열전소자의 제조

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열전소자의 재료

열전소자(열전반도체)는 세라믹기판과 납 그리고 PELLET를 이루는 N, P형소자로 이루어집니다.

Fig 2-7. The figure-of-merit of (a) p-type and (b) n-type thermoelectric materials with temperature

Bi2te3계 열전재료의 제조방법

Bi2Te3계 열전재료는 그림 3에서 보는 바와 같이 단체금속과 dopant의 혼합물을 용융하여 일방향응고시키는 방법과 인고트를 분말화하여 얻은 분말을 이용하는 냉간 프레스 소결법과 열간프레스법에 의해 제조되고 있습니다. 일방향 응고재는 뛰어난 열전특성을 나타내고 있지만 온도구배, 성장속도 등 제조조건이 어려울 뿐만 아니라 낮은 기계적 강도를 갖기 때문에 낮은 생산성과 소형의 소자 가공시 재료 손실이 많은 단점을 갖고 있습니다. 이러한 단점을 해결하기 위하여 분말야금법이 도입되었습니다.

그러나 지금까지는 기계적 강도의 향상만을 고려하여, 분말을 냉간프레스한 성형체를 소결하는 냉간프레스법이 이용되어져 왔습니다. 그러나 Bi2Te3계 화합물은 특유의 구조민감성 때문에 냉간프레스한 변형에 의해서는 열전능은 현저하게 작아지며 pBi2Te3을 분말성형체로 하면 n형으로 변하며, 또한 열처리 조건에도 민감하여 소결온도가 약간 달라도 p형으로 n형으로 변화하기 때문에 열처리 조건의 설정에 어려운 점이 많습니다. 더욱이 냉간프레스법에서는 고온소결에 의해서 소결체의 겉보기밀도와 이론밀도의 비를 90%이상으로 하면 결정립의 성장 및 칼코겐원소(Te, Se)의 증발에 의한 조성의 변화가 발생하여 열전특성의 제어가 매우 곤란합니다.

따라서, 냉간프레스법으로 제조한 Bi2Te3계 소결체는 시판되고 있는 일방향응고에 의한 용제재료의 열전성능지수(Z=2.5 x 103K1)보다. 높지 않아 현재까지 열전냉각, 가열용재료로서 실용화되지 않고 있습니다. 한편, 열간프레스법에서는 압력을 가하면서 소결을 행하기 때문에 소결온도가 낮아도90% 이상의 소결체를 용이하게 제조할 수 있으며, 냉간프레스법에 비하여 저온에서 소결이 가능하여 결정립성장을 억제할수가 있습니다.

또한 Bi2Te3의 벽개면이 c면이라는 점에 주목하여 열간프레스법에 의한 소결체의 가압방향에 각 결정립의 c축이 되도록 제조한 결과, 열전기적 수송현상에 있어서 결정대칭성을 반영한 커다란 이방성이 관찰되었습니다. 이러한 이방성을 이용하여 높은 열전특성과 높은 기계적 강도를 갖는 열간프레스법에 많은 연구가 진행되고 있습니다. 그러나 열간프레스법에 의한 제조방법에 있어서도 절단의 공정에 의한 생산성 저하와 제조원가 상승 등은 실용화 측면에서 큰 결점으로 남아 있습니다.

따라서 최근에는 이를 해결할 수 있는 새로운 제조방법으로 열간압출법을 이용한Bi2Te3계 열전재료를 제조하는 방법도 등장하고 있습니다.

냉각장치의 구성품목

적절한 냉각을 위하여서는 최대의 성능을 발휘 할 수 있도록 아래 사항 중 최고의 성능을 나타내는 품목이 적절히 조합되어야 합니다.

▶ 방 열 기

▶ 냉 각 팬 ( 공랭식 )

▶ 수냉킷트 ( 수냉식 : 물순환펌프,방열기 )

▶ 열전소자

▶ 전원공급기

▶ 방열그리스, 방열컴파운드, 방열패드.

열전소자와 구성체간의 조립기술

1.열전소자의 발열 및 냉각능력을 효과적으로 이용하기 위해서는 냉각 및 발열이 진행되는 동안 공급되는 직류전원이 CLEAN 해야 합니다. 잔물결파장(Ripple)으로 인해 열전소자에 효율감소(Degradation)를 가져온다

효율감소량은 아래와 같은 식에 의거 근사값을 구할 수 있다.

 

T/Tmax = 1/(1+N2)

 

*N은 전류파장이 있는 곳의 % 잔물결 추천수치= 10%이내

 

▶ 안정된 DC전원의 결정

전자냉각모듈의 적용에 있어 DC전원의 품질은 냉각효율을 결정하는 중요한 변수이므로 가능한 ripple이 없는 정전압 전원을 사용한다.

▶ 열전소자의 동작은 AC 잔물결 10%를 가지면 2%의 성능저하가 발생하고, 20%의 잔물결에선 5%보다 적은양으로도 최대온도차는 줄어든다.

2.접촉면의 평활도(평편하기 : FLATNESS )0.0025 cm 안에 있어야 합니다.

3.냉각이나 발열시키고자하는 대상물과 열전소자간의 접촉면에는 방열컴파운드나 방열그리스를 이론상 0.0025 CM 의 두께로 얇게 도포하여 열전달을 최대화 시켜야 합니다.

4. 열전소자의 부착에는 접착제가 사용되기도 하나 통상 스크류 나사를 이용하여 부착하는 것이 관례로 되어 있습니다. 이때는 부착력의 불균일한 분배로 인해 냉각이나 발열효과의 편심이 발생치 않도록 필히 토오크렌치를 이용하여 350 psi 이하로 네 모서리에 미치는 힘이 균일하도록 조여줘야 합니다. 아울러 힘의 구배가 생기지 않도록 열전소자로부터 부착나사가 위치하는 거리는 0.63 cm를 넘어야 합니다.

5. 아울러 열전소자의 구동시 과냉각으로 인한 성에가 생길경우를 대비하여 RTV 실리콘이나 BUTYL 고무를 N, P 입자가 노출된 열전소자의 측면 부분에 균일하게 도포하여 단전현상을 방지하는 피복형 열전소자도 있습니다.

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