KR101628171B1 - 열전모듈 제작을 위한 열전소자 고정용 지그 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 지지대와 복수의 제1 빗살대를 포함하는 제1 고정 지그; 및 고정대와 복수의 제2 빗살대를 포함하는 제2 고정 지그를 포함하며, 상기 제2 빗살대에 구비된 삽입공을 통해 상기 제1 빗살대가 삽입됨으로써 상기 제1 빗살대와 상기 제2 빗살대가 교차하게 배치되며, 상기 제1 빗살대와 상기 제2 빗살대가 교차되면서 이루는 빈 공간에 열전소자가 삽입되어 고정되는 열전소자 고정용 지그를 개시한다. 본 발명에 의하면, 열전소자를 회로 기판의 정위치에 접합시킬 수 있고, 열전소자를 회로 기판에 접합시킨 후에 열전소자의 열전특성을 저하시키는 열 전도의 매개체인 고정용 지그를 열전소자로부터 분리 해체할 수 있으므로 열전소자 고유의 열전특성을 구현할 수 있고 열전발전 효율을 높일 수 있다.

Description

열전모듈 제작을 위한 열전소자 고정용 지그{APPARATUS FOR FIXING THERMOELECTRIC DEVICE ELEMENTS}
본 발명은 열전소자 고정용 지그에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 회로 기판에 열전소자를 접합하는데 사용되는 고정용 지그에 관한 것이다.
열전현상은 독일의 물리학자 티.제이.제벡(T.J.Seebeck)이 처음 발견하였으며, 서로 다른 두 개의 도체로 이루어진 한 회로에서 도체간의 접점에 다른 온도를 가해주면 전류 또는 전압이 발생하는 현상으로서, 뜨거운 곳에서 차가운 곳으로 이동하는 열흐름이 전류를 발생시키는 것이다. 이러한 현상을 제벡효과(Seebeck Effect)라고 한다.
프랑스의 장 샤를 아타나스 펠티에는 또 하나의 중요한 열전현상을 발견하였는데, 그것은 다른 도체로 이루어진 회로를 통해 직류전류를 흐르게 하면, 전류의 방향에 따라 서로 다른 도체 사이의 접합의 한쪽은 가열되는 반면, 또 다른 한쪽은 냉각되는 현상이다. 이를 펠티에효과(Peltier Effect)라고 한다.
윌리엄 톰슨은 펠티에효과와 제벡효과가 서로 연관된 것임을 밝혀내고 이들 사이의 상관관계를 정리하였으며, 이 과정에서 단일한 도체로 된 막대기의 양 끝에 전위차가 가해지면 이 도체의 양 끝에서 열의 흡수나 방출이 일어날 것이라는 톰슨효과(Thomson Effect)를 발견하였다.
열전모듈, 펠티어소자, 써모일렉트릭 쿨러(ThermoElectric Cooler; TEC), 써모일렉트릭 모듈(ThermoElectric Module; TEM) 등의 다양한 이름으로 불리고 있는 장치에 사용되는 열전소자는 작은 열 펌프(Heat Pump)(저온의 열원으로부터 열을 흡수하여 고온의 열원에 열을 주는 장치)나 열전발전(Power Generator)에 기여하는 핵심소자이다. 열전소자 양단에 직류 전압을 인가하면 열이 흡열부에서 발열부로 이동하게 되며, 따라서 시간이 지남에 따라 흡열부는 온도가 떨어지고 발열부는 온도가 상승하게 된다. 이때 인가전압의 극성을 바꿔주면 흡열부와 발열부는 서로 바뀌게 되고 열의 흐름도 반대가 된다.
일반적인 열전소자는 N 타입과 P 타입 열전반도체 소자 1쌍이 기본 단위가 되며 일반적인 모델의 경우 10쌍 이상의 소자가 사용된다. 직류(DC) 전압을 양단에 인가하면 N 타입에서는 전자(Electron)의 흐름에 따라, P 타입에서는 정공(Hole)의 흐름에 따라 열이 이동하여 흡열부의 온도가 낮아지게 된다. 이는 금속 내의 전자의 포텐셜에너지 차가 있기 때문에 포텐셜 에너지가 낮은 상태에 있는 금속으로부터 높은 상태에 있는 금속으로 전자가 이동하기 위해서는 외부로부터 에너지를 얻어야 하기 때문에 접점에서 열에너지를 빼앗기고 반대의 경우에는 열에너지가 방출되게 되는 원리이다. 이러한 흡열(냉각)은 전류의 흐름과 써모일렉트릭 커플(thermoelectric couple, N, P타입 1쌍)의 수에 비례하게 된다.
반대로, 열전발전은 소자의 양끝단에 온도차이를 부여함으로써 N 타입에서는 전자가 P 타입에서는 정공의 흐름에 따라 기전력이 생기고 전류가 흐르게 된다.
현재 사용되어지는 에너지는 화석연료, 석유, 원자력 등으로서 전기에너지의 발생원으로 사용되고 있지만, 자원에너지의 고갈로 대체 에너지의 개발이 필요하다. 또한, 대부분의 발전기 등의 기계적 에너지를 통하여 전기에너지로 변환되지만 이에 대한 에너지의 변환 효율은 일정 한계(예컨대, 40%)를 넘기 어려운 상황이다. 최근에는 이러한 에너지 문제로 열전소자를 이용한 열전발전과 열전소자를 사용한 폐열에너지의 재활용 등의 장점을 갖는 열전발전 기술이 새로운 관심 분야로 대두되고 있다.
그러나, 열전소자 모듈은 회로 기판과 열전소자의 접합 시에 웨팅(wetting) 현상이 나타나므로 이를 억제하여 열전소자를 고정할 수 있는 방법에 대한 연구가 필요하다.
대한민국 특허등록번호 10-1101704 대한민국 특허등록번호 10-1101711 대한민국 특허등록번호 10-1323097 대한민국 특허등록번호 10-1375620
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 열전소자를 회로 기판의 정위치에 접합시킬 수 있고, 열전소자를 회로 기판에 접합시킨 후에 열전소자의 열전성능을 떨어뜨리는 열 전도의 매개체가 될 수 있는 고정용 지그를 열전소자로부터 분리 해체할 수 있으므로 열전소자 고유의 열전특성을 구현할 수 있고, 회로기판의 상판 하판의 고온 전극접합을 동시에 가능하므로 공정 및 열피로의 최소화를 통해 열전발전 효율을 높일 수 있는 열전소자 고정용 지그를 제공함에 있다.
이와 같은 본 발명의 해결 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 지지대와 복수의 제1 빗살대를 포함하는 제1 고정 지그; 및 고정대와 복수의 제2 빗살대를 포함하는 제2 고정 지그를 포함하며, 상기 지지대와 상기 제1 빗살대는 서로 수직되게 연결되며, 상기 지지대는 제1 방향으로 뻗어있는 부분이고, 상기 제1 빗살대는 상기 지지대에 수직하게 연결되면서 제2 방향으로 뻗어있는 부분으로서 복수 개가 형성되어 있으며, 상기 제1 빗살대는 서로 이격되어 있고, 상기 고정대와 상기 제2 빗살대는 서로 수직되게 연결되며, 상기 고정대는 제2 방향으로 뻗어있는 부분이고, 상기 제2 빗살대는 상기 고정대에 수직하게 연결되면서 제1 방향으로 뻗어있는 부분으로서 복수 개가 형성되어 있으며, 상기 제2 빗살대는 서로 이격되어 있고, 상기 제2 빗살대에 구비된 삽입공을 통해 상기 제1 빗살대가 삽입됨으로써 상기 제1 빗살대와 상기 제2 빗살대가 교차하게 배치되며, 상기 제1 빗살대와 상기 제2 빗살대가 교차되면서 이루는 빈 공간에 열전소자가 삽입되어 고정되는 열전소자 고정용 지그를 제공한다.
상기 제1 빗살대 간의 간격은 동일하게 구비될 수 있고, 상기 제2 빗살대 간의 간격도 동일하게 구비될 수 있다.
상기 제2 빗살대에 제1 빗살대의 갯수 만큼의 삽입공이 구비될 수 있으며, 상기 삽입공을 통해 상기 제1 빗살대가 삽입되어 상기 제1 빗살대와 상기 제2 빗살대가 서로 수직하게 교차할 수 있다.
상기 지지대의 상면 및 하면 중에서 선택된 적어도 하나의 면에 복수 개의 돌기가 구비될 수 있다.
상기 제2 빗살대의 상면 및 하면 중에서 선택된 적어도 하나의 면에 복수 개의 돌기가 구비될 수 있다.
상기 열전소자용 고정용 지그는, 상기 제1 고정 지그와 상기 제2 고정 지그가 결합된 형태에서 제1 단부의 고정을 위한 제1 결합 지그와, 상기 제1 고정 지그와 상기 제2 고정 지그가 결합된 형태에서 제2 단부의 고정을 위한 제2 결합 지그를 더 포함할 수 있다.
상기 지지대의 상면 제1 단부에 아래로 오목하게 패인 제1 트렌치가 구비될 수 있고, 상기 지지대의 상면 제2 단부에 아래로 오목하게 패인 제2 트렌치가 구비될 수 있으며, 상기 제2 빗살대의 상면 제1 단부에 아래로 오목하게 패인 제3 트렌치가 구비될 수 있고, 상기 고정대의 상면에 아래로 오목하게 패인 제4 트렌치가 구비될 수 있으며, 상기 제1 트렌치 및 제3 트렌치 상부에 상기 제1 결합 지그가 얹혀져서 위치될 수 있고, 상기 제2 트렌치 및 상기 제4 트렌치 상부에 상기 제2 결합 지그가 얹혀져서 위치될 수 있다.
상기 열전소자 고정용 지그는, 상기 제1 고정 지그, 상기 제2 고정 지그 및 상기 제1 결합 지그를 고정하기 위한 제1 고정봉과, 상기 제1 고정 지그, 상기 제2 고정 지그 및 상기 제1 결합 지그를 고정하기 위한 제2 고정봉을 더 포함할 수 있으며, 상기 지지대의 제1 및 제2 단부에 관통공이 구비될 수 있고, 상기 제2 빗살대의 제1 단부에 관통공이 구비될 수 있으며, 상기 고정대에 관통공이 구비될 수 있고, 상기 제1 결합 지그에 제2 방향으로 뻗어있는 형태의 삽입홀이 구비될 수 있으며, 상기 제2 결합 지그에 제2 방향으로 뻗어있는 형태의 삽입홀이 구비될 수 있고, 상기 지지대의 제1 단부에 구비된 관통공과 상기 제2 빗살대의 제1 단부에 구비된 관통공을 통해 상기 제1 결합 지그에 구비된 삽입홀로 상기 제1 고정봉이 삽입될 수 있으며, 상기 지지대의 제2 단부에 구비된 관통공과 상기 고정대에 구비된 관통공을 통해 상기 제2 결합 지그에 구비된 삽입홀로 상기 제2 고정봉이 삽입될 수 있다.
상기 제1 결합 지그에 상기 제2 빗살대의 갯수 만큼의 트렌치가 구비될 수 있고, 상기 제1 결합 지그에 구비된 트렌치 내로 상기 제2 빗살대가 삽입 위치되게 함으로써 상기 제1 결합 지그와 상기 제2 고정 지그를 결합할 수 있다.
상기 제1 결합 지그의 양단 중에서 적어도 하나의 단부에 형성된 트렌치의 폭은 나머지 트렌치들의 폭에 비하여 크게 형성될 수 있고, 상기 단부에 형성된 트렌치에 상기 제2 빗살대 뿐만 아니라 상기 제1 고정 지그의 지지대가 함께 삽입되어 위치될 수 있다.
상기 제2 결합 지그에 복수의 트렌치가 구비될 수 있고, 상기 제2 결합 지그의 양단 중에서 적어도 하나의 단부에 형성된 트렌치 내로 상기 지지대가 삽입되어 위치될 수 있고, 나머지 트렌치 내로 상기 고정대의 일부가 삽입되어 위치될 수 있다.
상기 제1 결합 지그 및 상기 제2 결합 지그는 브레이징이나 솔더링에 견딜 수 있는 재질로서 브레이징 온도나 솔더링 온도보다 높은 융점을 갖는 금속, 금속합금 또는 세라믹 재질로 이루어질 수 있다.
상기 제1 고정 지그 및 상기 제2 고정 지그는 브레이징이나 솔더링에 견딜 수 있는 재질로서 브레이징 온도나 솔더링 온도보다 높은 융점을 갖는 금속, 금속합금 또는 세라믹 재질로 이루어질 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 적어도 일 실시예에 따르면, 열전소자를 회로 기판의 정위치에 접합시킬 수 있고, 열전소자를 회로 기판에 접합시킨 후에 열 전도의 매개체인 고정용 지그를 열전소자로부터 분리 해체할 수 있으므로 열전소자 고유의 열전특성을 구현할 수 있고, 회로기판의 상판(고온 부위 또는 저온부위), 하판(고온 부위 또는 저온부위)의 전극접합이 동시에 가능하므로 공정 및 열피로의 최소화를 통해 열전발전 효율을 높일 수 있다. 본 발명의 열전소자 고정용 지그를 사용함으로써, 열전소자와 회로 기판의 접합시에 회로 기판 내에 열전소자를 정위치 시킬 수 있고, 열전발전 모듈의 제작 편의성 및 수율이 극대화될 수 있다. 일체형의 열전소자 고정용 지그의 경우 분리가 용이하지 않아 열전소자가 회로에서 단락될 우려가 있지만, 본 발명의 열전소자 고정용 지그를 사용하게 되면 해체가 용이하여 열전소자 및 회로 기판에 충격 및 하중을 인가하지 않아 매우 안정한 접합상태를 유지 가능하다.
또한, 다 쌍의 p/n 열전소자를 보유한 열전발전 모듈의 제작이 용이하다. 다 쌍의 열전소자 배열 고정으로 불량률이 최소화될 수 있고, 열전발전 모듈의 산화 방지 밀봉 시 열전소자 고정용 지그의 분리 가능으로 공정이 간소화될 수 있다.
또한, 제1 고정 지그 또는 제2 고정 지그에 구비된 돌기를 통해 브레이징(Brazing) 또는 솔더링(Soldering) 작업 시 페이스트와의 접촉을 차단할 수 있는 단을 두어 열전소자 또는 회로 기판에 열전소자 고정용 지그가 접합되는 문제를 미연에 방지하고, 해체 작업이 매우 용이할 수 있다. 브레이징(Brazing) 작업 또는 솔더링(soldering) 작업 시에 발생하는 페이스트 흄의 배기 통로를 가지고 있어 오염되지 않은 열전소자와 회로 기판 보유로 내부 저항 감소 효과를 나타낸다.
제1 고정 지그, 제2 고정 지그, 제1 결합 지그 및 제2 결합 지그는 모깍기 공정으로 모서리 부분이 라운드(round) 되어 있고, 모서리 부분의 모깍기 공정을 통해 열전소자 및 회로 기판을 보호해 기계적 안정성이 있다. 모깍기 공정을 진행하지 않을 경우에는 열전소자나 회로 기판에 긁힘이 발생할 수 있고, 열전소자 모듈 운영 시 미세하게 긁힌 자국에 의해 열전모듈 운영상 발열과 냉각 과정이 반복으로 일어날 경우에는 열 충격으로 인한 크리프(Creep) 현상의 발현으로 기계적 강도가 저하될 수 있으며, 모깍기 공정을 통해 이러한 원인을 방지하고 억제할 수 있다.
도 1은 제1 고정 지그의 정면도.
도 2는 제1 고정 지그의 평면도.
도 3은 제1 고정 지그의 우측면도.
도 4는 제2 고정 지그의 정면도.
도 5는 제2 고정 지그의 평면도.
도 6은 제2 고정 지그의 우측면도.
도 7은 제1 결합 지그의 정면도.
도 8은 제1 결합 지그의 평면도.
도 9는 제1 결합 지그의 우측면도.
도 10은 제1 결합 지그의 'A' 부분을 확대하여 나타낸 도면이다.
도 11은 제2 결합 지그의 정면도.
도 12는 제2 결합 지그의 평면도.
도 13은 제2 결합 지그의 우측면도.
도 14는 제1 고정봉의 정면도.
도 15는 제1 고정봉의 평면도.
도 16은 제2 고정봉의 정면도.
도 17은 제2 고정봉의 평면도.
도 18은 제1 고정 지그와 제2 고정 지그가 결합된 모습을 보여주는 평면도.
도 19는 제1 고정 지그, 제2 고정 지그 및 제1 결합 지그가 결합된 모습을 보여주는 평면도.
도 20은 제1 고정 지그, 제2 고정 지그, 제1 결합 지그 및 제2 결합 지그가 결합된 모습을 보여주는 평면도.
도 21은 제1 고정 지그, 제2 고정 지그, 제1 결합 지그, 제2 결합 지그, 제1 고정봉 및 제2 고정봉이 결합된 모습을 보여주는 평면도.
이하, 본 발명에 관련된 열전모듈 제작을 위한 열전소자 고정용 지그에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다.
본 발명은 재료의 양단간의 온도차가 주어지면 제벡(Seebeck) 효과에 의해 전압이 발생하는 것을 이용하는 열전발전(Thermoelectric Power Generation)과 재료의 양단간에 직류전류를 인가하면 한 면이 발열하고 다른 면이 흡열하는 펠티에(Peltier) 효과를 이용하는 열전냉각(Thermoelectric Cooling) 등의 열·전기에너지 직접 변환이 가능한 열전소자를 회로 기판에 접합하는데 사용되는 고정용 지그를 제시한다.
제벡 효과를 이용한 열전발전은 신뢰성이 높고, 출력 안정성이 높을 뿐만 아니라 이산화탄소(CO2)를 발생하지 않는 발전이므로 친환경적이고, 펠티에 효과를 이용한 열전냉각은 정밀 온도 제어가 가능하고, 응답속도가 빠르며, 소음이 나지 않을 뿐만 아니라 프레온 가스를 방생하지 않는 냉각이므로 친환경적이다.
그러나, 이러한 장점에도 불구하고 열전소자는 낮은 열전 재료(열전 소재) 물성으로 인하여 사용 잠재력 대비 낮은 이용률을 나타내고 있다.
열전 재료의 성능을 평가하는 매개변수가 필요한데, 이를 성능지수 Z(Figure of Merit)로 표현할 수 있으며, 성능지수 Z는 아래의 수학식 1로 나타낼 수 있다.
Figure 112014086197190-pat00001
위의 수학식 1에서 α는 제벡(Seebeck) 계수이고, ρ는 전기 비저항이며, K는 열전도율이다.
위의 수학식 1에 나타난 바와 같이, 열전재료의 특성은 제벡 계수가 높을수록, 즉 출력전압이 클수록, 전기 비저항이 낮을수록, 열전도율이 낮을수록 우수하다. 일반적으로는 성능지수 Z값은 직접 사용하기 보다는 이 값에 온도 T를 곱하여 무차원 매개변수 ZT를 만들어 사용하고 있다.
한편, 회로 패턴이 인쇄된 회로 기판과 열전소자 간의 정확한 접합이 형성되었을 때 제작자가 원하는 형식의 모듈 운용이 가능하다. 정확한 접합이라 함은 웨팅(wetting) 현상으로 인한 회로 기판의 정위치에서 열전소자의 이격 현상을 제어하는 것을 의미하며, 열전소자와 전극 접합용 페이스트(paste)를 적절하게 선택하여 정확한 접합이 이루어지는 경우에는 높은 기계적 강도가 유지되게 하고, 낮은 내부 저항을 갖게 된다.
웨팅(wetting) 현상은 고체(열전소자)와 섞이지 않는 다른 하나의 액체(페이스트)가 관여하여 회로 기판 위의 열전소자가 페이스트 위에서 표면 장력에 의해 정위치에 있지 않고 일축 방향으로 회전(이격)하는 현상을 의미한다.
액체 분자간 인력의 균형이 액체의 표면 부근에서 깨지기 때문에 분자의 위치에너지는 액체 속의 분자보다 더 커지고 이로 인해 액체는 표면적에 비례하는 표면에너지를 가지며, 이 에너지를 최소로 만들려는 작용을 표면장력으로 부른다. 표면장력은 단순히 액체의 자유표면뿐만 아니라 섞이지 않는 액체의 경계면, 고체와 기체, 고체와 고체의 접촉면 등 표면의 변화에 대한 에너지가 존재할 때 보편적으로 생기는 현상으로, 계면장력(界面張力)이라고도 한다. 일반적으로 표면장력은 액면의 작은 이물질에도 영향을 받기 때문에, 이물질이 있는 액체 표면에는 액체 내부와는 관계없이 표면장력의 크기에 기인하는 독자적인 운동이 나타난다.
회로 기판과 열전소자를 접합시키기 위한 페이스트(paste)는 브레이징(brazing) 접합 또는 솔더링(soldering) 접합에 사용되는 페이스트를 사용할 수 있으며, 그 제한이 있는 것은 아니다.
페이스트의 경우 브레이징(brazing) 또는 솔더링(soldering) 작용을 하는 온도대역으로 승온되었을 때 부분 액상화 또는 전면 액상화로 변할 수 있는데, 이때 웨팅(wetting) 현상이 나타나며 이로 인해 열전소자를 고정하기 위한 고정용 지그가 있지 않으면 회로기판에 열전소자가 목표하는 정위치에 위치하지 않고 이탈 될 수 있다. 본 발명은 열전소자를 회로 기판의 정위치에 접합하는데 사용되는 고정용 지그를 제시한다.
본 발명의 열전소자 고정용 지그의 경우, 열전소자의 고정용도에도 사용되지만 열전특성을 최대한 높이기 위해 조립 및 해체가 가능한 구조로 이루어져 있다. 만약 열전소자보다 높은 열전도도를 보유한 지그의 경우, 지그를 제거하지 않으면 지그를 통한 열전달로 인해 열전소자 고유의 열전특성이 낮아져 발전효율을 크게 저하시킬 수 있다. 본 발명의 열전소자 고정용 지그의 경우, 열전소자를 회로 기판의 정위치에 접합시킬 수 있고, 열전소자를 회로 기판에 접합시킨 후에 열 전도의 매개체인 고정용 지그를 열전소자로부터 분리 해체할 수 있으므로 열전소자 고유의 열전특성을 구현할 수 있고, 회로기판의 상판 하판의 고온 전극접합을 동시에 가능하므로 공정 및 열피로의 최소화를 통해 열전발전 효율을 높일 수 있다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 열전소자 고정용 지그를 구체적으로 설명한다.
도 1은 제1 고정 지그의 정면도이고, 도 2는 제1 고정 지그의 평면도이며, 도 3은 제1 고정 지그의 우측면도이다. 도 4는 제2 고정 지그의 정면도이고, 도 5는 제2 고정 지그의 평면도이며, 도 6은 제2 고정 지그의 우측면도이다. 도 7은 제1 결합 지그의 정면도이고, 도 8은 제1 결합 지그의 평면도이며, 도 9는 제1 결합 지그의 우측면도이고, 도 10은 제1 결합 지그의 'A' 부분을 확대하여 나타낸 도면이다. 도 11은 제2 결합 지그의 정면도이고, 도 12는 제2 결합 지그의 평면도이며, 도 13은 제2 결합 지그의 우측면도이다. 도 14는 제1 고정봉의 정면도이고, 도 15는 제1 고정봉의 평면도이다. 도 16은 제2 고정봉의 정면도이고, 도 17은 제2 고정봉의 평면도이다. 도 18은 제1 고정 지그와 제2 고정 지그가 결합된 모습을 보여주는 평면도이다. 도 19는 제1 고정 지그, 제2 고정 지그 및 제1 결합 지그가 결합된 모습을 보여주는 평면도이다. 도 20은 제1 고정 지그, 제2 고정 지그, 제1 결합 지그 및 제2 결합 지그가 결합된 모습을 보여주는 평면도이다. 도 21은 제1 고정 지그, 제2 고정 지그, 제1 결합 지그, 제2 결합 지그, 제1 고정봉 및 제2 고정봉이 결합된 모습을 보여주는 평면도이다.
도 1 내지 도 21을 참조하면, 제1 고정 지그(100)는 빗 형태로 구비될 수 있으며, 지지대(110)와 복수의 제1 빗살대(120)를 포함하고, 지지대(110)와 제1 빗살대(120)는 서로 수직되게 연결되고, 지지대(110)는 제1 방향(도 2에서 'X' 방향)으로 길게 뻗어있는 부분이고, 제1 빗살대(120)는 지지대(110)에 수직하게 연결되면서 제2 방향(도 2에서 'Y' 방향)으로 길게 뻗어있는 부분으로서 복수 개가 형성되어 있다. 제1 빗살대(120)는 빗살 형태로 구비되며, 서로 이격되게 일렬로 정렬되어 있고, 제1 빗살대(120) 간의 간격은 동일하게 구비되는 것이 바람직하다.
지지대(110)의 상면(평면)에는 복수 개의 돌기(130a)가 구비되어 있을 수 있고, 지지대(110)의 하면(저면)에도 복수 개의 돌기(130b)가 구비되어 있을 수 있다. 돌기들(130a, 130b)들에 의해 회로 기판과 열전소자 고정용 지그는 접촉 면적을 최소화할 수 있고, 브레이징(Brazing) 또는 솔더링(Soldering) 작업 시 페이스트와의 접촉을 차단할 수 있으므로 열전소자 또는 회로 기판에 열전소자 고정용 지그가 접합되는 문제를 미연에 방지하고 해체 작업이 매우 용이할 수 있다. 돌기들(230a, 230b)들에 의해 브레이징(Brazing) 작업 또는 솔더링(soldering) 작업시에 발생하는 페이스트 흄의 배기 통로를 가지게 되므로 오염되지 않은 열전소자와 회로 기판 보유로 내부 저항 감소 효과를 나타낸다.
또한, 지지대(110)의 제1 단부(좌측 단부)에는 관통공(140a)이 구비되어 있을 수 있고, 지지대(110)의 제2 단부(우측 단부)에는 관통공(140b)이 구비되어 있을 수 있다. 관통공(140a)을 통해 제1 고정봉(500)이 삽입되게 되며, 관통공(140b)을 통해 제2 고정봉(600)이 삽입되게 된다.
또한, 지지대(110)의 상면(평면) 제1 단부(좌측 단부)에는 아래로 오목하게 패인 제1 트렌치(trench)(150a)가 구비되어 있을 수 있고, 지지대(110)의 상면(평면) 제2 단부(우측 단부)에도 아래로 오목하게 패인 제2 트렌치(150b)가 구비되어 있을 수 있다. 제1 트렌치(150a) 상부에 제1 결합 지그(300)가 얹혀져서 위치되게 되고, 제2 트렌치(150b) 상부에 제2 결합 지그(400)가 얹혀져서 위치되게 된다.
제2 고정 지그(200)는 빗 형태로 구비될 수 있으며, 고정대(210)와 복수의 제2 빗살대(220)를 포함하고, 고정대(210)와 제2 빗살대(220)는 서로 수직되게 연결되고, 고정대(210)는 제2 방향(도 5에서 'Y' 방향)으로 길게 뻗어있는 부분이고, 제2 빗살대(220)는 고정대(210)에 수직하게 연결되면서 제1 방향(도 5에서 'X' 방향)으로 길게 뻗어있는 부분으로서 복수 개가 형성되어 있다. 제2 빗살대(220)는 빗살 형태로 구비되며, 서로 이격되게 일렬로 정렬되어 있고, 제2 빗살대(220) 간의 간격은 동일하게 구비되는 것이 바람직하다.
제2 빗살대(220)의 상면(평면)에는 복수 개의 돌기(230a)가 구비되어 있을 수 있고, 제2 빗살대(220)의 하면(저면)에도 복수 개의 돌기(230b)가 구비되어 있을 수 있다. 돌기들(230a, 230b)들에 의해 회로 기판(미도시)과 열전소자 고정용 지그는 접촉 면적을 최소화할 수 있고, 브레이징(Brazing) 또는 솔더링(Soldering) 작업 시 페이스트와의 접촉을 차단할 수 있으므로 열전소자 또는 회로 기판에 고정용 지그가 접합되는 문제를 미연에 방지하고 해체 작업이 매우 용이할 수 있다. 돌기들(230a, 230b)들에 의해 브레이징(Brazing) 작업 또는 솔더링(soldering) 작업시에 발생하는 페이스트 흄의 배기 통로를 가지게 되므로 오염되지 않은 열전소자와 회로 기판 보유로 내부 저항 감소 효과를 나타낸다.
또한, 제2 빗살대(220)의 제1 단부(좌측 단부)에는 관통공(240a)이 구비되어 있을 수 있고, 고정대(210)에도 관통공(240b)이 구비되어 있을 수 있다. 관통공(240a)을 통해 제1 고정봉(500)이 삽입되게 되고, 관통공(240b)을 통해 제2 고정봉(600)이 삽입되게 된다.
또한, 제2 빗살대(220)의 상면(평면) 제1 단부(좌측 단부)에는 아래로 오목하게 패인 제3 트렌치(250a)가 구비되어 있을 수 있고, 고정대(210)의 상면(평면)에도 아래로 오목하게 패인 제4 트렌치(250b)가 구비되어 있다. 제3 트렌치(250a) 상부에 제1 결합 지그(300)가 얹혀져서 위치되게 되고, 제4 트렌치(250b) 상부에 제2 결합 지그(400)가 얹혀져서 위치되게 된다.
제1 고정 지그(100)의 빗살대(120)와 제2 고정 지그의 빗살대(220)는 서로 교차하게 배치된다. 제2 빗살대(220)에는 제1 빗살대(120)의 갯수 만큼의 삽입공(260)이 구비되어 있다. 삽입공(260)을 통해 제1 고정 지그(100)의 제1 빗살대(120)가 삽입되어 고정되게 된다.
제1 고정 지그(100) 및 제2 고정 지그(200)는 브레이징(brazing)이나 솔더링(soldering)에 견딜 수 있는 재질로서 브레이징(brazing) 온도나 솔더링(soldering) 온도보다 높은 융점을 갖는 물질을 사용하며, 브레이징(brazing)은 통상적으로 약 450℃ 이상의 온도에서 수행되고 솔더링(soldering)은 통상적으로 약 200℃이상의 온도에서 수행되므로 브레이징(brazing) 온도나 솔더링(soldering) 온도보다 높은 융점을 갖는 물질을 사용한다. 예컨대, 제1 고정 지그(100) 및 제2 고정 지그(200)는 구리(Cu), 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt), 팔라듐(Pd)과 같은 산화성이 적은 금속 재질 또는 스테인리스 스틸(stainless steel; SUS) 등과 같은 금속합금 재질로 형성하거나, 알루미나(Al2O3), 지르코니아(ZrO2), 실리카(silica; SiO2), AlN, MgO와 같은 세라믹 재질로 형성할 수 있다.
제1 고정 지그(100), 제2 고정 지그(200), 제1 결합 지그(300) 및 제2 결합 지그(400)는 모깍기 공정으로 모서리 부분이 라운드(round) 되게 한다. 모서리 부분의 모깍기 공정을 통해 열전소자 및 회로 기판 보호로 기계적 안정성이 있다. 모깍기 공정을 진행하지 않을 경우에는 열전소자나 회로 기판에 긁힘이 발생할 수 있고 열전소자 모듈 운영시 미세하게 긁힌 자국에 의해 열전모듈 운영상 발열과 냉각 과정이 반복으로 일어날 경우에는 열 충격으로 인한 크리프(Creep) 현상의 발현으로 기계적 강도가 저하될 수 있으며, 모깍기 공정을 통해 이러한 원인을 방지하고 억제할 수 있는 것이다.
이하에서, 도 18 내지 도 21을 참조하여 제1 고정 지그, 제2 고정 지그, 제1 결합 지그, 제2 결합 지그, 제1 고정봉 및 제2 고정봉을 결합시키는 방법을 설명한다.
먼저, 제1 고정 지그(100)와 제2 고정 지그(200)를 결합한다. 이때, 제1 고정 지그(100)의 지지대(110)와 제2 고정 지그(200)의 고정대(210)는 서로 수직되게 배치하고, 제1 고정 지그(100)의 제1 빗살대(120)와 제2 고정 지그(200)의 제2 빗살대(220)는 서로 수직 교차하게 배치한다. 제2 빗살대(220)에는 제1 빗살대(120)의 갯수 만큼의 삽입공(260)이 구비되어 있으며, 삽입공(260)에 제1 고정 지그(100)의 제1 빗살대(120)를 삽입하여 제1 고정 지그(100)의 제1 빗살대(120)와 제2 고정 지그의 제2 빗살대(220)가 교차하도록 배치함으로써 제 1 고정 지그(100)와 제2 고정 지그(200)가 서로 고정되게 된다.
제1 고정 지그(100)의 제1 빗살대(120)와 제2 고정 지그의 제2 빗살대(220)가 수직 교차하면서 복수 개의 빈 공간(700)을 이루게 되며, 제1 고정 지그(100)의 제1 빗살대(120)와 제2 고정 지그의 제2 빗살대(220)가 교차하는 영역을 전체적으로 바라보았을 때 체(sieve) 형태를 이룬다. 제1 고정 지그(100)의 제1 빗살대(120)와 제2 고정 지그(200)의 제2 빗살대(220)가 교차되면서 이루는 빈 공간(700)에는 열전소자(미도시)가 삽입되게 된다.
제1 고정 지그(100)와 제2 고정 지그(200)가 결합된 형태에서 제1 단부(도 19의 평면도에서 바라보았을 때 좌측 부분)에 제1 결합 지그(300)를 위치시킨다. 제1 고정 지그(100)의 제1 트렌치(150a)와 제2 고정 지그(200)의 제3 트렌치(250a) 상부에 제1 결합 지그(300)가 얹혀지게 위치시킨다. 제1 결합 지그(300)에는 제2 빗살대(220)의 갯수 만큼의 트렌치(310a, 310b)가 구비되어 있을 수 있고, 트렌치(310a, 310b) 내로 제2 고정 지그(200)의 제2 빗살대(220)가 삽입 위치되게 함으로써 제1 결합 지그(300)와 제2 고정 지그(200)가 더욱 확고하게 결합 될 수 있다. 제1 결합 지그(300)의 양단(제1 결합 지그의 양쪽 단부) 중에서 적어도 하나의 단부에 형성된 트렌치(310b)에는 제2 고정 지그(200)의 제2 빗살대(220) 뿐만 아니라 제1 고정 지그(100)의 지지대(110)가 함께 삽입되게 배치한다. 트렌치(310b) 내로 제1 고정 지그(100)의 지지대(110)가 삽입 위치되게 함으로써 제1 결합 지그(300)와 제1 고정 지그(100)가 더욱 확고하게 결합될 수 있다.
제1 고정 지그(100)와 제2 고정 지그(200)가 결합된 형태에서 제2 단부(도 20의 평면도에서 바라보았을 때 우측 부분)에 제2 결합 지그(400)를 위치시킨다. 제1 고정 지그(100)의 제2 트렌치(150b)와 제2 고정 지그(200)의 제4 트렌치(250b) 상부에 제2 결합 지그(400)가 얹혀지게 위치시킨다. 제2 결합 지그(400)에는 복수의 트렌치(410a, 410b)가 구비되어 있을 수 있으며, 트렌치(410b) 내로 제1 고정 지그(100)의 지지대(110)를 삽입 위치시킴으로써 제2 결합 지그(400)와 제1 고정 지그(100)를 더욱 확고하게 결합시킬 수 있고, 트렌치(410a) 내로는 고정대(220)의 일부를 삽입 위치시킴으로써 제2 결합 지그(400)와 제2 고정 지그(200)를 더욱 확고하게 결합시킬 수 있다.
제1 고정 지그(100)의 관통공(140a) 및 제2 고정 지그(200)의 관통공(240a)을 통해 제1 결합 지그(300)의 삽입홀(320)로 제1 고정봉(500)을 삽입시켜 고정한다. 제1 고정봉(500)에 의해 제1 고정 지그(100), 제2 고정 지그(200) 및 제1 결합 지그(300)를 더욱 확고하게 고정할 수 있다.
제1 고정 지그(100)의 관통공(140b) 및 제2 고정 지그(200)의 관통공(240b)을 통해 제2 결합 지그(400)의 삽입홀(420)로 제2 고정봉(600)을 삽입시켜 고정한다. 제2 고정봉(600)에 의해 제1 고정 지그(100), 제2 고정 지그(200) 및 제1 결합 지그(300)를 더욱 확고하게 고정할 수 있다.
이하에서, 제1 고정 지그, 제2 고정 지그, 제1 결합 지그, 제2 결합 지그, 제1 고정봉 및 제2 고정봉을 해체하는 방법을 설명한다.
제1 고정봉(500)을 삽입홀(320)에서 빼내고, 제2 고정봉(600)을 삽입홀(420)에서 빼낸다.
제2 결합 지그(400)를 위로 들어올려 제1 고정 지그(100)와 제2 고정 지그(200)로부터 분리시킨다.
제1 결합 지그(300)를 위로 들어올려 제1 고정 지그(100)와 제2 고정 지그(200)로부터 분리시킨다.
제2 빗살대(220)의 삽입공(260)에서 제1 고정 지그(100)의 제1 빗살대(120)를 빼내어 제1 고정 지그(100)를 제2 고정 지그(200)로부터 분리시킨다.
본 발명의 열전소자 고정용 지그를 사용함으로써, 열전소자와 회로 기판의 접합시에 회로 기판 내에 열전소자를 정위치 시킬 수 있고, 열전발전 모듈의 제작 편의성 및 수율이 극대화될 수 있다.
또한, 다 쌍의 p/n 열전소자를 보유한 열전발전 모듈의 제작이 용이하다. 다 쌍의 열전소자 배열 고정으로 불량률이 최소화될 수 있고, 열전발전모듈의 산화 방지 밀봉 시 열전소자 고정용 지그의 분리 가능으로 공정이 간소화될 수 있다.
또한, 일체형의 열전소자 고정용 지그의 경우 분리가 용이하지 않아 열전소자가 회로에서 단락될 우려가 있지만, 본 발명의 열전소자 고정용 지그를 사용하게 되면 해체가 용이하여 열전소자 및 회로 기판에 충격 및 하중을 인가하지 않아 매우 안정한 접합상태를 유지 가능하다.
제1 고정 지그 또는 제2 고정 지그에 구비된 돌기를 통해 브레이징(Brazing) 또는 솔더링(Soldering) 작업 시 페이스트와의 접촉을 차단할 수 있는 단을 두어 열전소자 또는 회로 기판에 열전소자 고정용 지그가 접합되는 문제를 미연에 방지하고 해체 작업이 매우 용이할 수 있다. 브레이징(Brazing) 작업 또는 솔더링(soldering) 작업 시에 발생하는 페이스트 흄의 배기 통로를 가지고 있어 오염되지 않은 열전소자와 회로 기판 보유로 내부 저항 감소 효과를 나타낸다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다. 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
100: 제1 고정 지그 110: 지지대
120: 제1 빗살대 200: 제2 고정 지그
210: 고정대 220: 제2 빗살대
260: 삽입공 300: 제1 결합 지그
400: 제2 결합 지그 500: 제1 고정봉
600: 제2 고정봉
130a, 130b, 230a, 230b: 돌기
140a, 140b, 240a, 240b: 관통공
150a, 150b, 250a, 250b, 310a, 310b, 410a, 410b: 트렌치

Claims (13)

  1. 지지대와 복수의 제1 빗살대를 포함하는 제1 고정 지그;
    고정대와 복수의 제2 빗살대를 포함하는 제2 고정 지그;
    상기 제1 고정 지그와 상기 제2 고정 지그가 결합된 형태에서 상기 지지대의 일측에 형성되는 제1 단부의 고정을 위한 제1 결합 지그; 및
    상기 제1 고정 지그와 상기 제2 고정 지그가 결합된 형태에서 상기 지지대의 타측에 형성되는 제2 단부의 고정을 위한 제2 결합 지그를 포함하고,
    상기 지지대와 상기 제1 빗살대는 서로 수직되게 연결되며,
    상기 지지대는 제1 방향으로 뻗어있는 부분이고,
    상기 제1 빗살대는 상기 지지대에 수직하게 연결되면서 제2 방향으로 뻗어있는 부분으로서 복수 개가 형성되어 있으며,
    상기 제1 빗살대는 서로 이격되어 있고,
    상기 고정대와 상기 제2 빗살대는 서로 수직되게 연결되며,
    상기 고정대는 제2 방향으로 뻗어있는 부분이고,
    상기 제2 빗살대는 상기 고정대에 수직하게 연결되면서 제1 방향으로 뻗어있는 부분으로서 복수 개가 형성되어 있으며,
    상기 제2 빗살대는 서로 이격되어 있고,
    상기 제2 빗살대에 구비된 삽입공을 통해 상기 제1 빗살대가 삽입됨으로써 상기 제1 빗살대와 상기 제2 빗살대가 교차하게 배치되며,
    상기 제1 빗살대와 상기 제2 빗살대가 교차되면서 이루는 빈 공간에 열전소자가 삽입되어 고정되는 것을 특징으로 하는 열전소자 고정용 지그.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 빗살대 간의 간격이 동일하게 구비되고,
    상기 제2 빗살대 간의 간격이 동일하게 구비되는 것을 특징으로 하는 열전소자 고정용 지그.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 빗살대에 제1 빗살대의 갯수 만큼의 삽입공이 구비되며, 상기 삽입공을 통해 상기 제1 빗살대가 삽입되어 상기 제1 빗살대와 상기 제2 빗살대가 서로 수직하게 교차하는 것을 특징으로 하는 열전소자 고정용 지그.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 지지대의 상면 및 하면 중에서 선택된 적어도 하나의 면에 복수 개의 돌기가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 열전소자 고정용 지그.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 빗살대의 상면 및 하면 중에서 선택된 적어도 하나의 면에 복수 개의 돌기가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 열전소자 고정용 지그.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 지지대의 상면 제1 단부에 아래로 오목하게 패인 제1 트렌치가 구비되고, 상기 지지대의 상면 제2 단부에 아래로 오목하게 패인 제2 트렌치가 구비되며,
    상기 제2 빗살대의 상면 제1 단부에 아래로 오목하게 패인 제3 트렌치가 구비되고, 상기 고정대의 상면에 아래로 오목하게 패인 제4 트렌치가 구비되며,
    상기 제1 트렌치 및 제3 트렌치 상부에 상기 제1 결합 지그가 얹혀져서 위치되고, 상기 제2 트렌치 및 상기 제4 트렌치 상부에 상기 제2 결합 지그가 얹혀져서 위치되는 것을 특징으로 하는 열전소자 고정용 지그.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 고정 지그, 상기 제2 고정 지그 및 상기 제1 결합 지그를 고정하기 위한 제1 고정봉과,
    상기 제1 고정 지그, 상기 제2 고정 지그 및 상기 제1 결합 지그를 고정하기 위한 제2 고정봉을 더 포함하며,
    상기 지지대의 제1 및 제2 단부에 관통공이 구비되고,
    상기 제2 빗살대의 제1 단부에 관통공이 구비되며,
    상기 고정대에 관통공이 구비되고,
    상기 제1 결합 지그에 제2 방향으로 뻗어있는 형태의 삽입홀이 구비되며,
    상기 제2 결합 지그에 제2 방향으로 뻗어있는 형태의 삽입홀이 구비되고,
    상기 지지대의 제1 단부에 구비된 관통공과 상기 제2 빗살대의 제1 단부에 구비된 관통공을 통해 상기 제1 결합 지그에 구비된 삽입홀로 상기 제1 고정봉이 삽입되며,
    상기 지지대의 제2 단부에 구비된 관통공과 상기 고정대에 구비된 관통공을 통해 상기 제2 결합 지그에 구비된 삽입홀로 상기 제2 고정봉이 삽입되는 것을 특징으로 하는 열전소자 고정용 지그.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 결합 지그에 상기 제2 빗살대의 개수 만큼의 트렌치가 구비되고,
    상기 제1 결합 지그에 구비된 트렌치 내로 상기 제2 빗살대가 삽입 위치되게 함으로써 상기 제1 결합 지그와 상기 제2 고정 지그를 결합하는 것을 특징으로 하는 열전소자 고정용 지그.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 결합 지그의 양단 중에서 적어도 하나의 단부에 형성된 트렌치의 폭은 나머지 트렌치들의 폭에 비하여 크게 형성되고,
    상기 단부에 형성된 트렌치에 상기 제2 빗살대 뿐만 아니라 상기 제1 고정 지그의 지지대가 함께 삽입되어 위치되는 것을 특징으로 하는 열전소자 고정용 지그.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제2 결합 지그에 복수의 트렌치가 구비되고,
    상기 제2 결합 지그의 양단 중에서 적어도 하나의 단부에 형성된 트렌치 내로 상기 지지대가 삽입되어 위치되고,
    나머지 트렌치 내로 상기 고정대의 일부가 삽입되어 위치되는 것을 특징으로 하는 열전소자 고정용 지그.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제1 결합 지그 및 상기 제2 결합 지그는 브레이징이나 솔더링에 견딜 수 있는 재질로서 브레이징 온도나 솔더링 온도보다 높은 융점을 갖는 금속, 금속합금 또는 세라믹 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 열전소자 고정용 지그.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제1 고정 지그 및 상기 제2 고정 지그는 브레이징이나 솔더링에 견딜 수 있는 재질로서 브레이징 온도나 솔더링 온도보다 높은 융점을 갖는 금속, 금속합금 또는 세라믹 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 열전소자 고정용 지그.
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