KR101956820B1 - 열전모듈의 특성 평가 방법 및 이에 사용되는 특성 평가 장치 - Google Patents

열전모듈의 특성 평가 방법 및 이에 사용되는 특성 평가 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 열전모듈의 특성 평가 방법에 관한 것으로, 평가 대상인 열전모듈을 준비하는 준비단계; 열전모듈 외부 전체에 대하여 접촉방지층을 형성하는 접촉방지단계; 열전모듈의 온도를 소정의 평가 온도로 조절하는 온도조절단계; 및 상기 열전모듈에 연결된 임피던스 분석기를 사용하여 열전모듈의 특성을 평가하는 평가단계를 포함하여 구성되며, 상기 접촉방지단계에서, 임피던스 분석기와 열전모듈을 전기적으로 연결하고, 열전모듈의 상면과 하면 및 측면의 온도를 측정할 수 있는 온도 센서를 연결할 수 있도록 준비하고, 상기 평가단계는, 상기 온도 센서에서 측정된 상면과 하면 및 측면의 온도가 모두 소정의 평가 온도인 상태에서 수행되고, 임피던스 스펙트럼을 측정하여 열전모듈의 특성을 분석한다.
본 발명은, 임피던스 스펙트럼을 분석하여 열전모듈의 특성을 평가하되, 열전모듈의 외부를 접촉방지층으로 감싼 상태에서 측정온도를 조절하여 측정을 수행하기 때문에, 다양한 온도에서 열전모듈의 특성을 측정 및 평가할 수 있는 효과가 있다. 또한 진공 상태가 아닌 상압 상태에서 평가를 수행할 수 있으며, 최종적으로 실제 열전모듈이 사용되는 온도와 압력에 대한 환경 조건이 반영된 평가 결과를 얻을 수 있는 뛰어난 효과가 있다.

Description

열전모듈의 특성 평가 방법 및 이에 사용되는 특성 평가 장치{ASSESSMENT METHOD OF THERMOELECTRIC MODULE PROPERTIES AND ASSESSMENT DEVICE FOR THE METHOD}
본 발명은 열전모듈의 특성을 평가하는 방법에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 고온에서도 열전모듈의 특성을 평가할 수 있는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 열전소자는 열과 전기의 상호작용으로 나타나는 각종 효과를 이용한 소자를 총칭하는 표현이다. 종래에 펠티어 소자로 표현한 경우는 전류에 의해 열의 흡수 또는 발생이 생기는 현상인 펠티에효과를 이용한 소자에 대한 것이다.
한편, 온도 차이에 의해서 기전력이 발생하는 제벡효과를 이용하여 새로운 청정에너지로서 개발하는 것에 대한 관심이 높아지고 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 또는 평가해야 한다.
열전 모듈의 성능지수는 다음과 같은 수학식으로 정의된다.
ZT=TσS2/λ
여기서 T는 절대온도, σ는 전기 전도도, S는 제벡(Seebeck) 계수, λ는 열 전도도이다. 현재까지 대부분의 열전 모듈 연구에서 ZT를 측정시 직류 전류를 이용한 Harman기반의 평가 방법이 사용되고 있다. 하지만 이러한 평가 방법의 경우 ZT의 절대값만 알수있고, ZT를 구성하는 전기 전도도, 제벡 계수와 열전도도를 개별적으로 알 수 없다. 또한, 진공 상태의 상온에서만 측정을 수행하여 열전소자가 사용되는 고온 및 상압 조건에서의 특성이 완전히 반영되지 못하는 단점이 있었다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 열전소자의 다양한 특성을 모두 측정할 수 있고 실제 사용 온도에서 측정을 수행할 수 있는 측정 장치와 방법에 대한 연구가 진행되어 왔다. 그러나 대부분의 방법이 실사용 상태의 반영을 위하여 고온부와 저온부의 온도 구배를 인가한 상태에서 측정을 수행하기 때문에 측정 장비가 복잡하고 평가 방법을 정확하게 적용하기 어려운 단점이 있다.
대한민국 등록특허 10-1276659 대한민국 공개특허 10-2015-0007686
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서 상온뿐만이 아니라 고온에서도 열전모듈의 특성을 정확하게 측정할 수 있는 방법 및 그에 사용되는 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 열전모듈의 특성 평가 방법은, 평가 대상인 열전모듈을 준비하는 준비단계; 열전모듈 외부 전체에 대하여 접촉방지층을 형성하는 접촉방지단계; 열전모듈의 온도를 소정의 평가 온도로 조절하는 온도조절단계; 및 상기 열전모듈에 연결된 임피던스 분석기를 사용하여 열전모듈의 특성을 평가하는 평가단계를 포함하여 구성되며, 상기 접촉방지단계에서, 임피던스 분석기와 열전모듈을 전기적으로 연결하고, 열전모듈의 상면과 하면 및 측면의 온도를 측정할 수 있는 온도 센서를 연결할 수 있도록 준비하고, 상기 평가단계는, 상기 온도 센서에서 측정된 상면과 하면 및 측면의 온도가 모두 소정의 평가 온도인 상태에서 수행되고, 임피던스 스펙트럼을 측정하여 다음의 식으로 분석을 하며,
Figure 112017106715776-pat00001
Rohm는 옴 저항, WRs 및 WRO는 Warburg 저항, ZT는 열전 성능 지수, n은 열전모듈에 포함된 열전 레그의 갯수, S는 제벡 계수, T는 절대 온도, A는 면적, L은 길이, λ는 열전도도 및 α는 열확산계수이고, 첨자 "TEL"은 열전 레그에 대한 값을 의미하고 "C"는 접점에 대한 값을 의미하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 임피던스 스펙트럼을 분석하여 열전모듈의 특성을 평가하되, 열전모듈의 외부를 접촉방지층으로 감싼 상태에서 측정온도를 조절하여 측정을 수행하기 때문에, 다양한 온도에서 열전모듈의 특성을 측정 및 평가할 수 있는 효과가 있다. 또한 진공 상태가 아닌 상압 상태에서 평가를 수행할 수 있으며, 최종적으로 실제 열전모듈이 사용되는 온도와 압력에 대한 환경 조건이 반영된 평가 결과를 얻을 수 있는 뛰어난 효과가 있다.
이때, 온도조절단계는, 접촉방지층에 싸인 열전모듈을 가열기 내부에 위치시키고 가열기로 가열하여 수행되는 것이 바람직하다.
온도 센서는, 열전모듈의 6면의 온도를 각각 측정하는 것이 바람직하다. 열전모듈 전체가 동일한 평가 온도에 있는지 확인하기 위해서는 상면과 하면 및 측면의 온도를 각각 측정하여 6면의 온도가 동일한지 여부를 판단하는 것이 좋다.
온도조절단계에서 조절되는 평가 온도의 범위가 10~1000℃ 범위로 조절되어, 열전모듈이 실제 사용되는 온도 조건을 반영할 수 있다. 열전모듈은 열전레그에 사용되는 열전소재의 종류에 따라서 사용온도 범위가 매우 다양하며, 본 발명의 특성 평가 방법에 따르면 열전소재의 종류에 상관없이 실제로 사용되는 온도 조건을 반영하여 특성을 평가할 수 있다.
접촉방지단계에서, 접촉방지층의 재질은 평가 온도에 따라서 선택되는 것이 바람직하며, 낮은 온도에서는 에어캡과 같이 열에 약한 재질이 가능하지만 높은 온도에서는 사용이 어려우므로, 평가 온도에 따라서 접촉방지층의 재질을 선택한다.
이때, 서로 다른 평가 온도에 대하여 특성을 평가하는 경우에는 가장 높은 평가 온도를 기준으로 접촉방지층의 재질을 선택하여야 한다.
그리고 평가단계에서, 임피던스 스펙트럼을 측정하여 다음의 식으로 열용량(Cp) 및 열전용량(CTEL)을 추가로 평가할 수 있다.
Figure 112017106715776-pat00002
λTEL와 αTEL는 열전 레그의 열전도도와 열확산계수이고, ρ는 벌크밀도 이며, WRs 는 Warburg 저항이고, WTs 는 시간 상수이다.
본 발명의 다른 형태에 의한 열전모듈의 특성 평가 장치는, 상기한 열전모듈의 특성 평가 방법을 적용하기 위한 장치로서, 내부에 안치된 평가 대상인 열전모듈; 상기 열전모듈을 감싸고 있는 접촉방지층; 상기 접촉방지층으로 싸인 열전모듈을 가열하기 위한 가열기; 상기 접촉방지층으로 싸인 열전모듈의 온도를 측정하기 위한 온도 센서; 및 상기 접촉방지층으로 싸인 열전모듈의 임피던스 스펙트럼을 측정하기 위한 임피던스 분석기를 포함하여 구성된다.
온도 센서는 열전모듈의 6면에 대한 온도를 각각 측정할 수 있는 것이 바람직하다.
가열기는 접촉방지층으로 싸인 열전모듈을 전체적으로 가열할 수 있는 가열기인 것이 좋으며, 6면에 형성되어 열을 전달하는 히팅 블록과 상기 히팅 블록에 삽입되어 히팅 블록에 열을 가하는 복수의 카트리지 히터를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 형태에 의한 열전모듈의 특성 평가 시스템은, 상기한 열전모듈의 특성 평가 장치; 및 상기 열전모듈의 특성 평가 장치의 임피던스 분석기에서 측정된 임피던스 스펙트럼을 분석하여 열전모듈의 특성을 산출하는 산출부를 포함한다.
산출부는, 측정된 임피던스 스펙트럼을 다음의 식에 적용하여 분석을 하며,
Figure 112017106715776-pat00003
Rohm는 옴 저항, WRs 및 WRO는 Warburg 저항, ZT는 열전 성능 지수, n은 열전모듈에 포함된 열전 레그의 갯수, S는 제벡 계수, T는 절대 온도, A는 면적, L은 길이, λ는 열전도도 및 α는 열확산계수이고, 첨자 "TEL"은 열전 레그에 대한 값을 의미하고 "C"는 접점에 대한 값을 의미한다.
또한, 산출부는, 측정된 임피던스 스펙트럼을 다음의 식에 적용하여 열용량(Cp) 및 열전용량(CTEL)을 평가하며,
Figure 112017106715776-pat00004
λTEL와 αTEL는 열전 레그의 열전도도와 열확산계수이고, ρ는 벌크밀도 이며,WRs 는 Warburg 저항이고, WTs 는 시간 상수이다.
상술한 바와 같이 구성된 본 발명은, 임피던스 스펙트럼을 분석하여 열전모듈의 특성을 평가하되, 열전모듈의 외부를 접촉방지층으로 감싼 상태에서 측정온도를 조절하여 측정을 수행하기 때문에, 다양한 온도에서 열전모듈의 특성을 측정 및 평가할 수 있는 효과가 있다.
또한 진공 상태가 아닌 상압 상태에서 평가를 수행할 수 있으며, 최종적으로 실제 열전모듈이 사용되는 온도와 압력에 대한 환경 조건이 반영된 평가 결과를 얻을 수 있는 뛰어난 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 측정장치의 구조를 도시한 모식도이다.
도 2는 23℃에서 측정된 임피던스 스펙트럼을 도시한 그림이다.
도 3은 다양한 온도에서 측정된 임피던스 스펙트럼을 도시한 그림이다.
도 4는 온도에 따른 열용량과 열전용량을 도시한 그래프이다.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 측정방법을 적용하기 위한 측정장치의 구조를 도시한 모식도이다.
본 실시예는 열전모듈(100)의 특성을 평가하는 것이며, 먼저 평가 대상이 되는 열전모듈을 준비한다. 도 1에는 도시된 열전모듈(100)은 N형과 P형의 열전소재인 열전 레그(thermoelectric leg)가 전극에 의해서 순차로 연결된 일반적인 구조이지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 실시예에서는 열전모듈(100)의 주변을 접촉방지층(200)으로 감싸서 준비한다. 접촉방지층(200)은 평가 대상인 열전모듈(100)의 외면을 감싸서 열전모듈(100)이 외부와 접촉하여 열이 손실되는 등의 이유로 온도가 변화하는 것을 방지하기 위한 것이다. 특히, 본 실시예의 방법은 열전모듈(100)이 사용되는 온도 조건을 반영하기 위하여 열전모듈(100)을 가열하는데, 가열체에 열전모듈(100)이 직접 접촉하는 경우에 승온에는 유리하지만 측정시간 동안 안정적으로 온도를 유지하기 어려워 정확한 측정이 불가능하다. 이에 본 실시예에서는 접촉방지층(200)으로 열전모듈(100)의 외면을 감싸서, 외부 특히 가열기의 가열체의 접촉을 방지한다.
따라서 접촉방치층(200)은 가열기에 의해서 열전모듈(100)을 승온시키는 것은 가능하면서 가열기의 가열체에 접촉해서 열손실이 발생하지 않을 정도의 낮은 열전도도를 가지는 물질을 선택하여 사용한다. 이때, 접촉방지층(200)은 측정을 수행할 온도(이하 '평가 온도')에 견딜 수 있는 재질이어야 한다. 예를 들면, 열전모듈을 특별히 가열하지 않고 상온 수준에서 측정을 수행하는 경우에는 에어캡과 같이 열에 약한 단열 소재를 사용할 수도 있고, 평가 온도가 높은 경우라면 알루미나 테잎 등과 같이 열에 강한 재질을 사용할 수 있다. 동일한 열전소재에 대하여 다양한 평가 온도에서 평가를 수행하는 경우라면, 높은 온도에 적합한 소재를 사용하여 접촉방지층을 형성하는 경우에 접촉방지층을 교체하지 않고 계속 사용할 수 있다.
한편, 본 실시예에서 열전모듈(100)의 특성을 평가하기 위해서는 열전모듈(100)이 임피던스 분석기(300)와 전기적으로 연결되어야 하고, 상면과 하면 및 4개의 측면 각각의 온도를 측정해야 한다. 따라서, 접촉방지층(200)을 형성하는 과정에서 임피던스 분석기(300)와 열전모듈(100)을 전기적으로 연결하고, 상면 측정을 위한 온도 센서(410)와 하면측정을 위한 온도 센서(420) 및 4개의 측면 측정을 위한 온도 센서(430, 440, 450, 460)를 열전모듈(100)의 6면에 각각 연결한다. 이때, 임피던스 분석기(300)와 온도 센서(410, 420, 430, 440, 450, 460)를 미리 연결하는 경우에, 열전모듈(100)을 가열기(500)에 설치하는 과정이 어려울 수 있으므로, 접촉방지층(200)을 형성하는 과정에서는 임피던스 분석기(300)와 온도 센서(410, 420, 430, 440, 450, 460)에 연결할 수 있는 준비만을 해두고, 가열기(500)에 열전모듈(100)을 위치시킨 뒤에 연결할 수도 있다.
다음으로, 접촉방지층(200)을 형성한 열전모듈(100)을 가열을 위한 가열기(500)에 위치시킨다.
본 실시예에서는 열전모듈(100)을 전체적으로 가열할 수 있도록 6면을 둘러싸며 위치하는 Cu 재질의 히팅 블록(510) 내부에 카트리지 히터(520)가 설치된 가열기(500)를 사용하였다. 도면에서는 가열 효율을 높이기 위하여 접촉방지층(200)과 가열기(500)의 가열체인 히팅블록(510)가 완전히 밀착된 구조를 도시하였다. 도시된 것과 같이 완전히 밀착된 구조가 강제되는 것은 아니지만, 본 실시예에서는 접촉방지층(200)이 열전모듈(100)의 외면을 감싸서 히팅블록(510)과의 직접적인 접촉을 방지하기 때문에 밀착된 구조를 적용하는 경우에 가열 효율은 높이면서도 히팅블록(510)과의 직접 접촉에 따른 온도 불안정 및 과도한 열전달의 문제가 전혀 없다.
도 1에 도시된 것과 같이, 열전모듈(100)의 외면을 접촉방지층(200)으로 감싸고, 임피던스 분석기(300)와 온도 센서(410, 420, 430, 440, 450, 460)를 연결한 상태에서, 가열기(500)에 위치시킨 뒤에 열전모듈에 대한 평가를 수행할 수 있다.
우선, 열전모듈(100)의 온도가 평가를 수행하기 위한 평가 온도가 되도록 온도를 조절한다. 평가 온도가 상온이어서 열전모듈(100)의 온도를 높일 필요가 없는 경우라면 가열기(500)를 가동하지 않으며, 열전모듈(100)의 온도를 높여야 하는 경우에는 가열기(500)를 가동하여 열전모듈(100)을 가열한다.
열전모듈(100)의 온도가 평가 온도에 이르면, 임피던스 분석기(300)를 사용하여 평가를 수행한다. 이때, 열전모듈(100)의 전체 온도가 평가 온도로 동일하지 않으면, 정확한 특성 평가가 수행되지 않으므로, 열전모듈(100)의 6면에 연결된 온도센서(410, 420, 430, 440, 450, 460)을 통해서 열전모듈(100)의 온도를 측정하여 전체 온도가 평가 온도로 동일한 것을 확인한 이후에 평가를 수행한다.
임피던스 분석기(300)를 사용하여 평가를 수행하는 방법은 열전모듈(100)의 임피던스 스펙트럼을 측정하여 이를 이용하며, 임피던스 스펙트럼 측정 결과를 사용하여 열전모듈의 특성을 평가하는 방법에 대하여 설명하면 다음과 같다.
열전모듈에 대하여 측정된 임피던스 Z는 옴 저항(Rohm)과 열전 임피던스(ZTE)의 합으로 구성된다.
Figure 112017106715776-pat00005
이를 단열조건 하에서의 1차원 열방정식 모델로 표현하면 다음과 같다.
Figure 112017106715776-pat00006
여기서, 첨자 "TEL"은 열전 레그를 의미하고 "C"는 금속 접점과 절연 시트를 포함하는 접점을 나타내며, 이하에서 동일하다. n은 열전모듈에 포함된 열전 레그의 갯수, S는 제벡 계수, T는 절대 온도, A는 면적, L은 길이, λ는 열전도도 및 α는 열확산계수이다.
열전 레그의 특성각 주파수(ωTEL)과 접점의 특성각 주파수(ωC)는 다음과 같이 정의 된다.
Figure 112017106715776-pat00007
전체 임피던스(Z)는 임피던스 분광에 대한 R1(WoWs) 등가회로 모델피팅에 의해서 다음과 같이 분석할 수 있습니다.
Figure 112017106715776-pat00008
옴 저항(Rohm), Warburg 저항(WRs 및 WRO) 및 시간 상수(WTs 및 WTO)는 Scribner Associates 사의 Zview 소프트웨어를 사용하여 결정할 수 있다.
열전 모듈의 전기 전도도(σ), 제벡 계수(S), 열전도도(λTEL) 및 성능 지수 (ZT) 값은 다음 관계식을 사용하여 단일 측정의 오믹 및 Warburg 저항 값으로부터 얻을 수 있다.
Figure 112017106715776-pat00009
Cu의 열전도율(λCu = 400W·m-1·K-1)과 Pb의 열전도율(λPb = 35W·m-1·K-1)이 폴리이미드의 열전도율(λpolyimide = 0.12 W·m-1·K-1)보다 2배 이상 높기 때문에, 접촉 열전도도(λC)는 폴리이미드 절연판에 의한 수치가 우세하게 지배한다.
이하에서는 상기한 방법으로 열전모듈의 특성을 평가한 구체적인 예를 설명한다.
평가 대상인 열전모듈로는 KELT 사의 열전모듈 제품을 준비하였다. 준비된 열전모듈은 Bi2Te3 기판의 열전 레그(0.4×0.2×0.136 cm3)를 Pb 솔더를 사용하여 구리 전극으로 연결하고, 0.002cm 두께의 폴리이미드 절연판을 부착한 제품이다.
평가 온도가 상온 범위인 23℃이므로, 에어캡을 복수의 층으로 감아서 접촉방지층을 형성하였다.
임피던스 분석기로는 Metrohm사의 Autolab PGSTAT302N을 사용하였다. 평가를 위한 임피던스 측정 조건은, 개방 전압 조건 하에서, 발진 전압이 1~100mV이고, 주파수 범위는 103에서 10-3Hz이다.
도 2는 23℃에서 측정된 임피던스 스펙트럼을 도시한 그림이다.
도 2에 삽입된 등가 회로에 피팅된 임피던스 스펙트럼은, 발진전압에 큰 영향이 없음 확인할 수 있다.
측정된 임피던스 스펙트럼 결과를 통해서, 평가된 열전 모듈의 특성을 표로 나타내면 다음과 같다.
Figure 112017106715776-pat00010
한편, 본 실시예에 따라서 임피던스 스펙트럼으로부터 측정된 결과와의 비교를 위하여 종래의 Harman 법으로 열전 성능 지수를 계산하였고, Z-meter를 사용하여 열전 성능 지수를 측정하였다.
Harman 법으로 측정된 성능 지수는 0.74이고, Z-meter로 측정된 성능 지수는 0.78을 나타내어, 본 실시예에 따른 평가 방법으로 측정된 0.72와 거의 일치한다. Harman 법의 경우에는 진공 상태에서 측정되어 공정비용이 높고 실제 사용 상태를 완전히 반영하지 못하며 ZT 값만을 측정할 수 있었으나, 본 실시예에 따른 열전모듈의 특성 평가 방법은 대기상태에서 측정하여 공정비용이 매우 낮고 실제로 사용되는 상압에서의 특성을 측정할 수 있으며 ZT 뿐만이 아니라 열전도도와 제벡계수 및 전기전도도까지 측정할 수 있었다.
다음으로 다양한 온도에서 열전 모듈의 특성을 평가하였다.
동일한 열전 모듈에 대해서, 다양한 온도에 측정을 수행하기 위하여 세라믹 천(ZIRCAR, RS-Cloth)을 감아서 절연층을 구성하였다.
Cu 재질의 히팅 블록 내부에 위치시키고 가열하여 온도를 50℃에서 25℃ 간격으로 150℃까지 조절하였다.
온도 센서를 사용해서 절연층 내부의 열전 모듈 전체가 동일한 온도가 된 것을 확인한 뒤에 임피던스 분석기를 사용하여, 발진 전압 10mV와 주파수 범위 103에서 10-3Hz에서 분석을 수행하였다.
도 3은 다양한 온도에서 측정된 임피던스 스펙트럼을 도시한 그림이다.
발진 전압과 달리, 평가 온도가 변화하는 경우에는 성능에서 큰 차이가 있는 것을 확인할 수 있다.
측정된 임피던스 스펙트럼 결과를 통해서, 평가된 열전 모듈의 특성을 표로 나타내면 다음과 같다.
Figure 112017106715776-pat00011
이러한 결과에서, 본 발명의 평가 방법에 의하면 23℃의 상온뿐만이 아니라, 고온에서도 열전모듈의 성능지수를 빠르게 측정 및 평가할 수 있음을 확인할 수 있다.
한편, 본 발명의 평가 방법에 의하면, 열전 레그의 열용량(Cp) 및 열전용량(CTEL)을 다음의 식으로 평가할 수 있다.
Figure 112017106715776-pat00012
열전 레그의 열전도도(λTEL)와 열확산계수(αTEL)는 임피던스 스펙트럼과 Bi2Te3의 벌크 밀도(ρ=7.7 g·cm3) 및 분자량(800.76g·mol-1)을 사용하여 계산하였다.
도 4는 온도에 따른 열용량과 열전용량을 도시한 그래프이다.
이와 같이, 본 발명의 평가 방법에 따르면, 종래의 방법들에서는 측정하지 못하였던 열용량(Cp) 및 열전용량(CTEL)을 함께 측정할 수 있는 효과가 있다.
이상 본 발명을 바람직한 실시예를 통하여 설명하였는데, 상술한 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화가 가능함은 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 보호범위는 특정 실시예가 아니라 특허청구범위에 기재된 사항에 의해 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상도 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 열전모듈
200: 접촉방지층
300: 임피던스 분석기
410, 420, 430, 440, 450, 460: 온도 센서
500: 가열기
510: 히팅 블록
520: 카트리지 히터

Claims (14)

  1. 평가 대상인 열전모듈을 준비하는 준비단계;
    열전모듈 외부 전체에 대하여 접촉방지층을 형성하는 접촉방지단계;
    열전모듈의 온도를 소정의 평가 온도로 조절하는 온도조절단계; 및
    상기 열전모듈에 연결된 임피던스 분석기를 사용하여 열전모듈의 특성을 평가하는 평가단계를 포함하여 구성되며,
    상기 접촉방지단계에서, 임피던스 분석기와 열전모듈을 전기적으로 연결하고, 열전모듈의 상면과 하면 및 측면의 온도를 측정할 수 있는 온도 센서를 연결할 수 있도록 준비하고,
    상기 평가단계는, 상기 온도 센서에서 측정된 상면과 하면 및 측면의 온도가 모두 소정의 평가 온도인 상태에서 수행되고, 임피던스 스펙트럼을 측정하여 다음의 식으로 분석을 하며,
    Figure 112017106715776-pat00013

    Rohm는 옴 저항, WRs 및 WRO는 Warburg 저항, ZT는 열전 성능 지수, n은 열전모듈에 포함된 열전 레그의 갯수, S는 제벡 계수, T는 절대 온도, A는 면적, L은 길이, λ는 열전도도 및 α는 열확산계수이고, 첨자 "TEL"은 열전 레그에 대한 값을 의미하고 "C"는 접점에 대한 값을 의미하는 것을 특징으로 하는 열전모듈의 특성 평가 방법.
  2. ◈청구항 2은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    청구항 1에 있어서,
    상기 온도조절단계는, 상기 접촉방지층에 싸인 열전모듈을 가열기 내부에 위치시키고 가열기로 가열하여 수행되는 것을 특징으로 하는 열전모듈의 특성 평가 방법.
  3. ◈청구항 3은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    청구항 1에 있어서,
    상기 온도 센서는, 열전모듈의 6면의 온도를 각각 측정하는 것을 특징으로 하는 열전모듈의 특성 평가 방법.
  4. ◈청구항 4은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    청구항 1에 있어서,
    상기 온도조절단계에서 조절되는 평가 온도의 범위가 10~1000℃ 인 것을 특징으로 하는 열전모듈의 특성 평가 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 접촉방지단계에서, 접촉방지층의 재질은 평가 온도에 따라서 선택되는 것을 특징으로 하는 열전모듈의 특성 평가 방법.
  6. ◈청구항 6은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    청구항 5에 있어서,
    서로 다른 평가 온도에 대하여 특성을 평가하는 경우에는 가장 높은 평가 온도를 기준으로 접촉방지층의 재질을 선택하는 것을 특징으로 하는 열전모듈의 특성 평가 방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 평가단계에서,
    임피던스 스펙트럼을 측정하여 다음의 식으로 열용량(Cp) 및 열전용량(CTEL)을 추가로 평가하며,
    Figure 112017106715776-pat00014

    λTEL와 αTEL는 열전 레그의 열전도도와 열확산계수이고, ρ는 벌크밀도 이며, WRs 는 Warburg 저항이고, WTs 는 시간 상수인 것을 특징으로 하는 열전모듈의 특성 평가 방법.
  8. 청구항 1의 평가 방법을 적용하기 위한 평가 장치로서,
    내부에 안치된 평가 대상인 열전모듈;
    상기 열전모듈을 감싸고 있는 접촉방지층;
    상기 접촉방지층으로 싸인 열전모듈을 가열하기 위한 가열기;
    상기 접촉방지층으로 싸인 열전모듈의 온도를 측정하기 위한 온도 센서; 및
    상기 접촉방지층으로 싸인 열전모듈의 임피던스 스펙트럼을 측정하기 위한 임피던스 분석기를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 열전모듈의 특성 평가 장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 온도 센서는 상기 열전모듈의 6면에 대한 온도를 각각 측정할 수 있는 것을 특징으로 하는 열전모듈의 특성 평가 장치.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 가열기는 상기 접촉방지층으로 싸인 열전모듈을 전체적으로 가열할 수 있는 가열기인 것을 특징으로 하는 열전모듈의 특성 평가 장치.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 가열기는, 6면에 형성되어 열을 전달하는 히팅 블록과 상기 히팅 블록에 삽입되어 히팅 블록에 열을 가하는 복수의 카트리지 히터를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 열전모듈의 특성 평가 장치.
  12. 청구항 8 내지 청구항 11 중 어느 한 항의 열전모듈의 특성 평가 장치; 및
    상기 열전모듈의 특성 평가 장치의 임피던스 분석기에서 측정된 임피던스 스펙트럼을 분석하여 열전모듈의 특성을 산출하는 산출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 열전모듈의 특성 평가 시스템.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 산출부는, 측정된 임피던스 스펙트럼을 다음의 식에 적용하여 분석을 하며,
    Figure 112017106715776-pat00015

    Rohm는 옴 저항, WRs 및 WRO는 Warburg 저항, ZT는 열전 성능 지수, n은 열전모듈에 포함된 열전 레그의 갯수, S는 제벡 계수, T는 절대 온도, A는 면적, L은 길이, λ는 열전도도 및 α는 열확산계수이고, 첨자 "TEL"은 열전 레그에 대한 값을 의미하고 "C"는 접점에 대한 값을 의미하는 것을 특징으로 하는 열전모듈의 특성 평가 시스템.
  14. 청구항 12에 있어서,
    상기 산출부는, 측정된 임피던스 스펙트럼을 다음의 식에 적용하여 열용량(Cp) 및 열전용량(CTEL)을 평가하며,
    Figure 112017106715776-pat00016

    λTEL와 αTEL는 열전 레그의 열전도도와 열확산계수이고, ρ는 벌크밀도 이며, WRs 는 Warburg 저항이고, WTs 는 시간 상수인 것을 특징으로 하는 열전모듈의 특성 평가 시스템.
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