KR200267515Y1 - 열전 반도체를 이용한 발전장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 열전 반도체를 이용한 발전장치에 관한 것이다.

본 고안은 100㎛ 이하의 Fe,Co,Si,Al분말을 준비하는 단계와; 준비된 각각의 분말을 소정의 볼과 같이 분쇄기의 자르안에 넣고 밀봉하는 단계와; 밀봉된 분쇄기의 자르를 1200rpm으로 30min～60min회전시켜(기계적 합금 : mechanical alloy) Fe, Si, FeSi, β-FeSi2가 포함된 분말을 얻는 단계와; 분쇄기를 멈추고 자르를 오픈시켜 소량의 CH3CH2OH를 주입하는 단계와; CH3CH2OH가 주입된 자르를 닫고 수초 회전시키는 단계와; 알코올과 혼합된 분말을 자르에서 꺼내 증발접시에 담고 드라이 오픈에 넣어 건조시키는 단계와; 체를 이용하여 건조된 분말 중 50㎛ 이하의 크기를 갖는 분말을 선별하는 단계와; 선별된 분말을 몰드에 담아 소정의 압력으로 일정한 형태를 갖도록 소재를 성형하는 단계와; 성형된 소재를 진공 압력에서 소결하고 열처리하는 단계로 이루어져 있다.

특히 상온에서 기계적 합금에 의하여 부분적인 β-FeSi2를 얻을 수 있어 제조공정을 단순화 하고 동시에 n-type 또는 p-type치환을 용이하게 할 수 있도록 하고, 아울러 이러한 열전 반도체로 발전장치를 만들어 야외나 기타 어느 곳에서 간편하게 전기를 사용할 수 있도록 한 것이다.

Description

열전 반도체를 이용한 발전장치{Manufacture process of the Heat transfer semiconductors and will reach and the electric generator which it uses}

본 고안은 열전 반도체를 이용한 발전장치에 관한 것으로서, 특히 회전 가능한 볼 밀 자르(ball mill jar)를 이용하여 고순도의 Fe,Co,Si, Al분말을 분쇄시키는 과정에서 Fe, Si, FeSi, β-FeSi2가 포함된 분말을 얻을 수 있는 머케니컬 얼로잉(Mechanical alloying:M/A)을 사용하여 상온에서 부분적인 β-FeSi2를 얻도록 제조공정을 단순화 하며 동시에 n-type 또는 p-type 치환을 용이하게 할 수 있도록 하고, 아울러 이러한 열전 반도체로 발전장치를 만들어 야외나 기타 어느 곳에서 간편하게 전기를 사용할 수 있도록 한 것이다.

일반적으로 열전 반도체는 소자의 양단에 온도 차이가 있을 때 소자 내부의 캐리어(Carrier)가 이동함으로 인해 기전력이 발생하는 현상을 이용한 것으로서 무공해 발전을 가능케 하고 있다.

이러한 열전 반도체의 원리는 일정한 금속막대의 양단에 온도 차이가 발생하게 되면 n-type의 경우, 고온단에 있는 전자들은 저온단에 있는 전자들 보다 더 높은 운동에너지를 가지게 됨으로써 고온단에 있는 전자들은 평균적으로 페르미 레벨(Fermi lever)보다 높은 에너지 상태로 되기 때문에 고온단에 있는 전자들은 에너지를 낮추기 위해 저온단으로 확산된다.

또한, 전자들이 저온단으로 이동함에 따라 저온단은 ' - '로 대전되고, 고온부는 ' + '로 대전되어 금속막대의 양단간에 전위 차이가 발생하게 되는데 이러한 전위차이를 열기전력(Thermoelectromotive force)이라 한다.

열전 반도체의 성능은 하기에 표시한 성능지수 Z(Figure of Merit)로 나타낼 수 있다.

여기에서, α: 시백(Seebeck)계수, p:비저항, k:열전도이다.

따라서, 높은 성능 지수를 얻기 위해서는 시백계수가 높고, 비저항과 열전율이 낮아야 한 다는 것을 알 수 있다.

그러나, 열전도율과 비저항의 무리정수는 독립적인 것이 아니고 캐리어(전자 또는 정공)농도에 관계가 있어 농도의 증가에 따라 감소하는 특징이 있다.

이러한 조건을 충족시키기 위한 방안으로 전하 농도와 관련이 있는 전기전도도와 시백계수에 영향을 미치지 않는 범위내에서 포논(Phonon)의 산란을 유발시키기는 방향으로 진행되고 있으며, 중온에서 열적, 화학적으로 안정되고, 온도에 따른 열전특성이 비교적 균일한 재료인 β-FeSi2 제안 되었다.

β-FeSi2를 얻기 위한 Fe:Si=1:2인 화학양론 조성은 Fe-Si상태도에서 유추되는 바와 같이, FeSi2제조시 여러 상태도를 거치게 된다.

즉, 용융 상태에서 상온에 이르는 변태 과정중 β-FeSi2 상 이외에 금속성의 α-FeSi2, ε-FeSi2 그리고 Si상이 혼재하여 상호 변환하므로 순수한 β-FeSi2상을 얻기 어렵고, 반드시 후열처리(Annealing)등의 공정을 거치도록 되어 있다.

이러한 제조공정은 다음과 같이 철,규소의 분말을 혼합하여 소정 시간동안 제 1차 분쇄를 하고, 분쇄된 분말을 1250°C로 융해하여 ε-FeSi와 Si를 갖는 단결정의 소재를 얻고, 얻어진 단결정 소재를 제 2차 분쇄하고, 단결정 소재가 분쇄된 분말을 압축 성형하여 750～900°C에서 10시간 정도 소결하여 β-FeSi2를 얻도록 되어 있다.

그러나 이와 같은 제조방법은 많은 시간과 공정이 필요하고, 가열과정이 2회 반복되므로 소비되는 에너지 양이 증가함으로써 비경제적인 문제점이 있었다.

또한 분쇄하고 압축성형하는 과정에서 불순물이 혼입될 수 있음으로써 소재의 불량이 발생되는 또 다른 문제점이 있었다.

그리고 n-type와 p-type인 열전소자를 종류별로 제조해야 함으로써 불편함이 있었다.

본 고안은 이와 같은 문제점을 해소하기 위해 안출한 것으로서, 고순도의 Fe,Co,Si,Al분말을 회전 가능한 볼 밀 자르를 이용하여 분쇄시키는 과정에서 Fe, Si, FeSi, β-FeSi2가 포함된 분말을 얻을 수 있는 머케니컬 얼로잉을 사용하여 상온에서 부분적인 β-FeSi2를 얻도록 제조공정을 단순화 시켜 에너지의 절감을 통해 경제성을 높일 수 있도록 하고, 아울러 n-type 또는 p-type 치환을 용이하게 할 수 있는 열전 반도체의 제조공정을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 고안의 또 다른 목적은 이러한 공정을 통해 얻어진 열전소자인 열전 반도체를 휴대용 발전장치에 응용하여 야외나 전기가 공급되는 않는 곳에서 간단하게 전기를 사용할 수 있도록 한 것이다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 고안은 철,규소의 분말을 혼합하여 소정 시간동안 제 1차 분쇄를 하고, 분쇄된 분말을 1250°C로 융해하여 ε-FeSi와 Si를 갖는 단결정의 소재를 얻고, 얻어진 단결정 소재를 제 2차 분쇄하고, 단결정 소재가 분쇄된 분말을 압축 성형하여 750～900°C에서 10시간 정도 소결하여 β-FeSi2를 얻는 Fe-Si계 열전 반도체에 있어서, 100㎛ 이하의 Fe,Co,Si,Al분말을 준비하는 단계와; 준비된 각각의 분말을 소정의 볼과 같이 분쇄기의 자르안에 넣고 밀봉하는 단계와; 밀봉된 분쇄기의 자르를 1200rpm으로 30min～60min회전시켜 Fe, Si, FeSi, β-FeSi2가 포함된 분말을 얻는 단계와; 분쇄기를 멈추고 자르를 오픈시켜 소량의 CH3CH2OH를 주입하는 단계와; CH3CH2OH가 주입된 자르를 닫고 수초 회전시키는 단계와; 알코올과 혼합된 분말을 자르에서 꺼내 증발접시에 담고 드라이 오픈에 넣어 건조시키는 단계와; 체를 이용하여 건조된 분말 중 50㎛ 이하의 크기를 갖는 분말을 선별하는 단계와; 선별된 분말을 몰드에 담고 소정의 압력을 가해 일정한 형태를 갖도록 소재를 성형하는 단계와; 성형된 소재를 진공 압력에서 열처리하는 단계로 이루어진 열전 반도체의 제조공정을 제공함에 달성된다.

또한, 벽면 내부에 구비된 단열부의 내측면으로 구비된 다수의 열전소자부와, 하단부에 구비된 점화노즐로 부터 점화된 고온의 가스 배출속도를 늦추도록 열전소자부의 내측면에 구비된 다수의 격벽부를 갖는 발전기 몸체와; 발전기 몸체의 하단에 구비된 연료주입구를 갖는 탱크와, 열전소자부로 부터 발생되는 전기를 저장하고, 저장된 전기를 교류로 변환시켜 외부로 출력되도록 구비된 제어부가 상기 탱크의 밑면에 구비되도록 하는 제어부 몸체와; 발전기 몸체의 상단에 끼워지는 링형태를 갖는 통형 부재와, 통형 부재의 상단 내측면에 구비된 다수의 받침로드를 갖는 커버형 받침과; 발전기 몸체의 상단 일측에 회동 가능하게 구비된 손잡이로 구성된 것을 특징으로 하는 열전 반도체를 이용한 발전장치를 제공함에 달성된다.

도 1 은 본 고안에 따른 열전 반도체의 제조공정을 도시한 블록도.

도 2 는 본 고안에 따른 열전 반도체의 제조공정 중 소결온도와 시간을 표시한 그래프.

도 3 은 본 고안에 따른 열전 반도체가 내장된 발전장치의 종단면도.

도 4 는 본 고안에 따른 열전 반도체가 내장된 발전장치의 요부 사시도.

도 5 는 본 고안에 따른 열전 반도체가 내장된 발전장치의 사용상태를 도시한 종단면도.

도 6 은 본 고안에 따른 열전 반도체에 적용된 회로도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명>

1:열전소자부 2:발전기 몸체

3:제어부 몸체 3a:연료주입구

3b:탱크 3c:제어부

4:커버형 받침 4a:통형 부재

4b:받침로드 6:손잡이

7:점화노즐 8:격벽부

11:n형 소자부 12:p형 소자부

이하, 본 고안의 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

본 고안에 따른 열전소자를 얻는 과정을 도 1,2를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, Fe-Si계열의 열전 소자를 얻는 방법은 각각의 고순도 Fe,Co,Si,Al분말을 준비(S10)한다. 이때 분말의 크기는 100㎛ 이하로 하는 것이 바람직하다.

다음 준비된 분말을 (1-x)Fe + 2Si + xCO : 200g 과 (1-x)Fe + 2Si + xAl : 200g 을 볼과 함께 1200g이 되도록 회전 가능한 볼 밀 자르(ball mill jar)의 분쇄기에 넣고 밀봉을 한다(S20). 이때 내용물을 포함한 볼 밀 자르의 질량이 ±2g 내외로 조정되도록 하는 것이 바람직하다.

여기에서, Co(n-type)는 약 2～12 mole %가 되도록 하는 것이 바람직하고, 필요에 따라서 보다 많은 량을 사용할 수 있다.

그리고, Al(p-type)은 2～14 mole%가 되도록 하는 것이 바람직하고, 필요에 따라서 그 보다 많은 량을 사용할 수 있다.

또한, 이러한 볼 밀 자르를 갖는 분쇄기는 중심을 기준으로 4개의 자르가 구비되도록 되어 있음으로써, 상대적으로 가벼운 자르는 회전축의 중심을 향하도록 서로 맞대게 하고, 무거운 것은 서로 반대되는 방향으로 향하도록 하는 것이 바람직하다.

다음, 이렇게 밀봉된 분쇄기에 전원을 인가시켜 자르를 1200rpm으로 회전시키게 되면 중력의 약 100배에 해당하는 힘이 발생하게 되고, 자르 내에 채워져 있는 볼과 볼이 전후로 이동하면서 마찰됨으로써 마찰열이 발생되면서 분말을 미세하게 분쇄하게 된다.

이때 미세하게 분쇄된 분말을 마찰열에 의해 상변화를 가져오게 됨으로써 Fe, Si, FeSi, β-FeSi2가 포함된 분말을 얻게 된다(S30).

이 과정에서 분쇄기의 작동시간은 약 30min～60min이 되도록 하는 것이 더욱 바람직하다.

다음, 분쇄기를 멈추고 자르를 오픈시켜 소량의 CH3CH2OH를 주입한다(S40).

다음, CH3CH2OH가 주입된 자르를 닫고 수초 회전시킨다(S50).

그리고 알코올과 혼합된 분말을 자르에서 꺼내 증발접시에 담고 드라이 오픈에 넣어 젖어 있는 분말을 건조시킨다(S60). 이때 건조를 위한 온도는 약 80～ 90°C가 되도록 하여 화재가 발생하는 것을 방지할 수 있도록 하는 것이 더욱 바람직하다.

다음 충분히 건조된 분말을 체를 이용하여 50㎛ 이하의 크기를 갖는 분말만을 선별한다(S70).

다음 선별된 분말을 몰드에 담고 소정의 압력을 가해 일정한 형태를 갖도록 소재를 성형하고(S80), 소정의 형태로 성형된 소재를 진공 압력하에서 열처리하는 단계(S90)로 이루어진다.

여기에서, 소재를 형성하는 과정에서 몰드에 있는 분말에 가해지는 압력은 1.5～2.0ton/cm2 이 되도록 하는 것이 더욱 바람직하다.

상기 열처리 하는 단계(S90)는 도 2에 도시된 바와 같이, 진공로의 온도를 점차 높여 소재에 포함된 가스가 제거되도록 하고, 가스가 제거된 소재를 1100～1200°C에서 1시간 동안 가열하여 소결한 다음 소결이 끝난 소재를 800～900°C에서 4～40시간 가열하여 후처리 하게 된다.

후처리가 끝난 소결소재를 아르곤이나 헬륨 및 네온의 가스 분위기에서 냉각시키는 과정을 통해 필요한 β-FeSi2 열전소자를 얻게 된다.

이때에는 약 2～4시간 소요된다.

후처리가 끝난 소결소재를 진공상태에서 냉각 시킬 때 약 20시간 소요된다.

한편, 이러한 과정을 통해 얻어진 β-FeSi2 열전소자를 이용한 발전장치는 도 3 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 내측 벽변에 소정의 공간에 구비된 단열부(2a)를 갖도록 구비된 가운데 소정의 높이를 가지며 벽면 내측에 열전소자부(1)가 구비된 원통형태를 갖는 발전기 몸체(2)와, 발전기 몸체(2)의 하단에 구비된 제어부 몸체(3)와, 평상시에는 발전기 몸체(2)의 상단에 끼워진 상태로 보관 또는 운반할 수 있도록 하고, 사용시(발전)에는 발전기 몸체(2)를 받칠 수 있도록 구비된 커버형 받침(4)과, 발전기 몸체(2)의 상단 양측에 회동 가능하게 구비된 손잡이(5)로 구성된다.

여기에서, 상기 발전기 몸체(2)는 윗면 중앙과 가장자리에 복수개의 배출구(6,6a)가 일체로 구비되어 있고, 내부에 구비된 열전소자부(1)의 사이는 하단부에 구비된 점화노즐(7)로 부터 점화된 고온의 가스가 대기로 배출되는 속도를 줄이가 위한 방안으로 반원형의 형태를 갖는 격벽부(8)가 지그 재그 형태로 구비되어 있다.

또한 상기 격벽부(8)는 전면에 다수개의 관통홀(9,10)이 형성되어 있어 고온의 가스가 이동하는 가운데 배출저항으로 작용하지 않도록 구비되어 있다.

그리고 상기 열전소자부(1)는 n형 소자부(11)와 p형 소자부(12)가 수직으로 구비되도록 하고, n형 소자부(11)와 P형 소자부(12)를 1쌍으로 내측면과 외측면에 전극판(13,14)이 직렬로 연결되도록 구성되어 있다.

이러한 n형 소자부(11)와 p형 소자부(12)는 일정한 곡률을 갖는 섹터형태로 구비되어 있어 발전기 몸체(2)의 내측 벽면에 부착시킬 수 있도록 구비되어 있다.

상기 제어부 몸체(3)는 발전기 몸체(2)의 하단에 구비된 것으로서, 상하부로 구분되는 복수개의 공간중 상부에는 연료주입구(3a)를 갖는 탱크(3b)가 구비되어 있고, 하부에는 열전소자부(1)로 부터 발생되는 전기를 저장하고, 저장된 전기를교류전기로 변환시켜 외부로 출력되도록 구비된 제어부(3c)가 구비되어 있다.

상기 커버형 받침(4)은 발전기 몸체(2)의 상단에 끼워지는 링형태로 구비된 통형 부재(4a)와, 통형 부재(4a)의 상단 내측면에 회동시켜 절첩이 가능하도록 구비된 다수의 받침로드(4b)로 구비되어 있다.

이와 같이 구성된 발전장치는 임의 전압 이상시에 점화부(15)를 이루는 점화 노즐(7)에 전원을 인가시켜 연료가 연소되면서 발생되는 열에 의해 충전이 개시하도록 하고, 임의 전압 이상시에 충전을 정지시키고, 출력단자(16)를 갖는 인버터 (17)에 접속된 배터리(18)의 전압이 상한 전압 이하일 경우에 OP-AMP B의 출력이 H(High)가 되도록 하여 트랜지스터(Tr2)가 ON이 되어 제 1릴레이(Ry1)를 작동시키게 된다.

이때, 제 1릴레이(Ry1)의 접점-1에 의해 자기 유지되며, 접점-2에 의해 제 2릴레이(Ry2)가 연동되어 전원이 공급됨으로써 솔레노이드 밸브(19)와 점화부(15)가 작동됨으로써 연료가 점화노즐(7)을 통해 연소되면서 열전소자부(1)로 부터 발생된 전기가 배터리(18)에 충전된다.

발생된 전기가 배터리(18)에 충전되는 과정에서 발전기 몸체(2)와 점화노즐(7) 부위에 구비된 제 1,2온도 감지센서(20,21)는 각각 발전기 몸체(2)의 내부온도(연전소자부)와 점화노즐(7)의 온도를 측정하여 설정치 이상일 경우에는 점화를 중지시키고, 이하일 경우에는 점화를 지속시켜 안정된 전기를 배터리(18)에 공급할 수 있게 된다.

그리고 배터리(18)에 전기를 충전시키는 과정중에 과충전 되면 OP-AMP A의출력이 H(High)가 됨으로써 트랜지스터(Tr1)를 ON시켜 제 1릴레이(Ry1)가 OFF되고, 이와 동시에 제 2릴레이(Ry2)가 OFF되면서 충전이 완료된다.

이상에서 살펴 본 바와 같이 본 고안은 Fe,Co,Si,Al분말을 회전하는 볼 밀 자르를 이용하여 분쇄시키는 과정에서 Fe, Si, FeSi, β-FeSi2가 포함된 분말을 얻을 수 있는 머케니컬 얼로잉을 사용하여 상온에서 부분적인 β-FeSi2를 얻도록 제조공정을 단순화 시켜 에너지의 절감을 통해 경제성을 높일 수 있도록 하고, 이러한 공정을 통해 얻어진 열전소자를 휴대용 발전장치에 응용하여 야외나 전기가 공급되는 않는 어느 곳에서든지 간편하게 전기를 사용할 수 있도록 한 것이다.

Claims (9)

1. 벽면 내부에 구비된 단열부(2a)의 내측면으로 구비된 다수의 열전소자부(1)와, 하단부에 구비된 점화노즐(7)로 부터 점화된 고온 가스의 배출속도를 늦추도록 열전소자부(1)의 내측면에서 중앙으로 향하도록 구비된 다수의 격벽부(8)를 갖는 발전기 몸체(2)와;

   발전기 몸체(2)의 하단에 구비된 연료주입구(3a)를 갖는 탱크(3b)와,

   열전소자부(1)로 부터 발생되는 전기를 저장하고, 저장된 전기를 교류전기로 변환시켜 외부로 출력되도록 구비된 제어부(3c)가 상기 탱크(3b)의 밑면에 구비되도록 하는 제어부 몸체(3)와;

   발전기 몸체(2)의 상단에 끼워지는 링형태로 구비된 통형 부재(4a)와, 통형 부재(4a)의 상단 내측면에 구비된 다수의 받침로드(4b)를 갖는 커버형 받침(4)과;

   발전기 몸체(2)의 상단 일측에 회동 가능하게 구비된 손잡이(6)로 구성된 것을 특징으로 하는 열전 반도체를 이용한 발전장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 열전소자부(1)는 n형 소자부(11)와 p형 소자부(12)가 수직으로 구비되도록 하고, n형 소자부(11)와 P형 소자부(12)를 1쌍으로 내측면과 외측면에 전극판(13,14)이 직렬로 연결되도록 구성된 것을 특징으로 하는 열전 반도체를 이용한 발전장치.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 n형 소자부(11)와 p형 소자부(12)는 소정의 곡률을 갖는 섹터형태로 구성된 것을 특징으로 하는 열전 반도체를 이용한 발전장치.
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