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열전소자는 다수의 P형 및 N형의 BiTe 열전 소자가, 세라믹에 형성된 구리 전극에 교대로 납땜 접합된 구조로 되어 있습니다. 일반적으로 사용되는 127 모듈의 경우, 열전소자의 납땜 접합부의 수는 508개 정도이며, 리드선 부분을 더하면 총 510 개의 납땜 접합부가 있습니다. 이 전기 회로는 직렬이므로, 510개의 납땜 접합부 중 1 곳의 수명이열전소자열전소자열전소자 전체의 수명을 결정하게 됩니다.
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열전소자)의 고장 원인은 모듈 적용 상품을 어떻게 사용하느냐에 따라 다릅니다. 대표적인 고장 원인은 아래의 표와 같사오니, 각 고장 원인에 대한 자세한 설명도 참조하십시오.
■대표적인 고장 원인과 대책
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고장 원인
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현상
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발생 조건
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대책
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열사이클의 피로
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소자와 전극의 접합부 또는 열전소자 자체에 균열이 발생하거나 진전될 때, 최종적으로는 모듈이 손상되고 전류가 통하지 않는 상태가 된다.
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열사이클 시의 최대 온도차가 크거나 열사이클 빈도가 높은 기기에서 발생.
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GL
구조
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부식
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전극 접합 납땜, 리드선, 납땜부위가 부식되고 전류가 통하지 않는 상태가 된다.
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표면에 맺힌 물방울이열전소자에 침투할 수 있는 구조를 가진기기에서 발생.
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방습 씰
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마이그레이션
(합선~단선)
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물방울이 맺힌 상태에서 열전소자 및 전극 접합 납땜 부위가 전극간의 마이그레이션을 일으켜 서서히 내부저항이 저하되며, 최종적으로는 냉각이 불가능한 상태가 된다.
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표면에 맺힌 물방울이열전소자에 침투할 수 있는 구조를 가진 기기에서 발생.
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방습 씰
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소자의 결정불량
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열전 소자의 결정 성장 방향과 균열면이 크게 어긋나 있는 경우, 열응력에 의해 열전 소자가 쪼개지면 모듈 열에 의해 손상된다.
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열전소자의 결정성장방향에 따라 균열면이 크게 기울어진 열전소자가 혼재하는 경우에 발생
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철저한
품질검사
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■열 사이클 피로에 대해서
열전소자의 고장의 가장 일반적인 경우로, 열전 소자와 전극을 연결하고 있는 납땜 층이나 접합부 부근의 열전 소자에서 발생합니다. 열전소자는 흡열 쪽 (저온 쪽)과 방열 쪽 (고온 쪽) 간에 온도차 (△ T)를 발생시켜 사용하는 장치이므로 필연적으로 열응력이 발생하게 됩니다. 이로 인해 열응력이 가장 높아지는 곳인열전소자의 접합부 또는 각 모서리 부위의 열전 소자에, 열 사이클 피로 균열이 최초로 발생한 뒤 점차 진전됩니다. 균열의 진전에 따라 균열 표면이 산화하여 이 부분의 전기 저항이 증가하고, 줄(Joule) 열의 급증에 의해 점점 이 부분의 온도가 상승합니다. 결국 이는 모듈을 손상시키거나 모듈의 납땜 및 열전 소자를 녹여 단선에 이르게 합니다.
■부식에 대해서
실온보다 낮은 온도에서 제어해야 하는 장치에서는 반드시 결로(結露) 현상이 발생합니다. 표면에 맺힌 물이열전소자 내부에 계속 고여 있게 되면, 가장 먼저 납땜 부위가 부식됩니다. 납땜 부분은 다른 종류의 금속이 맞닿아 있고, 전기 화학적으로 가장 약한 부분이기 때문에 우선적으로 부식이 일어납니다. 이러한 부식이 심화되면, 구리 전극 또한 부식될 수 있습니다. 이는 궁극적으로 회로를 개방시켜 제품 수명에 영향을 미칩니다.
■마이그레이션 (합선 ~ 단선)에 대해서
부식과 같이 표면에 물이 맺힐 경우에 발생합니다. 전극 사이에서 물이 맺히게 되면, 전극간에 존재하는 전위차에 의해 납땜 부위가 녹아 나오고, 맺힌 물 안의 금속 이온 농도가 높아지게 되어, 전극 사이의 세라믹 상에서 석출(析出)현상이 일어납니다. 이 두 가지 현상이 반복되면 전극간에 합선 회로가 형성됩니다. 이에 따라열전소자의 내부 저항은 점차 감소하고 냉각 능력도 점점 떨어집니다. 열전소자와 전극의 납땜 접합 단면적이 점점 작아지게 되면, 전기 저항이 점차 증대하고 줄 열이 증가합니다. 이는 결국 모듈을 손상시키거나 모듈의 납땜 및 열전 소자를 녹여 단선에 이르게 합니다.
■소자의 결정 불량
열전소자의 결정성장방향에 따라 균열된 면이 소자에 전류를 흘리는 방향과 크게 어긋나 있는 경우, 열응력 및 기계적 외부 힘에 의해 균열이 발생하게 됩니다. 이 경우 전극과의 기하학적 위치 관계에 따라 전기 회로의 분리 소자 부분에서 균열이 발생하고, 균열 표면에 전기 스파크가 일어나거나 많은 양의 줄 열에 의해 균열 부분이 녹아 단선에 이를 수 있습니다.
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