KR101079325B1 - 금속박판을 사용하는 열전소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 냉각가열용 또는 열전발전용으로 사용되는 열전소자에 있어서, P형과 N형 열전반도체 펠렛을 전기적으로 연결하면서 동시에 구조적 안정성을 부여하기 위하여 연성 및 열전도성이 우수한 금속박판 위에 전기절연체를 코팅하고, 그 위에 솔더링을 위한 전기접점을 형성한 후 그 전기접점 면에 P형과 N형 열전반도체 펠렛을 솔더링하여 구성되는 열전소자에 관한 것이다.

열전소자, 금속박판, P형 열전반도체, N형 열전반도체, 펠렛, 전기접점, 열전달핀

Description

금속박판을 사용하는 열전소자{Thermoelectric Module Using Insulated Thin Metal Sheets}

본 발명은 냉각가열용 또는 열전발전용으로 사용되는 열전소자에 있어서, P형과 N형 열전반도체 펠렛을 전기적으로 연결하면서 동시에 구조적 안정성을 부여하기 위하여 연성 및 열전도성이 우수한 금속박판 위에 전기절연체를 코팅하고, 그 위에 솔더링을 위한 전기접점을 형성한 후 그 전기접점 면에 P형과 N형 열전반도체 펠렛을 솔더링하여 구성되는 열전소자에 관한 것이다.

지금까지 냉각가열용 또는 열전발전용에 사용되는 열전소자는 도 1에 도시한 것 같이 열전소자의 P형 열전반도체 펠렛과 N형 열전반도체 펠렛의 구조적 안정성을 부여하기 위하여 양쪽면에 일정한 두께를 갖는 세라믹판(1)을 접합하여 사용하고 있다. 세라믹판(1)은 열전도성이 있는 알루미늄옥사이드계열의 세라믹재질이며 전기적으로 부도체이다. 이 세라믹판 표면에 P형과 N형 열전반도체 펠렛(2)을 솔더링하기 위하여 전기접점(3)이 형성되며 전기접점 상에서 솔더링을 통해 열전소자 펠렛은 전기적으로 연결된다. 리드선(4)를 통해 인가된 DC전압으로 열전소자는 펠티에 열전효과에 의하여 한쪽 세라믹판 면이 냉각되고 반대쪽면이 가열된다. 열전 발전소자로 사용될 경우에는 한쪽 세라믹판 면을 고온으로 유지하고 반대쪽면을 저온으로 유지하면 제벡 열전효과에 의해 리드선을 통해 DC전압을 얻을 수 있다.

이러한 세라믹판 재질을 사용하는 기존 열전소자는 구조적인 안정성은 높으나 세라믹판의 약한 취성으로 인하여 조립 및 운송 도중 크랙이 쉽게 발생하고 특히 열전달핀, 히트싱크 등의 열전달촉진매체와 스크류 체결을 수행할 경우에 열전소자 모서리부근에서의 체결력 편중이나 체결력 과다로 인하여 세라믹판에 크랙이 발생하거나 쉽게 깨지는 문제점이 상존하고 있으며, 열전소자 세라믹판의 가열면 또는 냉각면에 솔더링 접합되어 있는 열전펠렛의 열팽창계수와 세라믹판 재료의 열팽창계수의 상이로 인하여 열응력이 발생하여 장기적인 사용시 크랙이 발생하는 문제점을 안고 있다. 또한 세라믹판 재질은 열전도도가 금속에 비해 현저히 낮아 P형과 N형 열전반도체 펠렛에 의해 구현된 냉각가열 성능이 저하되는 문제가 심각하다.

상기한 바와 같이 세라믹판을 사용하는 열전소자의 문제점을 개선하고자 본 발명에서는 열전도도가 낮고 연성이 좋지 않은 세라믹판을 대체하여 열전도도가 높고 연성이 높은 금속을 이용하는, 전기절연체가 코팅된 고 열전도성의 금속박판 열전소자를 개발하게 되었다. 전기절연체가 코팅된 금속박판 모재로는 구리, 알루미늄, 스텐인레스 스틸 등 열전도성이 우수한 다양한 금속박판이 사용될 수 있다. 일 반 금속박판은 도체로서 전기가 잘 통하므로 전기절연체를 금속박판에 코팅하여 전기절연성이 있는 금속박판을 구현하였다. 전기절연체는 실리콘, 에폭시와 같이 전기절연이 가능한 재료가 사용된다. 이러한 전기절연체가 코팅된 금속박판에 전기접점을 형성한 후 P형과 N형 열전반도체 펠렛이 전기적으로 연결되도록 솔더링하여 접합한다. 전기절연 금속박판을 사용하는 본 발명의 열전소자는 기존의 세라믹판이 가지고 있는 심각한 문제점인 낮은 열전도도, 높은 취성, 낮은 연성 등을 완벽히 개선하여 높은 열전성능과 구조적 안정성을 크게 높일 수 있다.

전기절연 금속박판을 사용하는 본 발명의 열전소자는 기존의 세라믹판이 가지고 있는 심각한 문제점인 낮은 열전도도, 높은 취성, 낮은 연성 등을 완벽히 개선한다. 본 발명은 열전소자의 열전성능과 구조적 안정성을 크게 높여서 냉각 및 가열성능을 향상시키고, 조립 및 운반 중의 구조적 손상을 크게 감소시킬 수 있으며, 또한 열전소자의 사용 중에는 열전반도체 펠렛의 열적팽창과 접합모재의 열적팽창의 차이에 의해 발생할 수 있는 미세 크랙 등을 감소시켜 수명을 향상시킬수 있다.

도 2의 본 발명에 의해 전기절연체가 코팅된 금속박판(11)을 사용하는 열전소자로, 전기절연체가 코팅된 금속박판(11) 위에 전기접점(13)을 형성한 후 전기접점 상에 P형과 N형 열전반도체 펠렛(12)을 쌍으로 나란히 배치한 후 솔더링하여 접합된다. 펠렛의 솔더링은 핫플레이트 및 오븐, 리플로우 퍼니스 등의 고온로에서 수행될 수 있다. 전기절연체가 코팅된 금속박판(11)에 의해 결합된 열전소자는 높은 연성과 열전도성에 의해 열전소자의 신뢰성과 성능을 획기적으로 향상시킨다.

도 3은 본 발명에 의해 전기절연체가 코팅된 금속박판의 단면도를 나타낸다. 금속박판(41)의 밑면에는 전기절연물질로 코팅된 전기절연층(42)이 형성되어 있으며 코팅된 전기절연물질위에 전기접점(43)을 접합한다. 이 전기접점 상에 P형과 N형 열전반도체 펠렛(45)이 배열되어 솔더링된다. 또한, 전기접점(43)이 형성된 금속박판의 반대쪽 면은 별도의 절연코팅이 필요없다. 열전달 촉진 장치인 열전달핀이나 히트싱크가 필요한 경우에는 일반적으로 이와 같은 열전달 촉진장치가 열전도도가 높은 금속으로 형성되므로 상기 금속박판의 전기접점(43)이 형성된 반대쪽 면에 열전달 촉진장치가 직접 솔더링으로 접착될 수 있다. 전기절연의 필요성이 있는 경우에는 전기접점(43)이 형성된 금속박판의 반대쪽면에도 전기절연물질을 코팅한 전기절연층(42)을 형성할 수 있다. 이러한 구조로 형성된 전기절연 금속박판은 연성이 매우 높아 휘어질 수 있어 내충격성이 높다. 또한 전기절연 금속박판의 전기접점(43) 접착전에 금속박판 위에 형성되는 전기절연층(42)은 미세한 두께를 갖는 연성층으로, 열전소자의 운반 및 조립도중의 크랙발생을 원천적으로 차단할 수 있으며, 열전소자에 전압이 인가되어 열전펠렛이 열적으로 팽창하거나 수축하는 경우에 열응력을 흡수하는 역할을 하여 열전소자의 수명을 획기적으로 증가시킨다.

도 4는 전기절연체가 코팅된 금속박판(21)을 사용하는 열전소자의 바깥쪽 면에 열전달 핀(22)이 부착된 실시예를 나타낸다. 지금까지 세라믹판을 사용하는 열전소자는 세라믹판에 금속의 열전달핀이 직접 솔더링되지 않아 접착제를 이용하여 접착하거나 열전소자의 양쪽면에 각각의 열전달핀을 놓고 서로 스크류 체결하거나 클램프 등을 이용하여 체결하여 구성하였다. 그러나 본 발명의 금속박판을 사용하는 열전소자는 전기절연된 금속박판의 바깥면에 솔더링이 가능한 금속표면을 형성하거나 금속박판의 전기접점면의 반대쪽 면에는 전기절연층을 코팅하지 않는 상태로 유지하므로써 열전달핀을 고온로에서 P형과 N형 열전반도체 펠렛의 솔더링과 동시에 열전달 핀의 솔더링이 가능하게 하였다. 솔더링이 열전소자의 고온면 및 저온면 양측에서 열전달핀과 직접으로 이루어 지므로 스크류체결이나 클램프 등을 사용함에 따른 열성능저하 문제와 체결력 조절문제, 복잡한 조립공정 문제를 완벽히 해결할 수 있다.

도 5는 전기절연체가 코팅된 금속박판(31)을 사용하는 열전소자의 바깥쪽 면에 히트싱크(32)가 부착된 실시예를 나타낸다. 열전달 핀과 마찬가지로 전기절연체가 코팅된 금속박판의 바깥쪽 면에 금속표면을 형성하거나 전기절연체 코팅을 하지 않은 금속표면으로 전기절연처리를 하지 않은 다음 히트싱크를 직접 솔더링하여 접합할 수 있다.

상기와 같은 전기절연체가 코팅된 금속박판은 P형과 N형 열전반도체 펠렛의 상하면 양쪽에 형성될 수 있고, 필요에 따라 한쪽 면만 금속박판으로 형성되며 다른 면은 통상의 세라믹판으로 형성될 수도 있다.

도1은 기존 세라믹판 열전소자의 구성도를 도시한 것이다.

도2는 본 발명에 따른 금속박판을 사용하는 열전소자의 구성도이다.

도3은 본 발명에 따른 금속박판을 사용하는 열전소자의 내부 단면도이다.

도4는 본 발명에 따른 금속박판을 사용하는 열전소자에 열전달핀이 부착된 모듈의 구성도이다.

도5는 본 발명에 따른 금속박판을 사용하는 열전소자에 히트싱크가 부착된 모듈의 구성도이다.

Claims (5)

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3. P형과 N형 열전반도체 펠렛과 금속박판을 포함하는 열전소자에 있어서, 상기 금속박판의 적어도 한 면에는 일정두께의 전기절연물질이 코팅된 전기절연층이 형성되어 있으며 상기 전기절연층 위에 형성된 전기접점 상에 상기 P형과 N형 열전반도체 펠렛이 솔더링되고, 동시에 상기 금속박판의 P형과 N형 열전반도체 펠렛과 접합되는 면의 반대쪽 면에 결합되는 열전달 핀 또는 히트싱크 또한 솔더링에 의해 결합되며,

   상기 전기절연층과 전기접점이 형성된 금속박판이 한쪽 면에 접합되는 P형과 N형 열전반도체 펠렛의 반대쪽 면에는 세라믹판이 접합된 것을 특징으로 하는 금속박판을 사용하는 열전소자.
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