KR20130028470A - 열전소자의 열전성능지수 평가 방법 - Google Patents

열전소자의 열전성능지수 평가 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 열전소자 평가 방법에 대한 것으로서, 더 상세하게는 열전소자의 4개 파라미터인 제벡계수(Ｓ), 전기 전도도(σ), 열전도도(κ), 절대온도(Ｔ)를 동시에 모두 측정하는 열전소자 평가 방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 온도차(△T)를 조정함으로써 열전도도(κ), 전압차(△V), 제벡 계수(S)를 구함으로써 열전 소자 시편의 열전성능지수(ZT) 및 열전 발전 효율(η)을 산출하는 열전소자 평가 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 열전 물질의 열전 성능 지수(ZT)를 계산하기 위해 필요한 4개의 파라미터인 제벡계수(Ｓ), 전기 전도도(σ), 열전도도(κ), 절대온도(Ｔ)를 동시에 모두 구하는 것이 가능하게 된다.

Description

열전소자의 열전성능지수 평가 방법{Method for evaluating a thermoelectric figure-of-merit of thermoelectric device}
본 발명은 열전소자 평가 방법에 대한 것으로서, 더 상세하게는 열전소자의 4개 파라미터인 제벡계수(Ｓ), 전기전도도(σ), 열전도도(κ), 절대온도(Ｔ)를 동시에 모두 측정하여 열전소자의 열전성능지수를 평가하는 방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 열전소자 및 물질의 양단의 온도차(△T)를 조정함으로써 열전도도(κ), 전압차(△V), 제벡 계수(S)를 구함으로써 열전소자 및 물질의 열전성능지수(ZT) 및 열전 발전 효율(η)을 산출하는 열전소자 평가 방법에 관한 것이다.
열전소자를 사용하여 어떤 물질을 가열 또는 냉각시키거나, 열전소자의 양단에 존재하는 온도차를 이용하여 전기적 발전을 통해 전류를 생산해내는 것은, 새로운 청정에너지 개발에 있어 최근 각광을 받고 있다. 이러한 열전소자를 이용하여 열전발전을 위한 시스템을 개발하기 위해서는 열전소자의 발전성능을 정확히 파악해야 하며, 또한 이러한 열전소자에 사용되어지는 열전물질의 열전특성을 정밀하게 평가할 수 있어야만 한다. 열전소자의 열전발전 능력을 평가하기위해 통상적으로 열전성능지수(ZT)라는 무차원계수를 측정, 평가해야 한다.
그런데, 종래의 경우, 제벡계수(열전계수라고도 불림)만을 측정하거나 직류와 교류에 따른 전기적특성 만을 측정하여 열전성능지수를 계산하였다. 하지만 이러한 방법은 측정에 있어 정확도가 많이 떨어져 사용에 많은 제약이 있다.
상기 제벡계수는 물질에 따라 결정되는 상수 값이며, 재료 내부에 형성되는 온도차이에 따라 발생하는 열기전력(제벡효과라고도 함)을 측정함으로써 구할 수 있다. 상기 제벡계수(S)는 샘플 한쪽의 온도가 T0 이고 다른 쪽의 온도가 T1 일 때 열기전력(Vs)을 측정하여 구한다.
그리고, 전기전도도는 물질의 고유한 물성 중의 하나로서 그 물질의 화학적 구조 규명에 유용한 정보를 제공하거나 혹은 그 특성의 산업적 활용 가능성 측면에서 매우 중요하다.
상기 전기전도도는 재료에 전위차를 발생시켜 재료 내에 흐르는 전류량을 측정함으로써 재료가 가지는 고유의 비저항을 측정함으로써 구하게 되는데, 종래 전기 전도도를 측정하는 장치로서 등록특허 제10-0378869호가 개시되어 있다.
그런데, 이러한 한국등록특허 제10-0378869호의 제벡계수의 측정장치의 경우, 니크롬선이 약 500℃ 정도의 온도영역까지 사용될 수 있기 때문에 이 이상의 고온에서의 측정은 불가능하다는 문제점이 있었다.
또한, 한국등록특허 제10-0378869호의 제벡계수의 측정장치는 주로 재료의 표면저항을 측정하는데 사용되며 상온에서의 측정만이 가능하므로 고온에서 벌크(bulk) 재료 전체가 가지는 전기전도도를 측정하는 데는 어려움이 따르며 측정의 신뢰도도 낮다는 문제점이 있었다.
이러한 문제점을 해소하기 위해 한국등록특허 제10-0499351호의 제벡계수 및 전기전도도 측정장치가 제안되었다.
그러나, 한국등록특허 제10-0499351호에 따른 제벡계수 및 전기전도도 측정장치는 제백계수와 전기전도도만을 측정하게 되는 단점이 있다.
즉, 열전물질 또는 열전소자의 열전성능지수(ZT)를 계산하기 위해서는 4개의 파라미터인 제벡계수(Ｓ), 전기전도도(σ), 열전도도(κ), 절대온도(Ｔ)를 필요로 한다. 그런데, 종래 기술의 경우 전기전도도 및 제벡계수만을 측정하는 것이 가능하므로 다른 파라미터인 열전도도 및 절대온도를 다른 추가적인 방법을 통해 다시 구해야하는 단점이 있다.
한국등록특허 제10-0378869호 한국등록특허 제10-0499351호
본 발명은 위에서 제기된 종래 기술에 따른 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, 열전 물질의 열전성능지수(ZT)를 계산하기 위해 필요한 4개의 파라미터인 제벡계수(Ｓ), 전기 전도도(σ), 열전도도(κ), 절대온도(Ｔ)를 동시에 모두 구하는 것을 가능하게 하는 열전소자 평가 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 열전 물질에 대한 평가를 간편하게 하는 열전소자 평가 방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.
본 발명은 위에서 제기된 과제를 달성하기 위해, 열전소자를 평가하기 위해 요구되는 4개의 파라미터를 동시에 모두 산출하는 열전소자 평가 방법을 제공한다.
이 열전소자 평가 방법은, 열 플레이트의 온도와 냉각 플레이트의 온도를 센싱하여 계산하고 상기 열 플레이트의 온도와 냉각 플레이트의 온도가 같으면 전기전도도를 측정하는 전기전도도 측정 단계; 상기 열 플레이트와 냉각 플레이트 간 온도차가 소정 증감값이 더해진 증감값 추가 온도차가 되도록 상기 열 플레이트와 냉각 플레이트에 각각 다른 전원을 인가하는 전원 인가 단계; 상기 열 플레이트와 냉각 플레이트 사이에 위치되는 열전소자 시편의 열전도도, 양단 전압차를 측정하는 열전도도 및 전압차 측정 단계; 상기 증감값 추가 온도차가 설정된 증감값 추가 온도차인지를 판단하는 판단 단계; 판단 결과, 설정된 증감값 추가 온도차이면, 제벡 계수를 산출하는 제벡 계수 산출 단계; 및 상기 제벡 계수, 전기전도도, 열전도도 및 양단 전압차를 이용하여 상기 열전 소자 시편의 열전성능지수를 산출하는 열전성능지수 산출 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 열 플레이트의 온도와 냉각 플레이트의 온도는 각각 변경되되, 상기 열 플레이트의 온도와 냉각 플레이트의 온도의 합에 대한 평균온도는 최초 설정된 값으로 유지되는 것을 특징으로 한다.
또한, 이 열전소자 평가 방법은 상기 열전성능지수를 이용하여 상기 열전 소자 시편의 열전 발전 효율을 산출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 전기전도도는 다음식,
Figure pat00001
(여기서, lp는 P형 반도체의 길이, ln은 N형 반도체의 길이, np는 P형 반도체 개수, nn은 N형 반도체 개수, I는 전류, a는 P형 또는 N형 반도체의 단면적, vp는 P형 반도체에 걸린 전압강하, vn은 N형 반도체에 걸린 전압강하를 나타냄)을 이용하여 산출되는 것을 특징으로 할 수 있다.
여기서, 상기 열전도도는 다음식,
Figure pat00002
(여기서, Qin은 총 유입 열에너지를, A는 열에너지가 흘러가는 단면적을, d는 열전소자 시편의 두께를, npair,in은 열에너지가 유입된 N형 반도체 1개와 P형 반도체 1개로 이루어진 쌍의 개수를, qpair,in은 N형 반도체 1개와 P형 반도체 1개로 이루어진 쌍에 유입된 열에너지를, apair는 N형 반도체 1개와 P형 반도체 1개로 이루어진 쌍의 단면적을, m.a.는 열 플레이트의 단면적을 나타냄)을 이용하여 산출되는 것을 특징으로 할 수 있다.
여기서, 상기 제벡 계수는 다음식,
Figure pat00003
(여기서, △vp는 p형 반도체에 걸린 전압강하차이이고, △vn는 n형 반도체에 걸린 전압강하차이이며, npair는 N형 반도체 1개와 P형 반도체 1개로 이루어진 쌍의 개수를 나타냄) 및
Figure pat00004
을 이용하여 산출되는 것을 특징으로 할 수 있다.
여기서, 상기 열전성능지수는 다음식,
Figure pat00005
및
Figure pat00006
을 이용하여 산출되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따르면, 열전 물질의 열전성능지수(ZT)를 계산하기 위해 필요한 4개의 파라미터인 제벡계수(Ｓ), 전기 전도도(σ), 열전도도(κ) 및 절대온도(Ｔ)을 동시에 모두 구하는 것이 가능하게 된다.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는 4개의 파라미터인 제벡계수(Ｓ), 전기전도도(σ), 열전도도(κ) 및 절대온도(Ｔ)를 구하고 이를 바탕으로 열전성능지수(ZT) 및 열전 발전 효율(η)을 산출하게 되므로 열전 물질에 대한 평가가 간편하다는 점을 들 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 열전소자를 위치시키는 메인 챔버의 개념도이다.
도 2는 도 1의 메인 챔버에 위치되는 가열 플레이트 조립체(150)의 상세한 구조를 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 열전소자 평가 방법을 도시한 열전소자 평가 방법 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 열전소자 평가 방법을 이용하여 파라미터를 계산하는 개념도이다.
도 5는 도 4의 열전소자 평가 방법 개념도에 따라 제벡 계수(Ｓ)를 측정하는 개념도이다.
도 6은 도 4의 열전소자 평가 방법 개념도에 따라 전기 전도도(σ)를 측정하는 개념도이다.
도 7은 도 4의 열전소자 평가 방법 개념도에 따라 열전도도(κ)를 측정하는 개념도이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 열전소자에 대하여 측정된 온도차를 보여주는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 열전소자에 열전성능지수를 측정, 평가, 디스플레이 하기 위한 화면 예이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 열전소자 평가 과정을 보여주는 흐름도이다.
도 11은 도 10의 순서도에 따라 온도차-전압차 관계를 보여주는 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제 1, 제 2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서 사용되는 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 출원에서, "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.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미가 있는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 열전소자 평가 방법에 대하여 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 열전소자를 위치시키는 메인 진공 챔버의 개념도이다. 도 1을 참조하면, 메인 진공 챔버(100)는, 내부 진공 상태를 측정하는 진공 게이지(110); 가열 플레이트 조립체(150)를 가이드하는 위치 가이드바(120); 내부를 절연하는 절연부(130); 및 내부를 밀봉하되, 가열 플레이트 조립체(150)와 연결되는 선을 인입하는 선연결 인입구(141)와 냉수를 주입 또는 배출하는 배수/인수구(142)가 형성되는 밀봉부(140) 등으로 구성된다.
메인 진공 챔버(100)는 진공상태로 측정이 가능하도록 제작되었으며, 메인 진공 챔버(100)의 상부는 전동식으로 들어올려 질 수도 있다. 또한, 메인 진공 챔버(100)의 일측에는 선연결 인입구(141)가 설치되어 있어 메인 진공 챔버(100) 내부로 들어가는 전력선과 외부로 나오는 온도센서 선을 연결할 수 있게 설계되어 있다.
또한, 메인 진공 챔버(100)의 다른 일측에는 가열 플레이트 조립체(150)에 냉수를 공급하거나 가열 플레이트 조립체(150)로부터 냉수를 배출하기 위한 배수/인수구(142)가 구비된다.
또한, 메인 진공 챔버(100)의 내측에는 전자기파, 광 등과 같은 외부 영향을 차단하기 위해 절연부(130)층이 측면과 바닥에 구비된다.
도 2는 도 1의 메인 챔버에 위치되는 가열 플레이트 조립체(150)의 상세한 구조를 보여주는 도면이다. 가열 플레이트 조립체(150)는 보호 열판 방식을 이용하여 구현된다. 보호 열판 방식은 열전소자에 열을 공급해주는 플레이트(heating plate assembly)가 단일 판으로 되어 있지 않고, 열 플레이트(hot plate)와 보호 플레이트(guarded plate)의 이중 구조로 되어 있다.
도 2를 참조하면, 가열 플레이트 조립체(150)는 가열 플레이트 조립체(150)내의 온도를 냉각하는 냉각조(250), 냉각 플레이트(220), 열을 발산하는 열 플레이트(210), 열이 외부로 새지 않게 하는 보호 플레이트(230) 및 가드 링(270), 열전도를 차단하는 버퍼층(240) 등으로 이루어진 구조이다. 이러한 가열 플레이트 조립체(150)는 본 출원인이 출원한 출원번호 제10-2010-0028234호(발명의 명칭: 열전소자 평가 방법 및 이를 이용한 열전소자 평가 시스템)에 기재되어 있다.
물론, 이러한 가열 플레이트 조립체(150)는 보호 열판 방식의 한 예를 보여주는 것으로 구조나 구성은 다르게 구성될 수 있다.
도 2를 계속 참조하면, 냉각조(250)는 냉각수를 저장하는 영역으로 상층으로부터 전달된 열을 냉각시키는 역할을 한다. 여기서, 냉각수로는 보통 액체 질소가 사용되나, 이에 한정되지는 않으며, 액체 헬륨, 프레온 가스, 에탄올 등이 사용될 수 있다.
버퍼층(240)은 냉각조(250)와 냉각 플레이트(220) 사이에서 완충 역할을 하며 단열재 계열의 판재가 사용될 수 있다.
열 플레이트(210)는 열선(미도시)이 내부에 구비되어 열을 발산하는 기능을 수행하며, 냉각 플레이트(220)와 유사하게, 알루미늄 등과 같은 금속 재질로 이루어진다. 또한, 하부에는 온도 센서를 삽입하기 위한 온도 센서홀(미도시)이 다수 개 형성된다.
일반적으로, 열전도도 측정 시 가장 중요한 점은 다음식에서 P값의 정확한 측정이다.
Figure pat00007
여기서, P는 일정 전기 입력 전력(constant electrical input power), d는 열전소자의 두께, A는 발생한 열에너지가 흘러가는 샘플의 단면적, 그리고 △T는 열전소자의 양단에 형성된 온도편차를 나타낸다.
열전도도 측정에 있어 가장 중요한 사항은 소자에 공급된 열에너지가 소자의 고온면(hot plate) 쪽에서 저온면(cold plate)쪽으로 완전히 흘러가야만 한다는 것이다. 열 손실이 발생하여 소자 양단에 형성된 온도차가 소자 자체의 열전도도에 의해서 형성되는 것이 아닌 경우에는 실험적 오차가 매우 커지게 되고 그 양을 예측하기도 매우 힘들어지게 된다.
따라서, 보호 열판 방식의 경우 원리적으로 열 플레이트(210)에 저항선을 감아 열에너지를 공급하고, 보호 플레이트(230)의 온도를 열 플레이트(210)의 온도와 같게 조절하면 열 플레이트(210)에서 발생한 열의 흐름이 평면상으로는 보호 플레이트(230)와 열 플레이트(210)가 열평형을 이루고 있기 때문에 열흐름을 방지할 수 있게 된다.
결국, 열 플레이트(210)에서 발생한 열은 모두 열전소자 시편(200)을 통해 저온판인 냉각 플레이트(220)(열 플레이트(210)의 반대편에 놓여 있는 판으로 온도편차를 주기 위해 고온판인 열 플레이트(210)보다 낮은 온도로 온도조절이 되는 판)로 흘러갈 수 있게 된다. 다시 말해, 보호 플레이트(230)의 역할은 열 플레이트(210)에서 발생한 열에너지의 손실을 없애주는 것이다.
그리고, 실험적으로 위 수학식1을 구현하여 열전도도를 구하기 위해서는 독립적인 온도조절을 통해 열 플레이트(210)와 냉각 플레이트(220)의 온도(각각, TH TC)를 원하는 온도로 조절한다. 이렇게 열전소자의 양단에 존재하는 열 플레이트(210)와 냉각 플레이트(220)가 원하는 온도에서 정상상태(steady state)로 유지되기 위해서는 열 플레이트(210)에 일정한 전류(I)가 흘러가야 하는데, 이때 열 플레이트(210)로 흘러들어가는 전류를 측정하고, 표준저항(R)을 설치하여 여기를 통과하는 전류를 측정하여 VI를 구하고 이를 통해 P값을 산출하게 된다.
또한, 수학식1에서 A는 열이 흘러가는 면적을 나타내는데 여기에서는 열판 중 실제로 열전소자 시편(200)에 열에너지가 공급되는, 즉 열전도도 계산에 사용되어지는 P를 공급하는 열 플레이트(210)의 면적이 A가 된다. 이 경우 열 플레이트(210)에 공급되어 냉각 플레이트(220)로 흘러가는 열흐름이 보호 플레이트(230)의 역할에 의해 1차원적으로만 흘러간다는 가정 하에서만 적용된다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 열전소자 평가 방법을 도시한 열전소자 평가 방법 개념도이다. 도 3을 참조하면, 열전소자 평가 방법은, 가열 플레이트 조립체(도 2의 150)가 안치되는 메인 진공 챔버(100); 상기 가열 플레이트 조립체(150)와 연결되어 상기 가열 플레이트 조립체에 전원을 공급함으로써 온도를 조절하는 온도 조절기(340); 상기 가열 플레이트 조립체(150)와 연결되어 상기 열전소자 시편에 대한 열전 성능 지수 산출 파라미터 정보를 수집하는 데이터 수집기(310); 및 상기 온도 조절기(340)를 제어하며 수집된 열전 성능 지수 산출 파라미터 정보를 이용하여 열전소자 시편(도 2의 200)에 대한 열전 성능 지수를 산출하는 계산부(300) 등으로 구성된다.
또한, 상기 메인 진공 챔버(100)를 진공 상태로 유지시키는 진공 펌프(320)와 상기 진공 펌프(320)를 제어하는 진공 챔버 제어기(330)가 더 구비된다.
상기 온도 조절기(340)에는, DC(Direct Current) 또는 AC(Alternating Current) 전원을 상기 가열 플레이트 조립체에 공급하는 파워 서플라이(미도시); 상기 공급된 DC 또는 AC 전원에 의해 상기 열전소자 시편(도 2의 200)에 생성된 전압을 측정하는 전압계(미도시); 상기 공급된 DC 또는 AC 전원에 의해 상기 열전소자 시편에 생성된 전류를 측정하는 전류계(미도시); 및 상기 열전소자 시편을 파워 서플라이, 전압계 및 전류계 중 어느 하나에 연결하는 릴레이 회로(미도시) 등이 포함되어 구성된다. 여기서, 전압계는 DVM(Digital VoloMeter)이 될 수 있다.
데이터 수집기(310)는 온도 조절기(340)에 따라 열전소자 시편(200)에서 변화되는 물리량의 데이터를 수집하는 기능을 수행한다. 데이터 수집기(310)로는 데이터 로거 등이 사용될 수 있다. 이들 데이터로는 열전 성능 지수 산출 파라미터 정보가 되며, 제벡계수(Ｓ), 전기 전도도(σ), 열전도도(κ) 및 절대온도(Ｔ) 등을 들 수 있다.
계산부(300)는 마이크로프로세서(미도시), 저장 장치(미도시), 프로그램, 소프트웨어, 디스플레이(미도시) 등이 구비되어 있다. 따라서, 계산부(300)는 데이터 수집기(310)로부터 수집된 데이터를 이용하여 열전소자 시편(도 2의 200)의 성능 지수(ZT)를 산출하는 역할을 한다.
부연하면, 각 플레이트(도 2의 210,220,230)의 온도 센싱과 제어는 다수 개의 온도센서(TC)를 통해 이루어지며, 센싱된 데이터는 데이터 수집기(310)에서 수집된다. 수집된 데이터는 계산부(300)로 전송되는데, 이때 데이터의 수집 및 처리는 GP-IB 통신과 RS232C를 통해 제어용 컴퓨터인 계산부(300)와 데이터 수집기(310)간 통신을 통해 이루어진다.
계산부(300)에서 사용되는 프로그램으로는 Labview 8.2 version 등을 들 수 있으며, 이 프로그램을 통해 제어 및 신호처리 등이 수행된다. 예를 들면, 온도센서(미도시)의 신호와 각 전기신호는 1초에 한 번씩 수집, 처리된다. 이렇게 수집된 데이터 들을 통해 열전소자의 열전성능지수와 열전발전효율을 평가하여 결과를 표시하게 된다.
또한, 계산부(300)가 산출된 성능 지수를 디스플레이상에 디스플레이하는 것도 가능하다.
열전소자의 열전성능지수(thermoelectric Figure-of-merit)은 다음식과 같이 나타낸다.
Figure pat00008
여기서, S는 각각 제벡(Seebeck) 계수, σ는 전기 전도도, T는 절대온도, 그리고 k는 열전도도이다.
제벡 계수(S)는 다음식과 같다.
Figure pat00009
여기에서 △T는 열전소자 시편(도 2의 200)의 양단에 걸린 온도편차로서 열 플레이트(도 2의 210)와 냉각 플레이트(도 2의 220)의 온도차를 나타낸다.
△V는 열전소자 시편(200) 양단에 온도차 △T가 인가됐을 때 열전소자 시편(200)의 입력단과 출력단에 걸린 전압차를 의미한다. 이를 구하기 위해 열전소자의 양단에 걸리는 온도차 △T를 변화시켜가면서 이에 따른 전압차 △V를 측정함으로써 생성된 △V vs △T의 선형 관계식에서 기울기를 구하는 방법을 택한다.
열 플레이트(도 2의 210)와 냉각 플레이트(220)의 온도를 조절하여 열전소자 시편(도 2의 200)의 위, 아랫면에 온도차를 발생시키고 이때 유도되는 전압차를 열전소자 시편(200)의 출력단과 입력단 사이의 전압을 측정함으로써 평가하는 방법을 사용한다.
전기 전도도(σ)는 다음식과 같이 구할 수 있다.
Figure pat00010
여기서, ρ는 전기저항을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 열전소자 평가 방법을 이용하여 파라미터를 계산하는 개념도이다. 도 4를 참조하면, 열전소자 시편(200)이 열 플레이트(210)와 냉각 플레이트(220) 사이에 놓이고, 열 플레이트(210) 주위를 가드 링(270)이 놓이며, 이 가드 링(270)과 열 플레이트(210)의 상단에 보호 플레이트(230)가 놓이게 된다.
또한, 열전소자 시편(200)에 전원을 공급하는 파워 서플라이(400), 열전소자 시편(200)의 전압 및/또는 전류를 측정하는 전압계(410) 및 전류계(420)가 구비된다. 여기서, 열전소자 시편(200)의 구조는 일반적으로 N 또는 P형 반도체(460), 이 N 또는 P형 반도체(460)를 차례대로 감싸는 전기 전도판(460), 세라믹 기판(440a,b) 등으로 구성된다.
또한, 열전소자 시편(200)을 파워 서플라이(400), 전압계(410), 전류계(420)에 선택적으로 연결하는 릴레이 회로(430)가 구비된다.
따라서, 릴레이 회로(430)는 열전소자 시편(200)에 파워 서플라이(400)를 연결하여 열전소자 시편(200)에 전원을 공급하게 되고, 이후 릴레이 회로(430)가 전압계(410) 및 전류계(420)를 열전소자 시편(200)에 연결하게 되면, 전압계(410) 및/또는 전류계(420)가 열전소자 시편(200)의 전압 및/또는 전류를 각각 검출하게 된다.
도 4에는 도시되지 않았으나, 파워 서플라이(400)는 열 플레이트(210)의 내부에 배선된 열선(미도시)에도 전원을 공급한다.
물론, 각 플레이트들(210,220,230)의 온도조절은 PID(Proportional-Integrate- Derivative) 제어를 통해 전원 공급장치인 파워 서플라이(400)로부터 전원이 공급됨으로써 조절된다. 도 4는 하나의 전원 공급장치인 파워 서플라이(400)을 이용하는 것으로 되어 있으나, 각 플레이트들(210,220,230)은 각각 개별의 전원 공급장치를 이용하여 온도조절이 된다.
파워 서플라이(400)는 전원으로 교류를 사용하며, 열 플레이트(210)의 경우에는 정확한 열에너지 계산이 필요하기 때문에 직류전원을 사용한다.
열 플레이트(210)의 온도는 250℃까지 가능하며, 냉각 플레이트(220)는 액체질소를 냉매로 사용할 경우, -160℃까지 온도조절이 가능하다.
또한, 각 플레이트들(210,220,230)의 온도조절이 가장 중요한 요소 중의 하나이기 때문에 다수개의 온도 센서(450)가 각 플레이트들(210,220,230)에 매입된다.
예를 들면, 열 플레이트(210)에는 5개의 온도센서가 배치되고, 열 플레이트(210)를 감싸고 있는 보호 플레이트(230)에는 4개의 온도센서가 배치되고, 열 플레이트(210) 위쪽에 놓여 열 플레이트(210)에서 나오는 열류가 아래쪽의 열전소자 시편(200) 방향과 반대방향(즉, 윗방향)으로 흐르는 것을 막기 위한 열평형 조건을 만들어주는 보호 플레이트(230)와 냉각 플레이트(220)에는 5개의 온도센서가 배치된다. 부연하면, 약 19개의 온도센서(450)를 각 플레이트들(210,220,230)에 배치하므로 최대한 플레이트의 온도 균질성이 확보된다.
각 플레이트들(210,220,230)의 온도는 플레이트에 심어져 있는 온도센서의 평균값이 사용되며, 플레이트들(210,220,230)의 온도 균질성이 매우 좋을 경우에는 각 플레이트들(210,220,230)에 심어져 있는 온도센서 중 1개의 지시값을 이용하여 PID 조절하는 것이 가능하다.
도 5는 도 4의 열전소자 평가 방법 개념도에 따라 제벡 계수(Ｓ)를 측정하는 개념도이다. 도 5를 참조하면, 열 플레이트(210)에서 측정된 TH가 냉각 플레이트 (240)에서 측정된 TC보다 크면, 즉 TH > TC이면, 제벡 계수(S)는 다음식과 같다.
Figure pat00011
여기서, △vp는 p형 반도체에 걸린 전압강하차이이고, △np는 n형 반도체에 걸린 전압강하차이이다. 또한, npair는 N형 반도체 1개와 P형 반도체 1개로 이루어진 쌍의 개수를 나타낸다. 여기서, 전기 전도층(도 4의 470)에서의 전압 강하는 무시한다.
Figure pat00012
도 6은 도 4의 열전소자 평가 방법 개념도에 따라 전기 전도도(σ)를 측정하는 개념도이다. 열 플레이트(210)에서 측정된 TH와 냉각 플레이트 (240)에서 측정된 TC가 같으면, 즉 TH = TC이면, 전기 전도도(σ)는 다음식과 같다.
Figure pat00013
여기서, lp는 P형 반도체의 길이, ln은 N형 반도체의 길이, np는 P형 반도체 개수, nn은 N형 반도체 개수, I는 전류, a는 P형 또는 N형 반도체의 단면적, vp는 P형 반도체에 걸린 전압강하, vn은 N형 반도체에 걸린 전압강하를 나타낸다.
도 7은 도 4의 열전소자 평가 방법 개념도에 따라 열전도도(κ)를 측정하는 개념도이다. 도 7을 참조하면, TH = TG,R = TG.P > TC이면, 열전도도는 다음식과 같이 산출된다.
Figure pat00014
여기서, Qin은 총 유입 열에너지를, A는 열에너지가 흘러가는 단면적을, d는 열전소자 시편(도 4의 200)의 두께를, npair,in은 열에너지가 유입된 N형 반도체 1개와 P형 반도체 1개로 이루어진 쌍의 개수를, qpair,in은 N형 반도체 1개와 P형 반도체 1개로 이루어진 쌍에 유입된 열에너지를, apair는 N형 반도체 1개와 P형 반도체 1개로 이루어진 쌍의 단면적을, m.a.는 열 플레이트(210)의 단면적을 나타낸다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 열전소자에 대하여 측정된 온도차를 보여주는 그래프이다. 도 8을 참조하면, 약 -33℃의 히트 싱크가 도 4에 도시된 냉각 플레이트(220)에 부착된 경우, 열전소자 시편(도 4의 200)의 열 플레이트(도 4의 210)와 냉각 플레이트(도 4의 220) 사이 간 최대 온도 차이가 도시된다.
즉, 냉각 플레이트측 온도 그래프(800), 보호 플레이트측 온도 그래프(810), 가드 링측 온도 그래프(830), 및 열 플레이트측 온도 그래프(840)가 도시되며, 최대 △T는 약 19.97℃가 된다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 열전소자의 열전성능지수를 평가하기 위해 제작된 프로그램의 화면예이다. 이 측정 화면예는 열전성능지수를 산출하기 위한 그래픽 화면, 분석 화면, 결과 화면 등으로 구성된다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 열전소자 평가 과정을 보여주는 흐름도이다. 도 10을 참조하면, 열 플레이트(도 2의 210)의 온도와 냉각 플레이트(도 2의 220)의 온도를 센싱하여 계산하고 상기 열 플레이트의 온도(TH)와 냉각 플레이트의 온도(TC)가 같으면 전기전도도를 측정한다(단계 S1000,S1010). 부연하면, 최초에 표준온도(
Figure pat00015
)를 300K로 설정하고, 열 플레이트의 온도(TH)와 냉각 플레이트의 온도(TC)를 동일하게 하며 열 플레이트의 온도(TH)와 냉각 플레이트의 온도(TC)간 온도차(△T)는 △T = 0이 된다. 물론, 표준온도(
Figure pat00016
)는 다음식과 같다.
Figure pat00017
전기전도도가 측정되면, 상기 열 플레이트(도 2의 210)와 냉각 플레이트(도 2의 220)간 온도차가 소정 증감값이 더해진 증감값 추가 온도차가 되도록 상기 열 플레이트와 냉각 플레이트에 각각 다른 전원을 인가하게 된다(단계 S1020).
부연하면, 온도차(△T)를 2K 만큼 증가시켜서 20K까지 달하게 하여, 상기 열 플레이트와 냉각 플레이트 사이에 위치되는 열전소자 시편(도 2의 200)의 열전도도, 양단 전압차를 측정하게 된다. 물론, 이때 표준온도(
Figure pat00018
)는 300K인 채로 유지된다. 도 10에서는 온도차를 2K단위로 하여 2K, 4K, 6K .....20K로 하여 반복 수행하여 열전도도(κ), 양단 전압차(△V) 및 온도차(△T) 등을 측정한다(단계 S1030,S1040 및 S1050). 이해를 위해 표로 설명하면 열 플레이트의 온도(TH)와 냉각 플레이트의 온도(TC)는 다음과 같다.
온도차(△T) TH TC
2K 301K 299K
4K 302K 298K
6K 303K 297K
... ... ...
표 1과 같이 표준온도(
Figure pat00019
)는 열 플레이트의 온도(TH)와 냉각 플레이트의 온도(TC)가 각각 변화되더라도, 300K로 계속 유지된다.
상기 증감값 추가 온도차가 설정된 증감값 추가 온도차인지를 판단하여, 판단 결과, 설정된 증감값 추가 온도차이면, 제벡 계수를 산출한다(단계 S1060). 이와 달리, 설정된 증감값 추가 온도차가 아니면, 단계 S1020 내지 단계 S1050이 반복진행된다.
제벡 계수는 도 11의 그래프에 도시된 바와 같이, 양단 전압차(△V)/온도차(△T)의 기울기(1100)가 된다. 즉, 도 11은 온도차-전압차 관계를 보여주는 그래프로서, x축은 온도차(△T)를 나타내고, y축은 전압차(△V)를 나타내며, 각 측정점(1110)에서 서로 대응된다.
이들 제벡 계수, 전기전도도, 열전도도 및 양단 전압차가 구해지면, 이들을 이용하여 상기 열전 소자 시편(도 2의 200)의 열전성능지수 및/또는 열전 발전 효율을 산출한다(단계 S1070). 이들 열전성능지수(ZT)와 열전 발전 효율(η)은 다음식과 같다.
Figure pat00020
Figure pat00021
Figure pat00022
여기서, TC는 냉각 플레이트(도 2의 220)의 온도이고, TH는 열 냉각 플레이트(도 2의 210)의 온도를 나타낸다.
100: 메인 진공 챔버 110: 진공 게이지
120: 위치 가이드바 130: 절연부
140: 밀봉부 141: 선연결 인입구
142: 배수/인수구 150: 가열 플레이트 조립체
200: 열전소자 시편 210: 열 플레이트
220: 냉각 플레이트 230: 보호 플레이트
240: 버퍼층 250: 냉각조
260: 급수 라인 270: 가드 링
300: 계산부 310: 데이터 수집기
320: 진공 펌프 330: 진공 챔버 제어기
340: 온도 조절기 400: 파워 서플라이
410: 전압계 420: 전류계
430: 릴레이 회로
440a,b: 세라믹 기판 450: 온도 센서

Claims (5)

  1. 열 플레이트의 온도와 냉각 플레이트의 온도를 센싱하여 계산하고 상기 열 플레이트의 온도와 냉각 플레이트의 온도가 같으면 전기전도도를 측정하는 전기전도도 측정 단계;
    상기 열 플레이트와 냉각 플레이트간 온도차가 소정 증감값이 더해진 증감값 추가 온도차가 되도록 상기 열 플레이트와 냉각 플레이트에 각각 다른 전원을 인가하는 전원 인가 단계;
    상기 열 플레이트와 냉각 플레이트 사이에 위치되는 열전소자 시편의 열전도도, 양단 전압차를 측정하는 열전도도 및 전압차 측정 단계;
    상기 증감값 추가 온도차가 설정된 증감값 추가 온도차인지를 판단하는 판단 단계;
    판단 결과, 설정된 증감값 추가 온도차이면, 제벡 계수를 산출하는 제벡 계수 산출 단계; 및
    상기 제벡 계수, 전기전도도, 열전도도 및 양단 전압차를 이용하여 상기 열전 소자 시편의 열전성능지수를 산출하는 열전성능지수 산출 단계
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 열전소자 평가 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 열 플레이트의 온도와 냉각 플레이트의 온도는 각각 변경되되, 상기 열 플레이트의 온도와 냉각 플레이트의 온도의 합에 대한 평균온도는 최초 설정된 값으로 유지되는 것을 특징으로 하는 열전소자 평가 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 열전성능지수를 이용하여 상기 열전 소자 시편의 열전 발전 효율을 산출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열전소자 평가 방법.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 전기 전도도는 다음식,
    Figure pat00023

    (여기서, lp는 P형 반도체의 길이, ln은 N형 반도체의 길이, np는 P형 반도체 개수, nn은 N형 반도체 개수, I는 전류, a는 P형 또는 N형 반도체의 단면적, vp는 P형 반도체에 걸린 전압강하, vn은 N형 반도체에 걸린 전압강하를 나타냄)을 이용하여 산출되고,
    상기 열전도도는 다음식,
    Figure pat00024

    (여기서, Qin은 총 유입 열에너지를, A는 열에너지가 흘러가는 단면적을, d는 열전소자 시편의 두께를, npair,in은 열에너지가 유입된 N형 반도체 1개와 P형 반도체 1개로 이루어진 쌍의 개수를, qpair,in은 N형 반도체 1개와 P형 반도체 1개로 이루어진 쌍에 유입된 열에너지를, apair는 N형 반도체 1개와 P형 반도체 1개로 이루어진 쌍의 단면적을, m.a.는 열 플레이트의 단면적을 나타냄)을 이용하여 산출되며,
    상기 제벡 계수는 다음식,
    Figure pat00025
    (여기서, △vp는 p형 반도체에 걸린 전압강하차이이고, △vn는 n형 반도체에 걸린 전압강하차이이며, npair는 N형 반도체 1개와 P형 반도체 1개로 이루어진 쌍의 개수를 나타냄) 및
    Figure pat00026
    을 이용하여 산출되는 것을 특징으로 하는 열전소자 평가 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 열전성능지수는 다음식,
    Figure pat00027
    및
    Figure pat00028
    을 이용하여 산출되는 것을 특징으로 하는 열전소자 평가 방법.



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