KR101845360B1 - 열전 변환 모듈 - Google Patents

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Abstract

절연성을 구비하는 다공질의 절연 필름(1)과, 상기 절연 필름의 제1 표면(1c)에 형성된 박막형 열전 변환 소자(3)를 가지고, 상기 제1 표면은 상기 제1 표면과는 반대 측에 위치하는 제2 표면(1d)에 대해 경사진 면을 포함하고, 상기 절연 필름은 상기 제1 표면과 상기 제2 표면 사이의 거리가 짧은 부분일수록 밀도가 큰 것을 특징으로 한다.

Description

열전 변환 모듈{THERMOELECTRIC CONVERSION MODULE}
본 발명은 제벡 효과(Seebeck effect)에 의한 열전 발전을 수행하는 열전 변환 모듈에 관한 것이다.
열전 변환 모듈은 제벡 효과에 의해 열 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있는 열전 변환 소자로 구성되는 모듈이다. 이와 같은 에너지의 변환 성질을 이용하여, 산업·민생용 프로세스나 이동체에서 배출되는 배열(排熱)을 유효한 전력으로 변환할 수 있기 때문에, 환경 문제를 배려한 에너지 절약 기술로서 상기 열전 변환 모듈 및 이를 구성하는 열전 변환 소자가 주목받고 있다.
이와 같은 열전 변환 모듈은 일반적으로 복수개의 열전 변환 소자(p형 반도체 및 n형 반도체)를 전극으로 접합하여 구성된다. 이와 같은 열전 변환 모듈은, 예를 들어 특허문헌 1에 개시되어 있다. 특허문헌 1에 개시되어 있는 열전 변환 모듈은, 한 쌍의 기판과, 일방의 단부(端部)가 상기 기판의 일방에 배치되는 제1 전극과 전기적으로 접속되고, 타방의 단부가 상기 기판의 타방에 배치되는 제2 전극과 전기적으로 접속되는 복수의 열전 변환 소자와, 상기 열전 변환 소자에 전기적으로 접속되는 제1 전극을, 인접하는 열전 변환 소자에 전기적으로 접속되는 제2 전극에 전기적으로 접속하는 접속부를 구비하고 있다.
일본 특개2013－115359호공보
그러나 최근 열전 변환 모듈의 사용 용도의 확대 및 사용되는 각종 기기의 소형화에 따라, 열전 변환 모듈의 고성능화, 소형화, 설치 장소의 자유도 향상이 한층 더 요구되고 있지만, 종래 구조의 열전 변환 모듈에서는 이러한 요구에 충분히 대응하는 것이 곤란했다.
본 발명은 이와 같은 과제를 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적으로 하는 바는 고성능화를 도모하면서, 소형화 및 설치 장소의 자유도 향상을 도모할 수 있는 열전 변환 모듈을 제공하는 것에 있다.
상술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 열전 변환 모듈은, 절연성을 구비하는 다공질의 절연 필름과, 상기 절연 필름의 제1 표면에 형성된 박막형 열전 변환 소자를 가지고, 상기 제1 표면은 상기 제1 표면과는 반대 측에 위치하는 제2 표면에 대해 경사진 면을 포함하고, 상기 절연 필름은 상기 제1 표면과 상기 제2 표면 사이의 거리가 짧은 부분일수록 밀도가 큰 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 열전 변환 모듈에 의하면, 고성능화를 도모하면서, 소형화 및 설치 장소의 자유도 향상을 도모할 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 열전 변환 모듈의 제조 공정에서의 단면도이다.
도 2는 실시예에 따른 열전 변환 모듈의 제조 공정에서의 단면도이다.
도 3은 실시예에 따른 열전 변환 모듈의 제조 공정에서의 단면도이다.
도 4는 실시예에 따른 열전 변환 모듈의 제조 공정에서의 단면도이다.
도 5는 실시예에 따른 열전 변환 모듈의 사용 상태를 나타내는 단면도이다.
도 6은 변형예에 따른 열전 변환 모듈의 단면도이다.
도 7은 변형예에 따른 열전 변환 모듈의 단면도이다.
도 8은 변형예에 따른 열전 변환 모듈의 단면도이다.
도 9는 변형예에 따른 열전 변환 모듈의 단면도이다.
도 10은 변형예에 따른 열전 변환 모듈의 단면도이다.
이하, 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 열전 변환 모듈의 실시 형태에 대해 실시예 및 변형예를 바탕으로 상세하게 설명한다. 그리고 본 발명은 이하 설명하는 내용으로 한정되는 것이 아니라, 그 요지를 변경하지 않는 범위에서 임의로 변경하여 실시하는 것이 가능하다. 또한, 실시예 및 변형예의 설명에 이용하는 도면은 어느 것이나 본 발명에 따른 열전 변환 모듈 또는 그 구성 부재를 모식적으로 나타내는 것으로서, 이해를 높이기 위해 부분적인 강조, 확대, 축소 또는 생략 등을 하고 있어, 각 구성 부재의 축척이나 형상 등을 정확하게 나타내지 않은 경우가 있다. 게다가, 실시예 및 변형예에서 이용하는 다양한 수치는 어느 것이나 일례를 나타내는 것이며, 필요에 따라 다양하게 변경하는 것이 가능하다.
＜실시예＞
(열전 변환 모듈의 제조 방법)
이하에서, 도 1 및 도 4를 참조하면서, 본 실시예에 따른 열전 변환 모듈의 제조 방법에 대해 설명한다. 여기서, 도 1 내지 도 4는 본 실시예에 따른 열전 변환 모듈의 제조 공정에서의 단면도이다.
먼저, 도 1에 나타낸 바와 같이, 절연성 및 다공질성을 구비하는 평탄한 필름 부재(발포체)인 절연 필름(1)을 준비한다. 절연 필름(1)에는 예를 들어, 폴리에스테르, 폴리스틸렌, 폴리카보네이트, 아라미드, 폴리이미드, 또는 폴리우레탄 등의 고분자계 필름, 또는 세라믹으로 이루어지는 필름을 이용할 수 있다. 절연 필름(1)의 막 두께는 예를 들어, 약 20μm, 약 50μm, 약 180μm 또는 그 이상에서 적절히 선택 가능하다.
다음으로, 도 2에 나타낸 바와 같이, 절연 필름(1)에 대해, 원주형 롤러(2)를 대고 누르면서 회전 이동시켜, 절연 필름(1) 전체를 압축한다. 보다 구체적으로는, 롤러(2)를 절연 필름(1)의 표면에 대해 경사지게 하여 대고 눌러, 절연 필름(1)의 제1 단부(1a)에서 제2 단부(2b)를 향해 압축량을 서서히 감소시키도록 한다.
이와 같은 압축 행정을 거치면, 도 3에 나타낸 바와 같이, 절연 필름(1)의 단면이 삼각형이 된다. 즉, 절연 필름(1)의 제1 표면(1c)은, 제1 표면(1c)과는 반대 측에 위치하는 제2 표면(1d)에 대해 일정한 각도로 경사지게 된다. 다시 말하면, 압축 후의 절연 필름(1)에서는 제1 단부(1a)에서 제2 단부(1b)를 향함에 따라, 제1 표면(1c)과 제2 표면(1d) 사이의 거리가 서서히 길어지게 된다. 여기서, 압축량이 많을수록 밀도가 커지기 때문에, 제1 표면(1c)과 제2 표면(1d) 사이의 거리가 짧은 부분일수록 밀도가 커진다. 즉, 제2 단부(1b)에서 제1 단부(1a)를 향함에 따라, 밀도가 커진다.
다음으로, 도 4에 나타낸 바와 같이, 일반적인 도금 기술 또는 진공 증착 기술을 이용하여 절연 필름(1)의 제1 표면에 박막형 열전 변환 소자(3)를 형성한다. 도 4에는 나타내지 않았지만, 열전 변환 소자(3)는 복수의 P형 반도체(열전 변환 재료) 및 복수의 N형 반도체(열전 변환 재료)가 교호하여 병설되어 있다. 또한, P형 반도체 및 N형 반도체의 일단은 절연 필름(1)의 제1 단부(1a) 측에 위치하고, 타단은 절연 필름(1)의 제2 단부(1b) 측에 위치하고 있다. 게다가, P형 반도체 및 N형 반도체의 단부는, P형 반도체와 N형 반도체가 직렬 또는 병렬로 접속되도록 전극(미도시)에 의해 전기적으로 접속되어 있다.
이상의 공정을 거쳐, 열전 변환 모듈(10)의 형성이 완료된다.
(열전 변환 모듈의 사용태양 및 효과)
다음으로, 도 5를 참조하면서, 본 실시예에 따른 열전 변환 모듈(10)의 사용태양에 대해 설명한다. 여기서, 도 5는 본 실시예에 따른 열전 변환 모듈(10)의 사용 상태를 나타내는 단면도이다.
도 5에 나타낸 바와 같이, 열전 변환 모듈(10)은 열원(11)에 대해 제2 표면(1d)이 근접하도록 배치된다. 즉, 열전 변환 모듈(10)은 제2 표면(1d) 측으로부터 열이 공급되게 된다. 여기서, 열전 변환 모듈(10)의 절연 필름(1)은 두께에 따라 밀도가 상이하고, 밀도가 큰 부분일수록 열전도율이 높아지게 된다. 즉, 절연 필름(1)에서는 제1 단부(1a)에서 제2 단부(1b)를 향해 서서히 열전도율이 낮아지게 된다. 따라서, 제1 단부(1a) 측에서는 열원(11)의 열이 열전 변환 소자(3)에 도달하기 쉽고, 제2 단부(1b) 측에서는 열원(11)의 열이 열전 변환 소자(3)에 도달하기 어려워진다. 이에 의해, 열전 변환 소자(3)에서는 절연 필름(1)의 제1 단부(1a) 측에 위치하는 일단부가 고온이 되고, 절연 필름(1)의 제2 단부(1b) 측에 위치하는 타단부가 저온이 되어, 이러한 온도차에 의한 기전력이 생기게 된다.
상술한 바와 같이, 본 실시예에 따른 열전 변환 모듈(10)의 열전 변환 소자(3)에서의 온도차는 절연 필름(1)의 구조에 기인하여 발생하기 때문에, 열전 변환 소자(3)에서의 온도차 불균일이 생기기 어렵고, 안정적인 열전 발전을 수행할 수 있다. 즉, 열전 변환 모듈(10)의 성능을 향상시켜, 높은 신뢰성을 실현할 수 있다.
또한, 열전 변환 소자(3)가 절연체인 절연 필름(1) 상에 형성되어 있기 때문에, 열전 변환 모듈(10)의 절연되어야 할 부분에서 양호한 절연 특성을 확보할 수 있다. 게다가, 열전 변환 소자(3)의 단부가 아닌, 주 표면이 절연 필름(1)의 제1 표면(1c)에 접촉되어 있기 때문에, 열전 변환 소자(3)와 절연 필름(1) 사이의 접합 면적이 커져, 열전 변환 소자(3)와 절연 필름(1) 사이의 뛰어난 접합 특성을 확보할 수 있고, 열전 변환 모듈(10) 자체의 접합 강도를 향상시킬 수 있다. 다시 말하면, 열전 변환 모듈(10)에서는 열전 변환 소자(3)를 구성하는 N형 반도체 및 P형 반도체의 치수 불균일이 생겼다 하더라도, 열전 변환 소자(3)와 절연 필름(1)의 접합 불량이 생기는 일이 없어, 열전 변환 모듈(10)의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
그리고 본 실시예에 따른 열전 변환 모듈(10)은 절연 필름(1) 상에 열전 변환 소자(3)가 형성되어 있는 비교적 간이한 구조를 구비하고 있기 때문에, 제조 비용 및 제조 시간의 저감을 쉽게 도모할 수 있다. 특히, 본 실시예에 따른 열전 변환 모듈(10)은 필름 형상으로 형성되어 있으므로, 플렉시블한 동시에 소형화되어 있어, 다양한 장소에 쉽게 설치할 수 있다.
이상과 같이, 본 실시예에 따른 열전 변환 모듈(10)은 고성능화를 도모하면서, 소형화 및 설치 장소의 자유도 향상을 도모할 수 있다.
＜변형예＞
상술한 실시예에서는 열전 변환 소자(3)의 형성면과는 반대 측에 위치하는 제2 표면(1d) 측에 열원(11)을 설치하는 구성을 상정했지만, 열원(11)을 제1 표면(1c)측에 설치할 수도 있다. 이러한 경우에는 제2 표면(1d) 측에 냉각 장치를 배치하고, 제1 표면(1c)과 제2 표면(1d) 사이의 거리가 긴 부분에 비해 짧은 부분을 효율적으로 냉각하여, 제1 단부(1a)에서 제2 단부(1b)를 향함에 따라 온도가 상승하도록 할 수도 있다.
또한, 상술한 실시예에서는 절연 필름(1)의 단면이 삼각형이 되도록 평탄한 필름 부재를 압축하고 있으나, 압축 후의 형상은 삼각형으로 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 도 6 및 도 7에 나타낸 바와 같이, 절연 필름(1)의 제1 표면을 만곡시킬 수도 있다. 보다 구체적으로는, 도 6에 나타낸 바와 같이 제1 표면(1c)이 외측을 향해 돌출되도록 만곡할 수도 있고, 도 7에 나타낸 바와 같이 제1 표면(1c)이 내측을 향해 돌출되도록 만곡할 수도 있다. 어느 경우라도, 열전 변환 소자(3)는 박막형으로 형성되어 있으므로, 제1 표면(1c)의 형상에 따라 형성된다.
또한, 도 8에 나타낸 바와 같이, 절연 필름(1)이 제1 표면(1c) 측에 홈통(gutter) 형상의 오목부(15)를 구비하도록 평탄한 필름 부재를 압축할 수도 있고, 도 9에 나타낸 바와 같이 절연 필름(1)이 제1 표면(1c) 측에 볼록부(凸部)(16)를 구비하도록 평탄한 필름 부재를 압축할 수도 있다. 도 8 또는 도 9에 나타낸 바와 같은 열전 변환 모듈(10)에서는 제1 표면(1c)과 제2 표면(1d) 간 거리의 최단 부분이 고온측이 되도록 하면서, 상기 거리의 최장 부분이 저온측이 되도록, N형 반도체 및 P형 반도체를 병치하면서 직렬로 접속할 필요가 있다. 또한, 제1 표면(1c)과 제2 표면(1d) 간 거리의 최장 부분이 고온측이 되도록 하면서, 상기 거리의 최단 부분이 저온측이 되도록 할 수도 있다.
도 6 내지 도 9에 나타낸 변형예의 어느 경우에서도, 상술한 실시예에 따른 열전 변환 모듈(10)과 동일한 효과를 나타낼 수 있다. 또한, 열전 변환 모듈(10)의 설치 장소 상태에 따라 절연 필름(1)의 형상을 변경하여, 해당 설치 장소에 최적인 형상을 갖는 열전 변환 모듈(10)을 제공할 수 있다.
게다가, 상술한 실시예 1에서는 열전 변환 소자(3)의 한 쪽에만 절연 필름(1)을 배설했지만, 도 10에 나타낸 바와 같이, 2개의 절연 필름(1, 21) 사이에 열전 변환 소자(3)를 끼울 수도 있다. 구체적으로는, 도 10에 나타낸 바와 같이, 2개의 절연 필름(1, 21)의 제1 표면(1c, 21c)들 사이에 열전 변환 소자(3)가 위치하도록 한다. 여기서, 절연 필름(21)은, 절연 필름(1)과 동일한 구조 및 특성을 구비하고 있다.
이와 같은 구조를 구비하는 열전 변환 모듈(10')에서는, 상술한 실시예 1에 따른 열전 변환 모듈(10)과 비교하여, 한층 더 양호한 절연 특성을 확보할 수 있다. 또한, 열전 변환 모듈(10')의 절연 필름(1)의 제2 표면(1d) 측에 열원(11)이 근접하면, 상술한 실시예와 마찬가지로 제1 단부(1a)가 고온측이 되고, 제2 단부(1b)가 저온측이 된다. 여기서, 제1 단부(1a)를 마주보도록, 절연 필름(21)의 제2 단부(21b)(제1 표면(21c)과 제2 표면(21d) 사이의 거리가 긴 단부)가 배치되어 있기 때문에, 열전 변환 소자(3)에 전달된 열이 제2 표면(21d)에 전달되기 어려워진다. 이 때문에, 제1 단부(1a) 및 제2 단부(21b) 사이에 위치하는 열전 변환 소자(3)의 일단은 고온 상태를 양호하게 유지할 수 있다. 한편, 제2 단부(1b)를 마주보도록, 절연 필름(21)의 제1 단부(21a)(제1 표면(21c)과 제2 표면(21d) 사이의 거리가 짧은 단부)가 배치되기 때문에, 열전 변환 소자(3)에 전달된 열이 제2 표면(21d)에 전달되기 쉬워진다. 이 때문에, 제2 단부(1b) 및 제1 단부(21a) 사이에 위치하는 열전 변환 소자(3)의 타단은 저온 상태를 양호하게 유지할 수 있다. 즉, 본 변형예에 따른 열전 변환 모듈(10')에서는, 열전 변환 소자(3)의 양단의 온도차를 용이하게 크게 할 수 있고, 동시에 그 온도차를 양호하게 유지할 수 있기 때문에, 보다 우수한 열전 변환 효율을 구비할 수 있다.
또한, 제2 표면(21d)에 히트 싱크 등의 냉각 장치를 배치할 수도 있고, 이에 의해 열전 변환 소자(3)의 양단의 온도차를 보다 크게 할 수 있고, 동시에 그 온도차를 양호하게 유지할 수 있게 되어, 열전 변환 모듈(10')의 열전 변환 효율을 한층 더 향상시킬 수 있다.
＜본 발명의 실시태양＞
본 발명의 제1 실시태양에 따른 열전 변환 모듈은, 절연성을 구비하는 다공질의 절연 필름과, 상기 절연 필름의 제1 표면에 형성된 박막형 열전 변환 소자를 가지고, 상기 제1 표면은 상기 제1 표면과는 반대 측에 위치하는 평탄한 제2 표면에 대해 경사진 면을 포함하고, 상기 절연 필름은 상기 제1 표면과 상기 제2 표면 사이의 거리가 짧은 부분일수록 밀도가 크다.
본 발명의 제2 실시태양에 따른 열전 변환 모듈은, 제1 실시태양에 따른 열전 변환 모듈에 있어서, 상기 절연 필름이 평탄한 필름 부재를 압축함으로써 형성되어 있다.
본 발명의 제3 실시태양에 따른 열전 변환 모듈은, 제1 또는 제2 실시태양에 따른 열전 변환 모듈에 있어서, 상기 제1 표면이 상기 제2 표면에 대해 일정한 각도로 경사져 있다.
본 발명의 제4 실시태양에 따른 열전 변환 모듈은, 제1 또는 제2 실시태양에 따른 열전 변환 모듈에 있어서, 상기 제1 표면이 상기 절연 필름의 외측 또는 내측을 향해 돌출되도록 만곡되어 있다.
본 발명의 제5 실시태양에 따른 열전 변환 모듈은, 제1 또는 제2 실시태양에 따른 열전 변환 모듈에 있어서, 상기 절연 필름이 상기 제1 표면 측에 홈통 형상의 오목부를 구비하고 있다.
본 발명의 제6 실시태양에 따른 열전 변환 모듈은, 제1 또는 제2 실시태양에 따른 열전 변환 모듈에 있어서, 상기 열전 변환 소자는 형상이 동일한 2개의 상기 절연 필름에 의해, 2개의 상기 절연 필름의 제1 표면들 사이에 끼워져 있다.
1, 21: 절연 필름
1a, 21a: 제1 단부
1b, 21b: 제2 단부
1c, 21c: 제1 표면
1d, 21d: 제2 표면
2: 롤러
3: 열전 변환 소자
10, 10': 열전 변환 모듈
11: 열원
15: 오목부
16: 볼록부

Claims (6)

  1. 절연성을 구비하는 다공질의 절연 필름; 및
    상기 절연 필름의 제1 표면에 형성된 박막형 열전 변환 소자;를 가지고,
    상기 제1 표면은 상기 제1 표면과는 반대 측에 위치하는 평탄한 제2 표면에 대해 경사진 면을 포함하고,
    상기 절연 필름은 상기 제1 표면과 상기 제2 표면 사이의 거리가 짧은 부분일수록 밀도가 큰 것을 특징으로 하는 열전 변환 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 절연 필름은 평탄한 필름 부재를 압축함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 열전 변환 모듈.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 표면은 상기 제2 표면에 대해 일정한 각도로 경사진 것을 특징으로 하는 열전 변환 모듈.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 표면은 상기 절연 필름의 외측 또는 내측을 향해 돌출되도록 만곡되어 있는 것을 특징으로 하는 열전 변환 모듈.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 절연 필름은 상기 제1 표면 측에 홈통 형상의 오목부를 구비하는 것을 특징으로 하는 열전 변환 모듈.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 열전 변환 소자는 형상이 동일한 2개의 상기 절연 필름에 의해, 2개의 상기 절연 필름의 제1 표면들 사이에 끼워진 것을 특징으로 하는 열전 변환 모듈.
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