• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
• /
• 2016.02a
• /
• pp.112-112
• /
• 2016

열전 발전은 버려지는 폐열을 재사용 가능한 에너지로 전환할 수 있다는 점에서 차세대 청정 에너지원으로 분류되며, 19세기 초 발견된 이래 꾸준히 연구되어온 연구 분야이다. 특히 1990년대 열전소재로의 나노 기술의 접목에 따라 열전성능(figure of merit, ZT)이 2 배 이상 증가 되면서, 고성능의 열전 소재 개발을 위해 나노구조화 연구가 활발히 진행되고 있다. 하지만, 기존의 열전 특성 측정용 상용 장비의 경우, 벌크형 소재를 대상으로 설계되어 연구실 수준에서 개발되고 있는 마이크로미터 스케일의 두께를 가지는 박막형 열전 소재의 두께 방향 (cross-plane)의 열전 특성을 평가하는데 정밀성이 떨어져서 적합하지 않다. 이러한 표준화된 측정 기술의 부재로 인하여 최근 연구되고 있는 나노소재들의 열전 특성 측정 결과를 정확하게 측정하지 못하고 있다 [1] 본 연구에서는 박막형 열전 소재의 열전성능을 평가하는데 가장 중요한 요소인 열전도도를 측정하기 위해 장비를 설계하고, 장비의 측정 능력에 대해 평가하였다. 특히, 측정 포인트 간 큰 온도 차가 발생하여 비교적 쉽게 측정이 가능한 너비 방향 (in-plane) 이 아닌, 온도 차가 작은 박막의 두께 방향의 열전도도를 측정하였다. 그리고 센서의 측정 능력을 평가하기 위해, 폴리이미드를 대상으로 $-10-70^{\circ}C$ 온도 범위에서 측정한 결과와 벌크형 소재 대상으로 신뢰성이 확보된 보호열판법을 이용해 측정한 결과를 비교하였다.

• Journal of Power System Engineering
• /
• v.4 no.4
• /
• pp.16-24
• /
• 2000

고체내의 열에너지의 전달을 분석하기 위하여 고전적인 Fourier 열전도 법칙과 에너지 보존식에서 유도되는 열전도 방정식을 사용해 왔다. 이러한 열전도 방정식은 열전도가 무한한 속도로 진행된다는 것을 의미하고 있다. 그러나 극저온상태에서나 매우 급속한 열전도과정 중 매우 짧은 시간의 상태에서 non-Fourier 모델에 기초를 둔 쌍곡선형 열전도 방정식이 도입되었다. 최근의 이에 관한 연구에서 열전도가 파장의 형태로 유한한 전파속도를 갖는다는 것이 실험적으로 증명되었고 이로부터 여러 가지 실험적인 해석과 이론 해석이 전개되었다. 본 논문에서는 열전파 속도의 유한한 성질을 나타내는 수정된 열전도 법칙을 이용하여 1차원 평판에 대하여 공간에 대한 finite Fourier 변환 방법과 Green 함수 방법으로 해석하여 열전도파의 파동 성질, 공진 현상 및 위상차를 고찰하고자 한다. 열전도파가 갖는 모달 주파수에 대해 임계값을 갖으며 이 임계값을 초과할 때 공진 현상과 위상차를 고찰할 수 있었다.

• The Magazine of the Society of Air-Conditioning and Refrigerating Engineers of Korea
• /
• v.29 no.9
• /
• pp.79-82
• /
• 2000

동관은 열전달성, 내식성, 가공성이 우수하여 각종 열교환기용 열전달관으로 각각의 열전달특성요구에 맞게 가공되어 사용되고 있다. 최근 제품가격의 하락에 따라 열전달특성 개선 뿐만아니라 코스트다운에 대한 요구도 커지고, 또 냉매도 HFC계로 변화하고 있어 새로운 관점에서 열전달관개발을 하여야 한다. 일본의 Kobe제강소는 1917년부터 동관을 제조하기 시작하여, 일본 국내는 물론 미국과 아시아 지역에서 높은 보급률을 가지고 있다. 특히 냉동공조용 열전달관 부분에 강한 면모를 보이고 있다. 여기서는 최근 개발된 열전달관에 관하여 그 개발 경위와 열전달특성에 관하여 소개하고자 한다.

• Proceedings of the Korean Institute of Surface Engineering Conference
• /
• 2018.06a
• /
• pp.93.2-93.2
• /
• 2018

최근 기후 변화 문제로 $CO_2$배출량 억제 정책에 따라 열전재료가 다양한 분야에 크게 주목 받고 있다. 열전 모듈은 전류를 흘려 온도차를 발생시키는 펠티어 효과와 온도차를 전력으로 변환하는 제백 효과를 이용한다. 열전발전용에 적용되는 상용 열전모듈의 경우, 열전소자의 접합부의 수는 수십 개 이상이다. 따라서 단 한 개의 접합 불량 열전소자가 모듈 전체의 열전성능에 큰 영향을 미친다. 현재 상용화 된 Bi-Te계 열전 모듈은 Bi-Te의 Te와 Sn계 솔더의 주성분인 Sn이 $250^{\circ}C$ 부근에서 취성의 Sn-Te계 금속 화합물을 형성한다고 알려져 있다. 이 때 생성된 Sn-Te 화합물은 열전모듈의 접합강도를 약화시키고 이로 인해 열전모듈의 접합 신뢰성을 크게 저하 시킬 수 있다. 이를 해결하기 위해 솔더와 소자 사이에 확산방지층이 적용되고 있으며, 이 중에서 니켈합금이 가장 널리 적용되고 있다. 니켈층을 형성시키는 방법 중에서, 무전해 도금법은 간단하게 열전소자 표면 위에 도금 층을 균일한 두께로 만들어 낼 수 있다. 하지만, 니켈 도금층과 Bi-Te 소자 간에 화학적 결함이 존재하지 않기 때문에, 무전해 니켈 도금층의 밀착성이 떨어진다. 이 때. 소자 표면에 거칠기 효과(anchor effect)를 부여하기 위해 물리적 샌딩법을 사용하는데 이 방법의 경우 소자에 크랙 같은 손상을 미쳐 열전모듈의 신뢰성 저하를 가져온다. 그러므로 거칠기 효과를 부여하면서 소자에 손상을 최소화하는 습식 식각법을 개발하여 Bi-Te계 열전소자의 표면 조도를 조절하고 무전해 Ni-P 도금을 실시하였다. 그리고 열처리 유무에 따른 열전모듈의 접합강도를 측정하였으며, 제작한 열전 모듈의 접합부 및 파단부의 계면 분석하여 무전해 Ni-P도금을 위한 습식식각법(wet etching법)에 대하여 검토하였다. N-type은 질산과 구연산의 혼합수용액에, P-type은 왕수에 습식 식각처리를 해서 적당히 표면 조도를 조절한 후에 EPMA로 분석을 해본 결과 니켈 도금층과 Bi-Te 소자 간에 anchor effect가 부여 된 것을 확인했다. 습식 식각에 의해서 제조된 열전모듈의 접합강도는 종래의 알루미나 샌딩법으로 제조한 열전모듈 보다 높은 접합강도를 나타내었다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
• /
• 2013.02a
• /
• pp.589-589
• /
• 2013

열전재료는 제백효과(Seebeck effect)에 의해 폐열을 전기에너지로 변환시킬 수 있는 소재로서, 기존의 열전재료가 나노수준으로 크기가 줄어들 경우 양자제한효과에 의한 제백계수의 증가와 표면산란에 의한 열전도도 감소로 인해 벌크재료에 비해 높은 에너지변환효율을 가질 수 있을 것으로 기대되고 있다. 에너지 변환효율은 열전성능계수인 $ZT=S2{\sigma}T/k$로 정의되며 따라서 우수한 열전재료는 높은 제백계수 S와, 높은 전기전도도 ${\sigma}$ 및 낮은 열전도도 k를 갖는 재료여야 한다. 그러나 나노소재는 낮은 측정 신호와 측정소자준비가 어려워 기존 측정시스템으로는 원활한 측정이 어렵다. 특히 열전도도의 경우 나노소재 자체의 열전도 보다 나노소재 주변 구조에 의한 열전도가 큰 경우 정확한 열전도도 평가가 어렵다. 본 연구에서는 나노선의 열전물성을 평가하기 위해 MEMS기반 기술을 이용하여 열전물성 측정플랫폼(MEMS-based thermoelectric measurement platform, MTMP)을 개발하였다. 개발 된 MTMP는 얇은 Si nitride 브릿지들이 허공에 떠 있는 두 개의 아일랜드 형태의 멤브레인 구조를 지지하는 형태로 제작되었으며, 한 쪽 아일랜드구조 위에는 나노히터가 있어 두 아일랜드 구조 사이에 온도구배를 만들 수 있도록 제작되었다. 제작된 멤브레인을 이용하여 전기화학적인 방법으로 합성한 Bi-Te계 나노선의 S, ${\sigma}$ 그리고 k를 측정하였다. 측정결과 화학양론적 미세구조를 갖는 단결정 Bi2Te3 나노선은 300 K의 측정온도에서 $S=-57{\mu}V/K$, ${\sigma}=3.9{\times}10^5S/m$, k=2.0 W/m-K의 측정 값으로 ZT=0.19였다. 본 연구에서 개발한 MTMP는 나노선 뿐만 아니라 나노플레이트의 열전 측정에도 활용할 수 있는 구조로서 나노열전소재 측정에 널리 활용될 수 있다.

• Proceedings of the Korean Institute of Surface Engineering Conference
• /
• 2018.06a
• /
• pp.104.1-104.1
• /
• 2018

열전소자는 열전현상을 이용한 재료로서 여기서 열전현상이란 열을 전기로 또는 전기를 열로 바꿀 수 있는 에너지 변환 현상을 의미한다. 그 중 Bi-Te계 열전소자는 $200^{\circ}C$이하의 온도에서 열전 효율이 우수하기 때문에 항공, 컴퓨터 등의 열전발전 또는 열전냉각 모듈에 널리 사용된다. 열전 모듈 제작시 Bi-Te 소자는 구리 기판에 접합하여 사용하게 되는데 이 때 솔더의 성분인 Sn과 기판의 Cu는 소자내로 확산하여 금속간 화합물을 형성한다. 이렇게 형성된 금속간 화합물은 접합강도를 저하시키는 원인뿐만 아니라 열전 성능을 저하시키는 원인이 된다. 본 연구에서는 이러한 접합강도와 열전성능의 저하를 막기 위해 BiTe 소자의 표면에 $4{\mu}m$두께의 Ni-P 도금 공정을 추가하여 Ni-P 도금층이 Cu와 Sn의 확산을 막는 방지층 역할을 하게 한다. 그리고 도금한 소자를 $3mm{\times}3mm{\times}3mm$로 커팅하여 구리 기판에 접합하여 열전 모듈을 제작하였다. 제작된 열전모듈의 단면을 EPMA분석한 결과 Ni-P 도금층이 확산방지층으로 잘 작용되었음을 확인하였다. 또한 접합강도 측정결과 도금을 하지 않은 Bi-Te소자에 비해 접합강도가 향상되었음을 확인하였다. 따라서 Ni-P도금을 실시함으로서 금속간 화합물 형성을 억제하고 열전모듈의 성능과 접합강도를 향상시킬 수 있었다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
• /
• 2016.02a
• /
• pp.383.1-383.1
• /
• 2016

열전달 시스템에서 임계 열유속 발생 시 시스템의 물리적 손상을 야기하기 때문에 비등 열전달에서 임계 열유속은 열전달 시스템의 한계 또는 안전성을 나타낸다. 따라서 열전달 시스템의 안정성을 위해서는 임계 열유속 향상이 필수적이다. 최근에는 나노유체를 열전달 시스템에 적용할 경우 임계 열유속이 증가한다고 보고되었다. 하지만 나노유체는 원전 및 각종 열전달 시스템에 적용 시 나노입자가 열전달 표면에 침착되는 파울링 현상을 발생시킬 수 있으며, 이 때문에 시스템의 열효율이 크게 감소할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 열전달 시스템에 나노유체를 적용했을 때, 나노유체의 침착현상이 시스템에 미치는 영향을 분석하였다. 그 결과 유속과 코팅시간이 증가할수록 산화처리된 다중벽 탄소나노튜브 나노유체의 임계 열유속이 크게 증가하고 있음을 확인할 수 있다. 하지만 나노입자 침착정도와 유속이 증가할수록 비등 열전달 표면과 유체의 포화온도의 차이인 과열도가 상당히 크게 증가함을 알 수 있었으며, 열전달 계수는 순수 물의 0 m/s의 비등 열전달 계수와 비교하면 감소하는 것을 확인하였다.

• Journal of Power System Engineering
• /
• v.16 no.2
• /
• pp.36-42
• /
• 2012

본 논문은 고파워 전자소자로부터 에너지를 수확하는 열전생성기의 성능에 pellet의 기학학적 구조가 미치는 영향들을 보고한다. 열경계저항을 포함하는 열전모델을 적용하여, 다양한 경계조건들과 열원의 열율들에 대해 pellet의 높이, pellet의 단면적, thermocouple의 수를 최적화 하고, 이처럼 최적화된 pellet의 기하학적 구조를 갖는 열전생성기의 성능과 일반적인 pellet으로 구성된 열전생성기의 전력생성성능과 효율이 예측되고 비교되어진다. 예측된 결과는 최적화된 pellet으로 구성된 열전생성기가 일반적인 pellet으로 구성된 열전생성기보다 2-10배까지 생성효율이 우수함을 보여준다. 최적화된 pellet으로 구성된 열전생성기와 일반적인 pellet으로 구성된 열전생성기의 열적성능도 예측되고 비교된다.

• 전기의세계
• /
• v.13 no.3
• /
• pp.73-75
• /
• 1964

열 energy를 이용하여 전기를 얻을 수 있는 것으로 열전발전, 열전자발전, 강유전체발전 등이 있는데 여기서는 주로 열전기를 중심으로 하여 열전 변환 전체에 공통되는것을 언급할려고 한다.

• 전기의세계
• /
• v.26 no.3
• /
• pp.31-36
• /
• 1977

본고에서는 다음의 내용을 다루었다. 1. 주요 열전현상 2. 열전발전 원리 3. 열전발전기 4. 열전발전소자