KR101998220B1 - 3차원 조립블록형 인-플레인 박막구조를 가지는 열전소자 모듈 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 조립블록형 인-플레인 박막구조를 가지는 열전소자 모듈은 조립 공간을 제공하기 위한 하우징을 포함하는 열전소자 모듈로서, 소정의 간극을 가지도록 이격되어 중심 공간부를 형성하는 제1 기판 및 제2 기판; 상기 제1 기판과 상기 제2 기판의 양면에 형성되는 열전박막; 상기 제1 기판의 상부에 구비되는 전극인 제1 상부고정블록과, 상기 제2 기판의 상부에 구비되는 전극인 제2 상부고정블록; 상기 제1 기판과 상기 제2 기판의 사이에 위치하며 상기 제1 기판의 일측 하부와 상기 제2 기판의 타측 하부를 함께 지지하기 위한 전극인 제1 하부고정블록; 상기 제1 기판의 타측 하부를 지지하기 위한 전극인 제2 하부고정블록; 및 상기 제2 기판의 일측 하부를 지지하기 위한 전극인 제3 하부고정블록을 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 3차원 조립블록형 인-플레인 박막구조를 가지는 열전소자 모듈에 관한 것이다.
열전현상은 열과 전기의 가역적, 직접적인 에너지 변환 현상을 의미하며, 재료 내부에서 전자와 정공의 이동에 의해 발생하게 된다. 이러한 열전현상은 크게 전기에너지를 열에너지로 변환시키는 열전냉각과 열에너지를 전기에너지로 변환시키는 열전발전으로 구분될 수 있다.
열전냉각은 펠티에 효과(Peltier effect)를 이용하는 것인데, 구체적으로 인가된 전류의 흐름에 의해 재료 양단에 발생하는 흡열과 발열 현상을 이용하며, 열전냉각 소자/모듈에 응용되고 있고, 열전발전은 제백 효과(Seebeck effect)를 이용하는 것인데, 열전반도체 소자 양단에 온도차가 형성될 때 발생하는 기전력을 이용하며, 전기에너지 생산에 응용되고 있다.
열전효과를 이용한 열전소자는 고효율 소재가 개발되면 즉시 응용이 가능한 장점이 있으나, 성능지수(figure of merit, Z 또는 ZT)가 낮기 때문에 열전발전과 냉각 시 에너지 변환 효율이 낮다는 단점이 있다.
열전성능은 온도차에 따른 기전력, 열전도도 및 전기전도도에 의해 결정이 되고, 성능지수 Z는 α2·σ/K로 표현될 수 있다. 여기서, α는 제백계수(V/K), σ는 전기전도도(Ωm), K는 열전도도(W/mK), T는 절대온도(K)를 나타낸다. 제백계수와 전기전도도가 크고, 열전도도가 낮을수록 열전 반도체의 성능지수는 높게 되어 열전현상에 의한 에너지 변환효율이 향상될 수 있다.
일반적으로 열전재료는 중고온 영역에서 사용하는 Pb-Te계와, 저온 영역에서 사용하는 Bi-Te계 소재가 주로 연구되고 있으나 열전성능변화 효율에 대한 문제가 완전하게 해결되지 않은 상태이며, 새로운 열전소재의 개발과 더불어서 소재 이외의 효율 상승을 이루는 연구가 진행 중에 있다.
기존 연구 중에는 열전효율 향상을 위해 열전재료의 성장 자체를 저차원(Low dimension)으로 하면 높은 제백계수와 높은 전기전도도를 동시에 얻어낼 수 있어, 성능지수 값이 획기적으로 증가할 수 있다는 연구 결과가 발표된 바 있다.
이는 제백계수를 결정하는 물질상수가 에너지에 대한 전자의 상태밀도 기울기로서 벌크형태의 3차원 물질의 상태밀도에 비하여 2차원, 더 나아가 1차원에서 더 높은 기울기 값, 즉 높은 제백계수를 얻을 수 있다는 이론에 근거한 결과이다.
최근 열전소자를 박막의 형태로 제작 시 열전성능이 향상되었다는 결과들이 보고되고 있으나, 실제 열전소자로 사용 시에는 평면, 즉 인-플레인(in-plane) 형태를 가지는 소자의 특성상 열전소자 양단에 온도차이에 의해 발생되는 열전 발전 효과를 구현하기에 어려움이 있다.
다시 말해, 박막구조로 제조되는 열전소자가 기존 벌크형태보다 향상된 성능을 나타내지만, 인-플레인(in-plane) 특성의 열전효과를 유지하면서 실제 소자에 적용하는 것은 열전소자가 적용되는 전자기기의 형태를 고려할 때 구조적으로 어려운 문제가 있다.
본 발명의 일 실시예는 기존 박막 구조의 문제인 열저항과 접촉저항을 최소화하고 기존의 열전 소자가 일정한 사이즈로 구분되는 한계를 조립블록형 구조로 대체하여 용이하게 원하는 크기로 사용 가능한 3차원 조립블록형 인-플레인 박막구조를 가지는 열전소자 모듈에 관한 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제(들)로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제(들)은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 조립블록형 인-플레인 박막구조를 가지는 열전소자 모듈은 조립 공간을 제공하기 위한 하우징을 포함하는 열전소자 모듈로서, 소정의 간극을 가지도록 이격되어 중심 공간부를 형성하는 제1 기판 및 제2 기판; 상기 제1 기판과 상기 제2 기판의 양면에 형성되는 열전박막; 상기 제1 기판의 상부에 구비되는 전극인 제1 상부고정블록과, 상기 제2 기판의 상부에 구비되는 전극인 제2 상부고정블록; 상기 제1 기판과 상기 제2 기판의 사이에 위치하며 상기 제1 기판의 일측 하부와 상기 제2 기판의 타측 하부를 함께 지지하기 위한 전극인 제1 하부고정블록; 상기 제1 기판의 타측 하부를 지지하기 위한 전극인 제2 하부고정블록; 및 상기 제2 기판의 일측 하부를 지지하기 위한 전극인 제3 하부고정블록을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 하우징은 상부 하우징 블록 및 하부 하우징 블록을 포함하며, 상기 상부 하우징 블록은 상기 제1 상부고정블록과 상기 제2 상부고정블록을 감싸도록 형성되며, 상기 하부 하우징 블록은 상기 제1 하부고정블록 내지 상기 제3 하부고정블록을 감싸도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 열전박막은 상기 제1 기판의 양면에 형성되는 제1 열전박막과 상기 제2 기판의 양면에 형성되는 제2 열전박막을 포함하며, 상기 제1 상부고정블록은 상기 제1 기판의 일측에 형성되는 제1 열전박막과 상기 제1 기판의 타측에 형성되는 제1 열전박막을 전기적으로 연결하고, 상기 제2 상부고정블록은 상기 제2 기판의 일측에 형성되는 제2 열전박막과 상기 제2 기판의 타측에 형성되는 제2 열전박막을 전기적으로 연결하는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 하부고정블록은, 상기 제1 기판의 일측에 형성되는 제1 열전박막과 상기 제2 기판의 타측에 형성되는 제2 열전박막을 전기적으로 연결하는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 하부고정블록은, 상기 제1 기판의 일측에 형성되는 제1 열전박막과 상기 제2 기판의 타측에 형성되는 제2 열전박막 사이에 위치하며 상기 제1 기판과 상기 제2 기판을 상기 중심 공간부의 반대 방향으로 압착하여 지지하기 위한 제1 지지돌부와, 상기 제1 지지돌부의 하부에서 양측으로 연장되어 형성되며 상기 제1 기판과 상기 제2 기판의 하부를 안착시키기 위한 제1 안착부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 하부고정블록은, 상기 제1 안착부의 일단에 형성되며, 상부 방향으로 돌출되어 상기 제1 기판의 일측에 형성되는 제1 열전박막의 하부를 고정하기 위한 제1 고정돌부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제2 하부고정블록은, 상기 제1 기판의 하부를 안착시키기 위한 제2 안착부와, 상기 제2 안착부에서 수직으로 연장되어 형성되며 상기 제1 기판을 상기 중심 공간부 방향으로 압착하여 지지하기 위한 제2 지지돌부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제2 하부고정블록은, 상기 제2 지지돌부와 제2 안착부의 사이에서 상기 제1 하부고정블록 방향으로 돌출되어 형성되며, 상기 제1 기판의 일측과 상기 하우징 사이에 위치하는 제1 이격부를 형성하기 위한 제3 지지돌부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제2 하부고정블록은, 상기 제2 안착부의 일단에 형성되며, 상부 방향으로 돌출되어 상기 제1 기판의 타측에 형성되는 제1 열전박막의 하부를 고정하기 위한 제2 고정돌부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 상부 하우징 블록 또는 상기 하부 하우징 블록은, 대향하는 위치에서 소정 크기의 홈 형상으로 형성되는 조립홈부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 조립홈부에서 외부로 돌출되도록 결합되어 복수의 열전소자 모듈 간의 조립을 가능하게 하는 조립돌부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 조립돌부는, 상기 조립홈부에서 외부로 돌출되도록 결합되어 복수의 열전소자 모듈 간의 조립을 가능하게 하는 제1 조립돌부와, 상기 제1 결합돌부의 일단에서 수직으로 연장되어 형성되며 상기 제1 이격부에 끼움 결합되는 제2 조립돌부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 하우징의 일면에 형성되며 복수의 열전소자 모듈 간의 슬라이딩 조립이 가능하도록 돌출 형성되는 슬라이딩돌부와, 상기 하우징의 타면에 형성되며 상기 슬라이딩돌부와 상보적인 형상으로 형성되는 슬라이딩홈부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상부고정블록과 하부고정블록이 형성하는 보 구조의 형태로 열전박막을 감싸면서 개별적인 인-플레인 열전소자의 구조유지와 함께 전극이 박막을 감싸게 하여 열 저항과 접촉 저항을 낮춤으로써 박막의 성능 향상을 가능하게 할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 조립형 구조의 특성상 개별적인 소자 조립을 통해 필요한 소자의 크기나 요구되는 전력에 따라 다양한 소자로 변형 및 적용 가능한 이점이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 실제 저차원 구조를 갖는 열전소자의 이론 및 연구적인 부분을 넘어서 실제 소자 형태로 사용하기 위한 플랫폼으로 향후 개발되는 박막형 열전소자의 활용도를 넓히는 구조이며, 조립블록형으로 휴대 및 독립된 전원이 필요한 기기에 사용 시 기기의 형태와 필요 전력에 따른 열전발전소자의 변형이 용이한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소자의 크로스-플레인(Cross-plane)과 인-플레인(In-plane) 특성을 나타내기 위한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 구조의 열전소자를 나타내기 위한 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 조립블록형 인-플레인 박막구조를 가지는 열전소자 모듈의 분해 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 조립블록형 인-플레인 박막구조를 가지는 열전소자 모듈의 결합 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 조립블록형 인-플레인 박막구조를 가지는 열전소자 모듈의 정면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 3차원 조립블록형 인-플레인 박막구조를 가지는 열전소자 모듈의 정면도이다.
도 7은 도 5의 A-A'을 절단한 단면을 나타내는 도면이다.
도 8은 도 7에서 조립돌부의 변형예를 나타내기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 열전소자 모듈 간의 결합과정을 나타내기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 3차원 조립블록형 인-플레인 박막구조를 가지는 열전소자 모듈의 정면도이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 복수의 열전소자 모듈 간의 결합과정을 나타내기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 구조의 열전소자를 나타내기 위한 모식도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 조립블록형 인-플레인 박막구조를 가지는 열전소자 모듈의 분해 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 조립블록형 인-플레인 박막구조를 가지는 열전소자 모듈의 결합 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 조립블록형 인-플레인 박막구조를 가지는 열전소자 모듈의 정면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 3차원 조립블록형 인-플레인 박막구조를 가지는 열전소자 모듈의 정면도이다.
도 7은 도 5의 A-A'을 절단한 단면을 나타내는 도면이다.
도 8은 도 7에서 조립돌부의 변형예를 나타내기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 열전소자 모듈 간의 결합과정을 나타내기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 3차원 조립블록형 인-플레인 박막구조를 가지는 열전소자 모듈의 정면도이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 복수의 열전소자 모듈 간의 결합과정을 나타내기 위한 도면이다.
본 발명의 이점 및/또는 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소자의 크로스-플레인(Cross-plane)과 인-플레인(In-plane) 특성을 나타내기 위한 개념도이다.
도 1을 참조하면, 열전소자는 열전박막에서의 열과 전기의 이동 방향에 따라 인-플레인형 열전소자와 크로스-플레인형 열전소자로 대별할 수 있다.
인-플레인형 열전소자는 열과 전기가 기판에 수평한 방향으로 이동하며, 주로 써모파일형 열전센서로 사용되며 다양한 센서 디자인이 가능하고, 작은 온도 차에 의해서도 비교적 큰 전압을 얻을 수 있고, 얇은 열전박막 레그(leg)의 형성에 필요한 박막공정시간이 짧다는 장점이 있는 반면에 기판을 통한 기생 열전달에 의해 효율이 낮으며 레그 단면적이 작아 내부 저항이 크다는 단점이 있다.
크로스-플레인형 열전소자는 열과 전기가 기판에 수직한 방향으로 이동하며, 주로 열전냉각소자와 열전발전소자로 사용되고, 고온단과 저온단 사이의 작은 온도차에 의해서도 비교적 큰 출력을 얻을 수 있으며, 효율이 높고 기판을 통한 기생 열전도가 없으며, 열전박막 레그(leg)의 내부저항이 작다는 장점이 있는 반면에 열전박막 레그의 두께가 상대적으로 두꺼워 장시간의 박막형성공정이 요구되며, 상층부의 전기적 접속을 형성하기 어려운 문제점이 있으며, 고온단과 저온단 사이에 온도기울기가 커서 큰 열응력이 인가되는 단점이 있다.
본 발명에서는 기존의 0차원, 1차원, 2차원과 같은 차원이 융합된 나노박막구조를 3차원 형태의 고차원 구조로 구현하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 열전소자는 차원 융합된 나노박막구조를 최대한 활용하기 위해, 크로스-플레인형이 아닌 인-플레인형 특성을 활용한다.
본 발명에서는 위와 같은 열전재료로 구성되는 2차원 박막 구조에 Ge, Se 등의 도펀트 재료, 즉 0차원의 양자점(Quantum Dot, 1)을 포함시킨 열전소자를 이용하는 것을 특징으로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 구조의 열전소자를 나타내기 위한 모식도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전소자는 기판(100)의 양면에 열전박막이 형성되는 것을 특징으로 하는데, 상기 기판(100)의 일면에는 P형 열전박막이 형성되고, 상기 기판의 타면에는 N형 열전박막 등의 열전박막(2)이 형성될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 조립블록형 인-플레인 박막구조를 가지는 열전소자 모듈의 분해 사시도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 조립블록형 인-플레인 박막구조를 가지는 열전소자 모듈의 결합 사시도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 조립블록형 인-플레인 박막구조를 가지는 열전소자 모듈의 정면도이다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 조립블록형 인-플레인 박막구조를 가지는 열전소자 모듈(이하, '열전소자 모듈)'이라 칭함)은 전체 내부 구성요소를 감싸기 위한 하우징과, 상기 하우징 내에 위치하는 기판, 상기 기판에 형성되는 열전박막, 상기 기판과 조립되기 위한 각종 고정블록 등이 3차원으로 조립 가능하도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
하우징은 열전소자 모듈(10)의 전체 외형을 결정하는 것으로 대향하는 두 면이 제거되어 내부가 개방된 구조를 가지는 직육면체 형상인 것이 바람직하며, 후술할 열전소자 모듈(10)을 형성하는 구성들의 조립 공간을 제공한다.
기판은 열전박막을 지지하는 지지체로서, 판상을 가지며, 지지력을 가지는 것이면 제한되지 않는다. 기판은 바람직하게 내열성 및 절연성이 우수한 것을 사용할 수 있으며, 구체적으로, Si, 알루미나, 유리, 석영, 금속산화물, PDMS와 같은 폴리머 등을 사용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 기판은 소정의 간극을 가지도록 이격되어 중심 공간부(172)를 형성하는 제1 기판(100) 및 제2 기판(100')을 포함할 수 있다.
제1 기판(100)의 양면과 제2 기판(100')의 양면에는 인-플레인 박막구조를 가지도록 열전박막이 형성될 수 있다. 열전박막은 레그(leg) 역할을 수행하는 P형 열전박막과 N형 열전박막은 열전특성이 우수한 열전물질로 제조될 수 있으며, 예를 들면, Bi-Te계, Sb-Te계, Pb-Te계, Pb-Se계, Si-Ge계, In-Co계 등의 2원소계 또는 Bi-Te-Se계, Bi-Te-Sb계 및 In-Co-Sb계 등의 3원소계로 구성될 수 있다.
아울러, N형 열전박막과 P형 열전박막은 일례로 Bi-Te계에 셀레늄(Se) 등이 첨가되어 N형이 되거나, 안티몬(Sb) 등이 첨가되어 P-형이 될 수 있다.
또한, N형 열전박막과 P형 열전박막은 박막 고정으로 형성되는 것이면 제한되지 않으며, 스퍼터링(sputtering), 열 증착, 전자빔(e-beam) 증착 및 금속유기 화학기상증착(MOCVD; Metal Organic Chemical Vapor Deposition) 등의 모든 박막 제조 공정을 사용할 수 있다.
전극은 공급된 전원의 흐름을 안내하는 역할을 하며, 본 발명에서는 상부고정블록 및 하부고정블록이 다른 구조물을 고정 혹은 지지하는 것과 동시에 전극의 역할을 함께 수행할 수 있다.
전극은 제1 상부고정블록(120), 제2 상부고정블록(120'), 제1 하부고정블록 내지 제3 하부고정블록(110, 130, 130')을 포함할 수 있다.
제1 상부고정블록(120)은 제1 기판(100)의 상부에 구비되며 상기 제1 기판(100)의 상부를 감싸도록 길이 방향 단면이 'ㄷ'자 형상으로 형성될 수 있고, 제2 상부고정블록(120')은 제2 기판(100')의 상부에 구비되며 상기 제2 기판(100')의 상부를 감싸도록 길이 방향 단면이 'ㄷ'자 형상으로 형성될 수 있다.
제1 하부고정블록(110)은 제1 기판(100)과 제2 기판(100')의 사이에 위치하며 상기 제1 기판(100)의 일측 하부와 상기 제2 기판(100')의 타측 하부를 함께 지지할 수 있고, 상기 제1 기판(100)과 상기 제2 기판(100')의 하부를 감싸도록 'ㅗ'자 형상으로 형성될 수 있다.
여기서, 편의상 기판의 일측은 도 5의 오른쪽, 기판의 타측은 도 5의 왼쪽, 상부는 도 5의 위쪽, 하부는 도 5의 아래쪽을 나타내며, 이하에서도 동일한 의미로 사용된다.
제2 하부고정블록(130)은 제1 기판(100)의 타측 하부를 지지하며, 제3 하부 고정블록은 제2 기판(100')의 일측 하부를 지지할 수 있는데, 상기 제2 하부고정블록(130)과 상기 제3 하부 고정블록은 대칭되는 위치에서 서로 대칭적인 형상으로 형성될 수 있다.
하우징은 상부 하우징 블록(140)과 하부 하우징 블록(150)을 포함할 수 있고, 상기 상부 하우징 블록(140)은 제1 상부고정블록(120)과 제2 상부고정블록(120')을 감싸도록 형성될 수 있고, 상기 제1 상부고정블록(120)과 상기 제2 상부고정블록(120')을 중심 공간부(172)의 반대 방향으로 압착하여 고정시키기 위한 제4 지지돌부(141)을 포함할 수 있다.
상기 하부 하우징 블록(150)은 제1 하부고정블록 내지 제3 하부고정블록(110, 130, 130')을 감싸도록 형성될 수 있으며, 상기 상부 하우징 블록(140)과 상기 하부 하우징 블록(150)이 상하로 조립됨에 따라 상술한 구성들이 상기 하우징 내에서 조립된 상태로 고정될 수 있다.
열전박막은 제1 기판(100)의 양면에 형성되는 제1 열전박막(2)과 제2 기판(100')의 양면에 형성되는 제2 열전박막(2')을 포함할 수 있다. 바람직하게 제1 기판(100)의 일측, 제1 기판(100)의 타측, 제2 기판(100')의 일측, 제2 기판(100')의 타측에 형성되는 열전박막은 P형 열전박막과 N형 열전박막이 교대로 형성될 수 있다.
제1 상부고정블록(120)은 제1 기판(100)의 일측에 형성되는 제1 열전박막(2)과 제1 기판(100)의 타측에 형성되는 제1 열전박막(2)을 전기적으로 연결하고, 제2 상부고정블록(120')은 제2 기판(100')의 일측에 형성되는 제2 열전박막(2')과 제2 기판(100')의 타측에 형성되는 제2 열전박막(2')을 전기적으로 연결할 수 있다.
제1 하부고정블록(110)은 제1 기판(100)의 일측에 형성되는 제1 열전박막(2)과 제2 기판(100')의 타측에 형성되는 제2 열전박막(2')을 전기적으로 연결할 수 있다.
제1 기판(100)과 제2 기판(100')에 전극에 해당하는 제1 상부고정블록(120), 제2 상부고정블록(120'), 제1 하부고정블록 내지 제3 하부고정블록(110, 130, 130')이 결합됨에 따라 열전재료의 직렬 연결이 가능해질 수 있다.
제1 하부고정블록(110)은 제1 기판(100)의 일측 하부와 제2 기판(100')의 타측 하부를 하우징에 고정시키기 위한 것으로, 제1 기판(100)의 일측에 형성되는 제1 열전박막(2)과 제2 기판(100')의 타측에 형성되는 제2 열전박막(2') 사이에 위치하며 상기 제1 기판(100)과 상기 제2 기판(100')을 상기 중심 공간부(172)의 반대 방향으로 압착하여 지지하기 위한 제1 지지돌부(111)와, 상기 제1 지지돌부(111)의 하부에서 양측으로 연장되어 형성되며 상기 제1 기판(100)과 상기 제2 기판(100')의 하부를 안착시키기 위한 제1 안착부(112)를 포함할 수 있다.
제2 하부고정블록(130)은 제1 기판(100)의 타측 하부를 하우징에 고정시키기 위한 것이고, 제3 하부고정블록(130')은 제2 기판(100')의 일측 하부를 하우징에 고정시키기 위한 것이며, 상기 제2 하부고정블록(130)과 상기 제3 하부 고정블록은 대칭되는 위치에서 서로 대칭적인 형상으로 형성되므로, 이하에서는 상기 제2 하부고정블록(130)을 중심으로 설명한다.
제2 하부고정블록(130)은 길이 방향 단면이 'ㄴ'자 형상으로 형성될 수 있고, 제1 기판(100)의 하부를 안착시키기 위한 제2 안착부(132)와, 상기 제2 안착부(132)에서 수직으로 연장되어 형성되며 상기 제1 기판(100)을 상기 중심 공간부(172) 방향으로 압착하여 지지하기 위한 제2 지지돌부(131)를 포함할 수 있다.
또한, 제2 하부고정블록(130)은, 제2 지지돌부(131)와 제2 안착부(132) 사이에서 상기 제1 하부고정블록(110) 방향으로 돌출되어 형성되며 제1 기판(100)의 일측과 하우징 사이에 위치하는 제1 이격부(170)를 형성하기 위한 제3 지지돌부(133)를 포함할 수 있으며, 상기 제1 이격부(170)와 대칭되는 위치에 제2 이격부(170')가 형성될 수 있다.
제1 하부고정블록 내지 제3 하부고정블록(110, 130, 130')에 의해 기판과 하부 하우징 블록(150) 사이에 소정 간격의 이격부가 형성될 수 있으며, 구체적으로 제1 기판(100)과 하부 하우징 블록(150) 사이에는 제3 이격부(171), 제2 기판(100')과 하부 하우징 블록(150) 사이에는 제4 이격부(171')가 형성될 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 3차원 조립블록형 인-플레인 박막구조를 가지는 열전소자 모듈의 정면도이다.
도 6을 참조하면, 제1 하부고정블록(110)은 제1 안착부(112)의 일단에 형성되며, 상부 방향으로 돌출되어 제1 기판(100)의 일측에 형성되는 제1 열전박막(2)의 하부를 고정하기 위한 제1 고정돌부(113)를 포함할 수 있다.
제2 하부고정블록(130)은, 제2 안착부(132)의 일단에 형성되며, 상부 방향으로 돌출되어 제1 기판(100)의 타측에 형성되는 제1 열전박막(2)의 하부를 고정하기 위한 제2 고정돌부(134)를 포함할 수 있다.
즉, 제1 고정돌부(113)와 제2 고정돌부(134)에 의해 기판에 형성되는 열전박막을 견고하게 고정시킴으로써 하우징 내부에서 조립되는 기판의 고정력을 향상시킬 수 있다.
한편, 기존 인-플레인형 열전소자는 실제 온도차이가 발생하는 소자의 윗면과 아랫면에 온도차 발생에 따른 열전 효과를 나타낼 수 있으며, 박막의 특성상 접촉 저항이나 열저항이 큰 문제가 있는데, 이러한 구조를 상부고정블록과 하부고정블록이 형성하는 보 구조의 형태로 열전박막을 감싸면서 개별적인 인-플레인 열전소자의 구조유지와 함께 전극이 박막을 보다 더 감싸게 하여 접촉 저항을 낮춤으로써 박막의 성능 향상을 가능하게 할 수 있다.
또한, 이러한 조립형 구조의 특성상 개별적인 소자 조립을 통해 필요한 소자의 크기나 요구되는 전력에 따라 다양한 소자로 변형 및 적용 가능한 이점이 있다.
도 7은 도 5의 A-A'을 절단한 단면을 나타내는 도면이다.
도 7을 참조하면, 상부 하우징 블록(140) 또는 하부 하우징 블록(150)은, 대향하는 위치에서 소정 크기의 홈 형상으로 형성되는 조립홈부(151)를 포함할 수 있다.
도 3 및 7에서는, 조립홈부(151)가 하부 하우징 블록(150)에 형성되는 것으로 도시되어 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 상부 하우징 블록(140)에 형성될 수도 있으며, 상부 하우징 블록(140)과 하부 하우징 블록(150)의 마주보는 위치에 대칭적인 형상으로 함께 형성될 수도 있다.
열전소자 모듈(10)은 조립홈부(151)에서 외부로 일부가 돌출되도록 결합되어 복수의 열전소자 모듈(10) 간의 결합의 가능하게 하는 조립돌부(160)를 포함할 수 있으며, 상기 조립돌부(160)의 형상 및 크기는 상기 조립홈부(151)와 대응되는 것이 바람직하다.
도 8은 도 7에서 조립돌부의 변형예를 나타내기 위한 도면이다.
도 8을 참조하면, 조립돌부(160)는 조립홈부(151)에서 외부로 일부가 돌출되도록 결합되어 복수의 열전소자 모듈(10) 간의 결합을 가능하게 하는 제1 조립돌부(161)와, 상기 제1 조립돌부(161)의 일단에서 수직으로 연장되어 형성되며 상기 제1 이격부(170)에 끼움 결합되어 상기 제1 조립돌부(161)를 견고하게 고정시킬 수 있는 제2 조립돌부(162)를 포함할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 열전소자 모듈 간의 결합과정을 나타내기 위한 도면이다.
도 9를 참조하면, 열전소자 모듈(10)의 일측에 결합된 조립돌부(160)와 타 열전소자 모듈(10)의 타측에 형성된 조립홈부(151)를 통해 복수의 열전소자 모듈(10)이 조립될 수 있으며, 반대로 분리하는 것도 가능하다.
조립돌부(160)와 조립홈부(151)는 서로 결합이 가능하며, 결합 후에는 고정 및 분리가 가능하도록 다양한 형상이 적용될 수 있다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 3차원 조립블록형 인-플레인 박막구조를 가지는 열전소자 모듈의 정면도이다.
도 10을 참조하면, 열전소자 모듈(10)은 하우징의 일면에 형성되며 복수의 열전소자 모듈(10) 간의 슬라이딩 조립을 가능하도록 돌출 형성되는 슬라이딩돌부(180)와, 상기 하우징의 타면에 형성되며 상기 슬라이딩돌부(180)와 상보적인 형상으로 형성되어 상기 슬라이딩돌부(180)를 감싸도록 하는 슬라이딩홈부를 포함할 수 있다.
예를 들어, 슬라이딩돌부(180)는 'T'자 형상을 가질 수 있으며, 하우징의 외측면에 형성되며 하우징의 중심 부근에서 중심 공간부(172)의 반대 방향으로 연장 형성되는 제1 슬라이딩돌부(182)와, 상기 제1 슬라이딩돌부(182)의 일단에서 상부 및 하부 방향으로 수직 연장되어 형상되는 제2 슬라이딩돌부(181)를 포함할 수 있다.
또한, 슬라이딩홈부는 'T'자 형상의 슬라이딩돌부(180)가 슬라이딩될 수 있도록 상부 슬라이딩홈부(190) 및 하부 슬라이딩홈부(190')를 포함할 수 있으며, 상기 상부 슬라이딩홈부(190)는 상기 슬라이딩돌부(180)가 형성된 하우징의 반대쪽 외측면에 형성되며 하우징의 상부에서 중심 공간부(172)의 반대 방향으로 연장 형성되는 제1 상부 슬라이딩홈부(191)와 상기 제1 상부 슬라이딩홈부(191)에서 하부 방향으로 수직 연장되어 형성되는 제2 상부 슬라이딩홈부(192)를 포함할 수 있고, 상기 하부 슬라이딩홈부(190')는 제1 하부 슬라이딩홈부(191')와 제2 하부 슬라이딩홈부(192')를 포함할 수 있고, 상기 상부 슬라이딩 홈부와 대칭적으로 형성될 수 있다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 복수의 열전소자 모듈 간의 결합과정을 나타내기 위한 도면이다.
도 11을 참조하면, 열전소자 모듈(10)의 일측에 형성된 슬라이딩돌부(180)와 타 열전소자 모듈(10)의 타측에 형성된 슬라이딩홈부를 통해 열전소자 모듈(10)의 길이 방향으로 슬라이딩 조립될 수 있으며, 반대로 분리하는 것도 가능하다.
슬라이딩돌부(180)와 슬라이딩홈부는 삽입 후 슬라이딩 가능하며, 이를 위한 다양한 형상이 적용될 수 있다.
지금까지 본 발명에 따른 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허 청구의 범위뿐 아니라 이 특허 청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
1: 양자점
2: 제1 열전박막
2': 제2 열전박막
10: 열전소자 모듈
100: 제1 기판
100': 제2 기판
110: 제1 하부고정블록
111: 제1 지지돌부
112: 제1 안착부
113: 제1 고정돌부
120: 제1 상부고정블록
120': 제2 상부고정블록
130: 제2 하부고정블록
130': 제3 하부고정블록
131: 제2 지지돌부
132: 제2 안착부
133: 제3 지지돌부
134: 제2 고정돌부
140: 상부 하우징 블록
141: 제4 지지돌부
150: 하부 하우징 블록
151: 조립홈부
160: 조립돌부
161: 제1 조립돌부
162: 제2 조립돌부
170: 제1 이격부
170': 제2 이격부
171: 제3 이격부
171': 제4 이격부
172: 중심 공간부
180: 슬라이딩돌부
181: 제2 슬라이딩돌부
182: 제1 슬라이딩돌부
190: 상부 슬라이딩홈부
191: 제1 상부 슬라이딩홈부
192: 제2 상부 슬라이딩홈부
190': 하부 슬라이딩홈부
191': 제1 하부 슬라이딩홈부
192': 제2 하부 슬라이딩홈부
2: 제1 열전박막
2': 제2 열전박막
10: 열전소자 모듈
100: 제1 기판
100': 제2 기판
110: 제1 하부고정블록
111: 제1 지지돌부
112: 제1 안착부
113: 제1 고정돌부
120: 제1 상부고정블록
120': 제2 상부고정블록
130: 제2 하부고정블록
130': 제3 하부고정블록
131: 제2 지지돌부
132: 제2 안착부
133: 제3 지지돌부
134: 제2 고정돌부
140: 상부 하우징 블록
141: 제4 지지돌부
150: 하부 하우징 블록
151: 조립홈부
160: 조립돌부
161: 제1 조립돌부
162: 제2 조립돌부
170: 제1 이격부
170': 제2 이격부
171: 제3 이격부
171': 제4 이격부
172: 중심 공간부
180: 슬라이딩돌부
181: 제2 슬라이딩돌부
182: 제1 슬라이딩돌부
190: 상부 슬라이딩홈부
191: 제1 상부 슬라이딩홈부
192: 제2 상부 슬라이딩홈부
190': 하부 슬라이딩홈부
191': 제1 하부 슬라이딩홈부
192': 제2 하부 슬라이딩홈부
Claims (13)
- 조립 공간을 제공하기 위한 하우징을 포함하는 열전소자 모듈로서,
소정의 간극을 가지도록 이격되어 중심 공간부를 형성하는 제1 기판 및 제2 기판;
상기 제1 기판과 상기 제2 기판의 양면에 형성되는 열전박막;
상기 제1 기판의 상부에 구비되는 전극인 제1 상부고정블록과, 상기 제2 기판의 상부에 구비되는 전극인 제2 상부고정블록;
상기 제1 기판과 상기 제2 기판의 사이에 위치하며 상기 제1 기판의 일측 하부와 상기 제2 기판의 타측 하부를 함께 지지하기 위한 전극인 제1 하부고정블록;
상기 제1 기판의 타측 하부를 지지하기 위한 전극인 제2 하부고정블록; 및
상기 제2 기판의 일측 하부를 지지하기 위한 전극인 제3 하부고정블록을 포함하고,
상기 열전박막은 상기 제1 기판의 양면에 형성되는 제1 열전박막과 상기 제2 기판의 양면에 형성되는 제2 열전박막을 포함하며,
상기 제1 하부고정블록은,
상기 제1 기판의 일측에 형성되는 제1 열전박막과 상기 제2 기판의 타측에 형성되는 제2 열전박막 사이에 위치하며 상기 제1 기판과 상기 제2 기판을 상기 중심 공간부의 반대 방향으로 압착하여 지지하기 위한 제1 지지돌부와, 상기 제1 지지돌부의 하부에서 양측으로 연장되어 형성되며 상기 제1 기판과 상기 제2 기판의 하부를 안착시키기 위한 제1 안착부를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 조립블록형 인-플레인 박막구조를 가지는 열전소자 모듈.
- 제1항에 있어서,
상기 하우징은 상부 하우징 블록 및 하부 하우징 블록을 포함하며,
상기 상부 하우징 블록은 상기 제1 상부고정블록과 상기 제2 상부고정블록을 감싸도록 형성되며,
상기 하부 하우징 블록은 상기 제1, 제2 및 제3 하부고정블록을 감싸도록 형성되는 것을 특징으로 하는 3차원 조립블록형 인-플레인 박막구조를 가지는 열전소자 모듈.
- 제2항에 있어서,
상기 제1 상부고정블록은 상기 제1 기판의 일측에 형성되는 제1 열전박막과 상기 제1 기판의 타측에 형성되는 제1 열전박막을 전기적으로 연결하고,
상기 제2 상부고정블록은 상기 제2 기판의 일측에 형성되는 제2 열전박막과 상기 제2 기판의 타측에 형성되는 제2 열전박막을 전기적으로 연결하는 것을 특징으로 하는 3차원 조립블록형 인-플레인 박막구조를 가지는 열전소자 모듈.
- 제3항에 있어서,
상기 제1 하부고정블록은,
상기 제1 기판의 일측에 형성되는 제1 열전박막과 상기 제2 기판의 타측에 형성되는 제2 열전박막을 전기적으로 연결하는 것을 특징으로 하는 3차원 조립블록형 인-플레인 박막구조를 가지는 열전소자 모듈.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 제1 하부고정블록은,
상기 제1 안착부의 일단에 형성되며, 상부 방향으로 돌출되어 상기 제1 기판의 일측에 형성되는 제1 열전박막의 하부를 고정하기 위한 제1 고정돌부를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 조립블록형 인-플레인 박막구조를 가지는 열전소자 모듈.
- 제2항에 있어서,
상기 제2 하부고정블록은,
상기 제1 기판의 하부를 안착시키기 위한 제2 안착부와, 상기 제2 안착부에서 수직으로 연장되어 형성되며 상기 제1 기판을 상기 중심 공간부 방향으로 압착하여 지지하기 위한 제2 지지돌부를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 조립블록형 인-플레인 박막구조를 가지는 열전소자 모듈.
- 제7항에 있어서,
상기 제2 하부고정블록은,
상기 제2 지지돌부와 제2 안착부의 사이에서 상기 제1 하부고정블록 방향으로 돌출되어 형성되며, 상기 제1 기판의 일측과 상기 하우징 사이에 위치하는 제1 이격부를 형성하기 위한 제3 지지돌부를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 조립블록형 인-플레인 박막구조를 가지는 열전소자 모듈.
- 제8항에 있어서,
상기 제2 하부고정블록은,
상기 제2 안착부의 일단에 형성되며, 상부 방향으로 돌출되어 상기 제1 기판의 타측에 형성되는 제1 열전박막의 하부를 고정하기 위한 제2 고정돌부를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 조립블록형 인-플레인 박막구조를 가지는 열전소자 모듈.
- 제8항에 있어서,
상기 상부 하우징 블록 또는 상기 하부 하우징 블록은,
대향하는 위치에서 소정 크기의 홈 형상으로 형성되는 조립홈부를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 조립블록형 인-플레인 박막구조를 가지는 열전소자 모듈.
- 제10항에 있어서,
상기 조립홈부에서 외부로 돌출되도록 결합되어 복수의 열전소자 모듈 간의 조립을 가능하게 하는 조립돌부를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 조립블록형 인-플레인 박막구조를 가지는 열전소자 모듈.
- 제11항에 있어서,
상기 조립돌부는,
상기 조립홈부에서 외부로 돌출되도록 결합되어 복수의 열전소자 모듈 간의 조립을 가능하게 하는 제1 조립돌부와, 상기 제1 조립돌부의 일단에서 수직으로 연장되어 형성되며 상기 제1 이격부에 끼움 결합되는 제2 조립돌부를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 조립블록형 인-플레인 박막구조를 가지는 열전소자 모듈.
- 제1항에 있어서,
상기 하우징의 일면에 형성되며 복수의 열전소자 모듈 간의 슬라이딩 조립이 가능하도록 돌출 형성되는 슬라이딩돌부와,
상기 하우징의 타면에 형성되며 상기 슬라이딩돌부와 상보적인 형상으로 형성되는 슬라이딩홈부를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 조립블록형 인-플레인 박막구조를 가지는 열전소자 모듈.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| KR1020160148604A KR101998220B1 (ko) | 2016-11-09 | 2016-11-09 | 3차원 조립블록형 인-플레인 박막구조를 가지는 열전소자 모듈 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020160148604A KR101998220B1 (ko) | 2016-11-09 | 2016-11-09 | 3차원 조립블록형 인-플레인 박막구조를 가지는 열전소자 모듈 |
Publications (2)
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|---|---|
| KR20180052139A KR20180052139A (ko) | 2018-05-18 |
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020160148604A KR101998220B1 (ko) | 2016-11-09 | 2016-11-09 | 3차원 조립블록형 인-플레인 박막구조를 가지는 열전소자 모듈 |
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|---|---|
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Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| KR20100025067A (ko) * | 2008-08-27 | 2010-03-09 | 한국전기연구원 | 요철 기판을 사용한 열전모듈 및 그 제조방법 |
-
2016
- 2016-11-09 KR KR1020160148604A patent/KR101998220B1/ko active IP Right Grant
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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| KR20180052139A (ko) | 2018-05-18 |
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