다중 접점/다층 열전 박막 소자의 제조 및 작동 특성에 관한 연구

국문 초록 (Abstract)

국소 부위의 온도 조절 및 미세 온도 감지용 열전박막소자를 제조하기 위하여, (Bi, Sb)_2 (Te, Se)_3 계박막형 열전냉각 및 발전 소자를 제작하였다. 박막의 형상비, 두께, pn/ couple 수의 변화가 열전냉각소자에 미치는 영향을 열 전달 모델을 통해 시뮬레이션 하였고 이를 측정값과 비교하였다. 또한 적충 된 판형소자의 수, 온도차, 직렬/병렬 연결의 조합에 따른 열전발전소자의 작동 특성을 조사하였다.
열전냉각소자(TFTECM)를 이루기 위해 순간 증착법에 의해 p형(B_1_0 _5 Sb_1 _5 Te_3)과 n형(B_1_2Te_2 _4Se_0 _6) 박막을 Pyrex glass 위에 형성하였다. 열전발전소자(TFTEGC)를 구성하는 판형소자(plate-module)는 15개의 p/n couple로 이루어져 있었다. 각 판형소자는 20층까지 적충되었고, TFTEGC를 만들기 위해 전기적으로 직렬/병렬 연결을 하였다. 10개와 20개의 판형소자로 구성된 TFTEGC의 작동 특성을 평가하였다.
박막형 열전냉각소자를 구성하는 p/n couple의 수가 일정할 경우 박막의 두께가 증가할수록 최대 온도차와 최적 전류가 증가하였다. 이러한 냉각 특성의 변화는 Peltier 열, Joule 열, 전도열의 복합적인 효과에 의한 것이다. 냉각능을 시뮬레이션 하여 측정값과 비교한 결과 전체적으로 잘 일치하는 경향을 보였지만, 두께가 감소할수록 또한 couple 수가 증가할수록 즉, 형상비가 증가할수록 편차가 증가하였다. 이는 앞에서 언급한 세 가지의 열 효과 이외에 기타의 열항을 고려함으로써 분석이 가능하였다. Couple 수가 일정할 경우 두께가 증가할수록 동일한 입력 전류에 의해 발휘되는 소자의 COP(Coefficient of Performance)가 증가하였다. 한편 두께가 일정할 경우 COP와 온도차와의 관계는 couple의 수와 관계 없이 일정하였다.
TFTEGC의 온도차에 따른 최대 출력은 온도차와 2차 함수 관계가 있었고, p/n couple의 수에 따라 직선적으로 증가하였다. 쌍수 10 및 20개의 직렬배열의 경우(S10_ 및 S20_TFTEGC)에 대한 Seebeck 계수는 각각 50과 100㎷/K이었다. 그러나 병렬배열의 경우(P10_ 및 P20_TFTEGC) Seebeck 계수가 p/n couple의 수에 무관하기 때문에 모두 약 5㎷/K를 나타내었다. p/n couple 한 개당 열 전능(p/n couple의 Seebeck 계수)은 1.32㎷/K이었고, S20_TFTEGC의 경우 단위 couple 및 단위 온도차 당 발생한 최대 출력은 3.5㎻/Kcouple이었다. 온도차에 대한 개회로 전압은 직선성을 보였고, 이는 실험한 온도 범위에서 Seebeck 계수의 변화가 거의 없음을 의미한다. S20_TFTEGC의 경우, 개회로 전압은 수십 도의 온도차에서 volt 정도의 값을 보였고, 병렬 배열의 경우, p/n couple의 수에 상관없이 수백 milivolt의 값을 보였다.

목차 (Table of Contents)

• 초록문
• 요약문
• 1. 서론
• 2. 실험방법
• 3. 결과 및 고찰
• 4.결론
• 참고문헌