KR20180091185A - Heat exchange apparatus - Google Patents

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KR20180091185A
KR20180091185A KR1020170016023A KR20170016023A KR20180091185A KR 20180091185 A KR20180091185 A KR 20180091185A KR 1020170016023 A KR1020170016023 A KR 1020170016023A KR 20170016023 A KR20170016023 A KR 20170016023A KR 20180091185 A KR20180091185 A KR 20180091185A
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KR1020170016023A
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유영삼
강인석
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엘지이노텍 주식회사
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Abstract

A heat exchange apparatus according to an embodiment of the present invention comprises: a thermoelectric element; a heat transferring member arranged on one surface of the thermoelectric element; and a middle layer arranged between the thermoelectric element and the heat transferring member, wherein the thermoelectric element comprises: a lower portion substrate; an upper portion substrate arranged on the lower portion substrate; a plurality of legs arranged between the lower portion substrate and the upper portion substrate; a lower portion electrode connecting the leg with the lower portion substrate; and an upper portion electrode connecting the leg with the lower portion substrate. The middle layer includes a heat transferring material and a phase changing material, and a melting point of the phase changing material satisfies following equation.

Description

열교환 장치{HEAT EXCHANGE APPARATUS}HEAT EXCHANGE APPARATUS

실시예는 열교환 장치에 관한 것이다.An embodiment relates to a heat exchange apparatus.

열전현상은 재료 내부의 전자(electron)와 정공(hole)의 이동에 의해 발생하는 현상으로, 열과 전기 사이의 직접적인 에너지 변환을 의미한다.Thermoelectric phenomenon is a phenomenon caused by the movement of electrons and holes inside a material, which means direct energy conversion between heat and electricity.

열전소자는 열전현상을 이용하는 소자를 총칭하며, P형 열전 재료와 N형 열전 재료를 금속 전극들 사이에 접합시켜 PN 접합 쌍을 형성하는 구조를 가진다. Thermoelectric elements are collectively referred to as elements utilizing thermoelectric phenomenon and have a structure in which a p-type thermoelectric material and an n-type thermoelectric material are bonded between metal electrodes to form a PN junction pair.

열전소자는 전기저항의 온도 변화를 이용하는 소자, 온도 차에 의해 기전력이 발생하는 현상인 제벡(Seebeck) 효과를 이용하는 소자, 전류에 의한 흡열 또는 발열이 발생하는 현상인 펠티에(Feltier) 효과를 이용하는 소자 등으로 구분될 수 있다.A thermoelectric element is a device using a temperature change of electrical resistance, a device using a Seebeck effect that generates an electromotive force due to a temperature difference, a device using a Feltier effect, And the like.

열전소자는 가전제품, 전자부품, 통신용 부품 등에 다양하게 적용되고 있다. 예를 들어, 열전소자는 냉각용 장치, 온열용 장치, 발전용 장치 등에 적용될 수 있다. 이에 따라, 열전 소자의 열전성능에 대한 요구는 점점 더 높아지고 있다.Thermoelectric devices are widely applied to household appliances, electronic components, and communication components. For example, a thermoelectric element can be applied to a cooling device, a heating device, a power generation device, and the like. As a result, there is a growing demand for thermoelectric performance of thermoelectric elements.

이러한 열전소자는 원할한 열전달을 위해 열을 방출 또는 흡수하여 열전소자에 열을 전달하는 열전달 부재 등과 결합하여 열교환 장치에 적용될 수 있다.Such a thermoelectric element can be applied to a heat exchange device in combination with a heat transfer member or the like that transfers heat to a thermoelectric element by releasing or absorbing heat for a proper heat transfer.

이때, 열전소자를 열전달 부재 등의 다른 부재와 접착할 때, 접촉 계면에서의 표면 조도에 의해 접촉 불량이 발생될 수 있고, 이에 따라, 접촉 면적이 감소되어 열교환 장치의 특성이 저하되는 문제점이 있다..At this time, when the thermoelectric element is adhered to another member such as a heat transfer member, contact failure may occur due to the surface roughness at the contact interface, thereby reducing the contact area and deteriorating the characteristics of the heat exchanger ..

따라서, 상기와 같은 문제점을 해결할 수 있는 새로운 구조의 열교환 장치가 요구된다.Accordingly, there is a demand for a heat exchanger having a new structure that can solve the above problems.

실시예는 향상된 특성을 가지는 열교환 장치를 제공하고자 한다.The embodiment attempts to provide a heat exchanger having improved characteristics.

실시예에 따른 열교환 장치는, 열전소자; 상기 열전소자의 일면 상에 배치되는 열 전달 부재; 및 상기 열전소자 및 상기 열 전달 부재 사이에 배치되는 중간층을 포함하고, 상기 열전소자는,하부 기판; 상기 하부 기판 상에 배치되는 상부 기판; 상기 하부 기판 및 상기 상부 기판 사이에 배치되는 복수 개의 레그; 상기 레그와 상기 하부 기판을 연결하는 하부 전극; 및 상기 레그와 상기 하부 기판을 연결하는 상부 전극을 포함하고, 상기 중간층은 열 전달 물질 및 상 변화 물질을 포함하고, 상기 상 변화 물질의 녹는점은 하기 수식을 만족한다.The heat exchanging apparatus according to the embodiment includes a thermoelectric element; A heat transfer member disposed on one surface of the thermoelectric element; And an intermediate layer disposed between the thermoelectric element and the heat transfer member, wherein the thermoelectric element comprises: a lower substrate; An upper substrate disposed on the lower substrate; A plurality of legs disposed between the lower substrate and the upper substrate; A lower electrode connecting the leg and the lower substrate; And an upper electrode connecting the leg and the lower substrate, wherein the intermediate layer includes a heat transfer material and a phase change material, and the melting point of the phase change material satisfies the following equation.

[수식][Equation]

열원의 온도(℃)+8℃ ≤ 제 2 물질의 녹는점 ≤ 열원의 온도(℃)+16℃Temperature of heat source (℃) + 8 ℃ ≤ Melting point of second material ≤ Temperature of heat source (℃) + 16 ℃

실시예에 따른 열교환 장치는 열전소자와 열 전달 부재 사이에 상 변화 물질을 포함하는 중간층을 포함할 수 있다.The heat exchanger according to the embodiment may include an intermediate layer including a phase change material between the thermoelectric element and the heat transfer member.

이에 따라, 열전소자와 열 전달 부재를 접합할 때, 열전소자와 열 전달 부재의 접합 계면에 형성되어 있는 요철 패턴 내부를 상 변화 물질로 충진할 수 있다. 즉, 열전소자와 열 전달 부재의 접합 계면의 표면 조도를 감소시킬 수 있다.Accordingly, when bonding the thermoelectric element and the heat transfer member, the inside of the concave / convex pattern formed at the bonding interface between the thermoelectric element and the heat transfer member can be filled with the phase change material. That is, the surface roughness of the bonding interface between the thermoelectric element and the heat transfer member can be reduced.

이에 따라, 열전소자와 중간층 및 열 전달 부재와 중간층의 접촉 면적을 증가시킬 수 있어, 접합 신뢰성을 향상시킬 수 있다.As a result, the contact area between the thermoelectric element and the intermediate layer, the heat transfer member and the intermediate layer can be increased, and the reliability of bonding can be improved.

또한, 접합 계면에서의 기공을 감소시킴으로써, 중간층에서의 열전도도를 향상시킴으로써, 열 전달성을 향상시켜, 열교환 장치의 전체적인 특성을 향상시킬 수 있다.Further, by reducing the pore at the bonding interface, the thermal conductivity can be improved by improving the thermal conductivity in the intermediate layer, and the overall characteristics of the heat exchange device can be improved.

예를 들어, 열교환 장치를 냉각 모듈로 적용하는 경우, 열 전달 부재의 방열량을 증가시켜 냉각 온도 성늘을 향상시킬 수 있다. 또한, 열교환 장치를 발전 모듈로 적용하는 경우 열 전달 부재의 열 전달을 향상시킬 수 있어, 열전소자 내부의 온도차를 크게할 수 있어 발전량을 증가시킬 수 있다.For example, when the heat exchanger is applied as a cooling module, it is possible to increase the amount of heat dissipation of the heat transfer member to improve the temperature of the cooling temperature. In addition, when the heat exchanger is used as a power generation module, the heat transfer of the heat transfer member can be improved, and the temperature difference inside the thermoelectric device can be increased, so that the power generation amount can be increased.

도 1은 실시예에 따른 열교환 장치의 열전소자 사시도를 도시한 도면이다.
도 2는 실시예에 따른 열교환 장치의 열전소자 단면도를 도시한 도면이다.
도 3 내지 도 5는 적층 구조의 열전 레그를 도시한 도면들이다.
도 6은 실시예에 따른 열전 레그용 소결체를 제조하기 위한 공정 흐름도를 도시한 도면이다.
도 7 내지 도 9는 열교환 장치의 단면도를 도시한 도면들이다.
도 10는 도 7의 A 영역을 확대하여 도시한 도면이다.
도 11 내지 도 14는 열교환 장치의 제조 공정을 설명하기 위한 도면들이다.
도 15 내지 도 18은 열교환 장치의 다른 제조 공정을 설명하기 위한 도면들이다.
도 19 내지 도 21은 열교환 장치의 또 다른 제조 공정을 설명하기 위한 도면들이다.
1 is a perspective view of a thermoelectric device of a heat exchanger according to an embodiment of the present invention.
2 is a cross-sectional view of a thermoelectric device of the heat exchanger according to the embodiment.
3 to 5 are views showing a thermoelectric leg of a laminated structure.
6 is a flowchart showing a process for producing a sintered body for a thermoelectric leg according to an embodiment.
7 to 9 are views showing a cross-sectional view of the heat exchanger.
10 is an enlarged view of the area A in Fig.
11 to 14 are views for explaining the manufacturing process of the heat exchanger.
15 to 18 are views for explaining another manufacturing process of the heat exchanger.
19 to 21 are views for explaining another manufacturing process of the heat exchanger.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. The present invention is capable of various modifications and various embodiments, and specific embodiments are illustrated and described in the drawings. It should be understood, however, that the invention is not intended to be limited to the particular embodiments, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention.

제2, 제1 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다. The terms including ordinal, such as second, first, etc., may be used to describe various elements, but the elements are not limited to these terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, the second component may be referred to as a first component, and similarly, the first component may also be referred to as a second component. And / or < / RTI > includes any combination of a plurality of related listed items or any of a plurality of related listed items.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. It is to be understood that when an element is referred to as being "connected" or "connected" to another element, it may be directly connected or connected to the other element, . On the other hand, when an element is referred to as being "directly connected" or "directly connected" to another element, it should be understood that there are no other elements in between.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terminology used in this application is used only to describe a specific embodiment and is not intended to limit the invention. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, the terms "comprises" or "having" and the like are used to specify that there is a feature, a number, a step, an operation, an element, a component or a combination thereof described in the specification, But do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries are to be interpreted as having a meaning consistent with the contextual meaning of the related art and are to be interpreted as either ideal or overly formal in the sense of the present application Do not.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the accompanying drawings, wherein like or corresponding elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description thereof will be omitted.

실시예에 따른 열교환 장치는 열전소자(1000) 및 열 전달 부재(2000)를 포함할 수 있다. 상기 열전소자(1000)와 상기 열 전달 부재(2000)는 중간층(3000)을 통해 접착될 수 있다. 상기 열 전달 부재(2000)는 히트싱크(heat sink)를 포함할 수 있다.The heat exchanger according to the embodiment may include a thermoelectric element 1000 and a heat transfer member 2000. The thermoelectric element 1000 and the heat transfer member 2000 may be bonded through the intermediate layer 3000. The heat transfer member 2000 may include a heat sink.

상기 중간층(3000)에 대해서는 이하에서 상세하게 설명한다.The intermediate layer 3000 will be described in detail below.

도 1은 열전소자의 단면도이고, 도 2는 열전소자의 사시도이다.Fig. 1 is a cross-sectional view of the thermoelectric element, and Fig. 2 is a perspective view of the thermoelectric element.

도 1 및 2를 참조하면, 상기 열전소자(1000)는 하부 기판(110), 하부 전극(120), P형 열전 레그(130), N형 열전 레그(140), 상부 전극(150), 상부 기판(160) 및 고정 부재(200)를 포함할 수 있다.1 and 2, the thermoelectric element 1000 includes a lower substrate 110, a lower electrode 120, a P-type thermoelectric leg 130, an N-type thermoelectric leg 140, an upper electrode 150, And may include a substrate 160 and a fixing member 200.

상기 하부 전극(120)은 상기 하부 기판(110)과 상기 P형 열전 레그(130) 및 상기 N형 열전 레그(140)의 하부 바닥면 사이에 배치될 수 있다. 상기 상부 전극(150)은 상기 상부 기판(160)과 상기 P형 열전 레그(130) 및 상기 N형 열전 레그(140)의 상부 바닥면 사이에 배치될 수 있다. The lower electrode 120 may be disposed between the lower substrate 110 and the lower surface of the P-type thermoelectric leg 130 and the N-type thermoelectric leg 140. The upper electrode 150 may be disposed between the upper substrate 160 and the upper bottom surface of the P-type thermoelectric leg 130 and the N-type thermoelectric leg 140.

이에 따라, 복수의 P형 열전 레그(130) 및 복수의 N형 열전 레그(140)는 상기 하부 전극(120) 및 상기 상부 전극(150)에 의하여 전기적으로 연결될 수 있다. 상기 하부 전극(120)과 상기 상부 전극(150) 사이에 배치되며, 전기적으로 연결되는 한 쌍의 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 단위 셀을 형성할 수 있다. Accordingly, the plurality of P-type thermoelectric legs 130 and the plurality of N-type thermoelectric legs 140 may be electrically connected by the lower electrode 120 and the upper electrode 150. A pair of P-type thermoelectric legs 130 and N-type thermoelectric legs 140, which are disposed between the lower electrode 120 and the upper electrode 150 and are electrically connected to each other, may form a unit cell.

예를 들어, 리드선(181, 182)을 통하여 상기 하부 전극(120) 및 상기 상부 전극(150)에 전압을 인가하면, 펠티에 효과로 인하여 상기 P형 열전 레그(130)로부터 상기 N형 열전 레그(140)로 전류가 흐르는 기판은 열을 흡수하여 냉각부로 작용하고, N형 열전 레그(140)로부터 P형 열전 레그(130)로 전류가 흐르는 기판은 가열되어 발열부로 작용할 수 있다.For example, when a voltage is applied to the lower electrode 120 and the upper electrode 150 through the lead wires 181 and 182, the P-type thermoelectric conversion element 130 is turned off from the N-type thermoelectric leg 130 The substrate on which current flows through the N-type thermoelectric legs 140 to the P-type thermoelectric legs 130 can be heated to act as a heat generating portion.

여기서, P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 비스무스(Bi) 및 텔루륨(Te)를 주원료로 포함하는 비스무스텔루라이드(Bi-Te)계 열전 레그일 수 있다. Here, the P-type thermoelectric leg 130 and the N-type thermoelectric leg 140 may be bismuth telluride (Bi-Te) thermoelectric legs containing bismuth (Bi) and tellurium (Te) as main raw materials.

상기 P형 열전 레그(130)는 전체 중량 100wt%에 대하여 안티몬(Sb), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga), 텔루륨(Te), 비스무스(Bi) 및 인듐(In) 중 적어도 하나를 포함하는 비스무스텔루라이드(Bi-Te)계 주원료 물질 99wt% 내지 99.999wt%와 Bi 또는 Te를 포함하는 혼합물 0.001wt% 내지 1wt%를 포함하는 열전 레그일 수 있다. 예를 들어, 주원료물질이 Bi-Sb-Te이고, Bi 또는 Te를 전체 중량의 0.001wt% 내지 1wt%로 더 포함할 수 있다. The P-type thermoelectric leg 130 may be formed of a material selected from the group consisting of Sb, Ni, Al, Cu, Ag, Pb, B, 99 to 99.999% by weight of a bismuth telluride (Bi-Te) base material containing at least one of gallium (Ga), tellurium (Te), bismuth (Bi) and indium It may be a thermoelectric leg comprising from 0.001 wt% to 1 wt% of the mixture. For example, the base material may be Bi-Sb-Te and Bi or Te in an amount of 0.001 wt% to 1 wt% of the total weight.

상기 N형 열전 레그(140)는 전체 중량 100wt%에 대하여 셀레늄(Se), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga), 텔루륨(Te), 비스무스(Bi) 및 인듐(In) 중 적어도 하나를 포함하는 비스무스텔루라이드(Bi-Te)계 주원료 물질 99wt% 내지 99.999wt%와 Bi 또는 Te를 포함하는 혼합물 0.001wt% 내지 1wt%를 포함하는 열전 레그일 수 있다. 예를 들어, 주원료물질이 Bi-Se-Te이고, Bi 또는 Te를 전체 중량의 0.001wt% 내지 1wt%로 더 포함할 수 있다.The n-type thermoelectric transducer 140 may be formed of at least one selected from the group consisting of Se, Ni, Al, Cu, Ag, Pb, B, 99 to 99.999% by weight of a bismuth telluride (Bi-Te) base material containing at least one of gallium (Ga), tellurium (Te), bismuth (Bi) and indium It may be a thermoelectric leg comprising from 0.001 wt% to 1 wt% of the mixture. For example, the base material may be Bi-Se-Te and further contain Bi or Te in an amount of 0.001 wt% to 1 wt% of the total weight.

상기 P형 열전 레그(130) 및 상기 N형 열전 레그(140)는 벌크형 또는 적층형으로 형성될 수 있다. 일반적으로 벌크형 P형 열전 레그(130) 또는 벌크형 N형 열전 레그(140)는 열전 소재를 열처리하여 잉곳(ingot)을 제조하고, 잉곳을 분쇄하고 체거름하여 열전 레그용 분말을 획득한 후, 이를 소결하고, 소결체를 커팅하는 과정을 통하여 얻어질 수 있다. 적층형 P형 열전 레그(130) 또는 적층형 N형 열전 레그(140)는 시트 형상의 기재 상에 열전 소재를 포함하는 페이스트를 도포하여 단위 부재를 형성한 후, 단위 부재를 적층하고 커팅하는 과정을 통하여 얻어질 수 있다.The P-type thermoelectric leg 130 and the N-type thermoelectric leg 140 may be formed in a bulk or laminated form. Generally, the bulk type P-type thermoelectric leg 130 or the bulk N-type thermoelectric leg 140 is manufactured by heat-treating the thermoelectric material to produce an ingot, pulverizing and sieving the ingot to obtain a thermoelectric leg powder, Sintered body, and cutting the sintered body. The laminated P-type thermoelectric leg 130 or the laminated N-type thermoelectric leg 140 is formed by applying a paste containing a thermoelectric material on a sheet-shaped substrate to form a unit member, then stacking and cutting the unit member Can be obtained.

이때, 한 쌍의 P형 열전 레그(130) 및 N형 열전 레그(140)는 동일한 형상 및 체적을 가지거나, 서로 다른 형상 및 체적을 가질 수 있다. 예를 들어, P형 열전 레그(130)와 N형 열전 레그(140)의 전기 전도 특성이 상이하므로, N형 열전 레그(140)의 높이 또는 단면적을 P형 열전 레그(130)의 높이 또는 단면적과 다르게 형성할 수도 있다. At this time, the pair of the P-type thermoelectric legs 130 and the N-type thermoelectric legs 140 may have the same shape and volume, or may have different shapes and volumes. Since the electrical conduction characteristics of the P-type thermoelectric leg 130 and the N-type thermoelectric leg 140 are different from each other, the height or the cross-sectional area of the N-type thermoelectric leg 140 may be set to a height or a cross- May be formed differently.

본 발명의 한 실시예에 따른 열전 소자의 성능은 제벡 지수로 나타낼 수 있다. 제백 지수(ZT)는 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.The performance of a thermoelectric device according to an embodiment of the present invention can be represented by a Gebeck index. The whiteness index (ZT) can be expressed by Equation (1).

[수학식 1][Equation 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

여기서, α는 제벡계수[V/K]이고, σ는 전기 전도도[S/m]이며, α2σ는 파워 인자(Power Factor, [W/mK2])이다. 그리고, T는 온도이고, k는 열전도도[W/mK]이다. k는 a·cp·ρ로 나타낼 수 있으며, a는 열확산도[cm2/S]이고, cp 는 비열[J/gK]이며, ρ는 밀도[g/cm3]이다.Here, α is the Seebeck coefficient [V / K], σ is the electric conductivity [S / m], and α2σ is the power factor (W / mK2). T is the temperature, and k is the thermal conductivity [W / mK]. k can be expressed as a · cp · ρ, where a is the thermal diffusivity [cm2 / S], cp is the specific heat [J / gK], and ρ is the density [g / cm3].

열전 소자의 제백 지수를 얻기 위하여, Z미터를 이용하여 Z 값(V/K)을 측정하며, 측정한 Z값을 이용하여 제벡 지수(ZT)를 계산할 수 있다. In order to obtain the whiteness index of the thermoelectric element, the Z value (V / K) is measured using a Z meter, and the Zebek index (ZT) can be calculated using the measured Z value.

여기서, 상기 하부 기판(110)과 상기 P형 열전 레그(130) 및 상기 N형 열전 레그(140) 사이에 배치되는 상기 하부 전극(120), 그리고 상기 상부 기판(160)과 상기 P형 열전 레그(130) 및 상기 N형 열전 레그(140) 사이에 배치되는 상기 상부 전극(150)은 구리(Cu), 은(Ag) 및 니켈(Ni) 중 적어도 하나를 포함하며, 0.01㎜ 내지 0.3mm의 두께를 가질 수 있다. Here, the lower electrode 120 disposed between the lower substrate 110 and the P-type thermoelectric leg 130 and the N-type thermoelectric leg 140, and the upper substrate 160 and the P- The upper electrode 150 disposed between the n-type thermoelectric leg 130 and the n-type thermoelectric leg 140 includes at least one of copper (Cu), silver (Ag), and nickel (Ni) Thickness.

상기 하부 전극(120) 또는 상기 상부 전극(150)의 두께가 0.01mm 미만인 경우, 전극으로서 기능이 떨어지게 되어 전기 전도 성능이 낮아질 수 있으며, 0.3㎜를 초과하는 경우 저항의 증가로 인하여 전도 효율이 낮아질 수 있다.If the thickness of the lower electrode 120 or the upper electrode 150 is less than 0.01 mm, the function as an electrode may be deteriorated and the electric conduction performance may be lowered. If the thickness is more than 0.3 mm, .

그리고, 상호 대향하는 상기 하부 기판(110)과 상기 상부 기판(160)은 절연 기판 또는 금속 기판일 수 있다. The lower substrate 110 and the upper substrate 160, which are opposed to each other, may be an insulating substrate or a metal substrate.

절연 기판은 알루미나 기판 또는 유연성을 가지는 고분자 수지 기판일 수 있다. 유연성을 가지는 고분자 수지 기판은 폴리이미드(PI), 폴리스티렌(PS), 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA), 환상 올레핀 코폴리(COC), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 레진(resin)과 같은 고투과성 플라스틱 등의 다양한 절연성 수지재를 포함할 수 있다. The insulating substrate may be an alumina substrate or a polymer resin substrate having flexibility. The flexible polymer resin substrate having flexibility has high permeability such as polyimide (PI), polystyrene (PS), polymethyl methacrylate (PMMA), cyclic olefin copoly (COC), polyethylene terephthalate (PET) Plastic, and the like.

금속 기판은 Cu, Cu 합금 또는 Cu-Al 합금을 포함할 수 있으며, 그 두께는 0.1㎜ 내지 0.5㎜일 수 있다. 금속 기판의 두께가 0.1㎜ 미만이거나, 0.5㎜를 초과하는 경우, 방열 특성 또는 열전도율이 지나치게 높아질 수 있으므로, 열전 소자의 신뢰성이 저하될 수 있다. The metal substrate may include Cu, a Cu alloy, or a Cu-Al alloy, and the thickness thereof may be 0.1 mm to 0.5 mm. When the thickness of the metal substrate is less than 0.1 mm or exceeds 0.5 mm, the heat radiation characteristic or the thermal conductivity may become excessively high, so that the reliability of the thermoelectric device may be deteriorated.

또한, 상기 하부 기판(110)과 상기 상부 기판(160)이 금속 기판인 경우, 상기 하부 기판(110)과 상기 하부 전극(120) 사이 및 상기 상부 기판(160)과 상기 상부 전극(150) 사이에는 각각 유전체층(170)이 더 배치될 수 있다. In the case where the lower substrate 110 and the upper substrate 160 are metal substrates, a gap between the lower substrate 110 and the lower electrode 120 and between the upper substrate 160 and the upper electrode 150 The dielectric layer 170 may be further disposed.

상기 유전체층(170)은 5~10W/K의 열전도도를 가지는 소재를 포함하며, 0.01㎜ 내지 0.15㎜의 두께로 형성될 수 있다. 상기 유전체층(170)의 두께가 0.01㎜ 미만인 경우 절연 효율 또는 내전압 특성이 저하될 수 있고, 0.15㎜를 초과하는 경우 열전도도가 낮아져 방열효율이 떨어질 수 있다. The dielectric layer 170 includes a material having a thermal conductivity of 5 to 10 W / K, and may be formed to a thickness of 0.01 mm to 0.15 mm. If the thickness of the dielectric layer 170 is less than 0.01 mm, the insulation efficiency or withstanding voltage characteristics may be deteriorated. If the thickness exceeds 0.15 mm, the thermal conductivity may be lowered and the thermal efficiency may be lowered.

이때, 상기 하부 기판(110)과 상기 상부 기판(160)의 크기는 다르게 형성될 수도 있다. 예를 들어, 상기 하부 기판(110)과 상기 상부 기판(160) 중 하나의 체적, 두께 또는 면적은 다른 하나의 체적, 두께 또는 면적보다 크게 형성될 수 있다. 이에 따라, 열전 소자의 흡열 성능 또는 방열 성능을 높일 수 있다. At this time, the sizes of the lower substrate 110 and the upper substrate 160 may be different. For example, the volume, thickness, or area of one of the lower substrate 110 and the upper substrate 160 may be greater than the other volume, thickness, or area. Thus, the heat absorption performance or the heat radiation performance of the thermoelectric element can be enhanced.

또한, 상기 하부 기판(110)과 상기 상부 기판(160) 중 적어도 하나의 표면에는 방열 패턴, 예를 들어 요철 패턴이 형성될 수도 있다. 이에 따라, 열전 소자의 방열 성능을 높일 수 있다. 요철 패턴이 P형 열전 레그(130) 또는 N형 열전 레그(140)와 접촉하는 면에 형성되는 경우, 열전 레그와 기판 간의 접합 특성도 향상될 수 있다. In addition, a heat radiation pattern, for example, a concavo-convex pattern may be formed on at least one surface of the lower substrate 110 and the upper substrate 160. Thus, the heat radiation performance of the thermoelectric element can be enhanced. When the concavo-convex pattern is formed on the surface contacting the P-type thermoelectric leg 130 or the N-type thermoelectric leg 140, the junction characteristics between the thermoelectric leg and the substrate can be improved.

본 발명의 한 실시예에 따른 열전 레그는 적층형 구조를 가질 수도 있다. 예를 들어, P형 열전 레그 또는 N형 열전 레그는 시트 형상의 기재에 반도체 물질이 도포된 복수의 구조물을 적층한 후, 이를 절단하는 방법으로 형성될 수 있다. 이에 따라, 재료의 손실을 막고 전기 전도 특성을 향상시킬 수 있다.The thermoelectric leg according to an embodiment of the present invention may have a laminated structure. For example, the P-type thermoelectric leg or the N-type thermoelectric leg may be formed by stacking a plurality of structures coated with a semiconductor material on a sheet-like base material and then cutting the same. Thus, it is possible to prevent the loss of the material and improve the electric conduction characteristic.

도 3은 적층형 구조의 열전 레그를 제조하는 방법을 나타낸다. 3 shows a method of manufacturing a thermoelectric leg of a laminated structure.

도 3을 참조하면, 반도체 물질을 포함하는 재료를 페이스트 형태로 제작한 후, 시트, 필름 등의 기재(1110) 상에 도포하여 반도체층(1120)을 형성한다. 이에 따라, 하나의 단위부재(1100)가 형성될 수 있다. Referring to FIG. 3, a material including a semiconductor material is formed into a paste and then coated on a substrate 1110 such as a sheet or a film to form a semiconductor layer 1120. Accordingly, one unit member 1100 can be formed.

복수의 단위부재(1100a, 1100b, 1100c)를 적층하여 적층 구조물(1200)을 형성하고, 이를 절단하면 단위 열전 레그(1300)를 얻을 수 있다. A plurality of unit members 1100a, 1100b, and 1100c are laminated to form a laminated structure 1200, and the unit thermoelectric leg 1300 can be obtained by cutting the unit structure.

이와 같이, 단위 열전 레그(1300)는 기재(1110) 상에 반도체층(1120)이 형성된 단위부재(1100)가 복수로 적층된 구조물에 의하여 형성될 수 있다. As described above, the unit thermoelectric leg 1300 can be formed by a structure in which a plurality of unit members 1100 in which a semiconductor layer 1120 is formed on a substrate 1110 are laminated.

여기서, 기재(1110) 상에 페이스트를 도포하는 공정은 다양한 방법으로 행해질 수 있다. 예를 들어, 테이프캐스팅(Tape casting) 방법으로 행해질 수 있다. 테이프캐스팅 방법은 미세한 반도체 물질의 분말을 수계 또는 비수계 용매(solvent), 결합제(binder), 가소제(plasticizer), 분산제(dispersant), 소포제(defoamer) 및 계면활성제 중 선택되는 적어도 하나와 혼합하여 슬러리(slurry) 형태로 제조한 후, 움직이는 칼날(blade) 또는 움직이는 기재 상에서 성형하는 방법이다. 이때, 기재(1110)는 10um~100um 두께의 필름, 시트 등일 수 있으며, 도포되는 반도체 물질로는 상술한 벌크형 소자를 제조하는 P 형 열전 재료 또는 N 형 열전 재료가 그대로 적용될 수 있다.Here, the step of applying the paste on the substrate 1110 can be performed in various ways. For example, by a tape casting method. The tape casting method comprises mixing a powder of a fine semiconductor material with at least one selected from the group consisting of an aqueous or non-aqueous solvent, a binder, a plasticizer, a dispersant, a defoamer and a surfactant to form a slurry (slurry), and then molding on a moving blade or moving substrate. At this time, the substrate 1110 may be a film, a sheet, or the like having a thickness of 10 to 100 μm. As the semiconductor material to be applied, the P-type thermoelectric material or the N-type thermoelectric material for manufacturing the above-described bulk-type device may be directly applied.

단위부재(1100)를 복수의 층으로 어라인하여 적층하는 공정은 50℃~250℃의 온도에서 압착하는 방법으로 행해질 수 있으며, 적층되는 단위부재(110)의 수는, 예를 들어 2~50개일 수 있다. 이후, 원하는 형태와 사이즈로 절단될 수 있으며, 소결공정이 추가될 수 있다.The step of laminating the unit member 1100 in a plurality of layers may be performed by a method of pressing at a temperature of 50 ° C to 250 ° C. The number of the unit members 110 to be laminated is, for example, 2 to 50 . Thereafter, it can be cut into a desired shape and size, and a sintering process can be added.

이와 같이 제조되는 단위 열전 레그(1300)는 두께, 형상 및 크기의 균일성을 확보할 수 있으며, 박형화가 유리하고, 재료의 손실을 줄일 수 있다. The unit thermoelectric legs 1300 thus manufactured can ensure uniformity in thickness, shape, and size, and are advantageous in that they are thin and can reduce loss of materials.

단위 열전 레그(1300)는 원기둥 형상, 다각 기둥 형상, 타원형 기둥 형상 등일 수 있으며, 도 3(d)에서 예시한 바와 같은 형상으로 절단될 수도 있다. The unit thermoelectric leg 1300 may have a cylindrical shape, a polygonal columnar shape, an elliptical columnar shape, or the like, and may be cut into a shape as illustrated in FIG. 3 (d).

한편, 적층형 구조의 열전 레그를 제조하기 위하여, 단위 부재(1100)의 한 표면에 전도성층을 더 형상할 수도 있다. On the other hand, a conductive layer may be further formed on one surface of the unit member 1100 in order to manufacture the thermoelectric leg of the laminated structure.

도 4은 도 3의 적층 구조물 내 단위 부재 사이에 형성되는 전도성층을 예시한다. Figure 4 illustrates a conductive layer formed between unitary members in the stacked structure of Figure 3;

도 4를 참조하면, 전도성층(C)은 반도체층(1120)이 형성되는 기재(1110)의 반대 면에 형성될 수 있으며, 기재(1110)의 표면의 일부가 노출되도록 패턴화될 수 있다. Referring to FIG. 4, the conductive layer C may be formed on the opposite side of the substrate 1110 on which the semiconductor layer 1120 is formed, and may be patterned such that a part of the surface of the substrate 1110 is exposed.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전도성층(C)의 다양한 변형예를 나타낸다. 도 4(a) 및 도 4(b)에 도시된 바와 같이, 폐쇄형 개구패턴(c1, c2)을 포함하는 메쉬타입 구조 또는 도 4(c) 및 도 4(d)에 도시된 바와 같이, 개방형 개구패턴(c3, c4)을 포함하는 라인타입 구조 등으로 다양하게 변형될 수 있다. 4 shows various modifications of the conductive layer (C) according to an embodiment of the present invention. As shown in Figs. 4 (a) and 4 (b), the mesh type structure including the closed-type opening patterns c1 and c2 or the mesh type structure including the open- A line-type structure including open-type opening patterns c3 and c4, and the like.

이러한 전도성층(C)은 단위부재의 적층형 구조로 형성되는 단위 열전 레그 내 단위부재 간의 접착력을 높일 수 있으며, 단위부재간 열전도도를 낮추고, 전기전도도는 향상시킬 수 있다. 전도성층(C)은 금속물질, 예를 들어 Cu, Ag, Ni 등이 적용될 수 있다.The conductive layer (C) can increase the adhesion between the unit members in the unit thermoelectric legs formed by the laminated structure of the unit members, lower the thermal conductivity between the unit members, and improve the electrical conductivity. The conductive layer (C) may be a metal material, for example, Cu, Ag, Ni or the like.

한편, 단위 열전 레그(1300)는 도 5에 도시한 바와 같은 방향으로 절단될 수도 있다. 이러한 구조에 따르면, 수직방향의 열전도 효율을 낮추는 동시에 전기전도특성을 향상할 수 있어 냉각효율을 높일 수 있다.On the other hand, the unit thermoelectric leg 1300 may be cut in a direction as shown in Fig. According to this structure, the thermal conduction efficiency in the vertical direction can be lowered and the electric conduction characteristic can be improved, so that the cooling efficiency can be improved.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 열전 레그는 존 멜팅(zone melting) 방식 또는 분말 소결 방식에 따라 제작될 수 있다. 존 멜팅 방식에 따르면, 열전 소재를 이용하여 잉곳(ingot)을 제조한 후, 잉곳에 천천히 열을 가하여 단일의 방향으로 입자가 재배열되도록 리파이닝하고, 천천히 냉각시키는 방법으로 열전 레그를 얻는다. 분말 소결 방식에 따르면, 열전 소재를 이용하여 잉곳을 제조한 후, 잉곳을 분쇄하고 체거름하여 열전 레그용 분말을 획득하고, 이를 소결하는 과정을 통하여 열전 레그를 얻는다. Meanwhile, the thermoelectric leg according to the embodiment of the present invention can be manufactured according to a zone melting method or a powder sintering method. According to the zone melting method, an ingot is produced using a thermoelectric material, refined to heat the ingot slowly in a single direction, and slowly cooled to obtain a thermoelectric leg. According to the powder sintering method, an ingot is produced using a thermoelectric material, and then the ingot is pulverized and sieved to obtain a thermoelectric material powder, and the thermoelectric material is obtained by sintering the thermoelectric material.

도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 열전 레그용 소결체를 제조하는 방법을 나타내는 순서도이다.6 is a flowchart showing a method of manufacturing a sintered body for a thermoelectric leg according to an embodiment of the present invention.

도 6을 참조하면, 열전 소재를 열처리하여, 잉곳(ingot)을 제조한다(S100). 열전 소재는 Bi, Te 및 Se를 포함할 수 있다. 예를 들어, 열전 소재는 Bi2Te3-ySey(0.1<y<0.4)를 포함할 수 있다. 한편, Bi의 증기 압력은 768℃에서 10Pa이고, Te의 증기 압력은 769℃에서 104Pa이고, Se의 증기 압력은 685℃에서 105Pa이다. 따라서, 일반적인 용융 온도(600~800℃)에서 Te와 Se의 증기 압력이 높아, 휘발성이 크다. 따라서, 열전 레그 제작 시, Te 및 Se 중 적어도 하나의 휘발을 고려하여 칭량할 수 있다. 즉, Te 및 Se 중 적어도 하나를 1 내지 10 중량부로 더 포함시킬 수 있다. 예를 들어, N형 레그 제작 시, Bi2Te3-ySey(0.1<y<0.4) 100 중량부에 대하여 1 내지 10 중량부의 Te 및 Se를 더 포함시킬 수도 있다. Referring to FIG. 6, the thermoelectric material is heat-treated to produce an ingot (S100). The thermoelectric material may include Bi, Te and Se. For example, the thermoelectric material may include Bi2Te3-ySey (0.1 < y < 0.4). On the other hand, the steam pressure of Bi is 10 Pa at 768 캜, the steam pressure of Te is 104 Pa at 769 캜, and the steam pressure of Se is 105 Pa at 685 캜. Therefore, the vapor pressure of Te and Se is high at a general melting temperature (600 to 800 ° C), and the volatility is high. Therefore, at the time of manufacturing the thermoelectric leg, weighing can be performed taking into account at least one of volatilization of Te and Se. That is, at least one of Te and Se may be added in an amount of 1 to 10 parts by weight. For example, Te and Se may be further added in an amount of 1 to 10 parts by weight based on 100 parts by weight of Bi2Te3-ySey (0.1 < y < 0.4)

다음으로, 잉곳을 분쇄한다(S110). 이때, 잉곳은 멜트 스피닝(melt spinning) 기법에 따라 분쇄될 수 있다. 이에 따라, 판상 플레이크의 열전 소재가 얻어질 수 있다. Next, the ingot is pulverized (S110). At this time, the ingot may be pulverized according to a melt spinning technique. Thus, a thermoelectric material of the flaky flakes can be obtained.

다음으로, 판상 플레이크의 열전 소재를 도핑용 첨가제와 함께 밀링(milling)한다(S120). 이를 위하여, 예를 들면 슈퍼 믹서(Super Mixer), 볼밀(ball mill), 어트리션 밀(attrition mill), 3롤 밀(3roll mill) 등이 이용될 수 있다. 여기서, 도핑용 첨가제는, 예를 들어 Cu 및 Bi2O3를 포함할 수 있다. 이때, Bi, Te 및 Se를 포함하는 열전 소재는 99.4 내지 99.98wt%, Cu는 0.01 내지 0.1wt%, 그리고 Bi2O3는0.01 내지 0.5wt%의 조성 비, 바람직하게는 Bi, Te 및 Se를 포함하는 열전 소재는 99.48 내지 99.98wt%, Cu는 0.01 내지 0.07wt%, 그리고 Bi2O3는 0.01 내지 0.45wt%의 조성비, 더욱 바람직하게는 Bi, Te 및 Se를 포함하는 열전 소재는 99.67 내지 99.98wt%, Cu는 0.01 내지 0.03wt%, 그리고 Bi2O3는 0.01 내지 0.30wt%의 조성비로 첨가된 후 밀링될 수 있다. Next, the thermoelectric material of the flaky flakes is milled together with the doping additive (S120). For this purpose, for example, a super mixer, a ball mill, an attrition mill, a 3 roll mill, or the like can be used. Here, the additive for doping may include, for example, Cu and Bi2O3. At this time, the thermoelectric material including Bi, Te and Se contains 99.4 to 99.98 wt% of Cu, 0.01 to 0.1 wt% of Cu, and Bi2O3 of 0.01 to 0.5 wt%, preferably Bi, Te and Se The thermoelectric material containing 99.47 to 99.98 wt% of thermoelectric material, 0.01 to 0.07 wt% of Cu, and 0.01 to 0.45 wt% of Bi2O3, more preferably 99.67 to 99.98 wt% of thermoelectric material containing Bi, Te and Se, Is added in a composition ratio of 0.01 to 0.03 wt%, and Bi2O3 is added in a composition ratio of 0.01 to 0.30 wt%, and then milled.

다음으로, 체거름(sieving)을 통하여 열전 레그용 분말을 얻는다(S130). 다만, 체거름 공정은 필요에 따라 추가되는 것으로, 본 발명의 실시예에서 필수적인 공정이 아니다. 이때, 열전 레그용 분말은, 예를 들면 마이크로 단위의 입자 크기를 가질 수 있다.Next, sieving is performed to obtain a powder for thermoelectric legs (S130). However, the screening process is added as needed and is not an essential process in the embodiment of the present invention. At this time, the powder for thermoelectric legs may have a particle size of, for example, micrometers.

다음으로, 열전 레그용 분말을 소결한다(S140). 소결 과정을 얻어진 소결체를 커팅하여 열전 레그를 제작할 수 있다. 소결은, 예를 들면 스파크 플라즈마 소결(SPS, Spark Plasma Sintering) 장비를 이용하여 400 내지 550℃, 35 내지 60MPa 조건에서 1 내지 30분간 진행되거나, 핫 프레스(Hot-press) 장비를 이용하여 400 내지 550℃, 180 내지 250MPa 조건에서 1 내지 60분간 진행될 수 있다. Next, the thermoelectric leg powder is sintered (S140). The thermosetting leg can be manufactured by cutting the sintered body obtained by the sintering process. The sintering may be carried out at 400 to 550 ° C under a condition of 35 to 60 MPa for 1 to 30 minutes using, for example, SPS (Spark Plasma Sintering) equipment, or by using a hot- 550 &lt; 0 &gt; C and 180 to 250 MPa for 1 to 60 minutes.

이때, 열전 레그용 분말은 비정질 리본과 함께 소결될 수 있다. 열전 레그용 분말이 비정질 리본과 함께 소결되면 전기 전도도가 높아지므로, 높은 열전 성능을 얻을 수 있다. 이때, 비정질 리본은 Fe 계 비정질 리본일 수 있다. At this time, the powder for the thermoelectric leg can be sintered together with the amorphous ribbon. When the thermosetting powder is sintered together with the amorphous ribbon, the electrical conductivity is increased, so that a high thermoelectric performance can be obtained. At this time, the amorphous ribbon may be an Fe amorphous ribbon.

한 예로, 비정질 리본은 열전 레그가 상부 전극과 접합하기 위한 면 및 하부 전극과 접합하기 위한 면에 배치된 후 소결될 수 있다. 이에 따라, 상부 전극 또는 하부 전극 방향으로 전기 전도도가 높아질 수 있다. 이를 위하여, 하부 비정질 리본, 열전 레그용 분말 및 상부 비정질 리본이 몰드 내에 순차적으로 배치된 후 소결될 수 있다. 이때, 하부 비정질 리본 및 상부 비정질 리본 상에는 각각 표면 처리층이 형성될 수도 있다. 표면 처리층은 도금법, 스퍼터링법, 증착법 등에 의하여 형성되는 박막으로, 반도체 재료인 열전 레그용 분말과 반응하더라도 성능 변화가 거의 없는 니켈 등이 사용될 수 있다. As an example, the amorphous ribbon may be disposed on the surface for bonding the thermoelectric leg to the upper electrode and the lower electrode and then sintered. Accordingly, the electric conductivity can be increased in the direction of the upper electrode or the lower electrode. For this purpose, the lower amorphous ribbon, the thermoelectrically reactive powder and the upper amorphous ribbon may be sequentially placed in the mold and then sintered. At this time, the surface treatment layer may be formed on the lower amorphous ribbon and the upper amorphous ribbon, respectively. The surface treatment layer is a thin film formed by a plating method, a sputtering method, a vapor deposition method, or the like. Nickel or the like which hardly changes in performance even when it reacts with a thermoelectric material powder as a semiconductor material can be used.

다른 예로, 비정질 리본은 열전 레그의 측면에 배치된 후 소결될 수도 있다. 이에 따라, 열전 레그의 측면을 따라 전기 전도도가 높아질 수 있다. 이를 위하여, 비정질 리본이 몰드의 벽면을 둘러싸도록 배치된 후, 열전 레그용 분말을 채우고, 소결할 수 있다. As another example, the amorphous ribbon may be disposed on the side of the thermoelectric leg and then sintered. Accordingly, the electric conductivity can be increased along the side surface of the thermoelectric leg. For this purpose, after the amorphous ribbon is arranged so as to surround the wall surface of the mold, the powder for the thermoelectric leg can be filled and sintered.

이하, 도 7 내지 도 21을 참조하여, 실시예에 따른 열교환 장치에 대해 설명한다.Hereinafter, the heat exchanging device according to the embodiment will be described with reference to Figs. 7 to 21. Fig.

도 7 내지 도 9를 참조하면, 상기 열전소자(1000) 및 상기 열 전달 부재(2000)는 서로 접착되며 배치될 수 있다. 자세하게, 상기 열전소자(1000) 및 상기 열 전달 부재(2000)는 중간층(3000)을 통해 서로 접착되며 배치될 수 있다.7 to 9, the thermoelectric element 1000 and the heat transfer member 2000 may be bonded to each other. In detail, the thermoelectric element 1000 and the heat transfer member 2000 may be adhered to each other via the intermediate layer 3000.

예를 들어, 도 7에 도시되어 있듯이, 상기 열 전달 부재(2000)는 상기 중간층(3000)을 통해 상기 열전소자(1000)의 상기 하부 기판(110)과 접착되며 배치될 수 있다.For example, as shown in FIG. 7, the heat transfer member 2000 may be adhered to and disposed on the lower substrate 110 of the thermoelectric element 1000 through the intermediate layer 3000.

또는, 도 8에 도시되어 있듯이. 상기 열 전달 부재(2000)는 상기 중간층(3000)을 통해 상기 열전소자(1000)의 상기 상부 기판(160)과 접착되며 배치될 수 있다.Alternatively, as shown in Fig. The heat transfer member 2000 may be bonded to the upper substrate 160 of the thermoelectric element 1000 through the intermediate layer 3000.

또는, 도 9에 도시되어 있듯이. 상기 열 전달 부재(2000)는 상기 중간층(3000)을 통해 상기 열전소자(1000)의 상기 하부 기판(110) 및 상기 상부 기판(160)과 각각 접착되며 배치될 수 있다. 즉, 상기 하부 기판(110)과 제 1 열 전달 부재(2100) 사이에는 제 1 중간층(3100)이 배치되고, 상기 상부 기판(160)과 제 2 열 전달 부재(2200) 사이에는 제 2 중간층(3200)이 배치될 수 있다.Alternatively, as shown in Fig. The heat transfer member 2000 may be bonded to the lower substrate 110 and the upper substrate 160 of the thermoelectric element 1000 through the intermediate layer 3000. A first intermediate layer 3100 is disposed between the lower substrate 110 and the first heat transfer member 2100 and a second intermediate layer 3100 is provided between the upper substrate 160 and the second heat transfer member 2200. [ 3200 may be disposed.

상기 중간층(3000)은 복수의 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 중간층(3000)은 제 1 물질 및 제 2 물질을 포함할 수 있다.The intermediate layer 3000 may include a plurality of materials. For example, the intermediate layer 3000 may include a first material and a second material.

상기 제 1 물질은 접착 물질을 포함할 수 있다. 상기 제 1 물질은 열 전달 물질을 포함할 수 있다. 자세하게, 상기 제 1 물질은 열 전달 기능을 가지는 접착 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제 1 물질은 서멀 그리스(thermal grease)를 포함할 수 있다.The first material may comprise an adhesive material. The first material may comprise a heat transfer material. In detail, the first material may include an adhesive material having heat transfer function. For example, the first material may include a thermal grease.

상기 제 2 물질은 열을 흡수 또는 방출하는 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제 2 물질은 상변화 물질을 포함할 수 있다.The second material may comprise a material that absorbs or emits heat. For example, the second material may comprise a phase change material.

상기 제 2 물질은 온도에 따라 상(phase)이 변화될 수 있다. 즉, 상기 제 2 물질은 일정 온도 범위 내에서 물리적 상태를 변화시키는 특성을 가질 수 있다,The second material may be phase-changed. That is, the second material may have a property of changing a physical state within a predetermined temperature range.

예를 들어, 상기 제 2 물질은 온도가 증가되면서 고상에서 액상으로 변화될 수 있다. 즉, 상기 제 2 물질은 온도가 증가되면서 액화될 수 있다. 또한, 상기 제 2 물질은 온도가 감소되면서 액상에서 고상으로 변화될 수 있다. 즉, 상기 제 2 물질은 온도가 감소되면서 고상화될 수 있다. 즉, 상기 제 2 물질은 온도 변화에 따라 액화 또는 고상화로 상변화 될 수 있다.For example, the second material may be changed from a solid phase to a liquid phase with increasing temperature. That is, the second material may be liquefied with increasing temperature. Further, the second material may be changed from a liquid phase to a solid phase while the temperature is decreased. That is, the second material can be solidified with decreasing temperature. That is, the second material may be phase-changed into a liquefied or solidified state according to a change in temperature.

도 10을 참조하면, 상기 하부 기판(110) 또는 상기 상부 기판(160)과 상기 열 전달 부재(200)의 계면에는 복수 개의 요철 패턴 등이 형성될 수 있다. 즉, 상기 하부 기판(110) 또는 상기 상부 기판(160)의 계면과 상기 열 전달 부재(200)의 계면은 일정한 크기의 표면 거칠기를 가질 수 있다.Referring to FIG. 10, a plurality of irregular patterns may be formed on the interface between the lower substrate 110 and the upper substrate 160 and the heat transfer member 200. That is, the interface between the lower substrate 110 and the upper substrate 160 and the interface between the heat transfer member 200 may have a predetermined surface roughness.

상기 중간층(3000)은 상기 하부 기판(110) 또는 상기 상부 기판(160)의 계면에 형성되는 요철 패턴의 내부 및 상기 열 전달 부재(200)의 계면에 형성되는 요철 패턴의 내부를 메우면서 배치될 수 있다.The intermediate layer 3000 is disposed inside the concavo-convex pattern formed at the interface of the lower substrate 110 or the upper substrate 160 and the concavo-convex pattern formed at the interface of the heat transfer member 200 .

즉, 상기 중간층(3000)은 상기 하부 기판(110), 상기 상부 기판(160) 및 상기 열 전달 부재(200)의 계면에 형성되는 요철 패턴의 내부를 메우면서 배치되고, 이에 따라, 상기 하부 기판(110), 상기 상부 기판(160) 및 상기 열 전달 부재(200)의 계면의 표면 거칠기를 감소시킬 수 있다.That is, the intermediate layer 3000 is disposed while filling the inside of the concavo-convex pattern formed at the interface between the lower substrate 110, the upper substrate 160, and the heat transfer member 200, The surface roughness of the interface between the upper substrate 160, the heat transfer member 110, the upper substrate 160 and the heat transfer member 200 can be reduced.

자세하게, 상기 중간층(3000)이 상기 하부 기판(110), 상기 상부 기판(160) 및 상기 열 전달 부재(200)의 계면의 요철 패턴을 메우면서 배치됨에 따라, 상기 하부 기판(110), 상기 상부 기판(160) 및 상기 열 전달 부재(200)의 계면의 표면 거칠기는 약 0.4㎛ 이하의 크기를 가질 수 있다.The intermediate layer 3000 is disposed while filling the concavo-convex pattern of the interface between the lower substrate 110, the upper substrate 160, and the heat transfer member 200, The surface roughness of the interface between the substrate 160 and the heat transfer member 200 may have a size of about 0.4 mu m or less.

상기 제 2 물질은 상기 열전소자(1000)에서 발생되는 열원의 온도에 따라 다른 물질을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 제 2 물질의 녹는점 즉, 멜팅 온도(Tm)는 상기 열원의 온도보다 클 수 있다. 자세하게, 상기 제 2 물질의 녹는점, 즉, 멜팅 온도(Tm)는 하기 수식 1로 정의될 수 있다.The second material may include a different material depending on the temperature of a heat source generated in the thermoelectric element 1000. For example, the melting point of the second material, i.e., the melting temperature Tm, may be greater than the temperature of the heat source. In detail, the melting point of the second material, i.e., the melting temperature Tm, can be defined by the following equation (1).

[수식][Equation]

열원의 온도(℃)+8℃ ≤ 제 2 물질의 녹는점 ≤ 열원의 온도(℃)+16℃Temperature of heat source (℃) + 8 ℃ ≤ Melting point of second material ≤ Temperature of heat source (℃) + 16 ℃

즉, 상기 제 2 물질의 멜팅 온도(Tm)는 상기 열전소자(1000)에서 발생되는 열원의 온도보다 8℃ 내지 16℃ 만큼 클 수 있다.That is, the melting temperature Tm of the second material may be 8 ° C to 16 ° C higher than the temperature of the heat source generated in the thermoelectric element 1000.

상기 제 2 물질의 멜팅 온도(Tm)가 상기 열원의 온도보다 8℃ 미만인 경우, 상기 열원에 의해 상기 제 2 물질이 상변화되어 제 1 물질에 의한 접착 특성 및 열전달 특성이 저하될 수 있다. 또한, 상기 제 2 물질의 멜팅 온도(Tm)가 상기 열원의 온도보다 16℃를 초과하는 경우, 상기 제 1 물질을 상변화시키기 위한 온도가 증가되어 상기 제 1 물질의 특성이 저하됨으로써, 제 1 물질에 의한 접착 특성 및 열전달 특성이 저하될 수 있다.If the melting temperature Tm of the second material is lower than 8 ° C, the second material may be phase-changed by the heat source, thereby lowering the adhesive property and heat transfer characteristics of the first material. When the melting temperature Tm of the second material exceeds 16 ° C, the temperature for phase-changing the first material is increased to lower the characteristics of the first material. As a result, Adhesion property and heat transfer property by the substance may be deteriorated.

예를 들어, 상기 열전소자의 열원 온도가 50℃인 경우, 상기 제 2 물질은 Octadecano 상 변화 물질을 포함할 수 있다. 또한, 상기 열전소자의 열원 온도가 100℃인 경우, 상기 제 2 물질은 CaBr2-4H2O 상 변화 물질을 포함할 수 있다.For example, when the heat source temperature of the thermoelectric element is 50 ° C., the second material may include an octadecano phase change material. In addition, when the heat source temperature of the thermoelectric element is 100 ° C, the second material may include a CaBr 2 -4H 2 O phase change material.

또한, 상기 제 2 물질은 일정한 열전도도를 가질 수 있다. 자세하게, 상기 제 2 물질의 열전도도는 0.5W/mk를 초과하고, 3.0W/mk 미만일 수 있다. 상기 제 2 물질의 열전도도가 0.5W/mk 미만인 경우, 상기 중간층(3000)의 전체적인 열 전도도가 저하될 수 있어, 전체적인 열전 소자의 특성이 저하될 수 있다. 또한, 상기 제 2 물질의 열전도도가 3.3W/mk을 초과하는 경우, 상기 중간층(3000)의 전체적인 잠열 성능이 저하되어 성능 유지 시간이 감소될 수 있어, 전체적인 열전 소자의 특성이 저하될 수 있다In addition, the second material may have a constant thermal conductivity. In detail, the thermal conductivity of the second material may be greater than 0.5 W / mk and less than 3.0 W / mk. If the thermal conductivity of the second material is less than 0.5 W / mk, the overall thermal conductivity of the intermediate layer 3000 may be lowered and the overall characteristics of the thermoelectric device may be deteriorated. If the thermal conductivity of the second material is more than 3.3 W / mk, the overall latent heat capacity of the intermediate layer 3000 may be lowered, and the performance holding time may be reduced, thereby deteriorating the overall characteristics of the thermoelectric device

상기 제 1 물질과 상기 제 2 물질은 상기 중간층(3000)의 내부에 일정한 중량비로 포함될 수 있다. 상기 제 2 물질의 중량은 상기 제 1 물질의 중량보다 작을 수 있다. 자세하게, 상기 제 2 물질은 상기 중간층(3000)전체에 대해 약 40 중량% 내지 약 45 중량% 만큼 포함될 수 있다.The first material and the second material may be contained in the intermediate layer 3000 at a predetermined weight ratio. The weight of the second material may be less than the weight of the first material. In detail, the second material may be included in an amount of about 40 wt% to about 45 wt% with respect to the entirety of the intermediate layer (3000).

상기 제 2 물질이 상기 중간층(3000)전체에 대해 약 40 중량% 미만으로 포함되는 경우, 상기 하부 기판(110), 상기 상부 기판(160) 및 상기 열 전달 부재(2000)의 계면에 형성되는 요철 내부를 상기 중간층(3000)이 충분하게 메울 수 없어 접착층이 배치되지 않는 기공에 의해 열 전도도가 저하될 수 있다. 또한, 상기 제 2 물질이 상기 중간층(3000)전체에 대해 약 45 중량%을 초과하여 포함되는 경우, 제 1 물질의 양이 감소되어, 열전소자와 열 전달 부재의 접착력이 저하되어 열교환 장치의 신뢰성이 저하될 수 잇다.The lower substrate 110, the upper substrate 160, and the heat transfer member 2000, when the second material is included in an amount less than about 40% by weight with respect to the entirety of the intermediate layer 3000, The intermediate layer 3000 can not sufficiently fill the inside thereof, and the thermal conductivity may be lowered due to pores in which the adhesive layer is not disposed. In addition, when the second material is included in an amount greater than about 45% by weight with respect to the entirety of the intermediate layer 3000, the amount of the first material is reduced to decrease the adhesive force between the thermoelectric element and the heat transfer member, Can be degraded.

이하, 실시예들 및 비교예들에 따른 열교환 장치를 통하여 본 발명을 좀더 상세하게 설명한다. 이러한 실시예는 본 발명을 좀더 상세하게 설명하기 위하여 예시로 제시한 것에 불과하다. 따라서 본 발명이 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the heat exchanger according to the embodiments and the comparative examples. These embodiments are merely illustrative of the present invention in order to explain the present invention in more detail. Therefore, the present invention is not limited to these embodiments.

실시예 1Example 1

열전소자와 열 전달 부재 사이에 중간층을 배치하고, 상기 중간층을 통해 상기 열전소자와 상기 열 전달 부재를 접착하였다.An intermediate layer is disposed between the thermoelectric element and the heat transfer member, and the thermoelectric element and the heat transfer member are bonded through the intermediate layer.

이때, 상기 중간층은 서머 구리스(Thermal Grease) 및 상 변화 물질을 포함하였고, 상 변화 물질의 멜팅 온도는 하기와 같았다.At this time, the intermediate layer included a thermal grease and a phase change material, and the melting temperature of the phase change material was as follows.

열원의 온도(℃)+8℃ ≤ 상 변화 물질의 멜팅 온도(Tm) ≤ 열원의 온도(℃)+16℃Temperature of heat source (℃) + 8 ℃ ≤ Melting temperature of phase change material (Tm) ≤ Temperature of heat source (℃) + 16 ℃

이어서, 상기 열교환 장치의 성능 특성 및 생산성을 측정하였다.Then, the performance characteristics and the productivity of the heat exchanger were measured.

비교예 1Comparative Example 1

상 변화 물질의 멜팅 온도는 하기와 같았다는 점을 제외하고는 실시예1과 동일하게 열교환 장치를 제조한 후, 열교환 장치의 성능 특성 및 생산성을 측정하였다.The performance and productivity of the heat exchanger were measured after the heat exchanger was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the melting temperature of the phase change material was as follows.

열원의 온도(℃) ≤ 상 변화 물질의 멜팅 온도(Tm) ≤ 열원의 온도(℃)+8℃Heat source temperature (캜) ≤ Melting temperature (Tm) of phase change material ≤ Temperature of heat source (℃) + 8 ℃

비교예 2Comparative Example 2

상 변화 물질의 멜팅 온도는 하기와 같았다는 점을 제외하고는 실시예1과 동일하게 열교환 장치를 제조한 후, 열교환 장치의 성능 특성 및 생산성을 측정하였다.The performance and productivity of the heat exchanger were measured after the heat exchanger was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the melting temperature of the phase change material was as follows.

열원의 온도(℃)+4℃ ≤ 상 변화 물질의 멜팅 온도(Tm) ≤ 열원의 온도(℃)+12℃Temperature of heat source (℃) + 4 ℃ ≤ Melting temperature of phase change material (Tm) ≤ Temperature of heat source (℃) + 12 ℃

비교예 3Comparative Example 3

상 변화 물질의 멜팅 온도는 하기와 같았다는 점을 제외하고는 실시예1과 동일하게 열교환 장치를 제조한 후, 열교환 장치의 성능 특성 및 생산성을 측정하였다.The performance and productivity of the heat exchanger were measured after the heat exchanger was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the melting temperature of the phase change material was as follows.

열원의 온도(℃)+12℃ ≤ 상 변화 물질의 멜팅 온도(Tm) ≤ 열원의 온도(℃)+20℃Temperature of heat source (℃) + 12 ℃ ≤ Melting temperature of phase change material (Tm) ≤ Temperature of heat source (℃) + 20 ℃

비교예 4Comparative Example 4

상 변화 물질의 멜팅 온도는 하기와 같았다는 점을 제외하고는 실시예1과 동일하게 열교환 장치를 제조한 후, 열교환 장치의 성능 특성 및 생산성을 측정하였다.The performance and productivity of the heat exchanger were measured after the heat exchanger was manufactured in the same manner as in Example 1, except that the melting temperature of the phase change material was as follows.

열원의 온도(℃)+16℃ ≤ 상 변화 물질의 멜팅 온도(Tm) ≤ 열원의 온도(℃)+24℃Temperature of heat source (℃) + 16 ℃ ≤ Melting temperature of phase change material (Tm) ≤ Temperature of heat source (℃) + 24 ℃

실시예1Example 1 비교예1Comparative Example 1 비교예2Comparative Example 2 비교예3Comparative Example 3 비교예4Comparative Example 4 성능Performance 100%100% 5% 미만Less than 5% 15% 미만Less than 15% 100%100% 100%100% 생산성productivity 100%100% 0%0% 0%0% 75% 미만Less than 75% 50% 미만Less than 50%

표 1을 참조하면, 실시예1에 따른 열교환 장치는 비교예1 내지 비교예4에 따른 열교환 장치에 비해 성능 및 생산성이 좋은 것을 알 수 있다.Referring to Table 1, it can be seen that the heat exchanger according to the first embodiment has better performance and productivity than the heat exchanger according to the first to fourth comparative examples.

즉, 비교예1 및 비교예2의 경우, 열원에 의해 상변화물질이 상 변화되면서, 서머 구리스의 기능을 방해하여 전체적인 열 전달 성능이 저하되고, 생산성이 저하될 수 있다.That is, in the case of Comparative Example 1 and Comparative Example 2, the phase change material is phase-changed by the heat source, which interferes with the function of the summer grease, so that the overall heat transfer performance is lowered and the productivity may be lowered.

또한, 비교예3 및 비교예4의 경우, 열 전달 성능은 유지되나, 높은 온도에 의해 서머 구리스가 변화됨에 따라 전체적인 생산성이 저하되는 것을 알 수 있다.In the case of Comparative Example 3 and Comparative Example 4, the heat transfer performance is maintained, but the overall productivity is lowered due to the change of the summer grease due to the high temperature.

실시예 2Example 2

열전소자와 열 전달 부재 사이에 중간층을 배치하고, 상기 중간층을 통해 상기 열전소자와 상기 열 전달 부재를 접착하였다.An intermediate layer is disposed between the thermoelectric element and the heat transfer member, and the thermoelectric element and the heat transfer member are bonded through the intermediate layer.

이때, 상기 중간층은 서머 구리스 및 상 변화 물질을 포함하였고, 상 변화 물질의 열전도도는 0.5W/mk를 초과하고, 3.0W/mk 미만이었다,At this time, the intermediate layer included a summer grease and a phase change material, and the thermal conductivity of the phase change material was more than 0.5 W / mk and less than 3.0 W / mk.

이어서, 상기 열교환 장치의 성능을 측정하였다.Then, the performance of the heat exchanger was measured.

비교예 5Comparative Example 5

상 변화 물질의 열전도도가 0.1W/mk 미만이었다는 점을 제외하고는 실시예2와 동일하게 열교환 장치를 제조한 후, 열교환 장치의 성능 특성을 측정하였다.The performance characteristics of the heat exchanger were measured after the heat exchanger was manufactured in the same manner as in Example 2 except that the thermal conductivity of the phase change material was less than 0.1 W / mk.

비교예 6Comparative Example 6

상 변화 물질의 열전도도가 0.1W/mk 내지 0.5W/mk이었다는 점을 제외하고는 실시예2와 동일하게 열교환 장치를 제조한 후, 열교환 장치의 성능 특성을 측정하였다.The performance characteristics of the heat exchanger were measured after the heat exchanger was manufactured in the same manner as in Example 2, except that the thermal conductivity of the phase change material was 0.1 W / mK to 0.5 W / mK.

비교예 7Comparative Example 7

상 변화 물질의 열전도도가 3.0W/mk 내지 5.0/mk이었다는 점을 제외하고는 실시예2와 동일하게 열교환 장치를 제조한 후, 열교환 장치의 성능 특성을 측정하였다.The performance characteristics of the heat exchanger were measured after the heat exchanger was manufactured in the same manner as in Example 2, except that the thermal conductivity of the phase change material was 3.0 W / mk to 5.0 / mk.

비교예 8Comparative Example 8

상 변화 물질의 열전도도가 5.0/mk을 초과하였다는 점을 제외하고는 실시예2와 동일하게 열교환 장치를 제조한 후, 열교환 장치의 성능 특성을 측정하였다.The performance characteristics of the heat exchanger were measured after the heat exchanger was manufactured in the same manner as in Example 2, except that the thermal conductivity of the phase change material exceeded 5.0 / mk.

실시예2Example 2 비교예5Comparative Example 5 비교예6Comparative Example 6 비교예7Comparative Example 7 비교예8Comparative Example 8 성능Performance 100%100% 5% 미만Less than 5% 30% 미만Less than 30% 60% 미만Less than 60% 5% 미만Less than 5%

표 2를 참조하면, 실시예2에 따른 열교환 장치는 비교예5 내지 비교예8에 따른 열교환 장치에 비해 성능이 좋은 것을 알 수 있다.Referring to Table 2, it can be seen that the heat exchanger according to the second embodiment has better performance than the heat exchanger according to the comparative examples 5 to 8. [

즉, 비교예5 및 비교예6의 경우, 상 변화 물질의 열전도도가 서머 구리스에 비해 낮아 중간층의 전체적인 열전달 성능이 저하될 수 있다.That is, in the case of Comparative Example 5 and Comparative Example 6, the thermal conductivity of the phase change material is lower than that of the summer grease, so that the overall heat transfer performance of the intermediate layer may be lowered.

또한, 비교예7 및 비교예8의 경우, 중간층의 잠열 성능이 감소되어 성능 유지 시간이 감소됨에 따라 성능이 저하될 수 있다.In the case of Comparative Example 7 and Comparative Example 8, the performance may be lowered as the latent heat capacity of the intermediate layer is reduced and the performance holding time is decreased.

실시예 3Example 3

열전소자와 열 전달 부재 사이에 중간층을 배치하고, 상기 중간층을 통해 상기 열전소자와 상기 열 전달 부재를 접착하였다.An intermediate layer is disposed between the thermoelectric element and the heat transfer member, and the thermoelectric element and the heat transfer member are bonded through the intermediate layer.

이때, 상기 중간층은 서머 구리스 및 상 변화 물질을 포함하였고, 상 변화 물질은 상기 중간층 전체에 대해 40 중량% 내지 45 중량% 만큼 포함되었다.At this time, the intermediate layer included a summer grease and a phase change material, and the phase change material was included in an amount of 40 wt% to 45 wt% with respect to the entirety of the intermediate layer.

이어서, 상기 열교환 장치의 성능을 측정하였다.Then, the performance of the heat exchanger was measured.

비교예 9Comparative Example 9

상 변화 물질이 상기 중간층 전체에 대해 30 중량% 미만으로 포함되었다는 점을 제외하고는 실시예3과 동일하게 열교환 장치를 제조한 후, 열교환 장치의 성능 특성을 측정하였다.The performance characteristics of the heat exchanger were measured after the heat exchanger was manufactured in the same manner as in Example 3, except that the phase change material was contained in an amount of less than 30% by weight based on the entirety of the intermediate layer.

비교예 10Comparative Example 10

상 변화 물질이 상기 중간층 전체에 대해 30 중량% 내지 40 중량% 만큼 포함되었다는 점을 제외하고는 실시예3과 동일하게 열교환 장치를 제조한 후, 열교환 장치의 성능 특성을 측정하였다.The performance characteristics of the heat exchanger were measured after the heat exchanger was manufactured in the same manner as in Example 3, except that 30% by weight to 40% by weight of the phase change material was included in the entire middle layer.

비교예 11Comparative Example 11

상 변화 물질이 상기 중간층 전체에 대해 45 중량% 내지 55 중량% 만큼 포함되었다는 점을 제외하고는 실시예3과 동일하게 열교환 장치를 제조한 후, 열교환 장치의 성능 특성을 측정하였다.The performance characteristics of the heat exchanger were measured after the heat exchanger was manufactured in the same manner as in Example 3, except that the phase change material was contained in an amount of 45 wt% to 55 wt% with respect to the entirety of the intermediate layer.

비교예 12Comparative Example 12

상 변화 물질이 상기 중간층 전체에 대해 55 중량%를 초과하여 포함되었다는 점을 제외하고는 실시예3과 동일하게 열교환 장치를 제조한 후, 열교환 장치의 성능 특성을 측정하였다.The performance characteristics of the heat exchanger were measured after the heat exchanger was manufactured in the same manner as in Example 3, except that the phase change material was contained in an amount exceeding 55 wt% with respect to the entirety of the intermediate layer.

실시예3Example 3 비교예9Comparative Example 9 비교예10Comparative Example 10 비교예11Comparative Example 11 비교예12Comparative Example 12 성능Performance 100%100% 15% 미만Less than 15% 80% 미만Less than 80% 15% 미만Less than 15% 0%0%

표 3을 참조하면, 실시예3에 따른 열교환 장치는 비교예9 내지 비교예12에 따른 열교환 장치에 비해 성능이 좋은 것을 알 수 있다.Referring to Table 3, it can be seen that the heat exchanger according to the third embodiment has better performance than the heat exchanger according to the comparative examples 9 to 12.

즉, 비교예9 및 비교예10의 경우, 상 변화 물질의 중량이 작아 상 변화 물질이 요철 패턴 내부에 충분하게 침투하지 못해 중간층의 전체적인 열전달 성능이 저하될 수 있다.That is, in the case of Comparative Example 9 and Comparative Example 10, since the weight of the phase change material is so small that the phase change material can not sufficiently penetrate into the concavo-convex pattern, the overall heat transfer performance of the intermediate layer may be deteriorated.

또한, 비교예11 및 비교예12의 경우, 서머 구리스의 중량이 작아 서머 구리스의 전체적인 점도가 저하되고, 이에 따라, 접착 성능 등이 저하될 수 있다.Further, in the case of Comparative Example 11 and Comparative Example 12, the weight of the summer grease is so small that the overall viscosity of the summer grease is lowered, and therefore the adhesion performance and the like may be lowered.

이하, 도 11 내지 도 14를 참조하여, 실시예에 따른 열교환 장치의 제조 공정을 설명한다.Hereinafter, the manufacturing process of the heat exchanger according to the embodiment will be described with reference to FIGS. 11 to 14. FIG.

도 11을 참조하면, 먼저 열전소자(1000) 상에 중간층(3000)을 배치할 수 있다. 상기 중간층(3000)은 앞서 설명하였듯이, 열 전달 물질 및 상 변화 물질을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 11, the intermediate layer 3000 may be disposed on the thermoelectric element 1000 first. The intermediate layer 3000 may include a heat transfer material and a phase change material, as described above.

이어서, 도 12를 참조하면, 상기 중간층(3000) 상에 열 전달 부재(2000)를 배치하여, 상기 열전소자(1000)와 상기 열 전달 부재(2000)를 접합할 수 있다.12, a heat transfer member 2000 may be disposed on the intermediate layer 3000 to bond the thermoelectric element 1000 and the heat transfer member 2000 together.

이어서, 도 13을 참조하면, 상기 중간층(3000)의 온도를 상기 중간층(3000)에 포함되는 상 변환 물질의 멜팅 온도 이상으로 승온시킬 수 있다. 이에 따라, 상기 중간층(3000)은 고상에서 액상으로 상 변화될 수 있다. 즉, 상기 중간층(3000)은 온도가 승온됨에 따라 액화될 수 있다.Referring to FIG. 13, the temperature of the intermediate layer 3000 may be raised to a temperature higher than the melting temperature of the phase change material included in the intermediate layer 3000. Accordingly, the intermediate layer 3000 may be phase-changed from a solid phase to a liquid phase. That is, the intermediate layer 3000 may be liquefied as the temperature is raised.

상기 중간층(3000)은 고상에서 액상으로 상 변화되면서, 상기 열전소자(1000)와 상기 열 전달 부재(2000)의 계면에 형성되는 요철 패턴의 내부로 침투할 수 있다. 즉, 상기 중간층(3000)은 상기 요철 패턴의 내부를 메울 수 있다.The intermediate layer 3000 may be changed into a liquid phase from a solid phase and penetrate into the inside of the concavo-convex pattern formed at the interface between the thermoelectric element 1000 and the heat transfer member 2000. That is, the intermediate layer 3000 may fill the inside of the concavo-convex pattern.

이어서, 도 14를 참조하면, 상기 중간층(3000)의 온도를 상기 중간층(3000)에 포함되는 상 변환 물질의 멜팅 온도 이하으로 감온시킬 수 있다. 이에 따라, 상기 중간층(3000)은 액상에서 고상으로 상 변화될 수 있다. 즉, 상기 중간층(3000)은 온도가 감온됨에 따라 고상화될 수 있다.Referring to FIG. 14, the temperature of the intermediate layer 3000 may be lowered to a temperature below the melting temperature of the phase change material included in the intermediate layer 3000. Accordingly, the intermediate layer 3000 may be phase-changed from a liquid phase to a solid phase. That is, the intermediate layer 3000 can be solidified as the temperature is lowered.

이하, 도 15 내지 도 18을 참조하여, 실시예에 따른 열교환 장치의 다른 제조 공정을 설명한다.Hereinafter, another manufacturing process of the heat exchanger according to the embodiment will be described with reference to FIGS. 15 to 18. FIG.

도 15를 참조하면, 먼저 열전소자(1000) 상에 중간층(3000)을 배치할 수 있다. 상기 중간층(3000)은 앞서 설명하였듯이, 열 전달 물질 및 상 변화 물질을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 15, the intermediate layer 3000 may be disposed on the thermoelectric element 1000 first. The intermediate layer 3000 may include a heat transfer material and a phase change material, as described above.

이어서, 도 16을 참조하면, 상기 중간층(3000)의 온도를 상기 중간층(3000)에 포함되는 상 변환 물질의 멜팅 온도 이상으로 승온시킬 수 있다. 이에 따라, 상기 중간층(3000)은 고상에서 액상으로 상 변화될 수 있다. 즉, 상기 중간층(3000)은 온도가 승온됨에 따라 액화될 수 있다.Referring to FIG. 16, the temperature of the intermediate layer 3000 may be raised to a temperature higher than the melting temperature of the phase change material included in the intermediate layer 3000. Accordingly, the intermediate layer 3000 may be phase-changed from a solid phase to a liquid phase. That is, the intermediate layer 3000 may be liquefied as the temperature is raised.

상기 중간층(3000)은 고상에서 액상으로 상 변화되면서, 상기 열전소자(1000)의 계면에 형성되는 요철 패턴의 내부로 침투할 수 있다. 즉, 상기 중간층(3000)은 상기 요철 패턴의 내부를 메울 수 있다.The intermediate layer 3000 may be changed from a solid phase to a liquid phase and penetrate into the inside of the concavo-convex pattern formed at the interface of the thermoelectric element 1000. That is, the intermediate layer 3000 may fill the inside of the concavo-convex pattern.

이어서, 도 17을 참조하면, 상기 중간층(3000)의 온도를 상기 중간층(3000)에 포함되는 상 변환 물질의 멜팅 온도 이하으로 감온시킬 수 있다. 이에 따라, 상기 중간층(3000)은 액상에서 고상으로 상 변화될 수 있다. 즉, 상기 중간층(3000)은 온도가 감온됨에 따라 고상화될 수 있다.Referring to FIG. 17, the temperature of the intermediate layer 3000 may be lowered to a temperature below the melting temperature of the phase change material included in the intermediate layer 3000. Accordingly, the intermediate layer 3000 may be phase-changed from a liquid phase to a solid phase. That is, the intermediate layer 3000 can be solidified as the temperature is lowered.

이어서, 도 18을 참조하면, 상기 중간층(3000) 상에 열 전달 부재(2000)를 배치하여, 상기 열전소자(1000)와 상기 열 전달 부재(2000)를 접합할 수 있다.18, a heat transfer member 2000 may be disposed on the intermediate layer 3000 to bond the thermoelectric element 1000 and the heat transfer member 2000 together.

이하, 도 19 내지 도 21을 참조하여, 실시예에 따른 열교환 장치의 또 다른 제조 공정을 설명한다.Hereinafter, another manufacturing process of the heat exchanger according to the embodiment will be described with reference to FIGS. 19 to 21. FIG.

도 19를 참조하면, 먼저 열전소자(1000) 및 열 전달 부재(2000)상에 각각 중간층(3000)을 배치할 수 있다. 즉, 상기 중간층(3000)은 열전소자(1000) 및 열 전달 부재(2000)에 모두 배치될 수 있다. 상기 중간층(3000)은 앞서 설명하였듯이, 열 전달 물질 및 상 변화 물질을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 19, the intermediate layer 3000 may be disposed on the thermoelectric element 1000 and the heat transfer member 2000, respectively. That is, the intermediate layer 3000 may be disposed on both the thermoelectric elements 1000 and the heat transfer member 2000. The intermediate layer 3000 may include a heat transfer material and a phase change material, as described above.

이어서, 도 20을 참조하면, 상기 중간층(3000)의 온도를 상기 중간층(3000)에 포함되는 상 변환 물질의 멜팅 온도 이상으로 승온시킬 수 있다. 이에 따라, 상기 중간층(3000)은 고상에서 액상으로 상 변화될 수 있다. 즉, 상기 중간층(3000)은 온도가 승온됨에 따라 액화될 수 있다.Referring to FIG. 20, the temperature of the intermediate layer 3000 may be raised to a temperature higher than a melting temperature of the phase change material included in the intermediate layer 3000. Accordingly, the intermediate layer 3000 may be phase-changed from a solid phase to a liquid phase. That is, the intermediate layer 3000 may be liquefied as the temperature is raised.

상기 중간층(3000)은 고상에서 액상으로 상 변화되면서, 상기 열전소자(1000)와 상기 열 전달 부재(2000)의 계면에 형성되는 요철 패턴의 내부로 침투할 수 있다. 즉, 상기 중간층(3000)은 상기 요철 패턴의 내부를 메울 수 있다.The intermediate layer 3000 may be changed into a liquid phase from a solid phase and penetrate into the inside of the concavo-convex pattern formed at the interface between the thermoelectric element 1000 and the heat transfer member 2000. That is, the intermediate layer 3000 may fill the inside of the concavo-convex pattern.

이어서, 도 21을 참조하면, 상기 열전소자(1000)와 상기 열 전달 부재(2000)를 접합한 후, 상기 중간층(3000)의 온도를 상기 중간층(3000)에 포함되는 상 변환 물질의 멜팅 온도 이하으로 감온시킬 수 있다. 이에 따라, 상기 중간층(3000)은 액상에서 고상으로 상 변화될 수 있다. 즉, 상기 중간층(3000)은 온도가 감온됨에 따라 고상화될 수 있다.21, after the thermoelectric element 1000 and the heat transfer member 2000 are bonded to each other, the temperature of the intermediate layer 3000 is lower than the melting temperature of the phase change material contained in the intermediate layer 3000 . Accordingly, the intermediate layer 3000 may be phase-changed from a liquid phase to a solid phase. That is, the intermediate layer 3000 can be solidified as the temperature is lowered.

실시예에 따른 열교환 장치는 열전소자와 열 전달 부재 사이에 상 변화 물질을 포함하는 중간층을 포함할 수 있다.The heat exchanger according to the embodiment may include an intermediate layer including a phase change material between the thermoelectric element and the heat transfer member.

이에 따라, 열전소자와 열 전달 부재를 접합할 때, 열전소자와 열 전달 부재의 접합 계면에 형성되어 있는 요철 패턴 내부를 상 변화 물질로 충진할 수 있다. 즉, 열전소자와 열 전달 부재의 접합 계면의 표면 조도를 감소시킬 수 있다.Accordingly, when bonding the thermoelectric element and the heat transfer member, the inside of the concave / convex pattern formed at the bonding interface between the thermoelectric element and the heat transfer member can be filled with the phase change material. That is, the surface roughness of the bonding interface between the thermoelectric element and the heat transfer member can be reduced.

이에 따라, 열전소자와 중간층 및 열 전달 부재와 중간층의 접촉 면적을 증가시킬 수 있어, 접합 신뢰성을 향상시킬 수 있다.As a result, the contact area between the thermoelectric element and the intermediate layer, the heat transfer member and the intermediate layer can be increased, and the reliability of bonding can be improved.

또한, 접합 계면에서의 기공을 감소시킴으로써, 중간층에서의 열전도도를 향상시킴으로써, 열 전달성을 향상시켜, 열교환 장치의 전체적인 특성을 향상시킬 수 있다.Further, by reducing the pore at the bonding interface, the thermal conductivity can be improved by improving the thermal conductivity in the intermediate layer, and the overall characteristics of the heat exchange device can be improved.

예를 들어, 열교환 장치를 냉각 모듈로 적용하는 경우, 열 전달 부재의 방열량을 증가시켜 냉각 온도 성늘을 향상시킬 수 있다. 또한, 열교환 장치를 발전 모듈로 적용하는 경우 열 전달 부재의 열 전달을 향상시킬 수 있어, 열전소자 내부의 온도차를 크게할 수 있어 발전량을 증가시킬 수 있다.For example, when the heat exchanger is applied as a cooling module, it is possible to increase the amount of heat dissipation of the heat transfer member to improve the temperature of the cooling temperature. In addition, when the heat exchanger is used as a power generation module, the heat transfer of the heat transfer member can be improved, and the temperature difference inside the thermoelectric device can be increased, so that the power generation amount can be increased.

본 발명의 실시예에 따른 열전 소자는 펠티에 효과 또는 제벡 효과를 이용하여발전용 장치, 냉각용 장치, 온열용 장치 열전달 부재 등에 작용될 수 있다. 구체적으로는, 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자는 주로 광통신 모듈, 센서, 의료 기기, 측정 기기, 항공 우주 산업, 냉장고, 칠러(chiller), 자동차 통풍 시트, 컵 홀더, 세탁기, 건조기, 와인셀러, 정수기, 센서용 전원 공급 장치, 서모파일(thermopile) 등에 적용될 수 있다. The thermoelectric element according to the embodiment of the present invention can be applied to a power generating device, a cooling device, a heat transferring device, or the like using a Peltier effect or a Seebeck effect. Specifically, the thermoelectric device according to an embodiment of the present invention mainly includes an optical communication module, a sensor, a medical instrument, a measuring instrument, an aerospace industry, a refrigerator, a chiller, a ventilation sheet, a cup holder, a washing machine, , A water purifier, a power supply for a sensor, a thermopile, and the like.

여기서, 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자가 의료 기기에 적용되는 예로, PCR(Polymerase Chain Reaction) 기기가 있다. PCR 기기는 DNA를 증폭하여 DNA의 염기 서열을 결정하기 위한 장비이며, 정밀한 온도 제어가 요구되고, 열 순환(thermal cycle)이 필요한 기기이다.Here, as an example in which the thermoelectric element according to the embodiment of the present invention is applied to a medical instrument, there is a PCR (Polymerase Chain Reaction) device. The PCR device is a device for amplifying DNA to determine the DNA sequence and is a device that requires precise temperature control and thermal cycling.

본 발명의 실시예에 따른 열전 소자가 의료 기기에 적용되는 다른 예로, 광 검출기가 있다. 여기서, 광 검출기는 적외선/자외선 검출기, CCD(Charge Coupled Device) 센서, X-ray 검출기, TTRS(Thermoelectric Thermal Reference Source) 등이 있다. 광 검출기 내부의 온도 상승으로 인한 파장 변화, 출력 저하 및 해상력 저하 등을 방지를 위하여 광 검출기의 냉각(cooling)을 위해 적용될 수 있다.Another example in which a thermoelectric element according to an embodiment of the present invention is applied to a medical instrument is a photodetector. Here, the photodetector includes an infrared / ultraviolet detector, a CCD (Charge Coupled Device) sensor, an X-ray detector, and a TTRS (Thermoelectric Thermal Reference Source). Can be applied for cooling the photodetector in order to prevent a wavelength change, an output drop, and a resolution degradation due to a temperature rise inside the photodetector.

본 발명의 실시예에 따른 열전 소자가 의료 기기에 적용되는 또 다른 예로, 면역 분석(immunoassay) 분야, 인비트로 진단(In vitro Diagnostics) 분야, 온도 제어 및 냉각 시스템(general temperature control and cooling systems), 물리 치료 분야, 액상 칠러 시스템, 혈액/플라즈마 온도 제어 분야 등이 있다. 이에 따라, 정밀한 온도 제어가 가능하다. Another example in which a thermoelectric device according to an embodiment of the present invention is applied to a medical instrument includes an immunoassay field, an in vitro diagnostics field, a general temperature control and cooling system, Physiotherapy field, liquid chiller system, and blood / plasma temperature control field. Thus, precise temperature control is possible.

본 발명의 실시예에 따른 열전 소자가 의료 기기에 적용되는 또 다른 예로, 인공 심장이 있다. 이에 따라, 인공 심장으로 전원을 공급할 수 있다. Another example in which a thermoelectric element according to an embodiment of the present invention is applied to a medical instrument is an artificial heart. Thus, power can be supplied to the artificial heart.

본 발명의 실시예에 따른 열전 소자가 항공 우주 산업에 적용되는 예로, 별 추적 시스템, 열 이미징 카메라, 적외선/자외선 검출기, CCD 센서, 허블 우주 망원경, TTRS 등이 있다. 이에 따라, 이미지 센서의 온도를 유지할 수 있다. Examples of applications of the thermoelectric devices according to the embodiments of the present invention to the aerospace industry include star tracking systems, thermal imaging cameras, infrared / ultraviolet detectors, CCD sensors, Hubble Space Telescopes and TTRS. Accordingly, the temperature of the image sensor can be maintained.

본 발명의 실시예에 따른 열전 소자가 항공 우주 산업에 적용되는 다른 예로, 냉각 장치, 히터, 발전 장치 등이 있다. Other examples in which the thermoelectric device according to the embodiment of the present invention is applied to the aerospace industry include a cooling device, a heater, a power generation device, and the like.

이 외에도 본 발명의 실시예에 따른 열전 소자는 기타 산업 분야에 발전, 냉각 및 온열을 위하여 적용될 수 있다. In addition, the thermoelectric device according to the embodiment of the present invention can be applied to power generation, cooling, and heating in other industrial fields.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the present invention as defined by the following claims It can be understood that

Claims (11)

열전소자;
상기 열전소자의 일면 상에 배치되는 열 전달 부재; 및
상기 열전소자 및 상기 열 전달 부재 사이에 배치되는 중간층을 포함하고,
상기 열전소자는,
하부 기판;
상기 하부 기판 상에 배치되는 상부 기판;
상기 하부 기판 및 상기 상부 기판 사이에 배치되는 복수 개의 레그;
상기 레그와 상기 하부 기판을 연결하는 하부 전극; 및
상기 레그와 상기 하부 기판을 연결하는 상부 전극을 포함하고,
상기 중간층은 열 전달 물질 및 상 변화 물질을 포함하고,
상기 상 변화 물질의 녹는점은 하기 수식을 만족하는 열교환 장치.
[수식]
열원의 온도(℃)+8℃ ≤ 제 2 물질의 녹는점 ≤ 열원의 온도(℃)+16℃
Thermoelectric elements;
A heat transfer member disposed on one surface of the thermoelectric element; And
And an intermediate layer disposed between the thermoelectric element and the heat transfer member,
The thermoelectric element includes:
A lower substrate;
An upper substrate disposed on the lower substrate;
A plurality of legs disposed between the lower substrate and the upper substrate;
A lower electrode connecting the leg and the lower substrate; And
And an upper electrode connecting the leg and the lower substrate,
Wherein the intermediate layer comprises a heat transfer material and a phase change material,
Wherein the melting point of the phase change material satisfies the following equation.
[Equation]
Temperature of heat source (℃) + 8 ℃ ≤ Melting point of second material ≤ Temperature of heat source (℃) + 16 ℃
제 1항에 있어서,
상기 상 변화 물질의 중량은 상기 열 전달 물질의 중량보다 작은 열교환 장치.
The method according to claim 1,
Wherein the weight of the phase change material is less than the weight of the heat transfer material.
제 2항에 있어서,
상기 상 변환 물질은 상기 중간층 전체에 대해 40 중량% 내지 45 중량% 만큼 포함되는 열교환 장치.
3. The method of claim 2,
Wherein the phase change material is included in an amount of 40 wt% to 45 wt% with respect to the entirety of the intermediate layer.
제 1항에 있어서,
상기 상 변화 물질의 열전도도는 0.5W/mk를 초과하고, 3.0W/mk 미만인 열교환 장치.
The method according to claim 1,
Wherein the phase change material has a thermal conductivity of greater than 0.5 W / mk and less than 3.0 W / mk.
제 1항에 있어서,
상기 열 전달 부재와 마주보는 상기 하부 기판의 일면, 상기 열 전달 부재와 마주보는 상기 상부 기판의 일면 및 상기 하부 기판 및 상기 상부 기판 중 적어도 하나의 기판과 마주보는 상기 열 전달 부재의 일면 중 적어도 하나의 일면의 표면 조도는 0.4㎛ 이하인 열교환 장치.
The method according to claim 1,
At least one of the one surface of the lower substrate facing the heat transfer member, one surface of the upper substrate facing the heat transfer member, and one surface of the heat transfer member facing the substrate of at least one of the lower substrate and the upper substrate Wherein the surface roughness of one surface of the heat exchanger is 0.4 탆 or less.
제 1항에 있어서,
상기 열 전달 부재와 마주보는 상기 하부 기판의 일면, 상기 열 전달 부재와 마주보는 상기 상부 기판의 일면 및 상기 하부 기판 및 상기 상부 기판 중 적어도 하나의 기판과 마주보는 상기 열 전달 부재의 일면 중 적어도 하나의 일면의 표면에는 요철 패턴을 포함하는 열교환 장치.
The method according to claim 1,
At least one of the one surface of the lower substrate facing the heat transfer member, one surface of the upper substrate facing the heat transfer member, and one surface of the heat transfer member facing the substrate of at least one of the lower substrate and the upper substrate And a concavo-convex pattern on the surface of one surface of the heat exchanger.
제 5항 또는 6항에 있어서,
상기 중간층은 상기 요철 패턴의 내부를 메우면서 배치되는 열교환 장치.
The method according to claim 5 or 6,
And the intermediate layer is disposed while filling the inside of the concavo-convex pattern.
제 1항에 있어서,
상기 상 변화 물질은 상기 열전소자의 열원 온도 크기에 따라 달라지는 열교환 장치
The method according to claim 1,
Wherein the phase change material is a heat exchange device that varies depending on a size of a heat source temperature of the thermoelectric element,
제 1항에 있어서,
상기 열전소자는 펠티에(Peltier) 소자인 열교환 장치.
The method according to claim 1,
Wherein the thermoelectric element is a Peltier element.
제 1항에 있어서,
상기 열전소자는 제벡(Seebeck) 소자인 열교환 장치.
The method according to claim 1,
Wherein the thermoelectric element is a Seebeck element.
제 1항에 있어서,
상기 열 전달 물질은 서머 구리스(Thermal Grease)인 열교환 장치.


The method according to claim 1,
Wherein the heat transfer material is a thermal grease.


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