[논문]고분자 필름의 두께변화에 따른 열전소자의 출력 특성변화에 관한 연구

장호성; 김재정; 김인관; 김영수

문제 정의

방식이다. 고온부분과 저온부분 사이의 온도차에 의해 발생하는 열이 이동하려고 하는 에너지를 전기에너지로 변환시키는 것이 그 원리이다.
) 하지만 열전모듈 양단에 Polymer pad를 장착하였을 때 출력변화 및 구조적 안정성에 관한 정량적인 Data뿐만 아니라 열전발전 Multi System 에 적용하기 위한 선행연구가 부족한 상황이다. 따라서 본 연구는 Polymer Pad의 두께변화에 따른 출력변화에 대한 D/B 를 구축함과 동시에 Polymer Pad 뿐 아니라 열전도성 수지를 이용하여 Pad를 제작하였을 시 출력변화가 어떻게 되는지 수치해석을 통해 정량적 Data를 확보함에 목적이 있다.
예상출력에 대한 수치는 실험적으로 접근하는것은 불가능하기 때문에 수치해석을 통하여 Polymer Pad가 0.4, 0.6 그리고 1.0mm의 두께로 열전소자 양단에 부착 할 경우 소자 양단의 온도차를 수치해석을 통하여 계산한 후 실험 Data와비교 해석하여 신뢰도를 확보한 후 열전도성 수지를 Polymer Pad의 대체제로 사용 할 경우 최대 개선 출력에 관한 정량적 Data를 예측하는데 수치해석의 목적이 있다.

제안 방법

Polymer Pad의 대체재로 열전도성 수지를 사용할 경우 출력 개선율을 예측하기에 앞서 수치해석의 신뢰도를 확보하기 위해 실험과 수치해석을 실시하였다. 실험은 열전모듈 저온부의 온도를 20℃로 일정하게 한 후 고온부의 온도를 30℃~95℃까지 5℃간격으로 최대 출력을 측정하였으며, 이를 이용하여 저온부의 온도가 20℃ 일 때 온도차에 따른 출력변화에 대한 정량적 데이터베이스를 구축하였다.
Polymer Pad의 두께를 0.4, 0.6 그리고 1.0 mm 로 변화를 주어 열전발전 Single system에 부착하여 출력을 측정하였으며 그 결과는 다음과 같다.
수치해석에 사용된 경계조건은 실제 고온수의 경우 최대 368.5K, 냉각수는 일반 상온 293.5K로 조절되기 때문에 열전모듈 양단에 Polymer Pad 를 부착한 후 상부를 고온부(368.5 K)로 하부를 저온부(293.5 K)로 등온 처리하였다. 수치해석에 사용된 물성치의 경우 열전소자 내부의 공기는 온도차에 의한 자연대류가 지배적일 것으로 사료되어 이를 효율적으로 계산하기 위해 공기의 밀도를 Boussinesq 근사로 부여하였다.
실험은 열전모듈 저온부의 온도를 20℃로 일정하게 한 후 고온부의 온도를 30℃~95℃까지 5℃간격으로 최대 출력을 측정하였으며, 이를 이용하여 저온부의 온도가 20℃ 일 때 온도차에 따른 출력변화에 대한 정량적 데이터베이스를 구축하였다. 수치해석은 열전소자 양단에 Polymer Pad를 부착한 형상을 모델링하여 고온부의 온도를 95℃로 저온부의 온도를 20℃로 부여하여 열전소자 양단의 평균온도를 구하여 Polymer Pad 두께 별로 부착하였을 때 소자 양단의 온도차를 계산하였다. Fig.
신뢰도를 확보하기 위해 실험과 수치해석을 실시하였다. 실험은 열전모듈 저온부의 온도를 20℃로 일정하게 한 후 고온부의 온도를 30℃~95℃까지 5℃간격으로 최대 출력을 측정하였으며, 이를 이용하여 저온부의 온도가 20℃ 일 때 온도차에 따른 출력변화에 대한 정량적 데이터베이스를 구축하였다. 수치해석은 열전소자 양단에 Polymer Pad를 부착한 형상을 모델링하여 고온부의 온도를 95℃로 저온부의 온도를 20℃로 부여하여 열전소자 양단의 평균온도를 구하여 Polymer Pad 두께 별로 부착하였을 때 소자 양단의 온도차를 계산하였다.
열전모듈의 파손으로 인해 부착한 고무패드의 낮은 열전도성으로 인해 약 64%의 출력손실을 개선하기 위해 열전모듈 양단에 Polymer Pad를 부착하여 출력을 측정하였고, Polymer Pad의 두께 변화(0.4, 0.6, 1.0mm)에 대한 출력변화를 실험을 통하여 측정하였다.
측정 기기는 Agilent사에서 제작 된 34970A data logger를 사용하였으며 고온부와 저온부의 온도는 T형 열전대를 사용하여 측정하였다. 열전발전으로 인해 얻어지는 기전력은 직류전압으로 측정할 수 있었으며 부하특성시험에서는 고온단과 저온단의 온도와 전기적 부하(5Q)에 따라 변하는 전류와 전압을 즉정하여 전기적 부하에 따른 열전발전기의 전기적 특성을 평가하였다. 모듈특성 평가는 하나의 Sin System에 리시아 Foton사의 RIF module (크기 40iQmX40miu) 14개를 사용하다.
열전소자 양단에 Rubber Pad의 낮은 열전도도를 개선하기 위하여 Polymer Pad를 개발하였으며 출력 개선율을 실험한 결과 다음과 같은 결론을 획득하였다.
열전소자는 2개의 알루미나 판 사이로 P형과 N 형 반도체가 교차로 접합되어 있는데 이러한 열전소자의 경우 열적으로 병렬로 연결되어 있지만 전기적으로는 직렬로 연결되어 있기 때문에 열전모듈의 국부적인 파손은 시스템의 일부분에만 영향을 미치는 것이 아니라 시스템 전체에 영향을 미치는 치명적인 결과를 초래한다. 이러한 열전모듈의 파손으로 인해 Multi system 장치구성 시모듈 양단에 Damping 역할을 할 수 있는 고무패드를 삽입하여 열전모듈의 파손을 방지하였다.
0mm로 하여 실험 및 수치해석을 실시하여 실험 Data와 수치해석 Data의 비교해석을 통해 수치해석의 정량적 신뢰도를 확보하였다. 이를 이용하여 Polymer Pad의 대체재로 열전도 플라스틱을 사용하였을 경우 정량적 출력 개선율을 예측하기 위해 5가지 종류의 열전도 플라스틱을 선정하여 수치해석을 실시하였고, 각 수치해석에 대한 결과는 Table 6과 같다.
하지만 고무의 낮은 열전도도로 인해 약 64% 의 출력손실 초래하여 고무재질에 비해 열전도도가 우수하고 충격완화 역할을 할 수 있는 대체재료 개발에 필요성을 인식하고 연구를 실시한 결과 열전도성 Polymer Pad를 Sheet Type으로 고안하였다. (본 연구에서는 열전도성 Polymer Pad를 단순히 Polymer Pad로 칭하기로 한다.

대상 데이터

열전발전으로 인해 얻어지는 기전력은 직류전압으로 측정할 수 있었으며 부하특성시험에서는 고온단과 저온단의 온도와 전기적 부하(5Q)에 따라 변하는 전류와 전압을 즉정하여 전기적 부하에 따른 열전발전기의 전기적 특성을 평가하였다. 모듈특성 평가는 하나의 Sin System에 리시아 Foton사의 RIF module (크기 40iQmX40miu) 14개를 사용하다. Fig.
4와 같이 측정기기와 이를 제어하는 PC로 구성되어있다. 측정 기기는 Agilent사에서 제작 된 34970A data logger를 사용하였으며 고온부와 저온부의 온도는 T형 열전대를 사용하여 측정하였다. 열전발전으로 인해 얻어지는 기전력은 직류전압으로 측정할 수 있었으며 부하특성시험에서는 고온단과 저온단의 온도와 전기적 부하(5Q)에 따라 변하는 전류와 전압을 즉정하여 전기적 부하에 따른 열전발전기의 전기적 특성을 평가하였다.

데이터처리

열전도 Polymer Pad의 두께를 0.4, 0.6 그리고 1.0mm로 하여 실험 및 수치해석을 실시하여 실험 Data와 수치해석 Data의 비교해석을 통해 수치해석의 정량적 신뢰도를 확보하였다. 이를 이용하여 Polymer Pad의 대체재로 열전도 플라스틱을 사용하였을 경우 정량적 출력 개선율을 예측하기 위해 5가지 종류의 열전도 플라스틱을 선정하여 수치해석을 실시하였고, 각 수치해석에 대한 결과는 Table 6과 같다.

이론/모형

본 연구에 사용된 수치해석은 열.유동 전용해석 프로그램인 Fluent 6.1 을 사용하였다.

성능/효과

(1) Rubber pad 1.0 mm를 장착한 열전발전 Single system 출력의 경우 pad를 장착하지 않은 경우에 비해 약 64 %의 열전출력 손실이 발생하였으나, Polymer pad 1.0 mm의 경우 약 43.3 % 의 출력감소가 나타났다. 즉, Polymer pad가 Rubber pad보다 약 20.
(2) Polymer pad의 두께를 0.4, 0.6 그리고 1.0mm를 열전발전 sine system에 장착하였을 경우 Polymer pad를 장착하지 않은 경우에 비해 19.1, 25.8 그리고 43.3 %의 열전출력손실을 나타내었다.
(3) 열전도 플라스틱을 적용 가능한 모델 5개를 선정하여 Polymer pad의 대체제로 수치해석을 실시한 결과 열전소자 양단의 온도차 및 출력은 D5104가 가장 높게 나타났으며, PN-9008이 가장 작게 나타났다.
1에 나타냈다. Polymer Pad를 부착하지 않은 경우에 비해 Polymer Pad의 두께가 두꺼워질수록 출력 손실이 크게 나타났으며, 1.0mm의 Polymer Pad와 고무패드를 비교한 결과 Polymer Pad의 출력이 고무패드의 출력에 비해 20.3% 우수한 것으로 나타났다. 이것은 Table 2에서와 같이 Polymer Pad가 가지는 열전특성이 고무에 비해 높기 때문인 것으로 사료된다.
Polymer Pad의 두께가 1.0mm일 경우 일반 고무에 비해서는 열전도 특성이 뛰어났지만 43%정도의 출력손실을 가져온다는 것을 확인할 수 있었는데, 이러한 출력은 시스템 전체로 볼 때에큰 손실이라는 것은 명백하다. 따라서 첨가제 사용으로 인한 전도도 개선 및 재료의 물성변형으로 줄력의 개선이 어렵기 때문에 Polymer Pad의 대체 재로 열전도성 수지가 댐핑재료로 사용되 었을 경우 열전모듈 양단의 온도차 및 출력 개선율을 선행 연구로서 예측할 필요성이 있다.
수치해석 결과 PN-9008을 pad로 대체하였을 경우 열전소자 양단의 온도차가 가장 작게, D5104를 pad로 대체하였을 경우 온도차가 가장 크게 나타났다. 이것은 열전소자 내부의 지배적인 열전달 메커니즘이 전도이기 때문에 열전도성 플라스틱이 가지는 열전도도의 차이 때문으로 사료된다.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

고분자 필름의 두께변화에 따른 열전소자의 출력 특성변화에 관한 연구
Research on the Output Characteristic of Thermoelectric Module according to the thickness variation of Polymer Pad 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

데이터처리

이론/모형

성능/효과

이 논문을 인용한 문헌

관련 콘텐츠

원문 보기

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

고분자 필름의 두께변화에 따른 열전소자의 출력 특성변화에 관한 연구 Research on the Output Characteristic of Thermoelectric Module according to the thickness variation of Polymer Pad 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

데이터처리

이론/모형

성능/효과

이 논문을 인용한 문헌

관련 콘텐츠

원문 보기

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

고분자 필름의 두께변화에 따른 열전소자의 출력 특성변화에 관한 연구
Research on the Output Characteristic of Thermoelectric Module according to the thickness variation of Polymer Pad 원문보기

AI 본문요약
AI-Helper