KR20190022959A - 열전 재료의 전기 저항 측정 방법 및 장치 - Google Patents

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KR20190022959A
KR20190022959A KR1020170106680A KR20170106680A KR20190022959A KR 20190022959 A KR20190022959 A KR 20190022959A KR 1020170106680 A KR1020170106680 A KR 1020170106680A KR 20170106680 A KR20170106680 A KR 20170106680A KR 20190022959 A KR20190022959 A KR 20190022959A
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한국표준과학연구원
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Abstract

본 발명은 온도 구배 상태의 열전 재료 및 소자(모듈)의 전기저항을 측정하는 기술에 관한 것이다. 구체적으로 본 발명은 열전 소자에 측정 회로를 연결한 후 개방상태의 열전 소자 말단 전압, 연결상태의 말단 전압 및 측정 회로에 흐르는 전류를 이용하여 열전소자의 전기 저항 값을 산출하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명의 일 양상인 열전소자의 전기 저항 측정 장치는, 열전소자의 말단에 연결되는 전압계; 상기 전압계와 병렬로 상기 열전소자와 연결되고, 적어도 하나의 저항 및 측정 소자를 포함하는 측정부; 및 상기 열전소자 내의 온도 차이에 의한 제백 효과에 따라 열기전력이 발생하는 경우, 상기 측정부를 개방(open)한 상태에서 상기 전압계가 상기 열전소자의 말단의 제 1 전압을 측정하도록 제어하는 제어부;를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 측정부를 상기 열전소자와 연결한 상태에서 상기 전압계가 상기 열전소자의 말단의 제 2 전압을 측정하도록 제어하고, 상기 측정 소자가 상기 측정부에 흐르는 전류를 측정하도록 제어하며, 상기 제 1 전압, 제 2 전압 및 전류를 이용하여 상기 열전 소자의 저항값을 도출할 수 있다.

Description

열전 재료의 전기 저항 측정 방법 및 장치 {Measurement method of electric resistance of thermoelectric material and device}
본 발명은 온도 구배 상태의 열전 재료 및 소자(모듈)의 전기저항을 측정하는 기술에 관한 것이다. 구체적으로 본 발명은 열전 소자에 측정 회로를 연결한 후 개방상태의 열전 소자 말단 전압, 연결상태의 말단 전압 및 측정 회로에 흐르는 전류를 이용하여 열전소자의 전기 저항 값을 산출하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
열전소자(thermoelectric element)는 열과 전기의 상호작용으로 나타나는 각종 효과를 이용한 소자의 총칭한다.
열전 소자의 예로는, 온도를 측정할 때 사용하는 제베크효과를 이용한 소자, 냉동기나 항온조 제작에 사용되는 펠티에소자 등을 들 수 있다.
제베크 효과는 2종류 금속의 양끝을 접속하여, 그 양끝 온도를 다르게 하면 기전력이 생기는 현상으로, 열전기쌍을 이용한 온도 측정에 응용한다.
펠티에 효과는 2종류의 금속 끝을 접속시켜, 여기에 전류를 흘려보내면, 전류 방향에 따라 한쪽 단자는 흡열하고, 다른 쪽 단자는 발열을 일으키는 현상이다.
2종류의 금속 대신 비스무트, 텔루륨 등 반도체를 사용하면, 효율성 높은 흡열, 발열 작용을 하는 펠티에소자를 얻을 수 있다.
이것은 전류 방향에 따라 흡열·발열의 전환이 가능하고, 전류량에 따라 흡열, 발열량이 조절되므로, 용량이 적은 냉동기 또는 상온 부근의 정밀한 항온조 제작에 응용하고 있다.
한편, 물질 양단에 온도 차이를 주면 열전달 과정(전도, 대류, 복사)에 의해 물질 내의 위치에 따라 온도가 변화한다. 이러한 온도 변화의 값을 온도 구배(temperature gradient)라 한다.
전술한 것과 같이, 열전물질의 경우, 온도 구배 상태에서는 제백 효과에 의해 저항 측정시 오차가 매우 크게 발생할 수 있다.
즉, 온도구배 상태에서의 열전물질의 열기전력은 매우 커서 기존 저항측정방법으로 측정오차가 매우 크게 발생한다는 문제점이 존재한다.
따라서 온도 구배 상태에서의 열기전력을 그대로 활용하면서, 계측기의 전류전원에 의한 측정오차 및 펠티어 효과에 의한 온도 구배 상태의 변화 등 저항 측정에 오차요소를 완전 배제하여 측정 정확도를 높이는 기술에 대한 니즈가 높아지고 있는 상태이다.
대한민국 특허청 등록번호 제 10-1690427 호
본 발명은 온도 구배 상태의 열전 재료 및 소자(모듈)의 전기저항을 측정하는 기술을 사용자에게 제공하고자 한다.
구체적으로 본 발명은 열전 소자에 측정 회로를 연결한 후 개방상태의 열전 소자 말단 전압, 연결상태의 말단 전압 및 측정 회로에 흐르는 전류를 이용하여 열전소자의 전기 저항 값을 산출하는 방법 및 장치를 사용자에게 제공하고자 한다.
한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 양상인 열전 재료의 전기 저항 측정 장치는, 열전소자의 말단에 연결되는 전압계; 상기 전압계와 병렬로 상기 열전소자와 연결되고, 적어도 하나의 저항 및 측정 소자를 포함하는 측정부; 및 상기 열전소자 내의 온도 차이에 의한 제백 효과에 따라 열기전력이 발생하는 경우, 상기 측정부를 개방(open)한 상태에서 상기 전압계가 상기 열전소자의 말단의 제 1 전압을 측정하도록 제어하는 제어부;를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 측정부를 상기 열전소자와 연결한 상태에서 상기 전압계가 상기 열전소자의 말단의 제 2 전압을 측정하도록 제어하고, 상기 측정 소자가 상기 측정부에 흐르는 전류를 측정하도록 제어하며, 상기 제 1 전압, 제 2 전압 및 전류를 이용하여 상기 열전 소자의 저항값을 도출할 수 있다.
또한, 상기 측정부와 상기 열전소자 간에 스위치;를 더 포함하고, 상기 스위치의 오프(OFF) 또는 온(ON) 에 따라 상기 측정부가 개방 또는 연결될 수 있다.
또한, 상기 측정소자는, 상기 적어도 하나의 저항과 병렬로 연결된 측정 전압계일 수 있다.
또한, 상기 측정소자는, 상기 적어도 하나의 저항과 직렬로 연결된 측정 전류계일 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 열전소자를 하나의 전원 및 상기 전원과 직렬로 연결된 저항으로 구성된 테브난 등가 회로로 변환하고, 상기 변환된 테브난 등가 회로 내의 저항인 상기 열전 소자의 저항값을 산출할 수 있다.
또한, 상기 제어부는 하기의 수학식에 의해 상기 열전 소자의 저항값을 산출할 수 있다.
수학식
Figure pat00001
상기 수학식에서
Figure pat00002
는 상기 열전 소자의 저항값이고,
Figure pat00003
는 상기 제 1 전압이며,
Figure pat00004
는 상기 제 2 전압이고,
Figure pat00005
는 상기 전류이다.
한편, 상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 양상인 열전소자 및 상기 열전 재료의 전기 저항 측정 장치를 포함하는 측정 시스템에서, 상기 열전 재료의 전기 저항 측정 장치는, 열전소자의 말단에 연결되는 전압계; 상기 전압계와 병렬로 상기 열전소자와 연결되고, 적어도 하나의 저항 및 측정 소자를 포함하는 측정부; 및 상기 열전소자 내의 온도 차이에 의한 제백 효과에 따라 열기전력이 발생하는 경우, 상기 측정부를 개방(open)한 상태에서 상기 전압계가 상기 열전소자의 말단의 제 1 전압을 측정하도록 제어하는 제어부;를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 측정부를 상기 열전소자와 연결한 상태에서 상기 전압계가 상기 열전소자의 말단의 제 2 전압을 측정하도록 제어하고, 상기 측정 소자가 상기 측정부에 흐르는 전류를 측정하도록 제어하며, 상기 제 1 전압, 제 2 전압 및 전류를 이용하여 상기 열전 소자의 저항값을 도출할 수 있다.
또한, 상기 제어부는 하기의 수학식에 의해 상기 열전 소자의 저항값을 산출할 수 있다.
수학식
Figure pat00006
상기 수학식에서
Figure pat00007
는 상기 열전 소자의 저항값이고,
Figure pat00008
는 상기 제 1 전압이며,
Figure pat00009
는 상기 제 2 전압이고,
Figure pat00010
는 상기 전류이다.
한편, 상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 양상인 열전 재료의 전기 저항 측정 방법은, 열전소자의 말단에 전압계를 연결하는 단계; 적어도 하나의 저항 및 측정 소자를 포함하는 측정부를 상기 전압계와 병렬로 상기 열전소자와 연결하는 단계; 상기 열전소자 내의 온도 차이에 의한 제백 효과에 따라 열기전력이 발생하는 단계; 상기 측정부를 개방(open)한 상태에서 상기 전압계가 상기 열전소자의 말단의 제 1 전압을 측정하는 단계; 상기 측정부를 상기 열전소자와 연결한 상태에서 상기 전압계가 상기 열전소자의 말단의 제 2 전압을 측정하는 단계; 상기 측정 소자가 상기 측정부에 흐르는 전류를 측정하는 단계; 및 상기 제 1 전압, 제 2 전압 및 전류를 이용하여 상기 열전 소자의 저항값을 도출하는 단계;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 열전소자를 하나의 전원 및 상기 전원과 직렬로 연결된 저항으로 구성된 테브난 등가 회로로 변환하는 단계; 및 상기 변환된 테브난 등가 회로 내의 저항인 상기 열전 소자의 저항값을 산출하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
또한, 하기의 수학식에 의해 상기 열전 소자의 저항값을 산출할 수 있다.
수학식
Figure pat00011
상기 수학식에서
Figure pat00012
는 상기 열전 소자의 저항값이고,
Figure pat00013
는 상기 제 1 전압이며,
Figure pat00014
는 상기 제 2 전압이고,
Figure pat00015
는 상기 전류이다.
본 발명은 온도 구배 상태의 열전 재료 및 소자(모듈)의 전기저항을 측정하는 기술을 사용자에게 제공할 수 있다.
구체적으로 본 발명은 열전 소자에 측정 회로를 연결한 후 개방상태의 열전 소자 말단 전압, 연결상태의 말단 전압 및 측정 회로에 흐르는 전류를 이용하여 열전소자의 전기 저항 값을 산출하는 방법 및 장치를 사용자에게 제공할 수 있다.
본 발명은 온도차에 의한 열기전력이 매우 큰 열전소재에 최적화된 저항측정기술로서, 기존 측정법에서의 열기전력에 의한 전기저항의 측정 오차를 완전 배제할 수 있다.
또한, 본 발명은 온도 구배 상태에서의 열기전력을 그대로 활용함으로써, 계측기의 전류전원에 의한 측정오차 및 펠티어 효과에 의한 온도구배 상태의 변화 등 저항 측정에 오차요소를 완전 배제하여 측정 정확도를 높일 수 있다.
또한, 본 발명은 제백 계수 및 열기전력의 크기에 따라 부하 저항의 크기를 조절함으로서 측정 정밀도를 높일 수 있다.
또한, 본 발명은 회로를 구성하는 접촉저항, 리드선의 저항 등과 무관하게 열전소자와 관련된 저항 측정이 가능하고, 빠른 측정 속도를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명이 제안하는 기술은 온도 구배의 열전소재의 저항(전기전도도) 측정용도 또는 열전물질의 열전특성 측정 용도 등으로 활용 가능하다.
다만, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명이 제안하는 열전 재료의 전기 저항 측정 장치를 설명하기 위한 블록 구성도이다.
도 2는 도 1에서 설명한 장치를 기초로 열전 재료의 전기 저항 측정 방법을 설명하는 순서도이다.
도 3은 도 1에서 설명한 방법에 적용되는 열전 소자와 테브난 등가 회로의 일례를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명과 관련하여, 열전 소자에 측정 회로의 일례를 결합한 도면을 도시한 것이다.
도 5는 본 발명과 관련하여, 열전 소자에 측정 회로의 다른 일례를 결합한 도면을 도시한 것이다.
도 6은 본 발명과 관련하여, 개방상태에서 전압을 측정하는 일례를 도시한 것이다.
도 7은 본 발명과 관련하여, 폐 회로 상태에서 전압 및 전류를 측정하는 일례를 도시한 것이다.
열전소자(thermoelectric element)는 열과 전기의 상호작용으로 나타나는 각종 효과를 이용한 소자이다.
물질 양단에 온도 차이를 주면 열전달 과정(전도, 대류, 복사)에 의해 물질 내의 위치에 따라 온도가 변화한다. 이러한 온도 변화의 값을 온도 구배(temperature gradient)라 한다. 열전물질의 경우, 이러한 온도 구배 상태에서는 제백 효과에 의해 저항 측정시 오차가 매우 크게 발생할 수 있다.
즉, 온도구배 상태에서의 열전물질의 열기전력은 매우 커서 기존 저항측정방법으로 측정오차가 매우 크게 발생한다는 문제점이 존재한다.
전기 회로에서 저항은 전류의 흐름을 방해하여 전압 강하를 발생시키므로 회로의 두 지점 사이의 저항 R은 전압 V와 전류 I의 비로 구할 수 있고, 다음의 수학식 1과 같다.
수학식 1
Figure pat00016
그러나 열전물질의 경우, 온도 구배상태에서는 제백효과에 의해 저항 측정시 오차가 매우 크게 발생할 수 있으며, 기존의 측정법에 의한 열전물질의 저항측정오차 Rerror는 다음의 수학식 2와 같다.
수학식 2
Figure pat00017
상기 수학식 2에서
Figure pat00018
이고,
Figure pat00019
는 제백효과에 발생한 열기전력이며,
Figure pat00020
는 TEG의 제백계수이고, ΔT는 물질의 온도차이를 나타낸다.
따라서 온도 구배 상태에서의 열기전력을 그대로 활용하면서, 계측기의 전류전원에 의한 측정오차 및 펠티어 효과에 의한 온도 구배 상태의 변화 등 저항 측정에 오차요소를 완전 배제하여 측정 정확도를 높이는 기술에 대한 니즈가 높아지고 있는 상태이다.
본 발명에서는 상기 문제점을 해소하고자 온도 구배 상태의 열전 재료 및 소자(모듈)의 전기저항을 측정하는 기술을 사용자에게 제공하고자 한다.
구체적으로 본 발명은 열전 소자에 측정 회로를 연결한 후 개방상태의 열전 소자 말단 전압, 연결상태의 말단 전압 및 측정 회로에 흐르는 전류를 이용하여 열전소자의 전기 저항 값을 산출하는 방법 및 장치를 사용자에게 제공하고자 한다.
본 발명의 구체적인 설명에 앞서, 열전 재료의 전기 저항 측정 장치(100)의 구성요소에 대해 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명이 제안하는 열전 재료의 전기 저항 측정 장치를 설명하기 위한 블록 구성도이다.
도 1을 참조하면, 열전 재료의 전기 저항 측정 장치(100)는 무선 통신부(110), 측정부(120), 사용자 입력부(130), 센싱부(140), 출력부(150), 메모리(160), 인터페이스부(170), 제어부(180) 및 전원 공급부(190) 등을 포함할 수 있다.
단, 도 1에 도시된 구성요소들이 필수적인 것은 아니어서, 그보다 많은 구성요소들을 갖거나 그보다 적은 구성요소들을 갖는 열전 재료의 전기 저항 측정 장치가 구현될 수도 있다.
이하, 상기 구성요소들에 대해 차례로 살펴본다.
무선 통신부(110)는 열전 재료의 전기 저항 측정 장치와 무선 통신 시스템 사이 또는 기기와 기기가 위치한 네트워크 사이의 무선 통신을 가능하게 하는 하나 이상의 모듈을 포함할 수 있다.
무선 통신부(110)는 근거리 통신 또는 원거리 통신을 이용하여 외부 기기와 데이터를 통신할 수 있다.
여기서 근거리 통신은, ANT, 블루투스(Bluetooth), RFID(Radio Frequency Identification), 적외선 통신(IrDA, infrared Data Association), UWB(Ultra Wideband), ZigBee 기술을 포함할 수 있다.
또한, 원거리 통신은 CDMA(code division multiple access), FDMA(frequency division multiple access), TDMA(time division multiple access), OFDMA(orthogonal frequency division multiple access), SC-FDMA(single carrier frequency division multiple access)을 포함할 수 있다.
다음으로, 측정부(20)는 열전소자(10)의 저항을 측정하기 위한 회로로서, 저항, 전압계, 전류계 등의 장치를 적어도 일부 포함할 수 있다.
측정부(20)의 구체적인 형태에 대해서는 도 3 내지 도 7을 이용하여 후술한다.
또한, 사용자 입력부(130)는 사용자가 열전 재료의 전기 저항 측정 장치의 동작 제어를 위한 입력 데이터를 발생시킨다. 사용자 입력부(130)는 키 패드(key pad) 돔 스위치 (dome switch), 터치 패드(정압/정전), 조그 휠, 조그 스위치 등으로 구성될 수 있다.
다음으로, 센싱부(140)는 열전 재료의 전기 저항 측정 장치의 개폐 상태, 열전 재료의 전기 저항 측정 장치의 위치, 사용자 접촉 유무, 열전 재료의 전기 저항 측정 장치의 방위, 열전 재료의 전기 저항 측정 장치의 가속/감속, 저온부와 고온부의 온도 등과 같이 열전 재료의 전기 저항 측정 장치의 현 상태를 감지하여 열전 재료의 전기 저항 측정 장치의 동작을 제어하기 위한 센싱 신호를 발생시킨다.
센싱부(140)는 전원 공급부(190)의 전원 공급 여부, 인터페이스부(170)의 외부 기기 결합 여부 등을 센싱할 수도 있다.
출력부(150)는 시각, 청각 또는 촉각 등과 관련된 출력을 발생시키기 위한 것으로, 이에는 디스플레이부(151), 음향 출력 모듈(152) 등이 포함될 수 있다.
디스플레이부(151)는 열전 재료의 전기 저항 측정 장치에서 처리되는 정보를 표시(출력)한다.
디스플레이부(151)는 액정 디스플레이(liquid crystal display, LCD), 박막 트랜지스터 액정 디스플레이(thin film transistor-liquid crystal display, TFT LCD), 유기 발광 다이오드(organic light-emitting diode, OLED), 플렉시블 디스플레이(flexible display), 3차원 디스플레이(3D display) 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
이들 중 일부 디스플레이는 그를 통해 외부를 볼 수 있도록 투명형 또는 광투과형으로 구성될 수 있다. 이는 투명 디스플레이라 호칭될 수 있는데, 상기 투명 디스플레이의 대표적인 예로는 TOLED(Transparant OLED) 등이 있다. 디스플레이부(151)의 후방 구조 또한 광 투과형 구조로 구성될 수 있다.
열전 재료의 전기 저항 측정 장치의 구현 형태에 따라 디스플레이부(151)이 2개 이상 존재할 수 있다.
디스플레이부(151)와 터치 동작을 감지하는 센서(이하, '터치 센서'라 함)가 상호 레이어 구조를 이루는 경우(이하, '터치 스크린'이라 함)에, 디스플레이부(151)는 출력 장치 이외에 입력 장치로도 사용될 수 있다. 터치 센서는, 예를 들어, 터치 필름, 터치 시트, 터치 패드 등의 형태를 가질 수 있다.
터치 센서는 디스플레이부(151)의 특정 부위에 가해진 압력 또는 디스플레이부(151)의 특정 부위에 발생하는 정전 용량 등의 변화를 전기적인 입력신호로 변환하도록 구성될 수 있다. 터치 센서는 터치 되는 위치 및 면적뿐만 아니라, 터치 시의 압력까지도 검출할 수 있도록 구성될 수 있다.
터치 센서에 대한 터치 입력이 있는 경우, 그에 대응하는 신호(들)는 터치 제어기로 보내진다. 터치 제어기는 그 신호(들)를 처리한 다음 대응하는 데이터를 제어부(180)로 전송한다. 이로써, 제어부(180)는 디스플레이부(151)의 어느 영역이 터치 되었는지 여부 등을 알 수 있게 된다.
음향 출력 모듈(152)은 녹음 모드, 음성인식 모드, 방송수신 모드 등에서 무선 통신부(110)로부터 수신되거나 메모리(160)에 저장된 오디오 데이터를 출력할 수 있다.
음향 출력 모듈(152)은 열전 재료의 전기 저항 측정 장치에서 수행되는 기능과 관련된 음향 신호를 출력하기도 한다. 이러한 음향 출력 모듈(152)에는 리시버(Receiver), 스피커(speaker), 버저(Buzzer) 등이 포함될 수 있다.
메모리부(160)는 제어부(180)의 처리 및 제어를 위한 프로그램이 저장될 수도 있고, 입/출력되는 데이터들의 임시 저장을 위한 기능을 수행할 수도 있다.
메모리(160)는 플래시 메모리 타입(flash memory type), 하드디스크 타입(hard disk type), 멀티미디어 카드 마이크로 타입(multimedia card micro type), 카드 타입의 메모리(예를 들어 SD 또는 XD 메모리 등), 램(Random Access Memory, RAM), SRAM(Static Random Access Memory), 롬(Read-Only Memory, ROM), EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory), PROM(Programmable Read-Only Memory), 자기 메모리, 자기 디스크, 광디스크 중 적어도 하나의 타입의 저장매체를 포함할 수 있다. 열전 재료의 전기 저항 측정 장치는 인터넷(internet)상에서 상기 메모리(160)의 저장 기능을 수행하는 웹 스토리지(web storage)와 관련되어 동작할 수도 있다.
인터페이스부(170)는 열전 재료의 전기 저항 측정 장치에 연결되는 모든 외부기기와의 통로 역할을 한다. 인터페이스부(170)는 외부 기기로부터 데이터를 전송받거나, 전원을 공급받아 열전 재료의 전기 저항 측정 장치 내부의 각 구성 요소에 전달하거나, 열전 재료의 전기 저항 측정 장치 내부의 데이터가 외부 기기로 전송되도록 한다. 예를 들어, 유/무선 헤드셋 포트, 외부 충전기 포트, 유/무선 데이터 포트, 메모리 카드(memory card) 포트, 식별 모듈이 구비된 장치를 연결하는 포트, 오디오 I/O(Input/Output) 포트, 비디오 I/O(Input/Output) 포트, 이어폰 포트 등이 인터페이스부(170)에 포함될 수 있다.
식별 모듈은 열전 재료의 전기 저항 측정 장치의 사용 권한을 인증하기 위한 각종 정보를 저장한 칩으로서, 사용자 인증 모듈(User Identify Module, UIM), 가입자 인증 모듈(Subscriber Identify Module, SIM), 범용 사용자 인증 모듈(Universal Subscriber Identity Module, USIM) 등을 포함할 수 있다. 식별 모듈이 구비된 장치(이하 '식별 장치')는, 스마트 카드(smart card) 형식으로 제작될 수 있다. 따라서 식별 장치는 포트를 통하여 열전 재료의 전기 저항 측정 장치와 연결될 수 있다.
상기 인터페이스부는 열전 재료의 전기 저항 측정 장치가 외부 크래들(cradle)과 연결될 때 상기 크래들로부터의 전원이 상기 열전 재료의 전기 저항 측정 장치에 공급되는 통로가 되거나, 사용자에 의해 상기 크래들에서 입력되는 각종 명령 신호가 상기 이동기기로 전달되는 통로가 될 수 있다. 상기 크래들로부터 입력되는 각종 명령 신호 또는 상기 전원은 상기 이동기기가 상기 크래들에 정확히 장착되었음을 인지하기 위한 신호로 동작될 수도 있다.
제어부(controller, 180)는 통상적으로 열전 재료의 전기 저항 측정 장치의 전반적인 동작을 제어한다.
제어부(180)는 멀티 미디어 재생을 위한 멀티미디어 모듈(181)을 구비할 수도 있다. 멀티미디어 모듈(181)은 제어부(180) 내에 구현될 수도 있고, 제어부(180)와 별도로 구현될 수도 있다.
상기 제어부(180)는 상기 터치스크린 상에서 행해지는 필기 입력 또는 그림 그리기 입력을 각각 문자 및 이미지로 인식할 수 있는 패턴 인식 처리를 행할 수 있다.
전원 공급부(190)는 제어부(180)의 제어에 의해 외부의 전원, 내부의 전원을 인가 받아 각 구성요소들의 동작에 필요한 전원을 공급한다.
여기에 설명되는 다양한 실시예는 예를 들어, 소프트웨어, 하드웨어 또는 이들의 조합된 것을 이용하여 컴퓨터 또는 이와 유사한 장치로 읽을 수 있는 기록매체 내에서 구현될 수 있다.
하드웨어적인 구현에 의하면, 여기에 설명되는 실시예는 ASICs (application specific integrated circuits), DSPs (digital signal processors), DSPDs (digital signal processing devices), PLDs (programmable logic devices), FPGAs (field programmable gate arrays, 프로세서(processors), 제어기(controllers), 마이크로 컨트롤러(micro-controllers), 마이크로 프로세서(microprocessors), 기타 기능 수행을 위한 전기적인 유닛 중 적어도 하나를 이용하여 구현될 수 있다. 일부의 경우에 본 명세서에서 설명되는 실시예들이 제어부(180) 자체로 구현될 수 있다.
소프트웨어적인 구현에 의하면, 본 명세서에서 설명되는 절차 및 기능과 같은 실시예들은 별도의 소프트웨어 모듈들로 구현될 수 있다. 상기 소프트웨어 모듈들 각각은 본 명세서에서 설명되는 하나 이상의 기능 및 작동을 수행할 수 있다. 적절한 프로그램 언어로 쓰여진 소프트웨어 어플리케이션으로 소프트웨어 코드가 구현될 수 있다. 상기 소프트웨어 코드는 메모리(160)에 저장되고, 제어부(180)에 의해 실행될 수 있다.
이하에서는 전술한 본 발명의 구성을 기초로 도면을 이용하여 열전 재료의 전기 저항 측정 방법을 설명한다.
도 2는 도 1에서 설명한 장치를 기초로 열전 재료의 전기 저항 측정 방법을 설명하는 순서도이고, 도 3은 도 1에서 설명한 방법에 적용되는 열전 소자와 테브난 등가 회로의 일례를 도시한 것이다.
본 발명은 온도구배 상태에서 열전물질의 제백효과에 의한 저항 측정 오차를 배제하여, 정밀한 저항측정을 하는 기술이다.
열전소재, 열전발전소자(모듈) 등의 열전물질(10)은 온도구배에 따라 전지와 같이 일정 기전력이 발생한다.
이때, 열전물질은 테브난 정리에 의해 도 3에 도시된 것과 같이, 하나의 전압전원과 이와 직렬로 연결된 하나의 저항으로 구성된 회로로 정의할 수 있다.
도 2를 참조하면, 가장 먼저, 열전소자(10)의 말단에 전압계 및 스위치를 구비한 측정 회로를 연결하는 단계(S100) 가 진행된다.
여기서 스위치를 구비한 측정 회로는 저항과 전압계의 조합으로 구현되거나 저항과 전류계의 조합으로 구현될 수 있다.
도 4는 S100 단계와 관련하여, 열전 소자에 측정 회로의 일례를 결합한 도면을 도시한 것이다.
도 4에서는 스위치를 구비한 측정 회로를 저항과 전압계의 조합으로 구현하였다.
도 4를 참조하면, 열전 소자(10) 측은 도 3을 참조하여 설명한 하나의 전압전원과 이와 직렬로 연결된 하나의 저항으로 구성된 회로로 변경되어 표시된다.
또한, 도 4를 참조하면, 측정부(20) 측에서 열전소자(10)의 말단에 전압계(21)가 연결된다.
또한, 스위치(22)를 구비한 측정 회로가 연결되는데, 여기서 측정 회로는 저항(23)과 전압계(24)로 구성된다.
또한, 도 5는 S100 단계와 관련하여, 열전 소자에 측정 회로의 다른 일례를 결합한 도면을 도시한 것이다.
도 5에서는 스위치를 구비한 측정 회로를 저항과 전류계의 조합으로 구현하였다.
도 5를 참조하면, 열전 소자(10) 측은 도 3을 참조하여 설명한 하나의 전압전원과 이와 직렬로 연결된 하나의 저항으로 구성된 회로로 변경되어 표시된다.
또한, 도 5를 참조하면, 측정부(20) 측에서 열전소자(10)의 말단에 전압계(21)가 연결되고, 스위치(22)를 구비한 측정 회로가 연결되는데, 여기서 측정 회로는 저항(23)과 전류계(24)로 구성된다.
다시 도 2로 복귀하여, S100 단계 이후에, 온도 구배를 위해 열전소자(10)의 양단을 고온부와 저온부 위에 배치하는 단계(S200)가 진행된다.
S200 단계 이후에, 열전소자(10) 내의 온도 차이에 의한 제백 효과에 따라 열기전력(
Figure pat00021
)이 발생한다(S300).
이때, 측정 회로를 개방한 상태에서 전압계를 이용하여 열전소자의 말단의 전압을 측정하는 단계(S400)가 진행된다.
즉, 스위치(22)를 오프(OFF) 하게 되면, 측정단 우측 회로는 개방되고, 열전 소자(10)와 전압계(21)만 연결된 상태가 된다.
이후, 전압계(21)를 이용하여 열전소자(10)의 말단의 전압을 측정하게 된다.
도 6은 본 발명과 관련하여, 개방상태에서 전압을 측정하는 일례를 도시한 것이다.
도 6을 참조하면, 개방 상태에서의 열전소자(10) 말단의 전압
Figure pat00022
(31)을 측정하게 되고,
Figure pat00023
(31)는 다음의 수학식 3과 같다.
수학식 3
Figure pat00024
이후, 측정 회로를 연결한 상태에서 전압계를 이용하여 열전소자의 말단의 전압을 측정하는 단계(S500)가 진행된다.
즉, S600 단계에서는 스위치를 온(ON) 시켜, 우측의 측정 회로(20)로 전류가 흐르는 상태가 된다.
이러한 상태에서, 우측 회로(20)를 구성하여 부하저항에 걸리는 전압과 회로 양단에 걸리는 전압인 VM2를 측정한다.
여기서, 회로의 저항 요소는 부하저항, 리드 저항, 접촉저항 등이 포함된다.
도 7은 본 발명과 관련하여, 폐 회로 상태에서 전압 및 전류를 측정하는 일례를 도시한 것이다.
도 7을 참조하면, 우측 회로에서 리드 저항
Figure pat00025
(26, 27)이 도시되고, 부하저항
Figure pat00026
(23) 이외에 접촉저항 등이 적용될 수 있다.
도 7 및 S700 단계에서 부하저항에 걸리는 전압과 회로 양단에 걸리는 전압
Figure pat00027
(32)를 측정하게 된다.
이러한 관계는 다음의 수학식 4 및 수학식 5와 같다.
수학식 4
Figure pat00028
수학식 5
Figure pat00029
Figure pat00030
는 도 7에 도시되지는 않았지만 회로에 의해 발생되는 접촉저항을 의미한다.
S500 단계에서
Figure pat00031
(32)를 측정한 이후에, 측정 회로를 연결한 상태에서 측정 회로에 흐르는 전류를 산출하는 단계(S600)가 진행된다.
즉, S600 단계에서는 부하저항에 걸리는 전압측정을 통해 회로 전체에 흐르는 전류 I(40)를 계산할 수 있다.
또는, 전류계(25)를 통해 회로 전체에 흐른 전류 I(40)를 측정한다.
이후, 개방상태의 말단 전압, 연결상태의 말단 전압 및 측정 회로에 흐르는 전류를 이용하여 열전소자의 저항 값을 산출하는 단계(S700)를 진행한다.
옴의 법칙에 의해 전원전압과 각 저항 요소에서의 전압강하의 합과 같고, 다음의 수학식 6과 같은 관계가 형성된다.
수학식 6
Figure pat00032
이를 정리하면 다음의 수학식 7이 도출된다.
수학식 7
Figure pat00033
상기 수학식 7에서
Figure pat00034
=
Figure pat00035
(31)이고,
Figure pat00036
=
Figure pat00037
(32) 이 된다.
따라서 열전물질(10)의 저항
Figure pat00038
는 다음의 수학식 8과 같이, 최종적으로 표현될 수 있다.
수학식 8
Figure pat00039
결국, 미리 산출한 개방상태의 말단 전압
Figure pat00040
(31), 연결상태의 말단 전압
Figure pat00041
(32) 및 측정 회로에 흐르는 전류 I(40)를 이용하여 열전소자의 저항
Figure pat00042
의 값을 산출할 수 있게 된다.
전술한 본 발명의 기술적 특징이 적용되는 경우, 본 발명은 온도 구배 상태의 열전 재료 및 소자(모듈)의 전기저항을 측정하는 기술을 사용자에게 제공할 수 있다.
구체적으로 본 발명은 열전 소자에 측정 회로를 연결한 후 개방상태의 열전 소자 말단 전압, 연결상태의 말단 전압 및 측정 회로에 흐르는 전류를 이용하여 열전소자의 전기 저항 값을 산출하는 방법 및 장치를 사용자에게 제공할 수 있다.
본 발명은 온도차에 의한 열기전력이 매우 큰 열전소재에 최적화된 저항측정기술로서, 기존 측정법에서의 열기전력에 의한 전기저항의 측정 오차를 완전 배제할 수 있다.
또한, 본 발명은 온도 구배 상태에서의 열기전력을 그대로 활용함으로써, 기존 측정법에서 계측기의 전류전원에 의한 측정오차 및 펠티어 효과에 의한 온도구배 상태의 변화 등 저항 측정에 오차요소를 완전 배제하여 측정 정확도를 높일 수 있다.
또한, 본 발명은 제백 계수 및 열기전력의 크기에 따라 부하 저항의 크기를 조절함으로서 측정 정밀도를 높일 수 있다.
또한, 본 발명은 회로를 구성하는 접촉저항, 리드선의 저항 등과 무관하게 열전소자와 관련된 저항 측정이 가능하고, 빠른 측정 속도를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명이 제안하는 기술은 온도 구배의 열전소재의 저항(전기전도도) 측정용도 또는 열전물질의 열전특성 측정 용도 등으로 활용 가능하다.
한편, 상술한 본 발명의 실시예들은 다양한 수단을 통해 구현될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 실시예들은 하드웨어, 펌웨어(firmware), 소프트웨어 또는 그것들의 결합 등에 의해 구현될 수 있다.
하드웨어에 의한 구현의 경우, 본 발명의 실시예들에 따른 방법은 하나 또는 그 이상의 ASICs(Application Specific Integrated Circuits), DSPs(Digital Signal Processors), DSPDs(Digital Signal Processing Devices), PLDs(Programmable Logic Devices), FPGAs(Field Programmable Gate Arrays), 프로세서, 컨트롤러, 마이크로 컨트롤러, 마이크로 프로세서 등에 의해 구현될 수 있다.
펌웨어나 소프트웨어에 의한 구현의 경우, 본 발명의 실시예들에 따른 방법은 이상에서 설명된 기능 또는 동작들을 수행하는 모듈, 절차 또는 함수 등의 형태로 구현될 수 있다. 소프트웨어 코드는 메모리 유닛에 저장되어 프로세서에 의해 구동될 수 있다. 상기 메모리 유닛은 상기 프로세서 내부 또는 외부에 위치하여, 이미 공지된 다양한 수단에 의해 상기 프로세서와 데이터를 주고 받을 수 있다.
상술한 바와 같이 개시된 본 발명의 바람직한 실시예들에 대한 상세한 설명은 당업자가 본 발명을 구현하고 실시할 수 있도록 제공되었다. 상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 본 발명의 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 당업자는 상술한 실시예들에 기재된 각 구성을 서로 조합하는 방식으로 이용할 수 있다. 따라서, 본 발명은 여기에 나타난 실시형태들에 제한되려는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다.
본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니 되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다. 본 발명은 여기에 나타난 실시형태들에 제한되려는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다. 또한, 특허청구범위에서 명시적인 인용 관계가 있지 않은 청구항들을 결합하여 실시예를 구성하거나 출원 후의 보정에 의해 새로운 청구항으로 포함할 수 있다.

Claims (9)

  1. 열전소자의 말단에 연결되는 전압계;
    상기 전압계와 병렬로 상기 열전소자와 연결되고, 적어도 하나의 저항 및 측정 소자를 포함하는 측정부; 및
    상기 열전소자 내의 온도 차이에 의한 제백 효과에 따라 열기전력이 발생하는 경우, 상기 측정부를 개방(open)한 상태에서 상기 전압계가 상기 열전소자의 말단의 제 1 전압을 측정하도록 제어하는 제어부;를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 측정부를 상기 열전소자와 연결한 상태에서 상기 전압계가 상기 열전소자의 말단의 제 2 전압을 측정하도록 제어하고,
    상기 측정 소자가 상기 측정부에 흐르는 전류를 측정하도록 제어하며,
    상기 제 1 전압, 제 2 전압 및 전류를 이용하여 상기 열전 소자의 저항값을 도출하는 것을 특징으로 하는 열전소자의 전기 저항 측정 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 측정부와 상기 열전소자 간에 스위치;를 더 포함하고,
    상기 스위치의 오프(OFF) 또는 온(ON) 에 따라 상기 측정부가 개방 또는 연결되는 것을 특징으로 하는 열전소자의 전기 저항 측정 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 측정소자는
    상기 적어도 하나의 저항과 병렬로 연결된 측정 전압계인 것을 특징으로 하는 열전소자의 전기 저항 측정 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 측정소자는, 상기 적어도 하나의 저항과 직렬로 연결된 측정 전류계인 것을 특징으로 하는 열전소자의 전기 저항 측정 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제어부는 하기의 수학식에 의해 상기 열전 소자의 저항값을 산출하는 것을 특징으로 하는 열전소자의 전기 저항 측정 장치.
    수학식
    Figure pat00043

    상기 수학식에서
    Figure pat00044
    는 상기 열전 소자의 저항값이고,
    Figure pat00045
    는 상기 제 1 전압이며,
    Figure pat00046
    는 상기 제 2 전압이고,
    Figure pat00047
    는 상기 전류이다.
  6. 열전소자 및 상기 열전소자의 전기 저항 측정 장치를 포함하는 측정 시스템에서,
    상기 열전소자의 전기 저항 측정 장치는,
    상기 열전소자의 말단에 연결되는 전압계;
    상기 전압계와 병렬로 상기 열전소자와 연결되고, 적어도 하나의 저항 및 측정 소자를 포함하는 측정부; 및
    상기 열전소자 내의 온도 차이에 의한 제백 효과에 따라 열기전력이 발생하는 경우, 상기 측정부를 개방(open)한 상태에서 상기 전압계가 상기 열전소자의 말단의 제 1 전압을 측정하도록 제어하는 제어부;를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 측정부를 상기 열전소자와 연결한 상태에서 상기 전압계가 상기 열전소자의 말단의 제 2 전압을 측정하도록 제어하고,
    상기 측정 소자가 상기 측정부에 흐르는 전류를 측정하도록 제어하며,
    상기 제 1 전압, 제 2 전압 및 전류를 이용하여 상기 열전 소자의 저항값을 도출하는 것을 특징으로 하는 측정 시스템.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 제어부는 하기의 수학식에 의해 상기 열전 소자의 저항값을 산출하는 것을 특징으로 하는 측정 시스템.
    수학식
    Figure pat00048

    상기 수학식에서
    Figure pat00049
    는 상기 열전 소자의 저항값이고,
    Figure pat00050
    는 상기 제 1 전압이며,
    Figure pat00051
    는 상기 제 2 전압이고,
    Figure pat00052
    는 상기 전류이다.
  8. 열전소자의 말단에 전압계를 연결하는 단계;
    적어도 하나의 저항 및 측정 소자를 포함하는 측정부를 상기 전압계와 병렬로 상기 열전소자와 연결하는 단계;
    상기 열전소자 내의 온도 차이에 의한 제백 효과에 따라 열기전력이 발생하는 단계;
    상기 측정부를 개방(open)한 상태에서 상기 전압계가 상기 열전소자의 말단의 제 1 전압을 측정하는 단계;
    상기 측정부를 상기 열전소자와 연결한 상태에서 상기 전압계가 상기 열전소자의 말단의 제 2 전압을 측정하는 단계;
    상기 측정 소자가 상기 측정부에 흐르는 전류를 측정하는 단계; 및
    상기 제 1 전압, 제 2 전압 및 전류를 이용하여 상기 열전 소자의 저항값을 도출하는 단계;를 포함하는 열전소자의 전기 저항 측정 방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    하기의 수학식에 의해 상기 열전 소자의 저항값을 산출하는 것을 특징으로 하는 열전소자의 전기 저항 측정 방법.
    수학식
    Figure pat00053

    상기 수학식에서
    Figure pat00054
    는 상기 열전 소자의 저항값이고,
    Figure pat00055
    는 상기 제 1 전압이며,
    Figure pat00056
    는 상기 제 2 전압이고,
    Figure pat00057
    는 상기 전류이다.
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