KR101152079B1 - 열전기 모듈 장치 및 그에 사용된 열교환기 - Google Patents

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Abstract

열전기 모듈 장치(10)는 열간측으로부터 열을 흡수하여 냉간측으로 열을 전달하고, 열전기 모듈 장치는 열간측의 열 싱크(11), 냉간측의 다른 열 싱크(16), 일련의 펠티에 소자(PLT)로 구성되고, 일련의 펠티에 소자(PLT)는 상이한 전도성 유형의 반도체 소자(14)의 쌍과, 흡열 금속 전극(15) 및 발열 금속 전극(13)으로 형성되고, 열 싱크(11, 16)의 전체 주면은 피팅 구멍(11e) 및 방습 밀봉벽으로 인해 흡열 금속 전극(15) 및 발열 금속 전극(13)으로 이용 가능하지 않으므로, 이용 가능 영역에 대해 금속 전극(13, 15)이 점유하는 영역(13a, 15a)의 비율과 전체 주면에 대해 금속 전극(13, 15)을 이용 가능하지 않은 영역은 50%보다 작고 20%보다 크지 않다.
열전기 모듈 장치, 펠티에 소자, 열 싱크, 열교환, 열전달

Description

열전기 모듈 장치 및 그에 사용된 열교환기{THERMOELECTRIC MODULE DEVICE AND HEAT EXCHANGER USED THEREIN}
본 발명은 열전기 모듈 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 펠티에 소자(Peltier element)의 어레이와, 열전기 모듈 장치의 흡열 기판 및/또는 발열 기판에 연결된 열교환기 갖는 열전기 모듈 장치에 관한 것이다.
열전기 모듈 장치는 흡열 기판 상의 흡열 전극과 발열 기판 상의 발열 전극 사이에 제공되는 p형 반도체 소자 및 n형 반도체 소자의 배열을 갖고, 흡열 전극 및 발열 전극은 교대식으로 직렬 연결된 p형 반도체 소자 및 n형 반도체 소자로 만들어진다. 전류가 p형 반도체 소자 및 n형 반도체 소자를 통해 유동하면, p형 반도체 소자 및 n형 반도체 소자는 흡열 기판 및 발열 기판 사이에서 다른 온도를 유발한다. 전달되는 열의 양을 증가시키기 위해서, 열교환기는 흡열 기판 및/또는 발열 기판에 연결된다.
열교환기의 전형적인 예제는 일본특허출원공개 제2003-332642호에 개시되어 있다. 도 1a는 상기 일본특허출원공개에 개시된 종래 기술의 열전기 모듈 장치를 도시한다.
종래 기술의 열전기 모듈 장치는 도면부호 50으로 그 전체가 지시된다. 종래 기술의 열전기 모듈 장치(50)는 열교환기 또는 열 싱크(51), 전기 절연층(52), 금속층(53), 전도성 금속 전극(50a) 및 반도체 소자(55), 즉, p형 반도체 소자(55a) 및 n형 반도체 소자(55b)를 포함한다. p형 반도체 소자(55a), n형 반도체 소자(55b), 발열 금속 전극(54) 및 흡열 금속 전극(56)은 펠티에 소자(50a)를 형성한다. 열 싱크(51)는 알루미늄으로 제조되고, 전기 절연층(52)은 알루마이트로 제조된다. 전기 절연층(52)은 열 싱크(51) 상에 형성된다. 전도성 금속 전극(50a)은 두 개의 그룹, 즉 발열 전극(54) 및 흡열 전극(56)으로 분류된다. 금속층(53)은 아연 도금을 통해서 전기 절연층(52)의 주면(major surface)에 구리로 형성되고, 발열 금속 전극(54)과 동일한 패턴으로 놓인다.
발열 금속 전극(54)은 각각의 금속층(53)에 각각 제공되고, p형 반도체 소자(55a) 및 n형 반도체 소자(55b)의 쌍은 각각의 발열 금속 전극(54)과 접촉된다. 하나의 발열 금속 전극(54) 상의 p형 반도체 소자(55a) 및 n형 반도체 소자(55b)는 흡열 금속 전극(56)을 통해서 인접한 발열 금속 전극(54)의 n형 반도체 소자(55b)와 다른 흡열 금속 전극(56)을 통해서 다른 발열 금속 전극(54)의 p형 반도체 소자(55a)와 각각 연결된다. 따라서, p형 반도체 소자(55a) 및 n형 반도체 소자(55b)는 발열 금속 전극(54) 및 흡열 금속 전극(56)을 통해 교대식으로 직렬 연결된다.
도 1a에 도시되지 않았지만, 포텐셜 공급원은 p형 반도체 소자(55a) 및 n형 반도체 소자(55b)의 일련의 조합체의 한 단부에서의 발열 금속 전극(54)과 상기 일련의 조합체의 다른 단부에서의 발열 금속 전극(54) 사이에 연결된다. 전류가 p형 반도체 소자(55), 전도성 금속 전극(50a) 및 n형 반도체 소자(55b)의 일련의 조합체를 통해 유동하면, 흡열 금속 전극(56)은 발열 금속 전극(54) 및 열 싱크(51) 보다 온도가 높아진다
열전기 모듈 장치(50)와 같은 열전기 모듈 장치는 시장에서 판매되며, 다양한 소비 제품의 부품을 형성한다.
알루마이트의 전기 절연층(52)은 열 싱크(51)의 주면 위에 형성되고, 도 1b에 도시된 바와 같이 펠티에 소자(50a)에 의해 산발적으로 점유된다. 펠티에 소자(50a)에 의해 점유된 영역은 "유닛 점유 영역(57a, 57b, 57c)"으로 지칭되고, 유닛 점유 영역(57a, 57b, 57c)이 형성되는 엔벨로프(envelope)로 둘러싸인 영역은 "점유 영역"으로 지칭된다. 펠티에 소자(50a)에 의해 점유되기 불가능한 영역은 "비점유 영역"으로 지칭된다. 도면 부호 "57x"는 열 싱크(51)의 전체 주면을 지시한다.
종래 기술의 열전기 모듈 장치에서 직면하는 문제점은 종래 기술의 열전기 모듈 장치가 기대 흡열 특징 또는 기대 발열 특징이 나타나지 않는 것이다. 다시 말하면, 사용자는 기대 흡열 특징 또는 기대 발열 특징을 달성하기 위해서는 대형 열전기 모듈 장치가 요구된다.
본 발명의 중요한 목적은 우수한 흡열 특징 또는 우수한 발열 특징이 나타나 는 열전기 모듈 장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 중요한 목적은 우수한 흡열 특징 또는 우수한 발열 특징이 나타나는 열전기 모듈 장치가 되는 열교환기를 제공하는 것이다.
본 발명자는 이러한 문제점을 고려하여, 제조자가 점유 영역(57a, 57b, 57c)의 비율 및 비점유 영역의 비율을 고려하지 않았다는 점을 알았다. 본 발명자는 비점유영역이 열 싱크(51)가 바람직하지 않은 온도 분산을 갖게 한다고 추론하였다. 열 싱크(51)가 우수한 흡열 특징을 나타내기에 충분히 넓은 주면을 갖는다고 하더라도, 불균일 온도 분산은 흡열 특성이 설계 시트 상의 흡열 특성보다 열등하게 한다.
본 발명자는 주면의 온도 분산을 위한 종래 기술의 열전기 모듈 장치를 조사하였고, 종래 기술의 열전기 모듈 장치에서 중대한 온도 분산이 발생한다는 것을 발견하였다.
또한, 본 발명자는 점유 영역의 비율 및 비점유 영역의 비율이 온도 분산에 대해 중대한 영향을 미치는지의 여부를 확인하기 위해 실험을 수행하였다. 본 발명자는 점유 영역의 비율 및 비점유 영역의 비율이 온도 분산에 대해 중대한 영향을 미쳐 이에 따라 열전기 모듈 장치의 열전달성에도 중대한 영향을 미친다는 점을 확인하였고, 비율의 임계값(critical value)도 발견하였다.
본 발명의 일 태양에 따르면, 냉간측에서 열간측으로 열을 전달하기 위한 열전기 모듈 장치는 열전도성 및 전기 절연성을 갖고 냉간측 및 열간측 중 하나의 기 능을 하는 열교환면과 주면을 갖는 제1 열 싱크와, 열전도성 및 전기 절연성을 갖고, 냉간측 및 열간측 중 다른 하나의 기능을 하는 다른 열교환면과 다른 주면을 갖는 제2 열 싱크와, 주면과 다른 주면 사이에 제공되고, 주면에서의 점유 영역 및 전술한 다른 주면에서의 다른 점유 영역을 점유하고, 제1 열 싱크와 전술한 제2 열 싱크 사이에서 열을 전달하도록 전압이 인가되는 열전기 소자의 그룹을 포함하고, 주면 및 전술한 다른 주면은 열전기 소자의 그룹에 의해 점유될 수 있는 이용 가능 영역과 열전기 소자의 그룹에 의해 점유될 수 있는 다른 이용 가능 영역을 각각 갖고, 점유 영역과 이용 가능 영역 사이의 비율 및 전술한 다른 점유 영역과 전술한 다른 이용 가능 영역 사이의 비율은 50% 이상인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 태양에 따르면, 열전기 소자의 그룹용으로 사용되는 열교환기는 열전기 소자의 그룹에 의해 점유될 수 있는 이용 가능 영역을 갖는 주면과, 주면의 온도와 다른 임의의 온도에서 매체와 접촉 유지되는 열교환면을 구비하는 장착부를 포함하고, 이용 가능 영역과 열전기 소자의 그룹에 의해 점유된 점유 영역 사이의 비율은 50% 이상인 것을 특징으로 한다.
본 발명은 우수한 흡열 특징 또는 우수한 발열 특징이 나타나는 열전기 모듈 장치와, 우수한 흡열 특징 또는 우수한 발열 특징이 나타나는 열전기 모듈 장치가 되는 열교환기를 제공할 수 있다.
열전기 모듈 장치 및 열교환기의 특징 및 장점은 첨부 도면과 관련지어 이루 어진 이하의 상세한 설명으로부터 더 명확히 이해할 수 있을 것이다.
본 발명의 열전기 모듈 장치는 냉간측에서 열간측으로 열을 전달하기 위해 사용되고, 주로 제1 열 싱크, 제2 열 싱크 및 열전기 소자의 그룹을 포함한다. 열전기 소자의 그룹은 제1 열 싱크와 제2 열 싱크 사이에 개재된다. 전류가 열전기 소자의 그룹을 통해 유동하면, 열전기 소자의 그룹은 냉간측 및 열간측이 발생하도록 제1 및 제2 열 싱크 중에 하나와 제1 및 제2 열 싱크 중의 다른 하나의 온도를 상승 및 하강시킨다.
제1 열 싱크는 열전도성 및 전기 절연성을 갖는 재료로 만들어지고, 주면 및 열교환면을 갖는다. 또한 제2 열 싱크는 열전도성 및 전기 절연성을 갖는 재료로 만들어지고, 다른 주면 및 다른 열교환면을 갖는다.
열전기 소자의 그룹은 전술한 제1 열 싱크의 주면과 제2 열 싱크의 다른 주면 사이에 제공된다. 열전기 소자의 그룹 중의 하나의 단부는 주면에서 점유 영역을 점유하고, 열전기 소자의 그룹의 다른 단부는 전술한 다른 주면에서 다른 점유 영역을 점유한다. 전압이 열전기 소자의 그룹에 인가되면, 냉간측 및 열간측이 열교환면에 각각 발생하고, 열은 제1 열 싱크와 제2 열 싱크 사이에서 전달된다.
전술한 주면 및 다른 주면은 이용 가능 영역 및 다른 이용 가능 영역을 각각 갖는다. 임의의 다른 설비는 이용 가능 영역 및 전술한 다른 이용 가능 영역을 점유하지 않기 때문에, 열전기 소자의 그룹이 이용 가능 영역 및 전술한 다른 이용 가능 영역을 점유할 수 있다. 이용 가능 영역이 주면의 영역과 비점유 영역의 차와 동일하도록 다른 설비에 의해 점유된 영역은 "비점유 영역"으로 지칭된다. "점유 영역"은 주면 또는 전술한 다른 주면에서 열전기 소자의 그룹에 의해 점유되는 영역으로 정의한다. 열전기 소자의 그룹은 점유 영역을 점유한다는 것을 알아야 한다. 비어있는 영역이 열전기 소자 사이에서 발견된다고 하더라도, 비어있는 영역은 점유 영역의 일부를 형성한다. 열전기 소자가 행 또는 열로 배열되는 경우, 점유 영역은 최외측 행에서 열전기 소자의 측면 및 최외측 열에서 열전기 소자의 단부면이 동일 평면상에 있는 엔벨로프면에 수납되는 영역과 동일하다.
본 발명자는 점유 영역과 이용 가능 영역 사이의 비율과 전술한 다른 점유 영역과 전술한 다른 이용 가능 영역 사이의 비율이 50% 이상인 상태에서 대량의 열이 냉간측과 열간측 사이에서 전달된다는 것을 발견하였다. 이런 이유로, 본 발명의 열전기 모듈 장치는 이런 상태를 수행한다. 대량의 열이 전달되는 이유는 열교환면 상의 온도 분산이 완만해졌기 때문이다.
또한, 본 발명자는 비점유 영역과 주면/다른 주면의 영역 사이의 비율의 임계값을 발견하였다. 비점유 영역과 주면/다른 주면의 영역 사이의 비율이 20% 이하인 경우에서, 예제는 우수한 열전달 특징을 나타낸다.
열전기 모듈 장치가 양쪽 모두의 상태를 수행하는 경우, 열전달 특징은 더 향상된다.
제1 실시예
도 2a 내지 도 2c는 제조 공정의 다른 단계에서의 본 발명에 따른 열전기 모듈 장치(10)의 구조를 도시한다. 전류가 열전기 모듈 장치(10)를 통해 유동하면, 냉간측 및 열간측이 열전기 모듈 장치(10)에서 발생한다. 그러나, 냉간측 및 열간 측은 전류 방향에 영향을 받는다. 이런 이유로, 전극은 이하의 상세한 설명에서 용어 "흡열" 및 "발열"로 변경되지 않는다.
도 2c에 도시된 바와 같이, 열전기 모듈 장치(10)는 주로 제1 열 싱크(11), 제2 열 싱크(16) 및 펠티에 소자(PLT)의 배열체를 포함한다. 펠티에 소자(PLT)의 배열체는 펠티에 소자(PLT)의 일련의 조합체를 형성하도록 직렬로 전기 접속되고, 펠티에 소자(PLT)의 배열체는 제1 열 싱크(11)와 제2 열 싱크(16) 사이의 개재된다. 제1 열 싱크(11) 및 제2 열 싱크(16)는 열교환기로서의 기능을 한다. 도 2a 내지 도 2c에 도시되지 않았지만, 파워 서플라이 케이블은 일련의 조합체의 일단부에서의 하나의 펠티에 소자(PLT) 및 일련의 조합체의 다른 단부에서의 다른 펠티에 소자(PLT)에 연결된다.
제1 열 싱크(11)는 예를 들어, 구리, 구리 합금, 알루미늄 또는 알루미늄 합금과 같은 높은 열전도성 재료로 제조되고, 핀부(11a), 장착부(11b), 전기 절연층(12)을 갖는다. 장착부(11b)는 주면(11c)과 주면(11c)의 배면인 다른 주면(11d)을 갖는다. 장착부(11b)의 주면(11c)은 전기 절연층(12)으로 커버되고 핀부(11a)는 주면(11d)으로부터 간격을 가지고 돌출된다.
전기 절연층(12)은 예를 들어, 절연 합성 수지, 필러 함유 절연 합성 수지 또는 절연 합금과 같은 절연 재료로 제조된다. 절연 합성 수지의 예는 폴리이미드 수지 또는 에폭시 수지이고, 절연 합금의 예는 알루마이트이다. 필러는 전기 절연층(12)의 열 전도성을 향상시킬 것이며, 예를 들면, 알루미나 파우더(즉, Al2O3 파 우더), 알루미늄 나이트라이드 파우더(즉, AlN 파우더), 마그네슘 옥사이드 파우더(즉, MgO 파우더), 또는 실리콘 카바이드 파우더(즉, SiC 파우더)이다. 파우더는 입자 크기, 즉 평균 직경이 15㎛ 이하이다. 필러는 전기 절연층(12)이 주면(11c)에 적층되기 전에, 예를 들어 폴리이미드 수지 및 에폭시 수지와 같은 절연 합성 수지에 분산된다. 전기 절연층(12)은 10㎛ 내지 100㎛ 범위의 두께를 갖는다.
메탈 전극(13)은 도 2a에 도시된 바와 같이 전기 절연층(12)에 형성되고, 본 명세서에서 후술되는 매트릭스로 배열된다.
제2 열 싱크(16)는 알루미늄으로 제조되고, 또한 핀부(16a), 장착부(16b), 전기 절연층(17)을 갖는다. 장착부(16b)는 주면(16c)과 주면(16c)의 배면인 다른 주면(16d)을 갖는다. 장착부(16b)의 주면(16c)은 전기 절연층으로 커버되고 핀부(16a)는 주면(16d)으로부터 간격을 가지고 돌출된다. 따라서, 제2 열 싱크(16)는 금속 전극(13)을 제외하고 도 2a에 도시된 제1 열 싱크(11)의 구조와 유사하다.
또한 전기 절연층(17)은 예를 들어, 절연 합성 수지, 필러 함유 절연 합성 수지 또는 절연 합금과 같은 절연 재료로 제조된다. 절연 합성 수지의 예는 폴리이미드 수지 또는 에폭시 수지이고, 절연 합금의 예는 알루마이트이다. 필러는 예를 들면, 알루미나 파우더(즉, Al2O3 파우더), 알루미늄 나이트라이드 파우더(즉, AlN 파우더), 마그네슘 옥사이드 파우더(즉, MgO 파우더), 또는 실리콘 카바이드 파우더(즉, SiC 파우더)이다. 파우더는 15㎛ 이하의 입자 크기를 갖는다. 필러는 전기 절연층(17)이 주면(16c)에 적층되기 전에, 예를 들어 폴리이미드 수지 및 에폭시 수지와 같은 절연 합성 수지에 분산된다. 전기 절연층(17)은 10㎛ 내지 100㎛ 범위의 두께를 갖는다.
이어서, 펠티에 소자(PLT)는 도 2b에 도시된 바와 같이 제1 열 싱크(11)에 제작된다. 펠티에 소자(PLT)의 배열체는 반도체 소자(14)의 두 개의 유형, 즉 p형 반도체 소자 및 n형 반도체 소자와, 금속 전극(15) 및 금속 전극(13)으로 제작된다. 금속 전극(13, 15)은 구리 또는 구리 합금으로 제조되고, 70㎛ 내지 200㎛ 범위의 두께를 갖는다.
하나의 전도성 유형의 반도체 소자(14), 즉 p형 또는 n형은 다른 전도성 유형의 반도체 소자(14), 즉 p형 또는 n형과 쌍을 이루고, 반도체 소자(14)의 쌍은 금속 전극(13)에 반도체 소자(14)의 하단부를 금속 전극(15)에 반도체의 상단부를 각각 납땜시킴으로써 각 쌍의 반도체가 개제된 금속 전극(13, 15)에 연결된다. 그러나, 각 쌍의 반도체 소자(14)는 다른 것과 직접적으로 연결되지 않는다.
각각의 금속 전극(13) 상에서의 하나의 전도성 유형의 반도체 소자(14)와 다른 전도성 유형의 반도체 소자(14)는 금속 전극(13)을 통해 서로 연결되고, 인접한 금속 전극(13) 상의 다른 전도성 유형의 반도체와 인접한 다른 금속 전극(13) 상의 하나의 전도성 유형의 반도체는 금속 전극(15)을 통해서, 일련의 조합체의 양단부에서의 금속 전극(13) 상의 반도체 소자(14)를 제외하고 각각 연결된다. 파워 서플라이 케이블은 일련의 조합체의 양단부에서의 금속 전극(13)에 연결되고, 직류(dc) 전압이 일련의 반도체 소자(14)에 인가된다. 일련의 조합체의 양단부에서 의 흡열 금속 전극(13)은 파워 서플라이 케이블을 위한 단자부를 형성한다.
이러한 경우에, 반도체 소자(14)는 p형 화합물 반도체 소자 및 n형 화합물 반도체소자로 제조된다. Bi-Te 계열의 화합물 반도체의 소결 제품이 실온에서 우수한 성능을 나타내기 때문에, Bi-Sb-Te 화합물 반도체는 p형 화합물 반도체 소자로 채용되고, Bi-Sb-Te-Se 화합물 반도체는 n형 화합물 반도체 소자로 채용된다. Bi-Sb-Te 화합물 반도체는 Bi0 .5Sb1 .5Te3으로 명시되고, Bi-Sb-Te-Se 화합물 반도체는 Bi1 .9Sb0 .1Te2 .6Se0 .4로 명시된다.
반도체 소자(14)는 이하에서와 같이 용융 p형 화합물 반도체 및 용융 n형 화합물 반도체로 형성된다. 용융 p형 화합물 반도체 및 용융 n형 화합물 반도체는 액체 담금질 방법(liquid quenching method)을 통해 p형 화합물 반도체 조각 및 n형 화합물 반도체 조각을 형성한다. p형 화합물 반도체 조각 및 n형 화합물 반도체 조각은 가열 압축됨으로써 p형 화합물 반도체 벌크 및 n형 화합물 반도체 벌크가 얻어진다. p형 화합물 반도체 벌크는 p형 화합물 반도체 열로 절결되고 및 n형 화합물 반도체 벌크는 n형 화합물 반도체 열로 절결된다. p형 화합물 반도체 열 및 n형 화합물 반도체 열은 1.35㎜의 길이, 1.35㎜ 폭, 1.5㎜의 높이로 측정된다. 각각의 p형 화합물 반도체 열의 양단부면 및 각각의 n형 화합물 반도체 열의 양단부면은 니켈로 도금되어, 반도체 소자(14)가 얻어진다.
반도체 소자(14)는 금속 전극(13, 15)에 납땜된다. SnSb 합금, AuSn 합금 및 SnAgCu는 납땜이 가능하다.
마지막으로, 제2 열 싱크(16)는 도 2c에 도시된 바와 같이, 펠티에 소자(PLT)의 배열체에 연결된다. 상세하게는, 제2 열 싱크(16)는 뒤집혀져 있고, 전기 절연층(17)은 금속 전극(15)과 대향된다. 전기 절연층(17)은 금속 전극(15)과 접촉되어, 금속 전극(15)에 연결된다.
장착부(11b)는 직사각형 평행육면체 형상이고, 피팅 구멍(11e)은 도 3a에 도시된 바와 같이 장착부(11b)의 모퉁이에 형성된다. 이하의 상세한 설명에서, 용어 "주면"은 주면(11c, 11d, 16c, 16d) 뿐만 아니라 주면(11c, 11d, 16c, 16d)이 전기 절연층(12 또는 17)의 상부면의 영역과 동일하기 때문에 전기 절연층(12 또는 17)의 상부면도 명시한다.
제1 열 싱크(11)가, 예를 들어 피팅 구멍(11e)을 점유하는 볼트 및 너트와 같은 커플링 부재(CP)로 조립되면, 제작자는 피팅 구멍(11e) 때문에 모퉁이 영역에 임의의 전극을 형성할 수 없다. 이런 이유로, 비점유 영역으로서의 기능을 하는 모퉁이 영역에 금속 전극(13)을 형성할 수 없다. 예를 들어 방습 밀봉벽(vapor-proof sealing wall)용 구멍과 같은 일종의 다른 설비가 주면(11c) 상에 형성되는 경우, 영역은 비점유 영역의 일부분에 또한 형성되는 설비에 의해 점유된다. 비점유 영역은 전극(13)에 의해 물리적으로 점유될 수 있는 장착부(16)의 주면의 일부분으로 한정된다. 이 경우에, 피팅 구멍(11e)들 사이의 주연 영역(11f)이 비어있다고 하더라도, 비점유 영역은 주연 영역(11f)을 포함하지 않는다.
방습 밀봉벽용 구멍이 열 싱크(11, 16)에 형성된다고 하더라도, 구멍 및 방습 밀봉벽은 간소화를 위해 생략된다.
금속 전극(13)은 금속 전극(13)의 측면 및 단부면과 동일 평면상의 엔벨로프면(13a) 내부의 영역(11h)에 형성된다. 영역(11h)은 점유 영역으로서의 기능을 한다. 따라서, 점유 영역은 금속 전극(13)의 매트릭스가 점유하는 영역으로 한정된다.
본 발명에 따른, 비점유 영역은 주면(11c)의 20% 이하이다. 이런 경우에, 모퉁이 영역의 전체는 주면(11c)의 7%이다. 한편, 본 발명에 따른, 점유 영역은 주면(11c)과 비점유 영역 차와 동일한 영역으로 한정되는 이용 가능 영역의 50% 이상이다. 이런 경우에, 영역(11h)은 이용 가능 영역의 50% 이상이다.
영역(11h) 즉, 점유 영역에서, 금속 전극(13)은 행렬, 즉 간격이 "t"인 매트릭스로 배열된다. 금속 전극(13)은 직사각형 상부면을 갖고, 직사각형 상부면은 3㎜의 길이, 1.8㎜의 폭으로 측정된다. 거리 "t"는 1.8㎜의 폭 이하이다.
장착부(16b)는 직사각형 평행육면체 형상이고, 피팅 구멍(16e)은 도 3b에 도시된 바와 같이, 장착부(11b)의 모퉁이에 형성된다. 제2 열 싱크(16)가 조립되면, 결합 부재(CP)는 피팅 구멍(16e)을 점유하고, 제작자는 피팅 구멍(16e) 때문에 전극(15)을 모퉁이 영역에 할당할 수 없다. 이런 이유로, 모퉁이 영역은 비점유 영역으로서의 기능을 한다. 또한 비점유 영역은 전극(15)에 의해 물리적으로 점유될 수 있는 장착부(11b)의 주면의 일부분으로 한정된다. 피팅 구멍(16e)들 사이의 주연 영역(16f)이 비어있다고 하더라도, 비점유 영역은 주연 영역(16f)을 포함하지 않는다.
금속 전극(15)은 금속 전극(15)의 측면과 동일 평면인 엔벨로프면(13a) 내부 의 영역(16h)을 점유한다. 영역(16h)은 점유 영역으로서의 기능을 한다. 따라서, 점유 영역은 금속 전극(15)의 매트릭스가 점유하는 영역으로 한정된다.
본 발명에 따른, 비점유 영역은 주면(16c)에 20% 이하이다. 이런 경우에, 모퉁이 영역의 전체는 주면(16c)의 7%이다. 한편, 본 발명에 따른, 점유 영역은 주면(16c)과 비점유 영역 차와 동일한 영역으로 한정되는 이용 가능 영역의 50% 이상이다. 이런 경우에, 영역(16h)은 이용 가능 영역의 50% 이상이다.
영역(16h) 즉, 점유 영역에서, 금속 전극(15)은 행렬, 즉 간격이 "t"인 매트릭스로 배열된다. 금속 전극(15)은 직사각형 상부면을 갖고, 직사각형 상부면은 3㎜의 길이, 1.8㎜의 폭으로 측정된다. 거리 "t"는 1.8㎜의 폭 이하이다.
전술된 열전기 모듈 장치(10)는 가스 상에서 온도 제어용으로 이용 가능하다. 온도 제어에서, 제2 열 싱크(16)의 핀(16a)은 온도 제어되도록 가스에 노출되고, 따라서 위상차가 케이블(도시되지 않음)과 일련의 반도체 소자(14) 사이에 인가된다. 이어서, 전류는 일련의 반도체 소자(14)를 통해 유동하고, 제1 열 싱크(11)와 제2 열 싱크(16) 사이에서 온도 차가 나타난다. 제2 열 싱크(16)는 제1 열 싱크(11)보다 온도가 낮음으로써 열에너지가 가스로부터 제2 열 싱크(16)의 핀(16a)으로 전달된다. 한편, 제1 열 싱크(11)는 온도가 상승하고, 열에너지가 핀(11a)으로부터 핀(11a) 주위로 방사된다.
열전기 모듈 장치(10)의 샘플은 이하와 같이 제작되었다. 먼저, 열전기 모듈 장치(10)의 구성 부품이 준비된다. 제1 열 싱크(11)에 대응하는 공냉식 열 싱크(11)가 준비된다. 공냉식 열 싱크(11)는 각각의 전기 절연층(12) 및 전기 절연 층(12)의 반대 표면으로부터 돌출되는 복수의 핀(11a)의 각각의 세트를 갖고, 방열용으로 사용된다. 공냉식 열 싱크(11)의 금속부는 알루미늄으로 제조되고, 주면(11c)은 100㎜의 길이 및 100㎜의 폭으로 측정된다. 핀(11a)은 35㎜의 높이이다.
유사하게는, 제2 열 싱크(12)에 대응하는 공냉형 열 싱크(16)가 준비된다. 공냉형 열 싱크(16)는 흡열용으로 사용된다. 공냉형 열 싱크(16)는 각각의 전기 절연층(17) 및 열 싱크(11)와 유사하게 반대 표면으로부터 돌출되는 복수의 핀(16a)의 각각의 세트를 갖는다.
또한, 금속 전극(13)에 대응하는 발열 금속 전극(13)과, 금속 전극(15)에 대응하는 흡열 금속 전극(15)과, 반도체 소자(14) 중의 선택된 하나에 대응하는 복수의 p형 반도체 소자와, 다른 반도체 소자(14)에 대응하는 복수의 n형 반도체 소자가 준비된다.
공냉형 열 싱크(16)의 금속부는 알루미늄으로 제조되고, 주면(16c)은 100㎜의 길이 및 100㎜의 폭으로 측정된다. 핀(16a)은 35㎜의 높이이다.
공냉식 열 싱크(11)의 접착 전기 절연층(12) 및 공냉형 열 싱크(16)의 접착 전기 절연층(17)은 필러 함유 절연 합성 수지, 에폭시 수지층 및 알루마이트 층의 필러 함유 다층 구조체, 필러 함유 합성 수지층, 즉 필러 함유 폴리이미드 수지층 및/또는 필러 함유 에폭시 수지층으로 제조된다. Al2O3 파우더, AlN 파우더, MgO 파우더 및 SiC 파우더가 필러로 사용된다. 공냉식 열 싱크(11)의 금속부 및 공냉 형 열 싱크(16)의 금속부는 높은 열 전도성 금속 및 높은 열전도성 합금, 즉 구리, 알루미늄, 구리 합금 및 알루미늄 합금으로 제조된다.
접착 전기 절연층(12, 17)은 필러 함유 합성 수지의 시트로서 준비된다. 필러 함유 합성 수지의 시트는 금속부의 주면 또는 알루마이트 층의 주면 상에 놓여진 후에, 금속부 또는 알루마이트 층이 시트에 의해 피복되도록 금속부 또는 알루마이트 층을 가압한다. 이와 달리, 금속부는 필러 함유 합성 수지의 페이스트로 코팅시키고, 페이스트는 응고된다.
발열 금속 전극(13) 및 흡열 금속 전극(15)은 구리 또는 구리 합금으로 제조된다. 발열 금속 전극(13) 및 흡열 금속 전극(15)은 3㎜의 길이 1.8㎜의 폭이고, 70㎛ 내지 200㎛의 두께를 갖는다.
p형 반도체 소자 및 n형 반도체 소자는 상술된 화합물 반도체로 제조되고, 각각의 p형 반도체 소자 및 n형 반도체 소자는 니켈층이 도금된 양단면을 갖는다.
발열 금속 전극(13)은 도 2a에 도시된 바와 같이 패턴에 놓여지고, 접착 전기 절연층(12)에 부착된다. 이어서, p형 반도체 소자 및 n형 반도체 소자는 발열 금속 전극(13)에 놓여지고, 발열 금속 전극(13)에서 서로 이격된다. p형 반도체 소자 및 n형 반도체 소자는 발열 금속 전극(13)에 납땜된다. 납땜은 SnSb 합금, AuSn 합금 및 SnAgCu 합금으로 구성된 그룹으로부터 선택된다. 흡열 금속 전극(15)이 p형 반도체 소자 및 n형 반도체 소자에 납땜됨으로써 p형 반도체 소자 및 n형 반도체 소자는 교대식으로 직렬 연결된다. 납땜 완료시, 미완료 구조체는 도 2b에 도시된 것과 동일하게 된다.
인접한 전극 사이의 거리 "t"는 샘플마다 상이하고, 규정된 영역과 이용 가능 영역 사이의 비율도 샘플마다 상이하다. p형 반도체 소자 및 n형 반도체 소자의 420 쌍은 금속 전극(13, 15)에 납땜된다.
이어서, 공냉형 열 싱크(16)는 공냉식 열 싱크(11)에 대향되고, 흡열 금속 전극(15)은 접착식 전기 절연층(17)에 접촉된다. 흡열 금속 전극(15)은 접착 전기 절연층(17)에 부착되고 구조체는 도 3c에 도시된 것과 유사하게 된다.
본 발명자는 조사를 하기 위해 샘플로부터 네 개의 샘플 그룹(A1, A2, A3, A4)을 선택하였다. 전술된 바와 같이, 모든 샘플 그룹(A1, A2, A3, A4)의 열 싱크(11, 16)는 알루미늄의 금속부를 갖고, 100㎜의 길이, 100㎜의 폭으로 측정되고, 핀(11a, 16a)의 높은 35㎜이다. 그러나, 접착 전기 절연층(12, 17)은 이하와 같이 상이하다.
샘플 그룹(A1)은 15㎛ 두께의 접착 전기 절연층(12, 17)을 갖고, 접착 전기 절연층(12, 17)은 알루미나 파우더 함유 폴리이미드 수지로 제조된다. 샘플 그룹(A2)은 20㎛ 두께의 접착 전기 절연층(12, 17)을 갖고, 접착 전기 절연층(12, 17)은 알루미늄 나이트라이드 함유 에폭시 수지로 제조된다. 샘플 그룹(A3)은 다층 절연 구조체(12)를 갖고, 다층 절연 구조체는 10㎛ 두께의 알루마이트 층과 100㎛ 두께의 마그네슘 옥사이드 파우더 함유 폴리이미드 수지를 갖는다. 또한, 샘플 그룹(A4)은 다층 절연 구조체(12)를 갖고, 다층 절연 구조체는 10㎛ 두께의 알루마이트 층과 80㎛ 두께의 실리콘 카바이드 파우더 함유 폴리이미드 수지를 갖는다.
발열 금속 전극(13) 및 흡열 금속 전극(15)은 구리로 제조되고, 3㎜의 길이, 1.8㎜의 폭, 120㎛의 두께로 측정된다. p형 반도체 소자 및 n형 반도체 소자의 420 쌍은 발열 금속 전극(13) 및 흡열 금속 전극(15)에 납땜된다. 전체 주면에 대한 점유 영역의 비율은 7%로 고정된다. 인접한 금속 전극(13) 사이와 인접한 전극(15) 사이의 거리 "t"는 각각의 그룹(A1 내지 A4)에서 서로 상이하고, 표 1에 기록되어 있다. 또한, 이용 가능 영역에 대한 점유 영역의 비율도 표 1에 기록되어 있다.
또한, 본 발명자는 도 4에 도시된 단열 상자(heat insulating box ; X)는 도 4에 도시된다. 단열 상자(X)는 가열기 유닛(H)이 수납된 내부 공간을 갖는다. 창문은 열전기 모듈 장치(10) 그룹(A1 내지 A4)의 샘플(M)에 대해 형성되고, 각각의 샘플(M)은 창문을 통해 단열 상자(X)에 고정된다. 흡열 열 싱크(16)는 단열 상자(X)의 내부 공간에 노출시키고, 발열 열 싱크(11)는 단열 상자(X)의 외부로 노출시킨다. 도 4에 도시되지 않았더라도, 팬은 강제적인 공기 냉각을 위해서 단열 상자(X)의 내부 및 단열 상자(X) 외부에 제공된다.
본 발명자는 단열 상자(X)에 각각의 샘플(M)을 고정시키고, 가열기 유닛(H)을 가동시키고, 팬(도시되지 않음)을 가동시킨다. 본 발명자는 전류를 샘플(M)의 일련의 p형 반도체 소자 및 n형 반도체 소자를 통해 공급하도록 개시하였고, 내부 온도, 즉 단열 상자(X)의 내부의 온도와, 외부 온도, 즉 단열 상자(X)의 외부의 온도를 측정하였다.
가열기 유닛(H)이 열을 내부 공간에 주더라도, 열전기 모듈 장치(10)의 샘플(M)은 흡열 열 싱크(16)로부터 발열 열 싱크(11)로 열에너지를 전달한다. 본 발 명자는 가열기 유닛(H)에 공급되는 전력을 변경시켜, 내부 온도와 외부 온도의 온도차를 관찰하였다. 본 발명자는 내부 온도가 외부 온도가 동일해지는 가열기 유닛(H)을 통해 발생되는 열의 최대량을 찾았다. 내부 온도가 외부 온도와 동일해지면, 본 발명자는 샘플(M)이 최대 흡열량(Qmax)을 나타내는 것으로 결정하였다. 본 발명자는 최대 흡열량(Qmax)을 가열기 유닛(H)에 의해 발생되는 열의 최대량과 동일해지도록 와트로 결정되었다. 최대 흡열량은 표 1에 기록된다.
최대 열 흡수량(Qmax)
[Watt]		 전기 절연층(12,17)
거리(t)
[㎜]		 0.47 0.85 1.05 1.20 1.37 재료
(두께;㎛)		 필러
비율
[%]		 35 45 50 55 60
예
제		 A1 80
 87 110 110 112 폴리이미드(15) Al2O3
A2 86
 92 111 113 113 에폭시(20) AlN
A3 83 87 105 106 106 알루마이트(10) +
폴리이미드(100)		 MgO
A4 80 89 107 107 109 알루마이트(10) +
폴리이미드(80)		 SiC
표 1에서, 용어 "비율"은 이용할 수 있는 영역(주면의 전체에서 비점유 영역을 뺀 영역)에 대한 점유 영역의 비율을 의미한다. 본 실험에서, 인가 전압 및 유동 전류량은 이하와 같다.
샘플(A1)에 인가된 전압은 24V이다. 샘플(A1)을 통해 유동하는 전류량은 최대 흡열량(Qmax)과 함께 변경되고, 80W에서 4.2A, 87W에서 4.3A, 110W에서 4.5A, 110W에서 4.5A, 112W에서 4.7A이다.
또한, 샘플(A2)에 인가된 전압은 24V이다. 샘플(A2)을 통해 유동하는 전류량은 최대 흡열량(Qmax)과 함께 변경되고, 86W에서 4.1A, 92W에서 4.1A, 111W에서 4.5A, 113W에서 4.4A, 113W에서 4.3A이다.
샘플(A3)에 인가된 전압은 24V이다. 샘플(A3)을 통해 유동하는 전류량은 최대 흡열량(Qmax)과 함께 변경되고, 83W에서 4.1A, 87W에서 4.4A, 105W에서 4.4A, 106W에서 4.4A, 106W에서 4.4A이다.
또한, 샘플(A4)에 인가된 전압은 24V이다. 샘플(A4)를 통해 유동하는 전류량은 최대 흡열량(Qmax)과 함께 변경되고, 80W에서 3.9A, 89W에서 4.2A, 107W에서 4.4A, 107W에서 4.5A, 109W에서 4.3A이다.
표 1에 도시된 실험 결과로부터 이해되는 바와 같이, 샘플 그룹(A1, A2, A3, A4)의 샘플은 점유 영역이 이용 가능 영역의 50% 이하인 상태에서 대량의 최대 흡열량(Qmax)이 나타난다. 거리 "t"가 전극(13, 15)의 폭, 즉 1.8㎜보다 짧다는 것을 알아야 한다.
또한, 본 발명자는 전기 절연층(12, 17)과, 비점유 영역의 비율과 샘플 그룹(A1, A2, A3, A4)의 샘플로부터의 거리 "t"가 상이한 샘플을 준비하였다. 전기 절연층(12, 17)은 5㎛의 알루마이트 층과 30㎛의 알루미늄 나이트라이드 파우더 함유 에폭시 수지로 구성된 다층 구조체를 갖는다. 모든 샘플은 서로 동일한 이용 가능 영역에 대한 점유 영역의 비를 갖는다. 인접한 전극(13, 15) 사이의 거리 "t" 및 전체 주면에 대한 비점유 영역의 비는 도 5에 도시된다. 모든 샘플은 전극(13, 15)의 폭보다 짧은 거리 "t"를 갖는다.
도 5로부터, 샘플은 비점유 영역의 비가 20%이하인 상태에서 대량의 최대 흡열량(Qmax)이 나타난다는 것을 이해할 수 있다.
표 1 및 도 5에 도시된 실험 결과로부터 이해되는 바와 같이, 열전기 모듈 장치(10)는 전체 주면에 대한 비점유 영역의 비율이 일정할 때까지 이용 가능 영역에 대한 점유 영역의 비율이 50% 이상이고 이용 가능 영역에 대한 점유 영역의 비율이 일정할 때까지 전제 주면에 대한 비점유 영역의 비율이 20% 이하인 상태에서 대량의 최대 흡열량이 나타난다. 상술된 상태가 상술된 상태에서 생기는 이유는 열 싱크(11, 16) 상의 온도가 균일해지기 때문이다.
제2 실시예
도 6a 내지 도 6c는 제조 공정의 다른 단계에서의 본 발명의 다른 열전기 모듈 장치(20)의 중간 구조를 도시한다. 열전기 모듈 장치(10)에 대한 열전기 모듈 장치(20)의 차이점은 수냉형 시스템이 열전기 모듈 장치(20)에 합체된다는 것이다.
도 6c에 도시된 바와 같이, 열전기 모듈 장치(20)는 수냉식 열 싱크(21), 수냉형 열 싱크(26), 반도체 소자(24a)의 일련의 조합체(24)를 포함한다. 수냉식 열 싱크(21) 및 수냉형 열 싱크(26)는 전류가 반도체 소자(24a)의 일련의 조합체(24)를 통해 역으로 유동하는 상태에서 수냉형 열 싱크 및 수냉식 열 싱크로서 각각 작용한다.
수냉식 열 싱크(21)는 도 6a에 도시된 바와 같이, 금속판(22a)과 전기 절연층(22b)을 포함한다. 금속판(22a)은 높은 열전도성 금속으로 제조되고, 직사각형 평행육면체 형상을 갖는다. 수냉식 열 싱크(21)는 어떠한 핀도 형성되지 않는다. 이런 경우에, 금속판(22a)은 알루미늄으로 제조된다. 금속판(22a)의 주면은 각각 도면 부호 22c 및 22d로 지시되고, 주면(22c)은 전기 절연층(22b)으로 덮여진다. 수관은 금속판(22a)에 형성되고, 수관은 입수구(21a) 및 배수구(21c)를 갖는다. 냉각수는 입수구(21a)를 통해 수관 안으로 유동하고, 배수구(21c)를 통해 수관 밖으로 유동한다.
수냉형 열 싱크(26)는 수냉식 열 싱크(21)와 유사하고, 금속판(27a) 및 전기 절연층(27b)을 포함한다. 금속판(27a)은 직사각형 평행육면체 형상을 갖는다. 수관은 금속판(27a)에 형성되고, 입수구(26a) 및 배수구(26b)를 갖는다. 금속판(27a) 및 전기 절연층(27b)은 수냉식 열 싱크(21)의 재료 및 구조와 유사하고, 이런 이유로, 상세한 설명은 간소화를 위해 합체되어 추가되지 않는다.
일련의 조합체(24)는 금속 전극(23), 반도체 소자(24a) 및 금속 전극(25)을 포함한다. 각각의 반도체 소자(24a)의 양단면은 예를 들면 니켈과 같은 전도성 금속으로 도금된다. 금속 전극(23)은 전도성 절연층(22b)에 매트릭스로 놓이고, 반도체 소자(24a)는 금속 전극(23)에 서있다. 반도체 소자(24a)는 두 개의 그룹, 즉 p 전도성 유형 및 n 전도성 유형으로 분류됨으로써 p형 반도체 소자(24a) 및 n형 반도체 소자(24a)는 일련의 조합체(24)로 합체된다. p형 반도체 소자(24a)는 n형 반도체 소자(24a)와 각각 쌍을 이루고, p형 반도체 소자(24a) 및 n형 반도체 소자(24a)의 각 쌍은 금속 전극(23) 중 하나에 할당된다. p형 반도체 소자(24a) 및 n형 반도체 소자(24a)는 개제된 금속 전극(23)의 양단부에 세워지고, 양단부는 납땜된다. 이런 이유로, 각 쌍의 p형 반도체 소자(24a) 및 n형 반도체 소자(24a)는 금속 전극(23)을 통해 서로 연결된다. 각 쌍의 p형 반도체 소자(24a)는 인접한 금속 전극(23)에서 금속 전극(25)을 통해 n형 반도체 소자(24a)와 전기 접속된다. 금속 전극(25)은 전극의 하나의 단부에 p형 반도체 소자(24a)를 전극의 다른 단부에 n형 반도체 소자(24a)를 납땜시킨다. 그 결과, p형 반도체 소자(24a) 및 n형 반도체 소자(24a)는 도 6b에 도시된 바와 같이, 일련의 조합체(24)의 부품을 형성하도록 금속 전극(23) 및 금속 전극(25)을 통해 교대식으로 직렬 연결된다. 도 6a 내지 도 6c에 도시되지 않았더라도, 파워 서플라이 케이블은 일련의 조합체(24)의 하나의 단부 및 일련의 조합체(24)의 다른 단부에서의 금속 전극(23)에 각각 연결되고, 직류(dc) 위상차가 일련의 조합체(24)에 인가된다. 일련의 조합체의 양단부에서의 흡열 금속 전극(23)은 파워 서플라이 케이블에 대한 단자부로 형성된다.
전기 절연층(22a)은, 예를 들면 절연 합성 수지, 필러 함유 절연 합성 수지 또는 절연 합금과 같은 절연 재료로 제조된다. 절연 합성 수지의 예제는 폴리이미드 수지 또는 에폭시 수지이고, 절연 합금은 알루마이트이다. 필러는 전기 절연층(22a)의 열 전도성을 향상시킬 것으로 기대되고, 예를 들면, 알루미나 파우더(즉, Al2O3 파우더), 알루미늄 나이트라이드 파우더(즉, AlN 파우더), 마그네슘 옥사이드 파우더(즉, MgO 파우더), 또는 실리콘 카바이드 파우더(즉, SiC 파우더)이다. 파우더는 15㎛ 이하의 입자 크기, 즉 평균 직경을 갖는다. 필러는 전기 절연층(12)이 주면(22c)에 적층되기 전에, 예를 들어 폴리이미드 수지 및 에폭시 수지와 같은 절연 합성 수지에 분산된다. 전기 절연층(22b)은 10㎛ 내지 100㎛ 범위의 두께를 갖는다. 전기 절연층(22b)이 절연 합금, 즉 알루마이트로 제조되는 경우에, 필러 함유 폴리이미드 수지층 또는 필러 함유 에폭시 수지층을 구비하는 알루마이트 층의 주면을 적층하는 것이 바람직하다. 따라서, 전기 절연층(22b)은 다층형 구조를 가질 수도 있다.
도 7a 및 도 7b를 참조하면, 수냉식 열 싱크(21)는 피팅 구멍(21c)을 형성하고, 수냉형 열 싱크(26)는 피팅 구멍(26c)을 형성한다. 이하의 상세한 설명에서, 용어 "주면"은 주면(22c, 22d, 27c 또는 27d) 뿐만 아니라 전기 절연층(22b 또는 27b)의 상부면도 명시한다.
피팅 구멍(21c)은 수냉식 열 싱크(21)의 두께 방향으로 연장되고, 수냉식 열 싱크(21)의 네 개의 모퉁이에서 전기 절연층(22b) 및 네 개의 모퉁이에서 주면(22d)에 노출된다. 피팅 구멍(26c)은 수냉형 열 싱크(26)의 두께 방향으로 연장되고, 수냉형 열 싱크(26)의 네 개의 모퉁이에서 전기 절연층(27b) 및 네 개의 모퉁이에서 주면(27d)에 노출된다. 수냉식 열 싱크(21), 수냉형 열 싱크(26) 및 일련의 조합체(24)가 조립되면, 커플링 부재(도시되지 않음)가 피팅 구멍(21c, 26c)을 점유한다. 이런 이유로, 제작자는 피팅 구멍(11e) 때문에 모퉁이 영역에서 어떠한 전극도 형성할 수 없다. 금속 전극(23, 25)이 모퉁이 영역에 형성될 수 없으므로 모퉁이 영역은 비점유 영역으로서의 기능을 한다. 일종의 설비가 주면(22c, 27c)에 형성되는 경우, 설비로 점유되는 영역도 비점유 영역의 일부를 형성한다. 비점유 영역은 전극(13)에 의해 점유되는 것이 물리적으로 불가능한 주면의 일부로 한정된다.
피팅 구멍(21c)들 사이와 피팅 구멍(26c)들 사이의 주연 영역(21f, 26f)이 이 경우에 비어있더라도, 비점유 영역은 주연 영역(21f, 26f)을 포함하지 않는다.
금속 전극(23)은 최외측 금속 전극(23)의 측면 및 단부면이 동일 평면상에 있는 엔벨로프면(23a) 내부의 영역(21h)에 형성된다. 영역(21h)은 점유 영역으로서의 기능을 한다. 따라서, 점유 영역은 금속 전극(23)의 매트릭스가 점유하는 영역으로 한정된다.
유사하게도, 금속 전극(25)은 금속 전극(25)의 측면이 동일 평면상에 있는 엔벨로프면(25a) 내부의 영역(26h)을 점유한다. 또한, 영역(26h)은 점유 영역으로서의 기능을 하고, "점유 영역"의 정의도 영역(26h)이 적절하다.
비점유 영역은 본 발명에 따르면 주면의 20% 이하이다. 이런 경우에, 전체 모퉁이 영역, 즉 비점유 영역은 주면의 14%이다. 한편, 점유 영역은 본 발명에 따르면, 주면과 비점유 영역의 차와 동일한 영역으로 한정되는 이용 가능 영역의 50% 이상이다. 이런 경우에, 영역(21h 또는 26h)은 이용 가능 영역의 50% 이상이다.
영역(21h), 즉 점유 영역에서, 금속 전극(23)은 행렬, 즉 간격이 "t"인 매트릭스로 배열된다. 금속 전극은 행렬로 형성되고, 행렬 양측면 상의 금속 전극(25)은 직각으로 회전된다. 모든 금속 전극(25)은 매트릭스를 형성한다. 금속 전극(23, 25)은 직사각형 상부면을 갖고, 직사각형 상부면은 3㎜의 길이, 1.8㎜의 폭으로 측정된다. 금속 전극(23, 25)은 구리 또는 구리 합금으로 제조되고, 금속 전극(23, 25)의 두께는 70㎛와 200㎛ 내에 있다. 거리 "t"는 1.8㎜의 폭 이하이다.
이런 경우에, 반도체 소자(24a)는 양단부면이 니켈 판부로 커버된 p형 합성 반도체 피스(piece) 및 양단부면이 니켈로 또한 커버된 n형 합성 반도체로 제조된다. Bi-Te 계열의 화합물 반도체의 소결 제품이 실온에서 우수한 성능을 나타내기 때문에, Bi-Sb-Te 화합물 반도체는 p형 화합물 반도체로 채용되고, Bi-Sb-Te-Se 화합물 반도체는 n형 화합물 반도체로 채용된다. Bi-Sb-Te 화합물 반도체는 Bi0 .5Sb1 .5Te3으로 명시되고, Bi-Sb-Te-Se 화합물 반도체는 Bi1 .9Sb0 .1Te2 .6Se0 .4로 명시된다.
반도체 소자(24a)는 이하와 같이 용융 p형 화합물 반도체 및 용융 n형 화합물 반도체로부터 형성된다. 용융 p형 화합물 반도체 및 용융 n형 화합물 반도체는 담금질 방법을 통해 p형 화합물 반도체 조각 및 n형 화합물 반도체 조각으로부터 각각 형성된다. p형 화합물 반도체 조각 및 n형 화합물 반도체 조각이 가열 압축됨으로써 p형 화합물 반도체 벌크 및 n형 화합물 반도체 벌크가 얻어진다. p형 화합물 반도체 벌크는 p형 화합물 반도체 열로 절결되고 n형 화합물 반도체 벌크는 n형 화합물 반도체 열로 절결된다. p형 화합물 반도체 열 및 n형 화합물 반도체 열은 1.35㎜의 길이, 1.35㎜ 폭, 1.5㎜의 높이로 측정된다. 각각의 p형 화합물 반도체 열의 양단부면 및 각각의 n형 화합물 반도체 열의 양단부면은 니켈로 도금되어, 반도체 소자(24a)가 얻어진다.
반도체 소자(24a)는 금속 전극(23, 25)에 납땜된다. SnSb 합금, AuSn 합금 및 SnAgCu는 납땜이 가능하다.
열전기 모듈 장치(20)의 샘플은 이하와 같이 제작되었다. 먼저, 열전기 모듈 장치(20)의 구성 부품이 준비된다. 수냉식 열 싱크(21)가 준비되고, 수냉식 열 싱크(21)는 각각의 전기 절연층(22b) 및 수관이 형성된 금속판(22a)을 갖고, 물로 열을 전달하기 위해 사용된다. 수냉식 열 싱크(21)의 금속부는 알루미늄으로 제조되고, 주면(22c)은 120㎜의 길이, 100㎜의 폭 및 15㎜의 두께로 측정된다. 본 발명자는 알루미늄 합금이 수냉식 열 싱크(21)로 이용 가능하다는 것을 확인하였다.
발열 전극(23) 및 흡열 전극(25)은 구리로 제조된다. 구리 합금은 발열 전극(23) 및 흡열 전극(25)으로 이용 가능하다. 발열 전극(23) 및 흡열 전극(25)은 3㎜의 길이, 1.8㎜의 폭이고, 발열 전극(23)의 두께 및 흡열 전극(25)의 두께는 70㎛ 내지 200㎛ 범위 내에 있다. 발열 전극은 금속 전극(23)에 대응하고, 흡열 전극은 금속 전극(25)에 대응한다.
유사하게는, 수냉형 열 싱크(26)가 준비된다. 수냉형 열 싱크(26)는 물로부터 열을 흡수하는데 사용된다. 수냉형 열 싱크(26)는 각각의 접착 전기 절연층(27b) 및 수관이 형성된 각각의 금속판(27a)을 갖는다.
반도체 소자(24a) 중 선택된 하나에 대응하는 복수의 p형 반도체 소자와, 반도체 소자(24a)의 다른 것들에 대응하는 복수의 n형 반도체 소자가 준비된다. p형 반도체 소자 및 n형 반도체 소자는 상술된 p형 화합물 반도체 피스 및 n형 화합물 반도체 피스로 제조되고 니켈 판부는 각각의 반도체 소자(24a) 양단부에 도금된다.
금속판(22d)은 알루미늄으로 제조되고, 주면(16c)은 120㎜의 길이, 100㎜의 폭으로 측정된다.
수냉식 열 싱크(21)의 접착 전기 절연층(22b) 및 수냉형 열 싱크(26)의 접착 전기 절연층(27b)은 필러 함유 폴리이미드 수지층, 필러 함유 에폭시 수지층 및 알루마이트 층의 다층 구조체 및 필러 함유 합성 수지층, 즉 필러 함유 수지층 및/또는 필러 함유 에폭시 수지층으로 제조된다. Al2O3 파우더, AlN 파우더, MgO 파우더 및 SiC 파우더가 필러로 사용된다.
접착 전기 절연층(22b, 27b)은 필러 함유 합성 수지의 시트로서 준비된다. 필러 함유 합성 수지의 시트가 금속판(22a, 27a)의 주면에 놓여진 후에, 금속판(22a, 27a)에 시트가 피복되도륵 금속판을 가압한다. 이와 달리, 금속판(22a, 27a)은 필러 함유 합성 수지의 페이스트로 코팅되고, 페이스트는 응고된다.
발열 금속 전극(23)은 도 6a에 도시된 패턴에 놓고, 접착 전기 절연층(22b)에 잡착시킨다. 이어서, p형 반도체 소자 및 n형 반도체 소자는 발열 금속 전극(23)에 놓여지고, 발열 금속 전극(23)에서 서로 이격된다. p형 반도체 소자 및 n형 반도체 소자는 발열 금속 전극(23)에 납땜된다. 납땜은 SnSb 합금, AuSn 합금 및 SnAgCu 합금으로 구성된 그룹으로부터 선택된다. 흡열 금속 전극(25)이 p형 반도체 소자 및 n형 반도체 소자에 납땜됨으로써 p형 반도체 소자 및 n형 반도체 소자는 교대식으로 직렬 연결된다. 납땜 완료시, 미완료 구조체는 도 6b에 도시된 것과 동일하게 된다.
인접한 전극(23, 25) 사이의 거리 "t"는 샘플마다 상이하고, 점유 영역과 이용 가능 영역 사이의 비율도 샘플마다 상이하다. p형 반도체 소자 및 n형 반도체 소자의 540 쌍은 금속 전극(23, 25)에 납땜된다.
이어서, 수냉형 열 싱크(26)는 수냉식 열 싱크(21)에 대향되고, 흡열 금속 전극(25)은 접착식 전기 절연층(27b)에 접촉된다. 흡열 금속 전극(25)은 접착 전기 절연층(27b)에 부착되고, 구조체는 도 6c에 도시된 것과 유사하게 된다.
본 발명자는 조사를 하기 위해 샘플로부터 두 개의 샘플 그룹(B1, B2)을 선택하였다. 전술된 바와 같이, 모든 샘플 그룹(B1, B2)의 수냉식 열 싱크(21), 수냉 형 열 싱크(26)는 알루미늄의 금속판(22a, 27a)을 갖고, 120㎜의 길이, 100㎜의 폭, 15㎜의 두께로 측정된다. 그러나, 접착 전기 절연층(22b, 27b)은 이하와 같이 상이하다.
샘플 그룹(B1)의 접착 전기 절연층(22b, 27b)은 다층 구조체를 갖고, 다층 절연 구조체는 5㎛ 두께의 알루마이트 층과 30㎛ 두께의 알루미늄 나이트라이드 파우더 함유 폴리이미드 수지층을 갖는다. 한편, 접착 전기 절연층(22b, 27b)은 마그네슘 옥사이드 파우더 함유 에폭시 수지로 제조되고, 샘플 그룹(B2)의 접착 전기 절연층(22b, 27b)의 두께는 20㎛이다.
발열 금속 전극(23) 및 흡열 금속 전극(25)은 구리로 제조되고, 3㎜의 길이, 1.8㎜의 폭, 120㎛의 두께로 측정된다. p형 반도체 소자 및 n형 반도체 소자의 540 쌍은 발열 금속 전극(23) 및 흡열 금속 전극(25)에 납땜된다.
전체 주면에 대한 점유 영역의 비율은 14%로 고정된다. 인접한 발열 금속 전극(23)들 사이와 인접한 흡열 금속 전극(15)들 사이의 거리 "t"는 각각의 그룹(B1, B2)에서 서로 상이하고, 표 2에 기록되어 있다. 또한, 이용 가능 영역에 대한 점유 영역의 비율도 표 2에 기록되어 있다.
본 발명자는 도 8에 도시된 진공 용기를 추가로 준비하였다. 진공 용기(Y)는 열전기 모듈 장치(20)의 각각의 샘플이 수납된 내부 공간을 갖는다. 냉수 공급 파이프(P1)는 입수구(21a)에 연결되고, 배수 파이프(P2)는 배수구(21b)에 연결된다. 온수 공급 파이프(P3)는 입수구(26a)에 연결되고, 배수 파이프(P4)는 배수구(26b)에 연결된다. 온도 게이지(T1, T2, T3, T4)는 냉수 공급 파이프(P1), 배수 파이프(P2), 온수 공급 파이프(P3) 및 배수 파이프(P4)에 각각 결합되고, 수온은 온도 게이지(T1, T2, T3, T4)로 관찰된다. 내부 공간은 밀폐 상태로 폐쇄되고, 진공이 내부 공간에 전개된다.
열원(도시되지 않음)의 배출구는 온수 공급 파이프(P3)에 연결됨으로써 온수 또는 고온수가 수냉형 열 싱크(26) 안으로 유동된다. 배수 파이프(P4)는 열원(도시되지 않음)의 유입구에 연결됨으로써 온수 또는 고온수가 열원(도시되지 않음)으로 복귀하게 된다. 냉수는 입수구(21a)를 통해 수냉식 열 싱크(21)의 수관 안으로 유동되고 배수구(21b)를 통해 배출된다. 수온은 온도 게이지(T1, T2, T3, T4)로 관찰된다. 열전기 모듈 장치(20)가 작동하면, 열은 수냉형 열 싱크(26)를 통해 흡수되고, 수냉식 열 싱크(21)에 전달된다. 냉수는 수냉식 열 싱크(21)를 통해 가열되고, 냉수는 온도가 상승되었다
본 발명자는 용수 파이프(P1, P2, P3, P4)에 열전기 모듈 장치(20)의 각각의 샘플을 고정시켰고, 샘플의 일련의 p형 반도체 소자 및 n형 반도체 소자를 통해 전기 전류의 공급을 개시하였다.
본 발명자는 10분마다 수온을 측정하였고, T1에서의 평균 수온과 T2에서의 평균 수온의 차 및 T3에서의 평균 수온과 T4에서의 평균 수온의 차를 기초로 하여 최대 흡열량(Qmax)을 계산하였다. 본 발명자는 열전기 모듈 장치(20)의 각각의 샘플에 대한 최대 흡열량(Qmax)을 결정하였고, 표 2에 최대 흡열량(Qmax)의 크기를 기록하였다.
최대 열 흡수량(Qmax)
[Watt]		 전기 절연층(22b,27b)
거리(t)
[㎜]		 0.25 0.62 0.79 0.94 1.23 재료
(두께;㎛)		 필러
비율
[%]		 35 45 50 55 60
샘플 B1 195 198 220 224 223 알루마이트(5) +
폴리이미드(30)		 AlN
B2 184
 193 222 222 224 폴리이미드(20) MgO
표 2에서, 용어 "비율"은 이용 가능 영역에 대한 점유 영역의 비율을 의미하고, 이용 가능 영역은 주면의 전체에서 비점유 영역을 뺀 영역과 동일하다. 본 실험에서, 샘플을 통한 인가 전압 및 유동 전류량은 이하와 같다.
샘플(B1)에 인가된 전압은 24V이다. 샘플(B1)을 통해 유동하는 전류량은 최대 흡열량(Qmax)과 함께 변경되고, 195W에서 8.6A, 198W에서 8.4A, 220W에서 8.8A, 224W에서 9.1A, 223W에서 9.2A이다.
또한, 샘플(B2)에 인가된 전압도 24V이다. 샘플(B2)을 통해 유동하는 전류량은 최대 흡열량(Qmax)과 함께 변경되고, 187W에서 8.3A, 193W에서 8.5A, 222W에서 9.1A, 222W에서 9.0A, 224W에서 9.2A이다.
도 9는 최대 흡열량(Qmax)과 이용 가능 영역에 대한 점유 영역의 비율 사이의 관계를 도시한다. 버블(bubble)은 그룹(B1)의 샘플을 나타내고, 도트(dot)는 그룹(B2)의 샘플을 나타낸다. 플롯은 45%의 비율과 50%의 비율 사이에서 급격하게 상승한다. 따라서, 이용 가능 영역에 대한 점유 영역의 비율은 전체 주면에 대한 비점유 영역의 비율이 14%인 상태에서 50%이상이다. 거리 "t"는 금속 전극(23, 25)의 폭, 즉 1.8㎜보다 작다.
적어도 50%의 비율이 대량의 최대 흡열량으로 결과가 나타나는 이유는 열 싱크(21, 26)의 온도 분산의 균일성, 즉 열전기 모듈 장치(10)의 온도 분산이 동일해졌기 때문이다.
표 1과 표 2를 비교하면, 전체 본체 영역에 대한 비점유 영역의 비율의 차, 즉 7% 및 14%는 이용 가능 영역에 대한 점유 영역의 비율의 임계율에 영향을 갖지 않는다는 것으로 이해된다.
제3 실시예
도 10a, 도 10b 및 도 10c를 참조하면, 본 발명의 또 다른 열전기 모듈 장치(30)는 제조 공정의 다른 단계에서 중간 구조체를 갖는다. 도 10a에 도시된 중간 구조체는 모두 중에 가장 먼저이고, 도 10b에 도시된 중간 구조체는 도 10a에 도시된 중간 구조체의 뒤를 잇는다. 도 10c에 도시된 중간 구조체는 도 10b에 도시된 중간 구조체 이후에 제작된다.
열전기 모듈 장치(10, 20)의 금속 전극(13, 23)이 행렬로 규칙적으로 배열되더라도, 주면의 장애물로 인해 금속 전극이 규칙적인 행렬로 항상 배열되지 않을 수 있다. 이런 비규칙적 배열 금속 전극은 영역 비율의 상술된 경향을 나타낸다.
열전기 모듈 장치(30)는 주로 수냉형 열 싱크(31), 수냉식 열 싱크(36, 38) 및 두 계열의 펠티에 소자(M1, M2)를 포함한다. 일련의 펠티에 소자(M1)는 수냉형 열 싱크(31)와 수냉식 열 싱크(36) 사이에 개재되고, 다른 계열의 펠티에 소자(M2)는 수냉형 열 싱크(31)와 수냉식 열 싱크(38) 사이에 개재된다.
수냉형 열 싱크(31)는 절연층(32a, 32b) 및 금속판(32c)을 갖는다. 금속판(32c)은, 예를 들어 알루미늄 또는 알루미늄 합금과 같은 높은 열 전도성 재료로 제조되고, 성형을 통해 직사각형 평행육면체 형상으로 형성된다. 금속판(32c)은 두 개의 주면(32d, 32e)을 갖고, 절연층(32a, 32b)은 주면(32d, 32e) 위로 각각 연장된다. 절연층(32a, 32b)의 상부면은 주면(32d, 32e)과 같이 넓고, 이런 이유로, 이후의 본 명세서에서는 주면(32d, 32e) 뿐만 아니라 절연층(32a, 32b)의 상부면은 "주면"으로 언급된다. 도 10a 내지 도 10c에 도시되지 않았더라도, 수관은 금속판(32c)에 형성되고, 입수구(31a) 및 배수구(31b)는 수관의 양단부에 연결된다. 이런 이유로, 용수는 입수구(31a)를 통해 수관 안으로 유동하고, 배수구(31b) 밖으로 유동한다.
수냉식 열 싱크(36, 38)는 각각의 금속판(36a, 38a) 및 각각의 절연층(36b, 38b)을 갖는다. 금속판(36a, 38a)은, 예를 들어 알루미늄 또는 알루미늄 합금과 같은 높은 열 전도성 재료로 제조되고, 성형을 통해 직사각형 평행육면체 형상으로 형성된다. 수냉식 열 싱크(36)의 주면 중의 하나는 절연층(36b)으로 씌워지고, 유사하게도, 수냉식 열 싱크(38)의 주면 중의 하는 절연층(38b)으로 씌워진다. 금속판(36a, 38a)은 수관이 각각 형성되고, 입수구(36a', 38a') 및 배수구(36b', 38b')는 수냉형 열 싱크(31)의 연결된 것들과 유사하게 수관에 연결된다.
일련의 펠티에 소자(M1)는 p형 반도체 소자(34a), n형 반도체 소자(34a), 흡열 금속 전극(33a) 및 발열 금속 전극(35a)을 포함한다. 니켈층은 각각의 p형 반도체 소자(34a)의 양단부면과 각각의 n형 반도체 소자(34a)의 양단부면에 도금된다. 흡열 금속 전극(33a)은 절연층(32a)에 체결되고, p형 반도체 소자 및 n형 반도체 소자(34a)의 쌍은 흡열 금속 전극(33a)에 각각 세워진다. 각 쌍의 p형 반도체 소자 및 n형 반도체 소자(34a)는 흡열 금속 전극(33a)에서 서로 이격됨으로써 각 쌍의 p형 반도체 소자 및 n형 반도체 소자(34a)가 흡열 금속 전극(33a)을 통해 서로 전기 접속된다. p형 반도체 소자 및 n형 반도체 소자(34a)는 흡열 금속 전극(33a)에 납땜된다. 한편, 흡열 금속 전극(33a) 중의 하나에서의 p형 반도체 소자 및 n형 반도체 소자(34a)는 인접한 흡열 금속 전극(33a) 상의 n형 반도체 소자(34a)에 연결되고, 다른 인접한 흡열 금속 전극(33a) 상의 p형 반도체 소자(34a)는 발열 금속 전극(35a)을 통해 연결된다. 발열 금속 전극(35a)은 p형 반도체 소자 및 n형 반도체 소자(34a)에 납땜된다. SnSb 합금, AuSn 합금 및 SnAgCu 합금이 납땜으로서 사용된다. 파워 서플라이 케이블은 일련의 펠티에 소자(M1)의 하나의 단부에서의 흡열 금속 전극(33a)과 일련의 펠티에 소자(M1)의 다른 단부에서의 흡열 금속 전극(33a)에 연결된다. 따라서, 직류(dc) 전압이 일련의 펠티에 소자(M1)에 인가된다. 일련의 펠티에 소자(M1)의 양단부에서의 흡열 금속 전극(33a)은 파워 서플라이 케이블에 대한 단자부가 형성된다.
일련의 펠티에 소자(M2)는 p형 반도체 소자(34b), n형 반도체 소자(34b), 흡열 금속 전극(33b) 및 발열 금속 전극(35b)을 포함한다. 니켈층은 각각의 p형 반도체 소자(34b)의 양단부면과 각각의 n형 반도체 소자(34b)의 양단부면에 도금된다. 흡열 금속 전극(33b)은 절연층(32b)에 체결되고, p형 반도체 소자 및 n형 반도체 소자(34b)의 쌍은 흡열 금속 전극(33b)에 각각 세워진다. 각 쌍의 p형 반도체 소자 및 n형 반도체 소자(34b)는 흡열 금속 전극(33b)에서 서로 이격됨으로써 각 쌍의 p형 반도체 소자 및 n형 반도체 소자(34b)가 흡열 금속 전극(33b)을 통해 서로 전기 접속된다. p형 반도체 소자 및 n형 반도체 소자(34b)는 흡열 금속 전극(33b)에 납땜된다. 한편, 흡열 금속 전극(33b) 중의 하나에서의 p형 반도체 소자 및 n형 반도체 소자(34b)는 인접한 흡열 금속 전극(33b) 상의 n형 반도체 소자(34b)에 연결되고, 다른 인접한 흡열 금속 전극(33b) 상의 p형 반도체 소자(34b)는 발열 금속 전극(35b)을 통해 연결된다. 발열 금속 전극(35b)은 p형 반도체 소자 및 n형 반도체 소자(34b)에 납땜된다. SnSb 합금, AuSn 합금 및 SnAgCu 합금이 납땜으로서 사용된다. p형 반도체 소자(34b)는 n형 반도체 소자(34b)로 대체된다. 다시 말하자면, p형 반도체 소자(34b) 및 n형 반도체 소자(34b)는 일련의 펠티에 소자(M2)에서 교대식으로 발견된다. 파워 서플라이 케이블(도시되지 않음)은 일련의 펠티에 소자(M2)의 하나의 단부에서의 흡열 금속 전극(33b)에 연결되고 일련의 펠티에 소자(M2)의 다른 단부에서의 흡열 금속 전극(33b)에 연결된다. 따라서, 직류(dc) 전압이 일련의 펠티에 소자(M2)에 인가된다. 일련의 펠티에 소자(M2)의 양단부에서의 흡열 금속 전극(33b)은 파워 서플라이 케이블에 대한 단자부가 형성된다.
이러한 경우에, 반도체 소자(14)는 p형 화합물 반도체 및 n형 화합물 반도체로 제조된다. Bi-Te 계열의 화합물 반도체의 소결 제품이 실온에서 우수한 성능을 나타내기 때문에, Bi-Sb-Te 화합물 반도체는 p형 화합물 반도체로 채용되고, Bi-Sb-Te-Se 화합물 반도체는 n형 화합물 반도체로 채용된다. Bi-Sb-Te 화합물 반도체는 Bi0.5Sb1.5Te3으로 명시되고, Bi-Sb-Te-Se 화합물 반도체는 Bi1 .9Sb0 .1Te2 .6Se0 .4로 명시된다.
반도체 소자(34a, 34b)는 이하에서와 같이 용융 p형 화합물 반도체 및 용융 n형 화합물 반도체로 형성된다. 용융 p형 화합물 반도체 및 용융 n형 화합물 반도체는 액체 담금질 방법을 통해 p형 화합물 반도체 조각 및 n형 화합물 반도체 조각을 형성한다. p형 화합물 반도체 조각 및 n형 화합물 반도체 조각은 가열 압축됨으로써 p형 화합물 반도체 벌크 및 n형 화합물 반도체 벌크가 얻어진다. p형 화합물 반도체 벌크는 p형 화합물 반도체 열로 절결되고 및 n형 화합물 반도체 벌크는 n형 화합물 반도체 열로 절결된다. p형 화합물 반도체 열 및 n형 화합물 반도체 열은 1.35㎜의 길이, 1.35㎜ 폭, 1.5㎜의 높이로 측정된다. 각각의 p형 화합물 반도체 열의 양단부면 및 각각의 n형 화합물 반도체 열의 양단부면은 니켈로 도금되어, 반도체 소자(34a, 34b)가 얻어진다.
전술된 바와 같이, 금속판(32c, 36a, 38a)은 수관이 형성되고, 성형을 통해 직사각형 평행육면체 형상으로 형성된다. 수관은 성형 공정 동안 금속판(32c, 36a, 38a)에 형성되고, 지그는 도 11a 및 도 11b에 도시된 바와 같이 피팅 구멍(31d, 36d, 38d)에 의해 점유되는 비점유 영역에 추가되는 구멍 및 공동으로 인해 주면에 나타나는 추가 비점유 영역(31c, 36c, 38c)에 만들어진다. 흡열 금속 전극(33a)의 배열은 흡열 금속 전극(33b)의 배열과 동일하다. 또한, 절연층(36b) 상의 발열 금속 전극(35a)의 배열은 절연층(38b) 상의 발열 금속 전극(35b)의 배열과 동일하다. 이런 이유로, 다른 배열에 사용된 도면 부호는 도 11a 및 도 11b에서 괄호에 넣었다.
흡열 금속 전극(33a, 33b)을 갖는 외부행이 흡열 금속 전극(13, 23)의 대응 외부행과 동일하더라도, 흡열 금속 전극(33a, 33b)을 갖는 내부행은 흡열 금속 전극(13, 23)의 대응 내부행보다 적다. 이는 비점유 영역(31c) 때문이다. 비점유 영역(31c) 사이의 영역만이 흡열 금속 전극(33a, 33b)에 대해 이용 가능하다. 따라서, 엔벨로프면(33c, 33d)은 내부행에서 제한된다. 유사하게도, 엔벨로프면(35c, 35d)은 내부행에서 제한된다. 따라서, 비점유 영역(31c, 31d)은 비점유 영역의 크기가 증가하고, 이용 가능 영역을 감소시킨다. 엔벨로프면(33c, 33d, 35c, 35d)으로 수납된 각각의 영역은 점유 영역으로 언급된다.
이런 경우에, 전체 비점유 영역(31c, 31d, 36c, 36d, 38c, 38d)은 주면의 18%와 동일하고, 임계값, 즉 20% 이하이다. 이용 가능 영역에 대한 점유 영역(33c, 33d, 35c 또는 35d)의 비율은 50%이상이다.
절연층(32a, 32b, 36b, 38b)은, 예를 들어 폴리이미드 수지, 에폭시 수지 또는 알루마이트로 제조되고, 10㎛ 내지 100㎛의 범위 내에 있다. 절연층(32a, 32b, 36b, 38b)은 접착력을 갖는다. 절연층(32a, 32b, 36b, 38b)이 폴리이미드 수지 또는 에폭시 수지로 제조되는 경우, 절연층(32a, 32b, 36b, 38b)의 열 전도성을 향상시키기 위해서 합성 수지에 알루미나 파우더, 알루미늄 나이트라이드 파우더, 마그네슘 옥사이드 파우더 또는 실리콘 카바이드 파우더를 분산시키는 것이 바람직하다. 분산된 파우더는 15㎛ 이하의 입자 크기 또는 평균 직경을 갖는다. 절연층(32a, 32b, 36b, 38b)이 알루마이트로 제조되는 경우, 알루마이트 층의 상부면을 파우더 함유 폴리이미드 수지 또는 파우더 함유 에폭시 수지층으로 커버하는 것이 바람직하다.
흡열 금속 전극(33a, 33b) 및 발열 금속 전극(35a, 35b)은 그로 또는 구리 합금으로 제조되고, 금속 전극(33a, 33b, 35a, 35b)의 두께는 70㎛ 내지 200㎛ 범위 내에 있다. 흡열 금속 전극(33a, 33b) 및 발열 금속 전극(35a, 35b)은 각각의 직사각형 상부면을 갖고, 직사각형 상부면은 3㎜의 길이와 1.8㎜의 폭으로 측정된다. 인접한 금속 전극(33a, 33b, 35a, 35b)들 사이의 거리 "t"는 금속 전극(33a, 33b, 35a, 35b)의 폭, 즉 1.8㎜ 보다 작다.
열전기 모듈 장치(30)는 이하와 같이 제작된다. 먼저, 수관이 형성된 수냉형 열 싱크(31)는 금속판(32c)이 절연층(32a, 32b) 사이에 개재되는 단계를 통해 준비된다. 또한, 수관이 각각 형성된 수냉식 열 싱크(36, 38)는 금속판(36a, 38a)의 주면이 절연층(36b, 38b)으로 각각 씌워지는 단계를 통해 준비된다. 절연층(32a, 32b, 36b, 38b)이 합성 수지층으로 형성되는 경우, 합성 수지층이 금속판(32c, 36a, 38a)의 주면에 가압된다. 한편, 합성 수지 페이스트가 사용되는 경우, 합성 수지 페이스트가 금속판(32c, 36a, 38a)의 주면 위에 분사되고 합성 수지 페이스트는 응고된다. 금속 전극(34a, 34b, 35a, 35b), p형 반도체 소자(34a, 34b), n형 반도체 소자(34a, 34b)가 준비된다.
이어서, 흡열 금속 전극(33a, 33b)은 도 10a에 도시된 바와 같이, 엔벨로프면(33c, 33d)에서 패턴 상에 놓이고, 절연층(32a, 32b)에 부착된다. p형 반도체 소자 및 n형 반도체 소자(34a, 34b)의 쌍은 흡열 금속 전극(33a, 33b)에 놓이고, 흡열 금속 전극(33a, 33b)에 납땜된다. 이어서, 흡열 금속 전극(35a, 35b)은 도 10b에 도시된 바와 같이 엔벨로프면(35c, 35d)에서 패턴 상에 놓이고, p형 반도체 소자(34a, 34b) 및 n형 반도체 소자(34a, 34b)에 납땜된다. 따라서, 일련의 펠티에 소자(M1) 및 일련의 펠티에 소자(M2)는 수냉형 열 싱크(31) 상에서 제작된다.
이어서, 수냉식 열 싱크(36, 38)는 도 10c에 도시된 바와 같이, 발열 금속 전극(35a, 35b)에 대향되고, 발열 금속 전극은 절연층(36b, 38b)에 부착된다.
본 발명자는 전기 모듈 장치(30)를 연구하였다. 본 발명자는 열전기 모듈 장치(30)의 두 개의 샘플 그룹(C1, C2)을 준비하였다.
제1 샘플 그룹(C1)의 샘플은 알루미나 파우더 함유 폴리이미드 수지의 절연층(32a, 32b, 36b, 38b)을 갖고, 절연층(32a, 32b, 36b, 38b)은 15㎛ 두께이다. 거리 "t" 및 이용 가능 영역에 대한 점유 영역의 비율은 표 3에 기록된 바와 같이 샘플들 마다 상이하다.
한편, 제2 샘플 그룹(C2)의 샘플의 절연층(32a, 32b, 36b, 38b)은 다층형 구조를 갖고, 각각의 절연층(32a, 32b, 36b, 38b)은 10㎛ 두께의 알루마이트 층과 20㎛ 두께의 파우더 함유 에폭시 수지층을 갖는다. 파우더 또는 필러는 알루미나 파우더 및 알루미늄 나이트라이드 파우더의 혼합체이다.
모든 샘플의 흡열 금속 전극(33a, 33b) 및 발열 금속 전극(35a, 35b)은 구리로 제조되고, 120㎛의 두께를 갖는다. 각각의 금속판(32c, 36a, 38a)은 알루미늄으로 제조되고, 100㎜의 폭, 120㎜의 길이, 15㎜의 두께이다. 각각의 두 계열(M1, M2)은 p형 반도체 소자 및 n형 반도체 소자(34a 또는 34b)의 504 쌍으로 형성된다.
본 발명자는 도 12에 도시된 바와 같이, 진공 용기(Z)를 추가로 준비하였고, 각각의 샘플은 진동 용기(Z)의 진공 챔버에 놓인다. 도 12에 도시되지 않았더라도, 열원 및 냉수원은 진공 용기(Z)에 관련하여 제공되고, 온도 게이지(T1, T2, T3, T4, T5, T6)는 진공 용기(Z) 내부에 제공된다.
열원(도시되지 않음)의 배수구는 입수구(31a)에 연결되고, 배수구(32b)는 열원(도시되지 않음)의 입수구에 연결된다. 열원이 열을 발생하면, 온수 또는 고온수가 수냉형 열 싱크(31)의 수관으로 유동하고, 배수는 열원으로 복귀된다. 온수 및 고온수의 온도와 배수의 온도는 온도 게이지(T1, T2)로 측정된다.
입수구(36a')는 냉수원(도시되지 않음)에 연결되고, 배수구(36b')는 배수 파이프에 연결된다. 냉수는 수냉식 열 싱크(36)의 수관 안으로 유동되고, 온수는 수관으로부터 밖으로 유동된다. 냉수의 온도 및 배수의 온도는 온도 게이지(T5, T6)로 측정된다.
입수구(38a')는 냉수원(도시되지 않음)에 연결되고, 배수구(38b')는 배수 파이프에 연결된다. 냉수는 수냉식 열 싱크(38)의 수관 안으로 유동되고, 온수는 수관으로부터 밖으로 유동된다. 냉수의 온도 및 배수의 온도는 온도 게이지(T5, T6)로 측정된다. 직류(dc) 전압은 일련의 펠티에 소자(M1, M2)의 양쪽에 인가된다.
열원(도시되지 않음)은 열을 발생시키고, 고온수는 수냉형 열 싱크(31)에 공급된다. 냉수는 수냉식 열 싱크(36, 38)에 공급된다. 그 후에, 일련의 펠티에 소자(M1, M2)는 수냉형 열 싱크(31)를 통해 고온수로부터 열을 흡수하고, 흡수된 열은 수냉식 열 싱크(36, 38)를 통해 냉수에 전달한다.
본 발명자는 고온수의 온도, 냉수의 온도, 배수의 온도를 10분마다 측정하고, 샘플(A1, A2, A3, A4)에 대한 계산과 유사하게 고온수의 평균 온도, 냉수의 평균 온도, 배수의 평균 온도에 기초하여 최대 흡열량(Qmax)을 계산하였다. 샘플의 최대 흡열량(Qmax)은 표 3에 기록된다.
최대 열 흡수량(Qmax)
[Watt]		 전기 절연층(32a, 32b, 36b, 38b)
거리(t)
[㎜]		 0.30 0.67 0.85 1.00 1.15 재료
(두께;㎛)		 필러
비율
[%]		 35 45 50 55 60
샘플 C1 399
 401 443 445 445 폴리이미드(15) Al2O3
C2 403 407 445 445 447 알루마이트(5) +
에폭시(20)		 Al2O3
+ AlN
표 3에서, 용어 "비율"은 이용 가능 영역에 대한 점유 영역의 비율을 의미하고, 이용 가능 영역은 주면의 전체에서 비점유 영역을 뺀 영역과 동일하다. 본 실험에서, 샘플을 통한 인가 전압 및 유동 전류량은 이하와 같다.
샘플(C1)에 인가된 전압은 48V이다. 샘플(C1)을 통해 유동하는 전류량은 최대 흡열량(Qmax)과 함께 변경되고, 399W에서 9.1A, 401W에서 9.1A, 443W에서 9.5A, 445W에서 9.3A, 445W에서 9.5A이다.
또한, 샘플(C2)에 인가된 전압도 48V이다. 샘플(C2)을 통해 유동하는 전류량은 최대 흡열량(Qmax)과 함께 변경되고, 403W에서 8.9A, 407W에서 8.7A, 445W에서 9.4A, 445W에서 9.4A, 447W에서 9.4A이다.
도 13은 최대 흡열량(Qmax)과 이용 가능 영역에 대한 점유 영역의 비율 사이의 관계를 도시한다. 버블(bubble)은 그룹(C1)의 샘플을 나타내고, 도트(dot)는 그룹(C2)의 샘플을 나타낸다. 플롯은 45%의 비율과 50%의 비율 사이에서 급격하게 상승한다. 따라서, 이용 가능 영역에 대한 점유 영역의 비율이 전체 주면에 대한 비점유 영역의 비율이 18%인 상태에서 50% 이상이다. 거리 "t"는 금속 전극(32a, 32b, 35a, 35b)의 폭, 즉 1.8㎜보다 작다.
적어도 50%의 비율이 대량의 최대 흡열량으로 결과가 나타나는 이유는 열 싱크(31, 36, 38)의 온도 분산의 균일성 때문이다.
표 1 및 표 2와 표 3을 비교하면, 전체 본체 영역에 대한 비점유 영역의 비율의 차, 즉 18%, 7% 및 14%는 이용 가능 영역에 대한 점유 영역의 비율의 임계율에 영향을 갖지 않는다는 것으로 이해된다.
이어서, 본 발명자는 전체 주면에 대한 비점유 영역의 비율에 대하여 열전기 모듈 장치를 연구하였다. 본 발명자는 열전기 모듈 장치(10)의 샘플(D)을 준비하였다.
방습 밀봉벽용 구멍이 열전기 모듈 장치를 도시하는 도면에서 생략되었더라도, 구멍(18, 19)은 샘플(D)에 대해 도 14에 도시된다. 현재 도면에 도시되어 있지만, 방습 밀봉벽(도시되지 않음)은 구멍(18, 19)의 바닥부 상의 양단부에 안착된다. 그 결과, 방습 밀봉벽은 열 싱크(11, 16) 사이의 갭 위로 연장되고, 일련의 펠티에 소자는 방습 밀봉벽에 수납된다. 이런 경우에, 방습 밀봉벽(도시되지 않음)은 부틸 고무로 제조된다.
구멍(18, 19)은 열 싱크(11, 16)의 외부 주연부를 따라 형성되고, 점유 영역은 구멍(18, 19)에 수납된다. 샘플(D)의 엔벨로프면(13a, 15a) 내부의 점유 영역은 이용 가능 영역의 60%로 조절된다. 본 발명자는 표 4에 기록된 바와 같이 샘플(D) 마다 상이한 구멍(18 19)의 폭(W)을 갖고, 인접한 금속 전극(13, 15) 사이의 거리 "t"도 샘플(D) 마다 상이하다.
금속 전극(13, 15)은 구리로 제조되고, 120㎛의 두께이다. 열 싱크(11, 16)는 알루미늄으로 제조되고, 90㎜의 길이, 90㎜의 폭으로 측정된다. 핀(11a)은 40㎜의 높이이다. 절연층(12, 17)은 5㎛의 알루마이트 층과 30㎛의 알루미늄 나이트라이드 파우더 함유 에폭시 수지층을 갖는 다층 구조체를 갖는다. p형 반도체 소자 및 n형 반도체 소자의 320 쌍은 일련의 펠티에 소자(PLT)를 형성한다.
본 발명자는 단열 상자(X)의 창문에 샘플(D)을 고정시켰고, 강제 공기 냉각을 위한 팬을 구동시켰다. 본 발명자는 샘플(A1 내지 A4)과 유사한 최대 흡열량(Qmax)을 결정하였다. 최대 흡열량(Qmax)은 표 4에 기록된다.
절연층(12, 17) 알루마이트(5) + 에폭시(30) + AlN 필러
전극들 사이의
거리(t)[㎜]		 1.51 1.38 1.25 1.20 1.11 0.97
전체 본체 영역에 대한 점유 영역의 비율(%) 6 12 18 20 24 30
최대 흡열량
(Qmax)[watt)		 72 70 72 71 52 48
본 발명자는 도 15에 도시된 바와 같이 비점유 영역의 비율에 관하여 최대 흡열량(Qmax)을 플롯하였다. 도 15로부터 이해할 수 있는 바와 같이, 플롯은 20%의 비율과 25%의 비율 사이에서 급격히 하강한다. 따라서, 비점유 영역의 비율은 20% 이하이다.
본 발명자는 열전기 모듈 장치(30)의 사용에 의한 비점유 영역의 비율에 대해 추가적인 연구를 하였다. 본 발명자는 샘플(E)을 준비하였고, 서로 구멍의 폭이 상이한 샘플(E)을 만들었다. 본 발명자는 표 5에 도시된 바와 같이, 서로 상이한 인접한 금속 전극(33a, 33b, 35a, 35b)들 사이의 거리 "t"를 만들었고, 샘플(E)의 이용 가능 영역에 대한 점유 영역의 비율을 55%로 조절하였다.
p형 반도체 소자 및 n형 반도체 소자의 552 쌍은 일련의 펠티에 소자(M1, M2)를 형성한다. 금속 전극(33a, 33b, 35a, 35b)은 구리로 제조되고, 120㎛의 두께이다. 금속판(32c, 36a, 38a)은 알루미늄으로 제조되고, 110㎜의 폭, 130㎜의 폭, 15㎜의 두께로 측정된다. 절연층은 다층 구조체를 갖고, 5㎛ 두께의 알루마이트 층과 30㎛의 알루미늄 나이트라이드 파우더 함유 에폭시 수지층은 다층 구조체를 형성한다.
본 발명자는 샘플(C1, C2)과 유사한 최대 흡열량(Qmax)을 결정하였고, 실험 결과는 표 5에 기록하였다.
절연층(12, 17) 알루마이트(5) + 에폭시(30) + AlN 필러
전극들 사이의
거리(t)[㎜]		 1.54 1.45 1.30 1.18 1.10 1.00
전체 본체 영역에 대한 점유 영역의 비율(%) 4 8 16 20 24 28
최대 흡열량
(Qmax)[watt)		 242 239 241 241 178 176
본 발명자는 도 16에 도시된 바와 같이 비점유 영역의 비율에 관하여 최대 흡열량(Qmax)을 플롯하였다. 도 16으로부터 이해할 수 있는 바와 같이, 플롯은 20%의 비율과 24%의 비율 사이에서 급격히 하강한다. 따라서, 비점유 영역의 비율은 20%이하이다.
전술된 상세한 설명, 표 1 내지 표 5, 도 5, 도9 , 도13, 도 15, 도 16으로부터 이해할 수 있는 바와 같이, 열전기 모듈 장치는 이용 가능 영역에 대한 점유 영역의 비가 50% 이상이고 전체 본체 영역에 대한 비점유 영역의 비가 20% 이하인 상태에서 우수한 열전도성을 나타낸다.
본 발명의 특정한 실시예가 도시되고 설명되었더라도, 다양한 변화 및 변경예가 본 발명의 기술 사상 및 범주 내에 있다는 것을 당업자라면 이해할 것이다.
전기 절연층(12, 17)은 다층 구조체를 가질 수도 있다. 예를 들어, 절연 합금층이 필러 함유 절연 합성 수지층에 씌워진다.
금속판(22a, 26a)은, 예를 들어 알루미늄 합금과 같은 다른 종류의 높은 절 전도성 합금으로 제조될 수도 있다.
에폭시 수지 및 폴리이미드 수지는 본 발명의 기술적인 범위에 대해 어떠한 제한도 설정하지 않는다. 절연층은, 예를 들어 폴리이미드 및 에폭시를 제외한 아라미드 수지 및 BT(Bismulade Triazine) 수지와 같은 다른 종류의 합성 수지로 제조될 수도 있다.
필러는, 예를 들어 카본 파우더, 실리콘 카바이드 파우더 실리콘 나이트라이드 파우더와 같은 다른 종류의 파우더일 수도 있다. 두 개 이상의 파우더가 필러에 혼합될 수도 있다. 파우더는 구형, 바늘형 또는 구형 형상 및 바늘형 형상의 혼합일 수도 있다.
Bi-Te 계열에서의 화합물 반도체는 본 발명의 기술적인 범위에 대해 어떠한 제한도 설정하지 않는다. 다른 종류의 반도체, 다른 종류의 금속의 조합체 또는 반도체 및 금속의 조합체는 일련의 펠티에 소자(PLT, M1, M2)로 사용될 수도 있다.
강제 공기 냉각 및 용수 냉각은 본 발명의 기술적인 특징에 대해 어떠한 제한도 설정하지 않는다. 본 발명의 열전기 모듈 장치는 자연 공기 냉각식으로 작동할 수도 있다.
용수는 본 발명의 기술적인 범위에 대해 어떠한 제한도 설정하지 않는다. 예를 들어 냉매와 같은 다른 종류의 액체가 수관을 통해 유동할 수도 있다.
모든 펠티에 소자가 상술된 실시예서 직렬로 연결되었더라도, 일련의 연결이 본 발명의 특징에서 꼭 필요한 것은 아니다. 예를 들어, 펠티에 소자가 복수의 그룹을 평행하게 전기 접속하도록 복수의 그룹으로 분할될 수도 있다.
절연층(12, 17, 22b, 27b, 32b, 36b, 38b)은 본 발명의 열전기 모듈 장치에 꼭 필요한 구성 요소는 아니다. 절연층(12, 17, 22b, 27b, 32b, 36b, 38b)이 금속 전극과 장착부/금속판 사이에 요구되는 이유는 전기 전도성 금속의 장착부/금속판 또는 전기 전도성 합금이 합선된 일련의 펠티에 소자를 만들기 때문이다. 장착부/금속판이 열전달 전기 절연 재료로 제조되는 경우, 절연층(12, 17, 22b, 27b, 32b, 36b, 38b)은 열전기 모듈 장치에 요구되지 않는다.
샘플(A1, A2, A3, A4, B1, B2, C1, C2, D, E)은 점유 영역의 비율 및 비점유 영역의 비율의 양쪽 모두의 상태를 충족한다. 그러나, 열전기 모듈 장치가 하나의 상태, 즉 점유 영역의 비율 또는 비점유 영역의 비율 중의 하나를 충족한다고 할지라도, 열전기 모듈 장치는 양쪽 모두의 상태가 충족되지 않은 열전기 모듈 장치보다 더 좋은 최대 흡열량(Qmax)을 나타낸다.
상술된 열전기 모듈 장치(10, 20, 30)의 구성 부품은 이하의 청구 범위 언어와 서로 연결된다.
제1 열 싱크(11) 및 제2 열 싱크(16) 중의 하나와 수냉형 열 싱크(26, 31) 및 수냉식 열 싱크(21, 36, 38) 중의 하나는 "제1 열 싱크"로서의 기능을 하고, 제1 열 싱크(11) 및 제2 열 싱크(16) 중의 다른 것과 수냉형 열 싱크(26, 31)와 수냉식 열 싱크(21, 36, 38) 중의 다른 것은 "제2 열 싱크"로서의 기능을 한다.
주면(11c, 16c) 위의 절연층의 상부면은 "주면" 및 "다른 주면"으로서의 기능을 하고, 핀(11a)의 표면 및 핀(16a)의 표면은 "열교환면" 및 "다른 열교환면"으로서의 기능을 한다. 주면(22c, 27c) 위의 절연층의 상부면은 "주면" 및 "다른 주면"으로서의 기능을 하고, 수관을 형성하는 내부면은 "열교환면" 및 "다른 열교환면"으로서의 기능을 한다. 주면(32d, 32e) 위의 절연층의 상부면은 "주면" 및 "다른 주면" 중의 하나의 기능을 하고, 주면(36b, 38b)의 상부면은 "주면" 및 "다른 주면" 중의 다른 기능을 한다. 수관을 형성하는 내부면은 "열교환면" 및 "다른 열교환면"으로서의 기능을 한다.
일련의 펠티에 소자(PLT, M1, M2)는 "열전기 소자의 그룹"에 대응된다. 점유 영역, 이용 가능 영역 및 비점유 영역은 "점유 영역", "이용 가능 영역" 및 "비점유 영역"으로서 의미하는 것과 동일하다. 적어도, 피팅 구멍(11e, 16e, 21b, 26b, 31d, 36d, 38d)은 "비점유 영역" 및 "다른 비점유 영역"을 점유하고, 구멍(18 19) 및 피팅 구멍(11e, 16e, 21b, 26b, 31d, 36d, 38d)은 "비점유 영역" 및 "다른 비점유 영역"을 점유한다. 커플링 부재(CP)는 "커플링 부재"에 대응된다.
핀(11a) 및 핀(16a)은 "열교환 가속 설비" 및 "다른 열교환 가속 설비"로서의 기능을 하고, 수관을 형성하는 내부면도 "열교환 가속 설비" 및 "다른 열교환 가속 설비"로서의 기능을 한다. 21a, 21b, 26a, 26b, 21a, 31b, 36a', 36b', 38a', 38b'로 명명되는 수관, 입수구, 배수구는 "도관" 및 "다른 도관"에 대응하고, 용수는 "액체" 및 "다른 액체"로서의 기능을 한다.
p형 반도체 소자(14, 24a, 34a, 34b)는 "하나의 전도성 유형의 반도체 피스"에 대응하고, n형 반도체 소자(14, 24a, 34a, 34b)는 "다른 전도성 유형의 반도체 피스"로서의 기능을 한다.
각각의 장착부(11b), 수냉식 열 싱크(21, 36, 38), 수냉형 열 싱크(26, 31)는 열교환기를 형성하는 청구 범위의 "장착부"에 대응하고, 각각의 금속부(22a, 27a, 32c, 36a, 38a)는 "베이스부"로서의 기능을 한다.
도 1a는 일본특허출원공개 제2003-332642호에 개재된 종래 기술의 열전기 모듈 장치의 구조를 도시는 단면도.
도 1b는 종래 기술의 열전기 모듈 장치의 전기 절연층에서의 펠티에 소자의 레이아웃을 도시하는 평면도
도 2a 내지 2c는 제조 공정의 다른 단계에서의 본 발명의 열전기 모듈 장치 구조를 도시하는 개략 측면도.
도 3a는 열전기 모듈 장치의 전기 절연층에서의 하부 전극의 레이아웃을 도시하는 개략 평면도.
도 3b는 하부 전극에 반도체 소자와 상호연결되는 상부 전극의 배치를 도시하는 개략 평면도.
도 4는 최대 흡열량을 측정하기 위한 실험에서 열전기 모듈 장치의 예를 도시하는 개략도.
도 5는 비점유 영역의 비율에 대한 최대 흡열량을 도시하는 도면.
도 6a 내지 도 6c는 제조 공정의 다른 단계에서의 본 발명의 다른 열전기 모듈 장치 구조를 도시하는 개략 측면도.
도 7a는 열전기 모듈 장치의 전기 절연층에서의 하부 전극의 배치를 도시하는 개략 평면도.
도 7b는 하부 전극에 반도체 소자와 상호연결되는 상부 전극의 배치를 도시하는 개략 평면도.
도 8은 최대 흡열량을 측정하기 위한 실험에서 열전기 모듈 장치의 예를 도시하는 개략도.
도 9는 점유 영역의 비율에 대한 최대 흡열량을 도시하는 그래프.
도 10a 내지 도 10c 제조 공정의 다른 단계에서의 본 발명의 또 다른 열전기 모듈 장치 구조를 도시하는 개략 측면도.
도 11a는 열전기 모듈 장치의 하부 전극의 배치를 도시하는 개략 평면도.
도 11b는 열전기 모듈 장치의 상부 전극의 배치를 도시하는 개략 평면도.
도 12는 최대 흡열량을 측정하기 위한 실험에서 열전기 모듈 장치의 예를 도시하는 개략도.
도 13은 점유 영역의 비율에 대한 최대 흡열량을 도시하는 그래프.
도 14는 방습 밀봉벽용 구멍을 도시하는 개략 평면도.
도 15는 열전기 모듈 장치의 예제에 대해서 실험을 통해 얻어진 비점유 영역의 비율에 대한 최대 흡열량을 도시하는 그래프.
도 16은 실험을 통해 얻어진 비점유 영역의 비율에 대한 최대 흡열량을 도시하는 그래프.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
H : 가열기
X : 단열 상자
Y, Z : 진공 용기
10, 20, 30 : 열전기 모듈 장치
11, 16, 21, 26, 31, 36, 38 : 열 싱크
11a, 16a : 핀
11b, 16b, 32c, 36a, 38a : 장착부
11c, 11d, 16c, 16d : 주면
11e, 16e, 21c, 26c, 31d, 36d, 38d : 피팅 구멍
11f, 21f, 26f : 주연 영역
12, 22b : 전기 절연층
12a, 13a, 15a, 23a, 25a, 33c, 33d, 35c, 35d : 엔벨로프면
13, 15, 23, 25 : 금속 전극
13a, 15a : 점유 영역
14, 24a: 반도체 소자
21a, 26a, 31a, 36a, 38a : 입수구
21b, 26b, 31b, 36b, 38b : 배수구

Claims (20)

  1. 냉간측에서 열간측으로 열을 전달하기 위한 열전기 모듈 장치(10, 20, 30)이며,
    열전도성 및 전기 절연성을 갖고, 상기 냉간측 및 열간측 중 하나의 기능을 하는 열교환면(16a, 26a/26b, 31a/31b)과 주면을 갖는 제1 열 싱크(16, 26, 31)와,
    열전도성 및 전기 절연성을 갖고, 상기 냉간측 및 열간측 중 다른 하나의 기능을 하는 다른 열교환면(11a, 21a/21b, 36a/36b/38a/38b)과 다른 주면을 갖는 제2 열 싱크(11, 21, 36/38)와,
    상기 주면과 상기 다른 주면 사이에 제공되고, 상기 주면에서의 점유 영역(15a, 25a, 35c/35d) 및 상기 다른 주면에서의 다른 점유 영역(13a, 23a, 33c/33d)을 점유하고, 상기 제1 열 싱크(16, 26, 31)와 상기 제2 열 싱크(11, 21, 36/38) 사이에서 열을 전달하도록 전압이 인가되는 열전기 소자(14, 24a, 34a/34b)의 그룹(PLT, 24, M1/M2)을 포함하고,
    상기 주면 및 상기 다른 주면은 상기 열전기 소자(14, 24a, 34a/34b)의 상기 그룹(PLT, 24, M1/M2)에 의해 점유될 수 있는 이용 가능 영역과 상기 열전기 소자(14, 24a, 34a/34b)의 상기 그룹(PLT, 24, M1/M2)에 의해 점유될 수 있는 다른 이용 가능 영역을 각각 갖고,
    상기 점유 영역과 상기 이용 가능 영역 사이의 비율 및 상기 다른 점유 영역과 상기 다른 이용 가능 영역 사이의 비율은 50% 이상인 것을 특징으로 하는,
    열전기 모듈 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    비점유 영역 및 다른 비점유 영역은 상기 주면의 영역과 상기 이용 가능 영역 사이의 차 및 상기 다른 주면의 영역과 상기 다른 이용 가능 영역 사이의 차와 각각 동일하고,
    상기 비점유 영역과 상기 주면의 영역 사이의 비율 및 상기 다른 비점유 영역과 상기 다른 주면의 영역 사이의 비율은 20% 이하인,
    열전기 모듈 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 비점유 영역 및 상기 다른 비점유 영역은 상기 제1 열 싱크(16, 26, 31)를 이루도록 커플링 부재(CP)가 관통되는 피팅 구멍(16e/11e, 26b/21b, 31d/36d/38d)에 의해 점유되고,
    상기 제2 열 싱크(11, 21, 36/38) 및 상기 열전기 소자(14, 24a, 34a/34b)의 상기 그룹(PLT, 24, M1/M2)은 함께 조립되는,
    열전기 모듈 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 그룹(PLT, 24, M1/M2)의 상기 열전기 소자(14, 24a, 34a/34b)는 행렬로 배열되고,
    상기 점유 영역 및 상기 다른 점유 영역은 상기 열전기 소자(14, 24a, 34a/34b)의 상기 행렬을 둘러싸는 앤벨로프(15a/13a, 25a/23a, 35c/35d/33c/33d)에 의해 형성된 영역과 동일한,
    열전기 모듈 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    각각의 상기 열전기 소자(14, 24a, 34a/34b)는, 길이 및 폭을 갖는 평면 구조를 갖는 영역을 점유하고, 인접한 열전기 소자로부터 상기 평면 구조의 상기 길이 및 폭 중에서 짧은 것보다 더 짧은 거리(t) 만큼 동일한 행 및 동일한 열로 이격되는,
    열전기 모듈 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 열 싱크(16, 26, 31) 및 상기 제2 열 싱크(11, 21, 36/38)는 각각의 전기 절연층(17/21, 27b/22b, 32a/32b/36b/38b)과, 전기 전도성 및 열전도성을 갖는 재료로 제조되고 상기 전기 절연층(17/21, 27b/22b, 32a/32b/36b/38b)으로 각각 커버되는 각각의 장착부(11b/16b, 27a/22a, 32c/36a/38a)를 갖는,
    열전기 모듈 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 전기 절연층(17/21, 27b/22b, 32a/32b/36b/38b)은, 전기 절연성을 갖는 합성 수지로 제조되고, 상기 전기 절연층(17/21, 27b/22b, 32a/32b/36b/38b)의 열전도성을 개선하기 위한 열전도성을 갖는 필러를 포함하는,
    열전기 모듈 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 열 싱크(16, 26, 31) 및 상기 제2 열 싱크(11, 21, 36/38)는 상기 열교환면으로서의 기능을 하는 열교환 가속 설비(16a, 26a/26b, 31a/31b)와, 상기 다른 열교환면으로서의 기능을 하는 다른 열교환 가속 설비(11a, 21a/21b, 36a/36b/38a/38b)를 각각 갖는,
    열전기 모듈 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 열 싱크(16) 및 상기 제2 열 싱크(11)는 열교환 가속 설비로서의 기능을 하는 핀(16a)과, 다른 열교환 가속 설비로서의 기능을 하는 다른 핀(11a)으로 각각 형성되는,
    열전기 모듈 장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 제1 열 싱크(26, 31) 및 상기 제2 열 싱크(21, 36/38)는 액체용 도관(26a/26c, 31a/31b)과 다른 액체용 다른 도관(21a/21c, 36a'/36b'/38a'/38b')으로 각각 형성되고,
    상기 액체용 도관(26a/26c, 31a/31b)을 형성하는 내부면과 상기 다른 액체용 다른 도관(21a/21c, 36a'/36b'/38a'/38b')을 형성하는 다른 내부면은 각각 상기 열교환 가속 설비 및 상기 다른 열교환 가속 설비로서의 기능을 하는,
    열전기 모듈 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 열전기 소자(14, 24a, 34a/34b)의 상기 그룹(PLT, 24, M1/M2)은,
    하나의 전도성 유형을 갖는 반도체의 피스와,
    다른 전도성 유형을 갖는 반도체의 다른 피스와,
    상기 하나의 전도성 유형을 갖는 반도체의 피스와 상기 다른 전도성 유형을 갖는 반도체의 다른 피스를 상호연결하는 전도성 전극(13/15, 23/25, 33a/33b/35a/35b)을 갖는,
    열전기 모듈 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 하나의 전도성 유형을 갖는 반도체 및 상기 다른 전도성 유형을 갖는 반도체는 서로 다른 화학식의 화합물 반도체인,
    열전기 모듈 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 화합물 반도체는 Bi-Te 계열인,
    열전기 모듈 장치.
  14. 열전기 소자(14, 24a, 34a/34b)의 그룹(PLT, 24, M1/M2)용으로 사용되는 열교환기이며,
    상기 열전기 소자(14, 24a, 34a/34b)의 상기 그룹(PLT, 24, M1/M2)에 의해 점유될 수 있는 이용 가능 영역을 갖는 주면과, 상기 주면의 온도와 다른 임의의 온도에서 매체와 접촉 유지되는 열교환면(11a, 16a, 21a/21b, 26a/26b, 31a/31b, 36a/36b/38a/38b)을 구비하는 장착부(11b/12, 16b/17, 22a/22b, 27a/27b, 32a/32c, 36a/36b/38a/38b)를 포함하고,
    상기 이용 가능 영역과 상기 열전기 소자(14, 24a, 34a/34b)의 상기 그룹(PLT, 24, M1/M2)에 의해 점유된 점유 영역(13a, 15a, 23a, 25a, 33c/33d, 35c/35d) 사이의 비율은 50% 이상인 것을 특징으로 하는,
    열교환기.
  15. 제14항에 있어서,
    비점유 영역은 상기 주면의 영역과 상기 이용 가능 영역 사이의 차와 동일하고,
    상기 비점유 영역과 상기 주면의 영역 사이의 비율은 20% 이하인,
    열교환기.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 비점유 영역은 상기 장착부(11b, 16b, 22a, 27a, 32c, 36a/38a)를 이루도록 커플링 부재(CP)가 관통되는 피팅 구멍(11e, 16e, 21b, 26b, 31d, 36d/38d)에 의해 점유되고,
    다른 장착부 및 상기 열전기 소자(14, 24a, 34a/34b)의 상기 그룹(PLT, 24, M1/M2)은 함께 조립되는,
    열교환기.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 그룹(PLT, 24, M1/M2)의 각각의 열전기 소자(14, 24a, 34a/34b)는, 길이 및 폭을 갖는 평면 구조를 갖는 영역이 점유하고, 인접한 열전기 소자(14, 24a, 34a/34b)로부터 상기 평면 구조의 상기 길이 및 폭 중에서 짧은 것보다 더 짧은 거리(t) 만큼 이격되는,
    열교환기.
  18. 제14항에 있어서,
    상기 장착부는,
    전기 절연층(12, 17, 22b, 27b, 32a/32b, 36b/38b)과,
    전기 전도성 및 열전도성을 갖는 재료로 제조되고 상기 전기 절연층(12, 17, 22b, 27b, 32a/32b, 36b/38b)으로 커버되는 베이스부(11b, 16b, 22a, 27a, 32c, 36a/38a)를 갖는,
    열교환기.
  19. 제14항에 있어서,
    상기 장착부(11b, 16b)에는 열교환 가속을 위해 돌출된 핀(11a, 16a)이 형성되고,
    상기 돌출된 핀(11a, 16a)의 표면은 상기 열교환면으로서의 기능을 하는,
    열교환기.
  20. 제14항에 있어서,
    상기 장착부(22a/22b, 27a/27b, 32a/32c, 36a/36b/38a/38b)에는 액체용 도관(21a/21b, 26a/26b, 31a/31b, 36a'/36b'/38a'/38b')이 형성되고,
    상기 액체용 도관(21a/21b, 26a/26b, 31a/31b, 36a'/36b'/38a'/38b')을 형성하는 내부면은 상기 열교환면으로서의 기능을 하는,
    열교환기.
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