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Development of built-in thermocouple applicable to micro power systems = 미세 동력 시스템에 적용 가능한 매립형 열전대 개발
서명 / 저자 Development of built-in thermocouple applicable to micro power systems = 미세 동력 시스템에 적용 가능한 매립형 열전대 개발 / Hyun-Chul Park, .
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2011].
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In the present thesis, the building thermocouples by using the chrome silicide which had very high electromotive force and the nickel which is a base metal, the fabricating method with the result, and the performances the thermocouples are verified to show the feasibility of the application as the built-in thermocouple in a micro reformer. Because the temperature measurement on the micro power system should be realized to measure temperatures on the areas of micro scales, the correlations between the junction sizes of the thermocouples and the electromotive forces should be verified. The junctions are varied in scales to 0.01 $mm^2$, 0.04 $mm^2$, and 0.16 $mm^2$ of each measuring condition. This point is the reason why RTDs cannot be applied on the micro size areas. Because the pattern gets too tiny to fabricate under general MEMS processes and measure the value of the resistance from the pattern. But the RTD pattern can be patterned on the side of cold junctions to evaluate the reference temperature by nickel nevertheless. In the fabrication procedure, the chrome silicide is sputtered to the thickness of 5000 ?. Before the lift-off process to pattern the film, it needs to anneal the substrate in 400 ℃ during 30 minutes. Because the chrome silicide is an alloy, it is necessary for the sputtered film to be crystallized at a certain condition. In the test, the creation junction temperature of 0 ℃ is accomplished in “Ice bath“ type. So, there is applied Peltier cooling element on the water jacket which is supplied cold water from the icebath. The Peltier element has the nature that maintains a certain temperature deviation between two parallel plates. So, once the bottom side can be kept on the temperature level as lower than 5 ℃, it is easy to maintain the temperature of the upper surface to 0 ℃ or lower level. The standard thermocouple has the value of Seebeck coefficient around 40 μV/℃. In the same manner, the relationship between each junction size and the electromotive forces due to the temperature deviations in the different target range of 600 ℃ can be shown in Fig.5. From the test result, Seebeck coefficients of the chrome silicide thin film thermocouples occur from around 70 μV/℃, and the values are proved as 1.8 times higher than the range of the commercial thermocouple, but 3-5 times lower linearity than the standard thermocouple can be overcome by applying the $5^{th}$ order polynomial fit to apply to micro power systems in good feasibility of the sensitivity and the fabrication in tiny size for implanting in a micro power system. The sample of RTD is fabricated and tested as same way as the performance test of the CrSi2 TFTC samples. The slope of normalized resistance by the linear fit can be expressed the TCR of the nickel RTD. The value of the slope which is the TCR of the nickel RTD, αNi is 0.0063 /℃ at 20 ℃, whereas the reference value of TCR of nickel, αNi-ref. is 0.0067 /℃ at 20 ℃. The 3rd order polynomial compensation has 99.989% of regression square value, while the linear fit has 98.422%. Based on the above verification, the TFTC samples are remodeled and implanted in the micro methanol hydrogen peroxide ATR reformer. The implant process of the thermocouple into the micro ATR reformer is done by stacking 6 of different layers which consists of thermocouples for the base and different figures of channels for the reforming reaction.

미세기전 공학 기술이 발달함에 따라, 다양한 개념의 미세 동력 시스템 개발에 관한 연구가 증대되고 있다. 이러한 초소형 동력원 개발에 관한 연구는 새로운 개념에 대한 시도에 관심이 집중되는 반면, 정확한 성능 측정과 이를 바탕으로 한 이론적 분석에 관한 연구는 측정장비의 한계로 다양하게 시도되지 못하고 있는 것이 현실이다. 이에 본 논문에서는 시스템의 열역학적 이론을 바탕으로, 미세 동력 시스템 내부의 엔탈피 변화 예측을 위한 온도 측정을 주요한 목적으로 선정하여, 이를 직접 측정할 수 있는 매립형 열전대 개발 연구를 수행하였다. 특히 지벡상수가 높은 크롬실리사이드와 일반적으로 널리 구할 수 있는 비귀금속 중 하나인 니켈을 이용하여 열전대를 구현함으로써 상용 열전대 대비 높은 성능과 제작상의 경제성을 도모하였고, 열전대의 접점을 미세화, 박막화 시킴으로써 국소 면적에서의 안정적인 측정 가능성을 검증하고자 하였다. 또한 제작된 열전대를 실제 마이크로 메탄올-과산화수소 자기열형 개질 장치에 적용함으로써 실제 미세 동력 시스템에의 매립 가능을 고찰하고자 하였다. 논문은 크게 세 단계로 구성된다. 첫 번째 도입부(1장)에서는 박막화된 매립형 열전대 개발 배경 및 개발 목표에 대하여 논하였다. 일반적으로 동력 발생 장치는 축일로 성능이 평가되며, 축일은 엔탈피 변화량으로 정의된다. 엔탈피는 정압비열과 온도 변화량의 곱으로 나타내어 지기 때문에, 여기서 온도 측정이 중요한 파라미터로 결정된다. 이에 온도 센서를 개발 아이템으로 선정하였고, 특히 미세 동력 시스템 내부의 미소면적 측정이 용이한 열전대 방식의 온도센서를 개발하게 되었다. 여기서 개발 목표는 상용 열전대 대비 높은 성능과 취득이 용이한 재료 선정, 그리고 열전대의 소형화에 중점을 두었다. 크롬실리사이드의 경우, 상대적으로 높은 지벡상수를 가지고 있어 높은 민감도가 예상되었고, 니켈의 경우에는 비교적 취득이 용이한 비귀금속으로 특정 온도범위에서 백금을 대체할 수 있을 것으로 예상하였다. 두 번째 단계(2, 3장)에서는 크롬 실리사이드-니켈의 재료 선정 배경, 박막형 열전대 제작 및 성능 평가에 관한 연구를 수행하였다. 고온부의 접점 규격은, 마이크로 단위 미만으로 작아지게 될 경우, 박막 또는 면적을 이루고 있는 금속 격자들에 의한 전자의 산란으로 저항이 급격히 증가하는 문제점이 있어 최소 평방 밀리미터 단위에서부터 시편을 설계하였고, 향후 매립하게 될 마이크로 개질기의 입출구 면적을 고려하여 최소 0.01 $mm^2$ (TC1001)에서 0.04 $mm^2$ (TC1004), 그리고 0.16 $mm^2$ (TC1016)의 고온부 접점면적을 가지는 3 종류의 열전대 샘플을 제작하였다. 이와 동시에 향후 3번째 단계에서 저온부 기준온도 보정을 위한 저항형 니켈온도 센서도 두께 5000 ?, 길이 58 mm, 폭 40 μm로 동시에 제작하였다. 노광 작업과 금속 스퍼터링, 박피 기술을 이용하여 열전대 패턴을 구현하였고, 증착된 크롬실리사이드는 결정화를 위한 풀림 조건을 선정하였다. 문헌조사 결과 400 ℃, 450 ℃에서 2단계로 각 30분씩의 풀림 작업이 필요했지만, XRD 분석 결과 400 ℃ 에서 30분 풀림을 진행하여 문헌조사와 같은 조건의 크롬실리사이드 결정을 구성할 수 있었다. 제작된 열전대 샘플은 전용 측정 장비를 통해 샘플의 선형성과 지벡상수를 측정해 그 성능을 분석하였다. 저온부의 기준온도 유지를 위해 냉각소자 및 피드백 장치를 이용하였고, 고온부의 온도를 실온에서 600 ℃까지 상승하면서 여러 크기의 접점 면적을 가지는 샘플에서 출력되는 열전대의 기전력을 측정하였다. 측정 결과 K형 표준 열전대의 비선형성이 0.3~0.9%인데 반해, 샘플은 1.0~4.8%로 3~5배 높은 비선형성을 보였다. 또한 샘플의 지벡상수는 63 μV/℃에서 71 μV/℃로 상용 표준 열전대의 지벡상수 범위인 5 μV/℃에서 50 μV/℃보다 최소 1.8배 이상 높은 성능을 보였다. 이는 센서의 고유 특성에 의해 비선형성이 나타나지만, 5%미만의 양호한 비선형성을 보였을 뿐만 아니라, 일반적인 보정과정을 거쳐 극복이 가능할 것으로 판단하였고, 높은 지벡상수값을 갖는 점에 주목할 만 하였다. 최종적으로, 성능 평가가 완료된 열전대를 보정하고, 이를 실제 초소형 동력원에 매립하는 과정까지의 연구를 수행하였다. 열전대를 매립하게 될 마이크로 동력 시스템은 메탄올-과산화수소 자기열형 개질기를 선정하였고, 장치는 감광유리를 이용하여 제작되었다. 개질기의 입출구 온도 측정을 위해, TC1016 샘플의 형상을 이용하였고, 개질기 입출구에 고온부 접점이 위치하도록 설계하였다. 저온부의 온도가 유동적인 실제 상황을 고려하여, 저온부 중앙에 저항형 니켈 온도센서를 구성하였고, 전체 온도 측정 장치가 구성된 석영 기판을 개질기의 기저부로 활용하여 이를 포함한 총 여섯 층에 해당하는 개질기 부속품들을 열접합을 수행함으로써 열전대가 매립된 마이크로 개질기의 제작을 완료하였다. 열전대의 경우, 5차 다항식을 이용한 보정으로 99.752%까지 정확도를 증대시켰으며, 저항형 온도센서의 경우 3차 다항식을 이용한 보정으로 99.989%까지 정확도를 향상시켰다. 본 연구를 통하여, 미세 동력 시스템에 직접 매립을 함으로써 시스템 내부의 메커니즘을 보다 정확히 측정할 수 있는 방법에 대하여 고찰할 수 있었으며, 특히 저렴한 재료를 이용하여 높은 성능 구현이 가능함을 알 수 있었다. 이를 통해 향후, 미세 동력 시스템의 역학적 특성 연구에 대한 관심이 증대될 것으로 기대한다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {MAE 11009
형태사항 ix, 72 p. : 삽도 ; 26 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 박현철
지도교수의 영문표기 : Se-Jin Kwon
지도교수의 한글표기 : 권세진
학위논문 학위논문(석사) - 한국과학기술원 : 항공우주공학전공,
서지주기 References : p. 69-70
주제 Chrome silicide
TFTC
Seebeck Coefficient
RTD
Nonlinearity
크롬실리사이드
박막형 열전대
지벡상수
저항형 온도센서
선형성
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