KR102072577B1 - 열전 모듈 - Google Patents

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Abstract

실시예는 제 1 열전도 플레이트, 상기 제 1 열전도 플레이트 상에 배치되는 열전 소자, 상기 열전 소자 상에 배치되는 제 2 열전도 플레이트 및 상기 제 1 열전도 플레이트 상에 배치되며, 수용 공간을 형성하여 상기 수용 공간에 상기 열전 소자를 수용하는 커버 프레임을 포함하고, 상기 열전 소자는 제 1 기판, 상기 제 1 기판 상에 배치된 복수의 열전 레그, 상기 복수의 열전 레그 상에 배치되는 제 2 기판 및 상기 제 1 기판과 상기 복수의 열전 레그 사이에 배치되는 복수의 제 1 전극과 상기 제 2 기판과 상기 복수의 열전 레그 사이에 배치되는 복수의 제 2 전극을 포함하는 전극을 포함하고, 상기 커버 프레임은 상기 제 1 열전도 플레이트 상에서 상기 열전 소자와 이격 되도록 배치된 외곽 프레임 및 상기 외곽 프레임의 상단에서 하부 방향으로 경사지도록 상기 제 2 열전도 플레이트 측으로 연장된 상부 프레임을 포함하는 열전 모듈을 개시한다.

Description

열전 모듈 {THERMOELECTRIC DEVICE MODULE}
본 발명은 열전 모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열전 모듈 내에서 열 유동 성능이 개선된 열전 모듈에 관한 것이다.
열전현상은 재료 내부의 전자(electron)와 정공(hole)의 이동에 의해 발생하는 현상으로, 열과 전기 사이의 직접적인 에너지 변환을 의미한다.
열전 모듈은 열전현상을 이용하는 소자를 총칭하며, P형 열전 재료와 N형 열전 재료를 금속 전극들 사이에 접합시켜 PN 접합 쌍을 형성하는 구조를 가진다.
열전 모듈은 전기저항의 온도 변화를 이용하는 소자, 온도 차에 의해 기전력이 발생하는 현상인 제벡 효과를 이용하는 소자, 전류에 의한 흡열 또는 발열이 발생하는 현상인 펠티에 효과를 이용하는 소자 등으로 구분될 수 있다.
열전 모듈은 가전제품, 전자부품, 통신용 부품 등에 다양하게 적용되고 있다. 예를 들어, 열전 모듈은 냉각용 장치, 온열용 장치, 발전용 장치 등에 적용될 수 있다. 이에 따라, 열전 모듈의 열전성능에 대한 요구는 점점 더 높아지고 있다.
이러한 열전 모듈은 냉각용으로 사용시 냉장고 또는 정수기에 적용 가능하며, 저온 구현에 따른 결로와 습기에 의해 열전소자가 부식되는 문제가 있다. 이런 문제를 해결하기 위해 종래의 경우 열전소자의 측면에 직접 실링재를 배치하여 수분의 침투를 방지하였으나, 열전소자에 실링재가 직접 부착되어 열전 모듈 내에서 열 유동 성능이 저하되는 문제가 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 열전소자 측면에 열 유동 공간을 확보하여 열전 모듈 내에서 열 유동 성능이 개선된 열전 모듈을 제공하는 것이다.
실시 예에서 해결하고자 하는 과제는 이에 한정되는 것은 아니며, 아래에서 설명하는 과제의 해결수단이나 실시 형태로부터 파악될 수 있는 목적이나 효과도 포함된다고 할 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 열전 모듈은 제 1 열전도 플레이트, 상기 제 1 열전도 플레이트 상에 배치되는 열전 소자, 상기 열전 소자 상에 배치되는 제 2 열전도 플레이트 및 상기 제 1 열전도 플레이트 상에 배치되며, 수용 공간을 형성하여 상기 수용 공간에 상기 열전 소자를 수용하는 커버 프레임을 포함하고, 상기 열전 소자는 제 1 기판, 상기 제 1 기판 상에 배치된 복수의 열전 레그, 상기 복수의 열전 레그 상에 배치되는 제 2 기판 및 상기 제 1 기판과 상기 복수의 열전 레그 사이에 배치되는 복수의 제 1 전극과 상기 제 2 기판과 상기 복수의 열전 레그 사이에 배치되는 복수의 제 2 전극을 포함하는 전극을 포함하고, 상기 커버 프레임은 상기 제 1 열전도 플레이트 상에서 상기 열전 소자와 이격 되도록 배치된 외곽 프레임 및 상기 외곽 프레임의 상단에서 하부 방향으로 경사지도록 상기 제 2 열전도 플레이트 측으로 연장된 상부 프레임을 포함한다.
상기 외곽 프레임과 상기 상부 프레임의 상면의 이루는 각도는 예각일 수 있다.
상기 외곽 프레임과 상기 제 1 열전도 플레이트 사이에 배치된 제 1 실링 부재 및 상기 상부 프레임과 상기 제 2 열전도 플레이트 사이에 배치된 제 2 실링 부재를 포함할 수 있다.
상기 상부 프레임과 상기 제 2 열전도 플레이트는 이격되며, 상기 제 2 실링 부재는 상기 상부 프레임의 측면과 상기 제 2 열전도 플레이트의 측면 사이에 배치될 수 있다.
상기 제 2 실링 부재는 상기 상부 프레임의 상면과 상기 제 2 열전도 플레이트의 측면 사이에 배치될 수 있다.
상기 복수의 제 1 전극 중 적어도 하나와 전기적으로 연결되는 제 1 리드선 및 상기 복수의 제 2 전극 중 적어도 하나와 전기적으로 연결되는 제 2 리드선을 포함하는 리드선을 더 포함하고, 상기 리드선은 상기 외곽 프레임의 관통홀 또는 상기 상부 프레임의 관통홀을 관통할 수 있다.
상기 제 2 열전도 플레이트는 제 1 측면, 제 2 측면, 제 3 측면 및 제 4 측면을 포함하고, 상기 상부 프레임은 상기 제 2 열전도 플레이트의 제 1 측면에 대응하는 제 1 상부 프레임, 상기 제 2 열전도 플레이트의 제 2 측면에 대응하는 제 2 상부 프레임, 상기 제 2 열전도 플레이트의 제 3 측면에 대응하는 제 3 상부 프레임 및 상기 제 2 열전도 플레이트의 제 4 측면에 대응하는 제 4 상부 프레임을 포함하고, 상기 제 1 상부 프레임의 길이는 상기 제 2 상부 프레임, 상기 제 3 상부 프레임 및 상기 제 4 상부 프레임의 길이 보다 클 수 있다.
상기 상부 프레임의 관통홀은 상기 제 1 상부 프레임에 배치될 수 있다.
상기 제 1 상부 프레임의 상면과 상기 외곽 프레임이 이루는 제 1 각도는 상기 제 2 상부 프레임의 상면, 상기 제 3 상부 프레임의 상면 및 상기 제 4 상부 프레임의 상면과 상기 외각 프레임이 이루는 제 2 각도 보다 클 수 있다.
상기 제 1 기판은 제 1 측면, 제 2 측면, 제 3 측면 및 제 4 측면을 포함하고, 상기 외곽 프레임은 상기 제 1 기판의 제 1 측면에 대응하는 제 1 외곽 프레임, 상기 제 1 기판의 제 2 측면에 대응하는 제 2 외곽 프레임, 상기 제 1 기판의 제 3 측면에 대응하는 제 3 외곽 프레임 및 상기 제 1 기판의 제 4 측면에 대응하는 제 4 외곽 프레임을 포함하고, 상기 제 1 외곽 프레임의 두께는 상기 제 2 외곽 프레임, 상기 제 3 외곽 프레임 및 상기 제 4 외곽 프레임의 두께보다 클 수 있다.
상기 외곽 프레임의 관통홀은 상기 제 1 외곽 프레임에 배치될 수 있다.
상기 관통홀과 상기 리드선 사이에 배치된 제 3 밀봉 부재를 더 포함할 수 있다.
높이 방향에서 상기 제 2 열전도 플레이트의 측면의 중심은 상기 상부 프레임의 상면과 측면이 이루는 모서리와 동일선 상에 배치될 수 있다.
상기 제 2 열전도 플레이트의 하면과 측면이 이루는 모서리는 상기 상부 프레임의 하면과 측면이 만나는 모서리와 동일선 상에 배치될 수 있다.
상기 상부 프레임의 상면과 측면이 이루는 모서리는 높이 방향에서 상기 제 2 열전도 플레이트의 측면의 중심 보다 하부에 배치될 수 있다.
상기 제 2 열전도 플레이트의 하면과 측면이 이루는 모서리는 높이 방향에서 상기 상부 프레임의 측면의 중심과 동일선 상에 배치될 수 있다.
상기 상부 프레임의 상면과 측면이 이루는 모서리는 높이 방향에서 상기 제 2 열전도 플레이트의 측면의 중심 보다 하부에 배치될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 방수 및 방진 성능이 우수한 열전 모듈을 얻을 수 있다. 특히, 본 발명의 실시예에 따르면, 열 유동 성능이 개선된 열전 모듈을 얻을 수 있다.
본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하는 과정에서 더욱 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 모듈의 상면도이고,
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 모듈의 사시도이고,
도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 소자의 사시도이고,
도 3은 도 1의 A-A'선 단면도이고,
도 4는 도 1의 B-B'선 단면도이고,
도 5는 도 1에서 커버 프레임의 상면도이고,
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전 모듈의 단면도이고,
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전 모듈의 단면도이고,
도 8a 내지 도 8c는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전 모듈의 단면도이고,
도 9는 본 발명에 따른 열전 소자가 정수기에 적용된 예시도이고,
도 10은 본 발명에 따른 열전 소자가 냉장고에 적용된 예시도이고,
도 11 내지 도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전 소자의 열전 레그의 구현예의 예시도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제2, 제1 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는 데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계 없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 모듈의 상면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 소자의 사시도이고, 도 3은 도 1의 A-A'선 단면도이고, 도 4는 도 1의 B-B'선 단면도이고, 도 5는 도 1에서 커버 프레임의 상면도이다.
이하는 도 1 내지 도 5를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 모듈(100)을 설명한다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 모듈(100)은 제 1 열전도 플레이트(10), 제 2 열전도 플레이트(20), 열전 소자(100), 커버 프레임(200), 제 1 실링 부재(300) 및 제 2 실링 부재(400)를 포함한다.
제 1 열전도 플레이트(10)와 제 2 열전도 플레이트(20)는 열전 소자(100)를 사이에 배치하고 서로 대향한다. 제 1 열전도 플레이트(10)와 제 2 열전도 플레이트(20)는 열전도성이 우수한 금속 재질로 구성될 수 있다. 예를 들어, 제1 열전도 플레이트(10)와 제2 열전도 플레이트(20)는 알루미늄, 알루미늄 합금, 구리 및 구리 합금 중 적어도 하나로 이루어진 플레이트일 수 있다.
여기서, 도시된 바와 같이 제1 열전도 플레이트(10)의 면적은 제2 열전도 플레이트(20)의 면적보다 클 수 있다. 이때, 제1 열전도 플레이트(10)의 면적은 제2 열전도 플레이트(20)의 면적의 1.2 내지 5배일 수 있다.
여기서, 제 1 열전도 플레이트(10)는 열전 소자(100)의 발열면, 즉 고온부(hot side)에 배치되고, 제2 열전도 플레이트(10)는 열전 소자(100)의 흡열면, 즉 저온부(cold side)에 배치될 수 있다. 제1 열전도 플레이트(10)가 열전 소자(100)의 발열면과 발열 부품(미도시)의 표면 사이에 설치되어 발열 부품(미도시)으로부터 발생한 열은 제1 열전도 플레이트(10)에 전도될 수 있다. 제1 열전도 플레이트(10)의 면적이 제2 열전도 플레이트(20)의 면적보다 큰 경우, 발열 부품(미도시)과 제1 열전도 플레이트(10) 간의 접촉 면적이 커지므로, 발열 부품(미도시)으로부터 발생한 열이 제1 열전도 플레이트(10)를 통하여 열전 소자(100)의 발열면에 전달되는 효율이 높아질 수 있다.
제 1 열전도 플레이트(10)는 사용시 열전달 면적을 넓힐 수 있으므로 온도 구배를 줄일 수 있으며, 무엇보다 열전 소자(100)의 흡열면 방향에 부착된 제 2 열전도 플레이트(20)와 발열 부품(미도시)과의 간격을 인위적으로 유격시킴으로써 고온부와 저온부 간의 온도 차를 더 크게 할 수 있다.
도시되지 않았으나 제2 열전도 플레이트(20)로부터 이격되어 팬 유닛이 더 배치되는 경우 고온부와 저온부 간의 온도 차는 더욱 커질 수 있다.
본 명세서에서, 제1 열전도 플레이트(10)의 두께는 제2 열전도 플레이트(20)의 두께와 동일한 것으로 도시되어 있으나, 이로 제한되는 것은 아니며, 제1 열전도 플레이트(10)의 두께가 제2 열전도 플레이트(20)의 두께보다 클 수도 있고, 제2 열전도 플레이트(20)의 두께가 제1 열전도 플레이트(10)의 두께보다 클 수도 있다. 예를 들어, 제2 열전도 플레이트(20)의 두께(A2)에 대한 제1 열전도 플레이트(10)의 두께(A1)의 비(A1/A2)는 0.4 내지 5배, 바람직하게는 0.5 내지 5배, 1.25 내지 5배일 수 있다.
표 1은 제1 열전도 플레이트(10)가 열전 소자(100)의 고온부 측에 배치되고, 제1 열전도 플레이트(10)보다 면적이 작은 제2 열전도 플레이트(20)가 열전 소자(100)의 저온부 측에 배치된 경우, 열전 소자(100)의 소비 전력을 측정한 결과이다. 여기서, 제1 열전도 플레이트(10)의 가로 길이*세로 길이는 75mm*69mm이고, 제2 열전도 플레이트(20)의 가로 길이*세로 길이는 55mm*55mm로 설정하였다.
제1 열전도 플레이트(10) 두께(T) 2 5
제2 열전도 플레이트(20) 두께(T) 2 4 5 1 4
소비전력(kWh/월) 80.2 80.3 80.4 74.3 73.2
표 1을 참조하면, 제1 열전도 플레이트(10)의 면적이 제2 열전도 플레이트(20)의 면적보다 큰 조건 하에서, 제2 열전도 플레이트(20)의 두께(A2)에 대한 제1 열전도 플레이트(10)의 두께(A1)의 비(A1/A2)가 0.4 내지 5배인 경우, 소비 전력이 81kWh/월 이하로 나타남을 알 수 있다. 그리고, 제1 열전도 플레이트(10)의 두께가 제2 열전도 플레이트(20)의 두께보다 큰 경우, 예를 들어, 제2 열전도 플레이트(20)의 두께(A2)에 대한 제1 열전도 플레이트(10)의 두께(A1)의 비(A1/A2)가 1.25 배 내지 5 배인 경우 소비 전력이 75kWh/월 이하로 나타남을 알 수 있다. 또한, 제1 열전도 플레이트(10)의 두께가 제2 열전도 플레이트(20)의 두께와 같거나 제1 열전도 플레이트(10)의 두께가 제2 열전도 플레이트(20)의 두께보다 작은 경우, 제2 열전도 플레이트(20)의 두께가 커지더라도 소비 전력이 일정하게 유지됨을 알 수 있다.
여기서, 제 1 열전도 플레이트(10)는 발열면, 제 2 열전도 플레이트(20)는 흡열면으로 설정되는 것으로 설명하였으나, 이는 열전소자에 인가되는 전류 방향에 따라 흡열면과 방열면은 서로 바뀔 수도 있다.
또한, 도 2b를 참조하면, 열전 소자(100)는 P형 열전 레그(120), N형 열전 레그(130), 하부 기판(140), 상부 기판(150), 하부 전극(161), 상부 전극(162) 및 솔더층(미도시)을 포함한다.
하부 전극(161)은 하부 기판(140)과 P형 열전 레그(120) 및 N형 열전 레그(130)의 하면 사이에 배치되고, 상부 전극(162)은 상부 기판(150)과 P형 열전 레그(120) 및 N형 열전 레그(130)의 상면 사이에 배치된다. 이에 따라, 복수의 P형 열전 레그(120) 및 복수의 N형 열전 레그(130)는 하부 전극(161) 및 상부 전극(162)에 의하여 전기적으로 연결된다. 하부 전극(161)과 상부 전극(162) 사이에 배치되며, 전기적으로 연결되는 한 쌍의 P형 열전 레그(120) 및 N형 열전 레그(130)는 단위 셀을 형성할 수 있다.
예를 들어, 리드선(181, 182)을 통하여 하부 전극(161) 및 상부 전극(162)에 전압을 인가하면, 펠티에 효과로 인하여 P형 열전 레그(120)로부터 N형 열전 레그(130)로 전류가 흐르는 기판은 열을 흡수하여 냉각부로 작용하고, N형 열전 레그(130)로부터 P형 열전 레그(120)로 전류가 흐르는 기판은 가열되어 발열부로 작용할 수 있다.
여기서, P형 열전 레그(120) 및 N형 열전 레그(130)는 비스무스(Bi) 및 텔루륨(Te)을 주원료로 포함하는 비스무스텔루라이드(Bi-Te)계 열전 레그일 수 있다. P형 열전 레그(120)는 전체 중량 100wt%에 대하여 안티몬(Sb), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga), 텔루륨(Te), 비스무스(Bi) 및 인듐(In) 중 적어도 하나를 포함하는 비스무스텔루라이드(Bi-Te)계 주원료 물질 99 내지 99.999wt%와 Bi 또는 Te를 포함하는 혼합물 0.001 내지 1wt%를 포함하는 열전 레그일 수 있다. 예를 들어, 주원료물질이 Bi-Se-Te이고, Bi 또는 Te를 전체 중량의 0.001 내지 1wt%로 더 포함할 수 있다. N형 열전 레그(230)는 전체 중량 100wt%에 대하여 셀레늄(Se), 니켈(Ni), 알루미늄(Al), 구리(Cu), 은(Ag), 납(Pb), 붕소(B), 갈륨(Ga), 텔루륨(Te), 비스무스(Bi) 및 인듐(In) 중 적어도 하나를 포함하는 비스무스텔루라이드(Bi-Te)계 주원료 물질 99 내지 99.999wt%와 Bi 또는 Te를 포함하는 혼합물 0.001 내지 1wt%를 포함하는 열전 레그일 수 있다. 예를 들어, 주원료물질이 Bi-Sb-Te이고, Bi 또는 Te를 전체 중량의 0.001 내지 1wt%로 더 포함할 수 있다.
P형 열전 레그(120) 및 N형 열전 레그(130)는 벌크형 또는 적층형으로 형성될 수 있다. 일반적으로 벌크형 P형 열전 레그(120) 또는 벌크형 N형 열전 레그(130)는 열전 소재를 열처리하여 잉곳(ingot)을 제조하고, 잉곳을 분쇄하고 체거름하여 열전 레그용 분말을 획득한 후, 이를 소결하고, 소결체를 커팅하는 과정을 통하여 얻어질 수 있다. 적층형 P형 열전 레그(120) 또는 적층형 N형 열전 레그(230)는 시트 형상의 기재 상에 열전 소재를 포함하는 페이스트를 도포하여 단위 부재를 형성한 후, 단위 부재를 적층하고 커팅하는 과정을 통하여 얻어질 수 있다.
이때, 한 쌍의 P형 열전 레그(120) 및 N형 열전 레그(130)는 동일한 형상으로 동일한 높이를 갖는 것이 바람직하며, 서로 다른 형상 및 체적을 가질 수 있다. 예를 들어, P형 열전 레그(120)와 N형 열전 레그(130)의 전기 전도 특성이 상이하므로, N형 열전 레그(130)의 단면적을 P형 열전 레그(120)의 단면적과 다르게 형성할 수도 있다.
한편, P형 열전 레그(120)와 N형 열전 레그(130)의 측면에는 높이 방향(Z축 방향)으로 절연체(미도시)가 배치될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 소자의 성능은 제벡 지수로 나타낼 수 있다. 제백 지수(ZT)는 [수학식 1]과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112018114358263-pat00001
여기서,
Figure 112018114358263-pat00002
는 제벡계수[V/K]이고,
Figure 112018114358263-pat00003
는 전기 전도도[S/m]이며,
Figure 112018114358263-pat00004
는 파워 인자(Power Factor, [W/mK2])이다. 그리고, T는 온도이고, k는 열전도도[W/mK]이다. k는
Figure 112018114358263-pat00005
로 나타낼 수 있으며, a는 열확산도[cm2/S]이고, cp 는 비열[J/gK]이며,
Figure 112018114358263-pat00006
는 밀도[g/cm3]이다.
열전 모듈의 제백 지수를 얻기 위하여, Z미터를 이용하여 Z 값(V/K)을 측정하며, 측정한 Z값을 이용하여 제벡 지수(ZT)를 계산할 수 있다.
여기서, 하부 기판(140)과 P형 열전 레그(120) 및 N형 열전 레그(130) 사이에 배치되는 하부 전극(120), 그리고 상부 기판(150)과 P형 열전 레그(120) 및 N형 열전 레그(130) 사이에 배치되는 상부 전극(162)은 구리(Cu), 은(Ag) 및 니켈(Ni) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
그리고 상호 대향하는 하부 기판(140)과 상부 기판(150)은 절연 기판 또는 금속 기판일 수 있다. 절연 기판은 알루미나 기판 또는 유연성을 가지는 고분자 수지 기판일 수 있다. 유연성을 가지는 고분자 수지 기판은 폴리이미드(PI), 폴리스티렌(PS), 폴리메틸 메타크릴레이트(PMMA), 환상 올레핀 코폴리(COC), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 레진(resin)과 같은 고투과성 플라스틱 등의 다양한 절연성 수지재를 포함할 수 있다. 또는, 절연 기판은 직물일 수도 있다. 금속 기판은 Cu, Cu 합금 또는 Cu-Al 합금을 포함할 수 있다. 또한, 하부 기판(140)과 상부 기판(150)이 금속 기판인 경우, 하부 기판(240)과 하부 전극(161) 사이 및 상부 기판(150)과 상부 전극(162) 사이에는 각각 유전체층이 더 형성될 수 있다. 유전체층은 5~10W/K의 열전도도를 가지는 소재를 포함할 수 있다.
이때, 하부 기판(140)과 상부 기판(150)의 크기는 다르게 형성될 수도 있다. 예를 들어, 하부 기판(140)과 상부 기판(150) 중 하나의 체적, 두께 또는 면적은 다른 하나의 체적, 두께 또는 면적보다 크게 형성될 수 있다. 이에 따라, 열전 모듈의 흡열 성능 또는 방열 성능을 높일 수 있다.
한편, 도 2에 도시된 바와 같이, 하부 기판(140)은 제 1 방향으로 제 1 길이(D1)를 갖도록 형성되며, 상부 기판(150)은 제 1 방향으로 제 2 길이(D2)를 갖도록 형성될 수 있다.
여기서, 제 1 길이(D1)는 제 2 길이(D2)보다 크게 형성되어, 하부 기판(140) 상에서 제 1 방향의 끝단에 형성된 하부 전극(261)에 리드선(181, 182)을 연결하는 것이 용이하다.
여기서, 하부 전극(261)과 리드선(181, 182)이 전기적으로 연결되는 것은 용접 방식 또는 기구적 체결 방식 등 다양한 방식 중 적어도 하나로 구현될 수 있다.
복수의 하부 전극(161) 및 복수의 상부 전극(162)은 Cu, Ag, Ni 등의 전극재료를 이용하여 P형 열전 레그(120) 및 N형 열전 레그(130)를 전기적으로 연결한다. 하부 전극(161) 및 상부 전극(162)의 두께는 0.01mm~0.3mm의 범위에서 형성될 수 있다. 더욱 바람직하게는 10㎛~20㎛의 범위로 구현할 수 있다.
또한, 복수의 하부 전극(161) 및 복수의 상부 전극(162)은 각각 m*n(여기서, m, n은 각각 1이상의 정수일 수 있으며, m, n은 서로 동일하거나 상이할 수 있다)의 어레이 형태로 배치될 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니다. 각 하부 전극(161)과 상부 전극(162)은 이웃하는 다른 하부 전극(161)과 상부 전극(162)들과 이격 되어 배치될 수 있다. 예를 들어, 각 하부 전극(161)과 상부 전극(162)은 이웃하는 다른 전극(161, 162)들과 대략 0.5 내지 0.8mm 거리로 이격 되어 배치될 수 있다.
그리고, 각 하부 전극(161) 상에는 한 쌍의 P형 열전 레그(120) 및 N형 열전 레그(130)가 배치되며, 각 상부 전극(162) 하에는 한 쌍의 P형 열전 레그(120) 및 N형 열전 레그(130)가 배치될 수 있다.
즉, P형 열전 레그(120)의 하면은 하부 전극(161)에 배치되고, 상면은 상부 전극(162)에 배치되며, N형 열전 레그(130)의 하면은 하부 전극(161)에 배치되고, 상면은 상부 전극(162)에 배치될 수 있다. 하부 전극(161)에 배치된 한 쌍의 P형 열전 레그(120) 및 N형 열전 레그(130) 중 P형 열전 레그(120)가 복수의 하부 전극(162) 중 하나에 배치되면, N형 열전 레그(130)는 이와 이웃하는 다른 하부 전극(162)에 배치될 수 있다. 이에 따라, 복수의 P형 열전 레그(120) 및 복수의 N형 열전 레그(130)는 복수의 하부 전극(161) 및 복수의 하부 전극(162)을 통하여 직렬 연결될 수 있다.
이때, 하부 전극(161) 상에는 한 쌍의 P형 열전 레그(120) 및 N형 열전 레그(130)를 접합하기 위한 한 쌍의 하부 솔더층(미도시)이 도포될 수 있으며, 한 쌍의 하부 솔더층 상에는 한 쌍의 P형 열전 레그(120) 및 N형 열전 레그(130)가 각각 배치될 수 있다.
또한, 상부 전극(162) 하에는 한 쌍의 P형 열전 레그(120) 및 N형 열전 레그(130)를 접합하기 위한 한 쌍의 상부 솔더층(미도시)이 도포될 수 있으며, 한 쌍의 상부 솔더층(172) 하에는 한 쌍의 P형 열전 레그(120) 및 N형 열전 레그(130)가 각각 배치될 수 있다.
커버 프레임(200)은 제 1 열전도 플레이트(10) 상에서 수용 공간(S)을 형성하며, 수용 공간(S) 내부에 열전 소자(100)가 수용될 수 있다. 여기서, 수용 공간(S)은 열전 소자(100)의 체적 대비 1.1 배 내지 5배의 범위에서 형성될 수 있다. 더욱 바람직하게는 2배 내지 3배의 범위로 구현할 수 있다.
커버 프레임(200)의 수용 공간(S)이 열전 소자(100)의 체적 대비 1.1 배 이하인 경우 열전 소자(100)의 측면에 열 유동 공간을 확보할 수 없어 열 유동 성능의 개선을 기대할 수 없으며, 커버 프레임(200)의 수용 공간(S)이 열전 소자(100)의 체적 대비 5 배 이상인 경우 수용 공간(S) 확장에 따른 열 유동 성능의 개선을 기대할 수 없이 열전 모듈(1000)의 체적을 증대시키는 문제가 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 모듈(1000)은 열전 소자(100)의 하부 기판(140)과 상부 기판(150) 사이에서 온도 차이에 의해 발생하는 열 유동을 열전 소자(100)의 측부로 확장할 수 있어 열 유동에 따른 신뢰성을 확보할 수 있다.
커버 프레임(200)은 열전도성이 낮으며 구조적 강성을 유지할 수 있는 절연성 합성수지 단열재로 구성될 수 있으며, 외곽 프레임(210)과 상부 프레임(220)을 포함한다.
외곽 프레임(210)은 열전 소자(100)의 형상에 따라 사각 기둥형상을 가지며, 제 1 외곽 프레임(211), 제 2 외곽 프레임(211), 제 3 외곽 프레임(213) 및 제 4 외곽 프레임(214)을 포함한다.
여기서, 제 1 외곽 프레임(211)은 하부 기판(140)의 제 1 측면에 대향하도록 대응되며, 제 2 외곽 프레임(212)은 하부 기판(140)의 제 2 측면에 대향하도록 대응되며, 제 3 외곽 프레임(213)은 하부 기판(140)의 제 3 측면에 대향하도록 대응되며, 제 4 외곽 프레임(214)은 하부 기판(140)의 제 4 측면에 대향하도록 대응된다.
제 1 외곽 프레임(211), 제 2 외곽 프레임(211), 제 3 외곽 프레임(213) 및 제 4 외곽 프레임(214)은 제 1 열전도 플레이트(10)의 상면과 대략 수직하게 세워져 배치된다.
여기서, 제 1 외곽 프레임(211), 제 2 외곽 프레임(211), 제 3 외곽 프레임(213) 및 제 4 외곽 프레임(214)은 열전 소자(100)와 이격 되도록 배치되어, 외곽 프레임(210)과 열전 소자(100) 사이에 이격 공간을 형성한다.
한편, 제 1 열전도 플레이트(10)와 밀착되는 외곽 프레임(210)의 하면 사이에 제 1 실링 부재(300)가 배치되어, 커버 프레임(200) 내측으로 수분이 침투되지 않도록 밀봉한다.
여기서, 제 1 실링 부재(300)는 방수 테이프, 방수 실리콘, 고무나 수지 소재나 접착제 등으로 구성될 수 있으며, 제 1 열전도 플레이트(10)와 외곽 프레임(210) 사이의 밀착성, 밀봉성 및 작업의 편의성을 위하여 방수 테이프로 구현되는 것이 바람직하다.
상부 프레임(220)은 외곽 프레임(210)의 상단에서 제 2 열전도 플레이트(20) 측으로 연장되며, 상면 또는 상하면 모두 하부 방향으로 소정 각도 경사진 경사면을 갖는다. 즉, 상부 프레임(220)의 상면과 외곽 프레임(210)이 이루는 각도는 예각으로 형성된다.
여기서, 상부 프레임(220)의 상면과 외곽 프레임(210)이 이루는 각도는 10도 내지 80도, 바람직하게는 20도 내지 70도, 더욱 바람직하게는 30도 내지 60도 범위로 설정될 수 있다. 이로써, 수용 공간(S)의 부피 및 형상을 결정할 수 있으며, 미비하지만 상부 프레임(220)과 외곽 프레임(210)을 통한 제 1 열전도 플레이트(10)와 제 2 열전도 플레이트(20) 사이의 열교환 경로를 효율적으로 제어할 수 있다. 상부 프레임(220)은 제 1 외곽 프레임(211), 제 2 외곽 프레임(211), 제 3 외곽 프레임(213) 및 제 4 외곽 프레임(214) 각각에서 제 2 열전도 플레이트(20)로 연장되는 제 1 상부 프레임(221), 제 2 상부 프레임(221), 제 3 상부 프레임(223) 및 제 4 상부 프레임(224)을 포함한다.
여기서, 상부 프레임(220)은 제 2 열전도 플레이트(20)의 제 1 측면에 대향하도록 대응되며, 제 2 외곽 프레임(212)은 제 2 열전도 플레이트(20)의 제 2 측면에 대향하도록 대응되며, 제 3 외곽 프레임(213)은 제 2 열전도 플레이트(20)의 제 3 측면에 대향하도록 대응되며, 제 4 외곽 프레임(214)은 제 2 열전도 플레이트(20)의 제 4 측면에 대향하도록 대응된다.
한편, 상술한 바와 같이, 하부 기판(140)은 상부 기판(150)에 비해 제 1 측면이 더욱 연장되며, 연장된 제 1 측면에서 리드선(181, 182)이 하부 전극(161)에 연결될 수 있다. 이때, 리드선(181, 182)이 배치되는 제 1 측 위치에 형성된 제 1 상부 프레임(221)에는 관통홀(220a)이 형성될 수 있으며, 리드선(181, 182)이 관통홀(220a)을 관통하여 커버 프레임(200)의 외부로 노출될 수 있다.
한편, 관통홀(220a)이 형성되는 제 1 상부 프레임(221)은 관통홀(220a) 영역의 확보 및 구조적 강성을 위해 제 3 길이(D3)를 가지며, 이는 제 2 상부 프레임(221), 제 3 상부 프레임(223) 및 제 4 상부 프레임(224)의 제 4 길이(D4)에 크게 형성될 수 있다.
또한, 상부 프레임(220)에서 서로 마주보는 내측 단부는 동일 높이에 형성되어야 하며, 제 1 상부 프레임(221)의 길이(D3)가 다른 측면의 상부 프레임(222, 223, 224)에 비해 길어짐에 따라, 제 1 상부 프레임(221)의 상면과 제 1 외곽 프레임(211)이 이루는 제 1 각도(θ1)는 다른 측면의 상부 프레임(222, 223, 224)의 상면과 다른 측면의 외각 프레임(212, 213, 214)이 이루는 제 2 각도(θ2)에 비해 크게 형성될 수 있다.
한편, 상부 프레임(220)은 제 2 열전도 플레이트(20)의 측면과 소정 거리(D5) 이격 될 수 있다.
또한, 상부 프레임(220)과 제 2 열전도 플레이트(20) 사이에는 제 2 실링 부재(400)가 배치될 수 있다.
제 2 실링 부재(400)는 방수 테이프, 방수 실리콘, 고무나 수지 소재 등의 접착제 등으로 구성될 수 있으며, 경화 전 상부 프레임(220)의 상면(경사면)을 따라 흘러 상부 프레임(220)과 제 2 열전도 플레이트(20) 사이의 이격 틈새로 유입될 수 있는 방수 실리콘 등으로 구현되는 것이 바람직하다.
여기서, 상부 프레임(220)과 제 2 열전도 플레이트(20)의 측면 사이의 이격 거리(D5)는 제 2 실링 부재(400)의 경화 전 점성에 따라 0.1mm 내지 0.5mm 범위로 설정될 수 있다. 이격 거리(D5)가 0.1mm 이하인 경우 제 2 실링 부재(400)가 유입되지 않아 상부 프레임(220)과 제 2 열전도 플레이트(20) 사이의 방수 성능을 신뢰할 수 없으며, 반대로 이격 거리(D5)가 0.5mm 이상인 경우 필요 이상으로 제 2 실링 부재(400)가 유입되어야 상부 프레임(220)과 제 2 열전도 플레이트(20) 사이를 밀봉하는 문제가 발생할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에서 제 2 실링 부재(400)는 경화 후 상부 프레임(220)의 단부에서 제 1 높이(H1)를 가진다. 여기서 제 1 높이(H1)는 제 2 실링 부재(400)가 상부 프레임(220)의 관통홀(220a)에 유입되어 관통홀(220a)과 리드선(180) 사이 틈새를 밀봉하기 위한 최소 높이이다. 즉, 단일 실링 공정으로 제 2 실링 부재(400)가 제 1 커버 프레임(211)과 제 2 열전도 플레이트(20) 측면 사이의 틈새와 관통홀(220a)에 유입되어, 상부 프레임(220) 측의 밀봉을 수행할 수 있다.
이하에서는 도 6을 참조하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전 모듈을 설명한다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전 모듈의 단면도이다.
도 6에 도시된 열전 모듈(2000)은 도 3에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 모듈(1000)에 비해 제 2 실링 부재(400) 및 제 3 실링 부재(500)의 구성이 상이하므로, 이하에서는 차별되는 제 2 실링 부재(400) 및 제 3 실링 부재(500)의 구성에 대해서만 상세히 설명하며 동일한 구성에 중복되는 도면부호에 대해서는 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 열전 모듈(2000)은 제 2 실링 부재(400)는 경화 후 상부 프레임(220)의 단부에서 제 2 높이(H2)를 가진다. 여기서 제 2 높이(H2)는 제 2 실링 부재(400)가 상부 프레임(220)과 제 2 열전도 플레이트(20) 측면 사이의 틈새를 밀봉하기 위한 최소 높이이다. 즉, 제 2 실링 부재(400)의 소비량을 줄일 수 있으며, 제 2 실링 부재(400)를 제 1 높이(H1)까지 충진하지 않아도 되므로, 공정 시간을 단축할 수 있다.
한편, 관통홀(220a)에는 제 3 실링 부재(500)가 충진될 수 있으며, 제 2 실링 부재(400)의 충진 공정에서 함께 충진될 수 있다.
여기서, 제 3 실링 부재(500)는 제 2 실링 부재(400)와 동일한 재질로 구성되며, 제 2 실링 부재(400)와 분리된 구성일 수 있다.
한편, 제 3 실링 부재(500)는 제 2 실링 부재(400)에 비해 열전도성이 우수한 재질로 구성되거나, 열전도성 첨가제를 포함하여 커버 프레임(200) 내부 수용 공간(S)의 열 또는 리드선(180)에서 발생하는 저항열을 외부로 용이하게 배출할 수 있다.
이하에서는 도 7을 참조하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전 모듈을 설명한다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전 모듈의 단면도이다.
도 7에 도시된 열전 모듈(3000)은 도 3에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 모듈(1000)에 비해 제 1 외곽 프레임(211'), 제 1 상부 프레임(221), 관통홀(210a) 및 제 3 실링 부재(510)의 구성이 상이하므로, 이하에서는 차별되는 제 1 외곽 프레임(211'), 제 1 상부 프레임(221), 관통홀(210a) 및 제 3 실링 부재(510)의 구성에 대해서만 상세히 설명하며 동일한 구성에 중복되는 도면부호에 대해서는 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전 모듈(3000)은 제 1 외곽 프레임(211')의 두께(T1)가 제 2 외곽 프레임(212), 제 3 외곽 프레임(213) 및 제 4 외곽 프레임(214)의 두께(T2) 보다 크다.
또한, 상술한 바와 같이, 하부 기판(140)은 상부 기판(150)에 비해 제 1 측면이 더욱 연장되며, 연장된 제 1 측면에서 리드선(180)이 하부 전극(161)에 연결될 수 있다. 이때, 리드선(180)이 배치되는 제 1 측 위치에 형성된 제 1 외곽 프레임(211')에는 관통홀(210a)이 형성될 수 있으며, 리드선(180)이 관통홀(210a)을 관통하여 커버 프레임(200)의 외부로 노출될 수 있다.
상술한 바와 같이, 제 1 열전도 플레이트(10)가 냉각 측(미도시)의 표면에 연결되는 것으로, 제 1 열전도 플레이트(10) 배치 측으로 회로 기판 및 전원 공급 배선을 배치하기 용이하다.
따라서, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전 모듈(3000)에서는 제 1 외곽 프레임(211')에 관통홀(210a)을 형성하고, 리드선(180)을 제 1 외곽 프레임(211') 측으로 바로 추출하여, 리드선(180)의 배선 패턴을 효율적으로 구현할 수 있다.
또한, 관통홀(210a)이 형성된 제 1 외곽 프레임(211')의 두께(T1)를 다른 측의 외곽 프레임(212, 213, 214)의 두께(T2)에 비해 크게 형성하여, 관통홀(210a)에서의 리드선(180)의 단락을 방지할 수 있으며, 제 1 외곽 프레임(211')의 구조적 강성을 유지할 수 있다.
제 3 실링 부재(510)는 제 2 실링 부재(400)와 동일한 재질로 구성되며, 제 2 실링 부재(400)와 분리된 구성일 수 있다.
한편, 제 3 실링 부재(510)는 열전도성이 우수한 재질로 구성되거나, 열전도성 첨가제를 포함하여 커버 프레임(200) 내부 수용 공간(S)의 열 또는 리드선(180)에서 발생하는 저항열을 외부로 용이하게 배출할 수 있다.
여기서, 제3 실링 부재(510)는 경화된 수축 튜브를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 리드선(180)이 제1 외곽 프레임(211')에 형성된 관통홀(210a)을 관통하되, 수축 튜브에 의하여 감싸진 상태에서 관통홀(210a)을 관통할 수도 있다. 이후, 제1 외곽 프레임(211'), 관통홀(210a) 및 수축 튜브 사이는 실링재로 실링된 후 건조될 수 있다. 그리고, 수축 튜브에 펌프를 연결하여 열전 모듈(3000) 내부의 공기를 빼낸 후, 수축 튜브에 열을 가하여 수축 튜브가 수축하도록 할 수 있다. 이에 따라, 열전 모듈(3000) 내부는 진공 상태가 될 수 있다.
실링 부재가 열 경화된 수축 튜브를 포함하는 실시예는 도 7에서 도시한 실시예뿐만 아니라, 본 명세서 내의 다른 실시예에서도 모두 적용될 수 있다.
이하에서는 도 8a 내지 8c를 참조하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전 모듈을 설명한다.
도 8a 내지 도 8c는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전 모듈의 단면도이다.
도 8a 내지 도 8c에 도시된 열전 모듈은 도 3에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 모듈(1000)에 비해 상부 프레임(220)과 제 2 열전도 플레이트(20)의 연결 구조가 상이하므로, 이하에서는 차별되는 상부 프레임(220)과 제 2 열전도 플레이트(20)의 구성에 대해서만 상세히 설명하며 동일한 구성에 중복되는 도면부호에 대해서는 상세한 설명은 생략한다.
우선, 도 8a를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전 모듈은 상부 프레임(220)의 상면과 측면이 이루는 모서리가 높이 방향에서 제 2 열전도 플레이트(20)의 중심에서 이은 가상의 중심선(CL1)과 동일선 상에 위치한다.
이로써, 커버 프레임(200)에 의한 수용 공간(S)을 확장시킬 수 있으며, 상부 프레임(220)과 제 2 열전도 플레이트(20) 사이의 접촉 면적을 확보하여, 열전 모듈의 구조적 신뢰성 및 밀봉 효율을 확보할 수 있다.
또한, 도 8b를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전 모듈은 상부 프레임(220)의 하면과 측면이 이루는 모서리가 제 2 열전도 플레이트(20)의 하면과 동일선 상에 위치한다.
여기서, 상부 프레임(220)의 상면과 측면이 이루는 모서리는 높이 방향에서 제 2 열전도 플레이트(20)의 측면의 중심에서 이은 가상의 중심선(CL1) 보다 하부에 위치하는 것이 구조적 신뢰성을 확보하면서도 상부 프레임(220)과 제 2 열전도 플레이트(20) 사이의 접촉 면적을 최대한으로 축소할 수 있어 바람직하다.
이로써, 커버 프레임(200)에 의한 수용 공간(S)을 확장하고, 상부 프레임(220)과 제 2 열전도 플레이트(20) 사이의 접촉 면적을 확보하여 열전 모듈의 구조적 신뢰성 및 밀봉 효율을 확보하면서, 커버 프레임(200)에 의한 발열면과 흡열면 사이의 열교환을 최대한 효율적으로 방지할 수 있다.
또한, 도 8c를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 열전 모듈은 제 2 열전도 플레이트(20)의 하면이 높이 방향에서 상부 프레임(220)의 중심에서 이은 가상의 중심선(CL2)과 동일선 상에 위치한다.
여기서, 상부 프레임(220)의 상면과 측면이 이루는 모서리는 높이 방향에서 제 2 열전도 플레이트(20)의 측면의 중심에서 이은 가상의 중심선(CL1) 보다 하부에 위치하는 것이 구조적 신뢰성을 확보하면서도 상부 프레임(220)과 제 2 열전도 플레이트(20) 사이의 접촉 면적을 최대한으로 축소할 수 있어 바람직하다.
이로써, 커버 프레임(200)에 의한 발열면과 흡열면 사이의 열교환을 최대한 효율적으로 방지하는 조건에서 최대한 커버 프레임(200)에 의한 수용 공간(S)을 확장하고, 상부 프레임(220)과 제 2 열전도 플레이트(20) 사이의 접촉 면적을 요구 수준 이상으로 확보하여 열전 모듈의 구조적 신뢰성을 확보할 수 있다.
이하에서는 도 9를 참조하여, 본 발명에 따른 열전 소자가 정수기에 적용된 예를 설명한다.
도 9는 본 발명에 따른 열전 소자가 정수기에 적용된 예시도이다.
열전 소자가 적용된 정수기(1)는 원수 공급관(12a), 정수 탱크 유입관(12b), 정수탱크(12), 필터 어셈블리(13), 냉각 팬(14), 축열조(15), 냉수 공급관(15a), 및 열전 모듈(1000)을 포함한다.
원수 공급관(12a)은 수원으로부터 정수 대상인 물을 필터 어셈블리(13)로 유입시키는 공급관이고, 정수 탱크 유입관(12b)은 필터 어셈블리(13)에서 정수된 물을 정수 탱크(12)로 유입시키는 유입관이고, 냉수 공급관(15a)은 정수 탱크(12)에서 열전 모듈(1000)에 의해 소정 온도로 냉각된 냉수가 최종적으로 사용자에게 공급되는 공급관이다.
정수 탱크(12)는 필터 어셈블리(13)를 경유하며 정수되고 정수 탱크 유입관(12b)을 통해 유입된 물을 저장 및 외부로 공급하도록 정수된 물을 잠시 수용한다.
필터 어셈블리(13)는 침전 필터(13a)와, 프리 카본 필터(13b)와, 멤브레인 필터(13c)와, 포스트 카본 필터(13d)로 구성된다.
즉, 원수 공급관(12a)으로 유입되는 물은 필터 어셈블리(13)를 경유하며 정수될 수 있다.
축열조(15)가 정수 탱크(12)와, 열전 모듈(1000)의 사이에 배치되어, 열전 모듈(1000)에서 형성된 냉기가 저장된다. 축열조(15)에 저장된 냉기는 정수 탱크(12)로 인가되어, 정수 탱크(120)에 수용된 물을 냉각시킨다.
냉기 전달이 원활하게 이루어질 수 있도록, 축열조(15)는 정수 탱크(12)와 면접촉될 수 있다.
열전 모듈(1000)은 상술한 바와 같이, 흡열면과 발열면을 구비하며, P 형 반도체 및 N형 반도체 상의 전자 이동에 의해, 일측은 냉각되고, 타측은 가열된다.
여기서, 일측은 정수 탱크(12) 측이며, 타측은 정수 탱크(12)의 반대측일 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이 열전 모듈(1000)은 방수 및 방진 성능이 우수하며, 열 유동 성능이 개선되어, 정수기 내에서 정수 탱크(12)를 효율적으로 냉각할 수 있다.
이하에서는 도 10을 참조하여, 본 발명에 따른 열전 소자가 냉장고에 적용된 예를 설명한다.
도 10은 본 발명에 따른 열전 소자가 냉장고에 적용된 예시도이다.
냉장고는 심온 증발실내에 심온 증발실 커버(23), 증발실 구획벽(24), 메인 증발기(25), 냉각팬(26) 및 열전 모듈(1000)을 포함한다.
냉장고 내는 심온 증발실 커버(23)에 의하여 심온 저장실과 심온 증발실로 구획된다.
상세히, 상기 심온 증발실 커버(23)의 전방에 해당하는 내부 공간이 심온 저장실로 정의되고, 심온 증발실 커버(23)의 후방에 해당하는 내부 공간이 심온 증발실로 정의될 수 있다.
심온 증발실 커버(23)의 전면에는 토출 그릴(23a)과 흡입 그릴(23b) 이 각각 형성될 수 있다.
증발실 구획벽(24)은 인너 캐비닛의 후벽으로부터 전방으로 이격되는 지점에 설치되어, 심온실 저장 시스템이 놓이는 공간과 메인 증발기(25)가 놓이는 공간을 구획한다.
메인 증발기(25)에 의하여 냉각되는 냉기는 냉동실로 공급된 뒤 다시 메인 증발기 쪽으로 되돌아간다.
열전 모듈(1000)은 심온 증발실에 수용되며, 흡열면이 심온 저장실의 서랍 어셈블리 쪽을 향하고, 발열면이 증발기 쪽을 향하는 구조를 이룬다. 따라서, 열전 모듈(1000)서 발생되는 흡열 현상을 이용하여 서랍 어셈블리에 저장된 음식물을 섭씨 영하 50도 이하의 초저온 상태로 신속하게 냉각시키는데 사용될 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이 열전 모듈(1000)은 방수 및 방진 성능이 우수하며, 열 유동 성능이 개선되어, 냉장고 내에서 서랍 어셈블리를 효율적으로 냉각할 수 있다.
이하에서는 도 11 내지 도 13을 참조하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전 소자의 열전 레그의 구현예를 설명한다.
도 11 내지 도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 열전 소자의 열전 레그의 구현예의 예시도이다.
발명의 다른 실시예에서는 상술한 열전 레그의 구조를 벌크형 구조가 아닌 적층형 구조의 구조물로 구현하여 박형화 및 냉각효율을 더욱 향상시킬 수 있도록 할 수 있다.
구체적으로는, 도 11에서의 P형 열전 레그(120) 및 N형 열전 레그의 구조를 시트 형상의 기재에 반도체물질이 도포된 구조물이 다수 적층된 단위 부재로 형성한 후 이를 절단하여 재료의 손실을 막고 전기전도특성을 향상시킬 수 있도록 할 수 있다.
이에 대해서 도 11을 참조하면, 도 11은 상술한 적층 구조의 단위 부재를 제조하는 공정 개념도를 도시한 것이다.
도 11에 따르면, 반도체 소재 물질을 포함하는 재료를 페이스트 형태로 제작하고, 시트, 필름 등의 기재(1110) 상에 페이스트를 도포하여 반도체층(1120)을 형성하여 하나의 단위 부재(1100)를 형성한다. 상기 단위 부재(1100)는 도 11에 도시된 것과 같이 다수의 단위 부재(1100a, 1100b, 1100c)를 적층하여 적층 구조물을 형성하고, 이후 적층 구조물을 절단하여 단위 열전소자(1200)를 형성한다. 즉, 본 발명에 따른 단위 열전소자(1200)는 기재(1110) 상에 반도체층(1120)이 적층된 단위 부재(1100)가 다수가 적층된 구조물로 형성될 수 있다.
상술한 공정에서 기재(1110) 상에 반도체 페이스트를 도포하는 공정은 다양한 방법을 이용하여 구현될 수 있으며, 일예로는 테이프캐스팅(Tape casting), 즉 매우 미세한 반도체 소재 분말을 수계 또는 비수계 용매(solvent)와 결합제(binder), 가소제(plasticizer), 분산제(dispersant), 소포제(defoamer), 계면활성제 중 선택되는 어느 하나를 혼합하여 슬러리(slurry)를 제조한 후 움직이는 칼날(blade) 또는 움직이는 운반 기재 위에 일정한 두께로 목적하는 바에 따라서 성형하는 공정으로 구현될 수 있다. 이 경우 상기 기재의 두께는 10um~100um의 범위의 필름, 시트 등의 자재를 사용할 수 있으며, 도포되는 반도체소재는 상술한 벌크형 소자를 재조하는 P 형 재료 및 N 형 재료를 그대로 적용할 수 있음은 물론이다.
상기 단위 부재(1100)를 다층으로 어라인하여 적층하는 공정은 50~250℃의 온도로 압착하여 적층구조로 형성할 수 있으며, 본 발명의 실시예에서는 이러한 단위 부재(1100)의 적층 수는 2~50개의 범위에서 이루어질 수 있다.
이후, 원하는 형태와 사이즈로 커팅공정이 이루어질 수 있으며, 소결공정이 추가될 수 있다.
상술한 공정에 따라 제조되는 단위 부재(1100)가 다수 적층되어 형성되는 단위 열전소자는 두께 및 형상 사이즈의 균일성을 확보할 수 있다. 즉, 기존의 벌크(Bulk) 형상의 열전소자는 잉곳분쇄, 미세화 볼-밀(ball-mill) 공정 후, 소결한 벌크구조를 커팅하게 되는바, 커팅공정에서 소실되는 재료가 많음은 물론, 균일한 크기로 절단하기도 어려우며, 두께가 3mm~5mm 정도로 두꺼워 박형화가 어려운 문제가 있었으나, 본 발명의 실시형태에 따른 적층형 구조의 단위 열전소자는, 시트형상의 단위 부재를 다층 적층한 후, 시트 적층물을 절단하게 되는바, 재료 손실이 거의 없으며, 소재가 균일한 두께를 가지는바 소재의 균일성을 확보할 수 있으며, 전체 단위 열전소자의 두께도 1.5mm 이하로 박형화가 가능하게 되며, 다양한 형상으로 적용이 가능하게 된다. 최종적으로 구현되는 구조는 도 2a에서 상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 레그의 구조와 같이, 정육면체나 직육면체의 구조로 절단하여 구현할 수 있게 된다.
특히, 본 발명의 다른 실시형태에 따른 단위 열전소자의 제조공정에서, 단위 부재(1100)의 적층구조를 형성하는 공정 중에 각 단위 부재(1100)의 표면에 전도성층을 형성하는 공정을 더 포함하여 구현될 수 있도록 할 수 있다.
즉, 도 11의 (c)의 적층구조물의 단위 부재의 사이 사이에 전도성층을 형성할 수 있다. 상기 전도성층은 반도체층이 형성되는 기재면의 반대면에 형성될 수 있으며, 이 경우 단위 부재의 표면이 노출되는 영역이 형성되도록 패턴화된 층으로 구성할 수 있다. 이는 전면 도포되는 경우에 비하여 전기전도도를 높일 수 있음과 동시에 각 단위 부재 간의 접합력을 향상시킬 수 있게 되며, 열전도도를 낮추는 장점을 구현할 수 있게 된다.
즉, 도 12에 도시된 것은 본 발명의 실시형태에 따른 전도성층(C)의 다양한 변형예를 도시한 것으로, 단위 부재의 표면이 노출되는 패턴이라 함은 도 12의 (a), (b)에 도시된 것과 같이, 폐쇄형 개구패턴(c1, c2)을 포함하는 메쉬 타입 구조 또는 도 12의 (c), (d)에 도시된 것과 같이, 개방형 개구패턴(c3, c4)을 포함하는 라인 타입 등으로 다양하게 변형하여 설계될 수 있다. 이상의 전도성층은 단위 부재의 적층구조로 형성되는 단위 열전소자의 내부에서 각 단위 부재 간의 접착력을 높이는 것은 물론, 단위 부재 간 열전도도를 낮추며, 전기전도도는 향상시킬 수 있게 하는 장점이 구현되며, 종래 벌크형 열전소자 대비 냉각용량(Qc) 및 △T() 가 개선되며, 특히 파워 팩터(Power factor)가 1.5배, 즉 전기전도도가 1.5배 상승하게 된다. 전기전도도의 상승은 열전효율의 향상과 직결되는바, 냉각효율을 증진하게 된다. 상기 전도성층은 금속물질로 형성할 수 있으며, Cu, Ag, Ni 등의 재질의 금속계열의 전극물질은 모두 적용이 가능하다.
도 11에서 상술한 적층형 구조의 단위 열전 레그를 도 2에 도시된 열전 소자에 적용하는 경우, 즉 하부 기판(140)과 상부 기판(150)의 사이에 본 발명의 실시예에 따른 열전소자를 배치하고, 전극층을 포함하는 구조의 단위 셀로 열전 모듈을 구현하는 경우 전체 두께(Th)는 1.mm~1.5mm의 범위로 형성이 가능하게 되는바, 기존 벌크형 소자를 이용하는 것에 비해 현저한 박형화를 실현할 수 있게 된다.
또한, 도 13에 도시된 것과 같이, 도 11에서 상술한 열전소자는 도 13의 (a)에 도시된 것과 같이, 상부 방향 및 하부방향으로 수평하게 배치될 수 있도록 어라인하여, (c)와 같이 절단하여, 본 발명의 실시예에 따른 열전소자를 구현할 수도 있다.
이러한 도 13의 (c)의 구조는, 상부 기판 및 하부 기판과 반도체층 및 기재의 표면이 인접하도록 배치되는 구조로 열전 모듈을 형성할 수 있으나, (b)에 도시된 것과 같이, 열전소자 자체를 수직으로 세워, 단위 열전소자의 측면부가 상기 상부 및 하부 기판에 인접하게 배치되도록 하는 구조도 가능하다. 이와 같은 구조에서는 수평배치구조보다 측면 부에 전도층의 말단부가 노출되며, 수직방향의 열전도 효율을 낮추는 동시에 전기전도특성을 향상할 수 있어 냉각효율을 더욱 높일 수 있게 된다.
상술한 것과 같이, 다양한 실시형태로 구현이 가능한 본 발명의 열전 모듈에 적용되는 열전소자에서, 상호 대향하는 P형 열전 레그 및 N형 열전 레그의 형상 및 크기는 동일하게 이루어지나, 이 경우 P형 열전 레그의 전기전도도와 N형 열전 레그의 전기전도도 특성이 서로 달라 냉각효율을 저해하는 요소로 작용하게 되는 점을 고려하여, 어느 한쪽의 체적을 상호 대향하는 다른 반도체소자의 체적과는 상이하게 형성하여 냉각성능을 개선할 수 있도록 하는 것도 가능하다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 제 1 열전도 플레이트 20: 제 2 열전도 플레이트
100: 열전 소자
120: P형 열전 레그 130: N형 열전 레그
140: 하부 기판 150: 상부 기판
161: 하부 전극 162: 상부 전극
200: 커버 프레임

Claims (19)

  1. 제 1 열전도 플레이트;
    상기 제 1 열전도 플레이트 상에 배치되는 열전 소자;
    상기 열전 소자 상에 배치되는 제 2 열전도 플레이트; 및
    상기 제 1 열전도 플레이트 상에 배치되며, 수용 공간을 형성하여 상기 수용 공간에 상기 열전 소자를 수용하는 커버 프레임; 을 포함하고,
    상기 열전 소자는
    제 1 절연층;
    상기 제 1 절연층 상에 배치된 복수의 열전 레그;
    상기 복수의 열전 레그 상에 배치되는 제 2 절연층; 및
    상기 제 1 절연층과 상기 복수의 열전 레그 사이에 배치되는 복수의 제 1 전극과 상기 제 2 절연층과 상기 복수의 열전 레그 사이에 배치되는 복수의 제 2 전극을 포함하는 전극; 을 포함하고,
    상기 커버 프레임은
    상기 제 1 열전도 플레이트 상에서 상기 열전 소자와 이격 되도록 배치된 외곽 프레임; 및
    상기 외곽 프레임의 상단에서 상기 제 2 열전도 플레이트를 향하여 하부 방향으로 연장된 상부 프레임; 을 포함하고,
    상기 상부 프레임의 상면과 상기 제2 열전도 플레이트의 측면 사이에 배치된 제1 실링부재를 더 포함하는 열전 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 외곽 프레임과 상기 상부 프레임의 상면이 이루는 각도는 예각인 열전 모듈.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 외곽 프레임과 상기 제 1 열전도 플레이트 사이에 배치된 제 2 실링 부재를 포함하는 열전 모듈.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 상부 프레임의 말단과 상기 제 2 열전도 플레이트의 측면은 이격 공간을 형성하며,
    상기 제 1 실링 부재는 상기 이격 공간에 더 배치된 열전 모듈.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 열전 소자와 전기적으로 연결되는 복수의 리드선을 더 포함하고,
    상기 복수의 리드선 중 적어도 하나는 상기 외곽 프레임의 관통홀 또는 상기 상부 프레임의 관통홀을 관통하는 열전 모듈.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 2 열전도 플레이트는 제 1 측면, 제 2 측면, 제 3 측면 및 제 4 측면을 포함하고,
    상기 상부 프레임은
    상기 제 2 열전도 플레이트의 제 1 측면에 대응하는 제 1 상부 프레임,
    상기 제 2 열전도 플레이트의 제 2 측면에 대응하는 제 2 상부 프레임,
    상기 제 2 열전도 플레이트의 제 3 측면에 대응하는 제 3 상부 프레임 및
    상기 제 2 열전도 플레이트의 제 4 측면에 대응하는 제 4 상부 프레임을 포함하고,
    상기 제 1 상부 프레임의 길이는 상기 제 2 상부 프레임, 상기 제 3 상부 프레임 및 상기 제 4 상부 프레임의 길이 보다 긴 열전 모듈.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 상부 프레임의 관통홀은 상기 제 1 상부 프레임에 배치된 열전 모듈.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 상부 프레임의 상면과 상기 외곽 프레임이 이루는 제 1 각도는 상기 제 2 상부 프레임의 상면, 상기 제 3 상부 프레임의 상면 및 상기 제 4 상부 프레임의 상면과 상기 외곽 프레임이 이루는 제 2 각도 보다 큰 열전 모듈.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 절연층은 제 1 측면, 제 2 측면, 제 3 측면 및 제 4 측면을 포함하고,
    상기 외곽 프레임은
    상기 제 1 절연층의 제 1 측면에 대응하는 제 1 외곽 프레임,
    상기 제 1 절연층의 제 2 측면에 대응하는 제 2 외곽 프레임,
    상기 제 1 절연층의 제 3 측면에 대응하는 제 3 외곽 프레임 및
    상기 제 1 절연층의 제 4 측면에 대응하는 제 4 외곽 프레임을 포함하고,
    상기 제 1 외곽 프레임의 두께는 상기 제 2 외곽 프레임, 상기 제 3 외곽 프레임 및 상기 제 4 외곽 프레임의 두께 보다 큰 열전 모듈.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 외곽 프레임의 관통홀은 상기 제 1 외곽 프레임에 배치된 열전 모듈.
  12. 제 6 항에 있어서,
    상기 관통홀과 상기 복수의 리드선 중 적어도 하나 사이에 배치된 제 3 실링 부재를 더 포함하는 열전 모듈.
  13. 제 4 항에 있어서,
    높이 방향에서 상기 제 2 열전도 플레이트의 측면의 중심은 상기 상부 프레임의 상면과 측면이 이루는 모서리와 동일선 상에 배치한 열전 모듈.
  14. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 2 열전도 플레이트의 하면과 측면이 이루는 모서리는 상기 상부 프레임의 하면과 측면이 만나는 모서리와 동일선 상에 배치한 열전 모듈.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 상부 프레임의 상면과 측면이 이루는 모서리는 높이 방향에서 상기 제 2 열전도 플레이트의 측면의 중심 보다 하부에 배치한 열전 모듈.
  16. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 2 열전도 플레이트의 하면과 측면이 이루는 모서리는 높이 방향에서 상기 상부 프레임의 측면의 중심과 동일선 상에 배치한 열전 모듈.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 상부 프레임의 상면과 측면이 이루는 모서리는 높이 방향에서 상기 제 2 열전도 플레이트의 측면의 중심 보다 하부에 배치한 열전 모듈.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 제1 열전도 플레이트의 면적은 상기 제2 열전도 플레이트의 면적보다 큰 열전 모듈.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 제1 열전도 플레이트는 상기 열전 소자의 고온부에 배치되고, 상기 제2 열전도 플레이트는 상기 열전 소자의 저온부에 배치되는 열전 모듈.
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