 액체 입자를 기화함에 따라 생성되는 기화열을 이용하여 상기 핫블록을 방열하는 것을 특징으로 하는 열전모듈 시험장치.
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 케리어 기체는 냉각용 공기이고, 상기 액체 입자는 수분 입자인 것을 특징으로 하는 열전모듈 시험장치.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 열사이클의 냉각기간 동안, 상기 냉각유체 전달관을 통해 상기 냉각용 공기를 연속적으로 공급하고, 상기 수분 입자를 간격을 두고 상기 냉각용 공기 중으로 분사하여 공급하는 냉각유체 공급부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열전모듈 시험장치.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 냉각배관은 상기 입구로부터 상기 출구까지 복수회 절곡되며, 냉각효율 향상을 위해 상기 냉각블록 내부를 전체적으로 굽이치며 관통하도록 형성된 것을 특징으로 하는 열전모듈 시험장치.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 저온부는,
   상기 열전모듈의 일측과 접하는 콜드블록; 그리고
   상기 콜드블록을 냉각시키는 냉각유닛;을 포함하는 것을 특징으로 하는 열전모듈 시험장치.
   
7. 제6항에 있어서,
   상기 저온부는 상기 콜드블록에 형성되어 상기 열전모듈의 일측과 전기적으로 접하는 하부 전극;을 더 포함하며,
   상기 고온부는 상기 핫블록에 형성되어 상기 열전모듈의 타측과 접하는 상부 전극;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열전모듈 시험장치.
   
8. 제7항에 있어서,
   상기 열전모듈로부터의 출력을 측정하는 출력측정부;를 더 포함하며,
   상기 출력측정부는,
   상기 하부 전극 또는 상부 전극과 전기적으로 연결되어 열전모듈로부터의 출력이 출력되는 내부배선;
   상기 내부배선에 연결된 피드쓰루(feedthrough);
   상기 피드쓰루에 연결된 외부배선; 그리고
   상기 외부배선에 연결되며, 상기 열전모듈로부터의 출력이 인가되는 전기적 부하(electric load);를 포함하며,
   상기 내부배선, 상기 피드쓰루 및 상기 외부배선의 소재는 Skutterudite 열전소재의 최대출력 지점을 확인할 수 있도록 하는 저저항 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 열전모듈 시험장치.
   
9. 제6항에 있어서,
   상기 저온부 및 상기 고온부가 수용되며, 냉각유체 전달관용 포트가 형성된 챔버;
   상기 고온부의 핫블록에 전원을 공급하는 전원 케이블; 그리고
   상기 저온부 또는 상기 고온부를 승강시켜 상기 열전모듈을 상기 핫블록과 상기 콜드블록 사이에 홀딩시키는 엑츄에이터;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열전모듈 시험장치.
   
10. 삭제

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