KR20150037458A - 열전 소자 측정 장치 및 방법 - Google Patents

열전 소자 측정 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 따른 열전 소자 측정 장치는 샘플의 제 1 측면의 온도를 제어하는 고온 히터, 상기 샘플의 제 2 측면의 온도를 제어하는 저온 히터, 상기 고온 히터보다 작은 단위로 상기 샘플의 제 1 측면의 온도를 제어하는 미세조정 히터, 상기 고온 히터, 상기 저온 히터 및 상기 미세조정 히터를 제어하고, 상기 샘플의 제 1 및 제 2 측면의 전압들을 측정하는 온도 제어 및 전압 측정부, 그리고 상기 샘플의 제 1 측면에서 발생하는 고온 출력 전압 및 상기 샘플의 제 2 측면에서 발생하는 저온 출력 전압을 이용하여 상기 샘플의 열 전도도를 측정하는 열 전도도 측정부를 포함한다.

Description

열전 소자 측정 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR MEASURING THERMOELECTRIC DEVICE}
본 발명은 측정 장치에 관한 것으로서, 좀 더 구체적으로는 안정된 온도를 유지하면서 열전 소자의 물성을 측정하는 열전 소자 측정 장치에 관한 것이다.
2개의 서로 다른 금속도선의 양끝을 연결하여 폐회로를 구성하고 양단에 온도차를 인가하면 두 접점 사이에 전위차가 발생한다. 이러한 현상을 열전현상이라고 한다. 이때 발생한 전위차를 열기전력이라고 한다.
열전 소자는 위와 같은 열전현상을 이용한다. 열전 소자는 지벡(Seebeck) 효과 및 펠티에(Peltier) 효과를 나타낸다. 2종류의 금속 또는 반도체의 양끝을 접합하여 양단에 온도차를 인가하면 회로에 기전력이 발생한다. 이를 지벡(Seebeck) 효과라고 한다. 2종류의 금속 또는 반도체를 접합하여 전류를 인가하면 접합 부분에서 열의 흡수 또는 발생 현상이 일어난다. 이를 펠티에(Peltier) 효과라고 한다.
열전 소자의 물성을 측정하기 위해 단일 열전쌍을 사용하는 경우, 펠티에(Peltier) 효과를 이용하여 열전쌍 접점을 가열하면서 동시에 지벡(Seebeck) 효과를 이용하여 열전쌍 접점의 온도를 계측하는 것은 직류 전류 또는 교류 전류 중 어느 전류를 사용하더라도 어려운 일이다.
본 발명의 목적은 안정된 온도차를 인가 및 유지하면서 열전 소자의 물성을 측정하는 열전 소자 측정 장치 및 방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 따른 열전 소자 측정 장치는 샘플의 제 1 측면의 온도를 제어하는 고온 히터, 상기 샘플의 제 2 측면의 온도를 제어하는 저온 히터, 상기 고온 히터보다 작은 단위로 상기 샘플의 제 1 측면의 온도를 제어하는 미세조정 히터, 상기 고온 히터, 상기 저온 히터 및 상기 미세조정 히터를 제어하고, 상기 샘플의 제 1 및 제 2 측면의 전압들을 측정하는 온도 제어 및 전압 측정부, 그리고 상기 샘플의 제 1 측면에서 발생하는 고온 출력 전압 및 상기 샘플의 제 2 측면에서 발생하는 저온 출력 전압을 이용하여 상기 샘플의 열 전도도를 측정하는 열 전도도 측정부를 포함한다.
또한, 상기 온도 제어 및 전압 측정부는, 상기 샘플의 제 1 측면의 온도를 제어하도록 상기 고온 히터에 고온 입력 전압을 인가하는 제 1 온도 제어기, 상기 샘플의 제 1 측면의 온도를 상기 고온 히터보다 작은 단위로 제어하도록 변화량 입력 전압을 인가하고, 상기 고온 출력 전압을 측정하는 제 1 측정기, 상기 샘플의 제 2 측면의 온도를 제어하도록 상기 저온 히터에 저온 입력 전압을 인가하는 제 2 온도 제어기, 상기 저온 출력 전압을 측정하는 제 2 측정기를 포함한다.
또한, 상기 샘플의 제 1 측면에 접촉되는 고온 평판 전극, 그리고 상기 샘플의 제 1 측면의 온도를 계산하기 위해 상기 고온 평판 전극의 전압 및 전류를 측정하는 제 1 센서를 포함하고, 상기 제 1 온도 제어기는 상기 샘플의 제 1 측면의 온도에 따라 상기 고온 입력 전압을 제어하고, 상기 제 1 측정기는 상기 고온 평판 전극을 통하여 상기 고온 출력 전압을 측정하고, 상기 고온 출력 전압에 따라 상기 변화량 입력 전압을 제어한다.
또한, 상기 샘플의 제 2 측면에 접촉되는 저온 평판 전극, 그리고 상기 샘플의 제 2 측면의 온도를 계산하기 위해 상기 저온 평판 전극의 전압 및 전류를 측정하는 제 2 센서를 포함하고, 상기 제 2 온도 제어기는 상기 샘플의 제 2 측면의 온도에 따라 상기 저온 입력 전압을 제어하고, 상기 제 2 측정기는 상기 저온 평판 전극을 통하여 상기 저온 출력 전압을 측정한다.
또한, 상기 온도 제어 및 전압 측정부는 상기 제 2 온도 제어기보다 작은 단위로 전압 및 전류를 측정하는 제 3 측정기를 포함하고, 상기 제 3 측정기는 상기 제 2 센서에 의해 측정된 상기 저온 평판 전극의 전압 및 전류에 따라 온도를 계산한다.
또한, 상기 제 1 측정기는 단위 온도만큼 변화하도록 상기 미세조정 히터를 제어하고, 상기 단위 온도의 변화에 따른 상기 고온 출력 전압을 측정한다.
또한, 상기 열 전도도 측정부는, 기준 전압을 생성하는 주파수 발생기, 상기 고온 및 저온 출력 전압을 이용하여 로크-인 전압을 생성하는 열전 전압 증폭부, 상기 기준 전압과 상기 로크-인 전압을 이용하여 상기 샘플의 열 전도도를 측정하는 로크-인 증폭기를 포함한다.
또한, 상기 열전 전압 증폭부는, 상기 샘플과 직렬로 연결되고, 상기 고온 및 저온 출력 전압에서 잡음 신호를 제거하도록 저항을 조절하는 포텐셔미터, 그리고 상기 포텐셔미터의 출력 전압과 상기 고온 및 저온 출력 전압을 비교하여 상기 로크-인 전압을 출력하는 비교기를 포함한다.
또한, 상기 열전 전압 증폭부는, 상기 포텐셔미터의 출력 전압을 증폭하여 상기 비교기에 전송하는 제 1 증폭기, 그리고 상기 고온 및 저온 출력 전압의 전압 차이를 증폭하여 상기 비교기에 전송하는 제 2 증폭기를 더 포함한다.
또한, 상기 로크-인 증폭기는 상기 기준 전압에 의해 상기 로크-인 전압을 변경하여 미리 설정된 주파수에 해당하는 전압을 출력한다.
또한, 상기 샘플의 제 1 측면은 상기 샘플의 제 2 측면과 대향한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 따른 기준 전압을 인가하여 샘플을 가열하는 단계, 상기 가열된 샘플의 제 1 측면의 고온 출력 전압을 측정하는 단계, 상기 가열된 샘플의 제 1 측면과 대향하는 상기 가열된 샘플의 제 2 측면의 저온 출력 전압을 측정하는 단계, 상기 기준 전압을 참조하여 상기 고온 및 저온 출력 전압의 차이에서 미리 설정된 주파수를 가지는 열전 전압을 결정하는 단계를 포함한다.
이상과 같은 본 발명의 실시 예에 따르면, 열전 소자의 물성을 효과적으로 측정하는 열전 소자 측정 장치 및 방법을 제공할 수 있다. 또한, 교류전류로 열전 평판 전극의 열전쌍 접점을 가열하면서 동시에 열전쌍 접점의 온도 변화를 추적하여 열전 평판 전극에 접촉하고 있는 열전 소자 샘플의 물성을 측정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 열전 소자 측정 지그(Jig)를 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 온도 제어 및 지벡 계수(Seebeck Coefficient) 측정 시스템을 예시적으로 보여주는 블록도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 열전 소자의 열 전도도 측정 시스템을 예시적으로 보여주는 블록도이다.
도 4는 도 3의 열전 전압 증폭부를 자세히 보여주는 블록도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 열전 소자 측정 방법을 보여주는 순서도이다.
도 6는 도 1의 열전 소자 측정 지그를 예시적으로 보여주는 사시도이다.
도 7은 도 6에서 X방향으로 바라본 열전 소자 측정 지그를 예시적으로 보여주는 평면도이다.
앞의 일반적인 설명 및 다음의 상세한 설명 모두 예시적이라는 것이 이해되어야 하며, 청구된 발명의 부가적인 설명이 제공되는 것으로 여겨져야 한다. 참조부호들이 본 발명의 바람직한 실시 예들에 상세히 표시되어 있으며, 그것의 예들이 참조 도면들에 표시되어 있다. 가능한 어떤 경우에도, 동일한 참조 번호들이 동일한 또는 유사한 부분을 참조하기 위해서 설명 및 도면들에 사용된다.
이하에서는, 열전 소자 측정 장치가 본 발명의 특징 및 기능을 설명하기 위한 전기 장치의 한 예로서 사용될 것이다. 하지만, 이 기술 분야에 정통한 사람은 여기에 기재된 내용에 따라 본 발명의 다른 이점들 및 성능을 쉽게 이해할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명은 다른 실시 예들을 통해 구현되거나 적용될 수 있을 것이다. 게다가, 상세한 설명은 본 발명의 범위, 기술적 사상 그리고 다른 목적으로부터 상당히 벗어나지 않고, 관점 및 응용에 따라 수정되거나 변경될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 열전 소자 측정 지그(Jig)를 예시적으로 보여주는 도면이다. 도 1을 참조하면, 열전 소자 측정 지그(100)는 샘플(105)을 고온 평판 전극(110)과 저온 평판 전극(115) 사이 고정하여 샘플(105)을 가열할 수 있다. 예를 들면, 샘플(105)은 열전 소자의 작은 조각일 것이다.
샘플(105)의 제 1 측면은 고온 평판 전극(110)에 접촉될 수 있다. 고온 히터(140) 또는 미세조정 히터(130)는 샘플(105)의 제 1 측면의 온도를 제어할 수 있다. 고온 히터(140)는 고온 입력 전압 단자들(Vin_hot1, Vin_hot2)에 연결될 수 있다. 고온 히터(140)는 고온 입력 전압 단자들(Vin_hot1, Vin_hot2)로부터 전압을 공급받아 온도를 증가시킬 수 있다. 미세조정 히터(130)는 변화량 입력 전압 단자들(Vin_delta1, Vin_delta2)에 연결될 수 있다. 미세조정 히터(130)는 변화량 입력 전압 단자들(Vin_delta1, Vin_delta2)로부터 전압을 공급받아 온도를 증가시킬 수 수 있다. 예를 들면, 고온 히터(140)는 공급받은 전압에 따라 100℃ 단위로 온도를 증가시킬 수 있다. 미세조정 히터(130)는 공급받은 전압에 따라 1℃ 단위로 온도를 증가시킬 수 있다.
단열부(150)는 고온 히터(140) 및 미세조정 히터(130)가 포함된 공간을 외부와 단열시킬 수 있다. 단열부(150)는 고온 히터(140) 또는 미세조정 히터(130)로부터 전달된 열이 손실 없이 고온 평판 전극(110)으로 전달되도록 할 수 있다. 제 1 센서(120)는 샘플(105)의 제 1 측면의 온도를 측정하기 위해 제 1 센서 전압 단자들(Vsen_h1, Vsen_h2) 및 제 1 센서 전류 단자들(Isen_h1, Isen_h2)에 연결될 수 있다. 예를 들면, 제 1 센서(120)는 샘플(105)의 제 1 측면의 전압 및 전류를 측정할 수 있다. 샘플(105)의 제 1 측면의 온도는 샘플(105)의 제 1 측면의 전압 및 전류를 이용하여 계산될 수 있다. 고온 평판 전극(110)은 고온 출력 전압 단자들(Vout_hot1, Vout_hot2)에 연결될 수 있다. 고온 평판 전극(110)은 온도에 따라 샘플(105)의 제 1 측면의 전압을 측정할 수 있다.
샘플(105)의 제 2 측면은 저온 평판 전극(115)에 접촉될 수 있다. 샘플(105)의 제 2 측면은 샘플(105)의 제 1 측면에 대향하여 위치할 수 있다. 저온 히터(135)는 샘플(105)의 제 2 측면의 온도를 제어할 수 있다. 저온 히터(135)는 저온 입력 전압 단자들(Vin_cool1, Vin_cool2)에 연결될 수 있다. 저온 히터(135)는 저온 입력 전압 단자들(Vin_cool1, Vin_cool2)로부터 공급받은 전압에 따라 온도를 증가 또는 감소시킬 수 있다. 예를 들면, 저온 히터(135)는 샘플(105)의 제 2 측면의 온도를 0℃로 유지할 수 있다. 즉, 저온 히터(135)는 샘플(105)의 제 2 측면의 온도를 샘플(105)의 제 1 측면의 온도보다 낮게 제어할 수 있다.
냉각 척(145)은 저온 히터(135)를 외부와 차단할 수 있다. 냉각 척(145)은 저온 히터(135)의 열이 샘플(105)의 제 2 측면으로 손실 없이 전달되도록 할 수 있다. 제 2 센서(125)는 샘플(105)의 제 1 측면의 온도를 측정하기 위해 제 2 센서 전압 단자들(Vsen_c1, Vsen_c2) 및 제 2 센서 전류 단자들(Isen_c1, Isen_c2)에 연결될 수 있다. 예를 들면, 제 2 센서(125)는 샘플(105)의 제 2 측면의 전압 및 전류를 측정할 수 있다. 샘플(105)의 제 2 측면의 온도는 샘플(105)의 제 2 측면의 전압 및 전류를 이용하여 계산될 수 있다. 저온 평판 전극(115)은 저온 출력 전압 단자들(Vout_cool1, Vout_cool2)에 연결될 수 있다. 저온 평판 전극(115)은 온도에 따라 샘플(105)의 제 2 측면의 전압을 측정할 수 있다.
이상과 같이 열전 소자 측정 지그(100)는 샘플(105)의 온도를 제어할 수 있다. 본 발명의 열전 소자 측정 지그(100)는 미세조정 히터(130)를 포함하여 고온 히터(140)보다 더 작은 단위로 온도 제어를 할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 온도 제어 및 지벡 계수(Seebeck Coefficient) 측정 시스템을 예시적으로 보여주는 블록도이다. 도 2를 참조하면, 열전 소자 측정 지그(100)는 도 1의 열전 소자 측정 지그를 블록도로 변경하여 도시하였다. 온도 제어 측정 시스템은 열전 소자 측정 지그(100)와 온도 제어 및 전압 측정부(200)를 포함할 수 있다.
제 1 온도 제어기(210)는 고온 입력 전압 단자들(Vin_hot1, Vin_hot2)을 통해 고온 히터(140)에 전압을 공급할 수 있다. 고온 히터(140)는 공급받은 전압에 따라 샘플(105)의 제 1 측면의 온도를 제어할 수 있다. 예를 들어, 고온 히터(140)는 샘플(105)의 제 1 측면의 온도를 100℃ 단위로 제어할 수 있다.
또한, 제 1 온도 제어기(210)는 제 1 센서 전압 단자들(Vsen_h1, Vsen_h2) 및 제 1 센서 전류 단자들(Isen_h1, Isen_h2)을 통하여 제 1 센서(120)에 연결될 수 있다. 제 1 온도 제어기(210)는 제 1 센서(120)로부터 수신된 전압 및 전류를 이용하여 샘플(105)의 제 1 측면의 온도를 계산할 수 있다. 예를 들면, 제 1 센서(120)는 샘플(105)의 제 1 측면의 전압 및 전류를 측정할 수 있다. 샘플(105)의 제 1 측면의 온도는 샘플(105)의 제 1 측면의 전압 및 전류를 이용하여 계산될 수 있다. 제 1 온도 제어기(210)는 계산된 샘플(105)의 제 1 측면의 온도에 따라 고온 히터(140)를 제어할 수 있다.
제 1 측정기(220)는 변화량 입력 전압 단자들(Vin_delta1, Vin_delta2)을 통해 미세조정 히터(130)에 전압을 공급할 수 있다. 미세조정 히터(130)는 공급받은 전압에 따라 샘플(105)의 제 1 측면의 온도를 제어할 수 있다. 미세조정 히터(130)는 고온 히터(140)보다 작은 단위로 샘플(105)의 제 1 측면의 온도를 제어할 수 있다. 예를 들면, 미세조정 히터(130)는 공급받은 전압에 따라 1℃ 단위로 샘플(105)의 제 1 측면의 온도를 제어할 수 있다.
또한, 제 1 측정기(220)는 고온 출력 전압 단자들(Vout_hot1, Vout_hot2)을 통하여 고온 평판 전극(110)과 연결될 수 있다. 제 1 측정기(220)는 고온 평판 전극(110)을 통하여 샘플(105)의 제 1 측면의 전압을 측정할 수 있다. 예를 들면, 제 1 측정기(220)는 1℃ 단위로 변하는 샘플(105)의 제 1 측면의 온도에 따라 샘플(105)의 제 1 측면의 전압을 측정할 수 있다.
고온 평판 전극(110)은 샘플(105)의 제 1 측면과 접촉하여 위치할 수 있다. 따라서, 고온 평판 전극(110)은 샘플(105)의 제 1 측면과 동일한 전압 및 전류를 가질 수 있다.
제 2 온도 제어기(240)는 저온 입력 전압 단자들(Vin_cool1, Vin_cool2)을 통하여 저온 히터(135)에 전압을 공급할 수 있다. 저온 히터(135)는 공급된 전압에 따라 샘플(105)의 제 2 측면의 온도를 제어할 수 있다. 저온 히터(135)는 고온 히터(140)보다 낮은 온도로 샘플(105)의 제 2 측면의 온도를 제어할 수 있다. 예를 들면, 저온 히터(135)는 샘플(105)의 제 2 측면의 온도를 0℃로 유지할 수 있다.
또한, 제 2 온도 제어기(240)는 제 2 센서 전압 단자들(Vsen_c1, Vsen_c2) 및 제 2 센서 전류 단자들(Isen_c1, Isen_c2)을 통하여 제 2 센서(125)에 연결될 수 있다. 제 2 온도 제어기(240)는 제 2 센서(125)로부터 수신된 전압 및 전류를 이용하여 샘플(105)의 제 2 측면의 온도를 계산할 수 있다. 예를 들면, 제 2 센서(125)는 샘플(105)의 제 2 측면의 전압 및 전류를 측정할 수 있다. 샘플(105)의 제 1 측면의 온도는 샘플(105)의 제 2 측면의 전압 및 전류를 이용하여 계산될 수 있다. 제 2 온도 제어기(240)는 계산된 샘플(105)의 제 2 측면의 온도에 따라 저온 히터(135)를 제어할 수 있다.
제 2 측정기(230)는 저온 출력 전압 단자들(Vout_cool1, Vout_cool2)을 통하여 저온 평판 전극(115)에 연결될 수 있다. 제 2 측정기(230)는 저온 평판 전극(115)을 통하여 샘플(105)의 제 2 측면의 전압을 측정할 수 있다. 예를 들면, 제 2 측정기(230)는 샘플(105)의 제 1 측면의 온도가 1℃ 단위로 변함에 따라 샘플(105)의 제 2 측면의 전압을 측정할 수 있다.
저온 평판 전극(115)은 샘플(105)의 제 2 측면에 접촉하여 위치할 수 있다. 따라서, 저온 평판 전극(115)은 샘플(105)의 제 2 측면과 동일한 전압 및 전류를 가질 수 있다.
온도 제어 및 전압 측정부(200) 내의 장치들(210, 220, 230, 240)은 서로 정보를 공유할 수 있다.
이상과 같이 온도 제어 및 지벡 계수(Seebeck Coefficient) 측정 시스템은 샘플(105)의 제 1 및 제 2 측면의 온도를 제어할 수 있다. 온도 제어 및 지벡 계수(Seebeck Coefficient) 측정 시스템은 온도 변화에 따른 샘플(105)의 제 1 및 제 2 측면의 전압 및 전류를 측정할 수 있다. 온도 제어 및 지벡 계수(Seebeck Coefficient) 측정 시스템은 미세조정 히터(130)를 이용하여 고온 히터(140)보다 작은 단위로 샘플(105)의 제 1 측면의 온도를 제어할 수 있다. 예를 들면, 온도 제어 및 지벡 계수(Seebeck Coefficient) 측정 시스템은 미세조정 히터(130)를 이용하여 샘플(105)의 제 1 측면의 온도를 1℃ 단위로 제어할 수 있다. 샘플(105)의 제 1 측면의 온도가 1℃ 단위로 변경될 때, 제 1 및 제 2 측정기(220, 230)는 샘플(105)의 제 1 및 제 2 측면의 전압을 측정할 수 있다. 온도 제어 및 지벡 계수(Seebeck Coefficient) 측정 시스템은 측정된 제 1 및 제 2 측면의 전압을 이용하여 지벡 계수(Seebeck Coefficient)를 계산할 수 있다. 여기서 지벡 계수(Seebeck Coefficient)는 1℃ 온도 차이에 의해 발생하는 열 기전력으로 정의될 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 열전 소자의 열 전도도 측정 시스템을 예시적으로 보여주는 블록도이다. 열 전도도 측정 시스템은 열전 소자 측정 지그(100), 온도 제어 및 전압 측정부(200) 및 열 전도도 측정부(300)를 포함할 수 있다.
제 1 온도 제어기(210)는 고온 입력 전압 단자들(Vin_hot1, Vin_hot2)을 통해 고온 히터(140)에 전압을 공급할 수 있다. 고온 히터(140)는 공급받은 전압에 따라 샘플(105)의 제 1 측면의 온도를 제어할 수 있다. 예를 들어, 고온 히터(140)는 샘플(105)의 제 1 측면의 온도를 100℃ 단위로 제어할 수 있다.
또한, 제 1 온도 제어기(210)는 제 1 센서 전압 단자들(Vsen_h1, Vsen_h2) 및 제 1 센서 전류 단자들(Isen_h1, Isen_h2)을 통하여 제 1 센서(120)에 연결될 수 있다. 제 1 온도 제어기(210)는 제 1 센서(120)로부터 수신된 전압 및 전류를 이용하여 샘플(105)의 제 1 측면의 온도를 계산할 수 있다. 예를 들면, 제 1 센서(120)는 샘플(105)의 제 1 측면의 전압 및 전류를 측정할 수 있다. 샘플(105)의 제 1 측면의 온도는 샘플(105)의 제 1 측면의 전압 및 전류를 이용하여 계산될 수 있다. 제 1 온도 제어기(210)는 계산된 샘플(105)의 제 1 측면의 온도에 따라 고온 히터(140)를 제어할 수 있다.
제 1 측정기(220)는 변화량 입력 전압 단자들(Vin_delta1, Vin_delta2)을 통해 미세조정 히터(130)에 전압을 공급할 수 있다. 미세조정 히터(130)는 공급받은 전압에 따라 샘플(105)의 제 1 측면의 온도를 제어할 수 있다. 미세조정 히터(130)는 고온 히터(140)보다 작은 단위로 샘플(105)의 제 1 측면의 온도를 제어할 수 있다. 예를 들면, 미세조정 히터(130)는 공급받은 전압에 따라 1℃ 단위로 샘플(105)의 제 1 측면의 온도를 제어할 수 있다.
또한, 제 1 측정기(220)는 고온 출력 전압 단자들(Vout_hot1, Vout_hot2)을 통하여 고온 평판 전극(110)과 연결될 수 있다. 제 1 측정기(220)는 고온 평판 전극(110)을 통하여 샘플(105)의 제 1 측면의 전압을 측정할 수 있다. 예를 들면, 제 1 측정기(220)는 1℃ 단위로 변하는 샘플(105)의 제 1 측면의 온도에 따라 샘플(105)의 제 1 측면의 전압을 측정할 수 있다.
고온 평판 전극(110)은 샘플(105)의 제 1 측면과 접촉하여 위치할 수 있다. 따라서, 고온 평판 전극(110)은 샘플(105)의 제 1 측면과 동일한 전압 및 전류를 가질 수 있다.
제 2 온도 제어기(240)는 저온 입력 전압 단자들(Vin_cool1, Vin_cool2)을 통하여 저온 히터(135)에 전압을 공급할 수 있다. 저온 히터(135)는 공급된 전압에 따라 샘플(105)의 제 2 측면의 온도를 제어할 수 있다. 저온 히터(135)는 고온 히터(140)보다 낮은 온도로 샘플(105)의 제 2 측면의 온도를 제어할 수 있다. 예를 들면, 저온 히터(135)는 샘플(105)의 제 2 측면의 온도를 0℃로 유지할 수 있다.
제 2 측정기(230)는 저온 출력 전압 단자들(Vout_cool1, Vout_cool2)을 통하여 저온 평판 전극(115)에 연결될 수 있다. 제 2 측정기(230)는 저온 평판 전극(115)을 통하여 샘플(105)의 제 2 측면의 전압을 측정할 수 있다. 예를 들면, 제 2 측정기(230)는 샘플(105)의 제 1 측면의 온도가 1℃ 단위로 변함에 따라 샘플(105)의 제 2 측면의 전압을 측정할 수 있다.
저온 평판 전극(115)은 샘플(105)의 제 2 측면에 접촉하여 위치할 수 있다. 따라서, 저온 평판 전극(115)은 샘플(105)의 제 2 측면과 동일한 전압 및 전류를 가질 수 있다.
제 3 측정기(250)는 제 2 센서 전압 단자들(Vsen_c1, Vsen_c2) 및 제 2 센서 전류 단자들(Isen_c1, Isen_c2)을 통하여 제 2 센서(125)에 연결될 수 있다. 제 3 측정기(250)는 제 2 센서(125)로부터 수신된 전압 및 전류를 이용하여 샘플(105)의 제 2 측면의 온도를 계산할 수 있다. 예를 들면, 제 2 센서(125)는 샘플(105)의 제 2 측면의 전압 및 전류를 측정할 수 있다. 샘플(105)의 제 2 측면의 온도는 샘플(105)의 제 2 측면의 전압 및 전류를 이용하여 계산될 수 있다. 제 3 측정기(250)는 계산된 샘플(105)의 제 2 측면의 온도 정보를 제 2 온도 제어기(240)와 공유할 수 있다. 제 2 온도 제어기(240)는 계산된 샘플(105)의 제 2 측면의 온도에 따라 저온 히터(135)를 제어할 수 있다. 또한, 제 3 측정기(250)는, 예를 들어, 나노 미터(Nano Meter)일 수 있다. 따라서, 제 3 측정기(250)는 제 1 및 제 2 측정기(220, 230)보다 더 정밀한 측정을 할 수 있다.
온도 제어 및 전압 측정부(200) 내의 장치들(210, 220, 230, 240, 250)은 서로 정보를 공유할 수 있다.
열 전도도 측정부(300)는 열전 전압 증폭부(310), 주파수 생성기(320) 및 로크-인 증폭기(330)를 포함할 수 있다. 주파수 발생기(320)는 미리 설정된 기준 전압(Vref)을 열전 전압 증폭부(310) 및 로크-인 증폭기(330)에 전송할 수 있다. 열전 전압 증폭부(310)는 고온 출력 전압 단자들(Vout_hot1, Vout_hot2) 및 저온 출력 전압 단자들(Vout_cool1, Vout_cool2)과 연결될 수 있다. 열전 전압 증폭부(310)는 고온 출력 전압 단자들(Vout_hot1, Vout_hot2) 및 저온 출력 전압 단자들(Vout_cool1, Vout_cool2)을 통하여 샘플(105)의 제 1 및 제 2 측면 사이의 열전 전압을 측정할 수 있다. 열전 전압 증폭부(310)는 기준 전압(Vref)을 이용하여 샘플(105)의 제 1 및 제 2 측면 사이의 열전 전압에서 샘플(105)을 가열하기 위해 공급된 교류 전류를 제거한 로크-인 전압(Vlock-in)을 로크-인 증폭기(330)에 전달할 수 있다. 로크-인 증폭기(330)는 기준 전압(Vref) 및 로크-인 전압(Vlock-in)을 이용하여 위상 전압(VPSD)을 출력할 수 있다.
도 4는 도 3의 열전 전압 증폭부를 자세히 보여주는 블록도이다. 도 4를 참조하면, 열전 전압 증폭부(310)는 포텐셔미터(311), 제 1 및 제 2 증폭기(312, 313), 제 4 측정기(314) 및 비교기(315)를 포함할 수 있다.
주파수 발생기(320)는 기준 전압(Vref)을 포텐셔미터(311), 로크-인 증폭기(330) 및 샘플(105)의 제 2 측면으로 인가할 수 있다. 샘플(105)의 제 1 측면은 포텐셔미터(311)의 가변저항 단자에 연결될 수 있다. 포텐셔미터(311)의 출력 단자들은 제 1 증폭기(312)의 입력 단자들에 연결될 수 있다. 샘플(105)의 제 1 및 제 2 측면은 제 2 증폭기(313)의 입력 단자들에 연결될 수 있다. 제 4 측정기(314)는 샘플(105)의 제 1 및 제 2 측면에 연결되어 샘플(105)의 열전 전압을 측정할 수 있다. 비교기(312)는 제 1 및 제 2 증폭기(312, 313)의 출력 전압들을 입력받아 로크-인 전압(Vlock-in)을 로크-인 증폭기(330)로 전달할 수 있다. 로크-인 증폭기(330)는 기준 전압(Vref)과 로크-인 전압(Vlock-in)을 이용하여 위상 전압(VPSD)을 출력할 수 있다.
로크-인 증폭기(330)는 고온 및 저온 평판 전극(110, 115, 도 3 참조)과 샘플(105) 사이의 접점에서 샘플(105)에 발생하는 열전 전압을 분리할 수 있다. 로크-인 증폭기(330)는 샘플(105)에서 발생하는 다양한 주파수의 전압 신호 중 특정한 주파수의 전압 신호만을 선택할 수 있다. 로크-인 증폭기(330)는 고온 및 저온 평판 전극(110, 115)을 가열하기 위한 교류 전원을 공급할 수 있다.
포텐셔미터(311)는 가변 저항을 포함할 수 있다. 포텐셔미터(311)의 가변 저항은 고온 및 저온 평판 전극(110, 115)과 직렬로 연결될 수 있다. 포텐셔미터(311)의 가변 저항은 고온 및 저온 평판 전극(110, 115)을 가열하기 위해 공급되는 1ω 주파수의 전압 신호를 제거할 수 있다. 따라서, 측정 감도는 향상될 수 있다. 포텐셔미터(311)의 가변 저항은 공급 전원에 포함되어 있는 잡음 신호를 제거하기 위해 사용될 수 있다. 포텐셔미터(311)의 가변 저항은 고온 및 저온 평판 전극(110, 115)의 온도 변화에 의한 저항의 변화가 열전 전압 증폭부(310)의 회로에 흐르는 전류에 영향을 미치는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 포텐셔미터(311)의 가변 저항은 열전 전압을 측정하는 동안 열전 전압 증폭부(310)의 회로에 흐르는 전류의 크기를 일정하게 유지할 수 있다. 예를 들면, 포텐셔미터(311)의 가변 저항은 샘플(105)의 저항보다 매우 크게 설정될 수 있다.
제 2 증폭기(313)는 고온 및 저온 평판 전극(110, 115)에서 발생하는 열전 전압을 증폭시킬 수 있다.
포텐셔미터(311)의 가변 저항의 크기를 고온 및 저온 평판 전극(110, 115)의 저항의 크기와 같아지도록 제어하면, 포텐셔미터(311)의 가변 저항과 고온 및 저온 평판 전극(110, 115)에 같은 전압이 걸리게 된다. 로크-인 증폭기(330)는 포텐셔미터(311)의 가변 저항과 고온 및 저온 평판 전극(110, 115)에 걸린 전압을 제외시킬 수 있다. 따라서, 로크-인 증폭기(330)는 고온 및 저온 평판 전극(110, 115)에서 발생하는 2ω 및 3ω 주파수의 전압 신호만을 측정할 수 있다. 로크-인 증폭기(330)는 2ω 및 3ω 주파수의 전압 신호를 이용하여 샘플(105)의 열 전도도를 측정할 수 있다.
이때 주파수 발생기(320)에 의해 생성된 기준 전압(Vref)은 수학식 1과 같다.
Figure pat00001
열전 전압 증폭부(310)에 의해 로크-인 증폭기(330)에 전달된 로크-인 전압(Vlock-in)은 수학식 2와 같다.
Figure pat00002
기준 전압(Vref)과 로크-인 전압(Vlock-in)의 위상 전압(VPSD)은 수학식 3과 같다.
Figure pat00003
ωr=ωL 인 조건에서, 위상 전압(VPSD)의 직류 출력 성분은 수학식 4와 같다.
Figure pat00004
또한, 로크-인 증폭기(330)는 저주파 필터를 사용하여 잡음 성분을 제거할 수 있다. 로크-인 증폭기(330)는 수학식 5 내지 수학식 8과 같은 파라미터들을 가질 수 있다. 파라미터들은 동위상(X), 역위상(Y), 진폭(R) 및 위상(θ)을 포함할 수 있다.
Figure pat00005
Figure pat00006
Figure pat00007
Figure pat00008
고온 히터(140) 또는 미세조정 히터(130)에 흐르는 교류 전류(Ih ,o(t))는 수학식 9와 같다.
Figure pat00009
이때 교류 전류(Ih ,o(t))에 의해 주울 히팅(Joule Heating)이 발생할 수 있다. 주울 히팅(Joule Heating)에 관한 관계식은 수학식 10과 같다.
Figure pat00010
여기서 전력(Ph(t))은 히터 전력이다. 저항(Rh ,o)은 히터 저항이다. 전류(Ih ,o)는 주파수가 ω인 피크 진폭의 히터 전류이다. 히터 전력(Ph(t))은 직류 성분(PDC)과 교류 성분(PAC)을 포함하고 있다. 히터 전력(Ph(t))의 직류 성분(PDC)과 교류 성분(PAC)은 수학식 11 및 12와 같다.
Figure pat00011
Figure pat00012
평균 전력(Prms)은 수학식 13과 같다. 또한, 평균 전력(Prms)은 히터 전력(Ph(t))의 직류 성분(PDC)과 같다.
Figure pat00013
이때 히터 평균 전류(Ih , rms)는 수학식 14와 같다.
Figure pat00014
또한, 히터들(130, 140)과 고온 및 저온 평판 전극(110, 115)의 온도가 변화할 때, 히터 전력(Ph(t))은 발생할 수 있다. 히터 전력(Ph(t))의 성분은 온도의 차이(ΔT)로 표현될 수 있다. 온도의 차이(ΔT)는 직류 성분(ΔTDC)과 교류 성분(ΔTAC)을 포함할 수 있다. 온도의 차이(ΔT)는 수학식 15와 같다.
Figure pat00015
이때 히터 저항(Rh(t))은 수학식 16과 같은 관계식을 갖는다.
Figure pat00016
이때 샘플(105)의 제 1 및 제 2 측면 사이의 전압(Vh(t))는 수학식 17과 같다.
Figure pat00017
샘플(105)의 하모니 전압은 열 전도도(Thermal Conductivity)를 포함한다. 열 전도도(Vh ,3ω(t))는 위상과 온도의 함수이다. 열 전도도(Vh ,3ω(t))는 수학식 18 및 수학식 19와 같다.
Figure pat00018
Figure pat00019
그리고 온도의 차이(ΔT)의 교류 성분(ΔTAC)은 수학식 20과 같다.
Figure pat00020
이상에서 열 전도도 측정부(300)는 샘플(105)의 온도 변화에 따라 3ω 주파수를 가지는 전압 신호를 측정할 수 있다. 따라서, 열 전도도 측정 시스템은 교류 전류로 고온 및 저온 평판 전극을 가열하면서 샘플(105)의 열 전도도를 측정할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 열전 소자 측정 방법을 보여주는 순서도이다. 도 5를 참조하면, 도 3의 열 전도도 측정 시스템은 샘플의 열 전도도를 측정할 수 있다.
S110 단계에서, 주파수 발생기(320)는 샘플(105)에 기준 전압(Vref)을 인가할 수 있다. 인가된 기준 전압(Vref)에 의하여 샘플(105)의 온도는 증가할 수 있다.
S120 단계에서, 고온 및 저온 평판 전극(110, 115)에 의해 샘플(105)의 제 1 및 제 2 측면의 전압은 측정될 수 있다. 측정된 샘플(105)의 제 1 및 제 2 측면의 전압은 열전 전압 증폭부(310)로 전달될 수 있다. 열전 전압 증폭부(310)는 기준 전압(Vref)과 측정된 샘플(105)의 제 1 및 제 2 측면의 전압을 이용하여 로크-인 전압(Vlock-in)을 생성하여 로크-인 증폭기(330)로 전송할 수 있다.
S130 단계에서, 로크-인 증폭기(330)은 로크-인 전압(Vlock-in)과 기준 전압(Vref)을 이용하여 미리 설정된 주파수에 해당하는 열전 전압을 결정할 수 있다.
도 4에서 설명된 수학식들을 참조하여 S110 내지 S130 단계를 통해 샘플(105)의 열 전도도는 측정될 수 있다.
도 6는 도 1의 열전 소자 측정 지그를 예시적으로 보여주는 사시도이다. 도 6를 참조하면, 열전 소자 측정 지그(100)는 지지대(155)와 중심 지지대(165)를 통하여 고정될 수 있다. 열전 소자 측정 지그(100)의 제작시 지지대(155)와 중심 지지대(165)는 열 손실을 방지하도록 제작될 수 있다. 냉각 척(145)의 밑면은 전기적으로 절연될 수 있다. 냉각 척(145)은 높은 열 전도도를 가지도록 제작될 수 있다.
냉각 척(145)은 지지대(155)의 중심 부분에 위치할 수 있다. 단열부(150)는 중심 지지대(165)의 내부에 위치할 수 있다. 제 1 및 제 2 센서(120, 125), 고온 및 저온 평판 전극(110, 115) 및 샘플(105)은 단열부(150)와 냉각 척(145) 사이에 위치할 수 있다. 제 1 센서(120) 및 고온 평판 전극(110)은 단열부(150)에 접촉되어 고정될 수 있다. 제 2 센서(125) 및 저온 평판 전극(115)은 냉각 척(145)에 접촉되어 고정될 수 있다. 고온 히터(140) 및 미세조정 히터(130)는 단열부(150)의 내부에 설치될 수 있다. 고온 히터(140) 및 미세조정 히터(130)의 연결 케이블은 단열부(150)의 측면으로 연결될 수 있다.
공기 실린더의 고정 너트(170) 및 공기 실린더의 모체(175)는 샘플(105)과 고온 및 저온 평판 전극(110, 115)에 가해지는 압력을 일정하게 유지시킬 수 있다. 압력 센서(160)는 샘플(105)에 가해지는 압력을 측정할 수 있다. 압력 센서(160)는 샘플(105)에 가해지는 압력이 일정하게 유지되도록 할 수 있다.
도 7은 도 6에서 X방향으로 바라본 열전 소자 측정 지그를 예시적으로 보여주는 평면도이다. 도 7을 참조하면, 제 1 및 제 2 센서(120, 125), 고온 및 저온 평판 전극(110, 115) 및 샘플(105)은 단열부(150)와 냉각 척(145) 사이에 위치할 수 있다.
냉각 척(145)은 지지대(155)의 중심 부분에 위치할 수 있다. 단열부(150)는 중심 지지대(165)의 내부에 위치할 수 있다. 제 1 및 제 2 센서(120, 125), 고온 및 저온 평판 전극(110, 115) 및 샘플(105)은 단열부(150)와 냉각 척(145) 사이에 위치할 수 있다. 제 1 센서(120) 및 고온 평판 전극(110)은 단열부(150)에 접촉되어 고정될 수 있다. 제 2 센서(125) 및 저온 평판 전극(115)은 냉각 척(145)에 접촉되어 고정될 수 있다. 고온 히터(140) 및 미세조정 히터(130)는 단열부(150)의 내부에 설치될 수 있다. 고온 히터(140) 및 미세조정 히터(130)의 연결 케이블은 단열부(150)의 측면으로 연결될 수 있다.
공기 실린더의 고정 너트(170) 및 공기 실린더의 모체(175)는 샘플(105)과 고온 및 저온 평판 전극(110, 115)에 가해지는 압력을 일정하게 유지시킬 수 있다. 압력 센서(160)는 샘플(105)에 가해지는 압력을 측정할 수 있다. 압력 센서(160)는 샘플(105)에 가해지는 압력이 일정하게 유지되도록 할 수 있다.
이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적 실시 예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
100: 열전 소자 측정 지그
105: 샘플
110: 고온 평판 전극
115: 저온 평판 전극
120: 제 1 센서
125: 제 2 센서
130: 미세조정 히터
135: 저온 히터
140: 고온 히터
145: 냉각 척
150: 단열부
200: 온도 제어 및 전압 측정부
210: 제 1 온도 제어기
220: 제 1 측정기
230: 제 2 측정기
240: 제 2 온도 제어기
250: 제 3 측정기
300: 열 전도도 측정부
310: 열전 전압 증폭부
320: 주파수 발생기
330: 로크-인 증폭기

Claims (12)

  1. 샘플의 제 1 측면의 온도를 제어하는 고온 히터;
    상기 샘플의 제 2 측면의 온도를 제어하는 저온 히터;
    상기 고온 히터보다 작은 단위로 상기 샘플의 제 1 측면의 온도를 제어하는 미세조정 히터;
    상기 고온 히터, 상기 저온 히터 및 상기 미세조정 히터를 제어하고, 상기 샘플의 제 1 및 제 2 측면의 전압들을 측정하는 온도 제어 및 전압 측정부; 그리고
    상기 샘플의 제 1 측면에서 발생하는 고온 출력 전압 및 상기 샘플의 제 2 측면에서 발생하는 저온 출력 전압을 이용하여 상기 샘플의 열 전도도를 측정하는 열 전도도 측정부를 포함하는 열전 소자 측정 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 온도 제어 및 전압 측정부는,
    상기 샘플의 제 1 측면의 온도를 제어하도록 상기 고온 히터에 고온 입력 전압을 인가하는 제 1 온도 제어기;
    상기 샘플의 제 1 측면의 온도를 상기 고온 히터보다 작은 단위로 제어하도록 변화량 입력 전압을 인가하고, 상기 고온 출력 전압을 측정하는 제 1 측정기;
    상기 샘플의 제 2 측면의 온도를 제어하도록 상기 저온 히터에 저온 입력 전압을 인가하는 제 2 온도 제어기;
    상기 저온 출력 전압을 측정하는 제 2 측정기를 포함하는 열전 소자 측정 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 샘플의 제 1 측면에 접촉되는 고온 평판 전극; 그리고
    상기 샘플의 제 1 측면의 온도를 계산하기 위해 상기 고온 평판 전극의 전압 및 전류를 측정하는 제 1 센서를 포함하고,
    상기 제 1 온도 제어기는 상기 샘플의 제 1 측면의 온도에 따라 상기 고온 입력 전압을 제어하고,
    상기 제 1 측정기는 상기 고온 평판 전극을 통하여 상기 고온 출력 전압을 측정하고, 상기 고온 출력 전압에 따라 상기 변화량 입력 전압을 제어하는 열전 소자 측정 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 샘플의 제 2 측면에 접촉되는 저온 평판 전극; 그리고
    상기 샘플의 제 2 측면의 온도를 계산하기 위해 상기 저온 평판 전극의 전압 및 전류를 측정하는 제 2 센서를 포함하고,
    상기 제 2 온도 제어기는 상기 샘플의 제 2 측면의 온도에 따라 상기 저온 입력 전압을 제어하고,
    상기 제 2 측정기는 상기 저온 평판 전극을 통하여 상기 저온 출력 전압을 측정하는 열전 소자 측정 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 온도 제어 및 전압 측정부는 상기 제 2 온도 제어기보다 작은 단위로 전압 및 전류를 측정하는 제 3 측정기를 포함하고,
    상기 제 3 측정기는 상기 제 2 센서에 의해 측정된 상기 저온 평판 전극의 전압 및 전류에 따라 온도를 계산하는 열전 소자 측정 장치.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 측정기는 단위 온도만큼 변화하도록 상기 미세조정 히터를 제어하고, 상기 단위 온도의 변화에 따른 상기 고온 출력 전압을 측정하는 열전 소자 측정 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 열 전도도 측정부는,
    기준 전압을 생성하는 주파수 발생기;
    상기 고온 및 저온 출력 전압을 이용하여 로크-인 전압을 생성하는 열전 전압 증폭부;
    상기 기준 전압과 상기 로크-인 전압을 이용하여 상기 샘플의 열 전도도를 측정하는 로크-인 증폭기를 포함하는 열전 소자 측정 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 열전 전압 증폭부는,
    상기 샘플과 직렬로 연결되고, 상기 고온 및 저온 출력 전압에서 잡음 신호를 제거하도록 저항을 조절하는 포텐셔미터; 그리고
    상기 포텐셔미터의 출력 전압과 상기 고온 및 저온 출력 전압을 비교하여 상기 로크-인 전압을 출력하는 비교기를 포함하는 열전 소자 측정 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 열전 전압 증폭부는,
    상기 포텐셔미터의 출력 전압을 증폭하여 상기 비교기에 전송하는 제 1 증폭기; 그리고
    상기 고온 및 저온 출력 전압의 전압 차이를 증폭하여 상기 비교기에 전송하는 제 2 증폭기를 더 포함하는 열전 소자 측정 장치.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 로크-인 증폭기는 상기 기준 전압에 따라 상기 로크-인 전압을 변경하여 미리 설정된 주파수에 해당하는 열전 전압을 출력하는 열전 소자 측정 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 샘플의 제 1 측면은 상기 샘플의 제 2 측면과 대향하는 열전 소자 측정 장치.
  12. 기준 전압을 인가하여 샘플을 가열하는 단계;
    상기 가열된 샘플의 제 1 측면의 고온 출력 전압을 측정하는 단계;
    상기 가열된 샘플의 제 1 측면과 대향하는 상기 가열된 샘플의 제 2 측면의 저온 출력 전압을 측정하는 단계;
    상기 기준 전압을 참조하여 상기 고온 및 저온 출력 전압의 차이에 따라 미리 설정된 주파수를 가지는 열전 전압을 결정하는 단계를 포함하는 열전 소자 측정 방법.
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