KR102120273B1 - 열전 모듈 및 열전 발전장치 - Google Patents

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Abstract

열전 모듈 및 열전 발전장치 가 개시된다. 열전 모듈은, 제1 전극이 설치된 제1 기판과, 제1 기판에 대향하게 배치되며 제2 전극이 설치된 제2 기판과, 제1 기판과 제2 기판의 사이에 배치되어 제1 전극과 제2 전극에 전기적으로 연결되는 복수개의 열전 소자를 포함한다. 여기서, 열전 소자는, 은(Ag)을 포함하는 접합층으로 접합되어 제1 기판과 제2 기판의 사이에 전기적으로 연결할 수 있다.

Description

열전 모듈 및 열전 발전장치{THERMOELECTRIC MODULE AND THERMOELECTRIC GENERATOR}
본 발명은 열전 모듈의 품질 향상과 열적 안정성이 향상되는 열전 모듈 및 열전 발전장치에 관한 것이다.
일반적으로 고체 상태인 재료의 양단에 온도차가 있으면 열 의존성을 갖는 캐리어(전자 혹은 홀)의 농도 차이가 발생하고, 이것은 열기전력(Thermo-electromotive force)이라는 전기적인 현상, 즉 열전 현상으로 나타난다.
이와 같이 열전 현상은 온도의 차이와 전기 전압 사이의 직접적인 에너지 변환을 의미한다.
이러한 열전 현상은 전기적 에너지를 생산하는 열전 발전과, 전기 공급에 의해 양단의 온도차를 유발하는 열전 냉각/가열로 구분할 수 있다.
열전 현상을 보이는 열전 재료, 즉 열전 반도체는 발전과 냉각 과정에서 친환경적이고 지속가능한 장점이 있어서 많은 연구가 이루어지고 있다.
더욱이, 산업 폐열, 자동차 폐열 등에서 직접 전력을 생산해낼 수 있어 연비 향상이나 CO2 감축 등에 유용한 기술로서, 열전 재료에 대한 관심은 더욱 높아지고 있다.
열전 모듈은, 홀 캐리어(hole carrier)에 의해 전류가 흐르는, p형 열전 소자(thermoelectric element: TE)와, 전자(electron)에 의해서 전류가 흐르는, n형 열전 소자로 이루어진 p-n 열전 소자 1쌍이 기본 단위를 이룰 수 있다. 또한, 열전 모듈은 p형 열전 소자와 n형 열전 소자 사이를 연결하는 전극을 구비할 수 있다.
열전 소자는 일반적으로 봉형 또는 기둥형 구조로 형성되고, 일단을 고온으로 유지하고 타단을 저온으로 유지한 상태로, 온도차에 비례한 전력을 얻을 수 있다.
이러한 열전 소자에 이용하는 열전 재료는 성능을 최적으로 하는 사용 온도 범위가 있고, 사용 온도에서 발전 출력 또는 발전 효율을 최대로 하기 위해 복수의 열전 재료를 온도차를 따르도록 접합해 이용한다. 여기서, 열전 재료를 기계 구조적으로도 전기적으로도 직렬로 접합해서 이루어지는 소자를 세그먼트 열전 소자라고 부른다.
한편, 스쿠테르다이트(Skutterudite)계 열전 재료와 BiTe계 열전 재료는 소결 온도가 서로 상이한 바, 서로간에 접합되어 열전 소자로 제조되는 과정에서 열전 모듈의 품질 저하와 열적 안정성이 저하될 수 있는 문제점이 있다.
본 발명의 일 실시예는, 열전 모듈의 출력과 효율 특성 향상과 열적 안정성이 향상되는 열전 모듈 및 열전 발전장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예는, 제1 전극이 설치된 제1 기판과, 제1 기판에 대향하게 배치되며 제2 전극이 설치된 제2 기판과, 제1 기판과 제2 기판의 사이에 배치되어 제1 전극과 제2 전극에 전기적으로 연결되는 복수개의 열전 소자를 포함한다.
열전 소자는, 은(Ag)을 포함하는 접합층으로 소결 접합되어 제1 기판과 제2 기판의 사이에 전기적으로 연결할 수 있다.
열전 소자는, 제1 기판과 제2 기판의 사이에 전기적으로 연결되는 제1 열전 소자와, 제1 기판과 제2 기판의 사이에서 제1 열전 소자에 이격된 상태로 전기적으로 연결되는 제2 열전 소자를 포함할 수 있다.
제1 열전 소자는 적어도 2개 이상이 상기 접합층으로 서로간에 연결될 수 있다.
제1 열전 소자는, 제1 전극에 전기적으로 연결되는 제1 스쿠테르다이트(Skutterudite)계 열전 소자와, 제2 전극에 전기적으로 연결되며 제1 스쿠테르다이트(Skutterudite)계 열전 소자에 접합층으로 연결되는 제1 BiTe계 열전 소자를 포함할 수 있다.
제1 열전 소자의 양측은 제1 전극과 제2 전극에 각각 접합층으로 전기적으로 연결될 수 있다.
제2 열전 소자는 적어도 2개 이상이 접합층으로 서로간에 연결될 수 있다.
제2 열전 소자는, 제1 전극에 전기적으로 연결되는 제2 스쿠테르다이트(Skutterudite)계 열전 소자와, 제2 스쿠테르다이트(Skutterudite)계 열전 소자에 접합층으로 연결되어 제2 전극에 전기적으로 연결되는 제2 BiTe계 열전 소자를 포함할 수 있다.
제2 열전 소자의 양측은 제1 전극과 제2 전극에 각각 접합층으로 전기적으로 연결될 수 있다.
제1 열전 소자는 p형 열전반도체이고, 제2 열전 소자는 n형 열전 반도체일 수 있다.
제1 기판과 제1 열전 소자의 사이에는 위치되는 확산 방지층을 더 포함할 수 있다.
제2 기판과 제2 열전 소자의 사이에 위치되는 확산 방지층을 더 포함할 수 있다.
제1 스쿠테르다이트(Skutterudite)계 열전 소자와 제1 BiTe계 열전 소자의 사이에는 확산 방지층이 위치될 수 있다.
제2 스쿠테르다이트(Skutterudite)계 열전 소자와 제2 BiTe계 열전 소자의 사이에는 확산 방지층이 위치될 수 있다.
확산 방지층은, 니켈(Ni), 코발트(Co), 루터니움(Ru), 탄탈륨(Ta), 헤리듐(Hr), 네오디움(Nd), 주석(TiN), 지르코늄(Zr), 타이타늄(Ti), 몰리브덴(Mo) 및 Mo-Ti로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예의 열전 발전장치는 열전 모듈을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예의 열전 발전 장치는, 열전 모듈에 연결되는 적어도 하나 이상의 고온 블록과, 고온 블록에 대향하는 측면에서 열전 모듈에 연결되는 저온 블록과, 고온 블록과 저온 블록에 설치되는 방열부재를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 은(Ag)을 포함하는 페이스트를 사용하여, 제1 열전소자와 제2 열전 소자를 소결 접합함으로써, 열전 모듈의 출력 및 효율 특성과 열적 안정성이 향상될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 열전 모듈의 출력 및 효율 특성의 향상에 따라 열전 발전 장치의 발전 출력과 발전 효율의 향상이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 모듈의 uni-couple을 개략적으로 도시한 요부 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 모듈의 출력 특성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 모듈의 효율 특성을 개략적으로 도시한 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 모듈의 uni-couple을 개략적으로 도시한 요부 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 모듈의 uni-couple(100)은, 제1 기판(10)과, 제1 전극(11)이 설치된 제1 기판(10)과, 제1 기판(10)에 대향하게 배치되며 제2 전극(21)이 설치된 제2 기판(20)과, 제1 기판(10)과 제2 기판(20)의 사이에 배치되어 제1 전극(11)과 제2 전극(21)에 전기적으로 연결되는 복수개의 열전 소자(30)를 포함한다. 여기서, 열전 소자(30)는, 은(Ag)을 포함하는 접합층(40)으로 접합될 수 있다.
제1 기판(10)과 제2 기판(20)은 열전 소자(30)를 사이에 두고 양측에 각각 배치되어 열전 소자를 지지하도록 설치될 수 있다.
제1 기판(10)은 본 실시예에서 고온부로 적용될 수 있다. 이러한 제1 기판(10)은 열전 소자와 대면하는 방향이 편평하게 형성되어 열전 소자를 안정적으로 지지할 수 있다.
제1 기판(10)은 alumina, AIN 등의 세라믹 재질로 형성될 수 있다.
제2 기판(20)은 본 실시예에서 저온부로 적용될 수 있다. 이러한 제2 기판(20)은열전 소자(30)를 사이에 두고 제1 기판(10)에 대향하는 위치에 설치되는 것으로, 제1 기판(10)과 함께 열전 소자(30)를 안정적으로 지지할 수 있다.
제2 기판(20)은, alumina, AIN 등의 세라믹 재질로 형성될 수 있다.
이러한 제2 기판(20)에는 방열 효율의 향상을 위해 방열부재(미도시)가 형성되는 것도 가능하다.
한편, 열전 소자(30)는 제1 전극(11)과 제2 전극(21)에 의해 제1 기판(10)과 제2 기판(20)의 사이에 전기적으로 연결된 상태로 배치될 수 있다.
이러한 열전 소자(30)는, 제1 기판(10)과 제2 기판(20)의 사이에 전기적으로 연결되는 제1 열전 소자(31)와, 제1 기판(10)과 제2 기판(20)의 사이에서 제1 열전 소자(31)에 이격된 상태로 전기적으로 연결되는 제2 열전 소자(33)를 포함할 수 있다.
제1 열전 소자(31)는, 적어도 2개 이상이 접합층(40)으로 서로간에 접합된 상태로 제1 기판(10)과 제2 기판(20)의 사이에 설치될 수 있다.
제1 열전 소자(31)는 양측의 제1 전극(11)과 제2 전극(21)에 연결되는 부분이 접합층(40)으로 전기적으로 연결되는 것도 가능하다.
이러한 제1 열전 소자(31)는 p형 열전 반도체로 형성되는 것으로, 제1 전극(11)에 전기적으로 연결되는 제1 스쿠테르다이트(Skutterudite)계 열전 소자(31a)와, 제2 전극(21)에 전기적으로 연결되는 제1 BiTe계 열전 소자(31b)를 포함할 수 있다.
즉, 제1 열전 소자(31)는, 제1 기판(10)에 전기적으로 연결되는 부분에 상대적으로 고온 영역에서 성능 효율이 극대화되는 제1 스쿠테르다이트(Skutterudite)계 열전 소자(31a)가 위치 할 수 있다.
그리고, 제1 열전 소자(31)는 제2 기판(20)에 전기적으로 연결되는 부분에 상대적으로 저온 영역에서 성능 효율이 극대화되는 제1 BiTe계 열전 소자(31b)가 위치할 수 있다.
이러한 제1 열전 소자(31)는 제1 스쿠테르다이트(Skutterudite)계 열전 소자(31a)와 제1 BiTe계 열전 소자(31b)가 접합층(40)에 의해 접합될 수 있다.
즉, 접합층(40)은 은(Ag)이 포함된 페이스트로 형성된 상태로 제1 스쿠테르다이트(Skutterudite)계 열전 소자(31a)와 제1 BiTe계 열전 소자(31b)를 소결 접합할 수 있다.
여기서, 제1 스쿠테르다이트(Skutterudite)계 열전 소자(31a)와 제1 BiTe계 열전 소자(31b)는 제1 기판(10)과 제2 기판(20)에 전기적으로 연결되기 이전에 접합층(40)에 의해 소결 접합될 수 있다.
한편, 제1 스쿠테르다이트(Skutterudite)계 열전 소자(31a)와 제1 BiTe계 열전 소자(31b)의 사이에는 확산 방지층(50)이 위치되는 것도 가능하다. 확산 방지층(50)은 열전 재료가 서로간에 확산되는 것을 방지하도록 형성될 수 있다.
이러한 확산 방지층(60)은, 니켈(Ni), 코발트(Co), 루터니움(Ru), 탄탈륨(Ta), 헤리듐(Hr), 네오디움(Nd), 주석(TiN), 지르코늄(Zr), 타이타늄(Ti), 몰리브덴(Mo) 및 Mo-Ti로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하여 형성될 수 있다.
확산 방지층(50)은 제1 스쿠테르다이트(Skutterudite)계 열전 소자(31a)와 제1 BiTe계 열전 소자(31b)의 사이 위치에 형성되는 것으로 한정되지 않고, 제1 기판(10)과 제1 열전 소자(31)의 사이와 제2 기판(20)과 제1 열전 소자(31)의 사이 위치에 형성되는 것도 가능하다.
제2 열전 소자(33)는 제1 열전 소자(31)의 형상과 동일 또는 유사한 형상으로 형성되어 제1 열전 소자(31)로부터 이격된 상태로 제1 기판(10)과 제2 기판(20)의 사이에 위치될 수 있다. 물론 제2 열전 소자(33)는 발전 효율의 향상을 위해 적절한 크기 또는 형상으로 변경 적용되는 것도 가능하다.
이러한 제2 열전 소자(33)는, n형 열전반도체로 형성되는 것으로, 제1 전극(11)에 전기적으로 연결되는 제2 스쿠테르다이트(Skutterudite)계 열전 소자(33a)와, 제2 전극(21)에 전기적으로 연결되는 제2 BiTe계 열전 소자(33b)를 포함할 수 있다.
즉, 제2 열전 소자(33)는, 제1 기판(10)에 전기적으로 연결되는 부분에 상대적으로 고온 영역에서 성능 효율이 극대화되는 제2 스쿠테르다이트(Skutterudite)계 열전 소자(33a)가 위치할 수 있다.
그리고, 제2 열전 소자(33)는 제2 기판(20)에 전기적으로 연결되는 부분에 상대적으로 저온 영역에서 성능 효율이 극대화되는 제2 제1 BiTe계 열전 소자(31b)가 위치할 수 있다.
이러한 제2 열전 소자(33)는 제2 스쿠테르다이트(Skutterudite)계 열전 소자(33a)와 제2 BiTe계 열전 소자(33b)가 접합층(40)에 의해 접합될 수 있다.
즉, 접합층(40)은 은(Ag)이 포함된 페이스트로 형성된 상태로 제2 스쿠테르다이트(Skutterudite)계 열전 소자(33a)와 제2 BiTe계 열전 소자(33b)를 소결 접합할 수 있다.
여기서, 제2 스쿠테르다이트(Skutterudite)계 열전 소자(33a)와 제2 BiTe계 열전 소자(33b)는 제1 기판(10)과 제2 기판(20)에 전기적으로 연결되기 이전에 접합층(40)에 의해 소결 접합될 수 있다.
한편, 제2 스쿠테르다이트(Skutterudite)계 열전 소자(33a)와 제2 BiTe계 열전 소자(33b)의 사이에는 확산 방지층(50)이 위치되는 것도 가능하다. 확산 방지층(50)은 열전 재료가 서로간에 확산되는 것을 방지하도록 형성될 수 있다.
확산 방지층(50)은 제2 스쿠테르다이트(Skutterudite)계 열전 소자(33a)와 제2 BiTe계 열전 소자(33b)의 사이 위치에 형성되는 것으로 한정되지 않고, 제1 기판(10)과 제1 열전 소자(31)의 사이와 제2 기판(20)과 제1 열전 소자(31)의 사이 위치에 형성되는 것도 가능하다.
전술한 바와 같이, 본 실시예의 열전 모듈의 uni-couple(100)은, 은(Ag)을 포함하는 페이스트를 사용하여, 제1 열전소자와 제2 열전 소자를 소결 접합함으로써, 열전 모듈의 출력 및 효율 특성과 열적 안정성이 향상될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 모듈의 출력 특성을 개략적으로 도시한 그래프이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 모듈의 효율 특성을 개략적으로 도시한 그래프이다.
즉, 도 2와 도 3은 열전 모듈의 uni-couple(100) 31pair로 구성된 열전 모듈을 제조한 후 온도차에 따라 segment 모듈의 출력 및 효율 특성을 도시한 그래프이다.
구체적으로 도 2에서 보는 바와 같이 고온부와 저온부 온도 차이 281 ˚C, 356 ˚C, 447 ˚C에서 각각 7.49W, 11.52W, 15.54W의 발전 출력을 얻었다.
이때 각 온도 차에서 Voc (open circuit Voltage)는 3.06V, 3.94V, 4.73V 이었다.
또한 도 3에서 보는 것처럼 발전효율을 측정한 결과 상기 각각의 온도 차에서 8.99%, 10.32%, 10.72%의 고효율을 얻는 것을 알 수 있다.
일반적으로 스쿠테르다이트(Skutterudite)계 열전 소자의 발전 효율이 6.5% 수준인 것을 감안하면, 상기 segment 열전소자는 상당히 높은 발전 효율을 갖는 것을 확인할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 열전 발전 장치는, 열전 모듈에 연결되는 적어도 하나 이상의 고온 블록과, 고온 블록에 대향하는 측면에서 열전 모듈에 연결되는 저온 블록과, 저온 블록에 설치되는 방열부재를 포함할 수 있다.
따라서, 열전 모듈의 출력 향상과 효율 특성이 향상되는 바, 열전 발전 장치의 발전 효율의 향상이 가능하다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
10...제1 기판 11...제1 전극
20...제1 기판 30...열전 소자
31...제1 열전 소자 33...제2 열전 소자
40...접합층 50...확산 방지층

Claims (16)

  1. 제1 전극이 설치된 제1 기판;
    상기 제1 기판에 대향하게 배치되며 제2 전극이 설치된 제2 기판; 및
    상기 제1 기판과 상기 제2 기판의 사이에 배치되어 상기 제1 전극과 상기 제2 전극에 전기적으로 연결되는 복수개의 열전 소자;
    를 포함하고,
    상기 열전 소자는, 은(Ag)을 포함하는 접합층으로 소결 접합되어 상기 제1 기판과 상기 제2 기판의 사이에 전기적으로 연결되고,
    상기 열전 소자는,
    상기 제1 기판과 상기 제2 기판의 사이에 전기적으로 연결되는 제1 열전 소자; 및
    상기 제1 기판과 상기 제2 기판의 사이에서 상기 제1 열전 소자에 이격된 상태로 전기적으로 연결되는 제2 열전 소자를 포함하며,
    상기 제1 열전 소자는,
    상기 제1 전극에 전기적으로 연결되는 제1 스쿠테르다이트(Skutterudite)계 열전 소자와, 상기 제2 전극에 전기적으로 연결되며 상기 제1 스쿠테르다이트(Skutterudite)계 열전 소자에 상기 접합층으로 연결되는 제1 BiTe계 열전 소자를 포함하는, 열전 모듈.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 열전 소자의 양측은 상기 제1 전극과 상기 제2 전극에 각각 상기 접합층으로 전기적으로 연결되는, 열전 모듈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2 열전 소자는 적어도 2개 이상이 상기 접합층으로 서로간에 연결되는, 열전 모듈.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제2 열전 소자는,
    상기 제1 전극에 전기적으로 연결되는 제2 스쿠테르다이트(Skutterudite)계 열전 소자와, 상기 제2 스쿠테르다이트(Skutterudite)계 열전 소자에 상기 접합층으로 연결되어 상기 제2 전극에 전기적으로 연결되는 제2 BiTe계 열전 소자를 포함하는, 열전 모듈.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제2 열전 소자의 양측은 상기 제1 전극과 상기 제2 전극에 각각 상기 접합층으로 전기적으로 연결되는, 열전 모듈.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 열전 소자는 p형 열전반도체이고, 상기 제2 열전 소자는 n형 열전 반도체인, 열전 모듈.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 기판과 상기 제1 열전 소자의 사이에는 위치되는 확산 방지층을 더 포함하는, 열전 모듈.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제2 기판과 상기 제2 열전 소자의 사이에 위치되는 확산 방지층을 더 포함하는, 열전 모듈.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제1 스쿠테르다이트(Skutterudite)계 열전 소자와 상기 제1 BiTe계 열전 소자의 사이에는 확산 방지층이 위치되는, 열전 모듈.
  13. 제7항에 있어서,
    상기 제2 스쿠테르다이트(Skutterudite)계 열전 소자와 상기 제2 BiTe계 열전 소자의 사이에는 확산 방지층이 위치되는, 열전 모듈.
  14. 제10항 내지 제13항 중의 어느 한 항에 있어서,
    상기 확산 방지층은,
    니켈(Ni), 코발트(Co), 루터니움(Ru), 탄탈륨(Ta), 헤리듐(Hr), 네오디움(Nd), 주석(TiN), 지르코늄(Zr), 타이타늄(Ti), 몰리브덴(Mo) 및 Mo-Ti로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는, 열전 모듈.
  15. 제1항의 상기 열전 모듈을 포함한, 열전 발전장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 열전 모듈에 연결되는 적어도 하나 이상의 고온 블록과, 상기 고온 블록에 대향하는 측면에서 상기 열전 모듈에 연결되는 저온 블록과, 상기 고온 블록과 상기 저온 블록에 설치되는 방열부재를 포함하는, 열전 발전 장치.
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