KR101384981B1 - 열효율을 개선할 수 있는 구조를 갖는 열전 소자 - Google Patents

Abstract

본 발명의 한 가지 양태에 따라서 제공되는 열전소자는 곡면을 포함하는 폐열 환경에 대응하는 형상으로 이루어진 지지체와, 상기 지지체를 에워싸도록 상기 지지체의 표면에 형성된 열전 소재를 포함하고, 상기 지지체는 열전소자의 양단의 온도차를 유지할 수 있도록 상기 열전 소재가 아닌 열전도도가 낮은 재료로 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

열효율을 개선할 수 있는 구조를 갖는 열전 소자{THERMOELECTRIC DEVICE HAVING STRUCTURE CAPABLE OF IMPROVING THERMAL EFFICIENCY}

본 발명은 열전 소자에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 폐열 환경으로부터 용이하게 전기를 회수할 수 있는 구조를 갖는 열전 소자에 관한 것이다.

열전 소자는 에너지 수확장치 중 한 가지로 분류된다. 열전 소자는 통상, 열원, 열흡수원(heat sink) 및 열전대열을 포함한다. 열전대열은 직렬로 연결된 복수의 열전대로 구성되고, 열 에너지의 일부를 에너지로 변환하는 데 이용된다.

일반적으로, 열전 소자는 반도체 물질을 이용하여 형성된다. 반도체 물질들은 열전대를 형성하기 위해 전기적으로는 직렬로 연결되고 열적으로 병렬로 연결되어, 두 접합을 형성한다. 반도체 물질들은 전형적으로 N-형 및 P-형이 있는데, 전형적인 열전 소자에서 P-형 및 N-형 반도체 물질 사이에 전기적 도전성 연결이 형성되고, 캐리어들은 열 확산의 결과로 핫 접합에서 콜드 접합으로 이동되어 전류를 유도한다.

휴대용 전자 기기에 열전소자를 이용하기 위하여, 열전소자를 플렉서블한 형태로 제공하는 것이 알려져 있다(예컨대, 공개특허 제10-2011-73166호). 그러나, 제시된 열전 소자는 휴대용 전자 기기에 적용하기에 적합하도록 플렉서블 형태로 제공된다는 점에서는 의의가 있지만, 열전 소자가 많이 사용되는 폐열 환경에서는 사용할 수 있도록 해주는 구성에 대해서는 개시하지 못하고 있다.

구체적으로, 열전 소자의 주 응용분야는 버려지는 폐열로부터 전기를 회수하는 것이다. 열에너지에서 열전소자를 이용하여 전기를 생산하기 위해서는, 높은 제벡상수, 높은 온도차의 구현이 필수적으로 요구되고 있다. 기존의 열전소자에 따르면, 충분한 온도차를 구현하기 위해 열전 소재의 두께를 늘리는 방법을 채용하고 있다.

그러나, 이와 같이 열전소재의 두께를 늘리는 방법은 (1) 열전 소재의 열 및 전기 저항 때문에 일정 온도 이상을 구현하기가 어려우며, (2) 소재의 낭비적인 측면이 있다.

그러나, 열전소자의 두께가 두꺼우면, 그 소자를 폐열 환경에 적용하기가 어렵다는 문제점이 있다. 즉, 폐열이 발생되는 대표적인 환경은 공장의 굴뚝을 예로 들 수 있다. 굴뚝은 둥근 형태, 즉 곡면 형태로 형성된다. 따라서, 두꺼운 열전 소자는 그 표면 전체가 굴뚝의 둥근 표면에 접촉할 수가 없어, 폐열로부터 전기를 회수하는 데에 한계가 있게 된다. 이와 관련하여, 상기 특허와 같이 열전소자를 플렉서블 하게 구성한다면, 굴뚝과 같은 폐열 환경에 적용할 수가 있다. 그러나, 열전소자가 플렉서블하다는 것은 길이 방향과 비교하여, 그 두께 방향으로의 두께가 극히 얇다는 것인데, 이 경우, 고온의 굴뚝 표면에 접촉하는 부분과 그 반대쪽 표면 사이의 온도차이가 유지되지 못하게 되어, 역시 효율적인 열전소자로서 기능하지 못하게 된다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술에서 나타나는 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 그 한 가지 목적은 폐열 환경과 같이 특수한 환경에 적용할 수 있는 구조를 갖는 열전소자를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 기존의 열전 소재(thermoelectric material)를 이용하면서도 열효율과 발생되는 파워를 높일 수 있는 구조를 갖는 열전 소자를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 열전소자의 기판뿐만 아니라, 열전소자를 전체적으로 플렉서블하게 구성함과 아울러, 그 두께가 충분히 얇음에도 불구하고 충분한 온도차를 유지할 수 있는 구조를 갖는 열전소자를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 한 가지 양태에 따라서 제공되는 열전소자는 곡면을 포함하는 폐열 환경에 대응하는 형상으로 이루어진 지지체와, 상기 지지체를 에워싸도록 상기 지지체의 표면에 형성된 열전 소재를 포함하고, 상기 지지체는 열전소자의 양단의 온도차를 유지할 수 있도록 상기 열전 소재가 아닌 열전도도가 낮은 재료로 구성되는 것을 특징으로 한다.

한 가지 실시예에 있어서, 상기 열전 소재는 무기 재료 또는 유기 재료로 구성될 수 있다.

한 가지 실시예에 있어서, 상기 지지체는 아크릴로 제조될 수 있다.

한 가지 실시예에 있어서, 상기 열전 소재는 상기 지지체의 표면에 MOCVD(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition), ECVD(Electrochemical Vapor Deposition) 또는 스퍼터링에 의해 형성될 수 있다.

본 발명의 다른 양태에 따라서, 열전소자를 이용하여 전기를 생성하는 발전 장치가 제공되는데, 상기 열전소자는 곡면을 포함하는 폐열 환경에 대응하는 형상으로 이루어진 지지체와, 상기 지지체를 에워싸도록 상기 지지체의 표면에 형성된 열전 소재 및 전극을 포함하고, 상기 지지체는 열전소자의 양단의 온도차를 유지할 수 있도록 상기 열전 소재가 아닌 열전도도가 낮은 재료로 구성되며, 상기 열전소자의 전극에서 인출되는 도선이 상기 장치에 연결되어 있는 것을 특징으로 한다.

한 가지 실시예에 있어서, 상기 열전 소재는 무기 재료 또는 유기 재료로 구성될 수 있고, 상기 지지체는 아크릴로 제조될 수 있다.

한 가지 실시예에 있어서, 상기 열전 소재는 상기 지지체의 표면에 MOCVD, ECVD 또는 스퍼터링에 의해 형성될 수 있다.

본 발명의 다른 양태에 따라서, 열전 소자는 플렉서블 재질의 두 기판과; 상기 두 기판 사이에 제공되는 전극 및 열전 소재를 포함하는 열전소자가 제공되는데, 상기 플렉서블 기판 중 한 기판이 서로 마주하도록 구부러지고, 이에 따라 형성되는 공간에 상기 기판을 지지하는 지지체가 제공되어 해당 기판에 고정되고, 상기 열전소자는 곡면을 포함하는 폐열 환경에 맞춰 휘어질 수 있고, 상기 지지체는 상기 곡면에 맞춰 그 형상이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

한 가지 실시예에 있어서, 상기 지지체는 상기 열전 소재가 아닌 열전도도가 낮은 재료로 구성될 수 있으며, 예컨대 아크릴로 제조될 수 있다.

한 가지 실시예에 있어서, 상기 열전 소재는 유기재료로 구성될 수 있으며, 예컨대 PEDOT:PSS와 CNT의 혼합물질로 구성될 수 있다.

본 발명에 따라 제공되는 열전소자에 따르면, 미리 곡면 형상을 갖는 폐열 환경에 대응되는 형상의 지지체를 구성한 다음, 그 지지체를 에워싸도록 지지체 표면에 열전 소재를 형성한다. 이에 따르면, 열전 소재와 관련하여, 특별한 제한 없이 보다 다양하게 열전 소자를 구성할 수 있고, 또 폐열 환경의 제약 없이 열전소자를 적용할 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따라 제공되는 열전소자에 따르면, 종래와 달리 열전소재를 유기재료로 구성하여, 열전소자가 전체적으로 휘어질 수 있는 유연성을 갖도록 한다. 이에 따라, 열전소자를 굴뚝과 같이 곡면이 있는 폐열 환경에 용이하게 적용할 수 있다. 또한, 열전소자는 두 기판 중 하나를 서로 마주하도록 구부린 후, 그 사이에 열전도도가 낮은 지지체가 고정되어 있어, 히트 싱크와 히트 소스 사이에 충분한 온도차가 유지되도록 하여, 열전소자로서의 기능이 효과적으로 발휘될 수 있도록 하고 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 채용될 수 있는 열전소자의 구성을 개략적으로 보여주는 모식도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따라 실제 제작한 열전소자를 보여주는 도면으로서, 기판이 서로 마주하도록 휠 수 있을 정도로 충분한 유연성을 갖고 있음을 보여준다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따라 지지체를 포함하는 열전소자의 구성을 보여주는 도면으로서, 열전도도가 낮은 지지체에 의해 히트 소스와 히트 싱크 사이에 충분한 온도차가 유지되는 것을 모식적으로 보여준다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따라 실제 제작한 지지체를 포함하는 열전소자를 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따라 제작한 열전소자를 이용하여 전력을 생성한 것을 보여주는 도면으로서, 온도차를 유지하면서 온도차에 비례하는 전력이 생성된다는 것을 보여준다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 열전소자 및 종래의 열전소자의 구성을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 열전소자 및 종래의 열전소자의 열에 따른 효율을 비교하여 보여주는 도면이다.

이하에서는 첨부 도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다. 이하의 설명에 있어서, 당업계에 이미 널리 알려진 기술적 구성, 예컨대 열전소자의 세부적인 구성, 그 기능 및 동작에 대한 설명은 생략한다. 이러한 설명을 생략하더라도, 당업자라면 이하의 설명을 통해 본 발명의 특징적 구성을 쉽게 이해할 수 있을 것이다.

<제1 실시예>

도 1에는 본 발명의 제1 실시예에 채용될 수 있는 열전소자의 구성이 개략적인 단면도 형태로 도시되어 있다.

도 1에 도시한 바와 같이, 열전소자는 일반적으로 상하 기판(10)과, 그 사이에 복수의 열전 재료 부재(20)와 전극(30)이 배치되어 있다. 본 발명에 있어서, 기판(10)은 모두 PDMA, PMMA, PET와 같은 플렉서블 재질로 구성된다.

또한, 기존의 열전소자와 달리, 열전 재료 부재(20)는 유기재료로 구성된다. 즉, 기존의 열전소자에 따르면, 열전 재료 부재를 통상 무기재료로 구성한다. 그러나, 이러한 구성에 따르면, 기판(10)을 플렉서블 재질로 구성한다 하여도, 열전 재료 부재로 인해, 열전 소자가 전체적으로 플렉서블하게 구성될 수 없다. 이와 관련하여, 본 발명에 따르면, 열전 재료 부재(20)를 유기재료, 예컨대 PEDOT:PSS와 CNT를 혼합한 재질로 구성하여, 열전소자가 전체적으로 휠 수 있도록 한다. 한편, 전극(30)의 경우, 알루미늄으로 구성되어 있다.

상기와 같은 구조로 실제 제작한 열전소자를 도 2에 나타내었다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 열전 소자는 그 전체가 매우 유연하게 구성된다는 것을 알 수 있다(그 두께가 대략 10~20 ㎛에 불과하다). 즉, 본 발명에 따른 열전 소자는 그 한쪽의 기판이 서로 마주하게 구부릴 수 있도록 충분한 유연성을 갖고 있다.

한편, 종래기술과 관련하여 설명한 바와 같이, 열전소자가 그 기능을 효과적으로 발휘하기 위해서는 충분한 온도차를 유지할 수 있어야 한다. 그런데, 도 2에 도시한 것과 같은 본 발명의 열전소자는 두께 방향으로의 두께가 지극히 얇다는 것을 알 수 있다. 따라서, 열전소자를 폐열 환경, 예컨대 둥근 곡면의 굴뚝 내부에 용이하게 장착할 수 있지만, 열전소자를 매개로 충분한 온도차가 유지되지 않으므로, 그 기능을 제대로 발휘할 수 없게 된다.

이와 같은 상황을 고려하여, 본 발명에 따른 열전 소자는 종래에는 없었던 새로운 구조를 채용하는데, 그 한 가지 실시예가 도 3에 모식도 형태로 도시되어 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 열전소자는 그 두 기판 중 한 기판이 서로 마주하게 만곡시킨 후, 마주하는 기판 사이에 형성된 공간에 삽입된 지지체(40)를 포함한다. 즉, 지지체(40)를 마주하는 기판에 부착하여 열전소자가 충분한 온도차를 유지할 수 있도록 한다. 이때, 지지체(40)는 열전도도가 가능한 한 낮은 재료(예컨대, 아크릴)로 구성하여, 소자의 두께 방향으로 전달되는 열전도를 최소화하여 온도차를 유지하는 것이 바람직하다.

상기와 같이 구성된 열전소자는 환경의 제약 없이 다양한 용례에 적용될 수 있다. 즉, 지지체(40)를 제외한 열전소자는 쉽게 휘어질 수 있는 가요성(flexibility)을 갖고 있어, 폐열이 발생하는 굴뚝의 표면에 용이하게 장착할 수 있고, 굴뚝의 곡면에 맞춰 미리 지지체의 형상을 설계하여, 열전소자의 마주하는 기판 사이에 부착하기만 하면, 충분한 온도차를 유지할 수 있어, 열전소자로서의 기능을 발휘할 수 있게 된다. 즉, 굴뚝의 곡면은 높은 폐열이 발생하는 히트 소스가 되고, 이 굴뚝 표면에 본 발명의 열전소자를 장착하면, 히트 소스와 히트 싱크(대기) 사이에는 열전소자의 지지체(40)로 인하여 온도차가 유지된다. 따라서, 열전소자의 전극을 제너레이터나 축전지에 연결하면, 열전소자에서 생성되는 전기를 효율적으로 이용할 수 있게 된다. 즉, 기존의 열전소자는 소자의 두께 방향으로 온도차를 유지하기 위하여 열전소자를 두껍게 제조할 수 밖에 없어, 굴뚝과 같은 폐열 환경에 적용할 수 없었으나, 본 발명의 열전소자는 곡면에 맞춰 그 형상을 자유로이 변형할 수 있고, 또 히트 소스에 접촉하는 부분과 대기에 노출되는 부분 사이에 충분한 온도차를 유지할 수 있으므로, 환경에 제약되는 일이 없이 다양한 용례에 적용할 수 있다. 한편, 도 4는 상기한 본 발명에 따라 실제 제작한 지지체(40)를 포함하는 열전소자의 구성을 보여주는 도면이다.

본 발명자는 상기한 것과 같이 하여 구성한 열전소자를 이용하여 실제 전기를 생성할 수 있는지에 대해 실험을 하였다. 이때, 히트 소스로서는 히터에 의한 가열을 이용하였고, 히트 싱크는 대기이었다. 그 실험 결과를 도 5에 도시하였는데, 도시한 바와 같이, 온도차이(히터에 의한 가열온도의 차이)는 유지하면서 그 온도차에 비례하여 전력이 생성되었다는 것을 확인할 수 있다. 즉, 열전소자로서의 기능이 효과적으로 발휘된다는 것을 확인하였다.

<제2 실시예>

상기 실시예에서는, 열전소자를 플렉서블하게 구성한 후, 이를 구부린 다음에 그 사이에 지지체를 삽입하여 결합하였다. 그러나, 본 발명은 이러한 실시예에 제한되지 않는다.

구체적으로, 도 6에는 본 발명의 제2 실시예에 따른 열전소자와 종래의 열전소자의 구성이 개략적으로 도시되어 있다.

도시한 바와 같이, 종래의 열전소자는 충분한 온도차를 구현하기 위해 열전 소자의 두께를 늘리는 방법으로 열전소자를 구성한다. 그러나, 이러한 방식에 따르면, 많은 열전 소재를 사용하여야 하고, 무엇보다도 열전소자를 폐열 환경에 적용하기가 사실상 곤란하다는 문제점이 있다. 즉, 대부분의 폐열환경은 소정의 곡률을 갖는 부분을 포함하고 있어, 두껍게 구성된 열전소자를 상기 곡률에 맞춰 적용하는 것이 곤란하다.

그러나, 본 발명에 따르면, 충분한 온도차를 구현하기 위해 당연히 두께를 증가시키는 종래 기술의 관념을 탈피하여, 상기 문제를 해결하였다. 즉 도 6에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 열전소자는 소자의 가운데 중공의 공간에 삽입되는 지지체와, 상기 지지체를 감싸는 형상으로 열전 소재 및 전극을 구성하고, 상기 지지체는 열전 소재가 아닌 낮은 열전도도를 갖는 재료로 구성된다. 이때, 제1 실시예와 비교하여, 좀 더 다양하게 열전 소자를 구성할 수 있다.

즉 제1 실시예에 있어서는, 지지체를 제외한 열전 소자를 플렉서블하게 구성하기 위해서, 열전 소재를 유기 재료로 구성하고 또 기판 역시 플렉서블한 재질로 구성하는 등 재료에 제한이 있다. 그러나, 본 실시예에 따르면, 이러한 재료의 제한이 실질상 없다는 점에서 제1 실시예보다 더 다양하게 적용될 수 있다. 구체적으로, 본 실시예에 따르면, 먼저 지지체를 열전소자를 적용하고자 하는 환경에 맞춰 그 형태를 구성한 다음, 지지체의 표면에 종래의 방식에 따라 열전 소재 및 전극을 구성하기만 하면, 간단하게 열전소자를 구성할 수 있다. 예컨대, 소정 형상의 지지체(예컨대, 아크릴 재료로 구성)의 표면에 반도체 디바이스 제조시 이용되는 MOCVD(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition), ECVD(Electrochemical Vapor Deposition) 또는 스퍼터링을 이용하여, 열전 소재를 구성할 수 있다. 이와 같이 구성한 본 실시예의 열전소자에 따르면, 제1 실시예와 같이 기판을 반드시 플렉서블하게 구성할 필요도 없고 또 열전 소재를 유기 재료로만 구성할 필요도 없으므로, 설계 자유도가 향상된다.

이와 같이, 히트 소스와 히트 싱크 사이에 열이 흐르는 방향으로 지지체를 삽입하여, 지지체의 낮은 열전도도로 야기된 높은 열저항으로 인해 열전소자의 양단 사이에 큰 온도차를 유지할 수 있다. 이와 같이 구성된 열전소자에 따르면, 지지체를 제외한 열전 소재 및 전극(열전소자 부재)은 그 두께를 충분히 얇게 하여도, 지지체에 의해 충분한 온도차를 유지할 수 있으므로, 환경의 제약 없이 적용할 수 있다. 즉, 지지체는 열전도도가 낮은 재료, 예컨대 아크릴, 낮은 열전도도의 세라믹 등을 이용하여 구성할 수 있고, 이때 굴뚝과 같이 곡률이 있는 부분에 열전소자를 적용하는 경우, 지지체를 그러한 곡률에 맞춰 제작하기만 하면, 열전 소재 등은 그 두께가 충분히 작아, 상기 환경에 쉽게 적용할 수 있으므로, 전체적으로 열전 소자를 환경 제약 없이 적용할 수 있게 된다.

도 7은 상기 제2 실시예에 따라 제조한 열전 소자 및 종래의 열전 소자의 열에 따른 효율을 비교한 그래프이다. 즉, 지지체의 크기는 대략 5×5×10 (mm)이고, 그 주변을 대표적 열전물질인 BiTe로 150㎛ 두께로 감싼 경우(STEG)와(이때, BiTe은 상기한 바와 같이, MOCVD, ECVD 또는 스퍼터링과 같은 방법을 이용하여 형성할 수 있다), 동일한 크기의 BiTe(ptype) 물질로만 구성한 종래의 열전 소자의 효율을 비교한 것이다.

도 7에서 확인할 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 열전 소자의 효율은 종래의 열전 소자의 효율보다 더 크다. 이와 같이 효율이 크게 증가한 이유는 지지체의 낮은 열전도도로 인해 소자 양단에 발생하는 온도차이가 커지기 때문이다. 즉 지지체를 둘러싼 열전 소재의 열전도도보다 지지체의 열전도도가 낮기 때문에 열이 잘 전달되지 않아, 동일한 히트 소스에서 더 큰 온도차이를 만들 수 있고, 이를 통해 효율을 크게 개선할 수 있다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 상기 실시예는 예시적인 것에 불과하고 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다. 즉, 상기 실시예는 이하의 특허청구범위 내에서 다양하게 변형 및 수정할 수 있으며, 이들은 모두 본 발명의 범위 내에 속하는 것이다. 따라서, 본 발명은 특허청구범위 및 그 균등물에 의해서만 제한된다.

10: 플렉서블 기판
20: 열전 재료 부재
30: 전극
40: 지지체

Claims (13)

1. 곡면을 포함하는 폐열 환경에 대응하는 형상으로 이루어진 3차원 형태의 코어형 지지체와,
   상기 지지체를 에워싸도록 상기 지지체의 표면에 형성된 열전 소재
   를 포함하고,
   상기 지지체는 열전 소자의 양단의 온도차를 유지할 수 있도록 상기 열전 소재가 아닌 열전도도가 낮은 재료로 구성되는 것을 특징으로 하는 열전 소자.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 열전 소재는 무기 재료 또는 유기 재료로 구성되는 것을 특징으로 하는 열전 소자.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 지지체는 아크릴로 제조되는 것을 특징으로 하는 열전 소자.
4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열전 소재는 상기 지지체의 표면에 MOCVD(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition), ECVD(Electrochemical Vapor Deposition) 또는 스퍼터링에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 열전 소자.
5. 열전 소자를 이용하여 전기를 생성하는 발전 장치로서,
   상기 열전 소자는 곡면을 포함하는 폐열 환경에 대응하는 형상으로 이루어진 3차원 형태의 코어형 지지체와,
   상기 지지체를 에워싸도록 상기 지지체의 표면에 형성된 열전 소재 및
   전극
   을 포함하고,
   상기 지지체는 열전 소자의 양단의 온도차를 유지할 수 있도록 상기 열전 소재가 아닌 열전도도가 낮은 재료로 구성되며,
   상기 열전 소재의 전극에서 인출되는 도선이 상기 장치에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 발전 장치.
6. 청구항 5에 있어서, 상기 열전 소재는 무기 재료 또는 유기 재료로 구성되는 것을 특징으로 하는 발전 장치.
7. 청구항 5에 있어서, 상기 지지체는 아크릴로 제조되는 것을 특징으로 하는 발전 장치.
8. 청구항 5 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열전 소재는 상기 지지체의 표면에 MOCVD(Metal-Organic Chemical Vapor Deposition), ECVD(Electrochemical Vapor Deposition) 또는 스퍼터링에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 발전 장치.
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