산화물 열전발전 모듈제작과 설계

Abstract

본 연구는 Ca3Co4O9와 CaMnO3를 기본 조성으로 하여, p-type와 n-type의 열전 소자의 최적 조성을 찾았으며, 최적 조성의 p-n type 열전 소자를 이용하여 1쌍과 2쌍의 모듈을 제작 하였다. 열전모듈을 위한 p-type 열전재료는 Ca2.7Bi0.3Co4O9를 n-type 열전재료는 Ca0.96Bi0.04Mn0.96Nb0.04O3를 선택하여, 1쌍과 2쌍의 모듈을 제작하여 모듈 발진 특성에 대하여 연구하였으며, 이를 토대로 모듈 성능에 영향을 미치는 여러 가지 요인들에 대한 고찰을 하여 보았다. 가장 먼저 고찰해보았던 것은 p, n type 열전 변환 소자의 열팽창 계수였다. 산화물 열전 모듈은 고온의 열원으로부터 직접적으로 전기 에너지로 변환하는 것을 목적으로 하고 있기 때문에 필연적으로 고온에 노출되어 진다. 또한, 모듈을 전극 재료를 이용하여 접합하는 방식을 채택하고 있기 때문에 p형과 n형 소자간의 열팽창계수와 같은 열변형에 관련된 특성이 매우 중요하다. 우리가 선택한 Ca2.7Bi0.3Co4O9와 Ca0.96Bi0.04Mn0.96Nb0.04O3의 경우에 열전 모듈용 p, n 소자의 길이가 10mm라 973K 일때 전자의 경우의 팽창 길이는 약 61㎛, 후자의 경우에는 약 79㎛로 약 18㎛정도의 값을 가지게 되어 고온에서의 운용시에 문제가 발생치 않을 것으로 예상되어진다. 1쌍 모듈에서 얻은 데이터를 토대로 접촉저항에 대한 변수를 2쌍 모듈의 특성 계산 과정에 대입함으로서 계산값과 측정값과와의 연관성을 찾아보고자 하였다. 1쌍으로 제작한 모듈의 경우에 =723K일때 계산된 최대 출력값은 약 24.975mW이나 측정한 최대 출력값은 각각 3.922mW으로 나타났다. 이런 차이에 대한 변수로 접촉저항과 전극에 의한 저항의 증가를 들 수 있다. 그러므로 1쌍 모듈에서 얻은 데이터를 토대로 접촉저항에 대한 변수를 2쌍 모듈의 특성 계산 과정에 대입함으로서 계산값과 측정값과와의 연관성을 찾아보았다. 접촉 저항 변수를 고려한 2쌍 모듈의 계산치는 =690.8K일때 계산된 최대 출력값은 약 9.61mW이나 측정한 최대 출력값은 각각 4.41mW이다. 이때 저항은 각각 0.956Ω에서 1.110Ω으로 약 0.15Ω 정도의 차이로 1쌍 모듈에 비해 계산값과 출력값의 오차가 줄어든 것을 알 수 있다. 즉, 1쌍의 계산값과 측정값과의 비교를 통해 얻어진 접촉저항을 2쌍의 계산값에 근사함으로써 실제 측정값과 유사한 결과를 얻을 수 있음을 알 수 있다. 물론, 접촉저항에 관련된 변수가 다양해 정확하게 판단할 수 없는 어려움이 있으나 이런 과정을 통해 특정 온도차에서의 열전모듈의 성능 설계가 가능하리라 판단된다.